环境化学-第四章

第四章土壤环境化学第一节土壤的形成和基本环境机能土壤在地理环境中的地位土壤的形成和发育示意生物对土壤形成的作用土壤的形成•土壤是一种独立的自然体，它是在各种成土因素非常复杂的相互作用下形成的。•对于土壤的形成来说，各种成土因素具有同等重要性和相互不可替代性。其中生物起着主导作用。土壤是一定时期内，在一定的气候和地形条件下，生物体作用于成土母质而形成的。土壤的基本环境机能••培育植物•推动物质循环•土壤的基本环境机能保存水资源•防止灾害•自净能力第二节土壤的组成土壤的组成土壤的组成理想土壤组分的体积分数土壤矿物质•土壤矿物质是土壤的主要组成物质，构成土壤的骨骼。土壤矿物质主要来自成土母质，母质又起源于岩石。•土壤矿物质主要包括原生矿物和次生矿物。•原生矿物是指来自岩石母质的组成与结构没有发生变化的矿物。•次生矿物则是指在成土过程中形成的新矿物。土壤有机质•土壤有机质是指土壤中动植物残体和微生物体及其分解和合成的物质。•土壤有机质包括两大类，一类是动植物残体及其分解的中间产物，占有机质总量的30%~40%；第二类为土壤腐殖质，占土壤有机质的60%~70%。•有机质对于土壤肥力的形成具有非常重要的作用：土壤有机质（1）土壤有机质含有丰富的植物所需要的营养元素，不断供应植物吸收利用；（2）土壤有机质具有很强的代换能力，可以大量吸收、保存植物养分，以免淋溶损失；（3）土壤有机酸和氨基酸是络合剂，与钙、镁、铁、铝形成稳定的络合物，能提高无机磷酸盐的溶解性，从而便于植物的吸收；土壤有机质（4）土壤中腐殖质与金属离子形成络合物的能力较强，有活化土壤微量元素的作用；（5）土壤有机胶体中的有机弱酸，其盐类具有两性胶体的作用，有缓冲酸碱化的作用；（6）腐殖质是胶结剂，能使土壤形成良好的团粒结构，改善土壤耕性；（7）腐殖质色暗，可增加土壤吸热力，同时其导热性小，有利于保温。土壤生物土壤生物的功能（1）分解有机物质，直接参与碳、氮、硫、磷等元素的生物循环，使植物需要的营养元素从有机质中释放出来，重新供植物利用。（2）参与腐殖质的合成和分解作用。（3）某些微生物具有固定空气中氮，溶解土壤中难溶性磷和分解含钾矿物等的能力，从而改善植物的氮、磷、钾的营养状况。（4）土壤生物的生命活动产物如生长刺激素和维生素等能促进植物的生长。（5）参与土壤中的氧化还原过程。土壤水分•土壤水是土壤重要的组成成分和重要的肥力因素。它不仅是植物生活的必需的物质，而且还是土壤系统中物质与能量的流动介质。•土壤水主要来源于大气降水、地下水、灌溉水和大气凝结水，而主要损耗于土壤蒸发、植物吸收、植物蒸腾和水的渗漏与径流。土壤水分的循环土壤水分•土壤水可以划分为吸湿水、毛管水和重力水。•吸湿水是指土壤颗粒表面张力所吸附的水汽分子。•毛管水是指毛管空隙中毛管力吸附保存的水。•重力水是指土壤含水量超过土壤持水量时沿非毛管空隙下移的多余的水。土壤溶液•由土壤水分和其中所含溶质组成的溶液称作土壤溶液。•溶液中的组成物质有以下几类：①不纯净的降水及其土壤中接纳的氧气、二氧化碳、氮气等溶解性气体。②有机化合物类，如各种单糖、多糖、蛋白质及其衍生物类。③无机盐类，通常是钙、镁、钠等。④无机胶体类，如各种粘粒矿物和铁、铝三氧化物。⑤络合物类，如铁、铝有机络合物。土壤空气•土壤空气是指土壤孔隙中存在的各种气体混合物。土壤空气与大气组成的比较土壤空气大气CO20.15%~0.65%0.033%O210.36%~20.73%20.96%H2O＞70%＜4%N278%~86%78.1%第三节土壤的基本性质土壤的吸附特性•土壤中因含有土壤胶体而具有吸附性。无机胶体•土壤胶体有机胶体无机-有机复合胶体土壤中具有胶体性质的微细颗粒土壤胶体的性质（1）具有巨大的比表面和表面能：土壤胶体由于颗粒细小，因而具有巨大的表面积。（2）电荷性质：土壤胶体带有一定电荷，所带电荷性质主要决定于胶粒表面固定离子的性质。溶胶（3）凝聚性和分散性凝胶土壤胶体表面带有电荷•正电荷：（1）土壤中含水的Fe、Al氧化物在酸性条件下解离；（2）高岭石裸露在外的铝氧八面体在酸性条件下的质子化；（3）有机质—NH2在酸性条件下质子化；（4）同晶置换。土壤胶体表面带有电荷•负电荷：（1）土壤中含水的Fe、Al氧化物在碱性条件下解离；（2）粘土矿物表面-OH在碱性条件下的解离；（3）腐殖质某些功能团的解离；（4）同晶置换。（5）含水氧化硅的解离。800-900土壤的吸收性能（1）土壤机械吸收性能：土壤对物体的机械阻留，其大小主要取决于土壤的孔隙状况。（2）土壤物理吸收性能：土壤对分子态物质的保存能力。（3）土壤化学吸收性能：土壤中的可溶物经化学反应转化为沉淀物。（4）生物吸收性能：土壤中植物根和微生物对营养物质的吸收。土壤的吸收性能（5）土壤的物理化学吸收性能：土壤对可溶性物质中的离子态养分的保持能力。土壤的阳离子交换：带负电荷的土壤胶体所吸附的阳离子与土壤溶液中的阳离子发生交换而达到动态平衡的过程。土壤的阴离子交换：带正电荷的土壤胶体所吸附的阴离子与土壤溶液中的阴离子发生交换而达到动态平衡的过程。土壤的酸碱性•由于土壤是一个复杂的体系，其中存在着各种化学和生物化学反应，因而使土壤表现出不同的酸性或碱性。•我国土壤的pH大多在4.5～8.5范围内，并有由南向北pH值递增的规律性。•活性酸度：主要来自水的解离、二氧化碳溶于水形成碳酸的解离、有机物分解产生有机酸的解离、土壤中矿物质氧化产生的无机酸、以及酸雨、施肥等。土壤的酸碱性•潜性酸度：来源是土壤胶体吸附的可交换性H+和Al3+。①交换性酸度。•(土壤胶体)—H++KCl⇌(土壤胶体)—K++HCl•(土壤胶体)—Al3++3KCl⇌(土壤胶体)—3K++AlCl3•AlCl3+H2O⇌Al(OH)3+HCl②水解性酸度。CH3COONa＋H2O⇌CH3COOH＋NaOH土壤的酸碱性•(土壤胶体)-H++NaOH⇌(土壤胶体)-Na++H2O•(土壤胶体)-Al3++3NaOH⇌(土壤胶体)-3Na++Al(OH)3•土壤碱度：•OH-主要来自土壤溶液中的碳酸钠、碳酸氢钠、碳酸钙以及土壤胶体表面交换性Na+的水解。土壤的酸碱性•Na2CO3+2H2O⇌2NaOH+H2CO3•NaHCO3+H2O⇌NaOH+H2CO3•2CaCO3+2H2O+CO2⇌Ca(HCO3)2•Ca(HCO3)2+H2O⇌H2CO3+Ca(OH)2•Ca(OH)2⇌Ca2++2OH-•胶粒-Ca＋2H2O⇌H-胶粒-H+Ca(OH)2•胶粒-Na＋H2O⇌胶粒-H+Na++OH-土壤的酸碱度的等级划分标准PH值反应强度PH值反应强度＜4.5酸性极强7.5～8.5碱性4.5～5.5强酸性8.5～9.5强碱性5.5～6.5酸性＞9.5碱性极强6.5～7.5中性判断题1、土壤溶液中的阳离子，一旦被胶体吸附后，便失去活性，就永远不能被植物吸收，变成无效态养分了。2、在土壤阳离子代换过程中，电价数高的离子代换力强，故一价阳离子不能代换出被胶体吸附的二价或三价的阳离子。3、土壤阳离子代换量愈高，所含矿物质养分愈多，则保肥、供肥能力也愈强。4、土壤酸度有三种表示方法，其中pHH+＜pHKCl＜pHNaAC5、土壤胶体吸附H+和Al3+时使土壤显酸性，吸附Ca2+、Mg2+较多时使土壤显中性，吸附Na+较多时使土壤显碱性。6、电价数相同的交换性阳离子，其水化半径小的交换能力强。7、旱地通气条件良好，则Eh比水田要高。土壤的氧化还原性•土壤中有许多有机和无机的氧化性和还原性物质，因而使土壤具有氧化－还原特性。•一般，土壤中主要的氧化剂：氧气、NO3-和高价金属离子，如Fe3+、Mn4+、V5+、Ti6+等。•主要的还原剂：有机质和低价金属离子。•此外，土壤中植物的根系和土壤生物也是土壤发生氧化还原反应的重要参与者。土壤的配合作用•土壤中的有机配体和无机配体可以与金属离子发生配合作用或螯合作用，从而影响金属离子的迁移转化等行为。•土壤中的有机配体主要是腐殖质、蛋白质、多糖类、木质素、多酶类、有机酸等。•土壤中常见的无机配体包括Cl-、SO42-、HCO3-、OH-等。第四节土壤环境的污染土壤环境背景值•土壤是受自然过程和人为影响的一类成分含量复杂的体系。•不受各种污染源（如工业、道路、矿山、农用化学品等）明显影响的土壤中化学物质检出量称为土壤背景值，或土壤环境背景值。•土壤环境背景值只是代表土壤环境发展中一个历史阶段的、相对意义上的数值。土壤环境容量•土壤环境容量（或称土壤负载容量）是指一定环境单元、一定时限内遵循环境质量标准，既维持土壤生态系统的正常结构和功能，保证农产品生物学产量与质量，同时也不使环境系统污染时，土壤所能容纳污染物的最大负荷量。①土壤环境静容量②土壤环境动容量土壤的自净作用•首先，土壤是一个多相的疏松多孔体系。•第二，土壤是一个胶体体系。•第三，土壤是一个络合-螯合体系。•第四，土壤是一个氧化-还原体系。•第五，土壤是一个化学体系。•第六，土壤是一个生物体系。土壤环境污染•土壤环境污染是指人类活动产生的环境污染物进入土壤并积累到一定程度，引起土壤环境质量恶化的现象。•度量土壤污染时，不仅要考虑土壤的背景值，更要考虑植物中有害物质的含量、生物反应和对人体健康的影响。•土壤环境污染有隐蔽性和潜伏性、不可逆性和长期性两大特点。土壤污染源（1）天然污染源—自然界自行向环境排放有害物质或造成影响的场所。（2）人为污染源—人类活动所形成的污染源。•污染物进入土壤的途径按照所划分的土壤污染源可分为污水灌溉、固体废弃物堆放和填埋、工业废水和生活污水的排放、农药和化肥的施用、农用薄膜的使用、大气沉降等。土壤环境主要污染物质及其来源第五节重金属在土壤中的迁移转化土壤中重金属污染的特点•土壤本身均含有一定量的重金属元素，其中有些是作物生长所需要的微量元素，如Mn、Cu、Zn等，而有些重金属如Cd、As、Hg等对植物生长是不利的。即使是营养元素，当其过量时也会对作物生长产生不利的影响。•同一浓度下，重金属对植物等的毒性与其存在形态有密切关系。•重金属在土壤中的迁移转化及生态效应均与其存在形态有关。土壤中重金属污染的特点•重金属易与环境中的有机、无机配体形成络合物，可被土壤胶体吸附，移动性小，不易被水淋溶，也不易被微生物所降解；•相反，重金属可在微生物作用下转化成毒性更大的金属有机化合物。•由此可见，重金属易被土壤吸持并积累，植物和其他生物能吸收、累积重金属。•土壤一旦受到重金属污染，就很难予以彻底消除；若向地表水或地下水中迁移，可加重水体污染。土壤中重金属的来源•由于采用城市污水或工业污水灌溉，使其中的有机物及重金属污染物进入农田；•矿渣、炉渣及其他固体废弃物任意堆放，其淋溶物随地表径流进入农田；这些都可造成土壤重金属污染。•当进入土壤的重金属元素积累到一定程度，超过作物的需要和可忍受的程度，作物生长受到影响；或作物生长并未受害，但其产品中重金属含量超过卫生标准，就有可能对人、畜产生一定的危害。土壤的重金属危害（1）影响植物生长。实验表明，土壤中无机砷含量达12μg/g时，水稻生长开始受到抑制；无机砷为40μg/g时，水稻减产50%；含砷量为160μg/g时，水稻不能生长；稻米含砷量与土壤含砷量呈正相关。有机砷化物对植物的毒性则更大。（2）影响土壤生物群的变化及物质的转化。重金属离子对微生物的毒性顺序为：Hg＞Cd＞Cr＞Pb＞Co＞Cu，其中Hg2+、Ag+对微生物的毒性最强；通常浓度在1μg/g时，就能抑制许多细菌的繁殖；土壤中重金属对微生物的抑制作用对有机物的生物化学降解是不利的。土壤的重金属危害（3）影响人体健康。土壤重金属可通过下列途径危及人体和牲畜健康：①通过挥发作用进入大气；如土壤中的重金属经化学或微生物的作用转化为金属有机化合物（如有机砷、有机汞）或蒸气态金属或化合物（如汞、氢化砷）而挥发到大气中；②受水特别是酸雨的淋溶或地表径流作用，重金属进入地表水和地下水，影响水生生物；土壤的重金属危害③植物吸收并积累土壤中的重