第八章土壤污染防治(简版)

第八章土壤环境污染防治与土壤生态保护第一节概述第二节土壤环境污染及其防治第三节土壤生态保护与土壤退化的防治第四节土壤环境质量评价、规划与管理土壤在人类农业和自然环境中的重要性1.土壤是人类农业生产的基地（营养库功能、养分转化和循环功能、雨水涵养功能、生物支撑作用、稳定和缓冲环境变化功能）2.土壤是地球陆地生态系统的基础3.土壤是最珍贵的自然资源我国土壤资源简况土壤是相对不可再生的自然资源,也是不可代替的自然资源。我国土壤资源丰富,国土面积960万km2,但是我国是个多山的国家,各种山地丘陵面积占全部土地面积的65％,平原区土地仅占35％。我国人均耕地面积为0.13hm2,不到世界人均耕地的1／3；人均林地面积0.11hm2,占世界人均林地面积的1／9；人均草地面0.28hm2,不到世界人均草地面积的1／2。土壤学科发展19世纪土壤学科的诞生农业化学土壤学派:(德)李比希(1803-1873)农业地质土壤学派:(德)法鲁等(19世纪后半叶)土壤发生学派:(俄)道库恰耶夫(1846-1902)一门独立的学科--土壤学科的诞生土壤学科发展20世纪土壤学科的迅速发展土壤学科发展的驱动力前60年:作物生产----独轮驱动60年代后:作物生产和环境质量保护---双轮驱动20世纪土壤学科的迅速发展20世纪土壤学科的新观点土壤圈:(英)Matson(1938),(美)Arnold(1990)土壤水能量理论与运动方程的建立:(美)Buckingham(1907),Richards(1930s)土壤生态系统:(美)Jenny(1940-1960)土壤质量综合调控理论(美)SSSA(1990s)20世纪土壤学科的迅速发展19世纪土壤学20世纪土壤学•化学•地学•生物学•化学•地学•生物学•物理学•数学•生态学•系统科学欧洲美国第一节概述一、土壤的基本结构与特性二、土壤环境元素背景值和土壤环境容量一、土壤的基本结构与特性(一)土壤的结构和组成(二)土壤的特性土壤作为独立的自然体，是指位于地球陆地地表，包括具有浅层水地区的具有肥力、能生长植物的疏松层。土壤环境指这一位于陆地地表的土壤圈层而言。土壤是由矿物质、有机质、水分和空气等物质组成，是一个非常复杂的系统。(一)土壤的结构和组成1.土壤的剖面构型土壤环境从地面垂直往下，是由不同土层构成的，此土壤垂直断面称为土壤剖面构型。腐殖质表层(A层）,淀积层(B层）和母质层(C层）2.土壤的组成各土层是由不同的固、液、气态三相物质组成的复杂体系。固相物质——包括无机矿物和有机物两大部分（有机物可分为有机质和活性有机体）土壤溶液(液相)和土壤空气(气相)状况则决定于土壤团聚体结构和土壤质地小孔隙大孔隙土壤矿物主要来自成土母质或母岩，是土壤的主要组成物质。土壤矿物构成了土壤的“骨骼”，它对土壤组成、性状和功能具有巨大的影响。按照发生类型可将土壤矿物划分为原生矿物、次生矿物、可溶性矿物三大类。1土壤矿物质的组成氧化物硅酸盐微溶性盐易溶性盐铁氧化物层状硅酸盐碳酸盐氯化钠铝氧化物架状硅酸盐硫酸盐氯化钾锰氧化物环状硅酸盐硫化物硝酸盐硅氧化物磷酸盐重碳酸盐钛氧化物1铝硅酸盐类矿物的基本结构单元示意图1铝硅酸盐类矿物的基本结构单元示意图11:1型高岭石类晶体结构模型图12:1型蒙脱石类晶体结构模型图1土壤空气与近地大气之间气体扩散过程5土壤结构和质地决定土壤总孔隙度、毛管孔隙和非毛管孔隙度等土壤孔隙状况,从而成为影响土壤水分、温度状况的主要因素。3土壤质地和团聚体结构土粒的大小划分-粒级标准：国际制、美国制、原苏联制及中国制3-I土壤质地土壤颗粒分级：(mm)直径国际制美国制卡庆斯制中国制石砾2211砂粒2-0.022-0.051-0.051-0.05粉粒0.02-0.0020.05-0.0020.05-0.0010.05-0.002粘粒〈0.002〈0.002〈0.001〈0.002物理性砂粒：1-0.01mm物理性粘粒：〈0.01mm土壤颗粒土壤质地指人对于土壤粗细程度的感觉，有时也用机械组成表示，即指土壤中各粒级的土粒所占的质量百分比。土壤质地的意义：1）不同质地的土壤，毛管水传导度不同；2）土壤质地影响土壤结构类型；3）土壤质地影响土壤水、气和热，影响养分转化。3-II土壤结构——土壤大多以非单粒形式存在，有机质与矿物质往往聚合为各种形态的团聚体。按形态可为片状结构、角块状结构、粒状结构、块状和棱柱状、团粒状结构。土壤环境是一个复杂多变的环境要素。对土壤环境的最基层单元——单个土体进行解剖可知,土壤环境不仅是由多相物质、多土层组成的非均匀疏松多孔体系,而且在土壤环境内部及其与其他环境要素之间都存在着复杂的物质与能量的迁移和转化土壤团粒体单个土粒团聚体微团粒土粒土粒土粒Ca2+腐殖质土粒土粒土粒Fe2+腐殖质Fe3+Al3+(二)土壤的特性1.土壤具有肥力具有连续不断地供应植物生长所需要的水分和营养元素。2.土壤还具有同化和代谢外界输人物质的能力,即土壤具有净化作用它能够消纳部分污染物质,减少其对土壤环境的污染。二、土壤环境元素背景值和土壤环境容量(一)土壤环境元素背景值(二)土壤环境容量(一)土壤环境元素背景值土壤环境元素背景值（土壤环境背景值）是指未受或尽少受人类活动,特别是人为污染影响的土壤化学元素的自然含量。(二)土壤环境容量土壤环境容量是在人类生存和自然生态不致受害的前提下，土壤环境所能容纳的污染物的最大负荷量。第二节土壤环境污染及其防治一、土壤环境污染及其影响因素二、重金属污染三、化学农药污染四、污染土壤的修复一、土壤环境污染及其影响因素(一)土壤污染的特点(二)土壤污染的类型(三)土壤污染程度量化指标(四)污染物在土壤环境中的迁移转化(一)土壤污染的特点1.隐蔽性和潜伏性土壤污染是污染物在土壤中长期积累过程，一般要通过对土壤污染物、植物产品质量分析监测，植物生态效应，植物产品产量，以及环境效应监测。其后果要通过长期摄食由污染土壤生产的植物产品的人体和动物的健康状况反映。2.不可逆性和长期性污染物进入土壤环境后，便与复杂的土壤组成物质发生一系列迁移转化作用。其中，许多污染作用为不可逆过程，污染物最终形成难溶化合物沉积在土壤中。土壤一旦遭受污染极难恢复。难以治理的土壤污染(二)土壤污染的类型按土壤污染源和污染途径，可分为:(1)水质污染型(2)大气污染型(3)固体废物污染型(4)农业污染型(5)综合污染型按士壤污染物的属性可分为:(1)化学型(2)放射性污染型(3)生物污染型(三)土壤污染程度量化指标土壤污染程度的确定是以土壤环境背景值、作物和土壤生物的生态效应、土壤环境效应、土壤环境基准或环境标准为重要依据。目前尚没有一个统一的标准但一般认为，土壤中污染物累积总量，达到土壤环境背景值加2倍或3倍标准差时，说明土壤中该污染元素或化合物含量已属异常现象，可分为轻度污染；中度土壤污染；重度土壤污染。(四)污染物在土壤环境中的迁移转化物理过程污染物质在土壤中可产生挥发、扩散、稀释和浓集等反应，从而降低其在土壤中的浓度。化学过程主要包括溶解和沉淀、络合螯合作用、中和作用等过程。(四)污染物在土壤环境中的迁移转化物理化学过程主要包括吸附与解吸、氧化-还原作用等过程。生物过程①高等绿色植物和土壤生物对生命必需元素的选择性吸收，以维持生物的正常生命活动和土壤的功能；②绿色高等植物和土壤生物对污染元素和化合物的被动吸收，其结果是土壤的正常功能和生态平衡遭到破坏、生物污染以致使植物产品的数量和质量下降。二、重金属污染重金属污染是指由人类活动使重金属在土壤中的累积量，明显高于土壤环境背景值，致使土壤环境质量下降和生态恶化的现象。毒害性较大的Hg、Cd、Pb、Cr以及类金属As。(一)土壤中重金属迁移转化的一般特征1.重金属形态①水溶态(以去离子水提取);②交换态或吸附交换态(以MgCl2洛液为提取剂)；③碳酸盐结合态(以NaAc-HAc为提取剂)；④铁锰氧化物结合态(以NH40H-HCl为浸提剂)；⑤有机结合态(以H202为浸提剂)；⑥残留态(以HCl04-HF消化,1：1HCl浸提)。其中以水溶态和交换态重金属的迁移转化能力最高，其活性、毒性和对植物的有效性也最大。(一)土壤中重金属迁移转化的一般特征2、土壤中重金属污染物的主要迁移转化过程土壤粘土矿物对重金属阳离子的吸附顺序,一般是CU2+Pb2+〉Ni2+C02+〉Zn2+Ba2+〉Rb2+〉Sr2+〉Ca2+〉Mg2+〉Na+〉Li+3、土壤环境中重金属污染的生物效应土壤重金属污染对植物的影响或对植物的有效性,是受多种因素控制的。(二)有毒重金属在土壤中的迁移转化1.汞（Hg）土壤环境中汞的迁移转化也是较复杂的2.镉(Cd)镉在土壤环境中可以简单离子或络离子形式存在于溶液中3.砷(As)土壤中砷以可溶态、吸附态和难榕态形式存在4.铬(Cr)土壤中的形态有Cro.Cr2＋.Cr3+和Cr6+.主要为Cr3+.CrO2_和Cr072-.Cr42-5.铅(Pb)土壤中的无机铅主要以2价态难溶性化合物存在三、化学农药污染(一)研究意义(二)化学农药在土壤中迁移转化(一)研究意义化学农药对防治病虫害,消灭杂草,提高粮、棉、油、果的产量,以及有关林、牧、副业生产中的重要作用是不容置疑的。但是,由于长期、广泛和大量地使用化学农药,导致土壤环境中农药残留与污染问题,已危及到动植物的生长和人类的健康。化学农药是指能防治植物病虫害、消灭杂草和调节植物生长的化学药剂。目前世界生产的农药品种达1300余种,农业上常用的有250种以上。按其主要用途可分为：杀虫、杀菌、除草、杀螨、杀鼠、杀线虫剂以及植物生长调节剂和土壤处理剂等。按其化学成分可分为:有机氯、有机磷、氨基甲酸醋类、拟除虫菊酯等。研究和了解化学农药在土壤中的迁移转化、残留、土壤对农药的净化,对控制和预测土壤与环境农药污染都具有重要意义。(二)化学农药在土壤环境中的迁移转化农药在土壤中迁移转化途径主要有:通过挥发随空气迁移;经淋溶随水扩散迁移;被土壤中微生物降解;被土壤吸附而残留于土壤等。影响有机化学物质转化的过程光降解吸附与排出挥发生物降解淋失化学分解流失作物收获移走解毒可能转化为有毒或无毒四、污染土壤的修复(一)排土、客土改良(物理改良措施)(二)生物改良措施(三)施加抑制剂(化学改良剂)(四)生物修复污染土壤的生物修复利用微生物(如酵母菌,真菌或细菌)破坏或降解有毒物质为无毒或毒性较小物质的过程。第三节土壤生态保护与土壤退化的防治一、土壤生态系统土壤生态系统——指地球陆地地表一定地段的土壤生物与土壤及其他环境要素之间相互作用、相互制约,并趋向于生态平衡的相对稳定的系统整体。土壤生态系统中的生物组成部分生产者——即主要指含有叶绿素能利用太阳辐射能和光能合成有机质的高等绿色植物消费者——即以生物有机体为食的异养性生物，包括土壤动物在内的所有草食动物和肉食动物分解者——指土壤中依靠分解有机质维持生命的土壤微生物群土壤生态系统的结构（划分为垂直与水平结构）垂直结构可分为以下三个主要层次:①地上生物群体层②土被生物群落层③土被底层与风化壳生物群体层土壤生态系统平衡系指当系统的能量和物质输入和输出较均衡的情况下，系统中生产者、消费者和分解者，以及诸生物体与无机环境间都保持着相对稳定的平衡状态。地上生物群体层l-2变形虫，3-4涡虫,5线虫，6轮虫，7蜒蚓，8蛭(蚂蟥)，9熊虫，10螺，11伪蝎，12蜘蛛，13-l5螨，l6马陆，17蜈蚣，18钩虾，l9鼠妇，20跳虫，21原尾虫，22双尾虫，23蚂蚁，24隐翅虫，25双翅目幼虫，26销翅目幼虫。土被生物群落层二、土壤退化及其成因土壤退化是土壤生态遭受破坏而使土壤固有的物理、化学和生物学特性和状态发生改变，导致土壤生态系统功能、生产潜力和环境质量的等级或状况下降。土壤退化背景和原因自然背景和原因人为活动影响的诸多直接和间接的原因社会经济的发展，人口的持续增长，又增加了土壤的压力据《世界资源》报道，自第二次世界大战以来40多年的时间里，全球1/10