环境化学课件-南开大学-孙红文博导-最新版本201408第四章

《环境化学》第四章土壤环境化学4-1Chapter4.SoilEnvironmentalChemistry第四章土壤环境化学《环境化学》第四章土壤环境化学4-2内容提要及要点要求本章主要介绍土壤的组成及性质；污染物在土壤－植物体系中的迁移和它的作用机制，以及主要农药和重金属在土壤中的迁移、转化与归趋。要求了解土壤的组成与性质，土壤的粒级与质地分组特性；了解污染物在土壤－植物体系中迁移的特点、影响因素及作用机制。掌握土壤的吸附、酸碱和氧化还原特性，重金属离子和农药在土壤中的迁移原理与主要影响因素，以及主要农药和重金属离子在土壤中的转化规律与效应。《环境化学》第四章土壤环境化学4-3土壤圈(Pedosphere)特征：1.永恒的物质循环与能量交换2.最活跃、最富生命力的圈层3.对环境的交互作用（净化－污染）4.记忆块与基因库5.时空变化《环境化学》第四章土壤环境化学4-4土壤地表径流带来的污染生活垃圾的填埋农药和化肥的过度施用污泥、污水的施用等工业废水的任意排放大气污染的干湿沉降工业废物的任意堆放土壤是各种污染物最终的“宿营地”，世界上90％的污染物最终滞留在土壤内。土壤中的污染物质会向水体中迁移或流失；附着其上的污染物能够进入大气，并通过大气环流在全球范围内进行传播。土壤中的有害物质不仅通过食物和水体影响人体健康，还会附着在土壤颗粒上，通过呼吸直接进入人体。《环境化学》第四章土壤环境化学4-5世界十大污染事件之一——骨痛病事件19世纪80年代，日本富山县平原神通川上游的神冈矿山(铅锌矿)开始采矿活动，然而在采矿过程及堆积的矿渣中产生的含有镉等重金属的废水却长期直接流入周围的环境中，在当地的水田土壤、河流底泥中产生了镉等重金属的沉淀堆积。镉通过稻米进入人体，首先引起肾脏障碍，逐渐导致软骨症，在妇女妊娠、哺乳、内分泌不协调、营养性钙不足等诱发原因存在的情况下，使妇女得上一种浑身剧烈疼痛的病，叫痛痛病，也叫骨痛病，重者全身多处骨折，在痛苦中死亡。从1931年到1968年，神通川平原地区被确诊患此病的人数为258人，其中死亡128人，至1977年12月又死亡79人。《环境化学》第四章土壤环境化学4-6由于方方面面的原因，一些地区的土壤受到不同程度的污染，对生态环境、食品安全和农业可持续发展构成威胁，总体形势相当严峻。一是土壤污染程度加剧。据不完全调查，目前全国受污染的耕地约有1.5亿亩①，污水灌溉污染耕地3250万亩，固体废弃物堆存占地和毁田200万亩，合计约占耕地总面积的1/10以上，其中多数集中在经济较发达的地区（2006年）。二是土壤污染危害巨大。据估算，全国每年因重金属污染的粮食达1200万t，造成的直接经济损失超过200亿元。三是土壤污染防治基础薄弱。①1亩=667m2《环境化学》第四章土壤环境化学4-7在2008年12月12日召开的“中国环境修复发展战略论坛”上，国家环保部科技司刘志全副司长在发言中称，我国目前每年投入3000~4000万元人民币用于制定土壤污染标准体系的研究，每年要制定100多项标准，预计在未来1~2年内完成。为全面、系统、准确把握我国土壤污染的真实“家底”，有效防治土壤污染，确保百姓身体健康，2006年7月18日国家环保总局（现为环境保护部）和国土资源部联合启动了经费预算达１０亿元的全国首次土壤污染状况调查。全国土壤污染状况调查的范围包括除台湾省和香港、澳门特别行政区以外的各省、自治区、直辖市所辖全部陆地国土，调查的重点区域是长三角、珠三角、环渤海湾地区、东北老工业基地、成渝地区、渭河平原以及主要矿产资源型城市。根据安排，2006年７月至2007年底是调查的实施阶段，主要任务是进行野外采样和室内数据分析工作；2008年是调查的总结阶段，主要任务是编制调查报告，全面总结和集成调查成果。此外，我国土壤污染标准体系的制定工作也日益受到重视《环境化学》第四章土壤环境化学4-8第一节土壤的组成和性质一、土壤的组成SoilComponents二、粒级分组与质地分组SizeClassification&TextureClassification三、土壤吸附性SoilSorptionCapacity四、土壤的酸碱性SoilAcidity&SoilAlkalinity五、土壤的氧化还原性能RedoxCharacteristicsofSoil4.1SoilComponents&Characteristics《环境化学》第四章土壤环境化学4-9土壤是指地球陆地表面具有一定肥力且能生长植物的疏松表层。它是由岩石风化和母质的成土两种过程综合作用下形成的产物。其本质属性是具有肥力，由固、液、气三相组成。矿物质90%以上有机质1.0%~10%土壤中的水分及其水溶物（包括气体）Soilsolutionisdefinedasthesoilinterstitialwater,itssolutesanddissolvedgases.孔隙中充满空气porousmedia一、土壤的组成SoilComponents《环境化学》第四章土壤环境化学4-10有机质5%左右DynamicNatureofSoilIdealTooDryTooWetAirWaterMineralOrganic空气30%~20%空隙50%左右水20%~30%矿物质45%左右固体50%左右《环境化学》第四章土壤环境化学4-11土壤soil气相gases液相liquids固相solidsSoilair:CO2，O2，N2，H2S，CH4等watersaltsSoilsolutioninorganicorganicmineralsHumusandresidueofplantsmicroorganisms《环境化学》第四章土壤环境化学4-12根须土粒上的吸附水土粒土壤孔隙被水饱和的土壤排入地下水《环境化学》第四章土壤环境化学4-13土壤的分层：覆盖层、淋溶层、淀积层淋溶层：是指由于淋溶作用使物质下移所经过的土层，也可称过滤层，是土壤中生物最活跃的一层，有机质大部分在这一层。淋溶（leaching）：是指污染物随渗透水在土壤中沿土壤垂直剖面向下的运动，是污染物在水－土壤颗粒之间吸附－解吸或分配的一种综合行为。最大淋溶深度：评价污染物淋溶性能的指标，是指土层中污染物的残留浓度为500μg•kg-1时，污染物所能达到的最大深度。《环境化学》第四章土壤环境化学4-14磷酸盐类氧化物类硫化物类硅酸盐类简单盐类三氧化物次生铝硅酸盐类伊利石高岭石蒙脱石原生矿物次生矿物土壤矿物质1.土壤矿物质《环境化学》第四章土壤环境化学4-15次生矿物secondaryminerals由原生矿物经化学风化形成。化学风化的三个历程：氧化、水解和酸性水解。分为三类：简单盐类——原生矿物化学风化的最终产物；三氧化物——硅酸盐矿物彻底风化后的产物；次生铝硅酸盐类——长石等原生硅酸盐矿物风化而成，又称黏土矿物，分为三大类：伊利石、蒙脱石、高岭石。原生矿物primaryminerals岩石受物理风化，化学组成和结晶构造都未改变。主要有：石英、长石类、云母类、辉石和角闪石。土壤中0.001~1mm的沙和粉沙几乎全部是原生矿物。四类最重要的原生矿物：磷酸盐类、氧化物类、硫化物类、硅酸盐类（占岩浆岩质量的80％以上）。《环境化学》第四章土壤环境化学4-16——EnvironmentalChemistry8thed.ManahanSE.CRCPress.2004.407.土壤层中的主要矿物组分MajorMineralGroupsintheEarth’sCrustMineralGroupExamplesFormulaSilicatesQuartzSiO2Olivine(Mg,Fe)2SiO4PotassiumfeldsparKAlSi3O8OxidesCorundumAl2O3MagnetiteFe3O4CarbonatesCalciteCaCO3DolomiteCaCO3•MgCO3SulfidesPyriteFeS2GalenaPbSSulfatesGypsumCaSO4•2H2OHalidesHaliteNaClFluoriteCaF2NativeelementsCopperCuSulfurS《环境化学》第四章土壤环境化学4-17《环境化学》第四章土壤环境化学4-18共用底角氧原子硅氧四面体片tetrahedralsheet《环境化学》第四章土壤环境化学4-19《环境化学》第四章土壤环境化学4-20铝氧八面体片octahedralsheet共用上下两层氧原子形成片《环境化学》第四章土壤环境化学4-21同晶取代：当硅酸盐黏土矿物形成时，晶格内的组成离子，常被另一种大小相近、电荷符号相同的离子所取代，取代后的晶体构造并未改变。属2：1型晶格，富含钾，两晶层之间通过K离子相连，粒径小于2µm，阳离子交换量较多，膨胀性小，可发生同晶取代，但不明显。属2：1型晶格，晶层之间主要靠弱的分子间力连接，粒径小于1µm，阳离子交换量极高，它所吸收的水分植物难以利用，晶层连接不紧，水分子易进入，极易发生同晶取代。属1：1型晶格，晶层之间由氢键连接，甚为紧密，粒径0.1~5.0µm，膨胀性小，阳离子代换量低，极少发生同晶取代。结构与性质之间的关系《环境化学》第四章土壤环境化学4-22伊利石illite伊利石类结晶构造示意图《环境化学》第四章土壤环境化学4-23K+能发生同晶取代伊利石《环境化学》第四章土壤环境化学4-24蒙脱石类结晶构造示意图蒙脱石montmorillonite《环境化学》第四章土壤环境化学4-25弱的分子间力极易发生同晶取代蒙脱石《环境化学》第四章土壤环境化学4-26高岭石kaolinite《环境化学》第四章土壤环境化学4-27瞧：氢键在这里（牢固）不易发生同晶取代单位晶层内表面（无）外表面高岭石《环境化学》第四章土壤环境化学4-28三大类次生硅酸盐矿物区别性质次生层状硅酸盐矿物蒙脱石伊利石高岭石晶架结构2:12:11:1晶层间连接键分子引力钾键氢键大小/m0.01~1.0（小）0.1~2.0（中）0.1~5.0（大)形状不规则片状不规则片状六方形晶体比表面/(m2•g-1)大700~800中100~120小5~20外表面高中低内表面很高中无胀缩性高中低CEC/(cmol•kg-1)80~12020~403~15《环境化学》第四章土壤环境化学4-29请根据图示区分三种典型黏土矿物：《环境化学》第四章土壤环境化学4-30土壤有机质：土壤中含碳有机化合物的总称。2.土壤有机质分为如下两类：非腐殖质：如蛋白质、糖、有机酸等，占10%~15%。腐殖质：占85%~90%。腐殖质是地表分布最广的天然有机物，是动植物残体在土地微生物的作用下，通过复杂的反应转化而成的暗色、无定形、难于分解、组成复杂的高分子有机物。包括：富里酸、胡敏酸、胡敏素。其中，富里酸溶于稀酸稀碱；胡敏酸只溶于稀碱，不溶于稀酸；胡敏素不被碱液提取。《环境化学》第四章土壤环境化学4-31——EnvironmentalChemistry8thed.ManahanSE.CRCPress.2004.447.土壤有机成分的主要组分MajorClassesofOrganicCompoundsinSoilCompoundtypeCompositionSignificanceHumusDegradation-resistantresiduefromplantdecay,largelyC,H,andOMostabundantorganiccomponent,improvessoilphysicalproperties,exchangesnutrients,reservoiroffixedMFats,resins,andwaxesLipidsextractablebyorganicsolventsGenerally,onlyseveralpercentsofsoilorganicmatter,mayadverselyaffectsoilphy