土壤环境

环境学EnvironmentalScience第四章土壤环境重金属对土壤的污染土壤的组成和性质化学农药对土壤的污染土壤环境污染土壤污染的防治§4.1土壤的组成和性质土壤的概念：位于陆地表面呈连续分布，具有肥力并能生长植物的疏松层。土壤圈全国科学技术名词审定委员会1998年公布的土壤定义为：土壤是陆地表面由矿物质、有机质、水、空气和生物组成，具有肥力，能生长植物的未固结层。对土壤圈的研究土壤不仅是某种物质或某种独立的自然历史体，而是有特殊结构和功能的地球系统的一个圈层。从地球圈层的观点出发，土壤学不仅是研究土壤物质的本身，而是朝向研究土壤与地球圈层的关系及人类生存环境的“土壤圈”方向转变，这是现代土壤学发展的新动向。土壤圈有两个研究方向第一，从土壤圈与地球其它圈层关系的宏观角度出发研究土壤圈与生物圈之间养分元素的交换与平衡土壤圈与水圈之间的水分循环与物质运动土壤圈与大气圈之间的大量气体及痕量气体的交换与平衡土壤圈与岩石圈之间元素迁移与转移土壤圈有两个研究方向第二，从土壤圈物质和能量循环与人类生存环境之间的关系出发，研究：土壤圈物质、能力循环与地球生命与人类生存条件与自然环境与全球变化之间的关系问题：①土壤的组成？②什么是土壤结构？有哪些土壤结构类型？③土壤孔隙分级？一、土壤的组成土壤物质组成土壤矿物土壤有机质土壤溶液土壤空气•原生矿物•次生矿物固相液相气相1.土壤矿物质•原生矿物：直接来源于母岩的矿物，它只受到不同程度的物理风化作用，而化学成分和结晶构造未有大的改变。如石英、长石、云母、辉石、角闪石等。•次生矿物：原生矿物经物理、化学风化作用，组成和性质发生化学变化，形成的新矿物称次生矿物。如简单的盐类、高岭石等。2.土壤有机质土壤有机质是指进入土壤中的各种动物、植物及微生物等的残体及其分解产物和代谢产物有机质的类型：•非特异性有机质(35-50%)•土壤腐殖质(50-65%)土壤腐殖质腐殖质不是单一的有机质，而是在结构、组成和性质上具有共同特征，又有差异的一系列高分子有机化合物。•主体为腐殖酸及其盐，占腐殖质的85％～90％，称为腐殖物质。•其余为微生物代谢所产生的较简单的化合物，因与腐殖酸紧密结合难以分离。3.土壤溶液•无机盐类•无机胶体：铁、铝氧化物•有机化合物•有机胶体：有机酸、糖类、蛋白质及其衍生物、腐殖酸•络合物：铁、铝有机络合物•溶解性气体•离子态物质4.土壤空气土壤孔隙中的气体称为土壤空气。土壤空气和大气的成分基本相同，但所含各种气体的数量不同，有的差异很大。土壤与近地面大气组成比较（体积，％）气体近地面大气土壤空气O220.9618.00~20.03CO20.030.15~0.65N279.0178.80~80.245.土壤生物二、土壤的物理化学性质1、土壤的物理性质（1）土壤结构——土壤颗粒的排列和组合形式称土壤结构。往往把土壤结构作为判断土壤肥力的重要标志之一•粒状结构水平轴和垂直轴相近，界面平或弯曲，彼此不能吻合的结构单位，称粒状结构。表土层多粒状结构•块状结构水平轴和垂直轴相近界面平或弯曲，彼此能吻合的结构单位，称块状结构。一般粘重而又缺乏有机质的土壤多块状结构，特别是土壤过湿过干耕作时最易形成块状结构。这种结构多时会造成漏水、透风、跑墒，影响幼苗出土及其幼根伸展主要的土壤结构•柱状结构水平轴比垂直轴短，沿垂直线排列，有圆头的结构单位，称柱状结构。无圆头的结构单位称棱状结构。这种结构往往出现在碱土的碱化层和质地粘重而水分又经常变化的底层土壤。柱状结构坚硬紧实，干旱时常出现大裂缝，漏水漏肥，过湿时土粒膨胀粘闭，通气不良。主要的土壤结构•片状结构水平轴比垂直轴长，沿水平面排列的结构单位，称片状结构。片状结构是由于水的沉积作用或某些机械压力所形成，在冲积物中较常见。粉质土壤雨后地表结壳，粘重土壤的犁底层均属片状结构。这种结构排列紧密，通透性差，对植物根系生长发育有明显的不利影响。主要的土壤结构单粒结构SingleGrained粒状结构Grained片状结构Platy块状结构Blocky柱状结构Columnar大块状结构Massive棱柱状结构Prismatic土壤孔隙分级•毛管孔隙土壤中具有毛管作用的那部分孔隙，土壤孔隙直径＜0.1mm。•非毛管孔隙土壤孔隙直径＞0.1mm，难于保持水分，孔隙中的水可在重力作用下排出，因而成为水和空气的通道，所以又称通气孔隙。（2）土壤孔隙问题：①土壤胶体的类型？基本性质？②影响土壤胶体吸附的因素？2.土壤胶体（1）土壤胶体：指土壤中颗粒直径1～100nm的微粒。土壤胶体类型•无机胶体：以高岭石、伊利石等粘土矿物•有机胶体：腐殖质和生物活动物•有机-无机胶体：部分矿物胶体和腐殖质胶体结合在一起形成（2）土壤胶体的性质巨大的比表面和表面能带电性分散性和凝聚性（3）土壤的离子交换由于土壤胶体表面带有电荷，因而能够从液相介质中吸收和保持带有相反电荷的离子，吸收的离子可与液相中其它电荷符号相同的离子相交换。阳离子交换阴离子交换阳离子交换是指土壤胶体吸附的阳离子与土壤溶液中的阳离子进行交换，阳离子由溶液进入胶核的过程称为交换吸附，被置换的离子进入溶液的过程称解吸作用。胶核Mn++NH4+胶核NH4++Mn+交换吸附解吸作用阳离子交换能力一种阳离子将其它阳离子从胶粒上交换下来的能力：①电荷价数的影响三价离子二价离子一价离子②离子子半径及水化程度③离子浓度Fe3+Al3+H+Ca2+Mg2+K+、NH4+Na+影响阳离子交换的因素：(1)质地(2)有机胶体的含量(3)无机胶体的种类(4)土壤酸碱性阴离子交换：由于在酸性土壤中有带正电的胶体，因而能进行阴离子交换吸附。阴离子吸附交换能力的强弱可以分成：易被土壤吸收同时产生化学固定作用的阴离子：H2PO4-、HPO42-、PO43-、SiO32-及其某些有机酸阴离子难被土壤吸收的阴离子：Cl-、NO3-、NO2-介于上面两类之间的阴离子：SO42-、CO32-及某些有机阴离子:C2O42-＞C6O7H53-＞PO43-＞SO42-＞Cl-＞NO3-问题：①中国土壤酸碱度的分布特点？②影响土壤酸碱度的因素？③影响土壤氧化还原的因素?3.土壤的酸碱性（1）土壤的酸碱度•取决于土壤溶液中的H+和OH-的含量；•决定化学元素的迁移能力：大多数化学元素在强酸环境中形成易溶化合物；•决定因素：CO2、有机酸、酸性盐、碱性盐、碳酸盐……3.土壤的酸碱性（1）土壤的酸碱度•土壤中的H+主要是CO2溶于水形成的碳酸、有机物分解产生的有机酸以及某些少数无机酸、Al3+水解产生的。CO2+H2OH2CO3H++HCO3-CO23.土壤的酸碱性（1）土壤的酸碱度•土壤中的OH-主要来自Na2CO3、Na2HCO3、CaCO3以及胶粒表面交换性Na+水解产生的。含Na2CO3、Na2HCO3的土壤的pH值一般大于8.5；含CaCO3的石灰性土壤pH值约在7.0~8.5之间。土壤酸度的表示影响土壤酸碱度的因素•气候•地形•母质•植被•人类活动•盐基饱和度4.土壤的氧化-还原性质无机体系有机体系土壤通气状况良好，氧化还原电位升高；通气不良，电位下降；土壤有机质状况，有机质在嫌气条件下分解，形成大量的还原物质，在浸水条件下Eh下降；土壤无机状况，一般还原性无机物多，还原作用强；氧化性无机物多，氧化作用强影响土壤氧化还原性的因素一般旱地土壤的氧化还原电位(Eh)为400～700mV；水田的Eh值在300～-200mV。当土壤的Eh值700mV时，土壤完全处于氧化条件下，有机物质会迅速分解；当Eh值在400～700mV时，土壤中氮素主要以NO3-形式存在；当Eh值400mV时，反硝化开始发生；当Eh200mV时，NO3-开始消失，出现大量的NH4+。当土壤淹水时，Eh值降至-100mV，Fe2+浓度已经超过Fe3+；Eh值再降低，-200mV时，H2S大量产生，Fe2+就会变成FeS沉淀了，其迁移能力降低了。5.土壤的吸收性能机械吸收作用物理吸收作用化学吸收作用物理化学吸收作用生物吸收作用§4.2土壤环境污染一、土壤污染的概念及特征土壤污染——人类活动产生的污染物进入土壤，其数量和速度超过了土壤容纳的能力和净化的速度，因而使土壤的性质、组成及性状等发生变化，从而导致土壤自然功能失调，质量恶化，影响作物的生长发育，以致造成产量和质量下降，并可通过食物链引起对生物和人类的危害。土壤环境的质量《土壤质量环境标准》GB15618-1995适用范围：农田、蔬菜地、茶园、果园、牧场、林地、自然保护区等。土壤质量分三级一级标准I类土壤区，包括国家规定的自然保护区(原有背景重金属含量高的除外)、集中生活饮用水源地、茶园、牧场和其他保护地区的土壤。土壤质量应基本上保持自然背景水平。二级标准Ⅱ类土壤区（一般农田、蔬菜地、茶园、果园、牧场等的土壤），土壤质量应基本上对植物和环境不造成危害和污染。三级标准Ⅲ类土壤区（林地土壤及污染物容量较大的高背景值土壤和矿区附近等地的农田土壤，蔬菜地除外）。土壤质量应基本上对植物和环境不造成危害和污染。土壤环境的质量土壤环境质量标准(GB15618-1995)(mg/kg)级别123土壤pH自然背景6.56.5-7.57.56.5Cd0.200.300.300.601.0Hg0.150.300.501.01.5As水田1530252030As旱地1540302540Cu农田等3550100100400Cu果园-150200200400Pb35250300350500Cr水田90250300350400Cr旱地90150200250300Zn100200250300500Ni40405060200土壤污染的隐蔽性土壤污染往往通过对土壤样品进行分析化验和农作物残留检测情况，甚至通过粮食、蔬菜和水果等农作物以及摄食的人或动物的健康状况才能反映出来，从遭到污染到产生‘恶果’需要相当长的过程。1.土壤污染特征骨痛病——镉污染土壤污染的持久性土壤环境使污染难于扩散和稀释，在土壤中容易积累并达到很高浓度。土壤污染的间接有害性次生污染源影响作物品质1.土壤污染特征污染物的数量污染物的强度土壤自身的净化能力2.影响土壤污染程度的因素土壤净化——土壤本身通过吸附、分解、迁移、转化，而使土壤污染的浓度降低而消失的过程。分析：为什么土壤具有净化功能？•土壤中的动物和微生物的作用•植物的吸收利用•土壤胶体对污染物的吸附、解吸和代换过程•土壤和植物的机械阻留作用•土壤气体的扩散作用二、土壤污染源及污染物工业污染源：废水、废气、废渣。农业污染源：农药、化肥、污水灌溉、地膜。生物污染源：动物排泄物、动植物遗体等。生活污染源：塑料、生活垃圾、建筑垃圾。大气沉降物：TSP、SO2、NOx等。1、土壤污染源2.土壤污染物种类无机污染物重金属：汞、镉、铅、铬、铜、锌、镍、砷……放射性元素、营养物质其他：酸、碱、盐等有机污染物化学农药、除草剂、酚、石油、多氯联苯、苯并芘……有害生物细菌、炭疽杆菌、蠕虫类等三、土壤污染的发生途径水体污染型大气污染型农业污染型生物污染型固体废弃物污染型1.水体污染型污染来源：污水灌溉或受污染水淹没分布特点：沿河流或灌溉干支渠成枝形片状分布刁江沿岸，受污染耕地386公顷，完全废弃的有20多公顷沈阳张士灌区用污水灌溉20多年后，污染耕地2500多公顷，造成了严重的镉污染，稻田含镉5～7mg／kg。典型案例广西刁江，发源于南丹县境内，是红水河的一大支流，流经南丹、河池、都安等县市，全长229km，原本是沿岸70多万人口赖以饮水、灌溉、发电的“生命之河”。由于南丹县境内部分采矿、选矿厂把大量选矿废水和尾沙直接排入刁江，造成严重污染。据测，在生产进度正常时，沿岸选矿厂每年向刁江排放砷1770吨，占全国砷排放量的94.38％。一度被称为“毒甲天下”的我国最毒的河流。玉米地A玉米地B玉米地C10m9m小路55.4m3.1m1.8m1m采样点As1