第五章土壤环境

第五章土壤环境（SoilEnvironment）土壤是环境的重要组成部分，它介于生物界和非生物界之间，由矿物质、有机质（包括有生命的有机体——土壤生物）、水分和空气四种物质组成。所以土壤是一个复杂的物质体系，它是组成环境的各个部分（包括大气圈、水圈、岩石圈和生物圈）相互作用的地方，物质交换最为频繁，是人类宝贵资源之一。本章共分为五个部分内容：一、土壤的组成和特性二、土壤环境污染三、重金属对土壤的污染四、化学农药对土壤的污染五、土壤环境污染的防治第一节土壤的组成和特性一、土壤的组成（一）土壤的机械组成土壤的机械组成又称为土壤的质地，指土壤中各种不同大小颗粒（粒、砂、粉砂、粘粒）的相对含量，它们对土壤中污染物质的吸附和解吸多少和快慢有很大影响。质地分类各级土粒重量%类别质地名称粘粒（0.002mm）粉砂粒（0.02-0.002mm）砂粒（2-0.02mm）砂土类砂土及壤质砂土0~150~1585~100壤土类砂质壤土壤土粉砂质壤土0~150~150~150~4535~4545~10055~8540~550~55粘壤土类砂质粘壤土粘壤土粉砂质粘壤土15~2515~2515~250~3020~4545~8555~8530~550~40粘土类砂质粘土壤质粘土粉砂质粘土粘土重粘土25~4525~4525~4545~6565~1000~200~4545~750~350~3555~7510~550~300~550~35国际制土壤质地分类（二）土壤的化学组成土壤是由固体、液体和气体组成的多相体，在不同土壤类型中它们之间的相对含量是不同的，一般旱地中固体部分占50%（矿物占45%，腐殖质5%），水田中固体部分和土壤水分各占50%。土壤的固体部分是构成土壤的基本物质，包括土壤矿物质和土壤有机质。土壤矿物质占土壤绝大部分，占土壤固体部分重量的90~95%以上，成份比较固定，绝大部分是不溶于水的化合物，是土壤中最不活泼的部分，但对土壤许多性质，特别是土壤物理性质起着决定作用。土壤的固体部分是构成土壤的基本物质，包括土壤矿物质和土壤有机质；腐殖质是土壤有机质，对污染物在土壤中转化起着极大的作用；土壤矿物大部由氧、硅、铁和铝组成。土壤有机质可分为两大部分，第一部分有机物，包括分解的和半分解的动植物残体的组成成分以及有机质分解的中间产物。均为已知的各种含氮有机化合物质和不含氮有机化合物，占土壤有机物质总量10~15%。另一部分为土壤腐殖质，占土壤有机质85~90%，它们由碳（C）、氢（H）、氧（O）、和氮（N）组成。腐殖质是土壤有机质，对污染物在土壤中转化起着极大的作用。它的吸收能力远比无机胶体强，能吸着水溶性差的农药如DDT。据研究由于腐殖质酸能提高它的溶解度，DDT在0.5%的胡敏酸溶液中为在水中的溶解度的20倍。DDT也易与胡敏酸结合，因此，腐殖质含量高的土壤，吸收有机氯农药较强。土壤腐殖质和植物组成物质元素含量比物质C%H%O%N%C/NC/HO/H植物组成物质蛋白质纤维素多羧戊糖木质素48~5549.445.462~696~76.26.15~6.519~2449.448.526~3316———3~3.44——6.85~9.287.5-75~1382.7~4884~6.6腐殖质胡敏酸富里酸胡敏素52~6244~483~4.53.5~5.032~3944~483.5~5.03.0~4.06.4~17.711~1611.5~20.68.8~1377.1~138.8~13.7土壤矿物质大部分由氧、硅、铁和铝组成，这些元素的相对含量和地壳平均化学组成相似。在除去有机质后的土壤干重中，至少有90%由硅、铁、铝和氧的化合物组成。少数砖红性土壤剖面的某些层次，含二氧化钛相当丰富。石灰性土壤在某深度中，游离碳酸钙含量可达30~50%。在湿润温暖区的土壤中钙、镁、钾、钠氧化物总量，很少超过5~7%，锰、磷、硫氧化物总量一般不到土壤组成的5%。地壳平均化学组成元素百分率氧化物百分率OSiAlFeCaMgNaKTiPMnSCl46.627.618.075.063.642.072.752.580.620.120.090.060.05SiO2Al2O3Fe2O3FeOCaOMgONa2OK2OTiO2P2O5MnO2H2O59.0815.233.103.725.103.453.713.111.030.290.121.30二、土壤的主要特性（一）土壤是一个多相的疏松多孔体系土壤物质在土壤中可进行挥发、稀释、扩散和浓集以致移出土体之外，这一过程显然是与土壤温度和含水量的变化，土壤质地和结构，以及层次构型相关的。（二）土壤是一个胶体体系土壤胶体对离子的吸附和交换过程，是土壤中最重要的物理化学过程，其中包括对阳离子和阴离子的吸附和交换。土壤胶体对带相反电荷的污染物的吸附为正吸附，对带相同电荷的污染物质的“吸附”，称为负吸附，其吸附交换量则和土壤胶体或土壤有机-无机复合体的种类和数量，以及介质的pH值有关。胶体对离子的吸附主要表现为表面吸附，所以其吸附量与胶体的比表面积大小有关；胶体的吸附量还与胶体所带电荷有关，在一般情况下带有负电荷，只有在酸性条件下，少数胶体带正电荷；在离子吸附交换过程中，胶体每吸附一部分离子，同时析出等当量的其他同号离子，因此，胶体对离子的吸附交换作用，还与土壤的盐基饱和度和阳离子组成有关。此外，土壤中还存在非交换性的离子吸附作用，即所谓专性吸附。（三）土壤是一个络合-螯合物质体系土壤中有许多天然的有机和无机配位体，因而土壤中的络合和螯合作用过程具有普遍性。土壤中存在的配位体，主要是土壤腐殖质、土壤微生物分解有机残体过程中产生的各种有机物质或分泌物，土壤中几乎所有的金属离子都有形成络合物和螯合物的能力。除天然配位体外，还有人工合成的污染物质的有机配位体。金属离子进入土壤，使土壤的络合和螯合作用更为复杂化，这是污染物质在土壤中迁移转化的重要途径之一。（四）土壤是一个氧化还原物质体系土壤空气中的自由氧、高价金属离子和少量NO3-为氧化剂，土壤有机质和低价金属离子为还原剂。量度土壤氧化还原过程强度的指标是Eh。在此体系中，若自由氧占优势，则以氧化作用为主，若有机质起主要作用，则还原过程占主导。土壤氧化还原作用影响有机物质分解的速度和强度，也影响有机和无机物质存在的状态，从而影响到它们的迁移转化。（五）土壤是一个化学体系土壤中的化合物或进入土壤的污染物质，还直接受到土壤中化学平衡过程的控制，在重金属和磷的迁移转化中，化学平衡扮演着重要的角色。（六）土壤是一个生物体系土壤微生物是土壤生物的主体，土壤微生物在土壤有机质的转化过程中起着巨大的作用。土壤对有机污染物质之所以具有强大的自净能力，即生物降解作用，也主要是因为有种类繁多、数量巨大的土壤微生物存在。土壤微生物除参与有机质的转化外，还积极参与其他土壤过程。此外，土壤动物在有机污染物的分解转化中也起着一定作用。第二节土壤环境污染一、土壤净化与土壤污染（一）土壤净化（purificationofsoilpollution）1.土壤净化是指土壤本身通过吸附、分解、迁移、转化，而使土壤污染物的浓度降低而消失的过程。土壤所以具有净化功能，是由于土壤具有六种作用：（1）植物根系的吸收、转化、降解与合成等作用;（2）土壤中各种微生物和土壤动物的分解转化及生物固定化等作用;（3）土壤中有机和无机胶体的吸附、代换、络合、沉淀等作用，对进入土壤中的物质起到“蓄积作用”和“迁移转化”作用;（4）土壤的离子交换作用；（5）土壤的机械截留过滤作用；（6）土壤的气体扩散或蒸发作用。因此，某些性质不同的污染物质在土体中可通过挥发、扩散、分解等作用，逐步降低污染物浓度，减少毒性或被分解成无害的物质；经沉淀、胶体吸附等作用可使污染物发生形态变化，变化难以被植物的形态存在于土体中，暂时退出生物小循环，脱离食物链，或通过生物和化学降解，污染物变为毒性较小或无毒性，甚至有营养的物质。有些污染物在土体中还会发生形态变化，而被分解气化，迁移至大气中，这些现象，从广义上都可理解为土壤的净化过程。土壤净化能力决定于土壤的物质组成和其他特性，也和污染物质的种类和性质有关。不同土壤的净化能力是不同的，土壤对不同污染物质的净化能力也是不同的。2.土壤净化机理：进入土壤的污染物质，是依靠土壤自身的调节能力进行净化的，也包括生长在其上的植物或土壤生物等的功能，也就是说，污染物质进入土壤后，与土壤的固相、液相和气相物质之间发生一系列物理、化学、物理化学和生物化学反应，在土壤中进行迁移转化的结果，以及土壤的六种净化作用，都可以包括在这个过程中。1）物理过程：就是利用土壤具有多相、疏松多孔的特点，通过挥发、稀释、扩散等物理过程，使污染物移出土壤体外。其净化效果取决于土壤的温度、湿度、土壤的质地和结构；同时也与污染物的性质有关。2）化学过程：主要包括溶解、氧化还原、化学降解和化学沉降作用，使污染物迁出土壤之外或变成难溶物不被植物吸收，而不改变土壤的结构和功能。3）物理化学过程：主要是通过胶体的吸附和解吸作用，使污染物在土壤中迁移转化。胶体吸附能力的大小，与胶体自身的性质和金属离子的性质以及土壤的性质都有关。4）生物化学过程：主要依靠土壤生物的主体，即土壤微生物使土壤中的有机污染物质发生分解或化合作用而转化的过程。其中农药的微生物降解就是最重要的转化作用。（二）土壤污染（soilpollution）土壤污染是指人类活动产生的污染物质，通过各种途径输入土壤，其数量和速度，超过了土壤净化作用的速度，破坏了自然动态平衡，使污染物质的积累过程逐渐占据优势，从而导致土壤自然正常功能的失调，土壤质量的下降，并影响到作物的生长发育，以及产量和质量的下降，同时由于土壤污染物质的迁移转化，引起大气或水体的污染，并通过食物链，最终影响到人类的健康。简言之，即人类活动产生的污染物进入土壤并积累到一定程度，引起土壤质量恶化的现象。（三）土壤污染指标1.土壤背景值（background）：通常以一个国家或一个地区的土壤中某元素的平均含量作为背景值，以与污染区土壤中同一元素的平均含量进行对比。2.植物中污染物质的含量：如果土壤中某有害元素或污染物质含量较高时，根据质量作用定律，被植物吸收的量亦相应增加，因而土壤和植物体中污染物含量之间有一定正比关系，所以可以用植物体的污染物含量作为土壤污染的指标。3.生物指标：如植物反应，生长发育受到抑制，生态发生明显变异，土壤微生物区系的变化，人们食用污染土壤上生长的植物性食物后对人体健康的危害程度等。但是进行影响生物的因素很复杂，进行毒理试验的难度也较大。二、土壤污染源（一）工业污染源：在工业废水、废气和废渣中，含有多种污染物，其浓度一般较高，一旦进入农田，在短时间内即可引起土壤、作物危害。（二）农业污染源：农业生产本身产生的污染和污染物包括化学农药、除草剂等的使用范围不断扩大，数量和品种不断增加。（三）生物污染源：人粪尿是农业生产重要的肥料来源。生活污水和被污染的河水等均含有致病的各种病原菌和寄生虫等，用这种未经处理的肥源施于土壤，会使土壤发生严重的污染。三、土壤污染物质（一）有机物类污染土壤的有机物，主要是化学农药、除草剂等。（二）重金属污染物重金属是通过几条途径进入土壤的，由于使用含重金属的废水进行灌溉；随着含重金属的粉尘落入土壤中；使用含重金属的废渣作为肥料；使用含重金属的农药制剂等。（三）放射性物质主要是由于大气核爆炸降落的污染物，以及原子能和利用所排出的液体和固体的放射性废弃物，最终不可避免地随同自然沉降，雨水冲刷和废弃物的堆放而污染土壤。（四）化学肥料为了获得高产，农业上大量使用含氮和含磷的化学肥料。（五）致病的微生物土壤中的病原微生物主要来源于人畜的粪便及用于灌溉的污水，当人与污染的土壤接触时刻传染各种细菌及病毒，若食用被污染的蔬菜、水果等会威胁人体健康。四、土壤污染的发生类型（一）水体污染型工矿企业废水和城市生活污水，未经处理不实行清污分流，就直接排放，使水系和农田遭到污染，尤其是缺水地区，引用污水灌溉，使土壤受到重金属、无机盐、有机物和病原