XXXX环境科学概论第四章土壤环境黄荣华

1第4章土壤环境问题24.1土壤环境概述4.1.1土壤的概念和特征土壤是位于陆地表面具有肥力的疏松层次。土壤的本质特征：一是具有肥力，即具有供应和协调植物生长所需要的营养条件（水分和养分）和环境条件（温度和空气）的能力；二是具有同化和代谢外界输入物质的能力。34.1.2土壤的组成土壤由矿物质、有机质（包括土壤生物）、水分和空气四种物质组成。41.土壤矿物质按成因可将土壤矿物分为：原生矿物和次生矿物.原生矿物是各种岩石(主要趋岩浆岩)受到程度不同的物理风化而未经化学风化的碎屑物，其原来的化学组成和结晶构造都没有改变。土壤中最主要的原生矿物有四类：硅酸盐类矿物、氧化物类矿物、硫化物类矿物和磷酸盐类矿物。（1）硅酸盐类矿物长石类、云母类、辉石类和闪角石类等矿物，容易风化而释放出K、Na、Ca、Fe、Mg和Al等元素可供植物吸收，同时形成新的次生矿物。5（2）氧化物类矿物石英(SiO2)、赤铁矿(Fe2O3)、金红石(TiO2)、蓝晶石(Al2SiO5)等。（3）硫化物类矿物土壤中通常只有铁的硫化物，即黄铁矿和白铁矿，二者是同质异构物，分子式均为Fe2S，极易风化，成为土壤中硫元素的主要来源。（4）磷酸盐类矿物土壤中分布最广的是磷灰石，包括氟磷灰石和氯磷灰石两种，其次是磷酸铁、铝以及其它磷的化合物，是土壤中无机磷的重要来源。6次生矿物大多数是由原生矿物经风化后重新形成的新矿物，其化学组成和构造都有所改变而不同于原来的原生矿物。土壤中次生矿物可分为：简单盐类、三氧化物类和次生铝硅酸盐类。(1)简单盐类如方解石(CaCO3)、白云石(Ca、Mg（CO3）2)、石膏(CaSO4·2H2O)等，是原生矿物化学风化的最终产物，结晶构造都较简单，常见于干早和半干旱地区的土壤。7(2)三氧化物如针铁矿(Fe2O3·H2O)、褐铁矿（2Fe2O3·3H2O）等，是硅酸盐类矿物彻底风化的产物，常见于湿热的热带和亚热带地区的土壤中，特别是基性岩(玄武岩、安山岩和石灰墙)上发育的土壤中含量最多。（3）次生硅酸盐类由长石等原生硅酸盐矿物风化后形成，是构成土壤粘粒的主要成分，故又称粘土矿物或粘粒矿物。可细分为伊利石、蒙脱石和高岭石。在土壤形成过程中，原生矿物以不同的数量与土壤中的次生矿物混合存在，成为土壤矿物质。82、土壤有机质土壤有机质包括：(1)非腐殖质，包括动植物残体的组成部分以及有机质分解的中间产物，主要为碳水化合物和含氮化合物。我国各主要土壤表土中碳水化合物的含量约占有机质总量的15-27%，主要是微生物来源的多糖混合物，小部分为植物纤维。土壤中已知的含氮化合物主要是结合态的氨基酸和氨基糖。(2)土壤腐殖质，是土壤特有的有机物质，是土壤有机质的主体，主要是动植物残体通过微生物作用，发生复杂转化而成，主要为胡敏酸和富里酸。93、土壤中的水分104、土壤中的空气土壤孔隙中所存在的各种气体的混合物称为土壤空气。以O2、N2、CO2及水汽等为主要成分;其次由于土壤进行生物化学作用产生的气体。如H2S、NH3、NO2、CO等;另外一些醇类、酸类以及其它挥发性物质通过挥发作用也进入土壤。114.1.3土壤的分层土壤从上到下通常分为A、B、C、D四层：A层（淋溶层）：厚度在10厘米左右，含有丰富的有机物和腐殖质；B层（淀积层）：由上层土淋滤出来的有机物、盐类、以及粘土颗粒组成；C层（母质层）：风化的成土母岩组成。D层（原始层）：为未风化的基岩。124.1.4土壤的性质1.土壤是一个多相的疏松多孔体土壤中的腐殖质和粘粒通过Ca2+、Mg2+联接作用形成微团粒，继而形成团粒结构，在团粒结构内部具有较多的毛细管空隙，而在团粒和团粒之间具有较大的非毛细管空隙，这些构成空气和水分的通道。2.土壤胶体及其吸附特性土壤胶体是土壤中颗粒直径小于1微米或2微米的微细固体颗粒，是由矿物质微粒、腐殖质、铝、铁、锰、硅和含水氧化物组成。13土壤胶体的种类（1）无机胶体主要是细颗粒的粘土微粒，包括粘土矿物中的高岭石、伊利石等以及铁、铝、锰水合氧化物。（2）有机胶体主要是腐殖质和生物活动的产物，它是高分子有机物，具有极大的表面积，吸附作用强。（3）有机-无机复合体是由土壤中一部分矿物胶体和腐殖质胶体结合在一起所形成的。这种胶体的特点是比表面减少；形成稳定的团粒结构，能改善水、肥、气、热的状况。14土壤胶体的性质：带电荷：一方面由于表面基团解离或吸附离子而带电荷；另一方面，胶体内部的电荷不平衡表现出来的表面电荷。吸附作用：由于其颗粒细小，所以表面积大，产生吸附作用。（1）机械吸附：土壤胶体能把大于孔隙的物质阻留，小于孔隙的颗粒也能阻留在土壤中。机械吸附对不溶性颗粒物的作用最为明显。（2）物理吸附：是指土壤胶体颗粒对分子态物质的吸附作用。（3）物理-化学吸附：是指土壤胶体对土壤溶液中离子态物质的保蓄作用。15吸附作用是使许多金属离子和分子从不饱和溶液中转入固相的主要途径。土壤胶体对重金属粒子的吸附作用具有双重效果，一是使它们不易被植物吸收，暂时退出生物圈的小循环；另一方面却使它们长期滞留在农田内，并随时间的推移而富集，很难让它们通过地下渗水、水田放水等途径离开土壤，最终还是只有让植物吸收，危及生物圈。163.土壤酸碱性和土壤缓冲性（1）土壤酸碱性的产生①土壤酸性的产生主要有以下几个途径：首先，植物根系活动以及土壤中有机质的分解产生的有机酸和大量的CO2，以及某些微生物产生的矿质酸，都是土壤溶液中H+的来源；其次，当土壤胶体上吸附的H+达到一定的数量后，粘粒矿物的晶格遭到破坏，使粘粒矿物中的铝被溶解出来，溶液中出现了活性铝，水解后释放出H+；17第三，胶体上吸附的H+和Al3+、Fe3+被其他阳离子代换到溶液中而使土壤成酸性。②土壤碱性的产生土壤碱性主要来自土壤中大量存在的碱金属，如钾、钠、钙、镁的碳酸盐和重碳酸盐的水解。土壤pH在7.5-8.5之间时，主要由于含有的CaCO3水解所致；pH8.5时土壤中可能含有Na2CO3。（2）土壤酸碱性的表示土壤酸碱性的主要指标是pH值，pH越小，表示土壤的酸性越强，碱性越弱。大部分土壤的PH值在4.5-9.5之间，其中6.5-7.5为中性。18（3）土壤的缓冲性指土壤抵制pH值改变的能力。土壤中起缓冲作用的主要因素是土壤胶体上吸附的阳离子。H+、Al3+和Fe3+的存在可以缓冲碱，其他阳离子可以缓冲酸。土壤缓冲能力越大，对酸碱污染物质的容纳量就越大。一般土壤缓冲能力的大小顺序是：腐殖质土粘土砂土。土壤酸碱度的影响：①影响土壤中微生物的活性和有机污染物的分解；②影响土壤中物质的存在形态和迁移转化规律；③影响养分的有效性和植物的生长发育。194、土壤的氧化还原性土壤中的主要氧化剂：氧气、NO3-离子和高价金属离子；土壤中的主要还原剂：有机质和低价金属离子。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。影响：①影响土壤中营养元素的状态和有效性。②影响元素离子的价态、从而影响其迁移、转化。20214.1.5土壤环境元素背景值和土壤环境容量1.土壤环境元素背景值土壤环境元素背景值，简称土壤环境背景值，是指未受或很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。不同土壤类型的土壤环境背景值差别较大，它是统计性的范围值、平均值或中位值，而不是一个简单的确定值。土壤环境背景值是我们研究土壤环境污染、土壤生态和进行土壤环境质量评价和管理、确定土壤环境容量、环境基准、制定土壤环境标准时重要的参考标准或本底值。222.土壤环境容量土壤环境容量，是指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。在一定土壤环境单元和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和质量，也不致使环境系统超过受污染时土壤环境能容纳污染物的最大负荷量。土壤环境容量是制定土壤环境标准的重要依据。234.1.6土壤在地球表层环境系统中的地位和作用土壤是地球表层环境系统的一个重要组成要素。由于土壤圈在地球表层环境系统中位于大气圈、水圈、岩石圈和生物圈的界面结合地带，是无机界和有机界联系的纽带，是地球表层环境系统中物质与能量迁移和转化的重要环节。土壤不仅是维持地球上大多数动物、植物生长发育的基础，也是人类生存和发展必需的条件。244.2土壤污染和土壤自净4.2.1土壤污染的概念土壤污染是指污染物质通过多种途径进入土壤，其数量和速度超出了土壤的容纳能力和土壤的净化速度，引起土壤的性质、组成及性状等发生变化，并导致土壤的自然功能失调，土壤质量恶化，从而影响植物的正常生长和发育，以致在植物体内积累，使作物产量和质量下降，最终影响人体健康的现象。25固体废物的堆放，严重污染土壤2627282930全国现有沙化土地一百七十四点三万平方公里，占国土面积的百分之十八点二。据专家测算，中国每年因土地沙化造成的直接经济损失高达五百四十亿元，直接或间接影响近四亿人口的生存、生产和生活。31因水土流失造成退化、沙化、碱化草地约100万平方公里，占我国草原总面积的50%。32由于暴雨集中，植被稀疏，土壤抗蚀性差，使黄河中游黄土高原成为我国水土流失最严重的地区。黄土高原严重的水土流失使黄河成为驰名世界的多泥沙河流。334.2.2污染源土壤污染源来源及其广泛途径①人类把土壤作为农业生产的劳动对象和获得生命能源的生产基地，为了提高农产品的数量和质量，要向农田中施用化肥和农药，要进行水利灌溉，这样使污染物质进入土壤，并随之积累起来，这是土壤污染的重要发生途径；②土壤历来就作为废物（垃圾、废渣和污水等）的堆放、处置和处理场所，使大量有机和无机污染物质随之进入土壤，这是造成土壤污染的重要途径；③土壤环境是个开放系统，不断地进行物质和能量交换，大气、水体或生物体中的污染物质迁移转化而进入土壤，使土壤遭受污染。34污染源分类自然污染源：自然界中某些矿床或物质富集中心周围由于自然扩散使附近土壤中某些物质的含量超出土壤正常含量的范围，造成土壤污染。人为污染源：①工业污染源：直接由工业“三废”引起的土壤污染；②农业污染源：农业生产本身产生的，如化肥、农药和农用地膜等的施用（使用）造成的；③生活污染源：是指含有致病的各种病原微生物和寄生虫的生活污水、医院污水、垃圾以及被病原菌污染的其他水体等，它们是造成土壤环境生物污染的重要污染源。354.2.3土壤污染物输入土壤环境中的足以影响土壤环境正常功能，降低作物的产量和生物学质量，有害于人体健康的物质。化学污染物①有机污染物其中数量较大而又比较重要的是化学农药，化学农药的种类繁多，主要分为有机氯和有机磷两大类，主要有：有机氯类：如DDT、六六六、艾氏剂、狄氏剂等；有机磷类：马拉硫磷、对硫磷、敌敌畏等；氨基甲酸脂类：其中有除草剂和杀虫剂苯氧羧酸类：主要有除草剂如2，4-D、2，4-T等；苯酰胺类：全部为除草剂36其他有机污染物：酚类物质、石油、稠环芳烃、有机洗涤剂等②无机污染物重金属污染物如HgAsCdPbCrCuZn等以及有害的氧化物、酸、碱、盐、氟等；过量的氮和磷植物营养元素；物理污染物来自工厂、矿山的固体废物如尾矿、废石、粉煤灰和工业垃圾等。放射性污染物如：铯、锶等放射性元素为主生物污染物各种带病菌如肠细菌、破伤风杆菌、肠寄生虫、结核杆菌等的污染物，包括城市垃圾、医院废水、废物及厩肥等。374.2.4土壤污染的类型1、水质污染型工业废水、城市生活废水和受污染的地面水体，通过灌溉污染土壤。2、大气污染型大气中的二氧化硫、氮氧化合物和颗粒物通过沉降和降水污染土壤。3、固体废物污染型工矿业废物、污泥和城市垃圾等的污染。4、农业污染型化肥、农药、城市垃圾堆肥、污泥等引起的污染。5、综合污染型由多源污染造成。384.2.5土壤污染的特点1、土壤污染具有隐秘性和滞后性；2、土壤污染的易积累性；3、土壤污染具有不可逆转性和长期性；4、土壤污染的难治理性。4.2.6土壤污染的危害1、土壤污染导致严重的直接经济损失；2、土壤污染导致食物品质不断下降；3、土壤污染影响植物生长发育和危害人