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1、第五章第五章 土壤環(huán)境化學(xué)土壤環(huán)境化學(xué)5.1 土壤的組成和性質(zhì)土壤的組成和性質(zhì)5.1.1 土壤的組成土壤的組成 1. 土體構(gòu)型土體構(gòu)型 n覆蓋層n淋溶層n沉積層n母巖層n基巖 2. 土壤的化學(xué)組成土壤的化學(xué)組成 土壤固體相土壤礦物質(zhì)、土壤有機(jī)質(zhì))土壤固體相土壤礦物質(zhì)、土壤有機(jī)質(zhì)) 孔隙液相孔隙液相 (水分溶液)(水分溶液) 氣相空氣)氣相空氣)(1) 土壤礦物質(zhì)土壤礦物質(zhì) 土壤礦物質(zhì)是巖石經(jīng)過物理和化學(xué)風(fēng)化的產(chǎn)物,主要元素 O、Si、Al、Fe、C、Ca、K、Na、Mg、Ti、N、S、P等。原生礦物次生礦物土壤礦物質(zhì) 原生礦物原生礦物 是巖石中的原始部分。即巖石是巖石中的原始部分。即巖石只經(jīng)歷
2、了物理風(fēng)化。風(fēng)化過程中沒只經(jīng)歷了物理風(fēng)化。風(fēng)化過程中沒有改變成分與結(jié)構(gòu),而只遭到破碎。有改變成分與結(jié)構(gòu),而只遭到破碎。 原生礦物的粒徑較大。土壤中的砂粒粒徑原生礦物的粒徑較大。土壤中的砂粒粒徑20.02mm)、粉砂粒)、粉砂粒0.020.002mm),它具有),它具有堅(jiān)實(shí)而穩(wěn)定的晶格,不透水性,而不具有物理化堅(jiān)實(shí)而穩(wěn)定的晶格,不透水性,而不具有物理化學(xué)吸收性能,不膨脹。學(xué)吸收性能,不膨脹。 原生礦物的種類原生礦物的種類 次生礦物:次生礦物: 由原生礦物化學(xué)風(fēng)化后形成,由原生礦物化學(xué)風(fēng)化后形成,具有膠體性質(zhì),為無機(jī)膠體或粘粒。具有膠體性質(zhì),為無機(jī)膠體或粘粒。簡單鹽類簡單鹽類游離硅酸游離硅酸水合氧
3、化物水合氧化物主要包括鋁硅酸鹽類粘土礦物主要包括鋁硅酸鹽類粘土礦物(伊利石、蒙脫石、高嶺石)(伊利石、蒙脫石、高嶺石)無定形的次生礦物無定形的次生礦物晶質(zhì)的次生礦物晶質(zhì)的次生礦物 Al4Si4O10(OH)8 是風(fēng)化程度極高是風(fēng)化程度極高的礦物的礦物 特點(diǎn):粒徑較大,為特點(diǎn):粒徑較大,為0.15.0m,膨脹性小,陽離子代換量也低,極少發(fā)膨脹性小,陽離子代換量也低,極少發(fā)生同晶取代。透水性好但保肥能力低。生同晶取代。透水性好但保肥能力低。 高嶺土高嶺土 (OH)4 K9(Al4 Fe4 Mg4 Mg6)(Si8-y Al9)O20 特點(diǎn):粒徑小于特點(diǎn):粒徑小于2m,風(fēng)化程度較低,膨脹性較小,富含
4、鉀,風(fēng)化程度較低,膨脹性較小,富含鉀K2O),具有),具有較高的陽離子代換量,晶格中的硅、鋁原子可發(fā)生同晶取代,但不顯著。較高的陽離子代換量,晶格中的硅、鋁原子可發(fā)生同晶取代,但不顯著。 伊利石伊利石 Al4 Si8 O20(OH)4 為伊利石的風(fēng)化產(chǎn)物 特點(diǎn):粒徑小于1m,陽離子代換量極高,晶格中的硅、鋁原子易發(fā)生同晶取代;但它吸收的水分植物難以利用,不利于植物的生長。 蒙脫石蒙脫石(2) 土壤有機(jī)質(zhì)土壤有機(jī)質(zhì) 土壤有機(jī)質(zhì)是土壤形成的主要標(biāo)志,土壤肥力的表現(xiàn),土壤中含碳有機(jī)物的總稱(Soil Organic Matter,SOM)。 活體根系、土壤中的生物)活體根系、土壤中的生物) 細(xì)菌、藻
5、類和原生動物等細(xì)菌、藻類和原生動物等 非活體非活體 非腐殖質(zhì)動植物殘?bào)w、蛋白質(zhì)、糖類、纖維非腐殖質(zhì)動植物殘?bào)w、蛋白質(zhì)、糖類、纖維素、樹脂、有機(jī)磷、有機(jī)氮、有機(jī)酸等,約占素、樹脂、有機(jī)磷、有機(jī)氮、有機(jī)酸等,約占10%) 腐殖質(zhì)土壤中特有的有機(jī)物,由植物經(jīng)微生腐殖質(zhì)土壤中特有的有機(jī)物,由植物經(jīng)微生物降解轉(zhuǎn)化而成,不屬于有機(jī)化學(xué)中現(xiàn)有的任何一物降解轉(zhuǎn)化而成,不屬于有機(jī)化學(xué)中現(xiàn)有的任何一類,占類,占85-90%)(3) (3) 土壤水分土壤水分 n土壤溶質(zhì)包括:無機(jī)膠體、有機(jī)膠體、無機(jī)鹽類、有機(jī)化合物、配合物、溶解氣體n土壤水分的意義:土壤水分既是植物營養(yǎng)物的來源,也是污染物向其他圈層遷移的媒介 n土
6、壤水分存在的形式:土壤水分存在的形式:n 土壤顆粒表面有很強(qiáng)的粘附力,土壤顆土壤顆粒表面有很強(qiáng)的粘附力,土壤顆粒吸附的水分稱吸著水,幾乎不移動,不被植粒吸附的水分稱吸著水,幾乎不移動,不被植物吸收。外層的膜狀水稱內(nèi)聚水或毛細(xì)管水,物吸收。外層的膜狀水稱內(nèi)聚水或毛細(xì)管水,是植物生長的主要水源。是植物生長的主要水源。 (4) 土壤空氣 特性: 不連續(xù)性,存在于土粒間隙之間; 濕度更高; O2少,CO2多,有機(jī)質(zhì)腐爛分解; 大氣 土壤 O 2 2 1 % ( v / v ) 15% CO2 0.03% 幾% 有還原性氣體H2S、NH3、H2、CH4)、厭氧細(xì)菌和污染物等存在。5.1.2 土壤的粒級及
7、其理化性質(zhì)土壤的粒級及其理化性質(zhì)5.1.3 土壤的吸附性土壤的吸附性 1. 土壤膠體的性質(zhì)直徑土壤膠體的性質(zhì)直徑1-100nm) 土壤膠體具有極大的比表面積和土壤膠體具有極大的比表面積和表面能表面能 蒙脫石比表面積最大高嶺石最小,蒙脫石比表面積最大高嶺石最小,有機(jī)膠體比表面積也大有機(jī)膠體比表面積也大. 土壤膠體的電性 土壤膠體微粒具有雙電層,微粒的內(nèi)部稱微粒核,一般帶負(fù)電荷,形成一個負(fù)離子即決定電位離子層其外部由于電性吸引,而形成一個正離子又稱反離子層,包括非活動性離子層和擴(kuò)散層),即合稱為雙電層。 決定電位離子層與液體間的電位差叫熱力電位。在一定的膠體系統(tǒng)內(nèi)它是不變的。 在非活動性離子層與液
8、體間的電位差叫電動電位。視擴(kuò)散層的厚度而定,隨擴(kuò)散層的厚度增大而增大。決定電位離子層非活動性離子層擴(kuò)散層擴(kuò)散層膠粒膠粒膠核膠核電動電位電動電位熱力電位熱力電位 土壤膠體的凝聚性和分散性土壤膠體的凝聚性和分散性 由于土壤膠體微粒帶負(fù)電荷,膠體由于土壤膠體微粒帶負(fù)電荷,膠體粒子相互排斥,具有分散性,負(fù)電荷越粒子相互排斥,具有分散性,負(fù)電荷越多,負(fù)的電動電位越高,分散性越強(qiáng)。多,負(fù)的電動電位越高,分散性越強(qiáng)。 另一方面土壤溶液中含有陽離子,可另一方面土壤溶液中含有陽離子,可以中和負(fù)電荷使膠體凝聚,同時由于膠以中和負(fù)電荷使膠體凝聚,同時由于膠體比表面能很大,為減少表面能,膠體體比表面能很大,為減少表面
9、能,膠體也具有相互吸引、凝聚的趨勢。也具有相互吸引、凝聚的趨勢。 土壤膠體的凝聚性主要取決于其電動電位的大小和擴(kuò)散層的厚度;此外,土壤溶液中的電解質(zhì)和 pH 值也有影響。常見陽離子凝聚力的強(qiáng)弱順序:33224FeAlCaMgHNHKNa2. 土壤膠體的離子交換吸附土壤膠體的離子交換吸附 土壤膠體擴(kuò)散層中的補(bǔ)償離子,可以和溶液中土壤膠體擴(kuò)散層中的補(bǔ)償離子,可以和溶液中相同電荷的離子以離子價為依據(jù)作等價交換,稱離相同電荷的離子以離子價為依據(jù)作等價交換,稱離子交換或代換作用,包括陽離子交換吸附和陰子交換或代換作用,包括陽離子交換吸附和陰離子交換吸附。離子交換吸附。 土壤膠體的陽離子交換吸附可逆過程)
10、 土壤膠體微粒帶負(fù)電荷,表面可吸附陽離子,可與土壤溶液中另一些陽離子發(fā)生交換。NaCaCaNa2222土壤膠體土壤膠體v電荷數(shù):電荷數(shù)越高,陽離子交換能力越強(qiáng)。電荷數(shù):電荷數(shù)越高,陽離子交換能力越強(qiáng)。v離子半徑和水化程度:同價離子中,離子半徑越大,離子半徑和水化程度:同價離子中,離子半徑越大,v 水化離子半徑就越小,因而具有較強(qiáng)的交換能力。水化離子半徑就越小,因而具有較強(qiáng)的交換能力。 陽離子 (電荷數(shù), 離子半徑和水化程度)影響陽離子交換吸附的因素影響陽離子交換吸附的因素LiNaKNHRbCsMgCaSrBaHAlFe42222233裸離子半徑越小,靜電力場越強(qiáng)裸離子半徑越小,靜電力場越強(qiáng) 裸
11、離子半徑和水化離子半徑吸引水分子形成水合離子的現(xiàn)象最顯著吸引水分子形成水合離子的現(xiàn)象最顯著水合離子半徑越大水合離子半徑越大水合離子靜電力場越弱水合離子靜電力場越弱離子交換能力越弱離子交換能力越弱 土壤膠體種類土壤膠體種類, 顆粒顆粒, SiO2/R2O3、pH等)等) 不同種類的膠體的陽離子交換量順序:不同種類的膠體的陽離子交換量順序: 有機(jī)膠體有機(jī)膠體 蒙脫石蒙脫石 水化云母水化云母 高嶺土高嶺土 水合氧化鐵、水合氧化鐵、鋁鋁土壤質(zhì)地越細(xì),陽離子交換量越高;土壤質(zhì)地越細(xì),陽離子交換量越高;土壤膠體中土壤膠體中SiO2/R2O3比值越大,陽離子交換量越高;比值越大,陽離子交換量越高;pH值下降
12、,陽離子交換量降低。值下降,陽離子交換量降低。 (cation exchange capacity CEC) CEC表示每千克土中陽離子的總含量,是表示土壤吸附性質(zhì)的重要指標(biāo)。 單位:厘摩爾/每千克土 (c mol/kg) 測定:用Ca2+作指示劑,Ba2+作萃取劑,原子吸收分光光度法測定。陽離子交換量陽離子交換量可交換陽離子可交換陽離子 致酸陽離子致酸陽離子(Al3+、H+) 鹽基陽離子鹽基陽離子(Ca2+、Mg2+、K+、Na+等等) 強(qiáng)烈水解強(qiáng)烈水解鹽基飽和土壤:鹽基飽和土壤: 土壤膠體吸附的陽離子全部是鹽基陽離子時,土壤膠體吸附的陽離子全部是鹽基陽離子時,這種土壤稱為鹽基飽和土壤。這種
13、土壤稱為鹽基飽和土壤。100 陽陽離離子子交交換換量量可可交交換換性性鹽鹽基基總總量量)鹽鹽基基飽飽和和度度( %我國南方酸性土壤都是鹽基不飽和的土壤,北方中性或我國南方酸性土壤都是鹽基不飽和的土壤,北方中性或堿性土壤的鹽基飽和度都在堿性土壤的鹽基飽和度都在80%以上。鹽基飽和度與以上。鹽基飽和度與pH值之間有明顯的相關(guān)性。鹽基淋失,飽和度降低,值之間有明顯的相關(guān)性。鹽基淋失,飽和度降低,pH也按一定比例降低。在也按一定比例降低。在pH56的暖濕地區(qū),的暖濕地區(qū),pH每變每變動動0.10,鹽基飽和度相應(yīng)變動,鹽基飽和度相應(yīng)變動5%左右。例如設(shè)左右。例如設(shè)pH為為5.5時鹽基飽和度為時鹽基飽和度
14、為50%,那么在,那么在pH5.0和和6.0時,鹽基飽和時,鹽基飽和度分別約為度分別約為25%和和75%。 不同類型的土壤,交換性陽離子的組成也不同。一般土不同類型的土壤,交換性陽離子的組成也不同。一般土壤中,交換性陽離子以壤中,交換性陽離子以Ca2+為主,為主,Mg2+次之,次之,K+、Na+等很少。如江蘇下蜀黃土上的黃棕壤的交換性陽離等很少。如江蘇下蜀黃土上的黃棕壤的交換性陽離子,子,Ca2+占占6585%,Mg2+占占1530%,K+和和Na+占占24%。但在鹽堿土中則有顯著數(shù)量的。但在鹽堿土中則有顯著數(shù)量的Na+,在酸性土,在酸性土中有較多的中有較多的H+和和Al3+,在沼澤化或淹水狀
15、態(tài)下,還有,在沼澤化或淹水狀態(tài)下,還有Fe2+、Mn2+等。等。土壤鹽基飽和度和交換性離子的有效性密切有關(guān),鹽基土壤鹽基飽和度和交換性離子的有效性密切有關(guān),鹽基飽和度越大,養(yǎng)分有效性越高,因此鹽基飽和度是土壤飽和度越大,養(yǎng)分有效性越高,因此鹽基飽和度是土壤肥力的指標(biāo)之一。肥力的指標(biāo)之一。 土壤膠體的陰離子交換吸附 帶正電荷的膠體吸附的陰離子與土壤溶液中的陰離子交換。易被吸附的陰離子是PO43-、H2PO4-、HPO42-等,與帶正電荷的土壤膠體中陽離子Ca2+、Fe3+、Al3+等結(jié)合生成難溶性化合物而被強(qiáng)烈吸附。 吸附能力很弱的陰離子Cl-、NO3-、NO2-等,只有在極酸性的溶液中才被吸附
16、。 吸附順序: F- C2O42- 檸檬酸根 PO43- HCO3-H2BO3- Ac- SCN- SO42- Cl- NO3-5.1.4 土壤的酸堿性土壤的酸堿性 1. 土壤酸度 根據(jù)土壤中H+存在的形式,土壤酸度可分為兩類: 活性酸度 activity acidity有效酸度) 土壤溶液中氫離子濃度直接反映出來的酸度,通常用pH表示通常描述土壤性質(zhì)時表示作土壤pH值 )。v 潛性酸度 potential acidity v 是由土壤膠體吸附的可代換性H+、Al3+離子造成的。H+、Al3+致酸離子只有通過離子交換作用產(chǎn)生H+離子才顯示酸性,因此稱潛性酸度。根據(jù)測定潛性酸度的提取液不同,可分
17、為:根據(jù)測定潛性酸度的提取液不同,可分為: 代換性酸度代換性酸度 水解性酸度水解性酸度 |土壤膠體|-H+ + KCl |土壤膠體|-K+ + HCl |土壤膠體|-Al3+ 3KCl|土壤膠體|-3K+ + AlCl3 AlCl3 + H2O Al(HO)3 + 3HCl 用過量的中性鹽KCl、NaCl等) 淋洗土壤,溶液中金屬離子與土壤中H+、Al3+離子交換:代換性酸度代換性酸度 用強(qiáng)堿弱酸鹽淋洗土壤,溶液中金屬離子可將土壤膠體吸附的H+、Al3+離子代換出來,同時生成弱酸,此時測定該弱酸的酸度稱水解性酸度。 水解性酸度水解性酸度 ( NaAc + H2O HAc + Na+ + OH-
18、 )H+-|土壤膠體|-Al3+ 4NaAc |土壤膠體|-4Na+ + Al(OH)3 + 4HAc 代換性酸度只是水解性酸度的一部分,因此水解性酸度高于代換性酸度。? 活性酸度與潛性酸度是存在于同一平衡體系的兩種酸度,二者可以相互轉(zhuǎn)換,一定條件下可處于暫時平衡。 活性酸度是土壤酸度的現(xiàn)實(shí)表現(xiàn),土壤膠體是H+和Al3+的儲存庫,因此潛性酸度是活性酸度的儲備?;钚运岫群蜐撔运岫榷叩年P(guān)系活性酸度和潛性酸度二者的關(guān)系 一般情況下,潛性酸度遠(yuǎn)大于活性酸度。二者之比在沙土中達(dá)1000,有機(jī)質(zhì)豐富的粘土中高達(dá)上萬倍。(2) 土壤堿度土壤堿度 土壤液相堿度指標(biāo) 土壤溶液中的OH-離子,主要來源于堿金屬和
19、堿土金屬的碳酸鹽類。碳酸鹽堿度和重碳酸鹽堿度的總量稱為總堿度,可用滴定法測定。不同碳酸鹽和重碳酸鹽對堿度的貢獻(xiàn)不同:不同碳酸鹽和重碳酸鹽對堿度的貢獻(xiàn)不同: CaCO3、MgCO3難溶難溶, 石灰性土壤石灰性土壤 pH 7.5 - 8.5 Na2CO3 pH 10, NaHCO3、Ca(HCO3)2 pH 7.5 - 8.5 土壤固相堿度指標(biāo)土壤膠體上吸附陽離子Na+、K+、Mg2+ )的飽 和度增加,可引起交換性陽離子的水解作用:|土壤膠體|-xNa+ + yH2O yH+-|土壤膠體|-(x-y)Na+ yNaOH 結(jié)果在土壤溶液中產(chǎn)生NaOH,使土壤呈堿性。如果土壤溶液中存在大量CO2,可
20、生成NaHCO3或Na2CO3,因此吸附Na+多的土壤大多呈堿性。土壤土壤pH的測定的測定 測定土壤pH使用玻璃電極法。稱取通過1mm孔徑篩的土樣10g于燒杯中,加無CO2蒸餾水25ml,攪拌1min,放置30min,用pH計(jì)測上部渾濁液的pH值。 影響重金屬等離子的溶解度。影響重金屬等離子的溶解度。 影響污染物氧化還原體系的電位。影響污染物氧化還原體系的電位。 影響土壤膠體對重金屬離子等的吸附。影響土壤膠體對重金屬離子等的吸附。土壤酸堿度影響污染物的遷移轉(zhuǎn)化土壤酸堿度影響污染物的遷移轉(zhuǎn)化(3) 土壤的緩沖作用土壤的緩沖作用 土壤溶液的緩沖作用( pH 6.2 - 7.8) 土壤溶液中含有碳酸
21、、硅酸、磷酸、腐殖酸和其它有機(jī)酸及其鹽類,構(gòu)成很好的緩沖體系。特別某些有機(jī)酸是兩性物質(zhì),如:蛋白質(zhì)、氨基酸、胡敏酸等。 NH2 NH3Cl R-CH + HCl R-CH COOH COOH NH2 NH3ClR-CH + NaOH R-CH + H2O COOH COONa有機(jī)酸的緩沖作用有機(jī)酸的緩沖作用 土壤膠體的緩沖作用 土壤膠體中存在有代換性陽離子土壤膠體|-M+ HCl 土壤膠體|-H + MCl (緩沖酸)土壤膠體|-H+ MOH 土壤膠體|-M + H2O (緩沖堿) 土壤膠體的數(shù)量和鹽基代換量越大,土壤的緩沖能力越強(qiáng);代換量相當(dāng)時,鹽基飽和度越高,土壤對酸的緩沖能力越大;反之,
22、鹽基飽和度減小,土壤對堿的緩沖能力增加。 有些學(xué)者認(rèn)為酸性土壤中單獨(dú)存在的Al3+也起緩沖作用,酸性土壤pH 5.5,Al3+失去緩沖作用。失去緩沖作用。 Al對土壤的危害:三價對土壤的危害:三價Al與土壤膠體結(jié)合能力強(qiáng),與土壤膠體結(jié)合能力強(qiáng),易排擠其它陽離子使其進(jìn)入土壤溶液而遭受淋溶損易排擠其它陽離子使其進(jìn)入土壤溶液而遭受淋溶損失失. 研究表明,土壤對植物的酸害實(shí)際是鋁害,過研究表明,土壤對植物的酸害實(shí)際是鋁害,過多的鋁離子抑制植物生長。多的鋁離子抑制植物生長。5.1.5 土壤的氧化還原性土壤的氧化還原性主要氧化劑:主要氧化劑:O2、NO3-和高價金屬離子和高價金屬離子主要還原劑:有機(jī)質(zhì)和低
23、價金屬離子主要還原劑:有機(jī)質(zhì)和低價金屬離子主要氧化還原體系主要氧化還原體系鐵體系(鐵體系( Eh 0=0.77)錳體系(錳體系( Eh 0=1.5)硫體系硫體系氮體系氮體系有機(jī)碳體系有機(jī)碳體系 旱地旱地Eh值:值:+400 +700mV;水田;水田Eh值:值:+300 -200mV Eh700mV時,土壤完全處于氧化條件下,有機(jī)物迅速分解。時,土壤完全處于氧化條件下,有機(jī)物迅速分解。Eh在在400700mV時,土壤中主要以時,土壤中主要以NO3-形式存在形式存在Eh400mV時,反硝化開始時,反硝化開始Eh200mV時,時,NO3-開始消失,出現(xiàn)大量開始消失,出現(xiàn)大量NH4+Eh-100mV時
24、,時,F(xiàn)e2+濃度已經(jīng)超過濃度已經(jīng)超過Fe3+Eh-200mV時,時,H2S大量產(chǎn)生,大量產(chǎn)生,F(xiàn)e2+變成變成FeS沉淀,遷移能力沉淀,遷移能力降低降低5.2 污染物在土壤中的遷移轉(zhuǎn)化污染物在土壤中的遷移轉(zhuǎn)化 農(nóng)業(yè)農(nóng)藥、化肥污染源 廢物處理場所廢渣、污水、渣滓 大氣、水體中污染物 礦床周圍 有機(jī)物質(zhì)如農(nóng)藥有機(jī)氯、有機(jī)磷) 無機(jī)鹽氮素、磷素化肥污染物 重金屬 放射性元素銫、鍶 有害微生物據(jù)報(bào)道,目前我國受鎘、砷、鉻、鉛等重金屬污染的耕地面據(jù)報(bào)道,目前我國受鎘、砷、鉻、鉛等重金屬污染的耕地面積近積近2000萬公頃,約占總耕地面積的萬公頃,約占總耕地面積的1/5;其中工業(yè);其中工業(yè)“三廢三廢污染耕
25、地污染耕地1000萬公頃,污水灌溉的農(nóng)田面積已達(dá)萬公頃,污水灌溉的農(nóng)田面積已達(dá)330多萬公頃。多萬公頃。污水灌溉等廢棄物對農(nóng)田已造成大面積的土壤污染。污水灌溉等廢棄物對農(nóng)田已造成大面積的土壤污染。 土壤污染現(xiàn)狀另一方面,全國有另一方面,全國有13001600萬公頃耕地受到農(nóng)藥的污染。萬公頃耕地受到農(nóng)藥的污染。除耕地污染之外,我國的工礦區(qū)、城市也還存在土壤或土除耕地污染之外,我國的工礦區(qū)、城市也還存在土壤或土地污染問題。地污染問題。 土壤污染的危害1土壤污染導(dǎo)致嚴(yán)重的直接經(jīng)濟(jì)損失土壤污染導(dǎo)致嚴(yán)重的直接經(jīng)濟(jì)損失2土壤污染導(dǎo)致食物品質(zhì)不斷下降土壤污染導(dǎo)致食物品質(zhì)不斷下降3土壤污染危害人體健康土壤污染
26、危害人體健康4土壤污染導(dǎo)致其他環(huán)境問題土壤污染導(dǎo)致其他環(huán)境問題 土壤污染的特點(diǎn)1. 土壤污染具有隱蔽性和滯后性土壤污染具有隱蔽性和滯后性2. 土壤污染的累積性土壤污染的累積性3. 土壤污染具有不可逆轉(zhuǎn)性土壤污染具有不可逆轉(zhuǎn)性4. 土壤污染很難治理土壤污染很難治理5.2.1 土壤中重金屬的遷移轉(zhuǎn)化土壤中重金屬的遷移轉(zhuǎn)化 1. 土壤中的重金屬 土壤背景值 土壤本身含有微量的金屬元素,其中很多是作物生長必需的微量營養(yǎng)元素,如Mn、Zn、Cu等。不同地區(qū)土壤中重金屬的種類和含量也有很大差別。 在研究重金屬對土壤的污染時首先要調(diào)查各地區(qū)土壤重金屬含量的背景值。 因此土壤背景值就是指在未受污染的情況下,天
27、然土壤中的金屬元素的基線含量。土壤背景值中含量較高的元素為土壤背景值中含量較高的元素為(mg/kg) : Mn、Cr、Zn、Cu、Ni、La、Pb、Co、 As、Be、Hg、Se、Sc、Mo2. 影響重金屬在土壤中歸趨的主要因素影響重金屬在土壤中歸趨的主要因素 (1) 土壤膠體對重金屬的吸附土壤膠體對重金屬的吸附 土壤膠體對重金屬的吸附能力與金屬離土壤膠體對重金屬的吸附能力與金屬離子的性質(zhì)及膠體的種類有關(guān)。子的性質(zhì)及膠體的種類有關(guān)。還與土壤的膠體性質(zhì)有關(guān):礦物類型,化學(xué)組成,陽還與土壤的膠體性質(zhì)有關(guān):礦物類型,化學(xué)組成,陽離子交換量,比表面積等有關(guān)。離子交換量,比表面積等有關(guān)。 (2) 金屬離
28、子的配位作用金屬離子的配位作用土壤中重金屬可與各種無機(jī)配體或有機(jī)配體發(fā)生配位作土壤中重金屬可與各種無機(jī)配體或有機(jī)配體發(fā)生配位作用,提高難溶重金屬化合物的溶解度,同時減弱土壤膠用,提高難溶重金屬化合物的溶解度,同時減弱土壤膠體對重金屬的吸附,影響重金屬在土壤中的遷移轉(zhuǎn)化。體對重金屬的吸附,影響重金屬在土壤中的遷移轉(zhuǎn)化。以以Hg為例,在為例,在 Cl- 高的鹽堿土中以高的鹽堿土中以 HgCl42- 為主。為主。 重金屬的沉淀和溶解作用是土壤中重金屬遷移的重要形式。該重金屬的沉淀和溶解作用是土壤中重金屬遷移的重要形式。該過程還與土壤過程還與土壤pH值和氧化還原電位密切相關(guān)。值和氧化還原電位密切相關(guān)。
29、 pH 值的影響:值的影響: Cd(OH)2 = Cd2+ + 2OH- (Ksp = 2.010-14) Cd2+OH-2 = 2.010-14 Cd2+ = 2.010-14/ 1.010-14/ H+2 logCd2+ = 14.3 2pH(3) 土壤中重金屬的沉淀和溶解土壤中重金屬的沉淀和溶解 n 土壤氧化還原電位的影響土壤氧化還原電位的影響n在高氧化環(huán)境中,在高氧化環(huán)境中,Eh較高,如較高,如V、Cr等具有氧化還原等具有氧化還原性質(zhì)的重金屬常呈氧化態(tài),形成可溶性釩酸鹽、鉻酸鹽性質(zhì)的重金屬常呈氧化態(tài),形成可溶性釩酸鹽、鉻酸鹽等具有極強(qiáng)的遷移能力,而鐵、錳相反,形成高價難溶等具有極強(qiáng)的遷
30、移能力,而鐵、錳相反,形成高價難溶性沉淀,遷移能力很低。性沉淀,遷移能力很低。5.3 土壤中農(nóng)藥的遷移和轉(zhuǎn)化土壤中農(nóng)藥的遷移和轉(zhuǎn)化 1. 土壤中農(nóng)藥的遷移土壤中農(nóng)藥的遷移土壤中的遷移主要通過擴(kuò)散和質(zhì)體流動土壤中的遷移主要通過擴(kuò)散和質(zhì)體流動兩個過程。兩個過程。 (1) 分散分散 氣態(tài)揮發(fā))氣態(tài)揮發(fā)) 農(nóng)藥在田間中的損失主要途徑是農(nóng)藥在田間中的損失主要途徑是揮發(fā),如,顆粒狀的農(nóng)藥撒到干土表面揮發(fā),如,顆粒狀的農(nóng)藥撒到干土表面上,幾小時內(nèi)幾乎無損失;而將其噴霧上,幾小時內(nèi)幾乎無損失;而將其噴霧時,霧滴復(fù)干的時,霧滴復(fù)干的10分鐘內(nèi),損失達(dá)分鐘內(nèi),損失達(dá)20%。 非氣態(tài) 指土壤中溶液中、氣-液或氣-固
31、界面上發(fā)生的擴(kuò)散作用。由于土壤系統(tǒng)復(fù)雜,擴(kuò)散物質(zhì)在土壤表面可能存在吸附和解吸平衡,土壤性質(zhì)不同,有機(jī)物性質(zhì)不同都影響擴(kuò)散作用。影響農(nóng)藥擴(kuò)散的主要因素:影響農(nóng)藥擴(kuò)散的主要因素:農(nóng)藥物理化學(xué)性質(zhì)、濃度、擴(kuò)散速率)農(nóng)藥物理化學(xué)性質(zhì)、濃度、擴(kuò)散速率)土壤含水量、吸附性、孔隙度)土壤含水量、吸附性、孔隙度)環(huán)境溫度、氣流速度等環(huán)境溫度、氣流速度等n 土壤水分的含量的影響 表觀液相擴(kuò)散系數(shù)表觀液相擴(kuò)散系數(shù)總表觀擴(kuò)散系數(shù)總表觀擴(kuò)散系數(shù)Shearer 等對林丹在粉砂壤土中的擴(kuò)散研究表明:等對林丹在粉砂壤土中的擴(kuò)散研究表明: 干燥土壤中無擴(kuò)散干燥土壤中無擴(kuò)散含水含水4% 隨水分的增加,總擴(kuò)散系數(shù)下降隨水分的增加
32、,總擴(kuò)散系數(shù)下降含水含水4-16% 隨水分的增加,非氣體擴(kuò)散系數(shù)下降隨水分的增加,非氣體擴(kuò)散系數(shù)下降含水含水4-20%,氣態(tài)擴(kuò)散系數(shù),氣態(tài)擴(kuò)散系數(shù)50%含水含水16% 隨水分的增加,非氣體擴(kuò)散系數(shù)增加隨水分的增加,非氣體擴(kuò)散系數(shù)增加含水含水30% 主要為非氣態(tài)擴(kuò)散系數(shù)主要為非氣態(tài)擴(kuò)散系數(shù)n土壤吸附的影響土壤吸附的影響 n 吸附作用的機(jī)制包括:離子交換、配位體交吸附作用的機(jī)制包括:離子交換、配位體交換、范德華力、疏水性結(jié)合、氫鍵結(jié)合以及電換、范德華力、疏水性結(jié)合、氫鍵結(jié)合以及電荷轉(zhuǎn)移。荷轉(zhuǎn)移。物理吸附的強(qiáng)弱決定于土壤膠體的比表面大小物理吸附的強(qiáng)弱決定于土壤膠體的比表面大小有機(jī)膠體比礦物膠體對農(nóng)藥
33、更有吸附力有機(jī)膠體比礦物膠體對農(nóng)藥更有吸附力n土壤的緊實(shí)度土壤的緊實(shí)度 n n 是影響土壤孔隙率和界面性質(zhì)的參數(shù),是影響土壤孔隙率和界面性質(zhì)的參數(shù),緊實(shí)度高,土壤的充氣孔隙率降低,擴(kuò)緊實(shí)度高,土壤的充氣孔隙率降低,擴(kuò)散系數(shù)也降低。散系數(shù)也降低。n溫度溫度 n氣流速度氣流速度n農(nóng)藥種類農(nóng)藥種類(2) 質(zhì)體流動質(zhì)體流動 物質(zhì)的質(zhì)體流動是由水或土壤微?;蛘邇烧吖餐饔靡鸬奈镔|(zhì)流動. 土壤中農(nóng)藥既可以溶于水,也能懸浮在水中,還可能土壤中農(nóng)藥既可以溶于水,也能懸浮在水中,還可能以氣態(tài)存在,或者吸附在土壤固相上或存在于土壤有以氣態(tài)存在,或者吸附在土壤固相上或存在于土壤有機(jī)質(zhì)中,從而使它們與水一起發(fā)生質(zhì)體
34、流動。機(jī)質(zhì)中,從而使它們與水一起發(fā)生質(zhì)體流動。影響農(nóng)藥在土壤中質(zhì)體流動的最重要的因素是農(nóng)藥與影響農(nóng)藥在土壤中質(zhì)體流動的最重要的因素是農(nóng)藥與土壤間的吸附土壤間的吸附. .吸附系數(shù)吸附系數(shù): : 草不隆敵草隆滅草隆非草隆草不隆敵草隆滅草隆非草隆移動距離移動距離: : 草不隆敵草隆滅草隆非草隆草不隆敵草隆滅草隆非草隆2. 非離子型農(nóng)藥與土壤有機(jī)質(zhì)的作用非離子型農(nóng)藥與土壤有機(jī)質(zhì)的作用 (1) 非離子型農(nóng)藥在土壤-水體系中的分配作用 分配作用partition) 有機(jī)化合物在自然環(huán)境中的主要作用機(jī)理之一,指水-土壤沉積物中,土壤有機(jī)質(zhì)對有機(jī)化合物的溶解,或稱吸附sorption, uptake),用分配系數(shù) Kd 來描述。 分配作用分配作用 吸附作用吸附作用 作用力作用力 分子力分子力 范德華力范德華力 溶解作用溶解作用 和化學(xué)鍵力和化學(xué)鍵力 吸附熱吸附熱 低吸附熱低吸附熱 高吸附熱高吸附熱 吸附等溫線吸附等溫線 線性線性 非線性非線性 競爭作用競爭作用 非競爭吸附非競爭吸附 競爭吸競爭吸附附 與溶解度相關(guān)與溶解度相關(guān)(2) 土壤濕度對分配過程的影響土壤濕度對分配過程的影響 極性水分子和礦物質(zhì)表面發(fā)生強(qiáng)烈的偶極作用,使非離子性有機(jī)物很
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