第四章 土壤環(huán)境

第四章土壤環(huán)境

本章要點(diǎn)：

土壤污染與凈化土壤重金屬背景值土壤中重金屬的遷移和轉(zhuǎn)化農(nóng)藥在土壤中的殘留與降解控制土壤污染的途徑和措施

第一節(jié)土壤

——土壤的組成和功能土壤的組成：

由固相、液相和氣相等三相物質(zhì)、四種成分組成，構(gòu)成以礦物質(zhì)為主的物質(zhì)體系。具有獨(dú)特的組成成分、結(jié)構(gòu)和功能。土壤成分土壤礦物質(zhì)土壤有機(jī)質(zhì)土壤空氣土壤溶液原生礦物次生礦物腐殖質(zhì)、糖類、脂肪、樹脂、有機(jī)氮磷等N2、O2、CO2、水汽等含水溶液常規(guī)離子功能：土壤是一種重要的環(huán)境要素。

特征：具有營養(yǎng)條件和環(huán)境條件的能力；具有同化和代謝侵入物質(zhì)的能力。主要環(huán)境問題：土壤侵蝕、水土流失、土地沙漠化、土壤鹽漬化、土壤貧化，和土壤污染等。

第一節(jié)土壤

——土壤的性質(zhì)

物理性質(zhì)

顆粒組成、排列方式、結(jié)構(gòu)、孔隙度等；由此決定了土壤密度、容重、粘結(jié)性、透水性、透氣性等；土壤的物理性質(zhì)決定了土壤的可耕性。

土壤膠體：土壤顆粒直徑小于2μm或小于1μm，具有膠體性質(zhì)的微粒。

土壤膠體類型

土壤膠體類型無機(jī)膠體：以高嶺石、伊利石、蒙托石等為主的粘土礦物有機(jī)膠體：腐殖質(zhì)和生物活動的產(chǎn)物有機(jī)無機(jī)復(fù)合膠體：礦物膠體和腐殖質(zhì)膠體結(jié)合

土壤膠體的性質(zhì)

巨大的表面積和表面能：膠體顆粒越小，表面積大；腐殖質(zhì)和粘粒越多，表面能越大。

電荷性質(zhì)：以負(fù)電荷為主，兩性膠體的電荷與酸度有關(guān)。

分散性和凝聚性：

溶膠←分散←膠體在水中→凝聚→凝膠

土壤的吸附性

極性吸附吸附過程中，膠體每吸附一部分離子，同時也釋放出等當(dāng)量的其他離子——離子吸附。

吸附與膠體所帶電荷有關(guān):

Al(OH)3＋H+＝Al(OH)2+＋H2O(酸性條件)Al(OH)3＋OH－＝AlO(OH)2-＋H2O(堿性條件)

吸附與離子電荷有關(guān)：電量越大，庫侖引力越大。如：Th4+＞La3+＞Cu2+＞Na+

與膠體比表面積有關(guān)：表面積越大，吸附量越大。

與金屬離子的性質(zhì)、膠體性質(zhì)有關(guān):蒙脫石的吸附順序

Pb2+＞Cu2+＞Ca2+＞Ba2+＞Mg2+＞Hg2+高嶺石的吸附順序

Hg2+＞Cu2+＞Pb2+

腐殖質(zhì)的吸附順序

Pb2+＞Cu2+＞Cd2+＞Zn2+＞Ca2+＞Hg2+

非極性吸附

是物理吸附,由于所吸附的是分子，稱為分子吸附。

吸附作用與膠體的比表面積和比表面能有關(guān)：顆粒越小，比表面積越大，吸附越強(qiáng)；膠體表面越不均勻，表面能越大，吸附作用越強(qiáng)。

土壤膠體對農(nóng)藥的吸附作用相似

暫時不進(jìn)入食物鏈循環(huán)；

農(nóng)藥的揮發(fā)、生物降解等過程受到抑制。

土壤的離子交換作用

土壤膠體吸附的離子與土壤溶液中的離子進(jìn)行交換，離子由溶液進(jìn)入膠核的過程，稱為離子交換吸附。

被置換的離子進(jìn)入溶液的過程，稱為解吸作用。

陽離子交換能力與離子電荷、半徑有關(guān)：如：Fe3+＞Al3+＞H+＞Ca2+＞Mg2+＞K+＞NH+＞Na+

帶正電的膠體進(jìn)行陰離子交換吸附:易被吸附的陰離子，如：H2PO4－、HPO42－、PO43－、SiO32－有機(jī)酸離子；難被吸附的陰離子，如:Cl－、NO3－、NO2－；介于兩類之間的陰離子，如:SO42－、CO32－

及有機(jī)陰離子。

陰離子被土壤吸附的順序為：

C2O42－＞C6O7H53－＞PO43－＞SO42－＞Cl－＞NO3－

土壤的酸堿性

土壤酸性主要來源于CO2溶于水、有機(jī)物分解產(chǎn)生的有機(jī)酸、及少數(shù)無機(jī)酸，Al3+水解是土壤H+的重要來源；活性酸度用pH表示。土壤pH隨鹽基而變，鹽基飽和度高，pH值大；反之，pH值低。

土壤堿性土壤溶液中Na2CO3、NaHCO3、CaCO3及膠體表面交換性Na+

水解顯堿性，土壤堿度用pH表示。

土壤的氧化－還原性

無機(jī)體系：O2/H2O、Fe3+/Fe2+、MnO2/Mn2+、S2－/SO32－/SO42－、NO3－/NO2－、H+/H2等。

有機(jī)體系：分解的有機(jī)物、微生物及代謝產(chǎn)物、根系分泌物、有機(jī)酸、酚、醛、糖等。

Eh>300mV，氧體系起主要作用；Eh<1000mV，有機(jī)體系起主要作用；

鐵體系在氧體系及有機(jī)體系控制下起作用。

影響土壤氧化－還原作用的因素

通氣狀況:通氣性好，Eh升高；反之，Eh下降，氧體系的Eh隨pH降低而增高。

有機(jī)質(zhì)狀況:有機(jī)質(zhì)厭氣分解，形成大量的還原物質(zhì)以及淹水條件下Eh下降。無機(jī)物狀況:還原性無機(jī)物增強(qiáng)還原性，氧化性無機(jī)物增強(qiáng)氧化性；

土壤中氧化鐵和硝酸鹽含量增加，導(dǎo)致還原作用減弱。

土壤的絡(luò)合性

無機(jī)配位體：OH－、Cl－、SO42－、HCO3－、F－、硫化物、磷酸鹽等。－OH、Cl－與Mn+的絡(luò)合作用可提高溶解度；穩(wěn)定性取決于Mn+和配位體的性質(zhì)；如：Cu絡(luò)合物的形式：Cu(OH)+、Cu(OH)20、CuCl+、CuCl20、CuCl3－等。

有機(jī)配為體：有機(jī)鰲合物的溶解性影響土壤中金屬的遷移，Mn+－腐殖質(zhì)鰲合物的穩(wěn)定性為：Pb＞Cu＞Ni＞Co＞Zn＞Mn＞Mg＞Ba＞Ca＞Hg＞Cd。

第二節(jié)土壤環(huán)境污染

——土壤污染和凈化

土壤污染

人類活動產(chǎn)生的污染物進(jìn)入土壤并積累到一定程度，引起土壤質(zhì)量惡化現(xiàn)象。土壤污染的特性

土壤污染的隱蔽性：從開始污染到產(chǎn)生后果，有一個較長時期的隱蔽過程。

土壤污染的持久性：一旦污染很難恢復(fù)，污染是不可逆的。

土壤污染的間接有害性：通過食物鏈傳遞，成為第二污染源，污染大氣和水。

土壤凈化

通過吸附,分解,遷移,轉(zhuǎn)化途徑，土壤中污染物濃度降低或消失的過程。

土壤微生物和動物，對土壤污染物，具有分解、轉(zhuǎn)化作用。

土壤有機(jī)和無機(jī)膠體，通過吸附、解吸、代替等過程，使污染物“蓄積”和發(fā)生形態(tài)變化。

通過植物吸收作用，對土壤污染物起著代謝、轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移的作用。

淋濾、揮發(fā)、擴(kuò)散等作用使污染物遷移。

第二節(jié)土壤環(huán)境污染

——土壤污染源及污染物

土壤污染發(fā)生的途徑污染發(fā)生特征與土壤的特殊地位和功能有關(guān)：

土壤是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的勞動對象和生產(chǎn)手段。

土壤常作為廢物的處理場所。

土壤作為開放體系，與其它環(huán)境要素之間進(jìn)行物質(zhì)和能量的交換。

土壤污染源

土壤污染源工業(yè)污染源農(nóng)業(yè)污染源生活污染源大氣沉降物廢水、廢氣、廢渣人糞尿、生活污水降水、降塵農(nóng)藥化肥、畜禽糞便

第三節(jié)

重金屬污染

——土壤中重金屬元素背景值

背景值

是指一定區(qū)域內(nèi)的自然狀態(tài)下，未受人為活動影響的土壤中重金屬元素的正常含量及其賦存的形態(tài)。研究成果可用于判斷土壤環(huán)境質(zhì)量狀況和污染程度；研究和確定土壤環(huán)境容量；研究污染物在土壤環(huán)境中化學(xué)行為的依據(jù)。

土壤環(huán)境重金屬背景值的表示方法

平均值加標(biāo)準(zhǔn)差

差異檢驗法

富集系數(shù)法

元素相關(guān)分析法

關(guān)鍵是找出一個能代表自然含量水平，而又與其他元素具有一定相關(guān)性的元素做依據(jù)，然后計算相關(guān)系數(shù)。

用Al2O3替代TiO2土壤環(huán)境背景值差異影響因素成土母巖、母質(zhì)的影響生物氣候帶的影響地形的影響土地利用類型的影響

我國土壤環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)

1987年，開始有關(guān)土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)制定的研究工作

標(biāo)準(zhǔn)編制工作自1989年開始

1995年發(fā)布

1996年3月1日開始實施Ⅰ類土壤主要適用于國家規(guī)定的自然保護(hù)區(qū)、集中式生活飲用水源地、茶園、牧場和其他保護(hù)地區(qū)的土壤，土壤質(zhì)量基本保持自然背景水平。

Ⅱ類適用于一般農(nóng)田、蔬菜地、茶園、果園、牧場等土壤，土壤質(zhì)量基本上對植物和環(huán)境不造成危害和污染。

Ⅲ類主要適用于林地土壤及污染物容量較大的高背景值土壤和礦產(chǎn)附近等地的農(nóng)田土壤(蔬菜地除外)。土壤質(zhì)量基本上對植物和環(huán)境不造成危害和污染。

土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)

一級標(biāo)準(zhǔn)

為保護(hù)區(qū)域自然生態(tài)，維持自然背景的土壤環(huán)境質(zhì)量的限制值——執(zhí)行Ⅰ類土壤環(huán)境質(zhì)量。二級標(biāo)準(zhǔn)

為保障農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，維護(hù)人體健康的土壤限制值——執(zhí)行Ⅱ類土壤環(huán)境質(zhì)量。三級標(biāo)準(zhǔn)

為保障農(nóng)林業(yè)生產(chǎn)和植物正常生長的土壤臨界值——執(zhí)行Ⅲ類土壤環(huán)境質(zhì)量。第三節(jié)

重金屬污染

——重金屬元素的遷移和轉(zhuǎn)化

鎘的遷移轉(zhuǎn)化

水溶性Cd

離子態(tài)CdCl2、Cd(NO3)2、CdCO3，絡(luò)合態(tài)Cd(OH)2，可被植物吸收和積累而進(jìn)入食物鏈。非水溶性Cd

CdS、CdCO3等，難遷移，不為植物所吸收。旱田以Cd3(PO4)2、CdCO3、Cd(OH)2形態(tài)存在，石灰性土壤以CdCO3為主。水田以CdS形式存在，落干時，氧化生成CdSO4。Cd2＋能與OH－、H+、Hm形成絡(luò)合物，降低有效轉(zhuǎn)移。Cd土壤容量最小，土壤中Cd含量增加，使水稻中Cd的含量增高。

土壤中汞的遷移轉(zhuǎn)化

可溶態(tài)Hg主要是HgCl2難溶態(tài)Hg有HgHPO4、HgCO3、HgS吸附態(tài)Hg被土壤有機(jī)、無機(jī)膠體吸附還原性土壤中，以HgS形式存在在微生物的作用下，甲基化生成有機(jī)汞，使毒性增強(qiáng)

土壤中砷的遷移轉(zhuǎn)化

微生物難分解土壤中As，但能使As烷基化。鐵鋁氫氧化物對As的吸附最強(qiáng)，其次是Hm，一般的順序是：

紅壤＞磚紅壤＞黃棕壤＞黑土＞堿土＞黃土土壤對As的吸附與土壤pH有關(guān)。土壤中As的形態(tài)和毒性與土壤Eh有關(guān)。第四節(jié)農(nóng)用化學(xué)品對土壤的污染

——化學(xué)農(nóng)藥的功與過

1939年米勒(Paul.Miller)合成了DDT，為“二戰(zhàn)”期間感染瘧疾的士兵帶來了福音，之后被作為殺蟲劑而應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，獲得了1948年諾貝爾獎。農(nóng)藥的研究與應(yīng)用取得了很大的進(jìn)展，至今世界農(nóng)藥年產(chǎn)量超過200萬噸，品種日漸增加。為防治農(nóng)、林、牧業(yè)病蟲害，保證了農(nóng)業(yè)增產(chǎn)作出了貢獻(xiàn)。對環(huán)境和生態(tài)系統(tǒng)帶來不良影響傷害了害蟲的“天敵”及傳粉的益蟲、益鳥產(chǎn)生抗藥性污染土壤環(huán)境農(nóng)業(yè)退水對水體造成污染進(jìn)入食物鏈影響人體健康

生物放大作用長距離大氣傳輸——蚱蜢跳效應(yīng)——農(nóng)藥在土壤中的遷移轉(zhuǎn)化

殘留量

指未被降解而存在于土壤中農(nóng)藥含量。半衰期

指農(nóng)藥因降解等原因使?jié)舛葴p少一半所需要的時間。土壤中農(nóng)藥殘留可以模擬一級反應(yīng)動力學(xué)方程：

c—

t時刻土壤中農(nóng)藥的濃度c0—農(nóng)藥在土壤中的初始濃度t—時間

k—降解速率常數(shù)

土壤膠體對農(nóng)藥的吸附

膠體吸附能力：有機(jī)膠體＞蛭石＞蒙脫石＞伊利石＞綠泥石＞高嶺土同一類型農(nóng)藥，分子愈大，溶解度越小，吸附能力愈強(qiáng)存在形態(tài)影響遷移、轉(zhuǎn)化能力和生理毒性

土壤對農(nóng)藥吸附能力的大小，關(guān)系到農(nóng)藥在土壤中的有效性和土壤對農(nóng)藥的凈化能力。

化學(xué)農(nóng)藥在土壤中的

揮發(fā)、擴(kuò)散和遷移

在土壤中擴(kuò)散速率緩慢，土壤中農(nóng)藥蒸汽擴(kuò)散是污染大氣的重要途徑。淋溶污染地下水，地表徑流污染地面水。以揮發(fā)形式進(jìn)入大氣，揮發(fā)速度決定于農(nóng)藥溶解度、蒸汽壓、近地表空氣層擴(kuò)散速度以及土壤的濕度、溫度，質(zhì)地和結(jié)構(gòu)條件。

農(nóng)藥的揮發(fā)、遷移雖可促使土壤本身凈化，但卻導(dǎo)致了其他環(huán)境因素的污染。

農(nóng)藥在土壤中的降解

光化學(xué)降解

主要有光分解、氧化、水解或異構(gòu)化反應(yīng)，其中光分解反應(yīng)最重要。

化學(xué)降解

水解、氧化、異構(gòu)化、離子化等作用，其中以