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環(huán)境學(xué)概論廣東石油化工學(xué)院理學(xué)院地理系

陳修文2/6/20231第四章土壤環(huán)境

本章提要(…)

第一節(jié)土壤的組成和性質(zhì)第二節(jié)土壤環(huán)境污染第三節(jié)重金屬對土壤的污染第四節(jié)化學(xué)農(nóng)藥對環(huán)境的污染第五節(jié)土壤污染的防治

本章主要介紹土壤中各種污染物對土壤環(huán)境造成的污染問題及其防治。

返回2/6/20232一、土壤的組成(一)土壤礦物質(zhì)(二)土壤有機質(zhì)(5-12%)(三)土壤空氣(四)土壤溶液(五)土壤剖面形態(tài)二、土壤的物理化學(xué)性質(zhì)(一)土壤的物理性質(zhì)(二)土壤膠體及土壤吸收交換性(三)土壤的酸堿性和氧化-還原性

(C的循環(huán))本節(jié)結(jié)束下一節(jié)第一節(jié)土壤的組成和性質(zhì)

土壤是環(huán)境中特有的組成部分,是位于陸地表面呈連續(xù)分布,具有肥力并能生長植物的疏松層,它是一個復(fù)雜的物質(zhì)體系。按容積計:較理想的土壤中礦物質(zhì)38-45%;按重量計:可占固相部分的90-95%以上。(原生礦物、次生礦物)

由動植物殘體分解轉(zhuǎn)化逐漸形成,與礦物質(zhì)一起共同構(gòu)成了土壤的固相部分。土壤有機質(zhì)的化學(xué)組成包括:糖類(碳水化合物)、木質(zhì)素、有機氮、脂肪、蠟質(zhì)、單寧、木栓質(zhì)、角質(zhì)、有機磷及灰分等。土壤腐殖質(zhì)是土壤有機質(zhì)的主要部分,約占有機質(zhì)總量的50-65%。腐殖質(zhì)不是單一的有機質(zhì),是一系列高分子有機化合物,其中主要包括胡敏酸、富里酸等。

因擴散作用土壤空氣的主要成分同大氣一樣,為N2、O2、CO2及水汽等。土壤空氣中還含有甲烷(CH4)、硫化氫(H2S)、氫(H2)、磷化氫(PH3)、二硫化碳(CS2)、乙烷(C2H6)、丙烷(C3H8)、乙烯(C2H4)、丙烯(C3H6)、乙炔(C2H2)、氬(Ar)、氖(Ne)、氡(Rn)和各種氮氧化物等二十多種氣體。

土壤水是植物吸收養(yǎng)料的主要媒介。土壤溶液中多含有Na+、K+、Mg2+、Ca2+、Cl-等離子及有機物。由于土壤溶液參加水的循環(huán),所以土壤溶液的組成是經(jīng)常變動的。包括:土壤結(jié)構(gòu)和土壤孔隙。土壤質(zhì)地、結(jié)構(gòu)性能、有機質(zhì)含量都對土壤孔隙狀況產(chǎn)生重要的影響,從而決定土壤的可耕性。

土壤的形成過程中,由于物質(zhì)在土壤中的垂直遷移和累積的結(jié)果,促使土壤中物質(zhì)發(fā)生淋溶和聚集,因而在土壤層次中發(fā)生垂直分化,天然土壤自上而下可分為覆蓋層(A0),淋溶層(A)、淀積層(B)、母質(zhì)層(C)和風(fēng)化層(D)。

土壤膠體是指土壤中顆粒直徑小于2μm或小于1μm,具有膠體性質(zhì)的微粒。一般土壤中的粘土礦物和腐殖質(zhì)都具有膠體性質(zhì)。直徑小于2μm的土壤膠粒帶有大量的負(fù)電荷(≥80%),而大于2μm的土粒只帶有少量的負(fù)電荷。

影響土壤氧化-還原作用因素為:①土壤通氣狀況,通氣良好,電位升高;通氣不良,電位下降。受氧支配的體系其Eh值隨pH而變化,pH值越低,Eh值越高;②土壤有機質(zhì)狀況,土壤有機質(zhì)在嫌氣條件下分解,形成大量還原性物質(zhì),在浸水條件下Eh下降;③土壤無機物狀況,一般還原性無機物多,還原作用強,氧化性無機物多,氧化作用強。土壤中氧化鐵和硝酸鹽含量高,可減弱還原作用,緩沖Eh值的下降。

2/6/20233生物地球化學(xué)過程和模式1)碳循環(huán)

陸地系統(tǒng)陸地生物系統(tǒng)河流遷移過程海洋系統(tǒng)海洋生物系統(tǒng)吸收過程沉淀過程吸收過程死亡過程溶解過程沉淀過程火山活動、分解表面巖石系統(tǒng)大氣系統(tǒng)(CO2)光合過程呼吸過程呼吸過程光合過程2/6/20234一、土壤污染和土壤凈化其他概念二、土壤污染源

三、土壤污染物質(zhì)四、土壤污染的發(fā)生類型

(一)水體污染型(二)大氣污染型(三)農(nóng)業(yè)污染型(四)固體廢棄物污染型本節(jié)結(jié)束第二節(jié)土壤環(huán)境污染(一)土壤污染:土壤污染:污染物質(zhì)進入土壤,其數(shù)量和速度,超過了土壤凈化作用的速度,導(dǎo)致土壤自然正常功能的失調(diào),土壤質(zhì)量的下降,并最終影響到人類的健康。土壤污染特點:隱蔽性和潛伏性不可逆性和長期性(二)土壤凈化:土壤本身通過吸附、分解、遷移、轉(zhuǎn)化,而使土壤污染的濃度降低而消失的過程。凈化途徑:1.由于土壤中含有各種各樣的微生物和土壤動物,對外界進入土壤中的各種物質(zhì)都能被分解轉(zhuǎn)化。2.由于土壤中存在有復(fù)雜的有機和無機膠體體系,通過吸附、解吸、代換等過程,對外界進入土壤中的各種物質(zhì)起著“蓄積作用”,使污染物發(fā)生形態(tài)變化。3.土壤是綠色植物生長的基地,通過植物的吸收作用,土壤中的污染物質(zhì)起著轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移的作用。自然污染源:如火山噴發(fā),含有重金屬或放射性元素的礦床附近地區(qū)的土壤。人為污染源:(一)工業(yè)污染源:濃度較高,短時間內(nèi)即可引起土壤、作物危害。(廢渣作為肥料施入農(nóng)田、污水灌溉)(二)農(nóng)業(yè)污染:化學(xué)農(nóng)藥、除草劑、牲畜廢物等。(三)生物污染源:人糞尿、生活污水等。工礦企業(yè)廢水和城市生活污水的直接排放;污水灌溉,使土壤受到重金屬、無機鹽、有機物和病原體的污染。水污染型的污染特點是沿河流或干支渠呈枝形片狀分布。沉降和降水而降落地面。污染物(二氧化硫、氮氧化物和顆粒物等)集中在土壤表層,引起土壤酸化等多種污染。特點是以大氣污染源為中心呈環(huán)狀或帶狀分布,長軸沿主風(fēng)向伸長。其污染的面積、程度和擴散的距離,取決于污染物質(zhì)的種類、性質(zhì)、排放量、排放形式及風(fēng)力大小等。污染程度與化肥、農(nóng)藥的數(shù)量、種類、利用方式及耕作制度等有關(guān)。主要是工礦企業(yè)排出的尾礦廢渣、污泥和城市垃圾在地表堆放或處置過程中通過擴散、降水淋濾等直接或間接地影響土壤,使土壤受到不同程度的污染。土壤背景值(土壤本底值):是指未受或盡少受人類活動,特別是人為污染影響的土壤化學(xué)元素的自然含量。土壤環(huán)境容量:在人類生存和自然生態(tài)不知受害的前提下,土壤環(huán)境所能容納的污染物的最大負(fù)荷量。次生鹽漬化:由于人類不合理的農(nóng)業(yè)措施而發(fā)生的鹽漬化,稱次生鹽漬化。2/6/20235土壤的污染返回2/6/20236三、土壤污染物質(zhì)(一)有機物類(二)重金屬污染物(三)放射性物質(zhì)(四)化學(xué)肥料(五)致病的微生物第二節(jié)土壤環(huán)境污染

土壤污染物:土壤污染物質(zhì)指的是進入土壤中并影響土壤正常作用的物質(zhì),即會改變土壤的成分、降低農(nóng)作物的數(shù)量或質(zhì)量,有害于人體健康的那些物質(zhì)。污染土壤的有機物,主要是化學(xué)農(nóng)藥、除草劑等。例如有機氯類,包括六六六、DDT、艾氏劑、狄氏劑等;有機磷類,包括馬拉硫磷、對硫磷、敵敵畏等;氨基甲酸酯類,有的為殺蟲劑,有的為除草劑;苯氧羧酸類,如2,4-D、2,4,5-T等除草劑。工業(yè)“三廢”中的有機污染物,較常見的有酚、油類、多氯聯(lián)苯、苯并芘等有機化合物。這類合成有機污染物通過不同途徑進入土壤后,除一部分發(fā)揮作用之外,另一部分因其較穩(wěn)定不易分解而在土壤中累積,造成土壤污染。重金屬進入土壤的途徑:由于使用含重金屬的廢水進行灌溉;隨著含重金屬的粉塵落入土壤中;使用含重金屬的廢渣作為肥料;使用含重金屬的農(nóng)藥制劑等。常見的一些重金屬污染物包括汞、鎘、鉛、銅、鋅、鎳、砷等。因為重金屬不能為土壤微生物所分解,而且可為生物所富集。因此土壤一旦被重金屬污染,是較難予徹底消除的,可對環(huán)境形成潛在的威脅。主要是由于大氣核爆炸降落的污染物,以及原子能和平利用所排出的液體和固體的放射性廢棄物,最終不可避免地隨同自然沉降,雨水沖刷和廢棄物的堆放而污染土壤。含氮和含磷的化學(xué)肥料使用不當(dāng)而造成這類物質(zhì)從土壤中流失污染環(huán)境,特別是水體富營養(yǎng)化問題與此有關(guān)。土壤中的病原微生物,主要來源于人畜的糞便及用于灌溉的污水(未經(jīng)處理的生活污水及醫(yī)院污水),當(dāng)人與污染的土壤接觸時可傳染各種細(xì)菌及病毒,若食用被土壤污染的蔬菜、瓜果等會威脅人體健康。這些被污染的土壤經(jīng)過雨水沖刷,又可能污染水體。

2/6/20237土壤污染2/6/20238

土地鹽堿化使植被枯死返回2/6/20239一、土壤中重金屬元素的來源二、土壤中重金屬元素的背景值三、土壤中重金屬元素的遷移轉(zhuǎn)化(一)重金屬元素在土壤中污染特征(二)土壤條件與重金屬的遷移轉(zhuǎn)化(三)主要重金屬在土壤中的遷移轉(zhuǎn)化本節(jié)結(jié)束返回下一節(jié)第三節(jié)重金屬對土壤的污染原生巖石:主要來源。人為因素:修建道路、建筑工程;金屬礦物加工、尾礦;施用肥料。土壤環(huán)境中重金屬元素背景值是指一定區(qū)域內(nèi)自然狀態(tài)下未受人為污染影響的土壤中重金屬元素的正常含量。土壤環(huán)境背景值的測定和研究是環(huán)境科學(xué)中的一項基礎(chǔ)工作,它能為土壤環(huán)境質(zhì)量評價、污染趨勢預(yù)測、重金屬在土壤中的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律的研究提供科學(xué)依據(jù)。

重金屬元素在土壤中的污染特征:不能被微生物分解可以轉(zhuǎn)化且毒性更強難以消除1.膠體的吸附或重金屬和膠體的締合2.重金屬的絡(luò)合和螯合作用3.氧化-還原作用及酸堿度影響重金屬的價態(tài)變化和溶解度

2/6/202310(三)主要重金屬在土壤中的遷移轉(zhuǎn)化

1、鎘的遷移轉(zhuǎn)化:2、汞的遷移轉(zhuǎn)化:3、砷的遷移轉(zhuǎn)化:返回第三節(jié)重金屬對土壤的污染

土壤中鎘的存在形態(tài)分為水溶性和非水溶性鎘。離子態(tài)CdCl2、Cd(NO2)2、CdCO3和絡(luò)合態(tài)的如Cd(OH)2呈水溶性的,易遷移,可被植物吸收,而難溶性鎘的化合物如鎘沉淀物、膠體吸附態(tài)鎘等為難溶性鎘,不易遷移和為植物吸收。但兩種形態(tài)在一定條件下可相互轉(zhuǎn)化。作物對鎘的吸收,隨土壤pH值的增高而降低有機質(zhì)與鎘螯合能降低鎘的有效性Eh低或淹水等,有利于形成難溶性的CdS當(dāng)水田落干時,非溶性CdS則會氧化成CdSO4,增加其溶性因Cd和Zn、Pb、Cu等伴生離子的含量存在正相關(guān)土壤中汞的存在形態(tài)有離子吸附和共價吸附的汞、可溶性汞(HgCl2),難溶性汞(HgHPOr、HgCO3及HgS)。吸附劑的種類和氧化-還原狀況影響汞遷移轉(zhuǎn)化植物對汞的吸收和累積與土壤汞的含量關(guān)系:水稻生長的“米汞”和“土汞”之間生物吸收富集系數(shù)為0.01,即土壤中總汞含量為2ppm時,米汞含量可超過0.02ppm。汞在作物不同部位的累積順序為:根>葉>莖>種子。糧食作物中的順序為:水稻>玉米>高梁>小麥。不同土壤中汞的最大允許量是有差別的,如酸性土壤為0.5ppm,石灰性土壤為1.5ppm。砷有三價和五價砷,土壤中砷在表層積累,形態(tài)可分為水溶性砷、交換性砷和難溶性砷三種,其中水溶性砷約占總砷的5-10%,大部分是交換態(tài)及難溶性砷。砷與堿土金屬和重金屬化合,可生成亞砷酸鹽,多數(shù)亞砷酸鹽類溶解度均較小,不宜遷移。土壤中的砷大部分為膠體所吸附,或與有機物絡(luò)合、螯合,或與土壤中的鐵、鋁、鈣等結(jié)合形成難溶性化合物,或與鐵、鋁等氫氧化物形成共沉淀。不能被微生物分解可以轉(zhuǎn)化且毒性更強難以消除2/6/202311一、化學(xué)農(nóng)藥對環(huán)境的污染

二、主要的農(nóng)藥類型(一)有機氯類農(nóng)藥(二)有機磷類農(nóng)藥(三)氨基甲酸酯類農(nóng)藥(四)除草劑三、農(nóng)藥在土壤中的遷移、降解及殘留(一)農(nóng)藥污染土壤的主要途徑(二)農(nóng)藥在土壤中的殘留(三)農(nóng)藥在土壤中的轉(zhuǎn)化

本節(jié)結(jié)束返回下一節(jié)第四節(jié)化學(xué)農(nóng)藥對環(huán)境的污染化學(xué)農(nóng)藥是指能防治植物病蟲害、消滅雜草和調(diào)節(jié)植物生長的化學(xué)藥劑。目前世界生產(chǎn)的農(nóng)藥品種達(dá)1300

余種,農(nóng)業(yè)上常用的有250種以上。(1)有機氯農(nóng)藥不僅對害蟲有殺傷毒害作用,同時對害蟲的“天敵”及傳粉昆蟲等益蟲益鳥也有殺傷作用,因而破壞了自然界的生態(tài)平衡;(2)長期使用同類型農(nóng)藥,使害蟲產(chǎn)生了抗藥性,因而增加了農(nóng)藥的用量和防治次數(shù),也大大增加了防治費用和成本;(3)長期大量使用農(nóng)藥,使農(nóng)藥在環(huán)境中逐漸積累,尤其是在土壤環(huán)境中,產(chǎn)生了農(nóng)藥污染環(huán)境問題。

該類農(nóng)藥是含氯的有機化合物,大部分是含一個或幾個苯環(huán)的氯素衍生物。最主要的品種是DDT(二氯二苯基三氯乙烷)和六六六(六氯環(huán)己烷),其次是艾氏劑(六氯-六氫化-二甲萘)、狄氏劑和異狄氏劑(Dieldrin)(六氯-環(huán)氧-八氫化-二甲萘),氯丹七氯等。有機氯類農(nóng)藥的特點是:化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定,在環(huán)境中殘留時間長,短期內(nèi)不易分解,易溶于脂肪中,并在脂肪中蓄積,長期使用是造成環(huán)境污染的最主要農(nóng)藥類型。目前許多國家都已禁止使用,我國已于1985年全部禁止生產(chǎn)和使用。有機磷農(nóng)藥對昆蟲及哺乳類動物均可呈現(xiàn)毒性,破壞神精細(xì)胞分泌的乙酰膽堿,阻礙刺激的傳送機能等生理作用,使之致死。

該類農(nóng)藥均具有苯基-N-烷基氨基甲酸酯的結(jié)構(gòu),它與有機磷農(nóng)藥一樣,具有抗膽堿酯酶作用,中毒癥狀也相同。但中毒機理有差別,是由對膽堿酯酶分子總體的弱可逆結(jié)合的抑制而引起的。在環(huán)境中易分解,在動物體內(nèi)也能迅速代謝,而代謝產(chǎn)物的毒性多數(shù)低于其本身毒性,因此屬于低殘留的農(nóng)藥。

除草劑具有選擇性,只能殺傷雜草,而不傷害作物。最常用的除草劑有2,4-D(2,4-二氯苯氧基醋酸)和2,4,5-T(2,4,5-三氯苯氧基醋酸)及其脂類,它們能除滅許多闊葉草,但對許多狹葉草則無害,是一種調(diào)解物質(zhì)。

1.施用于田間的各種農(nóng)藥大部分落入土壤中,附著于植物體上的部分農(nóng)藥,也因風(fēng)吹雨淋落入土壤中,這就是造成土壤污染的主要原因。2.使用浸種、拌種、毒谷等施藥方式,或是將農(nóng)藥直接撒至土壤中。3.噴射農(nóng)藥,葉面下落到土壤,也有大量農(nóng)藥撒在或蒸發(fā)到空氣中,粘附在飄塵上,隨雨水降落到土壤中。農(nóng)藥在土壤中的存留時間常用兩種概念來表示:即半衰期和殘留期。半衰期指施入土壤中的農(nóng)藥因降解等原因使其濃度減少一半所需要的時間;殘留量指土壤中的農(nóng)藥因降解等原因含量減少而殘留在土壤中的數(shù)量。土壤對化學(xué)農(nóng)藥的吸附化學(xué)農(nóng)藥在土壤中的揮發(fā)和擴散農(nóng)藥在土壤中的降解2/6/2023121.化學(xué)農(nóng)藥在土壤中的吸附

農(nóng)藥能夠在土壤中殘留,主要是土壤對它有吸附作用,被吸附的農(nóng)藥往往發(fā)生形態(tài)的改變,同時也在不斷的改變它的遷移能力和生理毒性。1)與膠體帶電性質(zhì)有關(guān):有機膠體>蛭石>蒙脫石>伊利石>綠泥石>高嶺石。2)土壤膠體的陽離子組成,對農(nóng)藥吸附交換有一定的影響。3)PH值影響膠體的帶電性,進而影響吸附作用。4)化學(xué)農(nóng)藥的物質(zhì)成分和性質(zhì):同一類型的,分子越大吸附能力越強。5)土壤對化學(xué)農(nóng)藥的吸附是有選擇性的。返回2/6/2023132.化學(xué)農(nóng)藥在土壤中的揮發(fā)遷移擴散

農(nóng)藥進入土壤后,在被土壤固相吸附的同時,還通過氣體的揮發(fā)和隨水淋溶以及植物的吸收而在土壤中擴散遷移。但可能造成二次污染。

這與很多因素有關(guān):1)農(nóng)藥的溶解度越大,越容易被植物吸收2)潮濕土壤中農(nóng)藥的揮發(fā)速度快3)高含量有機質(zhì)土壤和低溫土壤中農(nóng)藥的揮發(fā)速度慢返回2/6/2023143.化學(xué)農(nóng)藥在土壤中的降解1)生物降解:通過生物的作用將農(nóng)藥分解成小分子化合物的過程。2)化學(xué)降解:以氧化和水解最為重要水接強度溫度升高、土壤水分增加和PH值降低而增強3)光化學(xué)降解:指土壤表面接受太陽輻射能和紫外線等能量作用而引起農(nóng)藥分解的過程。4.化學(xué)農(nóng)藥的殘留受以下因素的影響1)農(nóng)藥的化學(xué)性質(zhì)和分解的難易:半衰期2)與土壤的性質(zhì)有關(guān):組成、濕度、溫度、有機質(zhì)組成3)與土壤作用有關(guān):種類、生理特性返回2/6/202315土壤退化一、控制和消除土壤污染源二、防治土壤

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