环境土壤学 第一章 绪论.ppt

第一章绪论 环境土壤学 3 28 2020 3 28 2020 3 28 2020 课程讲授内容 第1章 绪论第2章 土壤理化性质及其生态功能第3章 土壤生物及其生态功能第4章 土壤的形成与分类第5章 土壤环境质量第6章 土壤环境污染第7章 环境土壤学研究方法第8章 土壤碳素转化与温室气体排放第9章 土壤氮 磷循环与环境效应第10章 土壤氟 硒 碘与人体健康第11章 重金属在土壤环境中的行为与危害第12章 有机污染物在土壤环境中的行为与危害第13章 土壤环境质量评价第14章 重金属污染土壤修复与利用第15章 有机污染土壤的修复与利用第16章 污水灌溉区土壤修复理论与实践第17章 工矿区污染土壤修复与利用第18章 设施农业土壤质量规划与防治 基础篇 原理篇 应用篇 考核办法 平时作业 包括考勤 PPT汇报 作业 30分 期中测试 结合土壤实验编写考察报告 20分 期末考试 50分 环境土壤学教学目标 1 了解土壤学的基础知识 熟悉野外考察取样 室内能够进行土壤粒度 有机质 N P K等实验分析 2 掌握污染物在土壤中的迁移转化 能够对土壤污染实验数据开展分析 3 了解不同类型污染土壤修复技术 能够对污染土壤修复编制调查方案 民以食为天 食以土为本万物土中生 有土斯有财 第一节土壤及土壤的基本特性 一 土壤的概念万物自生焉则曰土 周礼 公元前3世纪 以人所耕而树艺焉则曰壤 周礼 土者 是地之吐生物者也 二 像地之上 地之中 I 物出形也 说文解字 许慎 一 土壤的概念 1 农民和农业科学工作者 土壤是植物生长的介质 2 水利学家 土壤是贮水和输水的多孔介质 3 工程专家 土壤是承受高强度压力的基地或工程材料的来源 4 环境科学家 土壤是重要的环境因素 环境污染物的缓冲带和过滤器 5 地质学家 土壤是地球陆地表面的一个疏松的薄层 主要是近代地质作用所形成的地壳风化产物 6 生态学家 从生物地球化学观点出发 认为土壤是地球表层系统中 生物多样性最丰富 生物地球化学的能量交换 物质循环 转化 最活跃的生命层 7 土壤学家 土壤有着自己发生发展和长期演变的历史 土壤是由岩石风化形成的母质在生物等因素的参与下逐渐形成的 是自然界中一个独立的历史自然体 简明定义 能产生植物收获的地球陆地表面的疏松层次 综合定义 土壤是地球表面生物 气候 母质 地形 时间等因素综合作用下所形成的 可供植物生长的一种复杂的生物地球化学物质 与形成它的岩石和沉积物相比 具有独特的疏松多孔结构 化学和生物学特性 它是一个动态生态系统 为植物生长提供了机械支撑 水分 养分和空气条件 支持大部分微生物群体的活动 来持着所有的陆地生态系统 其中通过供给粮食 纤维 水完成生命物质的循环 维 建筑材料 建设和废物处理用地 来维持人类的生存发展 通过滤掉有毒的化学物质和病原生物体 来保护地下水的水质 并提供了废弃物的循环场所和途径或使其无害化 土壤 和 土地 概念的区别 不是同一范畴的概念 土壤是土地的物质组成部分 而土地不仅包括土壤要素 还包括地形 植被 水文 人文等要素 土壤 农业土壤 自然土壤 二 土壤的基本特性 一 土壤剖面的垂直分层特性土壤是在生物 气候 母质 地形 时间等因素综合作用下的产物 这种综合作用就称为成土作用 由成土作用形成的层次称为土壤发生层 而完整的垂直土层序列称之为土壤剖面 典型土壤剖面可划为三个基本层 A层 地表最上端 腐殖质在这一层聚积 B层 粘粒在这里淀积 称淀积层或过渡层 C层 不同程度风化物构成 称为母质层 二 土壤的基本物质组成矿物质 有机质 水分 空气和土壤生物等 土壤固相主要由土壤矿物和土壤有机质组成 而它的空隙中存在着水 气及微生物等 所以土壤是一个由固相 液相和气相组成的多孔多相分散体系 三 土壤肥力在植物生活全过程中 土壤供应和协调植物生长所需水 肥 气 热的能力 自然肥力 指土壤在自然因子 气候 生物 地形等 综合作用下所具有的肥力 人为肥力 土壤在人为条件熟化 耕作 施肥 灌溉等 作用下所表现出来的肥力 潜在肥力 土壤肥力在生产上没有发挥出来产生经济效益的部分 有效 经济 肥力 土壤肥力在当季生产中表现出来产生经济效益的部分 土壤肥力类型 四 土壤的物理性质土壤物理特性包括其疏松性 结构性 透水性 持水性 水分移动性 透气性 吸附性等 这些特性决定了土壤中物质的运移和能量的转化 为植物根系的发育和高等及低等生物的定居提供了相对有利的条件 同时在环境保护 地下水水质保持等方面起到不可替代的作用 土壤物理学就是研究土壤的这些独特物理性质的土壤学分支 五 土壤的化学性质土壤胶体是土壤中化学性质最为活跃的物质 它由无机胶体和有机胶体物质组成 无机胶体主要由土壤次生矿物或粘土矿物组成 有机胶体就是腐殖质等 由这些成分复杂的有机 矿质和有机 矿质化合物组成的土壤胶体物质颗粒 通常带负电 为此 它们具有从溶液中吸收和代换盐分离子的能力 土壤胶体物质颗粒表面和土壤溶液相互作用机制 是极其复杂的 决定了众多的土壤化学和土壤物理化学性质的动态行为 为土壤化学所研究的主要内容之一 六 土壤的生物性质土壤是有生命的自然体 是自然界最复杂的生态系统之一 也是最丰富的生物资源库 土壤是生命活动的产物 没有生物就没有土壤 土壤是生命的摇蓝 土壤不仅是生物的栖息地 是生物作用的对象 同时也是地球生命诞生与进化的温床 土壤生物学就是研究土壤生物的功能 反应及其行为 主要的研究内容包括土壤物质 碳 氮 硫等 循环 养分转化 微生物生态 生物防治和土壤分子生物学 七 土壤的空间变异性及在同一地貌的相对均质性不同地貌类型间 不同生物气候类型间这些较大空间尺度乃至全球范围内土壤类型的空间变异和分布规律 同一生物气候带内 相同微地貌类型上 土壤剖面垂直层次的组合和性质基本一致 土壤发生分类学土壤调查制图学 八 土壤的记忆特性古往今来的气候 生物及岩石对土壤形成过程 土壤性质的影响 都会在土体上留下 烙印 即信息的记忆 北方黄土堆积层发育的古土壤 红土层 解读这些信息 有助于我们了解地球的地质变化 气候变化的规律 土壤中的化石 我们可以推测生物的进化 古土层的性质可以帮助我们恢复古地理环境 地磁性质的变化 也可揭示古气候的变迁 这些研究为了解土壤的今昔变化及未来发展提供了必要的依据 第二节土壤在人类农业生产和自然环境中的重要性 一 土壤是人类农业生产的基地二 土壤是地球表层系统自然地理环境的重要组成部分三 土壤是陆地生态系统的基础四 土壤是最珍贵的自然资源 土壤与人类生存发展的关系示意图 一 土壤是人类农业生产的基地 一 土壤是植物生长繁育和生物生产的基地1 营养库作用 是陆地生物所需营养物质的重要来源 2 在养分转化和循环中的作用 无机物的有机化 有机物的矿质化 3 雨水涵养作用 是一个巨大的水库 4 对生物的支撑作用 土壤中拥有种类繁多 数量巨大的生物群 5 在稳定和缓冲环境变化中的作用 二 植物生产 动物生产和土壤管理关系土壤管理植物生产动物生产 二 土壤是地球表层系统自然地理环境的重要组成部分 一 土壤圈 Pedosphere 的概念地球表层系统五大要素 大气圈 生物圈 岩石圈 水圈 土壤圈 土壤圈是覆盖于地球和浅水域底部的土壤所构成的一种连续体或覆盖层 它是地圈系统的重要组成部分 土壤圈的地位 positionofpedosphere 气圈Gas sphere 岩石圈Rocky sphere 水圈Watersphere 生物圈Biosphere 土壤圈pedosphere 金属与微量元素物质循环 生物养分物质循环 水分循环与平衡 1 土壤圈涵义 1 永恒的物质与能量交换 2 最活跃与最富生命力的圈层 3 记忆块的功能 4 时空限制特征 5 仅部分为可再生资源 2 土壤圈的功能 1 对大气圈频繁的水 热 气地交换和平衡 是全球气候变化的重要方面 2 对生物圈支撑和调节生物过程 提供植物生长的养分 水分与适宜的物理条件 决定自然植被的分布与演替 3 对水圈降水在陆地的重新分配 元素的生物地球化学行为和水分平衡 分异 转化及水圈的化学组成 4 对岩石圈具有一定的保护作用 以减少其受各种外营力破坏 与岩石圈进行物质交换与地质循环 土壤圈的功能 二 土壤圈在全球变化中的作用1 通过土壤圈与其它圈层的物质交换 影响土壤的全球变化2 通过全球土被在时空上的演变 引起土壤全球变化3 通过人为活动对土壤圈的强烈作用 对全球土壤变化以至生存环境发生影响 1 人为砍伐森林 加剧水土流失 2 对土壤资源利用不当导致土壤退化严重 3 水稻田 沼泽地及湖泊产生痕量温室气体 三 土壤圈的研究方向与内容 1 研究方向 1 土壤圈与生物圈之间养分元素的交换与平衡 土壤圈与水圈之间的水分循环与物质运动 土壤圈与大气圈之间的大量气体及痕量气体的交换与平衡 以及土壤圈与岩石圈之间元素迁移与转化 2 土壤圈物质和能量循环与地球生命 人类生存条件 自然环境及全球变化之间的关系 2 研究任务 1 土壤资源的开发利用与保护 土地数字化数据库 SOTER 2 土壤肥力调节与农业持续发展 3 土壤生态环境的建设 农业生态系统中土壤生态环境演替规律 土壤生态环境建设的研究 防止土壤污染 4 土壤圈物质循环及全球变化 土壤圈与大气圈大量与痕量气体交换与平衡 土壤圈与水圈的水循环 土壤圈与岩石圈元素迁移 土壤圈与生物圈养分元素交换与平衡 土壤圈物质组成 性质 类型及时空变化规律 全球土被演变及土壤退化 土壤侵蚀 沙漠化 肥力退化 盐渍化 酸化 沼泽化 的时空变化 形成机理及预测预控 人类活动对土壤全球变化及人类环境变化的影响 一 土壤生态系统Soilecosystems 相对独立的子系统 ProducerHolophyte 自养生物 PlantConsumerHeterotrophicorganism 异养 animal fauna DecomposerHeterotrophicorganism 异养 Microorganisms 三 土壤是陆地生态系统的基础 二 土壤在陆地生态系统中的重要作用保持生物活性 多样性和生产性 对水体和溶质流动起调节作用 对有机 无机污染物具有过滤 缓冲 降解 固定和解毒作用 具有贮存并循环生物圈及地表的养分和其它元素的功能 中国是个多山的国家 各种山地丘陵地面积占全部土地面积的65 平原区土地仅占35 中国人均耕地面积不到世界人均耕地的l 3 人均林地面积占世界人均林地面积的1 9 人均草地面积不到世界人均草地面积的1 2 2 质量的可变性3 空间位置的固定性 四 土壤是最珍贵的自然资源1 数量的有限性和固定性 第三节近代土壤科学发展及其主要研究内容 主要学派农业化学学派mineralnutritiontheory德国李比希 J F Liebig 1803 1873 农业地质学派风化 淋溶德国法鲁 F A Fallow 李希霍芬 F V Richthofen 拉曼 E Ramann 土壤发生学派风化过程 成土过程俄国道库恰耶夫 1846 1902 3 Historyofsoilsciencedevelopment 一 近代土壤科学的发展概况我国古代 古希腊 罗马等的认识18世纪后期逐渐形成独立学科 重要观点Importantviewpoint发生 发育 发展过程独立自然体 运动形式多样土壤具有肥力 fertility 土壤形成因素Soil formingfactors母质Parentmaterial rock 生物Organisms气候Climate地形Topography时间Time人类活动HumanactiveS f P O C To T H 土壤物理学SoilPhysics土壤地理学SoilGeography土壤生物学SoilBiology土壤微生物学土壤动物学土壤分类学SoilTaxonomy土壤发生学土壤资源学土壤区划学土壤管理学土壤矿物学SoilMineralogy土壤环境学SoilEnvironment土壤生态学土壤环境化学土壤修复学土壤化学SoilChemistry土壤无机化学土壤有机化学土壤分析化学土壤物理化学土壤生物化学土壤胶体化学土壤电化学土壤表面化学 1 学科体系 二 土壤学科体系 研究内容和方法 一 土壤物理学主要研究土壤水 气 热运动及其调控的原理 其研究内容包括土壤水分 土壤质地 土壤结构 土壤力学性质 土壤溶质移动及土壤 植物 大气连续体 SPAC 中的水分运行和能量转移等 二 土壤化学研究土壤化学组成 性质及其土壤化学反应过程的分支学科 重点研究土壤胶体的组成 性质 及土壤固液界面发生的系列化学反应 为开展土壤培肥 土壤管理 土壤环境保护提供理论依据 三 土壤生物学研究土壤中微生物区系 多样性及其功能和活性的土壤学分支 土壤微生物生态 土壤微生物与土壤物质循环 陆地N P S C素循环 土壤酶活性 土壤微生物与土壤固氮作用 根际微生物与菌根 土壤微生物之间的相互作用 农业措施对微生物的影响 土壤微生物与土壤的污染防治 有益微生物的农业应用 四 土壤化学土壤腐殖质形成 特性 及其对土壤肥力的影响 土壤碳 氮 磷 硫的生物转化 有机碳 氮矿化作用和腐殖化作用 有机生物制剂包括有机农药 杀虫剂 除草剂的生物降解及其对环境污染的影响等 五 土壤地理学土壤发生和分类土壤发生学是土壤地理学的核心 重点研究土壤形成与自然成土因子和人为活动的复杂关系 并在此基础上 根据土壤的发生发育过程 土壤诊断学属性进行土壤分类 土壤分布规律土壤是一个时间上处于动态 空间上具有垂直和水平方向上分异性的三维连续体 土壤调查制图和土壤质量评价应用现代新技术 如3S技术 建立土壤数据库和土壤信息系统 研究土壤质量评价标准 指标体系和退化土壤的恢复重建技术与措施 重大课题合理开发利用土壤资源改良中低产地防止水土流失 保护土壤资源理论问题土壤肥力的物质基础及其形成机理土壤圈的物质循环土壤地理信息系统土壤环境问题耕地减少 中国耕地14 4亿亩 10 人均耕地1 34亩水土流失 总流失量1750亿吨 每年50亿吨 1500万亩耕地 草原沙化 草原面积285万km2 沙化面积17 6万km2土壤污染 化肥农药2亿亩 其他污染1亿亩 2 土壤学的研究内容 3 土壤学与相邻学科的关系土壤学与地质学 水文学 生物学 气象学有着密切的关系 土壤学与农学 农业生态学有着不可分割的关系 土壤学与环境科学联系密切 土壤学 形态 发生 分类 肥力 保持 灌溉 水文学hydrology 地球化学geochemistry 土壤学Soilscience 植物营养学plantnutrition 地质学geognosy 土力学soilmechanics 生态学ecology 沉积学sedimentology 地貌学geomorphology 土壤学和相关学科的关系 稳定性 4 土壤学的任务合理利用土壤水土流失土壤沙化土壤次生盐渍化土壤污染农药污染肥料污染 三废 污染中低产土壤改良 5 土壤学的研究方法宏观研究和微观研究综合 交叉研究野外调查与实验室研究结合新技术的应用 第四节土壤科学与环境科学的融合 环境土壤学 1 土壤环境问题 土壤环境污染土壤生态破坏 2 土壤环境污染问题的特点 隐蔽性与滞后性累积性与地域性不可逆转性 3 土壤环境的地位与生态功能 土壤环境是自然生态环境要素的中心环节 土壤环境对控制水 气环境质量的作用 3 土壤环境的地位与生态功能 土壤环境与农业发展有着十分密切的关系 3 土壤环境的地位与生态功能 4 全国土壤污染调查公报 2014 全国土壤环境状况总体不容乐观 部分地区土壤污染较重 耕地土壤环境质量堪忧 工矿业废弃地土壤环境问题突出 工矿业 农业等人为活动以及土壤环境背景值高是造成土壤污染或超标的主要原因 全国土壤总的超标率为16 1 其中轻微 轻度 中度和重度污染点位比例分别为11 2 2 3 1 5 和1 1 污染类型以无机型为主 有机型次之 复合型污染比重较小 无机污染物超标点位数占全部超标点位的82 8 从污染分布情况看 南方土壤污染重于北方 长江三角洲 珠江三角洲 东北老工业基地等部分区域土壤污染问题较为突出 西南 中南地区土壤重金属超标范围较大 镉 汞 砷 铅4种无机污染物含量分布呈现从西北到东南 从东北到西南方向逐渐升高的态势 土壤C库和N库是地球C库和N库的重要组成部分 在其循环中产生CO2 CH4和NOx等温室气体 从而影响气候的变化 而气候的变化又反过来影响有机质的分解速率 从而影响温室气体 5 环境土壤学Environmentalsoilscience是环境学与土壤学的边缘学科 主要研究土壤环境与人类活动和大气 地表水 地下水 生物等环境要素间物质 能量 信息的交换过程 以及这种交换对人体健康 社会经济 生态系统结构和功能的影响 探索国土整治 评价 区划 规划 预测 调控和改善土壤环境质量的方法 6 环境土壤学发展历程 1 萌芽阶段 20世纪50年代初至60年代末 2 起步阶段 20世纪70年代初至80年代末 3 快速发展阶段 1990 2000年 4 提高阶段阶段 2000年 2014年 5 完善阶段 2015年后 7 土壤环境学的研究进展 环境土壤学研究内容与热点从环境科学角度研究土壤环境的物质组成 环境结构和土壤环境中物理化学和生物过程及生态功能 土壤环境质量的现状及其演变 污染物在土壤 植物 动物 人类系统中的反应行为 包括化学物质在该系统中的迁移 转化 毒性 归宿及其影响因素的研究 土壤环境与人体健康 人类活动对土壤环境的冲击 对策与修复 7 土壤环境学的研究进展 国内土壤环境学研究不足之处对种类繁多有机污染物