第三章土壤环境.ppt

1、1,第三章 土壤环境,土壤 土壤是环境的要素之一 介于生物界与非生物界之间 是一切生物赖以生存的基础,土壤污染日趋严重 农药、化肥 污水灌溉、污泥农用 大气沉降 石油污染 放射性污染 事故排放,容易引起地下水和作物次生污染,土壤环境化学的研究内容 研究和掌握污染物在土壤中的分布、迁移、转化与归趋的规律，为防治土壤污染奠定理论基础,土壤环境化学的研究简史 土壤污染化学的发展相对较晚 20世纪70年代重金属污染 20世纪80年代有机物、酸雨和稀土元素 20世纪90年代持久性有机物、温室气体,当前的热点领域 土壤中有毒有机物的降解与转化等环境行为 金属存在形态及其转化过程 污染物在土壤多介质界面的相

2、互作用 稀土元素在土壤环境中的归宿及其生态效应 土壤中温室气体的释放、吸收与传输 土壤污染的化学与生物修复,我国研究现状 20世纪70年代调查农药污染状况（DDT、666） 20世纪80年代土壤元素背景调查、地方性疾病 污染物在土壤环境迁移、转化（较多） 污染土壤化学与生物修复（刚起步）,8,土壤环境,土壤的形成、组成和种类 土壤的结构和性质 土壤的污染与退化,9,土壤的形成,风化作用,岩石,母质,土壤,成土过程,10,岩 石,氧和硅为岩石的主要成分，两者占其组成的75%以上，其中氧占约一半，而作为植物所需要的营养元素不仅含量少，而且都以难溶化合物的形态封闭在坚硬的岩石中，处于分散状态，故此需

3、经历一个质变过程，亦即岩石的破碎分解，直至形成母质。,11,岩石的风化,岩石,外界因素,岩石本身的成分 与性质改变,岩石破碎,12,风化作用,物理风化 化学风化 生物风化,13,物理风化,岩石受物理因素作用而逐渐崩解破碎的过程 特点：只能引起岩石形状、大小的变化，而不能改变其矿物组成与化学成分。 成因：地球表面温度的变化；冰冻的挤压；风；冰川等自然动力的磨蚀；植物根系的穿插。,14,化学风化,岩石受化学因素作用而引起的破坏过程。 特点：不仅是已破碎的岩石进一步变细，同时使岩石发生矿物组成和化学成分的改变，产生新的物质。 成因：溶解；水化作用；水解作用；氧化作用。,15,岩石在生物的作用下引起的

4、破坏过程。 成因：机械破碎；生物化学作用。,生物风化,16,地质大循环：岩石风化产物岩石 生物小循环：无机养分生物无机养分 土壤的形成是上述两个循环相互作用的结果 土壤的形成是成土过程与风化作用交织在一起，同时进行的。,成土过程,17,成土过程的主要影响因素,母质 构成土壤矿物质的基本材料 提供植物必需的养料元素 气候 影响土壤中的物理、化学、生物作用的方向 与进程 生物 只有在母质的基础上出现了生物之后，土壤才能形成 地形 影响热量及水的重新分配；影响母质的分配,18,时间 时间越长，土壤性质的变化越大,母质是物质基础；气候中的热量因素是土壤能量的最基本来源；生物将无机物变成有机物，将太阳能

5、转化为生物化学能，从而改造了母质，形成了土壤；地形通过对地表物质和能量再分配，间接地影响土壤的形成过程；时间是一个条件，任何一个空间因素或者综合作用的效果随时间的增长而加强。,19,土壤的物质组成,土壤,固相物质,粒间物质,生 物 体,矿物质: 占固相重量95%左右, 总体积的38%左右,有机物质: 占固相重量5%左右, 总体积的12%左右,气相: 组成与大气有差异,液相: 粒间水分及溶解于其中的物质,昆虫、线虫、节肢动物,微生物,土壤中固相、液相、气相结构示意图,土壤固相、液相、气相的体积分数,土壤固体占总重量的9095%,22,岩石中含有约3000余种矿物，但与土壤有关的不过数十种，按其起

6、源分为原生矿物和次生矿物。 原生矿物：没有发生成矿改变的矿物，有石英、长石、云母等 次生矿物：原生矿物风化后组成与性质发生变化而重新形成的矿物，又称粘土矿物，有蒙脱石、伊利石等。,一、土壤矿物质,24,25,原生矿物,硅酸盐类,氧化物类,硫化物类,磷酸盐类,26,次生矿物,简单盐类,铁铝氧化物类,次生铝硅酸盐类（蒙脱石、伊利石、高岭石等）,高岭石结构示意图风化程度最高,蒙脱石结构示意图风化程度中等,伊利石结构示意图风化程度较低,矿物质对污染物迁移的作用 主要为次生矿物起作用 阳离子交换作用 表面络合作用 表面吸附作用,二、土壤有机质,化学组分：腐殖质、糖类、木质素、有机氮、 脂肪、蜡质、有机磷

7、 主要成分：腐殖 质占有机质总量的70%90% 含量：土壤总量的10%以下,土壤剖面020厘米中，如果有机碳的含量为10.4kgCm2,土壤有机质营养价值肥力价值,丰富的营养元素（维生素、生长素、抗生素） 产生的有机酸可以促进矿物养分的溶出 能增强植物呼吸（胡敏酸的多元酚官能团） 有机质还能促进土壤良好结构 强烈吸附土壤中可溶性养分，保持土 壤肥力 两性胶体性质的有机物可缓冲土壤溶液的pH,土壤有机质对污染物迁移的作用,腐殖质对有机污染物的分配作用 对重金属的吸附、络合或螯合作用,三、土壤溶液,成分：含有Na+、+、g2+、a2+、Cl、 NO-、SO2-、HCO3-等无机离子 还含有机物,土

8、壤溶液化学与土壤其他因素间的关系,四、土壤空气,38,五、土壤生物,土壤微生物、土壤动物,分解有机物，直接参与碳、氮、硫、磷元素生物循环 参与腐殖质的合成和分解 改善土壤中氮、磷、钾的营养状况 促进植物生长 参与土壤氧化还原过程,39,土壤的结构,土粒,土层,土体,40,矿物质是以粗细不同的颗粒形式存在的，即通常说的土壤颗粒。 按粒径大小，土粒分为砾石、沙粒、粉粒和粘粒。 土粒的大小与土壤矿物成分土壤化学成分密切相关。 粘粒以上主要由各种原生矿物组成以石英最多，还有长石、云母等原生硅酸盐矿物；粘粒中原生矿物很少，基本上为次生矿物。,土壤颗粒,41,土壤结构,（如下图）,42,43,土壤结构体的

9、形成：,土壤结构,土粒,复粒,团聚体,土壤结构,（1）,胶结作用,（2）土粒直接通过有机质胶结作用形成团聚体,（3）致密土壤通过植物根系、干湿交替及冻融交替等外力崩解形成,凝聚,44,土粒密度：除空隙外，单位体积土壤实体的质量，g/cm3 土壤密度：单位体积土壤的质量，g/cm3 土壤空隙度： 土壤总空隙度（%）=（土粒密度-土壤密度）100/土壤比重,土壤结构基本指标,45,是土壤通气性和保水性的主要决定因素 结构体大，空隙多，通气性好 结构小，形成毛细管孔多，利于保水,土壤结构体的大小,46,水稳定性和力学稳定性,土壤结构体的稳定性,47,土壤性质在垂直方向上的差异并向水平方向上延伸的层次

10、单元。 自然土壤：覆盖层、淋溶层、沉积层、母质层 耕作土：耕作层、犁底层、心土层、底土层,土层,48,49,菜园土,第四纪红土红壤,河流冲积砂泥土,50,花岗岩红黄泥田,烂板田,片板岩黄壤,51,侵蚀赤红壤,砂页岩红壤,山地草甸土,土壤的基本性质,物理性质 胶体性质 配合和螯合性质 氧化还原性质 酸碱性质 生物学性质 自净功能,一、土壤的物理性质,固、液、气三相共存的多相体系 比表面积 S=2/d 为密度，g/cm3；d为直径，cm,二、土壤的胶体性质,无机胶体 有机胶体 有机-无机复合胶体,1、无机胶体,次生黏土矿物蒙脱石 伊利石 高岭石 铁铝水合氧化物 含水氧化硅两性胶体,无机胶体性质,巨

11、大表面积蒙脱石(600800 m2/g) 伊利石(100200 m2/g) 高岭石(730 m2/g) 带负电荷，阳离子交换作用 高岭石交换于晶格表面 蒙脱石、伊利石交换于晶格内,2、有机胶体,腐殖质胡敏酸 富里酸 胡敏素不易与土壤分离,有机胶体性质,巨大比表面积（350900 m2/g） 高阳离子交换容量（150300mequiv/100g） 对重金属具有螯合作用 富里酸螯合物可溶 胡敏酸不可溶 对有机物具有分配作用,3、有机-无机复合胶体,巨大比表面积 高阳离子交换容量,对重金属的吸附作用 表面分子吸附分子态物质、螯合物 阳离子交换吸附离子态物质 螯合作用低浓度,对有机物的吸附作用 表面吸

12、附干土 离子型有机物 分配作用湿土 非离子型有机物,三、土壤的配合和螯合作用,无机配体 Cl、SO、HCO、OH 有机配体 腐殖质的官能团 NHOHCOOHC=O 富里酸 胡敏酸,配体种类,配合或螯合稳定性,金属离子-Hum Pb2+Cu2+Ni2+ Zn2+Hg2+Cd2+ 配位体 NHOHCOOHC=O 富里酸 胡敏酸 pH值,配合或螯合可溶性, 胡敏酸与金属离子形成的螯合物是难溶的 富里酸与金属离子形成的螯合物是易溶的 重金属与羟基及氯离子的配合作用，可提高 难溶重金属化合物的溶解度,四、土壤的氧化还原性质,氧化剂游离氧、高价金属离子 还原剂低价金属离子、土壤有机质及 在厌氧条件下的分解

13、产物,氧化还原体系,铁体系Fe(III)-Fe(II) 锰体系Mn(IV)-Mn(II) 硫体系SO42-H2S 氮体系NO3-NO2-、 NO3-N2、 NO3-NH4+ 有机碳体系 CO2-CH4,氧化还原电位的影响因素,通气状况旱地pE较高（氧化） 水田的pE可降至负值（还原） 土壤pE与pH 有关pH降低，pE增高,氧化还原电位对污染物迁移的影响,Hg 旱地pE为8.511.84，Hg为HgCl2和Hg(OH)2 水田 pE为-5.1，以HgS存在 Cd 水田pE很低，Cd2+形成难溶的CdS 干地，CdS被氧化为可溶性CdSO4,交换性铝的水解 Al3+ + H2O = Al(OH)

14、2+ + Al(OH)2+ + H2O = Al(OH) 2+ + Al(OH) 2+ + H2O = Al(OH)3 +,五、土壤的酸碱性,土壤酸性的来源,碳酸离解出H+ 土壤中有机酸、无机酸和其他盐碱物质 潜在酸 吸附在胶体表面上H+ 、Al3+,正常土壤的pH在58之间 一般在湿润地区，淋溶作用强，土壤呈酸性 或强酸性，pH6.5 在干旱地区，淋溶作用弱，土壤大多呈 碱性 或强碱性，pH7.5 在半旱半湿地区，土壤的pH介于两者之间,土壤的酸性范围,影响重金属等离子的溶解度 影响污染物氧化还原体系的电位 影响土壤胶体对重金属离子等的吸附 影响土壤中重金属的活性,土壤酸性的环境化学意义,土

15、壤的生物群体： 土壤动物 原生动物 微生物 植物根系,六、土壤的生物学性质,对重金属的转化作用 对有机物的降解作用 对污染物的积累作用,对污染物迁移转化的作用,土壤无须借助外力，自身具有降低污染物浓度和活性的能力，如土壤胶体吸附各种污染物而降低其活性，微生物对有机污染物的降解作用,七、土壤的自净作用,土壤的自净作用,土壤的自净过程,污染物在土壤内经扩散、稀释、挥发等物理 过程降低其浓度 经生物和化学降解为无毒或低毒物质 通过化学沉淀、配合或螯合作用、氧化还原 等反应转化为不溶性化合物 被土壤胶体牢固吸附，难以为植物吸收，而 暂时退出生物小循环，脱离食物 链或被排至 土体之外的大气或水体中,土壤

16、污染,土壤污染 人类活动产生的污染物进入土壤并积累到一定程度，引起土壤质量恶化的现象,土壤污染的判别依据 地下水是否受到污染 作物生长是否受到影响,一、土壤污染源,人为污染源：工业和城市的废水和固体废物 农药和化肥 牲畜排泄物 生物残体 大气沉降物 自然污染源：矿物自然分解和风化,土壤污染： 化学污染 物理污染 生物污染,二、土壤的主要污染物, 无机污染物镉、汞、铜、铅、 锌、镍、砷 硝酸盐、硫酸盐、氟化物 过量使用氮肥和磷肥 有机污染物化学农药、除草 剂、石油类、 洗涤剂及酚类 放射性物质137铯、90锶 病原微生物肠道细菌、炭疽杆菌,三、氮和磷的污染和迁移转化,1、氮污染,氮污染危害,经济

17、损失 农产品安全 饮用水安全 水体富营养化,土壤中氮的存在状态,有机氮占总氮的90% 无机氮氨氮、亚硝盐氮和硝酸盐氮 存在过渡态的含氮化合物N2O、NO、 NO2及NH2OH、HNO2,非流动性过程,矿化过程,土壤中氮的迁移转化,2、磷污染,植物摄取全部是磷酸根离子(如H2PO4-) 土壤中的磷包括有机磷和无机磷 Ca2+、Al3+、Fe3+等容易和磷酸盐生成低溶 性化合物，能抑制磷酸盐的活性 危害富营养化、植物缺锌,四、土壤的重金属污染,1、土壤的重金属污染及危害,影响植物生长 影响土壤生物群的变化及物质的转化 影响人体健康挥发进入大气 淋溶进入地表水和地下水 进入作物,重金属污染危害,2、

18、土壤重金属存在形态及其转化,五、主要重金属在土壤中的迁移转化,1、汞,背景值为0.010.15 g/g,存在形态金属汞、有机汞和无机汞,毒性大小 CH3HgCl 醋酸苯汞 HgCl2HgOHgS,迁移转化的影响因素,有机质含量 pE pH 土壤类型 微生物作用,地壳中镉的丰度为5 g/g 存在状态：可给态、代换态、难溶态 水稻田以CdS存在 旱地CdCO3、d3(PO4)2及Cd(OH)2存在 Cd能与PO43-共沉淀 旱地土壤中Cd2+浓度与pH成负相关,2、镉,土壤中Cd浓度 形态：CdCl2CdSO4CdS 植物种类：玉米小麦水稻大豆 不同部位：根茎叶籽实 生长期吸收最大,植物吸收镉的影

19、响因素,土壤状况：水稻田，旱地 pE pH 共存离子：PO43-,Cd迁移转化的影响因素,丰度为12.5 g/g，平均背景值为1520 g/g 存在形态Pb(OH)2 、bCO3、PbSO4 Pb和Ca在植物体内的竞争吸收作用 共存离子：OH-、SO42- 、PO43-,3、铅,pH 共存阳离子 吸附 共存阴离子,铅迁移转化的影响因素,丰度为200 g/g，平均背景值为100 g/g 存在形态: Cr3+、rO- 、 CrO42-和Cr2O72- 铬的迁移转化：pH、pE 、有机质 毒性：形态、吸附、 pH、pE 植物吸收难,4、铬,pE pH 共存离子 有机质,铬的迁移转化影响因素,丰度70

20、 ug/g 存在形态：可溶性铜、代换性铜、 非代换性铜、难溶性铜 吸附强弱： 腐殖质 蒙脱石伊 利石高岭石 黑土褐土红壤 pE pH,5、铜,丰度50 ug/g 以络离子Zn(OH)、ZnCl+、Zn(NO3)+等形 态进入土壤 以氢氧化物、碳酸盐、磷酸盐和硫化物或 与土壤中的有机质结合存在 pE pH,6、锌,锌容易流失（酸性土壤） 与磷酸根结合而降低溶解度，有效性降低 植物中分布：根茎果实,土壤缺锌的主要原因,丰度2 ug/g 存在形态：吸附砷、代换砷、难溶砷 可溶性砷(AsO43-、AsO33-) 占总砷量的5%10% 迁移转化及有效性 与Fe、Al、Ca、Mg形成沉淀 PO43-与As

21、O43-、AsO33-竞争 pH pE,7、砷,影响土壤中重金属迁移转化及生物效应的主要因素 胶体对重金属的吸附 各种无机及有机配体的配合或螯合作用 土壤的氧化还原状态 土壤的酸碱性 共存离子的作用 土壤微生物的作用,104,六、土壤农药污染及其迁移转化,1、农药简介,农药：用于防治危害农作物及农副产品的病虫害、杂草及其它有害生物的化学药剂的统称。,105,六、土壤农药污染及其迁移转化,农药分类：根据防治对象分,杀虫剂：防治害虫，有机氯、有机磷、氨基甲酸酯，拟除虫菊酯等 杀螨剂：防治红蜘蛛，有机磷、有机氯、有机锡等 杀鼠剂： 杀软体动物剂 杀线虫剂 杀菌剂 除草剂 植物生长调节剂,106,六、

22、土壤农药污染及其迁移转化,衡量农药急性毒性的常用指标,半致死剂量（LD50），mg/kg：在确定实验条件下，杀死一半供试动物所需要的药剂的量。给药方式：经皮、经呼吸道、经口；实验动物：大白鼠、小白鼠 半致死浓度（LC50），mg/m3：在确定实验条件下，杀死一半供试动物所需要的药剂浓度。,107,六、土壤农药污染及其迁移转化,我国化学物质的毒性分级标准,108,六、土壤农药污染及其迁移转化,农药急性毒性分级标准,六、土壤农药污染及其迁移转化,2、土壤对化学农药的吸附作用,有效性 毒性 蒸气压 DL50,吸附作用类型,物理吸附 离子交换吸附 氢键吸附 分配作用,吸附作用影响因素,土壤胶体性质 农

23、药本身的化学性质 pH值,3、土壤中化学农药的挥发、扩散和迁移,挥发进入大气 土壤淋溶进入地面水和地下水 土壤溶液和气体在土体内扩散 生物体吸收,迁移,农药的蒸气压 土壤的温度 土壤的湿度 土壤空隙状况的质地和结构条件,挥发,农药的溶解度 土壤的吸附作用,淋溶,溶于水中,被吸附在土壤固体细颗粒表面上,蒸气扩散速度为水中大1000倍 土壤吸附,扩散,光化学降解 化学降解 微生物降解,4、土壤中化学农药的降解,4、土壤中化学农药的残留,： ,土壤中农药残留量计算式为 R=C-kt R农药残留量 C农药使用量 k常数，与农药品种及土壤性质有关 t时间,半衰期(t/)指农药施入土壤 中残留农药消失一半的时间 残留期t0.5指消失75%100%所需时间,由施用杀虫剂、杀菌剂和除草剂污染引起