第四章 土壤环境

第四章土壤环境基本概念和问题•土壤是地球陆地表面具有肥力的能够生长植物的疏松表层。•土壤环境问题：一是由于人类大规模的生产、生活等活动，改变了影响土壤发育的生态环境，使土壤本身受到破坏。二是大规模现代农业生产的实现，大量使用化肥、农药、杀虫剂等，使土壤遭受到不同程度的污染。第一节土壤的组成和基本性质第一节土壤的组成和基本性质•土壤的组成•土壤的物理化学性质土壤是由固相、液相、气相和土壤生物体四部分组成。适于植物生长的典型壤质土壤的体积组成为土壤孔隙占50％，内含水分和空气；土壤固体占50%，其中矿物质占45％，有机质占5%；土壤生物体均生活在土壤孔隙之中。土壤组成土壤组成固体部分孔隙部分无机体—矿物质有机体—有机质、土壤生物液体—水分（溶液）气体—空气一、土壤的组成（一）土壤矿物质1、原生矿物：是直接来源于岩石受到不同程度的物理风化作用的碎屑，其结晶构造没有改变。包括硅酸盐类、氧化物类、硫化物类和磷酸盐类四大类。2、次生矿物：岩石风化和成土过程中新生成的矿物。包括伊利石、蒙脱石、高岭石等。土壤矿物质是由风化与成土过程中形成的不同大小的矿物颗粒组成。其直径相差很大，从10-1~10-9m不等，不同大小土粒的化学组成、理化性质差异巨大。据此可将粒径大小相近、性质相似的土粒归为一类，称为粒级。3、土壤机械组成一般来说，土粒愈细，SiO2含量愈少，而Al2O3、Fe2O3等含量愈多。随着粒径的减小，孔隙度、吸湿量、持水量、比表面面积、膨胀潜能、吸附性能、塑性和粘结性将增加，而土壤通气性、透水性、密度将降低。土壤颗粒粒级与理化性状的关系图式(据Pierzynski，2000)土壤有机质是土壤中重要的固相成分之一，是土壤肥力、缓冲及净化功能的物质基础，也是土壤形成发育的主要标志。它可分为两大类：非特异性土壤有机质和土壤腐殖质。生物残体及其代谢产物是土壤有机质的重要来源。（二）土壤有机质（三）土壤空气土壤水分有效性综合示意图（四）土壤溶液•土壤溶液(soilsolution)是土壤水分及其所含气体、溶质的总称。分析土壤溶液组成、特性及其中化学过程，是土壤地理学、环境科学研究的重要内容。土壤溶液的溶质主要包括：①无机盐类；②简单有机物；③溶解性气体。土壤溶液中溶质成分具有巨大的时空差异性，它与许多因素存在相互作用。土体构型A0DBCA2A1森林凋落层泥炭层腐殖质层淋溶层淀积层母质层母岩层真正土壤有机质层二、土壤的物理化学性质（一）土壤的物理性质（二）土壤胶体及土壤吸收交换性土壤胶体是土壤中颗粒直径小于1微米或2微米的微细固体颗粒，一般土壤中的粘土矿物和腐殖质都具有胶体性质。二、土壤的物理化学性质1、土壤胶体的种类（1）无机胶体(矿质胶体）主要是细颗粒的粘土微粒，包括粘土矿物中的高岭石、伊利石等以及铁、铝、锰水合氧化物。（2）有机胶体主要是腐殖质和生物活动的产物，它是高分子有机物，具有极大的表面积，吸附作用强。（3）有机-无机复合体是由土壤中一部分矿物胶体和腐殖质胶体结合在一起所形成的。这种胶体的特点是比表面减少；形成稳定的团粒结构，能改善水、肥、气、热的状况。2、土壤胶体性质①胶体有极大的比表面积和表面能颗粒小，比表面积和表面能大，产生吸附作用。②土壤胶体带有电荷通常腐殖质带负电荷，无机胶体一般带负电，两性胶体在不同酸度条件下可以带负电，也可以带正电。③分散性和凝聚性凝聚作用使土粒团聚起来形成一定的结构3、土壤胶体的吸附作用（1）机械吸附：土壤胶体能把大于孔隙的物质阻留，小于孔隙的颗粒也能阻留在土壤中。机械吸附对不溶性颗粒物的作用最为明显。（2）物理吸附：是指土壤胶体颗粒对分子态物质的吸附作用。（3）化学吸附：一些土壤中可溶性盐和土壤中物质发生化学反应，生成溶解度很低的化合物。（4）物理-化学吸附：是指土壤胶体对土壤溶液中离子态物质的保蓄作用。离子交换作用阳离子交换能力盐基性离子盐基饱和度缓冲性（三）土壤酸碱性和土壤缓冲性首先，它影响养分的有效性。其次，土壤酸碱性影响金属元素的固定、释放和淋洗。最后，土壤酸碱性还影响土壤中微生物的活性。按PH值划分的土壤类型强酸性土〈4.5酸性土4.6-6.5中性土6.6-7.5碱性土7.6-8.5强碱性土〉8.5土壤酸度与土壤养分的有效及与植物生长的关系：（1）土壤酸度对土壤有机态养分有效化的影响土壤有机物质的分解转化，主要由于微生物的作用。大部分细菌在中性、微酸性环境中发育最好。（2）土壤酸度对土壤矿物质养分有效性的影响土壤趋于酸性时，它们的溶解度降低，植物养分缺乏；呈碱性时，它们的溶解度增加，往往一般有发生中毒现象。可见，土壤酸度需保持在一定的范围内，对植物生长才是有利的。PH值在6.5左右，对植物生长最为适宜。（四）土壤的氧化还原性1、影响土壤中营养元素的状态和有效性。2、影响元素离子的价态、从而影响其迁移、转化。第二节土壤环境污染土壤污染就是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。人类活动带入土壤污染物，数量和速度超过土壤净化能力•判断标准：目前用自净能力及动植物受害时的临界浓度进行判断。（二）土壤净化•土壤本身通过吸附、分解、迁移、转化，而使土壤污染的浓度降低而消失的过程。•作用方式：物理、化学、生物反应。–由于土壤的以下几个过程使之具备净化能力：•土壤微生物、土壤动物对污染物的降解•土壤胶体对污染物的“蓄积功能”•土壤植物的吸收土壤污染的危害（1）土壤污染导致严重的直接经济损失；（2）土壤污染导致食物品质不断下降；（3）土壤污染危害人体健康；（4）土壤污染导致其他环境问题。二、土壤污染源土壤污染源可分为天然污染源和人为污染源。•天然污染源是指自然界自行向环境排放的有害物质或造成有害影响的场所。•人为污染源是指人类活动所形成的污染源。（一）工业污染源例如冶炼、电镀、燃料、汞化物等工业废水能引起镉、汞、铬、铜等重金属污染；石油化工、肥料、农药等工业废水会引起酚、三氯乙醛、农药等有机物的污染。有色金属冶炼厂排出的废气中含有铬、铅、铜、镉等重金属，对附近的土壤造成污染；生产磷肥、氟化物的工厂会对附近的土壤造成粉尘污染和氟污染。（二）农业污染喷施于作物体上的农药（粉剂、水剂、乳液等），除部分被植物吸收或逸入大气外，约有一半左右散落于农田，这一部分农药与直接施用于田间的农药（如拌种消毒剂、地下害虫熏蒸剂和杀虫剂等）构成农田土壤中农药的基本来源。农作物从土壤中吸收农药，在根、茎、叶、果实和种子中积累，通过食物、饲料危害人体和牲畜的健康。此外，农药在杀虫、防病的同时，也使有益于农业的微生物、昆虫、鸟类遭到伤害，破坏了生态系统，使农作物遭受间接损失。三、土壤污染物质•有机物质•重金属•放射性元素•氮素和磷素化学肥料•有害微生物四、土壤污染的发生类型1.水污染型特点是沿河流或干支渠呈枝形片状分布。2.大气污染型特征是以大气污染源为中心呈环状或带状分布，长轴沿主风向伸长。污染物质主要集中在土壤表层，其主要污染物是大气中二氧化硫、氮氧化物和颗粒物等。3.农业污染型主要来自施入土壤的化肥和农药4.固体废弃物污染型工厂的尾矿废渣、污泥和城市垃圾等影响土壤。•土壤污染物中的重金属元素主要包括汞、镉、铅、铬和类金属砷等生物毒性显著元素及有一定毒性的锌、铜、镍等元素。第三节重金属对土壤的污染只有当进入土壤的重金属元素积累的浓度超过了作物需要和可忍受程度，而表现出受毒害的症状或作物生长尚未受害，但产品中某种重金属含量超过标准，造成对人畜的危害时，才能认为土壤被重金属污染.重金属是对人类潜在威胁较大的污染物，应特别注意防止重金属对土壤的污染.研究重金属在土壤中的迁移转化，评价土壤质量，预测其在土壤中的归趋和控制重金属污染具有重要意义。一、土壤中重金属元素的来源主要来自原生岩石。在成土过程中，产生各种微量重金属元素在发生层次中的再分配，使有些元素部分地损失了，而另一些元素富集起来。所以正常发育的自然土壤也会含有一定数量的重金属。二、土壤中重金属元素的背景值•环境背景值是指环境中诸因素，如大气、水体、土壤以及植物、动物和人体组织等在正常情况下，化学元素的含量及其赋存形态。•土壤环境中重金属元素背景值是指一定区域内自然状态下未受人为污染影响的土壤中重金属元素的正常含量。土壤环境背景值•未受人为影响的土壤很少，现用的一些土壤环境背景值，仅代表远离污染源、尽少受人为影响的、具有相对意义的数值实际上土壤背景值一般取决于成土母质(岩石)和土壤类型。土壤背景值有明显的地区性。区域土壤背景值，应该是取具有代表性、典型性、广泛性的土壤样品进行准确化验，然后经过数学统计而获得。土类母质元素含量(ppm)CoNiMnCuZnCdCrPbHgAsScLaMo褐红壤（渡口）辉长岩83.618112401411882.4050619.90.041.11花岗岩26.428.858415.71231.4168.221.40.053.46黄棕壤（南京）玄武岩4493.191952.611411215.70.0997.1214.630.21.9花岗岩2.29.6086.53.9527.621.012.90.0924.305.7039.42.2不同母质的土壤元素含量比较土类母质土深质地元素含量(ppm)CoNiMnCuZnCdCrPbHgAsScLaMo褐红壤╭渡口╯闪长岩32-69粘质34.592.277239.81081.2517530.0-12.5435-60壤质25.069.151930.582.11.5014515.00.05310.36黄棕壤╭南京╯冲积土30-50壤质2023.249326.966.58017.80.07315.016.546.82.135-50砂质9.617.52796.8036.1908.600.0652.529.5665.42.5不同质地的土壤元素含量比较（一）重金属元素在土壤中污染特征显著毒性的元素：Ｈg-Cd-As-Pb-Cr等一般毒性的元素：Fe-Mn-Zn-Cu-Mo-Co等三、土壤中重金属元素的迁移转化重金属在土壤中有五种形态：⑴水溶态的⑵弱代换剂可代换的⑶强代换剂提取的⑷次生矿物的⑸原生矿物的五形态在一定条件下可相互转化（二）土壤条件与重金属的迁移转化在不同土壤条件下，包括土壤类型、土地利用方式（水田、旱地、果园、林地、草场等），土壤的物理化学性状（土壤的酸碱度、氧化还原条件、吸附作用、络合作用等）的影响，都能引起土壤中重金属元素存在形态的差异，从而影响重金属的转化和作物对重金属的吸收。三、土壤中重金属元素的迁移转化（二）土壤条件与重金属的迁移转化影响转化的土壤条件：–土壤氧化－还原条件–土壤酸碱度–土壤胶体吸附–土壤对重金属的络合－螯合1、土壤氧化-还原条件与重金属的迁移转化：•土壤是一个氧化-还原体系，土壤水分状况，土壤中有机质和硫的含量都处于动态变化之中。•其中O2－H2O体系和硫体系在土壤氧化还原反应中作用明显，对重金属元素价态变化起重要作用。•在还原性条件下，当土壤Eh降至0mv以下时，土壤中的含硫化合物开始转化生成H2S，并随有Ｅh的下降，H2S的产生迅速增加。此时，土壤中的重金属元素大多以难溶性的硫化物沉淀形式存在。相反，在氧化状态下，重金属元素大多以溶解度较大的硫酸盐形式存在。土壤氧化－还原条件影响重金属的存在状态氧化态Fe、Mn等Cu、Zn、Cd、Cr等还原态固态2、土壤酸碱度与重金属迁移转化：土壤的pH对重金属的溶解度有密切关系。在碱性条件下，进入土壤的重金属多呈难溶态的氢氧化物，也可能以碳酸盐和磷酸盐的形态存在。它们的溶解度都比较小，因此土壤溶液中重金属的离子浓度也较低。例如，铜、镉、锌、铅等重金属氢氧化物的溶解度直接受土壤pH值控制。•根据溶度积便能从理论上推求重金属离子浓度与pH的关系。随着pH值增大，重金属离子的浓度则下降。但对于两性化合物氢氧化铜和氢氧化锌来说，pH值高到一定程度时，它们又会溶解。在土壤中重金属呈两种存在形式：⑴呈胶体状态主要发生在湿润气候地区和富含有机质的酸性条件下⑵土壤中存在的有机、无机胶体对金属离子的吸附固定，两种形式3