《环境土壤学》讲义

1《环境土壤学》讲义SATELLITE第一章绪论第一节土壤与生态系统1.土壤的概念定义1：存在于地球表层的含有生命物质，植物可以生长的自然集合体。定义2：土壤是能产生植物收获物的地球陆地的疏松表层，是岩石圈，水圈，大气圈和生物圈相互进行物质循环和能量转换的产物，是在母质（岩石及其风化物）、气候、生物、地形、时间等因素相互作用下形成的自然体。土壤圈Pedosphere：地球陆地表层由所有土壤所构成的具有重要特征的圈层。土壤圈是地球圈层结构中具有重要作用的一个圈层，界于岩石圈和大气圈、生物圈、水圈之间。成土条件SiolFormingCondition：s=f(cl,o,r,p,t)式中：s土壤soilcl气候climateo生物organism(Vegetation)r地形reliefp岩石或母质rockorparentmaterialst时间(年龄)timeThetypeofsoildevelopeddependsontheamountoftimeaparentmaterialonaspecifictopographyisexposedtotheeffectsofclimateandvegetation.WhydoIhavesomanydifferentsoilseriesonmyland?Theanswerisquitesimple.Ifyouhadthreeparentmaterialsonfivetopographiesdevelopedundertwovegetations,oneclimate,andtwoperiodsoftime,youwouldhavethefollowingnumberofsoilseries:3parentmaterials×5topographies×2vegetations×1climate×2timeintervals=60soilseries（土系）.土壤的作用RoleofSoil:Theyhelpsupplyourfood,supportourhomesandhighways,actasbuildingmaterialsforourconstruction,absorbourwastematerials,andgiveusmanybeautifulandscenicareasforrelaxationandrecreation.2Thewealthofanationliesinhersoilsandtheirintelligentdevelopment.---RichardGordon我国主要的土壤类型：砖红壤，红壤，黄壤，暗棕壤，黑土，紫色土，水稻土，荒漠土。2.土壤学SoilScience研究土壤的形成、发生分类、基本性质与功能、土壤分布规律、土壤资源利用与管理和土壤调查技术的专门学科。派生的分支学科主要有：土壤生态学、土壤环境学、土壤生物学、土壤物理学、土壤化学、土壤胶体化学、土壤地理学、土壤微生物学、土壤肥料学、土壤改良学、土壤发生与地理学和土壤调查与制图学等一系列学科体系。3.土壤和生态系统土壤是农业生态系统中不可缺少的部分。土壤以其肥力(Fertility)养育着陆地上的植物，通过植物又养育着动物和微生物。“万物土中生”：植物(plants)、动物(animals)、微生物(microorganisms)土壤生态系统是整个生态系统中最基础、最关键的。土壤提供物质循环的基础：光合作用和代谢作用；植被是土壤生态系统良性循环的保障。植物生物量的增加为整个生物界的生存繁育提供物质能量基础。一旦植被破坏，不仅直接使土壤生态受损，导致各种生物的能量匮乏，同时整个生态系统也因物质和能量的收支改变而导致平衡失调，以致最终被破坏。这就是土壤与生态系统的关系，也是为什么要重视土壤生态环境保护的原因。第二节环境土壤学的兴起1.土壤环境问题EnvironmentalProblemofSoil存在数量（quality）和质量（guantity）两个方面的问题。人口爆炸式增长，资源（矿藏、森林、草原）过度开发(粮食数量供应的安全)，人工合成化学物质加速发展，土壤被过度的集约化经营都直接或间接地损害和污染着土壤，构成对土壤生态环境的危害（影响粮食质量的安全）。直接影响：“三废”排放，导致土壤污染、酸化、次生盐渍化。间接影响：森林、草原植被的破坏导致土壤冲刷、侵蚀与沙化。2.土壤污染SoilPollution进入土壤的污染物超过土壤的自净能力，而且对土壤、植物和动物造成损害时的状态。与大气污染、水体污染相比，土壤污染更隐蔽，其危害的后果也更深远。污染物在土壤中能与土壤成分相结合，它被土粒所吸收、吸附和固定，也受到微生物分解转化作用的影响。保存下来的污染物能逐渐为植物和微生物所吸收，再通过食物链向人、蓄体内输送。由于土体比水体对污染物的容量要大，其危害的过程就缓慢得多，从而也增加了人们对此认识的难度。（第五章）33.土壤环境研究StudyonSoilProblem20世纪50-60年代“三废”治理与综合利用，城市污水进行农田灌溉；20世纪70年代进行农田污水灌溉利弊与监测评价，部分城市郊区土壤污染与背景值研究；20世纪80年代关注农药、化肥污染，引起部分地区土壤的酸化、板结，深入开展土壤背景值、环境容量及酸沉降危害研究；20世纪90年代注意污染土壤排放的甲烷对环境的影响，同时开展污染土壤生物修复研究，并逐步成为研究的热点。第三节环境土壤学任务与内容1.环境土壤学的任务MainDutyoftheCourse研究人类活动引起的土壤环境质量变化及由此对农业生产、生态环境和人体健康等产生的影响，并探索调节、控制和改善土壤环境质量的优化途径、有效防治技术和治理方法等。主线是土壤的环境功能（土壤与环境的质能交换）和土壤环境行为（背景值、环境容量、污染与修复机制、生态优化）。从土壤生产力的角度研究土壤是农业土壤学的任务；从生态环境的角度研究土壤是环境土壤学的主要任务。2.环境土壤学的重要内容MainContentoftheCourse土壤的基本特性及其主要功能；土壤环境背景值与土壤环境容量；土壤中污染物的迁移转化与土壤修复；土壤生态优化、污染治理、质量评价。第四节环境土壤学与相关学科1.环境土壤学的基本学科BasicScienceoftheCourse环境土壤学是建立在土壤学、生态学和环境学之间的边缘学科，它是随着环境问题的出现在土壤学基础上发展起来的新学科。土壤学、生态学和环境学以化学、物理学和数学为基础，特别是化学。环境土壤学以生物学、气候学、地学和经济学为原理揭示其规律，并通过工程技术（生物工程）和区划方法达到分区规划和治理目的。2.环境地学的概念EnvironmentalGeography环境地学包括环境地质学、环境地球化学、化学地理学、污染气象学和海洋环境学等。环境地质学以人类活动与地质环境的关系为研究对象。人类活动会诱发环境地质问题，如地震、废弃矿床、地下水质恶化、地面沉降。而地质作用产生的地震、火山爆发、海啸、山崩、泥石流等又深刻影响着土壤的生态环境。环境地球化学以化学物质在地表环境中的分布、迁移和转化规律为研究对象。化学物质从土4壤到植物再影响食物链和整个生态系统。污染气象学研究大气污染和大气运动的科学，大气运动对污染物质在大气中扩散，气象因素对污染物的化合和分解的影响。环境海洋学主要研究物质在水体中的运动规律，底泥对水生生物的影响。第二章土壤的形成与功能第一节土壤的形成过程1.形成土壤的矿物和岩石MineralsandRocks研究土壤首先要认识形成土壤的母质材料（parentmaterials）。母质是最重要的成土因素和土壤形成的条件。按照风化物不同搬运动力与沉积特点可分为八大类型：残积物（就地风化堆积，未经搬运）；坡积物（流水、重力搬运和就地堆积）；洪积物（洪水、搬运距离远和分选性差、磨圆度不佳）；冲击物（水搬运，河流相沉积）；湖积物（水搬运，湖相沉积）；浅海沉积物（水搬运，海相沉积）；风成物（风搬运和堆积：黄土）；冰积物（冰川搬运和沉积）。需要很好理解和掌握以下三个基本概念：岩石（rock）:各种矿物大多以集合体的形式存在于地壳（音：Qiao；earth'scrust）中，这种矿物的集合体就是岩石。根据岩石的成因，可以分为三大类：岩浆岩（igneousrock）:火山喷发（未喷出）的岩浆冷凝而形成。根据二氧化硅的含量多少区分为酸性岩（65%）、中性岩（52-65%）、基性岩（45-52%）和超基性岩（45%）。沉积岩（sedimentaryrock）:在地表常温常压下，先成的岩石风化剥蚀的产物，以及生物作用与火山作用的产物在原地或经外力搬运而形成沉积层，再经过固结成岩作用而形成的岩石。是主要的成土母质，分砾岩、砂岩、页岩、石灰岩。变质岩（metamorphicrock）:已经形成的岩浆岩或沉积岩受到地壳运动或岩浆运动造成的高温高压和热气热液作用，而发生变质的岩石，就叫变质岩。常见的变质岩有：片麻岩、石英岩、大理岩和结晶片岩类。矿物（mineral）:各种地质作用下自然产生于地壳中的化合物或化学元素，是具有一定化学成分和物理性质的自然均质体，是组成岩石的基本单位。5根据矿物的成因，区分为原生矿物和次生矿物。原生矿物（primaryminerals）:形成于高温高压下的矿物，如岩浆熔融体或热液中形成的矿物，石英、长石、云母等；次生矿物（secondaryminerals）:由原生矿物在风化和成土过程中经过化学蚀变，或由分解产物重新结合而成的矿物，如高岭石、蒙脱石、水云母等。风化作用（rock-weatheringprocesses）暴露于地表（或不露出地表）的矿物、岩石遇到和它形成时不相同的外界条件就发生形变、组成和性质的变化，这就叫风化。风化作用包括三大类型：物理风化（physicalweathering）由物理作用使岩石发生物理变化而成碎屑的过程。如温度变化引起的热力风化、水力作用。化学风化（chemicalweathering）岩石的化学成分受到化学作用发生化学成分和性质的变化，以及产生新的矿物的过程。如溶解作用、水化作用、水解作用、碳酸化作用、氧化作用。此外还有硫酸化作用、还原作用、去碳作用、中和作用。水化作用实例：2Fe2O3+3H2O2Fe2O3-3H2O(赤铁矿)（褐铁矿）生物作用与风化（biologicalweathering）生物所参与的风化过程。物理风化和化学风化都直接或间接地与生物作用有关。直接方面：根系对岩石的挤压、穿插而使岩石崩解。间接方面：生物呼吸作用是大气二氧化碳的主要来源；绿色植物在光合作用中放出氧气。而氧气和二氧化碳都是化学风化作用的重要因素。2.土壤的主要形成过程MainProcessesofSoilForming各种土壤的成土过程是多种多样的；不同土壤的成土过程是不一样的。一般来说，任何土壤都必须经历三个基本的成土过程：原始成土过程，有机质积累过程和粘化过程，而象脱硅富铝化过程只有南方红黄壤上才具有，盐碱化过程只有盐碱土上才有。这就是说土壤的成土过程可区分为共有成土过程和专有成土过程。原始成土过程PrimarySoilFormingProcess母质具有疏松多孔的特点和具有初步的透水透气性、持水性，以及释放供应部分养分的能力，使生物生长发育具有了可能。首先是对养分要求不高的低等生物（如化能自养性微生物）。低等生物（化能自养型微生物）的出现，抑制营养元素的淋溶（从氧化母质的无机物种取得合成有机物的能量），开始了最初的土壤形成过程（母质上开始产生有机物，营养元素得以初步在母质表层集中和积累）。有机质积累过程OrganicMatterAccumulation有机营养性微生物大量生长使有机质和营养元素得到进一步的积累和集中，特别是固氮细菌的发育使土壤氮素进一步积累，肥力（水、肥、气、热）水平进一步提高，生物群落也相应交替和发展。接着出现地衣、苔藓，直到高等绿色植物生长。6一方面有大量以有机质为能量和养分来源的微生物不断分解有机质。有机质在微生物作