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1、第二章 第四节 土壤环境第1页，本讲稿共31页4.1土壤组成与性质4.1.1 土壤组成土壤是环境中特有的组成部分，是一个极其复杂的由固体、液体和气体三相组成的多相疏松多孔体系第2页，本讲稿共31页4.1土壤组成与性质土壤物质组成土壤矿物土壤有机质土壤溶液土壤空气原生矿物次生矿物固相气相气相液相4.1.1土壤组成第3页，本讲稿共31页4.1土壤组成与性质(1)土壤矿物质：来源于地壳岩石（母岩）和母质，它对土壤的性质、结构和功能影响很大。原生矿物：直接来源于母岩的矿物，它只受到不同程度的物理风化作用，而化学成分和结晶构造未有大的改变。一般土壤中 1-0.01mm 的砂和粉砂几乎全都是原生矿物。如石
2、英、长石(Na2O.Al2O3.6SiO2)、云母、辉石、角闪石等。次生矿物：原生矿物经物理、化学风化作用，组成和性质发生化学变化，形成的新矿物称次生矿物。如简单的盐类、高岭石等(Al2O3*2SiO2*2H2O)。第4页，本讲稿共31页4.1 土壤组成与性质(2)土壤有机质土壤有机质是土壤中各种含碳有机化合物的总称。包括腐殖质、生物残体及土壤生物第5页，本讲稿共31页4.1土壤组成与性质(3)土壤水分 土壤水分主要来自大气降水和灌溉。在地下水位接近地面（2-3 cm）的情况下，地下水也是上层土壤水分的重要来源。此外，空气中水蒸汽冷凝成为土壤水分。土壤水分并非纯水，不仅含有 Na+、K+、Mg
3、2+、Ca2+、Cl-、NO3-、SO42-、HCO3-等离子以及有机物，还含有有机的、无机的污染物。因此土壤水分既是植物养分的主要来源，也是进入土壤的各种污染物向其他环境圈层（如水圈、生物圈等）迁移的媒介。第6页，本讲稿共31页4.1土壤组成与性质(4)土壤空气土壤空气存在于未被水分占据的土壤孔隙中。主要来源于大气，其次是产生于土壤中的生物化学和化学过程。常含有少量还原性气体，如甲烷（CH4）、硫化氢（H2S）、氢气（H2）。在某些情况下还可能产生磷化氢（PH3）及二硫化碳（CS2）等气体。第7页，本讲稿共31页4.1土壤组成与性质4.1.2 土壤胶体性质土壤胶体土壤胶体 指土壤中颗粒直径小
4、于1-2m，具有胶体性质的微粒土壤胶体类型无机胶体：Fe、Al、Si等含水氧化物；层状硅酸盐类矿物有机胶体：主要是多糖、蛋白质和腐殖质有机-无机胶体：和腐殖质胶体结合在一起形成部分矿物胶体第8页，本讲稿共31页4.1土壤组成与性质4.1.2 土壤胶体性质土壤胶体的性质土壤胶体的性质巨大的比表面和表面能；电荷性质：以负电荷为主；分散性和凝聚性土壤胶体有两种不同的状态，一种是土壤胶体微粒均匀地分散在水中，呈高度分散的溶胶，一种是胶体微粒彼此凝集在一起呈絮状的凝胶第9页，本讲稿共31页4.1土壤组成与性质4.1.3 土壤的酸碱性(1)土壤的酸碱度土壤的酸碱度 土壤的酸碱度取决于土壤溶液中的H+和OH
5、-的含量 土壤中的H+主要是二氧化碳溶于水形成的碳酸、有机物分解产生的有机酸以及某些少数无机酸、Al3+水解产生的。土壤中的OH-主要来自碳酸钠、碳酸氢钠、碳酸钙以及胶粒表面交换性Na+水解产生的。土壤的碱度也用pH表示，含Na2CO3、Na2HCO3 的土壤的pH值一般大于8.5。含CaCO3的石灰性土壤pH值约在7.08.5之间。第10页，本讲稿共31页4.1土壤组成与性质(1)土壤的酸碱度土壤的酸碱度 我国土壤的 pH 大多在 4.5-8.5 范围内，并有由南向北 pH 值递增的规律性，长江以南的土壤多为酸性和强酸性，华南、西南地区广泛分布的红壤、黄壤，pH 值大多在 4.5-5.5 之
6、间，有少数低至 3.6-3.8；华中华东地区的红壤，pH 在 5.5-6.5 之间；长江以北的土壤多为中性或碱性，华北、西北的土壤大多含 CaCO3，pH 值一般在 7.5-8.5 之间，少数强碱性土壤的 pH 值高达 10.5第11页，本讲稿共31页4.2 土壤污染的发生土壤环境元素背景值简称土壤环境背景值，是指未受或很少受人类活动特别是人为污染影响的土壤化学元素的自然含量。土壤环境环境容量是指在一定环境单元、一定时限内遵循环境质量标准，既保证农产品生物学质量和品质质量，也不使环境系统受到污染时，土壤环境所能容纳污染物的最大负荷量。土壤环境背景值是一个土壤环境背景值是一个范围范围值，而不是一
7、个确定值。值，而不是一个确定值。土壤环境背景值的土壤环境背景值的2-32-3倍作为倍作为土壤污染起始值土壤污染起始值的指标。的指标。同一土壤同一土壤对对不同的污染物不同的污染物的环境容量是的环境容量是不同不同的，主要是由于的，主要是由于土壤净化能力土壤净化能力的问题。的问题。不同不同土壤环境容量土壤环境容量不同不同。第12页，本讲稿共31页4.2 土壤污染的发生是指人为活动或自然因素所产生的污染物质，通过各种途径输入土壤，其是指人为活动或自然因素所产生的污染物质，通过各种途径输入土壤，其数量增加的速度超过了土壤净化作用的速度，从而在土壤中逐渐积累，致数量增加的速度超过了土壤净化作用的速度，从而
8、在土壤中逐渐积累，致使这些成分明显高于原有含量，所导致的使这些成分明显高于原有含量，所导致的现象现象。土土土土壤壤壤壤污污污污染染染染土壤质量下降，并影响到作物的生长发育，以及产量和质量下降土壤污染物质的迁移转化，引起大气或水体污染通过食物链，最终影响到人类的健康第13页，本讲稿共31页4.2 土壤污染的发生 土壤污染的隐蔽性土壤污染的隐蔽性土壤污染往往通过对土壤样品进行分析化验和农作物残留检测情况，甚至通过粮食、蔬菜和水果等农作物以及摄食的人或动物的健康状况才能反映出来，从遭到污染到产生恶果需要相当长的过程 土壤污染的持久性土壤污染的持久性土壤环境使污染难于扩散和稀释，在土壤中容易积累并达到
9、很高浓度 土壤污染的间接有害性土壤污染的间接有害性 次生污染源 影响作物品质土壤污染的特性第14页，本讲稿共31页4.2土壤污染的发生标准：目前用标准：目前用自净能力自净能力及及动植物受害时的临界浓度动植物受害时的临界浓度进行判断进行判断污染程度的确定：以污染程度的确定：以土壤环境背景、植物和土壤生物的生态效应、土土壤环境背景、植物和土壤生物的生态效应、土壤环境效应、土壤环境基准或环境标准壤环境效应、土壤环境基准或环境标准为依据。为依据。土壤污染的程度的量化指标影响土壤污染程度的因素污染物的数量强度土壤自身的净化能力第15页，本讲稿共31页4.2 土壤污染的发生土壤自净作用土壤自净作用土壤被污
10、染后，由于土壤的物理、化学和生物化学等作用，在一定时间后各种有机物、病原微生物、寄生虫卵和有毒物质等逐渐分解、吸收、转化、积沉，最终达到无害化的能力。土壤自净能力土壤自净能力 物理作用化学作用生物化学作用结果：有些污染物在土壤中蓄积起来；有结果：有些污染物在土壤中蓄积起来；有些被转化而降低，或消除了活度与毒性。些被转化而降低，或消除了活度与毒性。第16页，本讲稿共31页4.2 土壤污染的发生土壤污染源污水灌溉污水灌溉污水灌溉污水灌溉固体废物的农业利用、堆放、处理、填埋固体废物的农业利用、堆放、处理、填埋固体废物的农业利用、堆放、处理、填埋固体废物的农业利用、堆放、处理、填埋农业污染农业污染农业
11、污染农业污染大气沉降大气沉降大气沉降大气沉降生物污染生物污染生物污染生物污染利用城市污水、工业废水或混合污利用城市污水、工业废水或混合污利用城市污水、工业废水或混合污利用城市污水、工业废水或混合污水进行农田灌溉。水进行农田灌溉。水进行农田灌溉。水进行农田灌溉。农药和化肥在生产、贮存、运输、农药和化肥在生产、贮存、运输、农药和化肥在生产、贮存、运输、农药和化肥在生产、贮存、运输、销售和使用过程污染销售和使用过程污染销售和使用过程污染销售和使用过程污染湿沉降，降雨、结露等降水干沉降，湿沉降，降雨、结露等降水干沉降，湿沉降，降雨、结露等降水干沉降，湿沉降，降雨、结露等降水干沉降，尘埃、重金属颗粒尘埃
12、、重金属颗粒尘埃、重金属颗粒尘埃、重金属颗粒病原菌等微生物污染病原菌等微生物污染病原菌等微生物污染病原菌等微生物污染第17页，本讲稿共31页4.2 土壤污染的发生土壤污染的类型有机物污染有机物污染有机物污染有机物污染无机物污染无机物污染无机物污染无机物污染土壤生物污染土壤生物污染土壤生物污染土壤生物污染放射性物质的污染有机废弃物、农药、塑料地膜、危及农作物的生长和土壤生物的生存；通过食物链迁移地壳变迁、火山爆发、岩石风化；采矿、冶炼、机械制造；有害的元素氧化物、酸、碱和盐类等有害的生物种群，从外界环境侵入土壤，大量繁衍，破坏原来的动态平衡；传染病医院未经消毒处理的污水和污物。土壤的放射性水平高
13、于天然本底值从从污污染染物物的的属属性性来来考考虑虑，一一般般可可分分为为有有机机物物污污染染、无无机机物物污污染染、生生物物污污染染和和放放射射性性物质的污染物质的污染第18页，本讲稿共31页4.3 土壤中化学农药污染土壤化学农药污染主要来自四个方面将农药直接施入土壤或以拌种、浸种和毒谷等形式施入土壤向作物喷洒农药时，农药直接落到地面上或附着在作物上，经风吹雨淋落入土壤大气中悬浮的农药颗粒或以气态形式存在的农药经雨水溶解和淋溶，最后落到地面上随死亡动植物残体或用污水灌溉而将农药带入土壤。农药在土壤中长期残留积累，将导致土壤生态环境发生变化和农作物产品出现微量的残留农药，甚至危害到人畜健康。第
14、19页，本讲稿共31页4.3土壤中化学农药污染4.3.1 化学农药在土壤中的迁移转化(1)土壤对农药的吸附土壤对农药的吸附土壤是一个由无机胶体（粘土矿物）、有机胶体（腐殖酸类）以及有机无机胶体所组成的胶体体系，其具有较强的吸附性能。在酸性土壤下，土壤胶体带正电荷，在碱性条件下，则带负电荷。土壤对农药的吸附作用，在某种意义上就是土壤对农药的净化。但这种净化作用是有限度的，土壤胶体的种类和数量，胶体的阳离子组成，化学农药的物质成分和性质等都直接影响到土壤对农药的吸附能力。吸附能力越强，农药在土壤中的有效性越低，则净化效果越好。第20页，本讲稿共31页4.3 土壤中化学农药污染4.3.1 化学农药在
15、土壤中的迁移转化(2)化学农药在土壤中的挥发、扩散和迁移化学农药在土壤中的挥发、扩散和迁移土壤中的农药，在被土壤固相物质吸附的同时，还通过气体挥发和水的淋溶在土体中扩散迁移，因而导致大气、水和生物的污染。大量资料证明，易挥发和不易挥发的农药都可以从土壤、水及植物表面大量挥发。对于低水溶性和持久性的化学农药来说，挥发是农药进入大气中的重要途径。挥发作用大小，主要决定于农药本身的溶解度和蒸气压，也与土壤的温度、湿度等有关以水为介质进行迁移。一是直接溶于水中；二是被吸附于土壤固体细粒表面上随水分移动而进行机械迁移。主要是由于土壤侵蚀，通过地表径流流入地面水体造成地表水体的污染第21页，本讲稿共31页
16、4.3 土壤中化学农药污染4.3.1 化学农药在土壤中的迁移转化(3)农药在土壤中的降解农药在土壤中的降解农药在土壤中的降解，包括光化学降解、化学降解和微生物降解等。光化学降解：指土壤表面接受太阳辐射能和紫外线光谱等能流而引起农药的分解作用化学降解：化学降解以水解和氧化最为重要，水解是最重要的反应过程之一。土壤 pH 和吸附是影响水解反应的重要因素微生物降解：土壤中微生物（包括细菌、霉菌、放线菌等各种微生物）对有机农药的降解起着重要的作用。第22页，本讲稿共31页4.3 土壤中化学农药污染4.3.2 化学农药在土壤中的残留农药在土壤中的存留时间常用两种概念来表示：即半衰期和残留期，半衰期指施入
17、土壤中的农药因降解等原因使其浓度减少一半所需要的时间残留量指土壤中的农药因降解等原因含量减少而残留在土壤中的数量，单位是 mg/kg 土壤第23页，本讲稿共31页4.3 土壤中化学农药污染4.3.2 化学农药在土壤中的残留残留量 R 可用下式表示：式中：C0农药在土壤中初始含量；t 是农药在土壤中的衰减时间；k 是常数。连续使用农药，使农药在土壤中累积不断增加，但不会无限增加，达到一定值后趋于平衡R=c0e-kt 第24页，本讲稿共31页4.3 土壤中化学农药污染4.3.3 化学农药在土壤中的残留积累毒害土壤化学农药的残留积累毒害主要表现在两方面：一、残留农药的转移产生的危害；二、残留农药对靶
18、生物的直接毒害。(1)残留农药的转移残留农药的转移 残留农药的转移主要与食物链有关，生物体内残留农药的转移主要有下面三条路线:第一条：土壤第一条：土壤陆生植物陆生植物食草动物食草动物第二条：土壤第二条：土壤土壤中无脊椎动物土壤中无脊椎动物脊椎动物脊椎动物食肉动物食肉动物 第三条：土壤第三条：土壤水系（浮游生物）水系（浮游生物）鱼和水生生物鱼和水生生物食鱼动物食鱼动物第25页，本讲稿共31页4.3 土壤中化学农药污染4.3.3 化学农药在土壤中的残留积累毒害(2)残留农药对靶生物的直接毒害残留农药对靶生物的直接毒害农药残存在土壤中，对土壤中的微生物、原生动物以及其它的节肢动物、环节动物、软体动物
19、等均产生不同程度的影响。另外，土壤中残留农药对植物的生长发育也有显著的影响第26页，本讲稿共31页4.4 土壤重金属污染土壤污染物最突出而又很难降解的有两大类，一是重金属(heavy metal)，二是有机合成农药。土壤重金属污染物(heavy metal pollutant)主要有铅、铬、镉、砷、汞等。它们在土壤中的活性小，易于积累，土壤一旦被其污染则极难消除。其中镉和砷是极毒的；汞、铅、镍是中等毒性；硼、铜、锰、锌的毒性较低。土壤中的重金属来源主要是“三废”的排放所致。第27页，本讲稿共31页4.4 土壤重金属污染4.4.1 重金属的土壤化学行为进入土壤中的重金属的归宿将由一系列复杂的化学
20、反应和物理与生物过程所控制。进入土壤溶液中的金属离子的形态和量很不相同，并直接影响重金属在土体中的迁移、转化及植物效应。（1 1）p pH H的影响的影响 土壤中pH值降低，某些重金属如铅、铜、锌、铬等易转化为水溶性的重金属盐类，pH值越低其活动度越大，越易于迁移；pH增高，某些重金属则转化为难溶性化合物如CdS、HgS等，pH值越高，它们越易于趋于固定而减低其活性，在土壤中容易积累。类金属砷例外第28页，本讲稿共31页4.4 土壤重金属污染（2 2）Eh的影响的影响 土壤的氧化还原电位影响重金属的存在形态，从而影响重金属化学行为、迁移能力及对生物的有效性。一般来说，在还原条件下，很多重金属易
21、产生难溶性的硫化物，而在氧化条件下，溶解态和交换态含量增加对某些重金属来说，在不同的氧化还原电位条件下，有不同的价态，其化合物的溶解度和毒性显著不同。如Cr3+是农作物所需要的微量元素，但其化合物的溶解度较低，而Cr6+对农作物来说，是有毒元素，其化合物的溶解度也较大第29页，本讲稿共31页4.4 土壤重金属污染（3 3）有机）有机-无机胶体的吸附作用无机胶体的吸附作用 重金属被土壤胶体的吸附固定可分为两种方式：如金属元素被吸附在胶体表面的交换点上，则较易被释放；如保持在胶体矿物的晶格中，则很难释放，不利于金属元素的迁移。(4)土壤中重金属的络合土壤中重金属的络合-螯合作用螯合作用 土壤中的羟基和氯离子是主要的络合离子，羟基与重金属的络合作用可大大提高重金属氢氧化物的溶解度，同样氯络重金属离子的形成也可提高重金属在土壤中的迁移。第30页，本讲稿共31页4.4土壤重金属污染4.4.2 4.4.2 重金属的生物效应重金属的生物效应 重金属元素一方面化学性质不甚活泼，迁移能力低;另一方面受耕层土壤有机、无机组分吸附、缔合也限制了它们的移动能力，因此重金属无论为生物必需与否，在土壤中含量超过其容量水平都会引起生物毒性。对种子萌发的影响对生理生化过程的影响对作物产量的影响第31页，本讲稿共31页