1、4 土壤环境污染与防治第四章 土壤环境污染与防治第一节 土壤形成、组成和作用 第二节 土壤的污染与退化 第三节 土壤污染防治与修复第一节 土壤形成、组成和作用一、土壤的形成风化作用岩石母质土壤成土过程土壤是地球陆地表面具有肥力、能够生长植物的疏松表层，是由岩石经风化发育而成的历史自然体。 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，故此需经历一个质变过程，亦即岩石的破碎分解，直至形成母质。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风化作用物理风化 化学风化
2、 生物风化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。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。岩石在生物的作用下引起的破坏过程。 成因：机械破碎；生物化学作用。生物风化地质大循环：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
3、作用交织在一起，同时进行的。成土过程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。二、土壤的物质组成土壤固液气三相的比
4、示意图土壤固相土壤液相土壤气相 (15%35% V)土壤矿物质 (95% )土壤有机质 (1-10%)原生矿物质 (90% ) 次生矿物根须土粒上的吸附水土粒土壤空隙被水饱和的土壤生物体昆虫、线虫、节肢动物微生物岩石中含有约 3000 余种矿物，但与土壤有关的不过数十种，按其起源分为原生矿物和次生矿物。石英、长石类、云母类、 辉石、角闪石、橄榄石、 赤铁矿、磁铁矿、磷灰石、 黄铁矿原生矿物次生矿物简单盐类(方解石、白云石、石膏、泻盐等)、 三氧化物类（针铁矿、褐铁矿） 、 次生铝硅酸盐（伊利石、蒙脱石、高岭石）类 次生硅酸盐粘土矿物的类型和性质硅四面体四面体片? 1. 土壤的组成和性质次生硅酸
5、盐粘土矿物的类型和性质铝八面体八面体片? 1. 土壤的组成和性质高岭石的特点四面体片与八面体片通过共用氧原子结合成一个晶片，晶片间以氢键相连，水化时基本不膨胀。? 1. 土壤的组成和性质蒙脱石的特点两个四面体片夹一八面体片组成一个晶片，八面体片中，部分 Mg 取代 Al 而使层片带负电，多余电荷由层间阳离子中和。水化时膨胀严重。? 1. 土壤的组成和性质三种主要粘土矿物的特性比较来源：各种动植物、微生物残体及人畜粪便。 类型： 非腐殖物质：碳水化合物；有机酸；木质素等。 腐殖质：结构复杂，是微生物作用下形成的性质稳定的新的高分子化合物。其形成分两个阶段：首先产生构成腐殖质主要成分的原始材料；将
6、上述原始材料通过缩合与聚合作用，形成腐殖质的单体分子。一般占有机质的85%90%。 有机质不同生态系统下土壤有机质的含量净初级生产力(Mg C /ha y)植物生物量(Mg C/ha)SOM (Mg C/ha)胡敏素(Humin)：不溶于有机溶剂、稀酸和稀碱液的有机高分子化合物。 胡敏酸(Humic acid)：溶于稀碱，但不溶于稀酸的棕至褐色的天然有机高分子化合物。 富里酸(Fulvic acid)：土壤中既能溶于稀碱又能溶于稀酸的黄棕色天然有机高分子化合物。 ?腐殖质的组分分子大小： 胡敏素胡敏酸富里酸腐殖质的分子结构土壤腐殖质的作用土壤养分的重要来源 促进土壤养分有效化 形成土壤结构 吸
7、附污染物，减轻污染 其它土壤水 主要来自降水，同时还有灌溉水和地下水。 形态分为固态水、液态水和气态水 液态水：吸湿水、膜状水、毛管水、重力水。 土壤空气 二氧化碳高于大气十到数百倍，氧气仅占十分之一左右。土壤水与空气土壤生物的种类和数量三、土壤的结构和环境特性土壤的结构 形态结构 土壤的环境特性 酸碱性（pH 值） 缓冲性 氧化还原状况 土壤胶体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，土粒分为石砾、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
8、本上为次生矿物。土壤颗粒土粒分级土壤中的矿物质颗粒，在大多数情况下不是以单粒状态存在，而是互相粘聚或者被胶结成大小、形状、性质不同的土片、土块、土团甚至团聚体。 结构类型：块状及棱块状，柱状及棱柱状，片状，单粒结构及团粒结构。土壤的形态结构土壤结构模型形成机制土粒的粘聚 粘粒的凝聚作用 有机质的胶结作用 难溶性化合物的胶粘作用 水膜的粘结作用土壤结构的成型 生物作用 干湿交替 冻融交替 耕作作用土壤环境特性（一）土壤的吸附特性（土壤胶体） 土壤胶体的结构: 胶核?二氧化硅，氧化铁铝，次生硅酸盐，腐殖质 决定电位离子层?胶核表面分子解离成为离子，或从溶液中吸收某种离子而成 补偿离子层 胶团间溶液
9、土壤胶体种类土壤无机胶体 含水氧化硅胶体，含水氧化铁铝胶体，水铝英石，粘土矿物 土壤有机胶体 有机无机复合体 土壤胶体的性质(1) 土壤胶体具有巨大的比表面和表面能(2) 土壤胶体具有带电性 同晶置换： Al3+取代硅氧片中的Si4+； Mg2+取代水铝片中的 Al3+ ?永久性负电荷。 表面分子解离 ： OH, H2O 断键： SiO、AlO 表面分子吸附： H+， PO43- (3)土壤胶体的凝聚性和分散性 （二）土壤酸碱性酸的产生 生命活动 土壤溶液中活性铝的作用 吸附态氢离子和铝离子的作用 碱的产生 土壤中大量存在的碱金属的水解1土壤酸度 根据土壤中 H离子的存在方式，土壤酸度可分为活
10、性酸度和潜在酸度两大类型。 (1)活性酸度：土壤活性酸度是自由扩散到土壤溶液中氢离子浓度的直接反映出来的酸度。因此，氢离子的浓度越大，活性酸的酸度越强。通常用 pH 表示活性酸，这是一个强度指标。 (2)潜性酸度：土壤潜性酸度是由于土壤胶体吸附的H+和 Al3+所造成的。这两种致酸离子只有在通过离子交换作用进入土壤溶液时，产生了 H+离子，才显示出酸性，所以它们是土壤酸度的潜在来源，故称之为潜性酸。 2土壤碱度 土壤的碱性反应是在土壤溶液中 OH离子浓度超过 H+离子浓度时反映出来的。 土壤溶液之所以出现碱性反应，是由于土壤溶液中存在有水解性的弱酸强碱盐类，其中最多的弱酸根是碳酸根和碳酸氢根。
11、 3土壤的缓冲性能 把少量的酸或碱加到土壤中，其 pH 值的变化不大，土壤这种对酸碱度变化的抵抗能力，称为土壤的缓冲性能或缓冲作用。它可以保持土壤反应的相对稳定，为植物生长和土壤生物的活动创造比较稳定的生活环境，所以土壤的缓冲性能是土壤的重要性质之一。 土壤胶体和土壤溶液中的酸碱缓冲体系。（三）土壤的氧化还原性土壤中的氧化还原体系： 铁体系 Fe() + e ? Fe() 锰体系 Mn() + 2e ? Mn() 硫体系 SO42 + 8e + 10H+ ? H2S + 4H2O 氮体系 NO3 + 2e + 2H+ ? NO2 + H2O NO3 + 5e + 6H+ ? 1/2N2 + 6
12、H2O NO3 + 8e + 10H+ ? NH4+ + 3 H2O 有机碳体系 CO2 + 8e + 8 H+ ? CH4 + 2H2O土壤的氧化还原电位（Eh）根据土壤的 Eh 值可以确定土壤中有机物和无机物可 能发生的氧化还原反应和环境行为。 土壤的 Eh 值700mV，土壤完全处于氧化条件下，有机物质会迅速分解； Eh400700mV：土壤中氮素主要以 NO3形式存在； Eh400mV 时：反硝化开始发生； Eh200mV 时，NO3开始消失，出现大量的 NH4+。 当土壤渍水时，Eh 值降至100mV，Fe2+浓度就会超过 Fe3+； Eh 值再降低，200mV 时，H2S 大量产生
13、，Fe2+就会变成 FeS 沉淀了，其迁移能力降低了。 四、土壤的功能和作用两大功能： 肥力功能 支撑作用 水、热、气、肥 净化功能 纳污场所 污染物净化能力岩石圈大气圈生物圈水圈土壤圈土壤圈地球表面环境系统的中心地带物质与能量交换第二节 土壤的污染与退化一、土壤的污染（一）概念 1、土壤环境背景值 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。 判断土壤是否污染的依据之一； 确定环境基准的依据之一； 确定土壤环境容量的依据。 2、土壤环境容量： 在保证土壤正常功能下，土壤所能容纳污染物的最大负荷量。3、土壤的自净能力 土壤通过对有机无机物的吸附固定作用，使得污染物通过土壤
14、后减轻了毒害，即为土壤的自净作用。 作用方式：物理、化学、生物反应。 作用结果：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。（二）土壤污染的概念和特点1、定义： 进入土壤的污染物超过土壤的自净能力，对土壤、动植物造成损害时的状况，成为土壤污染。 2、判断标准： （1）背景值 （2）土壤环境质量标准 （3）植物污染物含量及受害状况 （4）土壤生物指标：微生物、酶类 3、土壤污染的特点： （1）隐蔽性和潜伏性 （2）累积性 （3）不可逆性 （4）治理困难性与后果的严重性1、污染物的种类 无机污染物：重金属、放射元素、盐、碱、酸等 有机污染物：农药、酚、石油等 2、污染源 化肥
15、、农药 污水灌溉 固体废物（含放射性物质） 大气沉降 （三）土壤污染源土壤主要污染物及其来源1、作物减产、品质下降 2、危害人体健康 食物链、空气质量 3、长期面污染源 水体、大气 （三）土壤污染的危害（四）土壤污染的评价1与背景值对比 2单因子指数法 3综合污染指数法内梅罗污染指数： 权重法确定综合指数 （五）主要污染物在土壤中的迁移转化1、农药 绝大多数为有机化合物，易为土壤土壤微生物、土壤酶所分解，主要通过脱氯、脱烷基、苯环破裂、氧化还原、水解作用等使分子简单化。 农药的挥发性使它通过土壤孔道散失。2、重金属 机械迁移： 化学与物理化学转化： 形态分级：可溶态、吸附态、有机结合态、碳酸盐
16、结合态、铁锰氧化物结合态、残余态等。 难以移出土壤，形态和有效性随土壤环境条件而异，表土或亚表土累积，很难迁入底层。 二、土壤退化水土流失 土壤风蚀和沙漠化、石漠化 土壤盐碱化（一）荒漠化1、荒漠化的概念 荒漠化是包括气候变异和人类活动在内的种种因素所造成的干旱、半干旱和亚湿润干旱地区的土地退化。 2、荒漠化的现状3、荒漠化的成因 1、自然因素 2、人为因素 （1）土地资源利用不合理 （2）植被资源不合理利用 （3）干旱、半干旱地区水资源利用不合理 （4）不合理耕作及粗放管理 （5）其他人类活动 4、荒漠化的危害 1、土地的生产潜力衰退 2、土地生产力下降 3、草场质量下降 4、对环境造成污染
17、和破坏 （二）水土流失 在水力和风力作用下，地表物质发生 剥蚀、迁移或沉积的过程。 1、水土流失的原因 自然因素条件 人为因素催化剂 2、水土流失的危害 （1）破坏土壤肥力、危害农业生产； （2）影响工矿、水利和交通等建设工作； （3）威胁群众生命财产安全，造成经济损失。3、水土流失的防治 （1）保护现有亚热带和热带森林，严禁毁林开荒、开垦草原为农田等； （2）进行工矿建设，必须进行生态环境影响评价，提出防止水土流失的措施，工矿建设和保护生态环境的措施必须同步进行； （3）保护好现有森林，大力植树造林，兴建防护林体系工程来控制水土流失面积的蔓延。（三）土壤盐渍化土壤盐渍化1、形成原因 （1）气
18、候方面的原因； （2）地形方面 原因； （3）水文地质方面的原因； （4）海洋； （5）不合理的灌溉活动。三、土壤盐渍化2、改良措施 （1）水利改良 （2）生物改良 （3）化学改良第三节 土壤污染防治与修复一、土壤污染源的控制首先要弄清楚污染源； 然后采取切实有效的措施切断污染源，这是防止土壤遭受污染的最基本也是最重要的原则。 二、土壤污染的治理与修复（一）工程措施 1、客土法 2、清洗法 3、隔离法 4、热解法 5、电化学法 （二）农业措施 调节土壤 pH、Eh； 改变耕作制度； 选择抗性品种； 合理施肥（有机肥） 。（三）施用改良剂抑制剂与拮抗剂： CaCO3、CaSO4、腐殖酸、有机肥、
19、磷酸盐、锌肥 吸附剂：蒙脱石； 活化剂+生物法（或淋洗法）： EDTA、表面活性剂等 （四）生物修复技术1、微生物修复 微生物以有机污染物作为碳源； 生物吸附与生物氧化还原。 2、植物修复: 利用植物吸收、挥发、转化与降解消除土壤有机与无机污染。 MethylationVolatilizationImmobilizationTranslocationUptakeAccumulationPHYTO- / BIO- VOLATILIZATIONPHYTOIMMOBILIZATIONPHYTOEXTRACTIONPhytoremediationOHOHPlant detects toxicantCh
20、ange in root exudationExudatesExudates stimulate microbial comunityEnhanced detoxicationRhizosphere management ConditioningPHTODEGRADATIONPhytoremediation超积累植物的发现意大利植物学家 Andrea Cesalpino 在 Tuscany 区的 Tiber 河上游注意到一种十字花科的香雪球，能够在“黑色石头”上生长（Cesalpino，1583） 。这种植物后来被 命名为 Alyssum bertolonii （1814） 。 1948 年，
21、意大利佛罗伦萨的植物学家，C. Minguzzi 和 O. Vergnano，发现这种植物（Alyssum bertolonii）叶片含 Ni 高达 0.79%，以干物质计是 9.21%，土壤中的 Ni 是0.42%（Minguzzi 和 Vergnano，1948） 。 1977 年，Brookes 等首先提出超积累植物(hyperaccumulator)这一概念，当时是专指植物超积累 Ni 而言。超积累植物的定义超积累植物是指能够超量吸收和积累重金属的植物，通常在地上部组织中积累的重金属浓度是普通植物的 100 倍以上而不影响其正常生长，例如 Cd 浓度100mg/kg，Ni1000mg/kg，Cu1000mg/kg，Zn10000mg/kg。目前全世界发现的重金属超积累植物有 400 多种，以富集 Ni 的最多。 地上部金属浓度/根金属浓度 1.0 植物吸收超积累植物一些超累积植物体内重金属含量（以干重计，mg/kg）
