第四篇土壤环境化学

1第四篇 土壤环境化学教学要求 本篇将侧重介绍土壤的物理化学性质，重金属、农药及氮磷肥在土壤中的迁移、转化及环境因素对迁移转化的影响等。 (1)掌握土壤的组成与性质，土壤的粒级与质地分组特性。(2)了解污染物在土壤-植物体系中迁移的特点、影响因素及作用机制。(3)掌握土壤的吸附、酸碱和氧化还原特性。(4)了解农药在土壤中的迁移原理与主要影响因素。2第四篇 土壤环境化学 土壤处于岩石圈最外面的一层疏松的部分，具有支持植物和微生物生长繁殖的能力，被称为土壤圈。 土壤圈是处于大气圈、岩石圈、水圈和生物图之间的过渡地带，是联系有机界和无机界的中心环节。 成土因素综合作用的不同，产生出多种类型的土壤成土因素综合作用的不同，产生出多种类型的土壤。3第四篇 土壤环境化学 4第四篇 土壤环境化学土壤的基本环境机能土壤的基本环境机能 培育植物培育植物 植物挺立生长的支持体 植物生长提供水、空气和养分 推动物质循环推动物质循环 土壤是地球表层中介入元素循环的一个重要圈层，由岩石风化产生的所有物质都有可能进入大气和水系，又可能通过地球化学循环归入土壤。5第四篇 土壤环境化学 保存水资源保存水资源 土壤是大气和地下水之间的缓冲地区。 防止灾害防止灾害 土壤蓄水量大，可防止洪水发生。土壤植物又可防止风雨侵蚀、水土流失或土壤荒漠化趋向，并兼有防风、消音等作用。 自净能力自净能力 土壤具有极大比表面和催化活性 土壤对外来污染物有一定的自净能力。6第四篇 土壤环境化学土壤退化的过程土壤退化的过程 风和水的侵蚀作用：引起土壤流失； 受纳酸雨或过多使用氨氮肥料： 引起土壤酸化； 灌溉水中含过多盐分或深度风化作用：引起土壤盐碱化； 干旱： 引起土壤板结、龟裂、结构单元破坏甚至荒漠化； 水涝： 引起营养物浸出和流失； 污染： 引起土壤中有毒物质累积。 7第四篇 土壤环境化学 土壤环境的质量土壤环境的质量 国家环境保护局于1995年制订和发布了土壤质量环境标准GB15618一1995，其适用范围包括我国疆域内所有农田、蔬菜地、茶园、果园、牧场、林地、自然保护区等地的土壤。 依据土壤应用功能、保护目标和主要性质，将土壤质量划分为三级：一级标准一级标准 适用于I类土壤区，包括国家规定的自然保护区(原有背景重金属含量高的除外)、集中生活饮用水源地、茶园、牧场和其他保护地区的土壤。土壤质量应基本上保持自然背景水平。8第四篇 土壤环境化学二级标准二级标准 适用于类土壤区，包括一般农田、蔬菜地、茶园、果园、牧场等的土壤。土壤质量应基本上对植物和环境不造成危害和污染。三级标准三级标准 适用于类土壤区，包括林地土壤及污染物容量较大的高背景值土壤和矿区附近等地的农田土壤(蔬菜地除外)。 土壤质量应基本上基本上对植物和环境不造成危害和污染。9第一章 土壤的组成与性质 土壤由固、液、气相物质组成。土壤由固、液、气相物质组成。 固相指土壤矿物质(原生矿物和次生矿物质)和土壤有机质，两者占土壤总量的9095%。 液相指土壤水分及其可溶物，两者合称为土壤溶液。 气相指土壤空气。 土壤中还有数量众多的细菌和微生物，一般作为土壤有机物而视为土壤固相物质。 10第一章 土壤的组成与性质11第一章 土壤的组成与性质12第一章 土壤的组成与性质土壤矿物质土壤矿物质 按成因类型可将土壤矿物分为两类：原生矿物和次生矿物按成因类型可将土壤矿物分为两类：原生矿物和次生矿物. . 原生矿物原生矿物 是各种岩石(主要趋岩浆岩)受到程度不同的物理风化而未经化学风化的碎屑物，其原来的化学组成和结晶构造都没有改变. 次生矿物次生矿物 大多数是由原生矿物经风化后重新形成的新矿物，其化学组成和构造都有所改变而不同于原来的原生矿物。 在土壤形成过程中，原生矿物以不同的数量与土壤中的次生矿物混合存在，成为土壤矿物质。 13第一章 土壤的组成与性质土壤中的原生矿物土壤中的原生矿物 土壤中最主要的原生矿物有四类：硅酸盐类矿物、氧化物类矿物、硫化物类矿物和磷酸盐类矿物。（1 1）硅酸盐类矿物）硅酸盐类矿物 长石类、云母类、辉石类和闪角石类等矿物，容易风化而释放出K、Na、Ca、Fe、Mg和Al等元素可供植物吸收，同时形成新的次生矿物。（2 2）氧化物类矿物）氧化物类矿物 石英(SiO2)、赤铁矿(Fe2O3)、金红石(TiO2) 、蓝晶石(Al2SiO5)等。14第一章 土壤的组成与性质（3 3）硫化物类矿物）硫化物类矿物 土壤中通常只有铁的硫化物，即黄铁矿和白铁矿，二者是同质异构物，分子式均为Fe2S，极易风化，成为土壤中硫元素的主要来源。（4 4）磷酸盐类矿物）磷酸盐类矿物 土壤中分布最广的是磷灰石，包括氟磷灰石和氯磷灰石两种，其次是磷酸铁、铝以及其它磷的化合物，是土壤中无机磷的重要来源。15第一章 土壤的组成与性质2 2、土壤的次生矿物、土壤的次生矿物 土壤中次生矿物可分为：简单盐类、三氧化物类和次生铝硅酸盐类。(1)(1)简单盐类简单盐类 如方解石(CaCO3)、白云石(Ca、Mg（CO3）2)、石膏(CaSO22H2O)等，是原生矿物化学风化的最终产物，结晶构造都较简单，常见于干早和半干旱地区的土壤。(2)(2)三氧化物三氧化物 如针铁矿(Fe2O3 H2O)、褐铁矿（2Fe2O3 3H2O）等，是硅酸盐类矿物彻底风化的产物，常见于湿热的热带和亚热带地区的土壤中，特别是基性岩(玄武岩、安山岩和石灰墙)上发育的土壤中含量最多。16第一章 土壤的组成与性质（3 3）次生硅酸盐类）次生硅酸盐类 由长石等原生硅酸盐矿物风化后形成，是构成土壤粘粒的主要成分，故又称粘土矿物或粘粒矿物。可细分为伊利石、蒙脱石和高岭石。二、土壤有机质二、土壤有机质 土壤有机质包括：(1) 非特殊性的土壤有机质，包括动植物残体的组成部分以及有机质分解的中间产物，例如蛋白质、树脂、糖类、有机酸等，占土壤有机质总量的1015%。17第一章 土壤的组成与性质(2) 土壤腐殖质，是土壤特有的有机物质，占土壤有机质总量的8590%，主要是动植物残体通过微生物作用，发生复杂转化而成。进入土壤的有机物质所含成分，按其化学组成可分为：进入土壤的有机物质所含成分，按其化学组成可分为：(1)不含氮的有机化合物，如单糖和有机酸、多糖类、树脂、脂肪、蜡质和木质素等。(2)含氮有机化合物，即以蛋白质为主，土壤中的植物残体、土壤动物积微生物均含有种当多的蛋白质。(3)灰分物质，即植物体经过燃烧残留的无机物。18第一章 土壤的组成与性质三、土壤中的水分三、土壤中的水分 19第一章 土壤的组成与性质四、土壤中的空气四、土壤中的空气 土壤孔隙中所存在的各种气体的混合物称为土壤空气。 以O2、N2、CO2及水汽等为主要成分; 其次由于土壤进行生物化学作用产生的气体。如H2S、NH3、NO2、CO等; 另外一些醇类、酸类以及其它挥发性物质通过挥发作用也进入土壤。 20第一章 土壤的组成与性质五、土壤的粒级分组与质地分组五、土壤的粒级分组与质地分组 土壤矿物质的粒级划分土壤矿物质的粒级划分 按粒径的大小将土粒分为若干组，称为粒组或粒级。 粒级的划分标准及详细程度主要有三种不同的划分，即国际制、前苏联制和美国制。 21第一章 土壤的组成与性质22第一章 土壤的组成与性质23第一章 土壤的组成与性质2 2、各粒级的主要矿物成分和理化特性、各粒级的主要矿物成分和理化特性 24第一章 土壤的组成与性质(1)(1)石块和石砾：石块和石砾： 多为岩石碎块，直径大于lmm。山区土壤和河漫滩土壤中常见。(2)(2)砂粒：砂粒： 主要为原生矿物，大多为石英、长石十云母、角闪石等，其中以石英为主，粒径为1一0.05mm。在冲积平原土壤中常见 (3)(3)粘粒：粘粒： 主要是次生矿物，粒径小于0.001mm。含粘粒多的土壤，营养元素含量丰富，团聚能力较强，有良好的保水保肥能力，但土壤的通气和透水性较差。 25第一章 土壤的组成与性质(4)(4)粉粒：粉粒： 也称作粉粒、面砂，是原生矿物与次生矿物的混合体。 原生矿物有云母、长石、角闪石等，其中白云母较多。 次生矿物有次生石英、高岭石、含水氧化铁、铝，其中次生石英较多。 粒径为0.050.005mm。粉砂粒的物理及化学性状介于砂粒与粘粒之间。团聚、胶结性差，分散性强。保水保肥能力较好。 26第一章 土壤的组成与性质3 3、土壤质地分类及其特性、土壤质地分类及其特性 27第一章 土壤的组成与性质3 3、土壤质地分类及其特性、土壤质地分类及其特性28第一章 土壤的组成与性质3 3、土壤质地分类及其特性、土壤质地分类及其特性29第一章 土壤的组成与性质六、土壤吸附性六、土壤吸附性 土壤中活跃的组分：土壤胶体和土壤微生物。 1 1、土壤胶体的性质、土壤胶体的性质(1) 土壤胶体具有巨大的比表面和表面能。 物质的比表面越大，表面能也越大。 (2) 土壤胶体的电性。 土壤胶体微粒具有双电层，微粒的内部称微粒核，一般带负电荷，形成一个负离子层(即决定电位离子层)，其外部由于电性吸引，而形成一个正离子层(又称反离子层，包括非活动性离子层和扩散层)，即合称为双电层。(3) 土壤胶体的凝聚性和分散性。 30第一章 土壤的组成与性质2 2、土壤胶体的离子交换吸附、土壤胶体的离子交换吸附 在土壤胶体双电层的扩散层中，补偿离子可以和溶液中相同电荷的离子以离子价为依据作等价交换，称为离子交换(或代换)。 离子交换作用包括阳离子交换吸附作用阳离子交换吸附作用和阴离子交换吸附作阴离子交换吸附作用用。(1) 土壤胶体的阳离子交换吸附 电荷数电荷数 离子半径及水化程度离子半径及水化程度31第一章 土壤的组成与性质 土壤的可交换性阳离子有两类： 致酸离子致酸离子 包括H+和A13+； 盐基离子盐基离子 包括Ca2+、Mg2+、K+、Na+、NH4+等。 当土壤胶体上吸附的阳离子均为盐基离子，且已达到吸附饱和时的土壤，称为盐基饱和土壤。 当土壤胶体上吸附的阳离子有一部分为致酸离子，则这种土壤为盐基不饱和土壤。 在土壤交换性阳离子中盐基离子所占的百分数称为土壤盐基饱和度。32第一章 土壤的组成与性质(2)(2)土壤胶体的阴离子交换吸附土壤胶体的阴离子交换吸附 土壤中阴离子交换吸附是指带正电荷的胶体所吸附的阴离子与溶液中阴离子的交换作用。 阴离子的交换吸附可与胶体微粒(如酸性条件下带正电荷的含水氧化铁、铝)或溶液中阳离子(Ca2+、Fe3+、A13+ )形成难溶性沉淀而被强烈地吸附。 33第一章 土壤的组成与性质四、土壤酸碱性四、土壤酸碱性 34第一章 土壤的组成与性质1 1、土壤酸度、土壤酸度 活性酸度：活性酸度： 土壤的活性酸度是土壤溶液中氢离子浓度的直接反映，又称为有效酸度，通常用pH表示。 潜性酸度：潜性酸度： 土壤潜性酸度的来源是土壤胶体吸附的可代换性H+和A13+。 根据测定土壤潜性酸度所用的提取液，可以把潜性酸度分为代换性酸度和水解酸度。 代换性酸度代换性酸度 水解性酸度水解性酸度 35第一章 土壤的组成与性质2 2、土壤碱度、土壤碱度 土壤溶液中OH离子的主要来源: CO32和H CO3的碱金属(Na、K)及碱土金属(Ca、Mg)的盐类。 碳酸盐碱度和重碳酸盐度的总和称为总碱度。 当土壤胶体上吸附的Na+、K+、Mg2+(主要是Na+)等离子的饱和度增加到一定程度时，会引起交换性阳离子的水解作用，结果在土壤溶液中产生NaOH，使土壤呈碱性。此时Na+离子饱和度亦称为土壤碱化度。36第一章 土壤的组成与性质3 3、土壤的缓冲性能、土壤的缓冲性能 土壤缓冲性能是指土壤具有缓和其酸碱度发生激烈变化的能力。 (1)(1)土壤溶液的缓冲作用：土壤溶液的缓冲作用： (2) (2)土壤胶体的缓冲作用：土壤胶体的缓冲作用： 一般土壤缓冲能力的大小顺序是：腐殖质土粘土砂土。五、土壤的氧化还原性五、土壤的氧化还原性 土壤中的主要氧化剂：氧气、NO3离子和高价金属离子； 土壤中的主要还原剂：有机质和低价金属离子。 土壤中植物的根系和土壤生物也是土壤发生氧化还原反应的重要参与者。 37第一章 土壤的组成与性质38第一章 土壤的组成与性质六、土壤环境容量六、土壤环境容量 将土壤所允许承纳污染物质的最大数量称为土壤环境容量; 或不使土壤生态系统的结构和功能受到损害的条件下，土壤中所能承纳污染物的最大数量。 明确污染物对土壤生态系统的结构和功能的影响，以及系统结构相功能方面的要求来确定土壤环境容量。 土壤临界容量是确定土壤环境容量的一个很重要的因素，决定土壤的容纳能力。 3940第一章 土壤的组成与性质土壤环境容量的确定土壤环境容量的确定 土壤静容量土壤静容量 从静止的观点度量土壤的容纳能力，由下式表示， C Cs s = M = M（C Ci i-C-CB1B1） 式中，M表示每亩耕地土壤重，kg；Ci为i元素的土壤临界含量，mg/kg；CBi为i元素的土壤背景值，mg/kg。 现存容量：现存容量： C CSPSP = M = M（C Ci i-C-CB1B1- C- CP P） CP是土壤中人为污染而增加的量。 41第一章 土壤的组成与性质 土壤环境容量粗略估计公式： Q =Q =（C CX X - B - B） 150 150 式中，Q为土壤环境容量，g/亩；CX为土壤环境标准值，mg/kg；B为区域土壤背景值，mg/kg。2 2、土壤动容量、土壤动容量 若假定年输入量为Q，年输出量为Q，并且Q大于Q。 则： 残留量残留量为Q-Q。 42第一章 土壤的组成与性质 残留量(Q- Q)与输入量Q之比，称之为累积率累积率(K)。 若计算几年内土壤污染物累积总量AT(含当年转入量)，则： A AT T=Q+QK+QK=Q+QK+QK2 2+ + QKQKn n 而n年内的污染物残留总量RT(不含当年输入量)则为： R RT T = QK+QK = QK+QK2 2+ + QKQKn n 污染累积总量AT和残留总量RT 均为等比级数之和，等比系数为K。 43第一章 土壤的组成与性质 当年限n足够长时QKn趋于零，且AT达到最大极限值。等比有限累积规律： 其数学模式： A A T T = K = K（B+QB+Q） AT：污染物在土壤中的年累积量，mg/kg； K ：土壤污染物年残留率(%)，即残留量与输入量的比率； B ：污染物的区域土壤背景值，mg/kg； Q ：土壤污染物的年输入量，mg/kg。 44第二章第二章 污染物在土壤中的迁移及其机制污染物在土壤中的迁移及其机制 土壤污染源和污染物土壤污染源和污染物 污染源：污染源：(1) 化肥和农药残留；(2) 废物(废渣、污水和垃圾等)的处理场所；(3) 大气或水体中的污染物质的迁移、转化，进入土壤，使土壤随之亦遭受污染；(4)在自然界中某些元素的富集中心或矿床周围，形成自然扩散晕，使附近土壤中的元素的含量超出一般土壤的含量范围。 45第二章第二章 污染物在土壤中的迁移及其机制污染物在土壤中的迁移及其机制污染物种类：污染物种类：(1)有机物质 化学农药的种类繁多，主要为有机氯和有机磷两大类；(2)氮类和磷类化学肥料；(3)重金属，如砷、镉、汞、铬、铜、锌、铅等；(4)放射性，元素如铯、锶等；(5)有害微生物类，如肠细菌、炭疽杆菌、破伤风杆菌、肠寄生虫(蠕虫)、霍乱弧菌、结核杆菌等。 土壤中有机物分解产生CO2、CH4、H2S、H2、NH3和N2等气体(其中CO2和CH4是主要的) 。 46第二章第二章 污染物在土壤中的迁移及其机制污染物在土壤中的迁移及其机制污染物在土壤污染物在土壤- -植物体系中的迁移植物体系中的迁移 土壤中污染物主要是通过植物根系根毛细胞的作用积累于植物茎、叶和果实部分。1 1、污染物由土壤向植物体内迁移的方式、污染物由土壤向植物体内迁移的方式 被动转移 主动转移2 2、影响重金属在土壤、影响重金属在土壤- -植物体系中转移的因素植物体系中转移的因素 土壤中重金属向植物体内转移的过程与重金属的种类、价态、存在形式以及土壤和植物的种类、特性有关 。(1)(1)植物种类植物种类47第二章第二章 污染物在土壤中的迁移及其机制污染物在土壤中的迁移及其机制(2)(2)土壤种类土壤种类 土壤的酸碱性和腐殖质的含量都可能影响重金属向植物体内的转移能力。 如：在冲积土壤、腐殖质火山灰土壤中加入Cu、Zn、Cd、Hg、Pb等元素后，观察对水稻生长的影响。 Cd造成水稻严重的生育障碍；而Pb几乎无影响。在冲积土壤中，其障碍大小顺序为：CdZnCuHgPb； 在腐殖质火山灰土壤中则为Cd HgZnCuPb， (3)(3)重金属形态重金属形态 (4)(4)重金属在植物体内的迁移能力重金属在植物体内的迁移能力48第二章第二章 污染物在土壤中的迁移及其机制污染物在土壤中的迁移及其机制植物对重金属污染产生耐性的机制植物对重金属污染产生耐性的机制 植物对重金属污染产生耐性由植物的生态学特性、遗传学特性和重金属的物理化学性质等因素所决定。 不同种类的植物对重金属污染的耐性不同； 同种植物由于其分布和生长的环境各异； 长期受不同环境条件的影响，在植物的生态适应过程中，可能表现出对某种重金属有明显的忍耐性。土壤中的农药污染物土壤中的农药污染物 目前，世界范围年产农药约200多万吨，种类数达1500之多(大量生产又广泛应用的约有300种)。49第二章第二章 污染物在土壤中的迁移及其机制污染物在土壤中的迁移及其机制 50第二章第二章 污染物在土壤中的迁移及其机制污染物在土壤中的迁移及其机制农药在土壤中的环境行为农药在土壤中的环境行为 控制农药环境行为的主要因素：即吸附、迁移和降解。吸附吸附（1）农药的分子结构、电荷特性和水溶能力是影响吸附的主要因素。（2）对于土壤性质，影响吸附的主要因素是粘土矿物和有机质的含量、组成特征以及铝、硅氧化物和它们水合物的含量。（3）介质条件和土壤溶液的pH值是影响吸附的最重要因素。土壤吸附农药的机理，简略如下四种： 异性电荷相吸异性电荷相吸 非专一的物理性键合非专一的物理性键合 氢键力氢键力 配位键配位键 51第二章第二章 污染物在土壤中的迁移及其机制污染物在土壤中的迁移及其机制迁移迁移降解降解 微生物、非脊椎动物、植物代谢降解 水解、氧化还原等化学降解作用、光解残留性和危害性残留性和危害性 农药污染土壤的程度可用残留性表示。土壤中农药进人各类生物体内的途径：土壤陆生植物食草动物；土壤土壤中无脊椎动物脊惟动物食肉动物土壤水中浮游生物鱼和水生生物食鱼动物