土壤環(huán)境化學簡化版公開課課件

土壤環(huán)境化學Soilenvironmentalchemistry1主要內(nèi)容土壤的組成、結(jié)構(gòu)和性質(zhì)

土壤污染:農(nóng)藥與重金屬污染土壤的形成及環(huán)境意義土壤的結(jié)構(gòu)和組成2土壤的形成及其環(huán)境意義

生態(tài)系統(tǒng)的重要組成之一—巖石圈，由巖石和土壤組成。在地球表面約1.5億km2的陸地中，農(nóng)耕田、草地和林田分別占9％、21％和27％。這些陸地是巖石圈的主要組成部分。在土壤中有機物和無機物、生命體和非生命體共存，而且不斷進行著化學的、物理的、生物的、地質(zhì)的多種多樣的運動和變化。從環(huán)境角度考慮，土壤既為人類提供豐富的物質(zhì)資源，又是人類排放各種廢物的場所，土壤污染亦是當前人類面臨的重要環(huán)境問題之一。3（2）化學風化過程：初始風化后的巖石，還將經(jīng)受長期的化學風化過程，其中涉及多種化學反應。例如：①水解和水合反應：

2Fe2O3（氧化鐵）+3H2O2Fe2O3·3H2O(褐鐵礦)KAlSi3O8(正長石)+H2OHAlSi3O8+K++OH－②氧化反應：

12MgFeSiO4(橄欖石)+8H2O+O24H4Mg3Si2O9（蛇紋石）+4SiO2（石英）+6Fe2O3③酸溶反應：

CaCO3+CO2+H2OCa(HCO3)2CaAl2Si2O8（鈣長石）+2H+H2Al2Si2O8（高嶺土）+Ca2+5長期化學風化后的巖石進一步分解而形成早期的土壤，風化后釋放的K+、Ca2+等離子成為可被植物吸收的成分（為進一步的生物風化提供營養(yǎng)物質(zhì)），F(xiàn)e2O3·3H2O等則成為新的礦物。早期土壤的形成為陸生植物的生長提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。

（3）生物風化作用：生物作用是形成現(xiàn)代土壤的三要素之一。植物的根部運動增進了水和空氣與土壤的接觸，促進了土壤的物理風化；同時植物生長產(chǎn)生的大量腐葉和枯枝（以及動物殘?。?，在腐爛過程中析出有機酸侵蝕巖石，使早期土壤不斷得到化學風化。在微生物作用下還會分解產(chǎn)生腐殖質(zhì)，與礦物質(zhì)的絡合作用，也促進了土壤的化學風化。久而久之，逐步形成了人類文明賴以生存的基本條件之一—現(xiàn)代土壤。6土壤是獨立的歷史自然體，有著自身的生成發(fā)展過程。但在其發(fā)展過程中，又受到人類勞動深刻的影響，所以土壤是生物、氣候、母巖、地形、時間和人類生產(chǎn)活動等成土因素綜合作用下的產(chǎn)物。由于成土因素綜合作用的不同，產(chǎn)生出多種類型的土壤。各種土壤形成過程的實質(zhì)是地球表面物質(zhì)的地質(zhì)大循環(huán)與生物小循環(huán)的對立統(tǒng)一。7（3）保存水資源：土壤是大氣和地下水的緩沖地區(qū)。土壤粒隙中儲存的大量降水不會過快蒸發(fā)，它們或通過徑流徐徐流向河流、湖泊，或滲入地下水體保存。水流中的雜質(zhì)經(jīng)土壤過濾、吸附及微生物降解等作用，可得到較純凈的水。（4）防止災害：由于土壤蓄水量大，可防止洪水發(fā)生。土壤植物又可防止風雨侵蝕、水土流失或土壤沙漠化趨向，并兼有防風、消音等作用。（5）自凈能力：土壤對外來污染物有一定的自凈能力，因為土壤具有極大比表面和催化活性，兼以土壤中所含水、空氣、微生物等都能使污染物降解脫活，從而將這些污染物的降解產(chǎn)物納入天然循環(huán)軌道。9

土壤酸化、鹽堿化、土壤污染

土壤沙漠化（石漠化）陸地植被破壞水土流失全球范圍的土壤環(huán)境問題1011月2日凌晨,云南楚雄發(fā)生特大泥石流災害。據(jù)初步統(tǒng)計,此次泥石流已經(jīng)造成21人死亡,40余人失蹤11圖1土體構(gòu)型基本模式13土壤表層是有機質(zhì)層。根據(jù)有機質(zhì)的“熟化程度”，又可從中分出凋落物層（O）、泥炭層（H）和腐殖質(zhì)層（A）。表層之下是淋溶層（E），是指由于淋溶作用使物質(zhì)下移所經(jīng)過的土層，這一層也可稱過渡層。淀積層（B）是指物質(zhì)累積的層次。B層的性質(zhì)依土壤不同而有很大差別，由此又可區(qū)分為腐殖質(zhì)淀積層（Bh）、鐵鋁淀積層（Bs）、粘粒淀積層（Bt）等。再以下的母質(zhì)層（C）和母巖層（R）均不屬于土壤發(fā)生層，一般僅作為土壤剖面的重要成分列出。有機質(zhì)層（包括O、H、A層）的特點是含有機物量最多，具有最大生物活性，金屬離子或粘土粒子容易隨土壤中水分往下滲透。淀積層（B）的特點是含有機物和空氣量少，含無機物和水分量多。14土壤的化學組成

土壤是由固、液、氣三相物質(zhì)組成的疏松多孔體。固相物質(zhì)包括礦物質(zhì)、有機質(zhì)和土壤生物。在固相物質(zhì)之間，為形狀和大小不同的孔隙，孔隙中存在水分和空氣。自然界里的土壤不論其為農(nóng)地、草土甚至荒地，其基本物質(zhì)組成如下：15土壤三相物質(zhì)的比率因土壤種類而異，并且經(jīng)常變化著。

土壤中所含多量化學元素的豐度順序如下：O＞Si＞Al＞Fe＝C＝Ca＞K＞Na＞Mg＞Ti＞N＞S，這個次序與地殼組成大體一致，所不同的是由于土壤中集結(jié)了大量生物體，因此C、N、S的含量相對較高。從環(huán)境污染角度來看，土壤還是藏垢納污之處，內(nèi)中含有各種生物的殘體、排泄物、腐爛物；還含有來自大氣、水體及固體廢物中的各種污染物以及農(nóng)藥、肥料殘留物等。

17無機礦物質(zhì)

土壤中無機礦物質(zhì)，按其成因可分為原生礦物和次生礦物。凡在地殼中最先存在的、經(jīng)風化作用后仍無變化地遺留在土壤中的一類礦物，稱為原生礦物；而在土壤形成過程中，由原生礦物轉(zhuǎn)化形成的新礦物，統(tǒng)稱次生礦物。原生礦物的主要種類有：石英

（SiO2）、長石（KAlSi3O8）、云母[K(Si3Al)Al2O10(OH)2]、輝石[(Mg,Fe)SiO3]、閃石[(Mg,Fe)7(Si4O11)2(OH)2]、橄欖石[(Mg,Fe)2SiO4等。數(shù)量最多的石英和長石構(gòu)成土壤的砂粒骨架，而云母、輝石等礦物質(zhì)則為植物提供許多無機營養(yǎng)物質(zhì)。18次生礦物包括各種簡單鹽類（碳酸鹽、重碳酸鹽、硫酸鹽、鹵化物），游離硅酸、水合氧化物（R2O3·xH2O），如三水鋁石(Al2O3·3H2O)、水鋁石(Al2O3·H2O)、針鐵礦(Fe2O3·H2O)、褐鐵礦(2Fe2O3·3H2O)等，次生硅鋁酸鹽（如伊利石、蒙脫土、高嶺土等）。次生礦物中簡單鹽類屬水溶性鹽，易被淋失，一般土壤中含量較少。而水合氧化物和次生鋁硅酸鹽，是土壤礦物質(zhì)中最細小的部分，一般將它們（或單將后者）稱之為次生粘土礦物。土壤很多重要的物理、化學過程和性質(zhì)，都和土壤所含的粘土礦物，特別是次生鋁硅酸鹽的種類和數(shù)量有關(guān)。19綜合上述，土壤有機質(zhì)的構(gòu)成如下：

21土壤水分和土壤溶液地球表面全部土壤中含水量約2.4×1013m3，不及水圈含水總量的0.01％，這些水充當了土壤中所發(fā)生各種化學反應的介質(zhì)，對于巖石風化、土壤形成、植物生長有著決定性意義。由土壤水分和其中所含溶質(zhì)組成了土壤溶液。土壤溶液的形成是土壤三相成分間進行物質(zhì)和能量交換的結(jié)果。因此其組成非常復雜，常見的溶質(zhì)有：

無機膠體：鐵和鋁的氧化物等；無機鹽類：碳酸鹽、重碳酸鹽、硫酸鹽、氯化物、硝酸鹽、磷酸鹽等；有機化合物類：腐殖酸、有機酸、可溶性糖類、蛋白質(zhì)及衍生物等；絡合物類：如鐵和鋁的有機絡合物等；溶解性氣體類：如O2、CO2、N2等。22土壤空氣

土壤空氣也是土壤的重要組分之一。它對土壤微生物活動，營養(yǎng)物質(zhì)的轉(zhuǎn)化以及植物的生長發(fā)育都有重大的作用。因此，土壤空氣的狀況是決定土壤肥力的重要因素之一。土壤是多孔體系，土壤空氣存在于未被水分占據(jù)的土壤空隙中。這些氣體主要來源于大氣，其次是產(chǎn)生于土壤內(nèi)發(fā)生的化學和生物化學過程。土壤空氣的數(shù)量，通常以單位土體容積中空氣所占容積百分數(shù)來表示，稱為土壤含氣量。凡影響土壤孔性和含水量的因素，也都影響土壤的空氣含量。23土壤中的生物土壤中生活著一個生物群體，它們不但積極參與巖石的生物風化作用，并且是成土作用的主要因素。此外，土壤生物還能促進土壤中物質(zhì)和能量轉(zhuǎn)化，具有凈化土壤有機污染物和保持土壤肥力的作用。生物群體與其生活的土壤環(huán)境間構(gòu)成了生態(tài)系統(tǒng)，在系統(tǒng)中各種生物間有著復雜的食物鏈和食物網(wǎng)的關(guān)系，但生物群體的組成都處在相對穩(wěn)定的平衡狀態(tài)。按營養(yǎng)關(guān)系可將土壤中生物分為生產(chǎn)者、消費者和分解者，其中微生物和動物可按表一所示方式進行分類。25

表一土壤生物的種類和數(shù)量26土壤膠體的分散性和凝聚性

由于土壤膠體微粒帶負電荷，膠體粒子相互排斥，具有分散性，負電荷越多，負的電動電位越高，分散性越強；另一方面土壤溶液中含有陽離子，可以中和負電荷使膠體凝聚，同時由于膠體比表面能很大，為減少表面能，膠體也具有相互吸引、凝聚的趨勢。29（2）離子交換吸附土壤膠體擴散層中的補償離子，可以和溶液中相同電荷的離子以離子價為依據(jù)作等價交換，稱離子交換（或代換）作用，包括陽離子交換吸附和陰離子交換吸附。

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土壤膠體的陽離子交換吸附（可逆過程）

土壤膠體微粒帶負電荷，表面可吸附陽離子，可與土壤溶液中另一些陽離子發(fā)生交換。

31陽離子(電荷數(shù),離子半徑,水化程度)土壤（膠體,顆粒,SiO2/R2O3、pH等）不同土壤的陽離子交換量不同：不同種類的膠體的陽離子交換量順序有機膠體>蒙脫石>水化云母>高嶺土>水合氧化鐵、鋁土壤質(zhì)地越細，陽離子交換量越高；土壤膠體中SiO2/R2O3比值越大，陽離子交換量越高；pH值下降，陽離子交換量降低。影響陽離子交換吸附的因素32（3）土壤酸堿性土壤的酸堿性(Acidity-AlkalinityofSoil)是土壤在其形成過程中，受到各種成土因素的綜合作用所產(chǎn)生的重要屬性。研究土壤的酸、堿性對植物生長、土壤肥力、土壤污染和凈化都有重要影響。酸堿性用pH表示，我國土壤一般為4.5-8.5，少數(shù)高達10.5。土壤的pH值對土壤中植物養(yǎng)分有效性有明顯的影響，它既影響土壤溶液的離子組成，又影響土壤膠體上代換性離子的組成。此外，pH值影響微生物的分布和活動，對土壤有機物的分解，氮、硫等元素的轉(zhuǎn)化，關(guān)系十分密切。土壤酸堿度直接或間接影響污染物在土壤中的遷移轉(zhuǎn)化：(1)影響重金屬等離子的溶解度；(2)影響污染物氧化還原體系的電位；(3)影響土壤膠體對重金屬離子等的吸附。33（4）土壤氧化還原性土壤酸、堿性的變化（H+、OH-的產(chǎn)生）也會導致土壤氧化還原(OxidationandReductionofSoil)特性的變化，土壤氧化還原性能強烈影響存在于土壤中變價元素的轉(zhuǎn)化和遷移，存在形態(tài)是高價或低價，如N、P微生物轉(zhuǎn)化。土壤的養(yǎng)分狀況也受各種氧化還原反應的制約。影響N、P營養(yǎng)。Eh：用實際測得土壤電極電位的大小。旱地Eh：400~700mV水田Eh：-200~+300mV土壤中存在下列主要的氧化還原平衡體系：34

土壤污染

土壤污染

35主要內(nèi)容土壤污染源和污染物

土壤的自凈作用和污染防治方法

土壤中的農(nóng)藥污染物

土壤中的重金屬類污染物

36土壤污染源和污染物

土壤污染的發(fā)生特征主要是與土壤的特殊地位和功能相聯(lián)系的。其主要污染源有如下四個方面：①為了提高農(nóng)產(chǎn)品的數(shù)量和質(zhì)量，大量施用化肥和農(nóng)藥，它們的殘留物在土壤中累積起來；②土壤歷來就作為廢物（廢渣、污水和垃圾等）的處理場所，而使大量有機和無機污染物質(zhì)隨之進入土壤；③土壤是環(huán)境要素之一，因大氣或水體中的污染物質(zhì)的遷移、轉(zhuǎn)化，從而進入土壤，使土壤隨之亦遭受污染；④在自然界中某些元素的富集中心或礦床周圍，往往形成自然擴散暈，使附近土壤中這些元素的含量超出一般土壤的含量范圍。3738土壤中的污染物質(zhì)與大氣和水體中的污染物質(zhì)很多是相同的，其污染物主要種類有：①有機物質(zhì)，其中數(shù)量較大而又比較重要的是化學農(nóng)藥?；瘜W農(nóng)藥的種類繁多，主要分為有機氯和有機磷兩大類；②氮素和磷素化學肥料；③重金屬，如砷、鎘、汞、鉻、銅、鋅、鉛等；④放射性元素，如銫、鍶等；⑤有害微生物類，如腸細菌、炭疽桿菌、破傷風桿菌、霍亂弧菌、結(jié)核桿菌等。此外，土壤中有機物分解產(chǎn)生CO2、CH4、H2S、H2、NH3和N2等氣體（其中CO2和CH4是主要的），在某些條件下，這些氣態(tài)物質(zhì)也可能成為土壤的污染物。39

對土壤的化學污染物作歸納，主要有有機物、無機鹽類、重金屬類和農(nóng)藥。其中一般有機物容易在土壤中發(fā)生生物降解，無機鹽類易被植物吸收或淋溶流失，兩者在土壤中滯留時間較短。因此重金屬類和農(nóng)藥類化合物成為土壤的主要化學性污染物。重金屬中的汞、鎘、砷、鉛、鉻等進入土壤后可以被作物吸收積累，間接危害人畜健康，同時也可使土壤中野生動物受害或轉(zhuǎn)入水體危及魚類。至于不合理地施用化學農(nóng)藥，在目前已引起人們的高度重視。如歸屬于多氯聯(lián)苯（PCB）、多環(huán)芳烴（PAN）類的有機氯農(nóng)藥，由于化學性質(zhì)穩(wěn)定，不易為土壤微生物所降解，所以在土壤中殘留時間很長，被作物吸收后，再經(jīng)過各種生物之間轉(zhuǎn)移、濃縮和積累，可使農(nóng)藥的殘毒直接危害人體的健康。40土壤的自凈作用和污染防治方法自然界各種物質(zhì)組成之間都存在著物質(zhì)的循環(huán)和能量的交換，經(jīng)常處于一種相對的平衡狀態(tài)。如果污染物質(zhì)進入土壤中，就會使其物質(zhì)組成發(fā)生變化，并破壞物質(zhì)原有的平衡，造成土壤污染。但另一方面，當各種物質(zhì)進入土壤之后，土壤隨即顯示出自凈能力，也就是通過在土壤環(huán)境中發(fā)生物理、物理化學、化學和生物化學等一系列反應過程，促使污染物質(zhì)逐漸分解或消失。具體地說，土壤的自凈能力主要來自于土壤顆粒物層對污染物有過濾、吸附等作用，土壤微生物有強大生物降解的能力，土壤本身對酸堿度改變具有相當緩沖能力以及大量的土壤膠體表面能降低反應的活化能，成為很多污染物轉(zhuǎn)化反應的良好催化劑。此外，土壤空氣中的氧可作為氧化劑，土壤水分可作為溶劑，這些也都是土壤的自凈因素。41在通常的情況下，土壤的凈化能力決定于土壤的物質(zhì)組成和土壤環(huán)境其他特性，也和污染物的種類和性質(zhì)有關(guān)。不同土壤的凈化能力不同，同一土壤對不同污染物質(zhì)的凈化能力也是不同的，同時土壤的凈化速度是比較緩慢的。42在對土壤污染問題有了較深刻的認識之后，人們對土壤本身污染的治理也作出了很多努力，除制訂相應政策法令以降低土壤遭受污染的可能和程度外，還提出了以下一些常用的方法：（1）沉降法：將取自于天然水體（如河水）的灌溉用水，先引入一沉降池，以除去水中吸附了有害物質(zhì)的顆粒物。（2）稀釋法：將污染灌溉水以清凈的水稀釋到無害程度的方法。對酸性強的灌溉用河水同時使用稀釋法和加藥劑的方法可收到更好的效果。（3）鋪墊客土的方法：對受污染的本土在其上層鋪墊一層非污染客土的方法。

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（4）排土法

：將污染土層移去，用作敷設道路路基、建筑物地基等的方法。（5）混層法和倒轉(zhuǎn)層法：將表層污染土與下層清潔土經(jīng)翻耕后兩相混合的方法。使用這種方法實際上是對污染土起了摻稀的作用。在表土污染程度較高的情況下，甚至可采用倒轉(zhuǎn)層法，即將上下土層易位的方法。（6）土壤改良法：主要是用化學類方法。例如向土壤投加石灰、磷酸鹽、硅酸鹽等化學物質(zhì)，或采用微生物修復工程對污染土壤進行修復，以達到改性土壤的目的。44農(nóng)藥污染物分類

農(nóng)藥在土壤中的環(huán)境行為

土壤中的農(nóng)藥污染物4546農(nóng)藥污染物分類

人們在20世紀30年代先后發(fā)現(xiàn)2，4-D（2，4-二氯苯氧乙酸）具有清除雜草的能力、DDT（雙對氯苯基三氯乙烷）具有殺蟲的功效，從此開始了農(nóng)藥使用的時代。有關(guān)專家指出，世界糧食產(chǎn)量之半被各類病蟲害糟蹋在農(nóng)田或糧庫里。人們生產(chǎn)各種農(nóng)藥就是為了將其用于控制土壤中有害生物種群，以保護莊稼作物。目前，世界范圍年產(chǎn)農(nóng)藥約200多萬噸，達500種之多（大量生產(chǎn)又廣泛應用的約有50種）。目前，累計已有數(shù)千萬噸農(nóng)藥散入環(huán)境，大部分進入土壤。47廣義地說，農(nóng)藥包括殺蟲劑、殺菌劑、除草劑以及其他如殺螨劑、殺鼠劑、引誘劑、忌避劑、植物生長調(diào)節(jié)劑和配制農(nóng)藥的助劑等。施用農(nóng)藥確實能對農(nóng)作物的增產(chǎn)增收起重要作用。但也應看到世界范圍內(nèi)連年大量使用農(nóng)藥，會引起許多不良后果，如藥效隨害蟲抗藥性不斷增強而相對降低；施用農(nóng)藥對抑制害蟲的天敵也有毒殺作用，從而破壞了農(nóng)業(yè)生態(tài)平衡。更為重要的是由施用農(nóng)藥而引起環(huán)境污染，并通過食物鏈使農(nóng)作物或食品中的殘毒引入人體，危及人體健康。48我國目前生產(chǎn)的農(nóng)藥品種有百種以上，新的品種每年都在增加，根據(jù)農(nóng)藥的成分及用途，可分成以下幾類：49