素材---土壤重金属污染.doc

土壤重金属污染土壤重金属污染 土壤重金属是指由于人类活动将金属加入到土壤中 致使土壤中重金属明显高于 原生含量 并造成生态环境质量恶化的现象 重金属是指比重等于或大于 5 0 的金属 如 Fe Mn Zn Cd Hg Ni Co 等 As 是一种准金属 但由于其化学性质和环境行为 与重金属多有相似之处 故在讨论重金属时往往包括砷 有的则直接将其包括在重金 属范围内 由于土壤中铁和锰含量较高 因而一般认为它们不是土壤污染元素 但在 强还原条件下 铁和锰所引起的毒害亦引起足够的重视 土壤一旦遭受重金属污染就很难恢复 因而应特别关注 Cd Hg Cr Pb Ni Zn Cu 等对土壤的污染 这些元素在过量情况下有较大的生物 毒性 并可通过食物链对人体健康带来威胁 1 1 重金属的土壤化学行为 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反应和物理与生物过程所控制 虽然不同重金属之间某些化学行为有相似之处 但它们并不存在完全的一致性 当它 们加入土壤后 最初的可动性将在很大程度上依赖添加重金属的形态 也就是说这将 依赖于金属的来源 在消化泥污中 与有机质相缔合的金属占有相当大的比例 仅有 一小部分以硫化物 磷酸盐和氧化物而存在 熔炼厂的颗粒排放物含有金属氧化物 燃烧石油时 铅以溴代氯化物形式排出 但在大气和土壤中容易转化为硫酸铅和含氧 硫酸铅 由于形态的不同 进入土壤中的金属离子的形态和量也很不相同 并直接影 响重金属在土体的迁移 转化及植物效应 在不同土壤条件下 包括土壤的重金属类型 土地利用方式 水田 旱地 果园 林地 草场等 土壤的物理化学性状 土壤的酸碱度 氧化还原条件 吸附作用 络合作用等 的影响 都能引起土壤中重金属元素存在形态的差异 从而影响重金属 的转化和作物对重金属的吸收 1 土壤氧化 还原条件与重金属的迁移转化 土壤是一个氧化 还原体系 土壤水 分状况 土壤中有机质和硫的含量都处于动态变化之中 土壤中的氧化还原体系是一 个由众多无机的和有机的单质氧化 还原体系组成的复杂体系 在无机体系中 重要的 有氧体系 铁体系 硫体系和氢体系等 由起主导作用的决定电位体系控制 其中 O2 H2O 体系和硫体系在土壤氧化还原反应中作用明显 对重金属元素价态变化起重要 作用 1 O2 H2O 体系 土壤中的氧主要来源于大气 降水和灌溉水也可带进以部分溶 解氧 在水稻田中 稻根分泌的氧以及某些藻类光合作用放出的氧气也是来源之一 2 H2体系 在旱地土壤中氢气是很少的 但在淹水状态下的强烈还原状态的土 层中 往往有 H2的积累 O2 H2O 体系和 H2体系是组成土壤氧化 还原体系的两个极端体系 土壤中其它的 氧化 还原体系则介于两者之间 因此 这两个体系就构成了土壤氧化 还原电位的上 限和下限 3 硫体系 土壤中的硫以无机和有机两种形态存在 其含量一般在 0 05 在氧 化条件下以硫酸盐的形式存在 在还原条件下以硫化氢或金属硫化物形式存在 金属元素按其性质一般可以大致分为难溶性 氧化固定 元素和还原难溶性 还 原固定 元素 例如 铁 锰等属于前者 镉 铜 锌 铬则属于后者 氧化 还原作 用不仅会使重金属元素还发生价态变化 而且还会使重金属元素的形态发生变化 例 如 在氧化还原电位低时 100mv 左右 砷酸铁可还原成亚铁形态 电位进一步降低 以致使砷还原为亚砷酸盐 增强砷的移动性 相反 土壤中铁 铝组分的增加 又可 能使水溶性砷转化为不溶态砷 2 土壤酸碱度与重金属迁移转化 土壤的 pH 对重金属的溶解度有密切关系 在 碱性条件下 进入土壤的重金属多呈难溶态的氢氧化物 也可能以碳酸盐和磷酸盐的 形态存在 它们的溶解度都比较小 因此土壤溶液中重金属的离子浓度也较低 例如 铜 镉 锌 铅等重金属氢氧化物的溶解度直接受土壤 pH 值控制 根据溶度积便能从理论上推求重金属离子浓度与 pH 的关系 随着 pH 值增大 重 金属离子的浓度则下降 但对于两性化合物氢氧化铜和氢氧化锌来说 pH 值高到一定 程度时 它们又会溶解 3 土壤胶体的吸附作用与重金属迁移转化 土壤中含有丰富的无机和有机胶体 对进入土壤中的重金属元素具有明显的固定作用 一般地讲 在土壤重金属元素呈两 种存在形式 1 重金属元素在土壤溶液中呈胶体状态 这主要发生在湿润气候地区和富含有 机质的酸性条件下 如铁 锰 铬 钛 钒 砷等元素可呈胶体形式存在 铜 铅 锌等也部分呈胶体形态迁移 2 土壤中存在的有机和无机胶体对金属离子的吸附固定 它是许多金属离子和 分子从不饱和溶液中转入固相的主要途径 是重金属在土壤积累而被污染的重要原因 土壤胶体能吸附重金属的数量 主要取决于土壤胶体的代换能力和重金属离子在 土壤溶液中的浓度与酸碱度 在胶体对金属离子吸附时 金属离子可以由同晶替代作用吸附在晶格中 作为吸 着离子 这种金属离子保持在胶体晶格中 则很难释放 总之 重金属元素被胶体的吸附固定 可分为两种方式 如金属元素吸附在胶体 表面的交换点上 则较易释放 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 螯合作用 重金属元素在土壤中除了吸附作用以外 还 存在着络合 螯合作用 一般认为 当金属离子浓度高时 以吸附交换作用为主 而 土壤溶液中重金属离子浓度低时 则以络合 螯合作用为主 在无机配位体中 人们比较多地重视金属与羟基和氯离子的络合作用 认为这两 者是影响一些重金属难溶盐类溶解度的重要因素 羟基离子对重金属的络合作用实际上是重金属离子的水解反应 重金属在较低的 pH 值条件下可以水解 汞 镉 铅 锌等离子的水解作用表明 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 氯络合重金属离子的形式只会出现在含盐土壤中氯离子浓度较高时 一般土壤中 氯离子浓度很低时 则不会形成重金属离子的氯络合物 土壤中腐殖质具有很强的螯合能力 具有与金属离子牢固螯合的配位体 如氨基 亚氨基 酮基 羟基及硫醚等基团 土壤中螯合物的稳定性受金属离子性质的影响 在金属离子与螯合基以离子键结合时 中心离子的离势越大 越有利于配位化合物的 形成 5 土壤微生物对重金属的固定和活化 土壤中微生物的种类和数量都是相当大的 它在重金属的归宿中也起着不可忽视 的作用 有实验表明 镉与微生物体或它们的代谢产物络合能固定镉 并影响它们的 生物有效性 有些微生物还通过生物转化作用或生理代谢活动使金属由高毒状态变为 低毒状态 关于微生物对土壤重金属离子的影响主要可归纳为以下几方面 1 胞外络合作用 一些微生物能够产生胞外聚合物如多糖 糖蛋白 脂多糖等 具有大量的阴离子 基团 与金属离子结合 某些微生物产生的代谢产物 如柠檬酸是一种有效的金属螯 合剂 草酸则与金属形成不溶性草酸盐沉淀 2 胞外沉淀作用 在厌氧条件下 硫酸盐还原菌及其它微生物产生的硫化氢与金属离子作用 形成 不溶性的硫化物沉淀 3 金属的微生物转化 微生物能够通过氧化 还原 甲基化和去甲基化作用转化重金属 大量的研究表 明 微生物对重金属的抗性在很多情况下是由细胞中染色体的遗传物质 质粒或转座 子抗性基因决定的 由抗性基因编码的金属解毒酶催化高毒性金属转化成为低毒状态 细菌 放线菌及某些真菌可以把汞离子还原成单质汞 从而使汞从土壤中挥发出去或 以沉淀方式存在 有机汞化合物首先被有机汞裂解酶分解为 Hg 和相应的有机基团 离 子汞随后被还原成单质汞 汞及其它金属诸如铅 硒 砷等能被微生物甲基化 硒的 甲基化产物毒性降低 但汞的甲基化产物则是剧毒的 六价铬能被细菌还原成为三价 铬 高毒的 As 能被微生物氧化成为 As5 更易于被 Fe3 沉淀 6 土壤根际的富集和降毒 根际微区是一个只有 0 1 4mm 左右的区域 在该区域中 由于植物根系的存在 从而在物理 化学 生物特征方面有异于土体的现象 显着影响重金属在土壤中的活 性和生物有效性 1 根际氧化还原屏障形成 许多重金属元素的溶解度是由氧化还原状态来决定的 还原态铁 锰离子比其氧 化态离子的溶解度高 因此 当生长在还原性基质上的植物根际产生氧化态微环境时 土体中还原态离子穿越这一氧化区到达根表时 游离金属离子的活度由于被氧化成溶 解度很低的氧化态而明显下降 从而降低了其毒害能力 反之 生长在氧化性基质上 的植株根际由于根系和根际微生物呼吸耗氧 根系分泌物中含有还原性物质 土壤的 还原条件将会影响变价金属元素的活性和有效性 如六价铬的还原去除 微生物的固 定等 有研究表明 细菌细胞壁和原生质膜阴离子能结合溶液中的镉 但在好氧条件 下又会释放回溶液中 在还原条件下则不发生镉的迁移 2 根际 pH 屏障形成 植物可能通过形成根际屏障来限制重金属进入原生质 重金属的溶解度依赖于 pH 值的变化 当 pH 升高时 形成水解产物 pH 降低时 溶解度又增加 因此植物维持相 对中性的根际 pH 能有效的降低重金属离子的浓度 改变有害金属在土壤溶液中的形态 3 根系分泌物的络合作用 有许多实验表明 重金属威迫下会导致根系分泌物大量释放 可溶性分泌物 如 单糖 有机酸 氨基酸等以活化元素的作用突出 它们或通过改变根际 pH 值和氧化还 原状况 或通过螯合作用和还原作用来增加元素的溶解性和移动性 不溶性化合物 如多糖 脱落的细胞组织 挥发性化合物等则在抵御重金属的毒害中起着重要的作用 实验表明 根系分泌物是非常重要的配位体 铝威迫环境下 根系分泌大量柠檬 酸 可能就是一种生物解毒机理 有学者指出 铝与柠檬酸的螯合物能降低铝在膜脂 上结合和进入人工脂质囊泡的能力 此外 络合物的形成也直接制约着重金属在土壤 中的化学行为 有研究指出 pH蒙脱石 高岭石 对醋酸汞的吸 附顺序是蒙脱石 水铝英石 高岭石 PH 值等于 7 时 无机胶体对汞的吸附量最大 而 研究胶体在 pH 值较低时 就能达到最大的吸附量 非离子态汞也可被胶体吸附 此外 当土壤溶液含很少的氯化亚汞 氯化汞和不溶性硫化汞时 如果溶液中含有大量的氯 离子 就会生成的 HgCl42 即可大大提高汞的迁移能力 在酸性土壤中有机质以富里 酸为主 它与汞络合和吸附时 也可以成溶解状态迁移 2 氧化 含有状态 无机汞 Hg Hg2 HgS 之间在微生物作用下可以相互转化 在氧化环境 Hg 在 抗汞细菌的参与下可以被氧化成 Hg2 土壤溶液中存在一定的 S2 时 就可能生成 HgS HgS 在嫌气条件下是稳定的 但存在大量 S2 时 则会生成一种可溶性的 HgS22 存在于溶液中 在氧化环境某些特殊生物酶的作用下 HgS 也可转化成 Hg2 另外 无机汞和有机汞也可相互转化 在嫌气或好气条件下均可以通过生物或者 化学合成途径合成甲基汞 一般在碱性和有机氮存在的情况下有利于合成二甲基汞 在酸性介质中二甲基汞不稳定 易分解成甲基汞 3 植物对汞的吸收与土壤中汞含量关系 试验证明 水稻生长的 米汞 和 土汞 之间生物吸收富集系数为 0 01 土壤中汞及其化合物可以通过离子交换与植 物的根蛋白进行结合 发生凝固反应 汞在作物不同部位的累积顺序为 根 叶 茎 种 子 不同作物对汞的吸收和积累能力是不同的 在粮食作物中的顺序为 水稻 玉米 高粱 小麦 不同土壤中汞的最大允许量是有差别的 如酸性土壤为 0 5ppm 石灰性土 壤为 1 5ppm 如果土壤中的汞超过此值 就可能生产出对人体有毒的 汞米 3 砷的迁移转化 土壤中砷的形态可分为水溶性砷 交换性砷和难溶性砷 其中 水溶性砷约占总砷的 5 10 大部分是交换态及难溶性砷 自然界砷的化合物 大多数以砷酸盐的形态存在于土壤中 如砷酸钙 砷酸铝 亚砷酸钠等 砷有三价和五价 而且可在土壤中相互转化 由于污染而进入土壤中砷 一般都在表层积累 难于向下移动 除碱金属与砷反 应生产的亚砷酸盐如亚砷酸钠溶解度较大 易于迁移外 其余的亚砷酸盐类溶解度均 较小 限制了砷在溶液中的迁移 土壤中的砷大部分为胶体所吸附 或与有机物络合螯合 或与土壤中的铁 铝 钙等结合形成难溶性化合物 或与铁 铝等氢氧化物形成共沉淀 土壤中的粘土矿物 胶体不同类型对砷的吸附量明显不同 一般是蒙脱石 高岭石 白云石 吸附于粘粒表面的交换性砷 可被植物吸收 而难溶性砷化物很难为作物吸收 并积累在土壤中 增加这部分砷的比例可减轻砷对作物的毒害 并可提高土壤的净化 能力 土壤中各种形态的砷可以发生转化 例如 在旱田土壤中 大部分以砷酸根状态 存在 当土壤处于淹水条件时 随着氧化 还原电位的降低 则还原成亚砷酸 一般认 为亚砷酸盐对作物的危害性比砷酸盐类高 3 倍以上 为了有效地防止砷的污染及危害 提高土壤氧化 还原电位值的措施以减少低价砷酸盐的形成 降低其活性是非常必要的 3 3 重金属的生物效应 重金属的生物效应 重金属元素一方面由于化学性质不甚活泼 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 因此重金属无论是生物必需与否 在土壤中含量超过其容量水平都会引起生物毒性 有学者通过镉对砖红壤微生物的影 响研究 指出镉与微生物的显着相关性 且水田与旱地土壤不同 水田土壤中的细菌 数量与土壤添加镉浓度呈显着至极显着的负相关 而旱地土壤则以真菌数量与其呈显 着的负相关 也有学者则指出重金属对微生物的影响不仅仅表现在降低微生物的种群 密度上 它还能引起细菌群体丧失部分降解能力 重金属对植物的毒性研究则相当多 一般认为 作物受害程度和体内重金属含量 并不与土壤中该元素总浓度相关 而与该元素在土壤中某种形态的含量相关性甚佳 我们通常称之为有效态 进入植物体的重金属离子可以与有机组分生成稳定性不同的 配位化合物 二价重金属配位化合物的稳定性为 Cu Ni Co Zn Mn 稳定性大的金属 有机物大部分被富集 浓缩于根部 向上部输送困难 稳定性小的则反之 如日本学 者在水稻水培试验中发现 水溶液中的铜浓度为 0 3mg L 时 稻根内铜浓度达 300mg kg 浓缩了 1000 倍 而茎叶和穗部铜浓度则大大低于根部 而水溶液中锰浓度 为 32mg L 时 根部锰浓度为 200mg kg 只浓缩了 7 倍 但地上部分锰浓度却超过了根 内浓度 造成这两种离子在根内浓缩率差异悬殊的原因 在于根内外游离态铜离子浓 度差远大于锰的缘故 因而 重金属对有机物的这种络合稳定性也一定程度上反映了重金属对植物的毒 性大小 关于重金属对植物的毒性影响随不同重金属种类 不同栽培条件以及不同作 物等因子的不同而有显着的变化 但概括起来 也无外乎以下几方面的影响 1 对种子萌发的影响 试验表明 水中六价铬浓度大于 0 1mg L 时 就开始抑制水稻种子的萌芽 在 1mg L 以上 对小麦种子萌发也有不利影响 2 对生理生化过程的影响 日本发现 大豆对土壤镉很敏感 土壤镉 5ppm 以上即可发生新稍黄化现象 土壤 镉含量更高时可出现茎端停止生长 萎缩 叶脉和叶柄组织出现紫褐色 3 对作物产量的影响 有试验表明 投加铬 时 浓度在 50mg L 以下水稻就明显地受到了影响 铬 对小麦的影响比水稻还大 即投加铬 在 10mg L 时 小麦就明显受影响 籽粒减产 28 6 统计表明 小麦水稻产量都与土壤投加浓度呈负相关 以上我们讨论的都是重金属对靶生物 微生物和植物的毒害作用 但重金属的污 染效应并不仅仅局限于此 影响更大 作用更广的也许还是重金属的过量残留问题 后者将导致对动物或人的毒性 如镉的污染效应主要取决于农作物残留对动物和人的 健康的考虑 日本规定糙米中镉不得超过 0 4mg L 否则不得出售 而糙米含 1mg kg 时 称为 镉米 长期食用镉污染 大于 1mg kg 的 镉米 就会患骨痛病 轻则 也会引起高血压 钠阻留 以及酶系统 生育力受影响 一 控制和消除土壤污染源一 控制和消除土壤污染源 控制和消除土壤污染源 是防止污染的根本措施 即控制进入土壤中的污 染物的数量和速度 使其在土体中缓慢的自然降解 不致迅速大量地进入土壤 引起土壤污染 1 控制和消除工业 三废 排放 控制和消除工业 三废 的排放 必须大力推广闭路循环 无毒工艺 以 减少或消除污染物 对工业 三废 要进行回收处理 化害为利 当前必须排 放的 三废 也要进行处理净化 控制污染物排放的数量和浓度 使之符合排 放标准 近来强令关闭一些污染严重的小造纸厂 小化肥厂和小炼油厂 为治 理江河污染进行全国性统一行动 收到了较好的效果 2 加强灌区的监测和管理 灌区要加强监测 经常了解污染物的成分 含量及动态 控制污水灌溉量 避免滥用污水灌溉引起土壤污染 3 合理使用农药与化肥 对残留量高 毒性大的农药 应控制使用范围 使用量和使用次数 大力 试制和发展高效 低毒和低残留的农药新品种 探索和推广生物防治作物病虫 害的途径 尽可能减少有毒农药的使用 对本身含有有毒物质的化肥品种 使用范围和数量要严控 对硝酸盐和磷 酸盐类化肥 要合理施肥 经济用肥 避免过多而造成土壤污染 二 防治土壤污染的措施二 防治土壤污染的措施 1 生物防治 土壤污染物可以通过生物降解或吸收而净化土壤 研究分离和培育新的微 生物品种 以增强生物降解作用 这是提高土壤净化能力的重要措施之一 美 国分离出能降解三氯丙酸或三氯丁酸的小球状反硝化菌种 意大利从土壤中分 离出的某些菌种 可抽取出酶复合体 能降解 2 4 D 除草剂 日本研究出土壤 中红酵母和蛇皮藓菌 能降解剧毒性聚氯联苯达 40 和 30 此外 某些鼠类 和蚯蚓对一些农药也有降解作用 羊齿类铁角蕨属的一种植物 有较强的吸收 土壤中重金属的能力 对土壤中镉的吸收率可达 10 连种多年 可降低土壤 含镉量 应用微生物和其它生物降解各种污染物的处理技术尚需进一步探索 2 施加抑制剂 轻度污染的土壤施加某些抑制剂 可改变污染物在土壤中的迁移转化方向 促进某些有毒物质的移动 淋洗或转化为难溶物质而减少作物吸收 常用的控 制剂有石灰 碱性磷酸盐等 施用石灰可提高土壤 pH 值 使镉 铜 锌和汞等形成氢氧化物沉淀 施用 石灰石 稻谷含镉量可降低 30 左右 氢氧化镉的 pH 值在 10 以上才能完全沉 淀 pH 值大于 6 5 时汞就能形成氢氧化物和磷酸盐沉淀 而钙离子能防止汞离 子争夺植物根表面的代换位置 使植物吸收汞明显减少 因此 施用石灰还可 以使作物降低对放射性物质的吸收达 70 80 碱性磷酸盐可与土壤中的镉作用生成磷酸镉沉淀 在不能引起硫化镉沉淀 的弱还原条件下 磷酸镉的形成对清除镉污染具有重要意义 3 控制氧化还原条件 水稻田的氧化还原状况 可控制水稻田中重金属的迁移转化 水稻田在还 原条件下产生 S2 与 Cd2 形成难溶解的 CdS 沉淀 故灌水可抑 降低 镉可溶入土壤转化为植物易吸收的形态 而促进了对镉的吸收 铜 锌 铅等重金属元素均能与土壤中的 H2S 产生硫化物沉淀 都可进行上述反应 变化 因此 加强稻田的水灌管理 可有效地减少重金属的危害 4 增施有机肥 改良砂性土壤 有机胶体和粘土矿物对土壤中重金属和农药有一定的吸附力 因此 增加 土壤有机质 改良砂性土壤 能促进土壤对有毒物质的吸附作用 是增加土壤 容量 提高土壤自净能力的有效措施 5 改变耕作制 改变耕作制 改变土壤环境条件 可消除某些污染物的毒害 DDT 和六六 六在旱田中降解速度慢 积累明显 残留量大 改水田后 DDT 降解加快 仅 1 年左右土壤中残留的 DDT 已基本消失 所以实行水旱轮作 是减轻或消除农药 污染的有效措施 6 换土 深翻 刮土 被重金属与难分解的农药严重污染的土壤在面积不大的情况下 可采用换 土法 这是目前彻底清除土壤污染的最有效手段 但是对换出的污染土壤必须 妥善处理 防止次生污染 此外也可进行深翻 将污染的土壤翻到下层 掩埋 深度应根据不同作物根系发育特点 以不致污染作物为原则 一 土壤背景值和土壤环境容量 一 土壤背景值和土壤环境容量 1 土壤背景值 土壤是受到自然过程和人为影响的一类成分含量复杂的物质 它含有差不多所有 天然的元素 并在水 气 热 生物和微生物多因子共同作用下 不断发生着各种活 性反应 因此土壤中可检出多种化学物质 不受各种污染源明显影响的土壤中化学物 质检出量称为土壤背景值 或土壤环境背景值 从本质上讲 不受污染源明显影响 只是一个相对概念 因为已证实当今的工业污染已充满了世界的每一个角落 即使 是农用化学物质的污染也是在世界范围内扩散的 例如在南极冰层中可以发现有机氯 农药的积累 因此 土壤背景值也是相对的 零污染 土壤样本是不存在的 影响土壤背景值的因素很复杂 包括数万年以来人类活动的综合影响 风化 淋 溶 淀积等地球化学作用的影响 生物小循环的影响 母质成因 质地和有机物含量 的影响等等 因此 土壤背景值是一个范围值 而不是一个确定值 2 土壤环境容量 土壤环境容量 或称土壤负载容量 是指一定环境单元 一定时限内遵循环境质 量标准 即保证农产品质量和生物学质量 同时也不使环境污染时 土壤能容纳污染 物的最大负荷量 不同土壤其环境容量是不同的 同一土壤对不同污染物的容量也是 不同的 这涉及到土壤的净化能力 1 土壤是一个多相的疏松多孔体系 污染物质在土壤中可进行挥发 稀释 扩散 和浓集以至移出土体之外 这一过程是与土壤温度和含水量的变化 土壤质地和结构 以及层次构型相关的 2 土壤是一个胶体体系 对于某些可呈离子态的污染物质 如重金属 化学农药 进入土壤后 土壤胶体的吸附作用可以大大改变其有效含量 成为土壤污染物 特别 是重金属自净和富集的关键因子 3 土壤是一个络合 螯合体系 土壤中有许多天然的有机和无机配位体 也有人 工合成的污染物的有机配位体 而天然环境中几乎所有的金属离子都有形成络合物和 螯合物的能力 因而 天然环境中络合 螯合过程的存在 也显着影响污染物质在天 然环境中的迁移 转化及其环境效应 4 土壤是一个氧化还原体系 其氧化还原作用影响有机物质分解的速度和强度 也影响有机物质存在的状态 可溶性和不溶性 从而影响到它们的迁移转化 这也 是关系到土壤污染物质迁移转化的重要的土壤环境条件 特别是对某些变价元素 如 铁 硫 砷 汞 铬等尤为重要 5 土壤是一个化学体系 土壤中的化合物或进入土壤的污染物质 还直接受到土 壤总化学平衡 溶解和沉淀 过程的控制 在重金属和磷迁移转化中 化学平衡过程 扮演着重要角色 6 土壤是一个生物体系 土壤微生物是土壤生物的主体 土壤微生物在土壤有机 质的转化过程 有机质的分解和合成 中起着巨大作用 土壤对有机污染物质之所以 具有强大的自净能力 即生物降解作用 也主要是因为种类繁多 数量巨大的土壤微 生物存在 土壤微生物除参与有机质的转化外 还积极参与其它土壤过程 此外 土 壤动物在有机污染物的分解转化中也起着一定作用 上述过程 无论是个别或是彼此联系地 同时地 相继地 或是相互交迭地发生 也还没有完全概括复杂的土壤污染物的迁移 转化以及净化机制 但是 进入土壤的 各种污染物质 一方面受上述土壤过程的控制和影响 会缓冲土壤污染的发生 另一 方面 随着它们进入土壤数量的增加 完全可能改变上述过程的方向 性质和速度 即土壤发生污染 二 土壤污染和净化 二 土壤污染和净化 1 土壤污染 土壤污染是指人类活动产生的污染物进入土壤并积累到一定程度 引起土壤质量 恶化的现象 具体地说 污染物质是指与人类活动有关的各种对人体和生物有害的物 质 包括化学农药 重金属 放射性物质 病原菌等 土壤污染不能像大气 水体那样以某种物质超出某种标准来表示 因为土壤是很 难用化学组成的变动来衡量的 即使净土的组成也是不固定的 某些物质含量的变动 不意味着土壤功能的障碍 土壤功能的破坏最明显的标志是作物产量和质量的下降 然而某种污染物侵入土壤 影响到作物生长并不是立即反映出来的 要确定某化合物 是否对土壤起污染作用 必须研究其毒性效应 研究污染物在土壤中的迁移和富集特 点 这就是当污染物进入土壤后 通过土体对污染物质的物理吸附 过滤阻留 胶体 的物理化学吸附 化学沉淀 生物吸收等过程 使污染物不断在土壤中积累 当其含 量达到一定数量时 便引起土壤发生污染 2 土壤净化 土壤净化 是指土壤本身通过吸附 分解 迁移 转化 而使土壤污染浓度降低 而消失的过程 土壤具有净化功能 这是由于土壤在环境中起着三方面的作用 1 由于土壤中含有各种各样的微生物和土壤动物 对外界进入土壤的各种物质都 能分解转化 2 由于土壤中存在有复杂的有机和无机胶体体系 通过吸附 解吸 代换等过程 对外界进入土壤中的各种物质起着 蓄积作用 使污染发生形态变化 3 土壤是绿色植物生长的基地 通过植物的吸收作用 土壤中的污染物质发生迁 移转化的作用 因此 某些性质不同的污染物在土体中可通过挥发 扩散 分解等作用 逐步降 低污染物浓度 减少毒性或被分解成无害的物质 经沉淀 胶体吸附等作用可使污染 物发生形态变化 或通过生物和化学降解 污染物变为毒性较小或无毒性 甚至有营 养的物质 有些污染物在土体中还会被分解气化 迁移至大气中 这些现象 从广义 上都可理解为土壤的净化过程 只要污染物浓度未超过土壤的自净容量 就不会造成 污染 综上所述可以看出 在土壤中污染物的累积和净化是同时进行的 是两种相反的 作用的对立统一过程 两者处于一定的相对平衡状态 三 土壤污染源 三 土壤污染源 土壤是一个开放体系 土壤与其它环境要素间进行着物质和能量的交换 因而造 成土壤污染的物质来源是极为广泛的 有天然的也有人为污染源 天然污染源是指自 然界自行向环境排放有害物质的场所 如正在活动的火山 人为污染源是指人类活动 所形成的污染源 如工业生产排放的 三废 农业生产使用的农药 化肥等 污染 物进入土壤的途径按照所划分的土壤污染源可分为污水灌溉 固体废弃物利用 化肥 和农药的施用 大气沉降等 1 污水灌溉 灌溉 特别是污灌常可引起土壤污染 污灌是指利用城市污水 工业废水或混合 污水进行农田灌溉 大量的污水未加处理而直接倾注于环境中 使一些灌区土壤中有 毒有害物质有明显的积累 京津唐地区污灌对生态环境的影响表明 北京东郊由污灌 引起的土壤污染约占检测样品的 60 污染的糙米样品数约占检测样品数的 36 2 固体废弃物的利用 固体废弃物包括工业废渣 污泥 城市垃圾等 由于污泥中含有一定的养分 因 而可用来作为肥料使用 城市生活污水处理厂的污泥含量为 0 8 0 9 含磷量为 0 3 0 4 含钾量 0 2 0 35 有机质含量为 16 20 但如混入工业废水或工 业废水处理厂的污泥 其成分较生活污泥要复杂得多 特别是金属的含量很高 这样 的污泥如在农田中施用不当 势必造成土壤污染 一些城市历来都把大量的垃圾运往 农村 由于垃圾中含有大量的煤灰 砖瓦碎块 玻璃 塑料等 含这些成分的垃圾长 期施用农田 可逐步破坏土壤的团粒结构和理化性质 同时城市垃圾亦有一定量的金 属 使土壤中重金属含量随着垃圾施用量的增多而增加 3 农药和化肥的施用 农药在生产 贮存 运输 销售和使用过程中都会产生污染 施在作物上的杀虫 剂大约有一半左右流入土壤中 进入土壤中的农药虽然在生物 光解和化学作用下 可有一部分降解 但对于像有机氯这样的长效农药来说 那是十分缓慢的 农药在土 壤中残留性与土壤的理化性质和环境条件密切的关系 化肥对土壤的污染一是不合理的过量施用 促使土壤养分平衡失调 二是有毒磷 肥特别是含三氯乙醛磷肥 它是由含三氯乙醛的废硫酸生产的 当它在土壤中施用后 三氯乙醛转化为三氯乙酸 两者均可给植物造成毒害 由此而造成的作物大面积受害 的情况屡有发生 磷肥中重金属特别是镉的含量也是一个不容忽视的问题 据估计 我国每年随磷肥带入土壤的总镉量约为 37 吨 因而应当认为含镉磷肥是一种潜在的污 染源 4 大气沉降 气源重金属微粒是土壤重金属污染的途径之一 它的构成主要是金属飘尘 在金 属加工过程中 在交通繁忙的地区 往往伴随有金属尘埃进入大气 其种类视污染源 的不同而异 这些飘尘自身降落或随雨水接触植物体或进入土壤后随之为植物或动物 所吸收 在大气污染严重的地区 作物亦有污染 酸沉降本身既是一种土壤污染源 又可加重其它有毒物质的危害 我国长江以南大部分地区本身就是酸性土壤 在酸雨 的作用下 土壤进一步酸化 养分淋溶 结构破坏 肥力降低 作物受损 从而可破 坏土壤生产力 此外 尚有多种污染物 包括重金属 非金属有毒有害物质及放射性 散落物等 的同时污染 四 土壤污染的类型 四 土壤污染的类型 土壤污染的类型目前并无严格的划分 如从污染物的属性来考虑 一般可分为有 机物污染 无机物污染 生物污染和放射性物质的污染 1 有机物污染 可分为天然有机污染物和人工合成有机污染物 这里主要是指后者 它包括有机 废弃物 工农业生产及生活废弃物中生物易降解和生物难降解有机毒物 农药 包 括杀虫剂 杀菌剂和除莠剂 等污染 有机污染物进入土壤后 可危及农作物的生长 和土壤生物的生存 如稻田因施用含二苯醚的污泥曾造成稻苗大面积死亡 泥鳅 鳝 鱼绝迹 人体接触污染土壤后 手脚出现红色皮疹 并有恶心 头晕现象 农药在农 业生产上的应用尽管收到了良好的效果 但其残留物却污染了土壤和食物链 近年来 塑料地膜地面覆盖栽培技术发展很快 由于管理不善 部分膜弃于田间 它已成为一 种新的有机污染物 2 无机物污染 无机污染物有的是随地壳变迁 火山爆发 岩石风化等天然过程进入土壤 有的 随着人类的生产和消费活动而进入的 采矿 冶炼 机械制造 建筑材料 化工等生 产部门 每天都排放大量的无机污染物 包括有害的元素氧化物 酸 碱和盐类等 生活垃圾中的煤渣 也是土壤无机物的重要组成部分 一些城市郊区长期 直接施用 的结果造成了土壤环境质量的下降 3 土壤生物污染 是指一个或几个有害生物种群 从外界侵入土壤 大量繁殖 破坏原来的动态平 衡 对人类健康和土壤生态系统造成不良影响 造成土壤生物污染的主要物质来源是 未经处