《环境土壤学》PPT课件.ppt

土壤水 所有的水只有进入土壤转化为土壤水 才能被植物吸收利用 土壤水是作物吸水的最主要来源 土壤水并非纯水 而是稀薄的溶液 土壤水实际上是指在105 温度下从土壤中驱逐出来的水 土壤水的重要性 土壤水是土壤中最活跃的因素 被植物的吸收 溶解矿质养分 土壤水是土壤形成发育的催化剂参与土壤有机质的矿质化与腐殖化 影响土壤的物理 化学和生物性质 一 土壤水分类型与性质 1 吸湿水由干燥土粒吸附力从大气中吸附气态水分子保持在土粒表面的水分称为吸湿水 膜状水 吸湿水达到最大量后 靠土粒剩余的分子引力吸附在吸湿水外面的一层水膜 又称松束缚水 2 1作用力 土粒表面较弱的分子引力 范德华力 水分子内聚力 交换性阳离子的水化作用 2 3水吸力 3 1 0 63MPa 2 2特点 密度较大 冰点较低 移动缓慢 部分有效 2 膜状水 毛管水 受毛管力的作用在土壤毛管孔隙中保持和运动的水分 作用力 土壤毛管孔隙 0 06 0 002mm 的毛管力 特点 自由水 保存 运动 溶解养分 有效水 水吸力 0 63 0 008MPa 3 毛管水 毛管悬着水 与地下水无关 在地下水较深的情况下 降水或灌溉水等地面水进入土壤 借助毛管力保持在上层土壤毛管孔隙中的水分 它与来自地下水上升的毛管水并不相连 好像悬挂在半空中一样 故称之为毛管悬着水 毛管悬着水是地势较高处植物吸收水分的主要给源 类型 毛管上升水 地下水藉毛管力支持上升并保持在上层土壤毛管中的水分 地势低洼区 地下水位高 回潮 毛管水上升高度 从地下水面到毛管上升水所能到达的绝对高度 毛管持水量 毛管上升水的最大含量 a 它是土壤中既能被土壤保持 又能被作物全部利用的有效水 b 它有溶解养分的能力 c 能在毛管力作用下向上下左右方向移动 且速度快 d 具有输送养分到作物根部的作用 毛管水是土壤中最宝贵的水分 重力水 当土壤含水量超过田间持水量后 过量的水分不能被毛管力所吸持 而在重力作用下沿土壤大孔隙向下移动的水分 4 重力水 地下水 河流 二 土壤水分常数与土壤含水量 土壤水分数量指标 土壤水分常数 在一定条件下 土壤各类型水分达到最大量时的土壤含水量 在一定条件下 同一土壤的水分常数保持相对稳定的数值 1 土壤水分常数 土壤中水分的质量与干土质量的比值 因在同地区重力加速度相同 所以又称重量含水量 土壤质量含水量 土壤水质量 干土质量 100 m W1 W2 W2 100 W1 湿土质量W2 干土质量 1 质量含水量 m 2 土壤水分含量表示方法 2 土壤水的再分布 概念 土壤水入渗过程结束后 水在重力和吸力梯度影响下在土壤中向下移动重新分布的过程 土壤水的再分布是土壤水的不饱和流 土中水的运动 重力作用下土中水的渗流 附加应力作用下孔隙水的挤出 表面张力作用产生的水分的移动 孔隙水中离子浓度差别产生的渗附 电极作用下土中水的电渗 有关实际工程问题 流砂 管涌 冻胀 渗透固结 渗流稳定 粘性土的电加固 土的渗透性 土的渗透固结 土的毛细现象 1 土壤水的来源与消耗 土壤水的来源是大气降水 凝结水 地下水和人工灌溉 其中大气降水是主要的来源 凝结水在干旱地区以及粗质土壤上也有一定意义 而地下水和人工灌溉水 实际上主要也是从大气降水和部分地从凝结水转变而来 大气降水除了植被 特别是林冠 截流和地面径流外 其余部分便进入土壤中成为土壤水 土壤水的消耗有以下途径 1 向下渗漏 侧向径流和地下径流 2 蒸发 3 蒸腾 所以 土壤的含水量就是这些水分收入和支出的差额 4 影响土壤水分状况的因素 1 植被蒸腾作用 植被组成和覆盖度对土壤水分影响较大 2 气候降雨量和蒸发是重要因素 3 土壤物理性质土壤质地 结构和有机质含量等因素的影响 4 地形地形影响水分的再分配 5 水文地质在不透水层接近地面 地下水位高的地方 支持毛管水上行活跃 6 人为的影响如灌溉 排水以及耕作等土壤管理措施 土壤空气和近地面大气空气组成的差异1 土壤空气中的CO2含量高于大气2 土壤空气中的O2含量低于大气3 土壤空气中的水汽含量一般高于大气4 土壤空气中含有较高量的还原性气体 CH4等 土壤空气组成显然不是固定不变的 第一节土壤空气 土壤空气的变化规律 第一节土壤空气 随着土层深度的增加 土壤空气中CO2含量增大 O2含量减少 无论在膜地或露地均是如此 气温和土温升高 根系呼吸加强 微生物活动加快 土壤空气中CO2含量增加 夏季CO2含量最高 覆膜田块的CO2含量明显高于未覆稻草原露地 而O2则反之 土壤空气中的CO2和O2的含量是相互消长的 二者的总和维持在19 22 之间 影响土壤空气运动和交换的主要因素 气象因素 土壤因素 农业措施 气温 气压 风力和降雨等 通气孔隙状况及其影响因素 质地 结构 松紧程度 土壤含水量等 耕作 施肥 灌水等 土壤空气与植物生长土壤空气与根系若土壤空气中O2的含量小于9 或10 根系发育就会受到影响 O2含量低至5 以下时 绝大多数作物根系停止发育 O2与CO2在土壤空气中互为消长 当CO2含量大于1 时 根系发育缓慢 至5 20 则为致死的含量 土壤空气中还原性气体 也可使根系受害 如H2S使水稻产生黑根 导致吸收水肥能力减弱 甚至死亡 三 土壤空气与生态环境的关系 土壤空气与种子萌发种子萌发 所需氧气主要由土壤空气提供 缺氧时 葡萄糖酒精发酵 产生酒精 使种子受害 土壤空气状况与植物抗病性 1 植物感病后 呼吸作用加强 以保持细胞内较高的氧水平 对病菌分泌的酶和毒素有破坏作用 2 呼吸提供能量和中间产物 利于植物形成某些隔离区阻止病斑扩大 3 伤口呼吸增强 利于伤口愈合 减少病菌侵染 土壤空气与微生物活性土壤空气影响微生物活动 影响有机质转化 1 通气良好利于有机质矿质化 2 根系吸收养分 需通气良好条件下的呼吸作用提供能量 土壤热容量是指单位质量 重量 或容积的土壤每升高 或降低 1 所需要 或放出的 热量 可分为 容积热容量 质量热容量 第三节土壤热性质 一 土壤热容量 土壤热扩散率 土壤导温率 是指在标准状况下 在土层垂直方向上每厘米距离内 1 的温度梯度下 每秒流入1cm2土壤断面面积的热量 使单位体积 1cm3 土壤所发生的温度变化 其大小等于土壤导热率 容积热容量之比值 上式中 为土壤导热率 Cv为土壤容积热容量 第三节土壤热性质 三 土壤的热扩散率 土壤生物活性和肥力直接或间接地与土壤生物有关 土壤生物是土壤具有生命力的主要成分 在土壤形成和发育过程中起主导作用 土壤生物是评价土壤质量和健康状况的重要指标之一 土壤生物是地球生物圈生物多样性的重要组成部分 土壤生物的重要性 系统分类 按体型大小分类 小型土壤动物 体长在0 2毫米以下 中型土壤动物 体长0 2 2毫米 大型土壤动物 体长2 20毫米 巨型土壤动物 体长大于20毫米 按食性分类 按土壤中生活时期 1 土壤动物的分类 分为植食性 菌食性 尸食性 粪食性 杂食性和寄生性土壤动物等 分为全期土壤动物 周期土壤动物 部分土壤动物等 原生动物在土壤中的作用 1 通过选择性的取食某些微生物 如细菌 改变微生物的群落结构 主要是调节细菌的数量 2 增进某些微生物的活性 如固N菌 排泄出的细菌等 3 参与土壤植物残体的分解 如鞭毛虫与白蚁共生 加速对木质素的分解 4 某些原生动物也侵害植物 造成植物病害 有的可引起严重的人畜传染病 土壤微生物主要作用 1 分解有机质 释放出碳氮磷硫等营养元素 2 土壤腐殖质的合成及土壤团聚体形成的胶结物质 3 进行生物固氮 部分细菌和蓝藻 4 在氮 磷 硫等元素的转化中起主导作用 5 土传病害的防除 致病微生物和抗生素的作用 6 土壤有机污染物的解除 真菌在土壤中的作用 是土壤有机质的主要降解者 某些真菌和植物的根系产生菌根 促进土壤结构的形成 菌丝的穿插对于促进土壤的凝聚有重要的作用 根际是指植物根系直接影响的土壤范围 通常把根际范围分成根际与根面二个区 受根系影响最为显著的区域是距活性根1 2毫米的土壤和根表面及共其粘附的土壤 也称根面 二 根际与根际效应 根际效应 由于植物根系的细胞组织脱落物和根系分泌物为根际微生物提供了丰富的营养和能量 因此 在植物根际的微生物数量和活性常高于根外土壤 这种现象称为根际效应 1 根际是根际微生物的特殊生态环境 根系分泌物和脱落物是根际微生物的重要营养和能源 分泌物 氨基酸 各种氨基酸 有机酸 乙酸 丁酸 乳酸 柠檬酸 苹果酸等 碳水化合物 葡萄糖 果糖 核糖 半乳糖等 维生素类物质 生物素 硫胺素等 死亡根系和脱落的根毛 根冠 根表皮细胞等 脱落物 B 根系的呼吸作用影响根际土壤的气体组分 pH值 Eh等 离根越近 CO2的含量越高 O2的含量越低 O2含量少影响根际范围的Eh 一般偏低 由于根系分泌有机酸影响根际的pH值 一般偏酸 C 根系的吸收作用对根际土壤微生物的影响 根系吸收作用强 分泌物也就多 根际效应也就大 根系吸收作用强 根际水分充足 根际微生物发育量也就大 D 根际温度一般比非根际土壤温度高1 2 2 根际微生物对植物的作用 A 有益影响 a 有效化营养元素 微生物的代谢作用加强了有机质的分解 促进植物营养元素的矿化 增强了对作物的养分供应 根际微生物通过溶解矿物中的磷酸盐 给植物提供可溶性的磷酸盐 加快植物对磷酸盐的吸收 b 促进植物生长 根际微生物能合成多种生长素 植物生长激素 加速种子萌发和根毛发育 硫胺素生物素维生素B12泛酸核黄素 吲哚乙酸 IAA 赤霉素类 节杆菌 假单胞菌和农杆菌能产生一些有机物 刺激植物生长 A 有益影响 c 根际微生物分泌的抗生素类物质 有助于作物避免土著性病原菌的侵染或杀死植物病原菌 却与其它根际微生物建立协作关系 A 有益影响 d 产生铁载体 Siderophore 改善植物的生长条件 促进植物生长 e 根际中的菌丝体可以转移植物中的放射线物质和重金属等有害物质 A 有益影响 f 根际微生物产生二氧化碳 使钙增加可溶性 有利于植物吸收 g 根际中自生固氮菌可以固定大量的N2 给植物提供有机和无机氮 A 有益影响 B 不利影响 a 微生物与植物竞争矿质营养 在一定时间内减少了对植物养分的供应 造成对植物生长的不利 反消化细菌使含氮物质变成N2 养分损失 细菌对某些重要元素的固定可严重影响植物的发育 果树 小叶病 细菌固定锌燕麦 灰斑病 细菌固定氧化锰 b 由于不同植物根际条件的选择性 某些病原菌在相应植物的根际得到加富 更助长了病害的发生 连作障碍 B 不利影响 长期种植同一作物造成根际有毒物质积累 虽然每年施肥充足和采用相同的栽培措施 但作物产量仍每年下降的现象 c 某些微生物产生的有毒物质能抑制种子的发芽 幼苗的生长和根系的伸长 B 不利影响 d 根际微生物产生生长激素过高 可抑制植物生长 据统计 因水土流失 盐渍化 沼泽化 土壤肥力衰减和土壤污染及酸化等造成的土壤退化总面积约4 6亿公顷 占全国土地总面积的40 是全球土壤退化总面积的1 4 第一节我国土壤退化的现状 一 概念土壤退化是指一种或数种营力结合 致使干旱 半干旱及亚湿润干旱区农田 草原 牧场 森林和林地的生物或经济生产力和复杂性下降或丧失 我国土壤退化制约因素 一 土壤资源短缺 空间分布不均 1 人均土地少 总更低面积为1 23亿hm2 人均不到0 1km2 我国与一些国家的土地资源占有情况对比 2 空间分布不均 地区差异大 山地33 高原26 盆地19 平原12 丘陵10 90 以上的耕地和陆地水域分布在东南部50 以上的林地集中在东北和西南80 以上的草地分布在西北青藏高原占全国面积22 6 人口占全国人口的0 5 我国的基本土情 我国的基本土情 3 生态脆弱区范围大 如中国北方的农牧交错带 黄土高原 西部绿洲 卡斯特地区 荒漠化地区等 我国的基本土情 4 耕地质量总体较差 自持能力弱 中低产田占2 3 其中亩产低于150kg 亩的低产田占1 3 低产田的种类有 缺水地 坡地 风沙地 盐碱地 涝地 水浸地等 如南方低产红壤的面积约为1200万公顷 国土面积大而耕地少 分布不均衡且优质土壤少 人均水平低且后备资源少 山地多平原少旱涝灾害多 总而言之 二 土壤荒漠化 根据联合国防治荒漠化 公约 的定义 荒漠化 是指包括气候变异和人类活动在内的种种因素造成的干旱 半干旱和亚湿润干旱地区的土地退化 造成土壤荒漠化的因素 1 自然因素 干旱程度 全球气候变化 地质因素2 人为因素 水资源的过渡开采 生态环境的恶化 滥垦 滥牧 滥伐 四 土壤盐渍化与次生盐渍化 土壤盐渍化主要发生在干旱 半干旱和半湿润地区 它是指易溶性盐分在土壤表层积累的现象或过程 1 类型 1 现代盐渍化 2 残余盐渍化 3 潜在盐渍化 由于发展引水自流灌溉 导致地下水位上升超过其临界深度 使地下水和土体中的盐分随土壤毛管水通过地面蒸发耗损而聚于表土 利用地面或地下矿化水 尤其是矿化度大于3g L时 进行灌溉 而又不采取调节土壤水盐运动的措施 导致灌溉水中的盐分积累于耕层中 在开垦利用心底土积盐层的土壤过程中 过量灌溉的下渗水流溶解活化其中的盐分 随蒸发耗损聚于土壤表层 次生盐渍化的成因 50年代大搞平原水库导致我国平原地区次生盐碱化面积大增 二 土壤质量的评价指标 物理指标 生物指标 化学指标 OM pH EC N P K Eh等 质地 容重入渗速率 田持 含水量 水吸力等 微生物量碳和氮 潜在可矿化氮 土壤呼吸量 土壤酶等 土壤质量评价的农艺指标 质地 耕层厚度 pH 有机质 全氮 碱解氮 速效磷 速效钾 容重 CEC 土壤质量评价的生态学指标 种群丰富度 多样性指数 均匀度指数 优势性指数 美国土壤学家提出的土壤质量分析的最小指标矩阵 团聚性 容重 至硬盘的距离 渗滤性 电导率 持水率 pH 有机质 可矿化氮 呼吸作用 三 土壤质量的评价方法 美国SCS 土壤保持局 的土壤质量评价目标 第一节土壤污染的概念 一 土壤背景值土壤背景值在理论上应该是土壤在自然成土过程中 构成土壤自身的化学元素的组成和含量 即未受人类活动影响的土壤本身的化学元素组成和含量 即严格按照土壤背景值研究方法所获得的尽可能不受或少受人类活动影响的土壤化学元素的原始含量 土壤元素背景值的研究法 样点布设和采集 确定采样单元 1 减少同一单元的差异性 2 综合考虑土壤类型 母质母岩等因素 3 确定合适的样点数 样点的选择 1 不应安排在多种土类和多种母质母岩交叉分布的边缘地带 2 应避开工业污染源的影响 3 既要考虑交通便利 同时样点又必须远离铁路 公路至少300米外 土壤背景值的应用 农田施肥 是预测元素丰缺程度 制订施肥规划 方案的基础数据 土壤污染评价 土壤质量评价 划分质量等级和进行污染评价 划分污染等级 均必须以土壤背景值作为基础参数和标准 土壤环境容量 是研究和确定土壤环境容量 制订土壤环境标准的不可缺少的基础数据 环境医学和食品卫生 通过对元素背景值的分析 可以找到土壤 植物 动物和人群之间某些异常元素的相互关系 基准 数据 土壤负载容量 污染物的土壤负载容量亦称土壤环境容量 是指在一定环境单元 一定时限内遵循环境质量标准 既能保证土壤质量 又不产生次生污染时 土壤所能容纳污染物的最大负荷量 土壤负载容量不是一个固定值而是一个范围值 土壤负载容量的研究方法 土壤负载容量的研究通过对自然环境 社会经济与污染状况调查 污染物生态效应 环境效应 物质平衡的研究 确定土壤临界含量 自然环境 社会经济与污染状况调查 污染物生态效应的研究 污染物环境效应的研究 物质平衡研究 土壤污染物临界含量的确定 土壤负载容量的计算 土壤环境容量的确定 生物容量法化学容量法 土壤环境容量的影响因子 土壤性质的影响 指示物的影响 污染历程的影响 环境因素的影响 化合物类型的影响 二 土壤污染的概念 土壤污染就是指人类活动产生的物质 污染物 通过多种途径进入土壤 其数量和速度超出了土壤的容纳能力和土壤的净化速度 因而使土壤的性质 组成及性状等发生变化的现象 污染物质的积累过程逐渐占据优势 破坏了土壤的自然动态平衡 从而导致土壤自然正常功能失调 土壤质量恶化 影响作物的生长发育 以致造成作物产量和质量的下降 并通过食物链引起对生物和人类的直接危害 甚至形成对有机生命的超地方性危害 污染判定 从土壤污染的概念来看 判断土壤是否发生污染有两个指标 一是土壤背景值 或本底值 土壤中某元素的平均含量超过背景值 即发生了土壤污染 二是生物指标 土壤中某有害元素或污染物含量较高时 被植物吸收的量也相应增加 可引起植物的一系列反应 土壤微生物区系会发生变化 受污染的植物被人们食用后会对人体健康产生不良影响 上述植物 微生物及人体受到的危害程度等均可作为度量污染的生物指标 一 土壤污染的类型 1 水质污染型2 大气污染型3 固体废物污染型4 农业污染型5 综合污染型 1 水质污染型 这是土壤环境污染的最主要类型 污染源主要是工业废水 城市生活污水和受污染的地面水体 据报道 在日本曾有受污染的地面水体所造成的土壤污染占土壤污染总面积的80 的情况 而且绝大多数是由污水灌溉 污灌 造成的 目前 我国污水灌溉的农田面积已达330多万公顷 近年来 广州近郊因为污水灌溉而污染农田2700ha 因施用含污染物的底泥造成1333ha的土壤被污染 污染面积占郊区耕地面积的46 很多年来污灌在我国北方地区已成为一种重要的农业灌溉形式 如果使用恰当 利用经过预处理的城市生活污水或某些工业废水进行农田灌溉 一般可有增产效果 因为这些污水中含有许多植物生长所需要的营养元素 采用污灌节省了灌溉用水 并且使污水得到了土壤的净化 减少了治理污水的费用 但因为城市生活污水和工矿企业废水中含有许多有毒 有害物质 成分相当复杂 如果将这些污水 废水直接输入农田 可能造成土壤环境的严重污染 污灌有没有好处 经由水体污染所造成的土壤环境污染 由于污染物质大多以污水灌溉形式从地表进入土体 所以污染物一般集中于土壤表层 但是 随着污灌时间的延续 某些污染物质可随水自土体上部向土体下部迁移 有时甚至达到地下水层 水质污染型的土壤污染特征 2 大气污染型 污染物质来源于被污染的大气 其污染特点是以大气污染源为中心呈环状或带状分布 且长轴沿主风向伸长 污染的面积 程度和扩散的距离 取决于污染物质的种类 性质 排放量 排放形式及风力大小等 污染物质主要集中在土壤表层 主要污染物是大气中的二氧化硫 氮氧化物和颗粒物等 它们通过沉降和降水而降落到地面 大气中的二氧化硫等酸性氧化物使雨水酸度增加 从而引起土壤酸化 破坏土壤的肥力与生态系统地平衡 各种大气飘尘中包括重金属 非金属有毒有害物质及放射性散落物等多种物质 它们也会造成土壤的多种污染 3 固体废物污染型 固体废物系指被丢弃的固体状物质和泥状物质 包括工矿业废物 污泥和城市垃圾等 在土壤表面堆放或处理 处置固体废物 废渣会占用大量耕地 固体废物除了占用大量耕地之外 还可通过大气扩散或降水淋滤使周围地区的土壤受到污染 因此 将这种土壤污染称为固体废物污染型 有害固体废物长期堆存 经过雨雪的淋溶作用 可溶成分随水从地表向下渗透 并向土壤迁移转化 有害物质富集 使堆场附近土质酸化 碱化 硬化 甚至发生重金属型污染 这种污染的污染特征属点源性质 主要是造成土壤环境的重金属污染 以及油类 病原菌和某些有毒有害有机物的污染 4 农业污染型 指由于农业生产的需要而不断使用化肥 农药 城市垃圾堆肥 污泥等引起的土壤环境污染 污染程度与化肥 农药的数量 种类 利用方式及耕作制度等有关 有些农药如有机氯杀虫剂DDT 六六六等 可在土壤中长期残留 并在生物体内富集 氮 磷等化学肥料中凡未被植物吸收利用和未被根层土壤吸附固定的养分都会在根层以下积累或转入地下水 成为潜在的环境污染物 残留在土壤中的农药和氮 磷等化合物在地面径流或土壤风蚀时 就会向其他地方转移 扩大土壤的污染范围 农业污染型的污染物质主要集中在土壤表层或耕层 其分布比较广泛 属于面源污染 5 综合污染型 土壤环境污染的发生往往是多源性质的 对于同一区域受污染的土壤 其污染源可能同时来自受污染的地面水 大气 或同时来自固体废物以及农药 化肥等多方面 因此 土壤环境的污染往往是综合污染型的 但对于一个地区或区域的土壤来说 土壤污染可能是以某一污染类型或某两污染类型为主 二 土壤污染的特点 1 土壤污染具有隐蔽性 潜伏性 和滞后性2 土壤污染的易累积性3 土壤污染具有不可逆转性和长期性4 土壤污染的难治理性5 土壤污染具有后果严重性 按土壤自净作用机理的不同 可分为 物理净化作用 如农药的挥发扩散 物理化学净化作用 如离子交换吸附 化学净化作用 如酸的中和 生物净化作用 如有机物的生物降解 第三节土壤组成和性质对污染物毒性的影响 一 土壤组成对污染物毒性的影响 一 粘粒矿物对污染物毒性的影响粘粒矿物的吸附行为显著影响污染物在土壤的活度和毒性 水溶态和交换态的重金属元素的毒性较大 专性吸附态的重金属的毒性较小 一般土壤质地愈粘 氧化含量越多 土壤对重金属的专性吸附作用越强 重金属的毒性越小 二 有机质对污染物毒性的影响静电吸附 络合作用 含氧官能团 当土壤pH上升时 生成的络合物稳定性增加 胡敏酸和富啡酸可以与金属离子形成可溶性的和不可溶性的络合 螯合 物 主要依赖于饱和度 富啡酸金属离子络合物比胡敏酸金属络合物的溶解度大 二 土壤酸碱性对污染物毒性的影响土壤溶液中的大多数金属元素 包括重金属 在酸性条件下以游离态或水化离子态存在 毒性较大 而在中 碱性条件下易生成难溶性氢氧化物沉淀 毒性大为降低 电荷形态 沉淀 融解 吸附 解吸 络合螯合等不同的pH值条件下 重金属的形态也不同 pH的变化可改变其吸附 沉淀 络合特性 也改变其毒性 三 土壤氧化还原状况对污染物毒性的影响大多数有机氯农药在还原条件下才能加速代谢 大多数重金属都亲硫 故在还原条件下易生产成硫化物而降低其毒性 通气后其毒性增强 水稻抽穗前淹水使Cd转化为CdS 可降低米中镉的数量 但在还原和酸性条件下 砷的毒性较强 铁 锰氧化物可降低其毒性 二氧化锰可氧化土壤中的三价铬 而有机质可把六价的铬还原成三价铬 在通气良好和碱性土壤中 Ca3 AsO4 2是最稳定的含砷矿物 其次是Mn3 AsO4 2 后者在碱性和酸性环境中都可能形成 在还原和酸性 pH 6 土壤中 砷 III 氧化物和砷硫化物是稳定的 在还原性土壤溶液中 As III 离子丰富存在 砷气AsH3只有在土壤溶液很酸 氧化还原电位极低时才产生 加入氧化铁 二氧化锰的处理 土壤水溶性总砷比对照下降了25 左右 As III 也从对照的39 5 下降到7 左右 这显然是 外加的铁 锰使土壤固定 吸附砷的能力增加 水溶性砷就减少 Eh不同 As III 不同 对水稻生长影响不同 说明土壤氧化原还电位高和加入铁锰物质有利于消除水稻砷害 土壤重金属污染的定义 土壤重金属污染是指由于人类活动将重金属带入到土壤中 致使土壤中重金属含量明显高于背景含量 并可能造成现存的或潜在的土壤质量退化 生态与环境恶化的现象 环境科学中人们通常关注汞 Hg 镉 Cd 铅 Pb 铬 Cr 铜 Cu 锌 Zn 镍 Ni 钼 Mo 钴 Co 等 还有类金属砷 As 土壤重金属污染特点 1 重金属不能被微生物降解 是环境长期 潜在的污染物 2 因土壤胶体和颗粒物的吸附作用 长期存在于土壤中 浓度多成垂直递减分布 3 与土壤中的配位体 氯离子 硫酸离子 氢氧离子 腐殖质等 作用 生成络合物或螯合物 导致重金属在土壤中有更大的溶解度和迁移活性 4 土壤重金属可以通过食物链被生物富集 产生生物放大作用 5 重金属的形态不同 其活性与毒性不同 土壤pH Eh 颗粒物以及有机质含量等条件深刻影响它在土壤中的迁移和转化 三 土壤重金属污染来源 自然来源 1 成土母质的风化过程对土壤重金属本底含量的影响 2 风力和水力搬运的自然物理和化学迁移过程 人为干扰输入 1 不同工矿企业工业生产对土壤重金属的额外输入 2 农业生产活动影响下的土壤重金属输入 3 交通运输对土壤重金属污染的影响 1 exchangeable 指吸附在粘土 腐殖 质以及其它成分上的金属 其对环境变化 敏感 易于迁移转化 能被植物吸收 因 此会对食物链产生巨大影响 2 boundtocarbonates 以这一形态存在的重金属元素 对pH值最敏感 当pH值下降时 易重新释放出来而进入环境中 相反 pH升高有助于磷酸盐的生成和重金属元素在碳酸盐矿物上的共沉淀 3 boundtoIronandManganese oxides 土壤中的铁锰氧化物一般以矿物的外 裹物和细粉散颗粒存在 高活性的铁 锰氧化物比表面积大 极易吸附和共沉淀阴离子或阳离子 土壤中pH和氧化还原条件变化对铁锰氧化物结合态有重要影响 pH和Eh较高时 有利于Fe Mn氧化物的生成 4 boundtoorganicmatter 土壤中存在各种有机物 如动植物残体 腐殖质及矿物颗粒的包裹层等 它们自身具有较大鳌合金属粒子的能力 又能以有机膜的形式附着在矿物颗粒表面 改变矿物颗粒的 表面性质 不同程度上增加了吸附重金属的能力 在氧化条件下 部分有机物分子发生降解作用 导致部分金属元素溶出 5 residue 一般存在于硅酸盐 原生和次生矿物的土壤晶格中 它们来源于土壤矿物 性质稳定 在自然界正常条件下不易释 放 能长期稳定在沉积物中 不易为植物吸收 在整个土壤生态系统中对食物链影响较小 二 重金属在土壤 植物体系中迁移 重金属在土壤 植物中的迁移转化机制非常复杂 影响因素很多 主要有1 土壤的理化性质2 重金属的种类 浓度 在土壤中的存在形态3 植物种类 生育期4 复合污染5 施肥 1 植物对土壤中的重金属的富集规律从农作物对重金属吸收富集的总趋势来看 土壤中重金属含量越高 农作物体内的重金属含量也越高 土壤中的有效态重金属含量越大 作物籽实中的重金属含量越高 不同的作物由于生物学特性不同 对重金属的吸收积累有明显的种间差异 一般顺序为豆类 小麦 水稻 玉米 重金属在农作物体内分布的一般规律为 根 茎叶 颖壳 籽实 2 重金属在土壤剖面中的迁移转化规律 进入土壤中的重金属大部分被土壤颗粒所吸附 土壤柱淋溶实验发现淋溶液中的Hg Cd As Pb95 以上被土壤吸附 在土壤剖面中 重金属无论是其总量还是存在形态 均表现出明显的垂直分布规律 其中可耕层成为重金属的富集层 土壤中的重金属有向根际土壤迁移的趋势 且根际土壤中重金属的有效态含量高于土体 主要是由于根际生理活动引起根 土界面微区环境变化而引起的 可能与植物根系的特性和分泌物有关 二 重金属对土壤微生物和酶的影响 对微生物的影响 微生物通过多种方式影响重金属的生物有效性 土壤中重金属浓度增加到一定限度会抑制微生物的生长代谢作用 甚至导致微生物死亡 对土壤酶活性的影响 重金属对土壤酶的抑制 1 污染物进入土壤对酶产生直接作用 单位土壤中酶的活性下降 2 污染物通过抑制微生物的生长 繁殖 减少微生物体内酶的合成和分泌 最终使单位土壤中酶的活性降低 四 重金属对人类健康的影响 污染物 植物 动植物 移动 扩散 大气排放 动植物 地下水 河流 海洋 蓄积 饮用水 植物 动物 海洋植物 动物 动物 动物 修复 remediation 是一个工程上的概念 顾名思义 是指借助外界作用力使某个受损的特定对象部分或全部恢复到原初始状态的过程 环境修复 environmentalremediation 就是研究对被污染的环境采取物理 化学与生物学技术措施 使存在于环境中的污染物质浓度减少或毒性降低或完全无害化 使得环境能够部分或者全部的恢复到原始状态 环境污染 健康环境环境修复 环境净化环境修复 三废 治理 五 环境修复 土壤修复的分类 修复机理 影响因素 固化 去除 96 土壤中重金属污染修复方法 客土法 换土法稀释法水洗法热解吸法淋溶法 微生物修复植物修复改良剂法氧化还原法电动力学修复法 生物修复的原则 适合的生物是生物修复的先决条件 它是指具有正常生理和代谢能力 并能以较大的速率降解或转化污染物 并在修复过程中不产生毒性产物的生物体系 适合的场所是指要有污染物和合适的生物相接触的地点 污染场地不含对降解菌种有抑制作用的物质且目标化合物能够被降解 适合的环境条件是指要控制或改变环境条件 使生物的代谢与生长活动处十最佳状态 环境因子包括温度 湿度 O2 pH值 无机养分 电子受体等 适合的技术费用是指生物修复技术费用必须尽可能低 至少低于同样可以消除该污染物的其他技术 生物修复的原则 植被的形成受环境毒性的限制 落叶将污染再次释放 污染可能积累到燃料木材中 提高某些污染的溶解度 易于迁移 影响食物链 费时 植物修复技术的缺点 挥发 Phytovolatilization植物挥发是与植物吸收相连的 它是利用植物的吸取 积累 挥发而减少土壤挥发性污染植物物 1植物修复去除污染物的方式 植物提取 植物稳定 Phytoextraction植物直接吸收污染物并在体内蓄积 植物收获后才进行处理 收获后可以进行热处理 微生物处理和化学处理 植物降解 Phytodegradation植物本身及其相关微生物和各种酶系将有机污染物降解为小分子的CO2和H2O或转化为无毒性的中间产物 Phytostabilization植物在与土壤的共同作用下 将污染物固定并降低其生物活性 以减少其对生物与环境的危害 有机污染物 organicpollutant 指造成环境污染和对生态系统产生有害影响的有机化合物 天然有机污染物主要是由生物体的代谢活动及其他化学过程产生的 如萜烯类 黄曲霉类等 人工合成有机污染物是随现代化学工业的兴起而产生的 如合成橡胶 塑料等 有机污染物的种类及来源 由于土壤有机污染物的种类复杂 结构 形态 性质各异 而且每年有越来越多的有机污染物被制造和使用 所以目前尚没有一个确定的标准来划分土壤中的污染物 只是根据各个学科的研究目的和研究方向来进行简单的归类和划分 通常包括以下几种划分方法 毒性 有毒和无毒环境中残留半衰期 持久性有机污染物 非持久性有机污染物 土壤污染具有复杂性 缓变性和面源污染的特点 有机污染物种类繁多 但是基本上都属于憎水性化合物 具有较强的亲脂性 有机污染物质在土壤环境中通过复杂的环境行为进行吸附解吸 降解代谢 可以通过挥发 淋滤 地表径流携带等方式进入其他环境体系中在土壤中残留 或被作物和土壤生物吸收后 通过食物链积累 放大 对人体健康十分有害 有毒的有机污染物主要包括苯及衍生物 多环芳烃和有机农药 无毒的有机污染物主要包括容易分解的有机物 如糖 蛋白质和脂肪等持久性有机污染物是指具有毒性 生物蓄积性和半挥发性 在环境中持久存在的 且能在大气环境中长距离迁移并沉积回地球的偏远的极地地区 对人类健康和环境造成严重危害的有机化学污染物质 根据国际上对持久性有机污染物质的定义 这些物质必须符合下列条件 在所释放和运输的环境中是持久的 能蓄积在食物链中 对有较高营养价值的生物造成影响 进入环境后 经长距离迁移进入偏远的极地地区 在相应环境浓度下 对接触该物质的生物造成有害或有毒效应 持久性物质 persistentssubstance 是指化学稳定性强环境中能长时间滞留的物质 具有这些性质的有机污染物称持久性有机污染物 persistentorganicpollutants POPs 一般来说 POPs类物质在水体中的半衰期大于2个月 在土壤或沉积物中的半衰期大于6个月 有些POPs类物质的半衰期长达几年 数十年 甚至万年 主要来源 人为生产 有机氯农药 精细化学品 化工原料 染料 金属冶炼 电解电镀 废物的焚烧 氯碱工业 造纸工业 等 20世纪30年代以来 人工合成有机化学品的生产和许多化学品虽然对现代社会的发展发挥了重要作用 但也对人体健康和生态环境带来严重危害 持久性有机污染物的特性 1 高毒性POPs物质具有与生物体内自隐分泌激素相似的结构和性质 这些化学品会扰乱生物体自身激素的正常作用 导严影生物体内分泌紊乱 生殖及免疫机能失调 神经行为和发育紊乱 因此 这类物质被称为内分泌干扰物质 环境激素或者环境荷尔蒙 北美洲五大湖区查研究表明 DDT和PCBs等环境激素物质对该种鸟群产生了巨大影响 致使鸟蛋壳变薄 孵化率下降 雄鸟雌性化 其生殖和发育都受到了极大损害 2 高脂溶性POPs物质不易溶于水 具有较好的脂溶性 可通过食物链在生物体内蓄积 进而富集并影响较高营养等级的生物 在水生生物链中 DDT在水体中的3 10 6ug g 而在食鱼鸟类的体内浓度则高达25ug g 通过食物链传递作用DDT浓度被放大了百万倍以上 在北极生态系统 海豹 北极熊和因纽特人等哺乳动物母体体内DDT浓度为水体中浓度的千万倍以上 3 长距离离迁移性POPs物质具有半挥发性 能够从水体或土壤中以蒸汽形式进入大气环境或被大气颗粒物吸附并通过大气环流远距离迁移 在较冷的地方或者受到海拔高度影响时会重新沉降到地球上 而后在温度升高时会再次挥发进人大气进行迁移 这也就是所谓的 全球蒸馏效应 或 蚱蜢跳效应 这种过程可以不断发生 使得POPs物质可沉积到地球偏远的极地地区而导致全球范围的污染传播 地球的两极及珠穆朗玛峰都已监测到POPs物质 4 持久性POPs结构稳定 自然条件下不易降解 即使是几十年前使用过POPs的许多地方至今依然能够发现残留物 有机污染物的环境行为 首先 有机污染物在土壤中的环境行为是由其自身性质决定的 如憎水性 挥发性和稳定性 其次 环境因素也会产生重要的影响 如土壤的组成和结构 土壤中微生物的状况 温度 降雨及灌溉等 进入土壤的有机污染物同土壤物质和土壤微生物发生各种反应 进而产生降解作用 有机污染物进入土壤后 可能经历以下几个过程 与土壤颗粒的吸附与解吸 挥发和随土壤颗粒进入大气 渗滤至地下水或者随地表径流迁移至地表水中 通过食物链在生物体内富集或被降解 生物和非生物降解 其中吸附与解吸 渗滤 挥发和降解等过程对土壤中有机污染物的消失贡献较大 常规环境条件下能降解目标污染物的微生物数量少 且活性比较低 当添加某些营养物包括碳源与能源性物质或提供目标污染物降解过程所需因子 将有助于降解菌的生