土壤环境课件

1、环境学概论第1页，共81页。第五章 土壤环境（Soil Environment）第2页，共81页。 土壤是环境的重要组成部分，它介于生物界和非生物界之间，由矿物质、有机质（包括有生命的有机体土壤生物）、水分和空气四种物质组成。所以土壤是一个复杂的物质体系，它是组成环境的各个部分（包括大气圈、水圈、岩石圈和生物圈）相互作用的地方，物质交换最为频繁，是人类宝贵资源之一。第3页，共81页。 本章共分为五个部分内容：一、土壤的组成和特性二、土壤环境污染三、重金属对土壤的污染四、化学农药对土壤的污染五、土壤环境污染的防治第4页，共81页。第一节 土壤的组成和特性第5页，共81页。一、土壤的组成（一）土壤

2、的机械组成 土壤的机械组成又称为土壤的质地，指土壤中各种不同大小颗粒（粒、砂、粉砂、粘粒）的相对含量，它们对土壤中污染物质的吸附和解吸多少和快慢有很大影响。第6页，共81页。质 地 分 类各 级 土 粒 重 量 %类 别质 地 名 称粘 粒（Pb2+Ni2+Co2+Zn2+Ba2+Rb2+Sr2+Ca2+Mg2+Na+Li+； 其中蒙脱石对重金属吸附的顺序是：Pb2+Cu2+Ca2+Ba2+Mg2+Hg2+； 高岭石是： Hg2+Cu2+Pb2+； 有机胶体对金属的吸附顺序是：Pb2+Cu2+Cd2+Zn2+Ca2+Hg2+第46页，共81页。 2.重金属的络合和螯合作用：某些重金属在土壤溶液

3、中往往不是以简单的离子形式存在，而主要以络离子形式存在。据对Hg2+、Cd2+、Pb2+、Zn2+的研究表明，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。氯络合作用可以提高难溶重金属化合物的溶解度，同时可减弱土壤胶体对重金属的吸附。第47页，共81页。 有机鳌合物对金属迁移的影响取决于所形成的鳌合物是难溶的或易溶的。在腐殖质组成中胡敏酸和金属形成的胡敏酸盐，除一价碱金属盐外，一般是难溶性的。富里酸与金属形成的鳌合物则一般为易溶性的。第48页，共81页。原子序数金属元素负电性离子势溶 度 积 常 数（Ksp）CO32-OH-HPO42-PO43-S2-AsO42-SO42-24282

4、93033488082 Cr3+铬Cr2+镍Ni2+铜Cu2+锌Zn2+砷As3+镉Cd2+汞Hg2+铅Pb2+1.561.401.752.001.502.201.461.441.554.772.402.902.502.401.352.161.821.6719-910-1410-1610-1410-3010-1910-1510-1910-1710-2510-1510-1310-910-3010-3210-2810-4210-2010-3610-2510-5310-2810-8常 见 金 属 物 理 化 学 资 料3.重金属的化学沉淀第49页，共81页。 pH值是影响土壤中重金属迁移转化的重要因

5、素，土壤的pH值大多在58之间。酸性土壤的pH值可能小于4，碱性土壤的pH值则可高达11，在此条件下许多金属元素形成了难溶的氢氧化物。 按金属元素迁移与pH的关系，可以区分为下列情况：1）在pH6的活泼元素：Cu、Zn、Ni、Cr、Cd等；2）在pH7的活泼元素：V、As、Cr6+等。3）在广泛pH范围内活泼的元素：Li、Rb、Cs。第50页，共81页。（三）几种主要重金属在土壤中的迁移转化 1.汞的迁移转化 （1）汞的吸附特征 （2）汞的氧化还原特征 （3）汞的甲基化 2.镉的迁移转化 土壤中镉的迁移转化受PH和Eh的影响较大，当土壤偏酸性时，镉的溶解度增高；反之当土壤偏碱性时，镉的溶解度低

6、。第51页，共81页。 3.砷的迁移转化 影响土壤砷含量的是母岩、气候条件和土壤固砷能力有关的物质组成与数量以及土壤pH和Eh条件。 4.铬的迁移转化 土壤中铬的含量范围在10-150ppm，平均含量为40ppm。土壤中铬的迁移转化受Eh影响很大。强酸性土壤中不存在六价铬化合物，但在弱酸性与弱碱性条件下可能有六价铬化合物。土壤的六价铬可被土壤有机质还原为三价铬，除非在碱性氧化条件下，土壤中铬酸盐是不稳定的。第52页，共81页。第四节 化学农药对土壤的污染第53页，共81页。一、化学农药对环境的污染 随着日益增加的化学农药通过生产、运输、使用、废弃等不同环节大量进入环境和生态系统，产生了一些不良

7、后果：1.有机氯农药不仅对害虫有杀伤毒害作用，同时对害虫的“天敌”及传粉昆虫等益虫益鸟也有杀伤作用，因而破坏了生态平衡；2.长期使用同类型农药，使害虫产生了抗药性，因而增加了农药的用量和防治次数，也大大增加了防治费用和成本；3.长期大量使用农药，使农药在环境中逐渐积累，尤其是在土壤环境中，产生了农药污染环境问题。第54页，共81页。二、主要的农药类型 人工合成的化学农药，按化学组成可以分为有机氯、有机磷、有机汞、有机砷、氨基甲酸酯类等制剂；按农药在环境中存在的物理状态可分为粉状、可溶性液体、挥发性液体等；按其作用方式可有胃毒、触杀、熏蒸等。第55页，共81页。（一）有机氯类农药 该类农药是含氯

8、的有机化合物，大部分是含一个或几个苯环的氯素衍生物。最主要的品种是DDT和六六六，其次是艾氏剂、狄氏剂和异狄氏剂，氯丹七氯等。有机氯农药的特点是：化学性质稳定，在环境中残留时间长，短期内不易分解，易溶于脂肪中，并在脂肪中蓄积，长期使用是造成环境污染的最主要农药类型。第56页，共81页。（二）有机磷类农药 有机磷农药是含磷的有机化合物，有的也含硫、氮元素。其化学结构一般含有C-P链或C-O-P链、C-S-P链、C-N-P链等，大部分是磷酸酯类或酰胺类化合物。一般有剧烈毒性，但比较易于分解，在环境中残留时间短，在动植物体内，因受酶的作用，磷酸酯进行分解不易蓄积，因此常被认为是较安全的一种农药。 有

9、机磷农药根据毒性大小可分剧毒类、中毒类和低毒类三种。第57页，共81页。（三）氨基甲酸酯类农药 该类农药均具有苯基-N-烷基氨基甲酸酯的结构，与有机磷农药一样，具有抗胆碱酯酶作用，中毒症状也相同。但中毒机理有差别，是由对胆碱酯酶分子总体的弱可逆结合的抑制而引起的。在环境中易分解，在动物体内也能迅速代谢，而代谢产物的毒性多数低于其本身毒性，因此属于低残留的农药。 第58页，共81页。（四）除草剂（除莠剂） 除草剂具有选择性，只能杀伤杂草，而不伤害作物。最常用的除草剂有2，4-D和2，4，5-T及其脂类，它们能除灭许多阔叶草，但对许多狭叶草则无害，是一种调解物质。第59页，共81页。三、农药在土壤

10、中的迁移、降解及残留（一）农药污染土壤的主要途径 1.施用于田间的各种农药大部分落入土壤中，附着于植物体上的部分农药，也因风吹雨淋落入土壤中，这是造成土壤污染的主要原因。 2.使用浸种、拌种、毒谷等施药方式，或是将农药直接撒至土壤中，造成污染的累积。 3.近些年来采用喷射方法，如用飞机喷射，估计有50%以上的农药从叶面落到土壤，也有大量农药撒在或蒸发到空气中，它们粘附在飘尘上，随其流扩散。一旦降雨，农药随雨水降落到土壤中，造成土壤污染。第60页，共81页。（二）农药在土壤中的残留 1.影响农药在土壤中残留的因素 （1）化学农药性质的影响：农药本身的化学性质，如挥发性、溶解度、化学稳定性、剂型等

11、，有机氯农药挥发性小，但它们的蒸汽压和土壤中残留有一定关系。 （2）土壤性质的影响：a.农药在质地粘重和有机质含量高的土壤中存留时间较长；b.土壤pH值对有机磷农药影响比有机氯农药更敏感；c.土壤水分对农药残留的影响主要是因为水是极性分子，同农药竞争吸附位置，被胶体强烈吸附，在较干燥的的土壤中，与农药竞争吸附位置的水分子较少。 第61页，共81页。2.农药在土壤中的残留量：指土壤中的农药因降解等原因含量减少而残留在土壤中的数量，单位是mg/kg土壤，残留量R可用下式表示： R=Ce-kt c农药在土壤中初始含量 t农药在土壤中的衰减时间 k常数第62页，共81页。四、化学农药在土壤中的迁移转化

12、（一）土壤对化学农药的吸附作用 进入土壤的化学农药通过物理吸附、化学吸附、氢键结合和配价键结合等形式在土壤颗粒表面。 由于土壤中存在着一个由无机胶体、有机胶体以及有机-无机胶体组成的胶体体系，在酸性条件下，带正电荷，在碱性条件下带负电荷。第63页，共81页。土壤吸附农药的作用有以下途径：1.物理吸附：土壤胶体上扩散层的阳离子通过“水桥”吸附极性农药分子，如土壤胶体Ca2+O O=C2.物理化学吸附：因土壤胶体带有电荷，能吸附呈离子态的农药，凡是带R3H+、OH、CONH2、NH2COR、NHR、OCOR官能团的农药，都能增强被土壤吸附的能力，特别是带NH2的农药被土壤吸附能力更为强烈。HH第6

13、4页，共81页。 土壤胶体除通过交换作用对农药吸附外，还可借氢键将农药与胶体联系在一起，如： RNHO粘土矿物 CHO粘土矿物 RCOHO粘土矿物 RCOO粘土矿物OOR第65页，共81页。（二）化学农药在土壤中的挥发和扩散 土壤中的农药，在被土壤固相物质吸附的同时，还通过大气挥发和水的淋溶在土体中扩散迁移，因而导致大气、水和生物的污染。 化学农药在土壤中的挥发速度取决于农药本身的溶解度、蒸汽压和近地表的空气层的扩散速度。其他一些条件可通过影响这两个基本因素而影响挥发过程，这些条件包括温度、农药在地表的浓度、吸附强度、农药剂型、移动到地表空气间农药的转移率、蒸发潜热的供给，地表上方空气流动速度

14、等。第66页，共81页。（三）农药在土壤中的降解 1.光化学降解：指土壤表面接受太阳辐射能和紫外线光谱等能流而引起农药的分解作用。由于农药分子吸收光能，使分子具有过剩的能量，而呈“激发状态”。这种过剩的能量可以通过荧光或热等形式释放出来，使化合物回到原来状态，但是这些能量也可产生光化学反应，使农药分子发生光分解、光氧化、光水解或光异构化。第67页，共81页。 2. 化学降解：以水解和氧化最为重要，水解是最重要的反应过程之一。有人研究了有机磷水解反应，认为土壤pH和吸附是影响水解反应的重要因素，二嗪农在土壤中具有较强的水解作用，而且水解作用是受到吸附催化的。二嗪农的降解反应为： S S POR

15、POH+HORH2OH+或OH+RORORORO第68页，共81页。 3.微生物降解：土壤微生物对有机农药的降解起着重要的作用，土壤中的微生物，能够通过各种生物化学作用参与分解土壤中的有机农药。 由于微生物的菌属不同，破坏化学物质的机理和速度也不同，土壤中微生物对有机农药的生物化学作用主要有：脱氯作用、氧化还原作用、脱烷基作用、水解作用和破裂解作用等。第69页，共81页。 主要农药类型的降解：1.有机氯农药的降解： DDT是比较难降解的农药，但在土壤中仍能被某些微生物分解，特别在嫌气条件下更容易分解。2.有机磷类农药的降解： 有机磷类农药除了少数为除草剂以外，大部分都是对胆碱酯酶有抑制作用的杀

16、虫剂，它们在土壤中降解较快，其降解速度随土壤湿度、温度和酸度的增高而加快。第70页，共81页。3.氨基甲酸酯类农药的降解： 此类农药是有机农药中用途最广的一种农药，其中有除草剂、杀菌剂、杀虫剂、杀线虫剂、杀螨虫剂和杀螺剂在土壤中残留时间短，易被多种微生物分解。第71页，共81页。第五节 土壤环境污染的防治第72页，共81页。一、控制和消除土壤污染源（一）控制和消除工业“三废”排放 大力推广闭路循环，无毒工艺，以减少或消除污染物的排放。对工业“三废”进行回收处理，化害为利。对所排放的“三废”要进行净化处理，并严格控制污染物排放量和浓度，使之符合排放标准。第73页，共81页。（二）加强土壤污灌区的

17、监测和管理 对用污水进行灌溉的污灌区，要加强对灌溉污水的水质监测，了解水肿污染物质的成分、含量及其动态变化，避免带有不易降解的高残留的污染物随水进入土壤，引起土壤污染。第74页，共81页。（三）合理施用化肥和农药 禁止或限制使用剧毒，高残留性农药，大力发展高效、低毒、低残留农药，发展生物防治措施。禁止使用高残留的有机氯农药。根据农药特性，合理施用，制订使用农药的安全间隔期。采用综合防治措施，既要防治病虫害对农作物的威胁，又要做到既高效又经济地把农药对环境和人体健康的影响限制在最低程度。同时，为保证农业的增产，合理施用化学肥料是必需的，但施用过量也会造成土壤或地下水的污染。第75页，共81页。（

18、四）增加土壤容量和提高土壤净化能力 增加土壤有机质含量、砂掺粘改良砂性土壤，以增加和改善土壤胶体的种类和数量，增加土壤对有害物质的吸附能力和吸附量，从而减少污染物在土壤中的活性。发现、分离和培养新的微生物品种， 以增强生物降解作用，是提高土壤净化能力的极为重要的一环。第76页，共81页。二、防治土壤污染的措施（一）施加抑制剂 施用重金属吸收抑制剂，即向土壤施加改良性抑制物，使它与重金属污染物作用生成难溶化合物，降低重金属在土壤及植物体内的迁移能力。第77页，共81页。（二）控制土壤氧化-还原状况 控制土壤氧化还原条件，也是减轻重金属污染危害的重要措施。 重金属元素均能与土壤中的H2S反应生成硫化物沉淀，因此，加强水浆管理，可有效地减少重金属的危害。第78页，共81页。（三）改变耕作制度 通过土壤耕作改变土壤环境条件，可消除某些污染物的危害。旱田改水田，DDT和六六六在旱田中的降解速度慢，积累明显；在水田中DDT的降解速度加快，利用这一性质实行水旱轮作，是减轻或消除农药污染的有效措施。第79页，共81页。（四）客土深翻 污