1污染物在土壤中的迁移转化

1、第四章 土壤环境化学一一污染物在土壤中的迁移转化本节内容要点：土壤污染源、主要污染物，氮和磷的污染及其迁移转化，土 壤的重金属污染及其迁移转化，土壤的农药污染及其迁移转化，土壤中温室气体 的释放、吸收及传输等。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 象即为土壤污染。土壤与水体和大气环境有诸多不同， 它在位置上较水体和大气 相对稳定，污染物易于集聚，故有人认为土壤是污染物的“汇”0污染物可通过各种途径进入土壤。若进入污染物的量在土壤自净能力范围 内，仍可维持正常生态循环。土壤污染与净化是两个相互对立又同时存在的过程。 如果人类活动产生的污染物进入土壤的数量与速度超过

2、净化速度，造成污染物在土壤中持续累积，表现出不良的生态效应和环境效应，最终导致土壤正常功能的 失调，土壤质量下降，影响作物的生长发育，作物的产量和质量下降，即发生了 土壤污染。土壤污染可从以下两个方面来判别：（1）地下水是否受到污染；（2）作物生长是否受到影响。土壤受到污染后，不仅会影响植物生长，同时会影响土壤内部生物群的变化 与物质的转化，即产生不良的生态效应。土壤污染物会随地表径流而进入河、湖, 当这种径流中的污染物浓度较高时， 会污染地表水。例如，土壤中过多的 N、P, 一些有机磷农药和部分有机氯农药、酚和氟的淋溶迁移常造成地表水污染。因此, 污染物进入土壤后有可能对地表水、地下水造成次

3、生污染。土壤污染物还可通过 土壤 植物系统，经由食物链最终影响人类的健康。如日本的“痛痛病”就是土 壤污染间接危害人类健康的一个典型例子。1）土壤污染源土壤污染源可分为人为污染源和自然污染源。人为污染源：土壤污染物主要是工业和城市的废水和固体废物、 农药和化肥、 牲畜排泄物、生物残体及大气沉降物等。污水灌溉或污泥作为肥料使用，常使土 壤受到重金属、无机盐、有机物和病原体的污染。工业及城市固体废弃物任意堆 放，引起其中有害物的淋溶、释放，也可导致土壤及地下水的污染。现代农业大 量使用农药和化肥，也可造成土壤污染。例如，六六六、DDT等有机氯杀虫剂 能在土壤中长期残留，并在生物体内富集；氮、磷等化

4、学肥料，凡未被植物吸收 利用和未被根层土壤吸附固定的养分， 都在根层以下积累，或转入地下水，成为 潜在的环境污染物。禽畜饲养场的厩肥和屠宰场的废物， 其性质近似人粪尿，利 用这些废物作肥料，如果不进行适当处理，其中的寄生虫、病原菌和病毒等可引 起土壤和水体污染。大气中的二氧化硫、氮氧化物及颗粒物通过干沉降或湿沉降 到达地面，可引起土壤酸化。自然污染源：在某些矿床或元素和化合物的富集中心周围，由于矿物的自然分解与风化，往往形成自然扩散带，使附近土壤中某些元素的含量超出一般土壤 的含量。土壤污染按性质可分为化学污染源、物理污染源和生物污染源，其污染源十 分复杂。土壤的化学污染最为普遍、严重和复杂。

5、2) 土壤的主要污染物土壤污染物种类繁多，总体可分以下几类：(1)无机污染物，包括对动、植物有危害作用的元素及其无机化合物， 如镉、汞、铜、铅、锌、锲、神等重金属；硝酸盐、硫酸盐、氟化物、可溶性碳酸盐等化合物也是常见的土壤无机污染物；过量使用氮肥或磷肥也会造成土壤污染。(2)有机污染物，包括化学农药、除草剂、石油类有机物、洗涤剂及酚类等。其中农药是土壤的主要有机物，常用的农药约有 50种。(3)放射性物质，如137葩、90锹等。(4)病原微生物，如肠道细菌、炭疽杆菌、肠寄生虫、结核杆菌等。3)氮和磷的污染与迁移转化氮、磷是植物生长不可缺少的营养元素。农业生产过程中常施用氮、磷化学肥料以增加粮食

6、作物的产量，但过量使用化肥也会影响作物的产量和质量。 此外，未被作物吸收利用和被根层土壤吸附固定的养分，都在根层以下积累或转入地下水，成为潜在的环境污染物。氮污染：农田中过量施用氮肥会影响农业产量和产品的质量，还会间接影响人类健康，同时在经济上也是一种损失。施用过多的氮肥，由于水的沥滤作 用，土壤中积累的硝酸盐渗滤并进入地下水； 如水中硝酸盐含量超过4.5闻/ml , 就不宜饮用。蔬菜和饲料作物等可以积累土壤中的硝酸盐。 空气中的细菌可将烹 调过的蔬菜中的硝酸盐还原成亚硝酸盐， 饲料中的硝酸盐在反刍动物胃里也可被 还原成亚硝酸盐。亚硝酸盐能与胺类反应生成亚硝胺类化合物，具有致癌、致畸、 致突变

7、的性质，对人类有很大的威胁。硝酸盐和亚硝酸盐进入血液，可将其中的 血红蛋白Fe2+氧化成Fe3+ ,变成氧化血红蛋白，后者不能将其结合的氧分离供 给肌体组织，导致组织缺氧，使人和家畜发生急性中毒。止匕外，农田施用过量的 氮肥容易造成地表水的富营养化。土壤表层中的氮大部分是有机氮，占总氮的 90%。土壤中的无机氮主要有氨氮、亚硝盐氮和硝酸盐氮，其中钱盐（NH4+）、硝酸盐氮（NO3-）是植物摄取的主要形式。除此以外，土壤中还存在着一些化学 性质不稳定、仅以过渡态存在的含氮化合物，如N2O、NO、NO2及NH2OH、HNO2。尽管某些植物能直接利用氨基酸，但植物摄取的几乎都是无机氮，说明 土壤中氮

8、以有机态来储存，而以无机态被植物所吸收。显然，有机氮与无机氮之 间的转换是十分重要的。有机氮转变为无机氮的过程叫做矿化过程。 无机氮转化 为有机氮的过程称为非流动性过程。这两种过程都是微生物作用的结果。研究表 明，矿化的氮量与外部条件如温度、酸度、氧及水的有效量、其他营养盐等有关。以下简单介绍土壤中氮的迁移转化过程。假定有机氮完全被截留在土壤中达一定的深度，那么氮的迁移主要是指经过矿化过程以后的氮及加到表层土中的 无机氮，并假定污水的次生流出物 90%95%的氮是NH4+,污水中可能存在 天然肥料或腐败物质。（1）在碱性条件下，进入土壤中NH4 +转变成NH3,挥发 至大气中，由于多数植物可吸

9、收利用 NH4+,也使一部分氮从土壤中迁出。（2） 被土壤胶体吸附，NH4+可通过离子交换作用被土壤中的黏土矿物或腐殖质吸附。 硝化作用，如果土壤中有足量的含氮有机物、足量的氧、适量的碳源及必要 的湿度和温度条件，就能产生硝化作用，使 NH4+逐渐转化为NO2-、NO3-。提 高了氮的流动性，使之易进入土壤深处，除非被某些植物的根吸收而被截止。 土 壤中硝酸盐的含量与土的深度和雨量有关。 雨量愈小，土壤表层中的硝酸盐含量 愈高；在土壤深处，硝酸盐含量迅速减少。（4）去氮作用，包括化学和微生物去 氮作用。去氮作用要有足够的能源，并有还原性物质存在；温度、 pH对去氮作 用也很重要。例如，25 c

10、以下去氮作用速度便减小，至 2c时便趋于零；pHCd CrPb CoCu,其中Hg2+、Ag +对微生物的毒性最强；通常浓度在1 g/g时，就 能抑制许多细菌的繁殖；土壤中重金属对微生物的抑制作用对有机物的生物化学 降解是不利的。（3）影响人体健康。土壤重金属可通过下列途径危及人体和牲畜 的健康：（a）通过挥发作用进入大气；如土壤中的重金属经化学或微生物的作用 转化为金属有机化合物（如有机神、有机汞）或蒸气态金属或化合物（如汞、氢化 神）而挥发到大气中；（b）受水特别是酸雨的淋溶或地表径流作用，重金属进入地表水和地下水，影响水生生物；（c）植物吸收并积累土壤中的重金属，通过食物 链进入人体。土

11、壤中重金属可通过上述三种途径造成二次污染， 最终通过人体的 呼吸作用、饮水及食物链进入人体内。应当指出，经由食物链进入人体的重金属， 在相当一段时间内可能不表现出受害症状， 但潜在危害性很大。总之，重金属污 染不仅影响土壤的性质，还可影响植物生长乃至人类的健康。 土壤中重金属存在形态及其转化土壤中重金属对植物的影响主要通过吸收累积，从而抑制其生长并造成重 金属在植物体内残留。重金属在土壤植物系统中的迁移过程与重金属的种类、存在形态及土壤的类型、物理化学性质、植物的种类有关。不同的重金属形态在土 壤中往往有不同环境化学行为及生态效应。重金属进入土壤后，可以可溶性自由态或络离子的形式存在于土壤溶液

12、中； 重金属主要被土壤胶体所吸附，或以各种难溶化合物的形态存在。 因此，土壤中 重金属总量并不能反映植物对金属吸收的有效性。重金属在土壤植物系统中的 迁移与重金属的性质和土壤的物理化学性质有关，还与环境条件（如耕作状况、灌溉用水性质等）有关。例如，稻田灌水时，氧化还原电位明显降低，重金属可 以硫化物的形态存在于土壤中，植物难以吸收；而当排水时，稻田变成氧化环境， S2-转化为SO42一,重金属硫化物可转化为较易迁移的可溶性硫酸盐，被植物吸 收。不同的重金属形态对生物的毒性差异很大。因此，土壤中重金属形态的转化及影响因素对控制重金属的生物有效性具有重要意义。 例如，硒是生命必需元素， 土壤缺硒会

13、引起人体克山病、大骨节病；高硒又可使人、畜中毒。土壤中硒多以 硒酸盐、亚硒酸盐、元素硒、硒化物及有机硒化合物等多种形态存在；但在土壤 溶液中主要存在形态是亚硒酸盐， 其他形态的硒通过氧化、水解或还原作用均可 转变为稳定的亚硒酸盐；土壤pH、pE、黏土矿物和铁、铝水合氧化物以及有机 质都会直接影响土壤硒对植物的有效性。 研究表明，在低硒土壤中施用亚硒酸盐 可增加植物对硒的吸收，但亚硒酸盐易被黏土矿物复合体吸收， 与铁、铝氧化物 形成难溶盐，大大减少硒对植物的有效性。因此，了解硒在土壤中的存在形态及 其转化，就可采取相应措施为解决土壤缺硒和改变高硒土壤提供科学依据。土壤酸碱性是土壤的重要物理化学性

14、质之一，它随土壤矿物组成和有机成 分而变，但保持着一恒定的pH值。由于酸雨导致土壤酸化，从而影响金属在土 壤中的存在形态。研究表明，土壤酸化的直接后果是铝离子增多， 致使植物生长 受到影响，还能从土壤胶体中置换出其他它碱性阳离子， 使之遭受淋溶损失，而 加速土壤酸化、淋溶。人为灌溉也可引起土壤酸化。 土壤酸化可引起重金属存在 形态的变化，从而影响重金属在土壤中的迁移转化及生物效应。目前常采用两种方法进行金属形态研究，即利用各种合适的化学试剂提取土 壤中的金属，或测定在此土壤上生长的植物中的金属含量， 并寻找这两者之间的 相关性。前一种方法人为影响因素较多，后一种方法与环境条件、作物生长期等 关系密切，故所获结果难以相互比较。近年来，计算机程序，如