土壤环境污染与防治

土壤环境污染与防治1第一节土壤形成、组成和作用第二节土壤的污染与退化第三节土壤污染防治与修复主要内容第一节土壤形成、组成和作用3一、土壤的形成风化作用岩石母质土壤成土过程土壤是地球陆地表面具有肥力、能够生长植物的疏松表层，是由岩石经风化发育而成的历史自然体。

4岩石氧和硅为岩石的主要成分，两者占其组成的75%以上，其中氧占约一半，而作为植物所需要的营养元素不仅含量少，而且都以难溶化合物的形态封闭在坚硬的岩石中，处于分散状态，故此需经历一个质变过程，亦即岩石的破碎分解，直至形成母质。5岩石的风化岩石外界因素岩石本身的成分与性质改变岩石破碎6风化作用物理风化化学风化生物风化7物理风化岩石受物理因素作用而逐渐崩解破碎的过程特点：只能引起岩石形状、大小的变化，而不能改变其矿物组成与化学成分。成因：地球表面温度的变化；冰冻的挤压；风；冰川等自然动力的磨蚀；植物根系的穿插。8化学风化岩石受化学因素作用而引起的破坏过程。特点：不仅是已破碎的岩石进一步变细，同时使岩石发生矿物组成和化学成分的改变，产生新的物质。成因：溶解；水化作用；水解作用；氧化作用。9岩石在生物的作用下引起的破坏过程。成因：机械破碎；生物化学作用。生物风化10地质大循环：岩石

风化产物岩石生物小循环：无机养分生物无机养分土壤的形成是上述两个循环相互作用的结果土壤的形成是成土过程与风化作用交织在一起，同时进行的。成土过程11成土过程的主要影响因素母质构成土壤矿物质的基本材料提供植物必需的养料元素气候

影响土壤中的物理、化学、生物作用的方向与进程生物

只有在母质的基础上出现了生物之后，土壤才能形成12地形

影响热量及水的重新分配；影响母质的分配时间

时间越长，土壤性质的变化越大

母质是物质基础；气候中的热量因素是土壤能量的最基本来源；生物将无机物变成有机物，将太阳能转化为生物化学能，从而改造了母质，形成了土壤；地形通过对地表物质和能量再分配，间接地影响土壤的形成过程；时间是一个条件，任何一个空间因素或者综合作用的效果随时间的增长而加强。13二、土壤的物质组成土壤固∶液∶气三相的比示意图土壤固相土壤液相土壤气相(15%~35%V)土壤矿物质(95%)土壤有机质(1-10%)原生矿物质(90%)次生矿物根须土粒上的吸附水土粒土壤空隙被水饱和的土壤生物体昆虫、线虫、节肢动物微生物14岩石中含有约3000余种矿物，但与土壤有关的不过数十种，按其起源分为原生矿物和次生矿物。石英、长石类、云母类、辉石、角闪石、橄榄石、赤铁矿、磁铁矿、磷灰石、黄铁矿……原生矿物次生矿物简单盐类(方解石、白云石、石膏、泻盐等)、三氧化物类（针铁矿、褐铁矿）、次生铝硅酸盐（伊利石、蒙脱石、高岭石）类……15原生矿物次生矿物赤铁矿石英金红石方解石石膏白云石次生硅酸盐粘土矿物的类型和性质硅四面体四面体片

1.土壤的组成和性质17次生硅酸盐粘土矿物的类型和性质铝八面体八面体片

1.土壤的组成和性质18高岭石的特点四面体片与八面体片通过共用氧原子结合成一个晶片，晶片间以氢键相连，水化时基本不膨胀。

1.土壤的组成和性质19蒙脱石的特点两个四面体片夹一八面体片组成一个晶片，八面体片中，部分Mg取代Al而使层片带负电，多余电荷由层间阳离子中和。水化时膨胀严重。

1.土壤的组成和性质20三种主要粘土矿物的特性比较蒙脱石类水云母类高岭石类颗粒大小(

m)0.01~1.00.1~2.00.1~5.0形状不规则片状不规则片状六角形片状外表面大中等较小内表面很大中等无比表面积(m2/g)700~800100~1205~20粘结性，可塑性强中等弱胀缩性强中等弱阳离子交换量(cmol(+)/kg)60~10015~403~1521来源：各种动植物、微生物残体及人畜粪便。类型：非腐殖物质：碳水化合物；有机酸；木质素等。腐殖质：结构复杂，是微生物作用下形成的性质稳定的新的高分子化合物。其形成分两个阶段：首先产生构成腐殖质主要成分的原始材料；将上述原始材料通过缩合与聚合作用，形成腐殖质的单体分子。一般占有机质的85%~90%。

有机质22不同生态系统下土壤有机质的含量净初级生产力(MgC/hay)植物生物量(MgC/ha)SOM(MgC/ha)23来源：各种动植物、微生物残体及人畜粪便。类型：非腐殖物质：碳水化合物；有机酸；木质素等。

腐殖质：结构复杂，是微生物作用下形成的性质稳定的新的高分子化合物。其形成分两个阶段：首先产生构成腐殖质主要成分的原始材料；将上述原始材料通过缩合与聚合作用，形成腐殖质的单体分子。一般占有机质的85%~90%。

有机质土壤有机质的形成14325胡敏素(Humin)：不溶于有机溶剂、稀酸和稀碱液的有机高分子化合物。胡敏酸(Humicacid)：溶于稀碱，但不溶于稀酸的棕至褐色的天然有机高分子化合物。富里酸(Fulvicacid)：土壤中既能溶于稀碱又能溶于稀酸的黄棕色天然有机高分子化合物。

腐殖质的组分分子大小：胡敏素>胡敏酸>富里酸26腐殖质的分子结构非单一的纯有机化合物，而是大分子非均一缩聚物。

27土壤腐殖质的作用土壤养分的重要来源促进土壤养分有效化形成土壤结构吸附污染物，减轻污染其它土壤水主要来自降水，同时还有灌溉水和地下水。形态分为固态水、液态水和气态水。液态水：吸湿水、膜状水、毛管水、重力水。土壤空气CO2高于大气十到数百倍，氧气仅占10%左右。土壤水与空气土壤生物的种类和数量生物种类表土层（15cm）中数量（个/m2）生物种类表土层（15cm）中数量（个/m2）微生物细菌1013~1014动物原生动物109~1010放线菌1012~1013线虫类106~107真菌1010~1011蚯蚓30~300藻类109~1010其他动物103~10530土壤中细菌的形状形状多为棒状或杆状土壤中的原生动物纤毛虫变形虫鞭毛虫土壤中的节肢动物三、土壤的结构和环境特性土壤的结构形态结构土壤的环境特性土壤胶体酸碱性（pH值）缓冲性氧化还原状况

矿物质是以粗细不同的颗粒形式存在的，即通常说的土壤颗粒。按粒径大小，土粒分为石砾、沙粒、粉粒和粘粒。土粒的大小与土壤矿物成分土壤化学成分密切相关。粘粒以上主要由各种原生矿物组成，以石英最多，还有长石、云母等原生硅酸盐矿物；粘粒中原生矿物很少，基本上为次生矿物。土壤颗粒35土粒分级粒级颗粒直径（mm）土粒比表面增长（倍）石砾大砾石20~6小砾石6~2粗砂2~0.610砂粒细砂0.6~0.2极细砂0.2~0.06100砂质粉砂0.06~0.02粉粒中粉砂0.02~0.00610000细粉砂0.006~0.002粘粒粘粒<0.002100000胶体<0.0002100000036☼我国土壤质地分类标准（3级分类法），中国科学院南京土壤研究所，针对我国南、北方土壤质地名称和差异，综合划分为3类11级。土壤质地和土壤团聚结构土壤是由各种大小不同的土粒组合而成，各粒级土粒在土壤中的相对比例（质量百分数）称为土壤质地,又称土壤机械组成或称土壤的颗粒组成。土壤质地分类标准各个国家不统一，常用的有以下三类分法：

——国际土壤质地分类标准

——卡庆斯基土壤质地分类标准

——我国土壤质地分类标准我国土壤质地分类标准土壤中的矿物质颗粒，在大多数情况下不是以单粒状态存在，而是互相粘聚或者被胶结成大小、形状、性质不同的土片、土块、土团甚至团聚体。土壤团聚体的形状：块状及棱块状，柱状及棱柱状，片状，单粒结构及团粒结构。土壤的形态结构39土壤团聚体的形状

粒状

柱状

块状片状块状单粒状形成机制土粒的粘聚粘粒的凝聚作用有机质的胶结作用难溶性化合物的胶粘作用水膜的粘结作用土壤结构的成型生物作用干湿交替冻融交替耕作作用41土壤环境特性（一）土壤的吸附特性（土壤胶体）土壤胶体的结构:胶核二氧化硅，氧化铁铝，次生硅酸盐，

腐殖质决定电位离子层胶核表面分子解离成为

离子，或从溶液中吸收某种离子而成补偿离子层胶团间溶液42土壤胶体种类土壤无机胶体含水氧化硅胶体，含水氧化铁铝胶体，水铝英石，粘土矿物土壤有机胶体有机无机复合体43土壤胶体的性质(1)土壤胶体具有巨大的比表面和表面能

(2)土壤胶体具有带电性同晶置换：

Al3+取代硅氧片中的Si4+；Mg2+取代水铝片中的Al3+

永久性负电荷。表面分子解离：—OH,—H2O

断键：Si－O－、Al－O－表面分子吸附：

H+，PO43-(3)土壤胶体的凝聚性和分散性44酸的产生生命活动土壤溶液中活性铝的作用吸附态氢离子和铝离子的作用碱的产生土壤中大量存在的碱金属的水解（二）土壤酸碱性根据土壤中H＋的存在方式，土壤酸度可分为活性酸度和潜在酸度两大类型。(1)活性酸度：土壤活性酸度是自由扩散到土壤溶液中H＋浓度的直接反映出来的酸度。因此，氢离子的浓度越大，活性酸的酸度越强。通常用pH表示活性酸，这是一个强度指标。(2)潜性酸度：土壤潜性酸度是由于土壤胶体吸附的H+和Al3+所造成的。这两种致酸离子只有在通过离子交换作用进入土壤溶液时，产生了H+离子，才显示出酸性，所以它们是土壤酸度的潜在来源，故称之为潜性酸。1．土壤酸度土壤的碱性反应是在土壤溶液中OH－离子浓度超过H+离子浓度时反映出来的。土壤溶液之所以出现碱性反应，是由于土壤溶液中存在有水解性的弱酸强碱盐类，其中最多的弱酸根是碳酸根和碳酸氢根。2．土壤碱度把少量的酸或碱加到土壤中，其pH值的变化不大，土壤这种对酸碱度变化的抵抗能力，称为土壤的缓冲性能或缓冲作用。它可以保持土壤反应的相对稳定，为植物生长和土壤生物的活动创造比较稳定的生活环境，所以土壤的缓冲性能是土壤的重要性质之一。土壤胶体和土壤溶液中的酸碱缓冲体系。3．土壤的缓冲性能（三）土壤的氧化还原性土壤中的氧化还原体系：铁体系Fe(Ⅲ)+e↔Fe(Ⅱ)锰体系Mn(Ⅳ)+2e↔Mn(Ⅱ)硫体系SO42–+8e+10H+↔H2S+4H2O氮体系

NO3—+2e+2H+

↔

NO2—+H2ONO3－+5e+6H+↔1/2N2+6H2ONO3－+8e+10H+↔NH4++3H2O有机碳体系

CO2+8e+8H+

↔

CH4+2H2O土壤的氧化还原电位（Eh）

根据土壤的Eh值可以确定土壤中有机物和无机物可能发生的氧化还原反应和环境行为。土壤的Eh值＞700mV，土壤完全处于氧化条件下，有机物质会迅速分解；Eh400~700mV：土壤中氮素主要以NO3－形式存在；Eh＜400mV时：反硝化开始发生；Eh＜200mV时，NO3－开始消失，出现大量的NH4+。当土壤渍水时，Eh值降至－100mV，Fe2+浓度就会超过Fe3+；Eh值再降低，＜－200mV时，H2S大量产生，Fe2+就会变成FeS沉淀，其迁移能力降低。土壤在地理环境中的位置四、土壤的功能和作用51两大功能：肥力功能支撑作用水、热、气、肥净化功能纳污场所污染物净化能力第二节土壤的污染与退化53一、土壤的污染（一）概念1、土壤环境背景值未受或很少受人类活动，特别是人为污染影响的土壤化学元素的自然含量。

→判断土壤是否污染的依据之一；→确定环境基准的依据之一；→确定土壤环境容量的依据。2、土壤环境容量：在保证土壤正常功能下，土壤所能容纳污染物的最大负荷量。3、土壤的自净能力土壤通过对有机无机物的吸附固定作用，使得污染物通过土壤后减轻了毒害，即为土壤的自净作用。作用方式：物理、化学、生物反应。作用结果：有些污染物在土壤中蓄积起来；有些被转化而降低，或消除了活度与毒性。（二）土壤污染的概念和特点1、定义：进入土壤的污染物超过土壤的自净能力，对土壤、动植物造成损害时的状况，成为土壤污染。2、判断标准：（1）背景值（2）土壤环境质量标准（3）植物污染物含量及受害状况（4）土壤生物指标：微生物、酶类重庆市土壤重金属背景值(mg/kg)项目铬汞砷镍锌镉铅铜铁锰背景值49.080.046.9937.3878.220.1423.5222.87//级别土壤pH值一级二级三级项目自然背景<6.56.5～7.5>7.5>6.5镉≤0.200.300.601.0

汞≤0.150.300.501.01.5砷水田≤1530252030旱地≤1540302540铜农田等≤3550100100400果园≤—150200200400铅≤35250300土壤环境质量标准（GB15618－1995）一级标准为保护区域自然生态，维持自然背景的土壤环境质量的限制值。

二级标准为保障农业生产，维护人体健康的土壤限制值。

三级标准为保障农林业生产和植物正常生长的土壤临界值。1）不可逆转性

重金属对土壤的污染基本上是一个不可逆转的过程，许多有机化学物质的污染也需要较长的时间才能降解。譬如：被某些重金属污染的土壤可能要100～200年时间才能够恢复。3）难治理

积累在污染土壤中的难降解污染物则很难靠稀释作用和自净化作用来消除。2）隐蔽性和滞后性

土壤环境污染往往要通过对土壤样品进行分析化验和对农作物的残留量检测以及对摄食的人或动物的健康检查才能揭示出来，从遭受污染到产生“恶果”往往需要一个相当长的过程。3.土壤污染的特点4）累积性

污染物质在大气和水体中，一般都比在土壤中更容易迁移。这使得污染物质在土壤中并不象在大气和水体中那样容易扩散和稀释，因此容易在土壤中不断积累而超标，同时也使土壤污染具有很强的地域性。5）后果严重危害食品安全和人体健康。1、污染物的种类无机污染物：重金属、放射元素、盐、碱、酸等有机污染物：农药、酚、石油等2、污染源化肥、农药污水灌溉固体废物（含放射性物质）大气沉降（三）土壤污染源土壤主要污染物及其来源污染物种类主要来源无机污染物重金属汞（Hg）制碱、汞化合物生产等工业废水和污泥，含汞农药，金属汞蒸汽镉（Cd）冶炼、电镀、染料等工业废水，污泥和废气，肥料杂质铜（Cu）冶炼、铜制品生产等废水、废渣和污泥，含铜农药锌（Zn）冶炼、镀锌、纺织等工业废水，污泥和废渣，含锌农药，磷肥铬（Cr）冶炼、电镀、制革、印染等工业废水和污泥铅（Pb）颜料、冶炼等工业废水，汽油防爆剂，农药镍（Ni）冶炼、电镀、炼油、染料等工业废水和污泥砷（As）硫酸、化肥、农药、医药、玻璃等工业废水、废气，含砷农药硒（Se）电子、电器、油漆、墨水等工业排放物放射元素铯（137Cs）原子能、核动力、同位素生产等工业废水和废渣，核爆炸锶（90Sr）原子能、核动力、同位素生产等工业废水和废渣，核爆炸其它氟（F）冶炼、氟硅酸钠、磷酸和磷肥等工业废气，肥料碱纸浆、纤维、化学等工业废水酸硫酸、石油化工、酸洗、电镀等工业废水，大气酸沉降氰化物电镀、冶金、印染等工业废水，肥料有机污染物有机农药农药生产和使用酚炼油、合成苯酚、橡胶、化肥、农药等工业废水多环芳烃石油、炼焦等工业废水、废气石油类石油开采，炼油，泄漏表面活性剂城市污水，机械工业有害微生物厩肥，城市污水、污泥1、作物减产、品质下降2、危害人体健康食物链、空气质量3、长期面污染源水体、大气（三）土壤污染的危害（P97-99）（四）主要污染物在土壤中的迁移转化1、农药

绝大多数为有机化合物，易为土壤微生物、土壤酶所分解，主要通过脱氯、脱烷基、苯环破裂、氧化还原、水解作用等使分子简单化。农药的挥发性使它通过土壤孔道散失。2、重金属（P99-101）

机械迁移:(包裹、吸附、随土壤水分迁移或土壤空气转化，如Hg）

化学，物理化学，生物转化迁移：(吸附与解离，氧化与还原，络合，螯合等，动植物迁移，富集）

形态分级：可溶态、吸附态、有机结合态、碳酸盐结合态、铁锰氧化物结合态、残余态等。

难以移出土壤，形态和有效性随土壤环境条件而异，表土或亚表土累积，很难迁入底层。二、土壤退化水土流失土壤风蚀和沙漠化、石漠化土壤盐碱化（一）荒漠化1、荒漠化的概念荒漠化是包括气候变异和人类活动在内的种种因素所造成的干旱、半干旱和亚湿润干旱地区的土地退化。

2、荒漠化的现状3、荒漠化的成因

1、自然因素

2、人为因素（1）土地资源利用不合理（2）植被资源不合理利用（3）干旱、半干旱地区水资源利用不合理（4）不合理耕作及粗放管理（5）其他人类活动4、荒漠化的危害

1、土地的生产潜力衰退

2、土地生产力下降

3、草场质量下降

4、对环境造成污染和破坏

（二）水土流失

在水力和风力作用下，地表物质发生剥蚀、迁移或沉积的过程。1、水土流失的原因自然因素——条件人为因素——催化剂2、水土流失的危害

（1）破坏土壤肥力、危害农业生产；（2）影响工矿、水利和交通等建设工作；（3）威胁群众生命财产安全，造成经济损失。3、水土流失的防治（1）保护现有亚热带和热带森林，严禁毁林开荒、开垦草原为农田等；（2）进行工矿建设，必须进行生态环境影响评价，提出防止水土流失的措施，工矿建设和保护生态环境的措施必须同步进行；（3）保护好现有森林，大力植树造林，兴建防护林体系工程来控制水土流失面积的蔓延。（三）土壤盐渍化土壤盐渍化1、形成原因（1）气候方面的原因；（2）地形方面原因；（3）水文地质方面的原因；（4）海洋；（5）不合理的灌溉活动。三、土壤盐渍化2、改良措施（1）水利改良（2）生物改良（3）化学改良第三节土壤污染防治与修复一、土壤污染源的控制首先要弄清楚污染源；然后采取切实有效的措施切断污染源，这是防止土壤遭受污染的最基本也是最重要的原则。

二、土壤污染的治理与修复（一）工程措施1、客土法2、清洗法3、隔离法4、热解法5、电化学法（二）农业措施调节土壤pH、Eh；改变耕作制度；选择抗性品种；合理施肥（有机肥）。（三）施用改良剂1.抑制剂与拮抗剂：

CaCO3、CaSO4、腐殖酸、有机肥、磷酸盐、锌肥2.吸附剂：蒙脱石；3.活化剂+生物法（或淋洗法）：

EDTA、表面活性剂等

（四）生物修复技术1、微生物修复微生物以有机污染物作为碳源；生物吸附与生物氧化还原。2、植物修复

利用植物吸收、挥发、转化与降解消除土壤有机与无机污染。

土壤生物修复：利用生物的生命代谢活动，减少土壤环境中有毒有害物质的浓度或使其完全无害化，使污染的土壤环境能部分或全部恢复到初始状态。MethylationVolatilizationImmobilizationTranslocationUptakeAccumulationPHYTO-/BIO-VOLATILIZATIONPHYTOIMMOBILIZATIONPHYTOEXTRACTIONPhytoremediation植物固定化作用植物萃取生物挥发砷、汞OHOHPlantdetectstoxicantChangeinrootexudationExudatesExudatesstimulatemicrob