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1、人类生产活动与地理环境,土壤污染,1,t课件,在陕西代表团审议现场，李克强举着信说“信在这儿，我已经批示了”。,谁攻克雾霾形成机理 重奖谁,国内经济经过多年的高速发展，摆脱贫困的同时造成了水、空气、土壤等的严重污染。因此修复污染产地、改善土壤污染管理势在必行，土壤污染治理的迫切也预示着土壤修复市场规模的庞大。数据显示，我国严重土壤污染区就达320个，约548万公顷。此外，我国至少还有近3000万公顷的污染土地，包括接近2000万公顷耕地受重金属污染，500万公顷土地受石油污染，200万公顷土地受矿区污染，5万公顷土地受固体废弃堆放污染。,2,t课件,民以食为天，食以土为本万物土中生，有土斯有财
2、,3,t课件,土壤：地球的皮肤,4,t课件,土壤的环境健康学意义,5,t课件,（1）农民和农业科学工作者：土壤是植物生长的介质。（2）水利学家：土壤是贮水和输水的多孔介质。（3）工程专家：土壤是承受高强度压力的基地或工程材料的来源。（4）环境科学家：土壤是重要的环境因素，环境污染物的缓冲带和过滤器。（5）地质学家：土壤是地球陆地表面的一个疏松的薄层，主要是近代地质作用所形成的地壳风化产物。,一、土壤的概念,6,（6）生态学家：从生物地球化学观点出发，认为土壤是地球表层系统中，生物多样性最丰富，生物地球化学的能量交换、物质循环（转化）最活跃的生命层。（7）土壤学家：土壤有着自己发生发展和长期演变
3、的历史，土壤是由岩石风化形成的母质在生物等因素的参与下逐渐形成的，是自然界中一个独立的历史自然体。,简明定义： 能产生植物收获的地球陆地表面的疏松层次。,7,土壤是地球表面生物、气候、母质、地形、时间等因素综合作用下所形成的、可供植物生长的一种复杂的生物地球化学物质；与形成它的岩石和沉积物相比，具有独特的疏松多孔结构，化学和生物学特性；它是一个动态生态系统，为植物生长提供了机械支撑、水分、养分和空气条件；支持大部分微生物群体的活动，来完成生命物质的循环；维持着所有的陆地生态系统，其中通过供给粮食、纤维、水、建筑材料、建设和废物处理用地，来维持人类的生存发展；通过滤掉有毒的化学物质和病原生物体，
4、来保护地下水的水质，并提供了废弃物的循环场所和途径或使其无害化。,综合定义：,8,土壤圈的地位(position of pedosphere),气圈Gas-sphere,岩石圈Rocky-sphere,水圈Water sphere,生物圈Biosphere,土壤圈pedosphere,金属与微量元素物质循环,生物养分 物质循环,水分循环 与平衡,土壤圈是覆盖于地球和浅水域底部的土壤所构成的一种连续体或覆盖层，它是地圈系统的重要组成部分。,土壤圈,9,土壤学 (Soil Science ),土壤圈 (Pedosphere),土壤圈(Pedosphere)内涵 ,气圈,水圈,岩石圈,生物圈,土壤圈
5、,Pedosphere,Atmosphere,Hydro-sphere,Biosphere,Lithosphere,特性 ：,1永恒的物质循环与能量交换；2最活跃最富生命力的圈层；3对环境的交互作用(净化-污染)；4记忆块与基因库；5时空变化。,土壤圈层及其界面研究,10,气 圈 （空气迁移）,水 圈（水过程）,生 物 圈（生物过程）,岩石圈（风化过程）,物质的组成、性质、结构,物质的平衡和循环,物理的 化学的 生物的,（土壤胶体表面本质和特性）,（水、 热、 能量）,物质的能量流动和平衡,研究方向,土壤圈与地球生命土壤圈与人类生存条件土壤与自然条件土壤圈与全球土壤变化土壤圈物质的组成、特性,
6、图1 土壤圈的地位、内涵、功能及研究趋向,大气与痕量气体交换,放,吸,CO2CH4H2SN2O,O2,水平衡、循环、转化,土 壤 圈（固、气、 液、生）,原、次生矿物、无机物组成,生物养分物质循环,动植物区系及微生物组成、有机物,水分性质与组成,大气与土壤气体组成,水循环平衡,支调生物过程,提供生物水、养分,地质循环地球皮肤,土壤圈物质循环功能,11,从地球关键带到星球探测中土壤的 “7+1”作用 (Lin, 2005,2010),地球临界带,1.信息记录;2.淡水储库传递地幔;3.气体能量调节;4.生态系统多样性基础;5.生命介质;6.工程建筑材料;7.自然修复缓冲介质+8.外星生命可能栖息
7、地,12,二：土壤在社会和环境可持续发展中的作用,1. 土壤环境复合障碍与农产品质量及生态健康,土壤环境复合障碍问题是土壤酸化（铝毒）、盐渍化（次生盐渍化）、土壤养分非均衡化等内在障碍问题与微量持久性有毒有害污染复合共存叠加，并使土壤生产功能、环境功能和生态功能退化的现象。土壤环境由土壤内部环境和外部环境构成。,与土俱来，特定的成土条件下土壤自身发生发育而来的功能障碍问题。例如南方的酸性土,人类工业和生活过程中产生的“三废”的肆意排放及农用物资的不合理使用，使重金属和农药等毒害污染物在土壤中大量积累；农业集约化过程中尤其是设施农业中的土壤次生盐渍化、酸化及连作障碍等。,13,二：土壤在社会和环
8、境可持续发展中的作用,2. 土壤生态学发展的几点认识,土壤生态学作为一门独立的学科分支，尚只有几十年的历史。是土壤学、生态学、地理学及环境学发展到一定阶段综合交叉而形成的一门边缘学科。,14,二：土壤在社会和环境可持续发展中的作用,2. 土壤生态学发展的几点认识,15,二：土壤在社会和环境可持续发展中的作用,2. 土壤出现问题的原因分析,16,2004-2050年我国人均食物消费预测：植物类（公斤/人）,17,2004-2050年我国人均食物消费预测：动物类（公斤/人）,18,工业化城镇化,发展模式,资源短缺成本上涨市场竞争劳动力外流等,约束因素,农业的比较效益不断下降,同时，我国提高农业比较
9、效益的难度不断加大,19,t课件,守住我国耕地红线（18亿亩）的形势非常严峻,国务院核准2010年耕地总保有量为19.12亿亩，而2006年，我国耕地总面积仅为18.27亿亩，直逼18亿亩警戒线。,20,t课件,土壤污染：是指由于人为因素将对人类本身和其他生命体有害的物质施加于土壤中，使土壤中某种成分的含量明显高于原有含量、并引起土壤质量恶化的现象。土壤重金属污染：是指由于人类活动导致土壤中重金属含量明显高于原有含量、并造成生态环境质量恶化的现象。,三：土壤重金属污染,21,来源,22,有机类污染：农药、POPs、 PAHs、VOCs溶剂、石油烃、酸碱,农药污染场地,重金属污染场地,场地土壤-
10、地下水污染,重金属类污染：Cr、Pb、As、Hg、Cd、Zn、Cu、Ni等,主要污染行业：化工、石化、冶炼及电镀、制药、机械制造、印染等,其他类污染：填埋场、金属矿渣堆场、加油站、电子垃圾场等,多种复合、混合污染；土壤-地下水同步污染，可达20多米深,污染场地种类多、数量多、城市多、污染重、风险高,23,不合理地使用农药、化肥，污水灌溉，使用不符合标准的污泥，城市垃圾及工业废渣等，固体废物随意堆放或填埋，以及大气沉降物等。,污染源,天然污染源,矿物风化后自然扩散，火山爆发后降落的火山灰等。,人为污染源,化学污染物,当进入土壤的污染物质量和速度超过土壤能承受的容量和净化速度时，就破坏了土壤环境的
11、自然动态平衡，使污染物的积累逐渐占据优势，引起土壤的组成、结构、性状改变，功能失调，质量下降，导致土壤环境污染。,24,重金属：比重 5.0；大约有50种（不包括天然放射性和人工合成放射性核素）,元素周期表,25,t课件,日本富山神通川流域，正在修复的土壤。历时40年的客土修复计划，到明年才能完成。,26,土壤中重金属的主要来源,27,全国土壤污染状况调查公报,全国土壤环境状况总体不容乐观，部分地区土壤污染较重，耕地土壤环境质量堪忧，工矿业废弃地土壤环境问题突出。工矿业、农业等人为活动以及土壤环境背景值高是造成土壤污染或超标的主要原因。全国土壤总的超标率为16.1%，其中轻微、轻度、中度和重度
12、污染点位比例分别为11.2%、2.3%、1.5%和1.1%。污染类型以无机型为主，有机型次之，复合型污染比重较小，无机污染物超标点位数占全部超标点位的82.8%。 耕地：土壤点位超标率为19.4%，其中轻微、轻度、中度和重度污染点位比例分别为13.7%、2.8%、1.8%和1.1%，主要污染物为镉、镍、铜、砷、汞、铅、滴滴涕和多环芳烃。 从污染分布情况看，南方土壤污染重于北方；长江三角洲、珠江三角洲、东北老工业基地等部分区域土壤污染问题较为突出，西南、中南地区土壤重金属超标范围较大。,28,土壤里的污染物能进入食物和水中，危害食品安全和人们的身体健康。但土壤污染的成因复杂、治理困难。3月29日
13、，中科院宣布将在2017年投入2000万，在18个月内制定镉、镍、砷等典型重金属的土壤环境基准，建设贵州铜仁汞污染、湖南长株潭镉污染治理示范区，建立植物萃取、土壤重金属钝化技术全国治理示范研究网络，构建土壤修复监控平台，设计土壤修复产业园等工程。,中科院将投2000万部署土壤重金属污染治治理示范项目,29,t课件,在国民工农业生产中具有重要作用矿山开采、金属冶炼、工业生产、农药、饲料添加剂等引起重金属污染问题不可降解，进入环境会不断累积高毒性、持久性、生物放大效应,现代化工农业生产和生活中离不开重金属,30,矿山开采：废气、废水、尾矿,pH 4.17；Cu 11.04 mg/L；Zn 9.66
14、 mg/L; Cd 0.015 mg/L；Pb 1.34 mg/L,土壤水pH 4.48Cu 1.55 mg/LZn 14.8 mg/lCd 0.024 mg/LPb 0.048 mg/L,表层土壤pH 4.62Cu 561 mg/kgZn 1135 mg/kgCd 2.45 mg/kgPb 429 mg/kg,31,t课件,元素 大气 水 土壤 土壤/总量 As 19 41 8257.7% Cd 7.6 9.4 2256.4% Cr 30 142 89684.0% Cu 35 112 954 86.6% Hg 3.6 4.6 8.350.3% Mn 38 262 167084.8% Mo 3
15、.3 11 8886.0% Ni 56 113 325 65.8% Pb 332 138 79662.9% Sb 3.5 18 2654.8% Zn 132 226 137279.3%,全世界每年由人类活动而造成的重金属对大气、水和土壤的进入量(103 T/a),32,t课件,为什么会产生土壤重金属污染？多来源、多组分、高通量,33,t课件,发生的隐蔽性,形成的复杂性,恢复的长期性,毒性的缓效性,诊断的特殊性,土壤污染的特点,34,土壤污染现状,2006-2010年间，国家环保部和国土资源部开展了全国土壤现状调查及污染防治专项，资金达10亿元。截至2010年底，全国共采集土壤、农产品等各类样品
16、21,3754个，获得有效调查数据495万个，制作图件近1,1000件。建成全国土壤污染状况调查数据库和样品库。环保部：一些农村调查区的环境形势严峻。地表水轻度污染；土壤样品超标率为21.5%，垃圾场周边、农田、菜地和企业周边土壤污染较重。,35,t课件,土壤污染现状,2012年，财政部与农业部两部委联合印发了农产品产地土壤重金属污染防治实施方案，财政部向农业部拨款8.27亿，由农业部在未来五年的时间内对全国农产品产地的土壤污染状况进行调查。农业部组织全国农业环境监测站开展调查，全国有130多万个点位，其中江苏、江西各3万多个点，山东、山西各6万多个点。检测重金属主要包括：Cd,Cr,Pb,A
17、s,Hg。,36,t课件,土壤类型多样，性质千变万化,中国土壤分类系统确立了12个土纲、29个亚纲、61个土类和231个亚类的高级分类单元；基层分类单元为土属、土种和变种，而以土种为基本单元。,pH: 3.6-10.5 (4.5-8.5)CEC: 5-74 cmol(+)/kg,37,t课件,四：重金属污染土壤控制对策,关于加强土壤污染防治工作的意见（ 2008）环境保护部“十二五”科技发展规划（2011）关于加强完善环境保护标准体系的意见（2012）2012年全国环境保护科技标准工作要点（2012）国家环境保护标准“十二五”发展规划（2013）,国家环保部政策文件,38,国务院关于加强环境保
18、护重点工作的意见（2011）国家环境保护“十二五”规划（2011） 2013年1月23日，国务院办公厅关于印发近期土壤环境保护和综合治理工作安排的通知工作目标：逐步建立土壤环境保护政策、法规和标准体系保障措施：完善土壤环境保护标准体系，制（修）订土壤环境质量、污染土壤风险评估、被污染土壤治理与修复等标准,39,t课件,土壤污染防大于治，防治结合,土壤污染多具不可逆性，治理难度大，成本高。所以加强源头控制是重点（控源成本要远低于修复成本。目前一些污染场地修复需要几亿甚至更高的费用）；对于已受污染土壤，必须治理后才能开发利用。切忌回避问题。,40,t课件,土壤重金属污染防治重点,金属矿区：废水、废
19、气、废渣污灌问题：土壤治理、转变土地利用类型城市搬迁的污染场地：新问题有机肥管理：更加严格的标准农产品质量安全：土壤-农产品-餐桌全程管理,41,t课件,土壤污染物污染防治与调控,发展清洁工艺：采用环境保护的战略以降低生产过程和生产产品对人类和环境的危害控制污染物排放：严格制定和执行污染物排放标准，如农田灌溉用水质标准，农用污泥中污染物控制标准提高土壤自净能力：采用增施绿肥、腐殖酸等有机肥，加入碳酸钙等提高土壤净化能力加强土壤水分管理：与土壤水分状况有密切关系的土壤氧化还原电位在很大程度上控制重金属的行为土壤修复原理与技术：客土、换土，或水洗法、电化学法、植物修复,42,t课件,加强污染物的土
20、壤界面过程的基础研究,影响因素与阻控技术,控制步骤控制药剂控制技术,43,t课件,加强相关环境立法和标准修改、更严格执法,44,t课件,建立标准、规范法规、监管制度：制修订土壤环境质量基准与标准、土壤污染防治法；制定污染场地土壤保护监督办法；建立修复技术规范、融资机制与综合管理政策；建立土壤环境质量例行监测、评估与备案制度加强国、省、县三级监测与研究平台（重点实验室、修复工程技术中心）建设,45,t课件,中国土壤修复技术研究与发展,化学植物恢复理念,污染土壤生物、物化联合修复技术,重金属化学稳定与惰性化修复,21世纪初,20世纪70年代,20世纪80年代,90年代中后期,植物修复微生物修复,五
21、：重金属污染土壤修复技术,46,客土法化学淋洗化学固定光催化电动力学热脱附吹气法微生物降解植物修复 ,污染耕地及场地修复技术,47,土壤重金属污染的治理,48,工程措施（从根本上消除污染） 主要包括客土、换土翻土和去表土等措施，这些方法都可以使耕作层土壤中的重金属浓度降至临界浓度以下，或减少重金属污染物与植物根系的接触而达到控制危害的目的。但所需工程量较大，花费大，并有污土处理的问题，大面积推广应用受到一定限制。,49,t课件,物理化学措施,50,t课件,化学措施,51,t课件,农业生态措施,52,t课件,生物修复技术是指植物修复、微生物修复、动物修复等在重金属污染土壤治理方面的研究。生物修复
22、重金属污染土壤是环境友好的绿色修复技术,因其可操作性强、修复成本低、经济效益显著，已受到广泛应用。目前,生物修复技术的研究尚处于探索阶段采用生物修复进行土壤生态功能修复,不仅对土壤肥力结构没有破坏,而且能有效改善土壤理化性状,永久性修复土壤基质。,还存在一些不完善的地方,它涉及到植物生理学、生物学、生态学、生物化学、遗传育种学、环境保护学、基因工程学等多学科知识的交叉和综合应用。,53,t课件,美国超级基金修复技术按处置地点分类完成情况（1982-2002）,修 复 技 术,54,t课件,长株潭地区重点污染区域稻田与稻米镉的污染概况,55,t课件,治理技术与经验,水稻“VIP”降镉技术模式,V
23、IPn,56,t课件,改良剂对稻米Cu、Cd含量的影响,与CK处理相比，施用改良剂处理稻米中Cu、Cd含量分别降低了7.64%37.07%和13.63%50.38%。紫云英、锌肥和CK处理稻米中Cd含量超出“食品中镉限量卫生标准”（0.2mg/kg）2.5%32% 。,57,t课件,生物质炭的制备过程,高温厌氧质量,产生PAHs等重金属的浓缩,气体颗粒物,生物质炭,58,t课件,生物质炭对土壤重金属的固定及对水稻Cd吸收的影响,土壤和生物质炭的基本性质,试验处理,59,t课件,土壤性质的变化,60,t课件,水稻生长的变化,61,t课件,水稻籽粒中的Cd含量,62,t课件,贵溪冶炼厂是目前国内规
24、模最大、技术最先进的闪速炼铜厂，但冶炼过程中产生的废渣约20万t/a。周围农田受到废气、渗漏水和废水等的污染面积达2000-3000亩。,厂渣冶贵,贵溪冶炼厂修复工程项目（2012.1-2013.12）,63,t课件,项目中标价格：1572.36万元,江西省委书记苏荣等多位领导视察并给予高度评价,64,t课件,贵冶周边Cu/Cd土壤集成修复示范工程,修复前,修复中,修复后,337 504kg,65,t课件,贵溪窜山垅老灌区修复区水稻测产结果（2012,10,09）,66,t课件,窜山垅老灌区修复区水稻稻米中铜镉含量,67,t课件,主要修复单元区修复前后土壤有效态铜镉含量,68,t课件,污染场地
25、，迫切需要发展快速、高效的修复技术 尾矿库，需要发展以植被恢复等为主的修复技术,电动修复研究与尾矿复垦,69,t课件,较早在国内开展了重金属污染土壤电动修复研究,络合诱导可显著提高电动修复效率，阐明了土壤pH调控是土壤重金属活化和迁移的关键因素,Cu、Zn、Cr单一、复合以及有机物存在下的电动修复,红 壤黄棕壤,Chemosphere, 2004, 56(3): 265-273Chemosphere, 2005, 61(4): 519-527Environ. Int., 2005, 31(6): 885-890 J. Hazard. Mater., 2007, 142: 111-117,70,
26、t课件,三个月土壤铜去除率达76%,Chemosphere, 2006, 63: 964-971,铜污染土壤电动修复的中试试验,电动修复技术是一种具有较强的竞争力的场地污染土壤修复技术,处理前,71,t课件,电动修复现场示范工程全景图,直流稳压电源，2套pH自动记录仪，1套电流记录仪,72,t课件,德兴铜山1号尾矿库尾矿砂上寸草不生,土壤改良,相关研究从上世纪八十年代就开始了，石灰、硅肥等改良；筛选了一些超级累植物，开展了示范研究,73,t课件,甘肃白银市农田土壤工程修复项目（ZHZK2011-BY0503，2011.4-2012.10）,总平布置图,修复费用非常高,74,t课件,河南济源农田
27、土壤植物修复项目（2011.12-2013.12）,项目总平布置图,伴矿景天种植,针对性污染物,75,t课件,土壤修复现场,76,76,t课件,现场示范,77,36%的工业盐酸与清水按比例混合，得到所要的稀盐酸浓度,淋洗土壤Cr(VI)去除率,77,t课件,78,现场试验处理能力计算,试验实际成本和折合成本,a 折合成本以处理1 t污染土按比例计算得到,78,t课件,发展可商品化的药剂、菌剂等,过硫酸盐体系芬顿药剂Cr还原菌等,79,t课件,植物修复技术,高等植物为去污中心，需要构建高度适应的植物生态系统，具有很大的自净容量,每公顷根长300, 000 km (相当于绕地球7.5圈)改进根际条
28、件的途径养分有效性 高生物量增氧,根际修复：根际环境工程,农药、石油和POPs、炸药、重金属、放射性核素等,80,生物量: 16 t/ha; 铜修复效率可达10%/a,铜污染土壤的植物修复基地,铜草 (Cu Grass) -Elshohzia splenden L.,Cu 尾矿上生长,81,t课件,镉污染土壤的植物修复基地（镉锌超积累植物，可多次收割）,伴光景天生物量: 6 t/ha; 镉修复效率可达20%/a,伴矿景天,82,t课件,面积：1公顷; 生物量: 12吨/公顷，Cd去除率12%/年。对于低污染农田土壤（全量Cd 1 mg kg-1），考虑修复效率的递减规律，预计种植3-4次可实现
29、达标修复！,浙江富阳,湖南湘潭,超富集植物,83,t课件,连续种植伴矿景天，修复9次后土壤全量Cd和Zn分别下降80.1-96.8%和24.8-70.1%，低污染土壤全量Cd (0.11 mg kg-1), Zn (111 mg kg-1)已经低于国家环境质量二级标准！,84,t课件,粮食作物/修复植物间作, 实现边生产边修复,85,t课件,修复后植物的后续处理,86,t课件,土壤Cr污染,铬渣(Chromium slag)即铬盐生产过程中产生的废渣，其外观有黄绿、黑绿、赭绿等颜色。铬渣因其含有1 %2 %的铬酸钙和0.5 %1 %的水溶性Cr()（剧毒物）而成为有毒废物。土壤铬污染通过直接暴
30、露或通过食物链或饮用水进入人体。剧毒隐患铬渣随意堆放，世界各国普遍将铬污染列为重点防治对象。,87,Cr渣污染场地异位淋洗,87,t课件,展 望,新型污染物问题日益得到重视：前瞻性研究土壤污染过程（黑箱白箱）：新方法与技术（联用技术、大科学装置、同位素示踪技术）土壤环境质量标准：土壤类型多样、系统工程实用化污染土壤修复原理与技术： 基础性问题反应设计； 修复产品：化学药剂、生物制剂、复合制剂污染土壤修复示范及后评估,88,t课件,防治土壤污染，保护土壤资源，维持生态平衡，保护人类健康。 实际上已成为突出的全球问题,警钟,89,90,t课件,六：土壤、食物安全和人类健康,1.当前我国的食物安全问
31、题,土壤污染物主要通过对土壤-植物的作用方式对食品安全产生不利影响，但也有部分通过大气水介质-植物的方式发生作用。土壤、植物本身对有害物质具有一定的吸收和降解作用，但是由于量大超出了土壤、植物的自净能力！,91,六：土壤、食物安全和人类健康,2.土壤污染、土壤质量与人类健康,绿色草坪上孩子的玩耍、温总理农家院吃自家产农产品、我国蔬菜出口？（出口于欧洲国家）？绿色的壁垒，高贵优雅的高尔夫球场？,92,土壤圈,气,水,生,资 源,生态(农业),环 境,肥,力,调,节,质,量,评,价,经 济 协 调,土壤科学的发展方向图（土资生环境经协圈）,岩,93,t课件,气,土,生,水,社会经济（协调）,环 境,人 口,资 源,人为影响,人口-资源-环境-经济协调图,94,t课件,七：土壤教育与公共意识,2002年曼谷举行的17届世界土壤学大会提出“世界土壤日”,95,96,t课件,97,t课件,98,t课件,谢 谢！,创建“蓝天、绿地、碧水、洁净”的环境,99,t课件,
