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1、第五章土壤环境第一节、土壤的组成和基本性质一、土壤的组成土壤：是由地球陆地表面的岩石经风化发育而成。度看，土壤不仅是一种资源，还是人类生存环境的重要组成部分。矿物质固相物质/有机质：动植物残体，微生物分解和合成的有机物质/气相土壤粒间物质液相/土壤动物（各类昆虫、线虫、节肢动物）生物体土壤微生物二、土壤的结构是指土壤结构体的类型、数量、排列方式、土粒：是形成土壤结构的基础，它的功能：砂粒、砾石骨架（粒径大小）空隙（使土壤具有通透性孔隙状况及稳定性的综合特性。这种土粒的结构优点是：为空气和水分的进入提供了便利的通道，通过水分给土壤带来热量。缺渡是:保水保热能力差，特别容易受到污染的危害。粉粒：能
2、保持一定的水分和由水带来的热量。粘粒：吸水膨胀。失水收缩。土粒构成了土壤结构，它的作用主要是在结构中进行物质的分解和合成分的吸收、释放以及水分和能量的保持、传递等。三、土壤环境的基本性质（一）土壤环境的物理学性质对环境的影响1、土壤孔性土壤孔性：是指土壤孔隙数量大小的分配和比例特征。无效孔隙：粘土中较多，砂质土壤少土壤孔隙毛管孔隙：毛细管孔隙（能保持对植物有效的毛细管水，.土壤供水、供肥具有重要意义。通气孔隙：空气和水分的通道，是土壤通气和透水的重要指标。土壤孔性的作用一一调节水、气、热净化污染物质（通过过滤截留、物化吸附、化学分解、微生物降解）2、土壤质地就是指土壤的结构性质（砂土、粘土）影
3、响进入环境污染物质的截留、迁移和转化。粘土：比表面大，800-1000m2g,表面能大，吸附力强，污染物不易迁移。砂士：比表面小，土壤孔隙大，通透性好，吸附能力弱，污染物易迁移。矿物粘粒的数量和汞的含量与迁移土壤号-so,h-och3onh3-cooh-OH带有C-CL键结合的卤代化合物农药中，由于取代基的位置不同影响分解的难易。如在苯酚类化合物中，间位上有氯原子的卤化衍生物最难分解；邻位次之,对位卤化的最易分解。在脂肪族类化合物中，在位置上卤化的比在B位置上卤化的容易在微生物的作用下起脱卤反应。取代基的位置对分解速度的影响程度要比取代基数量的影响程度要大。酰胺、脂的水解有机磷农药和氨基甲酸脂
4、类农药在土壤微生物作用下，引起酰胺和脂键发生水解，而很快被分解。如对硫磷农药等在土壤微生物的作用下，仅几天时间就可被分解，其毒性基本消失。在使用这类农药时要注意使用过程中的急性中毒。土壤微生物对农药的分解与农药的结构有关，土壤微生物最容易分解脂肪燃化合物和含羟基的芳香化合物。烧氧化的芳香化合物分解慢一些，但是仍然比那些在苯环上不含氧、硫或氮等取代基的物质分解要快。一般是不含有这些取代基芳香族化合物在微生物的作用下羟基化，然后进一步破坏苯核。大多数杂环化合物同样较容易被土壤微生物破坏，仅某些杂环化合物如此咤、苯并咪噗等分解很慢。进入植物体的农药，一部分可通过植物的呼吸作用从气孔中散失；一部分在体
5、内酶的作用下进行分解代谢；一部分在紫外光照射下进行光化学分解，在植物体内逐渐减少O环境科学原理P107-1092、影响农药在土壤环境中迁移的因素影响农药在土壤环境中迁移的因素有内因和外因二个方面。内因是就农药本身而言，其分子结构、电荷特性、水溶性等因素。外因是环境中的影响因素有降雨量、淹灌条件、土壤初始含水量、土壤酸碱度、有机质含量、土壤粘土矿物粒组成等。（二）无机物类在土壤环境污染中的无机物类一般指重金属。至于什么是重金属，目前尚没有严格统一的定义。在化学中一般指密度在4.5g/CU?以上的金属称为重金属。而在环境污染研究中所说的重金属实际上主要是指汞、镉、铅、格以及类金属碑等到生物毒性显著
6、的重元素；其次是指有一定毒性的一般重金属，如锌、铜、银、钻、锡等。目前最引起人们关注的是汞、镉、铅、格、神等。重金属与其他许多污染物不同，它们在土壤中一般不易随水淋滤，不能被土壤微生物分解；相反地，生物钵可以富集重金属，使重金属常常在土壤环境中积累，甚至某些重金属元素在土壤中还可以转化为毒性更大的甲基化合物。另外，重金属对土壤环境的污染与水环境的污染相比，其治理的难度更大，污染危害也更大。因此，重金属污染问题受到人们的广泛和极大的关注。重金属在土壤环境中的迁移、转化的形式复杂多样，并且往往是多种形式错综结合。迁移形式有以下几种：1、物理迁移土壤溶液中的重金属离子或络离子可以随水迁移至地面水体。
7、而更多的是重金属可以通过多种包含于矿物颗粒内或吸附于土壤胶体表面上，随土壤中水分的流动而被机械搬运，特别是多雨地区的坡地土壤，这种随水冲刷的机械迁移更加突出；在干旱地区，这样的矿物颗粒或土壤胶粒可以尘土飞扬的形式随风而被机械搬运。9例理伊学;千科知学在科(1)重金属与无机胶体的结合：重金属与土壤无机胶体的结合通常分为二种类型：一种为非专性吸附，即离子交换吸附；另一类为专性吸附，它是由土壤胶体表面与被吸附离子间通过共价键、配位键而产生的吸附。非专性吸附：非专性吸附又称极性吸附，这种作用的发生与土壤胶体微粒带电荷有关。因各种土壤胶体所带电荷的符号和数量不同，对重金属离子吸附的种类和吸附交换容量也不
8、同。应当指出，离子从溶液中转移到胶体上是离子的吸附过程，而胶体上原来吸附的离子转移到溶液中去是离子的解吸过程，吸附和解吸的结果表现为离子相互转换，即所谓的离子交换作用。在一定的条件下，这种离子交换作用处于动态平衡之中。专性吸附：重金属离子可被水合氧化物表面牢固地吸附。因为这些离子能进入氧化物的金属原子配位壳中，与一OH和一0H2配位基重新配位，并通过共价键或配位键结合在固体表面，这种结合称为专性吸附(亦称选择吸附)。这种吸附不一定发生在带电表面上，亦可发生在中性表面上，甚至在吸附离子带同号电荷的表面上进行。其吸附量的大小并非决定于表面电荷的多少和强弱，这是专性吸附与非专性吸附的根本区别之处。(
9、2)重金属与有机胶体的结合：重金属可被土壤有机胶体络合或螯合，或者吸附于有机胶体的表面。必须指出，土壤腐殖质等有机胶体对金属离子的吸附交换作用和络合作用是同时存在的。一般当金属离子浓度较高时，以吸附交换作用为主;而在低浓度时，以络合一螯合作用为主。当生成水溶性的络合物或螯合物时，则重金属在土壤环境中随水迁移的可能性增大。(3)溶解和沉淀作用：是土壤重金属在土壤中迁移的重要形式，实际为各种重金属难溶电解质在土壤固相和液相之间的离子多相平衡。影响重金属在土壤中的溶解、沉淀的主要因素为土壤pH、Eh和土壤腐殖酸等。3、生物迁移主要指植物通过根系从土壤中吸收某些化学形态的重金属，并在植物体内积累起来。
10、这一方面可以看用是生物对土壤重金属污染的净化；另一方面也可以看用是重金属通过土壤对作物的污染。如果这种受污染的植物残体再进入土壤，会使土壤进一步富集重金属。除植物的吸收外，土壤微生物的吸收以及土壤动物啃食重金属含量较高的表士，也是重金属发生生物迁移的一种途径。但是，生物残体又可将重金属归还给土壤。影响生物迁移的因素：植物根系从土壤中吸收重金属并在体内积累，受多种因素影响，其中最主要的因素有以下4种：(1)重金属在土壤环境中的总量和赋存形态：一般水溶态的简单离子、简单络离子最容易为植物秘吸收，而吸附交换态、络合态次之，难溶态则暂时不被植物吸收。由于各种赋存形态之间存在一定的平衡动态关系，一般重金
11、属含量越高的土壤中，其水溶态、吸附交换态的含量也相对较高，因此，植物吸收的量也相对较多。(2)壤环境状况；土壤环境的酸、碱度、氧化还原电位，土壤胶体的种类、数量，不同的土壤类型等土壤环境状况直接影响到重金属在土壤环境中的赋存形态及其相互之间量的比例关系。因此，不同的土壤环境状况成了影响重金属生物迁移的重要因子。在土壤环境重金属污染的调控与防治中常常就是通过调节适宜的土壤pH、Eh值，增施有机胶体等措施，以抑制重金属的生物迁移，减轻对农作物的污染危害。（3）不同作物种类；由于不同植物种类有不同的选择吸收性能，同一种重金属在不同的植物体内累积的程度亦有所不同。（4）伴随离子的影响：这是指由于另一种
12、金属离子的存在而影响到植物对某种金属离子的吸收效应。例如，土壤处于氧化状态时，的存在可促进坦物对CcT的吸收；但当土壤处于还原状态时，Zrr的存在则抑制植物对Cd的吸收。我们把促进植物对某种重金属离子的吸收并增强重金属离子对作物的危害的效应称为协同作用；而把减小植物对某种金属离子的吸收并减弱重金属离子对作物的危害的效应称为拮抗作用。协同作用与拮抗作用又统称为交互作用。土壤环境学pl05-112四、土壤的自净能力土壤环境的自净作用是指在自然因素的作用下通过土壤自身的作用，使污染物在土壤环境中的数量、浓度或毒性、活性降低的过程。土壤环境自净作用的机理既是土壤容量的理论依据，又是选择土壤环境污染调控
13、与防治措施的理论基础。因此，有必要进一步研究自净作用过程。按其作用机理的不同，可划分为物理净化作用、物理化学净化作用、化学净化作用和生物净化作用等四个方面。（一）物理净化作用土壤是一个多相的疏松多孔体，犹如天然的大过滤器。固相中的各类胶态物质一土壤胶体又具有很强的表面吸附能力。因此，进入土壤中的难溶性固体污染物可被土壤机械阻留；可溶性污染物可被土壤水分稀释，减小毒性，或被土壤固相表面吸附（指物理吸附），但也可能随水迁移至地表水或地下水层，特别是那些呈负吸附的污染物（如硝酸盐、亚硝酸盐），以及呈中性分子态和阴离子形态存在的某些农药等，随水迁移的可能性更大；某些污染物可挥发或转化成气态物质在土壤孔
14、隙中迁移、扩散，以至迁移入大气。这些净化作用都是一些物理过程，因此，统称为物理净化作用。土壤的物理净化能力与土壤孔隙、土壤质地、结构、土壤含水量、土壤温等因素有关。例如，砂性土壤的空气迁移、水迁移速率都较快，但表面吸附能力较弱。增加砂性土壤中粘粒和有机胶体的含量，可以增强土壤的表面吸附能力，以及增强土壤对固体难溶污染物的机械阻留作用；但是，土壤孔隙度减小，则空气迁移、水迁移速率下降。此外，增加土壤水分，或用清水淋洗土壤，可使污染物浓度降低，减小毒性；提高土温可使污染物挥发、解吸、扩散速度增大等。但是，物理净化作用只能使污染物在土壤中的浓度降低，而不能从整个自然环境中消除,其实质只是污染物的迁移
15、。土壤中农药向大气的迁移，是大气中农药污染的重要来源。如果污染物大量迁移入地表水或地下水层，将造成水源的污染。同时，难溶性固体物在土壤中被机械阻留，是污染物在土壤中的累积过程，产生潜在的威胁。（二）物理化学净化作用所谓土壤物理化学净化作用，是指污染物的阳、阴离子与土壤胶体上原来吸于之间的离子交换吸附作用。例如：（土壤胶体）Ca+HgCk一（土壤胶体）Hg2-+CaCb（土壤胶体）30H+As0J一（土壤胶体）ASOr+30H-此种净化作用为可逆的离子交换反应，且服从质量作用定律（同时，此种净化作用也是土壤环境缓冲作用的重要机制）。其净化能力的大小可用土壤阳离子交换量或阴离子交换量的大小来衡量。
16、污染物的阳、阴离子被交换吸附到土壤胶体上，降低了土壤溶液中这些离子的浓（活）度，相对减轻了有害离子对植物生长的不利影响。由于一般土壤中带负电荷的胶体较多，因此，i般土壤对阳离子或带正电荷的污染物的净化能力较高。当污水中污染物离子浓度不大时，经过土壤的物理化学净化以后，就能得到很好的净化效果。增加土壤中胶体的含量，特别是有机胶体的含量，可以相应提高土壤的物理化学净化能力。此外，土壤PH值增大，有利于对污染物的阳离子进行净化；相反的，则有利于对污染物阴离子进行净化。对于不同的阳、阴离子，其相对交换能力大的，被土壤物理化学净化但是，物理化学净化作用也只能使污染物在土壤溶液中的离子浓（活）度降低,相对
17、地减轻危害，而并没有从根本上将污染物从土壤环境中消除。如果利用城市污水灌溉，只是污染物从水体迁移入土体，对水体起到了很好的净化作用。然而经交换吸附到土壤胶体上污染物离子，还可以被其他相对交换能力更大的，或浓度较大的其他离子交换下来。重新转移到土壤溶液中去，又恢复原来的毒性、活性。所以说物理化学净化作用只是暂性的、不稳定的。同时，对土壤本身来说，则是污染物在土壤环境中的积累过程，将产生严重的潜在威胁。（三）化学净化作用污染物进入土壤以后，可能发生一系列的化学反应。例如,凝聚与沉淀反应、氧化还原反应、络合一螯合反应、酸碱中和反应、同晶置换反应、水解、分解和化合反应，或者发生由太阳辐射能和紫外线等能
18、流而引起的光化学降解作用等等。通过这些化学反应，或者使污染物转化成难溶性、难解离性物质，使危害程度和毒性减小；或者分解为无毒物或营养物质，这些净化作用统称为化学净化作土壤环境的化学净化作用反应机理很复杂，影响因素也较多，不同的污染物有着不同的反应过程。其中特别重要的是化学降解和光化学降解作用，因为这些降解作用可以将污染物分解为无毒物，从土壤环境中消除。而其他的化学净化作用，如凝聚与沉淀反应、氧化还原反应、络合一螯合反应等，只是暂时降低污染物在土壤溶液中的浓（活）度，或暂时减小活性和毒性，起到了一定的缓冲作用，但并没有从土壤环境中消除。当土壤PH值或Eh（氧化还原电位）发生改变时，沉淀了的污染物
19、可能双重新溶解，或氧化还原状态发生改变，又恢复原来的毒性、活性。例如：PbCO3（固）-PbCO3（水）-Pb2C0322HC021+H2O又如：MnO2固）+4H+2eMn2*+20已知PH为7为该体系的电极电位为0.42V。因此当土壤EhO42,PhCd0植物转化（过滤）：将特定的植物种植在重金属污染的水体中，利用植物庞大的根系和巨大的表面积过滤、吸收、富集水体中的重金属元素后，将植物收获进行妥善处理，达到治理的目的。如向日葵，各种水生植物（宽叶香莆等）、印度芥菜，去除N、P、K、Pbo植物挥发：通过植物的吸收，促进某种重金属转移为可挥发的形态，挥发也土壤和植物表面。如水稻、花椰菜，卷心菜
20、，胡罗卜和一些水生植物，具有吸收和挥发土壤和水中硒的能力。硒的挥发主要是由毒性较强的无机硒转为基本无毒的二甲基硒。2、重金属污染土壤的治理重金属污染的来源主要是工业废水的不合理的排放造成的，最好的办法只能从源头抓起。治理重金属污染土壤，主要机理有两种：一是将重金属形态改变为固定态,使其迁移性和生物有效性降低；二是用各种方法将重金属从土壤中去除。施用改良剂施用改良剂是批向土壤中施加化学物质，以降低重金属的活性，减少重金属向植物体内的迁移，即控制重金属进入食物链，这在重金属轻度污染的土壤上使用是有效的。常用的改良剂有石灰、碳酸钙、磷酸盐等，促进还原作用的有机物质有堆肥、鸡粪等。施用石灰或碳酸钙以提
21、高土壤PH值，可促使Cd、CuHg.Zn等形成氢氧化物沉淀或碳酸盐结合态沉淀。例如，当土壤pH6.5时汞就能形成氢氧化物和碳酸盐沉淀；铜在土壤pH5-7时其活性最小。向土壤中施用促进还原作用的有机物，不仅可以提供营养元素，还可以改良土壤性质，同时可促使重金属以硫化物的形式沉淀。它的机理是使金属离子的化合价降低；与土壤中的重金属离子形成络合物、螯合物，降低其毒性。客土法、换土法和水洗法客土法是在被污染的土壤上复盖上非污染土壤;换土法是部分或全部挖除污染土壤而抑上非污染土壤。水洗法是采用清水灌溉稀释或洗去重金属离子，使重金属离子或迁移至较深土层，以减少表土中重金属离子的浓度：或者将含重金属离子的水
22、排出田外。实践证明是有效，但难度相当大。电化法、热解吸法电化法是美国路易斯安那州立大学研究出的一种净化土壤污染的新方法。该法是在饱和的粘土中插入石墨电极，通过低强度直流电（IHmA）后，金属阳离子流向阴极，然后采取措施回收。热解吸法是采取加热的方式，针对某些挥发性强的重金属，从土地壤中解吸出来，然后加以利用。如汞。生物修复包括微生物的植物的作用。目前研究最多的是植物。例如，羊齿铁角蕨属植物，对土壤中的镉的吸收率可达10%；黄颔蛇草对重金属的吸收量六、污水土地处理系统它是指利用生态工程原理，将污水通过土壤-生物系统，利用土地生态系统的自净能力，去除污水中营养万分和有机污染物，达到净化和综合利用的
23、目的。按照污水的处理方式，将污水土地处理系统分为慢速灌溉（慢速渗滤处理）、快速渗滤、表面径流和人工湿地等4种类型。慢速灌溉将预处理过的污水喷洒到植物地，污水垂直和水平通过土壤渗滤得到净化。快速渗滤将预处理过的污水被间歇性施用于浅渗滤槽或渗滤池，污水在那里渗滤进周围的土壤。表面径流通常是将预处理过的污水间歇性施用于仔细分段、长有植物的坡地顶部。它最大的难度是它必须具有一定的坡度，但坡度又不能太大。人工湿地人工造就一个湿地环境。其构造为在一定的长宽比以及底面坡度的洼地中按一定的坡度填充一定的规格中填料（如土壤、碎石、砂等）形成填料床，在床表面种植具有处理性能好、成活率高、抗水性强的水生植物（如芦苇、香蒲等）构成一个湿地生态系统。
