第六章 土壤环境与土壤污染

第六章 土壤环境与土壤污染 土壤是生态环境的重要组成部分，是人类赖以生存的主要资源之一，也是物质生物地球化学循环的储存库，对环境变化具有高度的敏感性。近年来,土壤环境质量日益恶化，造成其恶化的原因主要有：农业上不断增加的化肥使用量；化学农药的广泛使用；工业废水的农田排放；有毒有害污染物的事故性排放；固体废物特别是有毒有害固体废物的填埋所引起的有毒有害物质的泄漏等。被污染的土壤通过对地表水和地下水形成二次污染和经土壤—植物系统由食物链进入人体，直接危及人体健康。因此土壤生态环境的保护与治理已引起人们的普遍关注。 第一节、土壤环境概述 一、土壤的组成和性质 土壤是位于陆地表面具有肥力的疏松层次。它具有独特的组成成分、结构和功能。 土壤的本质特征：一是具有肥力，即具有供应和协调植物生长所需要的营养条件（水分和养分）和环境条件（温度和空气）的能力；二是具有同化和代谢外界输入物质的能力。 肥沃的土壤对于大多数粮食作物、牲畜饲料、林木、草料和自然纤维产品的生产来说是基础。由于世界人口的不断增加，要求更多的粮食和其他天然产物。因此，对肥沃土壤的需求也不断增加，然而，实际上由于土壤保护不善，以致在世界上有数百万公顷以上具有生产力的土地，已经变成不毛之地了，土地的生产力也相应地降低了。 （一）、土壤的组成 土壤的组成包括固相（矿物质和有机质）、液相（土壤水分或溶液）和气相（土壤空气）等三相物质四种物质有机地组合在一起构成的一种特殊物质。 1 土壤矿物质： 原生矿物：岩石受物理风化做形成的碎屑。 次生矿物：岩石经风化和成土过程中新生成的矿物。 2 土壤有机质： 土壤腐殖质是土壤有机质的主要成分（50~65%），包括土壤生物。 3 土壤空气： 土壤孔隙中除液相外的体积即为土壤空气的容量，其组分与大气一样。 4 土壤溶液： 由土壤中的水与溶于其中的矿物质（离子）形成。参与水循环因而组分经常变动。 （二）、土壤的理化性质 主要讨论土壤的化学性质：土壤酸碱度、土壤缓冲性、土壤的氧化还原性质和土壤吸收性能等 1、土壤的酸碱度 土壤的酸碱度也称土壤反应，它是土壤的重要的化学性质之一。土壤的酸碱度直接决定因素是土壤溶液中的H+或OH－的浓度，它是由许多因素形成的。主要是土壤溶液中的CO2、各种有机酸和部分离解的酸性盐和碱性盐的含量，以及碳酸盐的数量和种类。 植物对土壤的酸碱度是有一定要求的，如小麦对pH值的最适宜范围是6-7，水稻为5.7-6.5，棉花为6-8，油菜为5.8-6.7。过酸性和过碱性的土壤都不利于作物的生长。一般土壤中pH值大多在5-8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。 2、土壤的缓冲性 土壤具有一定的抵抗（缓冲）土壤溶液中H+或OH－离子浓度改变的能力，称为土壤的缓冲性。土壤的缓冲性也是土壤的重要性质之一，它对土壤中物质的迁移起间接影响。 土壤的缓冲性体现在以下几个方面： A土壤中含有多种弱酸及弱酸强碱盐，构成缓冲体系； B土壤中存在两性物质，如氨基酸同时具有胺基与羟基，土壤胶粒几乎都具有两性，较显著的是三氧化物的胶体。 3、土壤的氧化还原性质 在土壤化学反应和生物化学反应中占极其重要的位置。在土壤中存在着许多氧化还原系统，其中主要是溶解氧和微生物分泌的氧化态和还原态物质，其次是各种金属的氧化态和还原态盐和有机物分解产物。氧化还原电位变化后，将使土壤溶液中水溶性重金属形态发生变化，从而影响重金属在土壤中的迁移和对植物的有效性。 4、土壤的吸附性能 土壤的吸附性能是指土壤具有吸收和截留一些物质的能力。主要方式有：机械吸收作用、物理吸收作用、化学吸收作用和生物吸收作用。 土壤的吸附性能主要是指土壤胶体的吸附性能。 （1）、土壤环境中的胶体的性质 直径在1nm~100nm之间的颗粒一般称为胶体。土壤是一种多类胶体微粒共存的分散系，胶体是土壤形成过程中的产物，包含各类粘土矿物质微粒和腐殖质、蛋白质等有机高分子，以及铝、铁、锰、硅等水合氧化物等无机高分子。胶体的性质中表面性质和电学性质对土壤的吸附性能影响最大，它也必然影响到物质在土壤中的迁移、转化。 ①胶体的表面性质 A胶体具有巨大的比表面 吸附量与胶体的比表面积有关，表面积越大，吸附量越大。其中以蒙脱石的表面积最大（600m2/g~800m2/g 、内外均较大），伊利石次之，高龄石（7m2/g ~30m2/g ）最小；有机胶体也具有巨大的外表面（~700m2/g ），与蒙脱石相当。一般来说，有机胶体的比表面积较无机胶体的要大，因此吸附量更大。 B胶体具有巨大的表面能 胶体的表面分子受到的力是内、外两种不同的吸引力，具有多余的自由能，这是胶体与周围接触面上产生表面能的原因，胶体的比表面越大，表面能越大，吸收性能也越强。 C土壤胶体带有电荷 土壤胶体的电荷有：永久负电荷、可变正、负电荷、净电荷，她们通过电荷数和电荷密度两种方式对土壤性质产生影响，从而影响元素的迁移。其中土壤胶体带负电的胶体较多。 D土壤胶体的动电性质 带有电荷的土壤胶体分散在水中时，在胶体颗粒与液相的界面上形成双电层，在电场与其他电场的作用下，固体颗粒或液相对另一相做相对移动时表现出来的电学性质即为动电性质，其与胶体的电荷密切相关。 ②土壤中离子吸附 土壤中离子吸附是指溶液中的溶质在固相界面附近或胶体表面上浓度改变的现象，在吸附过程中，胶体每吸附一部分离子，同时也释放出等当量的其他同号离子。 ③土壤的凝聚和消散 凝聚和消散是各种胶体微粒之间的相互作用，它决定着土壤中胶体微粒与微量污染物结合的粒度分布规律，影响到污染物的迁移输送的归宿及去向。凝聚即胶体与带异种电荷的电解质中和的现象；消散即溶胶的发生，带同号电荷的胶体互相排斥成为分散状态而形成溶胶。 （2）、土壤的离子交换 土壤胶体表面上吸附的离子可与土壤溶液中的同号离子进行交换的现象即土壤的离子交换，上述过程为可逆过程。包括土壤阳离子的交换和土壤阴离子的交换。 二、土壤环境背景值和土壤环境容量 1、土壤环境背景值（土壤背景含量或土壤本底值） 土壤背景值是指土壤不受或少受人为污染的情况下，即人类活动已经参与土壤表层的自然生态平衡但未破坏自然生态平衡，土壤保持的化学成分的含量和存在形式。 土壤背景值分析或研究步骤： ①选定未受污染代表性土壤类型， ②确定土壤母质中主要重金属元素， ③选择恰当的测定方法， ④对测定数据进行必要的检验：平均值加标准差法、差异检验法、富集系数法、元素相关分析法。 2、土壤环境容量 ①土壤环境容量的概念 土壤环境容量是指土壤环境中允许承纳污染物的最大负荷量。最大负荷量的界定观点有二：一种观点认为，最大负荷量为农作物不致于受到危害的污染物最大浓度或组成，另一种观点认为最大负荷量为不使土壤生态系统的结构和功能受到损害的污染物最大浓度或组成。 ②土壤环境容量的定量表示： 土壤绝对容量（静容量） WQ=WS－B WQ指某一土壤环境所容纳的某种污染物的最大负荷量（其没有时间限制、与年限无关）， WS 指土壤环境标准规定值 B 指土壤环境背景值 WQ=M（WS－B ） WQ单位：mg/kg M 指每亩耕地的土壤重 土壤年容量（动容量） WA=KWQ = K（ WS－B ） 土壤年容量是指某一土壤环境每年所能容纳污染物的最大负荷量，用WA表示。 K为土壤环境的年净化率 K= A / A่ A指土壤环境年输入量 A´土壤环境年净化量

第二节、土壤环境污染 土壤污染研究一直是环境科学研究的一个重点。日本是世界上土壤污染发现最早 ,也是污染较为严重的国家之一。但土壤污染研究是在经历土壤镉污染造成的“骨痛病”等环境事件后,于60、70年代才步入正轨。 我国土壤污染研究经历了两个典型时期：70年代主要研究了以农药为主的有机物造成的土壤污染、底泥重金属污染和污水灌溉对农田系统带来的影响；80年代国家组织全国范围内的土壤背景值调查和环境容量研究等工作，这个时期的研究成果得到系统化、理论化 ,为土壤质量评价及土壤污染控制奠定了基础。 一、土壤污染和净化 1、土壤污染 土壤污染是指人类活动所产生的污染物通过多种途径进入土壤，其数量超过土壤容纳的能力和速度超过土壤净化的速度，污染物在土壤中累积到一定程度，使土壤的性质、组成及性状等发生变化，破坏了土壤的自然动态平衡，从而导致土壤自然功能失调，引起土壤质量恶化，影响农作物的生长发育，以致造成产量和质量下降，并可通过食物链引起对生物和人类的直接伤害，甚至形成对有机生命的超地方性的危害。 2、土壤净化 土壤净化是指土壤本身通过吸附、分解、迁移、转化，使进入土壤的污染物的浓度降低的过程。土壤净化是环境自净能力的一种。土壤净化包括： 某些污染物可以在土壤中通过稀释、扩散、分解等作用逐步降低污染物浓度，减少毒性； 经沉淀、胶体吸附等作用使污染物发生形态变化，变成难以被植物利用的形态存在于土壤中，暂时退出生物小循环，脱离食物链； 通过生物和化学降解，污染物变为毒性较小或无毒的物质、甚至有营养的物质。 土壤的净化作用主要是指生物和化学的降解作用。 3、土壤污染的发生 污染物质进入土壤后，并不一定引起土壤污染，因为土壤本身有净化能力。进入土壤的污染物，一方面通过土壤的物理吸附、过滤阻留、胶体的物理化学吸附、化学沉淀、生物吸收等过程，使污染物在土壤中不断累积，当其含量达到一定数量时，便引起土壤污染；另一方面，进入土壤的污染物，土壤本身的净化能力可通过多种途径使土壤的污染物的浓度降低；经挥发和淋溶进入大气和水体使土壤的污染物的浓度降低。 在土壤中，污染物的累积和净化过程是同时进行的，两者处于一定的平衡状态，如果输入土壤的污染物质其数量和浓度超过了土壤的净化作用速度，就使积累过程逐渐占居了优势，积累到一定数量，就必然导致土壤正常功能的失调，使土壤质量下降，影响植物生长发育，并通过植物吸收，最终影响到人体。 4、土壤污染的主要发生途径 土壤污染的发生特征主要是与土壤的特殊地位和功能相联系的，首先，是把土壤作为农业生产的劳动对象和生产手段，为了提高农产品的数量和质量，要向农田中施用化肥和农药，要进行水利灌溉（有的直接用富营养水灌溉），这样使污染物质进入土壤，并随之积累起来，这是土壤污染的重要发生途径；其次，土壤历来就作为废物（垃圾、废渣和污水等）的处理场所，而使大量有机和无机污染物质随之进入土壤，这是造成土壤污染的主要途径；再次，土壤作为环境要素之一，因大气或水体中的污染物质的迁移转化，从而进入土壤，使土壤亦随之遭受污染。 二、土壤污染物的来源和种类 1、土壤污染源 土壤是一个开放体系，决定了其污染源的广泛性。土壤污染源可分为自然源和人工源两类： （1）自然源 有火山喷发、含有重金属或放射性元素的矿藏等。 （2）人工源 ①工业污染源 工业废水、废气、废渣中其污染物浓度一般较高，一旦进入农田，在短时间内即可引起土壤污染。一般来说直接由工业“三废”引起的土壤污染仅限于工业区周围数公里，数十公里范围内。而大面积的由工业“三废”引起的土壤污染则是间接的，或由于以废渣形式作为肥料施入农田或用污水灌溉等多种形式，经长期作用使污染物在土壤中积累而造成污染。 ②农业污染 农业本身产生的污染主要是由于化学农药，除草剂等的施用范围不断扩大，数量和品种不断增加，在喷洒农药时，有一半直接落于土壤表面，一部分则通过作物落叶、降雨最后再归入土壤，经常使用农药是土壤农药残留的主要来源。 ③生物污染源 人粪尿是农业生产重要的肥料来源，生活污水和被污染的河水等均含有致病的各种病原菌和寄生虫等，用这种未经处理的肥源施于土壤会使土壤发生严重的生物污染，会使疾病蔓延。