篇土壤環(huán)境化學(xué)教學(xué)要求.ppt

1,第四篇 土壤環(huán)境化學(xué) 教學(xué)要求,本篇將側(cè)重介紹土壤的物理化學(xué)性質(zhì)，重金屬、農(nóng)藥及氮磷肥在土壤中的遷移、轉(zhuǎn)化及環(huán)境因素對遷移轉(zhuǎn)化的影響等。 (1)掌握土壤的組成與性質(zhì)，土壤的粒級與質(zhì)地分組特性。 (2)了解污染物在土壤-植物體系中遷移的特點(diǎn)、影響因素及作用機(jī)制。 (3)掌握土壤的吸附、酸堿和氧化還原特性。 (4)了解農(nóng)藥在土壤中的遷移原理與主要影響因素。,2,第四篇 土壤環(huán)境化學(xué),土壤處于巖石圈最外面的一層疏松的部分，具有支持植物和微生物生長繁殖的能力，被稱為土壤圈。 土壤圈是處于大氣圈、巖石圈、水圈和生物圖之間的過渡地帶，是聯(lián)系有機(jī)界和無機(jī)界的中心環(huán)節(jié)。 成土因素綜合作用的不同，產(chǎn)生出多種類型的土壤。,3,第四篇 土壤環(huán)境化學(xué),4,第四篇 土壤環(huán)境化學(xué),土壤的基本環(huán)境機(jī)能 培育植物 植物挺立生長的支持體 植物生長提供水、空氣和養(yǎng)分 推動物質(zhì)循環(huán) 土壤是地球表層中介入元素循環(huán)的一個(gè)重要圈層，由巖石風(fēng)化產(chǎn)生的所有物質(zhì)都有可能進(jìn)入大氣和水系，又可能通過地球化學(xué)循環(huán)歸入土壤。,5,第四篇 土壤環(huán)境化學(xué),保存水資源 土壤是大氣和地下水之間的緩沖地區(qū)。 防止災(zāi)害 土壤蓄水量大，可防止洪水發(fā)生。土壤植物又可防止風(fēng)雨侵蝕、水土流失或土壤荒漠化趨向，并兼有防風(fēng)、消音等作用。 自凈能力 土壤具有極大比表面和催化活性 土壤對外來污染物有一定的自凈能力。,6,第四篇 土壤環(huán)境化學(xué),土壤退化的過程 風(fēng)和水的侵蝕作用：引起土壤流失； 受納酸雨或過多使用氨氮肥料： 引起土壤酸化； 灌溉水中含過多鹽分或深度風(fēng)化作用：引起土壤鹽堿化； 干旱： 引起土壤板結(jié)、龜裂、結(jié)構(gòu)單元破壞甚至荒漠化； 水澇： 引起營養(yǎng)物浸出和流失； 污染： 引起土壤中有毒物質(zhì)累積。,7,第四篇 土壤環(huán)境化學(xué),土壤環(huán)境的質(zhì)量 國家環(huán)境保護(hù)局于1995年制訂和發(fā)布了土壤質(zhì)量環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)GB15618一1995，其適用范圍包括我國疆域內(nèi)所有農(nóng)田、蔬菜地、茶園、果園、牧場、林地、自然保護(hù)區(qū)等地的土壤。 依據(jù)土壤應(yīng)用功能、保護(hù)目標(biāo)和主要性質(zhì)，將土壤質(zhì)量劃分為三級： 一級標(biāo)準(zhǔn) 適用于I類土壤區(qū)，包括國家規(guī)定的自然保護(hù)區(qū)(原有背景重金屬含量高的除外)、集中生活飲用水源地、茶園、牧場和其他保護(hù)地區(qū)的土壤。土壤質(zhì)量應(yīng)基本上保持自然背景水平。,8,第四篇 土壤環(huán)境化學(xué),二級標(biāo)準(zhǔn) 適用于類土壤區(qū)，包括一般農(nóng)田、蔬菜地、茶園、果園、牧場等的土壤。土壤質(zhì)量應(yīng)基本上對植物和環(huán)境不造成危害和污染。 三級標(biāo)準(zhǔn) 適用于類土壤區(qū)，包括林地土壤及污染物容量較大的高背景值土壤和礦區(qū)附近等地的農(nóng)田土壤(蔬菜地除外)。 土壤質(zhì)量應(yīng)基本上對植物和環(huán)境不造成危害和污染。,9,第一章 土壤的組成與性質(zhì),土壤由固、液、氣相物質(zhì)組成。 固相指土壤礦物質(zhì)(原生礦物和次生礦物質(zhì))和土壤有機(jī)質(zhì)，兩者占土壤總量的9095%。 液相指土壤水分及其可溶物，兩者合稱為土壤溶液。 氣相指土壤空氣。 土壤中還有數(shù)量眾多的細(xì)菌和微生物，一般作為土壤有機(jī)物而視為土壤固相物質(zhì)。,10,第一章 土壤的組成與性質(zhì),11,第一章 土壤的組成與性質(zhì),12,第一章 土壤的組成與性質(zhì),土壤礦物質(zhì) 按成因類型可將土壤礦物分為兩類：原生礦物和次生礦物. 原生礦物 是各種巖石(主要趨巖漿巖)受到程度不同的物理風(fēng)化而未經(jīng)化學(xué)風(fēng)化的碎屑物，其原來的化學(xué)組成和結(jié)晶構(gòu)造都沒有改變. 次生礦物 大多數(shù)是由原生礦物經(jīng)風(fēng)化后重新形成的新礦物，其化學(xué)組成和構(gòu)造都有所改變而不同于原來的原生礦物。 在土壤形成過程中，原生礦物以不同的數(shù)量與土壤中的次生礦物混合存在，成為土壤礦物質(zhì)。,13,第一章 土壤的組成與性質(zhì),土壤中的原生礦物 土壤中最主要的原生礦物有四類：硅酸鹽類礦物、氧化物類礦物、硫化物類礦物和磷酸鹽類礦物。 （1）硅酸鹽類礦物 長石類、云母類、輝石類和閃角石類等礦物，容易風(fēng)化而釋放出K、Na、Ca、Fe、Mg和Al等元素可供植物吸收，同時(shí)形成新的次生礦物。 （2）氧化物類礦物 石英(SiO2)、赤鐵礦(Fe2O3)、金紅石(TiO2) 、藍(lán)晶石(Al2SiO5)等。,14,第一章 土壤的組成與性質(zhì),（3）硫化物類礦物 土壤中通常只有鐵的硫化物，即黃鐵礦和白鐵礦，二者是同質(zhì)異構(gòu)物，分子式均為Fe2S，極易風(fēng)化，成為土壤中硫元素的主要來源。 （4）磷酸鹽類礦物 土壤中分布最廣的是磷灰石，包括氟磷灰石和氯磷灰石兩種，其次是磷酸鐵、鋁以及其它磷的化合物，是土壤中無機(jī)磷的重要來源。,15,第一章 土壤的組成與性質(zhì),2、土壤的次生礦物 土壤中次生礦物可分為：簡單鹽類、三氧化物類和次生鋁硅酸鹽類。 (1)簡單鹽類 如方解石(CaCO3)、白云石(Ca、Mg（CO3）2)、石膏(CaSO22H2O)等，是原生礦物化學(xué)風(fēng)化的最終產(chǎn)物，結(jié)晶構(gòu)造都較簡單，常見于干早和半干旱地區(qū)的土壤。 (2)三氧化物 如針鐵礦(Fe2O3 H2O)、褐鐵礦（2Fe2O3 3H2O）等，是硅酸鹽類礦物徹底風(fēng)化的產(chǎn)物，常見于濕熱的熱帶和亞熱帶地區(qū)的土壤中，特別是基性巖(玄武巖、安山巖和石灰墻)上發(fā)育的土壤中含量最多。,16,第一章 土壤的組成與性質(zhì),（3）次生硅酸鹽類 由長石等原生硅酸鹽礦物風(fēng)化后形成，是構(gòu)成土壤粘粒的主要成分，故又稱粘土礦物或粘粒礦物?？杉?xì)分為伊利石、蒙脫石和高嶺石。 二、土壤有機(jī)質(zhì) 土壤有機(jī)質(zhì)包括： (1) 非特殊性的土壤有機(jī)質(zhì)，包括動植物殘?bào)w的組成部分以及有機(jī)質(zhì)分解的中間產(chǎn)物，例如蛋白質(zhì)、樹脂、糖類、有機(jī)酸等，占土壤有機(jī)質(zhì)總量的1015%。,17,第一章 土壤的組成與性質(zhì),(2) 土壤腐殖質(zhì)，是土壤特有的有機(jī)物質(zhì)，占土壤有機(jī)質(zhì)總量的8590%，主要是動植物殘?bào)w通過微生物作用，發(fā)生復(fù)雜轉(zhuǎn)化而成。 進(jìn)入土壤的有機(jī)物質(zhì)所含成分，按其化學(xué)組成可分為： (1)不含氮的有機(jī)化合物，如單糖和有機(jī)酸、多糖類、樹脂、脂肪、蠟質(zhì)和木質(zhì)素等。 (2)含氮有機(jī)化合物，即以蛋白質(zhì)為主，土壤中的植物殘?bào)w、土壤動物積微生物均含有種當(dāng)多的蛋白質(zhì)。 (3)灰分物質(zhì)，即植物體經(jīng)過燃燒殘留的無機(jī)物。,18,第一章 土壤的組成與性質(zhì),三、土壤中的水分,19,第一章 土壤的組成與性質(zhì),四、土壤中的空氣 土壤孔隙中所存在的各種氣體的混合物稱為土壤空氣。 以O(shè)2、N2、CO2及水汽等為主要成分; 其次由于土壤進(jìn)行生物化學(xué)作用產(chǎn)生的氣體。如H2S、NH3、NO2、CO等; 另外一些醇類、酸類以及其它揮發(fā)性物質(zhì)通過揮發(fā)作用也進(jìn)入土壤。,20,第一章 土壤的組成與性質(zhì),五、土壤的粒級分組與質(zhì)地分組 土壤礦物質(zhì)的粒級劃分 按粒徑的大小將土粒分為若干組，稱為粒組或粒級。 粒級的劃分標(biāo)準(zhǔn)及詳細(xì)程度主要有三種不同的劃分，即國際制、前蘇聯(lián)制和美國制。,21,第一章 土壤的組成與性質(zhì),22,第一章 土壤的組成與性質(zhì),23,第一章 土壤的組成與性質(zhì),2、各粒級的主要礦物成分和理化特性,24,第一章 土壤的組成與性質(zhì),(1)石塊和石礫： 多為巖石碎塊，直徑大于lmm。山區(qū)土壤和河漫灘土壤中常見。 (2)砂粒： 主要為原生礦物，大多為石英、長石十云母、角閃石等，其中以石英為主，粒徑為1一0.05mm。在沖積平原土壤中常見 (3)粘粒： 主要是次生礦物，粒徑小于0.001mm。含粘粒多的土壤，營養(yǎng)元素含量豐富，團(tuán)聚能力較強(qiáng)，有良好的保水保肥能力，但土壤的通氣和透水性較差。,25,第一章 土壤的組成與性質(zhì),(4)粉粒： 也稱作粉粒、面砂，是原生礦物與次生礦物的混合體。 原生礦物有云母、長石、角閃石等，其中白云母較多。 次生礦物有次生石英、高嶺石、含水氧化鐵、鋁，其中次生石英較多。 粒徑為0.050.005mm。粉砂粒的物理及化學(xué)性狀介于砂粒與粘粒之間。團(tuán)聚、膠結(jié)性差，分散性強(qiáng)。保水保肥能力較好。,26,第一章 土壤的組成與性質(zhì) 3、土壤質(zhì)地分類及其特性,27,第一章 土壤的組成與性質(zhì) 3、土壤質(zhì)地分類及其特性,28,第一章 土壤的組成與性質(zhì) 3、土壤質(zhì)地分類及其特性,29,第一章 土壤的組成與性質(zhì),六、土壤吸附性 土壤中活躍的組分：土壤膠體和土壤微生物。 1、土壤膠體的性質(zhì) (1) 土壤膠體具有巨大的比表面和表面能。 物質(zhì)的比表面越大，表面能也越大。 (2) 土壤膠體的電性。 土壤膠體微粒具有雙電層，微粒的內(nèi)部稱微粒核，一般帶負(fù)電荷，形成一個(gè)負(fù)離子層(即決定電位離子層)，其外部由于電性吸引，而形成一個(gè)正離子層(又稱反離子層，包括非活動性離子層和擴(kuò)散層)，即合稱為雙電層。 (3) 土壤膠體的凝聚性和分散性。,30,第一章 土壤的組成與性質(zhì),2、土壤膠體的離子交換吸附 在土壤膠體雙電層的擴(kuò)散層中，補(bǔ)償離子可以和溶液中相同電荷的離子以離子價(jià)為依據(jù)作等價(jià)交換，稱為離子交換(或代換)。 離子交換作用包括陽離子交換吸附作用和陰離子交換吸附作用。 (1) 土壤膠體的陽離子交換吸附 電荷數(shù) 離子半徑及水化程度,31,第一章 土壤的組成與性質(zhì),土壤的可交換性陽離子有兩類： 致酸離子 包括H+和A13+； 鹽基離子 包括Ca2+、Mg2+、K+、Na+、NH4+等。 當(dāng)土壤膠體上吸附的陽離子均為鹽基離子，且已達(dá)到吸附飽和時(shí)的土壤，稱為鹽基飽和土壤。 當(dāng)土壤膠體上吸附的陽離子有一部分為致酸離子，則這種土壤為鹽基不飽和土壤。 在土壤交換性陽離子中鹽基離子所占的百分?jǐn)?shù)稱為土壤鹽基飽和度。,32,第一章 土壤的組成與性質(zhì),(2)土壤膠體的陰離子交換吸附 土壤中陰離子交換吸附是指帶正電荷的膠體所吸附的陰離子與溶液中陰離子的交換作用。 陰離子的交換吸附可與膠體微粒(如酸性條件下帶正電荷的含水氧化鐵、鋁)或溶液中陽離子(Ca2+、Fe3+、A13+ )形成難溶性沉淀而被強(qiáng)烈地吸附。,33,第一章 土壤的組成與性質(zhì) 四、土壤酸堿性,34,第一章 土壤的組成與性質(zhì),1、土壤酸度 活性酸度： 土壤的活性酸度是土壤溶液中氫離子濃度的直接反映，又稱為有效酸度，通常用pH表示。 潛性酸度： 土壤潛性酸度的來源是土壤膠體吸附的可代換性H+和A13+。 根據(jù)測定土壤潛性酸度所用的提取液，可以把潛性酸度分為代換性酸度和水解酸度。 代換性酸度 水解性酸度,35,第一章 土壤的組成與性質(zhì),2、土壤堿度 土壤溶液中OH離子的主要來源: CO32和H CO3的堿金屬(Na、K)及堿土金屬(Ca、Mg)的鹽類。 碳酸鹽堿度和重碳酸鹽度的總和稱為總堿度。 當(dāng)土壤膠體上吸附的Na+、K+、Mg2+(主要是Na+)等離子的飽和度增加到一定程度時(shí)，會引起交換性陽離子的水解作用，結(jié)果在土壤溶液中產(chǎn)生NaOH，使土壤呈堿性。此時(shí)Na+離子飽和度亦稱為土壤堿化度。,36,第一章 土壤的組成與性質(zhì),3、土壤的緩沖性能 土壤緩沖性能是指土壤具有緩和其酸堿度發(fā)生激烈變化的能力。 (1)土壤溶液的緩沖作用： (2)土壤膠體的緩沖作用： 一般土壤緩沖能力的大小順序是：腐殖質(zhì)土粘土砂土。 五、土壤的氧化還原性 土壤中的主要氧化劑：氧氣、NO3離子和高價(jià)金屬離子； 土壤中的主要還原劑：有機(jī)質(zhì)和低價(jià)金屬離子。 土壤中植物的根系和土壤生物也是土壤發(fā)生氧化還原反應(yīng)的重要參與者。,37,第一章 土壤的組成與性質(zhì),38,第一章 土壤的組成與性質(zhì),六、土壤環(huán)境容量 將土壤所允許承納污染物質(zhì)的最大數(shù)量稱為土壤環(huán)境容量; 或不使土壤生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能受到損害的條件下，土壤中所能承納污染物的最大數(shù)量。 明確污染物對土壤生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能的影響，以及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相功能方面的要求來確定土壤環(huán)境容量。 土壤臨界容量是確定土壤環(huán)境容量的一個(gè)很重要的因素，決定土壤的容納能力。,39,40,第一章 土壤的組成與性質(zhì),土壤環(huán)境容量的確定 土壤靜容量 從靜止的觀點(diǎn)度量土壤的容納能力，由下式表示， Cs = M（Ci-CB1） 式中，M表示每畝耕地土壤重，kg；Ci為i元素的土壤臨界含量，mg/kg；CBi為i元素的土壤背景值，mg/kg。 現(xiàn)存容量： CSP = M（Ci-CB1- CP） CP是土壤中人為污染而增加的量。,41,第一章 土壤的組成與性質(zhì),土壤環(huán)境容量粗略估計(jì)公式： Q =（CX - B） 150 式中，Q為土壤環(huán)境容量，g/畝；CX為土壤環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)值，mg/kg；B為區(qū)域土壤背景值，mg/kg。 2、土壤動容量 若假定年輸入量為Q，年輸出量為Q，并且Q大于Q。 則： 殘留量為Q-Q。,42,第一章 土壤的組成與性質(zhì),殘留量(Q- Q)與輸入量Q之比，稱之為累積率(K)。 若計(jì)算幾年內(nèi)土壤污染物累積總量AT(含當(dāng)年轉(zhuǎn)入量)，則： AT=Q+QK+QK2+ QKn 而n年內(nèi)的污染物殘留總量RT(不含當(dāng)年輸入量)則為： RT = QK+QK2+ QKn 污染累積總量AT和殘留總量RT 均為等比級數(shù)之和，等比系數(shù)為K。,43,第一章 土壤的組成與性質(zhì),當(dāng)年限n足夠長時(shí)QKn趨于零，且AT達(dá)到最大極限值。等比有限累積規(guī)律： 其數(shù)學(xué)模式： AT = K（B+Q） AT：污染物在土壤中的年累積量，mg/kg； K ：土壤污染物年殘留率(%)，即殘留量與輸入量的比率； B ：污染物的區(qū)域土壤背景值，mg/kg； Q ：土壤污染物的年輸入量，mg/kg。,44,第二章 污染物在土壤中的遷移及其機(jī)制,土壤污染源和污染物 污染源： (1) 化肥和農(nóng)藥殘留； (2) 廢物(廢渣、污水和垃圾等)的處理場所； (3) 大氣或水體中的污染物質(zhì)的遷移、轉(zhuǎn)化，進(jìn)入土壤，使土壤隨之亦遭受污染； (4)在自然界中某些元素的富集中心或礦床周圍，形成自然擴(kuò)散暈，使附近土壤中的元素的含量超出一般土壤的含量范圍。,45,第二章 污染物在土壤中的遷移及其機(jī)制,污染物種類： (1)有機(jī)物質(zhì) 化學(xué)農(nóng)藥的種類繁多，主要為有機(jī)氯和有機(jī)磷兩大類； (2)氮類和磷類化學(xué)肥料； (3)重金屬，如砷、鎘、汞、鉻、銅、鋅、鉛等； (4)放射性，元素如銫、鍶等； (5)有害微生物類，如腸細(xì)菌、炭疽桿菌、破傷風(fēng)桿菌、腸寄生蟲(蠕蟲)、霍亂弧菌、結(jié)核桿菌等。 土壤中有機(jī)物分解產(chǎn)生CO2、CH4、H2S、H2、NH3和N2等氣體(其中CO2和CH4是主要的) 。,46,第二章 污染物在土壤中的遷移及其機(jī)制,污染物在土壤-植物體系中的遷移 土壤中污染物主要是通過植物根系根毛細(xì)胞的作用積累于植物莖、葉和果實(shí)部分。 1、污染物由土壤向植物體內(nèi)遷移的方式 被動轉(zhuǎn)移 主動轉(zhuǎn)移 2、影響重金屬在土壤-植物體系中轉(zhuǎn)移的因素 土壤中重金屬向植物體內(nèi)轉(zhuǎn)移的過程與重金屬的種類、價(jià)態(tài)、存在形式以及土壤和植物的種類、特性有關(guān) 。 (1)植物種類,47,第二章 污染物在土壤中的遷移及其機(jī)制,(2)土壤種類 土壤的酸堿性和腐殖質(zhì)的含量都可能影響重金屬向植物體內(nèi)的轉(zhuǎn)移能力。 如：在沖積土壤、腐殖質(zhì)火山灰土壤中加入Cu、Zn、Cd、Hg、Pb等元素后，觀察對水稻生長的影響。 Cd造成水稻嚴(yán)重的生育障礙；而Pb幾乎無影響。在沖積土壤中，其障礙大小順序?yàn)椋篊dZnCuHgPb；