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1、1 馬雙忱馬雙忱soil environmental chemistry2土壤的組成、結(jié)構(gòu)和性質(zhì)土壤的組成、結(jié)構(gòu)和性質(zhì) 土壤污染土壤污染:農(nóng)藥與重金屬污染農(nóng)藥與重金屬污染土壤的形成及環(huán)境意義土壤的形成及環(huán)境意義土壤的結(jié)構(gòu)和組成土壤的結(jié)構(gòu)和組成3土壤的形成及其環(huán)境意義土壤的形成及其環(huán)境意義 生態(tài)系統(tǒng)的重要組成之一生態(tài)系統(tǒng)的重要組成之一 巖石圈,由巖石和土壤組成。在地球巖石圈,由巖石和土壤組成。在地球表面約表面約1.5億億km2的陸地中,農(nóng)耕田、草地和林田分別占的陸地中,農(nóng)耕田、草地和林田分別占9、21和和27。這些陸地是巖石圈的主要組成部分。這些陸地是巖石圈的主要組成部分。在土壤中在土壤中有機(jī)物
2、和無機(jī)物、生命體和非生命體有機(jī)物和無機(jī)物、生命體和非生命體共存,而且不斷進(jìn)行共存,而且不斷進(jìn)行著著化學(xué)的、物理的、生物的、地質(zhì)的化學(xué)的、物理的、生物的、地質(zhì)的多種多樣的運(yùn)動(dòng)和變化。多種多樣的運(yùn)動(dòng)和變化。從環(huán)境角度考慮,土壤既為人類提供豐富的物質(zhì)資源,又是人類排從環(huán)境角度考慮,土壤既為人類提供豐富的物質(zhì)資源,又是人類排放各種廢物的場(chǎng)所,土壤污染亦是當(dāng)前人類面臨的重要環(huán)境問題之放各種廢物的場(chǎng)所,土壤污染亦是當(dāng)前人類面臨的重要環(huán)境問題之一。一。4土壤的形成是物理過程、化學(xué)過程與生物過程等長(zhǎng)期共同作用的結(jié)果。主要過程土壤的形成是物理過程、化學(xué)過程與生物過程等長(zhǎng)期共同作用的結(jié)果。主要過程有有物理風(fēng)化過程
3、、化學(xué)風(fēng)化過程、生物風(fēng)化作用物理風(fēng)化過程、化學(xué)風(fēng)化過程、生物風(fēng)化作用。 (1)粉碎性巖石的初始風(fēng)化)粉碎性巖石的初始風(fēng)化 地殼中含有多種硅酸鹽礦物,如長(zhǎng)石、輝石、閃石、橄欖石、云母等,由于地地殼中含有多種硅酸鹽礦物,如長(zhǎng)石、輝石、閃石、橄欖石、云母等,由于地殼運(yùn)動(dòng)和火山活動(dòng)等原因,上述礦物質(zhì)從地殼深處遷移至地表,從殼運(yùn)動(dòng)和火山活動(dòng)等原因,上述礦物質(zhì)從地殼深處遷移至地表,從高溫高壓到常高溫高壓到常溫常壓的急劇變化溫常壓的急劇變化,使巖石破碎和粉碎,粉碎后的巖石大大增加了與空氣和水接,使巖石破碎和粉碎,粉碎后的巖石大大增加了與空氣和水接觸的面積,從而明顯加速了其觸的面積,從而明顯加速了其物理風(fēng)化物
4、理風(fēng)化的進(jìn)程,物理風(fēng)化不改變巖石的化學(xué)成分的進(jìn)程,物理風(fēng)化不改變巖石的化學(xué)成分,但為化學(xué)風(fēng)化的深入發(fā)展創(chuàng)造了有利的條件。(沙漠地區(qū)就屬于典型的物理風(fēng)化)但為化學(xué)風(fēng)化的深入發(fā)展創(chuàng)造了有利的條件。(沙漠地區(qū)就屬于典型的物理風(fēng)化)5(2)化學(xué)風(fēng)化過程:)化學(xué)風(fēng)化過程: 初始風(fēng)化后的巖石,還將經(jīng)受長(zhǎng)期的化學(xué)風(fēng)化過程,其中涉及多種化初始風(fēng)化后的巖石,還將經(jīng)受長(zhǎng)期的化學(xué)風(fēng)化過程,其中涉及多種化學(xué)反應(yīng)。例如:學(xué)反應(yīng)。例如: 水解和水合反應(yīng):水解和水合反應(yīng): 2fe2o3(氧化鐵)(氧化鐵)+3h2o 2fe2o33h2o(褐鐵礦褐鐵礦) kalsi3o8(正長(zhǎng)石正長(zhǎng)石)+h2o halsi3o8+k+oh
5、氧化反應(yīng):氧化反應(yīng): 12mgfesio4(橄欖石橄欖石)+8h2o+o2 4h4mg3si2o9(蛇紋石)(蛇紋石) +4sio2(石英)(石英)+6fe2o3 酸溶反應(yīng):酸溶反應(yīng): caco3+co2+h2o ca(hco3)2 caal2si2 o 8(鈣長(zhǎng)石)(鈣長(zhǎng)石)+2h+ h2al2si2o8(高嶺土)(高嶺土)+ ca2+6 長(zhǎng)期化學(xué)風(fēng)化后的巖石進(jìn)一步分解而形成早期的土壤,長(zhǎng)期化學(xué)風(fēng)化后的巖石進(jìn)一步分解而形成早期的土壤,風(fēng)化后釋放的風(fēng)化后釋放的k+、ca2+等離子成為可被植物吸收的成分(為進(jìn)一步的生物風(fēng)化提供營(yíng)等離子成為可被植物吸收的成分(為進(jìn)一步的生物風(fēng)化提供營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)),養(yǎng)物
6、質(zhì)),fe2o33h2o等則成為新的礦物。等則成為新的礦物。早期土壤的形成為陸生植早期土壤的形成為陸生植物的生長(zhǎng)提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。物的生長(zhǎng)提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。 (3)生物風(fēng)化作用:)生物風(fēng)化作用: 生物作用是形成現(xiàn)代土壤的三要素之一。生物作用是形成現(xiàn)代土壤的三要素之一。植物的根部運(yùn)動(dòng)植物的根部運(yùn)動(dòng)增進(jìn)了水增進(jìn)了水和空氣與土壤的接觸,促進(jìn)了土壤的物理風(fēng)化;同時(shí)植物生長(zhǎng)產(chǎn)生的大和空氣與土壤的接觸,促進(jìn)了土壤的物理風(fēng)化;同時(shí)植物生長(zhǎng)產(chǎn)生的大量量腐葉和枯枝(以及動(dòng)物殘?。诟癄€過程中腐葉和枯枝(以及動(dòng)物殘?。?,在腐爛過程中析出有機(jī)酸侵蝕巖石,析出有機(jī)酸侵蝕巖石,使使早期土壤不斷得到化學(xué)風(fēng)化。在早期土壤不斷
7、得到化學(xué)風(fēng)化。在微生物作用微生物作用下還會(huì)分解產(chǎn)生腐殖質(zhì),下還會(huì)分解產(chǎn)生腐殖質(zhì),與礦物質(zhì)的絡(luò)合作用,也促進(jìn)了土壤的化學(xué)風(fēng)化。與礦物質(zhì)的絡(luò)合作用,也促進(jìn)了土壤的化學(xué)風(fēng)化。 久而久之,逐步形成了人類文明賴以生存的基本條件之一久而久之,逐步形成了人類文明賴以生存的基本條件之一 現(xiàn)代土現(xiàn)代土壤。壤。7 土壤是獨(dú)立的歷史自然體,有著自身的生成發(fā)展過程。土壤是獨(dú)立的歷史自然體,有著自身的生成發(fā)展過程。但在其發(fā)展過程中,又受到人類勞動(dòng)深刻的影響,所以但在其發(fā)展過程中,又受到人類勞動(dòng)深刻的影響,所以土土壤是生物、氣候、母巖、地形、時(shí)間和人類生產(chǎn)活動(dòng)等成壤是生物、氣候、母巖、地形、時(shí)間和人類生產(chǎn)活動(dòng)等成土因素綜
8、合作用下的產(chǎn)物。土因素綜合作用下的產(chǎn)物。 由于成土因素綜合作用的不同,產(chǎn)生出多種類型的土由于成土因素綜合作用的不同,產(chǎn)生出多種類型的土壤。壤。 各種土壤形成過程的實(shí)質(zhì)是地球表面物質(zhì)的地質(zhì)大循各種土壤形成過程的實(shí)質(zhì)是地球表面物質(zhì)的地質(zhì)大循環(huán)與生物小循環(huán)的對(duì)立統(tǒng)一。環(huán)與生物小循環(huán)的對(duì)立統(tǒng)一。8土壤的基本環(huán)境機(jī)能土壤的基本環(huán)境機(jī)能(1)培育植物培育植物 :一方面土壤是能使植物挺立生長(zhǎng)的支持體,另一方一方面土壤是能使植物挺立生長(zhǎng)的支持體,另一方面,土壤具有一定的肥力,能為植物生長(zhǎng)提供水、空氣和養(yǎng)分。因此面,土壤具有一定的肥力,能為植物生長(zhǎng)提供水、空氣和養(yǎng)分。因此土壤是植物生長(zhǎng)基體,也是莊稼和糧食的生產(chǎn)
9、基地,從而成為動(dòng)物、土壤是植物生長(zhǎng)基體,也是莊稼和糧食的生產(chǎn)基地,從而成為動(dòng)物、人類以及絕大多數(shù)微生物賴以棲息、生活、繁衍的場(chǎng)所。人類以及絕大多數(shù)微生物賴以棲息、生活、繁衍的場(chǎng)所。(2)推動(dòng)物質(zhì)循環(huán)推動(dòng)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: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)入大氣和水體,又可能通層,由巖石風(fēng)化產(chǎn)生的所有物質(zhì)都有可能進(jìn)入大氣和水體,又可能通過地球化學(xué)循環(huán)歸入土壤。碳、氮元素在大氣、海洋、土壤間以相當(dāng)過地球化學(xué)循環(huán)歸入土壤。碳、氮元素在大氣、海洋、土壤間以相當(dāng)快的速度循環(huán)(硫的循環(huán)速度略慢些)。一般地說,這些元素及其化快的
10、速度循環(huán)(硫的循環(huán)速度略慢些)。一般地說,這些元素及其化合物在土壤中的滯留時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng),因?yàn)樗鼈冊(cè)谕寥乐惺艿街T如吸附、合物在土壤中的滯留時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng),因?yàn)樗鼈冊(cè)谕寥乐惺艿街T如吸附、沉降、酸堿緩沖和植物攝取等多種作用。沉降、酸堿緩沖和植物攝取等多種作用。9(3)保存水資源保存水資源 :土壤是大氣和地下水的緩沖地區(qū)。土壤粒隙中儲(chǔ)存:土壤是大氣和地下水的緩沖地區(qū)。土壤粒隙中儲(chǔ)存的大量降水不會(huì)過快蒸發(fā),它們或通過徑流徐徐流向河流、湖泊,或的大量降水不會(huì)過快蒸發(fā),它們或通過徑流徐徐流向河流、湖泊,或滲入地下水體保存。水流中的雜質(zhì)經(jīng)土壤過濾、吸附及微生物降解等滲入地下水體保存。水流中的雜質(zhì)經(jīng)土壤過濾、吸附
11、及微生物降解等作用,可得到較純凈的水。作用,可得到較純凈的水。(4)防止災(zāi)害防止災(zāi)害 :由于土壤蓄水量大,可防止洪水發(fā)生。土壤植物又可:由于土壤蓄水量大,可防止洪水發(fā)生。土壤植物又可防止風(fēng)雨侵蝕、水土流失或土壤沙漠化趨向,并兼有防風(fēng)、消音等作防止風(fēng)雨侵蝕、水土流失或土壤沙漠化趨向,并兼有防風(fēng)、消音等作用。用。(5)自凈能力自凈能力:土壤對(duì)外來污染物有一定的自凈能力,因?yàn)橥寥谰哂校和寥缹?duì)外來污染物有一定的自凈能力,因?yàn)橥寥谰哂袠O大比表面和催化活性,兼以土壤中所含水、空氣、微生物等都能使極大比表面和催化活性,兼以土壤中所含水、空氣、微生物等都能使污染物降解脫活,從而將這些污染物的降解產(chǎn)物納入天然循
12、環(huán)軌道。污染物降解脫活,從而將這些污染物的降解產(chǎn)物納入天然循環(huán)軌道。10 l 土壤酸化、鹽堿化、土壤污染土壤污染l 土壤沙漠化土壤沙漠化(石漠化)l 陸地植被破壞l 水土流失全球范圍的土壤環(huán)境問題全球范圍的土壤環(huán)境問題1111月月2日凌晨日凌晨,云南楚雄發(fā)生特大泥石流災(zāi)害。云南楚雄發(fā)生特大泥石流災(zāi)害。據(jù)初步統(tǒng)計(jì)據(jù)初步統(tǒng)計(jì),此次泥石流已經(jīng)造成此次泥石流已經(jīng)造成21人死亡人死亡,40余人失蹤余人失蹤 12土體構(gòu)型土體構(gòu)型 v 土壤土體是由一系列不同性質(zhì)和質(zhì)地的層次構(gòu)成的。故各類土壤都有土壤土體是由一系列不同性質(zhì)和質(zhì)地的層次構(gòu)成的。故各類土壤都有一定的剖面構(gòu)型。土體構(gòu)型也是土壤分類的重要依據(jù)。土體內(nèi)
13、物質(zhì)的一定的剖面構(gòu)型。土體構(gòu)型也是土壤分類的重要依據(jù)。土體內(nèi)物質(zhì)的遷移和轉(zhuǎn)化過程,固然發(fā)生于土壤各組成成分之間,但宏觀地看來,遷移和轉(zhuǎn)化過程,固然發(fā)生于土壤各組成成分之間,但宏觀地看來,也發(fā)生于各土層之間。也發(fā)生于各土層之間。13 國(guó)際代號(hào) 土層名稱 傳統(tǒng)代號(hào) 森林凋落物層 草氈層 a0 泥炭層 腐殖質(zhì)層 a1 淋溶層 a2 淀積層 b 母質(zhì)層 c 母巖層 d o h a e b c r 有機(jī)質(zhì)層 真正土壤 圖圖1 土體構(gòu)型基本模式土體構(gòu)型基本模式14v 土壤表層是有機(jī)質(zhì)層土壤表層是有機(jī)質(zhì)層。根據(jù)有機(jī)質(zhì)的。根據(jù)有機(jī)質(zhì)的“熟化程度熟化程度”,又可從中分出凋落物層,又可從中分出凋落物層(o)、泥炭
14、層()、泥炭層(h)和腐殖質(zhì)層()和腐殖質(zhì)層(a)。)。表層之下是淋溶層(表層之下是淋溶層(e),),是指由于淋是指由于淋溶作用使物質(zhì)下移所經(jīng)過的土層,這一層也可稱過渡層。溶作用使物質(zhì)下移所經(jīng)過的土層,這一層也可稱過渡層。淀積層(淀積層(b)是指物質(zhì)是指物質(zhì)累積的層次。累積的層次。b層的性質(zhì)依土壤不同而有很大差別,由此又可區(qū)分為腐殖質(zhì)淀積層的性質(zhì)依土壤不同而有很大差別,由此又可區(qū)分為腐殖質(zhì)淀積層(層(bh)、鐵鋁淀積層()、鐵鋁淀積層(bs)、粘粒淀積層()、粘粒淀積層(bt)等。再以下的母質(zhì)層()等。再以下的母質(zhì)層(c)和母巖層(和母巖層(r)均不屬于土壤發(fā)生層,一般僅作為土壤剖面的重要成分
15、列出。)均不屬于土壤發(fā)生層,一般僅作為土壤剖面的重要成分列出。v 有機(jī)質(zhì)層(包括有機(jī)質(zhì)層(包括o、h、a層)的特點(diǎn)是含有機(jī)物量最多,具有最大生物活性,層)的特點(diǎn)是含有機(jī)物量最多,具有最大生物活性,金屬離子或粘土粒子容易隨土壤中水分往下滲透。金屬離子或粘土粒子容易隨土壤中水分往下滲透。淀積層(淀積層(b)的特點(diǎn)是含有機(jī))的特點(diǎn)是含有機(jī)物和空氣量少,含無機(jī)物和水分量多。物和空氣量少,含無機(jī)物和水分量多。15土壤的化學(xué)組成土壤的化學(xué)組成 土壤是由固、液、氣三相物質(zhì)組成的疏松多孔體。固相物質(zhì)包括礦物質(zhì)、有機(jī)質(zhì)土壤是由固、液、氣三相物質(zhì)組成的疏松多孔體。固相物質(zhì)包括礦物質(zhì)、有機(jī)質(zhì)和土壤生物。在固相物質(zhì)之
16、間,為形狀和大小不同的孔隙,孔隙中存在水分和空和土壤生物。在固相物質(zhì)之間,為形狀和大小不同的孔隙,孔隙中存在水分和空氣。氣。自然界里的土壤不論其為農(nóng)地、草土甚至荒地,其基本物質(zhì)組成如下:自然界里的土壤不論其為農(nóng)地、草土甚至荒地,其基本物質(zhì)組成如下:1617v 土壤三相物質(zhì)的比率因土壤種類而異,并且經(jīng)常變化著。土壤三相物質(zhì)的比率因土壤種類而異,并且經(jīng)常變化著。 v 土壤中所含多量化學(xué)元素的豐度順序如下:土壤中所含多量化學(xué)元素的豐度順序如下:osialfeccaknamgtins,這個(gè)次序與地殼組成大體,這個(gè)次序與地殼組成大體一致,所不同的是由于土壤中集結(jié)了大量生物體,因此一致,所不同的是由于土壤
17、中集結(jié)了大量生物體,因此c、n、s的含量相對(duì)較高。的含量相對(duì)較高。v 從環(huán)境污染角度來看,土壤還是藏垢納污之處,內(nèi)中含有各種從環(huán)境污染角度來看,土壤還是藏垢納污之處,內(nèi)中含有各種生物的殘?bào)w、排泄物、腐爛物;還含有來自大氣、水體及固體生物的殘?bào)w、排泄物、腐爛物;還含有來自大氣、水體及固體廢物中的各種污染物以及農(nóng)藥、肥料殘留物等。廢物中的各種污染物以及農(nóng)藥、肥料殘留物等。 18無機(jī)礦物質(zhì)無機(jī)礦物質(zhì)v 土壤中無機(jī)礦物質(zhì),按其成因可分為土壤中無機(jī)礦物質(zhì),按其成因可分為原生礦物和次生礦物原生礦物和次生礦物。凡在地殼中最先。凡在地殼中最先存在的、經(jīng)風(fēng)化作用后仍無變化地遺留在土壤中的一類礦物,稱為原生礦物;
18、存在的、經(jīng)風(fēng)化作用后仍無變化地遺留在土壤中的一類礦物,稱為原生礦物;而在土壤形成過程中,由原生礦物轉(zhuǎn)化形成的新礦物,統(tǒng)稱次生礦物。而在土壤形成過程中,由原生礦物轉(zhuǎn)化形成的新礦物,統(tǒng)稱次生礦物。n 原生礦物原生礦物的主要種類有:的主要種類有: 石英石英 (sio2)、長(zhǎng)石()、長(zhǎng)石(kalsi3o8)、云母)、云母k(si3al)al2o10(oh)2、輝石、輝石(mg,fe)sio3、閃石、閃石(mg,fe)7(si4o11)2(oh)2、橄欖石、橄欖石(mg,fe)2sio4等。等。 數(shù)量最多的石英和長(zhǎng)石構(gòu)成土壤的砂粒骨架,而云母、輝石等礦物質(zhì)數(shù)量最多的石英和長(zhǎng)石構(gòu)成土壤的砂粒骨架,而云母、
19、輝石等礦物質(zhì)則為植物提供許多無機(jī)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。則為植物提供許多無機(jī)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。19n 次生礦物次生礦物包括各種簡(jiǎn)單鹽類(碳酸鹽、重碳酸鹽、硫酸鹽、鹵化物),包括各種簡(jiǎn)單鹽類(碳酸鹽、重碳酸鹽、硫酸鹽、鹵化物),游離硅酸、水合氧化物(游離硅酸、水合氧化物(r2o3xh2o),如三水鋁石),如三水鋁石(al2o33h2o)、水、水鋁石鋁石(al2o3h2o)、針鐵礦、針鐵礦(fe2o3h2o)、褐鐵礦、褐鐵礦(2fe2o33h2o)等,次等,次生硅鋁酸鹽(如伊利石、蒙脫土、高嶺土等)。生硅鋁酸鹽(如伊利石、蒙脫土、高嶺土等)。v 次生礦物中簡(jiǎn)單鹽類屬水溶性鹽,易被淋失,一般土壤中含量較少。而次生礦物中簡(jiǎn)
20、單鹽類屬水溶性鹽,易被淋失,一般土壤中含量較少。而水合氧化物和次生鋁硅酸鹽,是土壤礦物質(zhì)中最細(xì)小的部分,一般將它水合氧化物和次生鋁硅酸鹽,是土壤礦物質(zhì)中最細(xì)小的部分,一般將它們(或單將后者)稱之為次生粘土礦物。土壤很多重要的物理、化學(xué)過們(或單將后者)稱之為次生粘土礦物。土壤很多重要的物理、化學(xué)過程和性質(zhì),都和土壤所含的粘土礦物,特別是次生鋁硅酸鹽的種類和數(shù)程和性質(zhì),都和土壤所含的粘土礦物,特別是次生鋁硅酸鹽的種類和數(shù)量有關(guān)。量有關(guān)。20土壤有機(jī)質(zhì)(土壤有機(jī)質(zhì)(soil organic matter,som) 根據(jù)土壤中有機(jī)質(zhì)的來源和存在狀態(tài),廣義的土壤有機(jī)質(zhì)可分為兩大根據(jù)土壤中有機(jī)質(zhì)的來源和
21、存在狀態(tài),廣義的土壤有機(jī)質(zhì)可分為兩大類:類: 一類是活的有機(jī)體,包括植物根系和土壤生物;一類是活的有機(jī)體,包括植物根系和土壤生物; 另一類是各種有機(jī)化合物,這就是狹義的土壤有機(jī)質(zhì),它又可分另一類是各種有機(jī)化合物,這就是狹義的土壤有機(jī)質(zhì),它又可分為兩類,一類是組成生物殘?bào)w的各種有機(jī)化合物,稱為非腐殖物質(zhì),為兩類,一類是組成生物殘?bào)w的各種有機(jī)化合物,稱為非腐殖物質(zhì),約占土壤有機(jī)質(zhì)總量的約占土壤有機(jī)質(zhì)總量的3040;一類是稱為腐殖質(zhì)的特殊有機(jī);一類是稱為腐殖質(zhì)的特殊有機(jī)化合物,包括腐殖酸、富里酸和胡敏質(zhì)等,它們普遍存在于土壤、腐化合物,包括腐殖酸、富里酸和胡敏質(zhì)等,它們普遍存在于土壤、腐熟的有機(jī)肥料
22、、各種地面水體的底泥和煤炭之中。土壤腐殖質(zhì)占土壤熟的有機(jī)肥料、各種地面水體的底泥和煤炭之中。土壤腐殖質(zhì)占土壤有機(jī)質(zhì)總量的有機(jī)質(zhì)總量的6070。 21綜合上述,土壤有機(jī)質(zhì)的構(gòu)成如下:綜合上述,土壤有機(jī)質(zhì)的構(gòu)成如下: 22土壤水分和土壤溶液土壤水分和土壤溶液 地球表面全部土壤中含水量約地球表面全部土壤中含水量約2.41013m3,不及水圈含水總量的,不及水圈含水總量的0.01,這些水充當(dāng)了土壤中所發(fā)生各種化學(xué)反應(yīng)的介質(zhì),對(duì)于巖石風(fēng)化、,這些水充當(dāng)了土壤中所發(fā)生各種化學(xué)反應(yīng)的介質(zhì),對(duì)于巖石風(fēng)化、土壤形成、植物生長(zhǎng)有著決定性意義。土壤形成、植物生長(zhǎng)有著決定性意義。v 由土壤水分和其中所含溶質(zhì)組成了土壤
23、溶液。土壤溶液的形成是土壤三由土壤水分和其中所含溶質(zhì)組成了土壤溶液。土壤溶液的形成是土壤三相成分間進(jìn)行物質(zhì)和能量交換的結(jié)果。因此其組成非常復(fù)雜,常見的溶相成分間進(jìn)行物質(zhì)和能量交換的結(jié)果。因此其組成非常復(fù)雜,常見的溶質(zhì)有:質(zhì)有: 無機(jī)膠體:鐵和鋁的氧化物等;無機(jī)膠體:鐵和鋁的氧化物等; 無機(jī)鹽類:碳酸鹽、重碳酸鹽、硫酸鹽、氯化物、硝酸鹽、磷無機(jī)鹽類:碳酸鹽、重碳酸鹽、硫酸鹽、氯化物、硝酸鹽、磷 酸酸鹽等;鹽等; 有機(jī)化合物類:腐殖酸、有機(jī)酸、可溶性糖類、蛋白質(zhì)及衍生物等;有機(jī)化合物類:腐殖酸、有機(jī)酸、可溶性糖類、蛋白質(zhì)及衍生物等; 絡(luò)合物類:如鐵和鋁的有機(jī)絡(luò)合物等;絡(luò)合物類:如鐵和鋁的有機(jī)絡(luò)合物
24、等; 溶解性氣體類:如溶解性氣體類:如o2、co2、n2等。等。23土壤空氣土壤空氣v 土壤空氣也是土壤的重要組分之一。它對(duì)土壤微生物活動(dòng),營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)土壤空氣也是土壤的重要組分之一。它對(duì)土壤微生物活動(dòng),營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的轉(zhuǎn)化以及植物的生長(zhǎng)發(fā)育都有重大的作用。因此,土壤空氣的狀況的轉(zhuǎn)化以及植物的生長(zhǎng)發(fā)育都有重大的作用。因此,土壤空氣的狀況是決定土壤肥力的重要因素之一。是決定土壤肥力的重要因素之一。v 土壤是多孔體系,土壤空氣存在于未被水分占據(jù)的土壤空隙中。這些土壤是多孔體系,土壤空氣存在于未被水分占據(jù)的土壤空隙中。這些氣體主要來源于大氣,其次是產(chǎn)生于土壤內(nèi)發(fā)生的化學(xué)和生物化學(xué)過氣體主要來源于大氣,其次是產(chǎn)
25、生于土壤內(nèi)發(fā)生的化學(xué)和生物化學(xué)過程。程。v 土壤空氣的數(shù)量,通常以單位土體容積中空氣所占容積百分?jǐn)?shù)來表示,土壤空氣的數(shù)量,通常以單位土體容積中空氣所占容積百分?jǐn)?shù)來表示,稱為土壤含氣量。凡影響土壤孔性和含水量的因素,也都影響土壤的稱為土壤含氣量。凡影響土壤孔性和含水量的因素,也都影響土壤的空氣含量??諝夂俊?4v 總體來看,土壤空氣組成和大氣的組成大同小異。土壤空氣有總體來看,土壤空氣組成和大氣的組成大同小異。土壤空氣有異于大氣之處是:異于大氣之處是: 土壤空氣是不連續(xù)的,存在于土??障吨g;土壤空氣是不連續(xù)的,存在于土??障吨g; 有更高的濕度;有更高的濕度; 由于有機(jī)物腐爛,使土壤空氣中由
26、于有機(jī)物腐爛,使土壤空氣中o2含量較少,而含量較少,而co2濃度濃度顯著增加(比大氣中顯著增加(比大氣中co2濃度大濃度大8300倍),但二者之和約為倍),但二者之和約為總量的總量的21(體積),與大氣情況相近;(體積),與大氣情況相近; 土壤空氣中還含有少量還原性氣體,如土壤空氣中還含有少量還原性氣體,如ch4、h2s、h2等,等,在某些情況下還可能產(chǎn)生在某些情況下還可能產(chǎn)生ph3、cs2等氣體,這些都是厭氧性微等氣體,這些都是厭氧性微生物活動(dòng)的產(chǎn)物,對(duì)植物生長(zhǎng)有害。生物活動(dòng)的產(chǎn)物,對(duì)植物生長(zhǎng)有害。 25土壤中的生物土壤中的生物土壤中生活著一個(gè)生物群體,它們不但積極參與巖石的生物風(fēng)化作用,并
27、且是成土作用的主要因素。此外,土壤生物還能促進(jìn)土壤中物質(zhì)和能量轉(zhuǎn)化,具有凈化土壤有機(jī)污染物和保持土壤肥力的作用。生物群體與其生活的土壤環(huán)境間構(gòu)成了生態(tài)系統(tǒng),在系統(tǒng)中各種生物間有著復(fù)雜的食物鏈和食物網(wǎng)的關(guān)系,但生物群體的組成都處在相對(duì)穩(wěn)定的平衡狀態(tài)。按營(yíng)養(yǎng)關(guān)系可將土壤中生物分為生產(chǎn)者、消費(fèi)者和分解者,其中微生物和動(dòng)物可按表一所示方式進(jìn)行分類。26 表一表一 土壤生物的種類和數(shù)量土壤生物的種類和數(shù)量27土壤的環(huán)境化學(xué)特性(1)吸附特性 土壤膠體土壤膠體(colloids of soil )的性質(zhì)(直徑的性質(zhì)(直徑1-100nm) 土壤膠體具有極大的比表面積和表面能 蒙脫石比表面積最大(600800
28、 m2/g),高嶺石最?。?30 m2/g),有機(jī)膠體比表面積也大(700 m2/g)。 膠體表面分子與內(nèi)部分子所處的狀態(tài)不同,受到內(nèi)外部?jī)煞N不同的引力,因而具有多余的自由能即表面能,這是土壤膠體具有吸附作用的主要原因。比表面積愈大,表面能愈大,膠體的吸附性愈大。 28 土壤膠體的電荷特性土壤膠體的電荷特性 土壤膠體微粒一般帶負(fù)電荷,形成一個(gè)負(fù)離子層(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 (反離子層或擴(kuò)散層),即合稱雙電層。 29 土壤膠體的分散性和凝聚性土壤膠體的分散性和凝聚性 由于土壤膠體微粒帶負(fù)電荷,膠體粒子相互排斥,具有分散性,負(fù)電荷越多,負(fù)的電動(dòng)電位越高,分散性越強(qiáng)
29、;另一方面土壤溶液中含有陽(yáng)離子,可以中和負(fù)電荷使膠體凝聚,同時(shí)由于膠體比表面能很大,為減少表面能,膠體也具有相互吸引、凝聚的趨勢(shì)。30(2)離子交換吸附 土壤膠體擴(kuò)散層中的補(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,稱離子交換(或代換)作用,包括陽(yáng)離子交換吸附和陰離子交換吸附。 31 土壤膠體的陽(yáng)離子交換吸附(可逆過程)土壤膠體的陽(yáng)離子交換吸附(可逆過程) 土壤膠體微粒帶負(fù)電荷,表面可吸附陽(yáng)離子,可與土壤溶液中另一些陽(yáng)離子發(fā)生交換。 nacacana2222土壤膠體土壤膠體32陽(yáng)離子 (電荷數(shù),離子半徑,水化程度)土壤(土壤(膠體,顆粒, sio2/r2o3、ph等)不同土壤
30、的陽(yáng)離子交換量不同:不同種類的膠體的陽(yáng)離子交換量順序 有機(jī)膠體 蒙脫石 水化云母 高嶺土 水合氧化鐵、鋁土壤質(zhì)地越細(xì),陽(yáng)離子交換量越高;土壤膠體中sio2/r2o3比值越大,陽(yáng)離子交換量越高;ph值下降,陽(yáng)離子交換量降低。影響陽(yáng)離子交換吸附的因素33(3)土壤酸堿性土壤的酸堿性(acidity-alkalinity of soil)是土壤在其形成過程中,受到各種成土因素的綜合作用所產(chǎn)生的重要屬性。研究土壤的酸、堿性對(duì)植物生長(zhǎng)、土壤肥力、土壤污染和凈化都有重要影響。酸堿性用ph表示,我國(guó)土壤一般為4.5 - 8.5,少數(shù)高達(dá)10.5。土壤的ph值對(duì)土壤中植物養(yǎng)分有效性有明顯的影響,它既影響土壤溶
31、液的離子組成,又影響土壤膠體上代換性離子的組成。此外,ph值影響微生物的分布和活動(dòng),對(duì)土壤有機(jī)物的分解,氮、硫等元素的轉(zhuǎn)化,關(guān)系十分密切。土壤酸堿度直接或間接影響污染物在土壤中的遷移轉(zhuǎn)化:(1)影響重金屬等離子的溶解度;(2)影響污染物氧化還原體系的電位;(3)影響土壤膠體對(duì)重金屬離子等的吸附。34(4)土壤氧化還原性 土壤酸、堿性的變化(h+、oh-的產(chǎn)生)也會(huì)導(dǎo)致土壤氧化還原 (oxidation and reduction of soil)特性的變化,土壤氧化還原性能強(qiáng)烈影響存在于土壤中變價(jià)元素的轉(zhuǎn)化和遷移,存在形態(tài)是高價(jià)或低價(jià), 如n、p微生物轉(zhuǎn)化。土壤的養(yǎng)分狀況也受各種氧化還原反應(yīng)的
32、制約。影響n、p營(yíng)養(yǎng)。 eh:用實(shí)際測(cè)得土壤電極電位的大小。 旱地eh :400 700 mv 水田eh :-200+300mv土壤中存在下列主要的土壤中存在下列主要的氧化還原平衡體系:氧化還原平衡體系:35 土壤污染土壤污染 土壤污染 36土壤污染源和污染物土壤污染源和污染物 土壤的自凈作用和污染防治方法土壤的自凈作用和污染防治方法 土壤中的農(nóng)藥污染物土壤中的農(nóng)藥污染物 土壤中的重金屬類污染物土壤中的重金屬類污染物 37土壤污染源和污染物土壤污染源和污染物 v 土壤污染的發(fā)生特征主要是與土壤的特殊地位和功能相聯(lián)系的。其主要污染源有如下四個(gè)方面: 為了提高農(nóng)產(chǎn)品的數(shù)量和質(zhì)量,大量施用化肥和農(nóng)藥
33、,它們的殘留物在土壤中累積起來; 土壤歷來就作為廢物(廢渣、污水和垃圾等)的處理場(chǎng)所,而使大量有機(jī)和無機(jī)污染物質(zhì)隨之進(jìn)入土壤; 土壤是環(huán)境要素之一,因大氣或水體中的污染物質(zhì)的遷移、轉(zhuǎn)化,從而進(jìn)入土壤,使土壤隨之亦遭受污染; 在自然界中某些元素的富集中心或礦床周圍,往往形成自然擴(kuò)散暈,使附近土壤中這些元素的含量超出一般土壤的含量范圍。3839v 土壤中的污染物質(zhì)與大氣和水體中的污染物質(zhì)很多是相同的,其污染物主要種類有: 有機(jī)物質(zhì),其中數(shù)量較大而又比較重要的是化學(xué)農(nóng)藥?;瘜W(xué)農(nóng)藥的種類繁多,主要分為有機(jī)氯和有機(jī)磷兩大類; 氮素和磷素化學(xué)肥料; 重金屬,如砷、鎘、汞、鉻、銅、鋅、鉛等; 放射性元素,如
34、銫、鍶等; 有害微生物類,如腸細(xì)菌、炭疽桿菌、破傷風(fēng)桿菌、霍亂弧菌、結(jié)核桿菌等。v 此外,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),在某些條件下,這些氣態(tài)物質(zhì)也可能成為土壤的污染物。40 對(duì)土壤的化學(xué)污染物作歸納,主要有有機(jī)物、無機(jī)鹽類、重金對(duì)土壤的化學(xué)污染物作歸納,主要有有機(jī)物、無機(jī)鹽類、重金屬類和農(nóng)藥。屬類和農(nóng)藥。其中一般有機(jī)物容易在土壤中發(fā)生生物降解,無機(jī)鹽類易被植物吸收或淋溶流失,兩者在土壤中滯留時(shí)間較短。因此重金屬類和農(nóng)藥類化合物成為土壤的主要化學(xué)性污染物。重金屬中的汞、鎘、砷、鉛、鉻等進(jìn)入土壤后可以被作物吸收積累,間接危害人
35、畜健康,同時(shí)也可使土壤中野生動(dòng)物受害或轉(zhuǎn)入水體危及魚類。至于不合理地施用化學(xué)農(nóng)藥,在目前已引起人們的高度重視。如歸屬于多氯聯(lián)苯(pcb)、多環(huán)芳烴(pan)類的有機(jī)氯農(nóng)藥,由于化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定,不易為土壤微生物所降解,所以在土壤中殘留時(shí)間很長(zhǎng),被作物吸收后,再經(jīng)過各種生物之間轉(zhuǎn)移、濃縮和積累,可使農(nóng)藥的殘毒直接危害人體的健康。41土壤的自凈作用和污染防治方法土壤的自凈作用和污染防治方法v 自然界各種物質(zhì)組成之間都存在著物質(zhì)的循環(huán)和能量的交換,經(jīng)常處于一種自然界各種物質(zhì)組成之間都存在著物質(zhì)的循環(huán)和能量的交換,經(jīng)常處于一種相對(duì)的平衡狀態(tài)。如果污染物質(zhì)進(jìn)入土壤中,就會(huì)使其物質(zhì)組成發(fā)生變化,相對(duì)的平衡狀態(tài)
36、。如果污染物質(zhì)進(jìn)入土壤中,就會(huì)使其物質(zhì)組成發(fā)生變化,并破壞物質(zhì)原有的平衡,造成土壤污染。但另一方面,當(dāng)各種物質(zhì)進(jìn)入土壤并破壞物質(zhì)原有的平衡,造成土壤污染。但另一方面,當(dāng)各種物質(zhì)進(jìn)入土壤之后,土壤隨即顯示出自凈能力,也就是通過在土壤環(huán)境中發(fā)生之后,土壤隨即顯示出自凈能力,也就是通過在土壤環(huán)境中發(fā)生物理、物理物理、物理化學(xué)、化學(xué)和生物化學(xué)等一系列反應(yīng)過程,促使污染物質(zhì)逐漸分解或消失化學(xué)、化學(xué)和生物化學(xué)等一系列反應(yīng)過程,促使污染物質(zhì)逐漸分解或消失。具體地說,土壤的自凈能力主要來自于土壤顆粒物層對(duì)污染物有過濾、吸附具體地說,土壤的自凈能力主要來自于土壤顆粒物層對(duì)污染物有過濾、吸附等作用,土壤微生物有強(qiáng)
37、大等作用,土壤微生物有強(qiáng)大生物降解生物降解的能力,土壤本身對(duì)酸堿度改變具有相的能力,土壤本身對(duì)酸堿度改變具有相當(dāng)緩沖能力以及大量的土壤膠體表面能降低反應(yīng)的活化能,成為很多污染物當(dāng)緩沖能力以及大量的土壤膠體表面能降低反應(yīng)的活化能,成為很多污染物轉(zhuǎn)化反應(yīng)的良好轉(zhuǎn)化反應(yīng)的良好催化催化劑。此外,土壤空氣中的氧可作為氧化劑,土壤水分可劑。此外,土壤空氣中的氧可作為氧化劑,土壤水分可作為溶劑,這些也都是土壤的自凈因素。作為溶劑,這些也都是土壤的自凈因素。42v 在通常的情況下,土壤的凈化能力決定于土壤的物質(zhì)組成和土壤環(huán)境在通常的情況下,土壤的凈化能力決定于土壤的物質(zhì)組成和土壤環(huán)境其他特性,也和污染物的種類
38、和性質(zhì)有關(guān)。不同土壤的凈化能力不同,其他特性,也和污染物的種類和性質(zhì)有關(guān)。不同土壤的凈化能力不同,同一土壤對(duì)不同污染物質(zhì)的凈化能力也是不同的,同時(shí)土壤的凈化速同一土壤對(duì)不同污染物質(zhì)的凈化能力也是不同的,同時(shí)土壤的凈化速度是比較緩慢的。度是比較緩慢的。43v 在對(duì)土壤污染問題有了較深刻的認(rèn)識(shí)之后,人們對(duì)土壤本身污染的治在對(duì)土壤污染問題有了較深刻的認(rèn)識(shí)之后,人們對(duì)土壤本身污染的治理也作出了很多努力,除制訂相應(yīng)政策法令以降低土壤遭受污染的可理也作出了很多努力,除制訂相應(yīng)政策法令以降低土壤遭受污染的可能和程度外,還提出了以下一些常用的方法:能和程度外,還提出了以下一些常用的方法: (1)沉降法:沉降法
39、:將取自于天然水體(如河水)的灌溉用水,先引入將取自于天然水體(如河水)的灌溉用水,先引入一沉降池,以除去水中吸附了有害物質(zhì)的顆粒物。一沉降池,以除去水中吸附了有害物質(zhì)的顆粒物。 (2)稀釋法:稀釋法:將污染灌溉水以清凈的水稀釋到無害程度的方法。將污染灌溉水以清凈的水稀釋到無害程度的方法。對(duì)酸性強(qiáng)的灌溉用河水同時(shí)使用稀釋法和加藥劑的方法可收到更好的對(duì)酸性強(qiáng)的灌溉用河水同時(shí)使用稀釋法和加藥劑的方法可收到更好的效果。效果。 (3)鋪墊客土的方法:鋪墊客土的方法:對(duì)受污染的本土在其上層鋪墊一層非污染對(duì)受污染的本土在其上層鋪墊一層非污染客土的方法??屯恋姆椒ā?44 (4)排土法排土法 :將污染土層移
40、去,用作敷設(shè)道路路基、建筑物地將污染土層移去,用作敷設(shè)道路路基、建筑物地基等的方法。基等的方法。 (5)混層法和倒轉(zhuǎn)層法:混層法和倒轉(zhuǎn)層法:將表層污染土與下層清潔土經(jīng)翻耕后兩將表層污染土與下層清潔土經(jīng)翻耕后兩相混合的方法。使用這種方法實(shí)際上是對(duì)污染土起了摻稀的作用。在相混合的方法。使用這種方法實(shí)際上是對(duì)污染土起了摻稀的作用。在表土污染程度較高的情況下,甚至可采用倒轉(zhuǎn)層法,即將上下土層易表土污染程度較高的情況下,甚至可采用倒轉(zhuǎn)層法,即將上下土層易位的方法。位的方法。 (6)土壤改良法:土壤改良法:主要是用化學(xué)類方法。例如向土壤投加石灰、主要是用化學(xué)類方法。例如向土壤投加石灰、磷酸鹽、硅酸鹽等化學(xué)
41、物質(zhì),或采用微生物修復(fù)工程對(duì)污染土壤進(jìn)行磷酸鹽、硅酸鹽等化學(xué)物質(zhì),或采用微生物修復(fù)工程對(duì)污染土壤進(jìn)行修復(fù),以達(dá)到改性土壤的目的。修復(fù),以達(dá)到改性土壤的目的。45u 農(nóng)藥污染物分類農(nóng)藥污染物分類 u 農(nóng)藥在土壤中的環(huán)境行為農(nóng)藥在土壤中的環(huán)境行為 4647農(nóng)藥污染物分類農(nóng)藥污染物分類 人們?cè)谌藗冊(cè)?0世紀(jì)世紀(jì)30年代先后發(fā)現(xiàn)年代先后發(fā)現(xiàn)2,4-d(2,4-二氯苯氧乙酸)具有清二氯苯氧乙酸)具有清除雜草的能力、除雜草的能力、ddt(雙對(duì)氯苯基三氯乙烷)具有殺蟲的功效,從此(雙對(duì)氯苯基三氯乙烷)具有殺蟲的功效,從此開始了農(nóng)藥使用的時(shí)代。有關(guān)專家指出,世界糧食產(chǎn)量之半被各類病開始了農(nóng)藥使用的時(shí)代。有關(guān)專家指出,世界糧食產(chǎn)量之半被各類病蟲害糟蹋在農(nóng)田或糧庫(kù)里。人們生產(chǎn)各種農(nóng)藥就是為了將其用于控制蟲害糟蹋在農(nóng)田或糧庫(kù)里。人們生產(chǎn)各種農(nóng)藥就是為了將其用于控制土壤中有害生物種群,以保護(hù)莊稼作物。目前,世界范圍年產(chǎn)農(nóng)藥約土壤中有害生物種群,以保護(hù)莊稼作物。目前,世界范圍年產(chǎn)農(nóng)藥約200多萬噸,達(dá)多萬噸,達(dá)500種之多(大量生產(chǎn)又廣泛應(yīng)用的約有種之多(大量生產(chǎn)又廣泛應(yīng)用的約有
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