土壤重金屬元素與環(huán)境質(zhì)量.ppt

1、a,1,第三篇 土壤環(huán)境污染與凈化 第五章 土壤元素背景值與土壤環(huán)境容量 第六章 土壤重金屬元素與環(huán)境質(zhì)量 第七章 土壤有機(jī)污染物與環(huán)境質(zhì)量 第八章 土壤放射性物質(zhì)與環(huán)境(自學(xué)) 第九章 土壤退化過程與環(huán)境質(zhì)量(自學(xué)) 第十章 污染土壤的修復(fù),a,2,第六章 土壤重金屬元素與環(huán)境質(zhì)量 主要內(nèi)容,第一節(jié) 土壤中的重金屬 第二節(jié) 重金屬污染對(duì)環(huán)境質(zhì)量的影響 第三節(jié) 土壤中污染物的交互作用,a,3,第六章 土壤重金屬元素與環(huán)境質(zhì)量,第一節(jié) 土壤中的重金屬 1.主要內(nèi)容 土壤重金屬污染及其來源 土壤中重金屬的形態(tài) 控制土壤中重金屬溶解度的主要反應(yīng) 2.基本概念和知識(shí)點(diǎn) 土壤重金屬污染的定義、土壤中重金

2、屬污染的來源、土壤中重金屬化合物的類型、土壤中重金屬化合物的化學(xué)形態(tài)、控制土壤中重金屬溶解度的主要反應(yīng)。,a,4,第六章 土壤重金屬元素與環(huán)境質(zhì)量,一、土壤重金屬污染及其來源 (一)土壤重金屬污染的定義 重金屬系指密度4.0以上約60種元素或密度在5.0以上的45種元素。 有時(shí)，砷、硒是非金屬但是它的毒性及某些性質(zhì)與重金屬相似，所以將砷、硒列入重金屬污染物范圍內(nèi)。 環(huán)境污染方面所指的重金屬主要是指生物毒性顯著的汞、鎘、鉛、鉻以及類金屬砷 還包括具有毒性的重金屬鋅銅、鈷鎳、錫、釩等污染物。 土壤重金屬污染是指由于人類活動(dòng)將重金屬帶入土壤，致使土壤中重金屬含量明顯高于背景含量、并可能造成現(xiàn)存的或潛

3、在的土壤質(zhì)量退化、生態(tài)環(huán)境惡化的現(xiàn)象。,a,5,一 、重金屬概念及其污染,（二）土壤中重金屬污染的來源 1、成土母質(zhì) 2、大氣中重金屬沉降 3、農(nóng)藥、化肥和塑料薄膜使用 4、污水灌溉 5、污泥施肥 6、含重金屬廢棄物堆積 7、金屬礦山酸性廢水污染,a,6,一 重金屬概念及其污染,（二）土壤中重金屬污染的來源 1、成土母質(zhì) 成土母質(zhì)本身含有重金屬，不同的母質(zhì)、成土過程所形成的土壤含有重金屬量差異很大。 2、大氣中重金屬沉降 主要來源于工業(yè)生產(chǎn)，汽車尾氣排放及汽車輪胎磨損產(chǎn)生的大量含重金屬的有害氣體和粉塵等：它們主要分布在工路的周圍和公路、鐵路的兩側(cè)；大氣中的大多數(shù)重金屬是經(jīng)自然沉降和雨淋沉降進(jìn)入

4、土壤的。 公路、鐵路兩側(cè)土壤中的重金屬污染。 主要是Pb、Zn、Cd、Cr、Co、Cu的污染為主，它們成條帶狀分布。以公路、鐵路為軸向兩側(cè)重金屬污染強(qiáng)度逐漸減弱；隨著時(shí)間的推移。公路、鐵路土壤重金屬污染具有很強(qiáng)的疊加性。,a,7,（二）土壤中重金屬污染的來源 3、農(nóng)藥、化肥和塑料薄膜使用 施用含有鉛、汞、銅、砷等的農(nóng)藥和不合理地施用化肥，都可以導(dǎo)致土壤中重金屬的污染。一般過磷酸鹽中含有較多的重金屬Hg、Cd、As、Zn、Pb，氮肥和鉀肥含量較低。 農(nóng)田塑料薄膜生產(chǎn)應(yīng)用的熱穩(wěn)定劑中含有Cd、Pb在大量使用塑料大棚和地膜過程中都可以造成土壤重金屬的污染。,一 重金屬概念及其污染,a,8,我國和一些

5、國家磷肥含鎘量,a,9,（二）土壤中重金屬污染的來源 4、污水灌溉 污水灌溉一般指使用經(jīng)過一定處理的城市污水灌溉農(nóng)田、森林和草地。 城市污水包括生活污水、商業(yè)污水和工業(yè)廢水。 由于城市工業(yè)化的迅速發(fā)展，大量的工業(yè)廢水涌入河道、使城市污水中含有的許多重金屬離子，隨著污水灌溉而進(jìn)入土壤。 在分布上、往往是靠近污染源頭和城市工業(yè)區(qū)土壤污染嚴(yán)重、遠(yuǎn)離污染源頭和城市工業(yè)區(qū)、土壤幾乎不污染。,一 重金屬概念及其污染,a,10,a,11,污水灌溉5年后土壤中測出的重金屬形態(tài),% of Elements in each form,Forms Cd Cr Cu Ni Pb Zn,Exchangeable/ads

6、orbed 1 1 2 5 1 2 Organically bound 20 5 34 24 3 28 Carbonate/iron oxides 64 19 36 33 85 39 residual * 16 77 29 40 12 31,* sulfides and other very insoulble forms,a,12,（二）土壤中重金屬污染的來源 5、污泥施肥 污泥中含有大量的有機(jī)質(zhì)和氮、磷、鉀等營養(yǎng)元素、但同時(shí)污泥中也含有大量的重金屬，隨著大量的市政污泥進(jìn)入農(nóng)田、使農(nóng)田中的重金屬的含量在不斷增高，污泥施肥可導(dǎo)致土壤中Cd、Hg、Cr、CuZn、Ni、Pb含量的增加、且污泥施用

7、越多，污染就越嚴(yán)重。 6、含重金屬廢棄物堆積 含重金屬廢棄物種類繁多、不同種類其危害方式和污染程度都不一樣。污染的范圍一般以廢棄堆為中心向四周擴(kuò)散。 7、金屬礦山酸性廢水污染 金屬礦山的開采、冶煉、重金屬尾礦、冶煉廢渣和礦渣堆放等可以被酸溶出含重金屬離子的礦山酸性廢水、隨著礦山排水和降雨使之帶入水環(huán)境(如河流等)或直接進(jìn)入土壤，都可以間接或直接地造成土壤重金屬污染。,一 重金屬概念及其污染,a,13,施用垃圾對(duì)土壤、稻谷中重金屬含量（mg/kg）的影響（呂春元等）,a,14,第六章 土壤重金屬元素與環(huán)境質(zhì)量,二、土壤中重金屬的形態(tài) （一）土壤中重金屬化合物的類型 污染重金屬化合物的類型即礦物的

8、類型。 對(duì)其生態(tài)效應(yīng)有著明顯的影響，當(dāng)土壤中所含化合物類型不同時(shí)，由于這些化合物本身性質(zhì)差異和土壤交互作用的不同，因而產(chǎn)生的生物效應(yīng)也是不同的。 （二）土壤中重金屬化合物的化學(xué)形態(tài),a,15,土壤溶液中或可用水提取的金屬離子或分子(主要是離子態(tài)) 。 吸附于膠體表面可為其它離子交換出來的金屬離子。,土壤中重金屬化合物的化學(xué)形態(tài),水溶態(tài) 交換態(tài) 碳酸鹽結(jié)合態(tài) 有機(jī)態(tài) 鐵錳氧化物結(jié)合態(tài) 殘留態(tài),石灰性土壤比較常見。 重金屬通過化學(xué)鍵與土壤有機(jī)質(zhì)中呈絡(luò)合或吸附態(tài)。屬于轉(zhuǎn)性吸附。,主要是親鐵元素(Mo), 常與鐵共存，當(dāng)鐵從原生礦物中風(fēng)化釋放出來，形成非晶形含水氧化鐵，逐漸結(jié)晶時(shí)，便被包裹在氧化鐵的結(jié)

9、晶里。只有包膜破壞后才能釋放，故近于礦物態(tài)。 結(jié)合于土壤硅鋁酸鹽固體礦物晶格中的金屬離子，不能被其它離子交換出來的微量元素。在酸性條件下，多數(shù)礦物溶解度增大。,a,16,Tessier重金屬形態(tài)分析(五步連續(xù)萃取法),a,17,第六章 土壤重金屬元素與環(huán)境質(zhì)量,三、控制土壤中重金屬溶解度的主要反應(yīng) （一）離子交換 （二）吸附反應(yīng) （三）核晶過程、沉淀作用和固溶體 （四）氧化還原作用 （五）有機(jī)質(zhì)對(duì)金屬離子的吸附與配位反應(yīng),a,18,三、控制土壤中重金屬溶解度的主要反應(yīng),（一）離子交換 指重金屬離子通過與土壤表面電荷之間的靜電作用而被土壤吸附。在吸附過程中，膠體每吸附一部分陽離子，同時(shí)也放出等當(dāng)

10、量的其他陽離子。所以這種吸附叫做離子交換吸附。（非專性吸附） 1、陽離子交換吸附具有的特征： 陽離子吸附是一種可逆反應(yīng)，而且迅速地達(dá)到可逆平衡，向任何一方的反應(yīng)都不可能進(jìn)行到底。 離子的交換作用是以當(dāng)量關(guān)系進(jìn)行的。 離子交換作用不受溫度的影響，并且在酸堿條件下均可進(jìn)行。,a,19,三、控制土壤中重金屬溶解度的主要反應(yīng),（一）離子交換 2、影響吸附親合力的因素： 電荷與水化作用的影響 隨著電價(jià)增高，陽離子的吸附親合力愈強(qiáng)：M+M2+M3+ 隨著水化陽離子半徑的減少，產(chǎn)生較高的電荷密度 ：Ba2+Sr2+Ca2+Mg2+Cs2+Rb+K+Na+Li+ Al3+H+,a,20,三、控制土壤中重金屬溶

11、解度的主要反應(yīng),（二）專性吸附 物理吸附和化學(xué)吸附 物理吸附是指吸附質(zhì)和吸附劑通過弱的原子和分子間相互作用力而粘附。 離子吸附方程 在溫度固定的條件下，吸附量Q同溶液濃度之間的關(guān)系稱為等溫吸附規(guī)律，表達(dá)這一關(guān)系的數(shù)學(xué)式稱為吸附等溫式。 Freundlich等溫吸附式： logQ = logK + 1/nlogC Langmuir單分子層吸附理論與吸附等溫式 KaC(1-)=Kb,a,21,三、控制土壤中重金屬溶解度的主要反應(yīng),（二）專性吸附 化學(xué)吸附又叫專性吸附，指重金屬離子通過與土壤中金屬氧化物表面的-OH、-OH2等配位基或有機(jī)質(zhì)配位而結(jié)合在土壤表面。 吸附條件 水合氧化物（FeOOH，F(xiàn)

12、e2O3） 配位體的交換 對(duì)重金屬離子影響大：重金屬形成水合離子更容易發(fā)生專性吸附，Cd2+M1+M2 拮杭作用(antagonism) MM1+M2 獨(dú)立作用（independent effect) M=M1+M2(1-M1) ；M=1-（1-M1）(1-M2) 如下圖所示：,a,46,a,47,第六章 土壤重金屬元素與環(huán)境質(zhì)量,第三節(jié) 土壤中污染物的交互作用(復(fù)合污染) 復(fù)合污染的分類 按污染物來源： 1)同源復(fù)合污染 它是由處于同一環(huán)境介質(zhì)(大氣、水體或土壤)中的多種污染韌所形成的復(fù)合污染。 根據(jù)所處的環(huán)境介質(zhì)的不同可進(jìn)一步分為大氣復(fù)合污染型，水體復(fù)合污染型和土壤復(fù)合污染型。同源復(fù)合污染

13、類型是目前復(fù)合污染研究的重點(diǎn)。 2)異源復(fù)合污染 由不同環(huán)境介質(zhì)來源的同一污染物或不同污染物所形成的復(fù)合污染現(xiàn)象。 它可進(jìn)一步分為大氣-土壤復(fù)合型，大氣-水體復(fù)合型，土壤-水體復(fù)合型，大氣-土壤-水體復(fù)合型。,a,48,第三節(jié) 土壤中污染物的交互作用(復(fù)合污染) 復(fù)合污染的分類 按污染物類型： 1)有機(jī)復(fù)合污染 由2種或2種以上有機(jī)污染物共存所形成。目前研究較多的是2種農(nóng)藥之間的復(fù)合污染。 2)無機(jī)復(fù)合污染 2種或2種以上無機(jī)污染物同時(shí)作用所形成的環(huán)境污染現(xiàn)象。重金屬元素之間的復(fù)合污染是當(dāng)前無機(jī)復(fù)合污染研究的重點(diǎn)。 3)有機(jī)-天機(jī)復(fù)合污染 有機(jī)污染物和無機(jī)污染物在同一環(huán)境中同時(shí)存在所形成的環(huán)境

14、污染現(xiàn)象。目前研究較多的是重金屬與農(nóng)藥、石油烴、洗滌劑之間的復(fù)合污染。,第六章 土壤重金屬元素與環(huán)境質(zhì)量,a,49,a,50,a,51,a,52,第三節(jié) 土壤中污染物的交互作用(復(fù)合污染) 復(fù)合污染的分析 多元回歸分析法 該方法目前廣泛采用。 主要研究在若干種共存的污染重金屬元素的各種存在形態(tài)(有效態(tài)、全量或其它形態(tài))與作物某些指標(biāo)(產(chǎn)量、生物量等)之間存在的相關(guān)關(guān)系。,第六章 土壤重金屬元素與環(huán)境質(zhì)量,a,53,第六章 土壤重金屬元素與環(huán)境質(zhì)量,第三節(jié) 土壤中污染物的交互作用(復(fù)合污染) 影響復(fù)合污染物交互作用的因子 1、生物因子 復(fù)合污染物的生理生態(tài)效應(yīng)受生物種類、作用部位、生物營養(yǎng)狀況以

15、及生物年齡和性別等因素的影響。 2、污染物因子 污染物因子包括污染物種類、污染物化學(xué)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)、處理方式、污染物濃度、污染物之間濃度比等。 Carlson發(fā)現(xiàn)Pb和Cd對(duì)植物生長的影響隨濃度而變化，低濃度時(shí)為加和作用，高濃度時(shí)為協(xié)同作用； 而Pietilainen(1975)的研究則表明Pb和Cd的交互作用關(guān)系與兩者的濃度比有關(guān)，當(dāng)Pbcd1，它們對(duì)浮游植物初級(jí)生產(chǎn)力的影響為拮抗作用；當(dāng)PbCd1，則為協(xié)同作用。Cd和Se相互作用也表現(xiàn)出類似的特點(diǎn)。 3、環(huán)境因子 環(huán)境因子主要包括溫度、濕度、光照、pH、有機(jī)物含量、土壤條件(包括pH，CEC，Eh等)。,a,54,第六章 土壤重金屬元素與環(huán)境

16、質(zhì)量,第三節(jié) 土壤中污染物的交互作用(復(fù)合污染) 復(fù)合污染機(jī)理 1、競爭結(jié)合位點(diǎn) 物理化學(xué)性質(zhì)相近的各種污染物由于作用方式和途徑相似，因而在生態(tài)介質(zhì)(土壤、水體)、代謝系統(tǒng)及細(xì)胞表面結(jié)合位點(diǎn)的競爭必然會(huì)影響這些污染物共存時(shí)的相互作用 2、影響酶的活性 通過改變與代謝污染物有關(guān)的酶的活性，影響污染物在生物體內(nèi)的擴(kuò)散、轉(zhuǎn)化和代謝方式，從而可以影響污染物在生物體內(nèi)的行為和毒性 3、干擾正常生理過程 復(fù)合污染通過干擾生物體的正常生理活動(dòng)和改變有關(guān)生理生化過程而發(fā)生相互作用。如氨基酸、可溶性蛋白的變化。,a,55,第三節(jié) 土壤中污染物的交互作用(復(fù)合污染) 復(fù)合污染機(jī)理 4、改變細(xì)胞結(jié)構(gòu)與功能 復(fù)合污染

17、可以引起各種將生物體或有關(guān)內(nèi)含物與外界環(huán)境隔離開的生物學(xué)屏障在結(jié)構(gòu)和功能上的擾動(dòng)，從而改變其透性及主動(dòng)、被動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)能力 5、螯合（或絡(luò)合)作用及沉淀作用 螯合(或絡(luò)合)作用可改變污染物的形態(tài)分布和其生物有效性，從而直接影響其毒性 6、干擾生物大分子的結(jié)構(gòu)與功能 有毒化學(xué)物質(zhì)通過抑制生物大分子的合成與代謝，干擾基因的擴(kuò)增和表達(dá)，對(duì)DNA造成損傷或使之?dāng)嗔巡⒂绊懫湫迯?fù)，與DNA生成化學(xué)加合物等途徑對(duì)生物體形成毒性也是復(fù)合污染的重要機(jī)理,第六章 土壤重金屬元素與環(huán)境質(zhì)量,a,56,第六章 土壤重金屬元素與環(huán)境質(zhì)量,第三節(jié) 土壤中污染物的交互作用(復(fù)合污染) 有機(jī)污染物-重金屬在土壤中交互作用的形式 主

18、要包括三種形式： 1）有機(jī)污染物-重金屬在土壤中吸附行為的交互作用； 2）有機(jī)污染物-重金屬在土壤中化學(xué)作用過程的交互作用； 3）有機(jī)污染物-重金屬在土壤中微生物過程的交互作用。,a,57,第三節(jié) 土壤中污染物的交互作用(復(fù)合污染) 有機(jī)污染物-重金屬在土壤中交互作用的形式 1、吸附行為的交互作用 有機(jī)污染物在土壤中的吸附點(diǎn)位主要是土壤中的腐殖質(zhì)部分。 土壤中有機(jī)質(zhì)的碳鏈結(jié)構(gòu)所構(gòu)成的憎水微環(huán)境、對(duì)有機(jī)污染物質(zhì)的吸附起著非常重要的作用，有機(jī)化合物通過在這些憎水微環(huán)境與水界面上的分配而被吸附在土壤表面。 疏水性的有機(jī)污染物在土壤中的吸附系數(shù)往往與土壤中有機(jī)碳的含量相關(guān)，可是對(duì)于疏水性較差的極性有機(jī)

19、污染物，例如許多極性農(nóng)藥它們在土壤中的吸附系數(shù)較之硫水性強(qiáng)的有機(jī)污染物要小得多，這些物質(zhì)往往通過在土壤或粘土礦物表面發(fā)生靜電作用以及形成氫鍵等方式產(chǎn)生一定量的吸附。,第六章 土壤重金屬元素與環(huán)境質(zhì)量,a,58,第三節(jié) 土壤中污染物的交互作用(復(fù)合污染) 有機(jī)污染物-重金屬在土壤中交互作用的形式 2、化學(xué)過程的交互作用 從化學(xué)角度來考慮重金屬-有機(jī)污染物在土壤中的交互作用過程主要包括絡(luò)合、氧化還原以及沉淀等 這些過程的發(fā)生對(duì)其在土壤中的交互作用有非常重要的影響。 有機(jī)污染物通常與重金屬共存，其直接的結(jié)果就是可能形成重金屬-有機(jī)絡(luò)合物這些絡(luò)合物將顯著改變重金屬以及有機(jī)污染物在土壤中的物理化學(xué)行為，從而使得土壤表面對(duì)重金屬的保持能力、水溶性、生物有效性等發(fā)生一系列的影響。,第六章 土壤重金屬元素與環(huán)境質(zhì)量,a,59,第三節(jié) 土壤中污染物的交互作用(復(fù)合污染) 有機(jī)污染物-重金屬在土壤中交互作用的形式 2、化學(xué)過程的交互作用 另外，一些重金屬還能與有機(jī)污染物作用而導(dǎo)致有機(jī)化 例如，汞、錫等可與有機(jī)污染物發(fā)生作用而生成毒性更大的金屬有機(jī)化合物(甲基汞、三甲基錫等) 。 重金屬六價(jià)鉻、五價(jià)砷、五價(jià)錳等和有機(jī)污染物(例如苯酚類、苯胺類)在土壤中共存時(shí)，在一定條件下它們之間將會(huì)發(fā)生氧化還原反應(yīng)；同時(shí)土壤中含有非常豐富的金屬氧化物(例如：氧化鐵、氧化錳及氧化鋁)、這些金屬氧化物還能對(duì)這些氧化還原