环境学概论-陈英旭-土壤污染原理.docx

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1、第一节土壤组成与性质一、土填组成土壤是环境中特有的组成局部，是一个极其复杂的由固体、液体和气体三相组成的多相疏松多孔体系(图6-1)土壤固相包括土壤矿物质和土壤有机质。土壤矿物质占土壤的绝大局部，约占土壤固体总重量的90%以上。土壤有机质约占固体总重量的l%-10%,一般在可耕性土壤中约占5%,且绝大局部在土壤表层。土壤液相是指土壤中水分及其水溶物。土壤气相是指土壤孔隙所存在的多种气体的混合物。液相和气相共存于土壤孔隙内，按容积计，在较理想的土壤中，矿物质约占38-45%,有机质约占5-12%,土壤孔隙约占50%。图6-1土壤中固、液、气相结构图(一)土壤矿物质土壤矿物质来源于地壳岩石(母岩)

2、和母质，它对土壤的性质、结构和功能影响很大。可分为原生矿物和次生矿物两大类。1 .原生矿物是各种岩石(主要是岩浆岩)受到程度不同的物理风化而未经化学风化的碎屑物，其原来的化学组成和结晶构造都没有改变。一般土壤中1-0.0Imm的砂和粉砂几乎全都是原生矿物。其种类和含量,随母质的类型，风化强度和成土过程的不同而异。土壤中最主要的原生矿物有四类：硅酸盐类矿物、氧化物类矿物、硫化物类矿物和磷酸盐类矿物。其中硅酸盐类矿物占岩浆岩重量的80%以上。2 .次生矿物由原生矿物经化学风化后形成的新矿物，其化学组成和晶体结构都有所改变。包括各种简单盐类、三氧化物类和次生铝硅酸盐类。其中简单盐类，如方解石(CaC

3、OJ、白云石Ca、Mg(CO3)2,石膏(CaSO12H20),泻盐(MgSO1X7ll20)、岩盐(NaCi)、芒硝(Na2SO4XIOII2O)、水氯镁石(MgCbX6HQ)等,易淋溶流失,一般土壤中较少，多存在于盐渍土中，而三氧化物类，如针铁矿(FeAH2O)、褐铁矿(2FeA30)、三水铝石(A1A3H20)等，次生铝硅酸盐类，如伊利石、蒙脱石、高岭石，是土壤矿物质中最细小的局部，粒径小于0.25mm,一般称之为次生粘土矿物。土壤很多重要的物理、化学性质，如吸收性、膨胀收缩性、粘着性等都和土壤所含的粘土矿物，特别是次生铝硅酸盐的种类和数量有关。（二）土壤有机质土壤有机质是土壤中各种含碳

4、有机化合物的总称。包括腐殖质、生物残体及土壤生物，见图6-2o其中腐殖质是土壤有机质的主要局部，约占有机质总量的50-65%,在土壤中可以呈游离的腐的酸盐类状态存在，亦可以铁、铝的凝胶状态存在，也可与粘粒紧密结合，以有机一无机复合体等形态存在。这些存在形态对土壤一系列的物理化学性质有很大影响。（三）土壤水分土壤水分主要来自大气降水和灌溉。在地下水位接近地面（2-3Cm）的情况下，地下水也是上层土壤水分的重要来源。此外，空气中水蒸汽冷凝成为土壤水分。土壤水分并非纯水，不仅含有Na、K、MgJ、CaJ、Cl、NOa.SO产、HCO5等离子以及有机物，还含有有机的、无机的污染物。因此土壤水分既是机物

5、养分的主要来源，也是进入土壤的各种污染物向其他环境圈层（如水圈、生物圈等）迁移的媒介。（四）土壤空气土壤空气存在于未被水分占据的土壤孔隙中。这些气体主要来源于大气，其次是产生于土壤中的生物化学和化学过程。其组成接近于大气的正常组成，但又有着明显的差异，表现在O?和CO2的含量上，土壤空气中6的含量较少，而CP的含量显著增加，且随深度有明显的变化，一般说来，CO?的浓度随深度的增加而慢慢地增加，在表土约为0.03%,到植物根区那么增加到1-5%,0,那么相应缓慢地减少。土壤空气的水汽含量股总比大气高得多，并常含有少量复原性气体，如甲烷（CHJ、硫化氢（MS）、氢气（H?）,在某些情况下还可能产生

6、磷化氢（PH3）及二硫化碳（CS2）等气体。如果是被污染的土壤，其空气中还可能存在污染物。二、土壤剖面形态典型土壤随深度呈现不同的层次（如图6-3）。最上层为覆盖层（A0）,由地面上的枯枝落叶所构成。第二层为淋溶层（八）,是土壤中生物最活泼的一层，土壤有机质大局部在这一层，金屈离子和粘土颗粒在此层中被淋溶得最显著。第三层为淀积层（B）,它受纳来自上一层淋溶出来的有机物、盐类和粘土颗粒类物质。C层也叫母质层，是由风化的成土母岩构成。母质层下面为未风化的基岩，常用D层表示。以上这些层次通称为发生层。土壤发生层的形成是土壤形成过程中物质迁移、转化和积聚的结果，整个土层称为土壤发生剖面。三、土壤的粒级

7、分组与质地分组（一）土壤的粒级分组土壤中的矿物质由岩石风化和成土过程中形成的不同大小的矿物颗粒组成，它们的直径差异很大（从几微米到几厘米）。大颗粒常由岩石、矿物碎屑或原生矿物组成，细颗粒主要由次生矿物所组成。它们的性质和成分有相当大的差异。为了研究方便，人们常按粒径的大小将土粒分级，同组土粒成分和性质根本一致，组间那么有明显差异。表6-1为我国土粒分级标准。矿物的粒级不同，其矿物成分有较大的差异。一般直径在1mm以上的颗粒是岩石风化后的碎屑，大都保存着母岩原有的矿物组成。直径在10.05mm的颗粒主要是石英、白云母、钾长石等原生矿物的碎屑、质地疏松。直径小于0.005nun的颗粒在湿润状态下聚

8、集时膨胀并粘滞，枯燥状态那么收缩结成坚硬的板块。直径小于0.002mm的颗粒主要矿物成分是次生的粘粒矿物和晶质及非晶质的硅、铝、铁的水合氧化物。而在小于0.001nun的颗粒矿物组成中，晶质硅、铝、铁的水合氧化物达30%以上，其余为粘土矿物，具有胶体颗粒所特有的膨胀性、高吸水能力，具有强吸附力，是土壤颗粒中最活泼的局部。（二）土壤的质地分组自然界的土壤都是由很多大小不同的土粒，按不同的比例组合而成的，各粒级在土壤中所占的相比照例或重量百分数称为土壤的机械组成，也叫做土壤质地。不同土壤的机械组成各不相同，根据土壤中各种粒级的重量百分数组成，把土壤划分为假设干类别，表6-2是国际制土壤质地分类情况

9、。土壤质地可在一定程度上反映土壤矿物组成和化学组成，同时土壤颗粒大小与土壤的物理性质有密切关系，并且影响土壤孔隙状况，因此对土壤水分、空气、热量的运动和养分转化均有很大的影响。质地不同的土壤表现出不同的性状，如表6-30四、土壤胶体性质土壤胶体是指土壤中颗粒直径小于2mm或小于1mm,具有胶体性质的微粒，一般土壤中的粘土矿物和腐殖质都具有肢体性质。土壤的许多重要性质，如保肥、供肥能力、土壤污染与净化、酸碱反响、缓冲作用，氧化复原反响以及其他性质都和土壤胶体有关。（一）土壤胶体类型土壤胶体种类按成分及来源可将其分为三大类:1 .有机胶体：主要是腐殖质和生物活动的产物，它是高分子有机化合物，呈球形

10、、三维空间网状结构、胶粒直径在20-40nm之间。2 .无机胶体：主要是细颗粒的粘土矿物，包括粘土矿物中的高岭石、伊利石、蒙脱石、以及埃洛石、蛭石、绿泥石和海泡石、水铝英石等以及铁、铝、镒水合氧化物。3 .有机一无机复合体：是由土壤中一局部矿物胶体和腐殖质胶体结合在一起所形成。这种结合可能是通过金属离子的桥键，也可能通过交换阳离子周围的水分子氢键来完成，如对钙质蒙脱石和胡敏酸复合胶体的研究说明，腐殖质胶体主要吸附在粘十.矿物外表，而未进入矿物的晶层间。不同的胶体类型，其比外表积，外表电荷密度及阳离子代换容量有较大差异(见表6-4)。它们对土壤溶液中的有机物及重金属离子的交换总量也有很大的不同。

11、一般有机胶体的外表积大，每100g腐殖质胶体的交换容量平均约为2000molO无机胶体性质差异较大，高岭石外表积较小，不具胀缩性，交换当量低；伊利石具有胀缩性，交换能力较大；蒙脱石外表积较大，交换容量平均为100mol100g。当矿物和腐殖质两种胶体复合后，交换量降低，因为原来矿物上一局部交换点被覆盖。(二)土壤胶体性质1 .具有巨大的比外表和外表能：比外表是单位重量(或体枳)物质的外表积，颗粒越小，比外表越大。土壤胶体由于颗粒细小，因而具有巨大的外表积。且外表分子受到的分子引力是不均衡的，使外表分子具有一定的剩余能量一外表能。物质的比外表越大，外表能也越大。2 .电荷性质：土壤胶体带有一定电

12、荷，所带电荷性质主要决定于胶粒外表固定离子的性质。通常，土壤无机胶体如SiO2XnH2O离解出H；SiOf留在胶核外表使胶体带负电；土壤腐殖质分子中的按基及羟基离解H后，胶体外表的RCOO及RO表现负电性。两性胶体在不同酸度条件下可以带负电，也可以带正电，胶体在何种状态下带何种电荷与胶体的电荷零点(等电点)的PlI有关。不同的两性胶体具有不同的等电点。如Al(OH)3的等电点约为pH4.8-5.2,Fe203为pH3.2,针铁矿Ea-FeO(OH)为pH3.2,褐铁矿b-FeO(OH)为pH3.6，纤铁矿FeO(OH)为pH5.4。当介质的pH等电点时，胶体带正电荷；当介质的pH等电点时，胶体

13、带负电。3 .凝聚性和分散性：由于胶体的比外表和外表能都很大，为减小外表能，胶体具有相互吸引、凝聚的趋势，这就是胶体的凝聚性。但是在土壤溶液中，胶体常常带负电荷，即具有负的电动电位，所以胶体微粒又因相同电荷而相互排斥，电动电位越高，相互排斥力越强，胶体微粒呈现出的分散性也越强。影响土壤凝聚性能的主要因素是土壤胶体的电动电位和扩散层厚度，例如：当土壤溶液中阳离子增多，由于土壤胶体外表负电荷被中和，从而加强了土壤的凝聚。阳离子改变土壤凝聚作用的能力与其种类和浓度有关。一般，土壤溶液中常见阳离子的凝聚能力顺序如下：NaKNH,IMg2CajAlaFeao此外，土壤溶液中电解质浓度、pH值也将影响其凝

14、聚性能。五、土壤酸碱性由于土壤是一个复杂的体系，其中存在着各种化学和生物化学反响，因而使土壤表现出不同的酸性或碱性。土壤中H主要来自二氧化碳溶于水形成碳酸，有机物分解产生有机酸以及某些少数无机酸，其中Al水解产生H,是土壤酸性的重要来源。Ol主要来自土壤溶液中的碳酸钠、碳酸氢钠、碳酸钙以及胶体外表交换性Na的水解。根据土壤的酸度可以将其划分为9个等级(如表6-5)我国土壤的pH大多在4.5-8.5范围内，并有由南向北pH值递增的规律性，长江(北纬33)以南的土壤多为酸性和强酸性，如华南、西南地区广泛分布的红壤、黄壤，pH值大多在4.5-5.5之间，有少数低至3.6-3.8；华中华东地区的红壤，

15、pH在5.5-6.5之间；长江以北的土壤多为中性或碱性，如华北、西北的土壤大多含CaCO3,PH值一般在7.5-8.5之间，少数强碱性土壤的pH值高达10.5六、土康氧化复原性土壤中有许多有机和无机的氧化性和复原性物质，因而使土壤具有氧化一复原特性。般，土壤中主要的氧化剂有：氧气、NQ-和高价金属离子，如Fe(III)xMn(W)、V(V)、Ti(VI)等。主要的复原剂有：有机质和低价金属离子。此外，土壤中植物的根系和土壤生物也是土壤发生氧化复原反响的重要参与者。土壤氧化复原能力的大小可以用土壤的氧化复原电位(Eh)来衡量。一般旱地土壤氧化复原电位(Eh)为+400-+700mV；水田的Eh值

16、在+300-NOOmV。根据土壤的Eh值可以确定土壤中有机物和无机物可能发生的氧化复原反响和环境行为。第二节土壤污染的发生一、土康背景值和士壤环境容量（一）土壤背景值土壤是受自然过程和人为影响的类成分含量复杂的物质。它含有差不多所有的天然元素，并在水、气、热、生物和微生物多因子共同作用下，不断发生着各种化学反响，因此土壤中可检出多种化学物质。不受各种污染源（如工业、道路、矿山、农用化学品等）明显影响的土康中化学物质检出量称为土壤背景值，或土壤环境背景值。从本质上讲，“不受污染源明显影响”只是一个相对概念，因为已证实当今的工业污染已充满了世界的每一个角落，即使是农用化学物质的污染也是在世界范围内扩散的。例如在南极冰层中可以发现有机氯农药的枳累。因此，土壤背景值也是相对的，“零污染”土壤样本是不存在的。