土壤环境污染防治与土壤生态保护.ppt
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1、第八章,土壤环境污染防治 与土壤生态保护,第一节 概述 第二节 土壤环境污染及其防治 第三节 土壤生态保护与土壤退化的防治 第四节 土壤环境质量评价、规划与管理,第一节 概 述,一、土壤的基本结构与特性 二、土壤环境元素背景值和土壤环境容量 三、主壤在地球表层环境系统中的地位和作用,一、土壤的基本结构与特性,(一) 土壤的结构和组成 (二) 土壤的特性,土壤作为独立的自然体 , 是指位于地球陆地地表 , 包括具有浅层水地区的具有肥力、能生长植物的疏松层。 所谓土壤环境也系指这一位于陆地地表的土壤圈层而言。土壤是由矿物质、有机质、水分和空气等物质组成 , 是一个非常复杂的系统。,土壤是自然环境中
2、各种因素相互作用的产物,是地理环境派生的自然体。同时,它也是自然地理环境的一个组成要素。是结合无机界和有机界的纽带,是联系其他要素的关键环节;或者说土壤在整个自然环境中起着重要的作用;或者说土壤是有机界和无机界相互联系、相互作用的产物;或者说土壤是自然环境中物质循环和能量转换的主要环节和活跃的场所,(1)为陆生植物:营养物质、立地条件;,(2)为河水、海水:盐份等物质;,(3)形成沉积物、沉积矿床;,(4)与大气圈进行热量和物质交换。,所以说土壤在自然地理环境中起着重要作用.,(一) 土壤的结构和组成,1. 土壤的剖面构型 土壤环境从地面垂直往下 , 是由不同土层构成的 , 此土壤垂直断面称为
3、土壤剖面构型。 属非均匀物质体系。,一般来说 , 土壤是由腐殖质表层 (A层 ), 淀积层 (B层 ) 和母质层 (C层 ) 构成的。,2. 土壤的组成,各土层是由不同的固、液、气态三相物质组成的复杂体系。 固相物质包括无机矿物和有机物两大部分(有机物可分为有机质和活性有机体) 土壤溶液 ( 液相 ) 和土壤空气 ( 气相 ) 状况则决定于土壤团聚体结构和土壤质地,3. 土壤质地和团聚体结构,土壤质地(土壤的机械组成) 是指土壤矿物质部分各矿物颗粒粒级 ( 砂粒、粉砂粒和粘粒 ) 的重量百分比。 团聚体构体 土壤大多以非单粒形式存在 , 有机质与矿物质往往聚合为各种形态的团聚体 , 称为土壤结
4、构体。 形状:可为团粒状、块状、片状、核状和柱状。 土壤结构和质地决定土壤总孔隙度、毛管孔隙和非毛管孔隙度等土壤孔隙状况 , 从而成为影响土壤水分、温度状况的主要因素。),土壤环境是一个复杂多变的环境要素。 对土壤环境的最基层单元单个土体进行解剖可知, 土壤环境不仅是由多相物质、多土层组成的非均匀疏松多孔体系 , 而且在土壤环境内部及其与其他环境要素之间都存在着复杂的物质与能量的迁移和转化 ( 图 8-2),(二) 土壤的特性,1.土壤具有肥力 具有连续不断地供应植物生长所需要的水分和营养元素。 2. 土壤还具有同化和代谢外界输人物质的能力 , 亦即土壤具有净化作用 它能够消纳部分污染物质 ,
5、 减少其对土壤环境的污染。,二、土壤环境元素背景值和土壤环 境容量,(一) 土壤环境元素背景值 (二) 土壤环境容量,1、概念 土壤背景值是指未受人类污染影响的情况下,土壤在自然界存在和发展过程中其本身原有的化学组成、化学元素和化合物的含量,也称本底值。 土壤中污染物的累积量超过土壤背景值即为土壤污染。,(一) 土壤环境元素背景值,2、土壤背景值的重要性,环境中有害物质的自然背景值(本底值)是环境科学的一项基本资料,只有掌握了环境的背景值,才能判断是否存在污染以及估计污染的程度。 土壤背景值的数量是评价环境质量、计算机污染物质的土壤环境容量和进行土壤污染预测预报的基础,是研究制定土壤污染指标和
6、拟定土壤污染防治措施的基本依据。,3、土壤背景值的相对性,目前在全球环境受到污染的条件下,要寻找绝对不受污染的背景值是很困难的。因此,土壤背景值实际上是在时间和空间上的相对概念,是表示相对不受污染的情况下土壤的基本化学组成和数量。农业土壤更是如此。,4、土壤背景值的表示方法,土壤背景值的表示方法,目前我国通常采用测定值的算术平均值加减一个标准差来表示。它不仅表示土壤中某一污染物的平均含量,同时还说明了该污染物的含量范围。(异常值的判断方法) Xo=XS (单位:mg/kg) 式中Xo为污染起始值,X为测定平均值,S为标准差。,(二) 土壤环境容量,所谓土壤环境容量是在人类生存和自然生态不致受害
7、的前提下 , 土壤环境所能容纳的污染物的最大负荷量。,三、土壤在地球表层环境系统中的 地位和作用,土壤在维护和保持地球表层环境系统的自然生态平衡和环境质量中起着不容忽视的重要作用 是地球表层环境系统的一个重要组成要素 是无机界和有机界联系的纽带 是地球表层环境系统中物质与能量迁移和转化的重要环节 土壤不仅是唯系地球上大多数动物、植物生长、发育的基础 , 也为人类的发展提供了必要的条件 人们不仅向土壤索取了大量的粮食 , 还利用土壤的净化作用 , 消纳了各种污染物质 , 使其成为处理及处置各种废物的场所。,1、土壤环境污染物 进入土壤环境中的污染物的种类十分繁多,我们把进入土壤环境中凡是影响土壤
8、环境正常功能,恶化土壤质量,降低作物产量,有害生物及人体健康的物质,统称为土壤环境污染物质。,第二节 土壤环境污染及其防治,污染土壤的物质 通过“土壤植物人体”, 或通过“土壤水人体” 或“土壤植物生物人体” 间接被人体吸收,达到危害人体健康的程度。,土壤污染通过土壤对污染物的富集作用和生物生活状况来表现其危害。,2、土壤环境污染物质分类,污染物的分类主要依据污染物的物化性质、存在的形态、范围和广度。 (1)按土壤污染物的理化生物特性分类: 无机物主要有盐、碱、酸、F 和Cl,以及Hg、Cd、Cr、As、Pb、Ni、Zn、Cu 等重金属和Cs、Sr 等放射性元素; 有机物主要有:有机农药、石油
9、类、酚类、氰化物,苯并芘、有机洗涤剂、病原微生物和寄生虫卵等。,阳离子态:Hg、Cd、Pb、Cu、Zn、Mn、NH4、硝基物等。 阴离子态:氰化物、氟化物、硫化物、磷化物、氧化物。 分子态:SO2、CO、CO2、Cl2、NO2 。 简单有机物:酚、苯、芳烃、醛、六六六、洗涤剂。 复杂有机物:3,4-苯并芘、石油、多氯联苯、蒽、萘。 颗粒物:烟尘、金属尘、矿尘、粉尘、碳粒、有机粉尘。,(2)按土壤污染物的存在形态分类,(1)按土壤污染物的来源将土壤污染源分类 自然污染源:包括生物污染源(鼠、蚊、蝇、霉素、病原体等)和非生物污染源(火山、地震、泥石流、矿藏等)。 人为污染源:包括生产性污染源(工业
10、、农业、交通、科研等)和生活性污染源(住宅、学校、医院、宾馆等)。,3、土壤污染的来源,(2) 按土壤污染物的来源将人为污染源分类,工业污染源:包括冶金、动力、化工、造纸、纺织印染、食品等工业产生的固体和液体等的废弃物。 农业污染源:包括农药、化肥、农业废弃物等。 交通污染源:括汽车、火车、飞机、轮船等。 生活污染源:包括住宅、医院、宾馆、饭店等产生的生活垃圾、医院产生的一些带有致病病毒、病原体、细菌等的医用垃圾。,(3)按土壤污染物的形态特征将土壤污染源分类,点源:固定源。 面源:固定源。 线源:移动源或固定源。,类金属砷也可归类于重金属污染物。,表 土壤中的主要污染物质,4、土壤污染的类型
11、 (1)、水质污染型 主要是工业废水、城市生活污水经过污灌后造成的土壤污染。 经过合理处理的废水和污水进行灌溉,一般可有增产的效果,同时也节省了灌溉用水,但是,如果不经处理就直接施入到土壤中,很容易造成污染。 这种污染的特点是,污染物首先集中在表层,然后随着污灌时间的延长,可溶性的污染物质就会从表层向下扩展,甚至进入地下水。,(2)、大气污染型,由于污染大气导致的土壤环境污染,称为大气污染型。大气污染物通过降雨、降雪、降尘等,沉降到土壤表面,导致土壤污染。 这种污染的特点是污染物质主要集中在土壤表层,大概是0-5cm左右。,(3)、固体废物污染型,主要就是工矿业废弃物、城市生活垃圾和污泥造成的
12、污染。这些固体污染物的堆积、掩埋和处理不仅要占用大量的土地,而且通过大气的迁移、扩散或者降水的淋洗和地表的径流等方式污染周围地区的土壤。,(4)、农业污染型,由于农业生产的需要,在化肥、农药、垃圾堆肥的长期使用过程中造成的土壤污染。(白色污染 ),(5)、综合污染型,受到多种因素的影响导致的污染。 影响土壤污染的因素,的最终源头就一个人类,5、 土壤污染的特点,1. 隐蔽性和潜伏性 土壤污染是污染物在土壤中长期积累过程 , 一般要通过对土壤污染物、植物产品质量分析监测 , 植物生态效应 , 植物产品产量 , 以及环境效应监测。其后果要通过长期摄食由污染土壤生产的植物产品的人体和动物的健康状况才
13、能反映出来。 2. 不可逆性和长期性 污染物进入土壤环境后 , 便与复杂的土壤组成物质发生一系列迁移转化作用。其中 , 许多污染作用为不可逆过程 , 污染物最终形成难洛化合物沉积在土壤中。土壤一旦遭受污染极难恢复。,6、 土壤污染程度量化指标,土壤污染程度的确定是以土壤环境背景值、作物和土壤生物的生态效应、士壤环境效应、土壤环境基准或环境标准为重要依据。 目前尚没有一个统一的标准。 但一般认为 , 土壤中污染物累积总量 , 达到土壤环境背景值加 2 倍或 3 倍标准差时 , 说明土壤中该污染元素或化合物含量已属异常现象 ,可分为轻度污染;中度土壤污染;重度土壤污染,7、土壤环境的自净作用,由于
14、土壤对有机的和无机的污染物具有吸附固定作用,因此,土壤可以降低污染物质的有效性。 土壤自净作用在自然因素的作用下,通过土壤自身的作用,使污染物在土壤环境中的数量、浓度和毒性降低的过程。 按照自净作用的机理,可划分为物理净化作用、物理化学净化作用、化学净化作用和生物净化作用。,A、土壤自净作用的机理,(1)物理净化作用: 土壤是一个疏松的多孔体,因此,进入土壤中的污染物可以被土壤中的水分稀释,减小毒性。还有一些污染物可以转化为气态物质,这些气体在土壤空隙中迁移和扩散,以至迁移进入大气中。这样也可以减少土壤中污染物质的浓度和毒性。 土壤的物理净化能力和土壤孔隙、土壤质地、土壤含水量以及土壤温度等因
15、素有关。 土壤的物理净化作用其实质是污染物的迁移 。,(2)物理化学净化作用,物理化学净化作用是指污染物的阳离子和阴离子与土壤上原来吸附的离子发生相互交换的作用。 阳离子交换作用 因为土壤有这样的作用,所以,污染物的离子可以和原来离子进行交换,这样也降低了污染物质在土壤溶液中的浓度,相对减轻了有害离子对植物生长的不利影响。由于一般来讲,土壤中带有的负电荷比较多,因此,对阳离子或者带有正电荷的污染物的净化能力较高。 这种自净作用也是暂时和短暂的。,(3)化学净化作用,污染物进入土壤后,可能会和土壤中的其他物质发生一系列化学反应。也可能会由于太阳辐射和紫外线引起光化学降解作用等。通过这些反应,可以
16、将污染物转化成难溶性的或者难解离性物质,降低了他们的危害程度和毒性,也可能会分解成为一些无毒的物质。这些过程称为化学净化作用。 土壤的化学净化作用反应机理很复杂,不同的物质有着不同的反应过程。其中特别引起人们关注的是化学降解和光化学降解作用,因为这两种反应,可以将污染物转化为无毒的物质,可以从根本上解决污染物的累积问题。而其他的反应仍然是仅仅降低了污染物在土壤中的浓度。,(4)生物净化作用,土壤中存在大量的依靠有机物质生活的微生物,比如,细菌、放线菌和真菌等,这些生物有氧化分解有机物质的巨大能力,污染物中有很多是无机物,当这些污染物进入土壤后,在这些微生物的作用下,可以发生一系列的分解反应,并
17、最终形成对生物没有毒性的残留物和二氧化碳。微生物的这种作用是土壤环境自净作用中最主要的净化途径。 但是,微生物不能净化土壤中的重金属,这也是重金属成为土壤环境的最危险污染物的根本原因。,生物净化作用的能力,主要取决于: 土壤中微生物的种群、数量、活性 土壤水分、土壤通气性、土壤温度等等,(4)生物净化作用,B、影响土壤自净作用的因素,(1)内因 土壤质地 土壤阳离子交换量 氧化还原电位(Eh) 土壤有机质 pH 水分运动情况,(2)外因,气候因素 土壤退化 矿石开采与加工,8、 污染物在土壤环境中的迁移转化,物理过程 由于土壤是一个多相的疏松多孔体系 , 因而 , 污染物质在土壤中可产生挥发、
18、扩散、稀释和浓集等反应 , 从而降低其在土壤中的浓度。 化学过程 (1) 溶解和沉淀 ;(2) 络合螯合作用 ;(3) 中和作用 物理化学过程 (1) 吸附与解吸;(2) 氧化 -还原作用 生物过程 土壤的正常功能和生态平衡遭到破坏、生物污染以致使植物产品的数量和质量下降。,9、重金属污染,重金属污染 是指由人类活动使重金属在土壤中的累积量 , 明显高于土壤环境背景值 , 致使土壤环境质量下降和生态恶化的现象。毒害性较大的 Hg 、Cd、Pb 、Cr 以及类金属 As (一) 土壤中重金属迁移转化的一般特征 (二) 有毒重金属在土壤中的迁移转化,(一) 土壤中重金属迁移转化的一般特征,1. 重
19、金属形态 土壤重金属形态分为 : 水溶态 ( 以去离子水提取 ); 交换态或吸附交换态 ( 以 MgCl2 洛液为提取剂 ); 碳酸盐结合态 ( 以 NaAc-HAc 为提取剂 ); 铁锰氧化物结合态 ( 以 NH40H-HCl 为浸提剂 ); 有机结合态 ( 以 H202 为浸提剂 ); 残留态 ( 以 HCl04-HF 消化 ,1:1HCl 浸提 ) 。其中以水溶态和交换态重金属的迁移转化能力最高 , 其活性 , 毒性和对植物的有效性也最大。 2. 土壤中重金属污染物的主要迁移转化过程 土壤粘土矿物对重金属阳离子的吸附顺序 , 一般是 CU2+ Pb2+ Ni2+ C02+ Zn2+ Ba
20、2+ Rb2+ Sr2+ Ca2+ Mg2+ Na+ Li+ 3. 土壤环境中重金属污染的生物效应 土壤重金属污染对植物的影响或对植物的有效性 , 是受多种因素控制的。,一、土壤重金属污染的特点,形态多变 金属有机态毒性大于无机态 价态不同毒性不同 金属羰基化合物常剧毒 迁移化形式多 物理化学行为多具可逆性,属于缓冲型污染 产生毒性效应的浓度范围低 微生物不能降解,反而会毒害微生物或者使之有机化,增强毒性 对人体的毒性是积累性的,二、重金属在土壤和植物体系中的迁移,重金属的土壤化学行为 :土壤氧化-还原条件与重金属的迁移转化 、土壤酸碱度与重金属迁移转化 、土壤胶体的吸附作用与重金属迁移转化
21、、土壤中重金属的络合螯合作用 、土壤微生物对重金属的固定和活化 、土壤根际的富集和降毒 (根际氧化还原屏障形成 、根际pH屏障形成 、根系分泌物的络合作用 )、,三、主要的重金属污染,土壤重金属污染物主要有汞、镉、铅、铜、铬、砷、镍、铁、锰、锌等,砷虽不属于重金属,但因其行为与来源以及危害都与重金属相似,故通常列入重金属类进行讨论。就对植物的需要而言,可分为两类:一类是植物生长发育不需要的元素,而对人体健康危害比较明显,如镉、汞、铅等;另一类是植物正常生长发育所需元素,且对人体又有一定生理功能,如铜、锌等,但过多会发生污染,妨碍植物生长发育。,汞:土壤的汞污染主要来自于污染灌溉、燃煤、汞冶炼厂
22、和汞制剂厂(仪表、电气、氯碱工业)的排放。含汞颜料的应用、用汞做原料的工厂、含汞农药的施用等也是重要的汞污染源。 土壤中汞的存在形态有无机态与有机态,并在一定的条件下互相转化。无机汞有g4、g()2、g2、g,它们因溶解度低,在土壤中迁移转化能力很弱,但在土壤微生物作用下,汞可向甲基化方向转化。在好氧条件下主要形成脂溶性的甲基汞,可被微生物吸收、积累,而转入食物链造成对人体的危害;在厌氧条件下,主要形成二甲基汞,在微酸性环境下,二甲基汞可转化为甲基汞。 汞对植物的危害因作物的种类和生育而异。汞在一定浓度下使作物减产,在较高浓度下甚至使作物死亡。,镉主要来源于镉矿、镉冶炼厂。因镉与锌同族,常与锌
23、共生,所以冶炼锌的排放物中必有n、d,它们挥发性强,以污染源为中心可波及数千米远。镉工业废水灌溉农田也是镉污染的重要来源。 土壤中镉的存在形态也很多,大致可分为水溶性镉和非水溶性镉两大类。 镉对农业最大的威胁是产生“镉米”、“镉菜”,进入人体后使人得骨痛病。另外,镉会损伤肾小管,出现糖尿病,还有镉引起血压升高,出现心血管病,甚至还有致癌、致畸的报道。,镉,铅,铅是土壤污染较普遍的元素。污染源主要来自汽油里添加抗爆剂烷基铅,随汽油燃烧后的尾气而积存公路两侧百米范围内的土壤中,另外,铅字印刷厂、铅冶炼厂、铅采矿场等也是重要的污染源,随着我国乡镇企业的发展,“三废”中的铅已大量进入农田。 进入土壤中
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