四篇土壤环境化学教学要求市公开课一等奖百校联赛特等奖课件.pptx

第四篇 土壤环境化学教学要求 本篇将侧重介绍土壤物理化学性质，重金属、农药及氮磷肥在土壤中迁移、转化及环境原因对迁移转化影响等。(1)掌握土壤组成与性质，土壤粒级与质地分组特征。(2)了解污染物在土壤-植物体系中迁移特点、影响原因及作用机制。(3)掌握土壤吸附、酸碱和氧化还原特征。(4)了解农药在土壤中迁移原理与主要影响原因。1第1页第四篇 土壤环境化学 土壤处于岩石圈最外面一层疏松部分，含有支持植物和微生物生长繁殖能力，被称为土壤圈。土壤圈是处于大气圈、岩石圈、水圈和生物图之间过渡地带，是联络有机界和无机界中心步骤。成土原因综合作用不一样，产生出各种类型土壤成土原因综合作用不一样，产生出各种类型土壤。2第2页第四篇 土壤环境化学 3第3页第四篇 土壤环境化学土壤基本环境机能土壤基本环境机能 培育植物培育植物 植物屹立生长支持体 植物生长提供水、空气和养分 推进物质循环推进物质循环 土壤是地球表层中介入元素循环一个主要圈层，由岩石风化产生全部物质都有可能进入大气和水系，又可能经过地球化学循环归入土壤。4第4页第四篇 土壤环境化学 保留水资源保留水资源 土壤是大气和地下水之间缓冲地域。预防灾害预防灾害 土壤蓄水量大，可预防洪水发生。土壤植物又可预防风雨侵蚀、水土流失或土壤荒漠化趋向，并兼有防风、消音等作用。自净能力自净能力 土壤含有极大比表面和催化活性 土壤对外来污染物有一定自净能力。5第5页第四篇 土壤环境化学土壤退化过程土壤退化过程 风和水侵蚀作用：引发土壤流失；受纳酸雨或过多使用氨氮肥料：引发土壤酸化；浇灌水中含过多盐分或深度风化作用：引发土壤盐碱化；干旱：引发土壤板结、龟裂、结构单元破坏甚至荒漠化；水涝：引发营养物浸出和流失；污染：引发土壤中有毒物质累积。6第6页第四篇 土壤环境化学 土壤环境质量土壤环境质量 国家环境保护局于1995年制订和公布了土壤质量环境标准GB15618一1995，其适用范围包含我国疆域内全部农田、蔬菜地、茶园、果园、牧场、林地、自然保护区等地土壤。依据土壤应用功效、保护目标和主要性质，将土壤质量划分为三级：一级标准一级标准 适合用于I类土壤区，包含国家要求自然保护区(原有背景重金属含量高除外)、集中生活饮用水源地、茶园、牧场和其它保护地域土壤。土壤质量应基本上保持自然背景水平。7第7页第四篇 土壤环境化学二级标准二级标准 适合用于类土壤区，包含普通农田、蔬菜地、茶园、果园、牧场等土壤。土壤质量应基本上对植物和环境不造成危害和污染。三级标准三级标准 适合用于类土壤区，包含林地土壤及污染物容量较大高背景值土壤和矿区附近等地农田土壤(蔬菜地除外)。土壤质量应基本上基本上对植物和环境不造成危害和污染。8第8页第一章 土壤组成与性质 土壤由固、液、气相物质组成。土壤由固、液、气相物质组成。固相指土壤矿物质(原生矿物和次生矿物质)和土壤有机质，二者占土壤总量9095%。液相指土壤水分及其可溶物，二者合称为土壤溶液。气相指土壤空气。土壤中还有数量众多细菌和微生物，普通作为土壤有机物而视为土壤固相物质。9第9页第一章 土壤组成与性质10第10页第一章 土壤组成与性质11第11页第一章 土壤组成与性质土壤矿物质土壤矿物质 按成因类型可将土壤矿物分为两类：原生矿物和次生矿物按成因类型可将土壤矿物分为两类：原生矿物和次生矿物.原生矿物原生矿物 是各种岩石(主要趋岩浆岩)受到程度不一样物理风化而未经化学风化碎屑物，其原来化学组成和结晶结构都没有改变.次生矿物次生矿物 大多数是由原生矿物经风化后重新形成新矿物，其化学组成和结构都有所改变而不一样于原来原生矿物。在土壤形成过程中，原生矿物以不一样数量与土壤中次生矿物混合存在，成为土壤矿物质。12第12页第一章 土壤组成与性质土壤中原生矿物土壤中原生矿物 土壤中最主要原生矿物有四类：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。（1 1）硅酸盐类矿物）硅酸盐类矿物 长石类、云母类、辉石类和闪角石类等矿物，轻易风化而释放出K、Na、Ca、Fe、Mg和Al等元素可供植物吸收，同时形成新次生矿物。（2 2）氧化物类矿物）氧化物类矿物 石英(SiO2)、赤铁矿(Fe2O3)、金红石(TiO2)、蓝晶石(Al2SiO5)等。13第13页第一章 土壤组成与性质（3 3）硫化物类矿物）硫化物类矿物 土壤中通常只有铁硫化物，即黄铁矿和白铁矿，二者是同质异构物，分子式均为Fe2S，极易风化，成为土壤中硫元素主要起源。（4 4）磷酸盐类矿物）磷酸盐类矿物 土壤中分布最广是磷灰石，包含氟磷灰石和氯磷灰石两种，其次是磷酸铁、铝以及其它磷化合物，是土壤中无机磷主要起源。14第14页第一章 土壤组成与性质2 2、土壤次生矿物、土壤次生矿物 土壤中次生矿物可分为：简单盐类、三氧化物类和次生铝硅酸盐类。(1)(1)简单盐类简单盐类 如 方 解 石(CaCO3)、白 云 石(Ca、Mg（CO3）2)、石 膏(CaSO22H2O)等，是原生矿物化学风化最终产物，结晶结构都较简单，常见于干早和半干旱地域土壤。(2)(2)三氧化物三氧化物 如针铁矿(Fe2O3 H2O)、褐铁矿（2Fe2O3 3H2O）等，是硅酸盐类矿物彻底风化产物，常见于湿热热带和亚热带地域土壤中，尤其是基性岩(玄武岩、安山岩和石灰墙)上发育土壤中含量最多。15第15页第一章 土壤组成与性质（3 3）次生硅酸盐类）次生硅酸盐类 由长石等原生硅酸盐矿物风化后形成，是组成土壤粘粒主要成份，故又称粘土矿物或粘粒矿物。可细分为伊利石、蒙脱石和高岭石。二、土壤有机质二、土壤有机质 土壤有机质包含：(1)非特殊性土壤有机质，包含动植物残体组成部分以及有机质分解中间产物，比如蛋白质、树脂、糖类、有机酸等，占土壤有机质总量1015%。16第16页第一章 土壤组成与性质(2)土壤腐殖质，是土壤特有有机物质，占土壤有机质总量8590%，主要是动植物残体经过微生物作用，发生复杂转化而成。进入土壤有机物质所含成份，按其化学组成可分为：进入土壤有机物质所含成份，按其化学组成可分为：(1)不含氮有机化合物，如单糖和有机酸、多糖类、树脂、脂肪、蜡质和木质素等。(2)含氮有机化合物，即以蛋白质为主，土壤中植物残体、土壤动物积微生物均含有种当多蛋白质。(3)灰分物质，即植物体经过燃烧残留无机物。17第17页第一章 土壤组成与性质三、土壤中水分三、土壤中水分 18第18页第一章 土壤组成与性质四、土壤中空气四、土壤中空气 土壤孔隙中所存在各种气体混合物称为土壤空气。以O2、N2、CO2及水汽等为主要成份;其次因为土壤进行生物化学作用产生气体。如H2S、NH3、NO2、CO等;另外一些醇类、酸类以及其它挥发性物质经过挥发作用也进入土壤。19第19页第一章 土壤组成与性质五、土壤粒级分组与质地分组五、土壤粒级分组与质地分组 土壤矿物质粒级划分土壤矿物质粒级划分 按粒径大小将土粒分为若干组，称为粒组或粒级。粒级划分标准及详细程度主要有三种不一样划分，即国际制、前苏联制和美国制。20第20页第一章 土壤组成与性质21第21页第一章 土壤组成与性质22第22页第一章 土壤组成与性质2 2、各粒级主要矿物成份和理化特征、各粒级主要矿物成份和理化特征 23第23页第一章 土壤组成与性质(1)(1)石块和石砾：石块和石砾：多为岩石碎块，直径大于lmm。山区土壤和河漫滩土壤中常见。(2)(2)砂粒：砂粒：主要为原生矿物，大多为石英、长石十云母、角闪石等，其中以石英为主，粒径为1一0.05mm。在冲积平原土壤中常见(3)(3)粘粒：粘粒：主要是次生矿物，粒径小于0.001mm。含粘粒多土壤，营养元素含量丰富，团聚能力较强，有良好保水保肥能力，但土壤通气和透水性较差。24第24页第一章 土壤组成与性质(4)(4)粉粒：粉粒：也称作粉粒、面砂，是原生矿物与次生矿物混合体。原生矿物有云母、长石、角闪石等，其中白云母较多。次生矿物有次生石英、高岭石、含水氧化铁、铝，其中次生石英较多。粒径为0.050.005mm。粉砂粒物理及化学性状介于砂粒与粘粒之间。团聚、胶结性差，分散性强。保水保肥能力很好。25第25页第一章 土壤组成与性质3 3、土壤质地分类及其特征、土壤质地分类及其特征 26第26页第一章 土壤组成与性质3 3、土壤质地分类及其特征、土壤质地分类及其特征27第27页第一章 土壤组成与性质3 3、土壤质地分类及其特征、土壤质地分类及其特征28第28页第一章 土壤组成与性质六、土壤吸附性六、土壤吸附性 土壤中活跃组分：土壤胶体和土壤微生物。1 1、土壤胶体性质、土壤胶体性质(1)土壤胶体含有巨大比表面和表面能。物质比表面越大，表面能也越大。(2)土壤胶体电性。土壤胶体微粒含有双电层，微粒内部称微粒核，普通带负电荷，形成一个负离子层(即决定电位离子层)，其外部因为电性吸引，而形成一个正离子层(又称反离子层，包含非活动性离子层和扩散层)，即合称为双电层。(3)土壤胶体凝聚性和分散性。29第29页第一章 土壤组成与性质2 2、土壤胶体离子交换吸附、土壤胶体离子交换吸附 在土壤胶体双电层扩散层中，赔偿离子能够和溶液中相同电荷离子以离子价为依据作等价交换，称为离子交换(或代换)。离子交换作用包含阳离子交换吸附作用阳离子交换吸附作用和阴离子交换吸附作阴离子交换吸附作用用。(1)土壤胶体阳离子交换吸附 电荷数电荷数 离子半径及水化程度离子半径及水化程度30第30页第一章 土壤组成与性质 土壤可交换性阳离子有两类：致酸离子致酸离子 包含H+和A13+；盐基离子盐基离子 包含Ca2+、Mg2+、K+、Na+、NH4+等。当土壤胶体上吸附阳离子均为盐基离子，且已到达吸附饱和时土壤，称为盐基饱和土壤。当土壤胶体上吸附阳离子有一部分为致酸离子，则这种土壤为盐基不饱和土壤。在土壤交换性阳离子中盐基离子所占百分数称为土壤盐基饱和度。31第31页第一章 土壤组成与性质(2)(2)土壤胶体阴离子交换吸附土壤胶体阴离子交换吸附 土壤中阴离子交换吸附是指带正电荷胶体所吸附阴离子与溶液中阴离子交换作用。阴离子交换吸附可与胶体微粒(如酸性条件下带正电荷含水氧化铁、铝)或溶液中阳离子(Ca2+、Fe3+、A13+)形成难溶性沉淀而被强烈地吸附。32第32页第一章 土壤组成与性质四、土壤酸碱性四、土壤酸碱性 33第33页第一章 土壤组成与性质1 1、土壤酸度、土壤酸度 活性酸度：活性酸度：土壤活性酸度是土壤溶液中氢离子浓度直接反应，又称为有效酸度，通惯用pH表示。潜性酸度：潜性酸度：土壤潜性酸度起源是土壤胶体吸附可代换性H+和A13+。依据测定土壤潜性酸度所用提取液，能够把潜性酸度分为代换性酸度和水解酸度。代换性酸度代换性酸度 水解性酸度水解性酸度 34第34页第一章 土壤组成与性质2 2、土壤碱度、土壤碱度 土壤溶液中OH离子主要起源:CO32和H CO3碱金属(Na、K)及碱土金属(Ca、Mg)盐类。碳酸盐碱度和重碳酸盐度总和称为总碱度。当土壤胶体上吸附Na+、K+、Mg2+(主要是Na+)等离子饱和度增加到一定程度时，会引发交换性阳离子水解作用，结果在土壤溶液中产生NaOH，使土壤呈碱性。此时Na+离子饱和度亦称为土壤碱化度。35第35页第一章 土壤组成与性质3 3、土壤缓冲性能、土壤缓冲性能 土壤缓冲性能是指土壤含有缓解其酸碱度发生激烈改变能力。(1)(1)土壤溶液缓冲作用：土壤溶液缓冲作用：(2)(2)土壤胶体缓冲作用：土壤胶体缓冲作用：普通土壤缓冲能力大小次序是：腐殖质土粘土砂土。五、土壤氧化还原性五、土壤氧化还原性 土壤中主要氧化剂：氧气、NO3离子和高价金属离子；土壤中主要还原剂：有机质和低价金属离子。土壤中植物根系和土壤生物也是土壤发生氧化还原反应主要参加者。36第36页第一章 土壤组成与性质37第37页第一章 土壤组成与性质六、土壤环境容量六、土壤环境容量 将土壤所允许承纳污染物质最大数量称为土壤环境容量;或不使土壤生态系统结构和功效受到损害条件下，土壤中所能承纳污染物最大数量。明确污染物对土壤生态系统结构和功效影响，以及系统结构相功效方面要求来确定土壤环境容量。土壤临界容量是确定土壤环境容量一个很主要原因，决定土壤容纳能力。38第38页39第39页第一章 土壤组成与性质土壤环境容量确实定土壤环境容量确实定 土壤静容量土壤静容量 从静止观点度量土壤容纳能力，由下式表示，C Cs s=M=M（C Ci i-C-CB1B1）式中，M表示每亩耕地土壤重，kg；Ci为i元素土壤临界含量，mg/kg；CBi为i元素土壤背景值，mg/kg。现存容量：现存容量：C CSPSP=M=M（C Ci i-C-CB1B1-C-CP P）CP是土壤中人为污染而增加量。40第40页第一章 土壤组成与性质 土壤环境容量粗略预计公式：Q=Q=（C CX X-B-B）150 150 式中，Q为土壤环境容量，g/亩；CX为土壤环境标准值，mg/kg；B为区域土壤背景值，mg/kg。2 2、土壤动容量、土壤动容量 若假定年输入量为Q，年输出量为Q，而且Q大于Q。则：残留量残留量为Q-Q。41第41页第一章 土壤组成与性质 残留量(Q-Q)与输入量Q之比，称之为累积率累积率(K)。若计算几年内土壤污染物累积总量AT(含当年转入量)，则：A AT T=Q+QK+QK=Q+QK+QK2 2+QK+QKn n 而n年内污染物残留总量RT(不含当年输入量)则为：R RT T=QK+QK=QK+QK2 2+QK+QKn n 污染累积总量AT和残留总量RT 均为等比级数之和，等比系数为K。42第42页第一章 土壤组成与性质 当年限n足够长时QKn趋于零，且AT到达最大极限值。等比有限累积规律：其数学模式：A A T T=K=K（B+QB+Q）AT：污染物在土壤中年累积量，mg/kg；K：土壤污染物年残留率(%)，即残留量与输入量比率；B：污染物区域土壤背景值，mg/kg；Q：土壤污染物年输入量，mg/kg。43第43页第二章第二章 污染物在土壤中迁移及其机制污染物在土壤中迁移及其机制 土壤污染源和污染物土壤污染源和污染物 污染源：污染源：(1)化肥和农药残留；(2)废物(废渣、污水和垃圾等)处理场所；(3)大气或水体中污染物质迁移、转化，进入土壤，使土壤随之亦遭受污染；(4)在自然界中一些元素富集中心或矿床周围，形成自然扩散晕，使附近土壤中元素含量超出普通土壤含量范围。44第44页第二章第二章 污染物在土壤中迁移及其机制污染物在土壤中迁移及其机制污染物种类：污染物种类：(1)有机物质 化学农药种类繁多，主要为有机氯和有机磷两大类；(2)氮类和磷类化学肥料；(3)重金属，如砷、镉、汞、铬、铜、锌、铅等；(4)放射性，元素如铯、锶等；(5)有害微生物类，如肠细菌、炭疽杆菌、破伤风杆菌、肠寄生虫(蠕虫)、霍乱弧菌、结核杆菌等。土壤中有机物分解产生CO2、CH4、H2S、H2、NH3和N2等气体(其中CO2和CH4是主要)。45第45页第二章第二章 污染物在土壤中迁移及其机制污染物在土壤中迁移及其机制污染物在土壤污染物在土壤-植物体系中迁移植物体系中迁移 土壤中污染物主要是经过植物根系根毛细胞作用积累于植物茎、叶和果实部分。1 1、污染物由土壤向植物体内迁移方式、污染物由土壤向植物体内迁移方式 被动转移 主动转移2 2、影响重金属在土壤、影响重金属在土壤-植物体系中转移原因植物体系中转移原因 土壤中重金属向植物体内转移过程与重金属种类、价态、存在形式以及土壤和植物种类、特征相关。(1)(1)植物种类植物种类46第46页第二章第二章 污染物在土壤中迁移及其机制污染物在土壤中迁移及其机制(2)(2)土壤种类土壤种类 土壤酸碱性和腐殖质含量都可能影响重金属向植物体内转移能力。如：在冲积土壤、腐殖质火山灰土壤中加入Cu、Zn、Cd、Hg、Pb等元素后，观察对水稻生长影响。Cd造成水稻严重生育障碍；而Pb几乎无影响。在冲积土壤中，其障碍大小次序为：CdZnCuHgPb；在腐殖质火山灰土壤中则为Cd HgZnCuPb，(3)(3)重金属形态重金属形态(4)(4)重金属在植物体内迁移能力重金属在植物体内迁移能力47第47页第二章第二章 污染物在土壤中迁移及其机制污染物在土壤中迁移及其机制植物对重金属污染产生耐性机制植物对重金属污染产生耐性机制 植物对重金属污染产生耐性由植物生态学特征、遗传学特征和重金属物理化学性质等原因所决定。不一样种类植物对重金属污染耐性不一样；同种植物因为其分布和生长环境各异；长久受不一样环境条件影响，在植物生态适应过程中，可能表现出对某种重金属有显著忍耐性。土壤中农药污染物土壤中农药污染物 当前，世界范围年产农药约200多万吨，种类数达1500之多(大量生产又广泛应用约有300种)。48第48页第二章第二章 污染物在土壤中迁移及其机制污染物在土壤中迁移及其机制 49第49页第二章第二章 污染物在土壤中迁移及其机制污染物在土壤中迁移及其机制农药在土壤中环境行为农药在土壤中环境行为 控制农药环境行为主要原因：即吸附、迁移和降解。吸附吸附（1）农药分子结构、电荷特征和水溶能力是影响吸附主要原因。（2）对于土壤性质，影响吸附主要原因是粘土矿物和有机质含量、组成特征以及铝、硅氧化物和它们水合物含量。（3）介质条件和土壤溶液pH值是影响吸附最主要原因。土壤吸附农药机理，简略以下四种：异性电荷相吸异性电荷相吸 非专一物理性键合非专一物理性键合 氢键力氢键力 配位键配位键 50第50页第二章第二章 污染物在土壤中迁移及其机制污染物在土壤中迁移及其机制迁移迁移降解降解 微生物、非脊椎动物、植物代谢降解 水解、氧化还原等化学降解作用、光解残留性和危害性残留性和危害性 农药污染土壤程度可用残留性表示。土壤中农药进人各类生物体内路径：土壤陆生植物食草动物；土壤土壤中无脊椎动物脊惟动物食肉动物土壤水中浮游生物鱼和水生生物食鱼动物 51第51页