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土壤污染及其防治張麗莉 1 土壤總覽 土壤是自然環(huán)境中各種因素相互作用的產(chǎn)物 是地理環(huán)境派生的自然體 同時 它也是自然地理環(huán)境的一個組成要素 是結(jié)合無機界和有機界的紐帶 是聯(lián)系其他要素的關(guān)鍵環(huán)節(jié) 或者說土壤在整個自然環(huán)境中起著重要的作用 或者說土壤是有機界和無機界相互聯(lián)系 相互作用的產(chǎn)物 或者說土壤是自然環(huán)境中物質(zhì)循環(huán)和能量轉(zhuǎn)換的主要環(huán)節(jié)和活躍的場所 1 為陸生植物 營養(yǎng)物質(zhì) 立地條件 2 為河水 海水 鹽份等物質(zhì) 3 形成沉積物 沉積礦床 4 與大氣圈進行熱量和物質(zhì)交換 所以說土壤在自然地理環(huán)境中起著重要作用 1 1土壤的組成與性質(zhì) 土壤的礦物質(zhì)和有機質(zhì) 土壤的水分與空氣 土壤的吸附與酸堿性 土壤的氧化還原性與生物體系 1 2土壤的背景值和環(huán)境容量 背景值的概念 未受或者少受人類活動影響的環(huán)境本身的化學(xué)元素組成及其含量背景值的應(yīng)用 制定環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的依據(jù) 農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上的應(yīng)用 維護人類健康方面的應(yīng)用土壤環(huán)境容量土壤環(huán)境單元所容許承納的污染物質(zhì)的最大數(shù)量或負荷量 2 土壤環(huán)境的污染與凈化 土壤污染的概念土壤環(huán)境的自凈作用土壤污染物及污染源 2 1土壤污染的定義 指進入土壤的污染物超過土壤的自凈能力 而且對土壤 植物和動物造成損害的狀況 物理凈化 機械阻留 吸附 淋溶 稀釋 揮發(fā) 擴散等物理化學(xué)凈化 離子交換吸附化學(xué)凈化 凝聚與沉淀反應(yīng) 氧化還原 絡(luò)合與螯合 酸堿中和等生物凈化作用 細菌 真菌 放線菌等體內(nèi)酶或分泌酶的催化作用下 發(fā)生各種各樣的分解反應(yīng)影響因素 土壤環(huán)境的物質(zhì)組成 土壤環(huán)境條件 2 2土壤自凈作用 污染物 有機污染物 無機污染物污染源 工業(yè)污染源 農(nóng)業(yè)污染源 生物污染源問題 土壤的環(huán)境因素對土壤的自凈能力有什么的影響 2 3土壤污染物及污染源 土壤的污染有許多渠道 污染物的類型也較多 但比較突出和典型的是重金屬污染 重金屬元素 如汞 鎘 銅 鋅 鉻 鎳 砷等 主要是通過工業(yè)廢水灌溉和施用被污染的底泥而進入土壤中的 這些重金屬污染物的特點是不易被分解 因此在土壤中不斷地富集 3 土壤重金屬污染 3 1土壤重金屬污染的特點 形態(tài)多變金屬有機態(tài)毒性大于無機態(tài)價態(tài)不同毒性不同金屬羰基化合物常劇毒遷移化形式多物理化學(xué)行為多具可逆性 屬于緩沖型污染產(chǎn)生毒性效應(yīng)的濃度范圍低微生物不能降解 反而會毒害微生物或者使之有機化 增強毒性對人體的毒性是積累性的 3 2重金屬在土壤和植物體系中的遷移 重金屬的土壤化學(xué)行為 土壤氧化 還原條件與重金屬的遷移轉(zhuǎn)化 土壤酸堿度與重金屬遷移轉(zhuǎn)化 土壤膠體的吸附作用與重金屬遷移轉(zhuǎn)化 土壤中重金屬的絡(luò)合 螯合作用 土壤微生物對重金屬的固定和活化 土壤根際的富集和降毒 根際氧化還原屏障形成 根際pH屏障形成 根系分泌物的絡(luò)合作用 3 3主要的重金屬污染 土壤重金屬污染物主要有汞 鎘 鉛 銅 鉻 砷 鎳 鐵 錳 鋅等 砷雖不屬于重金屬 但因其行為與來源以及危害都與重金屬相似 故通常列入重金屬類進行討論 就對植物的需要而言 可分為兩類 一類是植物生長發(fā)育不需要的元素 而對人體健康危害比較明顯 如鎘 汞 鉛等 另一類是植物正常生長發(fā)育所需元素 且對人體又有一定生理功能 如銅 鋅等 但過多會發(fā)生污染 妨礙植物生長發(fā)育 汞 土壤的汞污染主要來自于污染灌溉 燃煤 汞冶煉廠和汞制劑廠 儀表 電氣 氯堿工業(yè) 的排放 含汞顏料的應(yīng)用 用汞做原料的工廠 含汞農(nóng)藥的施用等也是重要的汞污染源 土壤中汞的存在形態(tài)有無機態(tài)與有機態(tài) 并在一定的條件下互相轉(zhuǎn)化 無機汞有 g 4 g 2 g 2 g 它們因溶解度低 在土壤中遷移轉(zhuǎn)化能力很弱 但在土壤微生物作用下 汞可向甲基化方向轉(zhuǎn)化 在好氧條件下主要形成脂溶性的甲基汞 可被微生物吸收 積累 而轉(zhuǎn)入食物鏈造成對人體的危害 在厭氧條件下 主要形成二甲基汞 在微酸性環(huán)境下 二甲基汞可轉(zhuǎn)化為甲基汞 汞對植物的危害因作物的種類和生育而異 汞在一定濃度下使作物減產(chǎn) 在較高濃度下甚至使作物死亡 鎘主要來源于鎘礦 鎘冶煉廠 因鎘與鋅同族 常與鋅共生 所以冶煉鋅的排放物中必有 n d 它們揮發(fā)性強 以污染源為中心可波及數(shù)千米遠 鎘工業(yè)廢水灌溉農(nóng)田也是鎘污染的重要來源 土壤中鎘的存在形態(tài)也很多 大致可分為水溶性鎘和非水溶性鎘兩大類 鎘對農(nóng)業(yè)最大的威脅是產(chǎn)生 鎘米 鎘菜 進入人體后使人得骨痛病 另外 鎘會損傷腎小管 出現(xiàn)糖尿病 還有鎘引起血壓升高 出現(xiàn)心血管病 甚至還有致癌 致畸的報道 鎘 鉛 鉛是土壤污染較普遍的元素 污染源主要來自汽油里添加抗爆劑烷基鉛 隨汽油燃燒后的尾氣而積存公路兩側(cè)百米范圍內(nèi)的土壤中 另外 鉛字印刷廠 鉛冶煉廠 鉛采礦場等也是重要的污染源 隨著我國鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)的發(fā)展 三廢 中的鉛已大量進入農(nóng)田 進入土壤中的鉛在土壤中易與有機物結(jié)合 極不易溶解 土壤鉛大多發(fā)現(xiàn)在表土層 表土鉛在土壤中幾乎不向下移動 鉛對植物的危害表現(xiàn)為葉綠素下降 阻礙植物的呼吸及光合作用 谷類作物吸鉛量較大 但多數(shù)集中在根部 莖稈次之 籽實中較少 因此鉛污染的土壤所生產(chǎn)的禾谷類莖稈不宜作飼料 鉛對動物的危害則是累積中毒 人體中鉛能與多種酶結(jié)合從而干擾有機體多方面的生理活動 導(dǎo)致對全身器官產(chǎn)生危害 污染源主要是電鍍 制革廢水 鉻渣等 鉻在土壤中主要有兩種價態(tài) r6 和 r3 兩種價態(tài)的行為極為不同 前者活性低而毒性高 后者恰恰相反 r3 主要存在于土壤與沉積物中 r6 主要存在于水中 但易被 e2 和有機物等還原 植物吸收鉻約 留在根部 據(jù)研究 低濃度的 r6 能提高植物體內(nèi)酶活性與葡萄糖含量 高濃度時則阻礙水分和營養(yǎng)向上部輸送 并破壞代謝作用 鉻對人體與動物也是有利有弊 人體中含鉻過低會產(chǎn)生食欲減退癥狀 但飲水中超標(biāo) 倍時 會發(fā)生口角糜爛 腹瀉 消化紊亂等癥狀 鉻 土壤砷污染主要來自大氣降塵與含砷農(nóng)藥 燃煤是大氣中砷的主要污染源 土壤中砷大部分為膠體吸收或和有機物絡(luò)合 螯合或和磷一樣與土壤中鐵 鋁 鈣離子相結(jié)合 形成難溶化合物 或與鐵 鋁等氫氧化物發(fā)生共沉淀 和 值影響土壤對砷的吸附 值高土壤砷吸附量減少而水溶性砷增加 土壤的氧化條件下 大部是砷酸 砷酸易被膠體吸附 而增加土壤固砷量 隨 降低 砷酸轉(zhuǎn)化為亞砷酸 可促進砷的可溶性 增加砷害 砷對植物危害的最初癥狀是葉片卷曲枯萎 進一步是根系發(fā)育受阻 最后是植物根 莖 葉全部枯死 砷對人體危害很大 它能使紅血球溶解 破壞正常生理功能 甚至致癌等 砷 4 1我國重金屬污染的現(xiàn)狀我國 個省 市 城郊 污水灌溉區(qū) 工礦等經(jīng)濟發(fā)展較快地區(qū)的320個重點污染區(qū)中 污染超標(biāo)的大田農(nóng)作物種植面積為60 6萬hm2 占監(jiān)測調(diào)查總面積的20 其中重金屬含量超標(biāo)的農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量與面積約占污染物超標(biāo)農(nóng)產(chǎn)品總量與總面積的80 以上 尤其是pb Cr Hg Cu及其復(fù)合污染最為突出 據(jù)陳同斌 萬洪富的資料 目前我國重金屬污染的耕地面積近2000萬畝 約占總耕地面積的五分之一 4 土壤重金屬污染的調(diào)控與修復(fù) 4 2污染土壤的修復(fù)技術(shù) 調(diào)整農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)不同種類的植物遺傳學(xué) 形態(tài)學(xué)和解剖學(xué)特征或離子運輸機制的生理學(xué)特性不同 對pb Cr Hg Cu等污染元素的吸收效應(yīng)存在一定的差異 根據(jù)不同作物對重金屬元素的吸收效應(yīng)的特點 針對土壤重金屬污染程度的不同 有區(qū)別 有選擇地種植作物 有利于降低土壤重金屬對農(nóng)產(chǎn)品的污染 使受污染的農(nóng)田得到合理的開發(fā)利用 生物修復(fù)技術(shù)重金屬污染的特殊性在于它不能被土壤微生物降解而從環(huán)境中徹底消除 使得治理環(huán)境重金屬污染成為一項困難的工作 近年來 利用植物修復(fù)技術(shù)對重金屬所造成的環(huán)境污染進行治理 以其更廉價 更易實施及更易為公眾所接受而成為關(guān)注的熱點 通過添加改良劑改變土壤性質(zhì) 從而改善植物生長條件 實現(xiàn)污染土壤的修復(fù)是一個可行的途徑 玉米苗期盆栽試驗 施入有機肥后土壤中有效態(tài)Cd Zn含量明顯降低 水溶態(tài)Cd隨石灰用量的增加而急劇減少施用石灰是抑制Cd污染土壤上植株吸收Cd 的有效措施 當(dāng)前的研究重點近期國內(nèi)的研究重點是土壤重金屬之間及其與土壤養(yǎng)分元素之間的交互作用對不同作物的生物效應(yīng) 在實驗室內(nèi)進行的生物毒性試驗 重金屬復(fù)合污染的敏感指標(biāo)是目前的研究熱點 其中對植物生理毒性指標(biāo)的研究主要涉及植物種子萌發(fā) 根生長和酶活性 改良劑法 5 土壤農(nóng)藥污染與防治 農(nóng)藥的使用概況 農(nóng)藥是重要的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資料 在控制有害生物的危害 保護農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的安全等方面發(fā)揮了重要的作用 化學(xué)農(nóng)藥是消滅人類和植物病蟲害的有效藥物 對農(nóng)林牧業(yè)的增產(chǎn) 保收和保存 以及人類傳染疾病的預(yù)防和控制等方面起了非常大的作用 迄今農(nóng)藥的品種已發(fā)展到上千種 農(nóng)藥的使用量也急劇增加 成為決定現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率和提高收獲量的重要因素 同時 隨著日益增加的化學(xué)農(nóng)藥通過生產(chǎn) 運輸 儲存 使用 廢棄等不同環(huán)節(jié)大量進入環(huán)境和生態(tài)系統(tǒng) 因而產(chǎn)生了一些不良后果 5 1農(nóng)藥對環(huán)境的污染 1 有機氯農(nóng)藥不僅對害蟲有殺傷毒害作用 同時對害蟲的 天敵 及傳粉昆蟲等益蟲益鳥也有殺傷作用 因而破壞了自然界的生態(tài)平衡 2 長期使用同類型農(nóng)藥 使害蟲產(chǎn)生了抗藥性 因而增加了農(nóng)藥的使用量和防治次數(shù) 也大大增加了防治費用和成本 3 長期大量使用農(nóng)藥 使農(nóng)藥在環(huán)境中逐漸積累 尤其是在土壤中 產(chǎn)生了農(nóng)藥污染環(huán)境問題 4 農(nóng)藥被農(nóng)作物吸收 進入動物體內(nèi) 經(jīng)過生物富集濃縮 使其毒性更大 這就不僅使得害蟲的天敵更易受到毒害作用 而且會通過食物鏈威脅人體的健康 5 2主要的農(nóng)藥類型 人工合成的化學(xué)農(nóng)藥 按化學(xué)組成可以分為有機氯 有機磷 有機汞 有機砷 氨基甲酸酯類等制劑 按農(nóng)藥在環(huán)境中存在物理狀態(tài)可分為粉狀 可溶性液體 揮發(fā)性液體等 按其作用方式可有胃毒 觸殺 熏蒸等 病 蟲 雜草等有害生物 不論在形態(tài) 行為 生理代謝等方面均有很大差異 因此 一種農(nóng)藥往往僅能防治某一種病蟲害 專用性很強 5 3農(nóng)藥在土壤中的遷移轉(zhuǎn)化 吸附 土壤是一個由無機膠體 有機膠體以及有機 無機膠體所組成的膠體體系 其具有較強的吸附性能 在酸性土壤下 土壤膠體帶正電荷 在堿性條件下 則帶負電荷 進入土壤的化學(xué)農(nóng)藥可以通過物理吸附 化學(xué)吸附 氫鍵結(jié)合和配位價鍵結(jié)合等形式吸附在土壤顆粒表面 農(nóng)藥被土壤吸附后 移動性和生理毒性隨之發(fā)生變化 所以土壤對農(nóng)藥的吸附作用 在某種意義上就是土壤對農(nóng)藥的凈化 但這種凈化作用是有限度的 土壤膠體的種類和數(shù)量 膠體的陽離子組成 化學(xué)農(nóng)藥的物質(zhì)成分和性質(zhì)等都直接藥性到土壤對農(nóng)藥的吸附能力 吸附能力越強 農(nóng)藥在土壤中的有效行越低 則凈化效果越好 影響土壤吸附能力的一些因素土壤膠體 膠體的陽離子組成 農(nóng)藥性質(zhì) 土壤pH 5 4化學(xué)農(nóng)藥在土壤中的揮發(fā) 擴散和遷移 農(nóng)藥除以氣體形式擴散外 還能以水為介質(zhì)進行遷移 其主要方式有兩種 一是直接溶于水 二是被吸附于土壤固體細粒表面上隨水分移動而進行機械遷移 一般來說 農(nóng)藥在吸附性能小的砂性土壤中容易移動 而在粘粒含量高或有機質(zhì)含量多的土壤中則不易移動 大多積累于土壤表層30cm土層內(nèi) 因此有的研究者指出 農(nóng)藥對地下水的污染是不大的 主要是由于土壤侵蝕 通過地表徑流流入地面水體造成地表水體的污染 5 5農(nóng)藥在土壤中的降解 農(nóng)藥在土壤中的降解 包括光化學(xué)降解 化學(xué)降解和微生物降解等在評價一種農(nóng)藥是否對環(huán)境有污染作用時 不僅要看藥劑本身的毒性 而且還要注意降解產(chǎn)物是否有潛在危害性 5 6農(nóng)藥在土壤中的殘留及其毒害 農(nóng)藥一旦進入土壤生態(tài)系統(tǒng) 殘留是不可避免的 盡管殘留的時間有長有短 數(shù)量有大有小 但有殘留并不等于有殘毒 只有當(dāng)土壤中的農(nóng)藥殘留積累到一定程度 與土壤的自凈效應(yīng)產(chǎn)生脫節(jié) 失調(diào) 危及農(nóng)業(yè)環(huán)境生物 包括農(nóng)藥的靶生物與非靶環(huán)境生物的安全 間接危害人畜健康 才稱其具有殘留積累毒害 一般說來 土壤化學(xué)農(nóng)藥的殘留積累毒害主要表現(xiàn)在兩方面 殘留農(nóng)藥的轉(zhuǎn)移產(chǎn)生的危害 殘留農(nóng)藥對靶生物的直接毒害 6 土壤典型有機物及其他污染物 6 1土壤石油污染及其修復(fù)石油污染土壤的主要途徑 污灌 大氣污染 溢油事件 車輛污染石油對土壤的污染 粘著在土壤根部 影響根呼吸 引起爛根 進入食物鏈 抑制微生物的活性 石油污染的微生物修復(fù) 原位生物修復(fù)技術(shù) 原位處理方法是將受污染土壤在原地處理 處理期間 土壤基本不被攪動 最常見的就地處理方式是土壤的水飽和區(qū)進行生物降解 除了要加入營養(yǎng)鹽 氧源 多為H2O2 外 還需引入微生物以提高生物降解的能力 這種方法因受溫度和土壤類型的影響而具有一定的局限性 異位生物修復(fù)技術(shù)異位生物修復(fù)主要包括現(xiàn)場處理法 預(yù)制床法 堆制處理法 生物反應(yīng)器和厭氧生物處理法 植物修復(fù)技術(shù) 植物生物修復(fù)是一項利用太陽能動力的處理系統(tǒng) 具有處理費用低 減少場地破壞等優(yōu)點而受到普遍重視 植物生物修復(fù)是利用植物體內(nèi)對某些污染物的積累 植物代謝過程對某些污染物的轉(zhuǎn)化和礦化 植物根圈與根莖的共生關(guān)系增加微生物的活性的特點 加速土壤污染物降解速度的過程 6 2土壤有毒有機物污染 酚污染苯并 a 芘的污染多氯聯(lián)本 PCBs 的污染二惡暎污染 7 大氣酸沉降對土壤的影響 酸沉降包括干 濕沉降 濕沉降一般系指pH值低于516的天然降雨以及酸雪 酸霧等 干沉降是指硫氧化物和氮氧化物以及包含硫 氮氧化物的顆粒隨風(fēng)而降 而現(xiàn)在很多情況下把酸雪酸霧和酸性粉塵降落物都統(tǒng)稱為 酸雨 酸雨或酸沉降導(dǎo)致的環(huán)境酸化與危害是21世紀(jì)最大的環(huán)境問題 7 1大氣酸沉降的影響 酸沉降酸沉降對土壤理化性質(zhì)的影響表現(xiàn)在土壤pH值的降低 一方面導(dǎo)致土壤營養(yǎng)離子的流失 另一方面N沉降量的增加 植物可吸收N增加 相應(yīng)導(dǎo)致對營養(yǎng)離子的需要量增加 這兩方面相互作用的結(jié)果導(dǎo)致了植物營養(yǎng)不平衡問題的出現(xiàn) 而重金屬的活化 導(dǎo)致植物體受到毒害 8 污水灌溉對土壤的影響 污水灌溉的生態(tài)效益 污水含有一定的有機物質(zhì)和營養(yǎng)成分 如直接排放到江 河 湖泊中 會引起水體 富營養(yǎng)化 而且 污水中的有害物質(zhì)如排放到水體中 會引起污染 使水質(zhì)變壞嚴重影響水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展和人類健康 污水用于農(nóng)田灌溉 不僅可以大大節(jié)省水資源 還可為農(nóng)作物生長提供豐富的養(yǎng)分 使農(nóng)作物增產(chǎn) 特別是在水資源不足情況下 如干旱 半干旱地區(qū)或干旱季節(jié) 污水的利用則顯得尤為重要 污水灌溉的污染問題 污水中大量是屬于工業(yè)廢水 不可避免地會帶有許多有毒的工業(yè)廢物 灌溉農(nóng)田會使這些有毒物質(zhì)在土壤中積聚 造成污染 生活污水中常帶有一些病原菌和寄生蟲卵 也會污染農(nóng)田和水源 這些污染物被農(nóng)作物吸收 積累在農(nóng)產(chǎn)品中或污染食品 進入人畜食物鏈 長期食用超標(biāo)的食物 會發(fā)生中毒現(xiàn)象或感染疾病 嚴重影響人類的健康 主要污染物 重金屬物 有機化合物氰 酚 多環(huán)芳烴 烷基苯 磺酸鹽 苯并 a 芘等都是有害的有機化合物 其中很多是三致物質(zhì) 生物污染物主要是病毒 病菌和寄生蟲卵等 9 生活垃圾對土壤的影響 9 1概況 國家城鄉(xiāng)建設(shè)部1987年的統(tǒng)計 我國生活垃圾的構(gòu)成成分 按全年平均數(shù)統(tǒng)計 大城市無機物占56 有機物占36 以上 其他占8 中小城市無機物占78 有機物占17 其他占5 在無機物中主要是煤灰和渣土 垃圾中含有對農(nóng)業(yè)十分有用的有機物質(zhì)和植物營養(yǎng)物質(zhì) 改良土壤 培肥地力的作用顯著 生活垃圾中也含有許多有毒有害的物質(zhì) 未經(jīng)處理的城市垃圾 特別是人畜糞便和醫(yī)療單位的廢棄物中含有大量的病原體 施到土壤后能存活相當(dāng)長的時間 垃圾中的重金屬如汞 鉛 鎘 鋅 錳和有機污染物等是造成化學(xué)污染的重要原因 城市垃圾處置不當(dāng) 也容易引起大氣和水源的污染 城市垃圾處置不當(dāng) 也容易引起大氣和水源的污染 9 2垃圾的資源化利用 垃圾堆肥及農(nóng)用效果 1 改良土壤結(jié)構(gòu) 提高土壤保水保肥能力 2 提高土壤肥力 3 增加作物產(chǎn)量 提高農(nóng)產(chǎn)品的品質(zhì) 10 農(nóng)用化肥對土壤的影響 10 1概況 我國是化肥使用大國 1996年我國化肥施用量3800萬噸 居世界第一位 單位面積用量居世界中等水平 但我國化肥利用率平均只有30 35 也就是說 每年有1100多萬噸的肥份流入水體 其中氮肥損失率最高 這不僅造成了巨大的經(jīng)濟損失 而且對環(huán)境產(chǎn)生了嚴重污染 對水體 土壤 大氣 生物及人體健康造成嚴重危害 如造成江河湖及地下水源的污染 造成江河湖及地下水源的污染 影響人類健康 破壞土壤結(jié)構(gòu) 10 2化肥污染的控制與防治對策 控制其施用量 又要嚴格執(zhí)行使用規(guī)程 具體方法有 科學(xué)施用鉀肥科學(xué)施用磷肥廣泛施用有機肥積極推廣微生物肥料積極推廣垃圾堆肥 謝謝