环境化学13重金属在土壤环境中的迁移转化课件.ppt

1、Environmental ChemistryChemistry is all around us环环境境科科学学与与工工程程专专业业主要参考书目主要参考书目o王晓蓉王晓蓉.环境化学环境化学M.南京大学出版社，南京大学出版社，1997o戴树桂戴树桂.环境化学环境化学M.高教出版社，高教出版社，2006o刘绮刘绮.环境化学环境化学M.化学工业出版社，化学工业出版社，2004o赵美萍，邵敏赵美萍，邵敏.环境化学环境化学M.北京大学出版社，北京大学出版社，2005o邓南圣，吴峰邓南圣，吴峰.环境化学教程环境化学教程M.武汉大学出版社武汉大学出版社(第二版第二版)，2006 oValoon G.W.,

2、Duffy S.J.Environmental Chemistry:A global perspective M.Oxford University Press,2000 oManahan,S.E.Environmental ChemistryM.Lewis publishers(第七第七版版),1999 土壤是自然环境要素的重要组成之一，它是处在岩石土壤是自然环境要素的重要组成之一，它是处在岩石圈最外面的一层疏松的部分，具有支持植物和微生物生长圈最外面的一层疏松的部分，具有支持植物和微生物生长繁殖的能力，被称为土壤圈。土壤圈是处于大气圈、岩石繁殖的能力，被称为土壤圈。土壤圈是处于大气圈、岩石

3、圈、水圈和生物圈之间的过渡地带，是联系有机界和无机圈、水圈和生物圈之间的过渡地带，是联系有机界和无机界的中心环节。它与地球的直径相比，只不过相当于一张界的中心环节。它与地球的直径相比，只不过相当于一张薄纸，但它是农业生产的基础，是人类生活的一项极其宝薄纸，但它是农业生产的基础，是人类生活的一项极其宝贵的自然资源。土壤还具有同化和代谢外界进入土壤的物贵的自然资源。土壤还具有同化和代谢外界进入土壤的物质的能力，所以土壤又是保护环境的重要净化剂。这就是质的能力，所以土壤又是保护环境的重要净化剂。这就是土壤的两个重要的功能。土壤的两个重要的功能。土壤环境化学篇土壤环境化学篇第十三章第十三章 重金属在土

4、壤环境中的迁移转化重金属在土壤环境中的迁移转化土壤重金属污染土壤重金属污染土壤植物系统中重金属的归趋土壤植物系统中重金属的归趋土壤环境容量土壤环境容量第一节第一节 土壤重金属污染土壤重金属污染一、概念一、概念土壤重金属元土壤重金属元素的积累浓度素的积累浓度超过了作物需要超过了作物需要和耐受的程度和耐受的程度作物生长未受害作物生长未受害植物出现毒害植物出现毒害产品中某种重金产品中某种重金属含量超标，危属含量超标，危害人畜害人畜二、主要元素二、主要元素汞、镉、铅、铬、砷；汞、镉、铅、铬、砷；-生物毒性显著元素生物毒性显著元素锌、铜、镍；锌、铜、镍；-必需元素必需元素三、特点三、特点（1 1）不能被

5、微生物降解。）不能被微生物降解。（2 2）可在土壤中不断积累。）可在土壤中不断积累。（3 3）可被生物富集并通过食物链在人体积累，并最终危）可被生物富集并通过食物链在人体积累，并最终危害人体健康。害人体健康。（4 4）可迁移到地表水、地下水。）可迁移到地表水、地下水。（5 5）通过扬尘污染大气。）通过扬尘污染大气。第二节第二节土壤土壤植物系统中重金属的归趋植物系统中重金属的归趋一、主要归趋一、主要归趋1、积累在土壤表层、积累在土壤表层2、迁移至地表水或地下水、迁移至地表水或地下水3、迁移至植物体、迁移至植物体二、影响重金属在土壤表层积累的因素二、影响重金属在土壤表层积累的因素1、土壤胶体的吸附

6、、土壤胶体的吸附 2、配位作用、配位作用3、沉淀、沉淀-溶解作用溶解作用4、氧化、氧化-还原作用还原作用1、土壤胶体的吸附、土壤胶体的吸附 金属离子性质的影响：阳离子价数金属离子性质的影响：阳离子价数，吸附，吸附；离子半径大，水化半径小，吸附离子半径大，水化半径小，吸附土壤胶体性质的影响：土壤胶体性质的影响：有机胶体属无定形胶体，比表面大吸附容量一般比无机胶体大，吸有机胶体属无定形胶体，比表面大吸附容量一般比无机胶体大，吸附容量为附容量为150-700cmol/kg，平均，平均300-400cmol/kg有机胶体对金属离子吸附的顺序为：有机胶体对金属离子吸附的顺序为：Pb2+Cu2+Cd2+Z

7、n2+Hg2+无机胶体：胶体的结构、电荷密度分布无机胶体：胶体的结构、电荷密度分布2、配位作用、配位作用（1）形成配位离子发生迁移（使沉淀溶解）形成配位离子发生迁移（使沉淀溶解）（2）夺取表面积累的金属（减弱土壤胶体的吸附）夺取表面积累的金属（减弱土壤胶体的吸附）作用大小取决于所形成配合物的可溶性作用大小取决于所形成配合物的可溶性3、沉淀溶解作用（结合环境、沉淀溶解作用（结合环境Eh、pH等的变化）等的变化）（1）Eh 对于对于Cr、V：Eh，形成阴离子状态，形成阴离子状态(酸根酸根)，溶解性，溶解性 对于对于Fe、Mn：Eh，形成高价难溶化合物，形成高价难溶化合物pH条件对土壤中汞的沉淀条件

8、对土壤中汞的沉淀-溶解过程的效应溶解过程的效应 1、土壤、土壤pH小于小于2.2时，土壤中汞主要呈溶解状态时，土壤中汞主要呈溶解状态 2、土壤、土壤pH在在2.2-3.8时，溶解态的时，溶解态的Hg 2+可转化为可转化为HgOH+3、土壤、土壤pH在在6.0时，反应向时，反应向Hg(OH)2沉淀方向转化。沉淀方向转化。（2）pH 酸度高，则金属离子浓度高酸度高，则金属离子浓度高 4、氧化还原反应、氧化还原反应CdS CdSO4 可溶性可溶性Ce(OH)4 Ce3+可溶性可溶性 -200 0 200 4006420Cd的浓度（的浓度（ppb）氧化还原电位氧化还原电位(mv)pH5pH8三、重金属

9、元素在土壤三、重金属元素在土壤植物体系中的积累和迁移植物体系中的积累和迁移1、主要取决于根的吸收、主要取决于根的吸收 根细胞主要吸收可溶态与可交换态根细胞主要吸收可溶态与可交换态 凯氏带的作用凯氏带的作用2、影响因素、影响因素 （1）植物本身的特性）植物本身的特性 （2）土壤本身的特性（酸碱性、腐殖质）土壤本身的特性（酸碱性、腐殖质）冲击土壤：冲击土壤：CdCuZnHgPb 腐殖质火山灰土壤：腐殖质火山灰土壤：CdHgZnCuPb（Cu此时主要以腐殖质此时主要以腐殖质的配合形态存在，不易被吸收）的配合形态存在，不易被吸收）（3）重金属元素形态）重金属元素形态如如Cd对水稻的抑制程度为：对水稻的

10、抑制程度为：CdSO4 Cd3(PO4)2CdS （4）金属种类）金属种类如如Zn、Cd 当当Zn1mg/kgsoil时，米中时，米中Cd含量含量 四、几种主要重金属元素在土壤中的迁移四、几种主要重金属元素在土壤中的迁移 1、砷（、砷（As）2、镉（、镉（Cd）3、钴（、钴（Co）4、铬（、铬（Cr）5、铜（、铜（Cu）6、汞（、汞（Hg）7、铅（、铅（Pb）8、锌（、锌（Zn）9、镍（、镍（Ni）10、硒（、硒（Se）1、砷（、砷（As）（1）土壤中砷的来源）土壤中砷的来源 砷尾矿水等砷尾矿水等（2）土壤中砷的分布）土壤中砷的分布 通常积累在表层土通常积累在表层土10cm以内，只有在某些情况

11、下可淋洗至以内，只有在某些情况下可淋洗至深土层，如施加磷肥可稍增加砷的移动性深土层，如施加磷肥可稍增加砷的移动性。（3）土壤中砷主要化学形态）土壤中砷主要化学形态 砷酸根砷酸根AsO4 3-当土壤中含当土壤中含Ca、Fe、Al时形成沉淀、当施加磷肥后时形成沉淀、当施加磷肥后AsO4 3-释放，迁移性释放，迁移性（2）分类）分类 水溶性砷；吸附性砷；难溶性砷水溶性砷；吸附性砷；难溶性砷可给性砷可给性砷（3）在植物中的分布趋势）在植物中的分布趋势 一般规律：根一般规律：根茎叶茎叶果实果实 转移至地上部分后主要集中在生长旺盛的器官转移至地上部分后主要集中在生长旺盛的器官注意：有机砷被植物吸收后可在体

12、内逐渐降解为无机砷注意：有机砷被植物吸收后可在体内逐渐降解为无机砷2、镉（、镉（Cd）（3）主要化学形态）主要化学形态 CdS CdSO4（1）来源）来源 含镉废水、废渣、污泥等含镉废水、废渣、污泥等（2）分布）分布 可被土壤吸附，一般在可被土壤吸附，一般在0-15cm的土壤表层积累，的土壤表层积累，15cm一下含量显著一下含量显著减少减少（4）分类）分类 可给态；代换态；不溶态可给态；代换态；不溶态易迁移转化；易迁移转化；可被植物吸收可被植物吸收（5）在植物中的分布趋势）在植物中的分布趋势 一般规律：根一般规律：根叶叶 枝的杆皮枝的杆皮花果籽实花果籽实 如水稻：根如水稻：根茎叶茎叶稻壳稻壳糙

13、米糙米3、钴（、钴（Co）（3）主要化学形态）主要化学形态 Co2+、或、或CoCO3、CoS（4）分类）分类 可给态钴；代换态钴；难溶态钴可给态钴；代换态钴；难溶态钴只能与只能与Cu2+、Zn2+交换，不能与交换，不能与Ca2+、Mg2+或或NH4+交换交换（5）在植物中的分布趋势）在植物中的分布趋势 大麦：根大麦：根茎茎叶叶 颖和芒颖和芒籽实籽实（1）来源）来源 采矿冶炼等过程采矿冶炼等过程（2）分布）分布 主要分布在上层，但被有机物螯合时会向下移动，土壤呈酸性时将主要分布在上层，但被有机物螯合时会向下移动，土壤呈酸性时将家中淋溶导致土壤垂直侵蚀迁移家中淋溶导致土壤垂直侵蚀迁移4、铬（、铬

14、（Cr）（2）主要化学形态）主要化学形态 主要以主要以Cr(III)存在，迁移性很低存在，迁移性很低（3）植物吸收（）植物吸收（BCF很低）很低）Cr(II)Cr(III)后再被植物吸收在土壤后再被植物吸收在土壤-植物体系中难以实现；植物体系中难以实现；Cr(VI)是有效铬，但植物吸收是有效铬，但植物吸收Cr(VI)受到受到SO42-等阴离子的强烈抑制。等阴离子的强烈抑制。Cr(VI)有机质Cr(III)随pH升高而降低Cr(III)O2或氧化锰Cr(VI)在pH6.5-8.5可发生（1）来源）来源 铬尘、铬渣、含铬废水污灌铬尘、铬渣、含铬废水污灌 5、铜（、铜（Cu）（3）主要化学形态）主要

15、化学形态 Cu(II)（4）分类）分类 水溶态；交换态；铁锰氧化物结合态；有机质结合态；碳酸盐结合水溶态；交换态；铁锰氧化物结合态；有机质结合态；碳酸盐结合态；残渣态。态；残渣态。（5）在植物中的分布趋势）在植物中的分布趋势 根根茎叶茎叶 籽实籽实（1）来源）来源 铜矿山和冶炼排放的废水、工业粉尘、城市污水、含铜农药铜矿山和冶炼排放的废水、工业粉尘、城市污水、含铜农药（2）分布）分布 主要积累在表层（易与表层有机质螯合被固定），并沿土壤纵深垂直分主要积累在表层（易与表层有机质螯合被固定），并沿土壤纵深垂直分布递减，酸性土中布递减，酸性土中Cu易淋溶迁移。易淋溶迁移。6、汞（、汞（Hg）（3）主

16、要化学形态）主要化学形态 2Hg+Hg0+Hg2+(非微生物反应非微生物反应)Hg0 Hg2+HgS Hg2+Hg(CH3)+（4）分类）分类金属汞、无机化合态汞、有机化合态汞金属汞、无机化合态汞、有机化合态汞植物吸收顺序：氯化甲基汞植物吸收顺序：氯化甲基汞氯化乙基汞氯化乙基汞醋酸苯汞醋酸苯汞氯化汞氯化汞氧化汞氧化汞硫化汞硫化汞（5）在植物中的分布趋势）在植物中的分布趋势 根根茎叶茎叶 籽实籽实（1）来源）来源 工业污染、农业污染工业污染、农业污染（2）分布）分布 易在土壤表层积累、并沿土壤纵深垂直分布递减易在土壤表层积累、并沿土壤纵深垂直分布递减7、铅（、铅（Pb）（3）主要化学形态）主要化

17、学形态 Pb(OH)2、PbCO3、PbSO4（4）分类）分类 可溶性铅含量极低、主要作为非可溶性形态可溶性铅含量极低、主要作为非可溶性形态（5）在植物中的分布趋势）在植物中的分布趋势 从根部吸收的主要积累在根部从根部吸收的主要积累在根部 从大气吸收的主要积累在叶部从大气吸收的主要积累在叶部花果部位含量少花果部位含量少（1）来源）来源 汽油燃烧、冶炼烟尘及矿山、冶炼废水等汽油燃烧、冶炼烟尘及矿山、冶炼废水等（2）分布）分布 可在土壤表层积累，很少移动可在土壤表层积累，很少移动8、镍（、镍（Ni）（3）主要化学形态）主要化学形态 Ni(II)如如NiFe2O4、NiAl2O4、磷酸盐、磷酸盐、N

18、iS等等（4）分类）分类可溶态（当可溶态（当pH+200mv又有大量碳酸盐或硫酸盐存在时）又有大量碳酸盐或硫酸盐存在时）难溶态（镍铁盐、镍铝酸盐、磷酸盐、硫化物、有机配合物）难溶态（镍铁盐、镍铝酸盐、磷酸盐、硫化物、有机配合物）（5）在植物中的分布趋势）在植物中的分布趋势 不同植物差异较大不同植物差异较大 一般：根叶一般：根叶茎枝茎枝 或或 根根叶；叶；丛桦：丛桦：果果叶、枝叶、枝 十字花科：强吸收强忍耐。灰分十字花科：强吸收强忍耐。灰分50-100g/kg（1）来源）来源 岩石风化、大气降尘、灌溉、农田施肥等岩石风化、大气降尘、灌溉、农田施肥等（2）分布）分布可被有机无机胶体吸附态，因此主要

19、积累在土壤表层可被有机无机胶体吸附态，因此主要积累在土壤表层9、锌（、锌（Zn）（3）主要化学形态）主要化学形态 配离子、配离子、Zn(OH)2、碳酸盐、磷酸盐、碳酸盐、磷酸盐（4）分类）分类水溶态；可交换态；铁锰氧化物结合水溶态；可交换态；铁锰氧化物结合态；有机结合态；碳酸盐结合态；残渣态；有机结合态；碳酸盐结合态；残渣态。态。（5）在植物中的分布趋势）在植物中的分布趋势 木本植物：树皮木本植物：树皮叶叶果实果实木质部木质部草本植物：根草本植物：根茎茎 籽实籽实（1）来源）来源 铅锌矿、污泥农用、污灌铅锌矿、污泥农用、污灌（2）分布）分布在土壤表层富集，但环境条件变化时易迁移在土壤表层富集，

20、但环境条件变化时易迁移10、硒（、硒（Se）（3）主要化学形态）主要化学形态 SeO32-SeO42-（4）在植物中的分布趋势）在植物中的分布趋势 以硒酸盐、亚硒酸盐或有机态被植物吸收。以硒酸盐、亚硒酸盐或有机态被植物吸收。紫云英属对硒具极高耐受性，可将大量硒以非活性氨基紫云英属对硒具极高耐受性，可将大量硒以非活性氨基酸形式贮存。酸形式贮存。分布规律：根分布规律：根茎叶茎叶 果实果实（1）来源）来源 土壤发育母岩土壤发育母岩（2）分布）分布 一般以亚硒酸铁形式在富铁层积累一般以亚硒酸铁形式在富铁层积累五、植物对金属产生耐性的机制五、植物对金属产生耐性的机制 1、通过改变根际化学性状、原生质泌溢

21、等作用，限制金属跨膜吸收、通过改变根际化学性状、原生质泌溢等作用，限制金属跨膜吸收。（a）如）如 Zn 促使根分泌出络合能力很强的小分子蛋白与其形成络合物促使根分泌出络合能力很强的小分子蛋白与其形成络合物（b）改变）改变Eh 化学形态改变化学形态改变-生物可利用性改变生物可利用性改变（3）改变）改变pH2、金属离子与细胞壁结合、金属离子与细胞壁结合如蹄盖蕨属植物（对如蹄盖蕨属植物（对Pb、Zn、Cu 70-80%）（不同植物络合不同）（不同植物络合不同）3、形成金属蛋白植物络合素（改变金属形态毒性等）、形成金属蛋白植物络合素（改变金属形态毒性等）如玉米根可通过分级提取（反相如玉米根可通过分级提

22、取（反相HPLC）获得植物络合素）获得植物络合素蛇根木悬浮细胞蛇根木悬浮细胞 可分离除植物络合素可分离除植物络合素4、酶系统的作用（增强代谢能力）、酶系统的作用（增强代谢能力）如如Cu、Cd、Zn诱导膀胱麦瓶草硝酸还原酶使其活性上升。诱导膀胱麦瓶草硝酸还原酶使其活性上升。第三节第三节土壤环境容量土壤环境容量一、概念一、概念在不使土壤生态系统的结构和功能受到损害的条件下，在不使土壤生态系统的结构和功能受到损害的条件下，土壤中所土壤中所 能承纳的污染的最大数量。能承纳的污染的最大数量。二、土壤环境容量的确定二、土壤环境容量的确定1、土壤净环境容量、土壤净环境容量2、基本土壤环境容量、基本土壤环境容量3、土壤动容量、土壤动容量本章重点：本章重点：1、重金属污染的概念、重金属污染的概念2、影响重金属在土壤积累的因素、影响重金属在土壤积累的因素3、典型重金属在土壤、典型重金属在土壤-植物系统的行为植物系统的行为习题：习题：P231:1、2、4