环境土壤学(普通高等教育十二五规划建设教材)

环境土壤学是一门新兴的交叉学科,也是环境科学的重要组成部分。本教材以处在陆地生态系统枢纽环 节与中心地带的土壤环境要素为研究对象,系统阐述了土壤环境质量变化规律、影响因素以及修复与调控技 术。教材由基础篇、原理篇和应用篇三大部分组成,共17章。基础篇包括绪论,土壤理化性质及其生态功能, 土壤生物及其生态功能,土壤的形成与分类,土壤环境质量,土壤环境污染等环境土壤学的基础理论知识。原 理篇包括土壤碳循环与温室气体排放,土壤氮、磷循环与环境效应,土壤氟、硒、碘与人体健康,重金属在土壤 环境中的行为与危害,有机污染物在土壤环境中的行为与危害等内容。应用篇包括土壤环境质量评价,重金 属污染土壤修复与利用,有机污染土壤的修复与利用,污水灌区土壤修复理论与实践,工矿区污染土壤修复与 利用,设施农业土壤质量退化与防治等具体技术和应用案例。 本教材适用环境科学、生态学、环境工程、农业资源与环境等专业的本科生和研究生使用,也可供相关领 域的研究人员参考。

主 编 张乃明 (云南农业大学) 副 主 编 田光明 (浙江大学) 吕贻忠 (中国农业大学) 史 静 (云南农业大学) 编写人员 (以姓氏拼音为序) 段永蕙 (山西财经大学) 高树芳 (福建农林大学) 何忠俊 (云南农业大学) 刘世亮 (河南农业大学) 卢树昌 (天津农学院) 吕贻忠 (中国农业大学) 马宏瑞 (陕西科技大学) 南忠仁 (兰州大学) 史 静 (云南农业大学) 田光明 (浙江大学) 王 兵 (兰州大学) 王 果 (福建农林大学) 文波龙 (中科院东北地理与农业生态所) 肖 炜 (云南大学) 杨黎芳 (天津农学院) 于群英 (安徽科技学院) 曾清如 (湖南农业大学) 张乃明 (云南农业大学) 张仕颖 (云南农业大学) 邹洪涛 (沈阳农业大学) 主 审 魏复盛 (中国工程院) 李保国 (中国农业大学）

目 录 基 础 篇 第1章 绪论……………………………………………………………………………………… 3 1.1 环境污染与土壤环境问题 …………………………………………………………… 3 1.1.1 环境污染问题 …………………………………………………………………… 3 1.1.2 土壤环境问题 …………………………………………………………………… 5 1.1.3 土壤环境的地位与生态功能 …………………………………………………… 6 1.2 环境土壤学的形成与发展 …………………………………………………………… 8 1.2.1 环境土壤学的形成背景 ………………………………………………………… 8 1.2.2 环境土壤学的发展历程 ………………………………………………………… 8 1.2.3 环境土壤学与其他学科的关系 ………………………………………………… 9 1.3 环境土壤学研究进展………………………………………………………………… 10 1.3.1 环境土壤学的研究内容与热点………………………………………………… 10 1.3.2 环境土壤学研究前沿展望……………………………………………………… 10 第2章 土壤理化性质及其生态功能 ………………………………………………………… 12 2.1 土壤基本物质组成…………………………………………………………………… 12 2.1.1 土壤矿物质……………………………………………………………………… 12 2.1.2 土壤有机质……………………………………………………………………… 15 2.2 土壤质地、结构及其生态功能 ……………………………………………………… 24 2.2.1 土壤质地………………………………………………………………………… 24 2.2.2 土壤结构………………………………………………………………………… 28 2.2.3 土壤质地及结构生态功能……………………………………………………… 29 2.3 土壤水分、空气及其生态功能 ……………………………………………………… 30 2.3.1 土壤水分生态功能……………………………………………………………… 30 2.3.2 土壤空气及生态功能…………………………………………………………… 37 2.4 土壤吸附性与交换性及其生态功能………………………………………………… 39 2.4.1 土壤吸附性与交换性能………………………………………………………… 39 2.4.2 土壤吸附性、交换性能及其生态功能 ………………………………………… 42 2.5 土壤酸碱性、氧化还原反应及其生态功能 ………………………………………… 42 2.5.1 土壤酸碱性……………………………………………………………………… 42 2.5.2 土壤氧化还原反应……………………………………………………………… 45 环境土壤学 2 2.5.3 土壤酸碱性、氧化还原反应生态功能 ………………………………………… 49 第3章 土壤生物及其生态功能 ……………………………………………………………… 56 3.1 土壤微生物及其生态功能…………………………………………………………… 56 3.1.1 细菌……………………………………………………………………………… 57 3.1.2 放线菌…………………………………………………………………………… 59 3.1.3 真菌……………………………………………………………………………… 59 3.1.4 古菌……………………………………………………………………………… 60 3.1.5 显微藻类………………………………………………………………………… 61 3.2 土壤动物及其生态功能……………………………………………………………… 62 3.2.1 原生动物………………………………………………………………………… 63 3.2.2 线虫……………………………………………………………………………… 63 3.2.3 螨类……………………………………………………………………………… 64 3.2.4 弹尾目…………………………………………………………………………… 65 3.2.5 蚯蚓……………………………………………………………………………… 65 3.2.6 白蚁和蚂蚁……………………………………………………………………… 66 3.3 植物根系及其生态功能……………………………………………………………… 67 3.3.1 根际和根际效应………………………………………………………………… 67 3.3.2 植物根系在土壤中的生态功能………………………………………………… 68 3.3.3 根瘤和菌根……………………………………………………………………… 69 3.4 土壤酶及其生态功能………………………………………………………………… 70 3.4.1 土壤酶的来源…………………………………………………………………… 70 3.4.2 土壤酶的种类和测定…………………………………………………………… 71 3.4.3 土壤中重要的酶类……………………………………………………………… 71 3.4.4 土壤酶的生态功能……………………………………………………………… 72 第4章 土壤的形成与分类 …………………………………………………………………… 74 4.1 土壤形成因素分析…………………………………………………………………… 74 4.1.1 成土因素学说的建立和发展…………………………………………………… 74 4.1.2 土壤形成的气候因素…………………………………………………………… 76 4.1.3 土壤形成的生物因素…………………………………………………………… 79 4.1.4 土壤形成的母质因素…………………………………………………………… 81 4.1.5 土壤形成的地形因素…………………………………………………………… 83 4.1.6 土壤形成的时间因素…………………………………………………………… 84 4.1.7 人类活动对土壤发生演化的影响……………………………………………… 85 4.2 土壤形成过程………………………………………………………………………… 86 4.2.1 土壤形成过程中的地质大循环和生物小循环………………………………… 86 4.2.2 基本的成土过程………………………………………………………………… 87 4.2.3 土壤剖面形态和表征土壤风化程度的指标…………………………………… 91 目 录 3 4.3 土壤分类……………………………………………………………………………… 94 4.3.1 土壤分类的基本概念和要求…………………………………………………… 94 4.3.2 国际土壤分类现状……………………………………………………………… 95 4.3.3 中国土壤分类系统 …………………………………………………………… 100 4.4 土壤分布规律 ……………………………………………………………………… 106 4.4.1 土壤的纬度地带性分布规律 ………………………………………………… 107 4.4.2 土壤的经度地带性分布规律 ………………………………………………… 107 4.4.3 土壤的垂直分布规律 ………………………………………………………… 108 4.4.4 土壤的垂直—水平复合分布规律 …………………………………………… 109 4.4.5 土壤的区域性分布规律 ……………………………………………………… 110 第5章 土壤环境质量………………………………………………………………………… 112 5.1 土壤质量的概念 …………………………………………………………………… 112 5.1.1 土壤质量概念的发展 ………………………………………………………… 113 5.1.2 土壤肥力质量 ………………………………………………………………… 114 5.1.3 土壤环境质量 ………………………………………………………………… 115 5.1.4 土壤健康质量 ………………………………………………………………… 117 5.1.5 土壤质量的指标 ……………………………………………………………… 118 5.2 土壤环境背景值 …………………………………………………………………… 120 5.2.1 土壤环境背景值的概念 ……………………………………………………… 120 5.2.2 土壤环境背景值的形成与影响因素 ………………………………………… 121 5.2.3 土壤环境背景值的应用 ……………………………………………………… 124 5.3 土壤环境容量 ……………………………………………………………………… 128 5.3.1 土壤环境容量的概念 ………………………………………………………… 128 5.3.2 土壤环境容量的模型与方法 ………………………………………………… 129 5.3.3 土壤环境容量的影响因素 …………………………………………………… 131 5.3.4 土壤环境容量的应用 ………………………………………………………… 133 5.4 土壤环境质量标准 ………………………………………………………………… 135 5.4.1 土壤环境质量标准研究概述 ………………………………………………… 135 5.4.2 我国现行土壤环境质量标准存在的问题 …………………………………… 136 5.4.3 土壤环境质量标准体系构建 ………………………………………………… 137 5.4.4 土壤环境质量标准与基准 …………………………………………………… 138 第6章 土壤环境污染………………………………………………………………………… 141 6.1 土壤污染物及其来源和污染类型 ………………………………………………… 142 6.1.1 土壤污染物质 ………………………………………………………………… 143 6.1.2 土壤污染物来源 ……………………………………………………………… 144 6.1.3 土壤污染的发生类型 ………………………………………………………… 146 6.2 土壤污染的危害 …………………………………………………………………… 147 环境土壤学 4 6.2.1 重金属的污染危害 …………………………………………………………… 147 6.2.2 农药对土壤的污染危害 ……………………………………………………… 153 6.2.3 土壤的放射性污染危害 ……………………………………………………… 163 6.2.4 土壤的氮磷等营养污染危害 ………………………………………………… 164 原 理 篇 第7章 土壤碳素转化与温室气体排放……………………………………………………… 169 7.1 土壤碳的组分与形态 ……………………………………………………………… 169 7.1.1 土壤有机碳 …………………………………………………………………… 170 7.1.2 土壤无机碳 …………………………………………………………………… 171 7.2 土壤碳素转化过程 ………………………………………………………………… 172 7.2.1 土壤有机碳的转化过程 ……………………………………………………… 172 7.2.2 土壤无机碳的转化 …………………………………………………………… 176 7.2.3 土壤无机碳转化的环境效应 ………………………………………………… 180 7.3 土壤温室气体排放 ………………………………………………………………… 182 7.3.1 土壤温室气体种类 …………………………………………………………… 182 7.3.2 土壤温室气体产生机制与排放规律 ………………………………………… 182 7.3.3 影响温室气体排放的因素 …………………………………………………… 184 7.3.4 温室气体排放的监测方法 …………………………………………………… 189 第8章 土壤氮、磷循环与环境效应 ………………………………………………………… 192 8.1 土壤氮循环与环境效应 …………………………………………………………… 192 8.1.1 土壤氮的形态和数量 ………………………………………………………… 192 8.1.2 土壤氮的转化 ………………………………………………………………… 195 8.1.3 土壤氮循环与环境效应 ……………………………………………………… 198 8.2 土壤磷循环与环境效应 …………………………………………………………… 199 8.2.1 土壤磷的形态和数量 ………………………………………………………… 199 8.2.2 土壤磷的固化与转化 ………………………………………………………… 201 8.2.3 土壤磷循环与环境效应 ……………………………………………………… 202 8.3 土壤氮、磷流失控制………………………………………………………………… 202 8.3.1 土壤氮、磷流失与水环境……………………………………………………… 202 8.3.2 土壤氮、磷流失时空特征……………………………………………………… 203 8.3.3 土壤氮、磷流失的影响因素…………………………………………………… 204 8.3.4 土壤氮、磷流失控制措施……………………………………………………… 207 8.3.5 滇池流域土壤氮、磷流失控制的理论与实践………………………………… 210 第9章 土壤氟、硒、碘与人体健康…………………………………………………………… 214 9.1 土壤氟 ……………………………………………………………………………… 214 目 录 5 9.1.1 土壤氟的来源 ………………………………………………………………… 214 9.1.2 我国土壤氟含量 ……………………………………………………………… 215 9.1.3 土壤氟形态 …………………………………………………………………… 217 9.1.4 土壤氟的转化 ………………………………………………………………… 219 9.1.5 土壤氟的环境效应 …………………………………………………………… 219 9.2 土壤硒 ……………………………………………………………………………… 223 9.2.1 土壤硒的来源 ………………………………………………………………… 223 9.2.2 我国土壤硒含量 ……………………………………………………………… 225 9.2.3 土壤硒形态 …………………………………………………………………… 226 9.2.4 土壤硒的转化 ………………………………………………………………… 227 9.2.5 土壤硒的环境效应 …………………………………………………………… 228 9.3 土壤碘 ……………………………………………………………………………… 230 9.3.1 土壤碘来源 …………………………………………………………………… 230 9.3.2 我国土壤碘含量 ……………………………………………………………… 231 9.3.3 土壤碘形态 …………………………………………………………………… 231 9.3.4 土壤碘的转化 ………………………………………………………………… 232 9.3.5 土壤碘的环境效应 …………………………………………………………… 232 第10章 重金属在土壤环境中的行为与危害 ……………………………………………… 235 10.1 土壤中重金属的污染来源………………………………………………………… 235 10.1.1 污水灌溉……………………………………………………………………… 236 10.1.2 农药、化肥和塑料农膜的使用 ……………………………………………… 236 10.1.3 固体废弃物的利用…………………………………………………………… 237 10.1.4 大气沉降……………………………………………………………………… 238 10.2 土壤中重金属形态与迁移转化…………………………………………………… 238 10.2.1 土壤中重金属的形态………………………………………………………… 238 10.2.2 土壤中重金属元素的迁移转化……………………………………………… 238 10.3 主要重金属元素的污染危害……………………………………………………… 241 10.3.1 镉污染………………………………………………………………………… 241 10.3.2 铅污染………………………………………………………………………… 244 10.3.3 铬污染………………………………………………………………………… 246 10.3.4 汞污染………………………………………………………………………… 250 10.3.5 砷污染………………………………………………………………………… 253 第11章 有机污染物在土壤环境中的行为与危害 ………………………………………… 257 11.1 土壤中有机污染物概述…………………………………………………………… 258 11.1.1 农药…………………………………………………………………………… 258 11.1.2 多环芳烃类…………………………………………………………………… 262 11.1.3 多氯联苯……………………………………………………………………… 263 环境土壤学 6 11.1.4 二口恶英 ……………………………………………………………………… 263 11.1.5 石油类污染物………………………………………………………………… 264 11.1.6 其他重要的有机污染物……………………………………………………… 265 11.2 土壤中有机污染物的环境行为…………………………………………………… 267 11.2.1 有机污染物在土壤中迁移转化实质………………………………………… 268 11.2.2 土壤中有机污染物的主要环境行为………………………………………… 269 11.2.3 主要有机污染物在土壤中的主要化学行为………………………………… 271 11.3 土壤中有机污染物的生态效应…………………………………………………… 281 11.3.1 有机污染物对生物的影响…………………………………………………… 281 11.3.2 农药污染与农产品质量安全………………………………………………… 286 11.3.3 农药污染对人和动物健康安全的影响……………………………………… 287 11.4 土壤中有机污染物的研究展望…………………………………………………… 287 11.4.1 强化有机污染物迁移、转化的机理性研究 ………………………………… 287 11.4.2 注重背景和分离、检测方法的研究 ………………………………………… 288 11.4.3 加强复合污染的研究………………………………………………………… 288 11.4.4 关注土壤中优势流对有机污染物迁移影响的研究………………………… 290 应 用 篇 第12章 土壤环境质量评价 ………………………………………………………………… 293 12.1 土壤环境质量评价概述…………………………………………………………… 293 12.1.1 影响土壤环境质量的类型及其判别………………………………………… 293 12.1.2 影响土壤环境质量的主要因素……………………………………………… 296 12.2 土壤环境质量现状评价…………………………………………………………… 296 12.2.1 土壤环境质量现状调查……………………………………………………… 297 12.2.2 土壤环境质量现状评价……………………………………………………… 298 12.2.3 应用实例———某绿色果品生产基地土壤环境质量现状评价……………… 307 12.3 土壤环境影响评价………………………………………………………………… 309 12.3.1 评价等级的划分与工作内容………………………………………………… 309 12.3.2 土壤环境影响预测…………………………………………………………… 310 12.3.3 土壤环境影响评价…………………………………………………………… 314 12.3.4 应用实例……………………………………………………………………… 315 第13章 重金属污染土壤修复与利用 ……………………………………………………… 318 13.1 重金属污染土壤的物理修复……………………………………………………… 318 13.1.1 物理筛分修复………………………………………………………………… 318 13.1.2 固化/稳定化修复 …………………………………………………………… 319 13.1.3 玻璃化修复…………………………………………………………………… 320 13.1.4 电动力学修复………………………………………………………………… 320 目 录 7 13.1.5 应用实例……………………………………………………………………… 321 13.2 重金属污染土壤的化学修复……………………………………………………… 321 13.2.1 化学淋洗……………………………………………………………………… 322 13.2.2 化学固定……………………………………………………………………… 323 13.2.3 化学还原……………………………………………………………………… 324 13.2.4 应用实例……………………………………………………………………… 324 13.3 重金属污染土壤的微生物修复…………………………………………………… 326 13.3.1 微生物对重金属的固定……………………………………………………… 327 13.3.2 微生物对重金属的转化……………………………………………………… 328 13.3.3 应用实例……………………………………………………………………… 328 13.4 重金属污染土壤的植物修复……………………………………………………… 329 13.4.1 重金属植物修复的概念……………………………………………………… 329 13.4.2 植物修复的优势与缺点……………………………………………………… 330 13.5 植物对重金属的耐性……………………………………………………………… 332 13.5.1 超富集植物的定义及特征…………………………………………………… 332 13.5.2 植物吸收重金属的生理机制………………………………………………… 332 13.5.3 修复植物的筛选……………………………………………………………… 335 13.5.4 应用实例……………………………………………………………………… 337 13.6 重金属污染土壤的生态修复……………………………………………………… 338 13.6.1 农业工程修复………………………………………………………………… 338 13.6.2 农业生态利用………………………………………………………………… 339 13.6.3 应用实例……………………………………………………………………… 339 第14章 有机污染土壤的修复与利用 ……………………………………………………… 343 14.1 土壤中有机污染物迁移机制……………………………………………………… 344 14.1.1 吸附作用……………………………………………………………………… 345 14.1.2 挥发过程……………………………………………………………………… 346 14.1.3 渗透作用……………………………………………………………………… 347 14.1.4 降解作用……………………………………………………………………… 349 14.2 有机污染土壤修复技术类型……………………………………………………… 352 14.2.1 物理修复……………………………………………………………………… 352 14.2.2 化学修复……………………………………………………………………… 353 14.2.3 生物修复……………………………………………………………………… 354 14.3 土壤气提和通风修复工程案例…………………………………………………… 356 14.3.1 SVE和 BV 技术流程 ……………………………………………………… 356 14.3.2 SVE和 BV 技术应用案例 ………………………………………………… 357 14.4 热增效修复技术…………………………………………………………………… 358 14.4.1 热增效修复技术原理和方法………………………………………………… 358 14.4.2 热增效修复技术应用………………………………………………………… 359 环境土壤学 8 14.5 土壤淋洗修复技术………………………………………………………………… 360 14.5.1 技术原理和流程……………………………………………………………… 360 14.5.2 技术应用……………………………………………………………………… 361 14.6 化学氧化修复技术………………………………………………………………… 362 14.6.1 技术原理……………………………………………………………………… 362 14.6.2 技术应用……………………………………………………………………… 362 14.7 生物修复技术应用………………………………………………………………… 363 14.7.1 土地耕作法及其应用………………………………………………………… 363 14.7.2 生物堆肥法及其应用………………………………………………………… 365 14.7.3 生物泥浆法修复应用………………………………………………………… 366 14.7.4 复合生物修复技术的应用…………………………………………………… 367 14.8 植物修复在农药污染土壤中的应用……………………………………………… 368 14.8.1 农药植物修复原理…………………………………………………………… 368 14.8.2 典型农药污染土壤的植物修复应用………………………………………… 369 第15章 污水灌区土壤修复理论与实践 …………………………………………………… 371 15.1 国内外污水灌溉的发展和研究现状……………………………………………… 371 15.1.1 国内外污水灌溉的发展……………………………………………………… 371 15.1.2 国内外污水灌溉的研究现状………………………………………………… 372 15.2 典型污水灌溉区的污染现状……………………………………………………… 374 15.2.1 北京灌区……………………………………………………………………… 374 15.2.2 沈抚灌区……………………………………………………………………… 375 15.2.3 白银灌区……………………………………………………………………… 376 15.3 污水灌溉区土壤修复的技术方法………………………………………………… 377 15.3.1 重金属污染土壤修复技术…………………………………………………… 377 15.3.2 有机污染土壤修复技术……………………………………………………… 385 15.3.3 污染土壤修复技术实践……………………………………………………… 390 15.4 污水灌溉技术措施的研究………………………………………………………… 390 15.4.1 灌溉技术的研究……………………………………………………………… 391 15.4.2 灌溉制度的研究……………………………………………………………… 391 第16章 工矿区污染土壤修复与利用 ……………………………………………………… 393 16.1 工矿区污染土壤修复与利用概述………………………………………………… 393 16.1.1 我国工矿区污染土壤的现状………………………………………………… 393 16.1.2 金属矿区污染土壤修复利用技术………………………………………… 394 16.1.3 非金属矿区土壤修复与利用技术…………………………………………… 397 16.2 金属矿区污染土壤修复与利用…………………………………………………… 397 16.2.1 金属矿区污染土壤修复原则………………………………………………… 398 16.2.2 金属矿区污染土壤修复实例………………………………………………… 398 目 录 9 16.3 非金属矿区污染土壤修复与利用………………………………………………… 401 16.3.1 非金属矿区污染土壤修复原则……………………………………………… 401 16.3.2 非金属矿区污染土壤修复实例……………………………………………… 401 16.4 工矿区污染土壤修复与利用研究进展…………………………………………… 404 16.4.1 金属矿区污染土壤修复与利用研究进展…………………………………… 404 16.4.2 工矿区固体废物的回收利用现状…………………………………………… 405 16.4.3 非金属矿区污染土壤修复与利用研究进展………………………………… 406 16.5 污染土壤修复研究展望…………………………………………………………… 407 16.5.1 筛选和培育重金属超积累植物……………………………………………… 407 16.5.2 化学-生物-农艺联合修复技术的研究 ……………………………………… 408 16.5.3 分子生物学和基因工程技术应用…………………………………………… 408 第17章 设施农业土壤质量退化与防治 …………………………………………………… 409 17.1 设施农业土壤质量退化类型……………………………………………………… 409 17.1.1 设施土壤酸化………………………………………………………………… 409 17.1.2 设施土壤盐渍化……………………………………………………………… 414 17.1.3 设施土壤养分失调…………………………………………………………… 419 17.2 设施土壤质量退化防治与改良…………………………………………………… 421 17.2.1 设施土壤酸化防治与改良…………………………………………………… 421 17.2.2 设施土壤盐渍化防治与改良………………………………………………… 422 17.2.3 设施土壤培肥与改良………………………………………………………… 426 参考文献………………………………………………………………………………………… 428 附表……………………………………………………………………………………………… 442