土壤环境因子对有机污染物迁移转化的影响

土壤环境因子对有机污染物迁移转

化的影响

摘要从传统污染物和新型污染物等方面介绍了我国土壤污染的现状,进而分析了土壤环境因子包括土壤微生物、土壤温度、pH值、土壤水分、土壤机械组成、气候及二氧化碳含量等对有机污染物降解和转化的影响。

关键词土壤环境因子;有机污染物;迁移转化;影响

土壤农药污染是一全球性问题。随着环境问题在全球范围的不断变化,土壤环境污染化学已成为环境化学不可缺少的重要组成部分[1]。在北美、西欧和澳洲等国家,随着各种点源污染得到有效控制,人们关注的焦点逐渐转移到多介质非点源污染,另外土壤环境污染的研究也受到人们日益关注。在我国,受农药使用历史、施药技术以及产品结构等因素影响,土壤农药污染较为严重,制约食品安全与

农业可持续发展。随着土壤有机污染物的类型不断增多,大量难降解的有机污染物进入土壤,造成环境的严重污染,影响了农业的可持续发展。土壤中的各种环境因子对有机污染物降解转化有一定的影响,因此,研究这些因子的相互作用,可促进有机污染物在土壤中的消除。

1土壤污染的现状

相对于大气环境和水环境而言,土壤环境的污染源更为复杂,作为有机农药、化肥的直接作用对象,并随着社会发展需求,使得土壤污染物的种类极为繁多。目前,全球生产和使用的农药已达1 300多种,其中被广泛使用的达250多种。我国也已经迈入了世界农药生产和使用大国,现在,我国每年施用逾80万~100万t的化学农药,其中有机磷杀虫剂占40%,高毒农药达到%,且有的化学性质稳定、在土壤中存留时间长[2-4]。大量的农药流失到土壤中,造成土壤环境受到严重污染,影响了农业的可持续发展。造成我国土壤农药污染的农药主要是有机氯与有机

磷2类。尽管1985年起,我国就已禁用有机氯农药,但因早期大量使用及其难降解性,土壤中仍有残留,造成作物污染。目前,土壤污染物可以分为传统污染物及新型污染物。

传统污染物

一是传统化学污染物。其又可分为无机污染物和有机污染物两大类,其中传统无机污染物包括汞、镉、铅、砷、铬等,过量的氮和磷等植物营养元素以及氧化物和硫化物等,传统有机污染物包括DDT、六六六、狄氏剂、艾氏剂和氯丹等含氯化学农药以及DDT的代谢产物DDE和DDD,石油烃及其裂解产物,以及其他各类有机合成产物等。二是物理性污染物。指来自工厂、矿山的各种固体废弃物。三是生物性污染物。指带有各种病菌的城市垃圾和卫生设施(包括医院、疗养院)排出的废水和废物以及农业废弃物、厩肥等。四是放射性污染物。主要存在于核原料开采、大气层核爆炸地区和核电站的运转,以锶和铯等在土壤

环境中半衰期长的放射性元素为主。在这些众多的污染物种类中,以土壤的化学污染物最为普遍、严重和复杂[5]。

新型污染物

近年来,土壤新型污染物受到关注,这类污染物的特点是在土壤环境中的浓度一般较低,但对生态系统的危害和对人体健康的影响较大。这些新型土壤污染物目前主要有四大类[6-7]:一是各种兽药和抗生素对土壤环境的污染。随着动物饲养业和畜牧业的发展,畜禽养殖污染中一个重要的问题就是这些兽药通过动物的排泄以及其他方式导致土壤环境的污染。与兽药污染相对应的是各种抗生素的土壤污染。随着医学事业的发展,各种抗生素将得到日益广泛的应用,此导致的土壤污染可能会更加复杂。二是大部分溴化阻燃剂在土壤环境中有很高的持久性,能够通过食物链和其他途径累积在人体内,长期接触会妨碍人体大脑和骨骼的发育,并且可能致癌,因此引起人们关注。随着电子工业的不断发展以及各种电子

产品的逐渐报废,各种阻燃剂将以各种方式进入土壤环境中,从而造成对土壤的污染。三是“特富龙”不粘锅中使用的化学物质“全氟辛酸铵”以及芳香族磺酸类污染物对土壤的污染。其中,全氟辛烷磺酸(PFOS)是纺织品和皮革制品等防污处理剂的主要活性成分,在民用和工业化产品生产领域用途非常广泛。尽管目前尚没有土壤环境中存在含量的数据,但于PFOS本身的难分解性、生物高蓄积性和污染的广泛性,有关其土壤环境的污染问题势必将被暴露出来,并成为土壤环境污染化学面临的新课题。四是含有过敏源的植物及花粉对土壤的污染。在法国,近年来发现1种或许起源于北美的豚草属植物(Ambrosiaartem isiifolia)及其花粉,特别是这种花粉于含有多种潜在的过敏源,能在夏天导致严重的干草热以及哮喘疾病,成为引起人们关注的一种新型土壤污染物。

2土壤环境因子对有机污染的影响

土壤中的微生物、温度、水分、气候、土壤机械组成、含水率、植物根际环境、pH 值、二氧化碳浓度等因素对土壤中有机物的分解与转化有很大的影响。除了有机污染物本身的难降解性以及生物迁移性会对有机物降解速率和效果产生影响外,土壤环境因子也会对有机污染物的迁移转化造成一定的影响。

土壤微生物

有机污染物在土壤中的降解分为非生物降解与生物降解两大类,在生物酶作用下,农药在动植物体内或是微生物体内外的降解即生物降解。微生物降解是指利用微生物降解有机污染物的生物降解过程,降解微生物有细菌、真菌和藻类。虽然在厌氧和需氧条件下多氯化合物都可以降解,但是在厌氧条件下降解速率更快。尽管在好气条件下土壤也有很多分解菌存在,但是在好气的旱田条件下,于有机氯污染物被土壤吸附,生物活性降低,可以长期残留[8]。微生物降解是消除有机氯农药的最佳途径,通常药剂在土壤中

的分解要比在蒸馏水中的分解快得多,将土壤灭菌处理后,药剂在大部分土壤中对有机污染物的分解速率明显受到抑制。

迄今为止,已从土壤、污泥、污水、天然水体、垃圾场和厩肥中分离得到可降解不同农药的活性微生物。活性微生物主要以转化和矿化2种方式,通过胞内或胞外酶直接作用于周围环境中的农药。尽管矿化作用是消除环境中农药污染的最佳方式,但是自然界中此类微生物的种类和数目十分缺乏,而转化作用却相当普遍,某一特定属种的微生物以共代谢方式实现对农药的转化作用,并同环境中的其他微生物以共代谢的方式最终将农药完全降解。

研究显示DDT的分解菌至少涉及30个属,其中包括细菌、酵母、放线菌、真菌以及藻类等微生物。六六六的分解菌除了很早知道的生芽孢梭芽孢杆菌和大肠杆菌外,Matsu mura等人从各种环境中分离出71株有分解六六六能力的细菌、真菌菌株。这些分解菌包括好气性、

基本嫌气性、嫌气性等各种细菌以及真菌[9]。

常规环境条件下能降解目标污染物的微生物数量少,且活性比较低,当添加某些营养物包括碳源与能源性物质或提供目标污染物降解过程所需因子,将促进与降解菌生长相关联的有机物的降解代谢,即微生物只能使有机污染物发生转化,而不能利用它们作为碳源和能源维持生长,必须补充其他可以利用的基质,微生物才能生长。在共代谢过程中,微生物通过酶来降解某些能维持自身生长的物质,同时也降解了某些非微生物生长必需的物质。

土壤温度

气候变暖是当今全球性的环境问题,大气中CO2浓度的不断增加对全球气候变化起着极其重要的作用。土壤中CO2的排放主要来自土壤原有有机质和外源有机物(如植物的凋落物、根茬及人为的有机污染物投入)的分解过程[10]。全球气候不断增暖将改变各地的温度场、蒸

发量和降水量,而这些变化又影响着土壤有机污染物的分解。

土壤温度影响土壤微生物和酶活性及土壤中溶质的运移,还影响土壤反应的速度和土壤呼吸速率,最终影响土壤中有机污染物的降解转化。在一定温度范围内,温度升高会促进土壤有机污染物的分解,但随着温度的进一步升高,土壤有机污染物对温度的响应程度降低。Miko发现,在平均温度为 5 ℃时,温度每升高1 ℃将会引起全球范围内10%土壤有机污染物的丧失;而在平均温度为30 ℃时,温度每升高1 ℃将会使得有机污染物丧失3%[11]。

但是,在冷冻条件下关于土壤有机污染物的分解和微生物的活性还存在分歧。Neilson 研究了冷冻对碳和氮循环的影响,发现冷冻加快了土壤碳和氮的循环速率,但不同植被品种、土壤层次和冷冻程度所增加的幅度不同,而且在冷冻程度非常大时,会促进土壤呼吸和二氧化氮的流量和矿化。

土壤pH值

土壤的pH值对有机污染物的吸附有很大的影响,一般来说,pH值越低,土壤对有机污染物的吸附能力越强。土壤酸碱性通过影响组分和污染物的电荷特性、沉淀溶解、吸附解吸和络合平衡来改变污染物的毒性,土壤酸碱性还通过土壤微生物的活性来改变污染物的毒性。pH值对有机污染物如有机农药在土壤中的积累、转化、降解的影响主要表现为:一是土壤的pH值不同,土壤微生物群落不同,影响土壤微生物对有机污染物的降解作用,这种生物降解途径主要包括生物氧化和还原反应中的脱氯、脱氯化氢、脱烷基化、芳香烃或杂环破裂反应等。二是通过改变污染物和土壤组分的电荷特性,改变两者的吸附、络合、沉淀等特性,导致污染物浓度的改变。

土壤水分

土壤水分是土壤中水溶性成分的运输载体,也是土壤反应得以正常进行的介

质。王彦辉认为森林土壤有机污染物的分解速率在很大程度上受控于环境条件,其中含水量起着决定性作用,最佳含水量为被分解物饱和含水量的70%～90%,极度干旱或水分过多都会限制土壤微生物的活动,明显降低土壤中有机污染物的分解速率[12]。但是,Olivier认为在淹水条件下有机污染物料的分解速率加快,在长期的淹水条件下厌氧微生物反复利用腐解发酵的有机物料,会导致较低的净残留碳的矿化[13]。这与淹水、嫌气条件下有机物料的分解速率慢于旱地、分解量低于旱地的传统概念不同。

在非淹水条件下,温度对有机碳分解的影响随着分解时间的延长而逐步减小。淹水条件下培养7 d以后,温度对供试物料有机碳分解的影响不随培养时间的变化而变化。当土壤含水量为300、500 g/kg时,供试物料的有机碳分解最快,而土壤含水量为200 g/kg和淹水条件下的有机碳分解较慢,空白对照培养结果显示土壤有机碳的分解速率随着水分含量的

提高而加快[14]。在相同的水热条件下,有机碳的分解量与土壤黏粒含量呈负相关。

不同的土壤含水量对土壤中植物残体的分解速率和土壤腐殖质组分(胡敏酸和富里酸) 数量的影响仍存在争议。于常规研究土壤有机污染物动态变化的方法存在不足,所以可以通过同位素示踪方法(14C示踪法或13C自然丰度法)进一步定量研究。利用同位素示踪技术可以区分原有土壤有机质与外源有机物分解转化形成的土壤新有机质,从而了解土壤中植物残体分解转化的动态变化规律。

土壤机械组成

土壤质地的差异形成不同的土壤结构和通透性状,因而对环境污染物的截留、迁移、转化产生不同的效应。于黏土类富含黏粒,土壤物理性吸附、化学吸附及离子交换作用强,具有较强的保肥、保水性能,同时也把进入土壤中的污染物质的有机、无机分子、离子吸附到土粒

表面保存起来,增加了污染物转移的难度。

在黏土中加入砂粒,可相对减少黏粒含量,增加土壤通气孔隙,可以减少对污染物的分子吸附,提高淋溶的强度,促进污染物的转移,但要注意到因此可能引起的地下水污染等问题。砂质土类的优点是有机污染物容易从土壤表层淋溶至下层,减轻表土污染物的数量和危害;但是有可能进一步污染地下水,造成二次污染。壤土的性质介于黏土和砂土之间,其性状差异取决于壤土中砂、壤粒含量比例,黏粒含量多,性质偏于黏土类,砂粒含量多则偏于砂土类。

一般而言,黏性土壤中的空气较砂性土壤少,好气性微生物活性受到抑制,土壤黏粒具有保持碳的能力,其含量影响外源有机物(有机化合物、植物残体)及其转化产物的分解速率。随着土壤黏粒含量的增加,土壤有机碳和土壤微生物量碳也增加,土壤有机碳与黏粒含量呈正相关,随着土壤黏粒含量的增加,碳、氮矿化量

减少,但矿化部分的碳氮比并不受土壤质地的影响。

气候及二氧化碳含量

气候变化通过影响土壤水分、溶质运移和温度的变化来影响微生物的活动,从而引起土壤中有机污染物含量的变化。凉爽季节向温暖季节转化会导致土壤有机碳的损失,热、湿润的气候有利于有机污染物的分解。在秋季和冬季,土壤中微生物数量增加;在春季积雪融化后,土壤中微生物数量迅速下降,这种微生物群落的动态变化与植物碳、氮的有效性相关联。

大气CO2浓度升高提高了植物的光合作用,使20%～50%光合产物通过根系分泌或死亡输入土壤,从而间接影响土壤生态系统。有些学者认为CO2浓度升高,会增加输入土壤的碳量,刺激土壤微生物的生长和活性,加强土壤的呼吸作用,增加了土壤中有机物的分解速率[15]。多数研究是在土壤—植物系统中进行的,CO2浓度升高通过增加植物同化碳来增加根

系生物量,从而增加土壤中碳量输入。于水强研究了土壤外部不同O2、CO2浓度对土壤微生物的活性和土壤有机物分解及其组分的动态变化的影响,认为低CO2浓度有利于有机物的分解和胡敏酸的形成,而高CO2浓度有利于有机物的积累和富里酸的形成。

3结语

土壤是生态环境的重要组成部分,是人类赖以生存的主要资源之一,也是物质生物地球化学循环的储存库,对环境变化具有高度的敏感性。土壤的环境因子存在着不稳定性,但是通过研究最适合土壤中有机污染物降解转化的环境,可改变受污染严重的土壤中有机污染物的含量,改善环境质量,实现可持续发展。

4

土壤中氮素转化过程及植物吸收方式(土壤部分初稿)说课材料

土壤中氮素转化过程及植物吸收方式(土壤 部分初稿)

土壤中氮素转化过程及植物吸收方式 我国耕地土壤全氮含量为0.04～0.35％之间，且土壤有机质含量呈正相关。其氮素来源包括：生物固氮、降水、农业灌溉和施肥等，而目前肥料是农田土壤氮肥的主要来源。下面就从土壤中氮素的主要表现形态和转化过程等进行详细的介绍： （一）土壤中氮素的主要形态 水溶性速效氮源 < 全氮的5% 包括游离氨基酸、胺盐及酰胺类化合物等有机氮水解性缓效氮源占50～70% 包括蛋白质及肽类、核蛋白类、氨基糖类(>98%) 非水解性难利用占30～50% 包括杂环态氮、缩胺类 离子态土壤溶液中 无机氮吸附态土壤胶体吸附 (1～2％) 固定态 2：1型粘土矿物固定 注明：其中无机氮包括：铵态氮(NH4+ — N)、硝态氮(NO3-— N)、亚硝态氮(NO2- — N)三种主要形态。 一般情况下，土壤中存在的主要是有机态氮，占土壤总氮的90~98%。

（二）土壤中氮素的转化过程 1.有机态氮的转化 土壤中的有机态氮是较复杂的有机化合物，必须要经过各种矿化过程，变为易溶的形态，才能发挥作物营养的功能。它的矿化量和矿化速率就成为决定土壤供氮能力的极其重要的因素。土壤有机氮的矿化过程是包括许多过程在内的复杂过程。 ①水解过程蛋白质在微生物分泌的蛋白质水解酶的作用下，逐步分解为各种氨基酸。 ②氨化过程氨基酸在多种微生物作用下分解成氨的过程称为氨化过程。如： RCH2OH＋NH3＋CO2＋能量—水解—→ RCHNH2COOH＋H2O RCHOHCOOH＋NH3＋能量—氧化—→ RCHNH2COOH＋O2 RCOOH＋NH3＋CO2＋能量——还原—→RCHNH2COOH＋H2 由此可见，氨化作用可在多种多样条件下进行。无论水田、旱田，只要微生物活动旺盛，氨化作用都可以进行。

4.1污染物在土壤中的迁移转化

第四章土壤环境化学——污染物在土壤中的迁移转化 本节内容要点：土壤污染源、主要污染物，氮和磷的污染及其迁移转化，土壤的重金属污染及其迁移转化，土壤的农药污染及其迁移转化，土壤中温室气体的释放、吸收及传输等。 人类活动产生的污染物进入土壤并积累到一定程度，引起土壤质量恶化的现象即为土壤污染。土壤与水体和大气环境有诸多不同，它在位置上较水体和大气相对稳定，污染物易于集聚，故有人认为土壤是污染物的“汇”。 污染物可通过各种途径进入土壤。若进入污染物的量在土壤自净能力范围内，仍可维持正常生态循环。土壤污染与净化是两个相互对立又同时存在的过程。如果人类活动产生的污染物进入土壤的数量与速度超过净化速度，造成污染物在土壤中持续累积，表现出不良的生态效应和环境效应，最终导致土壤正常功能的失调，土壤质量下降，影响作物的生长发育，作物的产量和质量下降，即发生了土壤污染。土壤污染可从以下两个方面来判别：(1)地下水是否受到污染；(2)作物生长是否受到影响。 土壤受到污染后，不仅会影响植物生长，同时会影响土壤内部生物群的变化与物质的转化，即产生不良的生态效应。土壤污染物会随地表径流而进入河、湖，当这种径流中的污染物浓度较高时，会污染地表水。例如，土壤中过多的N、P，一些有机磷农药和部分有机氯农药、酚和氰的淋溶迁移常造成地表水污染。因此，污染物进入土壤后有可能对地表水、地下水造成次生污染。土壤污染物还可通过土壤植物系统，经由食物链最终影响人类的健康。如日本的“痛痛病”就是土壤污染间接危害人类健康的一个典型例子。 1）土壤污染源 土壤污染源可分为人为污染源和自然污染源。 人为污染源：土壤污染物主要是工业和城市的废水和固体废物、农药和化肥、牲畜排泄物、生物残体及大气沉降物等。污水灌溉或污泥作为肥料使用，常使土壤受到重金属、无机盐、有机物和病原体的污染。工业及城市固体废弃物任意堆放，引起其中有害物的淋溶、释放，也可导致土壤及地下水的污染。现代农业大量使用农药和化肥，也可造成土壤污染。例如，六六六、DDT等有机氯杀虫剂能在土壤中长期残留，并在生物体内富集；氮、磷等化学肥料，凡未被植物吸收

土壤中的氮素及其转化

土壤中的氮素及其转化 1.土壤中氮素的来源和含量 1.1 来源 ①施入土壤中的化学氮肥和有机肥料；②动植物残体的归还；③生物固氮； ④雷电降雨带来的NO3—N。 1.2 含量 我国耕地土壤全氮含量为0.04%~0.35%之间，与土壤有机质含量呈正相关。 2. 土壤中氮素的形态 3. 土壤中氮素的转化 3.1 有机氮的矿化作用 定义：在微生物作用下，土壤中的含氮有机质分解形成氨的过程。 过程：有机氮氨基酸NH4＋-N＋有机酸 结果：生成NH4＋-N（使土壤中有机态的氮有效化）

3.2 土壤粘土矿物对NH4＋的固定 定义：①吸附固定（土壤胶体吸附）：由于土壤粘土矿物表面所带负电荷而引起的对NH4＋的吸附作用 ②晶格固定（粘土矿物固定）：NH4＋进入2:1型膨胀性粘土矿物的晶层间而被固定的作用 过程： 结果：减缓NH4＋的供应程度（优点？缺点？） 3.3氨的挥发 定义：在中性或碱性条件下，土壤中的NH4＋转化为NH3而挥发的过程 过程： 结果：造成氮素损失 3.4硝化作用 定义：通气良好条件下，土壤中的NH4＋在微生物的作用下氧化成硝酸盐的现象 过程： 结果：形成NO3--N 利：为喜硝植物提供氮素 弊：易随水流失和发生反硝化作用 3.5无机氮的生物固定 定义：土壤中的铵态氮和硝态氮被植物体或者微生物同化为其躯体的组成成分而被暂时固定的现象。 过程： 结果：减缓氮的供应，可减少氮素的损失 3.6反硝化作用

定义：嫌气条件下，土壤中的硝态氮在反硝化细菌作用下还原为气态氮从土壤中逸失的现象 过程： 结果：造成氮素的气态挥发损失，并污染大气 3.7硝酸盐的淋洗损失 NO3-不能被土壤胶体吸附，过多的硝态氮容易随降水或灌溉水流失。 结果：氮素损失，并污染水体 4. 小结：土壤有效氮增加和减少的途径 增加途径：①施肥(有机肥、化肥)；②氨化作用；③硝化作用(喜硝作物)；④生物固氮；⑤雷电降雨 降低途径：①植物吸收带走；②氨的挥发损失；③硝化作用(喜铵作物)；④反硝化作用；⑤硝酸盐淋失；⑥生物和吸附固定(暂时) 氮肥的种类、性质和施用 氮肥的种类很多，根据氮肥中氮素的形态，常用的氮肥一般可分为三大类。 ①铵态氮肥，如氨水、硫酸铵、碳酸氢铵、氯化铵等；②硝态氮肥，如硝酸钠、硝酸钙、硝酸钾等；③酰胺态氮肥，如尿素。另外还有一类不同于以上的是长效氮肥（缓释/控释氮肥），如合成有机肥料（脲甲醛，脲乙醛等）和包膜肥料等。 1.铵态氮肥 共同性质：①易溶于水，易被作物吸收；②易被土壤胶体吸附和固定；③可发生硝化作用；④碱性环境中氨易挥发。

氮在地下水中迁移转化规律

氮在地下水系统中的迁移转化挤数学模型 摘要：近年来，我国部分地区地下水硝酸盐污染态势十分严峻，特别是集约化种植区由于施用大量氮肥导致的硝酸盐污染更为严重。为控制污染，应掌握地下水硝酸盐污染的空间变异规律与分布特征。采用地统计学方法.结果表明，不同区域地下水硝态氮含量存在一定的差异，存在明显的趋势效应以及变异性，且含量随地下水深度增加而减少。通过相关性分析，获得与地下水硝态氮含量相关性最高的两个因子（土壤有机质含量和全氮含量），并作为协克里金（Cokriging）插值方法中的协同因子，地下水硝酸盐污染进行插值。经比较分析，协克里金法比普通克里金法（OrdinaryKriging）的精度高，减少了80％的平均误差。协克里金法空间插值结果表明，空间分布规律表现在从西南到东北逐渐升高的方向性效应，而地下水硝态氮含量较高的区域主要分布在潍坊、青岛、烟台种植区，如青岛的平度、莱西，潍坊的寿光等农业较发达的种植区。 关键词：地下水硝酸盐污染；空间变异；地统计；协克里金法 Abstract：In recent years, groundwater nitrate pollution in some regions of China is very serious. Especially，nitrate pollution in intensive cultivation areas is more serious for the application of a large number of nitrogen fertilizer. The objective of this preliminary research is to investigate the potential of application geo statistical method to explore spatial variability of groundwater nitrate pollution in Shandong intensive farming regions in China. Detailed sample data of groundwater nitrate nitrogen were collected in 175 farming sites representing the typical cropping systems in the study area. Semi-variole of the geo-statistical method was used to analyze the groundwater nitrate nitrogen spatial variability based on the 175 sample sites data. The results indicated that there was an obvious variability and trend effect that gradually increasing from the southwest to the northeast. Furthermore, the concentration decreased with the increase in the depth of groundwater. For obtaining the spatial variation of groundwater nitrate nitrogen in the whole study area, cokriging method was utilized to interpolate the groundwater nitrate nitrogen pollution with two synergy factors（e.g. soil organic matter content and total nitrogen content）which were the most obvious relevant with groundwater nitrate nitrogen concentration. Compared with ordinary cringing method, cokriging method achieved higher precision with a decrease of 80% of the average error. Cokriging spatial interpolation results showed that areas with higher nitrate nitrogen concentration in groundwater mainly distributed in Weifang, Qingdao, and Yantai intensive farming regions, due to the excessive use of nitrogen fertilizer in these regions. The result suggested that the cokriging spatial interpolation was an effective approach of obtaining the groundwater nitrate nitrogen spatial variability in intensive farming regions. The possible reasons for the

砷从农业土壤向人类食物链的迁移

文章编号:1006-446X(2004)01-0001-10 砷从农业土壤向人类食物链的迁移 李廷强　杨肖娥 (浙江大学环资学院资源科学系,浙江　杭州310029) 摘　要:综述了砷在土壤2植物2人类系统中的迁移,包括:砷在环境中的行为,农业系统中砷迁 移的动力学过程和粮食中砷的含量,影响砷对植物有效性的各种因子,以及砷在人体内的分布、 对人体的营养作用及不同形态对人体的毒性。 关键词:砷;食物链;土壤;迁移;农业系统 中图分类号:O61317;X13113 文献标识码:A 随着工业的发展,砷污染已成为全球性问题,粮食作物是砷进入人类食物链的主要途径,人体砷大部分来源于食物和饮用水。本文对砷从农业土壤向人类食物链的迁移作了综述。 1　环境中的砷 砷(As),又名砒,灰色半金属,在元素周期表中属ⅤA族。它有多种同素异构体,常温下最稳定的形态是灰砷,常见化合价为+3,+5和-3价。砷化学十分复杂,有许多无机和有机化合物,但主要以硫化物如雌黄(As2S3)、雄黄(As4S4)及砷铁矿(FeAsS)等形式存在。砷在地壳中的含量丰度处于第20位,在海水中的含量处于第14位,在人体中处于第12位[1]。 地壳岩石圈上部全砷的平均含量即质量分数ω为115～2mg/kg,也有报道为5mg/kg,数据差异的主要原因与取样的代表性和广泛性有关[2]。火成岩平均含量ω为1～3mg/kg,变幅不大,而沉积岩的含砷量变化较大。在有砷矿和矿带的岩石中含有较高含量的砷。我国湖南大义山脉一带的成土母岩,系印支期和燕山早期花岗岩形成时期,发生过接触变质,在这个过程中产生过砷化物成矿作用,岩层中砷含量(ω)高达16616～3505mg/kg[3]。 关于土壤中砷的调查研究,不少国家作了大量工作,取得了大量的成果和数据。小山雄生统计计算的世界自然土壤的平均含量(ω)为9136mg/kg[4]。Bowen[5]测定结果显示,砷在世界土壤中的含量(ω)一般为011～5810mg/kg,中位值为610mg/kg。但在有砷矿母质发育的土壤中砷含量相当高[6,7],如我国湖南大义山脉一带成土母岩发育土壤中砷含量(ω)可高达(50210±4214)mg/kg。表1为几个主要国家土壤的含砷量。 地下水的砷的含量与砷的来源有关,如在含砷农药厂周围,水体中砷含量(即质量浓度ρ)高达50～23080μg/L,而在无污染的井水中砷含量(ρ)0103～1141μg/L[8]。海水中砷的质量浓度,根据各地测得的数据约在1～5μg/L范围内,平均约为2μg/L。其存在形态主要是As5+或砷酸盐,而As3+一般数量较少。空气中砷密度(ρ)较低[9～11],其含量范围为014～3010ng?m-3,美国空气中砷密度(ρ)平均为6014～3010ng?m-3,在欧洲农村空气中砷密度(ρ)在012～115 ng?m-3之间,在城市为015～310ng?m-3,而工业区高达5010ng?m-3。 基金项目:国家重点基础研究发展规划资助项目(2002C B410804) 收稿日期:2003-12-15

3.2水中无机污染物的迁移转化(3)

第三章：水环境化学——污染物存在形态 第二节、水中无机污染物的迁移转化 一、颗粒物与水之间的迁移、二、水中胶体颗粒物聚集的基本原理和方式 三、溶解和沉淀 四、氧化—还原 1、概述 2、天然环境中的氧化剂和还原剂 3、氧化还反应概念回顾 4、电子活度和氧化还原电位 5、天然水体的pE-pH 关系图 ● 在氧化还原体系中，往往有H +或OH －离子参与转移，因此，pE 除了与氧化态和还原 态浓度有关外，还受到体系pH 的影响，这种关系可以用pE-pH 图来表示。该图显示了水中各形态的稳定范围及边界线。 ● 由于水中可能存在物类状态繁多，于是会使这种图变得非常复杂。例如一个金属， 可以有不同的金属氧化态、羟基配合物、金属氢氧化物、金属碳酸盐、金属硫酸盐、金属硫化物等。 (1)水的氧化-还原限度 绘制pE —pH 图时，必须考虑几个边界情况。首先是水的氧化还原反应限定图中的区域边界。选作水氧化限度的边界条件是1.0130×105Pa 的氧分压，水还原限度的边界条件是1.0130×105Pa 的氢分压(此时P H2=1，P O2=1)，这些条件可获得把水的稳定边界与pH 联系起来方程。 天然水中本身可能发生的氧化还原反应分别是： 水的还原限度（还原反应）：22 1H e H ? ++ pE 0 =0.00 pE = pE 0 – lg((P H2)1/2/[H +]) pE = –pH 水的氧化限度（氧化反应）：O H e H O 222 1 41?+++ pE 0 = +20.75 ]}[lg{4 1 20 ++=H po pE pE pE=20.75—pH

(2)pE—PH图 假定溶液中溶解性铁的最大浓度为1.0×10－7mol／L，没有考虑Fe(OH) 2+及FeCO 3 等形态 的生成，根据上面的讨论，Fe的pE—pH图必须落在水的氧化还原限度内。下面将根据各组分间的平衡方程把pE—pH的边界逐一推导。 ①Fe(OH) 3(s)和Fe(OH) 2 (s)的边界。Fe{OH} 3 (s)和Fe(OH) 2 (s)的平衡方程为： Fe(OH) 3(s)+H+ + e→Fe(OH) 2 (s)+H 2 O lgK = 4.62 ] ][ [ 1 e H K + =,所以 pE =4.62–pH 以pH对pE作图可得图3—17中的斜线①，斜线上方为Fe(OH) 3 (s)稳定区。斜线下 方为Fe(OH) 2 (s)稳定区。 ②Fe(OH) 2 (s)和FeOH+的边界。根据平衡方程： Fe(OH) 2(s)+H+→FeOH++ H 2 O lgK = 4.6 可得这两种形态的边界条件：pH = 4.6–lg[FeOH+] 将[FeOH+]=1.0×10－7mol/L代人，得：pH= 11.6 故可画出一条平行pE轴的直线，如图3—17中②所示，表明与pE无关。直线左边为FeOH+稳定区，直线右边为Fe(OH) 2 (s)稳定区。 ③Fe(OH) 3 (s)与Fe2+的边界。根据平衡方程： Fe(OH) 3(s) +3H+ +e→Fe2+ + 3H 2 O lgK=17.9 可得这二种形态的边界条件：pE=17.9–3pH–lg[Fe2+] 将[Fe2+]以1.0×10－7mol/L代入，得：pE=24.9–3pH 得到一条斜率为–3的直线，如图3—17中③所示。斜线上方为Fe(OH) 3 (s)稳定区，斜 线下方为Fe(OH) 2 (s)稳定区。 ④Fe(OH) 3 (s)与FeOH+的边界。 根据平衡方程：Fe(OH) 3(s)+2H+ +e→FeOH++2H 2 O lgK=9.25 将[FeOH+]以1.0×10－7mol/L代入，得：pE=16.25-2pH 得到一条斜率为–2的直线，如图3—17中④所示。斜线上方为Fe(OH) 3 (s)稳定区，下方为FeOH+稳定区。 ⑤Fe3+与Fe2+的边界。根据平衡方程：Fe3++e →Fe2+ lgK = 13.1

污染物在环境中的迁移和转化(1)

污染物在环境中的迁移和转化 第一节概述 一、污染物的迁移和转化的定义 污染物在环境中发生的各种变化过程称之为污染物的迁移和转化(transport and transformation of pollutants)，有时也称之为污染物的环境行为(environmental behavior)或环境转归(environmental fate)。 二、研究污染物在环境中迁移和转化过程及其规律性的意义 1. 可阐明污染物种类，接触的浓度、时间、途径、方式和条件，从而研究相关毒作用。 研究污染物在环境中的迁移和转化的过程及其规律性，对于阐明人类在环境中接触的是什么污染物，接触的浓度、时间、途径、方式和条件等都具有十分重要的环境毒理学意义，否则就不能阐明有预谋中接触而导致的一系列毒作用。 2. 环境毒理学的许多基本问题在一定程度上也取决于对污染物在环境中的迁移和转化规律的认识。 例如：污染物的物质形态、联合作用、毒作用的影响因素、剂量效应关系等，都要涉及到接触污染物的真实情况的确定。 第二节环境污染物的迁移 一、概念 污染物的迁移（transport of pollutants）是指污染物在环境中发生的空间位置的相对移动过程。迁移的结果导致局部环境中污染物的种类、数量和综合毒性强度发生变化。 二、机械性迁移 根据污染物在环境中发生机械性迁移的作用力，可以将其分为气的、水的、和重力机械性迁移三种作用。 1．气的机械性迁移作用，包括污染物在大气中的自由扩散作用和被气流搬运的作用。 其影响因素有：气象条件、地形地貌、排放浓度、排放高度。 一般规律：污染物在大气中的排放量成正比，于平均风速和垂直混合高度成反比。 2．水的机械性迁移作用，包括污染物在水中的自由扩散作用和被水流的搬运作用。 一般规律：污染物在水体中的浓度与污染源的排放量成正比，与平均流速和距污染源的距离成反比。3．重力的机械迁移作用，主要包括悬浮物污染物的沉降作用以及人为的搬运作用。 三、物理化学迁移 物理化学迁移是污染物在环境中最基本的迁移过程。污染物以简单的离子或可溶性分子的形势发生溶解-沉淀、吸附-解吸附。同时还会发生降解等作用。 1．风化淋溶作用风化淋溶作用是指环境中的水在重力作用下运动时通过水解作用使岩石、矿物中的化学元素溶入水中的过程，其作用的结果是产生游离态的元素离子。 2．溶解挥发作用降水、固体废弃物水溶性成份的溶解；VOC 3．酸碱作用（常表现为环境pH值的变化） ①酸性环境促进了污染物的迁移，使大多数污染物形成易溶性化学物质。如酸雨：加速岩石和矿物风化、淋溶的速度；促使土壤中铝的活化。 ②环境pH值偏高时，许多污染物就可能沉淀下来，在沉积物中，形成相对富集。 4．络合作用（改变毒物吸附和溶解的能力）络合物的形成大大改变了污染物的迁移能力和归宿。 例如：当含有Hg2+的河水流入海洋时，水中氯离子浓度逐渐增高，河口水体中的Hg2+逐次形成Hg(OH)2→Hg(OH)Cl →HgCl2→HgCl3- →HgCl42-。其中的Hg(OH)Cl与水体中的悬浮态黏土矿物和氧化物吸附力最强，而HgCl2的吸附力最差。因而，Hg(OH)Cl部分的汞大量转移到悬浮态固相或沉积物中，而部分的汞仍留在水体中。

土壤中砷的处理

土壤中砷的处理 1 引言 砷是一类广泛存在于土壤中的具有致癌作用的类金属元素，主要来源于含砷农药、化肥的施用及含砷污水灌溉等.据雷鸣等(2008)的调查，湖南郴州、衡阳等地稻田砷污染较严重，土壤砷含量最高达245 mg·kg-1，导致大米砷含量超标，造成严重的健康威胁和巨大的经济损失.同时，砷作为一种变价元素，不同价态毒性及生物有效性有较大差异，如三价砷生物毒性是五价砷的60~100倍.此外，水分可通过改变土壤氧化还原电位、铁锰氧化物等变价元素的价态而影响砷的生物有效性及其环境风险，如淹水导致As(Ⅴ)向As(Ⅲ)转化，提高了土壤中As(Ⅲ)的含量;同时，土壤水分会影响水稻籽粒中砷含量，灌浆期后湿润灌溉可显著降低糙米中砷含量.研究表明，稻田土壤水分含量可影响并改变土壤溶液及稻米中砷含量，而控制土壤水分含量是解决稻田土壤砷污染问题的有效途径之一，并揭示出水分是影响砷毒性的主要因素之一，尤其是在稻田土壤上.因此，需对二者作用关系进行系统探讨. 土壤酶是土壤的重要组成成分，土壤中所有生物化学过程的发生都得益于土壤酶的作用.酶促反应动力学是研究酶催化反应速度及各种因素(如污染物等)影响的方法，其结果不仅可显示土壤酶总量的高低，而且还可以反映酶与底物、重金属污染物等之间结合的紧密程度和作用过程，从而能深入探讨污染物与酶作用机理，故被认为是一种理想的研究手段.目前，国内外学者对砷的土壤酶效应进行了研究，发现有激活、抑制和无关3种作用，如As(Ⅴ)会抑制碱性磷酸酶及芳基硫酸酯酶活性，而As(Ⅲ)则不敏感;砷能激活土壤脲酶活性.对不同水分下土壤酶作用机理的研究也有零星报道，如Zhang等(2009a;2009b)发现，土壤脱氢酶活性及酶促最大反应速度均随水分含量升高而增加;高水分含量增强了磷酸酶与底物亲和力，提高了最大反应速度;淹水对土壤脲酶动力学参数无显著影响(隽英华等，2011).但目前对不同水分条件下砷与酶作用机理的研究则鲜见报道.因此，本文拟采用室内模拟培养试验的方法，从酶动力学角度研究水分对砷与土壤碱性磷酸酶关系的影响，揭示砷对碱性磷酸酶的作用受水分影响的机理，以期为稻田土壤砷污染的准确监测和保护修复提供依据. 2 材料与方法 2.1 供试土壤 供试土壤为采自江苏省中国科学院常熟农业生态试验站的水稻土(底潜铁聚水耕人为土，Endogleyic Fe-accumuli-Stagnic Anthrosols).采样时，先去除0~5 cm表层土，采用五点法取5~20 cm土样，混匀风干，过1 mm尼龙筛备用.常规方法测定土壤基本化学性质(鲍士旦，1997)，结果为有机质47.69 g·kg-1，pH=6.93(水土比2.5:1)，全氮3.1 g·kg-1，全磷0.61 g·kg-1，全钾18.02 g·kg-1，碱解氮10.66 mg·kg-1，速效磷11.74 mg·kg-1，速效钾112.90 mg·kg-1，阳离子交换量26.20 cmol·kg-1，游离氧化铁2.43 g·kg-1，总砷8.70 mg·kg-1，有效砷(0.5 mol·L-1 NaHCO3)0.32 mg·kg-1. 2.2 试验方案 向600 g土样中添加不同浓度的As(Ⅴ)(Na3AsO4·12H2O，AR)溶液，使As(Ⅴ)含量分别为0、25、50、100、200、400 mg·kg-1，并调节土壤含水量为最大持水量(WHC)的35%、65%、110%，

土壤中氮的形态和转化

土壤中氮的形态和转化 徐斌 一、土壤中氮的形态 土壤中的氮素形态分无机态及有机态两大类，但以有机态为主，按其溶解度大小和水解难易分为3类：第一，水溶性有机氮；第二，水解性有机氮；第三，非水解性有机态氮；它们在一般酸碱处理下不能水解，但可在各种微生物的作用下逐渐分解矿化。 土壤无机态氮很少，一般表土不超过全氮的1％－2％。土壤无机态氮主要是铵态氮和硝态氮。它们都是水溶性的，都能直接为植物吸收利用。铵态氮为阳离子，能为土壤胶体所吸收成为交换性阳离子，但也有一部分在进入粘粒矿物晶架结构中后，被闭蓄于晶层间的孔穴内成为固定态铵。 1.有机态氮 按其溶解度大小和水解难易分为3类： 第一、水溶性有机氮一般不超过全氮的5％。它们主要是一些游离的氨基酸、胺盐及酰胺类化合物，分散在土壤溶液中，很 容易水解，释放出离子，是植物速效性氮源。 第二、水解性有机氮占全氮总量的50％－70％。主要是蛋白质多肽和氨基糖等化合物。用酸碱等处理时能水解成为较简单 的易溶性化合物。 第三、非水解性有机态氮占全氮的30％－50％。它们在一般酸碱处理下不能水解，但可在各种微生物的作用下逐渐分解矿化。 2．无机态氮

土壤无机态氮很少，一般表土不超过全氮的1％－2％。土壤无机态氮主要是铵态氮和硝态氮及亚硝态氮。它们都是水溶性的，都能直接为植物吸收利用。 第一，硝态氮土壤中硝态氮主要来源于施人土壤中的硝态氮肥和微生物的硝化产物。 第二，铵态氮土壤中的铵态氮又分为三种，铵态氮为阳离子，能为土壤胶体所吸收成为交换性阳离子，但也有一部分在进入粘粒矿物晶架结构中后，被闭蓄于晶层间的孔穴内成为固定态铵。 第三，亚硝态氮土壤中的亚硝态氮是硝化作用的中间产物。二、土壤中氮的转化 土壤氮素形态较多，各种形态的氮素处于动态变化之中，不同形态的氮素互相转化，对于有效氮的供应强度和容量有重要意义。 1.有机态氮的转化 土壤中的有机态氮是较复杂的有机化合物，必须要经过各种矿化过程，变为易溶的形态，才能发挥作物营养的功能。它的矿化量和矿化速率就成为决定土壤供氮能力的极其重要的因素。土壤有机氮的矿化过程是包括许多过程在内的复杂过程。 ①水解过程蛋白质在微生物分泌的蛋白质水解酶的作用下，逐步分解为各种氨基酸。 ②氨化过程氨基酸在多种微生物作用下分解成氨的过程称为氨化过程。如： RCH2OH＋NH3＋CO2＋能量—水解—→ RCHNH2 COOH＋H2O RCHOHCOOH＋NH3＋能量—氧化—→ RCHNH2COOH＋O2 RCOOH＋NH3＋CO2＋能量——还原—→RCHNH2 COOH＋H2

砷在水体和土壤中迁移转化规律的共性与个性

砷在水体和土壤中迁移转化规律的共性与个性 【摘要】砷是一种有毒元素，对人体有害，通过呼吸道、消化道和皮肤接触进入体内，会积蓄在人体各个器官部位，从而引发慢性中毒，潜伏期和长达几年甚至几十年。所以，我们到对人经常接触到的水体和土壤中的砷元素进行迁移转化的分析，以便于对砷污染的监测和治理。 【关键词】砷；水体和土壤；迁移转化；共性与个性 0.概述 为了有效地保护和合理地使用水资源和地资源，控制和治理水污染和土壤污染，必须对水体和土壤的质量进行定期的监测，通过监测来掌握其迁移转化规律，为正确保护和治理水体和土壤，提供科学的依据。 砷是人体的非必要元素，元素砷的毒性极低，而砷的化合物均有剧毒，三价砷化合物比其它砷化合物毒性更强。砷是通过呼吸道、消化道和皮肤接触进入人体。在一般情况下，土壤、水、空气、植物和人体都有微量的砷，对人体不会构成危害。 1.砷在不同的介质中迁移转化规律的分析 砷在水中常备悬浮物吸附而沉淀在底泥中，各种有机物和无机物胶体都可以吸附砷，尤其是铅、铁的氢氧化物对砷有特殊的亲和能力，在酸性条件下，这种吸附能力最强。但当水体中的PH值升到碱性时，分散作用加强，砷又可以离开胶体表面而进入水中。 各种砷的化合物由各种渠道进入水中，其物理行动在很大程度上受水周围环境氧化还原条件的制约。在缓滞水体中，由于表层水处于富氧状态，因此表层水中的三价砷易被氧化成五价砷，并与水中的氢氧化铁生成砷铁沉淀物，沉在底泥中。在深水层中，还原条件下五价砷又可被还原成三价砷，并和硫化物生成硫化砷沉淀物，沉在底泥中，硫化砷可以被微生物分解，生成气态的三甲基砷排入大气。这个过程是水体中砷的主要迁移转化过程。通过这个过程我们可以看出，除人为污染外，水体中砷元素（单质）含量是很低的。 地下水中有机质的含量及微生物的活动，对地下水砷的迁移转化有特殊作用。由于微生物的活动及有机物质的存在，不仅影响硫酸根、硝酸根及硫化氢的存在，还影响地下水的Eh和pH。 由于有机物的沉淀、积累以及分子氧难以向下扩散到达沉积物的孔隙水中，因此在表层与底层之间存在着很大的氧化还原梯度。在密闭很严的深层地下水中，硫酸盐经脱硫细菌作用还原成了H2S，因此地下水含硫酸根极低。此外，由于湖泊、沼泽、河流中水生物、植物的作用，砷被富集在生物体内，在长期的地

土壤中总砷的分光光度法测定(精)

土壤中总砷的分光光度法测定 相关背景:砷是世界卫生组织确定的高毒致癌物质,从上世纪初就开始受到科学家们的广泛关注。在农业生产中,砷主要是通过工业“三废”、农业利用等方式进入土壤,施用含砷的农药、化肥、有机肥等是土壤中砷的重要来源之一。砷进入土壤后,可被土壤胶体吸附固定,使其有效性降低。有机态砷进入土壤后,不仅被土壤吸附固定,也可在土壤微生物的作用下,并通过一系列的土壤过程,发生形态和价态的转化。农业生产与人类生活息息相关,研究不同形态砷在土壤中的转化及对植物砷有效性的影响,对提高农产品质量,预防设施土壤中砷含量超标等具有很重要的意义。由环保部牵头制定的《全国土壤环境保护“十二五”规划》已进入国务院审批程序,国家发改委批准了“‘十二五’重金属污染防治规划”,将“土壤与场地污染治理与修复”列入“十二五”社会发展科技领域国家科技计划项目指南。 依据标准:1997年12月8日,国家环境部发布GB/T 17135-1997 《土壤质量总砷的测定硼氢化钾-硝酸银分光光度法》。 检测方法简介: 土壤样品经氧化分解后,使不同形式的砷转化为可溶态砷离子,硼氢化钾(钠在酸性的溶液中产生新生态氢,使五价砷还原为三价砷,三价砷还原成气态砷化氢,再用硝酸-硝酸银-聚乙烯醇-一算溶液为吸收液,银离子被砷化氢还原成单质银,使溶液成黄色,在400nm 分光光法测定。(10mm光程 赛默飞世尔科技有限公司(ThermoFisher的紫外可见分光光度计产品完全能够满足上述检测需要,并且可以为客户提供方法建立的工作,以方便有此需求的客户快速使用仪器,达到单位检测要求。请您联系赛默飞世尔科技有限公司(8008105118,4006505118,或者咨询我们当地的代理商。

土壤中氮素转化过程及植物吸收方式土壤部分初稿

土壤中氮素转化过程及植物吸收方式 我国耕地土壤全氮含量为 0.04?0.35 %之间，且土壤有机质含量呈正相关。其 氮素来源包括： 生物固氮、降水、农业灌溉和施肥等，而目前肥料是农田土壤氮 肥的主要来源。 绍： 下面就从土壤中氮素的主要表现形态和转化过程等进行详细的介 （一） 土壤中氮素的主要形态 水溶性速效氮源 ＜全氮的5%包括游离氨基酸、胺盐及酰胺类化合物等 有机氮水解性缓效氮源占50?70%包括 蛋白质及肽类、核蛋白类、氨基糖类 （＞98%）非水解性难利用占30?50%包括杂环态氮、缩胺类 注明：其中无机氮包括： 铵态氮（NH 4+ — N ）、硝态氮（N6 — N ）、亚硝态氮（NQ - — N ）三种主要形 态。 般情况下，土壤中存在的主要是有机态氮，占土壤总氮的 90~98% 土壤中氮的形态 「水溶件 速效氮源 ＜ 全氮的5% 右机氮｛水解 性缓效氮源占40%-60% （＞98%） I 非水斛性 难利用占40%-50% 土壤溶液中 土壤胶体吸附 2： 1型粘上矿物固定有机氮 矿化作用 1川尢什川 上无机氮 离子态 无机氮 吸 附 （1?2%）固定态 土壤溶液中 吸附态 土壤胶体吸附 :1型粘土矿物固定 「离子态 无机氮寸 吸附态 固建态

（二）土壤中氮素的转化过程 1. 有机态氮的转化 土壤中的有机态氮是较复杂的有机化合物，必须要经过各种矿化过 程，变为易溶的形态，才能发挥作物营养的功能。它的矿化量和矿化速 率就成为决定土壤供氮能力的极其重要的因素。土壤有机氮的矿化过程 是包括许多过程在内的复杂过程。 ① 水解过程 蛋白质在微生物分泌的蛋白质水解酶的作用下，逐步 分解为各种氨基酸。 ② 氨化过程 氨基酸在多种微生物作用下分解成氨的过程称为氨 化过程。如： RCHOI+ NH 3 + CQ + 能量 一水解一-> RCHNH 2COOH- H 2O RCHOHCOOHN" + 能量 一氧化一-> RCHNHCOO + Q RCOO + NH3 + CQ + 能量—— 还原一-> RCHN 2COO + H 2 由此可见，氨化作用可在多种多样条件下进行。无论水田、旱田，只要 微生物活动旺盛，氨化作用都可以进行。 氨化 作用 产生 的铵 态氮能 被植 物和 微生 物 吸收 利用 ，是 农作 物的 优良 氮素 营 养 。未 被作物 吸收 利用 的铵 ，可被 土壤 胶体 吸收 保 存。但在 旱地 通气 良好 的条 件下，铵态 氮可 进一 步为微 生物 转化 。 r 钱态氮 风素在土塢中变化的示意图 ” NO, N :0 硝态氮上 吸附杰镀或 水体中的 固定态皴 硝态氮 有 机 态 氮

土壤中的氮素及其转化

土壤中的氮素及其转化 1?土壤中氮素的来源和含量 1.1来源 ①施入土壤中的化学氮肥和有机肥料；②动植物残体的归还；③生物固氮； ④雷电降雨带来的N03—N。 1.2含量 我国耕地土壤全氮含量为0.04%~0.35%之间，与土壤有机质含量呈正相关 2.土壤中氮素的形态 3.土壤中氮素的转化

3.1有机氮的矿化作用 定义：在微生物作用下，土壤中的含氮有机质分解形成氨的过程。 过程：有机氮'氨基酸k NH4J N +有机酸 结果：生成NH4+-N （使土壤中有机态的氮有效化） 3.2 土壤粘土矿物对NH4+的固定 定义：①吸附固定（土壤胶体吸附）：由于土壤粘土矿物表面所带负电荷而引起的对NH4 +的吸附作用 ②晶格固定（粘土矿物固定）：NH4 +进入2:1型膨胀性粘土矿物的晶层间而被固定的作用 过程： 结果：减缓NH4+的供应程度（优点？缺点? 3.3氨的挥发 定义：在中性或碱性条件下，土壤中的NH4+转化为NH3而挥发的过程

过程： 结果：造成氮素损失 3.4硝化作用 定义：通气良好条件下，土壤中的NH4+在微生物的作用下氧化成硝酸盐的现象 过程： 结果：形成NO-N 禾I」：为喜硝植物提供氮素 弊：易随水流失和发生反硝化作用 3.5无机氮的生物固定 定义：土壤中的铵态氮和硝态氮被植物体或者微生物同化为其躯体的组成成分而被暂时固定的现象。

过程: 结果：减缓氮的供应，可减少氮素的损失

3.6反硝化作用 定义：嫌气条件下，土壤中的硝态氮在反硝化细菌作用下还原为气态氮从土 壤中逸失的现象 过程： 结果：造成氮素的气态挥发损失，并污染大气 3.7硝酸盐的淋洗损失 NO3-不能被土壤胶体吸附，过多的硝态氮容易随降水或灌溉水流失。 结果：氮素损失，并污染水体 4.小结：土壤有效氮增加和减少的途径 增加途径：①施肥（有机肥、化肥）；②氨化作用；③硝化作用（喜硝作物力④ 生物固氮；⑤雷电降雨 降低途径：①植物吸收带走；②氨的挥发损失；③硝化作用（喜铵作物弱④ 反硝化作用；⑤硝酸盐淋失；⑥生物和吸附固定（暂时）

土壤中氮的转化过程

硝态氮(NO3-) 与铵态氮(NH4+) 土壤中氮的转化过程 农业中氮的3个主要来源是尿素、铵态氮和硝态氮。铵转化成硝态氮的生物氧化过程一般称为硝化作用。此过程由自养型好气性细菌引起，如图中所示。在淹水土壤中，铵的氧化会受到抑制。尿素在尿酶的作用下或化学水解成氨和二氧化碳。在氨化过程中，氨被铵氧化菌转化成铵，接下来，铵被硝化菌转化成硝酸盐（硝化作用）。 氮的转化率取决于一些条件---当前土壤中存在的硝化细菌。在以下条件下，NH4+ 向NO3的转换才能顺利进行: - 有硝化菌存在。 - 土壤温度> 20 °C - 土壤的pH 值在5,5 - 7,5之间 - 土壤中有足够的水分和氧气 若土壤出现以下一个或多个情况时，氮的转化受限制或完全停止，可能会造成铵在土壤中的积累( Mengel and Kirkby, 1987)： - 低pH值大大的抑制了微生物对铵离子的氧化。 - 缺氧（比如，淹水土壤） - 缺少有机质（它是细菌的碳来源） - 土壤干燥 - 土壤温度低引起土壤的微生物的活性降低，从而抑制硝化。 - 在26 °C是硝化作用最佳温度，而铵化的最佳温度高达50 °C。所以，在热带的土壤中，即使在中性pH的条件下，由于硝化率低，也会导致铵的聚积。

[imagesizer path="images/pna/pna4_4" images="4_4_ch.gif" mode="0" bgcolor="#ffffff" width="480" height="250" alt="土壤中氮转化的过程" title="土壤中氮转化的过程"] 图 1. 土壤中氮转化的过程 ( 点击图放大, 点击这里打开和打印图表) 含硝态氮的肥料较之含铵肥料的优点 硝态氮是作物最佳氮源： - 不挥发性：与铵不同，硝态氮不挥发，所以不要求必需土施，还可以用作追肥和叶面施肥，便于操作。 - 在土壤中可移动-直接被植物吸收，效率最高。 - 硝态氮协同促进阳离子的吸收，如钾、钙、镁。而铵与这些离子竞争吸收位点。 - 硝态氮可以被植物立即吸收，而不需要任何的转化，而尿素和铵在被植物吸收之前都要经过转化。 - 施用硝态-氮肥，不会导致土壤酸化。 - 硝态氮限制对有害物的大量吸收，比如氯化物。 - 硝态氮转化成氨基酸的过程在叶片上发生，以太阳能为能源，是个节能过程。铵必须在根部被转化成有机氮化合物。这一过程需要消耗碳水化合物，会影响植物的其它生理过程，如植株生长和果实充实。

土壤中的氮素及其转化

1.土壤中氮素的来源和含量 来源 ①施入土壤中的化学氮肥和有机肥料；②动植物残体的归还；③生物固氮； ④雷电降雨带来的NO 3 —N。 含量 我国耕地土壤全氮含量为%~%之间，与土壤有机质含量呈正相关。 2. 土壤中氮素的形态 3. 土壤中氮素的转化 有机氮的矿化作用 定义：在微生物作用下，土壤中的含氮有机质分解形成氨的过程。 过程：有机氮氨基酸 NH 4 ＋-N＋有机酸 结果：生成NH 4 ＋-N（使土壤中有机态的氮有效化） 土壤粘土矿物对NH 4 ＋的固定 定义：①吸附固定（土壤胶体吸附）：由于土壤粘土矿物表面所带负电荷而引起的对NH4＋的吸附作用 ②晶格固定（粘土矿物固定）：NH4＋进入2:1型膨胀性粘土矿物的晶层间而被固定的作用 过程： 结果：减缓NH 4 ＋的供应程度（优点？缺点？） 氨的挥发 定义：在中性或碱性条件下，土壤中的NH 4＋转化为NH 3 而挥发的过程 过程： 结果：造成氮素损失 硝化作用 定义：通气良好条件下，土壤中的NH 4 ＋在微生物的作用下氧化成硝酸盐的现象

过程： --N 结果：形成NO 3 利：为喜硝植物提供氮素 弊：易随水流失和发生反硝化作用 无机氮的生物固定 定义：土壤中的铵态氮和硝态氮被植物体或者微生物同化为其躯体的组成成分而被暂时固定的现象。 过程： 结果：减缓氮的供应，可减少氮素的损失 反硝化作用 定义：嫌气条件下，土壤中的硝态氮在反硝化细菌作用下还原为气态氮从土壤中逸失的现象 过程： 结果：造成氮素的气态挥发损失，并污染大气 硝酸盐的淋洗损失 -不能被土壤胶体吸附，过多的硝态氮容易随降水或灌溉水流失。 NO 3 结果：氮素损失，并污染水体 4. 小结：土壤有效氮增加和减少的途径 增加途径：①施肥(有机肥、化肥)；②氨化作用；③硝化作用(喜硝作物)； ④生物固氮；⑤雷电降雨 降低途径：①植物吸收带走；②氨的挥发损失；③硝化作用(喜铵作物)；④反硝化作用；⑤硝酸盐淋失；⑥生物和吸附固定(暂时) 氮肥的种类、性质和施用 氮肥的种类很多，根据氮肥中氮素的形态，常用的氮肥一般可分为三大类。 ①铵态氮肥，如氨水、硫酸铵、碳酸氢铵、氯化铵等；②硝态氮肥，如硝酸

无机污染物迁移、转化和归宿

无机污染物进入河流中的迁移、转化和归宿对无机污染物而言，特别是重金属和准金属等污染物，一旦进入水环境，均不能被生物降解，而其他大部分无机污染物经过分解，转化形态之后可以组成生物细胞的成分而被彻底利用，包括无机元素与金属元素。无机污染物（以重金属为主体）主要是以简单的离子、络离子或可溶性分子的形式在水环境中通过一系列物理化学作用，如溶解--沉淀作用、氧化--还原作用、水解作用、络合和螯合作用、吸附--解吸作用等实现的迁移和转化，参与和干扰各种环境化学过程和物质循环过程。重金属（Hg、Cd等）在迁移过程中可富集于底泥，成为长期潜在的有害污染源或通过食物链富集。 污染物在迁移转化的过程中，主要受污染物自身的理化性质以及外界环境的物理化学条件和自然地理条件影响。简单的内部因素可主要为组成化合物的能力、形成不同价位离子的能力、水解能力、形成络合物的能力和被胶体吸附的能力。一般来说，由共价键结合的污染物容易进行气迁移；由离子键结合容易进行水迁移。外部因素主要指环境的酸碱环境、氧化还原条件、交替种类以及数量和性质等。如酸性环境有利于钙、锶、钡、锌、镉等迁移；碱性环境则有利于硒、钼和五价钒的迁移。氧化条件有利于铬、钒、硫的迁移；还原环境有利于铁、锰等的迁移。 从微生物的角度以及水体溶解氧的情况（水体复氧及耗氧）来分析无机污染物进入河流的迁移转化问题，我们需要考虑到，在河流表层部分，溶解氧较充足，处于较高的氧化还原电位，主要存在好养性微生物，其元素将以氧化态存在，碳成为CO2，氮成为NO3-，铁成为Fe(OH)3沉淀，硫成为SO42-；在中间部分，溶解氧相对较少，是一个兼型层，兼有氧化和还原作用，主要由兼性微生物生存；在底层，水体处于还原环境，其元素都将以还原形态存在，碳还原成CH4，氮形成NH4＋，硫形成H2S，铁形成可溶性Fe2+。在相应微生物作用下，完成相应元素的物质循环。 综上分析，污染物的转化，往往与迁移相伴进行，并且实现污染物迁移的途径是彼此相互作用的，是一个统一体，并不能将其独立开来，对于自净体系而言，无机污染物迁移转化的过程较为复杂，下图简以说明。