第一章土壤环境化学概论

2013年12月，联合国大会设定12月5日为正式的世界土壤日（World Soil Day）。世界土壤日的设立，旨在让人们意识到土壤保护的重要性和提倡可持续的土壤资源管理。土壤环境化学在保护土壤功能中发挥着重要作用！

●1.1土壤功能及其基本组成

土壤圈处于水圈、大气圈、生物圈、岩石圈交汇处，是自然环境要素的中心环节，对控制水、气、生物环境质量的具有重要的作用，土壤环境与人类生存有着十分密切的关系。

●1.2我国土壤资源现状

1）我国土壤资源空间分布不平衡；2）耕地质量不高，中低产田占2/3; 3）工业化和城市化使高质量耕地面积减小; 4）功能限制型土壤面积大，退化现象严重（土壤荒漠化、酸化、盐渍化等等）; 5）土壤资源高强度利用，土壤污染形势不容乐观。

●1.3我国土壤污染与防治概况

全国土壤环境状况总体不容乐观，部分地区土壤污染较重, 耕地土壤环境质量堪忧，工矿业废弃地土壤环境问题突出。工矿 业、农业等人为活动以及土壤环境背景值高是造成土壤污染或超标的主要原因。全国土壤总的超标率为 16.1%,其中轻微、轻度、中度和重度污染点位比例分别为 11.2%、2.3%、1.5%和 1.1%。《土壤污染防治行动计划》、《土壤污染防治法》相继颁布实施。

第二章土壤有机组分特征及碳循环

土壤有机质是土壤具有生物学性质和结构的基本物质，既是生命活动的条件，也是生命活动的产物，对土壤结构与功能的发挥起着至关重要的作用。

●2.1土壤有机组分及其结构特征

土壤有机质中的非腐殖物质部分大概占土壤有机质的20％～30％，是一些结构比较简单、易被微生物分解、具有明确的物理化学性质的物质，土壤有机质中的腐殖质部分其结构特征更为复杂。

●2.2土壤有机质作用与功能

土壤环境中的有机质，可改善土壤结构、土壤持水力、土壤透气性、聚合性以及维持土壤团粒结构，是土壤常量营养元素N、P、S和微量元素如B、Mo的重要来源。 此外，土壤有机质含有的大量C，可为土壤中的大型植物区系和微型植物区系提供能源。

●2.3土壤碳循环及气候变化

生态系统碳循环与土壤有机碳关系关系密切。土壤有机碳的输入主要是通过植物光合作用吸收、固定大气中的二氧化碳，并以植物残体等方式进入土壤。进入到土壤中的有机物，受到土壤动物的粉碎和混合，经过微生物分解、代谢，通过微生物呼吸作用，以二氧化碳形式释放到大气中。土壤碳库对气候变化的调控作用越来越受到关注和重视。

第三章土壤无机组分及其化学特性

土壤无机组分的组成、结构和性质如何，对土壤物理性质、化学性质以及生物与生物化学性质均有深刻的影响。

●3.1土壤无机组分的组成与分类

土壤的化学组成，从高到低的元素分别是氧、硅、铝、铁、钙、钠、钾、镁以及其它一些微量元素等。土壤无机组分主要就是土壤矿物质，按照矿物的来源，可以分为原生矿物和次生矿物。

●3.2土壤粘土矿物结构简介

土壤粘粒的主要成分就是次生矿物中的层状硅酸盐类和含水氧化物类，这两类矿物称为粘粒矿物，也叫粘土矿物。层状硅酸盐矿物呈现板状、小球状及短栅状等各种形状，从内部构造来看，它是由两种基本结构单位组成，这两种基本结构单元就是硅氧四面体和铝氧八面体。

●3.3土壤的胶体性质

土壤中粒径小于1μm的固体颗粒叫做土壤胶体，是土壤中颗粒最细小而最活跃的部分。土壤胶体的种类可以分为无机胶体、有机胶体和有机无机复合胶体三类。土壤胶体具有丰富的表面积和巨大的表面能，具有带电性和吸附性。

●3.4土壤胶体对离子的吸附作用

土壤胶体对土壤中阳离子和阴离子吸附作用可分为交换吸附作用和专性吸附。影响阳离子交换反应的因素主要有阳离子本身的交换能力，浓度和数量等；土壤中阴离子的静电吸附分为正吸附和负吸附，也可以发生专性吸附，发生专性吸附时，阴离子作为配位体，进入粘土矿物或氧化物表面金属原子的配位壳，与其中的羟基或水合基交换、重新配位，并直接通过共价键或配位键结合而被吸附在固体表面。

第四章土壤团聚体结构与功能

介绍土壤无机、有机组分是通过什么样的方式组成我们常见的具备生产功能的土壤及其内部结构。

●4.1土壤质地与土壤结构

土壤质地是土壤中各粒级颗粒占土壤重量的百分比组合。土壤结构体实际上是土壤颗粒按照不同的排列方式堆积、复合而形成的土壤团聚体。不同的排列方式往往形成不同的结构体，不同形态的结构体在土壤中的存在状况影响土性质及其相互排列、相应的孔隙状况，进而影响土壤肥力和耕性。

●4.2土壤团聚体的形成

土壤团聚体是土壤结构的基本单元，是衡量土壤结构的重要指标，也是土壤肥力的调节中心。土壤团聚体是土壤的重要组成部分。土壤团聚体的形成是复杂的物理、化学、生物过程耦合的结果。

●4.3土壤团聚体稳定性

土壤结构稳定性通常是指土壤团聚体抵抗外界压力的能力，土壤团聚体稳定性十分重要，它会影响土壤侵蚀过程、影响水分在土壤中的移动、影响植物根系的生长。

第五章土壤质量退化与土壤改良

土壤退化已成为严重的全球性环境问题之一，直接危及人类的生存基础和生存环境。我国土壤退化现象非常严重。

●5.1土壤质量退化

土壤退化虽然是一个非常复杂的问题，但引起其退化的原因是自然因素和人为因素共同作用的结果。土壤退化的本质：就是土壤（地）资源的数量减少和质量降低。土壤资源在数量上是有限的，而不是无限的。随着土壤退化的不断加剧，土壤（地）数量逐渐减少。对于人多地少的中国，潜在危险较大的是土壤质量的降低。

●5.2土壤侵蚀及调控

土壤侵蚀是指土壤及其母质在水力、风力、冻融或重力等外营力作用下，被破坏、剥蚀、搬运和沉积的过程。我国土壤退化最典型、最严重的形式是风蚀和水蚀。中国北方干旱半干旱地区土壤退化的主导力是风成过程。到2010年，中国风蚀导致土壤退化的总面积为375935.5平方公里，约占全国土壤退化总面积的44.1%

●5.3土壤酸化与酸化土壤改良

土壤酸化过程主要是在多雨的自然条件下，降水量大大超过蒸发量，土壤及其母质的淋溶作用强烈，土壤溶液中的盐基离子随渗滤水向下移动，使土壤中易溶性成分减少。此时溶液中的氢离子取代土壤团聚体表面的金属离子，被土壤所吸附，使土壤盐基饱和度下降，氢饱和度增加，引起土壤酸化。酸化土壤的改良方法有多种，传统的方式主要包括：增施农家肥、适时增施石灰等。

第六章污染物迁移、转化与生物可利用性

重点学习土壤中重金属、有机物迁移转化及生物可利用性的相关知识。

●6.1重金属形态与生物可利用性

广义的生物可利用性包括：1环境可利用性和生物可给性，即污染物的束缚态和自由态之间的相互交换的环境行为，可称为污染物的潜在可给性；2环境生物可利用性，即污染物穿过生物膜被生物体吸收；3毒性生物可利用性，即污染物在生物体内的目标作用点产生的不良效应和生物体内的富集等。

●6.2有机污染物赋存状态与生物可利用性

土壤中的有机污染物可通过生物及非生物降解，或被土壤颗粒吸附而不断累积，或被植物吸收进入食物链。本节重点介绍有机污染物的吸附和降解、有机污染物赋存状态，提取和测定方法以及有机物的生物可利用性（对生物的毒性）。

第七章农用地土壤污染分级与安全利用

根据《中华人民共和国土壤污染防治法》，农用地土壤污染分为三级，分别为优先保护类、安全利用类和严格管控类。

●7.1污染土壤分级

农用地土壤污染分级是根据《土壤环境质量-农用地土壤污染风险管控标准》来划分。当测定的污染物项目低于农用地土壤污染风险筛选值时，该地可划入严格保护类；当测定的污染物项目浓度高于筛选值，低于管制值时，这片地会落入安全利用类；当测定的污染物项目浓度高于管制值时，那这片土壤污染就很严重，划入了严格管控类。

●7.2污染耕地安全利用

保证在污染耕地上生产安全的农产品，是安全利用的关键。目前常用的方法包括石灰调节，优化施肥，品种调整，叶面调控，水分调控，深翻耕等六种方法。

●7.3污染土壤植物修复与植物管理

植物修复技术是以植物忍耐和超积累某种或某些化学元素的理论为基础，利用植物及其共存微生物体系清除环境中污染物的一项环境污染治理技术。植物管理以植物修复为基础，但在修复过程中不仅仅关注植物修复效率，而且关注其社会效益，环境效益、生态效益等。

第八章污染土壤修复原理与技术

本章包括污染土壤化学钝化／固化稳定化修复技术、污染土壤淋洗修复技术、污染土壤微生物修复、污染地下水可渗透反应墙（PRB）修复技术、土壤地下水一体化修复与风险管控等内容。

●8.1污染土壤化学钝化／固化稳定化修复技术

土壤化学钝化／固化稳定化修复技术在污染环境中加入化学试剂或化学材料，改变污染物的形态和生物有效性，钝化污染物，降低污染物毒性，实现污染土壤的修复。

●8.2污染土壤淋洗修复技术

土壤淋洗修复技术是指在淋洗剂作用下，将土壤中污染物从土壤颗粒中去除的一种修复技术。按处理土壤的位置可以分为原位土壤淋洗和异位土壤淋洗。

●8.3污染土壤微生物修复

微生物修复是指利用天然存在的或者所培养的功能微生物群，在适宜的环境条件下，促进或者强化微生物代谢功能，从而达到降低土壤有毒污染物活性或者降解成无毒物种的生物修复技术。

●8.4污染地下水可渗透反应墙（PRB）修复技术

PRB修复技术的原理是在地下水流方向上填充活性材料，利用天然地下水力梯度使污染地下水优先通过渗透系数大于周围岩土体的透水格栅并与填充在内的活性反应介质相接触，通过物理、化学和生物等反应过程去除地下水中的污染物，以达到阻隔和修复污染羽的目的。

●8.5土壤地下水一体化修复与风险管控

土壤与地下水污染互为因果，一旦污染发生，通常引发土壤和地下水双重污染。土壤污染防治与地下水污染防治具有一致性，当采取主动的治理措施应对土壤和地下水污染时，针对两者的修复治理过程又密不可分，需从整体系统的角度，推进土壤污染和地下水污染的协同防治。

第九章土壤环境化学研究进展

本章将介绍污染物环境过程与气候变化、土壤环境化学与地球关键带、土壤生态系统服务与生态文明等发展方向的研究内容。

●9.1污染物环境过程与气候变化

全球气候变化被认为是21世纪最大的全球健康威胁和挑战。过去130年中，全球气温上升约0.85°C，海平面上升、冰川溶化、极端气候事件变得更加剧烈和频繁。气候变化会影响粮食生产和粮食安全，使营养不良和营养不足问题加剧。与此同时，气候变化还会影响到土壤中污染物的环境行为和过程，从而带来许多难以预测的生态和环境健康问题。

●9.2土壤环境化学与地球关键带

地球关键带是由地球表层各部分和相互作用过程组成的一个综合系统，是近地球表面、有渗透性、介于大气圈和岩石圈之间的地带，垂直方向的范围从树的冠层往下直到地下水深层。作为地球关键带的核心部分，土壤在地球关键带中的具有多重功能。在解决全球现实问题特别是食品安全、生物多样性、气候变化以及水循环调控等方面，土壤居于中心地位，但到目前为止还没有建立一种有效协调土壤各项功能的方法。

●9.3土壤生态系统服务与生态文明

发展以“土壤安全”为导向的土壤利用和保护策略，研究在不同土地利用方式下土壤生态过程与服务的关系，保证土壤生态系统服务的可持续性，使土壤土壤环境化学在区域乃至全球生态文明建设中发挥应有的作用。