环境学之人类与土壤圈
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环境土壤学复习重点第一章:绪论土壤是地球吸收和转化太阳能的最重要的过程媒介与物质载体,在其中发生着最重要的生命过程-呼吸与光合作用。
土壤环境学的研究对象:人类与土壤环境的特殊矛盾1.土壤的概念:位于地球陆地的、具有肥力的、能够生长植物的疏松表层。
(河流的底泥称为沉积物,其和沙漠都不是土壤。
)2.土壤的性能:生产、净化、生态。
(有可能考大题)生产:土壤首要的基本功能是具有生产性能,其本质属性是具有肥力。
净化:土壤的第二个基本功能是土壤的净化作用,即通过土壤生物对有毒有机和无机物质进行迁移转化(生物降解作用),通过土壤粘粒进行离子吸附与交换,通过土壤水分和空气对物质进行的稀释、扩散、溶解与沉淀的过程;以及因土壤的酸碱反应和氧化还原条件的改变,而致使有毒物质赋存形态的改变以及减少或降低、缓解土壤中有毒物质的浓度、毒性(或活性)的过程。
(土壤的净化作用体现在哪?)土壤中的细菌、真菌和放线菌等微生物的降解、转化和生物固定化作用.生态:土壤圈是一个开放复杂的耗散系统,是地表系统整体的组成部分。
3.土壤的特性:物理特性、生物特性、化学与物理化学特性物理特性:土壤圈是由固(有机物质和矿物质)、液(土壤水分和溶质)、气(土壤空气)多相物质、多层次组成的疏松多孔的复杂体系。
土壤的物理特征包括土体厚度、土体的垂直变异结构、质地、孔隙度和大中小空隙的比例、紧实度、土壤密度等。
良好的土壤应具备良好的土壤团粒结构,既有保水性、保肥性,又有透水性、透气性,还能有效抵抗雨蚀和风蚀,防止水土流失。
生物特性:土壤生物是生物圈的重要组成部分,从微生物至高等动植物,体现了从微观到全球陆地范围内的异乎寻常的生物多样性。
土壤生物可分为小型动物区系、中型动物区系、大型动物区系化学与物理化学特性(有可能考大题):A.土壤圈中的化学、物理化学过程的离子吸附和解吸作用。
土壤胶体表面和溶液间的离子吸附和解吸作用,土壤胶体表面和溶液间的离子吸附交换量以每千克土壤吸附或交换溶液中的阳离子的摩尔数(mol/kg-1)表示,即土壤阳离子交换量(CEC)。
地球环境与人的关系人类,作为地球的主人,自从诞生的那天起,就与周围的地理环境发生着密切的关系。
一方面,人类的生活活动和生产活动需要不断地向周围环境获取物质和能量,以求自身的生存和发展,同时,又将废弃物排放于地理环境之中;另一方面,环境根据自身的规律在不停地形成和转化着一定的物质和能量,不为人类的主观需求而改变其客观属性,也不为人类的有目的活动而改变自己发展的过程。
因此,在环境有限地自循环过程中,人类无限制地资源开采和环境破坏无疑打破了这一平衡。
不管是在现有环境中谋求发展,还是抛弃旧的寻求新的环境,人类究竟能走多远?从生物性来看,在与地球各部分的相互作用中,人类的生存与发展形成了如今这种形式。
1.人类与大气圈大气圈是地球外面由各种气体和悬浮物组成的复杂流体系统,是在生命活动参与下长期发育而形成的。
地球大气的主要成分是氮和氧。
地球各圈层,尤其是生物圈各组分,与大气圈保持着十分密切的物质和能量的交换,使大气各组分之间保持着极其精细的平衡。
30亿年前,大气圈中氧浓度只有现在的千分之一,原始的生命为了躲避紫外线致命的伤害,只能存在于水下10m深处。
到距今6亿年时,氧浓度达到现水平的百分之一,出现了臭氧的保护,生命开始出现在水面上,成为生命史的第一个关键浓度。
到4亿多年前,氧浓度达到现水平的十分之一,臭氧的浓度进一步增加,生命才能从海洋登上陆地,这是生命史上的第二个关键浓度。
可以看见,氧浓度对生命的出现与发展起到非常重要的作用。
目前下层大气中氧气的浓度为21%,这是亿万年来生物圈进化与大气圈相互作用的结果。
目前还没有观测到大气氧浓度变化。
然而,作为大气微量组分的一些气体浓度已经发生实质性变化则是不争的事实。
其中最引人注目的是CO2和O3等气体浓度的变化。
20~30亿年以前,大气圈中CO2的浓度很高,约为今天CO2浓度的10倍。
到16亿年前,随着含氧大气圈的形成,大气CO2的浓度逐渐下降到今天的水平。
一定浓度CO2的存在,对地表温度的调节至为重要。
人为作用对土壤环境质量的影响及对策龚子同陈鸿昭骆国保覆盖于地球陆地表面的薄层土壤圈是影响控制人类和陆生动植物生存和发展的重要资源和环境很早以前在人类活动未强行干预主要生物群落的时候随着气候冷暖干湿的波动生物群落和下垫面等自然环境因素的变化土壤性质的变化通常是缓慢的可是当前各种类型的土壤正面临着史无前例的冲击人类活动直接或间接地加速了土壤环境的变化在时间尺度上这种变化往往超过土壤的自然变化成为未来土壤环境变化的新趋势它威胁着人类的生存环境亟需引起广泛重视及制定适当的对策1近百年来土壤环境的变化近百年来由于人口迅速增加自然植被破坏开荒扩耕及其它过度的资源开发土壤环境的变化主要表现为土壤和土地退化生产力下降土壤生态环境日益恶化它直接影响了全球环境变化和可持续发展据联合国环境署UNEP和粮农组织FAO的调查地球上2/3的陆地曾被森林所覆盖其面积达76亿hm2现在只剩下26.4亿hm280%的亚洲农地来自森林世界耕地面积从1850 ̄1950年的100a之间由5.38亿hm2增加到12亿hm2[1]到90年代已超过14亿hm2[2]全球33%的地表受到荒漠化的威胁影响人口超过10亿人因各种不合理的人为活动所引起的土地退化面积已达19.6亿hm2就土地退化类型来看土壤侵蚀退化是最重要的土地退化类型其退化面积占总退化面积的84%H.Eswaran[3 ̄4]认为土地生产力的下降50%是由于土壤侵蚀和荒漠化造成的全世界每年因土壤侵蚀而流失的土壤达750亿t其中从耕地流失的土壤约为250亿t所损失的土壤养分几乎等于世界商品肥料的生产量相当于4000亿美元的损失至于土壤侵蚀造成的异地效应对环境破坏造成的损失更是无法估量以我国的情况来说在人口压力和农业低投入双重作用下土地退化和生态平衡失调的问题尤为突出它已成为制约我国经济社会可持续发展的重要因素我国土地退化的主要形式有如下几种1.1水土流失土壤与环境Vol.9 No.18据国务院公布的资料我国水土流失面积达376万km2其中水蚀面积179万km2,风蚀面积188万km2年损失粮食180万 ̄300万t耕地水土流失面积已达4000万hm2其中坡度为25以上且严重水土流失的陡坡耕地670万hm2每年流失表土10亿t由于受自然条件的影响有80%的水土流失未得到有效治理而且西南地区还存在大量的泥石流灾害黄河长江每年由于流失土壤而带走的氮磷钾质量达4400万t[5]1.2土地荒漠化我国是世界上荒漠化危害严重的国家之一荒漠化土地面积达262.2km2占国土总面积的27.3%超过全国现有耕地面积的总和有60%的贫困县集中在沙区目前有400万hm2农田处在沙漠威胁之中部分地区形成沙进人退的局面每年因风沙造成的粮食损失达15亿t1.3土壤盐碱化我国盐碱化土地达9913万hm2其中现代盐渍化土壤3693万hm2潜在盐渍化土壤1733万hm2在现有耕地中次生盐渍化面积达933万hm2[5]由于不适当灌溉等原因有的地区次生盐渍化面积还在扩大1.4土壤化学性质恶化这种恶化主要表现在水田潜育化土壤酸化和养分亏缺等我国南方地区水田潜育化面积有433万hm2据1982年2400个监测点的雨水分析酸雨频率占44.5%酸雨遍及我国22个省市受害耕地面积达287万hm2全国缺钾土壤面积占耕地面积由1949年的39%上升到1983年的46%缺磷土壤面积占耕地面积由1957年的27%上升到1983年的70%1.5水土污染我国现有耕地受污染面积达2667万hm2其中受工业三废污染的为1000万hm2受大气污染的为667万hm2受农药残留和过量施肥污染的为1000万hm2[5]1993年我国氮肥以N计消费量达2.011107t占世界第一有些经济发达地区氮肥用量已达350kg/hm2其中苏南稻田5个点的平均渗漏量为24.5kg/hm2从60年代初我国大规模施用磷肥以来到1992年土壤中积累的磷以P2O5计达6107t据联合国粮农组织1993年统计我国农田磷素进入水体的通量为19.5kg/hm2比美国高8倍氮磷污染使湖泊出现了富营养化[8]上述资料说明我国土地退化严重必须采取有效的防治措施提高土地资源质量2未来土壤环境变化的趋势目前尚无综合的理论体系对土壤环境变化进行预测我们拟从气候变化人口压力和大型工程建设等3个方面对土壤环境的影响进行预测2.1气候变化的影响当前全球气候变暖是由于CO2CH4N2O和氟氯烃化合物等大量排放到大气中形成温室效应所引起的其中氟氯烃化合物将由于限制使用而逐步减少但燃烧矿物燃料而产生的大量CO2将继续进入大气层此外全球每年有质量分数为30%的CO270%的CH490%的N2O的排放来自土壤和土地利用[6 ̄7]这些都不会轻易改变近百年来地球气温平均大约上升了0.5由于大气系统中存在着滞后现象即使现在停止排放温室气体在今后30 ̄40a或更长一点时间温度仍可能进一步升高0.5 ̄1.5这将给环境带来许多变化一是由于地表气温升高海洋也将变暖海水膨胀高纬度地区和山地的冰川冻土将融化我国东北和青藏高原多年的冻土及祁连山天山喜马拉雅山等山地的小冰川将缩小甚至消失这将增加水流注入海洋二是到2030年世界海平面可能要升高10 ̄20cm造成一部分滨海地区淹没一些湿地消失大片土地可能受到潜育化或盐渍化的威胁三是降水格局和季节性起了变化我国东部地区由于降水量的增加而可能增加洪涝灾害热带地区由于热带风暴变得更加强烈降水量增加水土流失量增大西北内陆区由于干旱程度增强土壤荒漠化和盐渍化将进一步扩大和增强四是土壤空间格局和物种产生重新分布亚热带和温带的南界将北移面对全球气候变暖的挑战监测土壤环境的变化制定持续利用土地资源的战略显得非常迫切2.2人口压力的影响我国人口已近13亿2030年将达15亿以人均口粮230kg肉类消耗量30kg计算2000年需粮食5.77亿t按口粮消费与肉类消费互为消长的关系2030年需要生产粮食8亿t才能做到供需平衡但据近20年来的实践经验我国大致每10a能增加粮食生产能力1亿t虽然目前我国粮食单产已达先进农业国家的水平但如果没有生物技术的新突破和大量资金的投入要继续保持大幅度增产难度较大[9]然而人们对防治土地退化还是有所作为的例如江西省兴国县已作出了榜样自1983年该县被列为全国治理水土流失重点县以来水土流失面积从18.9万hm2下降到9.5万hm2植被覆Vol.9 No.l龚子同等人为作用对土壤环境质量的影响及对策9盖率从28.8%提高到56.2%黄淮海平原经过20多年的治理盐碱土面积从原来的400万hm2减少到200万hm2以下土壤次生盐渍化已基本得到控制宁夏沙坡头风沙防治试验站自1956年建站以来保证了包兰铁路畅通无阻30a在提高土壤肥力改善生态环境方面取得重要成果的有甘肃景泰荒漠绿洲防治耕地退化的农业模式吉林西部农牧交错带土壤沙化防治和景观建设模式开发利用江南红壤(富铁土)的江西千烟洲模式等2.3大型工程建设的影响现以三峡工程对库区土地承载能力的影响为例说明大型工程建设对土壤环境的影响1984年南京土壤研究所承担三峡工程对库区土地承载能力的影响的课题经过8a的调查研究以卫星遥感数据监督分类图作框架配合实地调查和其它资料编制成110万库区土地资源评价图对库区土地资源作出了评价结果显示三峡水库淹没湖北省和四川省20个县市区库区被淹没耕地2.38万hm2柑桔地4960hm2淹没区涉及72.55万人人多地少和后备宜农荒地资源不足的矛盾十分突出因此三峡工程的兴建对库区土地资源可能产生如下的影响1增加粮食缺口和土地承载的压力建坝后耕地受淹城镇和工矿企业搬迁还要占用耕地约2867hm2移民安置区耕地将减少按每公顷产粮4.5 ̄7.5t计算将减少粮食12万 ̄20万t这种人地矛盾还将影响其它产业的发展2开荒造地破坏植被可能引起新的水土流失3移民安置发展乡镇企业可能造成新的环境污染3土壤环境变化的主要对策从以上所述各种情况来看土壤环境的变化由完全取决于自然因素的变化转为人为因素加速其变化与人口增长植被破坏过度耕垦以及工业化和城市化进程有密切的联系这个趋势难以完全避免但也可控制关键在于科学地认识它以及正确地采取措施要进行区域性和全球性的行动来对付这种严重的挑战应该强调防重于治最有效的措施是控制人口过速增长控制过分采伐森林和破坏植被为了加速退化土壤治理与粮食安全生产及生态环境建设的协调发展还应提高化肥农药和能源利用率控制有害化学物质在土壤水体中的聚集速度和温室气体的排放提倡土壤和生物资源的持续利用等为此下列一些主要对策和应急计划应该予以考虑3.1科学认识土壤与环境的关系古代人们把土壤解释为土者吐生物也认为土壤是作物生长的条件和养分的供应者近代土壤学家把土壤看作各种成土因素的承受者由此形成了五大成土因素学说1933年瑞典科学家S.Mattson首次提出了土壤圈的概念这一概念不仅反映大气圈水圈生物圈和岩石圈对土壤的作用而且也反映了土壤对四大圈的反作用二次世界大战以后世界经济迅速发展人口激增给土壤带来空前的压力主要表现在人类对土壤的需求与日俱增对土壤施加的作用和影响越来越大在人为作用下一方面对土壤有一系列正面的影响另方面对土壤乃至环境也带来了负面的影响土壤中温室气体的释放施肥对水体的污染土壤污染物对植物生长的影响以及工矿区土壤物质的搅动等都是前所未有的因此土壤不仅与作物生长有关而且与人类生存环境联系在一起所以当代的土壤学不仅要为农业服务而且要为资源环境保护作贡献[11 ̄12]3.2因地制宜开发利用土壤资源每一类土壤都有其独特的性质结构和功能应有特定的管理措施同时应使已经退化污染和破坏了的土壤尽快修复和复垦以适应人们的需求对水土流失土壤退化生产力下降和生态系统恶化的侵蚀土壤来说,坡改梯基本农田建设与大面积坡耕地整治相结合是保障粮食供应和推进侵蚀环境综合治理的关键措施[13]例如长江上游水土保持重点防治工程的重点治理区进行坡改梯基本农田建设经6a治理1989 ̄1995年坡度大于25度的陡坡耕地还林幅度达77%人均基本农田符合一定质量标准且划定为必须保护的农田由0.02hm2增加到0.067hm2人均产粮由373kg增加到441kg同时发展了果树等经济林木的生产人均收入由249元增加到532元[14]这既有效地促进了粮食生产又促进了陡坡退耕还林还草当然由于我国丘陵山区自然条件复杂和农村经济基础差异较大必须强调因地制宜发展不同类型的生态农业建设例如坝地农业梯田农业防风固沙林网田农业引水拉沙造田农业客土造田农业引洪淤地农业农林(果)农牧(草灌)复合型坡地生态农业等3.3实施一系列防止土壤环境恶化的措施对农田基本建设城市建设和发展规划应根据现实和将来可能的变化在实现土壤有效管理和生态环境建设方面下功夫一是切实加强耕地保护工作确保实现耕地总量动态平衡坚定土壤与环境Vol.9 No.110不移地执行建设用地走内涵挖潜的路子加快土地利用由粗放型向集约型转变加大土地开发整理力度增加有效耕地面积同时要适当开发耕地后备资源二是按不同类型区的特点保护和优化生态环境保障土地可持续利用首先要严禁毁坏森林草原开垦耕地禁止围湖造田和侵占江河滩地其次要实施大规模绿化工作大力植树种草减缓自然生态恶化三是根据温带和亚热带南界北移的各种模式大力培育适应土壤和气候不同变化的潜在作物果树林木牧草新品种并研究其合理配置和布局规划四是注意规划滨海城镇海岛港湾海岸及沿湖的各种防御工程及时地进行建设[15]3.4加强土壤环境变化研究和监测土壤环境变化虽可预测但它的影响往往不易被察觉到近年来我国对大气和水域污染的监测作了大量工作在制订环境保护措施中起了很大作用这个事实告诉我们对土壤环境变化不仅要加强其过程的研究而且要进行土壤肥料长期定位网络的监测研究才能掌握其变化规律根据各地的监测结果结合土壤管理经验制订出适应各种变化的措施各地的农业环境监测站土壤肥力定位监测站生态农业试验区和农业保护区应把这项工作列为自己的任务3.5加强全社会的环保意识与基础性问题的研究土壤环境变化是涉及自然科学和社会科学的学科是一项庞大的系统工程由于土壤环境变化中的土地退化水土污染等是一个由量变到质变的渐进过程容易被社会大众所忽视而土壤和土地的价值又通常被低估这些已成为环境变化中的重要社会问题因此一方面要加大宣传普及和教育的力度动员全社会都依法参与环境管理和保护树立忧患意识特别值得重视的是环保教育要从娃娃抓起国家应编制大中小学及成人教育的环保教材使环保教育成为全民的必修课逐步养成十分珍惜每一寸土地和切实保护耕地的社会风尚另一方面要强化土壤环境变化中基础性规律性问题的研究基础研究要占一定的比例才能及时提供生产治理过程中的科学技术指导这是保证生产治理可持续发展促进生态环境建设上新台阶的关键4结语大量事实证明低投入高产出的农业生产方式是难以保障人口日益增长对物质的需求的更谈不上满足一个高质量的生活水平和环境水平了低投入高产出不可避免地会产生土地退化水土污染和生物多样性丧失而高投入高产出又可能产生一些有关环境社会和单一生物性的问题两者都可能对生态系统造成永久性的损害这就要求土壤学工作者必须扩展认识层面全方位多层面地来认识土壤和土地资源的本质以确保粮食安全生产和生活环境质量的提高虽然土壤环境变化可能给经济社会可持续发展带来的确切影响目前还不十分清楚但我们应该未雨绸缪才能立于不败之地参考文献:[1]世界资源研究所,国际环境与发展研究所,世界资源1988 ̄1989[M].中国科学院自然资源综合考察委员会译.北京:北京大学出版社,1990.20 ̄26[2]世界资源研究所,联合国环境规划署,联合国开发计划署.世界资源报告1994 ̄1995[M].夏堡等译.北京:中国环境科学出版社,1995.390。
第五章土壤环境【学习指南】本章介绍了土壤环境学研究的一些基本对象和概念,包括土壤及其特性、土壤的形成过程、土壤的物质组成、土壤结构、土壤类型、土壤侵蚀、土壤背景值、土壤环境容量、土壤污染等基本概念。
通过本章的学习,要求掌握以下内容:1、掌握土壤及其特性的基本概念,并了解土壤形成过程中的主要的决定因子2、掌握土壤的物质组成,土壤气、固、液三相的构成情况3、理解土壤结构的含义,了解土壤结构与土壤肥力之间的关系,并了解土壤类型的划分情况4、掌握土壤侵蚀以及土壤侵蚀的分类,并了解土壤侵蚀的危害5、掌握环境污染物的种类与土壤环境污染的危害。
第一节土壤圈一、土壤的概念土壤环境是环境的重要组成部分,土壤圈和大气圈、水圈、岩石圈以及生物圈一起,构成了我们人类生存的自然环境。
土壤圈位于地表,是由土壤构成的。
土壤是地球陆地表面连续不断的自然体,一般地,土壤被定义为:位于地球陆地,具有肥力、能够生长植物的疏松表层。
土壤的最重要的特性是土壤具有肥力,除此之外,土壤环境还具有缓冲性、同化和净化性能。
这些特性使得土壤成为人类社会生存发展的一种重要资源,也使土壤在稳定和保护人类生存环境中起着重要的作用。
土壤肥力是土壤为植物生长供应和协调营养条件与环境条件的能力。
它是土壤物理、化学、生物等性质的综合反映。
土壤中各个肥力因素(水、肥、气、热)是相互联系和相互制约的。
良好的作物生长必须要求诸肥力因素同时存在和互相协调。
土壤中水、肥、气、热的协调能力,主要决定于土体构型和耕层土壤结构。
正是由于土壤具有肥力这个特性,才使得土壤具有了巨大的生产能力。
据估计,在地球大气层上界垂直于太阳光的平面上所接受的太阳辐射能约为8.4kJ/(cm2·min),这叫太阳常数。
天空晴朗时大约有80%的能量能够到达地面,云层浓密时只有不到45%的能量能到达地面,而大约42%为云和尘反射,约10%为臭氧、水汽及其他气体分子所吸收。
平均只有大约0.1%能为植物所固定并转化为化学能。
人类活动对各圈层的影响地球是一个特殊的物理化学系统,它和别的太阳系其他行星不同,不但有生物圈和生命的长期作用,有液态水圈和氮-氧形成的大气圈,还有与固体地圈的板块运动。
从而决定了地球系特有的物质运动与元素行为特征。
因而,这一系列的特征使得这颗特别的星球变得更加神秘而与众不同——因为开始有了人类的出现,生存与发展。
整个地球不是一个均质体,而是具有明显的圈层结构。
如果细分,地球总共可以分为八个圈层。
地球圈层分为地球外圈和地球内圈两大部分。
地球外圈可进一步划分为四个基本圈层,即大气圈、水圈、生物圈和岩石圈;地球内圈可进一步划分为三个基本圈层,即地幔圈、外核液体圈和固体内核圈。
此外在地球外圈和地球内圈之间还存在一个软流圈,它是地球外圈与地球内圈之间的一个过渡圈层,位于地面以下平均深度约150公里处。
其中岩石圈、软流圈和地球内圈一起构成了所谓的固体地球。
地球各圈层在分布上有一个显著的特点,即固体地球内部与表面之上的高空基本上是上下平行分布的,而在地球表面附近,各圈层则是相互渗透甚至相互重叠的,其中生物圈表现最为显著,其次是水圈。
近半个世纪以来,在居于中心地位的智慧圈中,人类活动对环境变化发挥着越来越大的作用,他对其他六个圈层干扰强度和广度业已远远超过了他们各自的自然振荡值。
人类活动干扰大自然能力和规模空前增长,使地表覆被、土地利用类型以及自然生态系统发生了巨大而深刻的变化。
量多面广的污染物干扰了原有的生物地球化学循环,引发了一系列全球变暖、臭氧层耗竭、酸雨肆虐、水体污染和水资源短缺、森林及湿地萎缩、灾害频发和生物多样性减少等环境危机。
一切皆源于人类的无序发展,环境污染,生态破坏等种种人类生态环境问题,而环境质量演变有无不受制于人文过程以及生态破环境与地球系统的变化,继而对人类的生存和发展构成现实或潜在的威胁。
一.人类活动对大气圈的影响大气圈是地球表面由各种气体、水汽和多种悬浮物及其他杂质组成的复杂的流体系统,是生命活动长期参与作用的结果。