铵到硝酸盐的这种生物氧化作用叫做硝化作用。这个反应分两步进行： 《环境学概论》教学辅导—— 土壤的污染与防治
一、土壤的污染与净化
（一）土壤污染的基本概念
土壤污染是指人类活动所产生的物质（污染物），通过多种途径进入土壤，其数量和速度超过了土壤容纳的能力和土壤净化速度的现象。
土壤污染可使土壤的性质、组成及性状等发生变化，使污染物质的积累过程逐渐占据优势，破坏了土壤的自然动态平衡，从而导致土壤自然正常功能失调，土壤质量恶化，影响作物的生长发育，以致造成产量和质量的下降，并可通过食物链引起对生物和人类的直接危害，甚至形成对有机生命的超地方性的危害。
有关土壤污染量的指标有多种，目前常用以度量土壤污染程度的指标有如下几个方面：
1．土壤背景值（或本底值）：通常以一个国家或一个地区的土壤中某元素的平均含量作为背景值，以与污染区土壤中同一元素的平均含量进行对比，超过背景值即属土壤污染。
不同土壤 同一元素含量不同
用同一土壤类型的污染和非污染土壤的元素平均含量作对比
2．生物指标：土壤中某有害元素或污染物含量较高时，被植物吸收的量亦相应增加，可引起植物的一系列反应，如生长发育受到抑制、生态发生明显变异、土壤微生物区系发生变化、人们食用受污染的植物后对人体健康的危害程度等均可作为度量污染的生物指标。
（二）土壤中污染物质的来源和种类
1．土壤污染物质的来源：
土壤污染的发生特征是与土壤所处的地位和功能相联系的，其污染物主要来自两个方面：
• 人为污染源，土壤污染物主要来自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；
• 自然污染源，在自然界中某些矿床或物质的富集中心周围，经常形成自然扩散晕，而使其附近土壤中某些物质的含量超出土壤正常含量范围，而造成的土壤污染。
2．土壤污染物的种类：有化学污染、物理污染、生物污染和放射污染等，其中以土壤的化学污染最为普遍、严重和复杂。
化学污染物质可分为无机污染物和有机污染物两大类。
（ 1） 无机污染物 土壤中的无机污染物包括对生物有危害作用的元素和化合物，主要是重金属、放射性物质、营养物质和其他无机物质等。重金属有汞、镉、铅、砷、铜、锌、钴、镍、硒等；放射性物质主要指铯、锶、铀等；营养物质主要指氮、磷、硫、硼等；其他物质主要指氟、酸、碱、盐等。
（ 2） 有机污染物 土壤中的有机污染物是化学农药，目前在世界范围内大量使用的农药约50余种，有有机氯类、有机磷类、氨基甲酸酯类、苯氧羧酸类、苯酰胺类等。石油、多环芳烃、多氯朕苯、甲烷等也是土壤中常见的有机污染物。
此外，还有生物类，例如肠细菌、炭疽杆菌、蠕虫类等侵入土壤，它们的大量繁衍，对人体健康或生态系统均产生不良影响。
（三）土壤污染的主要发生途径
主要有四种
1．大气污染型：污染物质来源于被污染的大气，污染物质主要集中在土壤表层，其主要污染物是大气中的二氧化硫、氮氧化物和颗粒物等，它们通过沉降和降水而降落地表。如由于大气中的二氧化硫等酸性氧化物使雨水酸度增加，可引起土壤酸化，破坏土壤肥力与生态系统的平衡；各种大气飘尘（包括重金属、非金属有毒有害物质及放射性散落物等降落地面，会造成土壤的多种污染。
2．水污染型：城乡工矿企业废水和生活污水，未经处理不实行清污分流，就直接排放，会使水系和农田遭到污染。特别是在水源不足的地区，引用污水灌溉，常使土壤受到重金属、无机盐、有机物和病原体的污染，并影响到作物、蔬菜的质量。
3．固体废弃物污染型：主要是工厂矿山的尾矿废渣、污泥和城市垃圾等作为肥料施用或在堆放过程中通过扩散、降水淋洗等直接或间接地影响土壤。
4．农业污染型：污染物主要来自施入土壤的化学农药和化肥，其污染程度与化肥、农药的数量、种类、利用方式及耕作制度等有关。
有些农药如有机氯杀虫剂、 666等，在土壤中长期残留，并在生物体内富集；氮、磷等化学肥料，凡未被植物吸收利用和未被根层土壤吸附固定的养分都在根层以下积累或转入地下水，成为潜在的环境污染物。残留在土壤中的农药和氮、磷等化合物在地面径流或土壤风蚀时，就会向其他地方转移、扩大土壤的污染范围。
上述土壤污染类型是相互联系的，它们在一定的条件下可以相互转化。
（四）农药和化肥污染土壤的机理
1．农药在土壤环境中的吸附与降解
（ 1）土壤对农药的吸附作用
进入土壤的农药，可以通过 物理吸收、化学吸附、氢键结合及配价键结合 等形式吸附在土壤颗粒的表面。
农药在土壤有机质和矿物质上的吸附过程中可能起作用的机制有离子交换、配位体交换、氢键结合、质子化作用等。
农药既可被土粒吸附，又可释放到土壤溶液中去，农药在土壤环境中的吸附可降低农药的活性，但吸附作用是暂时的、可逆过程，一旦吸附条件被破坏，农药又可解析出来进入土壤溶液中，从而导致土壤受到农药的再污染。
（ 2）农药在土壤中的降解作用
包括光化学降解、化学降解和微生物降解等。
光化学降解是指土壤表面接受太阳辐射能和紫外线等而引起农药的分解作用，大多数农药都能发生光降解作用；
化学降解以水解和氧化最为重要，水解是最重要的反应过程之一。
微生物降解是指土壤中的微生物通过生物化学作用参与分解土壤中的有机农药，
其降解机理有脱氮作用、氧化还原作用、脱烷基作用、水解作用、环裂解作用等。
2．化学肥料在土壤中的转化
（ 1）土壤中氮肥的转化 土壤中氮肥的转化实际上是有机氮化物的矿化作用，基本上是连续的三个反应过程：氨基化作用、氨化作用和硝化作用。
前两步是通过异养性生物进行的，第三步基本上是由土壤中的自养性微生物来完成的。
异养性微生物以有机碳化物为能源，自养性微生物则通过氧化无机盐类而获得能量，从周围大气中的 CO 2 获得所需的碳素。
氨基化作用：异养性微生物共同作用
蛋白质─→ R-NH 2 +CO 2 +能+其他产物
氨化作用：被其他异养性微生物所利用
R-NH 3 +HOH─→NH 3 +R-OH+能量
铵到硝酸盐的这种生物氧化作用叫做硝化作用。这个反应分两步进行：
亚硝酸的作用主要是专性自养性细茵亚硝酸化毛杆菌进行的，其反应式为：
从亚硝酸盐转变成硝酸盐的作用主要由专性自养细菌硝化杆菌进行的，反应式为：
由反应式可以看出，在通气良好的土壤中，硝化作用的结果形成氢离子。因此，当氨态氮肥和许多有机氮肥转变成硝酸盐时，释放出的氢离子可导致土壤的酸化。
（ 2）土壤中磷的形态和转化土壤中的磷一般分为有机的和无机的两类。
有机磷包括磷脂、核酸和磷酸肌醇；
无机磷大多与铁、铝、钙、氟及其他元素结合，并以多种形态存在于土壤中，其中有一部分是由肥料盐类同某些土壤组成反应形成的特殊化合物。
这些化合物通常只微溶于水。磷酸盐也可以同粘粒作用形成不溶性的粘粒 -磷酸盐复合物。而水 
液中。
土壤中磷的各种形态相互之间存在着动态平衡：
有机结合态磷 
土壤溶液磷 
相对不溶性的磷酸铁、铝和粘粒化合物
二、土壤净化与土壤防治
（一）土壤净化
1．土壤净化：
从广义上理解土壤净化，是指污染物质进入土壤后，经生物和化学降解变为无毒害物质，以及通过化学沉淀、络合和螯合作用、氧化还原作用变为不溶性化合物，或是为土壤胶体牢固地吸附，植物难以利用而暂时退出生物小循环、脱离食物链或被排出土壤之外的作用。
狭义的土壤自净，主要是指微生物对有机污染物质的降解作用，以及使污染化合物转变为难溶性化合物的作用。
土壤净化能力决定于土壤的物质组成和其他特性，也和污染物质的种类和性质有关。
2．土壤净化的机理：
微生物能，绿色植物。
土壤生态系统往往被看成是高效的“活过滤器”。它的净化功能主要由下列要素组成：
①绿色植物根系的吸收、转化、降解和生物合成作用，
②土壤中的细菌、真菌和放线菌等微生物的降解、转化和生物的固定化作用；
③土壤的有机、无机胶体及其复合体的吸收、络合和沉淀作用；
（土壤的净化能力受气候和其他环境条件的影响，在温暖的植物生长季节，对生物可降解的有机污染物，上述要素中①、②、③项起主要作用）
④土壤的离子交换作用；
⑤土壤和植物的机械阻留作用；
对无机盐类、营养元素和重金属等污染物，①、④项起重要作用
⑥土壤的气体扩散作用。
对那些易挥发的或者可以转化为气态污染物的，则⑥项起主导作用。
土壤的净化功能目前正在被广泛应用到环境治理方面。
（二）土壤污染的防治
防治的措施包括：
1．控制和消除外排污染源
土地处理系统 是指利用土地来处理污水，即利用土壤生态系统作为净化污水、改善水质、保护土壤的目的。
目前土地处理系统已发展成为代替三级深度处理的重要途径之一。污水通过二级处理，仍然含有一定量的悬浮固体、溶解性有机物质、溶解性无机盐类，特别是含有较大量的氮、磷物质。因此，必须采取三级处理。但三级处理费用昂贵，所以提出用土地处理以代替三级处理的作用。这样不仅费用低廉、节省能耗，而且可利用肥源，促进土壤生态平衡，保护土壤。
土地处理系统是利用土壤以及其中的微生物和植物对污染物进行综合净化作用的。
土地处理系统的净化处理主要是土壤的过滤、截留、物理和化学吸附、化学分解、生物氧化以及微生物和植物的吸收等作用。
因此，必须保持土地生态系统的生态平衡——保持污水 -土壤-微生物-植物的生态平衡。
土地处理系统的处理方式主要有：漫流或溢流、灌溉、渗流或渗漏等。
运用土地系统处理污水、净化土壤的措施已在国外许多国家兴起。
例如澳大利亚的维多利亚州墨尔本西郊的威里比牧场，总面积一万公顷，原为一个贫瘠的平原，其中土地处理系统占 7000公顷，包括原污水的过滤、沉淀及污泥消化等前处理系统，以及土地过滤、牧草过滤及池塘、氧化塘等主体处理系统，不同季节交互作用，日处理污水量达40多万吨，成为澳大利亚“化害为利”的典范（图7-11）。
近年来，英、美等国家环保部门也都很重视土地处理系统的发展及科学研究工作，在密执安州的莫斯克岗县农场，是本世纪 70年代新兴的一个现代化土地处理系统，总面积为4000公顷。土地处理包括氧化塘及污水库，起到二级处理作用，可处理全县的生活污水及纸浆和造纸厂所排放的全部高浓度有机废水。
我国随着工农业生产和城市的发展，废（污）水排放量日益增加。我国也十分重视污水的土地处理措施，目前，我国污水灌溉地区已发展到 30多个，污灌面积达800万亩。例如，西安污灌区大大减轻了渭河的污染，白洋淀上游保定市截污灌田，使白洋淀水质有较大改善。土地处理系统巳是城乡生态系统物质循环与能量流动的重要环节，对城市及工业污水，提倡利用土地处理系统，做到乔、灌、草、农、林、牧多样化，做到处理与利用结合，这是我国今后环境治理的一个重要方向。
2．土壤污染治理的生态对策：这是控制和消除污染物进入农业生态系统的积极有力的措施。下面重点谈两种生态措施：
（ 1）控制农药污染的生态措施 农药使用后大部分直接落入土壤中，其次为植物吸收或飞扬到大气中，或随水流走，并有相当数量的农药残留在土壤中，残留的时间如表7-13所示。
如连续使用残留性大的农药，农药在土壤中的浓度要逐年增加，但残留量不是无限的增加。土壤中的农药在多数情况下呈指数函数减少。因此，连年使用农药，经若干年后也会达到平衡状态。农药在土壤中的残留受土壤质地、土壤含水量、土壤有机质及土壤其他特性的影响，如长期淹水的土壤可以加速 666和二苯醚、五氯酚的降解，666在淹水条件下50天即有90％以上被降解；砂土吸附较弱，可使农药加速蒸发。
目前，我国已严禁使用有机氯农药，正在研制高效、低毒、低残留的农药代替。在生态治理上要发展生物防治技术，即以虫治虫和以菌治虫的方法：
例如用金小蜂治红铃虫，
养鸭治水稻虫害，
蚂蜂治棉虫，
赤眼蜂、草铃虫治农田害虫等。
在生态治理方法上主要是通过天敌和生物转化，其中主要还是微生物的转化作用。
①农药被微生物降解的基本机理：有关材料说明，有些微生物具有代谢有机农药的作用，主要有假单胞菌属（ Pseudomonas）、诺卡氏菌属（Nocardia）和曲霉菌属（Aspergillus）等。
农药微生物氧化的一种常见方式；缩合作用，这种方式可将有毒分子或其一部分与另一有机物结合，可使农药或其衍生物失去活性；共代谢，微生物使农药发生变构作用，但不从其中取得足够生长利用的碳或能，这种偶然发生的过程，称为共代谢或共氧化。
例如：杀虫剂的微生物降解—— DDT的代谢主要是脱氯作用，使DDT变为DDD或经脱氢脱氯变成 DDE，而DDD和DDE又可进一步氧化为 DDA。反应式如下：
DDT在好气条件下分解很慢。DDE和DDD毒性比DDT低得多，但DDE仍有慢性毒性，因此要注意此类农药分解产物在环境中的积累；除草剂的微生物转化——农药在微生物作用下进行降解后，其降解产物毒性或降低、或提高，如除草剂2，4，5-7在土壤微生物作用下可降解为2，4，5-三氯酚，二个分子的三氯酚缩合脱去两个分子氯化氢，生成二恶英，是一种强致畸性物质，能长期残留，并固定于土壤中。
②土壤微生物对农药的净化作用：农药在土壤中的降解作用包括氧化、光解、水解以及微生物活动的分解。水解是其中最重要的反应之一。
在大多数情况下，水解可导致农药变成毒性较小的物质。 666的四种异构体在渍水水稻中都降解得很快，渍水两个月后，四种异构体基本消失，但灭过菌的土壤在同样条件下培养两个月，四种666异构体降解却很缓慢，这说明水解比起土壤微生物的作用来，后者起决定性作用。
经过试验说明，微生物在农药降解上起主要的作用。在渍水土壤中，加入 1%紫云英，666的降解速度更快。这是由于绿肥的加入使土壤电位下降，并增强微生物活动所致。
林丹在湿润土壤上降解速率与渍水土壤类似，在旱地中，林丹 28天可降解约95%，但是β-666虽在渍水土壤中降解很快，而在湿润土壤上却很难降解。这主要是在这两种条件下，降解的途径不同：渍水土壤中主要降解产物是γ-四氯环己烯，而在非渍水的旱田中，却是直接脱HCl，生成五氯环己烯，这个反应不易进行。
土壤微生物的作用也是有机磷农药净化的重要因素。假单孢茵（ Pseudomonas SP．）对于4ppm的对硫磷只要20天就可全部分解。辛硫磷在含有多种微生物的自然土壤中能迅速降解。两周可消减75％，38天即可全部降解；而在无菌的同样土壤中，38天仅消失1/4。在常见的厌氧细菌（Aerobacter Cloacae）培养液中， 4日可减少 35%，20日就有90%的辛硫磷消失。
（ 2）控制土壤受重金属污染的生态对策
土壤一方面对重金属具有一定的保留和固定的能力，可以允许一定量的重金属进入而不表现出对植物生长危害或对食物链产生污染；
但另一方面，土壤的重金属是从开始产生污染到产生后果有一个长时间的逐步积累的隐蔽过程，是潜在危害。
土壤一旦遭受重金属污染，是难以治理的。
可采用改种法，即在重金属污染的土地上经过改换作物类型或品种仍可维持农业生产；
抑制吸收法，即采用合理的农业措施，可以减少农作物对重金属的吸收；
土壤改造法，即在污染不太重的土壤上，采用深耕的办法使上下层混合，降低耕层中重金属的含量，也可用深耕倒换土层的办法，使上层土淹入下层；
生物改良法，即种植某些具有很高富集重金属的作物，通过植物吸收作用，可以降低土壤中的某些重金属。