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Soil Science Lesson 11 Problem Soils 問題土壤 • 酸性土壤問題： 1. 強酸情形下，鋁、鐵、錳、鋅、銅等微量元素之溶解 度均增加，植物生長可能遭受此類元素溶解度增加之 毒害。 2. 磷之有效性降低，鈣、鎂缺乏。 3. 在酸性條件下，細菌、放射菌活性降低，影響微生物 參與反應 4. 植物發育最適合的pH大約都是pH6~7 • 酸性土壤之管理 – 因酸性土壤之pH值已降低至不適合於某些經濟或糧食 作物栽培，不論其後自植物生理方面抑或自植物營養 要素之有效性方面考慮，皆須施用石灰以矯正其pH 酸性土壤 (Acid soil) • 酸性土壤之成因 a) 降雨量 > 蒸散量 b) 硫化物之氧化 • • FeS2→H2SO4+Fe(OH)3 可造成 pH < 2 c) 長時期之施用酸性肥料 • NH4++2O2→NO3-+2H++H2O d) 酸雨 (acid rain) • • 含有H2SO4和HNO3 pH < 5.6 (rainwater equilibrium with pCO2=0.00033atm) – ex. Minnesota pH下降0.2 unit → 137 yrs. e) 植物殘渣或有機廢棄物在還原狀態下分解生成有機酸 台灣耕地土壤的pH(1：1 soil/water) pH 分佈(%) <5.6(強酸性) 33 5.6-6.5(酸性) 25 6.6-7.3(中性) 16 7.4-8.0(微鹼性) 22 >8.0(鹼性) 3 土壤~石灰間之反應 土壤粒子 土壤粒子 H+ + H+ CaCO3 Al(OH)2+ + 土壤粒子 H2O CaCO3 Ca2+ + 土壤粒子 H2CO3 H2O + CO2↑ Ca2+ +Al(OH)3+CO2↑ 1.增加土壤粒子之鈣飽和 2.中和由氫或鋁兩者任一來源造成土壤之酸性 石灰需要量 (Lime requirement) • 一般係指將每公頃表土層 pH 值提高至適於 某種或某些作物生育的 pH 所需要之石灰量。 亦有係指將土壤 pH 提高至 pH 7所需要之 石灰量。 • 石灰需要量測定法： – 土壤-石灰培養法 – 土壤-塩基滴定法 – 土壤-緩衝液平衡法 農用石灰之種類 1. 方解石質石灰岩(Calcitic limestone, aCO3) 2. 白雲石質石灰岩(Dolomitic limestone, CaMg(CO3)2) 3. 生石灰(Quicklime, CaO) CaCO3 + 熱→ CaO +CO2↑ 4. 消石灰(Hydrated or slaked lime, Ca(OH)2) CaO + H2O → Ca(OH)2 石灰之品質 • 碳酸鈣當量 – pure CaCO3 = 100 CaCO3分子量 100 pure CaO 100 100 178.5 CaO分子量 56 • 粒度 石灰質土壤 (Calcareous Soils) • 係指土壤中含有頗多之石灰物質，如CaCO3, MgCO3及CaMg(CO3)2 等。 • 少雨地區土壤中，由於風化作用自各種礦物釋放出來之Ca2+,Mg2+等 離子，因雨水不多未遭流失，常以碳酸鹽之狀態聚積於土壤中，在其 他氣候中，有些石灰岩、大理岩或其他含石灰物質之母質，其風化生 成之土壤，其中之石灰物質未被流失而保存。 • pH 7 ~ 8.5，磷有效性低 (難溶性之Ca-P化合物)。Cu, Zn, Mn, Fe有 效性低 • 改良 → 將石灰物質移去 – 加酸性物料 • 例如：硫，S + O2 → H2SO4 – 淡水灌溉洗滌與排水 塩化土壤 (salt-affected soils) 1. 含塩土壤多見於乾旱地區之低漥排水不良 地帶 – 年平均降雨量 < 年平均蒸發量 • *人為不當之灌溉 2. 土壤礦物經化學風化作用所釋放出來之各 種離子所構成的簡單可溶性塩類未能全部 洗去，而聚積於土壤中。 3. 台灣塩化土壤分佈於台南七股、北門、嘉 義布袋。 塩化土壤（續） • 分為： – 塩土 (saline soils)： • 土壤飽和萃取液 EC (電導度) > 4 mmho / cm – 鹼土 (sodic soils)： • ESP (Exchangeable sodium percentage) > 15 % ESP NaX 100 CEC – 塩鹼土 (saline-sodic soils)： • EC > 4 mmho / cm • ESP > 15 % 塩土對作物生長之影響 1. 滲透壓之影響 2. 高 pH，造成微量要素之缺乏 3. 特殊離子如Cl-，B之影響 鹼土對作物生長之影響 • 鹼土因 ESP 高，當潮濕時各個膠體粒子彼 此排斥而保持分散狀態，分散的細土壤粒 子部分會阻礙土壤孔隙，依序對水分之穿 透及移動必然發生不利之影響。當乾燥後， 此類土壤多成為整塊狀、硬及壓實，土壤 物理情況不良，高 pH 值，及造成營養之不 平衡為土壤生產力不佳之主要原因。 塩土之改良與利用 1. 洗塩 2. 排水 3. 栽種耐塩性作物 鹼土之改良 • 添加改良劑降低 ESP • 石膏 CaSO4．2H2O 土壤粒子 Na + Na Ca2+ 土壤粒子 Ca + 2Na+ 塩鹼土之改良 • • 先添加改良劑降低 ESP 然後再洗塩 – 此處需特別提醒者，為在洗塩之前，先須先 降低 ESP 土壤污染學 • 土壤污染物來源： – 由於工業之急速發展，人口增加迅速，工業廢水、廢 氣、廢棄物以及都市污水、廢棄物等之處置不當，使 得其中所含之汙染物進入土壤，而影響了土壤之正常 功能。 • 土壤污染物之媒介： – 水、空氣、廢棄物及農業生產資材，為土壤污染物質 來源之主要媒介。一般由於水污染而引起之土壤污染 之情形最為普遍，其次為經由空氣污染落塵引起之土 染污染，再其次則為由廢棄物或農業生產資材之處置 或施用不當而引起之土壤污染。 水污染引起之土壤污染 • 工業或畜牧廢水未經處理排入灌溉渠道，引起灌溉水 污染，而造成引用污染水灌溉之農田土壤受到汙染。 或者由於這些廢水未經處理直接排入土壤，而造成土 壤污染。 – 由工業廢水引起： • 在台灣地區已有幾個因工業廢水不當排放而造成之土壤污染案 例，其中最引起注意之個案為桃園縣觀音鄉及蘆竹鄉之土壤鎘、 鉛污染。桃園縣觀音鄉大潭村高銀化工廠及蘆竹鄉中福村基力 化工廠生產硬脂酸鎘及硬脂酸鉛塑膠安定劑，工廠排放含有鎘、 鉛之廢水污染鄰近農田，造成土壤含鎘、鉛量過高。於民國71 年調查土壤重金屬含量，發現部分稻田土壤含鎘及鉛量，均遠 超過台灣農田土壤之自然含量，生產之糙米含鎘量超過安全限 值。污染事件發現後，民國72年該區生產含鎘稻米以焚化或製 成毒餌處理。並從民國73年一期作起全數辦理休耕。 水污染引起之土壤污染 – 由畜牧業廢水引起： • 養豬廢水未經處理即行排入水溝中，其含高濃度之有機物、氮、 磷、銅及鹽分等，造成灌溉水質之劣化，進而造成土質之劣化。 在本省養豬頭數眾多，根據農林廳資料（西元1993年），民 國80年本省養豬頭數共有1300萬頭，如養豬廢水未能妥善處 理，即行排入灌溉水溝中，會對土壤之正常功能產生衝擊。新 鮮之糞尿逕行排入土壤後，會使土壤中之養氣被消耗殆盡，植 物根部易因缺氧而受害。或會使土壤呈還原狀態而產生一些對 植物有害之物質，例如：有機酸。另由於豬飼料添加銅，豬糞 尿排入土壤，導致土壤銅含量之增加，也值得注意。根據台灣 省水利局所進行水污染防治監視計畫之調查（西元1992年）， 全省各水利會灌溉區中，廢水排入各渠道中之排洩戶共有 3,356戶，其中畜牧廢水有1,335戶，佔總排洩戶之40%，這些 畜牧廢水造成很多灌溉幹線之水質電導度和含氮量不合灌溉水 質標準。 空氣污染引起之土壤污染 • 由車輛廢氣、能源使用及工業廢氣引起： – 車輛排放之廢氣造成公路兩旁土壤鉛含量之增加。台灣省環保局 於民國73年進行高速公路兩側土壤鉛含量調查發現，路瑟土壤鉛 含量隨著和公路之距離增加而減少，且路側土壤鉛含量較台灣地 區土壤一般鉛含量高出甚多。自民國80年環保署大力推展無鉛汽 油，車輛廢氣造成鉛污染之問題應已有所改善。能源使用及工廠 排放之廢氣含有粒狀物、氮氧化物（NOX）、硫氧化物（SOX）、 氯化氫等會污染空氣，並可直接或間接污染土壤。例如：水泥廠 排放之煙灰屬鹼性，落在土壤上會影響土壤之性質，使土壤pH值 更趨鹼性；氮氧化物、硫氧化物、氯化氫等會使雨水酸化，造成 所謂的酸雨，酸雨對於生態環境之平衡和土壤之正常功能會造成 衝擊。根據環保署之空氣污染排放總量調查及減量規劃報告，西 元1988年台灣地區單位面積NOX及SOX之年排放量分別為10.9和 16.7百萬噸/平方公里，為美國之5倍和7倍。 空氣污染引起之土壤污染（續） • 落酸之汙染： – 落酸降（Acidic deposition）可分為乾、濕兩種，乾性 落酸係指可形成酸之細微顆粒，濕性落酸即一般俗稱 的「酸雨」。理論上，正常的雨水pH值，應與大氣中 的二氧化碳氣體溶於水蒸氣而達平衡的pH值相同，約 為5.6。因此一般報告係以5.6為雨水是否受到酸化之判 斷依據。酸雨造成之原因咸認為因人類大量使用石油、 煤和天 燃氣等石化燃料所產生的硫氧化物（SOX）， 汽、機車所排放的氮氧化物（NOX），再加上工廠排放 的氯化氫，累積於大氣中所導致。 空氣污染引起之土壤污染（續） 根據臺灣地區與水pH值累 積頻率分布圖，我們可發 現台灣地區發生酸雨之機 會有70%。酸性雨水降至 地面上，能降低土壤之鹽 基飽和度而酸化土壤（尤 其是中性及鹼性土壤）， 加速土壤中植物養分的流 失而造成土壤貧瘠。部份 森林亦因土壤中容易中鋁 濃度之增加而受害。 空氣污染引起之土壤污染 • 由車輛廢氣、能源使用及工業廢氣引起： – 車輛排放之廢氣造成公路兩旁土壤鉛含量之增加。台灣省環保局 於民國73年進行高速公路兩側土壤鉛含量調查發現，路瑟土壤鉛 含量隨著和公路之距離增加而減少，且路側土壤鉛含量較台灣地 區土壤一般鉛含量高出甚多。自民國80年環保署大力推展無鉛汽 油，車輛廢氣造成鉛污染之問題應已有所改善。能源使用及工廠 排放之廢氣含有粒狀物、氮氧化物（NOX）、硫氧化物（SOX）、 氯化氫等會污染空氣，並可直接或間接污染土壤。例如：水泥廠 排放之煙灰屬鹼性，落在土壤上會影響土壤之性質，使土壤pH值 更趨鹼性；氮氧化物、硫氧化物、氯化氫等會使雨水酸化，造成 所謂的酸雨，酸雨對於生態環境之平衡和土壤之正常功能會造成 衝擊。根據環保署之空氣污染排放總量調查及減量規劃報告，西 元1988年台灣地區單位面積NOX及SOX之年排放量分別為10.9和 16.7百萬噸/平方公里，為美國之5倍和7倍。 空氣污染引起之土壤污染（續） • 落酸之汙染： – 落酸降（Acidic deposition）可分為乾、濕兩種，乾性 落酸係指可形成酸之細微顆粒，濕性落酸即一般俗稱 的「酸雨」。理論上，正常的雨水pH值，應與大氣中 的二氧化碳氣體溶於水蒸氣而達平衡的pH值相同，約 為5.6。因此一般報告係以5.6為雨水是否受到酸化之判 斷依據。酸雨造成之原因咸認為因人類大量使用石油、 煤和天 燃氣等石化燃料所產生的硫氧化物（SOX）， 汽、機車所排放的氮氧化物（NOX），再加上工廠排放 的氯化氫，累積於大氣中所導致。 廢棄物處置及農業生產資材使用不當引 起之土壤汙染 • 廢棄物處置不當 – 廢棄物（含一般廢棄物及有害事業廢棄物）之任意傾棄或不當掩 埋於土地上，將導致廢棄物中之有毒物質（如重金屬和有機合成 化合物）汙染土壤。尤其是有害事業廢棄物，由電鍍、皮革、染 整、電子、廢五金、石化、農業、造紙等行業產生之汙泥及廢棄 物，其毒性特性溶出試驗（Toxicity Characteristic Leaching Procedure,簡稱TCLP）超過摽準者。這些溶出試驗超出標準之毒 性物質（如表4-2所示），可能會由廢棄物中溶出而造成危害。例 如：本省台南灣裡地區二仁溪流域附近之廢五金回收作業，因回 收業者未能有效處理作業過程所產生之廢棄物及酸洗廢液，而將 廢棄物和廢液任意傾棄於附近之空地或河岸。這些廢棄物及酸洗 廢液所含之重金屬或毒性物質，因而進入土壤導致汙染。根據省 環保處於民國七十五年委託中興大學之調查報告指出：廢五金回 收作業區之土壤重金屬含量，遠高於非作業區土壤之含量。 廢棄物處置及農業生產資材使用不當引 起之土壤汙染（續） • 農藥之汙染 – 農藥（包括：殺蟲劑、殺草劑、殺菌劑）之使用，使 得作物之正當生長得以維護，且植物之病蟲害得以紓 解，惟農藥使用後，有些農藥在土壤中分解緩慢，表43列出各種類農藥於土壤中被生物分解所需之時間估計 值，遺留在土壤中之農藥殘量，是否會威脅土壤生態 及人畜健康之疑慮，亦隨著農藥用量逐年增加而加劇。 根據省農林廳之資料，民國七十八年全省農民購買農 藥費用達40億元以上，而使用之農藥種類達三百種以 上。 廢棄物處置及農業生產資材使用不當引 起之土壤汙染（續） • 農藥之汙染 – 農藥（包括：殺蟲劑、殺草劑、殺菌劑）之使用，使 得作物之正當生長得以維護，且植物之病蟲害得以紓 解，惟農藥使用後，有些農藥在土壤中分解緩慢，表43列出各種類農藥於土壤中被生物分解所需之時間估計 值，遺留在土壤中之農藥殘量，是否會威脅土壤生態 及人畜健康之疑慮，亦隨著農藥用量逐年增加而加劇。 根據省農林廳之資料，民國七十八年全省農民購買農 藥費用達40億元以上，而使用之農藥種類達三百種以 上。 廢棄物處置及農業生產資材使用不當引 起之土壤汙染 （續） • 肥料之不當使用 – 因本省肥料價廉以及農友施肥知識不足，常有不正確及過量施用 之情形，其中尤以高經濟價值作物之實際施肥量，往往超過目前 「作物施肥手冊」所載推薦量之數倍，甚至多十多倍。根據民國 78年版化學工業年鑑，台灣地區單位面積三要素平均用量（NP2O5-K2O）為275.2-65.1-107.9kg/ha，位居亞洲之冠。過量之施 用化學肥料不僅浪費能源，而且可能裂化土壤裡話性質，並造成 土壤、水源與環境汙染。例如：氮肥施用過量，可能引起作物徒 長及硝酸態氮之累積，造成人類攝食之危害；長期過量使用肥料， 會使土壤可溶性鹽份增加，如施用的又是酸性土壤，可使土壤酸 化：氮肥施用不當引起大量之氮經淋洗而進入地下水，可能造成 地下水硝酸態氮含量太高，而引起攝食者之健康危害。嬰兒之棕 血球過多症（Methemoglobinemia）或稱「藍嬰症」，主因便是 每日硝酸態氮攝取量過多。 其他原因引起之土壤汙染 • 地層下陷、海水入侵引起之土壤鹽化 – 本省沿海，例如：屏東地區、魚塭密集，經常 抽取地下水做為養殖使用，因長期大量抽取， 地下水又無補注，而造成地層下陷，海水入侵， 土壤鹽化。根據屏東沿海地區土壤鹽份調查資 料（鄭雙福，1991年），發現佔總調查面積五 千五百公頃18%之表土及15%之裡土出現鹽土， 而鹽土分布密度較大之地區正是魚塭密集地區。 其他原因引起之土壤汙染（續） • 地下儲油槽洩漏引起之土壤污染 – 地下儲油槽可能因老舊腐蝕油品到周遭之土壤（如圖4-2所示）， 油品中所含之成份很多是管制之有害物質，例如：苯 （Benzene）、甲苯（Toluene）、二甲苯（Xylene）、乙苯 （Ethylbenzene）。這些有害物質因進入土壤而造成土壤之汙染。 美國境內約有一百四十萬個地下儲槽，其中95%貯存石油製品， 據調查約有35%之地下槽已遭到腐蝕，開始洩漏油品共有1,134個。 每個加油站皆有數個地下儲油槽，加上軍方與工廠之儲油槽數目， 本省地區地下儲油槽，加上軍方與工廠之儲油槽數目，本省地區 地下儲油槽總數可能高達5000個左右，這些地下儲油槽有部分已 經非常老舊，可能已經腐蝕而開始洩漏油品，導致鄰近之土壤受 到汙染，值得我們注意。 土壤污染管制標準 土壤污染管制標準（續） 土壤污染管制標準（續） 土壤污染管制標準（續） 土壤污染管制標準（續） 土壤汙染整治技術及方法 • 土壤汙染土壤改良工作可分為三種型態：第一，現地土體 內處理；第二，現地取土處理；第三，取土外院處理。而 對於尚無良好處理方法的土壤污染，為防止污染物之擴散 為害，可採取現地封隔或取土後封隔（妥藏）的方法。 • 土壤防治技術與方法大致可分為六大類： 1. 2. 3. 4. 5. 6. 萃取法（Extraction） 安定法（Immobilization） 降解法（Degradation） 稀釋法（Attenuation） 揮發抑制法（Reduction of volatilization） 熱處理法（Thermal treatment） 土壤汙染整治技術及方法 （續） • • 每一類都有許多不同的處理技術，下面將各種處理技術 與可能處理的汙染物列表（表14-1）概予說明，以供實 際選擇應用與研究發展之參考。 選擇土壤汙染處理方法尚涉及諸多因素而難以立即正確 的取捨。如對汙染區土壤了解不足，對現有處理方法之 經驗不足，因此有必要遵循一個推介評選程序，將幾種 可採用的方法先加以分析比較。內容包括受汙染地區之 重劃利用理論、技術、執行及經費等多方面。 土壤汙染整治技術及方法 （續） 土壤汙染整治技術及方法 （續）