第二章土壤元素背景值和环境容量

第二章土壤元素背景值和环境容量第1页，课件共39页，创作于2023年2月主要内容土壤元素背景值

概念及研究方法一些国家土壤元素背景值比较影响土壤元素背景值的因素在环境质量标准制定中的应用土壤环境容量

概念研究示意图数学表达式应用

第2页，课件共39页，创作于2023年2月土壤元素背景值土壤元素背景值是指土壤在自然成土过程中所形成的固有地球化学组成和含量。由于在全球范围内人类活动和现代工业发展的影响，绝对不受污染的土壤已经很难找到，因而背景值无论在时间上和空间上均具有相对的含义，在实际样品的采集中应寻找人为影响尽可能少的地方。同时，土壤圈与自然-地理环境条件及历史紧密相联系，与岩石圈、大气圈、水圈、生物圈处与经常的相互作用之中，土壤的形成和发育受气候、生物、母质、地形和时间等的明显影响，土壤背景值在不同区域或同一区域、不同地点采集的样品，其分析的结果往往不同，反映了土壤自身的结构与化学组成是非常不均匀的，所以土壤背景值是统计性的，是一个范围值，而不是一个确定值。另一方面，土壤元素背景值也受人类活动的影响，分析结果也是科学与技术发展的反映，他具有自然和社会影响的双重属性，因而我们讨论元素背景值时，也应注意其发表的时间与当时的科技背景，特别是元素分析技术的成熟性和计算科学与技术等相关学科的发展程度。土壤元素背景值第3页，课件共39页，创作于2023年2月土壤背景值研究方法1、制定总体方案：它包括研究的主要目标，总体技术方案的设计，研究课题的质量管理，预期的成果及效益的分析；2、实施：包括（1）样品的采集制备与管理（2）样品分析（3）数据处理第4页，课件共39页，创作于2023年2月样品的采集1、布点：在广泛收集、分析研究区域自然环境和社会资料的基础上，将一定数量的样点绘制于地形图上，制成点位图，供作野外现场采样的依据2、野外定点：当进入现场后，有时发现点位图上规定的样点所属的土类和母质母岩类型与实际情况不符，此时，应当适当修正。原则是：土壤剖面应选择在有利于该土类特征发育的环境，地形平坦、稳定、自然植被良好；不宜在住宅周围、路旁、沟渠等认为干扰很大而不具有代表性的地点挖掘土壤剖面；不应该在水土流失严重及表土破坏的地点采样，剖面发育应较完整、层次较清楚3、布点的方法：一般采用网格法和代表剖面法。网格法又称分类型随机抽样法，适用于地形平缓、土壤情况简单、工作区面积较小的区域，样品间距计算：L=[A/n]1/2

式中L为间距（m），A为工作区总面积（m2，n为样点总数4、采样5、样品的加工与管理：野外采回的土壤样品，经过登记编号，风干、磨碎、过筛、混合、分装、制成分析样品，使之达到分析的要求第5页，课件共39页，创作于2023年2月应使同一单元的差异性较小，而不同单元的差异性较大；要代表当地的主要景观分区，采样单元的划分应能反映被研究的流域、平原、山地、自然保护区等自然景观以及经济结构不同的小区。能代表工作区内主要的土类，要重点考虑那些面积大，具有流域特征的地带性土壤、要能代表当地主要的成土母质类型，各采样单元所含有的样点数，要满足数理统计的要求。第6页，课件共39页，创作于2023年2月第7页，课件共39页，创作于2023年2月分析在保证分析项目达到一定精度的前提下，应根据实验条件选择经济、快速、简便的分析方法。分析过程中，严格执行质量控制，包括：全程序空白值控制精密度控制（用平行样控制样品的测试的精密度，平行样品数可占每批测试样的20%，根据元素含量范围，其相对偏差必须小于表中的规定值）；准确度控制（用土壤标样控制样品测试的准确度，每批样品分析要同时测定土壤标样，其比例一般为10%，每次测定的结果须落在标样X±2S范围内）。元素含量范围mg/kg允许最大相对偏差（%）>100510-100101-10200.1-125<0.130第8页，课件共39页，创作于2023年2月数据处理与统计分析1、异常值的剔除：样品量大于100的统计单元，可根据元素分布类型来确定，属于正态分布的元素，剔除X±3S以外的异常值，可连续剔除直到没有异常值为止；属于对数正态分布的元素可剔除M/（D2-MD2）以外的异常值（D为几何标准差），可连续剔除直到没有异常值为止。对于样本数少于100的统计单元，用检验方法来剔除，如Grubbs方法。2、土壤元素背景值的表达方法：有几种方法，但我国用得较多的一种是用土壤样品平均值加减两个标准偏差表示。即：B=x±2S

第9页，课件共39页，创作于2023年2月土壤元素背景值基本统计量第10页，课件共39页，创作于2023年2月一些国家土壤背景值的比较第11页，课件共39页，创作于2023年2月一中国土壤各主要元素环境背景值和美国、日本、英国土壤的含量水平大体相当，在数量级上更为一致研究工作给出了中国土壤15种稀土元素以及其它稀有分散元素的环境背景值，补充与扩展了元素背景值的信息量；中国土壤中的Hg,Cd,比日本和英国低，而Cr、Pb、比日本和美国高。中国土壤〈A层〉和世界土壤化学组成中的中值比较表明：中国土壤中的Cd远小于世界土壤中的中值,而Zn,大于世界土壤中值，表明了中国是一个对Cd污染相当敏感的国家，但由于其Zn的含量高，高Zn/Cd比在一定程度上缓冲或抑制的毒性。一些国家土壤背景值的比较第12页，课件共39页，创作于2023年2月土壤元素背景值受到来自自然和人为活动等方面的影响，成土母质是决定土壤元素含量最基本、最主要的因素。成土母质最初决定着土壤中元素的水平，成土母质的矿物成份和元素组成，是形成各类土壤的物质基础。

辽河平原调查结果表明：不同母岩上发育的褐土中，Cu、Pb、Ni、Zn、Cd、Cr、Hg．As等8种元素的含量顺序为：红土＞基础岩＞花岗岩＞黄土土壤类型、气候、地形、植被等是影响土壤元素背景值的重要因素。土壤元素背景值的影响因素第13页，课件共39页，创作于2023年2月地形对土壤元素含量的影响第14页，课件共39页，创作于2023年2月植被类型和土地利用方式：植被类型和土地利用方式，在不同程度上直接或间接地影响土壤背景值。植物有机体的生命活动引起矿物质的生物小循环，对土壤中化学元素的形成起着极其重要的作用．而且有被根系从下层吸到上层的富集作用。由于矿物元素存在的形态不同，植物选择吸收的能力备异．因此．这种选择吸收破坏了土壤表层原有的元素平衡。以辽宁棕壤为例，植被类型对背景值影响结果为：林地＞荒地＞旱田植被类型和土地利用方式对土壤元素含量的影响第15页，课件共39页，创作于2023年2月有机质对土壤中金属元素的含量起着重要的作用一方面，有机体富集了某类金属元素另一方面、微生物-有机质复合体决定着土壤生化反应的水平，也决定着土壤中的矿物质参加生化反应析出金属离子的水平。腐殖质胶体具有很大的阳离子交换量．并与金属离子形成十分稳定的螯合物或络合物，持别是表层土壤中金属元素的含量与有机质有密切的关系。有机质对土壤元素含量的影响第16页，课件共39页，创作于2023年2月土壤质地对土壤中金属元素状态的影响．可分为吸附影响和通过水分流通影响两类。土壤的矿物胶体，对重金属元素的吸附积聚作用，是很大的。研究表明．多数金属元素含量和粘粒含量的分布趋势大体一致。土壤的机械组成，也通过水分流通来影响土壤中金属元素的含量。质地不同的土壤，其渗漏水平和被淋溶的水平各不相同。降水和地下水都可借助土壤粒度的粗细间接地使金属元素发生转移，包括垂直和水平的迁移。凡土壤质地粘重的，如白浆土属河湖沉积物，其土壤环境背景值就高：质地合砂的，如黑钙土，暗栗钙土，风沙土等土坡质地较粗．其元素背景值含量较低。土壤质地对土壤元素含量的影响第17页，课件共39页，创作于2023年2月土壤质地对土壤元素含量的影响第18页，课件共39页，创作于2023年2月土壤类型与土壤中金属元素之间有密切的相关关系。土壤的分类，是土壤理化性质的综合。它包含了诸如海拔、母质、粒质、有机质以及粘土矿物等与土壤元素在不同方面关系密切的各要素。元素本身的性质，可限制其在土壤中的运转能力。在一定条件下，某些元素可与其它元素形成稳定的化合物，使之运转困难。有些活泼的元素，只要条件发生轻微的变化，就会作出某种反映。元素的运转，是自然条件和元素本身共同作用的结果。植物还能决定某些元素(铜、锌)在土壤剖面中的分布，这与元素本身有关土壤pH值和氧化还原电位属于土壤本身的理化性质。这两种指标，是由土壤在某种自然条件的影响下所决定的．对土壤中金属元素的含量起间接影响作用。土壤类型、元素本身及其它因素对土壤元素含量的影响第19页，课件共39页，创作于2023年2月土壤元素背景值较为真实的反映了一定时间和空间范围内，一定社会和经济条件下土壤中元素的基本信息及其相互之间的关系，而土壤环境质量标准则是具有法律效力的指标与准则，反映了社会、技术、经济和管理上的要求。元素背景值在环境质量标准制定中的应用第20页，课件共39页，创作于2023年2月土壤环境质量标准的建立是一个相当复杂的系统工程，在标准研究中基本上可分为土壤环境容量法和元素背景值法。吴燕玉将其归纳为生态效应法与地球化学法，在土壤环境容量法或生态效应法中，采用不同的指标体系来确定土壤污染负荷值，这些指标包括：产量指标，将农作物产量（主要指可食部分）减少5%~10%的土壤有害物质的浓度作为土壤有害物质的最大允许浓度；微生物与酶学指标，当微生物数量减少10%~15%或土壤酶活性降低10%~15%时土壤有害物质的浓度为最大允许浓度；食品卫生标准指标，即当作物可食部分某元素的含量达到食品卫生的限量时，相应土壤中某元素的含量为最大允许值；环境效应指标，包括流行病学法和血液浓度。将上述指标进行综合分析比较，采用最敏感因子作为土壤中有害物质的最大允许浓度。土壤环境质量标准的建立第21页，课件共39页，创作于2023年2月土壤环境质量标准制定程序第22页，课件共39页，创作于2023年2月

根据土壤应用功能和保护目标，划分为三类：

Ⅰ类主要适用于国家规定的自然保护区(原有背景重金属含量高的除外)、集中式生活饮用水源地、茶园、牧场和其他保护地区的土壤，土壤质量基本上保持自然背景水平。

Ⅱ类主要适用于一般农田、蔬菜地、茶园、果园、牧场等土壤，土壤质量基本上对植物和环境不造成危害和污染。

Ⅲ类主要适用于林地土壤及污染物容量较大的高背景值土壤和矿产附近等地的农田土壤(蔬菜地除外)。土壤质量基本上对植物和环境不造成危害和污染。

我国的土壤环境质量分类第23页，课件共39页，创作于2023年2月

标准分级

一级标准为保护区域自然生态，维持自然背景的土壤环境质量的限制值。

二级标准为保障农业生产，维护人体健康的土壤限制值。

三级标准为保障农林业生产和植物正常生长的土壤临界值。各类土壤环境质量执行标准的级别规定如下：

Ⅰ类土壤环境质量执行一级标准；

Ⅱ类土壤环境质量执行二级标准；

Ⅲ类土壤环境质量执行三级标准；我国的土壤环境标准分级第24页，课件共39页，创作于2023年2月我国重金属土壤环境质量标准值mg/kg（GB15618-1995）第25页，课件共39页，创作于2023年2月土壤环境容量，也称土壤负载容量，指一定环境单元、一定时限内，遵循环境质量标准、既能保证土壤质量，又不产生次生污染时，土壤所能容纳的污染物最大负荷量。如从土壤圈物质循环来考虑，也可简要定义为“在保证土壤圈物质良性循环的条件下，土壤所能容纳的污染物的最大允许值”。由于影响因素的复杂性，因而土壤环境容量不是一个固定值而是一个范围值。土壤环境容量第26页，课件共39页，创作于2023年2月土壤环境容量研究路线示意图土壤环境容量研究示意图第27页，课件共39页，创作于2023年2月土壤临界含量：又称基准值，是土壤所能污染物的最大浓度，是决定土壤环境容量的关键因子。

目前，临界含量是以特定的参比手段来获取的，是特定条件下的结果，随着环境条件的改变，该值有较大的变化。目前比较通用的方法是利用土壤中污染物剂量-效应关系来获取的，而且大多采用剂量-植物产量或可食部分的卫生标准来确定表观容量：以特定参考手段、在特定条件下所获得的容量值。土壤作为一个复杂的生态系统，其临界含量的确定是一个十分复杂的过程，应根据土壤质量自身的保护和不同的利用类型，采用不同的指标体系，通过分析、比较而获得整个土壤生态系统的临界含量，可惜目前尚缺乏这方面的较为深入的研究，一个变通的方法是对用简单的剂量-效应关系获得的临界含量进行适当的修正，将表观临界含量修正为实用临界含量，但是如何求得合理的数值范围，尚需进一步研究。土壤环境容量第28页，课件共39页，创作于2023年2月土壤环境容量数学模式，是土壤生态系统与其边界环境中诸参数构成的定量关系，通过模式来确定土壤环境容量，它可分为静容量和动容量．土境静容量是指一定环境单元和一定时限内，假定土壤中污染物不参与环境循环的情况下土壤容纳污染物的最大负荷量。通式表示为：Qsi＝W(Cci-Coi)

式中Qsi为污染物i的静负载容量，W为耕层土重；Cci为污染物i的临界含量；Coi为污染物i的原有含量．当Coi等于土壤背景时，即为区域背景土壤的净容量，将Qsi除以年限，即可得到静容量．土壤净负载客量虽与实际容量有距离，但因参数简单具有一定的应用价值．

土壤环境容量数学模式第29页，课件共39页，创作于2023年2月土壤动容量是指一定环境单元一定时限内，假定污染物参与土壤圈中的物质循环时，土壤容纳污染物的最大负荷置，其通式为：Qdi＝W{Cci-[Cpi+f(I1，I2，I3…，In）-f’（O1，O2，O3…，On)]}

式中Qdi为土壤动容量，Cci为污染物i的临界含量．Cpi为污染物i的实测浓度，I为输入项，0为输出项．通过计算机算出每一定年限的土壤容许输入量，即土壤变动容量．如果假定每年的输入和输出量不变，则将Qdi除以年限t即可得到年变动容量．土壤环境容量数学模式土壤环境容量数学模式第30页，课件共39页，创作于2023年2月目前土壤环境容量研究的基础仍然建立在黑箱理论上，仅考虑输入和输出而不涉及所发生的过程，而这些过程却是影响土壤环境容量的重要因素，但在当前土壤环境容量的研究模式中，缺乏这些过程的参数，因而不能反映模式的理论依据及其适用的土壤条件，在土壤这样一个多介质的复杂体系中，现有的模式显得过于简单，因而目前所获得的容量值仅是一个初步的参考值土壤性质、指示物的差异、污染历程、环境因素、化合物的类型与形态是当前已知的重要影响因素影响土壤环境容量的因子第31页，课件共39页，创作于2023年2月确定土壤重金属临界含量的依据（夏增禄，1992）第32页，课件共39页，创作于2023年2月我国不同区域重金属土壤环境容量（动容量，夏增禄，1992）第33页，课件共39页，创作于2023年2月迄今为止，有关有机污染物土壤环境容量的研究甚少其一是因为有机污染物进入土壤后大多数能迅速的降解，其容量值的研究在实践意义不大；其二是技术上的原因，由于土壤有机污染物定量测定的复杂性，给土壤中有机污染物背景值的研究带来了很大的困难，如何获得土壤中有机污染物的种类及其背景值，是目前环境土壤学急需解决的问题有机污染物土壤环境容量第34页，课件共39页，创作于2023年2月前苏联某些农药在植物和土壤中的临界值第35页，课件共39页，创作于2023年2月土壤环境容量的应用1、污水灌溉水质标准的制定制定区域性污灌水质标准原则：(1)土壤是一种十分宝贵的资源．使用年限不宜过短；（2）当多种污染物同时输入时，要选择其中最重要和影响最大的限制性元素作为确定的依据．并应考虑它们之间的交互作用和综合效应；〔3)有两种或两种以上污染源时．必须对其中限制性元素总量进行控制；其计算公式为：CW=（Qd/t-q）/Mw式中，CW为灌溉水中某一重金属元素的浓度，Qd/t为土壤中某一重金属元素的年变动容量，q