土壤环境调查与分析.ppt

土壤环境调查与分析,土壤基本知识,连续覆被于地球陆地表面具有肥力的疏松物质,是随着气候、生物、母质、地形和时间因素变化而变化的历史自然体。 一、土壤组成 地球表层的岩石经过风化作用，逐渐破坏成疏松的、大小不等的矿物颗粒（称为母质）。 而土壤是在母质、气候、生物、地形、时间等多种成土因素综合作用下形成和演变而成的。 土壤组成很复杂，总体来说是由矿物质、动植物残体腐解产生的有机质、水分和空气等固、液、气三相组成的。,（一）土壤矿物质,1.土壤矿物质的矿物组成,1）原生矿物质：它是各种岩石经受不同的物理风化，仍遗留在土壤中的一类矿物，其原来的化学组成没有改变。 2）次生矿物质：它大多是由原生矿物质经风化后形成的新矿物。,2.土壤矿物质的化学组成,土壤矿物质元素的相对含量与地球表面岩石圈元素的平均含量及其化学组成相似。,（二）土壤有机质,（三）土壤水和空气,二、土壤性质,吸附性 与土壤中胶体物质密切相关 酸碱性 受生物、气候、地质、水文条件综合影响 极酸性 pH 4.5 极碱性 pH 9.5 强酸性 pH4.55.5 强碱性 pH 8.59.5 酸性 pH5.56.0 碱性 pH7.58.5 酸性 pH6.06.5 弱碱性 pH7.07.5 中性土 pH6.57.0 我国土壤pH大多在458.5范围内，并呈东南酸西北碱的规律 氧化-还原性 土壤游离氧和高价金属离子是氧化剂；土壤有机质分解产物是还原剂,三、土壤背景值,定义：指在未受或少受人类活动影响下，尚未受或少受污染和破坏的土壤中元素的含量。 是判断土壤是否受到污染或污染程度的标志 土壤元素背景值的表达方式目前还不统一，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 = x2S,调查和研究土壤背景值是一项巨大的系统过程，监测任务艰苦细致，工作量庞大 中国七五期间组织了中国土壤环境背景值研究，作为国家重点科技攻关项目 中国土壤元素背景值记录了全国除台湾以外的30个省、市、自治区的41个土壤类型、60多种元素的分布，采样遍布全国2600多个县市，深入海岛、高山、荒原、森林，取得的原始数据以千万计，信息十分丰富,四 土壤污染,定义：当进入土壤的污染物质量和速度超过土壤能承受的容量和净化速度时，就破坏了土壤环境的自然动态平衡，使污染物的积累逐渐占据优势，引起土壤的组成、结构、性状改变，功能失调，质量下降，导致土壤环境污染。,污染源 天然污染源：矿物风化后自然扩散，火山爆发后降落的火山灰等。 人为污染源：不合理地使用农药、化肥，污水灌溉，使用不符合标准的污泥，城市垃圾及工业废渣等，固体废物随意堆放或填埋，以及大气沉降物等。 污染物：化学污染物、生物类污染物、放射性污染物,土壤污染后果：土壤的组成、结构、形状改变，功能失调，质量和生产力下降 土壤污染的危害：对空气和水体造成二次污染，还会进入食物链，危害人体健康,目前我国受镉、砷、铬、铅等重金属污染的耕地面积近2000万hm2，调查结果表明，75的县已受到不同程度的重金属污染的潜在威胁，而且污染趋势仍在加重。,土壤污染危害经济损失,对于各种土壤污染造成的经济损失，目前尚缺乏系统的调查资料。仅以土壤重金属污染为例，全国每年就因重金属污染而减产粮食超过1000万t，另外被重金属污染的粮食每年也多达1200万t，合计经济损失至少200亿元。 对于农药和有机物污染、放射性污染、病原菌污染等其他类型的土壤污染所导致的经济损失，目前尚难以估计。但是，这些类型的污染问题在国内确实存在，甚至也很严重。,土壤污染危害农作物品质下降,我国大多数城市近郊土壤都受到了不同程度的污染，有许多地方粮食、蔬菜、水果等食物中镉、铬、砷、铅等重金属含量超标和接近临界值。据报道，1992年全国有不少地区已经发展到生产“镉米”的程度，每年生产的“镉米”多达数亿千克。仅沈阳某污灌区被污染的耕地已多达2500hm2，致使粮食遭受严重的镉污染，稻米的含镉浓度高达0.41.0mg/kg。江西省某县多达44的耕地遭到污染，并形成670hm2的“镉米”区。 据南京环保所报道，南京市的市售蔬菜几乎都受到一定程度的硝酸盐污染。其中，大白菜和青菜的硝酸盐污染最重，其次为菠菜；萝卜的污染相对较轻。北京、上海等大中城市蔬菜污染超标也十分普遍。,土壤污染危害人体健康影响,土壤污染会使污染物在植（作）物体中积累，并通过食物链富集到人体和动物体中，危害人畜健康，引发癌症和其他疾病等。 五、土壤质量标准,土壤环境质量标准(GBl56181995) 无公害农产品蔬菜产地土壤环境质量指标(GBT184072001) 无公害农产品茶叶产地土壤环境质量指标(NY50202001),土壤监测方案是在调查研究的基础上，通过综合分析，确定监测目的、计划监测采样与布点、选择监测方法、建立质量保证程序和措施、提出监测数据处理要求，最终全面安排实施计划 1.现状监测 判断土壤是否被污染以及污染程度、状况，预测发展变化趋势；对建设项目积累背景值，为监督变化和影响建立基准,土壤环境质量监测方案,一、监测目的,土壤分类,类土壤：国家规定的自然保护区、集中式生活饮用水水源地、茶园、牧场和其他保护地区土壤，质量基本保持自然背景水平。执行一级标准 类土壤：一般农田、蔬菜地、茶园、果园、牧场等土壤，质量基本不对植物和环境造成危害和污染。执行二级标准 类土壤：林地土壤及污染物容量较大的高背景值土壤，矿山附近土壤，质量基本不对植物和环境造成危害和污染。执行三级标准,2.土壤污染事故监测： 由于废气、废水、废渣、污泥对土壤造成了污染，或者使土壤结构与性质发生了明显地变化，或者对作物造成了伤害，需要调查分析主要污染物，确定污染的来源、范围和程度，为行政主管部门采取对策提供科学依据。 3.污染物土地处理的动态监测 在进行污水、污泥土地利用、固体废弃物的土地处理过程中，把许多无机和有机污染物质带入土壤，其中有的污染物质残留在土壤中，并不断地积累，它们的含量是否达到了危害的临界值，需要进行定点长期动态监测，以既能充分利用土地的净化能力，又防止土壤污染，保护土壤生态环境,4.土壤背景值调查 通过分析测定土壤中某些元素的含量，确定这些元素的背景值水平和变化，了解元素的丰缺和供应状况，为保护土壤生态环境、合理施用微量元素及地方病因的探讨与防治提供依据,二、资料的收集,土壤污染与所处的自然环境有关土壤类型、土壤环境背景值；地表水和地下水、地质条件、水土流失等 土壤污染与社会环境有关，特别是工业生产与废弃物排放密切相关；与污染源分布、工农业空间布局有关,农业土地利用类型，施用农药、化肥的累积情况,和农业机械的使用（油料、电池）等,三、监测项目,背景值调查研究是为了了解土壤中各种元素的含量水平，要求测定项目多。 污染事故监测仅测定可能造成土壤污染的项目。 土壤质量监测测定那些影响自然生态和植物正常生长及危害人体健康的项目。,农田土壤环境质量监测技术规范规定 必测项目：土壤环境质量规定的11项 选择必测项目：在土壤中积累较多、对农业危害较大、影响范围广、毒性较重的污染物 选择项目：新纳入的在土壤中积累较少的污染物；因污染导致改变的土壤形状指标和农业生态环境指标 后两类包括铁、锰、总钾、有机质、总氮、有效磷、水分、总硒、有效硼、总硼、总钼、氟化物、矿物油、苯并(a)芘、全盐量,土壤环境质量标准 （GB15618-1995） 包括11项：pH值、镉、汞、砷、铜、铅、铬、锌、镍、六六六、滴滴涕 无公害农产品蔬菜产地土壤环境质量标准 （GB/T18407-2001）包括总汞、总砷、铅、镉、铬（六价）和六六六、滴滴涕 无公害农产品茶叶产地土壤环境质量标准 （NY5020-2001）包括pH值、汞、砷、铅、镉、铬、铜,四、采样点的布设,1.采样点布设原则 土壤特性：土壤是一个开放的缓冲动力学体系，与外界环境不断进行能量和物质交换；但总体相对稳定，分布不均匀 基本原则 合理划分采样单元，大单元分成相对均匀的小单元，设立对照单元 考虑污染源类型，就近监测、重点监测 避开田边、沟边、路边、肥堆边和水土流失严重、表层土严重破坏地点,2.采样点数量,采样点数取决于监测目的、范围大小、环境状况、监测单元数量、经费和时间等。 “中国土壤背景值调查研究”提出的监测点数估算公式 式中：n：每个采样单元最少采样点数 s：样本相对标准偏差，即变异系数 t：置信因子,置信水平95%时,t=1.96 d：允许偏差,抽样精度80%时,d=0.2,3 采样点布设方法,对角线布点法 适用于面积较小，地势平坦的污灌或污染河水灌溉田块,自进水口划对角线,均分35段,在区段中心取样,梅花形布点法 适用于面积较小、地势平坦,土壤物质和污染程度较均匀田块。中心点在对角线交点，一般设510个点,棋盘式布点法 适用于中等面积，地势平坦，地形完整开阔，但土壤较不均匀田块，10点以上。受固体废物污染土壤20点以上,蛇形布点法 适用于面积较大，地势不很平坦，土壤不够均匀的田块布点数量较多,其他土壤采样点布设方法 放射性布点法 适用于大气污染型土壤，以大气污染源为中心，向周边分布，近密远疏，主导风向的下风向适当加密 网格布点法 适用于地形平缓的的地块，类似于大气采样和环境噪声监测的均匀布点，主要用于受农用化学品污染的土壤监测，以及土壤背景值调查,五、监测方法,六、农田土壤环境质量评价,1.评价参数 单项污染指数= 综合污染指数 = 单项污染积累指数= 污染物超标倍数 =,污染样本超标率（%） = 污染面积超标率（%） = 污染物分担率（%） =,2.评价方法 一般以单项污染指数评价为主 在纵向、横向比较时，利用综合评价指数 土壤污染分级以p综为依据,土壤样品的采集与加工管理,一、土壤样品的采集 （一）土壤样品的类型、采样深度及采样量 1.混合样品 如果只是一般了解土壤污染状况，对种植一般农作物的耕地，只需采集020cm耕作层土壤，对于种植果林类农作物的耕地，采集060cm耕作层土壤。每个土壤单元设 37 个采样区，单个采样区可以是自然分割的一个田块，也可以由多个田块所构成，其范围以 200m200m 左右为宜。将在一个采样单元内各采样分点采集的土样混合均匀制成混合样。混合样量往往较大，需要用四分法弃取，最后留下12kg，装入样品袋。,2.剖面样品： 如果要了解土壤污染深度，则应按土壤剖面层次分层采样。土壤剖面指地面向下的垂直土体的切面。在垂直切面上可观察到与地面大致平行的若干层具有不同颜色、性状的土层。,根据土壤剖面颜色、结构、质地、松紧度、温度、植物根系分布等划分土层，并进行仔细观察，将剖面形态、特征自上而下逐一记录。随后在各层最典型的中部自下而上逐层用小土铲切取一片片土壤样，每个采样点的取样深度和取样量应一致。将同层次土壤混合均匀，各取1kg土样，分别装入样品袋。,土壤剖面点位不得选在土类和母质交错分布的边缘地带或土壤剖面受破坏的地方；剖面的观察面要向阳。,采样的深度,（二）.采样时间,为了解土壤污染状况，可随时采集样品进行测定。 如需同时掌握在土壤上生长的作物受污染状况，可依季节变化或作物收获期采集。农田土壤监测技术规范规定，一般土壤在农作物收获期采样测定。,（三）.采样方法,采样筒取样； 土钻取样； 挖坑取样。,（四）.采样量,由于测定所需的土样是多点混合而成的，取样量往往较大，而实际供分析的土样不需太多，一般只需1-2Kg。因此对所得混合样可反复按四分法弃取，最后留下所需的土量，装入塑料袋或布袋内，贴上标签备用,（五）采样注意事项,(1)采样同时，填写土壤样品标签、采样记录、样品登记表。土壤标签一式两份，一份放人样品袋内，一份扎在袋口，并于采样结束时在现场逐项逐个检查。 (2)测定重金属的样品，尽量用竹铲、竹片直接采集样品，或用铁铲、土钻挖掘后，用竹片刮去与金属采样接触的部分，再用竹铲或竹片采集土样,（六）土壤背景值样品采集,1.布点原则,2.注意事项,1） 同一类型土壤应有35个以上的重复样点，以更检验本底值的可靠性。 2） 土壤本底调查采样时，要特别注意成土母质的作用。因为不同土壤母质常使土壤的元素组成和含量发生很大的差异。与污染土壤采样不同之处是，同一个样点并不强调采集多点混合样，而是选取发育典型、代表性强的土壤采样。 3） 采样深度，一般采集一米以内的表土和心土，对于发育完好的典型剖面，应按层分别采样，以研究各种元素在土壤中的分配,样品流转 装运前核对 在采样现场样品必须逐件与样品登记表、样品标签和采样记录进行核对，核对无误后分类 装箱。 运输中防损 运输过程中严防样品的损失、混淆和沾污。对光敏感的样品应有避光外包装。 样品交接 由专人将土壤样品送到实验室，送样者和接样者双方同时清点核实样品，并在样品交接单上签字确认,样品交接单由双方各存一份备查。,二、土壤样品的加工与管理,（一）样品加工处理 风干 磨细 过筛 混合 分装 制样 目的： 除去非土部分，使测定结果能代表土壤本身的组成； 有利于样品长期保存； 使分析时称取的样品具有较高的代表性,1.土样的风干 测定游离挥发酚、硫化物、氰化物、油类、某些农药、烷基汞引起挥发分解的物质，需要不经风干的新鲜土样。把杂质除掉后，对原样进行分析。 大多土样需要风干，风干的土样比较容易混合均匀。重复性准确性都比较好。,2.磨碎与过筛,一般处理方法：将风干样在有机玻璃板或木板上用锤、滚、棒压碎，并除去碎石、砂砾及植物残体后，用四分法分取所需土样量，使其全部通过20目尼龙筛。 过筛后的土样全部置于聚乙烯薄膜上，充分混匀，用四分法分成两份，一份交样品库存放，可用于土壤pH值、阳离子交换量等项目测定用；另一个份继续用四分法缩分成两份，一份备用，一份研磨至全部通过60目（0.25mm)或100目（0.15mm)孔径尼龙筛，充分混合均匀后备用。 通过60目孔径筛的土壤样品，用于农药、土壤有机质、土壤全氮量等项目的测定； 通过100目孔径筛的土壤样品用于元素分析。,3.筛的目数与孔径的关系,在分析工作中所用的筛子有两种：一种以筛孔直径大小表示，如孔径为2mm、1mm、0.5mm等；另一种以每英寸长度上的孔数表示。如每英寸长度上有40孔，为40目筛子（或称40号筛子）。孔数愈多，孔径愈小。筛目与孔径之间的关系可用下列简式表示： 筛孔直径（mm）16/每英寸孔数,样品分装 研磨混匀后的样品，分别装于样品袋或样品瓶，填写土壤标签一式两份，瓶内或袋内一份， 瓶外或袋外贴一份。 注意事项 制样过程中采样时的土壤标签与土壤始终放在一起，严禁混错，样品名称和编码始终不变； 制样工具每处理一份样后擦抹（洗）干净，严防交叉污染； 分析挥发性、半挥发性有机物或可萃取有机物无需上述制样，用新鲜样按特定的方法进行样品前处理。,新鲜样品的保存 对于易分解或易挥发等不稳定组分的样品要采取低温保存的运输方法，并尽快送到实验室分析测试。测试项目需要新鲜样品的土样，采集后用可密封的聚乙烯或玻璃容器在 4以下避光保存，样品要充满容器。避免用含有待测组分或对测试有干扰的材料制成的容器盛装保存样品，测定有机污染物用的土壤样品要选用玻璃容器保存。,二、样品管理,土壤样品管理包括土样加工处理、分装、分发过程中的管理和样品入库保存管理。必须建立严格的管理制度和岗位责任制。 保存原则 1）一般土壤样品需保存半年至一年，以备必要时查核之用。 2）储存样品应尽量避免日光、潮湿、高温和酸碱气体等的影响。 3）玻璃材质容器是常用的优质贮器，聚乙烯塑料容器也属美国环保局推荐容器之一。 4）将风干土样、沉积物或标准土样等贮存于洁净的玻璃或聚乙烯容器之内。在常温、阴凉、干燥、避阳光、密封（石腊涂封）条件下保存30个月是可行的。,质量保证和质量控制 质量保证和质量控制的目的是为了保证所产生的土壤环境质量监测资料具有代表性、准确性、精密性、可比性和完整性。质量控制涉及监测的全部过程。 实验室质量控制 精密度控制 测定率 每批样品每个项目分析时均须做 20%平行样品；当 5 个样品以下时，平行样不少于 1 个。,测定方式 由分析者自行编入的明码平行样，或由质控员在采样现场或实验室编入的密码平行样。 合格要求 平行双样测定结果的误差在允许误差范围之内者为合格。允许误差范围见表 13-1。对未列出允许误差的方法，当样品的均匀性和稳定性较好时，参考表 13-2 的规定。当平行双样测定合格率低于 95%时，除对当批样品重新测定外再增加样品数 10%20%的平行样，直至平行双样测定合格率大于 95%。,准确度控制 使用标准物质或质控样品 例行分析中，每批要带测质控平行双样，在测定的精密度合格的前提下，质控样测定值必须落在质控样保证值（在 95%的置信水平）范围之内，否则本批结果无效，需重新分析测定。 加标回收率的测定 当选测的项目无标准物质或质控样品时，可用加标回收实验来检查测定准确度。 加标率：在一批试样中，随机抽取 1020试样进行加标回收测定。样品数不足 10 个时，适当增加加标比率。每批同类型试样中，加标试样不应小于 1 个。,加标量：加标量视被测组分含量而定，含量高的加入被测组分含量的 0.51.0 倍，含量低的加 23 倍，但加标后被测组分的总量不得超出方法的测定上限。加标浓度宜高，体积应小，不应超过原试样体积的 1%，否则需进行体积校正。 合格要求：加标回收率应在加标回收率允许范围之内。加标回收率允许范围见表 13-2。当加标回收合格率小于 70%时，对不合格者重新进行回收率的测定，并另增加 1020的试样作加标回收率测定，直至总合格率大于或等于 70%以上。,土壤样品的预处理和测定方法,需要处理成液体状态和将欲测组分转变为适合测定方法要求的形态、浓度，以及消除共存组分的干扰。 土壤样品的预处理方法主要有分解法和提取法；前者用于元素的测定，后者用于有机污染物和不稳定组分的测定。 土壤样品分解方法有：酸分解法、碱熔分解法、高压釜分解法、微波炉分解法等。分解法的作用是破坏土壤的矿物晶格和有机质，使待测元素进入试样溶液中。,1.预处理,2. 土壤样品提取方法,有机污染物的提取 有机溶剂，振荡提取 有机溶剂，索氏提取器提取 常用溶剂：环己烷、石油醚、丙酮、二氯甲烷、三氯甲烷等 无机污染物的提取 用酸或水浸泡提取 3净化和浓缩 净化即分离，常用层析法、蒸馏法 浓缩采用浓缩器、蒸发器等,土壤监测方法,包括样品预处理和分析测定两部分方法 农田土壤环境质量监测技术规范规定了土壤监测分析方法 选用监测方法的原则 1 标准方法(国标或部标) 2 权威部门规定或推荐方法（如中国环境监测总站编：土壤元素的近代分析方法、中科院南京土壤所编：土壤理化分析） 3 自选等效方法 但应作标准样品验证或比对实验，其检出限、准确度、精密度不低于相应的通用方法要求水平或待测物准确定量的要求。,土壤污染物的测定,一、土壤水分测定 过1mm筛孔土样，105烘干至恒重 风干土样水分称分析基水分；新鲜土样水分称烘干基水分 二、pH值测定 玻璃电极法测定土壤浸出液的pH值 10g土样加25mL无二氧化碳蒸馏水，搅拌1分钟，静置30分钟，测混浊液的pH值 注意避免空气中氨、二氧化碳等酸碱气体影响；风干会带来二氧化碳损失,三、可溶性盐分的测定,定义：可溶性盐分是用一定量的水从一定量的土壤中经过一定时间浸提出的可溶解性盐类 盐类直接影响作物的萌发和生长 可溶性盐分测定方法：重量法、比重计法、电导率法、阴阳离子总和计算法等 重量法测定可溶性盐分 1000g土样加入500mL无二氧化碳蒸馏水，振荡提取，抽滤、滤液水浴蒸干、烘干。所得残渣用过氧化氢去除有机物后，称重,四、土壤金属化合物测定,土壤金属化合物测定与水体金属化合物测定基本相同，主要差别是预处理和测定条件 主要方法 火焰原子吸收法：主要测定 铜、总铬、铁、锰、总钾 石墨炉原子吸收法：主要测定镉、铅 氢化物-原子荧光法：主要测定总砷、总硒 分光光度法：主要测定总砷、总铬、有效硼总硼、总钼 冷原子吸收法：主要测定总汞,五、 有机污染物测定,土壤中有机污染物的测定广泛使用气相色谱法和色谱质谱连用技术 样品准备：20g土壤样品置于索氏提取器之中，用石油醚-丙酮(1:1)提取 对于六六六和滴滴涕的监测：使用带电子捕获检测器（ECD）的气相色谱仪。 对苯并(a)芘的测定：采用紫外分光法、荧光分光法、高效液相色谱法等 样品的处理：氯仿-水浴浸提，氧化铝层析分离,作业 1.什么是土壤背景值？土壤背景值的调查研究对环境保护和环境科学有何意义？ 2.土壤环境监测有几种布点方法？各适用于什么情况？ 3.有一地势平坦的田块，由于用污水灌溉，土壤被铅、汞和苯并芘污染，请设计一个监测方案，包括布设采样点。采集土样。土样制备和预处理，以及选择分析测定方法。 4.用火焰原子吸收分光光度法测土壤中镍。称取风干过筛土样0.5000g（含水7.2%），经消解后定容至50mL,用标准曲线法测得此溶液镍含量为30.0ug,求被测土壤中镍的含量。,