第六章-土壤环境背景值与环境容量-课件

第六章第六章 土壤环境背景值与环境容量土壤环境背景值与环境容量第六章 土壤环境背景值与环境容量1一、概念一、概念 理论上，指理论上，指未受人类活动影响的土壤本身的化学元素组未受人类活动影响的土壤本身的化学元素组成和含量。成和含量。实际上，土壤背景值只能代表土壤某一发展、演变阶段实际上，土壤背景值只能代表土壤某一发展、演变阶段的一个相对意义上的数值，即的一个相对意义上的数值，即严格按照土壤背景值研究方法严格按照土壤背景值研究方法所获得的尽可能不受或少受人类活动影响的土壤化学元素的所获得的尽可能不受或少受人类活动影响的土壤化学元素的原始含量。原始含量。第一节第一节 土壤环境背景值土壤环境背景值一、概念第一节 土壤环境背景值2二、地方病与环境背景值的关系二、地方病与环境背景值的关系 1.主要元素与人体健康主要元素与人体健康元素元素过低过低过高过高Hg未发现未发现水俣病水俣病Cd未发现未发现骨痛病、致癌、致心血管病、骨痛病、致癌、致心血管病、高血压、肺、肾损伤高血压、肺、肾损伤As哺乳动物可能必需。生长速度哺乳动物可能必需。生长速度缓慢，皮毛较粗，细胞损伤缓慢，皮毛较粗，细胞损伤皮肤癌、肺癌、血管末梢病、皮肤癌、肺癌、血管末梢病、皮肤角化病皮肤角化病Pb发现鼠类必需、可能使鼠类患发现鼠类必需、可能使鼠类患贫血症贫血症中枢神经损伤、行走蹒跚、氨中枢神经损伤、行走蹒跚、氨基乙酰丙酸脱氢酶活性下降基乙酰丙酸脱氢酶活性下降Cr动物和人类必需，低血糖、糖尿动物和人类必需，低血糖、糖尿病、心血管病、高脂血症、主动病、心血管病、高脂血症、主动脉血小板形成增强脉血小板形成增强皮肤、肺损伤，可能导致肺癌皮肤、肺损伤，可能导致肺癌二、地方病与环境背景值的关系元素过低过高Hg未发现水俣病Cd3元素元素过低过低过高过高Ni动物生长缓慢，皮毛变短、繁殖动物生长缓慢，皮毛变短、繁殖力下降；人类消化不良和肝、肾力下降；人类消化不良和肝、肾疾病疾病呼吸道癌呼吸道癌CuMenkes综合症，综合症，嗜中性白血球减中性白血球减少症、贫血症、骨质非矿化等少症、贫血症、骨质非矿化等Menkes综合症、肺纤维损综合症、肺纤维损害，肝坏死，肾损伤害，肝坏死，肾损伤Zn发育差、矮小、性发育不完全，发育差、矮小、性发育不完全，味觉功能下降、伤口愈合慢，腹味觉功能下降、伤口愈合慢，腹泻、脱毛、皮疹、胎儿消瘦畸形泻、脱毛、皮疹、胎儿消瘦畸形未发现未发现F龋齿龋齿氟骨症、韧带和骨健钙化、氟骨症、韧带和骨健钙化、跛脚跛脚二、地方病与环境背景值的关系二、地方病与环境背景值的关系 1.主要元素与人体健康主要元素与人体健康元素过低过高Ni动物生长缓慢，皮毛变短、繁殖力下降；人类消化4元素元素过低过低过高过高Mn骨骼畸形、步履蹒跚、生殖功能骨骼畸形、步履蹒跚、生殖功能障碍障碍假震性麻痹、假神经分裂假震性麻痹、假神经分裂Co恶性贫血综合症，中枢神经失常恶性贫血综合症，中枢神经失常心肌病、血液、中枢神经、甲心肌病、血液、中枢神经、甲状腺等异常状腺等异常Mo中枢神经失常、早死中枢神经失常、早死家畜腹泻综合征家畜腹泻综合征(体重减轻、体重减轻、贫血、食欲减退、腹泻贫血、食欲减退、腹泻),中枢中枢神经受损、个别出现龋齿神经受损、个别出现龋齿Se心肌病、克山病、大骨节病、肌心肌病、克山病、大骨节病、肌肉营养不良、心悸哽塞、乳腺癌肉营养不良、心悸哽塞、乳腺癌蹒跚病、龋齿病、动物畸形蹒跚病、龋齿病、动物畸形I地方性甲状腺肿、地方性呆小症地方性甲状腺肿、地方性呆小症甲状腺肿、甲状腺机能亢进甲状腺肿、甲状腺机能亢进二、地方病与环境背景值的关系二、地方病与环境背景值的关系 1.主要元素与人体健康主要元素与人体健康元素过低过高Mn骨骼畸形、步履蹒跚、生殖功能障碍假震性麻痹、52.地方病地方病l自然疫源性（生物源性）自然疫源性（生物源性）：病因为微生物和寄生虫，是一：病因为微生物和寄生虫，是一类传染性的地方病。类传染性的地方病。l化学元素性（地球化学性，化学元素性（地球化学性，geo-chemical disease）病因为当地水或土壤中某种（些）元素或化合物过多、不病因为当地水或土壤中某种（些）元素或化合物过多、不足或比例失常，再通过食物和饮水作用于人体所产生的疾病足或比例失常，再通过食物和饮水作用于人体所产生的疾病.u元素缺乏性元素缺乏性:地方性甲状腺肿、地方性克汀病等。地方性甲状腺肿、地方性克汀病等。u元素中毒性元素中毒性（过多性）（过多性）:地方性氟中毒、地方性砷中毒、地地方性氟中毒、地方性砷中毒、地方性硒中毒、地方性钼中毒。方性硒中毒、地方性钼中毒。2.地方病自然疫源性（生物源性）：病因为微生物和寄生虫，是6过量过量Mn,Ca，P等也可通过干扰甲状腺对碘的摄取而致病等也可通过干扰甲状腺对碘的摄取而致病2.地方病地方病1）碘缺乏或过量引起的地方病）碘缺乏或过量引起的地方病由地区性土壤环境中碘元素含量过低由地区性土壤环境中碘元素含量过低(如山区如山区)，或含量过高，或含量过高(如沿海如沿海)造成。造成。缺碘分布缺碘分布 世界分布：喜马拉雅山、刚果河流域、安第斯山区、阿世界分布：喜马拉雅山、刚果河流域、安第斯山区、阿尔卑斯山区、大湖盆地及新西兰等；尔卑斯山区、大湖盆地及新西兰等；我国西北、东北、华北和西南等地区的山区及丘陵区。我国西北、东北、华北和西南等地区的山区及丘陵区。碘过量分布碘过量分布 日本北海道，中国渤海湾南部，山东日照市、广西日本北海道，中国渤海湾南部，山东日照市、广西北海市等沿海或平原区。北海市等沿海或平原区。过量Mn,Ca，P等也可通过干扰甲状腺对碘的摄取而致病2.7三、土壤环境背景值研究方法三、土壤环境背景值研究方法（一）土壤背景值的采样布点（一）土壤背景值的采样布点 应掌握几个原则：应掌握几个原则：明确研究范围；明确研究范围；根据研究区域内的地质、地貌、水文、土壤与污染物类型根据研究区域内的地质、地貌、水文、土壤与污染物类型和分布明确污染物的影响范围；和分布明确污染物的影响范围；在污染物影响范围外，按自然条件确定样点数与样点布局。在污染物影响范围外，按自然条件确定样点数与样点布局。1.研究范围的确定研究范围的确定 研究范围取决于研究目的。研究范围取决于研究目的。工业开发区土壤背景值：工业开发区土壤背景值：围绕工矿区内的工厂布局，三废排围绕工矿区内的工厂布局，三废排放途径与影响范围；放途径与影响范围；行政区域土壤背景值：行政区域土壤背景值：行政的疆界。行政的疆界。三、土壤环境背景值研究方法82.样点的设置与布局样点的设置与布局 1）样点数设置）样点数设置因被测物质含量变异情况而定。因被测物质含量变异情况而定。变异大者，样点数多，变异小者样点数少变异大者，样点数多，变异小者样点数少 母质，水文均一：母质，水文均一：土种变异小，样点数少些。土种变异小，样点数少些。地貌、母质和水文变异较大：地貌、母质和水文变异较大：土样变异大，样点数多些。土样变异大，样点数多些。1985年我国农业土壤背景值研究：年我国农业土壤背景值研究：9个片区，约个片区，约43万万km2，样点，样点布置总数平均布置总数平均41/km2。陕西黄土高原和黄河下游：陕西黄土高原和黄河下游：地形最平坦，母质、水文条件均一，地形最平坦，母质、水文条件均一，样点数平均样点数平均13-27个万个万km2。贵州、四川：贵州、四川：地貌复杂、母质类型繁多，土壤变异大，平均为地貌复杂、母质类型繁多，土壤变异大，平均为4-185个万个万km2。2.样点的设置与布局92)布点方法布点方法l简单随机简单随机 将监测单元分成网格，每个网格编上号码，决定采样点样将监测单元分成网格，每个网格编上号码，决定采样点样品数后，随机抽取规定的样品数的样品，其样本号码对应的网品数后，随机抽取规定的样品数的样品，其样本号码对应的网格号，即为采样点。格号，即为采样点。随机数的获得可以利用掷骰子、抽签、查随机数表的方法。随机数的获得可以利用掷骰子、抽签、查随机数表的方法。关于随机数骰子的使用方法可见关于随机数骰子的使用方法可见GB10111利用随机数骰子进利用随机数骰子进行随机抽样的办法。行随机抽样的办法。简单随机布点是一种完全不带主观限制条件的布点方法简单随机布点是一种完全不带主观限制条件的布点方法2)布点方法简单随机 将监测单元分成网格，每个网102)布点方法布点方法l分块随机分块随机 根据收集的资料，如果监测区域内的土壤有明显的几种类根据收集的资料，如果监测区域内的土壤有明显的几种类型，则可将区域分成几块，每块内污染物较均匀，块间的差异型，则可将区域分成几块，每块内污染物较均匀，块间的差异较明显。将每块作为一个监测单元，在每个监测单元内再随机较明显。将每块作为一个监测单元，在每个监测单元内再随机布点。布点。l系统随机系统随机 将监测区域分成面积相等的几部分（网格划分），每网格将监测区域分成面积相等的几部分（网格划分），每网格内布设一采样点，这种布点称为系统随机布点。内布设一采样点，这种布点称为系统随机布点。区域内土壤污染物含量变化较大，系统随机布点比简单随区域内土壤污染物含量变化较大，系统随机布点比简单随机布点所采样品的代表性要好。机布点所采样品的代表性要好。2)布点方法分块随机 根据收集的资料，如果监测11第六章-土壤环境背景值与环境容量-课件123.基础样品数量基础样品数量由均方差和绝由均方差和绝对偏差计算对偏差计算由变异系数和相对由变异系数和相对偏差计算偏差计算样品数样品数一定自一定自由度下由度下的置信的置信水平水平均方差均方差可接受可接受的绝对的绝对偏差偏差一定自一定自由度下由度下的置信的置信水平水平变异系变异系数数可接受可接受的相对的相对偏差偏差样样本本数数3.基础样品数量由均方差和绝对偏差计算由变异系数和相对偏差13（二）土样的采集与分析（二）土样的采集与分析1.在既定样点上采样在既定样点上采样自然土壤剖面示意自然土壤剖面示意图 农业土壤剖面示意图农业土壤剖面示意图 剖面样品剖面样品（二）土样的采集与分析1.在既定样点上采样自然土壤剖面示意14用竹刀自下而上分层采取用竹刀自下而上分层采取0.5-1.0kg土壤，用布袋收集，在室内土壤，用布袋收集，在室内风干。在运输与风干过程中尽量避免尘埃落入，保证采后无污风干。在运输与风干过程中尽量避免尘埃落入，保证采后无污染。经过磨制过尼龙筛，供分析用。染。经过磨制过尼龙筛，供分析用。长:1.5m宽:0.8-1m深：深：视地形和作物定地形和作物定用竹刀自下而上分层采取0.5-1.0kg土壤，用布袋收集，在15（二）土样的采集与分析（二）土样的采集与分析 环境背景值分析的重点是微量元素，特别是有毒元素，保证分环境背景值分析的重点是微量元素，特别是有毒元素，保证分析质量格外重要。析质量格外重要。标准样参考样（或内控样）；回收实验；质量控制图。标准样参考样（或内控样）；回收实验；质量控制图。空白试验空白试验:检查和控制样品在处理和测试过程中可能带来的污染。检查和控制样品在处理和测试过程中可能带来的污染。精密度控制精密度控制:平行样控制样品测试的精密度，平行样品数可占每批平行样控制样品测试的精密度，平行样品数可占每批测试样品的测试样品的20%。平行样允许最大相对偏差控制平行样允许最大相对偏差控制元素含量范围（mg/kg)允许最大相对偏差（%）100510-100101-10200.1-1250.130准确度控制准确度控制:土壤标样控制土壤标样控制,土壤土壤标样比例一般为测试样品的标样比例一般为测试样品的10%,测试结果落在标样测试结果落在标样 范围内范围内.（二）土样的采集与分析空白试验:检查和控制样品在处理和测试过16（三）数据处理（三）数据处理1.确定元素浓度的概率分布类型确定元素浓度的概率分布类型 直方图法，概率纸图示法、偏度直方图法，概率纸图示法、偏度峰度法，夏皮洛峰度法，夏皮洛威尔克威尔克W检检验法，皮尔逊验法，皮尔逊X2法。常用的有：法。常用的有：偏度峰度法、皮尔逊偏度峰度法、皮尔逊X2法，夏皮洛法，夏皮洛威尔克威尔克W检验法检验法2.土壤元素背景值的计算土壤元素背景值的计算 即根据概率分布类型，分别计算出表示其背景值范围的平均值和标即根据概率分布类型，分别计算出表示其背景值范围的平均值和标准差。准差。对于呈正态分布的元素对于呈正态分布的元素（三）数据处理对于呈正态分布的元素 17对于对数正态分布的元素，背景值用几何平均值（对于对数正态分布的元素，背景值用几何平均值（M)和几何标和几何标准差（准差（D)表示，其范围为表示，其范围为M/DMD;3.样点数是否符合统计要求的检验样点数是否符合统计要求的检验对于对数正态分布的元素，背景值用几何平均值（M)和几何标准差184.土壤背景值的分级与制图土壤背景值的分级与制图 根据控制区域土壤背景值分异的主导因素，将该区域划分出根据控制区域土壤背景值分异的主导因素，将该区域划分出若干单元（制图单元若干单元（制图单元)，每个制图单元的土壤元素背景值分异相，每个制图单元的土壤元素背景值分异相对较小。对较小。分级：分级：将每一制图单元内的统计平均值作为初步分级数，然将每一制图单元内的统计平均值作为初步分级数，然后在某一显著水平下，对不同单元统计平均值的差异显著性进行后在某一显著水平下，对不同单元统计平均值的差异显著性进行检验，把差异显著的统计平均值划分为不同的级别，差异不显著检验，把差异显著的统计平均值划分为不同的级别，差异不显著者，归为一个级别。者，归为一个级别。制图：制图：在土壤图上按不同色调或不同色度，沿背景值分级等在土壤图上按不同色调或不同色度，沿背景值分级等直线区分绘制平面图，或将背景值的区域分布拟成制图程序用电直线区分绘制平面图，或将背景值的区域分布拟成制图程序用电脑制图，在已绘制的图上必须将样点位置标注于图中。脑制图，在已绘制的图上必须将样点位置标注于图中。4.土壤背景值的分级与制图19四、土壤背景值的应用四、土壤背景值的应用1.土壤背景值是土壤污染质量评价的基础土壤背景值是土壤污染质量评价的基础 X2S2.土壤背景值与其它环境背景值的相关性是环境生态平衡状况的体现土壤背景值与其它环境背景值的相关性是环境生态平衡状况的体现 土壤、岩层、植被土壤、岩层、植被3.土壤背景值可作为污染途径追踪的依据土壤背景值可作为污染途径追踪的依据 来自土壤、还是植物？来自土壤、还是植物？4.肥料分配的依据肥料分配的依据 背景值低，缺养分，需多分配背景值低，缺养分，需多分配5.找矿的依据找矿的依据 土壤背景值特别高，意味着岩石中高，可能有矿。土壤背景值特别高，意味着岩石中高，可能有矿。6.有助于地方病等的判断。有助于地方病等的判断。四、土壤背景值的应用20一、概念一、概念Environmental capacity 环境容量环境容量 人类生存和自然生态不受损害前提下，环境所人类生存和自然生态不受损害前提下，环境所能容纳污染物的最大负荷量。能容纳污染物的最大负荷量。Soil environmental capacity土壤环境容量土壤环境容量 土壤环境单元一定时限内遵循环境质量标准，既保土壤环境单元一定时限内遵循环境质量标准，既保证农产品产量和生物学质量，同时也不使环境污染时，证农产品产量和生物学质量，同时也不使环境污染时，土壤所能允许承纳的污染物的最大数量或负荷量。土壤所能允许承纳的污染物的最大数量或负荷量。土壤环境容量土壤环境容量=静容量静容量+动容量动容量第二节第二节 土壤环境容量（土壤环境容量（soil environmental capacity）一、概念 土壤环境单元一定时限内遵循环境质量标准，既保证21土壤环境静容量：土壤环境静容量：土壤污染物的基准含量（土壤背景值）土壤污染物的基准含量（土壤背景值）和最大负荷量和最大负荷量(Carrying capacity)之差。之差。土壤环境动容量：土壤环境动容量：土壤污染物累积过程中，土壤通过一系土壤污染物累积过程中，土壤通过一系列自净过程所能净化的污染物数量。列自净过程所能净化的污染物数量。体系体系土壤土壤植物体系植物体系土壤土壤微生物体系微生物体系土壤土壤水体系水体系内容内容 农产品卫生质量 作物效应生化指标 微生物计数环境效应地下水地表水目的目的 防治污染食物链 保证人体健康保证良好生产力和经济效益保持土壤生态处于良性循环不引起次生水环境污染标准标准 国家或政府主管部门颁发的粮食卫生标准生理指标或产量降低程度1种以上生物化学指标在7d以上出现的变化微生物计数指标在7d以上出现的变化不导致地下水超标不导致地面水超标标准标准级别级别仅1种减产10%减产20%25%15%10%15%50%30%10%15%仅1种仅1种确定重金属土壤临界含量的依据土壤环境静容量：土壤污染物的基准含量（土壤背景值）和最大负荷22二、土壤环境容量的数学模式 一定环境单元和一定时间，假定污染物不参与土壤圈物质循环一定环境单元和一定时间，假定污染物不参与土壤圈物质循环情况下所能容纳污染物的最大负荷量。情况下所能容纳污染物的最大负荷量。土壤静容量土壤静容量(Qsi)=m(Cci-Coi)m耕层土重（耕层土重（t/hm2)Ccii元素的临界含量（元素的临界含量（mg/kg）Coii元素的现有含量（元素的现有含量（mg/kg）一定环境单元和一定时间，假定污染物参与土壤圈物质循环情况下所一定环境单元和一定时间，假定污染物参与土壤圈物质循环情况下所能容纳污染物的最大负荷量。能容纳污染物的最大负荷量。土壤动容量土壤动容量(Qdi)=m(Cci-Coi)+f(Out1,Out2,Out3，Outn)Ccii元素的临界含量元素的临界含量Coii现有实测浓度现有实测浓度Out输出项，降解和迁移转输出项，降解和迁移转化作用对污染物的降低量化作用对污染物的降低量二、土壤环境容量的数学模式m耕层土重（t/hm2)一定环境23三、土壤环境容量的确定三、土壤环境容量的确定1.盆栽试验与田间试验盆栽试验与田间试验生物容量法生物容量法 依据生物的反应或生物吸收污染物的数量确定土壤临界浓度水平。依据生物的反应或生物吸收污染物的数量确定土壤临界浓度水平。盆栽试验：盆栽试验：多在控制条件下进行，其与田间试验的结果悬殊多在控制条件下进行，其与田间试验的结果悬殊甚大，土量甚大，土量、水分、作物长势都将对容量值产生很大的影响。水分、作物长势都将对容量值产生很大的影响。田间试验：田间试验：影响因素很多，结果需经多次重复方可靠。影响因素很多，结果需经多次重复方可靠。特点：特点：1）经过生物试验取得土壤容量需要经历较长的时间；经过生物试验取得土壤容量需要经历较长的时间；所得结果是因土因作物而异的。同一种作物，在不同土壤上，所得结果是因土因作物而异的。同一种作物，在不同土壤上，其临界值差异大；同一土壤，不同作物取得的临界值也不同。其临界值差异大；同一土壤，不同作物取得的临界值也不同。一个区域的土壤环境容量应以最敏感而又常见的作物为试验。一个区域的土壤环境容量应以最敏感而又常见的作物为试验。三、土壤环境容量的确定242.化学试剂提取法化学试剂提取法化学容量法化学容量法 以有害物在土壤中达到致害生物时的有效浓度为指标，确定土以有害物在土壤中达到致害生物时的有效浓度为指标，确定土壤容量的方法。壤容量的方法。优点：优点：简便易行，且指标便于统一。简便易行，且指标便于统一。常用的化学提取剂：常用的化学提取剂：稀酸溶液：稀酸溶液：0.1M HCl,0.05MHCl,1M HOAc,1M HNO3 提取含专提取含专性吸附的成分性吸附的成分 弱碱溶液：弱碱溶液：0.5M NaHCO3,0.5M Na2CO3,提取石灰性土壤有效砷提取石灰性土壤有效砷缓冲溶液：缓冲溶液：HOAc-NH4OAc(pH 7.0 4.8)中性盐溶液：中性盐溶液：1M NH4OAc,1M MgCl2,0.01M CaCl2,1M NH4NO3,0.1M NaNO3 提取交换态金属提取交换态金属 螯合剂：螯合剂：0.02-0.05M EDTA,0.005M DTPA溶液和溶液和 EDTA+(NH4)2CO3、DTPA+CaCl2+TEA2.化学试剂提取法化学容量法252.制定灌溉水水质标准和污泥农用标准制定灌溉水水质标准和污泥农用标准某地段利用含镉废水灌溉农田，其镉浓度为某地段利用含镉废水灌溉农田，其镉浓度为C(mg/L)，年灌溉量为，年灌溉量为M(m3/ha)，镉在土壤中年残留率为，镉在土壤中年残留率为k，土壤镉因灌溉达到其容量的年土壤镉因灌溉达到其容量的年限为限为t0，土壤环境容量为土壤环境容量为Q(mg/ha),进入土壤的镉在第进入土壤的镉在第t 年时的积累年时的积累残留量残留量X(mg/ha)为：为：当当X等于土壤环境容量等于土壤环境容量Q时，时，C即为污灌水质标准，用即为污灌水质标准，用I(mg/L)表示：表示：如某土壤镉环境容量为2mg/kg(2*150000*15 mg/ha)，当M=7500(m3/ha),和和，得不同年限时的I值：2.制定灌溉水水质标准和污泥农用标准某地段利用含镉废水灌溉农26土壤环境容量土壤环境特征土壤污染源与污现状调查土壤生态效应土壤元素背景值作物效应盆载试验土壤生物及酶效应土壤环境净化功能土壤环境临界值含量土壤环境容量综合临界值指标土壤物质平衡试验建立数学模型,确定土壤环境容量制定土壤环境质量标准实施总量控制土土壤壤环环境境容容量量建建立立程程序序方方框框图图土壤环境容量土壤环境特征土壤污染源与污现状调查土壤生态效应土27