第二章土壤元素背景值和環境容量第1頁，共39頁，2023年，2月20日，星期三主要內容土壤元素背景值

概念及研究方法一些國家土壤元素背景值比較影響土壤元素背景值的因素在環境質量標準制定中的應用土壤環境容量

概念研究示意圖數學表達式應用

第2頁，共39頁，2023年，2月20日，星期三土壤元素背景值土壤元素背景值是指土壤在自然成土過程中所形成的固有地球化學組成和含量。由于在全球范圍內人類活動和現代工業發展的影響，絕對不受污染的土壤已經很難找到，因而背景值無論在時間上和空間上均具有相對的含義，在實際樣品的采集中應尋找人為影響盡可能少的地方。同時，土壤圈與自然-地理環境條件及歷史緊密相聯系，與巖石圈、大氣圈、水圈、生物圈處與經常的相互作用之中，土壤的形成和發育受氣候、生物、母質、地形和時間等的明顯影響，土壤背景值在不同區域或同一區域、不同地點采集的樣品，其分析的結果往往不同，反映了土壤自身的結構與化學組成是非常不均勻的，所以土壤背景值是統計性的，是一個范圍值，而不是一個確定值。另一方面，土壤元素背景值也受人類活動的影響，分析結果也是科學與技術發展的反映，他具有自然和社會影響的雙重屬性，因而我們討論元素背景值時，也應注意其發表的時間與當時的科技背景，特別是元素分析技術的成熟性和計算科學與技術等相關學科的發展程度。土壤元素背景值第3頁，共39頁，2023年，2月20日，星期三土壤背景值研究方法1、制定總體方案：它包括研究的主要目標，總體技術方案的設計，研究課題的質量管理，預期的成果及效益的分析；2、實施：包括（1）樣品的采集制備與管理（2）樣品分析（3）數據處理第4頁，共39頁，2023年，2月20日，星期三樣品的采集1、布點：在廣泛收集、分析研究區域自然環境和社會資料的基礎上，將一定數量的樣點繪制于地形圖上，制成點位圖，供作野外現場采樣的依據2、野外定點：當進入現場后，有時發現點位圖上規定的樣點所屬的土類和母質母巖類型與實際情況不符，此時，應當適當修正。原則是：土壤剖面應選擇在有利于該土類特征發育的環境，地形平坦、穩定、自然植被良好；不宜在住宅周圍、路旁、溝渠等認為干擾很大而不具有代表性的地點挖掘土壤剖面；不應該在水土流失嚴重及表土破壞的地點采樣，剖面發育應較完整、層次較清楚3、布點的方法：一般采用網格法和代表剖面法。網格法又稱分類型隨機抽樣法，適用于地形平緩、土壤情況簡單、工作區面積較小的區域，樣品間距計算：L=[A/n]1/2

式中L為間距（m），A為工作區總面積（m2，n為樣點總數4、采樣5、樣品的加工與管理：野外采回的土壤樣品，經過登記編號，風干、磨碎、過篩、混合、分裝、制成分析樣品，使之達到分析的要求第5頁，共39頁，2023年，2月20日，星期三應使同一單元的差異性較小，而不同單元的差異性較大；要代表當地的主要景觀分區，采樣單元的劃分應能反映被研究的流域、平原、山地、自然保護區等自然景觀以及經濟結構不同的小區。能代表工作區內主要的土類，要重點考慮那些面積大，具有流域特征的地帶性土壤、要能代表當地主要的成土母質類型，各采樣單元所含有的樣點數，要滿足數理統計的要求。第6頁，共39頁，2023年，2月20日，星期三第7頁，共39頁，2023年，2月20日，星期三分析在保證分析項目達到一定精度的前提下，應根據實驗條件選擇經濟、快速、簡便的分析方法。分析過程中，嚴格執行質量控制，包括：全程序空白值控制精密度控制（用平行樣控制樣品的測試的精密度，平行樣品數可占每批測試樣的20%，根據元素含量范圍，其相對偏差必須小于表中的規定值）；準確度控制（用土壤標樣控制樣品測試的準確度，每批樣品分析要同時測定土壤標樣，其比例一般為10%，每次測定的結果須落在標樣X±2S范圍內）。元素含量范圍mg/kg允許最大相對偏差（%）>100510-100101-10200.1-125<0.130第8頁，共39頁，2023年，2月20日，星期三數據處理與統計分析1、異常值的剔除：樣品量大于100的統計單元，可根據元素分布類型來確定，屬于正態分布的元素，剔除X±3S以外的異常值，可連續剔除直到沒有異常值為止；屬于對數正態分布的元素可剔除M/（D2-MD2）以外的異常值（D為幾何標準差），可連續剔除直到沒有異常值為止。對于樣本數少于100的統計單元，用檢驗方法來剔除，如Grubbs方法。2、土壤元素背景值的表達方法：有幾種方法，但我國用得較多的一種是用土壤樣品平均值加減兩個標準偏差表示。即：B=x±2S

第9頁，共39頁，2023年，2月20日，星期三土壤元素背景值基本統計量第10頁，共39頁，2023年，2月20日，星期三一些國家土壤背景值的比較第11頁，共39頁，2023年，2月20日，星期三一中國土壤各主要元素環境背景值和美國、日本、英國土壤的含量水平大體相當，在數量級上更為一致研究工作給出了中國土壤15種稀土元素以及其它稀有分散元素的環境背景值，補充與擴展了元素背景值的信息量；中國土壤中的Hg,Cd,比日本和英國低，而Cr、Pb、比日本和美國高。中國土壤〈A層〉和世界土壤化學組成中的中值比較表明：中國土壤中的Cd遠小于世界土壤中的中值,而Zn,大于世界土壤中值，表明了中國是一個對Cd污染相當敏感的國家，但由于其Zn的含量高，高Zn/Cd比在一定程度上緩沖或抑制的毒性。一些國家土壤背景值的比較第12頁，共39頁，2023年，2月20日，星期三土壤元素背景值受到來自自然和人為活動等方面的影響，成土母質是決定土壤元素含量最基本、最主要的因素。成土母質最初決定著土壤中元素的水平，成土母質的礦物成份和元素組成，是形成各類土壤的物質基礎。

遼河平原調查結果表明：不同母巖上發育的褐土中，Cu、Pb、Ni、Zn、Cd、Cr、Hg．As等8種元素的含量順序為：紅土＞基礎巖＞花崗巖＞黃土土壤類型、氣候、地形、植被等是影響土壤元素背景值的重要因素。土壤元素背景值的影響因素第13頁，共39頁，2023年，2月20日，星期三地形對土壤元素含量的影響第14頁，共39頁，2023年，2月20日，星期三植被類型和土地利用方式：植被類型和土地利用方式，在不同程度上直接或間接地影響土壤背景值。植物有機體的生命活動引起礦物質的生物小循環，對土壤中化學元素的形成起著極其重要的作用．而且有被根系從下層吸到上層的富集作用。由于礦物元素存在的形態不同，植物選擇吸收的能力備異．因此．這種選擇吸收破壞了土壤表層原有的元素平衡。以遼寧棕壤為例，植被類型對背景值影響結果為：林地＞荒地＞旱田植被類型和土地利用方式對土壤元素含量的影響第15頁，共39頁，2023年，2月20日，星期三有機質對土壤中金屬元素的含量起著重要的作用一方面，有機體富集了某類金屬元素另一方面、微生物-有機質復合體決定著土壤生化反應的水平，也決定著土壤中的礦物質參加生化反應析出金屬離子的水平。腐殖質膠體具有很大的陽離子交換量．并與金屬離子形成十分穩定的螯合物或絡合物，持別是表層土壤中金屬元素的含量與有機質有密切的關系。有機質對土壤元素含量的影響第16頁，共39頁，2023年，2月20日，星期三土壤質地對土壤中金屬元素狀態的影響．可分為吸附影響和通過水分流通影響兩類。土壤的礦物膠體，對重金屬元素的吸附積聚作用，是很大的。研究表明．多數金屬元素含量和粘粒含量的分布趨勢大體一致。土壤的機械組成，也通過水分流通來影響土壤中金屬元素的含量。質地不同的土壤，其滲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細間接地使金屬元素發生轉移，包括垂直和水平的遷移。凡土壤質地粘重的，如白漿土屬河湖沉積物，其土壤環境背景值就高：質地合砂的，如黑鈣土，暗栗鈣土，風沙土等土坡質地較粗．其元素背景值含量較低。土壤質地對土壤元素含量的影響第17頁，共39頁，2023年，2月20日，星期三土壤質地對土壤元素含量的影響第18頁，共39頁，2023年，2月20日，星期三土壤類型與土壤中金屬元素之間有密切的相關關系。土壤的分類，是土壤理化性質的綜合。它包含了諸如海拔、母質、粒質、有機質以及粘土礦物等與土壤元素在不同方面關系密切的各要素。元素本身的性質，可限制其在土壤中的運轉能力。在一定條件下，某些元素可與其它元素形成穩定的化合物，使之運轉困難。有些活潑的元素，只要條件發生輕微的變化，就會作出某種反映。元素的運轉，是自然條件和元素本身共同作用的結果。植物還能決定某些元素(銅、鋅)在土壤剖面中的分布，這與元素本身有關土壤pH值和氧化還原電位屬于土壤本身的理化性質。這兩種指標，是由土壤在某種自然條件的影響下所決定的．對土壤中金屬元素的含量起間接影響作用。土壤類型、元素本身及其它因素對土壤元素含量的影響第19頁，共39頁，2023年，2月20日，星期三土壤元素背景值較為真實的反映了一定時間和空間范圍內，一定社會和經濟條件下土壤中元素的基本信息及其相互之間的關系，而土壤環境質量標準則是具有法律效力的指標與準則，反映了社會、技術、經濟和管理上的要求。元素背景值在環境質量標準制定中的應用第20頁，共39頁，2023年，2月20日，星期三土壤環境質量標準的建立是一個相當復雜的系統工程，在標準研究中基本上可分為土壤環境容量法和元素背景值法。吳燕玉將其歸納為生態效應法與地球化學法，在土壤環境容量法或生態效應法中，采用不同的指標體系來確定土壤污染負荷值，這些指標包括：產量指標，將農作物產量（主要指可食部分）減少5%~10%的土壤有害物質的濃度作為土壤有害物質的最大允許濃度；微生物與酶學指標，當微生物數量減少10%~15%或土壤酶活性降低10%~15%時土壤有害物質的濃度為最大允許濃度；食品衛生標準指標，即當作物可食部分某元素的含量達到食品衛生的限量時，相應土壤中某元素的含量為最大允許值；環境效應指標，包括流行病學法和血液濃度。將上述指標進行綜合分析比較，采用最敏感因子作為土壤中有害物質的最大允許濃度。土壤環境質量標準的建立第21頁，共39頁，2023年，2月20日，星期三土壤環境質量標準制定程序第22頁，共39頁，2023年，2月20日，星期三

根據土壤應用功能和保護目標，劃分為三類：

Ⅰ類主要適用于國家規定的自然保護區(原有背景重金屬含量高的除外)、集中式生活飲用水源地、茶園、牧場和其他保護地區的土壤，土壤質量基本上保持自然背景水平。

Ⅱ類主要適用于一般農田、蔬菜地、茶園、果園、牧場等土壤，土壤質量基本上對植物和環境不造成危害和污染。

Ⅲ類主要適用于林地土壤及污染物容量較大的高背景值土壤和礦產附近等地的農田土壤(蔬菜地除外)。土壤質量基本上對植物和環境不造成危害和污染。

我國的土壤環境質量分類第23頁，共39頁，2023年，2月20日，星期三

標準分級

一級標準為保護區域自然生態，維持自然背景的土壤環境質量的限制值。

二級標準為保障農業生產，維護人體健康的土壤限制值。

三級標準為保障農林業生產和植物正常生長的土壤臨界值。各類土壤環境質量執行標準的級別規定如下：

Ⅰ類土壤環境質量執行一級標準；

Ⅱ類土壤環境質量執行二級標準；

Ⅲ類土壤環境質量執行三級標準；我國的土壤環境標準分級第24頁，共39頁，2023年，2月20日，星期三我國重金屬土壤環境質量標準值mg/kg（GB15618-1995）第25頁，共39頁，2023年，2月20日，星期三土壤環境容量，也稱土壤負載容量，指一定環境單元、一定時限內，遵循環境質量標準、既能保證土壤質量，又不產生次生污染時，土壤所能容納的污染物最大負荷量。如從土壤圈物質循環來考慮，也可簡要定義為“在保證土壤圈物質良性循環的條件下，土壤所能容納的污染物的最大允許值”。由于影響因素的復雜性，因而土壤環境容量不是一個固定值而是一個范圍值。土壤環境容量第26頁，共39頁，2023年，2月20日，星期三土壤環境容量研究路線示意圖土壤環境容量研究示意圖第27頁，共39頁，2023年，2月20日，星期三土壤臨界含量：又稱基準值，是土壤所能污染物的最大濃度，是決定土壤環境容量的關鍵因子。

目前，臨界含量是以特定的參比手段來獲取的，是特定條件下的結果，隨著環境條件的改變，該值有較大的變化。目前比較通用的方法是利用土壤中污染物劑量-效應關系來獲取的，而且大多采用劑量-植物產量或可食部分的衛生標準來確定表觀容量：以特定參考手段、在特定條件下所獲得的容量值。土壤作為一個復雜的生態系統，其臨界含量的確定是一個十分復雜的過程，應根據土壤質量自身的保護和不同的利用類型，采用不同的指標體系，通過分析、比較而獲得整個土壤生態系統的臨界含量，可惜目前尚缺乏這方面的較為深入的研究，一個變通的方法是對用簡單的劑量-效應關系獲得的臨界含量進行適當的修正，將表觀臨界含量修正為實用臨界含量，但是如何求得合理的數值范圍，尚需進一步研究。土壤環境容量第28頁，共39頁，2023年，2月20日，星期三土壤環境容量數學模式，是土壤生態系統與其邊界環境中諸參數構成的定量關系，通過模式來確定土壤環境容量，它可分為靜容量和動容量．土境靜容量是指一定環境單元和一定時限內，假定土壤中污染物不參與環境循環的情況下土壤容納污染物的最大負荷量。通式表示為：Qsi＝W(Cci-Coi)

式中Qsi為污染物i的靜負載容量，W為耕層土重；Cci為污染物i的臨界含量；Coi為污染物i的原有含量．當Coi等于土壤背景時，即為區域背景土壤的凈容量，將Qsi除以年限，即可得到靜容量．土壤凈負載客量雖與實際容量有距離，但因參數簡單具有一定的應用價值．

土壤環境容量數學模式第29頁，共39頁，2023年，2月20日，星期三土壤動容量是指一定環境單元一定時限內，假定污染物參與土壤圈中的物質循環時，土壤容納污染物的最大負荷置，其通式為：Qdi＝W{Cci-[Cpi+f(I1，I2，I3…，In）-f’（O1，O2，O3…，On)]}

式中Qdi為土壤動容量，Cci為污染物i的臨界含量．Cpi為污染物i的實測濃度，I為輸入項，0為輸出項．通過計算機算出每一定年限的土壤容許輸入量，即土壤變動容量．如果假定每年的輸入和輸出量不變，則將Qdi除以年限t即可得到年變動容量．土壤環境容量數學模式土壤環境容量數學模式第30頁，共39頁，2023年，2月20日，星期三目前土壤環境容量研究的基礎仍然建立在黑箱理論上，僅考慮輸入和輸出而不涉及所發生的過程，而這些過程卻是影響土壤環境容量的重要因素，但在當前土壤環境容量的研究模式中，缺乏這些過程的參數，因而不能反映模式的理論依據及其適用的土壤條件，在土壤這樣一個多介質的復雜體系中，現有的模式顯得過于簡單，因而目前所獲得的容量值僅是一個初步的參考值土壤性質、指示物的差異、污染歷程、環境因素、化合物的類型與形態是當前已知的重要影響因素影響土壤環境容量的因子第31頁，共39頁，2023年，2月20日，星期三確定土壤重金屬臨界含量的依據（夏增祿，1992）第32頁，共39頁，2023年，2月20日，星期三我國不同區域重金屬土壤環境容量（動容量，夏增祿，1992）第33頁，共39頁，2023年，2月20日，星期三迄今為止，有關有機污染物土壤環境容量的研究甚少其一是因為有機污染物進入土壤后大多數能迅速的降解，其容量值的研究在實踐意義不大；其二是技術上的原因，由于土壤有機污染物定量測定的復雜性，給土壤中有機污染物背景值的研究帶來了很大的困難，如何獲得土壤中有機污染物的種類及其背景值，是目前環境土壤學急需解決的問題有機污染物土壤環境容量第34頁，共39頁，2023年，2月20日，星期三前蘇聯某些農藥在植物和土壤中的臨界值第35頁，共39頁，2023年，2月20日，星期三土壤環境容量的應用1、污水灌溉水質標準的制定制定區域性污灌水質標準原則：(1)土壤是一種十分寶貴的資源．使用年限不宜過短；（2）當多種污染物同時輸入時，要選擇其中最重要和影響最大的限制性元素作為確定的依據．并應考慮它們之間的交互作用和綜合效應；〔3)有兩種或兩種以上污染源時．必須對其中限制性元素總量進行控制；其計算公式為：CW=（Qd/t-q）/Mw式中，CW為灌溉水中某一重金屬元素的濃度，Qd/t為土壤中某一重金屬元素的年變動容量，q