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1、,第五章 土壤质量监测,目的与要求了解土壤的组成、背景值等基本概念，掌握土壤样品的采集和测定的原则及基本方法等。重点和难点1）土壤污染样品和背景值样品的采集，样品的保存，样品的制备；2）土壤试样含水量、锌、镉、铜、汞等金属，农药、多环芳烃等有机污染物的监测方法。,第五章土壤质量监测,5.1土壤基本知识5.2土壤环境质量监测方案5.3土壤样品的采集与加工管理5.4土壤样品的预处理5.5土壤污染物的测定,5.1土壤基本知识,本节内容：了解土壤中矿物质、有机质、生物、溶液和空气等土壤基本概念，土壤中各种元素的背景值及其测定意义，以及土壤质量标准。,5.1土壤基本知识,5.1.1土壤组成 5.1.2土
2、壤的基本性质 5.1.3土壤背景值 5.1.4土壤污染 5.1.5土壤环境质量标准,5.1.1土壤组成,土壤是地球表层的岩石经过生物圈、大气圈和水圈的综合影响演变而成的。因母岩、气候、生物、地形、时间等多种成土因素综合作用的不同，形成了各种类型的土壤。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,一、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。这类矿物质主要有硅酸盐类矿物、氧化物类矿物、硫化物类矿物、磷酸盐类矿物。2、次生矿物质：它大多是由原生矿
3、物质经化学风化后形成的新矿物，其化学组成和晶体结构有所改变。这类矿物质包括简单盐类（如碳酸盐、硫酸盐、氯化物等）、三氧化物类（如褐铁矿）、次生铝硅酸盐类（如蒙脱土）。,二、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。主体元素是氧、硅、铝、铁、钙、钠、钾、镁等，占96%。,三、土壤机械组成 土壤粒径的大小影响着土壤对污染物的吸附和解吸能力。不同粒径的矿物质颗粒的成分和物理化学性质有很大差异。为了研究方便，按粒径大小将土粒分成若干类，称为粒级，同级土粒的成分和性质基本一致。,我国土粒分级标准,国际制土壤质地分类,自然界中任何一种土壤，都是由粒径不同
4、的土粒按不同比例组合而成的，按照土壤中各粒级土粒含量的相对比例或质量分数分类，称为土壤质地分类。国际制采用三级分类法，即根据沙粒（0.022mm）、粉沙粒(0.0020.02mm)和粘粒(0.002mm)在土壤中的相对含量，将土壤分成砂土、壤土、粘壤土、粘土四大类和十二级。,（二）土壤有机质,定义：土壤有机质是土壤中含碳有机化合物的总称。形成：由进入土壤的植物、动物、微生物残体及施入土壤的有机肥料经分解转化逐渐形成的。作用：土壤有机质占土壤总量的5%，对于土壤物理、化学、生物学性状有较大影响。,分类,非腐殖物质：包括糖类（如淀粉、纤维素），含氮有机化合物，有机磷、有机硫化合物，占土壤有机质总量
5、的10-15%。,腐殖物质：是植物残体中稳定性较大的木质素及其类似物，在微生物作用下，部分被氧化形成的一类特殊高分子聚合物，具有芳环结构，苯环周围连接多种官能团，如羧基、羟基、甲氧基、氨基等，使之具有表面吸附、离子交换、络合、缓冲、氧化还原作用及生理活性等性能。,（三）土壤生物,土壤中的微生物（细菌、真菌、放线菌、藻类等）及动物（原生动物、蚯蚓、线虫类等）作用：是土壤有机质的重要来源，对进入土壤的有机污染物降解及无机污染物（如重金属）的形态转化起着主导作用，是土壤净化功能的主要贡献者。,（四）土壤溶液,定义：土壤水分及其所含溶质的总称。存在于土壤孔隙中。作用：是植物和土壤生物的营养来源，也是土
6、壤中各种物理、化学反应和微生物作用的介质，是影响土壤性质及污染物迁移、转化的重要因素。来源：大气降水、降雪、地表径流和农田灌溉。土壤中的溶质：可溶无机盐、可溶有机物、无机胶体、可溶性气体等。,（五）土壤空气,存在于未被水分占据的土壤孔隙中。来源：大气、生物化学反应和化学反应产生的气体（如甲烷、硫化氢、氢气、氮氧化物、二氧化碳等）,思考题,简述土壤的组成；他们是怎样形成的？,5.1.2土壤的基本性质,（一）吸附性（二）酸碱性（三）氧化还原性,（一）吸附性,土壤的吸附性与土壤中存在的胶体物质有关。土壤胶体包括无机胶体（如黏土矿物、铁铝、硅等水合氧化物）、有机胶体（主要是腐殖质）、有机-无机复合胶体
7、。土壤胶体具有巨大的比表面积，胶粒表面带有电荷，对有机污染物（如有机磷、有机氯农药等）和无机污染物（如Hg2+,Pb2+,Cu2+,Cd2+等重金属离子）有极强的吸附能力或离子交换吸附能力。,（二）酸碱性,土壤的酸碱度划分为9级：酸性中性碱性我国土壤pH4.5-8.5，东南酸，西北碱土壤碱性主要来自土壤中钙、镁、钠、钾的重碳酸盐、碳酸盐及土壤胶体上交换钠离子的水解作用。,（三）氧化还原性,土壤中氧化剂：游离氧、高价金属离子、硝酸根等土壤中还原剂：土壤有机质及其在厌氧条件下的分解产物、低价金属离子,5.1.3土壤背景值,定义：土壤背景值（土壤本底值）是指在未受人类社会行为干扰和破坏时，土壤成分的
8、组成和各组分（元素）的含量。我国土壤部分元素环境背景值，表5-3.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。,5.1.4土壤污染,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。,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。,化学污染物,5.1.5土壤环境质量标准,土壤环境质量标准(GBl56181995)无公
9、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),5.2土壤环境质量监测方案,5.2.1监测目的5.2.2资料的收集5.2.3监测项目5.2.4采样点的布设5.2.5监测方法5.2.6土壤监测质量控制5.2.7农田土壤环境质量评价,5.2.1监测目的,1、土壤质量现状监测2、土壤污染事故监测3、污染物土地处理的动态监测4、土壤背景值调查,1.土壤质量现状监测,目的：判断土壤是否被污染及污染状况，预测发展变化趋势。土壤环境质量标准将土壤环境质量分为3类。三类土壤分别执行一、二、三级标准。,哪三类？,2、土壤污染事故监测,由于
10、废气、废水、废渣等对土壤造成了污染，或者对作物造成了污染，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,进行污水、污泥土地利用、固体废弃物的土地处理过程中，把无机、有机污染物带入土壤中，并不断积累，含量是否达到危害的临界值，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,确定元素背景值的水平和变化，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。,思考题,何谓土壤背景值？土壤背景值的调查研究对环境保护和环境科学有何
11、意义？我国土壤环境质量标准将土壤分成哪几类？各类土壤的功能和保护目标是什么？根据监测的目的，土壤环境监测分析有几种类型?,5.2.2资料的收集,自然环境方面的资料社会环境方面的资料,自然环境方面的资料,土壤类型、植被、区域土壤元素背景值、土地利用、水土流失、自然灾害、水系、地下水、地质、地形地貌、气象等,社会环境方面的资料,工农业生产布局、工业污染源种类与分布、污染物种类及排放途径和排放量、农药和化肥使用状况、污水灌溉及污泥施用状况、人口分布、地方病等,5.2.3监测项目,土壤监测项目根据监测目的确定。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
12、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生长及危害人体健康的项目。,5.2.3监测项目,我国土壤环境质量标准监测项目我国土壤环境质量标准规定监测重金属、农药、pH值共11个项目。,农田土壤环境质量监测技术规范监测项目,农田土壤环境质量监测技术规范将监测项目分为3类规定必测项目：同土壤环境质量标准11项选择必测项目：根据监测地区环境污染状况，确认在土壤中积累较多、对农业危害大、影响面广、毒性强的污染物，具体项目由各地自己确定。P277,表5-7选择项目：新纳入的在土壤中积累较少的污染物，由于环境污染导致土壤性状发生改变的土壤性状指标和农业生态环境指标。P277,表5-7,5.2.4
13、 采样点的布设,监测区域大、区域环境状况复杂，布设采样点多监测范围小、环境状况差异小，布设采样点数量少。一般要求每个采样单元最少设3个采样点,（二）采样点数量,（三）采样点布设方法,对角线布点法梅花形布点法棋盘式布点法蛇形布点法放射状布点法网格布点法,放射状布点法:适用于大气污染型土壤。以大气污染源为中心，向周围画射线，在射线上布设采样分点。,网格布点法：适用于地形平缓的地块。将地块分成若干均匀网状方格，采样分点设在两条直线的交点或方格的中心。农用化学物质污染型土壤、土壤背景值调查常用。,思考题,土壤污染监测有哪几种布点方法？各适用于什么情况？,5.2.5 监测方法,土壤样品预处理方法同底质样
14、品1.金属：酸消解2.有机物：索氏提取、超声提取、微波辅助萃取、加压溶剂提取等分析测定方法表5-7 农田土壤环境质量监测分析测定方法,分析测定方法,5.2.7农田土壤环境质量评价,获得土壤监测项目的监测数据后，依据土壤环境质量标准评价被监测土壤的质量评价方法：运用评价参数进行（1）单项污染物污染状况评价、（2）区域综合污染状况评价、（3）划定土壤质量等级。,（一）评价参数,（二）评价方法,一般以单项污染指数为主但当区域内土壤质量作为一个整体与外区域土壤质量比较时，或者一个区域内土壤质量在不同历史阶段比较时，应用综合污染指数评价。综合污染指数全面反映了各污染物对土壤的不同作用，同时又突出了高浓度
15、污染物对土壤环境质量的影响，适于用来评价土壤环境质量等级。表5-8,5.3土壤样品的采集与加工管理,5.3.1土壤样品的采集（一）采样深度和采样量1.混合样品 2.剖面样品（二）采样时间和频率（三）采样注意事项5.3.2土壤样品的加工与管理（一）样品加工处理（二）样品管理,（一）采样深度,C层（风化母岩层、母质层）,在采样地点挖掘一个11.5m的长方形土坑。深度在2m以内，一般要求达到母质层；盐碱地地下水位高，取样至地下水位层。,根据土壤剖面颜色、结构、质地等划分土层，将剖面形态特征记录下来。在各层最典型的中部自下而上逐层用小土铲切取一片土壤样。,采样量 由于测定所需的土样是多点混合而成的，取
16、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。采样方法 采样筒取样；土钻取样；挖坑取样。,（二）采样量及采样方法,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。一年中在同一地点采样两次进行对照。农田土壤环境监测技术规范规定，一般土壤在农作物收获期采样测定，必测项目一年测定一次，其他项目3-5年测定一次。,（三）采样时间,（四）采样注意事项,（1）采样点不能设在田边、沟边、路边或肥堆边；（2）将现场采样点的具体情况，如土壤
17、剖面形态特征等做详细记录；（3）现场填写两张标签，写上地点、土壤深度、日期、采样人姓名等，一张放入样品袋内，一张扎在样品口袋上。（4）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。,思考题,根据土壤污染监测目的，怎样确定采样深度？为什么需要多点采集混合土样？,二、土壤样品加工与管理,（一）样品加工处理处理程序：风干磨细过筛混合分装目的：（1）除去非土部分，使测定结果能代表土壤本身的组成（2）有利于样品能较长时期保存，防止发霉、变质（3）通过研磨、混合，使分析时称取的样品具有较高的代表性,（一）样品加工处理（样品制备
18、）,1、土样的风干,将潮湿的土样倒在搪瓷盘内或塑料膜上，摊成2cm厚的薄层，用玻璃棒压碎、翻动，使其均匀风干。风干过程中，拣出碎石、沙砾及植物残体。,2、磨碎与过筛,（1）如果进行土壤颗粒分析及物理性质测定等物理分析，取风干样品100200g，放在木板上用圆木棍辗碎，经反复处理使土样全部通过2mm孔径（10目）的筛子，将土样混均储于广口瓶内。（2）如果进行化学分析，土壤颗粒细度影响测定结果的准确性，即使对于一个混合均匀的土样，由于土粒大小不同，其化学成分及含量也有差异，应根据分析项目的要求处理成适宜大小的颗粒。,化学分析时土壤的处理,风干的样品除去碎石、植物残体后，四分法分取所需土壤量，使其全
19、部通过0.84（20目）尼龙筛（或铜筛）。过筛后的样品充分混匀，四分法分成2份，一份库存，用于土壤pH值等测定，另一份继续用四分法缩分成2份，一份备用，另一份研磨至全部通过0.25mm（60目）或（0.149mm）100目筛，混匀备用。通过60目筛的土壤用于农药、土壤有机质、土壤全氮等项目的测定过100目筛的样品用于元素分析,（二）样品管理,1、风干土样一般需保存半年至一年，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，该类贮器性能良好、价格便宜且不易破损。4、将风干土样、沉积物或标准土
20、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。5.用于测定挥发性和不稳定组分用新鲜土壤样品，将其放在玻璃瓶内，置于冰箱内存放，保存半个月。,思考题,怎样加工制备风干土壤样品？不同监测项目对土壤样品的粒度要求有何不同？,5.4土壤样品的预处理,一、土壤样品分解方法（用于元素的测定）二、土壤样品提取方法（用于有机污染物和不稳定组分的测定）三、净化和浓缩,一、土壤样品分解方法,（一）酸分解法：测定土壤中重金属时常选用各种酸及混合酸进行土壤样品的消化。消化作用：破坏、除去土壤中的有机物；溶解固体物质；将各种形态的金属变为同一种可测态。为了
21、加速土壤中被测物质的溶解，除使用混合酸外，还可在酸性溶液中加入其他氧化剂或还原剂。盐酸-硝酸-氢氟酸-高氯酸,一、土壤样品分解方法,（二）碱熔分解法：土壤样品与碱混合，高温下熔融，使样品分解。常用的有碳酸钠碱熔法和偏硼酸锂熔融法。操作要点：土壤于金属坩埚中，加入适量熔剂，充分混匀，移入马弗炉中高温熔融（用碳酸钠于900-920C熔融半小时），冷却后移入烧杯中，电热板上加水和盐酸加热浸提和中和、酸化熔融物盐类溶解后，过滤，滤液分析。特点：分解样品完全缺点是：添加了大量可溶性盐，易引进污染物质；有些重金属损失。,一、土壤样品分解方法,（三）高压釜密闭分解法（四）微波炉加热分解法,二、土壤样品提取方
22、法,（一）有机污染物的提取振荡提取法索氏提取法：适用于农药、苯并芘等含量低的污染物，提取效率高（二）无机污染物的提取酸或水浸取,三、净化和浓缩,土壤中的欲测组分被提取后，往往还存在干扰组分，或达不到分析方法测定要求的浓度，需要进一步净化或浓缩。净化方法有：层析法、蒸馏法、固相萃取法浓缩方法有：旋转蒸发仪、K-D浓缩器、氮吹仪,思考题,对土壤样品进行预处理的目的是什么？怎样根据监测项目的性质选择预处理方法？用盐酸-硝酸-氢氟酸-高氯酸处理土壤样品有何优点？应注意什么问题？,5.5土壤污染物的测定,一、土壤水分二、pH值三、可溶性盐分四、金属化合物五、有机化合物,一、土壤水分,土壤监测结果规定用m
23、g/kg（烘干土）表示。测定土壤含水量，以便计算土壤中各种成分按烘干土为基准时的测定结果。测定方法：对于风干水样，用感量0.001g的天平称取土样2030g，（对于新鲜土样，用感量0.01g的天平称取适量土样），置于铝盒中。置于在105下烘（45h）至恒重。按下式计算水分重量占烘干土重的百分数：,二、pH值,土壤pH值对土壤微量元素的有效性和肥力有重要影响。pH6.5-7.5的土壤，磷酸盐的有效性最大。土壤酸性增强，使所含许多金属化合物溶解度增大，其有效性和毒性也增大。土壤pH过高或过低，均影响植物的生长。测定土壤pH值使用玻璃电极法,三、可溶性盐分,定义：用一定量水从一定土壤中经一定时间浸提
24、出来的水溶性盐分。测定意义：当土壤的可溶性盐分达到一定数量后，会直接影响作物的发芽和正常生长，影响程度主要决定于可溶性盐分的含量、组成及作物的耐盐度。碳酸钠、碳酸氢钠对作物的危害最大，其次是氯化钠，硫酸钠危害相对较轻。因此，定期测定土壤中可溶性盐分总量及盐分的组成，可以了解土壤浸渍程度和季节性盐分动态，为制定改良和利用盐碱土壤的措施提供依据。,三、可溶性盐分,测定方法：重量法、比重计法、电导法、阴阳离子总和计算法重量法：称取风干过筛后的土壤样品1000g，放入1000mL塑料瓶中，加入500ml蒸馏水，振荡器上振荡提取后，抽气过滤，滤液用于分析。吸取50-100ml滤液于蒸发皿中，水浴加热蒸干，100-105C烘箱中烘干，烘干残渣用15%过氧化氢溶液在水浴上继续加热去除有机质，再蒸干，剩余残渣为可溶性盐分总量。,四、金属化合物,与水中金属监测相似，主要是预处理的不同。主要是原子吸收、分光光度法（一）铅、镉（二）铜、锌（三）总铬（四）镍（五）总汞（六）总砷,五、有机化合物,（一）六六六和滴滴涕 GC-ECD（二）苯并（a）芘,思考题,怎样用玻璃电极法测定土壤样品的pH值？测定土壤中可溶性盐分有何意义？简述测定方法。怎样用气相色谱法对土壤中六六六和滴滴涕的异构体进行定性和定量分析？,作业,P295.17,18,
