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1、第五章 土壤环境背景值与环境容量,赵秀兰,岩石成分、地理环境、生物群落部差异大，土壤背景值因地理位置及空间变化而产生差异。,第一节 土壤环境背景值,一、概念,土壤在无污染或未污染时的元素含量，特别是有害元素的含量。,背景值是一种历史性的相对数值，是一个相对的概念。,无污染或未污染相对于污染环境而言，它指距污染源很远，污染物不易达到、生态条件正常的地区。,背景值随空间变化而变化,二、地方病与环境背景值的关系 1.主要元素与人体健康,二、地方病与环境背景值的关系 1.主要元素与人体健康,二、地方病与环境背景值的关系 1.主要元素与人体健康,2.地方病,自然疫源性（生物源性）：病因为微生物和寄生虫，
2、是一类传染性的地方病。,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.元素缺乏性:地方性甲状腺肿、地方性克汀病等。元素中毒性（过多性）:地方性氟中毒、地方性砷中毒、地方性硒中毒、地方性钼中毒。,过量Mn,Ca，P等也可通过干扰甲状腺对碘的摄取而致病,2.地方病,1）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(如山区)，或含量过高(如沿海)造成。,缺碘分布,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；,我国西北、东北、华北
3、和西南等地区的山区及丘陵区。,碘过量分布,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。,缺碘或高碘甲状腺肿,缺碘克汀病（侏儒症）,甲状腺肿,正常人,克汀病,2.地方病,2）地氟病,2.地方病,2）地氟病,氟的水迁移性强，在高温多雨与淋溶性地区易于产生缺氟病，如山地，丘陵的坡地，酸性淋溶林地。氟的积累在相对干燥的地带，如干旱与半干旱的富钙地球化学环境，或半湿润富铁地球化学环境。,饮用水型,煤烟污染型,食物污染型,3）克山病 一种原发性心肌病，1935年在黑龙江省克山县发现。临床表现主要有心脏增大、急性或慢性心功能不全和各种类型的心律失常，急重病人可发生猝死。我国东北、华北、
4、西北及西南等地区15个省，自冶区209个县(旗)有克山病流行，形成东北一西南走向的“病带。,我国克山病地区分布图,克山病患者及对照发硒测定结果(g/g),病因可能为：水土:硒缺乏与克山病发病的关系较密切。,感染:可能由嗜心肌病毒所引起从西南地区病人的血液和组织分离出一些病毒。中毒:可能与生物碱、二氧化硅、重金属等中毒有关。营养缺乏:可能缺乏心肌代谢所需要的某些微量元素、氨基酸或维生素。,双腿和双手骨节肿大,行走艰难,4）大骨节病 一种世界性地方病，典型症状是关节疼痛、增粗、严重者关节畸形、臂弯腿短、步态蹒珊。,世界分布：西伯利亚东部、朝鲜北部，越南太平省，蒙古、日本、瑞典和荷兰等地；我国：黑龙
5、江、吉林、辽宁、河北、河南、山东，山西、陕西、甘肃、四川、台湾、内蒙古、西藏等地；致病机理有3种假说：腐殖质中毒说腐殖酸对软骨细胞产生过氧化损伤；食物性真菌中毒说；环境缺硒说。,大骨节病患者及对照发硒测定结果(g/g),4）大骨节病,从东北到西南 构成“贫硒地带”,东北、东部沿海、华北、华南、华中、西北、西南是广大的缺硒带。苏、皖、鲁、宁、甘、新等省自治区的部分地区也相对贫硒,大部分地区食物中硒含量在0.02ppm以下。东南沿海为富硒地区，为0.1ppm，是联合国卫生组织规定的最低限。,贫硒大国,三峡库区构造分布及地方病高发区分布图,表皮角化病皮肤溃烂皮肤癌,3.砷中毒,砷的来源,3.砷中毒,
6、饮用水,煤烟型,稻米,贵州省含砷量高的煤矿的地理分布,煤砷含量100-9,000 ppm,高者达35,000 ppm。美国或其它国家煤含砷量约10 ppm 含砷煤矿在贵州省的分布与几种地方性慢性砷中毒疾病的发病率吻合.,中国地方性砷中毒分布调查(总报告),卫生研究,2003,32(6):519540,将粮食挂在没有采取通风措施的敞开式炉灶上方烘干的传统方法。,室内空气含砷浓度:20-400g As/m3国标：3g As/m3,8个高砷煤村庄（A-H）与普通煤村庄 食物（玉米和辣椒）、尿液砷含量间的关系,日本富山县神通川流域地区发现，表现为腰痛、背痛、膝关节痛，最后遍及全身，步行困难，呈摇摆步态
7、，骨骼变形，身长缩短，骨脆易折，疼痛在活动时加剧，休息时缓解，呼吸受限，睡眠不足，终因疼痛折磨而死。,4.镉中毒痛痛病,镉为蓄积性中毒，主要损害肾脏和骨质，使人体内钙排出体外，引起钙不足而导致骨质疏松和骨骼软化。痛痛病的潜伏期一般28年，长的可达1030年,骨痛病,稻米中镉浓度与肾病的发生率,三、土壤环境背景值研究方法（一）土壤背景值的采样布点 应掌握几个原则：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。1.研究范围的确定 研究范围取决于研究目的。工业开发区土壤背景值：围绕工矿区内的工厂布局，三
8、废排放途径与影响范围；行政区域土壤背景值：行政的疆界。,2.样点的设置与布局 1）样点数设置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 母质，水文均一：土种变异小，样点数少些。地貌、母质和水文变异较大：土样变异大，样点数多些。1985年我国农业土壤背景值研究：9个片区，约43万km2，样点布置总数平均41/km2。陕西黄土高原和黄河下游：地形最平坦，母质、水文条件均一，样点数平均13-27个万km2。贵州、四川而：地貌复杂、母质类型繁多，土壤变异大，平均为4-185个万km2。,2)布点方法,简单随机,分块随机,系统布点,3.基础样品数量,由均方差和绝对偏差计算,由变异系
9、数和相对偏差计算,（二）土样的采集与分析,1.在既定样点上采样,自然土壤剖面示意图,农业土壤剖面示意图,剖面样品,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。,长:1.5m宽:0.8-1m深：视地形和作物定,2.分析质量控制标准样参考样（或内控样）；回收实验；质量控制图，,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.,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测试样品的20%.,准确度控制:土壤标样控制,土壤标样比例一般为测试样品的10%,测试结果落在标样 范
10、围内.,（三）数据处理1.确定元素浓度的概率分布类型 直方图法，概率纸图示法、偏度峰度法，夏皮洛威尔克W检验法，皮尔逊X2法。常用的有：偏度峰度法、皮尔逊X2法，夏皮洛威尔克W检验法2.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准差。,对于呈正态分布的元素,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（D)表示，其范围为M/DMD;,3.样点数是否符合统计要求的检验,4.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对较小。分级：将每一制图单元内的统计平均
11、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。制图：在土壤图上按不同色调或不同色度,沿背景直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脑制图，在已绘制的图上必须将样点位置标注于图中。,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 X2S2.土壤背最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3.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？4.肥料分配的依据 背景值低，缺养分，需多分配5.找矿的依据 土壤背景值特别高，意味着
12、岩石中高，可能有矿。6.有助于地方病等的判断。,环境容量 在生物生存和自然生态不受害的前提下，某一环境单元所能容纳的污染物的最大负荷量，是环境总量控制的依据。2.土壤环境容量 概念1：在一定的环境单元、一定时限内遵循环境质量标准，既保证农产品质量和生物学质量，也不使环境受污染时，土壤所能容纳污染物的最大负荷量。概念2：土壤中的有害物含量从背景值起到达污染水平值之间的浓度范围，为一绝对量，是数量概念。,第二节 土壤环境容量（soil environmental capacity）,一、概念,土壤污染水平（土壤临界浓度）有两个方面含义：1）生物开始表现为受害症状时,土壤有害物质的浓度 作物减产10
13、%时的元素含量；微生物或土壤动物的呼吸强度发生变化，微生物的群落发生变化。2）生物体有害物质的含量达到或超过卫生标准（此时植物生长仍可能正常）。土壤从背景值开始到污染水平的浓度要决定于两方面条件：1）生物的适应能力种类、品种、生育期、生长势 2）土壤对该物质的缓冲量与有效量土壤保持、固定和释放等。土壤的环境容量因土而异。,土壤临界浓度的依据,二、土壤环境容量的理论依据1.土壤的净化功能2.土壤环境的缓冲性能 土壤环境对污染(物）的缓冲性定义为:土壤因水分、温度、时间等外界因素的变化，抵御其组分浓(活)度变化的性质。为土壤酸碱缓冲性能概念的延伸。其数学表达式为:,三、土壤环境容量的确定1.盆栽试
14、验与田间试验生物容量法 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。盆栽试验：多在控制条件下进行，其与田间试验的结果悬殊甚大，土量、水分、作物长势都将对容量值产生很大的影响。田间试验：影响因素很多，结果需经多次重复方可靠。特点：1）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，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。,2.化学试剂提取法化学容量法 以有害物在土壤中达到致害生物时的有效浓度为指标，确定土壤容量的方法。优点：简便易行，且指标于统一。常用的化学提取剂：
15、稀酸溶液：0.1M HCl,0.05MHCl,1M HOAc,1M HNO3 提取含专性吸附的成分 弱碱溶液：0.5M NaHCO3,0.5M Na2CO3,提取石灰性土壤有效砷缓冲溶液：HOAc-NH4OAc(pH 7.0 4.8)中性盐溶液：1M NH4OAc,1M MgCl2,0.01M CaCl2,1M NH4NO3,0.1M NaNO3 提取交换态金属 螯合剂：0.02-0.05M EDTA,0.005M DTPA溶液和 EDTA+(NH4)2CO3、DTPA+CaCl2+TEA,缺点：土壤性质和提取条件对有效量提取的影响很大。3.模拟试验 从地下水的角度探讨环境容量。,四、土壤环境容量的应用1.制定土壤环境质量标准,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田，其镉浓度为C(mg/L),年灌溉量为M(m3/ha),镉在土壤中年残留率为k,土壤镉因灌溉达到其容量的年限为t0,土壤环境容量为Q(mg/ha),进入土壤的镉在第t 年时的积累残留量X(mg/ha)为：,当X等于土壤环境容量Q时，C即为污灌水质标准，用I(mg/L)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,，得不同年限时的I值：,土壤环境容量建立程序方框图,
