土壤的环境背景值与容量

1、定义：土壤背景值——未受人类活动影响的土壤本身的化学元素组成和含量。但是：地球上的土壤几乎全部受到人类活动直接或间接的影响。当然：土壤背景值只能代表土壤某一发展演变阶段的相对意义上的数值。在时间和空间上都具有相对性。一、土壤背景值的概念2、特点：1）时间上的相对性土壤的发展演变过程中，其组成一直不断发生变化。而由于生物对环境的适应性，目前的土壤的组成才适合当前生物的生长。2）空间上的相对性地球上的不同区域，从岩石成分到地理环境和生物群落都有很大的差异。它们生长的生物也都各自适应所在的环境，所以，他们的背景值因地理位置而有所差异。3、土壤背景值的研究：始于20世纪70年代美国：1975年提出大陆岩石、沉积物、土壤、植物及蔬菜的元素背景值；加拿大：1975和1976年分别列出了曼尼巴省和安大略省土壤中若干元素的背景值；日本：1978年报告了水稻土的元素背景值。我国：70年代后期也开始了土壤背景值的研究工作。包括北京、南京、广州、重庆以及华北平原、东北平原、松辽平原、黄淮海平原，西北黄土、西南红黄壤等的土壤背景值。1、研究表明，人体血液与地壳中的18种元素(Fe、Zn、I、Co、V、Mn、Cr、Mo、Sn、Cu、Al、As、Sb、Pb、Cd、Ni、Hg)呈显著正相关。2、在一定的环境单元内，岩石、土壤与植物和水下底泥之间，Cu、Zn、Ni、Mn、Pb、Cd元素含量呈极显著正相关。——土壤与生物有着密切关系二、土壤背景值与地方病和污染病的关系岩石土壤植物底泥水体岩石10.99950.99560.99870.5009土壤10.99370.9970－0.2904植物10.9985－0.26291－0.2963Cu、Zn、Mn、Ni、Pb、Cd在各环境要素之间含量相关矩阵土壤中各元素与生命活动的密切关系，是通过食物链(网)组建起来的。土壤元素必需元素非必需元素必需元素必须维持在一定浓度范围内，才能使生命活动正常运行。非必需元素在土壤环境中浓度稍稍升高就可导致严重后果。植物必需元素：碳、氢、氧、氮、磷、钾、硫、镁、钙、铁、锰、硼、锌、铜、钼、氯动物必需元素：钴、硒镉、汞元素过低过高Hg未发现水俣病Cd未发现痛痛病、致癌、致心血管病、高血压As仔动物可致生长缓慢、细胞损伤及脾肥大皮肤癌、肺癌、血管末梢病Pb使鼠类患贫血症中枢神经损伤、行走蹒跚Ni动物生长缓慢、皮毛变粗，人类消化不良、肾疾病呼吸道癌Cr致低血糖、糖尿病、心血管病皮肤肺损害、可能导致肺癌Mn动物骨骼畸形、步履蹒跚、生殖功能障碍假震颤性麻痹、假精神分裂土壤主要元素与生物健康的关系土壤元素背景值异常(过高或过低)——地方病(甲状腺肿、氟病、大骨节病、克山病等）土壤污染—非必需元素含量升高——污染病(水俣病、痛痛病、黑脚病等)地方性甲状腺肿(大脖子病)病因——土壤环境中碘元素含量过低或过高。表现为甲状腺组织增生与肥大。1）土壤中的碘常以阴离子态存在，因此迁移能力强，容易淋溶损失。在高温多雨，淋溶性地区容易缺碘。2）在有机质含量丰富的土壤中，容易被吸附固定，难以参与生物循环，因此有的地方土壤中并不缺碘，粮食中碘含量却较少。3）我国西北、东北、华北和西南等地的山区及丘陵地区，这种疾病较为严重；另外渤海湾南部，山东日照市、广西北海市等沿海或平原区也有病例。我国由湿润到干旱地区、从内陆到沿海、从山岳到平原、从河流上游到下游，碘由淋溶转为积累。此病发病强度由山地丘陵到平原渐减，干旱和半干旱地区和沿海地区往往发生高碘性甲状腺肿大。地方性氟病包括龋齿(缺氟)与氟中毒(氟斑牙、氟骨症)两种。氟的水迁移能力强，因此在高温多雨与淋溶性地区易产生缺氟病，如：山地、丘陵的坡地、酸性淋溶的林地等。在相对干燥的地带，如干旱与半干旱的富钙地区或半湿润的富铁地区，则会发生氟的积累。克山病病因——缺钼和硒克山病是一种地方性心肌病，最早在我国黑龙江省克山县发现。我国东北、华北、西北及西南等地15个省、自治区，309个县都有克山病流行，形成东北－西南走向的“病带”。“病带”土壤硒、钼含量低，硒含量小于0.17mg/kg。克山病发病与环境中硒、钼缺乏一致。大骨节病病因尚未查明症状：属于变形性骨关节病，主要侵害生长发育期的儿童，其基本病变是软骨的变性、坏死。轻者关节增粗、疼痛，重者身材矮小、关节畸形、终身残疾，丧失劳动能力。我国分布于黑龙江、吉林、辽宁、河北、河南、山东、山西、陕西、甘肃、四川、台湾、内蒙古、西藏等省自治区。大骨节病生物地球化学说最初由原苏联学者提出，认为本病由1种或几种元素过多、不足或不平衡所引起。我国科学家发现大骨节病与环境低硒有密切关系：①我国本病病区分布与低硒土壤地带大体上一致，大部分病区土壤总硒总量在0.15mg/kg以下，粮食硒含量多低于0.020mg/kg；②病区人群血、尿、头发硒含量低于非病区人群，病人体内可查出与低硒相联系的一系列代谢变化；③病区人群头发硒水平上升时，病情下降；④补硒后能降低大骨节病的新发率，促进干骺端病变的修复。不支持低硒是本病的病因：①有些地区低硒，并不发生大骨节病，如陕西的榆林、洛南以及四川、云南一些克山病病区；有些地方硒并不很低，却有本病发生，如山东的益都，山西的左权、霍县，陕西的安康，青海的斑玛等；②补硒后不能完全控制本病的的新发；③细胞培养表明，软骨细胞生长对硒并无特殊需要；④低硒的动物实验不能造成类似本病的软骨坏死。大骨节病真菌毒素说认为病区谷物被某种镰刀菌污染并形成耐热的毒性物质，居民因食用含此种霉素的食物而得病。60年代以后，我国学者杨建伯等继续进行这一方面的研究，病区玉米中检出最多的真菌是尖孢镰刀菌；并在病区玉米粉和面粉中检出多量镰刀代谢产物苏糖醇和木糖醇，其含量与大骨节病病情之间存在“剂量效应”联系。用病区谷物分离的镰刀菌接种于非病区玉米制成菌粮，按10%比例加入正常饮料喂养雏鸡，可引起雏鸡膝关节骺板软骨带状坏死。真菌霉素说当前面临的主要问题是：①在流行病学上如何解释病区近距离灶状分布问题，用温度、湿度、粮食收割贮存条件等难以作出令人信服的解释；②各病区分离出的菌种不尽相同，病区与非病区间的差别不够规律；③细胞培养证明，镰刀菌毒素（如禾谷粉红色镰刀菌的TDP-1、梨孢镰刀T-2等）对软骨细胞并无选择性毒性作用。大骨节病有机物中毒说认为本病系由于病区饮水被腐殖质污染所致。我国在1979—1982年的永寿县大骨节病科学考察中，测得水中腐殖酸总量和羟基腐殖酸含量与大骨节病患病变率呈正相关。近年来对病区饮水中有机物的分离鉴定表明，病区与非病区腐殖酸结构的核心部分无明显差异，小分子有机物如酚醌类、含硫和氮的苯并噻唑类化合物在病区饮水中较多出现。近年来，有些学者提出低硒、真菌毒素和饮水中有机物3者在复合致病假说。即粮食受真菌污染和饮水受有机物污染的共同结果，引起发病。这一观点所面临的主要问题是，危害为何只选择性作用于软骨细胞，而对其他组织不带来明显损害。水俣病病因——有机汞中毒。主要症状：脑损害。轻者鼻、唇、舌、手、足、麻木，语言不清，记忆力减退，动作笨拙，步态不稳。重者全身瘫痪、痉挛、吞咽困难，最后死亡。1953年首次发现于日本九州岛的水俣湾。在日本九州岛南部熊本县的水俣镇，出现了一些患口齿不清、面部发呆、手脚发抖、神经失常的病人，这些病人经久治不愈，就会全身弯曲，悲惨死去。原因：合成醋酸过程中采用的催化剂氯化汞和硫酸汞，随废水排入临近的水俣湾内，沉淀在底泥里。氯化汞和硫酸汞在海底泥里被一种叫甲基钴氨素的细菌作用变成毒性更强的甲基汞。甲基汞每年能以1％速率释放出来，对上层海水形成二次污染，长期生活在这里的鱼虾贝类最易被甲基汞所污染，据测定水俣湾里的海产品含有汞的量已超过可食用量的50倍，居民长期食用此种含汞的海产品，就成为甲基汞的受害者。一旦甲基汞进入人体就会迅速溶解在人的脂肪里，并且大部分聚集在人的脑部，粘着在神经细胞上，使细胞中的核糖酸减少，引起细胞分裂死亡。水俣病痛痛病病因——镉中毒。主要损害肾脏和骨质。症状：这种病一开始是在劳动过后腰、手、脚等关节疼痛，在洗澡和休息后则感到轻快；延续一段时间后，全身各部位都神经痛、骨痛尤烈，进而骨骼软化萎缩（如图所示），以致呼吸、咳嗽都带来难忍之苦，因而自杀。痛痛病1931年起，日本富山县神通川流域出现了一种怪病，使许多妇女自杀。1960年证实病因是镉中毒。又通过十几年的流行病学、临床、病理以及动物实验等方面的深入细致的研究工作，于1968年证实并指出“痛痛病”是由镉引起的慢性中毒。它的化学性质使它取代钙离子与体内的负离子结合，导致骨骼中因镉的含量增加而脱钙，造成严重的骨骼疏松。它还会使肾脏受损，继而引起骨软化症，是在妊娠授乳，内分泌失调，老年化和钙不足等诱因作用下形成的疾病。发病是由于神通川上游某铅锌矿的含镉选矿废水和尾矿渣污染了河水，使其下游用河水灌溉的稻田土壤受到污染，产生了“镉米”，人们长期食用“镉米”和饮用含镉的水而得病。统一分析方法模拟消解液统一参考样品标准溶液标准参考物质自检—互检—外检异常值判断剔除数据分布类型检验可靠性检验情报检索样品采集样品处理及保存室内分析数理统计与检验计算机处理步骤三、土壤背景值的确定土壤背景值的确定情报检索：研究区域内的地质、地貌、水文、土壤与污染物类型和分布等，根据情报检索结果确定污染物影响范围。样品采集：在污染物影响范围之外，按照自然条件确定样点数与样点布局。（每个土种至少有4次重复的样点）土样的采集与分析土样采集过程：挖掘土壤剖面——分层采样——风干——过筛(全量分析时过100目筛(60目)，有效成分分析时过20目筛)。样品分析注意事项：保证分析质量格外重要。(1)掌握分析方法的质量参数；(2)带标准参考样品与必要数量的空白参与平行测定与回收检验。应用数理统计方法对数据进行处理。我国几个地区及其主要土类的背景值我国土壤金属元素含量概况：砷、锌、铜高于世界均值；汞、锰、钴与世界均值相当；镉、铬、镍低于世界均值；铅的变异系数超出世界平均范围。1、反映土壤中化学元素的丰度，为制定施肥规划、方案提供基础数据；2、是土壤污染评价不可缺少的依据，为土壤质量评价，划分质量等级和土壤污染评价，划分污染等级提供基础参数和标准；3、确定土壤环境容量，制定土壤环境标准不可缺少的基础数据；4、反映区域土壤化学元素的组成和含量。通过对元素背景值的分析，可以找到土壤、植物、动物和人群之间某些异常元素的相互关系。四、土壤背景值的应用1、环境容量：是指人类生存和自然生态不受损害的前提下，环境对污染物的最大容纳量。2、土壤环境容量（或称土壤负载容量）：指一定环境单元、一定时限内遵循环境质量标准，即保证农产品质量和生物学质量，同时也不使环境污染时，土壤所能容纳污染物的最大负荷量。——土壤污染物的起始量和最大负荷量之差。五、土壤的环境容量3、影响因素：①污染物质在土壤中的挥发、稀释、扩散和浓集使其移出土体之外；②对于某些可呈离子态的污染物质，如重金属、化学农药进入土壤后，土壤胶体的吸附作用可以大大改变其有效含量；③土壤中天然或人工合成的有机和无机配位体，可以跟几乎所有的金属离子形成络合物和螯合物。④土壤的氧化还原作用影响有机物质存在的状态（可溶性和不溶性），从而影响到它们的迁移转化。⑤土壤微生物对有机污染物质具有生物转化作用，从而使污染物形态改变。⑥其他：污染物的存在状态，生物对污染物的耐受性。4、土壤环境容量的确定：生物试验盆栽试验田间试验化学容量法：在大量生物试验和对有害元素的转化形态及其危害临界值进行大量研究的基础上，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环境容量。土量多少，作物长势，根、土比土壤静容量：Cso=M(Ci-Cbi)Cso为土壤静容量；M为耕层土重(2250t/hm2)；Ci为i元素的土壤环境标准(mg/kg)；Cbi为i元素的土壤背景值(mg/kg)。以静态观点表征土壤容纳能力，不是实际的土壤容量，但其参数简单，具有一定的应用价值。2）土壤变动容量：土壤中的元素处于动态平衡过程。土壤背景值：具有相对稳定的特征；元素的输入：多途径、多次性或是