土壤监测

第五章土壤质量监测第一节土壤基本知识第二节土壤环境质量监测方案第三节土壤样品的采集与加工管理第四节土壤样品的预处理第五节土壤污染物的测定第一节土壤基本知识一、土壤组成土壤是指陆地地表具有肥力并能生长植物的疏松表层，是由岩石风化以及大气、水、特别是动植物和微生物对地壳表层长期作用形成的。它介于大气圈、岩石圈、水圈和生物圈之间，是环境中特有的组成部分。土壤土壤固相空隙矿物质(95％～98％)有机质和生物（2％～5％）土壤溶液空气土壤溶液和空气占土壤总体积的50％，且二者之间经常处于彼此消长的状态。土壤矿物质是由岩石经风化而来的，一般占土壤固体部分质量的95％～98％。矿物质直接影响土壤性质，又是植物矿质养分的主要来源，故同土壤肥力有密切关系。1.土壤矿物质的组成（1）原生矿物质：岩石经过物理风化作用被破碎形成的碎屑，其原来的化学组成没有改变。（2）次生矿物质：原生矿物质经过化学风化后形成的新矿物，其化学组成和晶体结构均有所改变。(一)土壤矿物质2.土壤化学组成氧、硅、铝、铁、钙、钠、钾、镁八大元素含量约占96％以上，与岩石中各元素的含量相似。3.土壤机械组成指不同大小颗粒（沙砾、粉粒、黏粒）的相对含量。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，如对污染物的吸附、解吸和迁移、转化能力，有效含水量及保水、保温能力等。我国土壤质地分类参见表5.1；国际制土壤质地分类见表5.2。土壤粒级分类包括：国际制（1930）、苏联卡钦斯基制（1957）、美国农业部（1951）、中国制（1981）石砾gravel:2mm沙粒sand:0.02~2mm粉沙粒silt:0.002~0.02mm粘粒clay:0.002mm土壤质地分类-三角图美国农业部制表5.1我国土粒分级标准颗粒名称粒径/mm石块10石砾粗砾10～3细砾3～1沙砾粗沙砾1～0.25细沙砾0.25～0.05粉粒粗粉粒0.05～0.01细粉粒0.01～0.005黏粒粗黏粒0.005～0.001细黏粒0.00110.1气溶胶的定义和分类砂土类sandsoil感觉粗糙，加水后不易团聚通气透水性强，但水份不宜保持，不耐旱。砂土保肥性差，施肥后因灌水、降雨而易淋失肥效常表现为猛而不稳，前劲大而后劲不足易增温也容易降温，昼夜温差较大，“热性土”砂质土松散易耕，但缺少有机质的砂土泡水后容易沉淀、板实、闭气10.1气溶胶的定义和分类黏土类claysoil感觉光滑，加水后粘性很强，可撮成长条而不断粒间孔隙小，通气透水性差，易保水，但有效水不一定高肥效迟缓，肥劲稳长黏土保水力强，含水量多，热容量较大，升温慢降温也慢，昼夜温差小，“冷性土”黏土通气性差，好气性微生物受到抑制，有机质分解较慢，易于积累腐殖质，故黏土中有机质和氮素一般比砂土高干时紧实坚硬，湿时泥烂10.1气溶胶的定义和分类壤土类loamsoil无粗糙感，像面粉，湿时无团聚性和延展性砂粘适中,兼有砂土类、黏土类的优点，消除了砂土类和黏土类的缺点，是农业生产上质地比较理想的土壤它既有一定数量的大孔隙，又有相当多的毛管孔隙，故通气透水性良好，又有一定的保水保肥性能，含水量适宜土温比较稳定，粘性不大，耕性较好“四砂六泥”或“三砂七泥”（二）土壤有机质(Soilorganicmaterial,SOM)土壤有机质的来源土壤有机质主要来源于植物的根茬、茎秆、落叶、土壤中的动物残骸以及施入土壤的有机肥料等。土壤有机质的组成包括非腐殖物质和腐殖质。土壤有机质的作用含有大量营养元素，分解后可提供植物生长发育的需要，是植物养分的重要来源。腐殖质能把土粒粘结成团粒结构。这种结构保水、保肥能力强，类似储存水肥的小仓库，随时供给植物吸收利用。有机质是微生物的食物，土壤有机质丰富而其他条件又适宜时，就能促进微生物的旺盛活动。非腐殖物质（non-humicmaterial）：包括糖类化合物(如淀粉、纤维素等)、含氮有机合物及有机磷和有机硫化合物。腐殖物质(humicmaterial)：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的高分子聚合物，具有芳环结构，苯环周围连有多种官能团，如羧基、羟基、甲氧基及氨基等，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。碱液提取土壤有机质的分组方法土壤有机质土壤腐殖质动植物残体微生物生物量非腐殖物质腐殖物质可溶性腐殖物质不可溶性腐殖物质(胡敏素)Humin富啡酸(黄色溶液)FulvicAcid胡敏酸(褐色沉淀)HumicAcid用比重液分离酸化至pH=1土壤腐殖质的性质主要由C、O、H、N组成，其中C：55-60%，N：3-6%，C/N比为10:1-12:1，富里酸的O和S含量大于胡敏酸,其C/H和C/O小于胡敏酸我国几种主要土壤腐殖质的分子量Humicacid：2,500-20,000Fulvicacid：680–1,450比表面积：2000m2g-1CEC：200–500cmolkg-1腐殖质含有大量含氧官能团，如羟基、羧基、酚羟基、羰基、醌基、甲氧基等，表现出极强的离子交换性、络合性、缓冲性、氧化-还原性、胶体物性等土壤有机质结构FromStevenson,1982MW=150,000统计的标本数有机质含量（％）土类322.07～7.05黄棕壤、黄褐土101.38～6.66高山草原土、亚高山草原土264.81～21.96高山草甸土、亚高山草甸土242.32～2.98砖红壤、赤红壤292.14～16.4黑土、黑钙土470.52～1.95红壤322.71～20.5黄壤221.03～10.69褐土742.64～19.3棕色森林土中国某些自然土壤中有机质含量土壤中生活的微生物(细菌、真菌、放线菌、藻类等)及动物(原生动物、蚯蚓、线虫类等)对进入土壤的有机污染物的降解及无机污染物(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。（三）土壤生物细菌放线菌蚯蚓线虫图5.1土壤微生物和动物土壤水分及其所含溶质的总称，溶有土壤中可溶成分的稀薄不饱和溶液.土壤溶液中的组成：不纯净的降水及其氧气、二氧化碳、氮气等溶解性气体有机化合物类，如各种单糖、多糖、蛋白质及其衍生物类无机盐类，通常是钙、镁、钠等无机胶体类，如各种粘粒矿物和铁、铝三氧化物络合物类，如铁、铝有机络合物一般用0.01MCaCl2溶液代表土壤溶液。(四)土壤溶液土壤空气存在于未被水分占据的土壤孔隙中，来源于大气、生物化学反应和化学反应产生的气体。土壤空气是不连续的土壤空气中CO2含量高于大气——soilrespiration土壤空气中含水量一般高于大气土壤空气的数量取决于土壤的孔隙状况和含水量(五)土壤空气与土壤中存在的胶体物质密切相关。土壤胶体：无机胶体:claymineral,ironoxide有机胶体：humicacid,fulvicacid有机－无机复合胶体对有机污染物（如有机磷和有机氯农药）和无机污染物（如Hg2+、Pb2+、Cu2+、Cd2+等重金属离子）有较强的吸附能力或离子交换吸附能力。二、土壤的基本性质(一)吸附性(二)酸碱性土壤的酸碱度可以划分为九级：pH4.5为极强酸性土；pH=4.5～5.5为强酸性土；pH5.5～6.0为酸性土；pH6.0～6.5为弱酸性土；pH6.5～7.0为中性土；pH7.0～7.5为弱碱性土；pH7.5～8.5为碱性土；pH8.5～9.5为强碱性土；pH9.5为极强碱性土。中国土壤的pH大多在4.5～8.5范围内，并呈东南酸西北碱的规律。土壤的酸碱性直接或间接地影响污染物在土壤中的迁移转化。土壤酸度可分为：活性酸度：有效酸度，土壤溶液中游离H+浓度，以土壤pH表示潜性酸度：由土壤胶体吸附的可代换性H+、Al3+离子造成两者区别：活性酸度与潜性酸度是存在于同一平衡体系的两种酸度，二者可以相互转换。活性酸度是土壤酸度的现实表现，土壤胶体是H+Al3+的储存库，因此潜性酸度是活性酸度的储备。一般情况下，潜性酸度远大于活性酸度。二者之比在沙土中达1000，有机质丰富的黏土中高达上万倍(三)氧化-还原性因土壤中含有氧化性和还原性无机物质和有机物质，使其具有氧化性和还原性，可以用氧化还原电位(Eh)来衡量。Eh300mV：土壤处于氧化状态。Eh300mV：土壤处于还原状态。一般旱地土壤的Eh为400~700mV，水田的Eh为-200~300mV。根据土壤的Eh可以确定土壤中有机物和无机物可能发生的氧化还原反应和环境行为判断土壤是否受到污染或污染程度的标准。土壤背景值又称土壤本底值，它代表一定环境单元中的一个统计量的特征值。背景值（地质学）：指在各区域正常地质地理条件和地球化学条件下元素在各类自然体中的正常含量。环境科学上：指在未受或少受人类影响的情况下，尚未受或少受污染和破坏的土壤中元素的含量。※不同土壤的本底值相差很大（见下页表5.3）三、土壤背景值表5.3全国土壤(A层①)背景值单位：μg/kg①A层指土壤表层或耕层。元素算术几何95%置信度范围值元素算术几何95%置信度范围值均值标准差均值标准差均值标准差均值标准差As11.27.869.21.912.5～33.5K1.860.4631.791.3420.94～2.97Cd0.0970.0790.0742.1180.017～0.333Ag0.1320.0980.1051.9730.027～0.409Co12.76.4011.21.674.0～31.2Be1.950.7311.821.4660.85～3.91Cr61.031.0753.91.6719.3～150.2Mg0.780.4330.632.0800.02～1.64Cu22.611.4120.01.667.3～55.1Ca1.541.6330.714.4090.01～4.8F478197.74401.50191～1012Ba469134.74501.30251～809Hg0.0650.0800.0402.6020.006～0.272B47.832.5538.71.989.9～151.3Mn583362.84821.90130～1786Al6.621.6266.411.3073.37～9.87Ni26.914.3623.41.747.7～71.0Ge1.700.301.701.191.20～2.40Pb26.012.3723.61.5410.0～56.1Sn2.601.542.301.710.80～6.70Se0.2900.2550.2152.1460.047～0.933Sb1.210.6761.061.6760.38～2.98V82.432.6876.41.4834.8～168.2Bi0.370.2110.321.6740.12～0.88Zn74.232.7867.71.5428.4～161.1Mo2.02.541.202.860.10～9.6Li32.515.4829.11.6211.1～76.4I3.764.4432.382.4850.39～14.71Na1.020.6260.683.1860.01～2.27Fe2.940.9842.731.6021.05～4.84土壤背景值的表达方法：算术平均值算术平均值±标准偏差几何平均值±几何标准偏差我国土壤元素背景值的表达方法：95%置信度如元素测定值符合正态分布：用算术平均值如元素测定值呈对数正态分布：用几何平均值22MDDMxsx2DMsx2四、土壤污染天然污染源：矿物风化后自然扩散、火山灰人为污染源：农药、化肥、污水灌溉、固体废弃物、大气水体中污染物质的迁移化学污染物污染物种类生物类污染物：病原微生物放射性污染物：90锶、137铯无机污染物：重金属、As有机污染物：POPs，农药土壤污染的特点隐蔽性和滞后性累积性难治理规定了土壤中污染物的最高允许浓度或范围，是判断土壤质量的依据。土壤环境质量标准(GB15618—1995)无公害农产品蔬菜产地土壤环