第五章_土壤质量监测

环境监测EnvironmentMonitoring第五章土壤质量监测古人说：“皮之不存，毛将焉附？”我们也可以说：“土之不存，树将焉附？”Chapter5.SoilQualityMonitoring第5章土壤质量监测本章内容提要1土壤基本知识2土壤环境质量监测方案3土壤样品的采集与加工管理4土壤样品的预处理5土壤污染物的测定第5章土壤质量监测土壤圈概念：土壤圈是覆盖于地球陆地表面和浅水域底部的土壤所构成的一种连续体或覆盖层，犹如地球的地膜，通过它与其他圈层之间进行物质能量交换。大气圈、水圈、生物圈、岩石圈相互作用的产物。土壤物质来源于这些圈层，以三种状态----固态、液态和气态存在着，固体部分包括有机物（来源于生物圈）和无机矿物（来源于岩石圈），液体部分即土壤溶液（水圈的组成部分），气体既包括大气中的气体，还包括土壤生物化学反应释放出的气体（最终进入大气圈）。同时，土壤携带了其形成时的环境信息。第5章土壤质量监测土壤三基础土壤是一种“类生命体”：能自动调节水、热、气、肥的存在状态；有抵抗酸-碱化的缓冲作用。土壤的本质和生命力所在是肥力。它是土壤在外界环境条件影响下，主动协调植物生理和生态要求的能力。土壤肥力与土壤的组成成分，土体结构和土壤物理、化学性质密切相关第5章土壤质量监测一、土壤的组成无机物质（45%）有机物质（5%）固体组分（50%）空气（25%）水（25%）孔隙（50%）植物群落动物群落生物群土壤第5章土壤质量监测土壤的组成示意图无机物质（45%）有机物质（5%）固体组分（50%）空气（25%）水（25%）孔隙（50%）植物群落动物群落生物群土壤第5章土壤质量监测土壤中的主要矿物第5章土壤质量监测地球中的化学元素氢77.2%氦20.9%氢70%氦27%铁34.6%氧29.5%硅15%镁12.7%氧29.5%硅27.2%铝8%氧84.6%氢10.8%氧52.4%碳39.4%氦78.08%氧20.94%第5章土壤质量监测克拉克值－丰度根据大陆地壳中的5159个岩石、矿物、土壤和天然水的样品分析数据，于1889年第一次算出元素在地壳中的平均含量数值(平均重量百分比)，后人为了纪念这个创举，将它命名为克拉克值。化学元素在任何宇宙或地球化学系统中(如地球、大气圈、水圈、岩石圈)的平均含量，称为丰度。第5章土壤质量监测地壳中各元素的丰度元素符号教材数据经典数据元素符号教材数据经典数据氧O46.6046.05钠Na2.832.78硅Si27.7227.88钾K2.592.58铝Al8.138.13镁Mg2.092.06铁Fe5.005.17钛Ti0.440.62钙Ca3.633.65氢H0.140.14ScientificAmerican1970第5章土壤质量监测地壳中其它重要元素10-5数量级:Cu5.5,Pb1.25,Zn7,Co2.5,Ni7.510-6数量级:W1.5,Sn2,U2.7,Mo1.5,As1.810-7数量级:Sb210-8数量级:Ag7,Au410-9数量级:Pt5第5章土壤质量监测整个地球的物质中各元素的丰度整个地球的物质中各元素的丰度铁近34.6%，氧为29.5%，硅为15.2%，镁为12.7%，镍为2.4%，硫为1.9%，钙和铝为2.2%，其它所有元素共占1.5%按圈层来看地核：大部分以金属状态存在的铁和镍地壳和地幔：大部分是氧和硅，铝也较多水圈：以氧和氢为主生物圈：主要为碳、氢、氧和氮大气圈：主要为氮、氧第5章土壤质量监测现代检测技术发现，哺乳动物、人的血液与海洋中各种元素的含量虽然不同，但元素间的比例和趋势十分接近。由于陆地上元素的丰度与海洋不同，需要额外的补充。第5章土壤质量监测成土矿物土是岩石风化的产物，土粒的矿物成分取决于成土母岩的矿物成分风化后的风化作用，一般可分为两类：原生矿物：石英、长石、云母；岩石物理风化生成的土粒，土粒较粗，多呈浑圆状、块状或板状，吸附水的能力较弱，性质稳定，无塑性次生矿物：化学风化的产物，性质与母岩完全不同，一般为粘土矿物第5章土壤质量监测原生矿物原生矿物是指在土壤形成过程中未改变化学组成和晶体结构的原始成岩矿物。是土壤中矿物的粗质部分和各种化学元素的最初来源。只有通过化学风化分解后，才能释放并供给植物生长所需的养分。土壤中原生矿物存在的数量和类型，取决于土壤发生环境和和发育程度。第5章土壤质量监测次生矿物岩石经化学风化后新生成的矿物；包括简单盐类，铁、铝氧化物和次生铝硅酸盐。其中铁、铝氧化物和次生铝硅酸盐是土壤矿物质中最细小的部分，常称为粘土矿物；粘土矿物形成的粘粒具有吸附、保存呈离子态养分的能力，使土壤具有保肥性。第5章土壤质量监测表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0.001机械组成第5章土壤质量监测表5.2国际制土壤质地分类质地分类各级土粒质量分数/％质地名称黏粒(0.002mm)粉沙砾(0.002~0.02mm)沙砾(0.02~2mm)类别砂土类砂土及壤质砂土0~150~1585~100壤土类砂质壤土壤土粉砂质壤土0~150~150~150~4535~4545~10055~8540~550~55黏壤土类砂质黏壤土黏壤土粉砂质黏壤土15~2515~2515~250~3020~4545~8555~8530~550~40黏土类砂质黏土壤质黏土粉砂质黏土黏土重黏土25~4525~4525~4545~6565~1000~200~4545~750~350~3555~7510~550~300~550~35第5章土壤质量监测土壤质地质地表示土壤颗粒的粗细程度，也即砂、粉砂和粘粒的相对比例。（粒组的概念）第5章土壤质量监测土的名称颗粒级配砾砂粒径2mm的颗粒占全重的25～50％粗砂粒径0.5mm的颗粒超过全重的50％中砂粒径0.25mm的颗粒超过全重的50％细砂粒径0.75mm的颗粒超过全重的85％粉砂粒径0.75mm的颗粒超过全重的50％砂土指粒径大于2mm的颗粒含量不超过全重的50%、粒径大于0.075mm的颗粒超过全重50%的土。分类：砂土按粒组含量分类如下表第5章土壤质量监测粉土定义：粉土是指粒径大于0.075mm的颗粒含量不超过总质量的50％，且塑性指数Ip≤10的土。粉土是介于砂土和粘性土之间的过渡性土类，它具有砂土和粘性土的某些特征，根据粘粒含量可以将粉土再划分为砂质粉土和粘质粉土。第5章土壤质量监测粘性土定义：粘性土是指塑性指数10的土。根据塑性指数大小，粘性土可再划分为粉质粘土和粘土两个亚类：当10Ip≤17时为粉质粘土；当Ip17时为粘土第5章土壤质量监测粘性土的稠度界限含水量：粘性土由一种状态转到另一种状态时的分界含水量。液限wL：流动状态与可塑状态间的分界含水量称液限；塑限wp：可塑状态与半固体状态间分界含水量称塑限；缩限ws：半固体状态与固体状态间的分界含水量称缩限。第5章土壤质量监测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，通常可分为非腐殖物质和腐殖物质两类；是土壤形成的重要基础，与土壤矿物质共同构成土壤的固相部分。土壤有机质中含有大量营养元素，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。有机质腐解后形成的腐殖质，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。（二）土壤有机质第5章土壤质量监测非腐殖物质：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：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。第5章土壤质量监测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土壤微生物和动物第5章土壤质量监测土壤水分及其所含溶质的总称，溶有土壤中可溶成分的稀溶液，来源主要有：大气降水、降雪、地表径流、灌溉、地下水。(四)土壤溶液图5.2土壤溶液的来源第5章土壤质量监测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(如甲烷、硫化氢、氢气、氮氧化物、二氧化碳等)。(五)土壤空气第5章土壤质量监测二、土壤的基本性质(一)吸附性与土壤中存在的胶体物质密切相关。土壤胶体：无机胶体有机胶体有机－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。第5章土壤质量监测(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。第5章土壤质量监测(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：氧化体系起主导作用，土壤处于氧化状态。Eh300mV：还原体系起主导作用，土壤处于还原状态。第5章土壤质量监测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、土壤背景值第5章土壤质量监测表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As11.27.869.21.912.5～33.5K1.860.4631.791.3420.94～2.97Cd0.0970.0790.0742.1180.017～0.333Ag0.1320.0980.1051.9730.027～0.409Co12.76.4011.21.674.0～31.2Be1.950.7311.821.4660.85～3.91Cr61.031.0753.91.6719.3～150.2Mg0.780.4330.632.0800.02～1.64Cu22.611.4120.01.667.3～55.1Ca1.541.6330.714.4090.01～4.8F478197.74401.50191～1012Ba469134.74501.30251～809Hg0.0650.0800.0402.6020.006～0.272B47.832.5538.71.989.9～151.3Mn583362.84821.90130～1786Al6.621.6266.411.3073.37～9.87Ni26.914.3623.41.747.7～71.0Ge1.700.301.701.191.20～2.40Pb26.012.3723.61.5410.0～56.1Sn2.601.542.301.710.80～6.70Se0.2900.2550.215