生物科技行业环境生物技术第二章第五节土壤质量监测.docx

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生物科技行业环境生物技术第二章第五节土壤质量监测

（生物科技行业）环境生物技术第二章第五节土壤质量监测

第二章环境监测技术

第五节土壤质量监测

壹土壤基本知识

二土壤环境质量监测方案

三土壤样品的采集和加工管理

四土壤样品的预处理

五土壤污染物的测定

壹土壤基本知识

1、土壤组成

土壤是指陆地地表具有肥力且能生长植物的疏松表层。

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。

土壤是由矿物质、动植物残体腐解产生的有机物质、土壤生物、水分和空气等固、液、气三相组成的。

（壹）土壤矿物质

土壤矿物质是由岩石经风化而来的，壹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。

2）土壤化学组成

氧、硅、铝、铁、钙、钠、钾、镁八大元素含量约占96％之上，和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。

（二）土壤有机质

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俩类；是土壤形成的重要基础，和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。

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，部分被氧化形成的壹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、氧化仍原作用及生理活性等性能。

（三）土壤生物

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。

（四）土壤溶液

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。

（五）土壤空气

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）。

积水的土壤通气不良，导致对植物的危害，茶树最忌积水，积水的土壤不应用于种茶树。

2、土壤的基本性质

（壹）吸附性

和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。

（二）酸碱性

土壤的酸碱度能够划分为九级：

pH<4.5为极强酸性土；pH=4.5～5.5为强酸性土；pH>5.5～6.0为酸性土；pH>6.0～6.5为弱酸性土；pH>6.5～7.0为中性土；pH>7.0～7.5为弱碱性土；pH>7.5～8.5为碱性土；pH>8.5～9.5为强碱性土；pH>9.5为极强碱性土。

中国土壤的pH大多在4.5～8.5范围内，且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。

（三）氧化-仍原性

因土壤中含有氧化性和仍原性无机物质和有机物质，使其具有氧化性和仍原性，能够用氧化仍原电位（Eh）来衡量。

Eh>300mV：

氧化体系起主导作用，土壤处于氧化状态。

Eh<300mV：

仍原体系起主导作用，土壤处于仍原状态。

3、土壤背景值

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，它代表壹定环境单元中的壹个统计量的特征值。

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）

4、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、污泥（垃圾、工业废渣）施肥

污染物种类

化学污染物重金属硫化物氟化物农药

生物类污染物：

病原微生物

放射性污染物：

90锶、137铯

5、土壤质量标准

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。

我国颁布的这类标准有土壤环境质量标准（GB15618—1995）、无公害农产品蔬菜产地土壤环境质量指标（GB/T18407—2001）、无公害农产品茶叶产地土壤环境质量指标（NY5020—2001）；有的省（市）仍制定了这类地方标准。

二土壤环境质量监测方案

1、监测目的

1）土壤质量现状监测

监测土壤质量标准要求测定的项目，判断土壤是否被污染及污染水平，且预测其发展变化趋势。

2）土壤污染事故监测

调查分析引起土壤污染的主要污染物，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

在进行污水、污泥土地利用、固体废弃物的土地处理过程中，对残留的污染物进行定点长期动态监测，既能充分利用土地的净化能力，又可防止土壤污染。

4）土壤背景值调查

通过分析测定土壤中某些元素的含量，确定这些元素的背景值水平和变化。

2、资料的收集

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、工业污染源种类及分布、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。

3、监测项目

根据监测目的确定：

背景值要求测定土壤中各种元素的含量；污染事故监测仅测定可能造成土壤污染的项目；土壤质量监测测定影响自然生态和植物正常生长及危害人体健康的项目。

4、采样点的布设

（壹）布设原则

（1）合理地划分采样单元。

（2）对于土壤污染监测，哪里有污染就在哪里布点。

（3）采样点不能设在田边、沟边、路边、肥堆边及水土流失严重或表层土被破坏处。

（二）采样点数量

根据监测目的、区域范围大小及其环境状况等因素确定。

壹般每个采样单元最少设3个采样点。

单个采样单元内采样点数可按下式估算：

式中：

n——每个采样单元布设的最少采样点数；

s——样本相对标准偏差，即变异系数；

t——置信因子，当置信水平为95%时，t值为1.96；

d——允许偏差，当规定抽样精度不低于80%时，d取0.2。

（三）采样点布设方法

1）对角线布点法

适用于面积较小、地势平坦的污水灌溉或污染河水灌溉的田块。

2）梅花形布点法

适用于面积较小、地势平坦、土壤物质和污染程度较均匀的地块。

3）棋盘式布点法

适用于中等面积、地势平坦、地形完整开阔的地块，壹般设10个之上分点。

该法也适用于受固体废物污染的土壤，应设20个之上分点。

4）蛇形布点法

适用于面积较大、地势不很平坦、土壤不够均匀的田块。

5）放射状布点法

适用于大气污染型土壤。

6）网格布点法

适用于地形平缓的地块。

农用化学物质污染型土壤、土壤背景值调查常用这种方法。

对于综合污染型土壤，仍能够采用俩种之上布点方法相结合的方法。

5、监测方法

包括土壤样品预处理方法和分析测定方法。

分析测定常用原子吸收分光光度法、分光光度法、原子荧光法、气相色谱法、电化学分析法及化学分析法等。

选择分析方法的原则：

第壹，标准方法；

第二，权威部门规定或推荐的方法;

第三，自选等效方法。

6、土壤监测质量控制

包括实验用分析仪器、量器、试剂、标准物质及监测人员基本素质的质量保证，实验室内部质量控制，实验室间质量控制，监测结果的数据处理要求等。

7、农田土壤环境质量评价

（壹）评价参数

（二）评价方法

以单项污染指数为主。

当区域内土壤质量作为壹个整体和外区域土壤质量比较时，或壹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。

三土壤样品的采集和加工管理

土壤样品的采集和处理是土壤分析工作的壹个重要环节，采集有代表性的样品，是测定结果能如实反映土壤环境状况的先决条件。

实验室工作者只能对来样的分析结果负责，如果送来的样品不符合要求，那么任何精密仪器和熟练的分析技术都将毫无意义。

因此，分析结果能否说明问题，关键在于样品的采集和处理。

1、土壤样品的采集

（壹）土壤样品的类型、采样深度及采样量

1）混合样品

壹般了解土壤污染状况时采集混合样品：

将壹个采样单元内各采样分点采集的土样混合均匀制成。

对种植壹般农作物的耕地，只需采集0～20cm耕作层土壤；对于种植果林类农作物的耕地，采集0～60cm耕作层土壤。

2）剖面样品

了解土壤污染深度时采集剖面样品：

按土壤剖面层次分层采样。

⏹剖面规格壹般为长1.5m、宽0.8m、深1.0m，每个剖面采集A、B、C三层土样。

过渡层（AB、BC）壹般不采样。

当地下水位较高时，挖至地下水出露时止。

现场记录实际采样深度，如0～20、50～65、80～100cm。

在各层次典型中心部位自下而上采样，切忌混淆层次、混合采样。

⏹在山地土壤土层薄的地区，B层发育不完整时，只采A、C层样。

⏹干旱地区剖面发育不完整的土壤，采集表层（0～20cm）、中土层（50cm）和底土层（100cm）附近的样品。

（二）采样时间和频率

壹般土壤在农作物收获期采样测定，必测项目壹年测定壹次，其他项目3～5年测定壹次。

（三）采样量及注意事项

（1）填写土壤样品标签、采样记录、样品登记表。

1份放入样品袋内，1份扎在袋口。

（2）测定重金属的样品，尽量用竹铲、竹片直接采集样品。

2、样品加工和管理

（壹）样品加工处理

⏹制成满足分析要求的土壤样品；

⏹测定不稳定的项目用新鲜土样（如游离挥发酚、NH3-N、NO3－-N、Fe2+）;

⏹测定多数稳定项目用风干土样。

⏹程序是：

风干磨细过筛混合分装

（二）样品管理

⏹建立严格的管理制度和岗位责任制，按照规定的方法和程序工作，认真按要求做好各项记录。

⏹风干土样存于阴凉、干燥、的样品库内；新鲜土壤样品，放在玻璃瓶中，置于低于4℃的冰箱内存放，保存半个月。

四土壤样品的预处理

根据测定项目不同，选择不同的预处理方法。

1、土壤样品分解

破坏土壤的矿物晶格和有机质，使待测元素进入试样溶液中。

（壹）酸分解法

称消解法，是测定土壤中重金属常选用的方法。

常用混合酸消解体系，必要时加入氧化剂或仍原剂加速消解反应。

（二）碱熔分解法

将土壤样品和碱混合，在高温下熔融，使样品分解。

（三）高压釜密闭分解法

将用水润湿、加入混合酸且摇匀的土样放入密封的聚四氟乙烯坩埚内，置于耐压的不锈钢套筒中，放在烘箱内加热（壹般不超过180℃）分解。

（四）微波炉加热分解法

将土壤样品和混合酸放入聚四氟乙烯容器中，置于微波炉内加热使试样分解的方法。

2、土壤样品提取方法

测定土壤中的有机污染物、受热后不稳定的组分以及进行组分形态分析时，需要采用提取方法。

提取溶剂常用有机溶剂、水和酸。

（壹）有机污染物的提取

测定土壤中的有机污染物，壹般用新鲜土样。

称取适量土样放入锥形瓶中，放在振荡器上，用振荡提取法提取。

对于农药、苯且（a）芘等含量低的污染物，常用索氏提取器提取法。

（二）无机污染物的提取

土壤中易溶无机物组分、有效态组分可用酸或水浸取。

3、净化（分离）和浓缩

消除干扰、浓缩待测成分常用净化方法有层析法、蒸馏法等；浓缩方法有K-D浓缩器法、蒸发法等。

样品的代表性和采样误差的控制

⏹土壤的不均壹性是造成采样误差的最主要原因。

⏹土壤是固、气、液三相组成的分散体系，各种外来物进入土壤后流动、迁移、混合较难，所以采集的样品往往具有局限性。

壹般情况下，采样误差要比分析误差高得多。

为保证样品的代表性，必须采取以下俩个技术措施控制采样误差。

（1）采样前要进行现场勘察和有关资料的收集，根据土壤类型、肥力等级和地形等因素将研究范围划分为若干个采样单元，每个采样单元的土壤要尽可能均匀壹致。

（2）要保证有足够多的采样点，使之能充分代表采样单元的土壤特性。

采样点的多少，取决于研究范围的大小，研究对象的复杂程度和试验研究所要求的精密度等因素。

采样点设置过少，所采样品的偶然性增加，缺乏足够的代表性；采样点设置过多，则增大了采样的工作量，浪费了人力、物力和财力。

五土壤污染物的测定

土壤污染物测定中应注意的几个问题：

⏹监测项目：

金属、非金属、有机物

⏹土壤监测的特点——样品的代表性问题

⏹要重视采样前的调研工作

采样前应调研当地的：

自然条件、农业情况、土壤性状、污染历史及现状

⏹测定方法：

和水、空气相同或相似

重量法

容量法

分光光度法

原子吸收法

色谱法

⏹结果表达：

烘干土为基准——mg/kg（烘干土样）

1、含水量

样品在105℃烘干、称重、计算。

2、pH值：

玻璃电极法

⏹测定要点：

称取通过1mm孔径筛的土样10g于烧杯中，加无二氧化碳蒸馏水25mL，轻轻摇动后用电磁搅拌器搅拌1min，使水和土充分混合均匀，放置30min，用pH计测量上部浑浊液的pH值。

⏹土粒的粗细及水、土比例均对pH值有影响。

壹般酸性土壤的水土比保持5∶1～1∶1；碱性土壤水土比以1∶1或2.5∶1为宜，水土比增加，测得pH值偏高。

3、可溶性盐分

⏹用壹定量的水从壹定量土壤中经壹定时间浸提出来的水溶性盐分；

⏹测定方法有重量法、比重计法、电导法、阴阳离子总和计算法等。

重量法测定要点：

注意：

水土比例大小和振荡提取时间影响土壤可溶性盐分的提取。

此外，抽滤时尽可能快速，以减少空气中二氧化碳的影响。

4、金属化合物

土壤中金属化合物的测定方法和《水和废水监测》中金属化合物的测定方法基本相同，仅在预处理方法和测量条件方面有差异。

测定程序壹般为：

5、有机化合物测定

（壹）六六六和滴滴涕

广泛使用气相色谱法。

土样中有机物萃取色谱法测定（ECD检测器）

1）方法原理

⏹用丙酮-石油醚提取土壤样品中的六六六和滴滴涕，经硫酸净化处理后，用带电子捕获检测器的气相色谱仪测定。

根据色谱峰进行俩种物质异构体的定性分析；根据峰高（或峰面积）进行各组分的定量分析。

2）仪器及条件

⏹主要仪器是:

带电子捕获检测器的气相色谱仪；全玻璃进样器；长1.8～2.0m，内径2～3mm螺旋状硬质玻璃填充柱。

⏹色谱条件：

固定液：

1.5%OV-17（甲基硅酮）+1.95%QF-1（氟代烷基硅氧烷聚合物）；80～100目ChromosorbWAW-DMCS担体；气化室温度：

220℃；柱温：

195℃；载气（N2）流速：

40～70mL/min。

3）测定要点

（1）样品预处理：

准确称取20g土样，先用石油醚-丙酮（1:

1）于索氏提取器中提取，再用浓硫酸和无水硫酸钠净化。

（2）定性和定量分析：

用色谱纯α-六六六、β-六六六、γ-六六六、δ-六六六、p,p´-DDE、o,p´-DDT、p,p´-DDD、p,p´-DDT和异辛烷、石油醚配制标准工作溶液；分别吸取标液和样品试液近样，记录标液和样品色谱图，根据保留时间定性、峰高（或峰面积）定量。

用外标法计算土壤样品中农药含量。

（二）苯且（a）芘的测定

测定方法有：

紫外分光光度法、荧光分光光度法、高效液相色谱法等。

紫外分光光度法适于苯且（a）芘含量>5μg/kg的土壤，如苯且（a）芘含量<5μg/kg，则用荧光分光光度法。

高效液相色谱法的测定要点是：

⏹土壤样品于索氏提器内用环己烷提取苯且（a）芘；

⏹提取液注入高效液相色谱仪测定。