（土壤学专业论文）污灌区菜地土壤质量评价及其污染预测模型研究——保定市郊为例.pdf

摘要 针对污灌区土壤质量评价研究的难点问题，以具代表性的保定市污灌区菜地土 壤为研究对象，围绕土壤质量的评价和重金属污染的预测，采用田间调查、现代数理 统计与专业知识相结合的方法，分别以土壤肥力因子和重金属污染因子的指标为代 表，作为一般农田土壤和污染农田土壤的评价指标，构成污灌区土壤质量的指标评价 体系，深入探索了污灌区土壤质量肥力因子与重金属因子有效结合的评价方法，研究 了不同蔬菜土壤重金属污染的预测模型。主要研究结论如下： ( 1 ) 运用主成分分析，揭示了污灌区土壤质量评价中，肥力因子与污染因子 有效结合的依据，探索了评价污灌区土壤质量的主要综合指标，明确了在污灌区土壤 质量中养分肥力因子的贡献大于土壤污染因子，土壤养分肥力水平的评价居首要地 位，土壤污染程度的评价处于次要地位。 ( 2 ) 提出了运用动态聚类对污灌区土壤质量进行逐级评价的方法。运用动态 聚类，首先将污灌区土壤划分为以肥力水平为主体的大类，然后结合污染指数对每类 肥力水平的土壤，再进行土壤污染程度逐步评价分类：也就是先将养分肥力水平大体 相同的地块归为一类，参照国家评价标准进行定级。在此基础上，依据污染指标分别 逐步将同一肥力水平的土壤进行评价，再划分为具有不同污染特点的亚类。 ( 3 ) 利用田问调查和多元逐步回归分析，拟合出了绿叶类、瓜果类、根菜类、 葱蒜类和白菜类5 大类2 2 种蔬菜预测土壤p b 、c d 、c u 、z n 污染的1 9 个回归模型， 用于预测各类蔬菜在一定重金属含量的土壤上种植可能达到的污染含量。同时，结合 土壤质量评价的结果，可将每类重金属污染类型的土壤对不同蔬菜可能产生的污染程 度进行科学的预测，为污灌区土壤种植蔬菜的开发规划提供科学依据。 关键词：污灌；土壤质量评价；肥力；重金属；污染：预测：模型 s t u d y o n p r e d i c t i n g e f f e c t so ft h es o i lp o l l u t e dw i t hh e a v ym e t a l so nv e g e t a b l e sa n d m e t h o d o f a s s e s s i n gq u a l i t y o ft h es o i li nv e g e t a b l ep l o ti r r i g a t e dw i t hs e w a g e ac a s e s t u d y o nb a o d i n gs u b u r b a u t h o r ：w a n gs h u t a o m a j o r ：s o i ls c i e n c e t u t o r ：p r o f e s s o rl ib o w e n a b s t r a c t a i m i n ga t t h ed i f f i c u l tp r o b l e mo fe v a l u a t i o nr e s e a r c ho fs o i l q u a l i t y i nt h ea r e a s i r r i g a t e dw i t hs e w a g ea n dh a v i n gv e g e t a b l ef i e l d s i nt h ea r e a si r r i g a t e dw i t hs e w a g ei n b a o d i n gc i t ya sar e s e a r c ho b j e c t ，t h i sp a p e rm a k e s ai h n h e r e x p l o r a t i o nt ot h ee v a l u a t i o n m e t h o do ft h ee f f e c t i v ec o m b i n a t i o no fs o i lq u a l i t yf e r t i l i z e rf a c t o ra n d h e a v ym e t a lf a c t o r , a n ds t u d i e st h ef o r e c a s t i n gm o d e lo fh e a v ym e t a li nd i f f e r e n tv e g e t a b l ef i e l d s ，o nt h eb a s i s o fe v a l u a t i n gt h es o i l q u a l i t ya n df o r e c a s t i n gt h eh e a v ym e t a lp o l l u t i o n ，a n da d o p t i n gt h e m e t h o do ff i e l d i n v e s t i g a t i o n o rc o m b i n i n gt h em o d e mm a t h ss t a t i s t i c sw i t hs p e c i a l i t y k n o w l e d g e ，w h i l eh a v i n gs o i lf e r t i l i z e rf a c t o ra n dh e a v ym e t a lp o l l u t i o nf a c t o ra st h ei n d e x ， w h i c hi su s e da st h ee v a l u a t i o ni n d e xo fc o m m o nf a n n i n gs o i la n dp o l l u t e df a r m i n gs o i l ， w h i c hf o r m st h ei n d e xe v a l u a t i o ns y s t e mo fs o i lq u a l i t yi nt h ea r e a si r r i g a t e dw i t hs e w a g e ( 1 ) u s i n gf i e l di n v e s t i g a t i o na n dm u l t i p l er e g r e s s i o na n a l y s i s ，a n d i no r d e rt of o r e c a s t s o i lp b ，c d ，c ua n dz np o l l u t i o n ，1 9r e t u mm o d e l so f2 2k i n d so fv e g e t a b l ef r o m5m a i n c l a s s e sa st h eg r e e nl e a f c l a s s ，t h ef r u i t & m e l o nc l a s s ，t h er o o tv e g e t a b l ec l a s s ，t h eo n i o n & g a r l i c c l a s sa n d c a b b a g e c l a s sa r e p r e l i m i n a r i l y w o r k e do u tt of o r e c a s tt h e p o s s i b l e p o l l u t i o nc o n t e n ti na l lk i n d so fv e g e t a b l e s ，w h i c ha r ep l a n t e do n t h es o i lc o n t a i n i n gc e r t a i n a m o u n to fh e a v ym e t a l m e a n w h i l e ，w i t ht h er e s u l to fs o i lq u a l i t ya p p r a i s a l ，as c i e n t i f i c f o r e c a s t i n gs t u d yo ft h ep o s s i b l ep o l l u t i o n o fe v e r yk i n do fh e a v ym e t a lt od i f f e r e n t v a r i e t i e so fv e g e t a b l e sc a l lb em a d et op r o v i d eas c i e n t i f i cf o u n d a t i o nf o rt h ed e v e l o p m e n t o f s o i lv e g e t a b l eg r o w i n gi nt h ea r e a si r r i g a t e dw i t hs e w a g e ( 2 ) u s i n g t h em a i n c o m p o s i t i o na n a l y s i s ，i tr e v e a l st h e c a u s eo f t h ee f f e c t i v ec o m b i n a t i o n b e t w e e nt h e f e r t i l i t y f a c t o ra n dp o l l u t i o nf a c t o ri nt h es o i l q u a l i t y e v a l u a t i o ni na r e a s i r r i g a t e dw i t hs e w a g e ，a n de x p l o r et h em a i nc o m p r e h e n s i v ei n d e xo f s o i lq u a l i t yi na r e a s i r r i g a t e dw i t hs e w a g e ，a n da l s om a k ei t c l e a rt h a tt h ec o n t r i b u t i o no ft h en u t r i e n tf e r t i l i t y f a c t o ri s g r e a t e rt h a nt h e s o i l p o l l u t i o n f a c t o ri nt h es o i l i r r i g a t e d w i t hs e w a g e t h e a p p r a i s a lo f t h ef e r t i l i t yl e v e lo ft h es o i ln u t r i e n to c c u p i e sm a i ns t a t u s ，w h i l et h ea p p r a i s a l o f t h es o i lp o l l u t i o nd e g r e ei si nt h es e c o n d a r yp o s i t i o n ( 3 ) i t i sp u tf o r w a r dt ou s ed y n a m i cc l u s t e ra n a l y s et oa p p r a i s a ls o i lq u a l i t yl e v e lb yl e v e l ， u s i n gd y n a m i cc l u s t e ra n a l y s e s ，f i r s tt h es o i li r r i g a t e dw i t hs e w a g ei s c l a s s i f i e d a st h e m a i np a r t a c c o r d i n gt o t h e f e r t i l i t yl e v e l ，t h e n t h ea p p r a i s a la n dc l a s s i f i c a t i o no fs o i l p o l l u t i o nd e g r e ei st a k e na tt h ec o n d i t i o n o f c o m b i n g w i t hp o l l u t i o ni n d e x ，t h a ti s ，f i r s tt o h a v eu pt h ef i e l d sw i t hs i m i l a rf e r t i l i t yl e v e la so n e t y p e ，t h e nt om a k e a g r a d ev e r i f i c a t i o n a c c o r d i n g t ot h es t a t ee v a l u a t i o nc r i t e r i a ，b a s eo nt h i s ，ad e e p a p p r a i s a lw i l lb e t a k e nt ot h e s o i lw i t ht h es a m er e v e la c c o r d i n gt op o l l u t i o ni n d e x ，a n dt h e ni ti sd i v i d e di n t os u b g r o u p s w i t hd i f f e r e n tp o l l u t i o nc h a r a c t e r s k e y w o r d ：s e w a g e w a t e ri r r i g a t i o n ；a s s e s s i n go ft h es o i lq u a l i t y ；f e r t i l i t y ；h e a v ym e t a l s p o l l u t i o n ；f o r e c a s t ；m o d e l 附表清单 表a 1 土壤质量评价供试土壤的理化性质特征 表a 2 土壤质量评价土壤重金属含量( 全量) 表a 3 保定市郊污灌区菜地蔬菜和土壤中重金属含量( 全量) 表土壤一植物污染预测模型研究采样地土壤理化性质 表a 5 土壤环境背景值调查分析 表a 6 保定市郊污灌区菜地土壤重金属污染指数 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经 发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得塑i 垦盘些盘兰或其他教育机构的学 位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：互树瀹签字日期：，岁年6 月上。日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鎏韭盔些盘堂有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借 阅。本人授权塑i 堡盘些盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行 检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：五乖才浍导师签名乙三墩 签字日期：册年月劢日 签字目期：彬年 月矽日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 电话： 邮编： 污灌区菜地土壤质量评价发其污染预测模型研究保定市郊为例 1 1 研究背景 1 引言 土壤既是人类赖以生存的物质基础和财富源泉，也是人类最早开发利用的生产资 料。人类从一出现就与环境构成了相互对立统一的关系，在发展过程中人类活动对土 壤环境的影响是这一关系的具体体现【1 1 。目前，解决人1 2 1 迅速增长与自然资源匮乏之 间的矛盾已成为全球面临的巨大挑战。我国作为世界上人口最多的发展中国家，如何 在有限的土壤资源上生产足够的食物，是我国乃至全世界密切关注的热点问题之一。 我国人口数量已达1 3 亿，并且每年正以1 6 0 0 万净增人数增长，预计到2 0 3 0 年将达 到1 6 亿。以人均4 0 0 公斤粮食的年消费水平计算，需要粮食5 2 亿t 然而要在仅占世 界耕地面积6 8 的土地上获得世界粮食生产总量的2 3 6 ，而且必须保持持续地增 长。可见，我国土壤资源开发利用所承受的压力是极为巨大的【2 1 。 针对资源与环境的矛盾，为解决人粮矛盾，提高粮食生产，我国采取了扩大生产 规模、提高集约化程度等措施。资源的不合理开发利用，直接导致发生大量环境安全 和土壤退化问题。从而使土壤和作物不仅在“质”上得不到保障，而且在“量”上也 失去了保证。据统计，因土壤侵蚀、肥力贫瘠、盐渍化、沼泽化、污染及酸化等造 成的土壤退化总面积约4 6 亿h m 2 ，占全国土地总面积的4 0 ，是全球土壤退化总面 积的1 4 3 j ；因工业“三废”污染的农田近7 0 0 万h m 2 ，引发粮食每年减产1 0 0 亿虹； 重金属污染土壤面积已达2 0 0 0 万h m 2 ，占总耕地面积的1 6 ；我国每年农田使用化肥 氮，转化成污染物质进入环境的氮素达1 0 0 0 万t 左右，不少地区饮用水及农产品中 硝态氮和亚硝态氮的含量均明显超标1 4 j 。 走农业可持续发展道路，开展以改善土壤生态环境、保障农产品安全和人体安全 为目标的综合研究1 4 j ，己成为当务之急。保护土地资源是农业可持续发展的基础。土 壤资源是土地资源的核心组成部分，土壤质量对农业可持续性的影响是最直接、深刻 和长远的。因此，农业可持续发展的根基在于土壤质量的稳定和提高【”。研究可持续 农业，必须而且首先要研究土壤质量。研究土壤质量的评价方法、指标体系，土壤质 量的动态监测，土壤质量变化的动因及后果，土壤质量保持与提高途径等等，是反映 现行农业措施对土壤质量影响，研究开发有利于农业可持续发展措施的必要前提。 土壤质量在可持续农业发展中占有极为特殊的战略地位。有关土壤退化与质量演 变的研究，已经成为当前国内外土壤学、农学以及环境科学界共同关注的热点课题之 一1 6 j 。土壤质量虽然引起全世界的关注，但到目前还没有一个公认的概念，因此造成 以不同评价单元的土壤质量评价方法多种多样。可以把目前土壤质量评价按不同的评 价指标单元分为三大类：一是以土壤肥力因子为主要评价指标的土壤质量评价体系； 二是以士壤污染因子为主要评价指标的土壤质量评价体系：三是以社会因子主要评价 指标的土壤质量评价体系。从现有资料来看，虽然评价方法众多，但是把以上三者或 其中两者结合起来综合评价的方法和体系尚不多见。然而，在土壤质量实际评价工作 河北农业大学硕士学位论文 中，上述三者是密切关联，相互作用的。尤其是土壤肥力因子与污染因子之问，有着 不可分割的关系。如何评价比较不同肥力情况与污染程度的土壤，一直困扰着土壤工 作者和研究者。因此，探索把土壤肥力因子和污染因子综合起来的土壤质量评价方法， 显得尤为重要，具有很高的学术价值和实用价值。 本研究以我国北方具有典型性和代表性的河北省保定市郊农业土壤为研究对象， 通过田问调查研究，将数学方法与专业理论相结合，提出适合于我国北方平原污灌区 土壤质量评价的指标和方法体系，建立起土壤一植物生态系统污染预测模型。这不仅 将对河北农业可持续发展起到积极的推动作用，而且对整个华北农业的可持续发展也 将具有重要的参考价值。 1 2 我国土壤质量现状与问题 土壤质量主要是依据土壤功能进行定义的。1 9 9 2 年，在美国召开的土壤质量会 议上，专家学者们普遍认为：土壤质量的主要功能包括三个方面。一是生产力，即土 壤提高植物和生物生产力的能力：二是环境质量，即土壤降低环境污染物和病源菌损 害的能力；三是动物健康，即土壤质量影响动植物和人类健康的能力【7 。0 l 。因此，土 壤质量被定义为“特定类型土壤在自然或农业系统边界内保持动植物生产力，保持或 改善大气和水质量以及支持人类健康和居住的能力”。简单地说，土壤质量就是“土 壤运行能力”1 1 1 1 。 土壤系统在农业生态系统中具有非常重要的地位。它是所有环境要素中物质和能 量迁移转化最复杂、最活跃的场所。保证和维持土壤生产力关系到人类的生活和生存， 土壤一旦退化，就会动摇农业的发展基础。所以，在可持续农业中，必须注重土壤质 量，对土壤进行合理的管理，才能实现农业的增产增收和可持续发展1 1 2 】。 目前，我国土壤质量现状形势严峻，不容乐观，存在诸多问题。主要表现为以下 几个方面： 1 2 1 土壤资源状况 我国土壤资源的主要问题是土壤资源的不断减少。一是耕地数量的绝对减少；二 是土壤退化使得可耕地资源相对减少。由于人口增加和工业大量占用土地，世界人均 耕地面积已经从2 0 世纪5 0 年代的0 2 5 公顷减少到现在的0 1 3 公顷，减少了将近 5 0 i ”】。我国目前耕地资源不仅贫乏，而且每年耕地面积总量仍以上千万亩的速度减 少。据不完全统计，2 0 0 1 年的耕地存量与1 9 9 6 年土地利用现状调查时相比，中国耕 地总量从1 3 0 0 3 9 2 万h m 2 降至1 2 7 6 1 5 8 万h m 2 ，耕地占国土面积比例从1 3 5 5 降至 1 3 2 9 1 1 4 】。到2 0 0 4 年全国耕地面积降为1 2 2 4 4 4 3 万h m 2 。据中国荒漠化报告， 1 9 4 9 年以来，共有6 6 7 0 3 k m 2 的耕地沙化，平均每年丧失耕地1 4 9 k m 2 【”i 。 耕地面积不断减少和人口数量不断上升，导致了土地负载的加重和土地退化日趋 严重。全球土壤退化评价研究结果证明1 1 6 19 ，土壤侵蚀是最重要的土壤退化形式， 我国也不例外。 我国水土流失相当严重，在部分地区有进一步加重的趋势。据统计资料【2 0 】，1 9 9 6 2 污灌区菜地土壤质量评价及其污染预测模型研究保定市郊为例 年我国水土流失面积己达1 8 3 万k m 2 ，占国土总面积的1 9 仅南方红黄壤地区土壤 侵蚀面积就达6 1 5 3k i n 2 ，占该区土地总面积的1 4 1 “j 。同时，对长江流域1 3 个重点 流失县水土流失面积调查结果表明，在过去3 0 年中，其土壤侵蚀面积以平均每年 1 2 - - 2 5 的速率增加f 2 2 】。而中国环境状况公报显示2 0 0 4 年我国水土流失面积 增加到3 5 6 万k m 2 ，占国土总面积的3 7 1 可见水土流失形势不容乐观。 张桃林等研究发现，我国耕地中2 3 属中低产田，其中普遍缺n 、缺p 的耕地占 总面积的5 9 1 ：缺k 的耕地占2 2 9 ；全国约有1 0 6 的耕地有机质含量 6 9 瓜9 1 6 2 3 2 4 1 。 草原退化面积占草原地区的1 4 ， 生盐渍化面积约占盐渍土总面积1 6 ， 1 2 2 污水灌溉现状 次生潜育化面积占沼泽化总面积的1 5 ，次 水土流失面积近1 5 0 k m 2 【3 2 引。 随着工业的发展和人民生活水平的提高，用水量急剧增加，大量挤占农业用水。 为了调节农业用水量短缺，迫不得已引用污水灌溉，成为农业发展的必然选择。 污水灌溉的发展，在一定程度上缓解了水资源的短缺，起到了一定的“水肥效应”。 然而，引起了一系列的环境问题。截止到2 0 0 4 年底，我国年污废水排放量已超过4 8 0 亿t ，污灌谣积达5 3 0 万h m 2 。随着污灌规模的扩大，所引起的农业环境问题也日益 突出。总体来看，污灌对农业环境所造成的污染后果，主要是土壤污染、地下水污染 以及对作物产量的影响和品质的污染弘“”j 。其中，土壤污染尤为严重。 污灌的土壤污染问题主要表现为重金属污染和有机物污染1 2 9 1 。土壤重金属累积污 染问题非常普遍，特别是在些老污灌区。如沈抚灌区的镉污染。张勇对沈阳市郊污 灌区土壤中铺污染的研究表明，镉污染已经达到中度污染程度【划。目前，遭受重金属 污染的土地面积占灌溉土地面积的6 4 8 其中轻度污染面积为4 6 7 ，中度污染面积 为9 7 ，重度污染面积为8 4 ，且有日益加重的趋势1 3 ”。另外，据2 0 0 0 年中国环 境状况公报公布，在对3 0 1 0 s h i n 2 基本农田保护区土壤中有害重金属抽样检测结果 中，有3 6 1 0 4 h m 2 土壤重金属超标，超标率达1 2 1 因此，土壤环境的重金属污染 问题应引起足够的重视。 污水灌溉对农作物生产的影响主要表现为产量影响与品质污染。研究表明，由于 污水中含有大量氮、磷等营养物质，短期合理污灌存在明显增产效应”。3 “，这也是污 灌得到迅猛发展的原因之一。但是当土壤因长期连续污灌而造成严重污染时，会造成 土壤性能降低，如土壤板结、通透性降低和土壤次生盐碱化等现象。同时，污水中重 金属等污染物在土壤中累积到一定程度时，会抑制根的生长对营养成分的吸收1 ，从 而使农作物单位面积产量降低。污灌还会影响农作物营养成分含量，造成小麦、水稻 蛋白质含量的降低。与研究表明，蔬菜用污水灌溉更容易产生污染”1 作物由食物链进 入人体而影响健康。 1 2 3 土壤污染状况 随着人口增加及经济的不断发展，我国面临的土壤生态环境安全问题将更加突 3 河北农业大学硕士学位论文 出。土壤污染大致可以分为：重金属污染、农药和有机物污染、放射性污染、病原菌 污染等多种类型。 据统计，近年来我国受镉、砷、铬、铅等重金属污染的耕地面积近2 0 0 0 万h m 2 ， 占总耕地面积的1 6 ；其中因工业“三废”污染的农田近7 0 0 万h m 2 ，引发粮食减产 每年1 0 0 亿妇。第二次土壤普查中镉污染超标面积与第一次土壤普查相比，增加了 1 4 6 ，其它如汞、砷、铜、锌在东南地区超标面积占污染总面积的4 55 其次我国 农药总施用量1 3 1 2 万t ( 成药) ，平均每6 6 7 m 2 施用9 3 1 3 9 ，比发达国家高一倍。施 用后在土壤中的残留率是5 0 6 0 过去长期停用的d d t 、六六六在土壤中均可检 出，当前有不少有机毒害性农药均在广泛施用。此外我国每年农田使用化肥氮，转化 成污染物质进入环境的氮索达1 0 0 0 万t 左右，不少地区饮用水及农产品中硝态氮和 亚硝态氮的含量均明显超标。全国大部分地区大气主要污染物n 0 2 浓度持续上升， 酸雨影响频繁1 4 | ”】。 1 3 土壤质量评价研究进展 土壤质量评价是开展土壤质量研究的前提和基础1 3 5 1 。无论是研究土壤质量变化 的机理，还是定向培育土壤，都必须首先进行土壤质量的评价，确定被研究地区的土 壤质量变化的方向和趋势，才能提出切实可行的有效措施。 1 3 1 国外研究进展 美国、加拿大、澳大利亚以及欧洲等发达国家和地区的土壤科学工作者，关注土 壤环境质量研究较早，成绩比较突出。在加拿大，j a n z e n 和c a m p b e l l 等研究了生态 系统分析原理在综合营养管理以及可持续性评价中的应用。d o r m a a r 研究了土壤根际 与土壤质量的关系。在美国，d o r a n 等1 9 9 4 年提出了研究土壤质量基本的指标应考 虑的土壤物理、化学和生物特性，并以此指标体系研究了耕作和作物残茬管理对土壤 质量的影响；1 9 9 6 年d o r a n 等对土壤质量的评价方法进行了比较，推荐出一个可供 参考的土壤质量评价体系。美国农业部土壤质量研究所，在多年的研究基础上，提出 了不同的指标和评价方法，分别供生产者个人、土壤学工作者帮助下的生产者、土壤 学工作者等不同使用对象应用于评价土壤质量。在澳大利亚，1 9 9 4 年科技工作组织 根据1 0 项筛选原则对土壤理化性状进行了筛选，提出1 3 个最基本的表征土壤质量的 理化诊断指标。在欧洲的荷兰、德国以及亚洲的泰国等国家也对土壤质量的评价指标 和评价方法开展了研究。 日本在部分借鉴美国的基础上，也提出了一系列环境评价模型，如环境管理通用 系统模型和环境污染分析模型等。东欧、前苏联等国则采用统一的物理、化学指标进 行评价，有时也考虑生物指标。前苏联在伏尔加河、顿河、莫斯科河建立了河流污染 平衡模式1 3 6 】。 4 污灌区菜地土壤质量评价及其污染预测模型研究保定市郊为例 1 3 2 国内研究进展 自2 0 世纪7 0 年代起，我国的环境质量的评价工作在理论和方法方面取得了显著 的进展。在初期仅限于城市或小范围区域的现状评价，如北京西郊环境质量评价、官 厅水库环境质量评价等。之后，南京市环境质量评价、西安市环境质量评价、沈阳地 区环境质量评价与综合防治研究，取得了许多有益的经验，在评价方法和理论方面做 了许多探讨性的研究，无论从广度还是深度方面均有很大的进展。其主要表现在：由 环境单要素评价发展到区域环境综合评价；由污染环境评价发展到自然与社会相结合 的环境评价；由城市环境质量评价发展到农业生态环境、海域环境、风景旅游区与自 然保护区环境、工业生产区等多领域的环境评价；由以现状环境质量评价为主发展到 以环境影响评价为主；在评价理论和方法上，已不局限于一般的指数评价，还进行了 主客观相结合的生物学评价、卫生学评价、社会学评价、美学评价等广泛的探索1 3 7 】。 在我国，土壤科学工作者也比较早的注意到土壤质量的重要性，但是早期的工作 主要集中于林地土壤。刘谦和等( 1 9 9 0 ) 发表了他们采用模糊数学和经典数学的聚类 分析方法对兴隆山土壤资源质量的评价结果，将兴隆山林地土壤分为三级。陈明亮【3 8 】 等( 1 9 9 0 ) 采用模糊综合评价方法对江汉平原林用地土壤质量进行了评价，将江汉平 原林业用地土壤按质量归为5 大类。针对耕地土壤的质量评价报道很少，1 9 9 2 年杨 江峰p 9 j 等开展了采用模糊评价结合作物产量的方法对延安地区耕地土壤进行了土壤 质量评价，为耕地土壤质量评价作了必要的探索。 2 0 世纪9 0 年代以来，在我国有关土壤质量的研究得到高度重视，并取得了一些 重要成果。国家重点基础发展规划项目“土壤质量演变规律与持续利用”已经于2 0 0 0 年1 月正式启动，着重在水稻土、红壤、潮土、黑土4 种土壤的质量演变和持续利用 方面加以研究，随着研究的进行将会产生更多的具有实践意义的成果。 1 4 土壤质量评价方法研究进展 土壤质量的评价是设计和评价持续性土壤及土地管理系统的一个基础。开展土壤 质量评价，首先需要确定有效、可靠、敏感、可重复及可接受的指标，建立全面评价 土壤质量的框架体系。 士壤质量指标是表示从土壤生产潜力和环境管理的角度监测和评价土壤的一般 性健康状况的那些性状、功能或条件。切实可行地评价土壤质量的体系，必须考虑到 土壤的功能和控制生物地球化学过程的物理、化学、生物因素及其这些因素在时空、 强度和组分的动态等方面的变化。因此，土壤质量评价的指标应满足以下五个标准： 一是包括生态系统过程并与过程模拟相关；二是综合土壤物理、化学和生物特征及其 过程；三是易于为多数用户理解并可应用到农田；四是对管理和气候的变化敏感；五 是最好为现有土壤基础数据的组成部分。 由于土壤资源利用方式的多样性，利用某一个特定的指标来评价土壤质量相当困 难州。i a r s o n 和p i e r c e 4 z 提出了用于控制土壤侵蚀或防止地表水和地下水污染的指 5 河北农业大学硕士学位论文 标：土壤质地、结构和强度、植物有效水和最大扎根深度为物理指标；养分有效性、 全碳、不稳定有机碳、p h 和电解传导率为化学指标。 到目前为止，明确规定的土壤质量指标所含的范围非常狭窄。多数侧重于与植物 生长和作物产量有关的土壤因子1 4 2 1 。以土壤的植物生产功能为基础来评价的主要是土 壤的肥力质量【4 ，提高土壤肥力质量，就是提高农业生产的可持续发展能力。 近年来，土壤质量评价的生物学指标也越来越受到重视。生物学指标包括土壤上 生长的植物、土壤动物、土壤微生物等，其中应用最多的是土壤微生物指标f 矧。土壤 动物是土壤环境质量和健康质量的重要指示特征，特别是无脊椎动物如蚯蚓等能够敏 感地反映土壤中有毒物质含量【4 5 1 。以植物作为土壤质量评价指标时，主要是考察植物 的生长状况，进而评价土壤的肥力质量和环境质量、健康质量【4 6 】。 在土壤质量评价中，评价方法是其必不可少的手段，具有特别重要的意义。目前， 国际上常用的评价方法主要有以下几种m j ： 1 4 1 多变量指标克立格法( w i t ) 多变量指标克立格法( m v i t ) 是美国农业部和华盛顿州立大学的研究者提出来 的。这种方法，可以将无数量限制的单个土壤质量指标综合成一个总体的土壤质量指 数。这一过程称为多变量指标转换( m t ， m u l t i p l ev a r i a b l ei n d i c a t o rt r a n s f o r m ) ，是 根据特定的标准将测定值转换为土壤质量指数。各个指标的标准代表土壤质量最优的 范围或阈值，是在地区基础上建立和评价的该法优于土壤质量评分法，它可以把管 理措施、经济和环境限制因子引入分析过程，其评价范围可以从农场到地区水平通 过单项指标的评价，该法还能确定影响土壤质量的最关键因子【4 7 】。 1 4 2 土壤质量动力学方法 由于土壤系统的动态性，对可持续管理的测量应该采用动态评价方法，利用系统 动态学特征测量其可持续性。 1 4 3 土壤质量综合评分法 d o r a n 和p a r k i n 4 8 1 将土壤质量评价细化为食物与纤维的生产量、侵蚀量、地下水 质量、地表水质量、大气质量和食物质量6 个特定的土壤质量元素的评价通过建立 各个元素的评价标准，利用简单乘法运算计算出土壤质量的大小，每个元素的权重由 地理、社会和经济因素所决定。 1 4 4 土壤相对质量评价法 通过引入相对土壤质量指数来评价土壤质量的变化，这种方法首先是假设研究区 有一种理想士壤，其各项评价指标均能完全满足植物生长需要，以这种土壤的质量指 数为标准，其它土壤的质量指数与之相比，得出土壤的相对质量指数限s q l l ，从而定 量地表示所评价土壤的质量与理想土壤质量之间的差距。这样，从一种土壤的r s q i 值就可以明显而直观地看出这种土壤的质量状况，r s q i 的变化量可以表示土壤质量 污灌区菜地土壤质量评价及其污染预测模型研究保定市郊为例 的升降程度，从而可以定量地评价土壤质量的变化1 4 9 1 。 以上土壤质量评价方法各有优点，可以认为土壤相对质量评价法更为方便、合理， 它评价的是土壤的相对质量，而且可以根据不同地区的不同土壤建立理想土壤，选择 代表性的土壤质量评价指标做出量化的评价结果。 7 河北农业大学硕士学位论文 2 1 总体思路 2 总体思路与研究方法 本研究围绕污灌区土壤质量评价和污染预测模型为核心，重点解决三个关键性问 题。一是解决土壤质量评价如何将土壤肥力评价和土壤污染评价有效衔接的问题；二 是解决将两者有效结合起来，如何建立新的评价体系和进行土壤质量评价的问题：三 是解决对已污染土壤对植物质量的影响如何预测和开发利用的问题。在研究样区的选 择上，以具有一定代表性的保定市郊污灌区菜地土壤为研究样区；在评价指标的选取 上，以国家土壤肥力和土壤环境评价标准为主要依据，但为避免面面俱到、突出解决 重点问题，本研究主要选用土壤养分肥力和重金属污染的评价指标，分别以土壤肥力 因子和重金属污染因子的指标为代表，作为一般农田土壤和污染农田土壤的评价指 标，构成污灌区土壤质量的指标评价体系，运用主成分分析和动态聚类分析相结合， 解决土壤肥力评价和土壤污染评价有效衔接的问题，构建污灌区土壤质量的综合评价 指标体系和方法，旨为建立污染土壤质量的评价方法奠定基础和提供借鉴；采用田间 调查的方法，采集土壤评价和污染预测的样本和数据，将土壤专业知识与现代数理统 计方法相结合，应用于土壤质量评价体系及土壤污染预测模型的建立。根据污灌区土 壤质量评价结果，结合土壤污染模型的预测，提出切实可行的开发利用途径，为污灌 区及相似类型区土壤的质量评价、规划利用和资源保护提供决策依据。 按照研究的总体思路，确定了以下主要研究内容： 2 1 1 土壤重金属污染状况的环境质量评价研究 采用田间调查的方法，从土壤环境质量评价的角度，对保定市郊污灌区菜地土壤 重金属的污染状况进行评价，为深入研究奠定基础。 2 1 2 土壤肥力因子和土壤污染因子有效衔接的研究 在调查研究土壤重金属污染状况的基础上，将土壤肥力因子与重金属污染因子作 为一个复杂的统一体，进行主成公分析，深入研究它们之间的关系，解决两者有效结 合的问题。为研究构建土壤肥力与土壤污染综合评价体系奠定基础。 2 ，1 3 土壤肥力因子与污染因子综合评价的研究 在土壤肥力因子和污染因子有效衔接的研究基础上，采用聚类的分析方法对土壤 肥力与污染体系进行综合评价的研究。探讨土壤在不同肥力水平下，不同重金属污染 的主体特征和具体特点。 2 1 4 污灌区菜地土壤重金属污染影响植物质量的预测模型研究 根据保定市郊污灌区土壤重金属污染菜地的特点，以广泛种植的蔬菜为主要试 材，基于植物重金属含量与土壤重金属含量相关性研究的基础上，运用线性回归分析 8 污灌区菜地土壤质量评价及其污染预测模型研究一保定市郊为例 方法建立土壤植物污染预测模型，预测在污染土壤中不同种类蔬菜重金属污染情况 为该污染区制定合理的开发利用方案提供科学依据。 2 2 研究方法 2 2 1 供试样本 2 2 1 1 土壤肥力因子与污染因子综合评价的研究 为了解保定市郊污灌区菜地土壤重金属的污染程度，把握污染规律，在保定市郊 污灌区，以农田灌溉引用污水的城市污水处理站或排放工业废水的化工厂等污染源的 地理分布为依据，在东郊、北郊、西郊三个方位，共设置了8 9 个具代表性的地块， 在每一调查地块用多点随机取样方法，取o - 2 0 c m 的表层土壤作供试样本，其供试 土壤的理化性质特征和重金属含量见表a l 和表a 2 。 2 2 1 2 土壤植物污染预测模型的研究 以种植面积较大、可能造成危害较为严重的蔬菜作为研究对象，在保定市郊污灌 区菜地土中重金属污染较为严重的区域，选择了2 3 个具代表性的菜地，以每个菜地 为单元，选择3 5 种具代表性广泛种植的蔬菜，采用多点随机取样方法，采集各种蔬 菜的可食用部分作为供试植物样本；共采集了2 2 种蔬菜9 6 个样本。每个样本的采集 量不少于0 5 k g ，经风干粉碎处理，提供分析测试。其重金属含量见表a ，。 在采集植物样本的同时，利用多点随机取样方法，取0 2 0 c m 耕层土壤作为供试 土壤样本。其重金属含量见表a ，理化性质见表。 2 2 2 评价指标选取原则 综合国内外先进的研究成果，土壤质量评价指标的选取应遵循以下原则f 5 5 3 】： 主导性原则从影响土壤质量的众多指标中选择制约土壤用途的主要指标。从 而，增强土壤质量评价的科学性和简洁性。 统一性原则在各土壤样点选取统一的评价指标，以保证它们具有可比性。这 是由土地分等定级工作的特性所决定的原则之一。 - 稳定性原则就是结合农业生产的历史经验和当地土壤的特点，选择对农用耕 作用途影响比较稳定的评价指标。只有这样选取的指标才具备说服力，才能真实地将 各土壤样点的质量优劣体现出来。 显著性原则所选评价指标在其相应一定范围内的变化对土壤质量影响比较明 显，这样作的目的是为了能够较方便地将所选各土壤样点的质量差异给以量的表现形 式，从而利用上述量的表现形式可求出的样点在各指标上的方差，再以方差为工具使 多元统计分析得以进行，方差越大则土壤质量的优劣性体现得更明显。如果全体样点 所在地域某些指标的变化很小，则这些指标就不应被选作评价指标。 相关性小原则从多元统计分析的过程来看，评价指标的相关程度越小则分析 9 河北农业大学硕士学位论文 结果的可信度越高。土壤作为特殊的研究对象，影响其质量的各指标因素之间无时无 刻不进行着物质和能量的交换和转移，指标间做到完全不相关是不可能的，但从相关 性很大的几个因素中选出一个具备代表性的评价指标却是可以作到的。 可能性原则指标的选择要具有现实性，也就是要易于捕捉信息并对其定量化 处理。体系不宜过于庞大，应简单明了，便于理解和计算。 定量与定性相结合的原则尽量把定性的、经验性的分析进行量化，以定量为主。 必要时对现阶段难以定量的指标采用定性分析，减少人为影响，提高精度。 实用性原则也就是以国家现有有关土壤评价标准所列指标为主，结合被评价 对象的特点选取评价指标，这样便于与实际工作结合。 本项研究基于上述原则，针对污灌区土壤质量评价的核心问题，为突出重点问 题、避免面面俱到，以国家土壤肥力和土壤环境评价标准为主要依据，主要选择了土 壤养分肥力和重金属污染的评价指标，旨为污灌区土壤质量的评价奠定基础和提供借 鉴。选择了土壤全氮含量、碱解氮含量、全磷含量、有效磷含量、速效钾含量、缓效 钾含量、有机质含量、 o 0 1 m m