（环境工程专业论文）山东省土壤环境容量研究.pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 土壤污染防治工作已被列为国家“十一五 生态保护工作的重点之一，“开 展区域土壤环境容量预研究”已被列入国家环境保护“十一五”科技发展规划 中。目前，全国性土壤污染现状调查工作已经启动，目的在于摸清我国土壤环境 质量现状，为进一步开展土壤环境保护工作打下基础，这充分说明国家对土壤污 染问题已经非常重视。本论文针对全省主要开发区这一特定区域，通过研究来确 定土壤环境容量。 本论文在系统查阅和全面综述国内外有关土壤环境容量研究现状的基础上， 首先从地质、成土母质、气候与土壤形成、植被与土壤形成、人为活动与土壤形 成五个方面调查了山东土壤的形成及分布、主要土壤类型及特征，包括化学组成、 p h 及交换性能、机械组成、养分含量、化学和物理性质，收集了相关资料及数据， 为研究土壤环境容量提供了丰富的基础资料。 本论文研究、建立了土壤环境容量的概念，区别了土壤静态容量和土壤动态 容量，并以此为基础研究、筛选、建立了土壤静态容量数学模型和土壤动态容量 数学模型。根据土壤背景资料以及土壤环境质量标准( 土壤环境临界值和建立的 数学模型，计算出了土壤中的铜、铅、锌、镉、铬、汞、砷的环境容量，即在不 超过土壤环境质量标准的前提下，一定时间内每公顷土壤可以输入的元素重量， 并对计算结果进行了比较、分析。研究发现，土壤的平均动态年容量比土壤的静 态年容量大，说明土壤不仅在土壤环境临界值或土壤环境质量标准值范围内具有 一定的容纳量，而且还因土壤本身的自净作用以及土壤污染物的输出而具有一定 的容量，土壤环境对污染物具有一定的容纳和调节能力。土壤的静态年容量和动 态年容量与制定的土壤环境质量标准和容量控制时间( 年限) 有关，随着年限的增 加，动态总容量q n ，动态总容量与静态总容量之差q n q o 值随着年限的增加呈上 升趋势。 关键词：土壤环境背景值；土壤临界值；土壤环境容量；评价；山东名 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ep r e v e n t i o na n dc o n t r o lo fs o i lp o l l u t i o nh a v eb e e na r r a n g e do n eo ft h em o s t i m p o r t a n tw o r k so fe c o l o g i c a lp r o t e c t i o ni nt h e1lt hf i v e - y e a rp l a n so fo u rc o u n t r y l a u n c h i n gap r e p a r a t o r yr e s e a r c ho fs o i l - e n v i r o n m e n t a lc a p a c i t yi nar e g i o nh a sb e e n a r r a n g e di nn a t i o n a le n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o np l a n s n o wt h ep r e s e n tc o n d i t i o n i n v e s t i g a t i o no fs a i lp o l l u t i o ni na l lo u rc o u n t r yh a ss t a r t e d ，t h ep u r p o s ei st og e tt o k n o wt h ep r e s e n tc o n d i t i o no ft h es o i li no u rc o u n t r ya n dl a yaf o u n d a t i o nf o rs o i l e n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n t h i sf u l l ys h o w st h a tt h eg o v e r n m e n tt h i n k sm u c hh i g h l yo f t h es o i lp o l l u t i o n t h i st h e s i ss t a r t e d 、析t l lt h ez o n eo fs h a n d o n gp r o v i n c et os t u d y s o i l - e n v i r o n m e n t a lc a p a c i t y t h i st h e s i sf i r s t l yi n v e s t i g a t e dt h ef o r ma n dd i s t r i b u t i o n ，t y p e sa n dc h a r a c t e r i s t i c s o ft h es o i lo fs h a n d o n gp r o v i n c ef r o mf i v ea s p e c t s i td e s c r i b e dc h e m i c a lc o m p o n e n t ， p ha n de x c h a n g ep r o p e r t y ；p h y s i c a lc o m p o n e n t ，a n ds oo n t h i sp r o v i d e db a s i cd a t a f o rt h er e s e a r c ho fs o i l e n v i r o n m e n t a lc a p a c i t y t h i st h e s i se s t a b l i s h e dt h ec o n c e p to fs o i l e n v i r o n m e n t a lc a p a c i t y b a s e do nt h e s t a t i cc a p a c i t ya n dc o n s i d e r e dt h ep u r i f i e dc a p a c i t yo fs o i l ，i ti st h ew h o l ec a p a c i t yo f s o i l ，o rs o i l e n v i r o n m e n t a ld y n a m i cc a p a c i t y s ot h em a t h e m a t i c a lm o d e lo f s o i l - e n v i r o n m e n t a lc a p a c i t yw a ss e l e c t e da n de s t a b l i s h e do nt h eb a s i so ft h ec o n c e p t a n dt h et h e o r yo fs o i l e n v i r o n m e n t a lc a p a c i t y a c c o r d i n gt ot h eb a s i cd a t ao fs o i la n d t h ee s t a b l i s h e dm o d e l ，w ec a l c u l a t e dt h es o i l e n v i r o n m e n t a lc a p a c i t yo fc u ， p b ，z n ，c d ，c r , a si ns e v e r a lk i n d so fs a i l t h eo u t c o m eh a sb e e nc o m p a r e da n d a n a l y s e d t h ea n n u a ls o i l - e n v i r o n m e n t a ld y n a m i cc a p a c i t y i sb i g g e rt h a ns t a t i c c a p a c i t y , i tp r o v e st h a ts o i lh a ss o m ec a p a c i t yb e c a u s eo fi t ss e l f - p u r i f i c a t i o na n d p o l l u t a n t so u t p u t s o i lh a sc a p a c i t yf o rp o l l u t a n ta n ds o i lc a r lr e g u l a t ep o l l u t a n t t h e a n n u a ls t a t i c c a p a c i t y a n d d y n a m i cc a p a c i t y h a v e s o m e t h i n g t od o 、加t l l s o i l e n v i r o n m e n t a lq u a l i t ys t a n d a r da n dt i m e w i 也t h er i s i n go ft h en u m b e r so fy e a r s ， t h et o t a ld y n a m i cc a p a c i t yc sa n dt h ea m o u n tc s - c s or i s ea l s o k e yw o r d s ：b a c k g r o u n dv a l u eo fs o i le n v i r o n m e n t ，c r i t i c a lv a l u eo fs o i l s o i l e n v i r o n m e n t a lc a p a c i t y ，e v a l u a t i o n ，s h a n d o n gp r o v i n c e 3 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名：塞璺霍日期：丝1 2 ：! ! ：兰 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本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、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：薹益露导师签名：丛日期：丝! z ：也圣一7 山东大学硕士学位论文 第1 章引言 1 1 研究的意义 多年以来，由于我国水、大气、海洋环境问题突出，政府决策部门和科研人 员的注意力主要集中在水污染控制、大气污染控制上，而对土壤环境问题关注的 很少。实际上，由于化肥农药的使用、污水灌溉、大气沉降等原因，我国和我省 土壤污染的形势已相当严峻。据中国环境报4 月1 4 日报道，有关统计数字 显示，截至2 0 世纪末，我国受污染的耕地面积达2 0 0 0 多万公顷，约占耕地总 面积的1 5 ，其中工业“三废”污染面积达1 0 0 0 万公顷，污水灌溉面积为1 3 0 多 万公顷。每年因土壤污染粮食减产就达1 0 0 0 万吨，还有1 2 0 0 万吨粮食受污染， 二者的直接经济损失达2 0 0 多亿元。这些数字读来让人揪心。 众所周知，土地是我们最后的“垃圾箱”，所有污染( 包括水污染、大气污染) 的9 0 最终要归于土壤。2 0 0 0 多万公顷耕地被污染的现状，其实是我国整体生 态环境形势严峻的一个缩影。笔者认为，土壤污染状况之所以如此严重，病根是 人们在思想认识上的偏差。土壤污染已经成为我国和我省实现可持续发展的重大 障碍。土壤污染具有隐蔽性和滞后性。大气污染、水污染和废弃物污染等问 题一般都比较直观，通过感官就能发现。而土壤污染则不同，它往往要通 过对土壤样品进行分析化验和农作物的残留检测，甚至通过研究对人畜健 康状况的影响才能确定。因此，土壤污染从产生污染到出现问题通常会滞 后较长的时间。如日本的“痛痛病”经过了1 0 - 2 0 年之后才被人们所认识。 近几年来，在胡锦涛总书记“让人民群众吃上放心的食品”指示指导下，政府决策 部门和科研人员对土壤污染问题日益关注。全国人大环资委开展制定土壤污染 防治法。2 0 0 6 年2 月国家环保总局已制定“全国土壤现状调查及污染防治专项 工作总体实施方案”，在部分省( 市) 开展全国土壤调查工作。2 0 0 6 年7 月国家 环保总局在北京召开了全国土壤污染状况调查及污染防治专项工作视频会议，对 全国土壤污染状况调查工作进行部署，标志着该项工作进入全面实施阶段。 土壤环境容量研究与土壤环境质量研究，同为土壤污染控制的基础工作，其 研究成果将为开展污染土壤修复与综合治理，建立健全土壤环境质量标准体系， 山东大学硕士学位论文 强化土壤环境监督与管理，提供必不可少的基础数据和科学依据。在国家环境保 护“十一五”科技发展规划中，明确提出“十一五”期间开展区域土壤环境容量预研 究。山东省中长期科技发展规划在环境保护与生态建设、循环经济及资源利用部 分中也提出，将包括土壤环境容量在内的环境承载力研究作为未来几年的战略重 点。因此，在我省开展土壤环境容量研究具有重要的现实意义。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 国外研究现状 六十年代末，罗马俱乐部在增长的限度一书中曾提出了环境容量的问题。 国际上形成了共同的认识，即环境在一定条件下承受的能力是有限的，是有一定 容量的，在人类社会的发展中要重视这一问题。 土壤环境容量研究，在国外报道很少。近十几年来，随着国外土地处理污水 系统工作的开展，土壤环境容量的研究也已受到了极大地重视。美国、澳大利亚 等国根据土地处理系统对污水的净化能力，计算出了某一时间、单元处理区的水 力负荷与灌溉量：德国根据处理区的土壤理化性质与吸附性能，研究重金属的化 学容量与渗漏容量；澳大利亚l e e p e r 等还提出了安全“锌当量”【1 1 。这些都从不同 角度、不同程度上促进了土壤环境容量研究的发展。 1 2 2 国内研究现状 我国这方面研究开始于7 0 年代后期，“六五”和“七五”期间土壤环境容量研究 列入了国家科技攻关项目。先后对草甸褐土、草甸棕壤、红壤、黄棕壤、砖红壤 等在几种主要土壤类型的重金属环境容量进行试验研究，我国在区域环境质量评 价中，曾根据单一作物的试验提出了土壤临界含量，结合土壤背景值计算出土壤 容量。1 9 8 3 年，我国将“土壤环境容量”研究列入国家科技攻关项目，至此土壤 环境容量进入了较系统的专题研究阶段。 根据土壤环境容量历时近十年的系统研究，夏增禄等分别于1 9 8 8 年和1 9 9 2 年出版了土壤环境容量及其应用、中国土壤环境容量等专著，论述了我国 主要土壤类型有关环境容量的研究成果，揭示了土壤环境容量研究的一般内容和 方法，涉及某些污染物的生态效应，环境效应、吸附解吸、分组形态和有效态提 取剂的筛选，污染物的净化规律与物流，各主要土类、部分亚类、土种的临界含 量和环境容量，归纳分析了我国几种重金属生态效应、土壤临界含量和环境容量 6 山东大学硕士学位论文 的地带性分异规律及其影响因素，并进行了分区。其中土壤重金属生态效应、临 界含量、环境容量的地带性分异规律和分区当时是首次提出，但仅是初步结果， 还需要继续丰富、提高、完善。 1 9 8 4 年，北京师范大学杨居荣、车宇瑚等人发表了北京地区土壤重金属 容量的研究一文。通过重金属对农作物、土壤微生物、土壤动物的影响试验， 探索了重金属污染对土壤生态系统的综合影响，并以土壤生产力( 农作物产量) 的 降低作为土壤生态系统稳定性受到破坏的主要标志拟定土壤容量。在建立土壤容 量的数学模式上，利用图论工具建立了土壤容量的结构模型，将已有的等比级数 的模型作为一个特例包括在内，为土壤容量模型的研究探索了一条新途径。该文 以a s 为重点，提出了北京地区农田土壤中a s 、h g 、c d 、c r 的土壤容量范围值， 并对污染发展趋势进行了预测，为北京地区环境质量的控制与治理提供了依据。 1 9 8 8 年，中国科学院林业土壤研究所张学询、熊先哲等人开展了辽河下游 草甸棕壤重金属环境容量及其应用研究。该研究以土壤生态为研究中心、以污水 灌溉为研究对象，基于草甸棕壤摹本性质，通过污染现状调查，敏感作物盆栽试 验，依据土壤一植物、土壤一微生物、土壤一水体系各项指标，提出了汞、镉、 铅、砷、铬的土壤临界含量。结合田间物质平衡试验，建立土壤容量数学模氆， 综合计算出草甸棕壤的五种重金属环境容量。根据土壤容量，在污灌地区制定了 水质标准和污泥施用量，并进行了土壤环境的预测。 郑春荣、陈怀满等( 19 9 5 ) 在土壤环境容量研究的基础上提出了重金属土壤负 载容量的概念、研究内容和方法，张乃明( 1 9 9 4 ) 运用地球化学与生态效应相结合 的方法研究制订了山西农田土壤重金属的控制标准，国家环保局南京环科所在土 壤背景值和土壤环境容量研究工作的基础上，于19 9 5 年起草制订我国的土壤环 境质量标准( g b l 5 6 1 8 _ 1 9 9 5 ) ；这为土壤重金属污染提供了判别尺度。 土壤环境容量研究方面迄今为止已取得不少成果。 1 2 3 山东省研究现状 山东省土壤环境容量研究较少。 姜勇、梁文举( 2 0 0 4 ) 等人对农田污灌区污水和土壤监测结果表明，土壤中 c d 、a s 、h g 、c u 、p b 、c r 和z n 等含量为当地环境背景值的1 1 5 5 5 1 2 9 倍，其 中c d 和a s 含量分别为国家土壤环境质量2 级标准的3 倍和1 1 4 2 倍。污水中7 7 山东大学硕士学位论文 种重金属含量为农田灌溉水质标准的4 1 8 - - 3 4 倍，部分有机污染物含量为灌溉水 质标准的1 1 1 0 1 1 8 7 倍。以3 级标准为最大量限值，土壤重金属达土壤环境容 量的污灌年限估算结果依次为c r h g p b c u z n c d 。污土清灌和污水直接灌溉 均影响盆栽水稻的正常生长，其中污染土壤持续污灌可导致部分秧苗死亡。 于光金、成杰民( 2 0 0 9 ) 等人根据山东省植被特点，将植被分为农作物、乔 木林、灌丛、草原和草甸、沼泽湿生植物五种主要类型，研究了不同植被类型的 土壤重金属环境容量。结果表明：农作物的c u 、z n 、p b 、c d 的静态环境容量和 动态环境容量均最小；不同植被类型土壤的平均动态年容量是土壤的静态年容量 的7 2 0 倍。 1 2 4 土壤环境容量研究中存在的问题 中国土壤环境容量研究大约起步于7 0 年代中期。由于土壤污染问题的日益严 重，为了避免或限制污染物进入食物链以保证食品的安全，土壤环境容量标准的 制定就刻不容缓。在新开拓的土壤环境容量研究领域中展开了大量的工作，它 是以“总量”与“有效性”关系为起点的容量值研究。以便较快地提供制订土壤环境 标准的初步的基础性资料，而寓于“总量”与“有效性”【2 】关系中一系列反应和过 程，则较少研究甚或注意很少。但是为了使某一土壤的“容量值”具有理论基础和 较广的适用性，则必须重视有关环境容量的基础性研究以便揭示并了解“总量” 与“有效性”关系中的一系列反应和过程及其与土壤固相组分的关系。 目前，土壤环境容量研究的基础仍然建立在黑箱理论上。即只管输入和输出 而不同其间所发生的过程，而这些过程却是影响土壤环境容量的重要因素，但这 方面的工作尚缺乏系统的研究。而重金属的土壤环境容量正是决定于或受控于 “黑箱”中许多化学过程，可惜在当前土壤环境容量研究模式中，缺乏这些过程 的参数。显而易见，在上述理论指导下研究土壤环境容量，固然可以较快地获得 制订土壤环境容量的参数( “容量值”) ，但是并不能揭示这种参数的理论依据及其 适用的土壤条件，主要存在下列问题： 1 2 4 1 缺乏长期试验结果 目前以特定的参比手段获取的“容量值”。是特定条件下的结果，随着条件的 改变，该值有较大幅度的变化。 8 山东大学硕士学位论文 1 2 4 2 选用化合物的类型具有一定的局限性 当向土壤中添加不同类型的化合物时，由于这些化合物本身性质的差异和与 土壤交互作用的不同，因而它们在土壤中的可动性和所产生的生态效应有可能不 一样。如不同类型砷化合物的试验表明，亚砷酸盐的毒性明显高于砷酸盐，即使 同为砷酸盐，由于所结合的金属阳离子的不同，毒性也有显著差异。如果从减产 指标来确定临界含量时。不同化合物的差异颇大，如果从植物吸收来考虑，不同 类型砷化合物的吸收率也不一样。所以，在制定容量过程中，采用什么样类型的 化合物比较恰当，或是不同类型化合物之间的差异如何进行修正，尚是一个需要 探讨的问题。 1 2 4 3 缺乏复台污染试验 目前的容量值均为单个污染物的试验结果，但在自然界中，重金属单元素污 染是很少见的，大部分为多种金属元素同时污染的复合污染，由单个元素试验所 获得的容量值可称为“表观容量”，不宜作为制订标准的依据，应先将其校正为“实 用容量”，否则不利于土壤生态环境的良性循环。 1 2 4 4 本论文的研究目的和主要研究内容 本论文研究的目的在于摸清山东省主要开发区的土壤质量状况、土壤环境容 量中静态容量与动态容量的联系。 本论文以开发区这一特定的区域为基础，主要研究以下内容： ( 1 ) 调查收集现状监测数据，建立土壤环境容量数学模型； ( 2 ) 计算土壤静态环境容量和动态环境容量； ( 3 ) 对各重金属元素的环境容量进行排位，比较动态容量与静态容量的关 系。 1 2 4 5 本课题的创新之处 山东省尚未开展土壤环境容量研究，本课题填补了这一研究领域的省内空 白，对于我省粮食安全、农业可持续发展和生态安全具有重要的意义。 1 3 山东省土壤环境容量的研究意义 1 3 1山东省土壤环境问题 1 3 1 1 耕地环境质量恶化，直接威胁农产品安全 据有关资料公布，山东省耕地污染较为严重，有4 0 0 万亩以上耕地受到不同 9 山东大学硕士学位论文 程度的污染。全省利用污水灌溉的农田面积为3 0 2 万h m 2 ，占全国总灌溉面积的 6 3 ，占全省地面水总灌溉面积的9 1 0 ；大气污染( 以酸雨污染为主) 的农田 面积约6 0 万亩；固体废物堆存侵占农田和垃圾、污泥农用不当污染的农田面积 1 0 万亩。因农田污染每年损失粮食1 亿蚝，其中，对于重金属污染，2 0 0 6 年对 2 万亩基本农田保护区土壤有害重金属抽样监测，结果发现：0 6 万h m 2 土壤重 金属超标，超标率达9 1 。对于农药及有机污染总体情况不清。据初步估计， 全省有1 0 0 - - - 2 0 0 万亩耕地受到农药的污染。 耕地土壤污染导致生物品质不断下降，直接威胁农产品安全。长期的污灌已 造成严重的土壤污染和农产品污染。据有关部门检测，灌区生产的稻米9 0 以上 镉含量超过国家食品卫生标准。受镉的污染也很重。大白菜中镉的超标率为 1 0 0 ，番茄为8 5 ，菜豆8 0 ，黄瓜6 5 9 ，水稻1 3 ，玉米1 3 6 。 山东省大多数城市近郊土壤都受到了不同程度的污染，有许多地方粮食、蔬 菜、水果等食物中镉、铬、砷、铅等重金属含量超标和接近临界值。另外，农业 环境污染事故也造成了土壤污染。据2 0 0 6 年对1 7 地市的不完全统计，共发生农 业环境污染事故1 2 起，污染农田2 万亩，造成农畜产品损失2 2 0 t ，直接经济损 失达1 9 0 万元。 1 3 1 2 城市及工矿区土壤环境安全隐患巨大 除耕地污染之外，山东省工矿区、城市也存在严重的土壤( 或土地) 污染问 题，但相关的研究数据相当缺乏。随着山东省城市的发展，城市建设用地规模越 来越大。由于城市原来用地的复杂性，城市建设除了原来旧住宅用地上进行改造 外，许多建设用地原来都是城市工业用地、仓贮用地和城郊的农业用地、生活垃 圾用地或其他特殊用地( 如危险品生产、贮运、处理处置等) 。这些用地的土壤 或多或少受到各种各样的污染物污染，有些甚至是对人体特别有害的危险物质。 由此引发的环境污染事故和对人体健康伤害事件时有发生，已经成为城市土地开 发中引发纠纷的主要因素。在全国各地小城市中，诸如此类的问题相当普遍。有 色金属矿区土壤重金属污染问题依然严重，而且这类污染土壤的治理难度大。 1 3 1 3 土壤有机污染情况严重 土壤有机污染已成为影响土壤环境安全的主要污染物。有机污染物是国际上 关注的热点，对农产品安全和人体健康危害大。但是，目前对山东省土壤有机污 1 0 山东大学硕士学位论文 染的基本情况不清，特别是对土壤中痕量有机污染物( 如持久性有机污染物或环 境激素类污染物) 存在形态及危害效应了解甚微。包括：农药品种及助剂等持久 性有机污染物；城市污染和污染水中的有机污染物；畜禽有机废弃物中的兽药残 留。 1 3 1 4 其他土壤污染物的潜在危害 随着稀土元素农用的不断发展，有越来越多的稀土元素进入土壤环境，并进 一步进入生物链和食物链，土壤中新的放射性污染物不断增加，将成为新的土壤 环境安全问题。国内已有报道，环境毒性学研究结果，元素易在人体脑部蓄积， 影响人的智力发育，尤其对儿童影响较大。所以稀土元素潜在的土壤环境污染问 题必须引起高度重视。 1 3 1 5 土壤污染危害人体健康 土壤污染会使污染物在植( 作) 物体中积累，并通过食物链富集到人体和动 物体中，危害人畜健康，引发癌症和其他疾病等。2 0 世纪后期，人类及野生动 物的内分泌系统、免疫系统、神经系统出现了各种各样的异常现象。 1 3 2 山东省土壤环境容量的研究意义 在环境容量研究中，水环境容量和大气环境容量研究较多，土壤环境容量研 究较少，山东省人多地少，土地紧缺、且存在土地资源浪费、污水灌溉严重以及 土地不合理开发利用等问题，使得土地问题成为制约山东省经济社会可持续发展 的瓶颈。 因此，对山东省土壤环境容量的系统分析成为一个迫切需要解决的问题。开 展山东省土壤环境容量研究能较为准确的提出土壤环境标准、农田灌溉水质标 准、污泥农田使用标准，其成果可以为领导者及有关决策部门决策者指导土壤环 境管理、土壤资源保护和推进生态省建设，提供重要的科学依据。 1 3 3 土壤环境容量的应用 土壤环境容量主要用于以下几个方面：制定土壤环境标准、制定农田灌溉用 水和水量标准、制定污泥施用量标准、区域土壤污染物预测和土壤环境质量评价、 污染物总量控制的应用等。 山东大学硕士学位论文 1 4 土壤环境容量研究的理论基础 1 4 1 可持续发展理论 1 4 1 1 可持续发展的基本思想 可持续发展是一种立足于环境和自然资源角度提出的关于人类长期发展的 战略和模式。这并不是一般意义上所指的在时间和空间上的连续，而是特别强调 环境承载能力和资源的永续利用对发展进程的重要性和必要性。它的基本思想主 要包括三个方面：可持续发展鼓励经济增长；可持续发展的目标是谋求社会 的全面进步；可持续发展的标志是资源的永续利用和良好的生态环境，经济和 社会发展不能超越资源和环境的承载能力。可持续发展以自然资源为基础，同生 态环境相协调。它要求在严格控制人口增长、提高人口素质和保护环境、资源永 续利用的条件下，进行经济建设、保证以可持续的方式使用自然资源和环境成本， 使人类的发展控制在地球的承载力之内。要实现可持续发展，必须使自然资源的 耗竭速率低于资源的再生速率，必须通过转变发展模式，从根本上解决环境问题。 1 4 1 2 可持续发展的基本原则 可持续发展的基本原则有：公平性原则；共同性原则；持续性原则。 可持续发展有着许多制约因素，其主要限制因素是资源与环境。资源与环境是人 类生存与发展的基础和条件，离开了这一基础和条件，人类的生存和发展就无从 谈起。因此，资源的永续利用和生态环境的可持续性是可持续发展的重要保证。 人类发展必须以不损害支持地球生命的大气、水、土壤、生物等自然条件为前提， 必须充分考虑资源的临界性，必须适应资源与环境的承载能力。 1 4 1 3 可持续发展与环境容量的关系 一是在可持续发展中，经济是地球生态环境系统的一个子系统。经济发展的 规模和增长的速度( 流量) 【3 】，从原材料输人作为开端，然后转化为商品，最后形 成废物输出的流程，都限于地球环境资源系统的再生和可吸收的容量范围内，可 持续发展就是经济子系统的增长规模绝对不能超出地球生态环境资源系统可以 永久持续或支持的容纳范围。 美国著名学者戴利认为：经济研究应考虑两个基本前提，其一是经济系统与 生态系统的相互关系问题；其二是在此基础上宏观经济规模问题。对于第一个问 题，早先的主流经济学( 即新古典经济学) 是不考虑生态问题的，或者说它把生态 1 2 山东大学硕士学位论文 环境资源系统作为经济分析的一个外生变量来加以处理。1 9 6 0 年以来，随着全 球环境问题凸显，经济学开始越来越多地关注生态、环境、资源问题，并运用庇 古提出的外部效应理论和后来由科斯等人发展起来的产权理论，建立了处理外部 成本问题的一套体系和方法，环境经济学的建立就属于这一努力的一个成果。在 环境经济学中，生态环境、资源的因素虽被作为内生量来加以处理，但是，在研 究方法论上，它同时也把生态系统作为经济系统的一个子系统来看待。 宏观经济是生态系统的一个子系统并在两个方面完全依赖于它，即低嫡物 质一量的投入和对高嫡物质能量的排放。在此基础上，戴利给出了他对于第二 个问题的看法，“规模是关于物质一能量的一个物理量，这里物质一能量指的是 从环境中获取的低嫡原料，以及返回环境的高嫡废物。规模可以认为是人口数量 与人均资源消费量的乘积。它以绝对的物理量度量，但它的意义是与生态系统的 资源承载力和环境容量相关的，且在可持续发展的基础上输人能量、更新资源和 吸纳废弃物的能力。经济被看作是一个更大的、但有限的而且是非增长的生态系 统的子系统。生态系统的规模是固定的，经济规模相对于生态系统的规模非常重 要。适度规模至少应是可持续的，不随时间推移而有损环境承载能力的。最佳规 模则至少是可持续的，但是除此之外，我们也无需牺牲生态系统的服务功能，而 目前，这个服务功能的边际价值远大于通过扩大资源利用规模获得的生产的边际 利润”。 二是生态环境容量和自然资源承载能力的总量及通量是有极限的。经济发 展对自然资源的开采利用有一个限量，对排放到自然环境的废弃物也有一个限 量，而不是无限的。这些废弃物，包括废气、废水、固体废物等，进人自然环境， 进行降解、吸收和转化，自然环境所能吸纳废物的总量及单位时间有效降解转化 量，也都在一定的极限之内。如果我们将自然环境对废物的吸纳降解容量理解为 一个仓库的话，这一容量便是极限。梅多斯等人将这一废物降解库称为沉库 ( s i n k ) ，这一沉库对污染、废弃物的吸收净化能力与自然资源的更新、再生能力 一样，构成人类经济体系发展所必须遵从的一种通量极限。 资源承载能力、环境容量的总量，是将环境资源作为一个自然系统的总体来 看待它所能够承受经济发展规模和增长速度的压力和冲击。国际自然保护同盟便 是从总量的角度来看待资源承载能力、环境容量。该同盟认为，任一特定生态系 山东大学硕士学位论文 统或整个地球的资源承载能力、环境容量为它所能承受的最大压力。在此限量以 下，该系统或地球便可得以持续。要使整个系统不致崩溃，这个压力必须不能超 出一定量的范围。 资源承载能力、环境容量的速率( 通量) 是指总体系统所能提供用于经济活动 所消耗的环境和资源速率量。这样，资源承载能力、环境容量就不是一个总体量， 而变为一个系统在可持续前提下可输出的速率限量。它包括污染承受速率、可更 新资源利用率和枯竭资源的消耗率。 资源承载能力、环境容量总量和速率，都是自然环境资源物理量。它们表明 的是，可用于人类经济活动的消耗而不影响环境资源持续的限量水平。但另一方 面，它没有表明环境资源利用同经济发展水平、技术的联系。同等量的资源，在 不同经济水平、技术条件下，可支撑的经济规模、增长速度相差甚远。因此，资 源承载能力、环境容量不是一个简单的量的概念，它是一个变化的量，受着自然 的、经济的和技术等诸多因子影响，不是确定的量点，而是相对不同地域、生态 环境条件和经济、技术条件下的相对区间。 三是环境资源的开发利用具有不可逆的特征。对于可枯蝎资源，如石油、天 然气储量是有限的，开发完了就没有了。这种资源的开发与消耗过程是不可逆的： 对于生物种群或生物群落的消失也是不可逆的，将导致自然界生物多样性和生态 系统的稳定，影响人类的生存。同时，生态系统的稳定有一个阔值，当经济发展 超越了生态环境资源系统对其承载力的阔值，将导致这一生态环境资源系统的不 可逆变化或毁灭川。 因此，环境和资源对可持续发展不仅是内生变量，而且对其发展规模和增长 速度具有刚性约束。实现可持续发展，必须要使其经济的规模和增长速度( 通量) 控制在自然环境资源的资源承载能力、环境容量范围内，否则就不可能实现可持 续发展。 1 5 土壤环境背景值对土壤环境容量研究的意义 1 5 1 土壤环境背景值概 环境背景值是指一定时间和区域内不受或者很少受人类活动影响和现代工 业污染的情况下的土壤化学组成或元素含量水平，也代表了成土过程发展到一定 历史阶段，土壤与其各环境要素之间物质和能量交换达到动态平衡时的元素含量 1 4 山东大学硕士学位论文 【4 】。由于人类活动和环境影响的普遍性，现已很难通过调查研究获得绝对的土壤 环境背景值。土壤生态地球化学基准值既是土壤地球化学环境自然演变的结果， 又是衡量由人类活动叠加到土壤中的化学元素等组分多少的度量标准，其涵义涉 及土壤的自然背景、人为累积程度、元素现实含量以及活动组分含量等研究内容 【5 】。因此土壤环境背景值只能是一个相对概念【6 1 ，包括自然背景部分和外源污染物 部分【7 】，即调查时排除明显污染和主要干扰后的地球化学特征值。 土壤环境背景值作为农业地质和环境地球化学的一项重要指标和基础资料， 为土壤环境的评价、土壤分区规律及影响因素的研究和局部异常区的圈定与治理 提供了基础资料，也为合理制定土壤环境质量标准提供了科学依据。特别是有害 元素的含量，为研究人体健康问题、农业生产与土壤营养等方面的影响提供了参 考依据，而土壤重金属背景值的确定，则有助于研究和评价不同环境、地质、地理 条件下土壤重金属的污染程度【8 】。 土壤背景值的研究具有重要的理论和实践意义【9 】，一直以来都是国内外环境 科学领域关注的对象【l o - 1 4 1 ，许多国家先后进行了背景值的研究工作【9 - 1 6 1 。土壤重 金属背景值的确定，可以为合理制定土壤环境质量标准提供科学依据，为评价城 市固体废弃物土地利用、农业化学品投入等人类活动对土壤环境质量的影响提供 参考依据，有助于研究和评价不同环境、地质、地理条件下土壤重金属污染程度 1 2 , 1 3 。因此，它是指导土壤重金属污染监测、评价以及治理工作的基础【9 1 。 1 5 2山东省主要土壤类型的土壤背景值 1 5 1 1 背景值调查研究 “六五”期间，山东农业大学等四家单位【1 5 l 在开展山东省重点污染调查及防治 措施研究中，进行了山东省主要农业土壤、粮食作物有毒元素背景值的研究。 “七五”期间，山东省进行了土壤环境背景值的调查研究【l6 。2 0 0 8 年刘江生、 王仁卿等对山东省黄河故道区域土壤环境背景值进行了研究，参考上述成果，得 到山东省主要土壤类型耕作层( 0 _ 一2 0 c m ) 中各金属元素的背景值，见表1 1 。 表中列出 2 0 0 2 u 2 0 0 5 年山东省重点污染区菜田土壤环境调查数据 1 7 - 1 8 】，以 供参考。由于研究区域近几年没有进行过土壤环境背景值和土壤环境质量现状调 查，所以只能采用以往的调查研究数据。 山东大学硕士学位论文 表1 - 1各类土壤元素环境背景值 单位：m g & g 土壤调查各种元素环境背景值 类型时期 铜 铅锌 镉铬 汞砷 普通棕壤 1 4 21 3 14 l30 0 4 25 4 10 0 4 37 5 9 潮棕壤 1 9 8 1 - 1 9 8 5 棕壤性土 年 1 2 81 3 13 6 20 0 4 25 6 50 0 3 29 5 2 1 2 31 3 74 4 40 0 3 94 7 30 0 2 75 7 6 2 2 4 62 3 8 45 4 7 10 0 5 27 6 1 60 0 1 67 3 8普通棕壤 1 9 8 6 - 1 9 9 0 潮棕壤 年 2 1 3 82 6 7 45 1 9 60 0 5 3 26 4 1 20 0 1 97 9 6 棕壤性土 1 6 0 2 3 5 1 64 8 9 00 0 4 9 4 3 7 6 50 0 1 1 5 7 0 2 0 0 2 2 0 0 5 山东省菜田土壤 2 8 3 72 9 2 45 8 10 0 9 56 0 0 70 0 9 81 2 2 5 年 1 5 1 2 土壤环境质量标准 国家土壤环境质量标准( g b l 5 6 1 8 - - 1 9 9 5 ) 1 9 1 根据土壤应用功能和保护目标， 将土壤环境质量划分为三类： i 类主要适用于国家规定的自然保护区( 原有背景重金属元素含量高的除 外) 、集中式生活饮用水源地、茶园、牧场和其他保护地区的土壤，土壤质量基 本保持自然背景水平。 i i 类主要适用于一般农田、蔬菜地、茶园、果园、牧场等土壤，土壤质量基 本上对植物和环境不造成危害和污染。 类主要适用于林地土壤及污染物容量较大的高背景值土壤和矿产附近等 地的农田土壤( 蔬菜地除外) ，土壤质量基本上对植物和环境不造成危害和污染。 土壤环境质量标准分级为： 一级标准，为保护区域自然生态，维持自然背景的土壤环境质量的限制值。 二级标准，为保障农业生产，维护人体健康的土壤限制值。 三级标准，为保障农林业生产和植物正常生长的土壤临界值。 各类土壤环境质量执行标准的级别规定如下： i 类土壤环境质量执行一级标准； i i 类土壤环境质量执行二级标准； 类土壤环境质量执行三级标准。 土壤环境质量标准规定的三级标准值见表1 2 。 1 6 山东大学硕士学位论文 表1 2土壤环境质量标准规定的三级标准值 级别 一级 i 二级l i 三级 项目 l i 自然背景 i 7 5 i i 6 5 镉s | l 0 2 0 1 0 - 3 0 1 0 6 01 0 0 汞s 0 o 1 5 l 0 3 0 1 0 5 01 0 j | 1 5 砷水田s i i 1 53 0 l 2 52 0 | i 3 0 旱地s 0 1 54 03 02 5 i l 4 0 铜农田等s 0 3 55 01 0 01 0 0 i i 4 0 0 果园s 一 1 5 0 l 2 0 02 0 0 l l 4 0 0 i 铅s l | 3 52 5 03 0 03 5 0 i i 5 0 0 铬水田5 l i 9 02 5 03 0 03 5 0 i l 4 0 0 早地s l i 9 01 5 02 0 02 5 0 i l 3 0 0 锌曼 l | 1 0 02 0 02 5 03 0 0 i i 5 0 0 镍冬 l | 4 04 05 06 0 i l 2 0 0 六六六s f l 0 0 50 5 0 i | 1 0 滴滴娣s 1 1 0 0 5 0 5 0 i l 1 0 i 1 5 1 3 土壤环境背景值的研究现状 背景值调查是环境科学研究的一项基础工作，我国从7 0 年代开展这方面的 工作，研究区域限于几个重点城市和主要农业区，“六五”期间被列入国家攻关 项目，特别对湘江谷地和松辽平原地区土壤重金属背景值进行系统调查，到“七 五”背景值研究区域扩展到全国除台湾以外的三十个省市区，分析元素从最初的 几个主要的有毒重金属元素增加到包括营养和稀土元素在内的6 0 多种【2 引。进入9 0 年代( 张毓庄等，1 9 9 2 ) 克服过去背景值研究仅限于土壤单要素的不足，从生态学 角度对五台山草地自然保护区土壤一水一植物系统的背景值进行了综合调查究， 张乃明( 1 9 9 1 ) 则首次以地貌为统计单元，对土壤元素背景值进行分区探索。总之， 以上研究成果的取得为土壤一植物系统重金属污染研究提供了基本的资料。 1 6 土壤临界值对土壤环境容量研究的意义 1 ：6 1 土壤临界值概念 土壤临界值主要通过地球化学法和生态环境效应法进行制定。土壤污染物临 界含量广泛应用于土壤重金属污染的分级评价中。叶嗣宗等【2 0 】以土壤的背景值和 临界值为基本参数，根据污染物在农田土壤中迁移转化的规律和对作物、人畜等 1 7 山东大学硕士学位论文 可能造成的健康风险将土壤环境质量分成五个级别，对农田土壤的环境质量进行 评价。夏增禄等【2 1 】制定了我国主要土类的c u 、p b 、c r 、a s 四种重金属元素的土壤 临界含量。有的学者从土壤一植物系统、土壤一微生物系统和土壤一水体系统等方 面，分别以作物减产1 0 、不影响土壤微生物区系的正常结构，选取生化指标 2 5 、微生物指标5 0 以及不造成地下水和地表水的污染为限值制定污染物在土 壤中的临界含量f 2 2 1 。 1 6 2 山东省主要土壤临界值 进入土壤的污染物，通过各种途径，对环境、生物和人群产生影响。大致可 概括为：土壤一作物( 作物效应) ，土壤一植( 动) 物一人体( 人体健康效应) ， 土壤一微生物( 土壤生物效应) 。当污染物或元素在土壤中的含量不超过某浓度 值时，对人类、生态、环境不会产生不可容忍的危害。该浓度限值被称为此种污 染物或元素在土壤中的临界含量值【2 4 】。它是计算环境容量的一个重要参数。 临界含量值不仅与污染物种类有关，还与其他诸多因素有关，需通过大量实 验、试验来确定。国内外报道的若干土壤元素含量的限制浓度和临界含量值见表 1 3 和表1 - 4 。山东省农科院土肥所提出的山东省农业土壤中若干金属元素的临