（环境工程专业论文）崂山土壤重金属环境容量及酸沉降临界负荷研究.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。本论文针对崂山这一特定区域，通过研究来确定土壤重金 属环境容量及酸沉降临界负荷。 本论文在系统查阅和全面综述国内外有关土壤重金属环境容量及酸沉降临 界负荷研究现状的基础上，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崂山土壤的形成及分布、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，为研究崂山土壤重金属环境容量和酸沉降临界 负荷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。根据崂山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，计算出了崂山普通棕壤、潮棕壤、棕壤性土的铜、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f ，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c 。、动态总容量与静态总容 量之差c 一c 。值随着年限的增加呈上升趋势。 本论文根据酸沉降临界负荷的概念和对不同计算方法的研究结果，选取了简 单质量平衡( s m b ) 法计算崂山酸沉降临界负荷，分别根据植物响应、土壤稳 定性、铝浓度、p h 和碱度标准计算了崂山土壤酸沉降临界负荷，酸沉降临界负 荷值取计算出的最低值。研究结果为崂山地区酸度临界负荷为1 5 3 k e q ，( h m 2 ) ， 山东大学硕士学位论文 潜在酸度临界负荷为o 3 2k e q ，( h m 2 a ) ，氮临界负荷为o 4 7k e q ，( h m 2 a ) ，硫 临界负荷为2 8 4k e q ，( h m 2 a ) ，地表水的酸沉降临界负荷为0 从k e q ，( h m 2 a ) 。 崂山的硫沉降临界负荷为2 8 4 k e q ，( h m 2 a ) ，即4 5 “k g s ，( h m 2 a ) 。根据硫沉降 临界负荷值和崂山历年硫沉降通量研究数据，崂山历年的硫沉降总量均超过硫沉 降临界负荷值，应削减量范围为3 。7 咱6 8 。 关键词：重金属；环境容量；酸沉降；临界负荷；土壤 山东大学硕士学位论文 m c t h o d so fc a l c u h t i o n ，t h i st h e s i sc o u e c t e dt t l em o d e lo fs i m p l e - m a s s b a l a n c e ( s m b ) t oc a l c u l a t cc f i t i c a ll o a do fa c i dd e p o s i t i ，b a s e d p l a n t s s p d ，s o i ls t a b m 哆t h e d 印s 埘o fa l ，p h 孤da l k a l i i l i t ys 劬d 盯d w ec o u e c t c ds o i ls t a b i n t y 咖嘣a r d ，d 锄s 时 o fa ls t 勰d a f d 强da l k a l i i l i t ys t a n d a r dt od e t e 蕊i n e 也ec 曲c a ll o a do f 虻i dd 印o s 磁 o fm o u n tl t h es m a n e s tn u m b e ro fa ut h en u m b e 瑙w a s 血ec r i 吐c a ll o a do fa c i d d 印o s i t i o n t h ec r i t i c a ll o a do fa c i d i t yi s1 5 3 k e q ，( h m 2 劬，t h cc r i t i c a ll o a do fp o t 蚰l i a l i d i t yi so 3 2 k e q ( 1 l m 2 a ) ，m ec r i t i c a l1 0 a do fni s0 4 7 k e q ，( t 皿2 a ) ，血ec r i 吐c a ll o a d o f si s2 8 4 k e q ，( h m 2 a ) o nt h eb a s i go f t h ec f i n c a ll o a do fsd 印o s i t i 吼柚dt h es d e p o s i 6 锄叫n to fm o 岫tl o v 廿m ey e 舡s ，t h esd c p o s “i a m o 岫to fm o 岫t l a oo v 盱t h ey e a 硌s u i p 懿s e st h ec i i 吐c a ll o a do fsd e p o s i 吐，i ts h o u l db ed e c f e a s e d 3 ，7 6 6 8 k e yw o r d s ：h e a v ym e t a l s ，v i 砌哪e n t a lc 印i 劬扯i dd e p o s i t i o n ，c m i c a ll o a d ，s o i l 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： 道，誓 日期： 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：_ 墨上鱼导师签名论文作者签名：竺：三：导师签名 山东大学硕士学位论文 第一章综述 第一节研究的背景和意义 由于化肥农药的使用、污水灌溉、大气沉降等原因，我周一些地区的土壤已 经受到了不同程度的污染，对生态环境、食品安全和工农业可持续发展构成了威 胁，土壤污染的总体形势相当严峻。一是土壤污染程度逐年加剧。据不完全调查， 目前全国受污染的耕地约有1 5 亿亩，污水灌溉污染耕地3 2 5 0 万亩，固体废物 堆存占地和毁田2 0 0 万亩，合计约占耕地总面积的1 1 o 以上，其中多数集中在 经济较发达的地区。二是土壤污染危害巨大。据估算，全同每年受重金属污染的 粮食达1 2 0 0 万吨，造成的直接经济损失超过2 0 0 亿元。土壤污染造成有害物 质在农作物中积累，并通过食物链进入人体，引发各种疾病，危害人类健康。土 壤污染直接影响土壤生态系统的结构和功能，最终将对生态安全构成威胁。三是 土壤污染防治基础薄弱。目前，全国土壤污染的面积、分布和程度不清，土壤环 境容量没有数据，导致防治措施缺乏针对性，土壤科学研究难以深入进行。 土壤污染被称作“看不见的污染”，其他污染形式可以通过污水横流、黑烟 滚滚、臭气熏天等外在表现形式向人们敲响警钟，而土壤污染却往往容易被人忽 视，这种危害极大的污染就这样趁机蔓延开来。更令人忧心的是，土壤污染尤 其是重金属污染治理成本高且很难彻底根除。国家地质实验测试中心专家刘晓端 说，土壤中的重金属天然分布十分广泛，多具有不可逆性，不能降解，但可能转 化为金属有机物或在有些生物中高倍富集，经多种途径进入人体，并在体内蓄积 毒性。 酸沉降的环境影响和危害已成为世界性的重大环境问题。欧洲和北美是世界 上最先发现酸沉降危害并采取实际行动控制酸沉降的地区。自上世纪8 0 年代初 出现重庆马尾松和川东地区松林大面积衰亡的现象之后，我国就组织了关于酸沉 降的成因及危害的多部门配合、多学科交叉的综合研究。据“八五”国家科技攻 关专题“我国酸沉降对生态系统的影响及其经济损失”估算，酸沉降对我国森林、 农作物造成的经济损失每年达数百亿元。酸雨使土壤的物理化学性质发生变化， 土壤中微生物总量明显减少，使植物营养元素特别是k 、n a 、c a 、m g 等产生淋失， 导致植物营养不良。酸沉降会对森林、作物、土壤、土壤微生物、水体等生态系 统产生危害，酸沉降可使土壤的物理化学性质发生变化，并使土壤在酸雨作用下 山东大学硕士学位论文 释放出大量的能造成植物中毒的活性铝。 土壤污染已对食品安全造成了严重威胁。食品安全本是老百姓最朴素、最根 本的需求，但曾几何时，餐桌却成了最不安分的地方，毒大米、毒蔬菜的惊呼不 绝于耳，如举世皆知的“痛痛病”就是土壤镉污染使得这种土壤上生产的大米含 镉过高、人食用这种大米造成的。随着全国土壤现状调查及污染防治项目的正式 启动，土壤污染成为继水污染、大气污染、噪声污染和固体废物污染后，受到社 会关注最多的污染问题之一。 如何预防土壤污染昵? 这就涉及到土壤对污染物的环境容量问题。任何环境 要素对开发或污染都有其一定的环境容量。如何正确认识环境容量和合理利用有 限的环境容量，已经涉及到人类生活和生产的许多方面，成为人们广泛关注的问 题。同样，土壤作为环境要素之一，也具有一定的环境容量。随着土壤污染问题 越来越突出，土壤环境容量研究变得更为重要。由于重金属元素易被土壤吸附、 沉淀、累积，从而对生态环境及人类健康产生危害，所以，土壤重金属环境容量 及与之相关的土壤酸沉降l 临界负荷问题的研究就尤为重要。 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，这充分说明了国家对土壤污染的问题 已经非常重视。本论文从一个区域入手，来研究土壤重金属环境容量及酸沉降临 界负荷，可以为土壤污染控制提供科学的基础、为土壤环境保护提供方法和依据， 也可以为区域经济开发提供指导，对我国土壤环境容量研究和污染物排放总量控 制研究、污泥使用标准研究具有借鉴意义。因此，论文选题新颖，研究具有一定 的理论价值和推广应用价值。 第二节国内外研究现状 一、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 2 山东大学硕士学位论文 容量的，在人类社会的发展中要鼋视这一问题。 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业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”。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 9 世纪中叶，英国化学家r a 蛐i t h 在分析降雨化学时发现，曼彻斯特市区 大气中含有硫酸或酸性硫酸盐现象。经过进一步的研究，他于1 8 7 2 年在其专著“大 气和降雨：化学气候学的开端”中首次使用“酸雨( a c i d r a i n ) ”这一术语阳1 。将 近一个世纪后，1 9 7 2 年瑞典政府向联合国人类会议提交了“跨国界的大气污染： 大气和降水中的硫对环境的影响”的报告，由此酸雨现象在欧洲引起了公众的广 泛关注h 1 。在北美，科学界和公众对酸雨的广泛认识始于2 0 世纪7 0 年代初。首 先在加拿大的安大略和新斯科舍省，人们发现越来越多的湖泊由于酸化而引起鱼 类种群不断下降例。美国和加拿大还实施了一系列的酸雨研究计划，如美国的 “全国大气沉降计划”( n a d p ，1 9 7 8 ) ，、“国家酸雨评价计划”( n a p a p ，1 9 8 2 ) ， 加拿大的“安大略酸雨研究”( a p l o s ，1 9 8 0 ) 、“国家酸雨早期预警系统”( a r n e w s ， 1 9 8 4 ) 等”1 。 酸沉降已引起全球性的关注。应用大范围扩散模型和轨迹模型计算表明，欧 洲大部分酸沉降是由欧洲本身的人为排放源引起的，并且欧洲还向本底大气中输 送了大量的硫 1 。在北美洲，经验分析表咀，美国东北部和加拿大东南部的酸 沉降来自处于上风方向的南部和西南部。通过进一步调查，美加两国科学家证实： 加拿大至少5 0 9 6 ( 或许6 0 ) 的酸沉降来自于美国，而美国只有1 5 的酸沉降源于加 拿大伽。在对多年监测数据分析的基础上，以c a l v e r t 为首的美国国家科学院的 专家们得出结论：北美东部污染物排放与沉降之间的关系并不象欧洲那样星非线 性关系，而近于线性关系即减少污染物排放能导致几乎等量的酸沉降的下降 曲】。这种差异可能是由两地区的气象、海拔或诸如污染源空间分布不同引起的。 临界负荷概念大约是在2 0 世纪7 0 年代在加拿大首次使用，初次定义为“对 环境产生不利影响物质的l 临界浓度”则是在1 9 8 2 年的斯德哥尔摩会议上。1 9 8 6 3 山东大学硕士学位论文 年，北欧学者提出了酸沉降临界负荷的概念，定义为：不致使最敏感的生态系统 发生长期有害影响的化学变化的最高酸沉降负荷c 1 0 l 。其日的在于估算出多少酸输 入到森林土壤、地下水和地表水后，不致超过系统产生的碱度。此后，不同学科 的学者根据各自的观点和系统的特定需要，分别制定了临界负荷。联合国欧洲经 济委员会和北欧部长委员会于1 9 8 8 年组织的关于硫和氮的临界负荷的讨论会上 通过的定义为：临界负荷是一种或多种污染物暴露的定量估计值，低于这个负荷 时对环境的特定敏感，不会造成显著有害的影响。可见，酸沉降临界负荷是指不 会引起生态系统的结构和功能发生长期有害影响的化学变化的酸性化合物( 硫和 氮的化合物) 的最大沉降量。 目前，酸沉降临界负荷被认为是国际上较为通用的进行有关酸沉降控制决 策的科学手段n “。国外对大气酸沉降采取的研究方法主要是计算机模拟技术。 美国已经通过计算机成功地模拟了南部氮、硫化物的沉降对当地森林土壤化学状 况的影响，结果表明：土壤化学状况对大气酸沉降速率反应灵敏“”；亚洲酸雨 ( r a i n s a s i a ) “3 1 等酸沉降模式也己被国内学者越来越多地采用。 = 、国内研究现状。 ( 一) 土壤环境容量研究现状 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。其中土壤重金属的生态效应、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、完善乜】。 1 9 8 4 年，北京师范大学杨居荣、车字瑚等n 钉发表了北京地区土壤重金属 4 山东大学硕士学位论文 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，中国科学院林业壤研究所张学询、熊先哲等n 朝开展了辽河下游 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。 国内近年关于土壤重金属环境容量研究的报道较少。 ( 二) 酸沉降临界负荷研究现状 近年来，随着我国对酸雨问题日益重视，我国科研工作者对酸沉降的化学组 份、影响因素、分布特征以及模璎等做了大量的研究工作。 我国是世界上少数几个能源消耗以煤炭为主的国家之一，近1 5 年来，煤在全 部能源消耗中比例大于7 5 。燃煤过程中释放出大量的酸雨主要前体物质s 0 。 和n 0 x ，酸雨的形成主要因素是s o ：和n o x 在大气或水滴中转化为硫酸和硝酸所致， 因此我国酸雨呈硫酸型n ”。 监测表明，冬季酸雨中的s 0 4 2 一含量高于其它季节，用3 7 s 示踪证明了我国春、 秋、冬季酸雨s 与燃煤s 密切有关，这也是局部地区岛状酸雨现象的因素之一。张 鸿斌“ 等人分别对大气降水、大气s o 。、气溶胶和工业用煤、重油及其燃烧产物 进行了硫同位素组成测定，在定量计算不同硫源对酸雨贡献的基础上，提出人为 因素是珠江三角洲和湘桂走廊地区最强的污染硫源。 我国不同地区大气中的s o 。含量并不与酸雨的发生及其酸度成正相关，据研 究报道“，区域性酸雨的形成是在具有一定的酸雨前体物质存在条件下，与大 山东大学硕士学位论文 气颗粒物及气溶胶的酸化缓冲能力小、地面土壤呈酸性、大气湿度大、太阳辐射 强等有关。 土壤中碱金属离子含量及p h 值是影响酸雨形成的重要因素之一。我国降水中 的主要碱性物质为c a 2 + 、m 9 2 + 、n i 4 + 化合物，它们主要来自土壤。而我国土壤中碱 金属、c a 等含量是由南至北逐渐递增，尤其是过淮河、秦岭后其含量迅速增加， 从而导致了我国酸雨多发生在土壤碱性物质含量低、土壤p h 值低的南方( 除青岛 市外) 地区“们。研究结果表明，我国降水p h 与( c a 2 + + n 1 4 + ) ( s o ”+ n o 。一) 的比值 有着高度的正相关性“。 大气气溶胶的酸化缓冲能力直接影响着酸雨的形成，据报道华南地区气 溶胶的酸化临界缓冲容量小于1 0 0 n e q m 3 ，而北方的北京其气溶胶临界缓冲容量 为3 7 5 4n e q m 3 ，表明华南地区的大气气溶胶酸化缓冲能力显著小于北方，不足 以缓冲降水中的酸。所以大气气溶胶的酸化缓冲能力的不足是易形成酸雨的又一 重要因素。 我国酸沉降具有区域性强、酸雨频率高、酸性强等分布特征。郝吉明等人乜1 1 以土壤类型、土地利用和湿度为生态因子，评价我国土壤对酸沉降的相对敏感性。 以土壤的化学性质、土壤质地和温度为指标，评价土壤的缓冲能力，以适应我国 土壤理化性质差异较大和南北温差大的特点。 上世纪8 0 年代以来，随着酸沉降理论研究方面的不断突破和计算机技术的广 泛应用，国内陆续有学者在硫氧化物输送、酸沉降等方面建立模型进行模拟研究。 程新金等人陋2 1 以硫氧化物为例用量纲分析方法分析了控制大气污染物输送方程 的动力学特性。张志刚等人幽1 通过分析华北地区城市间大气污染监测资料，发 现城市之间存在着大气污染物的相互影响和输送问题。利用二维欧拉统计模式， 以s o 。、s o 。、p m 。为模拟对象，模拟其远距离输送和沉降过程，利用实测资料对 模式计算结果进行检验，二者的相关系数平均为0 5 5 。郝吉明等人幽1 通过对我 国东部地区硫沉降模拟研究，建立了一个可用于模拟硫化物远距离输送和沉降的 二维欧拉统计箱模式，其计算值与监测值之间具有较好的对应关系。高会旺等人 嗌1 建立了s 0 。和硫酸盐气溶胶干沉降速度的数值模式模式中考虑了气象条件、下 垫面特征等因素对不同污染物干沉降速度的影响，计算得到典型下垫面上s 0 2 、 s 0 。2 的干沉降速度分别为0 2 1 o c m s 、o 1 0 8 c m s 。 6 山东大学硕士学位论文 高会旺等人汹1 认为，东亚地区的大多区域干沉降是硫沉降的主要形式，在 降水区湿沉降可占总沉降的2 0 9 5 。干沉降以s o 。沉降为主，s o 。的于沉降占 总干沉降的7 0 9 0 。降水引起的湿沉降主要是s 0 4 的沉降，s 0 4 的湿沉降量 一般为s o ：湿沉降量的l 9 倍。干沉降与排放量之比的大值区与排放的大值区相 对应，但其中心与排放的大值中心不重合，面是在其附近。 目前已明确我国存在四个岛状的酸雨区，即西南酸雨区( 贵阳、重庆、柳州) ， 南昌酸雨区( 南昌、长沙、黄石) ，福厦酸雨区( 福建沿海工业地区) ，青岛酸雨 区。这主要是由我国局部地区工业集中，地形较为封闭所造成的，与国外长距离 输送、宽带状、面状的污染明显不同。 1 9 9 6 年，中国环境科学研究院刘厚田等1 进行了“闽南地区生态环境对酸 沉降的临界负荷研究”。该研究考虑到干湿两种沉降形式，试用了一种新的酸沉 降临界负荷计算方法：用树木和农作物的二氧化硫容量代表酸性干沉降的临界负 荷，用土壤酸缓冲容量计算酸性湿沉降的临界负荷，得出了闽南地区酸沉降临界 负荷结果。 1 9 9 7 年，国家自然科学基金项目研究成果，清华大学谢绍东、郝吉明等嘲 “州先后发表了稳态法确定酸沉降临界负荷的基本理论探讨、应用稳态酸化 模型计算酸沉降临界负荷、应用简单质鼍平衡法计算酸沉降临界负荷的研究 等文章。稳态法确定酸沉降临界负荷的基本理论探讨一文明确了确定酸沉降 l 晦界负荷理论中的基本概念。通过建立生态系统在临界状态时淋溶液中碱度产生 的静态质量平衡得到计算酸沉降临界负荷的基本方程，由此方程又导出计算酸 度、潜在酸度、硫和氮等临界负荷的数学表达式，并讨论了根据对选择的指示生 物有机体不发生危害的临界化学值计算淋溶临界碱度的方法，由此给稳态法建立 了完整系统的理论体系。应用稳态酸化模型计算酸沉降临界负荷一文应用稳 定状态土壤化学模型p r o f i l e 计算了柳州薄层砂页岩红壤和地表水的酸沉降临 界负荷。对模型所需参数，建立了系统完整的收集、测量与计算方法，得到柳州 地区针叶林植被区域由湿沉降计算总沉降的经验公式。结果表明：柳卅i 薄层砂页 岩红壤已处于酸化的稳定状态，其酸度、潜在酸度和硫沉降临界负荷分别为1 9 6 、 1 8 8 和1 1 k e q 1 1 m _ 2 a 。应用简单质量平衡法计算酸沉降l 临界负荷的研究 基于植物响应、土壤稳定性、铝浓度、碱度和p h 标准，应用简单质量平衡法计 7 山东大学硕士学位论文 算柳州红壤各种土种的酸沉降临界负荷。结果表明：沙质红泥土、红沙土、潮沙 土、中度侵蚀红壤和潮沙泥土的酸沉降l | 缶界负荷较低，棕泥土和红壤土较大；为 保护柳州9 5 的土壤不受酸沉降危害，柳州土壤的潜在酸度和酸度临界负荷分 别为1 8 和1 9 k e q h m - 2 a 一，硫和氮临界负荷分别为0 7 0 和1 5 k e q l l m a 。 1 9 9 9 年，中国科学院生态环境研究中心陶福禄，冯宗炜阳妇发表了中国南 方生态系统的酸沉降临界负荷一文，将中国南方生态系统的酸沉降敏感性等级 与用m a g i c 模型在对应样点计算的临界负荷值相结合，对中国南方生态系统的酸 沉降临界负荷进行了研究，并编制了l 。l 。经纬度网格的临界负荷图。研究 结果表明，中国南方生态系统硫沉降临界负荷大多在2 3 5 2 9 ( m 2 a ) 之 间，在地域分布上由东南向西北逐渐增大，其中临界负荷小于3 o g ( m 2 a ) 的极敏感地区为浙江南部、广东与福建交界地区、贵州西南部和广西中部。( 国 家九五科技攻关课题) 2 0 0 2 年，清华大学、北京大学的段雷、郝吉明、谢绍东、周中平口”用稳态 法确定了中国土壤的硫沉降和氮沉降临界负荷。在地理信息系统支持下，用稳态 法确定了中国土壤的硫沉降i 临界负荷和氮沉降临界负荷。中国硫沉降l 临界负荷最 小 砂姜黑土 盐 溃土 潮士 棕壤；盐基离子对酸雨的敏感性为c 分+ m9 2 n a 、k ；模拟酸雨 对土壤中铝的活化作用是除棕壤p h 2 出现活性铝外，其余土壤均未出现；对酸化 棕壤施用c a o 进行改良，效果明显。 综上所述，人们已在不同时期、不同地区、从不同角度对土壤环境容鼍和酸 沉降进行了研究，但是我国近十几年来关于土壤环境容量的研究报道几乎没有， 9 山东大学硕士学位论文 时间( 年限) 有关，随着年限的增加，动态总容量c 。、动态总容量与静态总容 量之差c 。一c 。值随着年限的增加呈上升趋势。 本论文根据酸沉降临界负荷的概念和对不同计算方法的研究结果，选取了简 单质量平衡( s m b ) 法计算崂山酸沉降临界负荷，分别根据植物响应、土壤稳定 性、铝浓度、p h 和碱度标准计算了崂山土壤酸沉降临界负苟，酸沉降临界负荷 值取计算出的最低值。根据硫沉降临界负荷值和崂山历年硫沉降通量研究数据， 崂山历年的硫沉降总景均超过硫沉降临界负荷值，应削减量范围为3 7 6 6 8 。 研究方法：查阅有关环境、土壤和生态方面的文献资料，研究崂山土壤的形 成、特点和性质；采用数学方法，筛选、建立土壤重金属环境容最数学模型和酸 沉降临界负荷计算公式，并对崂山土壤重金属环境容量和酸沉降临界负荷进行实 际计算和分析，从而提出酸沉降的消减负荷。 土壤环境容量的研究可以为区域环境容量数值模拟、土壤污染预测、土壤环 境质量评价和污染物总量控制、加强环境科学管理、保护生态环境平衡、提高农 田土壤生产力水平、保障人体健康提供技术支持和科学依据。本研究确定了崂山 土壤重金属环境容量和酸沉降临界负荷，能够直接应用于崂山土壤环境保护和合 理开发，为崂山的区域开发建设提供基础的技术依据，也可以为其他地方的土壤 环境容量研究、土壤保护和区域开发提供借鉴。 山东大学硕士学位论文 左右的中层棕壤，从而很大程度上改变了原有地形对土壤形成的影响。可见，人 为因素可以定向培育土壤，使土壤肥力向良性发展。但是，人为活动破坏了土壤 的生态环境，也可使土壤肥力向不良方向发展。如长期对森林的砍伐或陡坡开垦， 导致山丘地区植被覆盖率减低，水土流失加重和土壤肥力降低；随着工农业的发 展，工业“三废”的排放，以及长期施用化肥农药的影响，造成土壤环境污染， 对土壤性状也产生了不利的影响。 第二节崂山主要土壤类型 崂山土壤的成土母岩，主要是中生代花岗岩酸性岩类及喷发溶岩基性岩类， 其母质为现代残积物、洪积冲积物、河流冲积物、河海相沉积物等几大类。据 1 9 8 2 年土壤普查统计，崂山山区内有棕壤、潮土、盐土3 个土类，其下分7 个 亚类、1 2 个土属、2 6 个土种。 一、棕壤 棕壤，又称棕色森林土，群众称为黄堰土或黄坚土。主要分布于山地丘陵和 山前缓坡地上。 ( 一) 棕壤的形成条件 崂山的棕壤处于暖温带湿润区，夏季湿热多雨，冬季风多温低，并无严寒。 年平均气温1 1 9 ，历年均气温在l l 一1 2 之间，多年平均地温1 3 9 ，多年 平均降水量为7 3 4 3 姗，多年平均日照时数为2 5 1 5 5 h ，多年平均风速为2 7 m s ， 多年平均气压为1 0 1 5 9 m p a ，年平均相对湿度为7 3 ，多年平均蒸发量为 1 4 6 1 1 呻。 棕壤的成土母质，在山地丘陵区多为残、坡积物，在山前缓坡地则为厚层洪、 冲积物。棕壤的原始植被为落叶阔叶林，现在原始植被早己无存。次生落叶阔叶 林以刺槐为主，此外，还生长着油松和黑松。 人为因素对棕壤的形成发育影响深刻。一方面由于滥伐森林，引起水土流失， 使山丘地区厚层的棕壤变为薄层棕壤性土；另一方面由于注意水土保持，加上精 耕细作，使棕壤的肥力得到提高。 ( 二) 棕壤形成过程的特点 辩东大学砌+ 罩j ；论! ! ! ! ! i ；活墨凛藕 ；! 分别列出 i ； 崂囊珏；黔幽嗣剩 剥i g f 盼篓薯。霞。妻；羹蕈燎浠譬屈灞型豫嘲噬， 甏臻杰甚嗳瑚题m 。皴偿鎏殛弦”鞭髂i 溺措粥霸潜。r 七1 孝劐司融蟛幕翼剽潆 峙净。弱弱望鬯藕雏 抽 荨 i 莩 弹 冰 一 r i 量 l 羔 世 赠 逝 一 棚 鑫 il 珀 栅 i 曼 l 曼 稀鼍 v 舞 刊 茹 蜷 群 哥岳 目 罨 墨薹 守 n _ 目 季 蚤詈 守 li 兰 一 水 一 删 l 2 缸 d 勰 曝 查i导 d 暑 圭l 摹 蕞 d 6 话 一 目 一 寅 l 枣 至 v 鳝 坤 目 簧 鬃童苫詈i 卅 囊口是戢错智 略掣刚霉器野蜷掣箭亏誉山僻 | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | 蔼警； 捌氏v q 吨 垫i 函| | | | ! i l | | ! 】j | | | | 塞翥ig 瓮 葛譬 蛊萝萤 葛暑 医 、 + 一昌= i z d6 叫 k 譬譬 i d d f 替 j k = u 驾嚣 醐 毛=6 捌 ll 趟 驾：。 籁 璺d ff 栅 增 ：= 薹誊 一一 蟊葛蚤葛 垂蓦 = 啦 蓁蓦 8 是 鬈蓦 sn 刑 苎盆 蓊童 量毫 一一 d 一 = 翁童 警蚤 苫暑dd 荨葛 署量 景葛 d ddd 蓦霉 鉴谷 qq耐d 忸v a 寸 翟 咤 l nn 詈i蓑i苫i 曩职 刊堰 囊 联舞 山东大学硕士学位论文 二、潮土 潮土群众习惯称河淤土、蒙金土或两合土等。主要分布于沿河平地和河漫滩 地。 ( 一) 潮土形成特点 。 ， 潮土是在第四纪近代河流沉积物上，受地下水及人为耕种等影响下形成的一 种土壤，其特点是： l 、沉积母质的影响 潮土成土母质为河流沉积物，其沉积物的性质能直接影响着潮土的形成过程 和特性。例如大沽河、白马河等河流沉积物，因富含氧化硅，形成的潮土无石灰 性，呈微酸性至中性；而流经石灰岩断层，沉积物具有石灰性，形成的潮土呈微 碱性。 2 、地下水的影响 潮土的地下水位一般多在1 5 3 m ，在成土过程中，随着地下水位的升降， 土壤剖面氧化还原交替频繁，从而影响着土壤物质的溶解、转移和沉淀，并在土 壤剖面中形成各种色泽的斑纹，或细小的铁锰结核。此外，地下水质对潮土形成 也有影响，当地下水矿化度较高时，则土壤容易盐渍化，形成盐化潮土。 3 、人为耕作的影响 潮土是指发育于冲积母质种植旱作为主的耕种壤，受人为耕作影响较大。 通过耕作、施肥、改土等措施，土壤理化性状发生显著变化，使原来土质偏砂或 偏粘的，成为砂粘适中的壤质土，通透性能得到改善。 ( 二) 潮土的类型及其性态特征 潮土类直接发育在河流的冲积物上，一般土壤有机质含量较低，地下水位 3 5 m ，剖面中形成各种颜色的斑纹和细小的铁锰结核，里微酸性至中性，无石 灰反映。根据地下水质的不同，可分为潮土和盐化潮土两个亚类。潮土，俗称河 淤或河沙土，多分布于白沙河、惜福镇河、张村河等沿河阶地，土层深厚，质地 适中，通透性好，保水肥，水源足，本亚类包括漏沙土、砂腰河淤土、均质河淤 土、均质河沙土、漏砂潮土、沙壤均质潮土6 个土种。盐化潮土，分布在近海沿 岩，发育在入海河流携带的泥沙和海水沉积物上，本亚类包括壤均质盐化土、粘 质盐化土、沙漏盐化土、壤质粘心盐化土4 个土种。 山东大学硕士学位论文 三、盐土 ( 一) 盐土形成的特点 崂山滨海地带，常受海潮侵袭、海水朔河倒灌或海水渗漏补给地下水的影响， 形成与海岸线平行的带状分布的盐土。其盐分类型以n a c l 为主。土壤富含可溶 性盐分，1 m 土层内含盐多在o 5 以上。盐分组成中阴离子以c 1 为主，阳离子 以l 【+ 、n a + 为主。 地面自然植被主要有碱茅，芦苇、马绊草，此外还有黄须菜、柽柳、碱蓬等。 ( 二) 盐土的类型及其性态特征 盐土发育在沿海盐渍及海水沉积物上，因经常受海潮影响，地表或接近地表 的土层含有大量可溶性盐类，潜流滞缓，矿化度多在3 0 9 ，l 以上，土壤黑色，砂 壤质地，分布在沿海一带。盐土类只含滨海潮盐土1 个亚类，包括砂质盐土、滩 地盐土和粘质盐土3 个土种。其主要化学性能是p h 6 6 7 8 ，全盐含量 0 0 8 5 2 8 9 。 第三节土壤理化性质 一、土壤的物理性质 土壤的物理性质，是土壤肥力因素的一个重要组成方面，它能直接影响土壤 养分转化与释放。 ( 一) 土壤质地 土壤质地是指土壤中各粒级所占的百分数。按照卡庆斯基制对土壤颗粒分 级，山东省土壤质地共分为8 种类型，崂山表层土壤质地主要有砂壤土、轻壤土、 中壤土和砾石土。砂壤土土壤物理性粘粒含量占7 一1 9 0 6 ，砂性较大，漏肥 漏水，潜在肥力较低，但与砂土相比，亦属较好的土壤质地类型；轻壤土物理性 粘粒含量占2 3 一2 7 ，砂粘适中，适耕期长，水气热状况协调，潜在肥力高， 为生产性能最好的土壤质地类型l 中壤上物理性粘粒含量占3 0 一4 0 ，质地较 粘，耕性较差，适耕期短，为生产性能较差的土壤质地类型。 ( 二) 土壤结构 从崂山土壤类型看，潮土耕层土壤以粒状为主，结构良好；棕壤结构较差， 多为屑粒状或碎块状结构；盐土土壤结构最差，多是单粒结构。土壤结构是土壤 2 1 山东大学硕士学位论文 据对崂山3 个采土地点表层棕壤速效磷测定，太清宫、黑风口、靛缸湾棕壤 速效磷含量分别为4 。5p p m 、1 1 op p m 、7 0p p m 。黑风口棕壤速效磷达全国3 级 级别，供给水平一般；靛缸湾速效磷达全国4 级级别，供给水平稍低；太清宫速 效磷达全国5 级级别，供给水平低。 ( 四) 土壤速效钾 据对崂山3 个采土地点表层棕壤速效磷测定，太清宫、黑风口、靛缸湾棕壤 速效钾含量分别为1 4 4p p m 、2 3 7p p m 、2 3 4p p m 。黑风口、靛缸湾速效钾达全国 2 级级别，供给水平高；太清宫速效钾含量达国家3 级级别，供给水平较高。 ( 五) 土壤微量元素 据青岛市农科所土壤微量元素调查结果表明：除部分土壤有效铜、铁含晕高 于临界值基本不缺外，锰为中等含景，硼、钼、锌含量很低，其中有效硼含量低 于o 5p p m ，有效钼低于0 1 5p p m ，有效锌低于o 5p p m 。 ( 六) 土壤阳离子代换量 据对崂山太清宫、黑风口、靛缸湾3 个采土地点棕壤阳离予代换鼍测定，表 层阳离子代换量为9 9 6 2 4 2 0 m g 当量，1 0 0 9 土，其中，太清宫表土阳离子代换量 最低，为9 9 6m g 当量1 0 0 9 土，以靛缸湾最高，达2 4 2 0m g 当鼍，l o o g 土。崂山 土壤阳离子代换量属于中等水平，主要是山丘土壤水土流失，造成土壤有机质及 粘粒减少所致。 ( 七) 土壤酸碱性 据对崂山3 个采土地点棕壤p h 测定，太清宫表土p h 为5 4 5 ，黑风口表土 p h 为5 5 0 ，靛缸湾表土p h 为5 6 0 ，土壤呈酸性。在酸性土壤中，磷通常被铁、 铝和钙固定为无效态，也不利于有益微生物活动，影响土壤中氮和部分磷养分的 释放。 ( 八) 碳氮比 碳氮比是判断土壤有机质矿化出氮多少的指标。据对崂山3 个采土地点棕壤 表层土壤测定，太清宫表土碳氮比为1 5 “，黑风口表土碳氮比为1 5 0 0 ，靛缸湾 表土碳氮比为1 2 6 0 。一般认为土壤碳氮比值以8 1 2 为宜，比值过大，养分积累 多，氮素释放少，崂山棕壤碳氮比略高。 山东大学硕士学位论文 第三章土壤重金属元素环境容量研究 随着工农业的迅速发展，土壤污染问题越来越突出，其中重金属是最主要的 污染物质之一。重金属可以在土壤中积累和在作物体内残留，不仅使土壤肥力退 化，农产品的产量和质量降低，而且促使水环境恶化，通过食物链进入人体并在 体内蓄积，构成对人体的潜在危害。因此，土壤重金属污染问题引起了全世界的 高度重视和深入研究，已成为全球关注的环境问题之一。目前，土壤重金属环境 容量研究己成为环境保护研究的热点领域，其主要研究方法为数学模型法。土壤 环境容量的研究可以为区域环境容量数值模拟、土壤污染预测、土壤环境质量评 价和污染物总量控制、加强环境科学管理、保护生态环境平衡、提高农田土壤生 产力水平、保障人体健康提供技术支持和科学依据。 第一节土壤环境容量概念及数学模型的研究与建立 一、土壤环境容量的概念和研究内容 ( 一) 土壤环境容量的概念 土壤环境容量是指一定环境单元在一定时限内，根据环境质量标准，既能保 证农产品产量和生物学质量，又不使环境受污染时，土壤所能容纳污染物的最大 负荷量【4 2 l 。 土壤虽为环境要素之一，但与水体和大气有诸多不同，它在位置上较水体和 大气相对稳定，污染物易于积聚。由于某些污染物在土壤中持续累积，需要累积 到一定程度方能表现出明显的生态效应和环境效应，因此，衡量土壤容许的量时 需要一个基准含量水平，依据这个水平所获得的容量，称为土壤静容量。但以这 个水平计算的容量，仅反映了土壤污染物生态效应和环境效应所容许的水平，而 没有考虑到土壤污染物累积过程中污染物的输入与输出、固定与释放、累积与降 解等传输和转化过程。这些过程都将影响到容许进入土壤中重金属的量。在土壤 静容量的基础上，将土壤传输和转化的量也考虑在内的量，才是土壤动态的、全 部容许的环境容量，即土壤环境动容量【4 3 1 。 ( 二) 研究内容 本章研究、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 山东大学硕十学位论文 量，并以此为基础研究、筛选、建立土壤静态容量数学模型和土壤动态容量数学 模型。根据崂山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，计算崂山普通棕壤、潮棕壤、棕壤性土的铜、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。 土壤环境容量具有显著的环境特征，一般要了解其形成的自然条件和社会生 产条件。其中要注重了解土壤的分布、类型、特征和基本化学性质等。 土壤元素背景值是土壤中已经容纳的元素