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密级 论文编号 中国农业科学院 学位论文 农田土壤环境质量预警 以郑州市郊区为例 A of A 要 随着经济发展和人口增加,我国土壤特别是农田土壤环境污染日趋严重,农产品质量面临严峻挑战,为此迫切需要建立行之有效的预警体系,以便于在农田土壤环 境质量发生退化、恶化之前及早提出预警,及时采取措施,保障食物安全,促进农业高效持续发展。 本文借鉴国内外有关预警理论和实践最新成果,将生态环境预警及社会经济预警的理论、方法、技术引入到农田土壤环境质量预警中,对农田土壤环境质量预警的基本概念、基本理论和基本方法进行了研究,建立了具有一定理论基础和实践意义的农田土壤环境质量环境 具体研究内容: 确立农田土壤环境质量预警概念框架。建立农田土壤环境质量环境 运用监测预警和环境 对预警 指标的变化趋势进行预测,实现预警的动态性。 在理论分析的基础上,对郑州市郊区农田土壤环境质量进行了预警实证研究,获得重要结论: 郑州市近郊区农田土壤重金属污染比较严重,综合预警级别是重警;污水灌溉并非是郑州市郊区农田土壤重金属污染的唯一重要来源, 另外大气沉降、汽车尾气排放、固体废弃堆置、化肥和农药的不合理施用等都在很大程度上影响农田土壤重金属污染状况。 郑州市郊区农田土壤环境状况虽有好转趋势,但总体状况不容乐观。 郑州市郊区 农田土壤环境质量状况变化呈现明显的阶段性。“八五”期间农田土壤环境状况迅速恶化;到 “九五”期间达到状态相对最差;“十五”期间农田土壤环境状况趋于好转。 本文理论分析与实证研究相结合,在理论和方法上具有创新性,其主要表现: 初步确立了农田土壤环境质量预警的概念框架。本文在深刻理解生态环境预警理论的基础上,结合土壤污染的特点、来源,确立了农田土壤环境质量预警概念框架; 建立了农田土壤环境质量环境 本文在深入分析土壤污染来源、深刻理解土壤污染复杂性的基础上,依据研究地区的特殊性(城乡结合部),构建了农田土壤环境质量预警指标体系,在此基础上探索性地建立了农田土壤环境质量环境 模型, 并运用此预警模型进行了动态预警实证研究,获得重要结果。探索性地运用两种方法对农田土壤环境质量进行了预警研究。目前大多数预警研究均采用单一预警方法,较少考虑多种方法的综合运用。本文运用两种方法对农田土壤环境质量状况进行了预警研究,在宏观和微观结合方面进行了有益探索。 关键词 :预警 农田土壤环境质量 监测预警 环境 经济预警 of of of in of to of of So by of of to to (1) of of of of of (2) It (3) in is it is of is it is of of (4) as (1) is in (2) is an to in it to (3) is (4) 1991is 1996001 as (1) of of (2) (3) in 国农业科学院硕士学位论文 目录 I 目 录 第一章 引言 1 研究背景和意义 1 农田土壤环境质量问题日益突出 1 农产品质量面临严峻挑战 1 农田土壤环境问题亟待解决 (研究目的 ) 1 国内外研究现状 2 国外研究现状 2 国内研究现状 3 前研究存在的问题 6 缺乏对农田土壤环境质量预警的系统研究 6 缺乏对生态、环境问题的动态性研究 6 缺乏适应性强的预警模型 7 缺乏多种预警方法的综合运用 7 文拟解决的问题 7 究内容、技术路线 7 研究内容 7 技术路线 8 第二章 农田土壤环境质量预警系统的概念框架 10 田土壤环境质量预警 10 土壤 10 土壤质量 10 农田土壤环境质量 10 预警及其相关概念 10 农田土壤环境质量预警 10 农田土壤环境质量预警的警情、警源、警兆 11 中国农业科学院硕士学位论文 目录 田土壤环境质量预警特点 11 警情的累积性 11 警情的突发性 11 警兆的滞后性 11 警源的复杂性 12 预警标准的不确定性 12 预警的动态性 12 田土壤环境质量预警类型 12 按预警内涵分 12 按预警评价体系分 13 按预警空间尺度分 13 按预警时间尺度分 13 按预警方式分 13 项目研究的重点 13 第三章 农田土壤环境质量预警方法 14 田土壤环境质量预警的基本方法 14 环境监测预警 (微观 14 环境 经济预警 (宏观 14 田土壤环境质量监测预警体系 15 农田土壤环境质量评价模型 15 农田土壤环境质量预测模型 16 农田土壤环境质量预警模型 18 农田土壤环境质量监测预警 19 田土壤环境质量环境 20 构建农田土壤环境预警指标体系 20 农田土壤环境质量预警评价 22 中国农业科学院硕士学位论文 目录 农田土壤环境质量预测模型 24 农田土壤环境质量预警模型 25 农田土壤环境质量预警 26 第四章 实证分析:郑州市郊区农田土壤环境质量监测预警 27 择城市郊区农田作为实证研究的依据 27 究地区概况 27 自然环境状况 27 水文状况 27 土壤类型状况 27 环境污染状况 28 田土壤环境质量监测预警 28 预警评价因子选择 28 数据分析 29 农田土壤环境质量预警 32 预警结果简析 34 第五章 实证分析:郑州市郊区农田土壤环境质量环境 经济预警 35 环境经济预警方法的依据 35 选择环境经济预警方法的原因 35 环境经济预警方法的依据 35 农田土壤环境质量预警 36 构建农田土壤环境质量预警指标体系 36 农田土壤环境质量预警指标预测 37 农田土壤环境质量预警指标评价 43 农田土壤环境质量预警 50 农田土壤环境质量预警结果分析 50 中国农业科学院硕士学位论文 目录 六章 结果与讨论 51 主要成果 51 研究结论 51 创新点 52 预警方法讨论 52 有待于进一步深入研究的问题 53 参考文献 54 致谢 59 作者简历 60 中国农业科学院硕士学位论文 目录 V 图 表 目 录 图 1 1 农田土壤环境质量监测预警技术路线 8 图 1 2 农田土壤环境质量环境 9 图 3 1 农田土壤环境质量指标体系 22 图 4 1 农田土壤环境质量预警结果图 33 图 5 1 城市污水排放量预测模型 37 图 5 2 二氧化硫排放量预测模型 38 图 5 3 工业固体废弃物产生量预测模型 39 图 5 4 工业废气处理率预测模型 40 表 3 1 土壤污染评价分级标准与预警标准 19 表 3 2 农田土壤环境质量预警区间 26 表 4 1 1986郑州市土壤监测结果 29 表 4 2 1996郑州市土壤监测结果 30 表 4 3 2004 年郑州市土壤及其相对应的农作物监测结果 31 表 4 4 土壤环境质量二级标准 32 表 4 5 农田土壤环境质量预警结果 32 表 5 1 农田土壤环境质量预警指标体系框架 36 表 5 2 农田土壤环境质量预警指标预测 42 表 5 3 农田土壤环境质量预警指标标准值 43 表 5 4 农田土壤环境质量预警指数 45 表 5 5 判断矩阵各元素的确定 46 表 5 6 平均随机一直性指标 47 表 5 7 农田土壤环境质量预警指标权重 48 表 5 8 农田土壤环境质量预警总指数 49 表 5 9 农田土壤环境质量预警结果 50 中 国农业科学院硕士学位论文 第一章 引言 - 1 - 第一章 引 言 究背景和意义 田土壤环境质量问题日益突出 随着 人口增加及经济发展, 我国土壤特别是农田土壤污染日趋严重, 农田土壤环境安全问题越加突出。据统计,我国重金属污染的耕地面积达 2000万公顷,占总耕地面积的 1/6;因工业“三废”污染的农田近 700万公顷,使粮食每年减产 100亿公斤,其中污水灌溉的农田面积已达330 多万公顷;我国农药总施用量达 吨 (成药 ),平均每亩施用 ,比发达国家高出一倍,农药施用后在土壤中的残留量为 50% 60%,全国有 1300 1600 万公顷耕地受到农药的污染 (赵其国, 2002;张乃明, 2002);据国家环保总局 2000环 境状况公报: 对 30万公顷基本农田保护区土壤有害重金属抽样监测,其中 公顷土壤重金属超标,超标率达 ; 对 23个省(区市)的不完全统计,共发生农业环境污染事故 891起,污染农田 4万公顷,造成农畜产品损失 2489 万公斤,直接经济损失达 元。 由以上资料可以看出,我国土壤环境质量面临严峻形势,土壤环境问题日益突出。 产品质量面临严峻挑战 如此严重的土壤环境质量状况是农产品不安全的源头, 由于土壤大面积污染,我国每年出产重金属污染的粮食多达 1200 万吨;全国出产的主要农产品中,农药残留超 标率高达 1620; 2000年全国 G 粮食调查发现,粮食中重金属 标率占 10 (孙铁珩、周启星, 2003)。 有资料表明,中国成为美国绿色贸易壁垒限制最多的国家;中国出口到发达国家的农产品,因农、兽药残留和重金属含量“超标”而遭拒收、扣留、中止合同或停止进口的事件大大超过历史同期;联合国的统计表明,中国约有包括农产品在内的 74 亿美元出口商品因“绿色壁垒”而受阻。引发农产品质量不良的因素,包括水、土、气、生等方面的污染,其中农田土壤污染是导致农产品品质不良的重要根源、是农产品不安 全的源头。因此赵其国院士呼吁:“只有保证了净土、才能保证洁食,才能保证人类生命的健康与安全,我国应该刻不容缓地对待和解决我国当前面临的土壤与环境污染问题 (赵其国, 2002)。 田土壤环境质量问题亟待解决(研究目的) 面临如此严重的土壤环境质量状况和农产品质量状况,许多专家、学者开始致力于土壤环境问题的研究(周启星, 骆永明,张从,陈怀满等 ),并取得了很多成果,为我国土壤污染问题的解决奠定了坚实的基础,但这并没有从根本上解决我国日趋严重的土壤环境问题。因为目前人们关注的焦点是土壤污染后的末 端治理(植物修复等),而忽视了土壤污染前的预防、预测、预警工作,未能针对土壤污染的复杂性、特殊性和难治理性等特点提出切实可行的解决办法。 土壤环境的多介质、多界面、多组分以及非均一性和复杂多变的特点,决定了土壤环境污染具有区别于大气环境和水环境污染的不同特点:( 1) 隐蔽性与滞后性。 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。而土壤环境污染则不同,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,甚至通过粮食、蔬菜和水果等农作物以及摄食的人或中 国农业科学院硕士学位论文 第一章 引言 - 2 - 动物的健康才能反映出来,从遭受污染到产生 “恶果”往往需要一个相当长的过程。因此,土壤从产生污染到出现问题通常会滞后很长时间; ( 2)累积性与地域性。 污染物质在大气和水体中,一般比较容易迁移。但污染物质在土壤环境中并不象在大气和水体中那样容易扩散和稀释,因此容易在土壤环境中不断积累而超标直至达到很高浓度,与此同时也使土壤环境污染具有很强的地域性特点。 ( 3)不可逆性。 大气和水体受到污染,切断污染源之后通过稀释作用和自净作用可能使污染问题不断逆转,但是累积在土壤中的难降解污染物则很难靠稀释作用和自净作用来消除,而重金属对土壤的污染基本上是一个不可逆转的过 程,例如:被某些重金属污染的农田生态系统可能需要 100的时间才得以恢复 (周启星, 2004)。许多有机化学物质的污染也需要较长的时间才能降解。 ( 4)土壤污染很难治理。 土壤污染一旦发生,仅仅依靠切断污染源的方法则很难恢复,有时要靠换土、淋洗土壤等方法才能解决问题。因此,土壤污染的末端治理成本较高、周期较长。 鉴于以上原因,对于土壤污染问题应采取预防为主、立法管理和综合治理相结合的措施。运用国家政策调控,强化监督管理,对农田土壤环境质量进行预警,防患于未然,在土壤环境质量发生退化、质变、恶化之前,能及早 提出预告、报警、及时采取措施,加以有效抑制、减缓、控制、整治,则有可能转变演化方向,变逆向演替为正向演替,使农田土壤环境步入良性循环。 其最终目的是加强我国对农田质量的调控力度,提高农田利用决策的科学水平,促进农业高效化发展和提高粮食安全的保障能力。 内外研究现状 外研究现状 ( 1)生态环境预警研究 预警在辞海上有警告的意思,事先警告、提醒人的注意和警惕。预警思想源于军事, 19世纪末期被应用于宏观经济监测与调控,随着卫星技术及计算机技术的发展, 20 世纪 80 年代开始被用于灾害监测,随着 系统动力学、 3技术、遥感、计算机技术的发展和全球生态环境、资源、粮食等问题日益严峻,科学预警的思想和方法开始应用于环境监测、生态预报、农业资源监测、粮食安全等方面。 1975年,联合国粮农组织( 立了全球粮食和农业信息及预警系统( 粮农组织通过该系统,持续地监测世界基本食物和农产品以及化肥的供求展望,并对世界农业生产做出预测 (陶骏昌, 1992); 1975年,联合国环境规划署 (据 1972年联合国环境会的宗旨,在内罗毕总部建立全球环境监测系统( 划中心对全球的环境质量 进行监测,实施比较、排序和预警 (联合国环境规划署 )。另外联合国规划署建立“区域预警和评估”( 统,它的目的是评价全球环境现状、评估全球环境演化趋势,为政府决策提供建议和环境预警的信息 (联合国环境规划署 ); 2000年,欧盟开始筹建基于网络的空气质量预警系统( (2002)【 15】 。 在国际组织的倡导和支持下,许多国家已开展了生态环境的监测、评价、预报、预警研究,使之发展迅速,应用广泛。 英国学者 984)提出了提高资源环境承载力备择方案的 提出了反映区域人口、资源、环境和发展之间相互关系的综合方法; 1996年,瑞典 农业科学院硕士学位论文 第一章 引言 - 3 - 的“指示物”,并认为单纯使用环境数据对环境状况进行预警有时会达不到应有的预警效果,因为由人类活动造成的环境质量下降具有一定的滞后性 (996); 美国环境保护基金会及自然资源保护委员会建立了全球变暖预警系统,该预警系统采用 全球气温正在 逐渐升高地区以信号做出标记; 2000年, 国科学促进会)年会的主题“不确定千年里的科学”,确定生态预报( 该年年会四个重要主题之一; 2001年 2001)对由农业驱动的全球变化进行了预警(预报),并指出由于人口的继续增长,农业还要大力发展,生态破坏、水消耗和农业污染的速度将急剧增加,给全球生态系统带来巨大威胁; 2001年,启动了“新千年生态系统评估”全球性生态评估计划。随着较大尺度环境预警的迅速开展,基于指示生物基础上的较小 尺度上的预警也发展起来 (,2001), 1999年) 提出用寄生虫预警海洋生态系统污染 【 20】 ; 2003年) 将地衣作为森林生态系统重金属污染的指示物,并证实了地衣可对森林生态系统的环境变化做出预警; 2003年)指出生物指标成为环境监测的重要组成部分,并提出运用生物指标预警污染物对生物系统的不良影响。 ( 2)土壤环境质量预警研究 从目前检索到的文献来看,人们在一定程度上忽视了土壤环境问题的预警研究,但最近几年,随着人 口资源环境之间矛盾的日趋尖锐,土壤与环境质量问题正在不断得到世界范围内的共同关注。美国在 1991年和 1992年连续召开了两届关于土壤质量问题的学术讨论会,并发表了一系列文章 (赵其国、孙波等, 1997)。 1994年刊行了土壤质量与持续环境( a 书,书中详尽论述了土壤质量的评价方法、国家和全球土壤质量的评价模型与监测指标,提出了“可持续的土壤管理系统”的概念,指出“由于土壤系统的动态性,所以对可持续管理 的测量应该采用动态评价方法”;瑞典环境保护署( 1993年起开始了“综合土壤分析( 的研究,目的在于为田间条件下人类活动对土壤生物过程及土壤生物的影响评价提供方法; 1998年,在法国蒙别列尔市召开第 16届国际土壤学会上,“全球土壤与环境问题”,是会议关注的重大问题 (赵其国, 1998)。在会上对以下问题进行了探讨:污染物的临界水平欧洲的观点( 瑞士 区某些土壤中重金属的来源与空间变异( 人为有机颗粒从大气进入土壤( 运用顺序分级法评 价重金属对土壤的污染( 土壤生态毒性污染的评价程度( ,其中重金属污染的防治倍受重视,对其“极限值”、“临界值负荷”均有深入研究; 2002 年,在泰国曼谷召开了第 17 届国际土壤学大会,这是在 21 世纪首次举行的全球性的土壤科学学术盛会,会上土壤与环境委员会对以下四个专题进行了研究:“城市与城郊土壤:对人类健康和城市农业的危害”、“土地利用与粮食安全”、“对土壤和土地利用的态度:过去与现在”、“可持续性土地利用的土壤指标” (赵其国等, 2002); 2003 年,在中国北京召开了 第 三届亚太土壤污染 大会, 本次 会议 的主题是 “ 基于风险的污染土壤管理 ”,提出了土壤污染管理的理念 (中科院网站 )。 总的看来,当今土壤学正进入新的发展阶段,其中土壤质量、土壤污染与环境功能问题成为举世关注的重要问题。 内研究现状 国内,由北京农业大学陶骏昌副教授领导的课题组于 1991年 5 月在北京发起并组织召开了全国首届农业预警系统研讨会,取得了初步成果。在此之后出版了具有开创意义的研究专著,如中 国农业科学院硕士学位论文 第一章 引言 - 4 - 农业预警系统(陶骏昌、李宗凌等, 1992)、中国工农业经济预警(顾海兵, 1992)、农业预警概论(陶骏 昌, 1994)、 90 年代后半期中国农业发展的监测预警与对策(顾海兵, 1995)等,这些成果使我国农业预警研究水平迈上了新的台阶,同时也为预警理论在其它方面的应用奠定了基础。近几年,随着我国环境污染和生态破坏形势的日益严峻,环境管理成为关注的焦点,与此同时环境预警成为当代环境科学的研究热点,越来越多的专家学者开始了对资源、生态、环境预警的探索性研究,同时开展了相关的课题的研究: 中科院成都山地所 主持的 国家自然科学基金项目 “ 三峡库区生态与环境预警研究 ” ; 中国科学院南京地理与湖泊研究所 主持的“太 湖流域水环境预警 研究课题 ”; 中国科学院生态环境研究中心负责的“典型农田系统环境质量预警体系与无公害生产及关键技术”; 973项目之一“土壤质量演变规律与持续利用”的下设课题“ 土壤质量变化的预测与预警 ”等。 ( 1)生态环境预警研究 1991年,中科院生态环境研究中心的傅伯杰首次对区域生态环境预警的基本原理与方法进行了阐述,提出了运用区域持续发展能力(承载力、稳定性、缓冲力、生产力和调控力)作为区域生态环境预警的综合指标,建立了区域生态环境预警指标体系; 1992年,中科院陈治谏、陈国阶对有关环境预警的理论进行了探索性的研究,建立 了不良状态预警、恶化趋势预警和恶化速度预警的数学模式,同时给出了三峡水利工程环境影响预警评价的实例; 1996年,陈国阶对环境预警进行了的探讨,给出了环境预警的定义,指出了环境预警与环境评价、环境预测之间的关系,对环境预警的判别与类型进行了研究; 1996年,北京大学的许学工运用生态交错理论,提出了“环境潜在指数( E)”的计算公式,并利用此预警模型对黄河三角洲区的生态环境质量现状进行了评估和预警; 1999年,中科院的陈国阶、何锦峰对生态环境预警的理论和方法进行了研究,对与生态环境预警有关的概念作了阐述,对不同生 态环境预警类型进行了分析,并给出定量评价的数学表达式; 2000年,西安统计学院的李俊红等对环境预警指标体系进行了初探,并建立了环境预警指标体系,对我国环境统计的发展和环境预警有一定的参考价值; 2002年,西安统计学院的颜卫忠对环境预警指标体系进行了进一步的研究,从理论上和实践上论证了环境预警指标体系的科学性与可操作性。由前所述,我国专家学者在生态环境预警方面进行了有益的、探索性的研究,并取得一定的研究成果,这些成果使我国环境预警研究水平迈上了新的台阶,为环境预警理论的发展和环境预警技术的应用奠定了基础。随后 ,预警在环境领域的应用受到越来越多人的关注,生态环境预警已成为一个新的研究热点,主要表现在以下几个方面: 水环境、水生态方面。 水资源是我国现代化建设的重要物质基础,严重的水环境、水生态问题促使专家学者开始了对水生态环境的预警研究。吉林大学的董志颖等( 2002),对水质预警理论进行了初探,对水质预警的涵义、分类、特点进行了阐述,提出了 状分析与评价 确定警情 寻找警源 分析警兆 预报警度 排除警患;吉林大学的博士生洪梅( 2002)探索性地将预警理论引入到 地下水(水质、水位)动态研究中,建立了地下水预警的综合指标体系;清华大学的冉圣宏,陈吉宁等( 2002)建立了区域水环境污染预警系统;李琼( 2002)提出运用藻类 叶绿素浓度作为水质富营养化指标和预测 预警对象;陈秋玲( 2004年)在对我国主要流域的水质采用模糊综合评判模型进行定量评价的基础上,提出了对水体进行预警管理的思路;邵东国 (1999)、梁中 (2002)、郭怀成 (2004)、 胡淑恒 (2004)等 对中 国农业科学院硕士学位论文 第一章 引言 - 5 - 河流、湖泊的生态环境预警系统进行了研究;郑通汉 (2003)、陈始金 (2004)、邓绍云 (2004)等在水安全、 水资源预警方面进行了有益的、探索性的研究。 土壤生态方面。 土壤生态方面的预警研究主要集中在水土流失预警、荒漠化预警以及土地盐碱化预警等三个方面。 1995年,中科院的蒋定生、李新华等对黄土高原水土流失危险程度预警进行了研究,采用了“加权重叠排序法”研究了黄土高原腹地的 106 个县(旗)、市水土流失的危险程度排序,通过对决定各县水土流失危险程度的综合因素进行动态排序,找出了影响各样本区内水土流失程度的主要问题,并进行归类分析和预警,指出关于水土流失的预警研究尚处于探索阶段; 2001年,北京林业大学的关文彬、谢春 华、孙保平等研究了荒漠化危害预警指标体系框架,将荒漠化的发生、发展的生态机制与预警原理结合,提出了荒漠化预警系统基本框架,建立了荒漠化危害预警指标体系框架; 2001年,国家林业局规划院的王君厚等建立了土地沙漠化评价预警模型,应用此模型对我国北方 12 个省 (市、区 )以县域为区域单元,进行了土地沙漠化现状水平预警; 2002年,李凤全等研究了半干旱地区土地盐碱化预警,采用神经网络模型对吉林西部土地盐碱化进行了预警; 2003年,中科院的卞建民等对土地盐碱荒漠化预警理论及实证进行了深入的研究,建立了土地盐碱荒漠化预警理 论; 2004年,清华大学的王忠静等从土地生产潜力退化基本原理出发,建立了荒漠化预警模型。 ( 2)土壤环境质量预警研究 土壤质量是土壤肥力质量、环境质量和动植物健康质量的综合量度 (郑昭佩等, 2003)。随着人地矛盾的日益突出,运用预警技术研究日趋严重的土壤质量问题被土壤学专家提上日程 (张桃林等, 1999)。虽然目前在土壤环境质量预警方面开展的工作还很有限,但与此相关的研究成果为预警理论、预警技术在土壤环境领域的运用奠定了一定的基础。 土壤质量指标体系研究。 不同学者对土壤质量评价采用的方法和强调的重点各有特 色,国际上比较有代表性的是世界银行、联合国粮农组织、联合国发展署、联合国环境署提出的“压力 状态 响应” (价体系 (冷疏影等, 1999),国内比较有代表性的有傅泊杰等 (1997)提出的生态、经济社会评价框架;谢俊奇 (1998)提出的社会、资源环境经济框架;唐华俊、陈佑启 (2000)提出的农业土地利用系统评价框架; 蔡为民等( 2004)提出的土地利用系统健康评价的框架等。 这些指标体系,对土壤环境质量预警指标体系的建立具有很好的借鉴作用。 土壤肥力质量预警研究。 随着耕地资源的日益减少和一些区域耕地 质量的不断退化,耕地安全问题日益突出 ,对耕地的安全进行评价与预警也就显得非常必要。中南财经政法大学的张光宏等对耕地预警的概念与特征、耕地预警的类别、耕地数量与质量的警情等进行了初步的阐述;1999年,中科院的周慧珍等研究了在由数据库、灰色预测、动态监测等软件组成的 京大学的彭补拙教授和葛向东博士生在耕地预警方面作了有益的研究:一是规范了与耕地预警有关的概念,指出了耕地预警系统建立的原则,提出了耕地预警的技术路线,运用统计预警和模型预警两种方法对温州市边缘区耕地进行了 预警。二是研究了以耕地基础地力为警情指示指标的耕地预警系统,运用灰色 (1,1) 模型对土壤质量指数的变化趋势进行了预测。三是研究了耕地总量动态平衡的监测和预警。指出在监测耕地系统数量增减的同时,应警戒其质量升降超过临界值的时空范围和危险程度;南京大学的李满春等 (2002)了耕地保护预警信息系统;陈印军 (2002)等提出了农田质量预警的概念,对农田质量预警的必要性、特中 国农业科学院硕士学位论文 第一章 引言 - 6 - 点、指标选择、预警类型等进行了全面的阐述,这为今后土壤质量动态监测与预测预警研究奠定了基础。 土壤环境研究。 土壤是环境要素的重要组成部分 ,它处于自然环境的中心位置,承担着环境中大约 90的来自各个方面的污染物 (王慎强等, 1999),土壤环境的 研究一直是环境科学一个重点。早在 1973 年,我国就开始了土壤元素背景值的调研工作; 1977 年,在农业部和中国科学院的支持下,对土壤环境背景值进行了有组织的系统研究 (国家环保局 )。自 1983年以来,土壤环境容量作为我国国家级项目进行了系统的研究 (夏增禄, 1988, 1992)。在土壤环境背景值和土壤环境容量工作的基础上,还对土壤环境质量基准进行了专门的研究 (周启星, 1989)。 20 世纪 80 年代后期土壤环境容 量协作组根据重金属在土壤、植物、微生物、水体系统中的生态学效应研究了主要土类的临界值 (夏增禄, 1991)。在此之后,国家环保局组织制订了土壤环境质量标准,并于 1996 年 3 月开始实施。在土壤环境容量、土壤环境背景值、土壤环境质量标准等研究的基础上,我国对土壤环境质量评价、土壤污染预测、污灌年限等研究取得了很大进展 (李天杰, 1996;李森照, 1995)。以上有关土壤背景值、土壤环境容量、土壤重金属临界值、土壤环境质量评价、预测以及土壤污染风险评估等的研究为土壤环境污染预警评价、预警分级、警戒线的确定、预测方法的 选择等提供了理论依据,为我国土壤环境质量预警研究的开展奠定了基础。 前研究中存在的问题 预警学是一门正在兴起的交叉学科,预警系统本身处在不断发展和完善的过程中,再加上生态环境问题本身的复杂性,虽然许多专家学者已经致力于生态、环境预警理论、技术的研究,但对生态、环境预警的研究仍处于探索阶段,理论和方法处于启蒙阶段,尚存在一些问题需进一步探索、研究和解决。 乏对农田土壤环境质量预警的系统研究 土壤环境的多介质、多界面、多组分以及非均一性和复杂多变的特点,决定了土壤环境污染具有区别于大气环 境和水环境污染的不同特点: 隐蔽性与滞后性、累积性与地域性、不可逆性、难治理性。土壤污染的特殊性、土壤污染的严重性迫切需要建立行之有效的预警体系,在土壤环境质量发生退化、恶化之前及早提出预警,及时采取措施,使农田土壤环境质量步入良性循环。但从国内外研究现状看, 目前在农田土壤环境质量预警方面开展的工作还很有限 。 乏对生态、环境预警的动态性研究 预警的关键就在于对系统的生态环境质量进行预测,预测是预警系统实现动态性的关键所在。但目前对生态环境的预测的研究很少,预警的动态性无法实现,只是一次性的静态 预警结论。正如 991)所指出的“由于对生态系统举止缺乏深入了解,许多环境未来预测(不论何种规模)都因与现实差别太大而遭非议”。因此,对于环境状况的正确反映和预测,仍然是一个十分困难的问题,对于变化速度等的正确和准确的预测和预警就更困难。 中 国农业科学院硕士学位论文 第一章 引言 - 7 - 乏适应性强的预警模型 在生态环境预警研究中,目前存在的最大困难是预警准则的确定和预警警戒线的划分,由于生态环境系统涉及的因素复杂多变,而且多数因素的量度与研究的尺度(范围)有关,目前的警戒线和预警标准均采用确定的方式,不具有时变特性,缺少自 适应、自学习的能力。 乏多种预警方法的综合运用 在预警指标选择上,偏重定量指标,忽视定性指标;在预警方法上,多采用单一预警方法,较少考虑多种方法的综合运用。 文拟解决的问题 通过借鉴国内外其他领域有关预警系统的理论和实践成果,综合现有的土壤质量指标体系、环境预警指标体系、土壤环境容量、土壤环境背景值、土壤环境质量评价体系等相关研究,探索性的将生态环境预警、社会经济预警的理论、方法、技术引入到农田土壤环境预警中,对土壤环境质量预警的基本概念、基础理论和基本方法进行研究,试图建立起具有一 定理论基础和实践价值的农田土壤环境质量预警体系框架, 以弥补预警在土壤环境污染领域应
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