土壤采样如何减少误差,采样成为土壤检测行业的技术瓶颈

by admin on 2020年4月27日

发布时间:17-06-20 17:44分类:技术文章
标签:土壤采样,土壤,土壤采样如何减少误差
随着《土壤污染防治行动计划》(以下简称“土十条”)的发布,很多业内人士分析认为,未来5年我国的土壤检测市场潜力巨大,可高达520亿元。土壤污染实际状况的把握和风险管控的前提是采样的代表性和检测的准确性。但是笔者在考察中发现,实际操作时,土壤采样的代表性、采样密度以及检测准确性等有时却成为土壤检测的技术瓶颈。事实上,土壤本身是个高度不均匀的介质,采样误差远远大于分析误差。有研究对1亩地这样一个土体性质变化不大的地块随机选取9
个样点,分别采集9
个土样,分析土壤有效磷含量。结果发现样品间的方差是平行样的6倍,是仪器读数重复的73倍,足见采样误差比起仪器分析误差大得多。同样,另一个案例对一个长40米宽32米的田块进行8米×8米的网格采样,对所采的20个样品分析全氮发现,采样误差远远大于分析误差。因此土壤污染研究中的采样问题可能成为时下土壤检测行业的瓶颈。为此我们有必要说说土壤采样如何减少误差这一问题。土壤是个开放体系。在生态系统中,土壤位于水圈、大气圈、岩石圈和生物圈的核心圈。土壤圈本身是个开放体系,和4个圈层存在着物质和能量的交换。大气圈和水圈的污染物质一部分会进入土壤,造成土壤污染。根据进入途径的不同,重金属等污染物在空间分布上有着很大的差别。对于通过点源如冶炼厂的污染排放进入土壤的污染物,其以污染点为中心分布,同时,污染物的空间分布还受常年主导风向的影响显著,点源的影响范围和程度受到点源的排放量、烟囱高度、地形、气象条件的影响。对于水源污染,一般呈现沿着河流两岸污染的线型分布特征,且受地形影响很大。由于土壤具有较大的吸附性能,进入稻田后,重金属在田块中非常不均匀。据日本科学家研究,一个54米长的田块中,镉、锌、铅等元素的浓度可以相差一倍,镉分别是2.02毫克/千克和1.04毫克/千克,铜分别是348毫克/千克~168毫克/千克,锌分别是101毫克/千克~53.1毫克/千克;且田块左右两侧数值也不尽相同。而在我国台湾地区的研究中,一个50米的田块进水口的镉浓度可以高达7.0毫克/千克,而出水口可以低到0.2毫克/千克,相差高达35倍。如果没有多点采样,容易对田块的污染状况造成误判。在大气、水、土壤等环境要素中,唯有土壤是*不均匀的介质。土壤是一个多相的疏松多孔体系,同时也是一个胶体体系、化学体系、生物体系,还是一个氧化还原体系。所以污染物进入土壤后会发生各种各样的物理、化学和生物学过程而重新分布。固然到达土壤表面的污染物主要分布于土壤的表面,但重金属主要是被黏土矿物部分吸附,因此其之后的分布则受到黏土矿物分布的影响。有研究测定土壤表层0~15厘米的土壤镉含量为5.0毫克/千克,但如果分离出其黏土部分,测定到的镉含量则高达18毫克/千克。由于土壤中镉主要吸附在其中的黏粒上,所以采集土样时主要土壤质地的差异将带来显著的影响。因此,在耕作过程中,土壤颗粒的再分布容易造成土壤重金属的分异。有日本科学家研究表明,在进行犁耙田后,由于土壤黏粒的上浮以及随后其沉淀于土壤表层,水田表层3厘米土层的重金属含量可以比其下的土层高出一倍以上。所以采样时务必上下均匀取样,否则容易带来误差。在进行重金属分析的采样过程中,除了避免采样工具和器具带入的污染外,必须确定采样方式(蛇形、对角线、梅花点等),进行多点采样(通常5点或以上)、采集混合样;单点采样则必须是上下均匀采样。而对其他有机污染物的采样,考虑到污染物的性质(挥发性、光分解等),更应该采取各种相对应的采样对策,以确保采样带来的误差降到*小。

随着《土壤污染防治行动计划》(简称“土十条”)的发布,很多业内人士分析认为,未来五年我国的土壤检查市场潜力巨大,可高达520亿元。
土壤污染实际状况的把握和风险管控的前提是采样的代表性和检测的准确性。但是笔者在考察中发现,实际操作时,土壤采样的代表性、采样密度以及检测准确性等有时却成为了土壤检测的技术瓶颈。
事实上,土壤本身是个高度不均匀的介质,采样误差远远大于分析误差。
有研究对1亩地这样一个土体性质变化不大的地块随机选取9 个样点,分别采集9
个土样,分析土壤有效磷含量。结果发现样品间的方差是平行样的6倍,是仪器读数重复的73倍,足见采样误差比起仪器分析误差大得多。
同样的,另一个案例对一个长40米宽32米的田块进行8米×8米的网格采样,对所采的20个样品分析全氮发现,采样误差远远大于分析误差。
因此土壤污染研究中的采样问题可能成为时下土壤检测行业的瓶颈。为此我们有必要说说土壤采样如何减少误差这一问题。
土壤是个开放体系。在生态系统中,土壤位于水圈、大气圈、岩石圈和生物圈的核心圈。土壤圈本身是个开放体系,和四个圈层存在着物质和能量的交换。大气圈和水圈的污染物质一部分会进入土壤,造成土壤污染。根据进入途径的不同,重金属等污染物在空间分布上有着很大的差别。对于通过点源如冶炼厂的污染排放进入土壤的污染物,其以污染点为中心分布,同时,污染物的空间分布还受常年主导风向的影响显着,点源的影响范围和程度受到点源的排放量、烟囱高度、地形、气象条件的影响。
对于水源污染,一般呈现沿着河流两岸污染的线型分布特征,且受地形影响很大。由于土壤具有较大的吸附性能,进入稻田后,重金属在田块中非常不均匀。据日本科学家研究,一个54米长的田块中,镉、锌、铅等元素的浓度可以相差一倍,镉分别是2.02和1.04毫克/千克,铜分别是
348~168毫克/千克,锌分别是101~53.1毫克/千克;且田块左右两侧数值也不尽相同。而在我国台湾地区的研究中,一个50米的田块进水口的镉浓度可以高达7.0毫克/千克,而出水口可以低到0.2毫克/千克,相差高达35倍。如果没有多点采样,容易对田块的污染状况进行误判。
在大气、水等环境要素中,唯有土壤是个最不均匀的介质。土壤是一个多相的疏松多孔体系,同时也是一个胶体体系、化学体系、生物体系,还是一个氧化还原体系。
所以污染物进入土壤后会发生各种各样的物理、化学和生物学过程而重新分布。固然到达土壤表面的污染物主要分布于土壤的表面,但重金属主要是被黏土矿物部分吸附,因此其之后的分布则受到黏土矿物分布的影响。有研究测定土壤表层0~15厘米的土壤镉含量为5.0毫克/千克,但如果分离出其黏土部分,测定到的镉含量则高达18毫克/千克。由于土壤中镉主要吸附在其中的黏粒上,所以采集土样时主要土壤质地的差异将带来显着的影响。
因此,在耕作过程中,土壤颗粒的再分布容易造成土壤重金属的分异。有日本科学家研究表明,在进行犁耙田后,由于土壤黏粒的上浮以及随后其沉淀于土壤表层,水田表层3厘米土层的重金属含量可以比其下的土层高出一倍以上。所以采样时务必上下均匀取样,否则容易带来误差。
在进行重金属分析的采样过程中,除了避免采样工具和器具带入的污染外,必须确定采样方式(蛇形、对角线、梅花点等),进行多点采样(通常5点或以上)、采集混合样;单点采样则必须是上下均匀采样。而对其他有机污染物的采样,考虑到污染物的性质(挥发性、光分解等),更应该采取各种相对应的采样对策,以确保采样带来的误差降到最小。

清除镉米背后的土壤污染,最重要任务之一就是全面会诊土壤重金属污染现状。记者近日从国土资源部、中国地质调查局获悉,我国正在绘制土壤重金属人类污染图。

正在绘制人类污染图

据悉,我国正建立涵盖81个化学指标(含78种元素)的地球化学基准网:以1:20万图幅为基准网格单元,每一个网格都布设采样点位,每个点位各采集一个深层土壤样品和一个表层土壤样品。深层样品来自1米以下,代表未受人类污染的自然界地球化学背景;表层样品来自地表25厘米以浅,是自然地质背景与人类活动污染的叠加。用表层含量减去深层含量,即得出重金属元素人类污染图。

据介绍,从1994年起,中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所等机构就对全国土壤51种化学元素进行监测,1999年起对东部农田区54种化学元素进行填图,2008年起建立全国地球化学基准网,对含78种元素的土壤81个化学指标进行探测。数据显示,重金属等污染物指标在大的流域及局部工矿业和农业区上升较快。

重金属污染显著扩大

全国多目标区域地球化学调查项目已发现局部地区土壤污染严重。如长江中下游某些区域普遍存在镉、汞、铅、砷等异常。城市及其周边普遍存在汞铅异常,部分城市明显存在放射性异常。湖泊有害元素富集,土壤酸化严重。研究证实,镉、汞等重金属元素与人类污染存在密切关系。重金属元素在土壤表层明显富集并与人口密集区、工矿业区存在密切相关性。与1994~1995年采样相比,土壤重金属污染分布面积显著扩大并向东部人口密集区扩散。

土壤危险元素在增多

地质学家指出,研究表明,我国土壤正出现越来越多本来没有或微不足道的危险元素。土壤一旦被污染,通过自净能力完全复原周期长达千年。为人类健康,必须持续加大对污染行为监管和惩治力度。对已被污染土地,要把污染源搞清楚并加以切断。土壤污染物不仅有重金属,还有大量有机污染物。国土、地质、环境、水利等部门要通力合作为大地排毒。

■链接

湖南镉米背后2/3耕地酸化

加剧重金属污染的危害

近期,湖南大米不时被检出镉超标,鱼米之乡光环被罩上一层阴影。事实上,土壤污染已成我国众多地方的公害。很多业内专家认为,湖南的镉米危机是一场迟早要来的危机。全国1/5耕地重金属污染

湖南省地质研究所专家童潜明认为,我国土壤污染形势已十分严峻。中国水稻研究所与农业部稻米及制品质量监督检验测试中心2010年发布的《我国稻米质量安全现状及发展对策研究》称,我国1/5的耕地受重金属污染,其中镉污染耕地涉及11省25个地区。在湖南、江西等长江以南地带,这一问题更加突出。

童潜明认为,土壤重金属污染的成因,既有工业造成的点源污染,也有农业投入品滥用造成的面源污染。重金属对土壤的污染首先来自于工业三废。湖南是全国闻名的有色金属之乡,有色金属采选开发已有数百年,历史包袱沉重。在衡阳常宁水口山、株洲清水塘、湘潭竹埠港等涉重金属企业密集地区,许多耕地早已不适合继续耕种。来自农业的污染也是土壤重金属污染的重要来源。目前全球每年进入土壤的镉总量为66万公斤左右,其中经施用化肥进入的比例高达55%左右。

30年酸化相当于300年

对土地的掠夺式开发更加剧了重金属进入土壤的步伐。近年来,出于对产量和经济效益的追求,农民大量施用氮肥和磷肥,土壤酸性急速飙升。湖南省权威部门统计显示,由于不合理耕作、过度种植、农用化学品的大量投入,与上世纪80年代第二次土壤普查时比较,目前湖南省耕地土壤pH值已由6.5降至6.0,30年土壤酸化程度相当于自然状态下300年的酸化程度。研究表明,土壤pH值每下降一个单位值,土壤中重金属流活性值就会增加10倍。

湖南省一位农业专家说,湖南是目前全国土壤酸化面积最大的一个省,全省耕地中有2/3存在不同程度的酸化现象。土壤酸化带来的直接影响,是增加重金属在土壤中的活性使其更容易被作物吸收,从一定程度上加剧了重金属污染的危害。

湖南将严控污染增量

在经历了镉米危机之后,治理土壤污染的重要性与紧迫性已更加凸显。湖南省环保厅副厅长谢立说,针对全省土壤重金属污染现状,目前环保、国土、农业等部门已在联合开展抽样调查。对重金属造成的土壤污染,湖南省的治理思路是严控增量,逐步消化存量。本版据新华社电

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