重金属土地污染
2014/5/19
今天我们共同研讨的议题 重金属污染土地修复技术及复垦耕地质量监测
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耕地/土壤与人类活动相互关系的剖析 耕地质量等级诊断-存储-评价技术方法 耕地重金属污染及其特征 美国土壤污染修复的超级基金
重金属污染耕地的物理化学修复技术
赵烨，教授，博士生导师
中国土地学会常务理事 北京师范大学环境学院 环境模拟与污染控制国家重点联合实验室
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重金属污染耕地植物修复的实用性技术
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耕地/土壤与人类活动相互关系的剖析
国土(Territory)是国家主权与主权权利管辖范围内
的地域空间。包括国家的陆地、陆上水域、内水、领海
1.1 耕地/土壤是人类社会生存与发展的根基
耕地指种植农作物的土 地，包括熟地、新开发、复 垦、整理地，休闲地(含轮歇 地、轮作地)；以种植农作物 (含蔬菜)为主，间有零星果 树、桑树或其他树木的土地。
土壤
耕地
国土
土地
以及它们的底土和上空。它是由各种自然要素和人文要 素组成的物质实体，是国家社会经济发展的物质基础或 资源、国民生存和从事各种活动的场所或环境。
土地（Land）是由地球陆地部分一定高度和深度范
围内的岩石、矿藏、土壤、水文、大气和植被等要素构 成的自然综合体。
土壤 (Soil)是地球 陆地表面的疏松矿物 质，是经过成土因素 的长期作用的产物， 即土壤是地球陆地表
面具有肥力能够生长
What is Soil
植物的疏松层(包括海、 湖浅水区)。
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土壤是自然环境的基本组成要素和人类生存发展的 重要自然资源 。人类对土壤的认识与剖析、利用、管护
的历史悠久。
五行学说指出五行的特性： 木具有生发、条达的特性；
火具有炎热向上的特性；
在古代中外哲人对世界万物 构成本质的探讨过程中，均将
土或土壤作为物质世界的基本
木 水
五行学说
火
组成之一，如形成于商周之际 的中国古代物质观——五行学 说，认为金、木、水、火、土
构成了宇宙中万事万物。
土具有长养、化育的特性； 金具有清静、收杀的特性；
金
土
水具有寒冷向下的特性。
古代印度遮缚伽派学说亦认为：世界上一切生物和 非生物都是由地(土壤)、水、风、火四大元素构成的； 古代希腊学者恩培多克勒(BC 490- BC435)在融合各派主
张的基础上，提出了 “世界万物是由水、火、土、气四
种元素按不同比例组合而成的”多元论；古斯拉夫人视 土壤为哺育儿女的“母亲”；在古罗马的许多诗歌中将
土壤比拟为圣洁的“女神”。
土壤与成土环境之间的相互作用与联系
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传统旱耕培 肥土壤过程
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适宜植物生长的壤质土壤表土
的体积组成
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南 极 长 城 站 土 壤
河 滩 沼 泽 土 壤
西 伯 利 亚 黑 钙 土
土壤的空间异质性状况示意图（青海东部）
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北 京 城 市 土 壤
广 东 赤 红 壤
广 东 赤 红 壤 性 土
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一方水土，养一方人。 您来自何处？
在我国古代，一直存在着“社稷祭祀”的制 度。把祭祀土地神的地方称作“社”，把祭祀谷 物神的地方叫做“稷”。以五色土建成的社稷坛 包含着古代人对土地的崇拜。五色土寓含了全国 疆土，由全国各地纳贡交来，以表明“普天之下，
莫非王土”之意；“五色之土”代表整个中华大
地，并寓意中华疆域地大物博，多姿多彩。
欧亚大陆东部土壤空间分布格局示意图
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吉林黑土 陕西黄绵土
中原：我国黄土 高原有机质含量 较少的黄绵土等
东北：深厚腐 殖质层的黑土 黑钙土等
黑
北京中山公园
白 黄 青
西北：干旱区 风沙土盐碱土
东南：水耕 熟化而成的 水稻土等
甘肃灰钙土
浙江水稻土 广东赤红壤
红
南方：亚热带 热带红壤赤红 壤砖红壤等
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中国境内土纲及其主要亚纲的空间分布格局
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中国土壤系统分类——土纲空间分布示意图
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土壤是人类赖以生存的物质基础，大致包括：
( G.T.Miller,1996
据
陆地生态系统食物链的首端；
人类劳动的对象和人类社会活动的场所； 原生动物和微生物的栖息地；
地表物质循环、联系有机界-无机界的中心环节；
土 壤 中 栖 息 的 主 资 要 料 生 改 物 编
)
各种废弃物的天然收容和净化场所。
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雾灵山国家级自然保护区华北落叶松下 土壤中生活的真菌显微图片（×720倍）
贝加尔湖沿岸针叶林 土壤表层生活的蚂蚁图片
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1995年美国土壤学会主席L.P.Wilding指出， 土壤的生态环境功能包括：①土壤肥力，即土 壤有保持生物活性、多样性和生产性方面的功 能；②土壤有调节水体和溶质流动的能力；③ 土壤有过滤、缓冲、降解、固定并解毒无机和 有机化合物的能力；④土壤能够储存并循环生 物圈及地表养分和其它元素；⑤土壤还具有支 撑社会经济构架并保护人类文明遗产的能力。
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植物生长 的基质
废弃物净 化与养分 循环
土壤
土壤生 物栖息 地
地表水 分配与 净化
工程建设的基 质
土壤在陆地生态系统中的功能示意图 （据Brady，2000年资料）
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耕地/土壤与人类活动相互关系的剖析
1.2 世界人口三大国家耕地资源状况的比较
土壤是土地核心要素，常言道“万物土中
生”，土壤是农林牧业生产的基本保证，农林 牧业生产过程包括植物性生产和动物性生产， 其基本功能是为人类社会提供食物和纤维等
生 活必需品。土壤不仅是植物生产和基本生产资 料的基础，也是动物生产的基础，因为任何养
937.26万 2.90亿
960万 13.17亿
297.47万 10.5亿
殖业都只能依靠有机质中的化学能和营养物来 维持动物的生命 。
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中国土壤/土地资源具有以下基本特点： 绝对数量大但人均占有少，中国国土面积960
万平方公里，海域面积473万平方公里。国土面
中国
1英亩
5个人
印度
1英亩
2个人
积居世界第3位，按人均占有土地资源，在面积 位居世界前12位的国家中，中国居第11位；按
利用类型区分的各类土地资源看，中国也具有
美国
中国、印度、美国人均耕地状况比较示意图
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0.5人 1英亩
绝对数量大、人均占有量少的特点。
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土壤/土地类型复杂多样且耕地比重小，中国气 候复杂多样，土地类型易复杂多样，这为农、 林、牧、副、渔多种经济和全面发展提供了有 利条件，然而在多类型的土地中还有许多难以 开发和有待开发的土地没被利用。例如中国沙 质荒漠、戈壁约占国土总面积的12%以上，且 改造、利用的难度大，对比之下至关重要的农 业耕地，所占比重仅10%多些。
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土地利用情况复杂且生产力地区差异明显， 土地资源的开发利用是一个长期的历史过程。
由于中国自然条件的复杂性和各地历史发展的
特殊性，使得土地利用及其农牧林业生产方式 的情况极为复杂多样。
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中国土壤侵蚀图
土壤/土地分布不均且保护和开发问题突出，这 里所说的分布不均主要体现在两个方面：一、
具体土壤/土地资源类型分布不均，如有限耕地
（第二次遥感调查成果）
主要集中在中国东部季风区的平原地区，草原 资源多分布在内蒙古高原的东部等；二、人均 占有土地资源分布不均，不同地区土壤/土地资 源面临着多种问题—水土流失、土地荒漠化、 土壤盐碱化和土壤污染。
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青海北部流动沙丘正在侵蚀优质草场
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不同区域的土壤侵蚀景观
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不同区域的 土壤风蚀沙化景观 不同区域的土壤风蚀沙化景观
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耕地/土壤与人类活动相互关系的剖析
1.3 世界上地多人少国家土地资源状况 俄罗斯：面积1707.5万km2，人口约1.43亿
蒙古：面积156.65万km2 ，人口约290.4万
加拿大：997.06万km2 ，人口约3459万 澳大利亚：面积768.23万km2 ，人口约2320万
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C
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中国作为世界农业大国和人口大国，拥有丰富多样 的土壤资源，近30年来中国的改革开放使社会经济和人 民生活得到了全面发展，获得了举世瞩目的辉煌成就，
然而众多的人口 、粗放的发展模式、快速的工业化和
习近
平主席指出“中国的粮食安全要靠自己，我们
自己的饭碗主要要装自己生产的粮食”。中国人口位居 世界第一，中国的生存和发展必须依赖可靠稳定的粮食 供给和能源供给；如果完全依赖国际市场，必然导致生 存发展条件受制于人，不能将13亿人生存的口粮置于距 离遥远、变化无常的异国他乡，不能陷入“大象向小兔 借草吃”的窘境。必须珍惜我们赖以生存的土地资源！
城市化，使土壤退化和耕地资源紧缺成为社会经济持续 发展的重要限制因素，基于此原因，使得今后我国对土 壤环境整治与土壤资源管护成为国家国土资源、环境保
护、农林业、水利、城建等政府管理部门和科教界关注
的重要议题。
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耕地质量等级诊断-存储-评价技术方法
2.1 国内外土地质量评价研究概况
伟大的爱国诗人屈原在《天问》中曰“地方 九则，何以坟之？”。可见自古以来人们都十分 关注土地质量等级及土壤生产能力。土壤生产能 力取决于土壤肥力。土壤肥力是土壤为植物生长 供应和协调养分、水分、空气和热量的能力。其 四大肥力因素有；养分、水分、空气、热量。
土壤生产能力水平高低
Liebig最小因子定律图解
食品(food)
饲料(feed)
国际主要土地评价有:
联合国(FAO)农业生态区法(Agricultural Ecology Zone, AEZ)
美国农业部固有土地质量评价(Inherent land
人类土地利用活动
纤维(fiber)
燃料(fuel) 原材料(raw material)
quality assessment)； 中国农用地分等重视农用地固有属性即自然质 量分，实现了农用地等别全国统一定量可比。
土壤生产功能图解
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Wageningen University 土地学家 Bakker 教授 2013 年 研究了1900至1990年荷兰土壤类型与土地利用相互关系，
发现随着农业化学品投入的增加，土壤与土地利用联系也
Land Dynamics Group, Wageningen University(2010): Thirty years of systematic land evaluation in the Netherlands. Previous procedures in The Netherlands were dependent on empirical knowledge and were not flexible.
减弱；但随保护环境、地学遗迹 (geoheritage)和生物多样 性 (biodiversity)的需要，强化土壤对农业生产的作用已是 持续农业发展重要途径； The European environment— state and outlook 2010-Land use 研究报告也有类似的结果 (A soil and terrain digital database (SOTER) for improved land use planning in Central Benin).
意大利学者Manoli等2013 ：Monitoring and Modeling Farmland Productivity along the Venice Coastland, Italy. 数据来源：Geophysical surveys, lab testing and continuous monitoring of hydrological parameters together with crop yield distribution were performed and acquired; 方法：A numerical model of soil moisture dynamics coupled with plant transpiration, photosynthesis and growth;
制度二级区的耕地等别野外快速诊断-存储-评价-统计检 验的技术设备，在指导基层土地管理专家使用该设备开 展耕地质量等级调查评价的过程中，编制相关技术说明
和使用手册，为提升土地数量与质量并重管理服务。
地表岩石露头度的估测方法 地表岩石露头度是指基岩出露地面占地面的百分比。 据地表岩石露头度对耕作影响程度可为 4个级别（岩石露
头值下含上不含），即 1级，岩石露头
在充分借鉴吸收国外相关技术方法的基础上，综合实 验研究工作过程中研发相关技术器械，以简捷方式快速准
确地获得待调查区域地表岩石露头度，其基本技术原理：
2级，岩石露头 2％～ 10％，露头的间距 35～ 100米，已影 响耕作； 3级，岩石露头 10％～ 25％，露头的间距 10～ 35 米，影响机械化耕作；4级，岩石露头 ≥ 25% ，露头的间 距 3.5～ 10米，影响小型机械耕作。这类信息常从全国第 二次土壤普查资料中获得信息，或进行野外实地调查。
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土壤质地野外快速诊断技术设备
测定土壤质地的常用方法有实验 室测定法 (包括吸管法、比重计法、 激光粒度仪测定法 )和专家野外手测 法 ( 揉条法 ) ，其观测精度一般是吸
管法 >激光粒度仪测定法 >比重计法
土壤质地是土壤的一项稳定的自然属性，它可反映母 质来源和成土过程某些特征，对土壤肥力有很大的影响。 土壤或耕作层土壤质地是评价农用地自然质量分的重要指
标，统计分析14个省市农用地分等技术报告，发现14各省
市农用地自然质量分评价中均选用表土层或耕作层土壤质 地这个指标，在评价过程一般将土壤质地划分成 5―7级打
分，并按照权重（0.06―0.25）评价自然质量分。
>专家手测法(揉条法)。
专家手测法
在借鉴先期研究中研制了国家专利 “美国农部制土 壤质量类型比对样板 (ZL [1**********]7.8)”的基础上， 依据《规程》研制卡庆斯基制中的砂壤、轻壤、中壤、 由于实验室测定法包括土壤样品风干、过筛预处理、添
加分散剂、配制悬浊液、静置分离测量等环节，一般需要
黏土、重壤、紧砂土、松砂土和强石质土标样，并进
行数字化存储于 Android，供野外数码图像比对选择，
专业实验人员进行约 5个工作日的实验工作，且实验花费 大；专家手测法的观察精度较低，仍可满足耕地自然质量 分评价之要求，但非土壤学专家的手测结果随意性大，难
以满足农用地分等的要求。
实现了土地调查人员野外判定土壤质地类型并存储相 关信息全过程。
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土壤剖面构型及障碍层距地表深度的野外快速诊断技术
土壤剖面构型及障碍层距地表深度是影
响作物生长发 育的重要因素，也是《规程》中确定评价耕地自然质量分 的重要指标。在《规程》中其被划分为三种类型：均质质 地剖面构型、夹层质地剖面构型、题(体)层质地剖面构型。 障碍层是指在耕作层以下出现的白浆层、石灰姜石层、砾 石层、黏土层和铁磐等阻碍作物根系伸展或影响水分渗透
的层次，在《规程》将障碍层距地表深度划分为3级：一
级为60-90 cm、二级为30-60 cm、三级为
在实际土壤调查中土壤剖面构 型及障碍层距地表深度的观测，需 要在地表挖掘一个长150-200 cm、 宽100 cm、深150 cm的土壤剖面坑，
并保留少受扰动的向阳土壤剖面进
在先期科学研究过程中，研发了“便携式土壤剖面诊
断扫描仪”(国家发明专利，ZL[1**********]2.3)，解决土
壤剖面孔中摄影的光照、数据传输与储存等问题，但受到 CCD焦距、微距摄影、体积过大、机械驱动等问题致使初 步样机效果不够理想，再加因经费等所限无力进行改进完 善。近期项目组借用医学穿刺诊断法理念、挪威树木生长 锥的模式，设计一种便携式土壤剖面穿刺诊断孔钻，并经 过加工厂家加工制成样品，经过实际田间试验，结果也比
较精确可以大规模使用。
行观测。这种观测精度高，但工程 量大、人力巨大和时间长、并对耕 地有一定的破坏，实际工作中需要 动用机械设备和支付赔偿的事宜。
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便携式土壤剖面穿刺诊断孔钻的田间试验结果示意图
基于 Android构建耕地质量等级野外现场评价
依据《规程》和省级农用地分等技术路线，将“耕地 等别野外快速诊断-存储-评价技术”分解为六个相互联系又 相对独立的技术模块。
耕地基本信息模块
测 点 布 设 与 统 计 检 验
地理位置、权属、宗地编码、耕地类型、耕地保护与建设 状态、承包人、承包期限、耕作制度分区、熟制、指定作 物、调查人员、调查时间等野外记录、选项或野外填充项
耕地自然等信息模块
耕地利用等信息模块
评价指标权重，以及相关诊断与调查信息，产量比系数， 自然质量分、省级自然等指数、省级自然等别、国家级自 然等指数和国家自然等别信息，含后台运算过程等 乡镇或等值区域指定作物最高单产量，最高标准粮单产量， 省级利用等指数与利用等、国家利用等指数和利用等，含 后台运算过程等 乡镇或等值区域最大综合产量-成本指数，耕地多年实际成 本及综合产量-成本指数，经济系数、省级经济等指数与经 济等、国家经济等指数与经济等，含后台运算过程等 耕地建设、经验管理、生态环境景观等图片信息，以图片 形式侧面印证耕地质量状况
Android载体 人机对话界面
耕地经济等信息模块 耕地景观信息模块
空间分层抽样-梅花或蛇形布点-统计检验
北京市大兴区土壤/耕地生产能力调查评价表格
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广东省化州市土壤/耕地生产能力调查评价表格
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感谢您对土地母亲的关注！
欢迎您的指导！
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