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自动化便携式土壤采样方案

自动化便携式土壤采样方案

土壤及相关名称释义

土壤 soil

连续覆被于地球陆地表面具有肥力的疏松物质,是随着气候、生物、母质、地形和时间因素

变化而变化的历史自然体。

土壤环境 soil environment

地球环境由岩石圈、水圈、土壤圈、生物圈和大气圈构成,土壤位于该系统的中心,既是

各圈层相互作用的产物,又是各圈层物质循环与能量交换的枢纽。受自然和人为作用,内在或外显的土壤状况称之为土壤环境。

土壤背景 soil background

区域内很少受人类活动影响和不受或未明显受现代工业污染与破坏的情况下,土壤原来固

有的化学组成和元素含量水平。但实际上目前已经很难找到不受人类活动和污染影响的土壤,只能去找影响尽可能少的土壤。不同自然条件下发育的不同土类或同一种土类发育于不同的母质母岩区,其土壤环境背景值也有明显差异;就是同一地点采集的样品,分析结果也不可能完全相同,因此土壤环境背景值是统计性的。

3.4 农田土壤 soil in farmland

用于种植各种粮食作物、蔬菜、水果、纤维和糖料作物、油料作物及农区森林、花卉、药

材、草料等作物的农业用地土壤。

监测单元 monitoring unit

按地形—成土母质—土壤类型—环境影响划分的监测区域范围。

土壤采样点 soil sampling point

监测单元内实施监测采样的地点。

土壤剖面 soil profile

按土壤特征,将表土竖直向下的土壤平面划分成的不同层面的取样区域,在各层中部位多

点取样,等量混匀。或根据研究的目的采取不同层的土壤样品。

土壤混合样 soil mixture sample

在农田耕作层采集若干点的等量耕作层土壤并经混合均匀后的土壤样品,组成混合样的分

点数要在 5~20 个。

监测类型 monitoring type

根据土壤监测目的,土壤环境监测有 4 种主要类型:区域土壤环境背景监测、农田土壤环

境质量监测、建设项目土壤环境评价监测和土壤污染事故监测。

一、采样准备

组织准备

由具有野外调查经验且掌握土壤采样技术规程的专业技术人员组成采样组,采样前组织学

习有关技术文件,了解监测技术规范。

1、资料收集

收集包括监测区域的交通图、土壤图、地质图、大比例尺地形图等资料,供制作采样工作

图和标注采样点位用。

收集包括监测区域土类、成土母质等土壤信息资料。

收集工程建设或生产过程对土壤造成影响的环境研究资料。

收集造成土壤污染事故的主要污染物的毒性、稳定性以及如何消除等资料。

收集土壤历史资料和相应的法律(法规)。

收集监测区域工农业生产及排污、污灌、化肥农药施用情况资料。

收集监测区域气候资料(温度、降水量和蒸发量)、水文资料。

收集监测区域遥感与土壤利用及其演变过程方面的资料等。

现场调查现场踏勘,将调查得到的信息进行整理和利用,丰富采样工作图的内容。

采样器具准备

工具类:YKT-D505汽油动力土壤采样器、YKT-CO4土壤采样器以及适合特殊采样要求的工具等。

器材类:GPS、罗盘、照相机、胶卷、卷尺、铝盒、样品袋、样品箱等。

文具类:样品标签、采样记录表、铅笔、资料夹等。

安全防护用品:工作服、工作鞋、安全帽、药品箱等。

采样用车辆

2、 监测项目与频次

监测项目分常规项目、特定项目和选测项目;监测频次与其相应。

常规项目:原则上为 GB 15618《土壤环境质量标准》中所要求控制的污染物。

特定项目:GB 15618《土壤环境质量标准》中未要求控制的污染物,但根据当地环境污染

状况,确认在土壤中积累较多、对环境危害较大、影响范围广、毒性较强的污染物,或者污染事故对土壤环境造成严重不良影响的物质,具体项目由各地自行确定。

选测项目:一般包括新纳入的在土壤中积累较少的污染物、由于环境污染导致土壤性状发

生改变的土壤性状指标以及生态环境指标等,由各地自行选择测定。

土壤监测项目与监测频次见表 4-1。监测频次原则上按表 4-1 执行,常规项目可按当地实际适当降低监测频次,但不可低于 5 年一次,选测项目可按当地实际适当提高监测频次。

图片1.png

2布点与样品数容量

1、“随机”和“等量”原则

样品是由总体中随机采集的一些个体所组成,个体之间存在变异,因此样品与总体之间,

既存在同质的“亲缘”关系,样品可作为总体的代表,但同时也存在着一定程度的异质

差异愈小,样品的代表性愈好;反之亦然。为了达到采集的监测样品具有好的代表性,必须避免一切主观因素,使组成总体的个体有同样的机会被选入样品,即组成样品的个体应当是随机地取自总体。另一方面,在一组需要相互之间进行比较的样品应当有同样的个体组成,否则样本大的个体所组成的样品,其代表性会大于样本少的个体组成的样品。所以“随机”和“等量”是决定样品具有同等代表性的重要条件。

二、 布点方法

2.1、简单随机

将监测单元分成网格,每个网格编上号码,决定采样点样品数后,随机抽取规定的样品数

的样品,其样本号码对应的网格号,即为采样点。随机数的获得可以利用掷骰子、抽签、查随机数表的方法。关于随机数骰子的使用方法可见 GB10111《利用随机数骰子进行随机抽样的办法》。简单随机布点是一种完全不带主观限制条件的布点方法。

2.2、 分块随机

根据收集的资料,如果监测区域内的土壤有明显的几种类型,则可将区域分成几块,每块

内污染物较均匀,块间的差异较明显。将每块作为一个监测单元,在每个监测单元内再随机布点。在正确分块的前提下,分块布点的代表性比简单随机布点好,如果分块不正确,分块布点的效果可能会适得其反。

2.3 、系统随机

将监测区域分成面积相等的几部分(网格划分),每网格内布设一采样点,这种布点称为系统随机布点。如果区域内土壤污染物含量变化较大,系统随机布点比简单随机布点所采样品的

代表性要好。

图片2.png

图 5-1 布点方式示意图

三、基础样品数量

3.1、由均方差和绝对偏差计算样品数

用下列公式可计算所需的样品数:

N=t2s2/D2

式中:N 为样品数;

t 为选定置信水平(土壤环境监测一般选定为 95%)一定自由度下的 t 值(附录 A);

s2 为均方差,可从先前的其它研究或者从极差 R(s2=(R/4)2)估计;

D 为可接受的绝对偏差。

示例:

某地土壤多氯联苯(PCB)的浓度范围 0~13mg/kg,若 95%置信度时平均值与真值的绝对偏差为 1.5 mg/kg,s

为 3.25 mg/kg,初选自由度为 10,则

N =(2.23)2(3.25)2/(1.5)2  =23

因为 23 比初选的 10 大得多,重新选择自由度查 t 值计算得:

N =(2.069)2(3.25)2/(1.5)2  =20

20 个土壤样品数较大,原因是其土壤 PCB 含量分布不均匀(0~13 mg/kg),要降低采样的样品数,就得牺牲监测结果的置信度(如从 95%降低到 90%),或放宽监测结果的置信距(如从 1.5 mg/kg 增加到 2.0 mg/kg)。 

3.2、由变异系数和相对偏差计算样品数

N=t2s2/D2 可变为:N=t2CV2/m2式中:N 为样品数;

t 为选定置信水平(土壤环境监测一般选定为 95%)一定自由度下的 t 值(附录 A);

CV 为变异系数(%),可从先前的其它研究资料中估计;

m 为可接受的相对偏差(%),土壤环境监测一般限定为 20%~30% 。

没有历史资料的地区、土壤变异程度不太大的地区,一般 CV 可用 10%~30%粗略估计,有效磷和有效钾变异系数 CV 可取 50%。

4、布点数量

土壤监测的布点数量要满足样本容量的基本要求,即上述由均方差和绝对偏差、变异系数

和相对偏差计算样品数是样品数的下限数值,实际工作中土壤布点数量还要根据调查目的、调查精度和调查区域环境状况等因素确定。

一般要求每个监测单元最少设 3 个点。

区域土壤环境调查按调查的精度不同可从 2.5km、5km、10km、20km、40km 中选择网距网格布点,区域内的网格结点数即为土壤采样点数量。

农田采集混合样的样点数量见“6.2.2.2 混合样采集”。

建设项目采样点数量见“6.3 建设项目土壤环境评价监测采样”。

城市土壤采样点数量见“6.4 城市土壤采样”。

土壤污染事故采样点数量见“6.5 污染事故监测土壤采样”。

四、样品采集

样品采集一般按三个阶段进行:

前期采样:根据背景资料与现场考察结果,采集一定数量的样品分析测定,用于初步验证

污染物空间分异性和判断土壤污染程度,为制定监测方案(选择布点方式和确定监测项目及样品数量)提供依据,前期采样可与现场调查同时进行。

正式采样:按照监测方案,实施现场采样。

补充采样:正式采样测试后,发现布设的样点没有满足总体设计需要,则要进行增设采样

土壤采样器




点补充采样。面积较小的土壤污染调查和突发性土壤污染事故调查可直接采样。

1 区域环境背景土壤采样

1.1、采样单元

采样单元的划分,全国土壤环境背景值监测一般以土类为主,省、自治区、直辖市级的土

壤环境背景值监测以土类和成土母质母岩类型为主,省级以下或条件许可或特别工作需要的

壤环境背景值监测可划分到亚类或土属。

1.2、 样品数量

各采样单元中的样品数量应符合“5.3 基础样品数量”要求。

1.3、 网格布点

网格间距 L 按下式计算:L=(A/N)1/2式中:L 为网格间距;A 为采样单元面积;N 为采样点数(同“5.3 样品数量”)。

A 和 L 的量纲要相匹配,如 A 的单位是 km2 则 L 的单位就为 km。根据实际情况可适当减小网格间距,适当调整网格的起始经纬度,避开过多网格落在道路或河流上,使样品更具代表性。

1.4、野外选点

首先采样点的自然景观应符合土壤环境背景值研究的要求。采样点选在被采土壤类型特征

明显的地方,地形相对平坦、稳定、植被良好的地点;坡脚、洼地等具有从属景观特征的地点不设采样点;城镇、住宅、道路、沟渠、粪坑、坟墓附近等处人为干扰大,失去土壤的代表性,

不宜设采样点,采样点离铁路、公路至少 300m 以上;采样点以剖面发育完整、层次较清楚、无侵入体为准,不在水土流失严重或表土被破坏处设采样点;选择不施或少施化肥、农药的地块作为采样点,以使样品点尽可能少受人为活动的影响;不在多种土类、多种母质母岩交错分布、面积较小的边缘地区布设采样点。

1.5、采样

采样点可采表层样或土壤剖面。一般监测采集表层土,采样深度 0~20cm,特殊要求的监

测(土壤背景、环评、污染事故等)必要时选择部分采样点采集剖面样品。剖面的规格一般

长 1.5m,宽 0.8m,深 1.2m。挖掘土壤剖面要使观察面向阳,表土和底土分两侧放置。

一般每个剖面采集 A、B、C 三层土样。地下水位较高时,剖面挖至地下水出露时为止;山地丘陵土层较薄时,剖面挖至风化层。

对 B 层发育不完整(不发育)的山地土壤,只采 A、C 两层;干旱地区剖面发育不完善的土壤,

汽油动力土壤采样器

在表层 5~20 cm、心土层 50 cm、底土层 100 cm 左右采样。

水稻土按照 A 耕作层、P 犁底层、C 母质层(或 G 潜育层、W 潴育层)分层采样(图 6-1),

对 P 层太薄的剖面,只采 A、C 两层(或 A、G 层或 A、W 层)。

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A 层特别深厚,沉积层不甚发育,一米内见不到母质的土类剖面,按 A 层 5~20 cm、A/B

60~90 cm、B 层 100~200 cm 采集土壤。草甸土和潮土一般在 A 层 5~20 cm、C1 层(或 B层)50 cm、C2 层 100~120 cm 处采样。

采样次序自下而上,先采剖面的底层样品,再采中层样品,最后采上层样品。测量重金属

的样品尽量用竹片或竹刀去除与金属采样器接触的部分土壤,再用其取样。

剖面每层样品采集 1kg 左右,装入样品袋,样品袋一般由棉布缝制而成,如潮湿样品可内

衬塑料袋(供无机化合物测定)或将样品置于玻璃瓶内(供有机化合物测定)。采样的同时,由专人填写样品标签、采样记录;标签一式两份,一份放入袋中,一份系在袋口,标签上标注采样时间、地点、样品编号、监测项目、采样深度和经纬度。采样结束,需逐项检查采样记录、样袋标签和土壤样品,如有缺项和错误,及时补齐更正。将底土和表土按原层回填到采样坑中,

方可离开现场,并在采样示意图上标出采样地点,避免下次在相同处采集剖面样。

标签和采样记录格式见表 6-1、表 6-2 和图 6-2 。

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2:土壤质地分为砂土、壤土(砂壤土、轻壤土、中壤土、重壤土)和粘土,野外估测方法为取小块土壤,加水潮润,然后揉搓,搓成细条并弯成直径为 2.5~3cm 的土环,据土环表现的性状确定质地。

砂土:不能搓成条;

砂壤土:只能搓成短条;

轻壤土:能搓直径为 3mm 直径的条,但易断裂;

中壤土:能搓成完整的细条,弯曲时容易断裂;

重壤土:能搓成完整的细条,弯曲成圆圈时容易断裂;

粘土:能搓成完整的细条,能弯曲成圆圈。

3:土壤湿度的野外估测,一般可分为五级:

干:土块放在手中,无潮润感觉;

潮:土块放在手中,有潮润感觉;

湿:手捏土块,在土团上塑有手印;

重潮:手捏土块时,在手指上留有湿印;

极潮:手捏土块时,有水流出。

注 4:植物根系含量的估计可分为五级:无根系:在该土层中无任何根系;

少量:在该土层每 50cm2 内少于 5 根;

中量:在该土层每 50 cm2 内有 5~15 根;

多量:该土层每 50 cm2 内多于 15 根;

根密集:在该土层中根系密集交织。

注 5:石砾含量以石砾量占该土层的体积百分数估计。

2 农田土壤采样

2.1、监测单元

土壤环境监测单元按土壤主要接纳污染物途径可划分为:

(1)大气污染型土壤监测单元;

(2)灌溉水污染监测单元;

(3)固体废物堆污染型土壤监测单元;

(4)农用固体废物污染型土壤监测单元;

(5)农用化学物质污染型土壤监测单元;

(6)综合污染型土壤监测单元(污染物主要来自上述两种以上途径)。

监测单元划分要参考土壤类型、农作物种类、耕作制度、商品生产基地、保护区类型、行

政区划等要素的差异,同一单元的差别应尽可能地缩小。

2.2、布点

根据调查目的、调查精度和调查区域环境状况等因素确定监测单元。部门专项农业产品生

产土壤环境监测布点按其专项监测要求进行。

大气污染型土壤监测单元和固体废物堆污染型土壤监测单元以污染源为中心放射状布点,

在主导风向和地表水的径流方向适当增加采样点(离污染源的距离远于其它点);灌溉水污染监测单元、农用固体废物污染型土壤监测单元和农用化学物质污染型土壤监测单元采用均匀布点;灌溉水污染监测单元采用按水流方向带状布点,采样点自纳污口起由密渐疏;综合污染型土壤监测单元布点采用综合放射状、均匀、带状布点法。

2.3、样品采集

2.3.1、剖面样

特定的调查研究监测需了解污染物在土壤中的垂直分布时采集土壤剖面样,采样方法同1.5。

2.3.2、混合样

一般农田土壤环境监测采集耕作层土样,种植一般农作物采 0~20cm,种植果林类农作物

采 0~60cm。为了保证样品的代表性,减低监测费用,采取采集混合样的方案。每个土壤单元设 3~7 个采样区,单个采样区可以是自然分割的一个田块,也可以由多个田块所构成,其范围

200m×200m 左右为宜。每个采样区的样品为农田土壤混合样。

混合样的采集主要有四种方法:(1)对角线法:适用于污灌农田土壤,对角线分 5 等份,以等分点为采样分点;

(2)梅花点法:适用于面积较小,地势平坦,土壤组成和受污染程度相对比较均匀的地块,

设分点 5 个左右;

(3)棋盘式法:适宜中等面积、地势平坦、土壤不够均匀的地块,设分点 10 个左右;受污泥、垃圾等固体废物污染的土壤,分点应在 20 个以上;

(4)蛇形法:适宜于面积较大、土壤不够均匀且地势不平坦的地块,设分点 15 个左右,多用于农业污染型土壤。各分点混匀后用四分法取 1kg 土样装入样品袋,多余部分弃去。样品标签和采样记录等要求同 1.5。

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建设项目土壤环境评价监测采样

100 公顷占地不少于 5 个且总数不少于 5 个采样点,其中小型建设项目设 1 个柱状样采样点,大中型建设项目不少于 3 个柱状样采样点,特大性建设项目或对土壤环境影响敏感的建设项目不少于 5 个柱状样采样点。

3.1、非机械干扰土

如果建设工程或生产没有翻动土层,表层土受污染的可能性最大,但不排除对中下层土壤的

影响。生产或者将要生产导致的污染物,以工艺烟雾(尘)、污水、固体废物等形式污染周围土壤环境,采样点以污染源为中心放射状布设为主,在主导风向和地表水的径流方向适当增加采样点(离污染源的距离远于其它点);以水污染型为主的土壤按水流方向带状布点,采样点自纳污口起由密渐疏;综合污染型土壤监测布点采用综合放射状、均匀、带状布点法。此类监测不采混合样,混合样虽然能降低监测费用,但损失了污染物空间分布的信息,不利于掌握工程及生产对土壤影响状况。表层土样采集深度 0~20cm;每个柱状样取样深度都为 100cm,分取三个土样:表层样(0~20cm),中层样(20~60cm),深层样(60~100cm)。

3.2、机械干扰土

由于建设工程或生产中,土层受到翻动影响,污染物在土壤纵向分布不同于非机械干扰土。

采样点布设同 6.3.1。各点取 1kg 装入样品袋,样品标签和采样记录等要求同 6.1.5。采样总深度由实际情况而定,一般同剖面样的采样深度,确定采样深度有 3 种方法可供参考。

3.2.1、随机深度采样

本方法适合土壤污染物水平方向变化不大的土壤监测单元,采样深度由下列公式计算:

深度=剖面土壤总深×RN式中 RN=0~1 之间的随机数。RN 由随机数骰子法产生,GB10111 推荐的随机数骰子是由均匀材料制成的正 20 面体,在 20 个面上,0~9 各数字都出现两次,使用时根据需产生的随机数的位数选取相应的骰子数,并规定好每种颜色的骰子各代表的位数。对于本规范用一个骰子,其出现的数字除以 10 即为 RN,当骰子出现的数为 0 时规定此时的 RN 为 1。

示例:

土壤剖面深度(H)1.2m,用一个骰子决定随机数。

若第一次掷骰子得随机数(n1)6,则RN1= (n1)/10=0.6采样深度(H1)= H*RN1=1.2×0.6=0.72(m)即第一个点的采样深度离地面 0.72m;若第二次掷骰子得随机数(n2)3,则RN2=(n2)/10=0.3

采样深度(H2)= H*RN2=1.2×0.3=0.36(m)即第二个点的采样深度离地面 0.36m;

若第三次掷骰子得随机数(n3)8,同理可得第三个点的采样深度离地面 0.96m;

若第四次掷骰子得随机数(n4)0,则RN4=1(规定当随机数为 0 时 RN 取 1)

采样深度(H4)= H*RN4=1.2×1=1.2(m)即第四个点的采样深度离地面 1.2m;

以此类推,直至决定所有点采样深度为止。

3.2.2、分层随机深度采样

本采样方法适合绝大多数的土壤采样,土壤纵向(深度)分成三层,每层采一样品,每层

的采样深度由下列公式计算:

深度=每层土壤深×RN

式中 RN=0~1 之间的随机数,取值方法同 6.3.2.1 中的 RN 取值。

3.2.3 规定深度采样

本采样适合预采样(为初步了解土壤污染随深度的变化,制定土壤采样方案)和挥发性有

机物的监测采样,表层多采,中下层等间距采样。

图片10.png

图 6-3 机械干扰土采样方式示意图

4 城市土壤采样

城市土壤是城市生态的重要组成部分,虽然城市土壤不用于农业生产,但其环境质量对城

市生态系统影响极大。城区内大部分土壤被道路和建筑物覆盖,只有小部分土壤栽植草木,本规范中城市土壤主要是指后者,由于其复杂性分两层采样,上层(0~30 cm)可能是回填土或受人为影响大的部分,另一层(30~60 cm)为人为影响相对较小部分。两层分别取样监测。城市土壤监测点以网距 2000 m 的网格布设为主,功能区布点为辅,每个网格设一个采样点。

对于专项研究和调查的采样点可适当加密。

污染事故监测土壤采样

污染事故不可预料,接到举报后立即组织采样。现场调查和观察,取证土壤被污染时间,

根据污染物及其对土壤的影响确定监测项目,尤其是污染事故的特征污染物是监测的重点。据污染物的颜色、印渍和气味以及结合考虑地势、风向等因素初步界定污染事故对土壤的污染范围。

如果是固体污染物抛洒污染型,等打扫后采集表层 5 cm 土样,采样点数不少于 3 个。

如果是液体倾翻污染型,污染物向低洼处流动的同时向深度方向渗透并向两侧横向方向扩

散,每个点分层采样,事故发生点样品点较密,采样深度较深,离事故发生点相对远处样品点较疏,采样深度较浅。采样点不少于 5 个。

如果是爆炸污染型,以放射性同心圆方式布点,采样点不少于 5 个,爆炸中心采分层样,周围采表层土(0~20 cm)。

事故土壤监测要设定 2~3 个背景对照点,各点(层)取 1kg 土样装入样品袋,有腐蚀性或要测定挥发性化合物,改用广口瓶装样。含易分解有机物的待测定样品,采集后置于低温(冰箱)中,直至运送、移交到分析室。

 



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