瑞士土壤环境监测网络构建与运行对中国的启示

封 雪，李宗超，夏 新，李名升，姜晓旭

中国环境监测总站，国家环境保护环境监测质量控制重点实验室，北京 100012

为落实《土壤污染防治法》和《土壤污染防治行动计划》，中国建立了包含近8万个点位的国家土壤环境监测网，并于2016年开展监测工作。与其他国家和地区相比，目前监测网的监测工作还处于起步阶段，无论从经验积累还是数据积累方面都有所欠缺。瑞士土壤环境监测网(Swiss Soil Monitoring Network，NABO)于1984年建网，由瑞士农业部门和环境部门主导，瑞士农业可持续发展研究所具体负责网络的建设和运行。该网络用于支撑瑞士国家层面土壤环境风险防控、土壤质量保护等相关工作，经过30余年的运行，NABO建立了丰富和完备的指标体系，从监测技术、监测网络运行、数据处理及评价等方面积累了丰富的经验。笔者在回顾中国土壤监测相关研究的基础上，对NABO的建立背景、指标选取、土壤监测工作进展等进行分析和探讨，以期为中国国家土壤环境监测网的建设工作提供参考。

1 NABO概况

1.1 NABO构建目标

NABO建立的主要目标是长期在全国开展土壤监测，评估土壤物理、化学和生物性质，了解土壤环境现状，开展长期变化趋势分析，防范土壤性质改变带来的风险。通过监测、模型计算等向国家和公众提供可靠的土壤信息和服务[1]。

1.2 点位布设和样品采集

1.2.1 点位布设

NABO综合了土地利用类型、土壤类型和地理地质等条件，于1984年在瑞士全境(面积为41 284 km2)设立100个监测点位。点位土地利用类型包括集约化农场、蔬菜地、果园、牧草场、森林和城市公园，其中以农场、森林和牧草场点位居多，分别占总点位数的50%、33%和20%[1]。2012年，在100个点位的基础上，新增了30个点位用于开展土壤生物的监测和评价[2]。

1.2.2 样品采集

NABO的监测周期为5年，每年采集20%的点位土壤样品。采样时利用GPS定位目标点位，在目标点位周边10 m×10 m范围内，采集表层20 cm的土壤柱状样品。为保证采样的均匀性，将10 m×10 m采样范围再分割为1 m×1 m的采样方格，每4个相邻方格进行顺序编号形成采样序号(图1)，分别对每25个序号相同的方格采集柱状样品并混合为1个混合样，共计4个混合样。从2005年开始，除了采集表层土壤样品外，同时采集深度为40 cm的深层样品，而到2010年，深层样品的采集深度从40 cm改为1 m。

图1 10 m×10 m采样范围内采样序号示意图[1]Fig.1 Schematic diagram of sampling sequencein the sampling range of 10 m×10 m

1.3 监测指标

NABO在综合评价土壤风险和质量的基础上，根据驱动力-压力-状况-影响-响应(DPSIR)模型构建了包含物理、化学和生物指标的综合监测指标体系(表1)。

表1 土壤风险、关键问题与监测指标[1-4]Table 1 Soil risk,key issues and monitoring indicators

1.3.1 物理性质监测

受耕作等人类活动的影响，土壤压实问题在2000年以后逐渐得到关注，土壤压实主要是由于土壤团聚体被破坏，从而影响了土壤水、气交换效率，最终导致土壤生物活性下降，严重影响土壤功能。从2015年开始，NABO选取部分点位，针对土壤压实问题建立指标体系，通过测定土壤物理指标(如渗透阻力、含水量、容重和孔隙度等)，衡量土壤压实程度[3]。其中渗透阻力采用传感器测定[1,3]，测定深度为100 cm；含水量、容重及孔隙度的测定是采集深度为100 cm柱状土样，在观察土样的基础上，对每5 cm土样开展上述测定。

1.3.2 化学性质指标

NABO建网时最早关注的土壤性质是化学性质，化学性质的监测从1984年至今每5年开展一次[1,4]。从监测内容来看，一方面是监测土壤功能的可持续性，主要关注土壤的肥力和养分；另一方面是监测土壤质量和污染风险，主要关注重金属和有机污染物。

1.3.2.1 养分指标

养分指标包括土壤有机质含量，有机碳含量，氮、磷和钾含量等。土壤有机质在土壤中起到贮存和缓冲作用，可以调节土壤养分循环与水分平衡，特别是在气候变化条件下，土壤有机质在保持土壤功能的长期可持续性方面起到了关键作用。而土壤有机质很大一部分是由碳组成，因此在监测指标中土壤有机质和有机碳含量均可代表养分状况。1985—2009年，监测土壤有机质时主要对表层土壤(0～20 cm)的土壤有机质开展监测，2010年以后，为了进一步测算土壤碳库，不仅对表层土壤有机质和有机碳含量进行测定，同时选取深层土壤样品进行测定[4]。选取土壤有机质和有机碳含量、氮、磷和钾作为主要养分指标，一方面从养分可持续角度长期监测土壤有机质和有机碳含量，建立国家尺度土壤碳库，另一方面对氮、磷元素(氮、磷等土壤养分流失会造成水环境污染风险)进行长期监测，进一步说清土壤养分平衡和可持续性等问题。

1.3.2.2 污染物指标

选取重金属元素和有机污染物作为主要土壤污染观测指标。选取镉、汞、铅、铬、铜、锌和镍等作为重金属元素指标；选取多环芳烃、多氯联苯和植物保护剂作为有机污染物指标。

1.3.3 生物性质指标

为了进一步探索土壤微生物及生物对土壤功能的影响，揭示土壤环境变化与土壤生物群落之间的关系，2012年，NABO构建了包含动物、微生物指标的生物指标体系，共同表征土壤的生物特性[2]。其中动物指标选取蚯蚓、小型生物生境情况作为主要观测指标，微生物指标包括生物量、微生物呼吸及生物活性等，选取真菌和细菌开展分子生物学测试工作，构建土壤DNA库。

1.4 数据、报告和信息发布

1.4.1 数据信息系统

2012年，NABO构建了一整套全链条的数据信息系统(NABODAT)，可广泛收集土壤相关数据，并进行数据处理与分析，支撑政府部门的管理决策[5]。NABODAT可实现对国家和各州土壤数据的更新和维护。除了政府部门的土壤监测数据，该系统还能收集其他机构(如研究机构)的土壤监测数据，并在数据处理和分析中，将各来源的监测数据与地理信息系统(GIS)相关联开展综合数据分析。联邦政府和州政府用户可根据权限，访问数据库中的原始数据和分析结果。

1.4.2 报告和数据共享

NABO在每一监测周期结束后会编制监测报告，由瑞士联邦政府通过网站或正式出版物向公众公开瑞士国家土壤环境状况和变化趋势，其网站公开了2015年编写完成的1984—2009年的国家土壤环境状况。报告主要披露了环境状况、变化趋势和风险[1]。从数据表征方式来看，选用统计值描述状态，统计单元包括瑞士不同的土地利用类型(如草地、森林、耕地等)，统计内容包括各土地利用类型下土壤污染物、有机质、pH等指标的顺序统计值(包含最小值、10%、50%、90%和最大值)、均值和95%置信区间；利用监测结果与标准限值的比较反映污染风险，其中标准限值选用1998年瑞士生态环境局发布的《土壤损害法令》(Osol)中的限值[6]；在变化趋势分析中，一是选用各监测周期不同土地利用类型下的各指标均值、95%置信区间及顺序统计量通过图表的形式表征变化趋势，二是将每个点位与《土壤损害法令》中的限制进行比较，若2个监测周期内该点位某一监测指标含量变化幅度超过限值的±5%，则认为有变化，否则认为无变化，通过统计变化的点位数，表征土壤变化趋势。

1.4.3 数据综合分析

NABO专门建立了数据分析模型[7]，在数据统计和评价的基础上，通过模型开展数据时间和空间变化等分析，预估土壤污染风险。数据分析模型基于元素平衡进行模型运算，分为地表土壤模型和复杂模型，各模型均可以揭示农业活动对土壤功能、质量和风险的长期影响，而复杂模型则可以分析和预测区域尺度或场地尺度的土壤管理、耕种对土壤特征和功能的影响。

目前，NABO主要开展4个方面的数据统计和分析(表2)[7-11]。一是利用元素平衡模型，开展各点位长期的元素平衡综合分析，主要是对营养元素氮和磷、铜和锌(基于农业生态环境指标)等元素的平衡分析；二是研究人类活动对土壤的影响，主要研究了植物保护剂和施肥等人类活动对土壤重金属元素和污染物累积的影响；三是利用同位素法开展土壤风险源分析；四是利用土壤过程模型，依据土壤动力学原理，开展土壤风险预估等工作。

表2 NABO土壤数据综合分析项目Table 2 Data analysis programs in NABO

1.4.4 主要监测结果

综合NABO各监测周期的数据报告和相关文献[1,9]，1985—2009年，瑞士全国耕地、林地和草地土壤中重金属元素镉、镍、铬和钴含量没有显著的变化，铅和汞含量显著下降，这可能与瑞士大气环境保护政策中禁止使用含铅汽油有关。在集约型放牧的草地土壤中铜和锌含量显著上升，在其他类型土地中铜和锌的含量没有显著变化，可能与牛粪和猪粪有关，而牛粪和猪粪中铜和锌的来源与饲料添加物有关[10-11]。

对25个点位中土壤多环芳烃总量和各分量监测发现[12]，1985—2013年，土壤中多环芳烃的总量基本稳定，但各分量变化情况略有不同，其中分子量小的多环芳烃(如萘和菲)含量有所下降，分子量较大的多环芳烃(如苯并[a]芘和苯并[ghi]苝)，在大部分点位含量较为稳定，只在零星点位有升高或降低趋势。进一步研究显示，造成这一现象的主要原因与不同类型多环芳烃的物理化学特点及不同排放来源2个因素相互叠加有关。

NABO自2012年开展生物指标监测，2018年瑞士联邦政府和环境部门专门发布了此项监测报告[2]，5年间30个生物监测点位的监测结果显示，耕地中生物量、微生物呼吸、DNA量要低于草地和林地，各点位微生物种群5年内基本稳定，未来将继续开展生物指标监测，并根据监测结果不断优化监测指标。

2 瑞士土壤环境监测的特点和启示

2.1 坚持长期定位监测，关注土壤质量趋势变化

瑞士土壤监测开始较早，积累了大量的监测数据，NABO在布点之初就建立了详细的点位档案，长期开展定位监测工作，数据的历史延续性较好，时间序列可比性强。除此之外，NABO的质量评价工作更关注土壤质量在时间序列上的分析，通过长期定位监测和数据分析，判断土壤质量变化和环境保护措施的成效，预判土壤功能衰退风险。

与此相比，中国土壤质量趋势变化分析工作多数是以省、市为尺度，国家尺度较少，且鲜有长期定位监测下的质量变化趋势分析[13-18]，这主要是因为中国以长期定位监测为目标的土壤监测工作起步较晚。回顾中国土壤监测工作，国家尺度的土壤调查和监测在20世纪50年代和80年代、“十一五”到“十三五”期间先后开展了土壤普查、背景值调查、土壤污染状况调查、土壤质量监测及土壤详查[19]。尽管土壤监测和调查工作积累了大量数据，但各类调查和监测工作之间的延续性较差。一方面受限于对土壤监测的目的认识不足，早期主要关注肥力，近年来更关注土壤污染风险，各调查和监测工作布点方法、目的不尽相同，点位之间难以建立延续性；另一方面受到技术与土地利用方式快速发展和变化的限制，早期定位技术主要依赖罗盘和地图，前期点位坐标不精确，后期难以准确定位开展延续性监测，此外随着工业发展和城市化进程的推进，部分点位土地利用方式发生改变，无法再次开展监测工作。

“十三五”期间，由原环境保护部主导开展了国家土壤环境监测网(以下简称国家网)的监测工作，依据网格化布点方法[20]，综合考虑历史土壤环境监测点位的延续性，布设了国家网基础点，用以开展土壤质量变化趋势分析和评价工作，但由于起步较晚，数据积累较少，相关成果也较少。

区域尺度的质量变化趋势分析更多依据不同年份的调查数据，而各年度数据很少来自同一点位。国内部分长期观测试验站或高校开展了长期定位土壤监测工作[21-23]，但空间尺度多为试验站或试验田，无法代表区域土壤变化趋势。

2.2 以目标和问题为导向建立综合监测指标体系

NABO以土壤环境管理为目标，以土壤环境问题为导向，充分考虑土壤功能的可持续性和污染风险，基于DPSIR模型理清了影响土壤质量的各个因素之间的复杂关系，进而筛选可以反映问题并支撑管理决策的监测指标，最终建立了综合土壤物理-化学-生物特性的指标体系。

中国土壤调查和监测工作中，早期调查关注土壤肥力[19,24-26]，主要是土壤养分(如有机质、氮、磷、钾)等指标。在“七五”背景值调查工作中共监测了61种土壤无机元素的背景值[27-28]，“十一五”以来在以环境部门为主导的土壤调查和监测工作中逐步开展了土壤中重金属污染物和部分有机污染物的调查，但农业、环境和地质部门开展的土壤监测或调查工作仍以土壤化学指标为主。近年来，在中国土壤质量分析和评价研究中，越来越多的学者开始关注生物指标和物理指标[29-32]。生物指标用来反映土壤生态环境和土壤的可持续性；物理指标用来反映土壤结构情况和水土流失风险等。在研究层面也逐步向综合的监测指标体系发展，但在业务层面生物指标和物理指标还未构建。一方面土壤环境管理的关注点还未从污染物向土壤生态及功能等方面转移，另一方面评价方法和测试方法还存在制约，物理和生物指标监测还未建立系统的方法体系，评价方法和表征方式等也尚未明确。

2.3 充分利用监测网络和监测数据开展统计分析

中国过去开展的研究项目存在一个普遍问题，即相互之间无法对接，数据不能共享，不同时期的研究成果由于精度、工作方法等多种原因不具有可比性[33]。地方性研究成果无法在国家层面应用，同样的工作在不同层面上进行多次，造成资金、人力和物力的浪费。

而在NABO的监测工作中，为了最大限度利用原有监测网络和各部门数据，在最初设计阶段，布设点位时充分考虑到各个维度的分析需要，建立不同的指标体系，并在监测工作中，不断丰富调查的指标体系，提高效率。在一次采样工作后，最大程度地开展测试和数据分析。除此之外，加强数据的互联互通和共享，在数据分析中充分引入研究院所已有监测网络数据，不断扩充分析数据集，开展多元数据统计分析和土壤环境状况评价，深入挖掘土壤污染状况原因，为土壤环境保护和污染防控工作提供有效支撑。

3 结论与建议

瑞士国家土壤监测工作起步较早，以观测土壤环境变化、探索人为活动与土壤环境之间关系为目标建立的长期定位观测网络NABO，在网络建设目标和方法上与中国国家土壤环境监测网基本一致，但NABO的监测指标体系较中国更为完备，突出了对土壤生态环境的关注。该网络运行30多年来，在监测和数据共享等方面形成了较为成熟的体系，并在数据分析方面形成了丰富的成果，这些都值得中国借鉴。

中国国家土壤环境监测网络在“十三五”时期已完成初步建设，社会公众对土壤生态环境保护工作持续关注，可借鉴NABO的宝贵经验，进一步做好中国土壤环境监测工作。一是结合中国土壤生态环境保护管理要求和主要问题，构建适合的监测指标体系，逐步丰富监测方法体系和评价体系；二是坚持国家网长期开展定点监测，形成国家尺度长时间序列监测数据库；三是统筹国家网和地方网的监测工作，建立土壤监测数据平台，收集和维护国家、地方及相关科研机构土壤监测数据，提升数据分析能力，为土壤环境管理和公众提供可靠的数据产品。