福建多目标区域地球化学调查成果及其应用

王文俊

(福建省地质调查研究院，福州，350013)

多目标区域地球化学调查是针对我国第四系发育的平原、盆地、滩涂、近岸海域、湖泊、湿地、草原、黄土高原及丘陵山地等地区开展的区域性、基础性资源与环境地球化学调查工作，是测试数据精确的基础性地质调查工程。其数据可为地质学、农学、林学、医学、环境学、生态学等学科领域建立大信息量、内涵丰富的研究平台。其成果可为优化城市规划布局、促进特色农业发展、改善农林产业结构、指导科学土地复垦、推进土壤污染防治与修复、进行环境承载力分析、提升环境监测预警、辅助国土资源管理与决策、矿产资源评价、地方病防治等方面提供广泛服务[1-7]。

福建省人民政府与国土资源部于2008年6月18日，在福州签署了“国土资源部中国地质调查局与福建省人民政府关于开展福建省公益性地质调查及战略性矿产勘查合作协议”。相继实施了“福建省多目标区域地球化学调查(龙岩地区)”“福建永安—德化地区1∶25万区域地球化学调查”“福建三明地区土地环境地质调查”“福建福州局部—屏南县—邵武市1∶25万多目标区域地球化学调查”“福建省光泽—柘荣地区1∶25万多目标区域地球化学调查”，总计7项1∶25万多目标区域地球化学调查项目。至2017年8月，累计完成调查面积12.79万km2，包括陆域12.14万km2(福建省陆域全省覆盖)和近岸海域(10 m水深以浅的浅海—滩涂区)0.65万km2。

1　样品采集与分析

1.1　样品采集

样品采集严格执行中国地质调查局多目标区域地球化学调查规范和相关技术要求，采用双层网格化方法，即分别采集陆域表层土壤样品(深度0～20 cm)和深层土壤样品(深度沿海地区150～200 cm，其他120～200 cm)；近岸海域表层沉积物样品(深度0～20 cm)和柱状沉积物(深度0～200 cm)。陆域采样密度统一按照表层土壤1件/km2，深层土壤1件/4 km2(厦门—漳州经济区1件/16 km2)。近岸海域表层沉积物采样密度根据海底地形坡度分平缓区和陡峭区，其中平缓区表层沉积物采样密度为1件/36 km2；陡峭区表层沉积物采样密度1件/16 km2[8]。深层柱状沉积物每个港湾布设1～5个点位*福建省地质调查研究院，福建省沿海经济带1∶25万多目标区域地球化学调查报告，2005。。最终全省共采集表层和深层样品约16万件，其中陆域共采集表层土壤样约12.9万件，深层土壤样约3.1万件；近岸海域共采集表层沉积物样426件，柱状沉积物267件。

1.2　样品分析

样品测试由国土资源部福州矿产资源监督检测中心和成都矿产资源监督检测中心承担，质量监控由中国地质调查局区域化探样品分析质量检查监督组负责。表层土壤样按1个点/4 km2组合分析，总计分析测试表层土壤样约3.2万件；深层土壤样按1个点/16 km2组合分析，总计分析测试深层土壤样约0.8万件。测试指标54项：Ag、As、Au、B、Ba、Be、Bi、Br、Cd、Ce、Cl、Co、Cr、Cu、F、Ga、Ge、Hg、I、La、Li、Mn、Mo、N、Nb、Ni、P、Pb、Rb、S、Sb、Sc、Se、Sn、Sr、Th、Ti、Tl、U、V、W、Y、Zn、Zr、SiO2、Al2O3、TFe2O3、MgO、CaO、Na2O、K2O、TC、Corg、pH。最终获得高精度表层土壤(或表层沉积物)和深层土壤(或深层沉积物)分析测试数据近220万个。分析测试结果均通过中国地质调查局区域化探样品分析质量检查监督组验收，达到优秀级。

2　主要成果

福建省1∶25万多目标区域地球化学调查实施以来，在解决基础地质与地球化学问题、土地质量地球化学评价、特色优质土地资源评价与开发、科学理论创新与技术方法进步、人才培养和团队建设等方面均取得了丰硕成果。

2.1　区域土壤地球化学特征

首次系统地获得了福建省全陆域土壤、浅海-滩涂区沉积物54项元素或指标的高精度分析测试数据近220万个，计算并统计了福建省系列土壤地球化学特征参数(表1)，建立了福建省土壤54项元素或指标的地球化学背景值和基准值，这些背景值和基准值经地方政府或地方政府授权的单位公布，可作为地方土壤环境基准值和背景值，为区域环境评价提供土壤元素标准。编制了表层和深层土壤54项元素或指标系列地球化学图，查明了区域土壤元素的地球化学空间分布及组合关系特征，初步分析了控制和影响元素分布规律的主要因素。

2.1.1元素分布分异特征

与中国土壤算术均值对比，福建省表层土壤较丰富的元素或指标有(K1≥1.1，按K值由大到小排列)Corg、Sn、Hg、Bi、Pb、N、Mo、U、W、Tl、Th、Se、Cd、I、S、Nb、Ce、Rb、La、Al2O3、Ag、Y、Be、Zr、Zn、Ga、Br、K2O、Ge。元素或指标含量相对较低的有(K1≤0.8，按K值由大到小排列)TFe2O3、Mn、V、Cu、Co、B、Cr、Sb、Ni、As、Sr、MgO、Na2O、CaO，其中Sb、Ni、As、Sr、MgO、Na2O、CaO的 K1值小于0.5。

表层土壤元素整体变异特征属于均匀分布型至较强分异型，绝大部分属于弱分异型:①变异系数位于50%～75%(较强分异型)按大小顺序排列:I、Cr、Na2O、As、Bi、B、Ni、Cu、Mo、Au、Br、Cd，以上这些元素表现出含量分布在区域上的不均匀性，分异显著；②变异系数位于25%～50%(弱分异型)按大小顺序排列:CaO、Co、Sn、Mn、W、Li、V、Sr、Hg、Ag、MgO、Se、P、Sb、Ba、Cl、Th、Pb、U、TFe2O3、Tc、K2O、Be、Rb、Zn、Corg、Sc、La、Tl、Nb、N、F、Ti、Ce、S、Zr，这些元素区域上含量变化较大，分布不均匀，有一定的分异；③变异系数小于25%(均匀分布型)按大小顺序排列：Ga、Al2O3、Ge、SiO2、pH。

表1　福建省表层土壤地球化学参数

表1(续)

注：1. 单位：氧化物、N、Corg和TC为%，Au为×10-9，其余元素为×10-6，pH为无量纲，变异系数为%；2.中国土壤算术均值转引自[9]；3.K1=剔除离群数据后福建省土壤算术均值/中国土壤算术均值。

2.1.2元素组合与空间分布特征

Ba、Be、La、Li、Rb、Th、U、Zr、Ce、Y、W、Nb、Sr、Ga、Ge、Ti、K2O、Na2O、CaO等高值区分布总体一致，主要分布于花岗岩类地质背景区，受花岗岩类地质背景控制明显。

MgO、TFe2O3、Ti、V、Co、Ni、Cr、B等高值区分布总体一致，受变质岩地质背景控制明显，其高值区与变质岩地质背景分布一致。

TC、Crog、I、Se、Br(内陆地区)、Cl(内陆地区)等高值区各地质背景区均有分布，受地质背景控制不明显，其高值区主要分布于植被较为发育、高海拔、昼夜温差大，有利于有机质富集区域， Br、Cl(沿海地区)高值区主要分布于海岸带滩涂区，表明其受表生地球化学环境富集作用影响明显。

N、P、Hg、Sn、Au中N、P的部分高值区分布于农业生产活动频繁区域，Hg、Sn、Au高值区主要分布城镇周边或重要矿山周边，表明其受人类工农业生产活动影响明显。

2.2　土壤碳储量估算研究

首次利用高精度和高密度的土壤全碳和有机碳数据，采用与多目标区域地球化学调查组合样分析数据结构特点相匹配的单位土壤碳量计算方法，估算了福建省不同厚度土壤碳储量及碳密度(表2)，并分析了其时空分布特征和影响因素。结果表明：福建省具有较高的碳储量和碳密度(高于中国典型地区平均水平)。植被较为发育，海拔较高，温度较低，人为活动干扰小，系统较稳定，易于形成粘土的母质(地质背景)区域具有较高的碳储量和较大的碳密度，表明碳储量分布特征受地貌特征影响明显，同时也受土壤质地及理化性状，植被状况、温度以及外界干扰性几个因素的影响。近30年来，福建省表层(0～0.2 m)土壤有机碳储量总体呈下降趋势，推测其主要因素是由于现代农业种植方式(大量施用化肥，有机肥施用减少乃至不施用，秸秆转移不还田等)，以及人类对森林资源的索取、破坏植被等人为因素，导致生物量及凋落物回归量减少和有机质分解速率加快所致。这些研究内容为土壤碳 “汇”和“源”的问题研究提供了基础地球化学资料，对研究温室气体效应和气候环境变化以及适应当前海峡西岸经济区可持续性发展都具有重要的意义[10]。

表2　 福建省土壤全碳和有机碳储量特征

注：1. 采用单位土壤碳储量估算方法计算[11]；2. 土壤容重：来自“福建土壤”[12], 中国典型地区土壤有机碳平均水平[13]。

2.3　土壤养分地球化学评价

根据福建省多目标区域地球化学调查成果，参照“土地质量地球化学评价规范”分级标准和评价方法，对福建省土壤养分丰缺状况进行评价。①福建省土壤全磷、氧化钙、氧化镁、氧化铁、氟、硼、钴、钒、铜、锰等养分含量整体处于较缺乏和缺乏状况，有机质和硫的含量处于适量状态；全氮、全钾、碘、硒、钼、锌、锗等养分含量处于较丰富或丰富状况，局部土壤中钼、锰、硫、铜、锌和氟等微量元素存在过量的现象；②氮磷钾综合养分评价结果显示福建省土地以三等(养分中等)为主，分布面积占全省面积的59.70%，其次为四等(养分较缺乏)，占全省面积的32.81%，综合养分为二等(养分较丰富)的土地面积仅占全省面积的6.53%，综合养分为一等(养分丰富)和五等(养分缺乏)的土地有零星分布。土壤养分地球化学评价为农业科研机构或相关管理部门的学术研究、科学指导施肥、农业种植结构调整、构建现代化农业体系等提供大量而丰富的参考资料。

2.4　土壤环境质量地球化学评价

根据福建省多目标区域地球化学调查成果，参照“土壤环境质量标准”[14]和“土地质量地球化学评价规范”[15]评价方法。对福建省土壤环境质量状况进行评价，①福建省全域以强酸性(pH<5.0)和酸性(5.0≤pH<6.5)土壤为主，分别占全省面积的36.5%和57.89%，其他之和仅占5.62%。②表层土壤中农业生态环境应重点监控的8种重金属(Cd、Cu、Ni、Zn、Hg、As、Pb、Cr)评价结果(表3)表明福建省土壤环境质量处于较好水平，单一元素评价结果显示，Cd元素污染面积最大，轻微以上污染元素分布面积由大至小为Cd>Cu>Ni>Zn>Hg>As>Pb>Cr。综合指标结果显示，福建省清洁土壤面积比例达87.38%(占全省面积)，轻微以上污染土壤约15 804 km2，占比为12.62%。其中，中度和重度污染土壤约1 476 km2，仅为1.18%。呈斑状分布，在内陆地区主要分布于沿政和—大埔断裂带的矿床、矿(化)点等所在地及其周边，在沿海地区主要分布于重要城市及其周边。土壤环境质量地球化学评价为我省土壤污染预防、治理与修复以及十三五期间开展的土壤污染详查工作提供基础地球化学资料。

表3福建省表层土壤重金属元素指标污染分级参数

Table3ParametersofheavymetalelementindexpollutionclassificationoftopsoilinFujianprovince

元素一等/清洁二等/轻微污染三等/轻度污染四等/中度污染五等/重度污染面积(km2)占全区(%)面积(km2)占全区(%)面积(km2)占全区(%)面积(km2)占全区(%)面积km2占全区(%)As124 07299.099320.741240.1060.00.05240.02Cd115 12091.948 0246.4111120.89556.00.444000.32Cr125 02499.851800.1480.010.00.0000.00Cu122 55297.882 2721.812720.2296.00.08200.02Hg123 41298.561 3201.052080.17144.00.121280.10Ni122 58097.902 3961.911280.1080.00.06280.02Pb124 33699.306560.521360.1148.00.04360.03Zn123 24498.431 7281.381560.1252.00.04320.03综合109 40887.3812 60010.0617281.38900.00.725760.46

2.5　富硒土地资源状况

福建省发现富硒土地资源面积3.22×104km2，占全省陆地面积的26.56%；发现足硒土地面积8.42×104km2，占全省陆地面积的69.40%(图1)，总计圈定富硒土地开发建议区(无公害富硒耕地、园地较为集中连片区)28处，提出富硒土地资源优先开发重点县8个(不包含富硒土地开发已初具规模的诏安县、寿宁县、连城县)，分别是漳浦县、云霄县、龙海市、长泰县、华安县、永定区、福鼎市、霞浦县。我省土地硒资源非常丰富，且大部分富硒区土壤中有害元素的有效态含量低，生态环境优美，农产品种类丰富，这是十分宝贵的可持续发展的自然资源。这些工作成果为我省发展富硒特色、优质、高附加值的农产品产业提供了强有力的资源支撑。

图1　福建省表层土壤硒元素等级分布图Fig.1　Grade distribution of selenium of topsoil in Fujian province

2.6　科学理论创新和技术方法进步

福建省1∶25万多目标区域地球化学调查实施以来，经过不断的摸索，积累了大量相关经验，取得了科学理论创新和技术方法进步：①开拓性的形成了一套区域生态地球化学评价方法体系，为“区域生态地球化学评价规范”“1∶25万多目标区域地球化学调查规范”“1∶5万土地质量地球化学评价规范”等技术标准的制定提供参考；②创新性的形成了一套具有福建地域特色的富硒富锌土地评价方法体系，基于此评价方法体系调查出大规模富硒土地资源，为福建省部分县域在富硒等特色农产品产业开发、精准扶贫等方面提供了科学支撑，促进了其经济发展，为建设美丽乡村、精准扶贫开拓出一条新路子；③开发出一套“生态地球化学系列图件编制和地球化学特征参数统计与分析”计算机软件，为地球化学工作者编图与综合研究提供了便捷；④利用土地质量地球化学评价在生态文明建设中的优势，探索性的形成了一套“城市边界、生态红线、基本农田边界”三条红线划分方法体系，为城市规划、土地管理与决策等方面提供了参考；⑤首次拓荒性的取得了福建省土地质量地球化学调查整装性成果，为土地质量等级评定、提升和规划利用提供科学依据，为促进福建省生态文明建设及自然资源管理提供基础支撑；⑥首次将土地质量地球化学评价与优质缓坡地划定、土地沙化评价相融合，建立了优质缓坡地划定和土地沙化地球化学评价方法体系，为土地占补平衡寻找后备耕地资源奠定了基础，为防沙治沙工作提供参考。

3　成果应用

1∶25万多目标区域地球化学调查获得各类介质的高精度、高质量海量数据，编制的元素地球化学系列图、元素地球化学异常系列图、人体有益或生命必须的微量元素地球化学丰缺评价系列图、土壤环境质量地球化学评价系列图、农业种植地球化学区划图、无公害富硒耕地分布与规划建议图、污染耕地分布与修复建议图、缓坡地开发利用建议图、富硒土地资源开发建议图等。其在基础地质调查与地质找矿，发展富硒富锌等特色农产品产业，进行农用地质量综合评价，土壤污染防治、治理与修复，人居环境建设选址和地方病防治，城市、土地利用规划与管理，寻找土地占补平衡后备耕地资源等领域得到广泛应用。

3.1　土地资源开发和精准扶贫

诏安县、寿宁县、连城县利用福建省多目标区域地球化学调查所发现的大规模富硒特色土地资源和富硒农产品这一重大成果，积极开发富硒土地资源，发展特色农产品产业，且产生了巨大的经济效益和社会效益，为精准扶贫工作开拓出一条新路子：①诏安县依托调查发现的富硒土地资源，成功申报“海峡硒都”称号，授牌仪式当天签约7个涉硒项目，总投资62.1亿元，开创了福建省开发富硒特色土地资源、发展富硒农产品产业的新纪元；②寿宁县依托调查发现的富硒富锌土地资源，大力发展富硒富锌农产品产业，于2015年被授予“中国富硒富锌农业示范县”称号。扶持并发展涉硒龙头企业6家，建设富硒农产品基地16个，开发富硒农产品50多种，注册商标6个。培育生态硒锌产业，富锌葡萄、富硒大米等农产品走俏市场。2014年成功招商引资3 500万元，新增产值1.5亿元；2015年硒锌产业产值达1.87亿元，富硒富锌农产品产业已成为该县的经济支柱*寿宁县人民政府，寿宁县政府工作报告，2016。；③连城县积极利用调查发现的富硒土地资源，全力打造“客家硒都，价值连城”地域品牌。2016年，该县共发展富硒农业产业经营主体54家，开发富硒农产品35个，实现产值2.8亿元。截止到2017年6月，该县共发展富硒农业种植基地1 133 hm2(1.7万亩)，共发展富硒农产品经营主体63家，从业人员5 600人，开发富硒农产品35种，实现产值3.6亿元 。

3.2　土地资源的管理与决策

开展土地质量地球化学评价是多目标区域地球化学调查工作的重要部分，主要是通过对土壤、水、大气、农作物等介质中的养分元素，有毒有害元素，有机污染物等自然属性并结合经济属性进行评价，进而对土地质量进行分等定级。其圈定的无公害富硒耕地、园地分布区，无公害缓坡地、无公害富硒缓坡地分布区，污染耕地分布与修复建议区，富硒土地和优质缓坡地开发规划建议区，城市三条生态红线的划分等，满足了“节约集约利用土地资源，严守耕地保护红线适度开发利用低丘缓坡地” 的国土空间科学开发先导区的定位要求。为开发特色优质土地资源指明了方向，为福建省土地资源管理与决策、城市规划、永久基本农田划定等提供了强有力的科学支撑和建议。

3.3　土壤污染防治与管理

“十三五”开局之际，国务院印发了“土壤污染防治行动计划”，简称“土十条”，标志着土壤污染防治与修复事业进入了里程碑式的跨越。随后“福建省土壤污染防治办法”“福建省土壤污染防治行动计划实施方案”也相继颁布实施。土壤污染防治和治理工作成为当前及今后一段时期内的重要工作。根据1∶25万多目标区域地球化学调查系统获得的高密度(相对前期工作密度)海量土壤有毒有害元素数据，参照“土地质量地球化学评价技术规范”，以及“土壤环境质量标准”为评价依据，其所列出的农业生态环境中应重点监控的8种有害重金属元素(汞、镉、砷、铅、铜、锌、铬、镍)为评价对象，对福建省全域土壤进行评价，查明了土壤环境质量状况，并在此基础上，对水源重点保护区及自然保护区土壤环境质量进行了评价，查明了其环境质量状况。这一系统性、规范性、前瞻性的调查成果为推进福建省生态文明建设和维护国家生态安全，提前做好了基础调查工作。为“十三五”期间开展的土壤污染状况详查方案制定、详查区选择与点位布设、建设土壤环境质量监测网络等奠定了基础，为环保部门建立土壤环境基础数据库，构建全国土壤环境信息化管理平台提供了详实的地球化学数据，为土壤污染防治立法，城乡规划、土地管理、农产品质量安全等相关法律法规的适时修订、健全土壤污染防治相关标准和技术规范等方面提供了参考。

3.4　基础地质调查与矿产资源潜力评价

多目标区域地球化学调查深层土壤中的元素含量代表 “自然背景”含量，深层土壤元素中的元素含量基本能反映出其背景母岩中的元素含量，且有些元素的异常形态与岩体展布形态大体一致。因此我们可以根据深层土壤中的某些元素的异常分布位置大体判断与其有关的岩体分布位置。利用地球化学元素的分布规律及其与地质背景的密切关系，可大致圈定岩体分布范围和形态。除此之外，部分元素(例如Ce)地球化学特征及分布规律也可作为论今推古的方法，为研究陆源沉积岩和第四系物质成因条件，并反演其古地理环境提供有效而科学的地球化学手段，为基础地质调查与综合研究提供了可靠详实的参考资料和佐证。

对具有找矿指示意义的元素，按照中低温热液成矿元素(Au、Ag、Cu、Pb、Zn)、高温热液成矿元素(W、Sn、Mo、Bi)、稀土元素(La、Y、Ce、Sc)、放射性元素(U、Th)、稀有金属成矿元素(Li、Be、Ga、Rb、Nb、Zr)圈定了地球化学单元素异常和组合异常区，根据其异常规模、强度等评价了矿产资源潜力，为圈定找矿靶区提供地球化学依据。基于多目标区域地球化学调查执行高精度测试标准，获取了大量以往无法定量测试出含量且具找矿指示意义的元素(诸如稀有元素、稀土元素和稀散元素矿产)，为寻找新矿种提供了信息和线索，明确了找矿靶区，指明了找矿方向。

3.5　防沙治沙

利用福建省多目标区域地球化学调查成果，选择土壤SiO2、Al2O3、TFe2O3和有机质作为土地沙化风险区地球化学评价基本指标，根据土壤中SiO2含量，粘质和胶结成分(Al2O3、TFe2O3和有机质)含量，即土地沙化程度与土壤脱硅富铝铁程度呈反比，对福建省土地沙化风险区进行评价，并圈定其范围。统计了福建省土地沙化情况(表4)。初步查明福建省土地沙化主要是由于沿海地区以花岗岩为地质背景的局部地区形成的含沙较高的母质，在成土过程中，受流水冲蚀，土壤中铝铁和有机质成分淋湿严重，土壤富硅，从而土壤粘质和有机质流失，沙质富集，加上后期人类工农业生产活动，导致滨海风沙土经风运搬移、水土流失等自然和人为因素的叠加影响，从而引起土地沙化现象。

表4　福建省土地沙化分布特征参数

4　结语

1∶25万多目标区域地球化学调查是一项跨学科，工作手段先进、系统、规范，质量控制严格，其目的是查明元素地球化学分布和分配特征，进行国土资源环境评价与基础地质研究，为国家及地方经济社会科学可持续发展和进行区域规划提供依据。对于研究第四纪地球化学区域分带、时空演化、成因标志及环境变迁具有重要意义[14]。在“解决资源环境和基础地质问题”“成果转化应用与服务”“科学理论创新与技术方法进步”“人才培养和团队建设”等方面均取得了丰硕的成果。其获得的大量高精度数据和系列图件客观真实的反映了福建省陆域及近岸海域土壤或沉积物元素地球化学信息。可为国土及地方政府合理利用土地、规划农业生产结构、环境保护和治理、福建省生态文明先行示范区建设、海峡西岸经济区发展规划、“一带一路”福建21世纪海上丝绸之路核心区建设、自然资源资产管理等提供科学支撑和建议；为农业、环保及科研部门从事相关领域的科学研究提供基础地球化学资料。其土地质量地球化学评价结果为政府有关部门宏观地了解福建省土地资源与环境状况、进行农业区划、土壤污染防治、农产品基地建设、科学施肥、因地制宜地合理利用土地资源、城市规划、特色农产品产地开发以及精准扶贫等工作有关问题的决策提供参考。其圈定的与矿产有关的元素地球化学异常为找矿工作提供了新的靶向性信息和线索，为基础地质研究和矿产资源潜力评价提供了新的参考资料和佐证。

本文是福建省地质调查研究院生态地球化学调查项目组集体研究成果。