武春林,王瑞廷,丁坤,韩玲
(1.西北有色地质矿业集团,陕西 西安 710054;2.长安大学地质工程与测绘学院,陕西 西安 710054;3.长安大学地球科学与资源学院,陕西 西安 710054)
20世纪70年代以来,随着世界人口增加,全球经济和工业的快速发展,环境污染加剧、土壤质量退化、农作物生产力水平和品质下降等生态环境问题日益严重,耕地面积不断减少,土壤质量调查与评价成为国内外学者研究的热点(WARKENTIN BP et al.,1977,1995;赵其国等,1997;成杭新等,1999;谢学锦等,2004;WIENHOLD B J et al.,2004,2005;黄勇等,2008,2009;汪媛媛等,2011;XIE Xuejing et al.,2014;YAO Wensheng et al.,2014)。
土壤质量地球化学评价的实质就是利用地球化学方法和指标体系,评价土壤在特定区域及气候条件下实现其功能的程度及评估其存在的潜在风险。这项工作是农业生产可持续发展重要的指导思想和科学依据,但目前尚缺乏统一的评价指标体系及评价方法(朱立新,1994;朱立新等,1994;BLENKOV Э К,1995;谢学锦等,2002;杨忠芳等,2002;王平等,2004;奚小环,2009;谢学锦等,2010;杨少平等,2011;LI Min et al.,2014;YANG Zhongfang et al.,2014)。
土壤质量地球化学调查与评价是土地质量地球化学调查工作的核心工作手段。专家学者们以生态地球化学理论为依托,通过集成创新土地质量地球化学调查、评价、监测、预警等方法技术,形成系列技术规范(夏家淇等,1995;中国环境监测总站等,2005;叶家瑜等,2005;周国华等,2008;成杭新等,2014;文冬光等,2014;奚小环等,2015;杨忠芳等,2014,2015,2016),构建土地质量地球化学评价的框架、思路和方法,以土壤圈为中心评价地球系统,涵盖土壤、大气干湿沉降物、灌溉水、农作物等方面,突破传统指标评价体系,为全面判断土地质量现状提供方法指导。笔者主要论述土壤质量的调查与评价工作,不涉及大气沉降、灌溉水和农作物等的方面内容,研究范畴包含于土地质量地球化学调查评价。
土壤质量地球化学调查涵盖地质、生态、水文、农业、土壤和微生物等领域,研究元素及有机污染物在不同生态系统中的分布分配特征、地球化学循环过程,及其对生态系统和人类健康的影响(杨忠芳等,2004,2005a,2005b;成杭新等,2004,2008;奚小环,2004,2005,2007,2008;周国华等,2009)。这项研究以生态系统为研究单元、以物质在生态系统各环境要素中的循环和生态系统间的迁移为主线、以化学元素和有害物质对生物体的影响为中心,着重在不同空间尺度上进行生态地球化学研究,探索地球化学问题中主要元素的成因来源、迁移转化、生态效应、变化趋势全过程。它的应用领域包括农业和土地利用规划、灌溉和饮用水的质量、养殖业和渔业、医药与公共卫生、环境污染、野生动植物保护、城市化学环境的改造等(THORNTON I,1993;林景星等,2003;奚小环,2003;施俊法等,2003)。
土壤地球化学调查针对不同尺度地质生态系统开展工作,在研究中要划分和评价非均质的复合地球化学场的天然及人为影响程度,并将这些成果反映在不同比例尺的图件上(表1)。
表1 土壤质量地球化学调查评价的工作等级和研究内容表Tab.1 The grade and content of geochemical survey and evaluation for soil quality
注:依据奚小环等,2015;杨忠芳等,2015,2016等综合。
该项工作的主要对象为农业土壤,采样介质为土壤耕作层、成土母质、底积物等,样品分析测试的指标主要包括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值以及与农业生产密切相关的土壤元素有效态、形态、价态,土壤有机污染物等(奚小环等,2015;杨忠芳等,2016)。
通过土壤质量地球化学调查工作可以获取研究区土壤背景值/基准值的地球化学特征,对一个地区生态环境状况作出总的评估;在对某一具体地区及其实际状况作综合性多功能评估的基础上,提出土地合理利用的策略;同时根据获得的精确地质-地球化学资料编制出一系列地球化学成果图,包括区域地球化学图、异常及地球化学分区图、土地质量地球化学等级图、名优特农产品种植建议图、配方施肥建议图及土地利用规划建议图等各种地球化学图件。
具体的研究内容主要有以下几个方面。
(1)土地合理使用和区域发展规划。通过查明土壤中有益元素和有害元素的分布分配特征、共生组合规律,结合研究区地质地貌、生态区划、人类活动等各项指标的研究,利用多目标地球化学填图方法,可以编制出一系列全新的图件,从而为土地合理利用、区域发展规划的制定提供依据。
(2)区域生态环境质量评估。对环境要素进行质量评价,核心是查明各种污染物在生态环境中的含量、迁移、转化,及对人类社会的影响。在具体的调查研究过程中,不仅要考虑其总量,而且要研究化学元素和污染物的各种相态及它们对生态环境的影响。此外,除对重金属进行研究外,还要查明有机污染物和放射性核素的含量和分布特征。
(3)土壤肥力评估。利用土壤地球化学勘查资料对土壤肥力进行评估的工作主要集中在常量 (全氮、碱解氮、全磷、有效磷、全钾、有效钾以及有机质总量)和微量(B、Zn、Mo、Mn、Fe、Cu、Cl、Co、Se、V等)营养元素含量的评估上。
(4)地方病防治和动植物健康研究。地表环境是动植物赖以生存的场所,它们的健康、疾病与生态地理环境的性质、变化紧密相关。地球化学填图能反映出调查区表生环境元素含量与地壳克拉克值的差异程度,并用各种地球化学图件或参数表示出来,这对于区内地方病的防治和动植物的健康研究具有很重要的指导意义。
1.2.1 调查方法
目前,中国正在开展的土地质量地球化学调查分为国家—省级、市—县级、乡—镇级和村—组级共4个层次(尺度)进行。主要工作方法有面积性土壤地球化学测量、土壤垂向剖面测量、综合地质地球化学剖面测量、灌溉水(饮用水)调查、大气干湿沉降物调查、以及农作物及其根系土调查,系统采集土壤、农作物及其根系土、大气干湿沉降、灌溉水等各类介质样品(周国华等,2008;杨忠芳等,2015,2016)。笔者仅针对土壤质量地球化学调查进行概述。
土壤质量地球化学调查的核心工作方法是面积性土壤地球化学调查工作,它的指导思路是按照一定的空间网度,采用网格化采样方法,遵循代表性原则采集样品,具体的采样要求见表2、表3。
表2 土壤质量地球化学调查采样密度范围与测网布设表Tab.2 The sampling density and network layout of geochemical survey for soil quality
注:深层土壤采样仅在1∶250000尺度开展,采样密度为表层样品的1/4。
1.2.2 评价指标体系
土壤质量指标用于描述土壤质量及其相关的人类活动,包括土地满足人类需求的条件及其变化以及相关的人类行为。目前普遍认为土壤质量是不能直接测定的指标,需要通过测定不同的土壤性状来反映土壤整体质量,所以评价土壤质量必须借助一定的评价指标体系。当前土壤质量研究的焦点是哪些土壤性质应该作为土壤质量评价指标(赵传冬等,2003;刘占锋等,2006;奚小环,2006;杨忠芳等,2007;聂兰仕等,2011;李朝奎等,2011)。
土壤质量不可能由单一的指标表示,必须由足够的代表土壤化学、生物和物理性质和过程的复杂指标组成,笔者主要讨论地球化学指标和评价体系。土壤地球化学质量评价指标可以被简单的定义为对土壤功能变化最敏感的地球化学性质和过程,众多的土壤地球化学指标组成最小数据集,用来间接的评价土壤功能。
表3 土壤质量地球化学调查采样要求表Tab.3 The sampling requirements of geochemical survey for soil quality
注:依据周国华等,2008;奚小环等,2015;杨忠芳等,2015,2016等综合。
选择评价指标时应遵循以下原则:①主导性原则,从影响土壤质量的众多属性中选择影响土壤质量的限制性因子,以保证土壤质量评价的科学性。②独立性原则,所选的指标应既能反映土壤的综合性质且指标间具有独立性,避免信息的重叠。③敏感性和稳定性原则,所选指标应能够敏感地反映土壤质量的变化,且在一定时空内具有稳定性。
随着数字化信息技术在农业研究中的应用,定量化数字方法在土壤质量评价中得到广泛的应用及青睐。土壤质量定量评价工作的基本思想是根据可获知的土壤外部属性运用数学方法对土壤内在属性进行量化表达,从而达到认识土壤内部性质为有效管理和保护土壤,为农业可持续发展提供理论依据的目的。
适宜的评价指标和适当的评价方法是影响土壤质量评价结果的关键因素,标准化的方法一般包括3个内容: ①筛选具有代表性的评价指标。②确定评价指标的权重。③建立适宜的数学模型进行土壤质量评价。
土壤质量评价工作都是围绕着这3个内容进行,每个过程都会影响土壤质量评价结果的准确度,且每个内容本身也是一个独立的研究内容。因此,指标体系最小数据集筛选方法、评价指标转化的数学模型、定量化评价方法是当前土壤质量评价研究的热点(刘占锋等,2006;汪媛媛等,2011)。
目前,国内外土壤质量的评价方法,按大类可分为指数法、模型法、GIS 参与法以及时空动态监测评价方法等(NEMEROW N L,1974;吴新民等,2003;黄勇等,2008;余涛等,2008a,2008b;刘坤等,2008;刘晨等,2008;王洪翠等,2008;杨忠芳等,2008;秦雯雯等,2011;杨刚等,2011;王立胜等,2012;于成广等,2012;姚振等,2012),具体的指标选取和评价方法分类见表4、表5。
表4 土壤质量地球化学评价指标分类表Tab.4 The classification of geochemical evaluation indexes for soil quality
注:依据奚小环等,2015;杨忠芳等,2015,2016等综合整理。
表5 土壤质量地球化学评价方法分类表Tab.5 The methods of geochemical evaluation for soil quality
注:具体评价方法描述见文中提到的相关参考文献。
土壤是具有多方面功能的综合体,土壤质量作为土壤内部属性不能直接被人们认识,必须对一系列土壤性质进行综合评价才能间接了解,土壤质量评价必须是土壤多方面功能的综合(林景星等,2003;黄勇等,2008,2009;汪媛媛等,2011;王淑敏等,2011;王思翀,2011)。
中国现行的土壤质量地球化学评价,主要是综合土壤中养分元素、健康元素、环境元素和理化性质,以及大气干湿沉降物、灌溉水质量等因素,依据已有标准进行等级划分。未来应加强对土壤质量评价指标体系与评价方法的研究,包括针对不同的土壤功能,选择土壤质量评价指标体系,对阈值、定量化、评价方法和评价模型进行研究(刘占锋等,2006;和莉莉等,2008;王淑敏等,2011;王思翀,2011;蔡美芳等,2014;纪小凤等,2016)。
中国土壤质量地球化学调查工作可以划分为3个阶段:在20世纪80年代以前,属早期起步阶段,主要针对全国土壤开展少量概略性调研工作;20世纪最后十年,属探索与发展阶段,开展多项水工环调查工作,对土壤地球化学污染逐步重视;21世纪以来,土壤质量地球化学调查与评价工作高速发展,不同层级的调查项目广泛开展,我们对土壤家底有了较清晰的掌握。未来十几年,这项工作将迈向高峰,为社会经济发展提供坚实基础和有力支撑。
1930年,国民政府农商部地质调查所受中华教育文化基金董事会的委托,从事中国土壤调查与研究,并成立土壤研究室。当时中国对土壤的调查研究几乎为一张白纸,因此以开展区域概测为主,进行全国性调查。土壤调查的工作先后在山东、陕西、河北、甘肃、广西、广东及江西等省展开,足迹遍布全国(程裕淇等,1996)。通过大量的野外地质工作调查,撰写了调查报告及有关论文一百余篇,并在此基础上编制了中国第一幅比例尺为1∶750万的中国土壤概图,编印出版了专著《中国土壤地理》。
20世纪90年代,随着工业化进程的加速,环境污染、全球变化与可持续发展之间的矛盾已成为关乎人类生存发展的重大问题。1995年前后西方国家的科学家开始关注环境评价,但重点是矿山与矿业活动对环境污染的综合评估及修复技术的发展(THORNTON I,1993;WIENHOLD B J et al.,2004)。
中国的勘查地球化学家较早意识并预测到了土壤污染的极端重要性。1993年,中国科学院院士谢学锦就曾指出:中国改革开放以来对工业化的过分追求及对环境问题的忽视,可能引发危及国家与民族存亡的区域性化学定时炸弹的形成与爆发,并提出从全国尺度上对土壤污染进行地球化学监测。
1992年,原地矿部科技司设置了《全国环境地球化学监测网络及全国动态地球化学图》的重大基础研究项目。1999年根据该项目成果形成的《化学定时炸弹: 中国陆地环境面临的新问题》(成杭新等,1999)一文中预测,中国东部、中南部的部分地区有可能在不同的时间阶段及不同地区的大面积范围内出现不同元素的化学定时炸弹。前些年湘江流域发现的土壤重金属污染及部分作物重金属超标也证实了上述预测。
1996年,地质矿产部实施“第二轮填图”计划,其宗旨是:加强地质矿产部制定的25个重点片区的区调工作;开拓新的服务领域。例如,农业地质、灾害地质、生态地质、环境地质等专题地质填图及研究;完善和发展区调技术方法;建立全国区域地质调查数据库及不同比例尺数字地质图图库等。之后,逐步迎来了中国区域地质调查工作的新阶段。
1999年,经国务院批准,在财政部的大力支持下,国土资源部组织实施了为期12年的新一轮国土资源大调查,主要针对中国土地、矿产、海洋等自然资源和环境,开展基础性、公益性、战略性综合调查评价和监测预警等工作。
中国水工环地质工作不断为农业发展提供支撑服务。2000年以前,中国共完成 1∶50万~1∶20万区域水文地质普查面积820万km2,并依据国家需要,除西藏以外,各省(区、市)都编制了水文地质工程地质区划、农业水文地质区划等,这些区划在各地制定农业区划及农业开发中得到应用。
上述区域地质、水工环地质领域的调查工作,为下一步土壤质量地球化学调查工作的提出和快速发展奠定了坚实的基础。
针对20世纪末的工作现状,中国勘查地球化学家根据人多地少、人口密集分布、粮食主产区相对连片的特点,提出进行平原区的区域性地球化学调查(谢学锦等,2002)。
1999年,中国地质调查局正式启动“多目标区域地球化学调查计划”。通过十几年的持续调查,初步完成全国土地地球化学调查工作,首次系统查明中国土地的地球化学状况,为国家土地资源管理和土壤污染防治提供了重要的国情数据。
2000年以前,对土壤污染的研究一直停留在基础科学层面,全国甚至没有一个专门的机构来管理土壤污染问题。2003年,中国地质调查局根据1999~2001年在广州、武汉、成都3个地区的调查结果,形成专报,引起党和国家领导人的高度重视,促使“全国土壤现状调查与污染防治”专项的提出和批准实施。
依据十几年来的调查成果,2014年中国环境保护部和国土资源部联合发布了《全国土壤污染调查公报》;2015年中国地质调查局发布了《中国耕地地球化学调查报告(2015年)》;2016年中国地质调查局发布了《中国地球化学调查报告(2016年)》。
2014年,中国地质调查局调整业务布局,提出九大计划、50项工程,其中“国土开发与保护基础地质支撑计划”中专门设置了“土地地球化学调查工程”。
2016年5月28日,国务院发布《土壤污染防治行动计划》(即“土十条”)。2017年以来,中国逐步开展了大规模的土壤污染调查、防治和修复工作。
2018年1月,《第三次全国土地调查总体方案》经国务院批准发布。这又是一项与土壤质量地球化学调查密切相关的国家级大规模重点工作。
土地质量地球化学调查评价工程,是土壤质量地球化学调查工作的拓展和深化,是在过去十余年开展的全国多目标区域地球化学调查基础上,充分发挥勘查地球化学技术优势,服务土地质量与生态保护的一项工作。它既是全国多目标区域地球化学调查工作的延续,又拓展了土壤质量评价、监测、预警与修复等多方面的工作,是摸清中国土地质量家底的重要手段,也是积极拓宽地质工作服务领域的重要举措。
①中国地质调查局.中国耕地地球化学调查报告,2015.
②奚小环.全国土地质量地球化学调查与评价概论讲座,2017.
(1)土壤国情概况。1999~2015年期间,全国完成多目标区域地球化学调查面积约为200万km2(图1),基本覆盖了东北平原、华北平原、四川盆地、长江中下游地区以及东南沿海经济发达地区(张德存等,2001;赵琦,2002;廖启林等,2004;黄勇等,2008;余涛等,2008a,2008b;王洪翠等,2008;杨忠芳等,2008;王立胜等,2012;于成广等,2012)。其中符合绿色农产品产地环境质量标准的耕地面积占调查耕地面积的88.8%,无污染耕地占调查耕地总面积的91.8%。发现重金属污染土地约占全部调查面积的13%。重金属污染由北向南显示面积扩大、含量增高及种类增多趋势。与20世纪80年代相比,全国耕地全氮、有效磷、有效钾含量增加明显,有机碳总体也呈增加趋势,但部分地区仍存在耕地有机质明显下降、土壤酸化和碱化加剧等问题①。
(2)土地资源规划管理。运用土地质量地球化学评价成果,为国土资源部门进行土地利用规划调整完善,永久基本农田划定与保护,土壤污染治理修复,土地整治和表土剥离再利用工程,特色农业开发等工作提供数据支撑。
(3)富硒土地开发与扶贫攻坚。截止2015年,全国发现富Se土地20.87万km2,其中包括绿色富Se耕地5 244万亩,主要成因与煤系地层、碱性花岗岩、碳质灰岩及河湖相沉积作用等有关,类型繁多,分布广泛②。
富Se土地开发目前在全国各地区普遍开展并取得显著成果,年经济效益数以千亿计,对于精准扶贫、永久脱贫发挥独特作用。
(4)土壤重金属污染。全国多目标区域地球化学调查揭示出大量土壤污染与土壤环境问题(VIARD B et al.,2004;和莉莉等,2008;TENG Y G et al.,2010;蔡美芳等,2014;纪小凤等,2016),Cd、 Hg、Pb等重金属元素在表层土壤呈富集趋势,引起社会各方面高度关注,成为影响经济社会健康和可持续发展的重大科学问题。
(5)土壤碳与全球变化研究。土壤存在巨大碳容量和天然固碳作用是减缓碳释放可选择的最为经济有效途径之一。研究表明②,土壤碳密度较低和变化幅度较大构成中国土壤有机碳储量分布的主要特征。中国中东部地区与过去第二次土壤普查土壤有机碳相比,约20年期间河北平原、河南平原、湖北江汉平原、湖南洞庭湖平原依次增加42.8%、37.0%、22.0%、4.5%,东北平原、广东珠江三角洲平原、海南岛依次减少29.4%、19.2%、10.3%。
图1 1999~2015年间多目标区域地球化学调查工作程度图[注]中国地质调查局.中国耕地地球化学调查报告,2015.
出版专著《中国土壤地球化学参数值》和《中国土壤碳密度系列参数》,为土壤学、生态学、生物学、环境学、地学、农学等学科领域,以及国土、环保、农业、林业、卫生等行业部门提供巨量系统的大数据资料,指导和深化各方面的应用实践与学术研究(王海荣等,2011;成杭新等,2014)。
(6)基础地质理论研究与找矿突破。运用地球化学理论和方法划分第四纪沉积相和成土母质,研究第四纪沉积环境,推断隐伏断裂等,为第四纪地质填图增添了大量新参数。
通过调查,发现一批具有找矿前景的异常,经检查取得重要找矿线索,提交工程验证。随着调查和评价工作深入进行,预期将在油气资源、地热资源及固体矿产资源方面取得突破。
1999年以来,国土资源部组织中国地质调查局等单位持续开展土地质量地球化学调查工作,初步查明了中国东、中部平原盆地等主要农业生产区的土壤环境质量状况;建立了系列调查方法技术标准;形成了调查项目高效运行和质量有效控制的成功模式和经验。
这是一项融第四纪地质研究、矿产资源勘查、环境质量评价、土地合理使用和农业生产服务为一体的综合性地质调查工作,取得了大量的第一、第二环境的基础数据资料,蕴涵了丰富的第四纪地质、矿产资源和环境评价信息,合理有效地利用这些宝贵的第一手资料,对中国国民经济发展、城镇规划和土地合理使用具有重要的指导意义。
当前地质调查工作已从传统方法进入到高科技应用时代,数字技术、遥感、可视化、云计算与地质、地球物理、地球化学手段相结合的综合调查方法成为主流。针对中国土地质量地球化学调查工作的研究现状,结合工作实际分析探讨,提出以下建议与展望。
(1)未来若干年内,建议国家继续推进1∶25万土地质量地球化学调查评价工作,以期实现全国可测面积全覆盖的目标。各地区也将在此基础上循序渐进地开展区域评价、普查评价及详查评价工作,为国土资源规划管理提供大数据应用系统,服务于环保、农业、林业、卫生等各行业部门,以及地质学、土壤学、生态学、生物学、环境学、农学等各学科领域。在实际开展多目标地球化学调查时应以生态环境或地质地理区划为单元,同时兼顾大城市(城市群)。建议对不同研究区所存在的特殊问题进行有针对性的调查、监测工作。
(2)建议在土地质量地球化学调查基础上进一步开展更高层次的土地生态地球化学评价,对地球系统与生态系统地球化学循环机制演化规律与机理进行更深入的科学研究,对生态危害与生态风险进行科学评价和预测。
不同层级的土地质量地球化学调查工作将为正在开展的第三次全国土地调查提供丰富的基础数据和背景信息。
(3)将土地的经济价值、地质-地球化学-地球物理指标、遥感信息等紧密相结合形成农林与城市区划综合的评价与对策;利用地理信息系统平台将各种资料可视化,建立预测模型、进行动态预测。
综合集成地球物理、地球化学和多源信息遥感领域不断发展的新理论、新技术,建立土壤元素含量与农作物长势关系模型,利用多源信息遥感技术对农作物进行动态监测,最终实现对土壤重金属污染程度和肥力调查的动态监测。
(4)针对土地污染问题,按照国家“土十条”要求大力推进土壤重金属与有机污染调查评价、治理修复与监控监管,推动土地数量、质量、生态“三位一体”管护落到实处。
建设土壤环境质量监测网络,提升土壤环境信息化管理水平。主要针对重金属污染问题建立国家、省区与市县三级生态地球化学监测预警体系,采取全面监控与重点监控相结合原则,制定统一的监控方法技术、指标标准、质量精度及评估内容等。
(5)进一步推动富含有益微量元素(Se、B、Zn等)土壤的调查评价工作,特别重视富Se土壤的科学研究,为进一步开展专项富Se土地资源调查、富Se土壤地球化学评价标准的制定、富Se土壤开发利用与保护等工作提供目标靶区和技术理论支撑。
(6)全球变化是人类社会发展最大的科学问题,土地利用与土地覆被变化是导致土壤有机碳发生汇/源变化的主要原因。充分依托大量精密的多目标区域地球化学调查数据资料,以土地利用方式变化对土壤碳储量影响的地球化学过程、机制与环境效应为重点,研究土壤有机碳分布特征、碳储量分布、土壤碳汇潜力与储碳机制等,研究土壤地球化学固碳工程技术及土壤碳监测网络与土壤碳变化趋势预测等。改变土地利用方式,改善土地生态状况与保持耕地有机质水平,促进土地科学利用和生态管护,采取积极有效措施应对全球变化。
(7)进一步完善、建立各耕地区块质量登记、监测制度,形成全覆盖的全国土地质量档案及其数据库,利用大数据技术长期跟踪、监控土地质量,指导耕区施肥、灌溉、作物种植和农业开发,为推动实施乡村振兴战略、实现乡村产业振兴和生态振兴提供支撑。