基于水系沉积物的土壤环境预测模型——以青海省东部地区为例

朱辉，黄强，马瑛，王建，顾晓梦

（1.青海省生态环境监测中心，青海 西宁 810000；2.青海省第五地质勘查院，青海 西宁 810099）

0 引言

为了解土壤环境质量，中国地质调查局西安地调中心、青海省地质矿产开发局、青海省地质调查局、青海省生态环境监测中心等部门开展了不同时间、空间、程度的土壤环境质量调查和监测。随着十八大以来习近平总书记围绕生态文明建设提出新理念、新思想、新战略，人们对土壤环境质量的关注度越来越高。2019年7月1日，生态环境部颁发的《环境影响评价技术导则 土壤环境（试行）》（HJ 964-2018，生态环境部，2019）正式实施，结合土壤导则中以最少的点位、层位和指标反映尽可能多的土壤环境基础信息的思路，如何综合利用已有的历史数据开展科学有效的土壤环境预警，并采取最经济有效的手段开展监测，保障生态安全是科技工作者的首要目标。

2018年，青海省开展农用地土壤污染状况详查工作，对全省重点污染源、历史超标区、水源地、特色农产品产区及高背景区进行了调查。受时间、资源限制，仅对唐古拉山镇、杂多县、囊谦县约0.3×104km2高地质背景区域进行了调查，面积不到全省高地质背景区域面积的2%。

截止2020年，青海省自然资源厅共完成省内1∶20万～1∶50万区域地球化学调查（水系沉积物地球化学测量）57.5×104km2，除柴达木盆地外实现了地球化学调查全覆盖，积累了海量的地球化学数据。因此通过建立水系沉积物与土壤元素含量数学模型，识别土壤环境高背景区，进而有针对性的开展土壤环境调查监测及评估，以保证我省生态环境安全具有十分重要的意义。

1 青海省自然地理概况

青海省地理位置介于北纬31°39′～39°19′，东经89°35′～103°04′之间，全省东西长1200 km，南北宽800 km，总面积72.23×104km2。青海全省地势总体呈西高东低，南北高中部低的态势，西部海拔高峻，向东倾斜，呈梯型下降，东部地区为青藏高原向黄土高原过渡地带，地形复杂，地貌多样。全省平均海拔3000 m以上。

青海省属于高原大陆性气候，年平均气温在-5.1～9.0 ℃之间，1月（最冷月）平均气温-17.4～-4.7 ℃，年平均气温在0 ℃以下的祁连山区、青南高原面积占全省面积的2/3以上，较暖的东部湟水、黄河谷地、年平均气温在6～9 ℃左右。

青海省有草地面积3636.97×104hm2，占全省土地总面积的51.36%，其中可利用草地面积3153.07×104hm2。草地主要分布在环湖地区、青南高原、柴达木盆地，占全省草地面积的94.47%。东部农业区草地只占全省草地面积的5.53%。

2 土壤环境质量调查工作基本概况

土壤环境调查是选择在没有明显人为污染的平缓地带中部、沟系交汇两侧土壤沉积部位等地的原始土壤，深度为1～1.5 m。

水系沉积物测量是选择切割较深，一级水系发育地段，采样介质为粗—中粒砂质水系沉积物。

现阶段关于土壤中重金属元素含量数据为国土部门的多目标（土地质量）地球化学调查成果，或环保部门土壤检测数据。目前全国已完成土地质量地球化学调查约200×104km2，并于2018年发布了全国耕地质量报告，为我国耕地土壤环境质量提供了精确数据（成杭新等，2014；李括等，2019；龙宣霖等，2020；杨淇钧等，2020）。但目前青海省仅开展了31000 km2土地质量地球化学调查工作，仅占省域面积的1/10左右，现有数据不能明确表达青海全省土壤环境质量现状。

地矿部门已完成全省85%以上的水系沉积物测量，作者试图通过典型地区水系沉积物测量数据与土壤测量数据的对比研究，寻找出水系沉积物与土壤的相关性（于晓军，2019；左健扬等，2021），从而建立基于水系沉积物测量的土壤环境预测模型（吴堑虹等，2008；杨思林，2014；伦知颍等，2015；黄魏等，2018；孟源思等，2020）。

3 地球化学基因对比

3.1 土壤

土壤是成土母质在一定水热条件和生物作用下，经过一系列的物理、化学和生物化学过程形成的。母质层与环境之间发生了频繁的物质能量交换和转化形成土壤腐殖质和黏土矿物，发育了层次分明的土壤剖面，也出现了具有肥力的土壤。

据道库恰耶夫的土壤因素学说，土壤形成受成土母质、地形地貌、气候、生物及时间五大因素影响。现代人类生产活动对土壤的影响也存在不可忽视的作用。

气候主要影响土壤对有机质的积累、分解土壤地带性分布规律；生物因素包括植物、微生物和动物，他们是土壤有机质的制造者和分解者；地形地貌支配地表径流，影响成土母质的分配及发育过程；时间是土壤发生、发展和演变的动态过程，土壤发育程度随着时间增长而加强；成土母质为岩石风化的产物，是土壤形成的物质基础，母质中的一些性质（机械组成、矿物成分、化学性质）直接影响了成土过程的速度和方向，多数土壤的属性继承了母质的特性（吴新民和潘根兴，2003；牛耀龄，2013；严桃桃等，2018）。

人类生产活动对土壤形成和性质的影响具有意识性和目的性，是在认识土壤客观性质的基础上对土壤进行利用改造定向施肥，创造不同熟化程度的耕作土壤。

从以上分析可知，土壤中元素最初来源为成土母质，对土壤地球化学特征起决定性作用的也是成土母质。

3.2 水系沉积物

水系沉积物是指河流沟谷中的沉积物（包括湖泊近岸沉积物），主要是由地表水冲刷作用将地表岩石风化疏松物带入沟谷，并沿沟谷搬运沉积。水系沉积物在一定程度上反映上汇水域内岩石风化物地球化学特征，故将水系沉积物地球化学特征视为成土母质地球化学特征（杨国治和杨学义，1983；奚小环，2005；阳金希等，2017）。

元素在岩石→岩石风化物（成土母质）→土壤形成过程中发生迁移转化，其中土壤对成土母质的元素地球化学特征的承袭决定着土壤的地球化学特征。

3.3 土壤和水系沉积物的相关性

水系沉积物测量通常制作地球化学图来反映元素的地球化学分布特征，土壤环境调查工作采用地球化学等级图来评价土壤的质量等级，笔者尝试结合两种评价方式处理水系沉积物及深层土壤数据，以期从中找到两种物质中元素含量的联系。

由于水系沉积物测量和土壤环境质量调查工作采样密度和评价方式不同，笔者将青海省东部地区水系沉积物元素含量和深层土壤样做对比，深层土壤样采样密度为1点/16 km2，水系沉积物采样密度为1点/4 km2（刘庆宇等，2020），为了便于数据统计，以深层土壤采样密度为基准，将青海东部按16 km2为一个计算单元，一个单元内一个深层土壤样，将每个单元内水系沉积物采用加权平均法合并为一组数据。

3.3.1 元素丰度特征

通过2059件样品对比，发现深层土壤中元素含量均值比水系沉积物中高（表1），在成土过程中，As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb、Zn等元素在岩石中相对易风化，并且进入土壤后因各种物理化学条件而富集，形成较高的含量。

3.3.2 地球化学晕

累加地球化学图：分别将水系沉积物中8种重金属元素除以其对应的平均值，制作As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb、Zn 8种元素累加地球化学图（图1），可以得到重金属元素总体分布趋势，即地球化学晕（姚振等，2018；王治华等，2019；）；同理，制作出深层土壤中8种元素累加地球化学图（图2）。

从图1、图2中可以看出，重金属在青海东部地区分布规律一致，重金属高值区主要在沿拉脊山（疏勒南山-拉脊山早古生代缝合带）和达坂山（北祁连新元古代-早古生代缝合带）呈条带状富集，与青海东部重要的矿产活动相吻合，说明两种工作方法均能有效地反映出元素的分布规律。

3.3.3 土壤环境地球化学等级

我们用Ci表示土壤中污染物指标i的实测质量分数，单位为毫克每千克（mg/kg），根据《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准（试行）》（GB 15618-2018，生态环境部和国家市场监督管理总局，2018）给出土壤污染风险筛选值（Si）及风险管制值（Gi），将土壤环境地球化学等级分为三个等级：一等为无风险（Ci≤Si），二等为风险可控（Si＜Ci≤Gi），三等为风险较高（Ci＞Gi）。

因土壤的酸碱度（pH）直接影响着植物对重金属的吸收（王美华等，2020），于是我们在评价土壤环境地球化学等级时，首先对土壤的酸碱度进行统计，一般分为四个组，pH≤5.5、5.5＜pH≤6.5、6.5＜pH≤7.5、pH＞7.5）；每组标准中元素在不同的土地利用类型中对应的筛选指标不同，如当pH≤5.5时，As在水田中的风险筛选值为30 mg/kg，其它地类为40 mg/kg，为了便于统计，这里选择最低值作为本次数据统计的风险筛选值，以防止边界数据差异导致土壤污染信息丢失。

在单指标土壤环境地球化学等级划分的基础上，每个评价单元的土壤环境地球化学综合等级等同于单指标划分出的最差等级，如As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb、Zn划分出的地球化学等级分别为一等、一等、二等、二等、一等、二等、三等和一等时，该评价单元的土壤环境地球化学综合等级为三等。

利用此方法，分别将青海省东部地区的深层土壤及水系沉积物数据统计出土壤环境地球化学等级并制作出地球化学等级图。

从表2中可以看出，水系沉积物和土壤环境地球化学等级划分基本一致，一等分别占比92.37%、92.03%，二等分别占比7.29%、7.67%，三等分别占比0.34%、0.29%。说明土壤和水系沉积物中8种重金属含量基本保持一致。

表2 青海东部环境地球化学等级统计表

从两张地球化学等级图（图3、图4）中可以看出，青海省东部地区一等土壤（水系沉积物）在全区绝大部分区域分布，二等土壤（水系沉积物）主要分布在湟中—化隆、龙羊峡、新街、皇城及铁迈等地区，分布区域基本一致；三等土壤（水系沉积物）则主要集中分布在拉脊山一带，与该区的活跃探矿、采矿活动有一定的关系。

同时，从水系及深层土壤环境地球化学等级图（图3、图4）中可以看出，二等及三等土壤分布在空间上基本吻合，而局部地区则存在细微差别，但数据统计显示深层土壤元素含量高于水系沉积物，而地球化学等级图中则是深层土壤优于水系沉积物。这是因为青海省东部地区水系极为发育，由北向南分别位于大通河流域、宝库河流域、湟水河流域及黄河流域，水系错综复杂。水系沉积物中元素通过迁移、沉淀、富集等过程致使高值区分布范围更大，随着流长增大含量降低，而深层土壤中元素相对稳定，这也是深层土壤环境地球化学等级优于水系沉积物的主要原因。

图3 青海省东部水系沉积物8种重金属元素环境地球化学等级图

图4 青海省东部深层土壤8种重金属元素环境地球化学等级图

4 结论

总体上看，土壤和水系沉积物中8种重金属元素含量分布趋势基本一致，局部略有差异，主要体现在：

（1）水系沉积物代表着分散流测量法，物质是沿着搬运方向呈拉长形式的展布，矿体及其原生晕、次生晕中的元素，在地表水和地下水的冲刷、溶解作用下，使成矿有关的元素部分被水带入水系（河流和溪沟）中，然后在一定的条件下又沉淀出来，在河流和溪沟底沉积物中形成某些元素（主要是成矿元素及其伴生元素）含量增高地段，即分散流。

（2）土壤测量代表着次生晕测量方法，次生晕是土壤中由矿体及原生晕破坏后形成的异常。次生异常:由已形成的岩石或矿体及原生晕在表生带遭到破坏后经迁移重新分配到各种地质体中形成的异常。次生晕可理解为在表生作用下，由于矿床或其原生晕的表生破坏、元素的迁移，在矿体及其原生晕的附近疏松覆盖物中形成的次生地球化学异常地段，次生晕能在一定条件下反应矿床即原生晕的存在。

（3）深层土壤采样部位为母质层，一定程度的反映了原生晕的存在；分散流与土壤次生晕的区别在于水系沉积物的迁移距离更大，沉积物中的成矿元素会随着迁移的距离增加而减少，但是局部地段会形成小范围的富集，是对上游异常的显示。两种方法均能实现地球化学找矿的目的，均能反映地球化学特征。因此，通过水系沉积物与土壤元素含量的相关性，建立水系沉积物的土壤环境预测模型，识别土壤环境高背景区，进而有针对性的开展土壤环境调查监测及评估切实可行。