浙江省土壤地球化学基准值与环境背景值

浙江省土壤地球化学基准值与环境背景值汪庆华1,董岩翔1,周国华2,郑文1(1.浙江省地质调查院,浙江杭州311203;2.中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所,河北廊坊065000摘要:以浙江省农业地质环境调查取得的区域地球化学资料为依据,遵循地球化学背景值的基本概念,根据成土母质类型将土壤地球化学基准值划分成13个统计单元,土壤环境背景值以浙北杭嘉湖与宁绍平原、浙东沿海温黄与温瑞平原、浙中金衢盆地为统计单元,在反复剔除异常值后,获得52种元素(氧化物的平均值、标准差和变异系数,为区域土壤环境质量标准的制订、土壤污染评价与修复提供了重要的地球化学依据。关键词:地球化学基准值;土壤环境背景值;土壤地球化学调查;浙江省中图分类号:P632;X8;P59文献标识码:A文章编号:1673-4831(200702-0081-08SoilGeochemicalBaselineandEnvironmentalBackgroundValuesofAgriculturalRegionsinZhejiangProvince.WANGQing2hua1,DONGYan2xiang1,ZHOUGuo2hua2,ZHENGWen1(1.ZhejiangInstituteofGeologicalSurvey,Hang2zhou311203,China;2.InstituteofGeophysicalandGeochemicalExploration,Langfang065000,ChinaAbstract:Basedonthesoilgeochemicaldataobtainedduringtheagriculturalgeo2environmentalsurveyofZhejiangProv2inceandthebasicconceptionofgeochemicalbackgroundvalues,thesoilgeochemicalbaselinewasdividedinto13statisti2calunitsinlightoftypesofsoilparentmaterials.ThethreemajoragriculturalregionsofZhejiangProvincewerefixedasstatisticalunitsforsoilenvironmentalbackgroundvalues.Afterrepeatedlycrossingoutanomalousvalues,meanvalues,standarddeviationsandvariationcoefficientsof52elements(oroxideswereobtained,andmaybecitedasmajorgeo2chemicaldataforformulationofregionalsoilenvironmentalqualitystandards,andevaluationandremediationofsoilpollu2tion.Keywords:geochemicalbaseline;soilenvironmentalbackground;multipurposeregionalgeochemicalinvestigation;ZhejiangProvince1概念与约定1.1地球化学背景值地球化学背景值是指一定区域或统计单元内元素含量的正常变化范围,反映了特定地质地球化学演化作用的物质组成特征。地球化学背景值通常以元素含量统计特征值(平均值、标准差表征。即在剔除特高和特低异常含量值后,当统计单元内元素含量服从正态分布时,以“算术平均值(X±2倍算术标准差(S”表示背景值范围。本文讨论的地球化学背景值,主要是土壤地球化学基准值和土壤环境背景值。为保持背景值统计成果的完整性,本文作如下约定:统计单元内经反复剔除落在“X±2S”范围之外的异常值之后,计算算术平均值和标准差,由此确定背景值。为保持背景值统计结果的可靠性,本文特对抽样精度和变异系数作出限定:抽样精度计算公式为:R=1.96×CV/n-2×100;正态分布时CV=S/X×100,AC=100%-R。式中:R—相对偏差,%;CV—变异系数,%;n—样点数;S—算术标准差;X—算术平均值;AC—抽样精度,%。相对偏差检验:若R≤30%,则符合要求;否则须增加采样点数n值,以达到相对偏差≤30%,即抽样精度≥70%的要求,这样的土壤背景值才具有可信性。一般说来,选取20~30个样点即可。同时,有必要适当控制土壤背景值的变异系数。变异系数过大,背景上限值就会偏离平均值过多,所以应尽可能小些,最好控制在30%以内。变异系数基金项目:浙江省人民政府和国土资源部中国地质调查局合作项目(200214200015收稿日期:2006-12-20生态与农村环境学报2007,23(2:81-88JournalofEcologyandRuralEnvironment大小主要受2方面因素影响:(1各元素本身地球化学特征的影响,例如汞等元素背景值分布的离散性大,变异系数也大;(2与统计单元划分有关,同一单元内土壤或成土母质复杂,变异系数就会大。因此,各元素变异系数值不可强求一致,同时应充分关注和划分好统计单元。1.2土壤地球化学基准值指未受人类影响的土壤原始沉积环境地球化学元素含量。本文约定如下:土壤地球化学基准值是指依据深层土壤元素地球化学资料,根据成土地质背景、沉积环境、物质来源划分统计单元[1],在剔除异常值后所获得的服从正态分布的成土母质背景值。1.3土壤环境背景值指在不受或很少受人类活动影响的情况下土壤的化学组成或元素含量水平[2]。由于环境污染的普遍性,通过调查研究获得的土壤环境背景值既包括自然背景部分,也可能包括少量外源污染物,这是当前的土壤环境背景值或本底值。本文中的土壤环境背景值特指表层土壤元素地球化学背景值,即以表层土壤地球化学调查资料为依据,以特定区域为统计单元,所求取的元素背景值。2资料来源与统计单元2.1资料来源浙江省农业地质环境调查项目在浙江省北部平原区(包括杭嘉湖平原、宁绍平原、浙江省东部沿海丘陵平原区(以温岭-黄岩平原和温州-瑞安平原为主体、浙江省中部盆地丘陵区(金华-衢州盆地为主体开展的土壤地球化学调查,覆盖面积共36544km2。按照中国地质调查局《多目标区域地球化学调查规范》(DD2005-01的要求,表层土壤样以1件・km-2的密度采集,1件・(4km2-1组合分析,采集深度0—20cm;深层土壤样以1件・(4km2-1的密度采集,1件・(16km2-1组合分析[浙北地区为1件・(16km2-1单点采集与分析],采集深度150—200cm。所有样品测定52种元素含量。用于土壤环境背景值统计计算的数据总量为493344个,用于地球化学基准值统计计算的数据总量为118768个[3]。土壤样品分析工作由中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所中心实验室完成。分析数据经方差检验、重复性检验表明,分析的精密度和准确度符合质量要求,分析数据可靠。2.2统计单元划分浙江省农业地质环境调查项目特设立了“农业地质背景调查”研究课题,以成土母质为主,综合考虑母岩和母质类型、地层时代、沉积环境等地质背景条件和土壤类型,建立了土壤地质单位,编制了土壤地质图。根据地球化学基准值的内涵意义,以地质背景一致、沉积环境相近、元素地球化学特征相似为原则,对土壤地质单位进行归并,使统计单元中样本数基本满足统计要求,同时也使取得的基准值具有更为广泛的适用范围。浙江省土壤地球化学基准值统计单元划分见表1。低山丘陵区成土母质主要为就地基岩风化物或近源冲、洪积堆积物,其矿物和化学元素组成主要取决于成土母质岩石类型和岩性特征,即按岩石类型可分为沉积岩类风化物、火成岩类风化物和变质岩类风化物,再按岩性类型作进一步细分(表1。在地质背景、成土作用和少量面源污染叠加作用的综合影响下,土壤地球化学调查采集的表层土壤(0—20cm元素组合特征与空间分布模式更为复杂。在这种情况下,单纯以成土地质背景或景观环境条件等划分土壤环境背景值的统计单元都不尽合理。根据浙江的自然地理特征和社会经济背景、土壤环境背景特点,研究主要集中在平原区,采取以杭(州嘉(兴湖(州平原、宁(波绍(兴平原、温(岭黄(岩平原、温(州瑞(安平原和金(华衢(州盆地5个地区作为统计单元。这样划分也便于具体操作。・28・生态与农村环境学报第23卷表1浙江省土壤地球化学基准值统计单元划分Table1StatisticalunitsofsoilgeochemicalbaselineinZhejiangProvince土壤地质类型统计单元土壤类型样本数第四纪成土母质(不同环境松散沉积物河口相:包括河口相粉砂、河口相泥潮土、小粉田、小粉泥田、涂泥田144河流相:包括河道与边滩相,河漫滩相,全新世洪、冲积物潮土、渗育水稻土、潴育水稻土152湖泊相:包括滨湖相、湖相、湖沼相、泻湖相和牛轭湖相青粉泥田、粉泥田、青紫泥田、黄斑青紫泥田、小粉田、湖松田、潮泥420滨海相:包括滨海相淤泥、粉砂淤泥、粉砂滨海盐土、黄斑田、青粉泥田、青紫泥田、小粉田、黄松田、黄松泥田、黄砂墒田329低山丘陵区成土母质(基岩风化残积物或近源冲、洪积堆物更新世红土:包括晚更新世红土、早中更新世红土红土74泥页岩类:包括泥页岩、砂泥质互层岩黄壤、黄红壤72砂砾岩类:包括砂砾岩、石英砂岩粗骨土、黄红壤55碳酸盐岩:包括灰岩和泥质灰岩石灰(岩土、黄红壤18紫色碎屑岩类:包括石灰性紫泥岩、石灰性紫砂岩、非石灰性紫泥岩、非石灰性紫砂岩紫色土、紫砂土、红紫砂土、酸性紫砂土、钙质紫泥田、紫泥砂田、黄筋泥247中酸性火山岩:包括富晶屑凝灰岩、酸性火山岩、中酸性火山岩黄壤、黄红壤、粗骨土、水稻土540中酸性侵入岩:包括细粒花岗岩、中粗粒花岗岩、中性火成岩黄红壤、粗骨土51基性火山岩基性岩土、红粘泥、棕泥土27变质岩类:包括浅变质岩和中深变质岩红松泥(红壤213结果与讨论3.1土壤地球化学基准值浙江省土壤地球化学基准值统计列于表2。经相对偏差检验,大部分统计单元元素的抽样精度在90%以上,即使分布离散性较大的Na2O、CaO等,抽样精度也在70%以上。可见,样点数能够满足统计要求,数据可信。由表2可以看到,在不同的成土母质(深层土中,大多数元素含量表现为均匀性分布的特点(CV<0.30。而CV>0.30的统计单元有103个,占全部676(52×13个统计单元的15%;CV>0.50的单元有7个,占全部的1%。有22种元素在13个成土母质统计单元中CV<0.30,这些元素(氧化物为Ba、Be、Bi、C、Cd、Ce、Ga、Ge、La、Li、N、Pb、Rb、Sc、Sn、Th、U、W、Y、Zr、Al2O3、SiO2。由于受物源、沉积环境及水动力条件等影响,第四纪沉积物(成土母质中Ca(河口相、更新世红土、Na(河流相、更新世红土的离散性相对较大(CV为0.40~0.55。基岩区各类风化残积物(成土母质的一个突出特征是受岩石类型差异性的影响,一些元素,如碳酸盐岩类中的F、Mo、Sb、Na,中酸性侵入岩类中的Cl、I、Sr、Ca、Na,基性火山岩类中的Co、Cr、Cu、Hg、Ni、P、Ti、Ca、Na及变质岩类中的Cr、Mo、Ni变异系数都大于0.4。纵观表2,CV较大的元素(氧化物主要为Na2O、CaO、I、Sb、P、Mn、Ni、F等。可以认为,利用这种均匀和较均匀的元素含量分布特征进行土壤地球化学基准值统计具有可行性和可靠性。3.2土壤环境背景值浙江省土壤环境背景值统计列于表3。经相对偏差检验,抽样精度绝大部分在95%以上。可见,样点数能够满足统计要求,数据可信。由表3来看,在不同地区的土壤(表层土中,绝大多数元素含量表现为均匀性分布的特点,CV<0.30。在5个地区52个元素的260个统计结果中,CV>0.30的只有16个,占全部统计结果的6.2%。可以认为,利用这种均匀和较均匀的元素含量分布特征进行土壤环境背景值统计具有可行性和可靠性。・38・第2期汪庆华等:浙江省土壤地球化学基准值与环境背景值表2浙北、浙东、浙中地区土壤地球化学基准值统计参数Table2Statisticalparameterofsoilgeochemicalbaselineinnorth,eastandmiddleZhejiang元素或氧化物河口相(144XCV河流相(152XCV湖泊相(420XCV滨海相(329XCV更新世红土(74XCV泥页岩(72XCV砂砾岩(55XCV0.0641600.1448040.0948890.0744010.0949590.12416668.90.0274.10.0365.0.0563.20.0573.60.0470.50.0474.70.04・48・生态与农村环境学报第23卷续表2Table2(Continued元素或氧化物碳酸盐岩(18XCV紫色碎屑岩(247XCV中酸性火山岩(540XCV中酸性侵入岩(51XCV基性火山岩(27XCV变质岩(21XCV0.1342280.1444080.1548750.23110160.42527871.30.0673.20.0470.80.0567.00.0761.70.1264.80.08元素(氧化物质量分数:氧化物、C为10-2,Ag、Au、Cd、Hg为10-9,其他为10-6。括号中的数值为样本数。・58・第2期汪庆华等:浙江省土壤地球化学基准值与环境背景值生态与农村环境学报第・86・23卷表3浙江省平原区表层土壤环境背景值统计参数Table3StatisticalparameteroftopsoilenvironmentalbackgroundinplainregionsofZhejiang元素或氧化物AgAl2O3AsAuBBaBeBiBrCCaOCdCeClCoCrCuFFe2O3GaGeHgIK2OLaLiMgOMnMoNNa2ONbNiPPbRbSSbScSeSiO2SnSrThTiTlUVWYZnZr杭嘉湖平原区(1751XX+2SCV宁绍平原区(1124XX+2SCV温黄平原区(328XX+2SCV温瑞平原区(276XX+2SCV金衢盆地区(477XX+2SCV11214.37.593.0173.54782.440.414.341.650.9715274.763.613.877.630.85754.6217.01.421601.842.4439.547.51.526090.581.461.4516.832.476330.41172860.5911.60.67.9.11213.4.0.2.99.1.26.92.2403091043567524795714415.410.04.5583.15132.740.536.102.451.1320688.583.416.992.140.87225.5021.11.662472.742.6647.256.41.788270.742.111.6920.141.1103938.21344320.7514.50.71.13.12616.4.0.3.1142.32.110265422807987062520.140.040.160.250.070.040.060.150.200.240.090.180.090.160.110.090.160.130.100.120.090.270.240.050.100.090.080.180.140.220.080.100.130.180.130.070.260.140.130.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.1902260610051411071311100510512.86.232.3972.44582.230.365.741.550.8615774.084.312.268.729.25283.9515.61.391101.972.3239.237.91.554910.541.431.5516.526.384332.51063200.6210.50.69.9.12312.4.0.2.851.25.89.252290216166345726916815.98.534.4185.15522.870.568.202.211.1621388.411816.294.448.66624.9720.71.652323.012.8246.553.32.276560.802.542.0920.132.0117353.11435360.8412.50.72.19.16315.4.0.3.1122.29.128308499057387133660.300.120.180.420.090.100.140.270.210.220.180.180.100.200.160.190.330.130.130.160.090.560.260.110.090.200.230.170.230.390.170.110.110.200.320.180.340.180.100.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.3603531612071814161808211111314.77.982.4464.75292.690.456.711.900.7415978.991.315.089.133.86445.7619.31.511072.462.8342.055.81.577690.631.691.0718.438.378434.21363530.7112.60.65.4.11213.5.0.2.1121.29.10619925347621797093418015.811.33.7081.66182.890.559.732.581.0423289.511718.110042.08026.6421.71.691814.143.0548.363.12.4511190.832.241.2719.846.5107042.41475240.9714.70.70.6.12115.5.0.3.1222.30.1242193774534095142390.300.040.210.260.130.080.040.110.220.180.200.230.070.140.100.060.120.120.080.060.060.350.340.040.070.070.280.230.160.160.090.040.110.180.120.040.240.190.080.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0.2404220406021008050803080596.815.66.272.6751.95162.860.535.411.510.6918092.497.414.785.829.96625.3321.31.511442.352.8946.955.11.347530.721.401.0019.435.766241.11453150.7012.40.65.5.10515.5.0.2.1051.30.11620527138704909898513416.60.190.0399.111.26.491.8630.85202.150.322.301.310.3619479.864.07.2039.118.14163.2315.11.4398.21.112.8142.932.80.563771.031.200.9021.712.457635.11202860.747.400.77.7.73.15.4.0.3.53.1.26.72.34028246560979475871114412.60.230.078.410.174.210.2983.95580.310.049.670.253.100.3347.37330.270.203.220.060.630.108.710.302.090.190.870.1325311013719.410241.680523.42510.200.090.200.160.100.200.110.050.372.710.130.440.182.900.131.890.220.520.2127495.487.710.960.624.851018.41500.210.100.180.260.280.180.110.110.266.690.131.650.053.350.213.190.0554.366.810290.080.110.184.330.171.650.071.450.163.630.1451.340.65170.100.120.191.940.231.000.192.050.231.180.0920.745.488051.216044115.70.69.9.12017.5.1.3.1242.33.1302300.030.140.160.120.050.200.130.800.221.430.201.640.181.380.2725.618.580042.41534330.090.240.190.100.140.260.940.18410.2760.03000.340.0780.07410.04020.06420.080.09260.0730.050.060.061.080.239.080.110.80.12.11919.5.1.4.73.2.31.95.396400.2300.0260.340.3110.11300.15050.17170.1040.19250.1030.1030.160.08元素(氧化物质量分数:氧化物、为10-2,N、为10-3,Ag、、、为10-9,其他为10-6。括号中的数值为样本数。CTiAuCdHg2期汪庆华等:浙江省土壤地球化学基准值与环境背景值第・87・3.3土壤元素的富集对比表2与表3发现,平原区土壤中C、、、、NPSSe、、、r、、、等元素在表层呈现富集态SnAgBCdHgPb势。从表4也可以看出,重金属元素(Cd、、HgPb元素发生淋溶,而另一些元素则由于吸附、螯合及化学沉淀等作用在表层土壤中富集。除了自然成土作用(含生物富集外,污染物由外部进入也是一个不可忽视的原因。等在表层土壤富集,这是由于在成土过程中一些表4调查区土壤表层元素富集系数Table4Enrichmentcoefficientofelementsintopsoilsofthesurveyareas浙北平原区元素平均值/(mg・kg深层HgCdCrPbCrZnNiAs0.0420.10583242381356-1浙东平原区R值1浙中金衢盆地区R值平均值/(mg・kg深层0.0510.13462.833.519.591.926.56.76-1平均值/(mg・kg-1深层0.0410.12845281561137表层0.1400.15271312990307表层0.0900.16952.137.722.793.510.75.69表层0.0700.17738321768106R值3.551.540.911.381.341.180.911.241.931.370.901.221.271.110.440.921.711.380.841.141.131.110.770.85深层土壤采样深度为150—200cm,表层为0—20cm;1土壤表层元素富集系数R=(表层某元素含量平均值/表层TiO2含量/(深层某元素含量平均值/深层TiO2含量。3.4重金属元素土壤环境背景值的区域对比表5列出了浙江主要平原区土壤重金属元素的环境背景值。不难看出,不同地区土壤中重金属元素背景值不尽相同。位于浙江中部的金衢地区,其Cd背景值高于其他地区,而Hg、i、、、低于NCrZnCu4结论与建议4.1结论浙北、、浙东浙中是浙江省农业地质环境调查的3个重点地区,土壤地球化学调查覆盖了浙北、浙东其他地区。以浙江平原地区土壤环境背景上限值与GB15618—1995土壤环境质量标准一级标准值相平原区和浙中盆地区。采取网格采样方案对于地球化学调查是恰当的,使样品具有良好的空间分布均匀性,有利于对成土母质、土壤类型和土地利用的全面了解;为该地区提供了土壤地球化学基准值与环境背景值的基本数据依据。以土壤地球化学调查深层土壤元素含量资料为基础,统计得到的各类成土母质地球化学基准值参数(基准均值、标准差、变异系数等,是浙江省各类成土母质元素组成的客观与真实的反映。由于成土母质化学组成对土壤地球化学特征所具有的重要制约作用,各类成土母质地球化学基准值是研究地质背景、沉积环境与土壤元素组合和含量关系的重要依据。以土壤地球化学调查表层土壤元素含量资料为基础,统计获得的浙北杭嘉湖平原和宁绍平原、浙东温黄平原和温瑞平原、浙中金衢盆地表层土壤元素环境背景值参数(背景均值、标准差、变异系数等,由于样本空间分布均匀,数量大,具有良好的代表比较:浙江平原土壤Cd、、普遍较高,As较低,HgPbNi则有高有低,除金衢地区外的其他4个地区Cr、Zn、均较高。结合浙江的特点分析认为,土壤重Cu金属元素的环境背景除受自然因素影响外,在一定程度上也受到人类活动的污染影响。表5浙江省主要平原区重金属元素土壤环境背景上限值对比Table5Highestbackgroundvaluesofheavymetalsinma2jorplainsofZhejiang地区CdHgmg・kgCu-1PbAsNiCrZn杭嘉湖宁绍温黄温瑞金衢标准10.2060.2130.2320.2530.2740.200.2470.2320.1810.2510.1500.1538.253.142.451.242.43510.011.341.132.046.545.418.54092.194.411012812413040.848.642.041.624.8358.58.49.7100.0102.060.69095151001GB15618—1995土壤环境质量标准一级标准值。生态与农村环境学报第・88・23卷性,完全可以反映研究区土壤环境背景值特征。4.2建议由于我国地域辽阔,地质背景条件不一,气候类型复杂多样,各地土壤性质变化甚大,不同地区土壤元素背景含量水平相差甚远,采取区域性的土壤环境背景值,可以使土壤环境质量评价更加科学合理。本研究得到的浙江省土壤地球化学基准值,表征了自然地质地球化学背景特征;而土壤环境背景值则综合反映了区域景观地球化学条件(成土作用过程,以及部分人为叠加影响下元素环境背景特征。虽然有史以来人为污染影响范围广泛,绝对意义上的土壤环境背景值已无法准确获得,但以区域性地球化学调查资料为依据,通过反复剔除异常值以消除明显的污染影响,仍能从总体上反映区域土[4]壤元素背景特征。这些研究成果为制订区域性地方环境质量标准,即一级土壤环境质量标准提供[5]了基础依据。建议以浙江省土壤地球化学基准值、环境背景值为基础,迅速制订浙江省土壤环境质量地方标准,为土壤环境质量的合理评价分级、污染调控与保护决策、土壤污染修复提供依据。致射:本文得到了国家环境保护总局南京环境科学研究所夏家淇研究员的悉心指导,谨致由衷的谢忱。参考文献:[1]朱朝晖,宋明义,覃兆松,等.土壤地质单位的建立与研究———以浙江省为例[J].中国地质,2004,31(增刊:51-61.[2]夏家淇,骆永明.关于土壤污染的概念和3类评价指标的探讨[J].生态与农村环境学报,2006,22(1:87-90.[3]汪庆华.浙江省农业地质环境调查项目工作进展综述[J].中国地质,2004,31(增刊:30-39.[4]周国华,刘占元.区域土壤环境地球化学研究———异常成因判别、环境质量和污染程度评价的思路与方法[J].物探与化探,2003,27(3:223-226.[5]周国华,秦绪文,董岩翔.农业地质调查中的土壤环境质量标准研究[J].地质通报,2005,24(8:721-727.作者简介:汪庆华(1953—,男,浙江龙游人,教授级高级工程师,主要从事区域地质、环境地质、地球化学方面的研究。(上接第60页的分离培养与总DNA提取的改进[J].湖泊科学,2001,13(3:285-288.[5]REYNOLDSCSTheEcologyofPlanktonicBlue2GreenAlgaein.theNorthShropshireMeres[J].FieldStudies,1971,3(2:409-431.voirs:ResearchandManagement,2003,8(3/4:247-257.ofWinds,TidesandRiverWaterRunoffontheFormationandBay,Japan[J].HarmfulAlgae,2002,1(2:301-312.[8]蔡后建,陈伟民.微囊藻水华的漂移和降解对太湖水环境的影nography,1974,19(5:756-766.[13]王丽,唐纪伟