农业地质地球化学评价方法研究

农业地质地球化学评价方法研究

1999年至2002年，中国地质调查局在珠江三角洲、江汉平原和成都平原开展了多目标地球化学调查。2002年又在浙江省进行了省级试点,并正式启动了省部合作农业地质环境调查计划。截至2004年底,共在全国17个省(区、市)部署了农业地质环境调查工作,调查面积达87.76万km2,覆盖了中国主要农产区和人口密集区。这项调查工作,采用了1:25万区域地球化学调查技术,将获得全部调查区[每4km2采1个样品、每件样品54个指标(包括52个元素的质量分数、1个有机碳的质量分数和1个pH值)]的海量调查数据,并已经取得了一系列重要发现,比如,土地中某些重金属元素和放射性元素的高值区带分布在人口密集区。这些高值区带中的重金属元素和放射性元素是否对人类生存环境构成威胁,已经成为政府、社会公众和科学家们高度关注的重大问题。土地中高质量分数的放射性元素直接作用于人体,会给人类的生存安全造成威胁,且土地中重金属元素会通过生产的农产品进入人类食物链,对人类的生存和健康构成威胁。但是否所有的重金属高值区带都会对人类健康构成威胁?或当其质量分数达到多少时才会产出超标农产品?如何利用农业地质环境调查数据来科学评价土地对粮食质量安全的保障程度?笔者拟对此进行研究。1理论基础1.1地表社会化作用侵蚀-堆积地质作用、表生地球化学作用和人类工程经济活动共同决定了土地中元素的分布与分配。农业主产区和人口密集区主要分布在平原区和盆地区,而平原和盆地的松散堆积物是在第四纪地质历史时期经过侵蚀-堆积地质作用形成的。例如,华北平原就是黄河以及永定河、滹沱河、漳河等许多河流共同侵蚀-堆积地质作用形成的(图1)。这种侵蚀-堆积地质作用决定了华北平原第四纪堆积物具有明显的分布规律,即从山前到滨海,沉积物由粗变细。在山前地带以洪积、冲积物为主,沉积物颗粒较粗,多由砂砾石组成;到平原中部则以冲积、湖积物为主,沉积物为砂土、亚砂土、亚黏土和黏土;再到滨海平原则属冲积、三角洲沉积和海相沉积,以细粒沉积物为主,包括黏土、淤泥及粉细砂等。自公元前602年以来,黄河决口泛滥达1500多次,较大的决口改道有26次,重要的决口改道有7次,这对华北平原当今土地的物质组成具有重要影响。同时,黄土高原和山西高原的地表物质也决定了华北平原的地球化学元素组成。据王景华等研究,以黄河沉积物和海河沉积物为母质的土壤具有与上游黄土高原黄土相似的稀土元素分布模式。对华北平原土地表层地球化学元素质量分数变化与沉积物岩性相关性的分析表明,Si、Na元素质量分数随沉积物颗粒变细而降低,而Fe、Mn、Ca、Mg、K、Al等元素质量分数随沉积物颗粒变细而增高。因此,侵蚀-堆积地质作用是表生带地球化学元素分布、分配的基础。地球化学元素的化学迁移时刻都在进行着,这种表生地球化学作用使土地中化学元素组成发生再分异。易溶解、易迁移的元素(如Ca、Mg、K、Na等)因向地下更深处或下游迁移而不断贫化,不易迁移的元素(如Fe、Mn、Cd等)则在原地聚集累积。华北平原盐渍化的消长就是表生水文地球化学作用的结果,只是这种作用受自然和(或)人类活动的控制。人类工程经济活动越来越成为表生带地球化学元素再分配的重要动力之一。1.2植物的根系吸收土地是农产品生态安全的源头。植物营养学家认为,16种植物必需的营养元素除C、H、O主要从大气中获取外,其他植物营养元素如N、P、K、Ca、Mg、Fe、Mn、Cu、Zn、B、Mo、S、Cl等均主要由根系从地下吸收。植物根系吸收养分的方式主要有3种,其中以质流和扩散方式摄取的养分占总摄取量的95%以上,而质流和扩散均是借助于地下水或土壤水的运动来实现的。实际上,植物蒸腾作用使得植物在吸收水分的同时,不仅吸收了必需的养分,而且还吸收了非必需的有害元素(如重金属元素)。这种存在于岩土体-土壤溶液-农作物系统中的元素生物循环(图2),使得土地成为农产品生态安全保障的源头。1.3黑灰箱评价方法自然界中元素地球化学循环和元素生物循环非常复杂。元素的岩土体-土壤溶液-农作物系统包括了水-岩(土)作用、包气带土壤溶液运移、农作物根际微环境、植物体内部元素迁移等复杂过程,因此,评价方法宜采用黑(灰)箱方法。黑(灰)箱方法是建立在系统论思想上的、忽略系统复杂过程而更关注系统输入(I)和输出(O)关系的科学方法。它通过研究系统输出(O)对输入(I)的响应关系,并利用响应规律对复杂系统进行科学评价和预测。2评估方法2.1稻米土壤-籽实响应关系大量试验和地区性调查研究表明,稻米中重金属元素质量分数随其在土壤中的质量分数的增大而增大。土壤环境容量研究组的对照试验表明,我国不同地区、不同类型的试验土壤和稻米中重金属元素的质量分数一般都分别高于天然对照土壤和稻米中该元素的质量分数(表1)。林健等研究了交通污染土壤和稻米中Cd、Pb的分布特征,认为土壤和稻米中w(Cd)、w(Pb)分别呈正相关关系(相关系数R为0.942～0.994,P<0.001)。韩爱民等的研究认为稻米中w(Cd)、w(Cu)分别与土壤中w(Cd)、w(Cu)呈显著性正相关关系。大量实际调查资料证实,稻米中重金属元素质量分数与其在土壤中的质量分数呈正相关趋势特征。这种正相关趋势表现为当土壤中某重金属元素的质量分数在较小范围内变化时,其在稻米中的质量分数似乎不随之而变化;但当土壤中某重金属元素的质量分数变化较大时,其在稻米中的质量分数即显示出随土壤中重金属元素的质量分数的增大而增大的趋势。笔者认为,由于自然环境条件的复杂性,用回归方程(不论是线性的还是非线性的)描述这种土壤与稻米中的重金属元素质量分数的正相关关系都显得不尽如人意。因此,笔者用一定置信度下回归方程构造的置信区间来定量描述这种响应关系,建立土壤-籽实响应关系模型(图3)。因此,当已知某地土壤中重金属元素质量分数时,可以通过该模型来预报稻米中重金属元素质量分数的范围及其保障程度,而不是质量分数值。2.2wcd指标的基本安全界限值和危险边界值当已知土壤中的w(Cd)t时,利用土壤-籽实响应关系模型可以预报该土壤中生长的稻米中w(Cd)d范围及其保障程度。反之,可利用该响应关系模型并根据国家食品卫生标准来计算评价标准值,即利用国家食品卫生标准值(Y0)[w(Cd)=0.2mg/kg]来计算回归值X0-2σ/a、X0和X0+2σ/a[即方程w(Cd)d=Y0与方程w(Cd)d=aw(Cd)t+b+2σ、w(Cd)d=aw(Cd)t+b和w[Cd)d=aw(Cd)t+b—2σ的交点]。在95%置信度下,当土壤中的w(Cd)t小于回归值X0—2σ/a时,生产的稻米中的w(Cd)d低于国家食品卫生标准(Y0);当土壤中的w(Cd)t介于回归值X0—2σ/a与X0之间时,该土壤生产的稻米中的w(Cd)d大部分(75%可能性)低于国家食品卫生标准(Y0);当土壤中w(Cd)t介于回归值X0与X0+2σ/a之间时,该土壤生产的稻米中的w(Cd)d大部分(75%可能性)高于国家食品卫生标准(Y0);当土壤中的w(Cd)t大于回归值X0+2σ/a时,稻米中w(Cd)d均高于国家食品卫生标准(Y0)。据此,将回归值X0—2σ/a、X0和X0+2σ/a分别定义为w(Cd)指标的安全界限值、基本安全界限值和危险界限值。对浙江省平原盆地区的175组土壤-稻米系列实测数据的分析研究表明,由w(Cd)d=0.385w(Cd)t-16.826和95%置信度构成的带状分布区域较好地刻画了土壤-稻米中元素的响应关系(图3),将浙江省土壤中的w(Cd)t指标的评价标准值分别确定为安全界限值为0.32mg/kg、基本安全界限值为0.56mg/kg和危险界限值为0.80mg/kg。2.3基本安全土地和警戒土地根据上述评价标准值,可以把土地分为4级(单指标分级)。安全土地是指土壤中的w(Cd)低于安全界限值的土地;基本安全土地是指土壤中的w(Cd)介于安全界限值与基本安全界限值之间的土地;警戒土地是指土壤中的w(Cd)介于基本安全界限值与危险界限值之间的土地;危险土地是指土壤中的w(Cd)高于危险界限值的土地。2.4评价过程离散图首先利用确定的安全界限值、基本安全界限值和危险界限值对1:25万农业地质环境调查数据进行单指标评价;然后对所有的单指标评价离散图,采用“一票否决,区域叠加”的方法,获得评价地区土地生态安全性评价离散图;最后对评价地区地质、土壤和人类活动影响等进行综合分析,编制评价地区土地生态安全性评价分区图,并用评价指标对评价分区命名,如Cd危险区、Cd-Hg警戒区等。3评价标准的建立(1)在元素地球化学循环和元素生物循环的基础上,利用置信区间建立了土壤-籽实响应关系模型,这是农业地质地球化学评价方法的依据。(2)以浙江平原盆地区稻米-土壤系统中Cd元素为例,给出了农业地质地球化学评价方法