区域地球化学资料的多目标应用研究

一、生态地球化学的调查与评价
生态地球化学是从全国多目标区域地球化学调查和应用实践中产生的科学理论，是一项以多目标区域地球化学调查为基础，以生态地球化学评价、生态地球化学评估、生态地球化学预警和生态地球化学修复为主体的系统工程（奚小环，2008）。
21世纪勘查地球化学在解决人类资源与环境的重大问题上发挥了巨大作用，区域地球化学调查应用于生态环境与农业地质研究方面的文献近10年来呈明显上升之势。生态地球化学研究工作在国际上的全面开展是从20世纪90年代后。为配合国际地球化学填图计划（IGCP259）的实施，俄罗斯、瑞典、加拿大、德国、捷克、南非和新西兰等许多国家都进行了区域性的地球化学填图，并利用区域地球化学资料开展环境、农牧业和地方病等多目标应用研究（王徽，2001；施俊法，2003）。生态地球化学填图综合考虑了自然污染和人为污染地球化学状况，为勘查地球化学解决人为污染问题开辟了一条崭新的道路，并在生态地球化学的理论框架下，进行区域生态地球化学调查与评价工作。
随着人类社会面临的环境问题与可持续发展问题的日益突出，中国勘查地球化学界审时度势，将工作重点由单一的找矿勘探扩展至以资源与环境并重，立足于为国家社会经济宏观发展战略服务，为国土资源规划、管理、保护和合理利用服务的综合调查与评价。生态地球化学调查是国土资源部中国地质调查局组织实施的一项综合基础地质工作。它以区域土壤和水体地球化学调查为依托，以第四纪地质体为研究对象，以土地质量评估为主要内容，以服务于农业生产、环境保护和矿产资源普查等多领域为目标。该项工作分多目标区域地球化学调查、区域生态地球化学评价、局部生态地球化学评价和总体综合研究4个层次（杨忠芳，2004）。
中国地质调查局组织实施的生态地球化学调查（农业地质调查）项目自2002年实施以来，已完成多目标区域地球化学调查面积近135×104 km2，涉及浙江、江苏、安徽、湖南和湖北等31个省（区、市），采集测试分析了54个指标值（2008）。生态地球化学调查在很大程度上查明了我国土壤中包括有益与有害成分在内的各种元素指标的组成、类型、含量和强度及其分布地区、范围和面积等，填补了国家长期以来包括土壤污染在内各项元素指标的空白，是一项具有深远意义的成果。调查表明，国家土地质量地球化学总体状况是好的，符合种植无公害农作物的土地质量标准的土地面积占调查面积的92%，符合种植绿色农作物的土地面积占87%，达到土壤环境质量一、二类标准的占87%。同时土地污染状况不容忽视，占调查面积13%的土壤存在污染（李敏，2009）。中国存在的主要地球化学现象和问题有：①长江流域 Cd 等重金属异常呈带状分布；②黄河流域高As、高F、低I和高I等地方病问题突出；③城市及周边地区Hg、Pb等异常普遍存在；④全国各大湖泊呈现有害元素汇集的趋势；⑤西南碳酸盐岩区Cd、As等重金属元素背景值普遍较高；⑥土壤酸化问题较为严重；⑦各种肥力元素与有益元素的分布存在较大的差异；⑧土壤有机碳储量分布不均。
生态地球化学评价是在多目标区域地球化学调查基础上，研究元素和化合物等地球化学指标在土壤圈的分布与分配规律、异常特征及其对生态环境产生的影响，针对性地测定元素形态或价态，研究元素成因来源及其在地球系统中的行为，即在迁移转化过程中的形态变化作用途径和机理，预测可能发生的地球化学问题（奚小环，2004）。生态地球化学评价又进一步分为区域生态地球化学评价和局部生态地球化学评价。区域生态地球化学评价是针对流域或区带（面积范围为106～102 km2）内元素和化合物分布特征，通过对元素及化合物的来源示踪及迁移途径研究，评价它们对生态系统及各组成要素的影响，预测其未来变化趋势。局部生态地球化学评价是以面积小于数百平方千米的元素或化合物的局部地球化学异常为研究对象，运用地球化学方法技术，追踪异常物质来源，查明异常成因，研究地球化学环境与生态现象或问题的关系，预测生态地球化学环境变化趋势，提出兴利避害的对策措施。
为指导生态地球化学评价工作，中国地质调查局于2005年底正式发布了《区域生态地球化学评价技术要求（试行）》，规定了河流、农田、城市、湖泊湿地和浅海等生态系统的评价技术路线。目前各个省份生态地球化学调查已经全面进入生态地球化学评价工作阶段，取得了一系列成果，在农业和环境等方面得到普遍应用，产生了广泛影响。例如，珠江三角洲地区生态地球化学评价结果显示：珠江三角洲土壤Hg污染区面积占11.57%，主要分布于广州—佛山一带，属人为污染。蔬菜类农产品超过食品卫生标准Hg限量的比例为3.12%，已影响蔬菜的品质，但对蔬菜质量安全构成的威胁并不大。土壤Hg绝大部分以硫化物存在，活泼相态Hg含量极低（林杰潘，2007）。冀东平原存在不同程度的重金属富集污染，其中以Hg、Cd污染富集较为严重，综合污染级别以轻—中污染为主，重金属富集污染成因与当地地质背景有关，同时当地强烈的工农业等人为活动加剧了污染与富集（栾文楼，2009）。浙江省依据杭嘉湖平原区土壤中Hg、As、Sb、Pb、Zn、Cd、S、Cu、Mo、Sn等元素的污染分指数和综合污染指数，进行了区域环境质量评价（朱立新等，1996）。杭嘉湖平原大部分地区属清洁区、基本清洁区，但由于人类活动和工业污染，在杭州市、绍兴市和嘉兴市等地区的土壤出现了从初始污染—轻度污染—中度污染—重度污染的现象，特别是杭州市和绍兴市周围存在较大范围的重度污染区。
生态地球化学与生态地球化学评价，是研究人类能够感知的和正在进行的地球化学过程。要解决重大的生态地球化学问题，所有研究工作须跨越学科的界线，将生态学、环境科学、地学、农学和医学，甚至政治和经济学等学科融合在一起，通过各学科的相互交叉和渗透，才能了解生态系统复杂性的真谛。中国拥有全球独一无二的区域地球化学资料，深入挖掘多目标区域地球化学调查数据所蕴含的信息，更好地服务于当地的经济建设与社会可持续发展，仍是摆在生态地球化学领域的一个现实课题（廖启林等，2005）。生态地球化学的发展要立足地质、地球化学，充分考虑岩石—水—土—大气—生物等层圈的相互作用，评价地球化学因子在不同生态子系统中的生态服务功能、区域空间分异特征及其变化趋势，为区域社会经济发展规划提供科学依据。
二、土壤污染研究
土壤直接或间接地参与了陆地生态系统物质循环，是生态环境基本构成要素，农业生产的基础（赖启宏，2005）。土壤的环境地球化学效应一方面受各圈层影响，同时也对各圈层的生态地球化学过程具有较大影响。近年来，由于现代化工业和农业的发展，土壤环境污染不断加剧，土壤污染已成为中国乃至全球性土壤退化的重要因素，严重地威胁着人类的身体健康。
土壤污染的种类繁多，有化学污染、物理污染、生物污染和放射性污染，甚至复合交叉污染，其中以化学污染最普遍、最严重，也最难以治理。土壤污染物质，一般分为两大类：无机污染物和有机污染物。由于土壤污染具有隐蔽性、潜伏性、不可逆性和长期性，其后果极为严重。长期以来人们只考虑土壤具有的交换、吸附、淋滤和降解自净作用，将土壤作为废弃物处置场所。然而，在长期污染影响下累积于土壤的化学物质，经植物吸收和动物摄取或溶入水体，可影响农作物产量、农产品质量以至整个生态系统的稳定性和安全性。当气候环境条件和土地利用方式改变时，短时期内土壤污染物有可能大量活化进入水、植物和农产品，危害动植物和人体健康，导致延缓而突然爆发的有害效应，即所谓的“化学定时炸弹”（stigliani W et al.，1991；谢学锦，1993）。在早期工业化国家都曾发生过因环境污染所引发的环境公害事件，如20世纪50年代日本公布的两起震惊世界的环境公害事件：富士地区高含量镉米导致的慢性中毒的“骨痛病”和熊本地区汞污染导致的“水俣病”，都造成了大量人员致病和死亡，均因土壤和水体长时期的污染导致农产品和养殖水产品污染所引发的。因此日本是世界上土壤污染发现最早，也是污染较为严重的国家之一。
为了全面深入地研究污染物对环境质量的冲击程度以及对人类的危害程度，控制并修复土壤污染，诸多国家都陆续开展了不同层面上的土壤污染研究，包括众多的污染现状调查、土壤环境质量评价和风险评价及其宏观决策管理等，并取得了一定的研究进展。关于土壤污染研究的内容主要有以下方面：
一是土壤污染物迁移和转化规律的研究。不同化学物质在土壤中的持留和释放规律，国内外都做了大量研究（Kinniburgh D G，1986），并形成了反映污染物质持留和释放规律的平衡模型与动力学模型。这些模型对于预测土壤环境中化学物质的吸附、释放和运移等行为有积极意义。Pagotto等的研究发现，在公路附近土壤中有Pb、Zn、Cd的积累，且随着距离的增大和土壤深度的增加而降低，一些土壤样品有少量Ni、Cr（Pagotto，2001）。交通对环境的影响主要在公路两侧1500 m的范围内，500 m以内对土壤影响最显著，超出此范围，土壤中的Pb含量达到背景值水平。有学者认为：重金属元素在土壤中的迁移实质上受到重金属随土壤水分的迁移，在土壤中的扩散，与土壤颗粒之间和重金属及其他溶质不同组分之间的化学反应变化，以及被植物吸收等多因素制约和影响（隋红建，2006）。
二是土壤污染物的生态效应研究。土壤中污染物会对土壤生物类型、生物数量、生物活性、土壤酶系统及土壤呼吸和代谢等作用产生较大影响，危及土壤生态系统的正常结构、功能与平衡。研究发现，施用的农药有20%～70%长期残留在土壤中（Calderbank，1994）。残留农药对土壤中的硝化细菌、根瘤菌和根际微生物影响较大。我国大多数城市近郊土壤都受到了不同程度的污染，有许多地方粮食、蔬菜和水果等食物中镉、铬、砷、铅等重金属含量超标或接近临界值。土壤环境重金属分布对人体健康有着重要影响，李森照（1979）讨论了环境中Cr与人的健康关系，指出Cr对人体健康产生重要的影响。
三是关于土壤环境质量的研究。土壤污染会直接导致土壤质量的下降，围绕土壤环境质量问题，目前涉及的主要内容包括土壤重金属的污染与污染土壤的退化和土壤中重金属的行为与环境质量和土壤中稀土元素的行为与环境质量等。近年来国内外学者对土壤环境质量及其指标体系做了较多研究，极大地丰富了土壤质量评价的内容，国外的研究已经开始关注生态系统多样性、土壤质量演变过程及机理等土壤环境的问题。关于土壤环境质量的评价方法，国内外研究和评价虽然还没有完善的评价体系，但已有许多学者发表过有价值的资料，所采用的土壤环境质量评价的方法有很多，土壤环境质量评价也越来越具有科学性和实用性，其中包括有指数评价法、模糊综合评价法和灰色聚类法等。
四是关于土壤污染的防治研究。例如对于土壤重金属污染的防治，世界各国都开展了广泛的研究工作。由于土壤重金属污染存在潜在性、不可逆性、长期性和后果严重性等特点。因此污染的治理应立足于“防重于治”的基本方针。有学者利用生物措施进行土壤修复，如陈同斌等发现As的超累积植物娱蛤草，在工程中有较好的实际应用价值，并在湖南郴州市建立了亚洲的第一个植物修复基地。此外工程措施包括客土、换土、翻土和去表土等方法，适用于大多数污染物和多种条件。汪雅谷等对土壤重金属污染进行客土处理，使镉等重金属残留量平均下降50%～80%。
土壤圈是个开放系统，进入土壤中的污染物，通过迁移、扩散和生物代谢等途径进入生物和水等环境中，并产生污染。要科学研究评价土壤污染物的环境行为和环境效应，必须把大气、水、土壤、生物作为有机整体，研究污染物在不同环境界面上的迁移和转化规律，重点研究土壤-作物耦合系统污染动力学方面的机理，建立相应的数学模型，对综合防治地下水和大气污染及研究土壤环境容量等都具有重要意义。
三、地方病与地质背景的关系研究
人类的生存依赖于自然环境，自然环境的优劣将直接影响人们的身体状况。20世纪60年代，英国地球化学家哈密尔顿研究发现，人体组织中的元素含量曲线与地壳中元素丰度曲线具有惊人的相似性。地质环境中的微量元素通过土壤—水—植物—食物—人体这个食物链进入人体，如果维持人体正常发育所需的微量元素供量不足或过剩，都会影响人体的正常发育生长及代谢。吉林大学、中国地质大学（武汉）、中国地质科学院有关院校及国土资源部的部分研究机构就地方病的地质环境和地球化学成因等问题进行了长期研究。美国、英国和印度等国家也在不同地方开展了地方性疾病与地质环境和地质作用的关系研究。
研究表明：目前我国主要的地方病有碘缺乏病（IDD）、地方性氟中毒、地方性硒中毒、克山病和大骨节病等。它们在时空上的分布和地质环境中的地形地貌、地质构造、地层岩性、土壤和水（地表水、地下水）等因素密切相关。例如青海省碘缺乏病、慢性氟中毒病和大骨节病区绝大多数分布在东部黄河干支流第三纪（古近-新近纪）河谷盆地内。在水平方向上，病区具有沿不同河段分布的特点；在垂直方向上，病区具有与地形地貌垂直分带相一致的分布规律（陈梅芬，1994）。
地质构造控制着山崖岩石的分布，由于各地山崖岩石的不同，其危害性矿物对各地区人的身体影响是不同的。因此引起了地方疾病呈区域性或地区性分布，如地氟病病带范围与氟异常等值线区基本吻合。我国主要分布在大兴安岭和云贵高原经向构造带与燕山和祁连山秦岭两个东西向构造带交切形成的十字交叉状部位（罗卫等，2004）。
我国地球化学工作者在生态环境领域最早进行探索的就是地方病研究。从20世纪80年代初期开始，我国勘查地球化学工作者利用第二代区域化探资料，进行了农牧业、环境和地方病等领域的研究。如贵州邓峰林（1980）、湖北童霆（1982）和福建蔡以评（1988）利用水系沉积物测量地球化学资料进行区域环境质量评价；中国地质科学院地球物理地球化学研究所孙天蔚等（1989）研究了冀东地区1∶20万水系沉积物元素分布与农作物产量和地方病等之间的关系；中国地质科学院地球物理地球化学研究所朱立新等（1993）在浙江杭嘉湖平原区1×104 km2 的范围内，系统地开展了农业和环境地球化学调查和研究。全国多目标区域地球化学调查和生态地球化学评价计划的实施，突出地展示了现代地球化学为社会经济发展和人民健康服务的功能和效用。通过对平原、河谷及盆地地区的系统调查和专题评价，存在的生态和环境问题及生态优势潜力得以查明，城乡土、水、气状况及地方病等问题都得到了系统的研究和评价，为国家经济建设和可持续发展提供了科学依据。

一、部署重点
“十二五”期间：在全国中东部重要地区及部分西部农牧区完成多目标区域地球化学调查50万平方千米。完成长江流域、黄河流域、东北经济区和沿海经济带镉、汞、铅、砷等重金属元素和氟、硒、碘等健康元素的生态地球化学评价。完成国家级、流域级和省区级土地质量地球化学评估，开展市县级、乡镇级和村组级土地质量地球化学评估试点。开展长江流域土地质量地球化学监测试点，开展污染土地生态地球化学修复试验。
“十三五”期间：全面完成中东部地区及部分西部农牧区多目标区域地球化学调查50万平方千米。完成环渤海、长江三角洲、珠江三角洲、海峡西岸、北部湾经济区、两湖地区、成渝经济区、西南岩溶区等重要地区生态地球化学评价。全面建立国家级和流域级土地质量地球化学监测网络，系统开展重要地区污染土地生态地球化学修复。继续开展不同级次的土地质量地球化学评估。
二、部署建议
1.工作现状
1999～2001年，我国开始在广东、湖北、四川等省实施多目标区域地球化学调查试点工作。从2002年起，全国多目标区域地球化学调查正式启动。全国多目标区域地球化学调查规划面积650万平方千米。截至2009年底，全国已完成调查160万平方千米，调查工作扩大到全国31省（区、市），占规划面积的36%。
多目标区域地球化学调查首次系统地获得了我国重要经济区土地54种元素指标的高精度数据，全面查清了我国土地质量状况，为土地管护、农业规划，环境保护、资源勘查及土壤碳库研究等方面提供技术支撑，取得显著经济社会效益，预期每年可增加经济效益1200亿元。
存在的主要问题，一是作为一项基础性的国情调查，工作程度低，投入少，难以满足当前经济社会发展的需要。二是海量高精度数据应用开发与综合研究不够，服务能力不强。三是土地质量地球化学评估还未全面开展，直接影响到土地资源管护和合理利用。四是缺乏有效的土地质量地球化学监测体系。五是污染土地，尤其是大面积分布的重金属异常区，急需开展生态地球化学修复。
2.工作目标
总体目标：完成全国重要经济区多目标区域地球化学调查300万平方千米，全面查清全国18亿亩土地质量地球化学状况，为我国土地资源规划利用与科学管护提供技术支撑。
完成重要流域、重要经济区生态地球化学评价、土地质量地球化学评估与监测及生态地球化学修复，保障国家生态环境安全，促进优质、高效和生态农业发展。
建立国家土壤碳库，开展土壤碳分布特征和土壤碳地球化学循环规律研究，建立全国土壤碳释放监测网络，开发土壤固碳增汇技术，为国家履行防止气候变化和减排温室气体义务提供技术支撑。
“十二五”期间：完成1:25万多目标区域地球化学调查150万平方千米；完成长江流域、黄河流域、东北经济区和沿海经济带生态地球化学评价。开展土地质量地球化学评估，进行土地质量地球化学监测与污染土地生态地球化学修复试点。建立土壤碳库，开展长江流域、珠江流域土壤碳库与固碳潜力评估、土壤碳释放通量监测示范等方面研究。
“十三五”期间：完成1:25万多目标区域地球化学调查150万平方千米。完成重要地区生态地球化学评价。系统开展土地质量地球化学监测与重要地区污染土地生态地球化学修复。继续开展不同级次的土地质量地球化学评估。建立土壤碳库，开展黄淮海流域土壤碳库与固碳潜力评估研究，建立全国土壤碳释放通量监测网络。
3.工作任务
（1)1:25万多目标区域地球化学调查，系统测定土壤54种元素指标。
（2）区域生态地球化学评价。以生态系统为单元，研究异常元素及化合物的来源示踪及迁移途径，评价它们对生态系统及各组成要素的影响，预测其未来变化趋势。
（3）土地质量地球化学评估。依据土地有益元素、有毒有害元素和有机污染物含量水平等地球化学指标因素及其对土地基本功能的影响程度，进行土地质量级别评定。
（4）土地质量地球化学监测。有针对性地测定主要有害与有益元素指标、无机与有机地球化学指标、全量与分量（形态）指标等，进行周期性监测与预警。
（5）生态地球化学修复。依据土地受污染的面积、程度和受污染元素指标的不同等，开展生态地球化学修复，确保土地质量的生态安全。
（6）土壤碳库调查与评价。开展土壤碳库分布特征、碳地球化学循环与碳释放通量监测研究，进行土壤固碳潜力评估。
“十二五”期间：在三江平原、松嫩平原、内蒙古北部草原、华北地区、长江中下游平原、沿海经济带等中东部重要地区，以及汾渭谷地、宁夏中部地区、渭北陇东地区、青海环湖草原、天山北麓经济带、四川盆地、阿坝草原、西藏一江两河重要经济区等西部重要经济区和农牧区，完成1:25万多目标区域地球化学调查50万平方千米。
完成长江流域、黄河流域、东北经济区和沿海经济带Cd、Hg、Pb、As等重金属元素和F、Se、I等健康元素的生态地球化学评价。
完成国家级、流域级和省区级土地质量地球化学评估，开展市县级、乡镇级和村组级土地质量地球化学评估试点。
开展长江流域土地质量地球化学监测及污染土地生态地球化学修复试验。
进行调查区土壤碳库分布特征研究，开展长江流域、珠江流域土壤碳循环研究与土壤固碳潜力评估，建立该地区典型土壤的固碳方法技术。开展全国土壤碳释放通量监测示范研究。
“十三五”期间：全面完成中东部空白区及青海环湖草原、伊犁草原、阿勒泰草原、阿坝草原、西藏一江两河重要经济区甘孜草原等部分西部重要经济区和农牧区多目标区域地球化学调查50万平方千米。
完成环渤海、长江三角洲、珠江三角洲、海峡西岸、北部湾经济区、两湖地区、成渝经济区、西南岩溶区等重要地区生态地球化学评价。
建立国家级和流域级土地质量地球化学监测网络，系统开展重要地区污染土地生态地球化学修复。继续开展不同级次的土地质量地球化学评估。
开展黄河流域、淮河流域和海河流域碳循环研究与土壤固碳潜力评估，建立该地区典型土壤的固碳方法技术。全面建立我国土壤碳释放通量监测网络。

区域地球化学调查资料包含着丰富的地质背景、生态环境信息，具有基础地质研究、矿产资源勘查、环境和农业应用的多目标研究意义。

1.基础地质研究与资源勘查

多目标区域地球化学调查资料可以为沉积物物源和沉积环境、基底构造、区域构造地球化学、区域环境演化等基础地质研究提供重要的地球化学信息。区域土壤元素分布模式在一定程度上反映了沉积环境与沉积相，线性或带状异常则往往与构造断裂带分布有较好的对应关系，诸如Hg、As、Sr、Ba等一些挥发性较强或水化学活动性较强的元素往往可以由深部经各种地球化学作用到达地表，反映深部构造分布、矿化等信息。

成矿元素和伴生元素、易活动性元素可以通过各种迁移机制从深部运移到达地表。非污染成因的土壤异常具有基础地质研究和矿产资源勘查价值。

多目标地球化学调查资料也为地表油气地球化学勘查提供了重要信息。研究表明，近地表土壤和地下水中除了甲烷、乙烷、丙烷、异丁烷、正丁烷、异戊烷、正戊烷、轻烃、苯、酚、甲烷稳定碳同位素组成特征与深部油气密切相关外，Hg、He、CO₂、蚀变碳酸盐（ΔC）和微量元素F、Cl、Br、I、Ba、Sr、U、Ca、Ni、V、Fe、Mn、Cu、Zn等，以及水体常量离子、碳酸盐、有机碳等指标异常往往也对深部油气分布具有一定的指示意义（杨育斌等，1995）。

在沉积作用过程中，沉积物与介质之间存在着复杂的地球化学平衡，沉积物形成时可以吸附固定环境介质中的化学组分，如：海相沉积物中B、Rb、Sr、Br、Cl、I等元素含量往往比大陆沉积物高，根据这些元素的含量或某些元素的比值，可以区分海相或陆相沉积环境；Rb、K含量及其比值可以反映沉积时水体的含盐度；大陆沉积物中B/Ga值一般＜3.3，海洋沉积物中B/Ga值一般＞4.5～5；粘土或泥岩中Sr/Ba值＞1者为海洋沉积，＜1者为大陆沉积；Cr、Cu、Ni、V等在海洋或淡水沉积物中的含量也不同（刘宝珺，1980）。土壤或多或少保留有成土母质的地球化学特征，研究其元素和化合物组成特征，可以揭示成土母质的沉积成因信息。

土壤有机质含量，pH值，Si、Al、Fe、K、Na、Ca、Mg等常量及微量元素组成特征，提供了重要的区域土壤地球化学信息，可以为土壤演化与分类研究、土壤图编制提供定量的辅助参数。研究表明，浙江省北部地区，以多目标地球化学调查取得的土壤地球化学资料为依据，计算得到的土壤风化指数等参数清晰表明（图版Ⅳ-5），在调查区的西北部长兴盆地、萧山南部、慈溪栲栳山等测区边缘，多为低山丘陵地貌，土壤为红壤、黄壤，成土作用时间长、土壤成熟度高，风化淋溶指标（ba值）最低，而钱塘江沿岸，尤其是南岸在过去数百年中形成的新近堆积或围垦造田区，风化淋溶指标（ba值）最高，表明K₂O、Na₂O、CaO、MgO淋失程度很低，反映了土壤低成熟度的特征。

此外，稀土元素、微量元素以及铅同位素等地球化学特征，能够有效地反映物源区物质组成，从而为区域环境演变、沉积物物源示踪提供重要依据。

2.元素表生地球化学研究

通过对土壤中植物营养有益元素有效量、有毒有害元素可浸提量与全量关系的研究，可以揭示影响元素有效性的主控因素，分析土壤类型以及pH、有机质、土壤质地、CEC等土壤理化性质对元素形态转化、迁移循环的影响，可以为区域生态地球化学评价、地球化学灾害预测预警提供重要依据（参见第五章）。

利用系统的多介质地球化学调查资料，可以揭示土壤-水-植物体系中元素迁移转化规律。对比不同类型农产品对土壤污染物的吸收累积规律，筛选“抗污染”农产品。探索建立典型农产品中有毒有害元素含量与土壤污染程度的关系，确定研究区景观环境条件下优质安全农产品生产的土壤中有毒有害元素的最高允许浓度，即土壤安全临界值。

通过计算土壤元素风化淋溶系数、富集系数，研究风化成土过程中元素迁移重新分配，分散与富集规律，元素次生富集或贫化与土壤成熟度、土壤理化性质间的关系（参见图版Ⅳ-5），为区域地球化学分布模式及异常成因解释提供依据。表层与深层土壤分析样密度不同，可采用深层土壤元素数据插值加密至与表层土壤样一一对应后再行计算。

富集系数计算公式：

浙江省农业地质环境调查评价方法技术

风化淋滤系数计算公式包括：

1）硅铝率（分子数比值）：

Sa=SiO₂/Al₂O₃

2）硅铝铁率（分子数比值）：

Saf=SiO₂/（Al₂O₃+Fe₂O₃）

3）土壤风化淋溶系数（分子数比值）：

ba=（Na₂O+K₂O+CaO）/Al₂O₃

或

ba=（Na₂O+K₂O+CaO+MgO）/Al₂O₃

4）土壤风化淋溶指数（分子数比值）：

β=［表层土壤（K₂O+Na₂O）/Al₂O₃］/［深层土壤（K₂O+Na₂O）/Al₂O₃］

5）土壤风化指数（分子数比值）：

μ=［表层土壤K₂O/Na₂O］/［深层土壤K₂O/Na₂O］

3.区域环境质量评价与环境地方病研究

浙江省多目标地球化学调查分析测定土壤54项指标、水体20多项指标，以及土壤中有机氯农药残留量。参照国家土壤环境质量标准（GB 15618—1995），可以对土壤环境质量进行评价分类，为土地管理、规划利用提供基础依据。具体评价方法参见第五章。

人类是自然演化的结果，在千百万年的进化过程中人体环境与自然环境物质组成间实现了总体上的协调与平衡。自然地质作用以及环境污染形成的地球化学异常，当其强度超出了人体平衡调节能力，则通过水体、植物、动物、农产品等食物链传递而影响人体健康，严重时引发环境地方病。大量研究证明，许多环境地方病与元素异常密切关系，40多种元素具有显著的生理功能和生命效应，如Fe、Cu、Zn、Mo、Se、Mn等参与人体酶的组成，I、Cu、Ca、Mn、Cr、Co、Ni具有催化作用，Zn、I、Se、Ti能增加机体免疫功能提高抗病力，K、Na、Li、Ca、Mg、Ti、V、Se、Fe、Cu、Zn、Na、Co具有保护心血管作用（颜世民等，1997）。已初步建立了Cd、Co、SiO₂、Cu、I、MgSO₄、U、Ra、B、F、Mo、Sr、Ba、As、Se、Ag、Be、Ni、Zn、Pb、Cr⁶⁺、Rb、Hg、Tl、NO₂、Ca等元素和化合物与各种疾病间的可能关系。

已有调查和研究表明，人类活动对环境化学组成有显著的影响。主要环境污染元素有Pb、Hg、Cd、Cr、Cu、Zn、Ni、Co、As、Se、Be、Mo、V、Mn、Fe、Sn、S、F，人工合成的有机污染物种类更为繁多，如有机磷、有机氯农药、多氯联苯等，工矿城镇区人为扰动尤为严重。

多目标区域地球化学调查成果为地方病病因研究提供了基础资料。以此为基础，收集地方病分布资料，研究其与地球化学环境的关系，追踪有毒有害物质在基岩—土壤—水、气、尘埃—植物、农产品—动物、人体的生态食物链中转化迁移、吸收累积规律及主控因素，探索地方病地球化学病因，可以为防治地方病提供科学依据。

图4-3 杭州市半山区8～15岁少年氟斑牙患病率分布图（单位：%）

半山区是杭州市的重要工业区，根据杭州市卫生防疫部门资料，半山康桥一带8～15岁少年氟斑牙患病率高达30%～70%，个别村庄患病率达77.6%，以氟斑牙患病率大于30%为标准，该区80%的区域为氟斑牙病区（图4-3）。氟斑牙高发病区主要分布在杭钢河两岸，杭钢河是半山区杭州钢铁集团公司和杭州玻璃集团公司两大企业的污水排放河道，每年由污水排放的氟分别达60.15t和4.03t。浅层地下水和地表水调查显示，该区浅层地下水氟含量达3.09mg/L，杭钢河2件地表水样氟含量分别达6.66mg/L和1.96mg/L，远远超过生活饮用水1mg/L的氟含量限值（GB 5949—87）。近年来实施饮用水改造工程，发病率有所下降，但长期的污水氟排放造成的高氟环境仍然存在，并对人体健康构成了一定的危害，这一地区依旧是杭州市氟斑牙病高发区。

4.农业地球化学应用研究

土壤中植物营养、有益元素含量直接关系到作物生长和农产品质量。植物营养元素包括C、H、O、N、P、K、Ca、Mg、S、Fe、Mn、Cu、Zn、B、Mo、Cl16种。某些情况下对植物生长有益的元素还有：Si（对禾本科植物）、Co（对豆科作物）、Ni（对蚕豆）、Na（对藜科属种）、Al（对蕨类）、Se（对紫云英属）等。间接有利于植物生长或在一定程度上能代替另一必需养分的元素还有：Na（替代K）、Co（替代Mn）、Sr（替代Ca）、V（替代Mo）（鲁如坤，1998；中国农业科学院土壤肥料研究所，1984）。植物有害元素主要有Hg、As、Pb、Cd、Cr、Ni、Se等，尽管其中某些元素在低含量时对植物生长有刺激作用，但属于非植物必需元素，当其含量超出限度时也具有不利影响。作物的正常生长除了与各种营养元素的适宜供给有关外，还要求各种养分具有较好的平衡关系。

浙江省农业地质环境调查项目获得了土壤Org.C、N、P、K、Ca、Mg、S、Fe、Mn、Cu、Zn、B、Mo等营养、有益元素的全量和有效量区域资料，可直接指导平衡施肥，克服盲目施肥带来的资源浪费和环境污染问题。

土壤、水体等环境介质中的有毒有害物质经由作物、禽畜、水产吸收累积而影响到农产品质量及其食用安全性，清洁的土壤、水环境是生产优质安全农产品的基本前提。基于多目标区域地球化学调查资料，可以开展区域性的绿色无公害农产品生产基地的选址评价。

大量农业地质研究表明，各种名特优农产品往往产出于特定的生长环境，其与环境中某些元素的含量及其组合特征密切相关。因此，多目标区域地球化学调查资料也是作物尤其是特色农作物种植布局规划的重要依据。

多目标区域地球化学调查还为特色农业地质资源评价提供了基础资料。浙江省农业地质环境调查项目发现了大片的富硒土壤区，为天然富硒农产品的开发提供了基础依据。

5.土壤环境变化预测研究

土壤地球化学环境灾害的科学预测必须考虑3方面因素：①土壤环境质量现状如重金属元素现时含量，是预测预警的基础；②土壤中重金属、有机污染物等有毒有害物质累积变化，是预测的重要依据；③土壤环境条件的演变趋势，如土壤酸化、盐渍化，以及土壤利用方式变更引起土壤理化性质变化，是触发灾害的重要条件。

浙江省农业地质环境调查项目利用浙北杭嘉湖地区相隔12年的2批区域地球化学调查资料，通过对比研究得到了土壤元素累积速率及其时空变化，结合土壤重金属活化与土壤酸碱度、有机质的关系，对杭嘉湖地区土壤环境变化进行了预测预警（参见第五章）。

中国地质调查局《区域生态地球化学评价技术要求》提出了预测土壤元素含量变化的另一技术途径。即综合工业和生活排放的污染物（固体废物堆放、污水灌溉）、大气干湿沉降量（来自燃煤、燃油等以及来自区域之外）、农业生产投入量（化肥、农药、有机肥、污泥及城市垃圾等），以及经作物吸收带出、地表径流流失（农田退水）和地下水淋失、大气散发（金属气溶胶）等资料，计算土壤中元素的收支平衡，预测土壤元素变化趋势。

预测预警研究应结合区域内客观存在的重大生态环境问题进行。例如，浙江省是中国酸雨沉降区之一，初步研究显示长期酸雨沉降、不合理施肥致使土壤酸化，必然会影响到土壤结构及其耕作性能、土壤重金属的生物有效性——土壤酸化使土壤中重金属易于活化溶出，从而危及水体质量、农产品安全，触发“化学定时炸弹”的发生。