农业地质地球化学评价方法研究.docxVIP

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4 km2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1 500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