基于水系沉積物的土壤環(huán)境預測模型
——以青海省東部地區(qū)為例

朱輝，黃強，馬瑛，王建，顧曉夢

（1.青海省生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心，青海 西寧 810000；2.青海省第五地質(zhì)勘查院，青海 西寧 810099）

0 引言

為了解土壤環(huán)境質(zhì)量，中國地質(zhì)調(diào)查局西安地調(diào)中心、青海省地質(zhì)礦產(chǎn)開發(fā)局、青海省地質(zhì)調(diào)查局、青海省生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心等部門開展了不同時間、空間、程度的土壤環(huán)境質(zhì)量調(diào)查和監(jiān)測。隨著十八大以來習近平總書記圍繞生態(tài)文明建設(shè)提出新理念、新思想、新戰(zhàn)略，人們對土壤環(huán)境質(zhì)量的關(guān)注度越來越高。2019年7月1日，生態(tài)環(huán)境部頒發(fā)的《環(huán)境影響評價技術(shù)導則 土壤環(huán)境（試行）》（HJ 964-2018，生態(tài)環(huán)境部，2019）正式實施，結(jié)合土壤導則中以最少的點位、層位和指標反映盡可能多的土壤環(huán)境基礎(chǔ)信息的思路，如何綜合利用已有的歷史數(shù)據(jù)開展科學有效的土壤環(huán)境預警，并采取最經(jīng)濟有效的手段開展監(jiān)測，保障生態(tài)安全是科技工作者的首要目標。

2018年，青海省開展農(nóng)用地土壤污染狀況詳查工作，對全省重點污染源、歷史超標區(qū)、水源地、特色農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)區(qū)及高背景區(qū)進行了調(diào)查。受時間、資源限制，僅對唐古拉山鎮(zhèn)、雜多縣、囊謙縣約0.3×104km2高地質(zhì)背景區(qū)域進行了調(diào)查，面積不到全省高地質(zhì)背景區(qū)域面積的2%。

截止2020年，青海省自然資源廳共完成省內(nèi)1∶20萬～1∶50萬區(qū)域地球化學調(diào)查（水系沉積物地球化學測量）57.5×104km2，除柴達木盆地外實現(xiàn)了地球化學調(diào)查全覆蓋，積累了海量的地球化學數(shù)據(jù)。因此通過建立水系沉積物與土壤元素含量數(shù)學模型，識別土壤環(huán)境高背景區(qū)，進而有針對性的開展土壤環(huán)境調(diào)查監(jiān)測及評估，以保證我省生態(tài)環(huán)境安全具有十分重要的意義。

1 青海省自然地理概況

青海省地理位置介于北緯31°39′～39°19′，東經(jīng)89°35′～103°04′之間，全省東西長1200 km，南北寬800 km，總面積72.23×104km2。青海全省地勢總體呈西高東低，南北高中部低的態(tài)勢，西部海拔高峻，向東傾斜，呈梯型下降，東部地區(qū)為青藏高原向黃土高原過渡地帶，地形復雜，地貌多樣。全省平均海拔3000 m以上。

青海省屬于高原大陸性氣候，年平均氣溫在-5.1～9.0 ℃之間，1月（最冷月）平均氣溫-17.4～-4.7 ℃，年平均氣溫在0 ℃以下的祁連山區(qū)、青南高原面積占全省面積的2/3以上，較暖的東部湟水、黃河谷地、年平均氣溫在6～9 ℃左右。

青海省有草地面積3636.97×104hm2，占全省土地總面積的51.36%，其中可利用草地面積3153.07×104hm2。草地主要分布在環(huán)湖地區(qū)、青南高原、柴達木盆地，占全省草地面積的94.47%。東部農(nóng)業(yè)區(qū)草地只占全省草地面積的5.53%。

2 土壤環(huán)境質(zhì)量調(diào)查工作基本概況

土壤環(huán)境調(diào)查是選擇在沒有明顯人為污染的平緩地帶中部、溝系交匯兩側(cè)土壤沉積部位等地的原始土壤，深度為1～1.5 m。

水系沉積物測量是選擇切割較深，一級水系發(fā)育地段，采樣介質(zhì)為粗—中粒砂質(zhì)水系沉積物。

現(xiàn)階段關(guān)于土壤中重金屬元素含量數(shù)據(jù)為國土部門的多目標（土地質(zhì)量）地球化學調(diào)查成果，或環(huán)保部門土壤檢測數(shù)據(jù)。目前全國已完成土地質(zhì)量地球化學調(diào)查約200×104km2，并于2018年發(fā)布了全國耕地質(zhì)量報告，為我國耕地土壤環(huán)境質(zhì)量提供了精確數(shù)據(jù)（成杭新等，2014；李括等，2019；龍宣霖等，2020；楊淇鈞等，2020）。但目前青海省僅開展了31000 km2土地質(zhì)量地球化學調(diào)查工作，僅占省域面積的1/10左右，現(xiàn)有數(shù)據(jù)不能明確表達青海全省土壤環(huán)境質(zhì)量現(xiàn)狀。

地礦部門已完成全省85%以上的水系沉積物測量，作者試圖通過典型地區(qū)水系沉積物測量數(shù)據(jù)與土壤測量數(shù)據(jù)的對比研究，尋找出水系沉積物與土壤的相關(guān)性（于曉軍，2019；左健揚等，2021），從而建立基于水系沉積物測量的土壤環(huán)境預測模型（吳塹虹等，2008；楊思林，2014；倫知潁等，2015；黃魏等，2018；孟源思等，2020）。

3 地球化學基因?qū)Ρ?/h2>

3.1 土壤

土壤是成土母質(zhì)在一定水熱條件和生物作用下，經(jīng)過一系列的物理、化學和生物化學過程形成的。母質(zhì)層與環(huán)境之間發(fā)生了頻繁的物質(zhì)能量交換和轉(zhuǎn)化形成土壤腐殖質(zhì)和黏土礦物，發(fā)育了層次分明的土壤剖面，也出現(xiàn)了具有肥力的土壤。

據(jù)道庫恰耶夫的土壤因素學說，土壤形成受成土母質(zhì)、地形地貌、氣候、生物及時間五大因素影響?，F(xiàn)代人類生產(chǎn)活動對土壤的影響也存在不可忽視的作用。

氣候主要影響土壤對有機質(zhì)的積累、分解土壤地帶性分布規(guī)律；生物因素包括植物、微生物和動物，他們是土壤有機質(zhì)的制造者和分解者；地形地貌支配地表徑流，影響成土母質(zhì)的分配及發(fā)育過程；時間是土壤發(fā)生、發(fā)展和演變的動態(tài)過程，土壤發(fā)育程度隨著時間增長而加強；成土母質(zhì)為巖石風化的產(chǎn)物，是土壤形成的物質(zhì)基礎(chǔ)，母質(zhì)中的一些性質(zhì)（機械組成、礦物成分、化學性質(zhì)）直接影響了成土過程的速度和方向，多數(shù)土壤的屬性繼承了母質(zhì)的特性（吳新民和潘根興，2003；牛耀齡，2013；嚴桃桃等，2018）。

人類生產(chǎn)活動對土壤形成和性質(zhì)的影響具有意識性和目的性，是在認識土壤客觀性質(zhì)的基礎(chǔ)上對土壤進行利用改造定向施肥，創(chuàng)造不同熟化程度的耕作土壤。

從以上分析可知，土壤中元素最初來源為成土母質(zhì)，對土壤地球化學特征起決定性作用的也是成土母質(zhì)。

3.2 水系沉積物

水系沉積物是指河流溝谷中的沉積物（包括湖泊近岸沉積物），主要是由地表水沖刷作用將地表巖石風化疏松物帶入溝谷，并沿溝谷搬運沉積。水系沉積物在一定程度上反映上匯水域內(nèi)巖石風化物地球化學特征，故將水系沉積物地球化學特征視為成土母質(zhì)地球化學特征（楊國治和楊學義，1983；奚小環(huán)，2005；陽金希等，2017）。

元素在巖石→巖石風化物（成土母質(zhì)）→土壤形成過程中發(fā)生遷移轉(zhuǎn)化，其中土壤對成土母質(zhì)的元素地球化學特征的承襲決定著土壤的地球化學特征。

3.3 土壤和水系沉積物的相關(guān)性

水系沉積物測量通常制作地球化學圖來反映元素的地球化學分布特征，土壤環(huán)境調(diào)查工作采用地球化學等級圖來評價土壤的質(zhì)量等級，筆者嘗試結(jié)合兩種評價方式處理水系沉積物及深層土壤數(shù)據(jù)，以期從中找到兩種物質(zhì)中元素含量的聯(lián)系。

由于水系沉積物測量和土壤環(huán)境質(zhì)量調(diào)查工作采樣密度和評價方式不同，筆者將青海省東部地區(qū)水系沉積物元素含量和深層土壤樣做對比，深層土壤樣采樣密度為1點/16 km2，水系沉積物采樣密度為1點/4 km2（劉慶宇等，2020），為了便于數(shù)據(jù)統(tǒng)計，以深層土壤采樣密度為基準，將青海東部按16 km2為一個計算單元，一個單元內(nèi)一個深層土壤樣，將每個單元內(nèi)水系沉積物采用加權(quán)平均法合并為一組數(shù)據(jù)。

3.3.1 元素豐度特征

通過2059件樣品對比，發(fā)現(xiàn)深層土壤中元素含量均值比水系沉積物中高（表1），在成土過程中，As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb、Zn等元素在巖石中相對易風化，并且進入土壤后因各種物理化學條件而富集，形成較高的含量。

3.3.2 地球化學暈

累加地球化學圖：分別將水系沉積物中8種重金屬元素除以其對應的平均值，制作As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb、Zn 8種元素累加地球化學圖（圖1），可以得到重金屬元素總體分布趨勢，即地球化學暈（姚振等，2018；王治華等，2019；）；同理，制作出深層土壤中8種元素累加地球化學圖（圖2）。

從圖1、圖2中可以看出，重金屬在青海東部地區(qū)分布規(guī)律一致，重金屬高值區(qū)主要在沿拉脊山（疏勒南山-拉脊山早古生代縫合帶）和達坂山（北祁連新元古代-早古生代縫合帶）呈條帶狀富集，與青海東部重要的礦產(chǎn)活動相吻合，說明兩種工作方法均能有效地反映出元素的分布規(guī)律。

3.3.3 土壤環(huán)境地球化學等級

我們用Ci表示土壤中污染物指標i的實測質(zhì)量分數(shù)，單位為毫克每千克（mg/kg），根據(jù)《土壤環(huán)境質(zhì)量農(nóng)用地土壤污染風險管控標準（試行）》（GB 15618-2018，生態(tài)環(huán)境部和國家市場監(jiān)督管理總局，2018）給出土壤污染風險篩選值（Si）及風險管制值（Gi），將土壤環(huán)境地球化學等級分為三個等級：一等為無風險（Ci≤Si），二等為風險可控（Si＜Ci≤Gi），三等為風險較高（Ci＞Gi）。

因土壤的酸堿度（pH）直接影響著植物對重金屬的吸收（王美華等，2020），于是我們在評價土壤環(huán)境地球化學等級時，首先對土壤的酸堿度進行統(tǒng)計，一般分為四個組，pH≤5.5、5.5＜pH≤6.5、6.5＜pH≤7.5、pH＞7.5）；每組標準中元素在不同的土地利用類型中對應的篩選指標不同，如當pH≤5.5時，As在水田中的風險篩選值為30 mg/kg，其它地類為40 mg/kg，為了便于統(tǒng)計，這里選擇最低值作為本次數(shù)據(jù)統(tǒng)計的風險篩選值，以防止邊界數(shù)據(jù)差異導致土壤污染信息丟失。

在單指標土壤環(huán)境地球化學等級劃分的基礎(chǔ)上，每個評價單元的土壤環(huán)境地球化學綜合等級等同于單指標劃分出的最差等級，如As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb、Zn劃分出的地球化學等級分別為一等、一等、二等、二等、一等、二等、三等和一等時，該評價單元的土壤環(huán)境地球化學綜合等級為三等。

利用此方法，分別將青海省東部地區(qū)的深層土壤及水系沉積物數(shù)據(jù)統(tǒng)計出土壤環(huán)境地球化學等級并制作出地球化學等級圖。

從表2中可以看出，水系沉積物和土壤環(huán)境地球化學等級劃分基本一致，一等分別占比92.37%、92.03%，二等分別占比7.29%、7.67%，三等分別占比0.34%、0.29%。說明土壤和水系沉積物中8種重金屬含量基本保持一致。

表2 青海東部環(huán)境地球化學等級統(tǒng)計表

從兩張地球化學等級圖（圖3、圖4）中可以看出，青海省東部地區(qū)一等土壤（水系沉積物）在全區(qū)絕大部分區(qū)域分布，二等土壤（水系沉積物）主要分布在湟中—化隆、龍羊峽、新街、皇城及鐵邁等地區(qū)，分布區(qū)域基本一致；三等土壤（水系沉積物）則主要集中分布在拉脊山一帶，與該區(qū)的活躍探礦、采礦活動有一定的關(guān)系。

同時，從水系及深層土壤環(huán)境地球化學等級圖（圖3、圖4）中可以看出，二等及三等土壤分布在空間上基本吻合，而局部地區(qū)則存在細微差別，但數(shù)據(jù)統(tǒng)計顯示深層土壤元素含量高于水系沉積物，而地球化學等級圖中則是深層土壤優(yōu)于水系沉積物。這是因為青海省東部地區(qū)水系極為發(fā)育，由北向南分別位于大通河流域、寶庫河流域、湟水河流域及黃河流域，水系錯綜復雜。水系沉積物中元素通過遷移、沉淀、富集等過程致使高值區(qū)分布范圍更大，隨著流長增大含量降低，而深層土壤中元素相對穩(wěn)定，這也是深層土壤環(huán)境地球化學等級優(yōu)于水系沉積物的主要原因。

圖3 青海省東部水系沉積物8種重金屬元素環(huán)境地球化學等級圖

圖4 青海省東部深層土壤8種重金屬元素環(huán)境地球化學等級圖

4 結(jié)論

總體上看，土壤和水系沉積物中8種重金屬元素含量分布趨勢基本一致，局部略有差異，主要體現(xiàn)在：

（1）水系沉積物代表著分散流測量法，物質(zhì)是沿著搬運方向呈拉長形式的展布，礦體及其原生暈、次生暈中的元素，在地表水和地下水的沖刷、溶解作用下，使成礦有關(guān)的元素部分被水帶入水系（河流和溪溝）中，然后在一定的條件下又沉淀出來，在河流和溪溝底沉積物中形成某些元素（主要是成礦元素及其伴生元素）含量增高地段，即分散流。

（2）土壤測量代表著次生暈測量方法，次生暈是土壤中由礦體及原生暈破壞后形成的異常。次生異常:由已形成的巖石或礦體及原生暈在表生帶遭到破壞后經(jīng)遷移重新分配到各種地質(zhì)體中形成的異常。次生暈可理解為在表生作用下，由于礦床或其原生暈的表生破壞、元素的遷移，在礦體及其原生暈的附近疏松覆蓋物中形成的次生地球化學異常地段，次生暈能在一定條件下反應礦床即原生暈的存在。

（3）深層土壤采樣部位為母質(zhì)層，一定程度的反映了原生暈的存在；分散流與土壤次生暈的區(qū)別在于水系沉積物的遷移距離更大，沉積物中的成礦元素會隨著遷移的距離增加而減少，但是局部地段會形成小范圍的富集，是對上游異常的顯示。兩種方法均能實現(xiàn)地球化學找礦的目的，均能反映地球化學特征。因此，通過水系沉積物與土壤元素含量的相關(guān)性，建立水系沉積物的土壤環(huán)境預測模型，識別土壤環(huán)境高背景區(qū)，進而有針對性的開展土壤環(huán)境調(diào)查監(jiān)測及評估切實可行。