朱輝，黃強(qiáng)，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(shí)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(xí)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(jià)技術(shù)導(dǎo)則 土壤環(huán)境（試行）》（HJ 964-2018，生態(tài)環(huán)境部，2019）正式實(shí)施，結(jié)合土壤導(dǎo)則中以最少的點(diǎn)位、層位和指標(biāo)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(xué)有效的土壤環(huán)境預(yù)警，并采取最經(jīng)濟(jì)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(biāo)。

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(diǎn)污染源、歷史超標(biāo)區(qū)、水源地、特色農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)區(qū)及高背景區(qū)進(jìn)行了調(diào)查。受時(shí)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(jìn)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(xué)調(diào)查（水系沉積物地球化學(xué)測量）57.5×104km2，除柴達(dá)木盆地外實(shí)現(xiàn)了地球化學(xué)調(diào)查全覆蓋，積累了海量的地球化學(xué)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(xué)模型，識別土壤環(huán)境高背景區(qū)，進(jìn)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(fù)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(dá)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(biāo)（土地質(zhì)量）地球化學(xué)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(xué)調(diào)查約200×104km2，并于2018年發(fā)布了全國耕地質(zhì)量報(bào)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(xué)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(dá)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(yáng)等，2021），從而建立基于水系沉積物測量的土壤環(huán)境預(yù)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(xué)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(xué)和生物化學(xué)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(xué)說，土壤形成受成土母質(zhì)、地形地貌、氣候、生物及時(shí)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(jī)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(jī)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(shí)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(shí)間增長而加強(qiáng)；成土母質(zhì)為巖石風(fēng)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(jī)械組成、礦物成分、化學(xué)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(yán)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(rèn)識土壤客觀性質(zhì)的基礎(chǔ)上對土壤進(jìn)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(xué)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(fēng)化疏松物帶入溝谷，并沿溝谷搬運(yùn)沉積。水系沉積物在一定程度上反映上匯水域內(nèi)巖石風(fēng)化物地球化學(xué)特征，故將水系沉積物地球化學(xué)特征視為成土母質(zhì)地球化學(xué)特征（楊國治和楊學(xué)義，1983；奚小環(huán)，2005；陽金希等，2017）。

元素在巖石→巖石風(fēng)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(xué)特征的承襲決定著土壤的地球化學(xué)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(xué)圖來反映元素的地球化學(xué)分布特征，土壤環(huán)境調(diào)查工作采用地球化學(xué)等級圖來評價(jià)土壤的質(zhì)量等級，筆者嘗試結(jié)合兩種評價(jià)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(jià)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(diǎn)/16 km2，水系沉積物采樣密度為1點(diǎn)/4 km2（劉慶宇等，2020），為了便于數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，以深層土壤采樣密度為基準(zhǔn)，將青海東部按16 km2為一個(gè)計(jì)算單元，一個(gè)單元內(nèi)一個(gè)深層土壤樣，將每個(gè)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(fēng)化，并且進(jìn)入土壤后因各種物理化學(xué)條件而富集，形成較高的含量。

3.3.2 地球化學(xué)暈

累加地球化學(xué)圖：分別將水系沉積物中8種重金屬元素除以其對應(yīng)的平均值，制作As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb、Zn 8種元素累加地球化學(xué)圖（圖1），可以得到重金屬元素總體分布趨勢，即地球化學(xué)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(xué)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(dá)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(xué)等級

我們用Ci表示土壤中污染物指標(biāo)i的實(shí)測質(zhì)量分?jǐn)?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(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)（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(fēng)險(xiǎn)篩選值（Si）及風(fēng)險(xiǎn)管制值（Gi），將土壤環(huán)境地球化學(xué)等級分為三個(gè)等級：一等為無風(fēng)險(xiǎn)（Ci≤Si），二等為風(fēng)險(xiǎn)可控（Si＜Ci≤Gi），三等為風(fēng)險(xiǎn)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(jià)土壤環(huán)境地球化學(xué)等級時(shí)，首先對土壤的酸堿度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，一般分為四個(gè)組，pH≤5.5、5.5＜pH≤6.5、6.5＜pH≤7.5、pH＞7.5）；每組標(biāo)準(zhǔn)中元素在不同的土地利用類型中對應(yīng)的篩選指標(biāo)不同，如當(dāng)pH≤5.5時(shí)，As在水田中的風(fēng)險(xiǎn)篩選值為30 mg/kg，其它地類為40 mg/kg，為了便于統(tǒng)計(jì)，這里選擇最低值作為本次數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)的風(fēng)險(xiǎn)篩選值，以防止邊界數(shù)據(jù)差異導(dǎo)致土壤污染信息丟失。

在單指標(biāo)土壤環(huán)境地球化學(xué)等級劃分的基礎(chǔ)上，每個(gè)評價(jià)單元的土壤環(huán)境地球化學(xué)綜合等級等同于單指標(biāo)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(xué)等級分別為一等、一等、二等、二等、一等、二等、三等和一等時(shí)，該評價(jià)單元的土壤環(huán)境地球化學(xué)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(jì)出土壤環(huán)境地球化學(xué)等級并制作出地球化學(xué)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(xué)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(xué)等級統(tǒng)計(jì)表

從兩張地球化學(xué)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(shí)，從水系及深層土壤環(huán)境地球化學(xué)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(xì)微差別，但數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)顯示深層土壤元素含量高于水系沉積物，而地球化學(xué)等級圖中則是深層土壤優(yōu)于水系沉積物。這是因?yàn)榍嗪Ｊ|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(cuò)綜復(fù)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(xué)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(xué)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(xué)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(yùn)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(xué)異常地段，次生暈?zāi)茉谝欢l件下反應(yīng)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(shí)現(xiàn)地球化學(xué)找礦的目的，均能反映地球化學(xué)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(yù)測模型，識別土壤環(huán)境高背景區(qū)，進(jìn)而有針對性的開展土壤環(huán)境調(diào)查監(jiān)測及評估切實(shí)可行。