基于地質大數據技術對云南土壤重金屬地質高背景區的劃定

肖高強,趙娟,陳子萬,宋旭鋒,朱能剛

(1.云南省地質調查局,云南 昆明 650051; 2.自然資源部三江成礦作用及資源勘查利用重點實驗室,云南 昆明 650051; 3.云南省三江成礦作用及資源勘查利用重點實驗室,云南 昆明 650051; 4.云南省生態環境監測中心,云南 昆明 650034; 5.云南省地質調查院,云南 昆明 650216)

0 引言

土壤是農業生產和人類賴以生存的物質基礎,是人類食物與生態環境安全的保障,然而已公開發布的《全國土壤污染狀況調查公報》和《中國耕地地球化學調查報告》均顯示,全國土壤環境狀況總體不容樂觀,其中西南地區的土壤重金屬超標比例相對較高,土壤重金屬污染已成為生態文明和美麗中國建設以及全面建成小康社會的突出短板之一。

土壤中的重金屬來源分為人為成因和自然成因兩大類,其中人為成因主要指由人類生活[1-3]和各類工、礦業活動[4-7]產生和排放的重金屬;自然成因是指從成土母質(母巖)繼承的或成土作用過程中發生的重金屬次生富集[8-17],因其通常與風化成土、次生富集及成礦作用等地質過程相關,又被稱為地質成因。由地質成因引起的土壤重金屬富集區,通常又被稱為土壤重金屬地質高背景區,其重金屬元素含量及空間分布特征多與成土母巖、下伏地層等地質體密切相關,常呈區域性面積連片分布,其影響范圍遠大于呈點狀(或沿水系線狀分布)的人為成因土壤重金屬污染[18]。然而,可能因地質成因的土壤重金屬污染多位于人口密度相對較小的山區,或因其具有相對較高的穩定性尚未產生顯著的負面生態效應等影響,目前受到的關注度相對較低。

中國地球化學圖集[19]及相關研究[18,20-32]均顯示,云南峨眉山玄武巖區和碳酸鹽巖分布區的水系沉積物和土壤中重金屬元素異常富集,可能為典型的土壤重金屬地質高背景區;農業農村和生態環境等相關部門盡管針對部分地區耕地土壤重金屬污染現狀和成因作過調查研究,但在地質成因方面認識明顯不足。本文首次以地質大數據為基礎,從地質成因的角度,分析全省土壤重金屬地質高背景區分布范圍和富集元素,進一步明確影響土壤重金屬超標的巖性,為農用地土壤重金屬高背景來源解析與科學防控提供依據。

1 材料與方法

1.1 數據來源

本研究涉及的地球化學數據包括全省1∶20萬水系沉積物測量數據和1∶25萬土地質量地球化學調查(多目標區域地球化學調查)數據。

1∶20萬水系沉積物測量數據:該數據來源于1978年開始的全國范圍內系統實施的區域地球化學掃面計劃(RGNR)項目,采樣介質主要為分布于二級水系中和一級水系口上的水系沉積物,核心思想認為這種水系沉積物可以代表上游匯水盆地中土壤等地表疏松物質的平均元素含量[33]。其工作采樣密度為1～2件/km2,并按4 km2網格內樣品組合為一件樣品送實驗室分析,具體采樣和分析測試方法技術參見《區域地球化學勘查規范》(DZ/T 0167—2006)。本次研究收集水系沉積物數據點96 413個,基本覆蓋了云南省全境,基于該數據出版有《云南省地球物理地球化學圖集》和《云南省地球化學地質應用研究》。

1∶25萬土地質量地球化學調查(多目標區域地球化學調查)數據:該數據來源于中國地質調查局1999年開始實施的多目標區域地球化學調查計劃,又稱農業地質調查計劃或土地質量地球化學調查計劃。云南省相關工作啟動較晚,始于2006年,目前已覆蓋昆明(除東川、祿勸、富民、尋甸、嵩明外)、玉溪、昭通、會澤、宣威、保山(除騰沖、龍陵外)、文山、丘北、廣南等地區(圖1)。本研究工作僅使用了表層土壤(0～20 cm)數據,其平均采樣密度為1件/km2,并按4 km2網格內樣品組合為一件樣品送實驗室分析,具體采樣和分析測試方法技術參見《多目標區域地球化學調查規范(1∶ 250 000)》(DZ /T 0258—2014)和《土地質量地球化學評價規范》(DZ/T 0295—2016)。目前收集的數據覆蓋了昆明(除東川、祿勸、富民、尋甸、嵩明外)、玉溪、昭通和會澤地區,面積約52 866 km2,對應表層數據點13 464個。

圖1 云南省1∶25萬土地質量地球化學調查工作程度Fig.1 Map of 1∶250,000 geochemical survey of land quality in Yunnan Province

云南省區域地質圖:該矢量圖件為云南省地質科學研究所于1998年編制的數字版地質圖件,并于2006～2013年在開展“云南省礦產資源潛力評價”項目過程中對圖件進行了修編,是目前地質部門使用最廣、最具權威的區域地質類圖件。

1.2 方法可行性分析

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,可以代表上游匯水盆地中土壤等地表疏松物質的平均元素含量[33]。水系沉積物測量數據不僅服務于礦產勘查,而且被廣泛用于評價土壤地球化學環境。張春霖等[34]利用浙江省水系沉積物資料對全省土壤環境質量級別進行劃分;周余國等[35]以云南個舊地區水系沉積物數據為基礎,運用FCA模糊綜合評價對個舊地區地球化學環境進行了系統評價;朱輝等[36]通過對青海省東部地區已開展的水系沉積物測量和土地質量調查數據對比,得出8種重金屬元素在水系沉積物和土壤中的分布規律及分布形態高度一致,從而有效建立了水系沉積物的土壤環境預測模型。

昆明—玉溪和昭通—會澤地區水系沉積物和土壤數據均為2 km×2 km的組合樣品分析數據,具有相同的采樣密度且是重疊的,因此可對二者數據配對后進行相關性分析,結果表明水系沉積物和土壤中As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb、Zn含量均存在顯著正相關關系(P值均小于0.01),相關系數分別為0.506、0.160、0.763、0.743、0.256、0.690、0.193和0.232;土壤中As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb、Zn中位值分別為10.30×10-6、0.44×10-6、98.60×10-6、48.10×10-6、0.09×10-6、43.60×10-6、36.40×10-6和110.00×10-6,水系沉積物中As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb、Zn中位值分別為7.30×10-6、0.19×10-6、81.70×10-6、39.70×10-6、0.05×10-6、38.10×10-6、27.40×10-6和86.00×10-6,對比可知(圖2),昆明—玉溪和昭通—會澤地區土壤中8種重金屬元素中位值均高于水系沉積物,其中土壤中Cd和Hg中位值幾乎為水系沉積物中含量的2倍;同點位土壤與水系沉積物中的重金屬含量比值看出(圖2),土壤中重金屬含量大于水系沉積物中含量的樣品占比至少在60%以上,Hg、Cd、Pb更傾向于在土壤中富集,其原因一方面可能是土壤較水系沉積物含有更多的黏土礦物,這些黏土礦物對重金屬元素具有較強的吸附而更易形成次生富集,另一方面昆明—玉溪和昭通—會澤地區水系沉積物測量主要于1983～1998年完成,而土壤測量于2006～2020年完成,在中國工業化的近幾十年中,水系沉積物測量數據較土壤受到人類活動影響相對更小。由此可見,利用水系沉積物數據圈定土壤重金屬地質高背景區的技術方法可行,結果可能更可靠。

圖2 昆明—玉溪和昭通—會澤地區土壤和水系沉積物中重金屬元素含量對比Fig.2 Comparison of heavy metals concentration in soil and stream sediments in Kunming-Yuxi and Zhaotong-Huize regions

1.3 研究思路與方法

1.3.1 超標風險評價值的確定

根據中國環境監測總站[37]調查結果,云南省土壤pH含量范圍為4.0～8.8,平均值為5.7;昆明—玉溪、昭通—會澤地區表層土壤pH含量范圍分別為4.24～9.62和3.85～8.71,平均值分別為6.27和5.98;保山地區表層土壤pH含量范圍為4.13～8.33,平均值為6.45[21-22];可見云南省土壤pH整體呈酸性。根據《云南省第三次全國國土調查主要數據公報》統計結果,云南省水田面積99.14萬公頃,僅占全省耕地面積的18.38%,而旱地等農用地面積占絕對優勢。結合《土壤環境質量 農用地土壤污染風險管控標準(試行)》(GB 15618—2018),本次研究pH參考范圍為5.5～6.5,土地利用類型為其他,從而確定砷、鎘、汞、鉛、鉻、銅、鎳、鋅8個重金屬超標風險評價值分別為40.00×10-6、0.30×10-6、1.80×10-6、90.00×10-6、150.00×10-6、50.00×10-6、70.00×10-6和200.00×10-6。

1.3.2 超標占比臨界值的確定

《地球化學普查規范(1∶50 000)》(DZ/T 0011—2015)中將元素累積頻率在75%～95%之間所對應的含量值范圍定義為高背景區,劉東盛等[38-39]將全國土壤中鈷的75%分位值作為其高背景基線值。本次研究通過多次對比分析,將超標點位數和超標面積占比臨界值定為80%,較為符合地質單元中重金屬元素富集特征。

1.3.3 土壤重金屬地質高背景劃定方法

1)利用GIS空間屬性掛接功能,將96 413個水系沉積物數據點與其對應的地質單元屬性進行掛接,并按確定的超標風險評價值分別進行評價。若8種重金屬元素含量值有一個超過其相應超標風險評價值,則可判定該樣品綜合環境質量為超標,最后進行匯總并將綜合環境質量超標點數占比超過80%的地質單元篩選出來。

2)利用GIS空間插值功能,按上述超標風險評價值分別獲得8種重金屬元素的空間分布范圍,然后按并集方式求取8種重金屬元素的綜合環境質量空間分布范圍,并與全省區域地質圖進行空間疊加分析,最后匯總統計各地質單元中綜合環境質量超標的面積和所占比例,并將超標面積所占比例大于80%的地質單元篩選出來。

3)將綜合環境質量超標點數和超標面積所占比例同時大于80%的地質單元篩選出來即可判識為土壤重金屬地質高背景區。

2 結果與討論

2.1 劃定結果

利用GIS空間分析功能,疊加云南省區域地質圖及水系沉積物中8種重金屬含量和空間分布范圍,將超標點位數和超標面積占比大于80%的地質單元劃為土壤重金屬地質高背景區,其結果見表1和圖3。

表1 云南省土壤重金屬地質高背景區劃定結果Table 1 Delineation results of high geological background areas of soil heavy metals in Yunnan Province

圖3 云南省土壤重金屬地質高背景區分布Fig.3 Distribution map of high geological background areas of soil heavy metals in Yunnan Province

由表1可知,全省共劃定土壤重金屬地質高背景單元61個,其中14個地質單元為并層,總面積為8.31×104km2,占全省國土面積的21.09%。

從土壤重金屬地質高背景單元空間分布來看(圖3),高背景單元主要呈4大片分布,分別為滇中—滇東地區的昆明、昭通、曲靖、文山、紅河,滇西北香格里拉、麗江、大理,滇西南保山、芒市、永德、鎮康、耿馬、滄源、瀾滄、孟連及滇中哀牢山一帶等地區。

從地質時代看,高背景單元主要集中于泥盆紀(D)、石炭紀(C)、二疊紀(P)和三疊紀(T)4個時期,該時期為全省巖漿活動最為活躍、碳酸鹽巖分布范圍最廣的地質時代。

從地質單元巖性看,影響土壤重金屬元素含量的巖性主要為碳酸鹽巖(灰巖、白云巖)、基性—超基性火山巖(玄武巖、橄欖巖、輝石巖、蛇紋巖等)、中基性侵入巖(輝長閃長巖、輝綠巖、輝長輝綠巖)、含煤碎屑巖(黑色頁巖、煤、硅質巖等)和含基性組分碎屑巖(早三疊世泥質巖類)4類,其中含基性組分碎屑巖(T1x、T1f、Td、T1q)盡管為碎屑巖(泥巖、頁巖、粉砂巖),但相關研究[31,40-41]表明,該地層巖石在成巖過程中可能大量繼承了晚二疊世峨眉山高鈦玄武巖的物質成分,其超標的重金屬元素主要為Cr、Cu、Ni,也進一步證實可能受峨眉山玄武巖漿活動影響。由于云南省地質條件復雜,地質高背景區土壤重金屬含量并不受單一巖性影響,因此按巖性地質高背景區可劃分為以下幾類組合:①碳酸鹽巖:S-Dq、D2d、D2-3d-g、D2-3y-zj、D3g、D3zj、Dg、Dgg、C1-2h-m、C2m、C2s、Ch、Cj、Cy、Cw-m、C-Pt、P1d、P1y、T1l、T2b、T2g、Tj;②碳酸鹽巖與(含煤)碎屑巖并層:D2q、D2-3q-zj、Dd、Dl、Dlh、Dy、D3-C1z-y、D-Cy、C1b、C1-2w-d、P1bm-s、P1l-y、P2w、T1-2d-j、T1-2f-j、T1-2x-j、T2gl;③碳酸鹽巖與基性火山巖并層:C1pz、C2d-w、Cx、Tn;④含煤碎屑巖:P2h、P2l、P2x;⑤含基性組分碎屑巖:T1f、T1q、T1x、Td;⑥基性—超基性火山巖:P1-2e-l、Pe、Pg、T3nh、σ、Σ-Ν、N、φω、ψι;⑦中基性侵入巖:βμ、νδ。

2.2 劃定結果合理性評價

利用GIS空間分析功能分別提取昆明—玉溪、昭通—會澤地區位于地質高背景區的土壤樣品點,分別為789件和4 111件,再根據土壤中重金屬元素含量進行土壤污染風險評價,以此評價土壤重金屬地質高背景區劃定結果的合理性。

2.2.1 土壤污染風險評價方法

1)單因子評價法

依據《土壤環境質量 農用地土壤污染風險管控標準(試行)》(GB 15618—2018)中的篩選值Si,基于表層土壤中As、Cd、Cr、Hg、Pb、Cu、Ni、Zn的含量Ci,評價土壤重金屬超農用地篩選值的風險,并將其土壤環境質量等級分為兩類。

無風險類:Ci≤Si,土壤重金屬污染風險低,可忽略;

超農用地篩選值類:Ci>Si,可能存在農用地土壤污染風險。

2)多因子綜合評價

多因子綜合評價以8種重金屬單因子評價結果的最差類別來確定,如某一土壤樣品As、Cd、Cr、Hg、Pb、Cu、Ni、Zn單因子評價等級分別為無風險類、超農用地篩選值類、無風險類、無風險類、超農用地篩選值類、無風險類、無風險類、無風險類,那么多因子綜合評價等級則為超農用地篩選值類。

2.2.2 合理性評價

昆明—玉溪、昭通—會澤地區劃定土壤重金屬地質高背景單元27個,巖性主要為基性—超基性火山巖、碳酸鹽巖、含煤碎屑巖和早三疊世碎屑巖,其土壤重金屬污染風險評價結果見表2。各地質高背景單元土壤重金屬多因子綜合等級評價為超農用地篩選值類的樣品比例均在60%以上,其中除βμ和D3-C1z-y超標比例稍低,可能與其出露面積小、代表性不強有關外,其余地質單元超標比例在82.4%～100%。由此可見,本次通過1∶20萬水系沉積物成果劃定的土壤重金屬地質高背景單元,其結果是合理的。

表2 昆明—玉溪、昭通—會澤地區地質高背景單元土壤重金屬污染風險評價結果Table 2 Risk assessment results of soil heavy metals in high geological background units in Kunming-Yuxi and Zhaotong-Huize regions

2.3 超標重金屬元素探討

對劃定的土壤重金屬地質高背景區分別統計其水系沉積物中8種重金屬元素的中位值和超標比例,結果見表3和表4。由此可知,7大類巖性組合的地質高背景區均存在1個以上的重金屬元素中位值超過其相應的農用地污染風險篩選值,超標重金屬元素主要為Cu、Cr、Ni、Cd,而As、Pb、Zn、Hg中位值未超標;進一步結合超標比例來看,Cu、Cr、Ni、Cd超標比例相對最高,分別為78.29%、53.65%、50.74%和49.05%,其次為As、Zn、Pb,超標比例分別為22.03%、12.7%和5.21%,而Hg超標比例最低,僅為0.23%。其中,碳酸鹽巖高背景區超標重金屬元素主要為Cd、Cu、Ni、Cr、As,而Zn超標僅在D2-3y-zj、D3g等個別地層中;碳酸鹽巖與(含煤)碎屑巖并層高背景區超標重金屬元素主要為Cd、Cu、Cr、Ni;碳酸鹽巖與基性火山巖并層、含煤碎屑巖、含基性組分碎屑巖和基性—超基性火山巖高背景區超標重金屬元素均主要為Cu、Cr、Ni;中基性侵入巖高背景區超標重金屬元素均主要為Cu、Ni。已有大量研究表明,廣西[14,18,42]、貴州[16,43-44]、云南[25,30-31]等地碳酸鹽巖(灰巖、白云巖)區發育的土壤存在Cd、As、Cr、Cu明顯富集現象,其原因主要與碳酸鹽巖風化過程中因Ca、Mg等活性元素大量淋失,從而導致淋失相對緩慢的重金屬元素在原地次生富集有關;基性—超基性火山巖(玄武巖、橄欖巖、輝石巖、蛇紋巖等)中的Cu、Cr、Ni等元素含量明顯高于其他巖石,在該類巖石風化成土過程中Cu、Cr、Ni等被釋放出來,其中一部分進入水體中淋溶流失,其余的部分則與黏土礦物、鐵錳氧化物及有機質結合而殘留在土壤中形成富集[1,10-12];中基性侵入巖(輝長閃長巖、輝綠巖、輝長輝綠巖)中的Cu、Cr、Ni等元素含量雖低于基性—超基性火山巖,但明顯高于其他巖類[23],其發育的土壤中Cu、Cr、Ni發生富集的原因與基性—超基性火山巖基本一致;浙江[17,45]、湖南[46-47]、重慶[48]、貴州[49-50]等地黑色巖系發育的土壤存在As、Cd、Cu、Zn、Hg明顯富集現象,該類巖石富含有機質、硫化物以及多種重金屬元素,在風化成土過程中,巖石極易風化分解,重金屬元素被淋濾析出形成富集?？梢?本次劃定的碳酸鹽巖、基性—超基性火山巖和中基性侵入巖等地質高背景區土壤富集的重金屬元素與其他地區基本一致,而含煤碎屑巖區發育的土壤富集元素僅有Cu、Cr、Ni,無Cd和Zn,這可能與云南省含煤碎屑巖出露面積小,且多與峨眉山玄武巖地層伴生有關。綜上可知,全省土壤重金屬地質高背景區超標重金屬元素主要為Cu、Cr、Ni、Cd,而As主要于碳酸鹽巖地層中存在超標風險,Pb、Zn僅于個別地層中存在超標風險,Hg基本無超標風險。

表4 土壤重金屬地質高背景區水系沉積物中重金屬超標比例統計Table 4 Statistical results of the proportion of heavy metals exceeding the screening value in stream sediments in high geological background areas %

2.4 地質高背景區耕地分布情況

2020年9月15日,自然資源部向社會發布了2020年版30 m全球地表覆蓋數據,該套數據包括耕地、森林、草地、灌木地、濕地、水體、苔原、人造地表、裸地、冰川及永久積雪10種地表覆蓋類型,其中耕地指用于種植農作物的土地,包括水田、灌溉旱地、雨養旱地、菜地、牧草種植地、大棚用地、以種植農作物為主間有果樹及其他經濟喬木的土地,以及茶園、咖啡園等灌木類經濟作物種植地。通過與地質高背景區進行疊加統計后,即可初步了解不同地質高背景單元內的耕地分布情況,其結果見表5和圖4。全省位于土壤重金屬元素地質高背景區的耕地面積約284.41萬公頃,占全省國土面積的7.22%,其中碳酸鹽巖與(含煤)碎屑巖并層高背景區耕地面積最大,約為102.55萬公頃,其次為碳酸鹽巖和基性—超基性火山巖高背景區,耕地面積分別為87.44萬公頃和56.05萬公頃,而碳酸鹽巖、碳酸鹽巖與(含煤)碎屑巖并層高背景區超標重金屬元素個數較多,為Cd、Cu、Cr、Ni,因此需加強耕地土壤與農產品協同監測力度,優選對重金屬遷移富集能力弱的農作物。從空間分布看,滇東地區分布于地質高背景區的耕地面積和集中連片程度明顯高于其他地區,且主要受碳酸鹽巖、含煤碎屑巖、基性—超基性火山巖和早三疊世含基性組分碎屑巖等巖性共同影響,因此應重點加強滇東地區耕地土壤與農產品協同監測力度,保障農產品食用安全質量。

表5 云南省土壤重金屬地質高背景區耕地面積統計Table 5 Statistical results of cultivated land areas in high geological background areas of soil heavy metals in Yunnan Province

圖4 云南省土壤重金屬地質高背景區耕地分布Fig.4 Distribution map of cultivated land in high geological background areas of soil heavy metals in Yunnan Province

3 結論

1)首次全面、系統利用云南省區域地質圖和1∶20萬水系沉積物測量成果,劃定出61個土壤重金屬地質高背景單元,總面積8.31×104km2,占全省國土面積的21.09%;明確了影響土壤重金屬超農用地篩選值的巖性主要為碳酸鹽巖、基性—超基性火山巖、中基性侵入巖、含煤碎屑巖和含基性組分碎屑巖5類,據此全省地質高背景區可劃分為7類巖性組合。

2)昆明—玉溪、昭通—會澤地區土壤重金屬污染風險評價結果表明:位于調查區的各地質高背景單元土壤重金屬多因子綜合等級評價超標比例均在60%以上,證明本次劃定的土壤重金屬地質高背景區結果合理。

3)全省土壤重金屬地質高背景區超標重金屬元素主要為Cu、Cr、Ni、Cd,而As主要于碳酸鹽巖地層中存在超標風險,Pb、Zn僅于個別地層中存在超標風險,Hg基本無超標風險。

4)全省位于土壤重金屬地質高背景區的耕地面積約284.41萬公頃,占全省國土面積的7.22%,其中滇東地區分布于地質高背景區的耕地面積和集中連片程度明顯高于其他地區,建議重點加強滇東地區耕地土壤與農產品協同監測力度,保障農產品食用安全。