成都經(jīng)濟(jì)區(qū)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)地球化學(xué)評(píng)價(jià)

成都經(jīng)濟(jì)區(qū)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)地球化學(xué)評(píng)價(jià)

中國(guó)是世界上很少使用相同樣點(diǎn)的密度系統(tǒng)（rcgr計(jì)劃）進(jìn)行全國(guó)化學(xué)完成圖的國(guó)家之一。1.25萬(wàn)目標(biāo)區(qū)域的地球化學(xué)調(diào)查是中國(guó)區(qū)域化勘探區(qū)之外的一個(gè)新國(guó)家領(lǐng)導(dǎo)人。它從1999年實(shí)施至今,以土壤、湖積物、海積物、水(地表水/淺層地下水)作為主要采樣介質(zhì),兼顧大氣、生物樣品,已覆蓋面積135萬(wàn)km2。空間上它基本涵蓋中國(guó)中東部平原區(qū)和西部主要經(jīng)濟(jì)區(qū)帶,涉及農(nóng)田、城市、河流、湖泊(濕地)、森林、草原、淺海等生態(tài)系統(tǒng),獲得了數(shù)千萬(wàn)個(gè)高質(zhì)量的地球化學(xué)數(shù)據(jù),為我國(guó)開(kāi)展各生態(tài)系統(tǒng)及不同生態(tài)系統(tǒng)間的區(qū)域生態(tài)地球化學(xué)評(píng)價(jià)提供了極其難得的機(jī)會(huì)[9,10,11,12,13,14,9,10,11,12,13,14]。該計(jì)劃在查明我國(guó)農(nóng)業(yè)主產(chǎn)區(qū)土壤地球化學(xué)質(zhì)量現(xiàn)狀的同時(shí),發(fā)現(xiàn)在我國(guó)長(zhǎng)江流域、珠江流域等農(nóng)業(yè)主產(chǎn)區(qū)和蔬菜生產(chǎn)基地,農(nóng)田土壤重金屬異常富集,氮肥使用過(guò)量,土壤酸化趨勢(shì)加速,土壤環(huán)境質(zhì)量呈顯著惡化趨勢(shì)。局部地區(qū)土壤Cd等重金屬含量超標(biāo)嚴(yán)重,與此對(duì)應(yīng),大宗農(nóng)作物和蔬菜普遍出現(xiàn)Cd等重金屬元素超標(biāo),使我國(guó)大宗農(nóng)作物的安全生產(chǎn)面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。針對(duì)上述問(wèn)題,中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局近年在持續(xù)推進(jìn)1∶25萬(wàn)多目標(biāo)區(qū)域地球化學(xué)調(diào)查的同時(shí),還開(kāi)展了以重金屬元素成因來(lái)源、遷移途徑、生態(tài)效應(yīng)和預(yù)測(cè)預(yù)警為主要研究?jī)?nèi)容的區(qū)域生態(tài)地球化學(xué)評(píng)價(jià),其中農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的區(qū)域生態(tài)地球化學(xué)評(píng)價(jià)是核心內(nèi)容之一。本文以四川省成都經(jīng)濟(jì)區(qū)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中Cd元素的區(qū)域生態(tài)地球化學(xué)評(píng)價(jià)為例,論述區(qū)域生態(tài)地球化學(xué)評(píng)價(jià)的基本思路和研究方法,目的是為農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)區(qū)域生態(tài)地球化學(xué)評(píng)價(jià)提供范例,為全國(guó)正在開(kāi)展的類似研究提供實(shí)例。1基層農(nóng)田表層土壤cd含量的特征(1)土壤類型。成都經(jīng)濟(jì)區(qū)位于四川盆地西部,包括成都市、德陽(yáng)市、綿陽(yáng)市、眉山市全部及樂(lè)山市、雅安市人口密集區(qū),是四川省大宗農(nóng)作物的主產(chǎn)區(qū)。區(qū)內(nèi)土壤類型眾多,其中水稻土、紫色土分別是平原區(qū)、丘陵區(qū)的主要土壤類型,黃壤、潮土、黃褐土不足5%;山區(qū)農(nóng)業(yè)區(qū)則以黃(棕、暗棕)壤、石灰土為主(圖1)。(2)土壤Cd的環(huán)境質(zhì)量狀況。研究區(qū)1∶25萬(wàn)多目標(biāo)區(qū)域地球化學(xué)調(diào)查:表層土壤采樣密度為1個(gè)樣品/km2,1個(gè)組合分析樣/4km2,采樣深度0～20cm;深層土壤采樣密度為1個(gè)樣品/4km2,1個(gè)組合分析樣/16km2,采樣深度150～180cm,分析As、Hg等52項(xiàng)元素和pH、TOC2個(gè)指標(biāo)。對(duì)上述雙層采樣模式獲得的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)顯示(表1),成都經(jīng)濟(jì)區(qū)農(nóng)田表層土壤Cd的平均含量是深層土壤中Cd含量的1.56倍,顯著高于深層土壤。采用GB15618—1995土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行計(jì)算顯示,研究區(qū)表層土壤Cd環(huán)境質(zhì)量達(dá)到一級(jí)和二級(jí)的面積占總調(diào)查面積的92.56%,三級(jí)和四級(jí)面積為4536km2,占總調(diào)查面積的7.44%,深層土壤Cd環(huán)境質(zhì)量一級(jí)和二級(jí)占總調(diào)查面積的為96.34%,三級(jí)和四級(jí)面積為2320km2,占總調(diào)查面積的3.66%。表層土壤Cd環(huán)境質(zhì)量達(dá)三級(jí)和四級(jí)的面積是深層土壤的1.96倍,表明研究區(qū)局部地段表層土壤Cd環(huán)境質(zhì)量較深層土壤有惡化之勢(shì)。與此對(duì)應(yīng)的是成都經(jīng)濟(jì)區(qū)水稻籽實(shí)Cd含量從最低值28μg/kg變化到最高值1346μg/kg,變化幅度較大。表層土壤Cd含量高的地區(qū),水稻籽實(shí)Cd含量均有一定比例的樣品超過(guò)無(wú)公害食品標(biāo)準(zhǔn)。水稻籽實(shí)Cd含量最大值出現(xiàn)在德陽(yáng)地區(qū),超過(guò)無(wú)公害食品標(biāo)準(zhǔn)6.7倍之多,此外德陽(yáng)地區(qū)水稻籽實(shí)Cd含量總體較其他地區(qū)高(圖2)。因此查明成都經(jīng)濟(jì)區(qū)農(nóng)田土壤Cd環(huán)境質(zhì)量惡化的原因,評(píng)估Cd對(duì)大宗農(nóng)作物的影響及預(yù)測(cè)其未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)對(duì)保證該區(qū)糧食作物的安全生產(chǎn)、阻止土壤Cd環(huán)境質(zhì)量繼續(xù)惡化具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。2樣品采集與質(zhì)量分析2.1區(qū)域生態(tài)地球化學(xué)評(píng)價(jià)根據(jù)成都經(jīng)濟(jì)區(qū)農(nóng)田土壤和水稻籽實(shí)Cd含量情況,在成都經(jīng)濟(jì)區(qū)分別布置了大氣干濕沉降、化肥、水稻(同點(diǎn)位采集根系土)、下滲水、天降水等各類樣品(圖3),用來(lái)開(kāi)展該區(qū)的區(qū)域生態(tài)地球化學(xué)評(píng)價(jià)。大氣干濕沉降樣品和化肥樣品采用10個(gè)樣點(diǎn)/104km2的密度采集,其中大氣干濕沉降樣品采樣周期為一年?；什杉c(diǎn)位上,采集當(dāng)?shù)厥┯玫乃蟹N類化肥樣品。按照不同灌溉水系布設(shè)灌溉水樣點(diǎn),于灌溉季節(jié)采集灌溉水樣。累計(jì)采集土壤樣品1562件,植物樣品276件,灌溉水樣121件,化肥樣品86件,農(nóng)藥分析樣品10件,大氣沉降樣品58件。2.2樣品的檢測(cè)全部樣品在加工后由安徽省地質(zhì)實(shí)驗(yàn)中心進(jìn)行分析測(cè)試,分析過(guò)程中分別插入3%的GSS-1—GSS-6、GBW07601(人發(fā)HH-1),GBW07602(灌木枝葉GSV-1),GBW08508(大米粉),GBW07604(楊樹(shù)葉GSV-3)、GBW08603(水),GBW08608(水)等國(guó)家一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)及5%的密碼重復(fù)樣進(jìn)行分析質(zhì)量監(jiān)控,并抽取一定比例的樣品進(jìn)行外檢,監(jiān)控樣的分析數(shù)據(jù)顯示樣品分析質(zhì)量符合《生態(tài)地球化學(xué)評(píng)價(jià)樣品分析技術(shù)要求(試行)》1的規(guī)定要求。3土壤cd的起源3.1cd與土壤地球化學(xué)背景值的關(guān)系成都經(jīng)濟(jì)區(qū)土壤Cd環(huán)境質(zhì)量的空間分布顯示(圖4),空間上Cd環(huán)境質(zhì)量為III、IV級(jí)的地區(qū)主要分布在龍門山、山前地區(qū),尤其在綿竹、北川、漢源、天全等地,且深、表層具有空間分布耦合的特點(diǎn)。深、表層水稻土Cd、Zr的相關(guān)性研究發(fā)現(xiàn)(圖5),深、表層土壤中Zr顯著相關(guān),Sc、Al等元素也具有類似情況,表明在成土作用過(guò)程中,Zr、Sc、Si等元素相對(duì)穩(wěn)定,深、表層土壤上述元素含量具有繼承性。而Cd顯著不同于Zr,雖然深、表層土壤Cd也顯著相關(guān),但相關(guān)系數(shù)明顯小于Zr,說(shuō)明成都經(jīng)濟(jì)區(qū)表層土壤中的Cd既繼承了深部土壤Cd含量的特征,也明顯受到人類活動(dòng)影響。由于表層土壤中Cd的含量水平和分布特征受母巖Cd含量、成土過(guò)程和人類活動(dòng)等因素聯(lián)合控制,因此在研究土壤Cd來(lái)源時(shí)既要考慮研究區(qū)土壤的自然背景,也要考慮人類活動(dòng)的影響。地球化學(xué)背景值的確定方法文獻(xiàn)中有大量報(bào)道,不同研究目的,其背景值的確定方法也存在一定的差異。在多目標(biāo)區(qū)域地球化學(xué)調(diào)查中,通常將地表以下1.5～1.8m處的深部土壤樣品中元素含量作為區(qū)域表層土壤元素的背景值。該種方法的前提是要求深層土壤與表層土壤具有一致的物質(zhì)來(lái)源和礦物組成。全國(guó)多目標(biāo)區(qū)域地球化學(xué)調(diào)查發(fā)現(xiàn),1.5～1.8m深處通常已是成土母巖。因此,用母巖中元素含量作為土壤背景值忽略了成土過(guò)程中元素的自然富集和貧化作用。而在河流沖洪積物垂向變化較大的地區(qū),深層土壤與表層土壤礦物種類和化學(xué)組成也會(huì)有較大差異,因此用深層土壤元素含量作為背景值會(huì)有較大的誤差。大量文獻(xiàn)已證實(shí),Al、Sc、Th、Hf、Zr等元素可以定量反演源區(qū)物質(zhì)組成。以Zr作為研究區(qū)土壤中微量元素背景值獲取的校正元素,為了避免人為降低表層土壤中元素含量背景值,在充分參考前人研究成果的基礎(chǔ)上[23,24,25,26,27,28,29,30],將富集系數(shù)大于1.5的樣品作為污染樣品進(jìn)行剔除,并按不同成土母質(zhì)作為統(tǒng)計(jì)單元,進(jìn)行分布形式檢驗(yàn),直至符合正態(tài)分布,取其平均含量代表自然背景。成都經(jīng)濟(jì)區(qū)農(nóng)田土壤的計(jì)算顯示(表2),地表土壤中的Cd背景值應(yīng)為0.20mg/kg。3.2外源cd輸入途徑大氣干濕沉降、肥料和灌溉水及淤泥一直被認(rèn)為是農(nóng)田區(qū)污染物的主要來(lái)源,Stiglian(1995)對(duì)歐洲的研究顯示,化肥是歐洲農(nóng)田土壤Cd污染的主要來(lái)源。由于成都經(jīng)濟(jì)區(qū)農(nóng)田土壤基本不使用淤泥作為肥料,因此外源Cd輸入的主要途徑為大氣干濕沉降、肥料和灌溉水。對(duì)全區(qū)大氣干濕沉降、化肥、灌溉水的分析數(shù)據(jù)研究發(fā)現(xiàn)(圖6),每年由大氣干濕沉降物輸入到農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中的Cd高達(dá)19.42g/(hm2·a),占總輸入通量的89.20%,而灌溉水與化肥的年輸入通量?jī)H為1.54g/(hm2·a)和0.81g/(hm2·a),表明成都經(jīng)濟(jì)區(qū)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中Cd的輸入途徑明顯區(qū)別于歐洲。大氣干濕沉降是成都經(jīng)濟(jì)區(qū)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)外源Cd的主要輸入途徑。其中成都、德陽(yáng)地區(qū)的外源Cd輸入通量顯著高于眉山、樂(lè)山、綿陽(yáng)地區(qū),雅安地區(qū)最低(表3),這與上述地區(qū)的工業(yè)發(fā)展規(guī)模和強(qiáng)度基本一致。3.3cd輸出通量農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)土壤Cd的輸出途徑主要包括作物收割、蒸騰作用、淋濾作用、地表徑流等,限于目前的研究資料,研究中由地表徑流和蒸騰作用引起的Cd輸出量未予考慮。對(duì)作物收割的Cd輸出通量計(jì)算顯示(表3),成都經(jīng)濟(jì)區(qū)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)作物收割導(dǎo)致的Cd輸出通量為0.62～3.89g/(hm2·a),平均為1.87g/(hm2·a),其中以德陽(yáng)地區(qū)的Cd輸出通量最大,其次為眉山和雅安地區(qū)。研究區(qū)下滲水中Cd元素的輸出通量仍在研究之中,但初步的數(shù)據(jù)顯示(表3),由天降水導(dǎo)致的下滲水Cd平均輸出通量為2.34g/(hm2·a),略高于作物收割的輸出通量。盡管研究區(qū)表層、深層土壤Cd含量具有繼承關(guān)系,但由于研究區(qū)Cd以凈輸入為主,導(dǎo)致表層土壤Cd含量顯著高于深層土壤。4重要的現(xiàn)實(shí)意義土壤環(huán)境地球化學(xué)預(yù)警對(duì)保證農(nóng)產(chǎn)品、地下水與地表水安全具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。由于成都經(jīng)濟(jì)區(qū)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)影響土壤環(huán)境質(zhì)量和生態(tài)系統(tǒng)安全性的主要因素是土壤中的Cd及其土壤酸化問(wèn)題,因此,土壤環(huán)境地球化學(xué)預(yù)測(cè)預(yù)警目標(biāo)因子為土壤中Cd與pH。4.1土壤環(huán)境質(zhì)量成都經(jīng)濟(jì)區(qū)農(nóng)田表層土壤Cd的背景值為0.20mg/kg,由于農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)Cd輸入輸出的凈增量為正值,因此,表層土壤Cd是逐年累積的。假設(shè)外源Cd凈輸入總量全部落在厚度為20cm的耕層土壤中,土壤容重1.5t/m3,每公頃質(zhì)量約為3000000kg,則全區(qū)土壤Cd含量年凈增量為0.006mg/kg,而成都地區(qū)土壤Cd含量年凈量高達(dá)0.014mg/kg,德陽(yáng)、樂(lè)山和綿陽(yáng)次之,含量增量大于0.005mg/kg,雅安地區(qū)Cd含量年增加量?jī)H為0.002mg/kg(表4)。假設(shè)研究區(qū)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)Cd的輸入-輸出通量以目前的速度持續(xù)下去,則未來(lái)20a研究區(qū)土壤Cd環(huán)境質(zhì)量的演變示于表5。從表中可以看出,若不采取Cd輸入的有效減排措施,有生態(tài)危害的三級(jí)土壤面積急劇增加;20a以后,符合國(guó)家土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的二級(jí)農(nóng)耕土壤和一級(jí)土壤面積將迅速減少。成都經(jīng)濟(jì)區(qū)目前一級(jí)土壤和三級(jí)土壤分別占總面積的20.29%和5.56%;20年后,一級(jí)土壤將降至0.59%,三級(jí)土壤則增至11.24%。特別是成都、德陽(yáng)和樂(lè)山三地,土壤Cd污染速度快,三級(jí)土壤所占比例增幅顯著,未來(lái)20a將增加2～3倍。一級(jí)土壤面積銳減,降幅高達(dá)97.6%,20a后,德陽(yáng)地區(qū)一級(jí)土壤消失,成都和樂(lè)山一級(jí)土壤面積不足0.1%。隨著一級(jí)土壤減少和三級(jí)土壤增加,二級(jí)適耕土壤面積先增加后減少。未來(lái)15a,因大量一級(jí)土壤質(zhì)量下降,使得二級(jí)土壤面積增長(zhǎng)了15%,但是5a之后,二級(jí)土壤面積開(kāi)始減少,說(shuō)明土壤已經(jīng)大面積污染,適耕土壤面積將全面縮小。4.2化肥、土壤養(yǎng)分及施肥量。在實(shí)地調(diào)查中認(rèn)為,化肥的施量土壤酸化的原因既有成土過(guò)程中鹽基離子的自然淋失致使土壤酸化,也可因燃煤或汽車尾氣氮氧化物釋放導(dǎo)致酸沉降增加,使土壤酸化速度加快,或由于銨態(tài)氮肥的大量施用,加速了土壤酸化。研究區(qū)不同地區(qū)雨水中酸根離子量及引起土壤pH變化程度顯示(表6):雨水中含有大量的Cl-、SO2?442-、NO-3酸根離子和K+、Na+、Ca2+、Mg2+堿金屬和堿土金屬離子。假設(shè)未來(lái)20a內(nèi)雨水中酸性物質(zhì)和堿性物質(zhì)含量保持恒定,則由雨水沉降導(dǎo)致的土壤酸化面積迅速擴(kuò)大,弱酸性和強(qiáng)酸性土壤面積分別從18.89%、9.829%上升到23.73%和14.05%(表7)?；适寝r(nóng)作物增產(chǎn)的重要保證,但大量使用化肥也可造成嚴(yán)重的水體富營(yíng)養(yǎng)化、土壤板結(jié)和酸化。其中氮肥如未被植物充分吸收,則銨態(tài)氮經(jīng)硝化作用變?yōu)橄鯌B(tài)氮:在上述轉(zhuǎn)變過(guò)程中,1molNH+4會(huì)產(chǎn)生2mol的H+。大量研究表明,世界上氮肥的利用率僅為40%～60%,磷肥僅為10%～20%,鉀肥僅為40%～60%。我國(guó)目前化肥的平均利用率約為33%,其中氮、磷、鉀肥利用率分別為30%、19.5%、47.2%,遠(yuǎn)低于發(fā)達(dá)國(guó)家化肥平均利用率50%～60%的水平。以氮肥為例,我國(guó)施用的碳銨利用率約為24%～31%,尿素約為30%～35%,硫銨約為30.3%～42.7%。成都經(jīng)濟(jì)區(qū)主要氮肥為碳酸氫銨(NH4HCO3),其導(dǎo)致的土壤H+增加可由下式計(jì)算:其中,NH+為氮肥引起的H+增加量(mol/(m2·a));M為施肥量(g/(m2·a));α為氮肥的氮含量(%);β為氮肥的利用率(%);MN為氮的摩爾質(zhì)量(g/mol);n為H+與NH+4的摩爾比,此處為2。實(shí)地調(diào)查結(jié)果顯示,成都經(jīng)濟(jì)區(qū)平均每年每畝地施肥(NH4HCO3)100kg,折合150g/(m2·a)。氮肥中含氮量為17.1%,氮肥利用率平均值為27%,則每年每平方米可新增H+2.67mol。尿素的施用與碳酸氫銨具有類似的數(shù)量關(guān)系。研究區(qū)另一類用量較大的化肥是磷肥,主要產(chǎn)品是過(guò)磷酸鈣(Ca(H2PO4)2),施用過(guò)程中每1molCa(H2PO4)2可以釋放4molH+。研究區(qū)實(shí)地調(diào)查過(guò)磷酸鈣每年每畝地施Ca(H2PO4)250kg,折合75g/(m2·a)。磷肥中含磷量為12%,磷肥利用率取平均值20%,則每年每平方米可新增H+0.21mol。以上兩項(xiàng)合計(jì)增加H+2.88mol,可以引起pH值降低0.095。該項(xiàng)研究結(jié)果與張明報(bào)道的農(nóng)田連續(xù)7年使用氮肥就可使土壤pH值從6.9下降到6.1,平均每年下降0.1個(gè)單位的結(jié)論基本一致。研究區(qū)因酸雨沉降和施肥等因素使土壤pH值下降的平均速率為0.106a-1,其中化肥施用的貢獻(xiàn)率為89.62%。由此可見(jiàn),化肥施用所引起的土壤酸化是一個(gè)非常嚴(yán)重的環(huán)境問(wèn)題,僅由化肥施用就可使研究區(qū)弱酸性和強(qiáng)酸性土壤面積從27.58%上升到68.46%。特別是成都、眉山和綿陽(yáng)三地,土壤酸化速率超過(guò)了50%(表8)。4.3土壤酸緩沖能力過(guò)渡態(tài)土壤自然酸化過(guò)程是鹽基離子陽(yáng)離子淋失,使土壤交換性陽(yáng)離子變成以Al3+和H+為主的過(guò)程。鹽基飽和度的變化是酸雨對(duì)土壤最基本的影響,而鹽基淋溶又是酸緩沖機(jī)制之一,當(dāng)土壤中鹽基離子減少到臨界值時(shí),土壤失去酸緩沖能力,酸化速度加快,生態(tài)危害增加[39,40,41,39,40,41]。全區(qū)15000件表層土壤中鉀、鈣、鈉、鎂含量之和與土壤pH值散點(diǎn)圖顯示(圖7):土壤pH值與鹽基離子含量在pH=7.4時(shí)具有明顯的變化拐點(diǎn),并可用下列函數(shù)關(guān)系來(lái)描述:當(dāng)土壤pH值大于臨界點(diǎn)7.4時(shí),即使土壤酸化不大,pH值下降很少,也能造成大量的K+、Na+、Ca2+、Mg2+等鹽基離子淋失。如pH從8.5下降至8.0時(shí),減少0.5個(gè)pH單位,土壤中鹽基離子從約7.2%下降至約6.2%,下降了約1%。越過(guò)這個(gè)臨界點(diǎn)后,土壤酸化迅速,K+、Na+、Ca2+、Mg2+等鹽基離子的淋失作用明顯減弱,如pH從7.0降到6.5,減少0.5個(gè)pH單位,鹽基陽(yáng)離子含量也僅從4.6%降至約4.2%,下降約0.4%。也即土壤pH與鹽基離子濃度之間呈現(xiàn)非線性突然變化的特征,這與Stigliani等(1992)提出的化學(xué)定時(shí)炸彈(CTBs)模型完全一致。由此可見(jiàn),可用土壤的鹽基離子濃度來(lái)表征土壤pH的變化速率,也即對(duì)酸性沉降物的緩沖能力。由于pH為7.4是研究區(qū)土壤酸緩沖能力突變點(diǎn),將大于該值1個(gè)單位的8.4作為高度安全區(qū)域界限,大于8.4的區(qū)域用深綠色表示,表明該區(qū)土壤酸性緩沖能力極強(qiáng),是放心安全區(qū);將pH=7.5～8.4,定義為安全區(qū)域,用淺綠色表示,表明該區(qū)土壤酸性緩沖能力較強(qiáng),也是放心安全區(qū);將臨界點(diǎn)附近pH=7.4～7.5,定義為過(guò)渡區(qū)預(yù)警,用橙色表示,表明土壤緩沖能力處于過(guò)渡態(tài),靠近化學(xué)定時(shí)炸彈爆發(fā)點(diǎn),一旦環(huán)境惡化就會(huì)引起爆發(fā),需要高度警惕;將臨界點(diǎn)附近pH=6.5～7.4,定義為危險(xiǎn)區(qū)預(yù)警,用黃色表示,表明能夠引發(fā)化學(xué)定時(shí)炸彈的概率很高,土壤緩沖能力很弱,是預(yù)警區(qū)域,要防止酸化加劇,另一方面如果加以治理,提高土壤的pH值,也會(huì)較快提高酸性緩沖能力;將pH<6.5區(qū)域定義為報(bào)警區(qū),用紅色表示,表明土壤已基本喪失酸緩沖能力,需要報(bào)警,如果要提高酸緩沖能力,需要很大的努力才會(huì)對(duì)土壤pH值有大的提高。根據(jù)土壤酸化緩沖能力的上述預(yù)警模型,對(duì)全區(qū)的土壤酸性緩沖能力進(jìn)行預(yù)警顯示(圖8):研究區(qū)近一半面積的土壤酸性緩沖能力很強(qiáng),但是全區(qū)近30%面積的土壤酸化問(wèn)題十分嚴(yán)重,酸性緩沖能力不容樂(lè)觀,全區(qū)近20%的面積處于危險(xiǎn)區(qū)域,亟待提高pH值,避免酸化加劇喪失酸性緩沖能力。4.4研究區(qū)生態(tài)安全現(xiàn)狀預(yù)警保證農(nóng)產(chǎn)品安全生產(chǎn)是土壤最基本的功能。改革開(kāi)放以來(lái),隨著我國(guó)工業(yè)化和農(nóng)業(yè)集約化程度的不斷提高,污染和土壤酸化已成為農(nóng)產(chǎn)品安全產(chǎn)生的一大障礙。文獻(xiàn)資料顯示,土壤中重金屬含量與作物籽實(shí)中的重金屬含量具有一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系。研究區(qū)水稻籽實(shí)中Cd的富集系數(shù)與pH具有顯著相關(guān)性(圖9),其函數(shù)關(guān)系式為根據(jù)上述關(guān)系方程,利用多目標(biāo)區(qū)域地球化學(xué)調(diào)查數(shù)據(jù)就可以估算到研究區(qū)水稻籽實(shí)中Cd含量。在土壤生態(tài)系統(tǒng)安全性預(yù)警圖上,籽實(shí)Cd含量小于0.1mg/kg,達(dá)到綠色食品安全標(biāo)準(zhǔn),在圖中用深綠色表示;籽實(shí)Cd含量介于0.1～0.2mg/kg,達(dá)到無(wú)公害食品和國(guó)家食品安全標(biāo)準(zhǔn),在圖中用淺綠色表示;籽實(shí)Cd含量介于0.2～0.4mg/kg,超過(guò)國(guó)家食品安全標(biāo)準(zhǔn),但低于國(guó)際食品標(biāo)準(zhǔn),在圖中用黃色表示。世界衛(wèi)生組織規(guī)定成年人Cd的最大允許攝入量RdD值為7μg/(kg·d);根據(jù)我國(guó)平均食物消費(fèi)結(jié)構(gòu),人均每年消費(fèi)稻麥等谷類糧食作物206kg,設(shè)谷類全部為大米,則成人每天消費(fèi)稻米0.564kg,計(jì)算出稻米中Cd允許含量則為0.372mg/kg。2006年7月初,總部設(shè)在日內(nèi)瓦的國(guó)際食品規(guī)范委員會(huì)(CAC)對(duì)食物中的Cd的限定最高含量設(shè)定了新的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)新標(biāo)準(zhǔn),每千克精白米中Cd的含量最高不能超過(guò)0.4mg。因此籽實(shí)Cd含量大于0.4mg/kg,超過(guò)國(guó)際食品標(biāo)準(zhǔn),在圖中用紅色表示。對(duì)研究區(qū)當(dāng)前生產(chǎn)安全現(xiàn)狀預(yù)警顯示(圖10),目前研究區(qū)絕大部分水稻是安全的,占到整個(gè)面積的95%。發(fā)出紅色警報(bào)的水稻區(qū)域約1.5%,黃色預(yù)警區(qū)域約3.7%,主要分布在研究區(qū)的北部(德陽(yáng)和綿陽(yáng)),以及研究區(qū)南部(雅安和樂(lè)山)。這些地方作為農(nóng)田用地必須進(jìn)行土地改良或合理規(guī)劃用地,否則勢(shì)必會(huì)惡化。而研究區(qū)中東部大部分地區(qū)可以開(kāi)展大面積農(nóng)產(chǎn)品種植和名特優(yōu)綠色食品的開(kāi)發(fā)。假設(shè)各地區(qū)pH值保持現(xiàn)狀不變,土壤中重金屬Cd含量每年保持線性增加,即年凈增量不變,則可對(duì)全區(qū)未來(lái)若干年土壤中Cd含量進(jìn)行估算。同時(shí)通過(guò)建立的預(yù)測(cè)模型函數(shù)關(guān)系式,求得pH值不變的情況下水稻籽實(shí)中Cd的含量,判斷各個(gè)研究地區(qū)的生態(tài)安全警示程度(圖11)。圖11顯示,隨著時(shí)間推移,土壤中的Cd不斷富集,導(dǎo)致土壤質(zhì)量惡化,同時(shí)引起水稻籽實(shí)中Cd含量增加,使得農(nóng)產(chǎn)品安全性下降,深綠色區(qū)域不斷向淺綠色區(qū)域轉(zhuǎn)化,黃色預(yù)警區(qū)域同時(shí)蔓延擴(kuò)張,在未來(lái)30a左右時(shí)間里,盡管在保持全區(qū)食品安全的基礎(chǔ)上,綠色食品的安全面積卻下降了10%。所以,要保持現(xiàn)有綠色食品質(zhì)量,要爭(zhēng)取在30a的時(shí)間內(nèi),有計(jì)劃、有目的地進(jìn)行農(nóng)田土地系統(tǒng)治理,最大程度減少土壤重金屬污染,改善農(nóng)田生態(tài)安全急劇惡化的趨勢(shì)。同時(shí)可以知道,在未來(lái)50a內(nèi),研究區(qū)絕大部分面積水稻是安全的,50a后超標(biāo)紅色報(bào)警的區(qū)域僅上升為0.05%左右,但黃色預(yù)警區(qū)域面積擴(kuò)大近一倍,上升了2.4%,應(yīng)該引起重視。假設(shè)各地區(qū)土壤中重金屬Cd含量保持不變,主要受到酸沉降影響,土壤酸化嚴(yán)重,同時(shí)假設(shè)過(guò)若干年后,土壤pH值分別下降0.2個(gè)單位、0.5個(gè)單位、0.7個(gè)單位、1個(gè)單位,對(duì)全區(qū)的生態(tài)安全進(jìn)行預(yù)測(cè)(表9)。表9和圖12為研究區(qū)土壤中Cd不變,pH持續(xù)下降時(shí)各預(yù)警區(qū)域面積變化趨勢(shì)。從中可以看出,研究區(qū)內(nèi)淺綠色安全區(qū)域的水稻質(zhì)量會(huì)隨著土壤pH值的提高能大幅度的向深綠色安全區(qū)域轉(zhuǎn)換,即通過(guò)提高土壤pH值能大大提高水稻質(zhì)量。研究區(qū)在酸化程度加劇1個(gè)pH值情況下,會(huì)有1.57%的面積紅色報(bào)警,是現(xiàn)狀紅色報(bào)警面積的2倍多。按照現(xiàn)今土壤中Cd增加和pH下降速率,利用CF(%)=-11.93pH+105.72,預(yù)測(cè)20a后研究區(qū)水稻籽實(shí)中Cd含量(表10)。從中可以看出,土壤質(zhì)量退化明顯,深綠色區(qū)域所占比例下降幅度大,安全土壤等級(jí)大面積降低。20a后,近70%的安全等級(jí)土壤“降等”為一般土壤,須報(bào)警土壤面積也將由目前的不足4%快速增高至27%。5外源cd輸入及輸出情況(1)成都經(jīng)濟(jì)區(qū)多目標(biāo)區(qū)域地球化學(xué)調(diào)查顯示地表土壤Cd環(huán)境質(zhì)量達(dá)到三級(jí)和四級(jí)面積為4536km2,占總調(diào)查面積的7.44%,地表土壤Cd環(huán)境三級(jí)及四級(jí)的面積是深部土壤的1.96倍,表明研究區(qū)局