成都經(jīng)濟區(qū)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)地球化學評價

成都經(jīng)濟區(qū)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)地球化學評價

中國是世界上很少使用相同樣點的密度系統(tǒng)（rcgr計劃）進行全國化學完成圖的國家之一。1.25萬目標區(qū)域的地球化學調(diào)查是中國區(qū)域化勘探區(qū)之外的一個新國家領(lǐng)導人。它從1999年實施至今,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km2?？臻g上它基本涵蓋中國中東部平原區(qū)和西部主要經(jīng)濟區(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)千萬個高質(zhì)量的地球化學數(shù)據(jù),為我國開展各生態(tài)系統(tǒng)及不同生態(tài)系統(tǒng)間的區(qū)域生態(tài)地球化學評價提供了極其難得的機會[9,10,11,12,13,14,9,10,11,12,13,14]。該計劃在查明我國農(nóng)業(yè)主產(chǎn)區(qū)土壤地球化學質(zhì)量現(xiàn)狀的同時,發(fā)現(xiàn)在我國長江流域、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,氮肥使用過量,土壤酸化趨勢加速,土壤環(huán)境質(zhì)量呈顯著惡化趨勢。局部地區(qū)土壤Cd等重金屬含量超標嚴重,與此對應(yīng),大宗農(nóng)作物和蔬菜普遍出現(xiàn)Cd等重金屬元素超標,使我國大宗農(nóng)作物的安全生產(chǎn)面臨嚴峻挑戰(zhàn)。針對上述問題,中國地質(zhì)調(diào)查局近年在持續(xù)推進1∶25萬多目標區(qū)域地球化學調(diào)查的同時,還開展了以重金屬元素成因來源、遷移途徑、生態(tài)效應(yīng)和預測預警為主要研究內(nèi)容的區(qū)域生態(tài)地球化學評價,其中農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的區(qū)域生態(tài)地球化學評價是核心內(nèi)容之一。本文以四川省成都經(jīng)濟區(qū)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中Cd元素的區(qū)域生態(tài)地球化學評價為例,論述區(qū)域生態(tài)地球化學評價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)地球化學評價提供范例,為全國正在開展的類似研究提供實例。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)濟區(qū)位于四川盆地西部,包括成都市、德陽市、綿陽市、眉山市全部及樂山市、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∶25萬多目標區(qū)域地球化學調(diào)查:表層土壤采樣密度為1個樣品/km2,1個組合分析樣/4km2,采樣深度0～20cm;深層土壤采樣密度為1個樣品/4km2,1個組合分析樣/16km2,采樣深度150～180cm,分析As、Hg等52項元素和pH、TOC2個指標。對上述雙層采樣模式獲得的數(shù)據(jù)統(tǒng)計顯示(表1),成都經(jīng)濟區(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)量標準進行計算顯示,研究區(qū)表層土壤Cd環(huán)境質(zhì)量達到一級和二級的面積占總調(diào)查面積的92.56%,三級和四級面積為4536km2,占總調(diào)查面積的7.44%,深層土壤Cd環(huán)境質(zhì)量一級和二級占總調(diào)查面積的為96.34%,三級和四級面積為2320km2,占總調(diào)查面積的3.66%。表層土壤Cd環(huán)境質(zhì)量達三級和四級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。與此對應(yīng)的是成都經(jīng)濟區(qū)水稻籽實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Cd含量均有一定比例的樣品超過無公害食品標準。水稻籽實Cd含量最大值出現(xiàn)在德陽地區(qū),超過無公害食品標準6.7倍之多,此外德陽地區(qū)水稻籽實Cd含量總體較其他地區(qū)高(圖2)。因此查明成都經(jīng)濟區(qū)農(nóng)田土壤Cd環(huán)境質(zhì)量惡化的原因,評估Cd對大宗農(nóng)作物的影響及預測其未來發(fā)展趨勢對保證該區(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)地球化學評價根據(jù)成都經(jīng)濟區(qū)農(nóng)田土壤和水稻籽實Cd含量情況,在成都經(jīng)濟區(qū)分別布置了大氣干濕沉降、化肥、水稻(同點位采集根系土)、下滲水、天降水等各類樣品(圖3),用來開展該區(qū)的區(qū)域生態(tài)地球化學評價。大氣干濕沉降樣品和化肥樣品采用10個樣點/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位上,采集當?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,于灌溉季節(jié)采集灌溉水樣。累計采集土壤樣品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樣品的檢測全部樣品在加工后由安徽省地質(zhì)實驗中心進行分析測試,分析過程中分別插入3%的GSS-1—GSS-6、GBW07601(人發(fā)HH-1),GBW07602(灌木枝葉GSV-1),GBW08508(大米粉),GBW07604(楊樹葉GSV-3)、GBW08603(水),GBW08608(水)等國家一級標準物質(zhì)及5%的密碼重復樣進行分析質(zhì)量監(jiān)控,并抽取一定比例的樣品進行外檢,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)地球化學評價樣品分析技術(shù)要求(試行)》1的規(guī)定要求。3土壤cd的起源3.1cd與土壤地球化學背景值的關(guān)系成都經(jīng)濟區(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。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,表明在成土作用過程中,Zr、Sc、Si等元素相對穩(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,說明成都經(jīng)濟區(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、成土過程和人類活動等因素聯(lián)合控制,因此在研究土壤Cd來源時既要考慮研究區(qū)土壤的自然背景,也要考慮人類活動的影響。地球化學背景值的確定方法文獻中有大量報道,不同研究目的,其背景值的確定方法也存在一定的差異。在多目標區(qū)域地球化學調(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)來源和礦物組成。全國多目標區(qū)域地球化學調(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組成也會有較大差異,因此用深層土壤元素含量作為背景值會有較大的誤差。大量文獻已證實,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行剔除,并按不同成土母質(zhì)作為統(tǒng)計單元,進行分布形式檢驗,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)濟區(qū)農(nóng)田土壤的計算顯示(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為是農(nóng)田區(qū)污染物的主要來源,Stiglian(1995)對歐洲的研究顯示,化肥是歐洲農(nóng)田土壤Cd污染的主要來源。由于成都經(jīng)濟區(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僅為1.54g/(hm2·a)和0.81g/(hm2·a),表明成都經(jīng)濟區(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、德陽地區(qū)的外源Cd輸入通量顯著高于眉山、樂山、綿陽地區(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。對作物收割的Cd輸出通量計算顯示(表3),成都經(jīng)濟區(qū)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)作物收割導致的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,導致表層土壤Cd含量顯著高于深層土壤。4重要的現(xiàn)實意義土壤環(huán)境地球化學預警對保證農(nóng)產(chǎn)品、地下水與地表水安全具有重要的現(xiàn)實意義。由于成都經(jīng)濟區(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及其土壤酸化問題,因此,土壤環(huán)境地球化學預測預警目標因子為土壤中Cd與pH。4.1土壤環(huán)境質(zhì)量成都經(jīng)濟區(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0.014mg/kg,德陽、樂山和綿陽次之,含量增量大于0.005mg/kg,雅安地區(qū)Cd含量年增加量僅為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)危害的三級土壤面積急劇增加;20a以后,符合國家土壤環(huán)境質(zhì)量標準的二級農(nóng)耕土壤和一級土壤面積將迅速減少。成都經(jīng)濟區(qū)目前一級土壤和三級土壤分別占總面積的20.29%和5.56%;20年后,一級土壤將降至0.59%,三級土壤則增至11.24%。特別是成都、德陽和樂山三地,土壤Cd污染速度快,三級土壤所占比例增幅顯著,未來20a將增加2～3倍。一級土壤面積銳減,降幅高達97.6%,20a后,德陽地區(qū)一級土壤消失,成都和樂山一級土壤面積不足0.1%。隨著一級土壤減少和三級土壤增加,二級適耕土壤面積先增加后減少。未來15a,因大量一級土壤質(zhì)量下降,使得二級土壤面積增長了15%,但是5a之后,二級土壤面積開始減少,說明土壤已經(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。在實地調(diào)查中認為,化肥的施量土壤酸化的原因既有成土過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,則由雨水沉降導致的土壤酸化面積迅速擴大,弱酸性和強酸性土壤面積分別從18.89%、9.829%上升到23.73%和14.05%(表7)。化肥是農(nóng)作物增產(chǎn)的重要保證,但大量使用化肥也可造成嚴重的水體富營養(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)變過程中,1molNH+4會產(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%,遠低于發(fā)達國家化肥平均利用率50%～60%的水平。以氮肥為例,我國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)濟區(qū)主要氮肥為碳酸氫銨(NH4HCO3),其導致的土壤H+增加可由下式計算: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。實地調(diào)查結(jié)果顯示,成都經(jīng)濟區(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)品是過磷酸鈣(Ca(H2PO4)2),施用過程中每1molCa(H2PO4)2可以釋放4molH+。研究區(qū)實地調(diào)查過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。以上兩項合計增加H+2.88mol,可以引起pH值降低0.095。該項研究結(jié)果與張明報道的農(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率為89.62%。由此可見,化肥施用所引起的土壤酸化是一個非常嚴重的環(huán)境問題,僅由化肥施用就可使研究區(qū)弱酸性和強酸性土壤面積從27.58%上升到68.46%。特別是成都、眉山和綿陽三地,土壤酸化速率超過了50%(表8)。4.3土壤酸緩沖能力過渡態(tài)土壤自然酸化過程是鹽基離子陽離子淋失,使土壤交換性陽離子變成以Al3+和H+為主的過程。鹽基飽和度的變化是酸雨對土壤最基本的影響,而鹽基淋溶又是酸緩沖機制之一,當土壤中鹽基離子減少到臨界值時,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值散點圖顯示(圖7):土壤pH值與鹽基離子含量在pH=7.4時具有明顯的變化拐點,并可用下列函數(shù)關(guān)系來描述:當土壤pH值大于臨界點7.4時,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,減少0.5個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%。越過這個臨界點后,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pH單位,鹽基陽離子含量也僅從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)提出的化學定時炸彈(CTBs)模型完全一致。由此可見,可用土壤的鹽基離子濃度來表征土壤pH的變化速率,也即對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,將大于該值1個單位的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,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,也是放心安全區(qū);將臨界點附近pH=7.4～7.5,定義為過渡區(qū)預警,用橙色表示,表明土壤緩沖能力處于過渡態(tài),靠近化學定時炸彈爆發(fā)點,一旦環(huán)境惡化就會引起爆發(fā),需要高度警惕;將臨界點附近pH=6.5～7.4,定義為危險區(qū)預警,用黃色表示,表明能夠引發(fā)化學定時炸彈的概率很高,土壤緩沖能力很弱,是預警區(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,也會較快提高酸性緩沖能力;將pH<6.5區(qū)域定義為報警區(qū),用紅色表示,表明土壤已基本喪失酸緩沖能力,需要報警,如果要提高酸緩沖能力,需要很大的努力才會對土壤pH值有大的提高。根據(jù)土壤酸化緩沖能力的上述預警模型,對全區(qū)的土壤酸性緩沖能力進行預警顯示(圖8):研究區(qū)近一半面積的土壤酸性緩沖能力很強,但是全區(qū)近30%面積的土壤酸化問題十分嚴重,酸性緩沖能力不容樂觀,全區(qū)近20%的面積處于危險區(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。改革開放以來,隨著我國工業(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。文獻資料顯示,土壤中重金屬含量與作物籽實中的重金屬含量具有一定的對應(yīng)關(guān)系。研究區(qū)水稻籽實中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,利用多目標區(qū)域地球化學調(diào)查數(shù)據(jù)就可以估算到研究區(qū)水稻籽實中Cd含量。在土壤生態(tài)系統(tǒng)安全性預警圖上,籽實Cd含量小于0.1mg/kg,達到綠色食品安全標準,在圖中用深綠色表示;籽實Cd含量介于0.1～0.2mg/kg,達到無公害食品和國家食品安全標準,在圖中用淺綠色表示;籽實Cd含量介于0.2～0.4mg/kg,超過國家食品安全標準,但低于國際食品標準,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)我國平均食物消費結(jié)構(gòu),人均每年消費稻麥等谷類糧食作物206kg,設(shè)谷類全部為大米,則成人每天消費稻米0.564kg,計算出稻米中Cd允許含量則為0.372mg/kg。2006年7月初,總部設(shè)在日內(nèi)瓦的國際食品規(guī)范委員會(CAC)對食物中的Cd的限定最高含量設(shè)定了新的國際標準。根據(jù)新標準,每千克精白米中Cd的含量最高不能超過0.4mg。因此籽實Cd含量大于0.4mg/kg,超過國際食品標準,在圖中用紅色表示。對研究區(qū)當前生產(chǎn)安全現(xiàn)狀預警顯示(圖10),目前研究區(qū)絕大部分水稻是安全的,占到整個面積的95%。發(fā)出紅色警報的水稻區(qū)域約1.5%,黃色預警區(qū)域約3.7%,主要分布在研究區(qū)的北部(德陽和綿陽),以及研究區(qū)南部(雅安和樂山)。這些地方作為農(nóng)田用地必須進行土地改良或合理規(guī)劃用地,否則勢必會惡化。而研究區(qū)中東部大部分地區(qū)可以開展大面積農(nóng)產(chǎn)品種植和名特優(yōu)綠色食品的開發(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,則可對全區(qū)未來若干年土壤中Cd含量進行估算。同時通過建立的預測模型函數(shù)關(guān)系式,求得pH值不變的情況下水稻籽實中Cd的含量,判斷各個研究地區(qū)的生態(tài)安全警示程度(圖11)。圖11顯示,隨著時間推移,土壤中的Cd不斷富集,導致土壤質(zhì)量惡化,同時引起水稻籽實中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,黃色預警區(qū)域同時蔓延擴張,在未來30a左右時間里,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,要爭取在30a的時間內(nèi),有計劃、有目的地進行農(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。同時可以知道,在未來50a內(nèi),研究區(qū)絕大部分面積水稻是安全的,50a后超標紅色報警的區(qū)域僅上升為0.05%左右,但黃色預警區(qū)域面積擴大近一倍,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,土壤酸化嚴重,同時假設(shè)過若干年后,土壤pH值分別下降0.2個單位、0.5個單位、0.7個單位、1個單位,對全區(qū)的生態(tài)安全進行預測(表9)。表9和圖12為研究區(qū)土壤中Cd不變,pH持續(xù)下降時各預警區(qū)域面積變化趨勢。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pH值情況下,會有1.57%的面積紅色報警,是現(xiàn)狀紅色報警面積的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,預測20a后研究區(qū)水稻籽實中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,安全土壤等級大面積降低。20a后,近70%的安全等級土壤“降等”為一般土壤,須報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)濟區(qū)多目標區(qū)域地球化學調(diào)查顯示地表土壤Cd環(huán)境質(zhì)量達到三級和四級面積為4536km2,占總調(diào)查面積的7.44%,地表土壤Cd環(huán)境三級及四級的面積是深部土壤的1.96倍,表明研究區(qū)局