生态地质调查评价——以辽宁铁岭地区为例

陈树旺，邢德和，丁秋红，郑月娟，高 飞，卞雄飞，张志斌，商 翎，Antonina A.Zhukovskaya,Irina V.Ershova,Nadezhda A.Tomilovskaya

（1.沈阳地质矿产研究所，辽宁沈阳110034；2.阿穆尔地质企业，俄罗斯阿穆尔675029）

作为地质学的一个分支，生态地质学是生态学和地质学之间的新兴边缘科学［1-2］.其研究对象涉及岩石圈、土壤圈、水圈、大气圈及生物圈.生态地质调查目的是查明生态地质条件，确定其环境背景，以及人类技术活动对地质环境的破坏情况，评价自然或人为作用的活动强度及发展方向，进而研究地球浅表圈层的生态功能及其在生物（特别是人为影响下）时空演化规律，为区域资源利用和环境保护提供科学依据.

上个世纪80年代末，前苏联完成了较为系统的区域生态地质调查工作.1990年，批准出版了《1∶20万、1∶10 万地质生态调查和制图的要求》、《1∶5 万、1∶2.5万地质生态调查和制图的要求》等多项规范［3］.

我国生态地质调查试点项目始于1994年，原地矿部四川省地矿局开展了1∶5万大巴山区生态地质调查［4-5］，指出地球表层土壤是生物营养的主要来源，而这些元素种类和含量的高低由母岩中的矿物成分直接控制；人类的生产活动改变原有自然体系和人类生活质量.国内外一些学者［6-11］对生态地质学进行了程度不同的研究工作.

1 生态地质调查

1.1 资料收集整理

生态地质调查工作不仅涉及到基础地质、第四系地质、矿产资源［12-20］等，还与气候、地貌、水文、土壤以及生态环境［21-38］密切相关.资料收集和整理分析是生态地质调查必不可少的前期准备工作.气候资料可到气象台、站收集；地貌方面可通过地形图和遥感解译获得；地质灾害方面可通过地震局、矿山企业调查单位获得.水利和环保等部门资料分析，可概要了解地表水和地下水的水文状况和水质情况.地方病防治部门资料可了解地方病类型、分布状况.

1.2 野外调查取样

1.2.1 野外调查

野外调查主要内容包括：地质体的岩石类型、组构特征、露头状况以及抗风化程度；土壤地质类型、成土母岩特征以及土壤侵蚀等；植被类型、群落组成和盖度以及自然植被与人为植被发育状况.对观察到的水文和地质灾害等现象，要按照记录表的内容做必要的记录.登记采集的各类标本，重要自然、人文景观或特种生物等.

1.2.2 样品采集

（1）岩石-土壤-植物样品

在每个点上进行植物、土壤A层和土壤B层以及成土母岩（若能采到）取样（图1）.为200 m×200 m“信封状”取样.每个样品都从信封状的5个点上采200 g，混合成一个混合样.野外取样时应记录主要的地质、地貌景观特点、植物群落特征以及土壤地质类型等.

植物样品选择的果实或地面部分（茎、叶），最好选取同类植物（最好为禾本科）.每个样品须放在通风处，避免阳光直射，在室温下干燥后，将样品用纸或棉布样袋包装好；样品干重不低于50 g.

（2）地表水和底沉积物

地表水样品的稳定剂与包装按“中华人民共和国地质矿产行业标准地下水质检验方法水样的采集和保存（DZ/T0064.2-93）”的规定和实验室具体要求进行.地表水取样的同时，采集相应的底沉积物样品——现代河流的细粒级淤泥质、泥和泥沙质冲积物；样品量不少于500 g干重.

（3）地下水样

主要进行第一含水层取样，样品的稳定剂与包装按照“中华人民共和国地质矿产行业标准地下水质检验方法水样的采集和保存（DZ/T0064.2-93）”的规定和实验室要求.

（4）人发样品

在野外调查基础上，结合地方病分布状况和区域生态地质背景特征，与地下水采样点配合选择人发采样点；一般情况以村镇为基本取样点.通过对区域性的生态地质环境（岩石、土壤、水、食物等）与人发中的化学元素的研究，探讨环境与地方病的关系［32-35］.

1.3 样品分析

生态地质调查样品的分析项目总体上包括常量元素、微量元素和稀土元素三大类.本项目的样品测试者为国家地质实验测试中心，检测依据为DZ/T 0223-2001和《国家地质实验测试中心检定细则》.

1.3.1 岩石、土壤和底沉积物样品

常量元素：Na2O、MgO、Al2O3、SiO2、K2O、CaO、TiO2、Fe2O3、FeO、S、F、P2O5、MnO；微量元素：Sr、Zr、Ba、Ga、Rb、Hf、Be、Co、Cu、Zn、Mo、Cd、Cs、Tl、Pb、As、Sb、Bi、Hg、Se、Te、Br、I、B、Cl、V、Ni、Cr；稀土元素：La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Y、Lu、Y.此外还包括土壤有机质、土壤可溶有机质中饱和烃分析、有机氯农药残留分析和土壤放射性分析等.

1.3.2 水文地质样品

常规水质分析：SiO2、K、Na、Ca、Mg、Fe、Al、Sr、Be、Ti、V、Mn、Co、Ni、Cu、Zn、Ga、As、Br、Se、Rb、Y、Zr、Mo、Cd、Sb、Te、I、Cs、Ba、Hg、Ti、Pb、Bi， 以 及 Fe2+、NH4+、HCO3-、CO32-、SO42-、Cl-、NO3-、NO2-、总硬度、磷酸盐、可溶性总固体、总有机碳；稀土元素：La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、Y.

1.3.3 植被样品和人发样品

常量和微量元素：Na、Mg、Al、Si、K、Ca、Ti、Fe、S、F、P、Mn、Sr、Zr、Ba、Ga、Rb、Hf、Be、Co、Cu、Zn、Mo、Cd、Cs、Tl、Pb、As、Sb、Bi、Hg、Se、Te、Br、I、B、Cl、V、Cr、Ni；稀土元 素 ：La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、Y.

2 生态地质评价

生态地质评价是应用调查取样数据从定量的角度分析研究工作区生态地质背景状况.

2.1 Kc值评价

Kc值也叫浓集系数，是某一个采样点（如P501）的某种样品（A层土壤、B土壤、底沉积物，植物，地表水、地下水、降雪）的某个元素含量与评价指标（国家标准或区域背景值）的比值.它是一种简单评价法，是单元素的异常评价.

其中，Kci即所谓的“Kc值”，为第i个元素（或氧化物）的浓集系数；Cai为第i个元素在样品中的含量-实验室给定的测试数据；Cs¯i为第i个元素的评价指标（国家标准或区域背景含量）.Kc值的大小能够直接反映出研究对象（A层土壤、B土壤、底沉积物，植物，地表水、地下水、降雪）中某种元素相对于评价指标的异常状况.

2.1.1 评价指标的选择

（1）A层土壤、B层土壤和底沉积物样品的评价指标

SiO2、Al2O3、Fe2O3、FeO、CaO、MgO、K2O、Na2O、TiO2、MnO、P2O5等常量元素（氧化物）和 Cr、Be、Bi、V、Ni、Cu、Zn、Rb、Sr、Y、Zr、Ba、As、Sb、Hg、Se、B、Co、Mo、Cd、Pb等微量元素采用了区域土壤背景值［21］；S、F、Cl、Br、I、Ga、Cs、Hf、Tl、Te 等微量元素和稀土元素采样了世界土壤平均值［22］.

（2）地表水、地下水样品的评价指标

Fe、Be、Cr、Mn、Co、Ni、Cu、Zn、As、I、Cl－、NO3－、NO2－、F－、Se、Mo、Cd、Ba、Hg、Pb 采用了相应的国家标准（地表水环境质量标准GB3838-2002；地下水质量标准GB5705）中的Ⅲ类标准.

（3）植物样品的评价指标

植物样品的元素生态评价，按照水稻、榛子［38］、草本植物以及玉米等不同的植物种类，分别选择了相应的样品评价指标.

2.1.2 Kc值数据处理

按照Kc值计算公式，分别求出所有研究对象（岩石、B层土壤、A层土壤、地表水、底积物、降雪的融化雪水和其中的大气降尘、地下水、植物和人发）相对于评价指标的系列Kc值.对每种元素的Kc值，其数值大小或异常等级从小到大可分为最小—极强5个级别.如，铁岭地区A层土壤的Kc值评价为：中等异常区主要分布在东部低山丘陵区；轻度异常区位于中部的辽河平原及丘陵区.

2.2 Zc值评价

Zc值是对某一个采样点（如P501）的某种样品Kc值（A层土壤、B土壤、底沉积物，植物，地表水、地下水、降雪）的多元素含量依据评价指标（国家标准或区域背景值）进行的综合评价.从污染的角度讲，Zc值也叫总污染指数，某一个采样点的Zc值即该点样品Kc值中高于评价指标的的所有化学元素的Kc值之和.与Kc值评价不同，Zc值评价是对某个采样点的某类样品的多元素异常评价.

其中，Kci是第i个元素的Kc值；n为参与评价的异常元素数量.在本项目中，n=56.根据某一个采样点某种样品Kc值（A层土壤、B土壤、底沉积物，植物，地表水、地下水、降雪）第i个元素的Zc值的大小，可判断该样点某类采样对象（A层土壤、B土壤、底沉积物，植物，地表水、地下水、降雪）的污染（或异常）状况.

研究对象（A层土壤、B土壤、底沉积物，植物，地表水、地下水、降雪）的Zc值取决于自然背景（成土母质）和人为活动等复杂因素；根据Zc值的大小可分为最低污染—最强污染5个污染（异常）级别.

2.3 生态地质综合评价

Kc和Zc值评价只是从污染的角度对土壤、地表水、底沉积物、地下水以及植被等生态因子的单项因子评价，并未考虑这些生态因子共同作用的结果.与之相比，土壤、地表水、底沉积物、地下水以及植被覆盖、土壤侵蚀和地质灾害等诸多生态因子的共同作用必然大于其中任一单个因子的影响.我们探索应用某一区域内诸多生态因子评价参数的总和，比单个因子评价能够更好地反映区域生态状况.

2.3.1 评价因子的确定

区域生态地质状况涉及到地质背景、土壤、植被、水文以及地质灾害等多方面因素.在完成对土壤、水文、植被生态状况分类评价的基础上，可进行区域生态地质状况的综合评价.结合生态地质调查内容（包括野外调查的重点和室内样品分析测试的主要项目），主要选择了土壤生态状况参数：包括土壤厚度、土壤有机质、土壤有益常量元素组分含量、土壤微量元素组分含量、A层土壤的Zc值、土壤侵蚀程度；植被生态状况参数：包括植被覆盖率、自然植被覆盖率、植物体内有益常量组分含量、植物体内有益微量元素组分含量以及植被的Zc值；水文生态参数：包括地表水Zc值、底沉积物Zc值和地下水Zc值以及地质灾害发育程度参数.共计15项评价因子，作为区域生态地质状况的综合评价的主要评价指标.

2.3.2 评价级别的确立——因子得分

为了统一各项评价指标的量纲，在生态地质综合评价中按照评价指标的系统分类，对土壤、植被以及水文和地质灾害等评价指标划分评判级别并给定相应的因子得分.以俄罗斯生态地质评价（Zc值）的分类原则为依据并结合相关的土壤、水文环境质量评价方法［23］，将土壤生态状况参数、植被生态状况参数以及水文生态参数和地质灾害发育程度等评价指标分为5个评价级别.

2.3.3 生态地质综合指数的简单叠加法评价

反映区域生态地质状况的参数可分为正面因子参数（EcP）和负面因子参数（EcN）.

正面因子参数（EcP）包括：土壤厚度、土壤有机质、土壤中有益的常量和微量元素组分含量以及总的植被覆盖率与自然植被覆盖率（和植物体内有益的常量和微量元素组分含量）的因子得分之和.

负面因子参数（EcN）包括：土壤、植被、水文的Zc值以及土壤侵蚀和地质灾害发育程度的因子得分之和.

生态地质综合指数（Ec值）为其正面因子参数（EcP）与负面因子参数（EcN）的差值.

某个生态地质调查点（x）的生态地质综合指数（Ec值）及其正面因子参数（EcP）与负面因子参数（EcN）用公式表示分别为［39］：

Ec(x)=EcP(x)-EcN(x)；

EcP(x)=E1(x)+E2(x)+E3(x)+E4(x)+E7(x)+E8(x)+E9(x)+E10(x)；

EcN(x)=E5(x)+E6(x)+E11(x)+E12(x)+E13(x)+E14(x)+E15(x).

2.3.4 综合评价分区与资源开发和环境保护建议

基于野外调查［39］和上述公式，铁岭地区生态地质综合指数（Ec值）平均值为2.8.东部山区Ec值在10～15之间，为良好级，局部地区甚至大于15，属优质级；西北部风沙区大部分地段Ec≤0（局部地区小于-5），属危险级；中部平原区Ec值变化较大，但总体上介于东部山区与西北部风沙区之间；辽河冲积平原大部分地区和法库丘陵区Ec值相对较高（在5～10之间，属中等级）；昌图缓丘区、铁岭市和铁法市周边地带以及庆云堡－小青镇一带的Ec值相对较低（在0～5之间，属警戒级）.

以生态地质综合评价为基础，结合区域地貌特征与地质背景，将研究区划分为东部低山丘陵（Ⅰ区）；北部隆岗状缓丘区（Ⅱ区）；辽河冲积平原区（Ⅲ区）；西北部风蚀沙地区（Ⅳ区）和西部丘陵区（Ⅴ区）等5个生态地质区（图 2）［39］.5 个区的分界线为：新城子－铁岭－开原－昌图－下二台；东嘎－金家镇－八家子；秀水河子－依牛堡子－铁法－和平－北四家子；二牛所口－康平-北四家子.

Ⅰ区：东部低山丘陵区

该区的总体生态地质状况为良好—优质级别，其生态地质综合指数（Ec值）平均值为14.85.区内生态地质综合指数（Ec值）的均衡性较差，其东部地区（16～19）大于西部（10～15），局部小于 10.该区的正面因子参数EcP平均值为22.84，大大高于其他4个区；其负面因子参数EcN平均值为12.26，相对较小.

该区植被多样性较为良好，水文状况也明显优于其他几个地区.现存优质生态区急待有效保护.应结合旅游开发，创立特色农业（如，花岗岩质棕壤区适合种植葡萄、苹果等，基性岩质棕壤区适合种植榛子）和生态地质公园；对于区内零星分布的矿山，应控制区域性的植被破坏和水土流失，治理矿山周边重金属污染，留几处青山绿水给子孙后代.

Ⅱ区：北部隆岗状缓丘区

该区的总体生态地质状况较差，为警戒级.区内生态地质综合指数（Ec值）的均衡性较好，其生态地质综合指数（Ec值）平均值为4.13，仅有局部地段小于0.该区的正面因子参数EcP平均值为17.88，仅大于Ⅳ区、明显小于Ⅰ、Ⅲ、Ⅴ区；其负面因子参数EcN平均值为13.75，相对较小.

该区号称“辽北粮仓”，但目前存在土壤质量下降、传统大田作物有益元素组分含量低、有害组分升高的趋势.应该关闭“蚕食”农田的砖场，保护珍贵的可耕地资源！本区西部黄土状棕壤边缘地带应构建人工林、灌木和草本立体植被防护，减缓水土流失和沙漠化.

Ⅲ区：辽河冲积平原区

该区的总体生态地质状况为中等级，其生态地质综合指数（Ec值）平均值为7.43.区内生态地质综合指数（Ec值）的均衡性较差，在铁岭市的城区、铁法煤矿区以及通江口-后窑屯一带，Ec值小于7，大于0.该区的正面因子参数EcP平均值为19.62，仅小于Ⅰ区、明显大于Ⅱ、Ⅳ、Ⅴ区；其负面因子参数EcN平均值为12.19.

流域性问题：辽河干流工业类污染较为严重；地带性地下水铁含量严重超标，亟待政府部门解决；辽河河流水文状况恶化，洪枯期流量差值不断增大，流域性的旱涝灾害呈现上升态势.该区是辽北重要的水稻和蔬菜产地，其土壤和水文的环境生态状况直接关系到“菜篮子”和“米袋子”的安全.而该区工矿业发达，人口密度大，应切实作好生产和生活垃圾处理，避免造成土壤和水质污染.

Ⅳ区：西北部风蚀沙地区

该区的总体生态地质状况差，为危险级，其生态地质综合指数（Ec值）平均值为-0.75.区内生态地质综合指数（Ec值）的均衡性较好，仅局部地段（沙漠化严重地带）为-7.该区的正面因子参数EcP平均值为12.28，为5个区的最小者；而其负面因子参数EcN平均值为17.13，为5个区的最大者.

该区位于科尔沁沙地东南缘，在沙漠化严重、水文状况差的极端生态脆弱区，可采取生态移民政策.构建区域性人工林、灌木及草本的“立体植被防御系统”.防风固沙的重点，应放在生态脆弱的风沙土区，退耕还草，珍惜现存的沙地植被，禁止开荒种地.

Ⅴ区：西部丘陵区

该区的总体生态地质状况一般，为中等级.其生态地质综合指数（Ec值）平均值为7.13.区内生态地质综合指数（Ec值）的均衡性较差，在靠近Ⅳ区地带，Ec值为1；而在铁法与法库之间的丘陵区Ec值最高为12，属于良好级别.该区的正面因子参数EcP平均值为19.31，小于Ⅰ、Ⅲ区，大于Ⅱ、Ⅳ区；其负面因子参数EcN平均值为12.19.

对于区内煤矿、硅灰石矿以及采石、挖沙场，整顿矿业秩序，控制区域性的植被破坏和水土流失，预防地面沉降或山体滑坡等地质灾害发生.关闭散布在丘陵周边黄土状棕壤区的砖场，保护耕地资源.该区丘陵地带土层薄，土壤侵蚀强烈，应切实保护现存自然林和人工林网——沈阳市与科尔沁沙地之间的最后一道“绿色屏障”.

3 结语

生态地质学研究的重要内容是地球表生带的元素生物地球化学循环，作为生物地球化学循环物质基础和决定因素的岩石、土壤、水和植物则是该项研究的主要对象.区域地质构造、地质体类型、岩石和矿物组分等地质因素是生态环境的物质基础，而土壤、水文和植被的生态状况则是区域生态地质背景优劣的决定因素.在流域性和区域性尺度（1∶25 万和 1∶50 万），进行生态地质调查工作，查明地球浅表生态系统内岩石－土壤－水－生物（包括人类）－大气的生态状况，全面而正确地认识它们之间的相互作用与影响，有助于深入认识人为活动与自然环境间的影响和制约关系，正确处理资源开发利用与保护间的矛盾，为区域社会经济和谐发展提供科学依据.

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