土地质量地球化学调查工程主要进展与成果
2022-02-02成杭新
彭 敏, 成杭新
(1.中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所，廊坊 065000;2.中国地质调查局土地质量地球化学调查评价研究中心，廊坊 065000;3.中国地质科学院地球表层碳-汞地球化学循环重点实验室，廊坊 065000)
0 引言
“土地质量地球化学调查工程”源于中国地质调查局1999年启动实施的“多目标区域地球化学调查计划”[1-2]。2015年，随着中国地质调查局职能定位的调整，原“多目标区域地球化学调查”更名为“土地质量地球化学调查”并设立“土地地球化学调查工程”，由中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所牵头组织南京地质调查中心、西安地质调查中心、沈阳地质调查中心等10余家单位实施。2019年“土地地球化学调查工程”更名为“土地质量地球化学调查工程”(工程)并延续至今。工程2015年下设二级项目6个，2016年～2018年下设二级项目11个，2019年～2021年下设二级项目7个。
2015年以来，工程对照“服务方向、指导理论和发展动力”三个根本转变的要求，全面审视面临的国家需求变化，认真分析勘查地球化学学科已有的基础和优势、存在的差距和问题，顺时应势提出：①以国民经济和社会发展重大需求作牵引，以服务耕地保护、脱贫攻坚等国家战略和自然资源管理为依托，实现土地质量地球化学评价理论创新和调查方法技术进步；②发展土壤重金属污染风险评价方法体系；③立足揭示土壤元素区域宏观分布规律的驱动机理或过程；④开拓表生地球化学元素迁移理论研究的新局面。
经过7年的努力，土地质量地球化学评价理论和调查方法技术自主创新能力显著增强；调查成果在脱贫攻坚、土壤污染防治、生态文明建设和自然资源管理等领域得到广泛应用，带动产生巨大经济社会效益；在发展创新调查工作的理论方法和拓展延长服务领域发挥引领作用，为全面实现勘查地球化学转型发展打下了坚实的基础。笔者在系统梳理土地质量地球化学调查工程众多成果的基础上，简要概述了2015年以来工程在基础调查、科学理论创新、方法技术进步及成果服务应用等方面取得的部分新进展和标志性成果，并提出了未来的工作展望。
1 基础调查进展
1.1 查明我国主要农耕区土地质量地球化学状况
2015年以来，工程在原“多目标区域地球化学调查计划”的基础上，持续推进全国主要农耕区1∶250 000土地质量地球化学调查。2015年～2021年间，完成滇西边境地区、乌蒙山区、成渝地区、西北耕地区、东北黑土区、海峡西岸、珠江下游、淮河皖江经济区、滇黔桂岩溶区、京津冀鲁地区、粤桂湘鄂地区、南阳盆地1∶250 000土地质量地球化学调查近8×105km2。至2021年底，全国累计完成1∶250 000土地质量地球化学调查2.7×106km2(图1)，获得超过80余万件土壤样品54项元素指标(Ag、As、Au、B、Ba、Be、Bi、Br、Cd、Ce、Cl、Co、Cr、Cu、F、Ga、Ge、Hg、I、La、Li、Mn、Mo、N、Nb、Ni、P、Pb、Rb、S、Sb、Sc、Se、Sn、Sr、Th、Ti、Tl、U、V、W、Y、Zn、Zr、SiO2、Al2O3、TFe2O3、MgO、CaO、Na2O、K2O、TC、Corg、pH)分析测试数据超过4×107个。
图1 全国土地质量地球化学调查工作程度图(截至2021年底)Fig.1 Area already covered by the land quality geochemical survey project in China(by the end of 2021)
2015年工程建立了全国和31个省(区、市)土地质量地球化学调查数据库，在全面分析超过3×107条调查数据的基础上，对我国耕地地球化学总体状况形成初步认识，支撑中国地质调查局向社会公开发布《中国耕地地球化学调查报告(2015年)》[3]。2021年工程进一步补充和更新了全国土地质量地球化学调查数据库，参照《土地质量地球化学评价规范(DZ∕T 0295-2016)》[4]，以2 km×2 km方里网格作为基本评价单元，基于土壤氮、磷、钾、镉、汞、砷、铅、铬、铜、镍和锌11种化学元素含量，开展了土地养分、环境及地球化学综合质量评价，形成了“我国主要农耕区土地地球化学综合等以质量总体较好，中上的土地占比超90%”的总体认识和基本判断，编制了《中国土地地球化学状况报告2021》，为土地资源保护和利用、农业生产布局优化、国家粮食安全保障等提供了重要的基础国情数据。
1.2 构建重点区域土地质量地球化学监测网
1992年～1995年，在原地质矿产部“八五”重大基础研究项目的支持下，中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所谢学锦院士牵头构建“中国土壤环境质量地球化学监控网络”[5]，建立监测点位843个，获得了20世纪90代初全国土壤环境质量总体状况，为掌握我国土壤环境地球化学总体状况及动态变化奠定了重要参照基准。2015年～2016年，土地质量地球化学调查工程对“中国土壤环境质量地球化学监控网络”的监测点进行了重访采样，并补充部分空白区监测样点，总监测点数增至995个，全国平均监控密度约1×104km2/1个点。2017年～2018年，以2002年～2005年1:250 000多目标区域地球化学调查点位为基础，在长江三角洲、湘江流域、珠江三角洲、京津冀和东北地区，建立了重点区域级土地质量地球化学监测网络(图2)，共建立监测点6 000余个，覆盖面积约54×104km2，平均监控密度约80×104km2/1个点。基于多期监测数据的综合研究分析，对我国土地质量地球化学状况总体变化趋势及局部地区存在的生态环境问题形成了初步认识和基本判断。与1992年～1995年相比，我国土壤环境质量状况总体较稳定，南方局部地区存在土壤酸化和镉等重金属元素含量升高的风险，北方局部地区存在土壤沙化和营养元素流失的现象。
图2 国家及重点区域级土地地球化学监测网络(截至2021年底)Fig.2 National and key regional land geochemical monitoring network in China(by the end of 2021)
1.3 获得中国土壤元素地球化学背景值与基准值
土壤元素地球化学背景值与基准值是科学评价土壤元素环境状况、持续监测和预测未来变化趋势的重要基础[6-7]。工程系统梳理了20余年来通过规范采样和严格分析质量控制获得的高精度表深层土壤元素含量数据，根据土壤元素地球化学背景值与基准值主要影响因素，分别按照成土母岩、大地构造单元、地理景观、降雨带、气温带、土壤类型、用地类型、行政区、流域、农业区对土壤元素地球化学数据进行分区分类统计，采用科学严谨的分析统计方法，计算获得了中国土壤元素地球化学背景值与基准值。该成果将以公开出版的形式向社会发布，可为自然资源、生态环境、农业农村等政府部门制定相关管理决策提供详实的基础信息，同时为相关科学研究提供重要参考。
1.4 编制全国和重点区域以及典型地区等不同层级的系列地球化学成果图集
工程系统整合了全国已有土地质量地球化学调查与监测数据，编制完成《全国土地质量地球化学图集》、《全国土地质量地球化学监测图集》、《长江经济带土地资源地球化学专题图集》、《乌蒙山区土地质量地球化学调查成果图集》、《新疆耕地区土地质量地球化学调查成果图集》、《赣州市土地质量地球化学调查成果图集》等系列地球化学成果图集(包含基础图、元素地球化学图、地球化学评价等级图和成果应用图等各类图件)，为全国-重点区域-典型地区不同层级的国土空间规划、土地资源管理、土壤污染防控、农业生产及应对全球气候变化等提供了重要基础国情数据。
1.5 调查圈定一大批富硒土地资源
硒是人体必需的微量元素之一，具有增强人体免疫力、抗氧化、预防癌症等重要保健功效[8-9]。国内、外大量临床实验证实，人体缺硒易导致重要器官的功能失调、免疫力下降，从而诱发克山病、大骨节病等疾病[10-11]。我国是一个土壤硒含量缺乏国家，全国A层土壤Se背景值为0.21 mg/kg[12]，显著低于美国A层土壤背景值(0.39 mg/kg)和全球土壤硒含量中值(0.40 mg/kg)[13]。有机硒具有安全、生物活性好、吸收利用率高的优点，对人体的保健作用优于无机硒。植物中的硒主要以有机硒的形态存在[14-16]，从天然富硒农产品中摄取有机硒，是人体补硒的最优途径。土壤硒是植物硒的主要物质来源，因此，精准圈定富硒土地，因地制宜开发天然富硒农产品，是全面提高国民硒摄入量和健康水平，服务健康中国战略的有效途径。
1∶250 000土地质量地球化学调查结果显示，全国硒含量达到《天然富硒土地划定与标识(试行)(DZ / T 0380-2021)》[17]规定阈值且8项重金属(As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb、Zn)含量均小于GB15618-2018[18]风险筛选值的富硒土地为29.8×104km2。如图3所示，我国富硒土地资源空间分布不均，南方显著优于北方，其中广西、广东、福建、湖南、湖北、浙江和江西富硒土地面积均大于2×104km2，7省(区)合计面积达17.6×104km2，占全国总面积的59.0%；西藏、北京、吉林、上海、宁夏富硒土地面积均小于0.1×104km2。
图3 各省(市、区)1∶250 000土地质量地球化学调查发现的富硒土地面积Fig.3 The area of selenium-rich land discovered by land quality geochemical survey in different provinces of China
为精确查明可供直接开发利用的富硒地块边界，土地质量地球化学调查工程在江西赣州市、黑龙江海伦市、四川沐川县、新疆焉耆县等地重点地区实施1∶50 000及以上比例尺的高精度“订单式”土地质量地球化学调查，圈定可供直接开发利用的富硒地块超过200×104亩。此外，调查还发现符合国家食品安全标准且富硒率较高的水稻、玉米、茶叶等特色农产品20余种。为调查区地方政府因地制宜开发富硒土地资源，发展特色生态农业，提高农产品附加值，促进农民稳定增收，服务乡村振兴提供了有力支撑。
2 理论创新与方法技术进步
2.1 提出了表生地球化学动力学元素迁移理论
表生地球化学动力学是研究化学元素及同位素在地球表层岩石、水、土壤、生物、大气等介质或圈层中分布、分配、迁移及演化规律的驱动机制、动力学
过程和分馏机理的学科[19]。土壤圈处于岩石圈、水圈、生物圈和大气圈的交换地带，与各圈层不断进行物质循环和能量交换，是元素发生重新分配的重要场所。通过对我国西南典型山区1:250 000土地质量地球化学调查表深层土壤数据与气候、地形地貌和地质背景的综合研究，揭示了土壤常量元素、亲生物元素、卤族元素和重金属元素宏观分布规律的驱动机制和互动过程。成土母质决定了土地资源中化学元素的自然状况，表生地球化学动力学过程重塑了表层土壤中元素分布模式，生物地球化学过程驱动了土地质量的演化趋势，强烈的人类活动破坏了元素分布的自然演化规律。基于以上认识初步提出了表生地球化学动力学元素迁移理论，为山水林田湖草生命共同体知识体系构建和土地资源地球化学综合调查技术的革新指引了方向。
2.2 揭示土壤汞和硒等元素区域宏观分布规律及其驱动机制
将元素地球化学行为与生物地球化学循环的驱动因素相结合，从宏观尺度揭示了土壤汞、硒等元素区域宏观分布规律及其控制因素。围绕汞的大规模迁移过程开展基础与应用基础研究，在阐释汞时空分布变化的驱动机制方面取得重大成果。在深入分析23年来我国土壤汞含量变化的基础上，揭示了我国土壤汞以气态形式从东南沿海土壤中释放，在东南季风驱动和青藏高原及秦岭等高山阻滞作用下沉降，通过森林和草原汞生物地球化学循环作用，在高山迎风坡累积。相关研究成果对支撑服务生态系统保护和修复具有重要的指导意义。通过分析全国1:250 000土地质量地球化学调查和环境地球化学监测网数据，对谭见安等[11]提出的中国东北-西南土壤缺硒带进行了验证和分析，重识了我国土壤硒地球化学宏观分布模式，同时揭示了风成沙稀释作用、成土母质岩性、气候条件、风化程度等因素的相互作用是区域尺度土壤硒贫化与富集的主要驱动机制。
2.3 建立典型地质高背景区土壤重金属风险评价指标体系
土壤中重金属的来源主要包括自然来源(地质高背景)和人为来源(工、农业活动等)两大类[20-21]。我国西南玄武岩区、碳酸盐岩区、黑色页岩区及低温矿床区发育的土壤重金属含量显著高于全国背景值，属于典型的重金属地质高背景区[22-26]。相关研究表明，地质成因的重金属主要以稳定的残渣态赋存于土壤矿物晶格中，可被植物吸收利用的活动态(生物有效态)占比较低[27-29]。因此，仅根据土壤中的重金属含量进行污染风险划分和分类、分级管理具有很大的局限性。尤其在以自然来源为主的地质高背景区，很大程度上高估了其实际污染风险。相当大比例的耕地将被划入风险区，部分甚至被归为严格管控区，从而被迫休耕或者调整土地用途，造成宝贵耕地资源不必要的浪费，给国家和地方粮食(农产品)生产带来巨大压力，不利于国家粮食安全战略。
工程通过开展典型碳酸盐岩区和峨眉山玄武岩区重金属在农田土壤-作物系统中迁移富集特征及影响因素研究，查明了土壤重金属的实际生态风险，确定了Cd等主要超标金属元素的有效性控制因素。在农田土壤-作物生态风险协同分析的基础上，提出了碳酸盐岩区及玄武岩区土壤Cd的风险筛选值，初步建立了典型碳酸盐岩区及玄武岩区Cd等主要污染重金属元素生态风险评价指标体系。为典型地质高背景区土壤污染防控、土地资源合理利用及农产品安全生产提供了科学依据。
2.4 研制发布了《天然富硒土地划定与标识》
研究发现以土壤0.40 mg/kg
2.5 推动土地质量地球化学调查评价方法技术进步
通过开展不同地区调查试点和方法技术研究，对土地质量地球化学评价工作涉及的采样密度、点位布设、等级划分方法等进行了系统修订，研究制定了地块赋值方法、误差控制与成果表达等关键方法技术，为《土地质量地球化学评价技术要求(试行)》升级为《土地质量地球化学评价规范》(DZ/T 0295-2016)行标提供了关键技术支撑。为满足土地地块级精细化管理需求，通过全国不同地区的试点研究，提出地块尺度的土地质量地球化学调查方法，以土地二调图斑为基础，根据耕地、园地、林地、草地、建设用地等不同的土地利用类型，建立了差异化布点方法。该调查方法技术应用于雄安新区重点调查区地块尺度地球化学调查工作中，已获得良好的调查成果，为全国地块尺度土地质量地球化学调查与评价工作提供了方法技术引领。
3 成果服务应用
3.1 有力支撑不同层级国土空间规划和土地资源管理
编制并提交了《全国土地质量地球化学调查监测工作情况报告》和《地质高背景区土壤与作物籽实中重金属含量协同调查情况报告》，为自然资源部领导参加全国人大常委会联组审议土壤污染防治法执法检查报告专题询问会议提供了重要支撑。开展了我国高速公路两侧耕地及永久基本农田环境质量状况评价，研究结论为自然资源部领导和耕地保护监督司制定“干线公路两侧耕地保护”有关政策决策提供了科学依据。
全面评价和总结了福建省土壤养分状况、环境质量状况、有机污染物分布状况、水源重点保护区土壤环境质量状况和土地沙化风险区状况，提出了富硒富锌土地和缓坡地开发利用建议，向福建省自然资源厅提交了《福建省土地质量地球化学报告》、分析数据和系列图件，为福建省国土空间规划提供了有力的科学支撑。
基于泉州市土地质量地球化学调查成果，提出了基本农田调出与调入建议,调入基本农田20个区块，面积约1.56×106m2，调出土地区块50个，面积约2.63×105m2。并编制了泉州市基本农田适宜区建议图，开展了永久基本农田、生态红线划定、城市边界划定试点，为泉州“红线”划定提供了强有力的科学支撑。
在嘉兴市秀洲区油车港镇，将1:50 000土地质量地球化学调查成果与全国第二次土地调查图斑结合，形成可供规划直接使用的成果，围绕优质富硒土地保护利用和污染土地合理利用的具体规划，改变了土地利用规划思路和流程，明确了富硒土地和污染土地的用途调整原则。按照建设用地在同等区位条件下向低质量土地布局，永久基本农田向高质量耕地划定的原则，提出了油车港镇的土地利用总体规划调整建议。
针对浙江省村级土地利用规划编制试点工作需要，部署开展了嘉善县缪家村大比例尺土地质量地球化学调查试点，在缪家村土地利用规划编制过程中，根据土地质量地球化学调查评价取得的富硒土壤分布资料，调整了高标准基本农田建设的区域，优化提升了建设用地规划布局和土地整治效益，使耕地质量水平得到提升。
3.2 有效服务全国农用地土壤污染状况详查
工程团队利用长期积累的调查数据成果和人才技术优势，为全国农用地土壤污染状况详查提供了全流程技术支撑服务。全面参与《全国土壤污染状况详查总体方案》编制，提供全国土地质量地球化学数据超过2.5×107条，协助圈定全国农用地土壤污染状况详查工作区域，参与制定《农用地土壤污染状况详查点位布设技术规定》等10余项技术要求。累计配制提供各类分析质量监控标准样品1.1×105件，为评估各实验室分析数据质量提供了衡量标准；完成13个省24个实验室的现场审核，对山西、辽宁、吉林、浙江、安徽、西藏、甘肃、青海、宁夏等9省(区)的土壤污染详查开展全流程质量监督和技术指导。全程参与《全国农用地土壤污染状况详查成果集成总报告》编写及《全国农用地土壤污染状况公报》起草，完成典型地质高背景区土地重金属污染风险评价与专题研究，相关研究结果为总报告相关结论的形成提供了重要科学依据。团队20余人被生态环境部、自然资源部、农业农村部三部委联合表彰为“全国农用地土壤污染详查表现突出优秀个人”。
3.3 有力支撑全国两批60处超过108m2天然富硒土地认定和发布
为规范和加强天然富硒土地认定管理，中国地质调查局和中国地质学会精心组织、统筹推进全国天然富硒土地申报认定工作。土地质量地球化学调查工程团队作为核心技术支撑团队，牵头研制并发布了《天然富硒土地划定与标识》行业标准，为科学评选认定天然富硒土地提供了根本的技术遵循。在《天然富硒土地认定和标识管理办法(试行)》制定、申报培训、宣传推广、技术咨询、专家评审及审核把关等方面提供了全流程技术服务。支撑中国地质学会先后于2021年8月(图4)和2022年10月认定和发布两批次共60处超过6×108m2天然富硒地块，为推动全国天然富硒土地高效开发利用，加快富硒农业产业转型升级，服务乡村振兴战略奠定了重要的基础。
图4 全国首批30处通过认定的天然富硒土地示意图Fig.4 The location of 30 natural selenium-rich lands certificated by geological society of China
3.4 示范引领全国富硒土地高效利用为服务脱贫攻坚和乡村振兴取得实效
工程团队充分利用富硒土地资源调查成果，通过建立富硒地块信息档案、提出产业布局建议、召开成果发布及经验交流会、助推富硒示范园区建设等方式，积极推进全国富硒土地资源高效开发利用。组织完成各类成果移交60余次，向赣南、乌蒙山区、西藏七县、四川阿坝州、南疆四洲地、滇黔桂岩溶区、黑龙江海伦市、河北顺平、湖北仙桃等地区地方政府、自然资源和农业农村等相关管理部门移交各类调查成果报告和特色土地资源开发利用建议报告100余份，累计提交富硒等优质特色土地资源600余处。
支撑四川沐川县“乌蒙硒都”、新疆焉耆县“西域硒都”、江西于都县“红色硒都”及海伦市“黑土硒都”建设，助推建成一批富硒农业示范园，促进地方富硒特色农业产业发展和农民稳定增收，取得良好经济社会效益。支撑四川省沐川县规划建设富硒农业产业园区10个，建成茶叶、水稻、柑橘、猕猴桃等富硒农产品种植基地超过4×107m2，惠及农户2 691户，并初步实现亩均增收5 000元以上。支撑新疆巴州富硒产业转型升级和高质量发展，建成富硒农产品种植示范园5 处，建成全疆首个富硒食品加工产业园区1 处，在建巴州硒友现代农业产业园项目1 项，总计吸引投资达4.55×108元。支撑江西省于都县以“硒+X”的布局重点打造富硒蔬果、富硒大米等示范基地2.7×107m2，富硒产业集群产值达30×108元。支撑湖南新田县发展富硒农产品种植示范基地面积达5.3×107m2，形成了46家富硒农产品生产企业和合作社，带动2.18×104农户种养增收，全县富硒产业年生产总值超过20×108元。
工程在支撑脱贫攻坚、服务乡村振兴和生态农业发展等方面取得的显著成效，受到了中央领导人和各级地方政府的高度认可。2019年5月20日，习近平总书记在江西赣州考察时，在基于中国地质调查局土地质量地球化学调查成果建成的于都县梓山富硒蔬菜产业园(南区)考察调研产业扶贫情况时作出重要指示，“这里有丰富的富硒土壤资源，一定要打好这个品牌，让富硒农产品在市场上更加畅销”。
4 下一步工作部署与研究展望
4.1 下一步工作部署
持续推进全国主要农耕区土地质量地球化学调查，开展东北黑土区及西南、华南、西北等重点耕地区1∶250 000土地质量地球化学调查和东北平原、华北平原、长江中下游平原等重点农产品主产区1∶50 000土地质量地球化学调查。全面掌握我国耕地地球化学质量状况，为国家粮食安全保障、生态农业发展和自然资源管理中心工作提供科学数据和基础支撑。
开展国家-重点区域-典型地区三级土地质量地球化学监测，建立国家级监测点4 000个，平均监测密度达每2 500 km21个点；重点区域级监测点20 000个，平均监测密度达100 km21个点；典型地区级监测点总6 000个，平均监测密度达1个点/km2。形成完善的监测方法技术和指标体系，掌握全国土地地球化学质量状况及变化趋势。
开展优质特色土地资源高效利用专题调查研究，在前期1∶250 000或1∶50 000土地质量地球化学调查圈定的富硒、富锌等优质特色土地资源开发潜力区，结合地方需求及特色农业产业发展规划，选择典型农业种植园(区)开展优质特色土地资源高效利用专题调查，精准查明可供直接开发利用的优质土地地块空间分布，支撑天然富硒土地申报和认定。研究不同地质、土壤、气候条件下硒、锌等有益元素在土壤-作物系统迁移转化规律及其控制因素，开展农作物品种(类)筛选，因地制宜提出优质特色土地资源高效利用和农作物种植建议，支撑特色农业园区建设。
4.2 研究展望
坚持“山水林田湖草是一个生命共同体”理念，顺应自然资源统筹管理新需求，研究土地资源数量、质量、生态“三位一体”综合调查监测和评价方法技术，建立涵盖自然地理要素、气候要素、物理要素、化学要素和生态要素的土地资源综合调查监测和评价指标体系，构建土地资源大数据智慧服务框架，创新成果表达形式，研制智慧服务产品，为国土空间规划、生态修复与用途管制等自然资源管理中心工作提供基础支撑。
以地球系统科学理论为指导，构建地球表层系统元素地球化学迁移循环理论。研究化学元素在地球表层系统及不同圈层间的分散、富集、迁移、循环规律和生态环境效应，揭示影响元素迁移循环过程的微观机理和驱动因素，预测未来变化趋势，为生态系统整体保护和修复治理提供理论依据。
研究不同气候带、不同地理景观、不同土壤类型的土壤碳库特征及空间分布规律，估算土壤生态系统碳库储量；揭示土壤有机碳、无机碳成因来源、赋存状态，研究不同类型土壤固碳作用与源汇转换的驱动机制，构建土壤碳库动态变化预测模型，为深化认识土壤生态系统在全球碳循环中的作用，服务国家“双碳”战略提供科学依据。
致谢
本文是对土地质量地球化学调查工程2015年以来取得的部分新进展与标志性成果的简要概述，工程团队大量科研人员及土地质量地球化学调查工作人员为此付出了辛勤的劳动，作者在此一并表示衷心的感谢。谨以此文庆祝中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所成立65周年。
