基于地质大数据技术对云南土壤重金属地质高背景区的划定

肖高强,赵娟,陈子万,宋旭锋,朱能刚

(1.云南省地质调查局,云南 昆明 650051; 2.自然资源部三江成矿作用及资源勘查利用重点实验室,云南 昆明 650051; 3.云南省三江成矿作用及资源勘查利用重点实验室,云南 昆明 650051; 4.云南省生态环境监测中心,云南 昆明 650034; 5.云南省地质调查院,云南 昆明 650216)

0 引言

土壤是农业生产和人类赖以生存的物质基础,是人类食物与生态环境安全的保障,然而已公开发布的《全国土壤污染状况调查公报》和《中国耕地地球化学调查报告》均显示,全国土壤环境状况总体不容乐观,其中西南地区的土壤重金属超标比例相对较高,土壤重金属污染已成为生态文明和美丽中国建设以及全面建成小康社会的突出短板之一。

土壤中的重金属来源分为人为成因和自然成因两大类,其中人为成因主要指由人类生活[1-3]和各类工、矿业活动[4-7]产生和排放的重金属;自然成因是指从成土母质(母岩)继承的或成土作用过程中发生的重金属次生富集[8-17],因其通常与风化成土、次生富集及成矿作用等地质过程相关,又被称为地质成因。由地质成因引起的土壤重金属富集区,通常又被称为土壤重金属地质高背景区,其重金属元素含量及空间分布特征多与成土母岩、下伏地层等地质体密切相关,常呈区域性面积连片分布,其影响范围远大于呈点状(或沿水系线状分布)的人为成因土壤重金属污染[18]。然而,可能因地质成因的土壤重金属污染多位于人口密度相对较小的山区,或因其具有相对较高的稳定性尚未产生显著的负面生态效应等影响,目前受到的关注度相对较低。

中国地球化学图集[19]及相关研究[18,20-32]均显示,云南峨眉山玄武岩区和碳酸盐岩分布区的水系沉积物和土壤中重金属元素异常富集,可能为典型的土壤重金属地质高背景区;农业农村和生态环境等相关部门尽管针对部分地区耕地土壤重金属污染现状和成因作过调查研究,但在地质成因方面认识明显不足。本文首次以地质大数据为基础,从地质成因的角度,分析全省土壤重金属地质高背景区分布范围和富集元素,进一步明确影响土壤重金属超标的岩性,为农用地土壤重金属高背景来源解析与科学防控提供依据。

1 材料与方法

1.1 数据来源

本研究涉及的地球化学数据包括全省1∶20万水系沉积物测量数据和1∶25万土地质量地球化学调查(多目标区域地球化学调查)数据。

1∶20万水系沉积物测量数据:该数据来源于1978年开始的全国范围内系统实施的区域地球化学扫面计划(RGNR)项目,采样介质主要为分布于二级水系中和一级水系口上的水系沉积物,核心思想认为这种水系沉积物可以代表上游汇水盆地中土壤等地表疏松物质的平均元素含量[33]。其工作采样密度为1～2件/km2,并按4 km2网格内样品组合为一件样品送实验室分析,具体采样和分析测试方法技术参见《区域地球化学勘查规范》(DZ/T 0167—2006)。本次研究收集水系沉积物数据点96 413个,基本覆盖了云南省全境,基于该数据出版有《云南省地球物理地球化学图集》和《云南省地球化学地质应用研究》。

1∶25万土地质量地球化学调查(多目标区域地球化学调查)数据:该数据来源于中国地质调查局1999年开始实施的多目标区域地球化学调查计划,又称农业地质调查计划或土地质量地球化学调查计划。云南省相关工作启动较晚,始于2006年,目前已覆盖昆明(除东川、禄劝、富民、寻甸、嵩明外)、玉溪、昭通、会泽、宣威、保山(除腾冲、龙陵外)、文山、丘北、广南等地区(图1)。本研究工作仅使用了表层土壤(0～20 cm)数据,其平均采样密度为1件/km2,并按4 km2网格内样品组合为一件样品送实验室分析,具体采样和分析测试方法技术参见《多目标区域地球化学调查规范(1∶ 250 000)》(DZ /T 0258—2014)和《土地质量地球化学评价规范》(DZ/T 0295—2016)。目前收集的数据覆盖了昆明(除东川、禄劝、富民、寻甸、嵩明外)、玉溪、昭通和会泽地区,面积约52 866 km2,对应表层数据点13 464个。

图1 云南省1∶25万土地质量地球化学调查工作程度Fig.1 Map of 1∶250,000 geochemical survey of land quality in Yunnan Province

云南省区域地质图:该矢量图件为云南省地质科学研究所于1998年编制的数字版地质图件,并于2006～2013年在开展“云南省矿产资源潜力评价”项目过程中对图件进行了修编,是目前地质部门使用最广、最具权威的区域地质类图件。

1.2 方法可行性分析

水系沉积物是指河流沟谷中的沉积物(包括湖泊近岸沉积物),主要是由地表水冲刷作用将地表岩石风化疏松物带入沟谷,并沿沟谷搬运沉积,可以代表上游汇水盆地中土壤等地表疏松物质的平均元素含量[33]。水系沉积物测量数据不仅服务于矿产勘查,而且被广泛用于评价土壤地球化学环境。张春霖等[34]利用浙江省水系沉积物资料对全省土壤环境质量级别进行划分;周余国等[35]以云南个旧地区水系沉积物数据为基础,运用FCA模糊综合评价对个旧地区地球化学环境进行了系统评价;朱辉等[36]通过对青海省东部地区已开展的水系沉积物测量和土地质量调查数据对比,得出8种重金属元素在水系沉积物和土壤中的分布规律及分布形态高度一致,从而有效建立了水系沉积物的土壤环境预测模型。

昆明—玉溪和昭通—会泽地区水系沉积物和土壤数据均为2 km×2 km的组合样品分析数据,具有相同的采样密度且是重叠的,因此可对二者数据配对后进行相关性分析,结果表明水系沉积物和土壤中As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb、Zn含量均存在显著正相关关系(P值均小于0.01),相关系数分别为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中位值分别为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,水系沉积物中As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb、Zn中位值分别为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,对比可知(图2),昆明—玉溪和昭通—会泽地区土壤中8种重金属元素中位值均高于水系沉积物,其中土壤中Cd和Hg中位值几乎为水系沉积物中含量的2倍;同点位土壤与水系沉积物中的重金属含量比值看出(图2),土壤中重金属含量大于水系沉积物中含量的样品占比至少在60%以上,Hg、Cd、Pb更倾向于在土壤中富集,其原因一方面可能是土壤较水系沉积物含有更多的黏土矿物,这些黏土矿物对重金属元素具有较强的吸附而更易形成次生富集,另一方面昆明—玉溪和昭通—会泽地区水系沉积物测量主要于1983～1998年完成,而土壤测量于2006～2020年完成,在中国工业化的近几十年中,水系沉积物测量数据较土壤受到人类活动影响相对更小。由此可见,利用水系沉积物数据圈定土壤重金属地质高背景区的技术方法可行,结果可能更可靠。

图2 昆明—玉溪和昭通—会泽地区土壤和水系沉积物中重金属元素含量对比Fig.2 Comparison of heavy metals concentration in soil and stream sediments in Kunming-Yuxi and Zhaotong-Huize regions

1.3 研究思路与方法

1.3.1 超标风险评价值的确定

根据中国环境监测总站[37]调查结果,云南省土壤pH含量范围为4.0～8.8,平均值为5.7;昆明—玉溪、昭通—会泽地区表层土壤pH含量范围分别为4.24～9.62和3.85～8.71,平均值分别为6.27和5.98;保山地区表层土壤pH含量范围为4.13～8.33,平均值为6.45[21-22];可见云南省土壤pH整体呈酸性。根据《云南省第三次全国国土调查主要数据公报》统计结果,云南省水田面积99.14万公顷,仅占全省耕地面积的18.38%,而旱地等农用地面积占绝对优势。结合《土壤环境质量 农用地土壤污染风险管控标准(试行)》(GB 15618—2018),本次研究pH参考范围为5.5～6.5,土地利用类型为其他,从而确定砷、镉、汞、铅、铬、铜、镍、锌8个重金属超标风险评价值分别为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 超标占比临界值的确定

《地球化学普查规范(1∶50 000)》(DZ/T 0011—2015)中将元素累积频率在75%～95%之间所对应的含量值范围定义为高背景区,刘东盛等[38-39]将全国土壤中钴的75%分位值作为其高背景基线值。本次研究通过多次对比分析,将超标点位数和超标面积占比临界值定为80%,较为符合地质单元中重金属元素富集特征。

1.3.3 土壤重金属地质高背景划定方法

1)利用GIS空间属性挂接功能,将96 413个水系沉积物数据点与其对应的地质单元属性进行挂接,并按确定的超标风险评价值分别进行评价。若8种重金属元素含量值有一个超过其相应超标风险评价值,则可判定该样品综合环境质量为超标,最后进行汇总并将综合环境质量超标点数占比超过80%的地质单元筛选出来。

2)利用GIS空间插值功能,按上述超标风险评价值分别获得8种重金属元素的空间分布范围,然后按并集方式求取8种重金属元素的综合环境质量空间分布范围,并与全省区域地质图进行空间叠加分析,最后汇总统计各地质单元中综合环境质量超标的面积和所占比例,并将超标面积所占比例大于80%的地质单元筛选出来。

3)将综合环境质量超标点数和超标面积所占比例同时大于80%的地质单元筛选出来即可判识为土壤重金属地质高背景区。

2 结果与讨论

2.1 划定结果

利用GIS空间分析功能,叠加云南省区域地质图及水系沉积物中8种重金属含量和空间分布范围,将超标点位数和超标面积占比大于80%的地质单元划为土壤重金属地质高背景区,其结果见表1和图3。

表1 云南省土壤重金属地质高背景区划定结果Table 1 Delineation results of high geological background areas of soil heavy metals in Yunnan Province

图3 云南省土壤重金属地质高背景区分布Fig.3 Distribution map of high geological background areas of soil heavy metals in Yunnan Province

由表1可知,全省共划定土壤重金属地质高背景单元61个,其中14个地质单元为并层,总面积为8.31×104km2,占全省国土面积的21.09%。

从土壤重金属地质高背景单元空间分布来看(图3),高背景单元主要呈4大片分布,分别为滇中—滇东地区的昆明、昭通、曲靖、文山、红河,滇西北香格里拉、丽江、大理,滇西南保山、芒市、永德、镇康、耿马、沧源、澜沧、孟连及滇中哀牢山一带等地区。

从地质时代看,高背景单元主要集中于泥盆纪(D)、石炭纪(C)、二叠纪(P)和三叠纪(T)4个时期,该时期为全省岩浆活动最为活跃、碳酸盐岩分布范围最广的地质时代。

从地质单元岩性看,影响土壤重金属元素含量的岩性主要为碳酸盐岩(灰岩、白云岩)、基性—超基性火山岩(玄武岩、橄榄岩、辉石岩、蛇纹岩等)、中基性侵入岩(辉长闪长岩、辉绿岩、辉长辉绿岩)、含煤碎屑岩(黑色页岩、煤、硅质岩等)和含基性组分碎屑岩(早三叠世泥质岩类)4类,其中含基性组分碎屑岩(T1x、T1f、Td、T1q)尽管为碎屑岩(泥岩、页岩、粉砂岩),但相关研究[31,40-41]表明,该地层岩石在成岩过程中可能大量继承了晚二叠世峨眉山高钛玄武岩的物质成分,其超标的重金属元素主要为Cr、Cu、Ni,也进一步证实可能受峨眉山玄武岩浆活动影响。由于云南省地质条件复杂,地质高背景区土壤重金属含量并不受单一岩性影响,因此按岩性地质高背景区可划分为以下几类组合:①碳酸盐岩: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碳酸盐岩与(含煤)碎屑岩并层: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碳酸盐岩与基性火山岩并层:C1pz、C2d-w、Cx、Tn;④含煤碎屑岩:P2h、P2l、P2x;⑤含基性组分碎屑岩:T1f、T1q、T1x、Td;⑥基性—超基性火山岩:P1-2e-l、Pe、Pg、T3nh、σ、Σ-Ν、N、φω、ψι;⑦中基性侵入岩:βμ、νδ。

2.2 划定结果合理性评价

利用GIS空间分析功能分别提取昆明—玉溪、昭通—会泽地区位于地质高背景区的土壤样品点,分别为789件和4 111件,再根据土壤中重金属元素含量进行土壤污染风险评价,以此评价土壤重金属地质高背景区划定结果的合理性。

2.2.1 土壤污染风险评价方法

1)单因子评价法

依据《土壤环境质量 农用地土壤污染风险管控标准(试行)》(GB 15618—2018)中的筛选值Si,基于表层土壤中As、Cd、Cr、Hg、Pb、Cu、Ni、Zn的含量Ci,评价土壤重金属超农用地筛选值的风险,并将其土壤环境质量等级分为两类。

无风险类:Ci≤Si,土壤重金属污染风险低,可忽略;

超农用地筛选值类:Ci>Si,可能存在农用地土壤污染风险。

2)多因子综合评价

多因子综合评价以8种重金属单因子评价结果的最差类别来确定,如某一土壤样品As、Cd、Cr、Hg、Pb、Cu、Ni、Zn单因子评价等级分别为无风险类、超农用地筛选值类、无风险类、无风险类、超农用地筛选值类、无风险类、无风险类、无风险类,那么多因子综合评价等级则为超农用地筛选值类。

2.2.2 合理性评价

昆明—玉溪、昭通—会泽地区划定土壤重金属地质高背景单元27个,岩性主要为基性—超基性火山岩、碳酸盐岩、含煤碎屑岩和早三叠世碎屑岩,其土壤重金属污染风险评价结果见表2。各地质高背景单元土壤重金属多因子综合等级评价为超农用地筛选值类的样品比例均在60%以上,其中除βμ和D3-C1z-y超标比例稍低,可能与其出露面积小、代表性不强有关外,其余地质单元超标比例在82.4%～100%。由此可见,本次通过1∶20万水系沉积物成果划定的土壤重金属地质高背景单元,其结果是合理的。

表2 昆明—玉溪、昭通—会泽地区地质高背景单元土壤重金属污染风险评价结果Table 2 Risk assessment results of soil heavy metals in high geological background units in Kunming-Yuxi and Zhaotong-Huize regions

2.3 超标重金属元素探讨

对划定的土壤重金属地质高背景区分别统计其水系沉积物中8种重金属元素的中位值和超标比例,结果见表3和表4。由此可知,7大类岩性组合的地质高背景区均存在1个以上的重金属元素中位值超过其相应的农用地污染风险筛选值,超标重金属元素主要为Cu、Cr、Ni、Cd,而As、Pb、Zn、Hg中位值未超标;进一步结合超标比例来看,Cu、Cr、Ni、Cd超标比例相对最高,分别为78.29%、53.65%、50.74%和49.05%,其次为As、Zn、Pb,超标比例分别为22.03%、12.7%和5.21%,而Hg超标比例最低,仅为0.23%。其中,碳酸盐岩高背景区超标重金属元素主要为Cd、Cu、Ni、Cr、As,而Zn超标仅在D2-3y-zj、D3g等个别地层中;碳酸盐岩与(含煤)碎屑岩并层高背景区超标重金属元素主要为Cd、Cu、Cr、Ni;碳酸盐岩与基性火山岩并层、含煤碎屑岩、含基性组分碎屑岩和基性—超基性火山岩高背景区超标重金属元素均主要为Cu、Cr、Ni;中基性侵入岩高背景区超标重金属元素均主要为Cu、Ni。已有大量研究表明,广西[14,18,42]、贵州[16,43-44]、云南[25,30-31]等地碳酸盐岩(灰岩、白云岩)区发育的土壤存在Cd、As、Cr、Cu明显富集现象,其原因主要与碳酸盐岩风化过程中因Ca、Mg等活性元素大量淋失,从而导致淋失相对缓慢的重金属元素在原地次生富集有关;基性—超基性火山岩(玄武岩、橄榄岩、辉石岩、蛇纹岩等)中的Cu、Cr、Ni等元素含量明显高于其他岩石,在该类岩石风化成土过程中Cu、Cr、Ni等被释放出来,其中一部分进入水体中淋溶流失,其余的部分则与黏土矿物、铁锰氧化物及有机质结合而残留在土壤中形成富集[1,10-12];中基性侵入岩(辉长闪长岩、辉绿岩、辉长辉绿岩)中的Cu、Cr、Ni等元素含量虽低于基性—超基性火山岩,但明显高于其他岩类[23],其发育的土壤中Cu、Cr、Ni发生富集的原因与基性—超基性火山岩基本一致;浙江[17,45]、湖南[46-47]、重庆[48]、贵州[49-50]等地黑色岩系发育的土壤存在As、Cd、Cu、Zn、Hg明显富集现象,该类岩石富含有机质、硫化物以及多种重金属元素,在风化成土过程中,岩石极易风化分解,重金属元素被淋滤析出形成富集。可见,本次划定的碳酸盐岩、基性—超基性火山岩和中基性侵入岩等地质高背景区土壤富集的重金属元素与其他地区基本一致,而含煤碎屑岩区发育的土壤富集元素仅有Cu、Cr、Ni,无Cd和Zn,这可能与云南省含煤碎屑岩出露面积小,且多与峨眉山玄武岩地层伴生有关。综上可知,全省土壤重金属地质高背景区超标重金属元素主要为Cu、Cr、Ni、Cd,而As主要于碳酸盐岩地层中存在超标风险,Pb、Zn仅于个别地层中存在超标风险,Hg基本无超标风险。

表4 土壤重金属地质高背景区水系沉积物中重金属超标比例统计Table 4 Statistical results of the proportion of heavy metals exceeding the screening value in stream sediments in high geological background areas %

2.4 地质高背景区耕地分布情况

2020年9月15日,自然资源部向社会发布了2020年版30 m全球地表覆盖数据,该套数据包括耕地、森林、草地、灌木地、湿地、水体、苔原、人造地表、裸地、冰川及永久积雪10种地表覆盖类型,其中耕地指用于种植农作物的土地,包括水田、灌溉旱地、雨养旱地、菜地、牧草种植地、大棚用地、以种植农作物为主间有果树及其他经济乔木的土地,以及茶园、咖啡园等灌木类经济作物种植地。通过与地质高背景区进行叠加统计后,即可初步了解不同地质高背景单元内的耕地分布情况,其结果见表5和图4。全省位于土壤重金属元素地质高背景区的耕地面积约284.41万公顷,占全省国土面积的7.22%,其中碳酸盐岩与(含煤)碎屑岩并层高背景区耕地面积最大,约为102.55万公顷,其次为碳酸盐岩和基性—超基性火山岩高背景区,耕地面积分别为87.44万公顷和56.05万公顷,而碳酸盐岩、碳酸盐岩与(含煤)碎屑岩并层高背景区超标重金属元素个数较多,为Cd、Cu、Cr、Ni,因此需加强耕地土壤与农产品协同监测力度,优选对重金属迁移富集能力弱的农作物。从空间分布看,滇东地区分布于地质高背景区的耕地面积和集中连片程度明显高于其他地区,且主要受碳酸盐岩、含煤碎屑岩、基性—超基性火山岩和早三叠世含基性组分碎屑岩等岩性共同影响,因此应重点加强滇东地区耕地土壤与农产品协同监测力度,保障农产品食用安全质量。

表5 云南省土壤重金属地质高背景区耕地面积统计Table 5 Statistical results of cultivated land areas in high geological background areas of soil heavy metals in Yunnan Province

图4 云南省土壤重金属地质高背景区耕地分布Fig.4 Distribution map of cultivated land in high geological background areas of soil heavy metals in Yunnan Province

3 结论

1)首次全面、系统利用云南省区域地质图和1∶20万水系沉积物测量成果,划定出61个土壤重金属地质高背景单元,总面积8.31×104km2,占全省国土面积的21.09%;明确了影响土壤重金属超农用地筛选值的岩性主要为碳酸盐岩、基性—超基性火山岩、中基性侵入岩、含煤碎屑岩和含基性组分碎屑岩5类,据此全省地质高背景区可划分为7类岩性组合。

2)昆明—玉溪、昭通—会泽地区土壤重金属污染风险评价结果表明:位于调查区的各地质高背景单元土壤重金属多因子综合等级评价超标比例均在60%以上,证明本次划定的土壤重金属地质高背景区结果合理。

3)全省土壤重金属地质高背景区超标重金属元素主要为Cu、Cr、Ni、Cd,而As主要于碳酸盐岩地层中存在超标风险,Pb、Zn仅于个别地层中存在超标风险,Hg基本无超标风险。

4)全省位于土壤重金属地质高背景区的耕地面积约284.41万公顷,占全省国土面积的7.22%,其中滇东地区分布于地质高背景区的耕地面积和集中连片程度明显高于其他地区,建议重点加强滇东地区耕地土壤与农产品协同监测力度,保障农产品食用安全。