基于大數(shù)據(jù)的中國土壤背景值與基準(zhǔn)值及其變化特征研究
——寫在《中國土壤地球化學(xué)參數(shù)》出版之際

奚小環(huán)，侯青葉，楊忠芳，葉家瑜，余濤，夏學(xué)齊，成杭新，周國華，姚嵐

(1.中國地質(zhì)調(diào)查局，北京 100037; 2.中國地質(zhì)大學(xué)(北京) 地球科學(xué)與資源學(xué)院，北京 100083; 3.湖北省地質(zhì)實(shí)驗(yàn)研究所，湖北 武漢 430022; 4.中國地質(zhì)科學(xué)院 地球物理地球化學(xué)勘查研究所，河北 廊坊 065000)

0 引言

土壤地球化學(xué)背景值與基準(zhǔn)值系列參數(shù)研究是地球科學(xué)領(lǐng)域重要的基礎(chǔ)性工作?！吨袊寥赖厍蚧瘜W(xué)參數(shù)》[1]依據(jù)全國多目標(biāo)區(qū)域地球化學(xué)調(diào)查高密度、高質(zhì)量與高精度大數(shù)據(jù)資料，歷經(jīng)多年努力，終于完成了對于包括土壤學(xué)、生態(tài)學(xué)、環(huán)境學(xué)、生物學(xué)在內(nèi)的地球科學(xué)領(lǐng)域具有重要學(xué)術(shù)價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義的巨著。本文基于這項(xiàng)研究成果試圖從宏觀尺度上探討中國土壤地球化學(xué)系列參數(shù)的若干規(guī)律性特征，特別結(jié)合當(dāng)前全國土壤污染調(diào)查評價(jià)、土地資源開發(fā)利用及自然資源調(diào)查評價(jià)、整體保護(hù)、系統(tǒng)修復(fù)及綜合治理工作，揭示土壤系統(tǒng)存在的重要科學(xué)問題，以期引起更多學(xué)者關(guān)注，進(jìn)行更為深入的研究。

背景值問題最早應(yīng)歸功于20世紀(jì)初美國科學(xué)家克拉克關(guān)于地殼元素平均含量的研究[2-3]，即地殼豐度值。隨后費(fèi)爾斯曼、戈?duì)柕率┟芴亍⒕S諾格拉多夫、泰勒、波德瓦爾特等諸多西方學(xué)者與我國黎彤等相繼進(jìn)行探索，在研究方法、元素指標(biāo)及測試精度等方面不斷取得新進(jìn)展，使元素豐度逐步逼近真實(shí)的地殼平均值，建立起地殼背景值系列參數(shù)。這項(xiàng)研究揭示出地球物質(zhì)的一系列重要地球化學(xué)變化規(guī)律，證實(shí)地殼、地球與太陽系天體物質(zhì)的演化關(guān)系。元素豐度制約整個(gè)地球系統(tǒng)的地球化學(xué)變化特征，支配元素分布與分配及其遷移轉(zhuǎn)化過程。地殼豐度作為全球背景值，是研究元素分散與富集，闡釋地球化學(xué)域與地球化學(xué)省，以及評價(jià)成礦區(qū)帶、礦田與礦床地球化學(xué)規(guī)模特征等方面的重要參數(shù)。地殼豐度研究所作出的卓越貢獻(xiàn)，在地球化學(xué)理論與應(yīng)用上都具有開拓性和奠基性意義，克拉克因此成為地球化學(xué)主要?jiǎng)?chuàng)始人，地殼元素豐度值也被譽(yù)為克拉克值。關(guān)于地殼平均化學(xué)成分的研究歷經(jīng)長達(dá)一個(gè)世紀(jì)的艱辛努力，已經(jīng)提出當(dāng)前科技條件下關(guān)于地殼豐度的最佳估算值。然而，由于巖石圈結(jié)構(gòu)復(fù)雜，殼幔物質(zhì)分布不均及技術(shù)條件限制等原因，地殼豐度依然存在諸多不確定因素，至今仍然不斷有學(xué)者構(gòu)思各種方法進(jìn)行研究。相對于全球背景值研究，在區(qū)域背景值研究方面主要有加拿大地盾、中國東部地區(qū)[4]等，各地區(qū)還有更多的為發(fā)現(xiàn)和評價(jià)各類礦產(chǎn)資源而進(jìn)行的局部背景值研究，顯示地殼元素背景值研究的層次性、級次性及其相對性特征?？傊貧へS度研究對于地球化學(xué)及至地球科學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響。

20世紀(jì)60年代人類面對日益突出的環(huán)境問題，歐美、蘇聯(lián)等開始研究環(huán)境背景值問題，進(jìn)行較大規(guī)模的土壤背景值調(diào)查，發(fā)表一系列土壤背景值數(shù)據(jù)[5]。中國于20世紀(jì)70～80年代開始由國家規(guī)劃及農(nóng)業(yè)、環(huán)保等部門參加的土壤背景值調(diào)查，陸續(xù)發(fā)表土壤背景值數(shù)據(jù)。與地殼豐度研究方式不同，土壤背景值可以按照一定規(guī)則采集土壤樣品進(jìn)行測試和計(jì)算獲得。但是，以往各部門在土壤調(diào)查工作方法方面存在采樣密度稀疏、采樣物質(zhì)難求一致及缺乏代表性等問題，在樣品分析指標(biāo)、標(biāo)準(zhǔn)及測試精度等方面也不盡一致，分析數(shù)據(jù)精度較低，缺乏可比性。地球化學(xué)背景值在地學(xué)領(lǐng)域定義為不受礦化作用影響區(qū)域內(nèi)的元素含量，引入環(huán)境領(lǐng)域則定義為不受人類活動影響區(qū)域內(nèi)的元素含量。由于土壤環(huán)境污染問題無處不在，即使地球極地亦難避免，認(rèn)為目前所取得數(shù)據(jù)還不是理想意義上的土壤背景值。

全國多目標(biāo)區(qū)域地球化學(xué)調(diào)查實(shí)行雙層網(wǎng)格化采樣布局方式，分別采集深層土壤樣品與表層土壤樣品，以大數(shù)據(jù)信息優(yōu)勢成功解決了土壤背景值與基準(zhǔn)值的研究方法問題，為科學(xué)獲取土壤地球化學(xué)系列參數(shù)奠定了前所未有的大數(shù)據(jù)基礎(chǔ)[5]。其中深層土壤物質(zhì)代表基本無人類影響的屬于自然本底的第一環(huán)境，取得深層土壤元素平均值，也即第一環(huán)境土壤地球化學(xué)背景值。表層土壤代表人類深度影響的第二環(huán)境，取得表層土壤元素平均值，即第二環(huán)境土壤地球化學(xué)背景值。雙層網(wǎng)格化土壤地球化學(xué)測量方法首次系統(tǒng)地取得第一環(huán)境與第二環(huán)境土壤背景值系列參數(shù)，具有重要理論價(jià)值與應(yīng)用價(jià)值。在全國范圍取得第一環(huán)境土壤背景值系列參數(shù)，為系統(tǒng)研究自然環(huán)境土壤豐度特征提供極為重要的大數(shù)據(jù)信息資料，為研究全國不同自然景觀、地理環(huán)境及地質(zhì)背景提供衡量標(biāo)準(zhǔn)。以第一環(huán)境土壤地球化學(xué)背景值為基準(zhǔn)含量，建立國家土壤地球化學(xué)基準(zhǔn)值系列參數(shù)，研究人類作用深度影響下土壤第二環(huán)境元素地球化學(xué)富集與貧化特征，深刻揭示表生條件下元素地球化學(xué)循環(huán)規(guī)律及可能產(chǎn)生的生態(tài)效應(yīng)，特別是發(fā)現(xiàn)大量土壤環(huán)境與土地質(zhì)量問題，提出經(jīng)濟(jì)社會健康和可持續(xù)發(fā)展面臨的重大生態(tài)環(huán)境問題，成為國家制定土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)和實(shí)施土壤污染管控的主要依據(jù)，推動自然資源與生態(tài)環(huán)境調(diào)查評價(jià)、監(jiān)測監(jiān)控、修復(fù)治理及風(fēng)險(xiǎn)評估等各項(xiàng)工作進(jìn)入全面、科學(xué)和依法實(shí)施階段。

1 野外調(diào)查工作方法與實(shí)驗(yàn)室樣品測試要求

1.1 野外調(diào)查工作方法

全國多目標(biāo)區(qū)域地球化學(xué)調(diào)查采用雙層網(wǎng)格化土壤測量方法[6]，河流湖泊、沼澤濕地及近岸海域分別采用河流沉積物測量、湖泊沉積物測量、沼澤沉積物測量與海底沉積物測量等方法，要求同時(shí)采集表層土壤與深層土壤物質(zhì)。其中表層土壤測量要求采樣深度為0～20 cm，基本采樣密度為1～2個(gè)點(diǎn)/km2，沿海灘涂、森林草原、湖泊濕地、荒漠戈壁及險(xiǎn)峻山區(qū)等特殊地理景觀區(qū)可放稀至為1～2個(gè)點(diǎn)/4 km2。深層土壤測量，要求平原盆地、黃土高原及近海灘涂采樣深度達(dá)到150 cm以下，東、中部山地丘陵區(qū)采樣深度一般應(yīng)達(dá)到120 cm以下，西部及邊遠(yuǎn)森林沼澤、高寒山區(qū)、干旱荒漠、巖溶景觀區(qū)等地區(qū)，采樣深度一般應(yīng)達(dá)到100 cm以下，具體采樣深度均以土壤平均厚度確定，各類景觀區(qū)采樣深度保持相對一致。深層土壤基本采樣密度為1個(gè)點(diǎn)/4 km2，沿海灘涂、森林草原、湖泊濕地、荒漠戈壁及險(xiǎn)峻山區(qū)等特殊景觀區(qū)，采樣密度可放稀為1～2個(gè)點(diǎn)/16 km2。采樣點(diǎn)一般布設(shè)在平原、平壩或谷地等土壤層較厚部位。近岸海域與大陸緊密相連，延續(xù)大陸物質(zhì)分布的區(qū)域，按照雙層網(wǎng)格化方法，要求在退潮線10 m水深以淺范圍采集海底沉積物樣品。近岸海域按網(wǎng)格化均勻布設(shè)采樣點(diǎn)位，一般布置在網(wǎng)格中間部位，海灣交匯處、河流入?？诘冗m當(dāng)加密。近岸海域島嶼分布地區(qū)，按照網(wǎng)格密度采樣要求在島嶼采集土壤樣品。采用雙層網(wǎng)格化正確合理布局與布設(shè)采樣點(diǎn)位是獲得土壤地球化學(xué)大數(shù)據(jù)信息的基本原則[7]。

土壤采樣物質(zhì)方面，規(guī)定采集普遍分布的化學(xué)風(fēng)化強(qiáng)烈、發(fā)育成熟的黏土質(zhì)物質(zhì)，大江大河、湖泊濕地采集水底沉積物或河漫灘沉積物采樣物質(zhì)為黏土質(zhì)沉積物，避免采集沙質(zhì)沉積物。要求深層土壤與表層土壤為源于同一成因類型的土壤物質(zhì)。最大限度保持全國范圍采樣物質(zhì)的一致性，也就是確保大數(shù)據(jù)性質(zhì)在空間意義上的一致性。

樣品采集以代表性為主要原則，即采樣物質(zhì)能夠代表網(wǎng)格內(nèi)土壤物質(zhì)及各類沉積物元素指標(biāo)的平均含量，反映表生地球化學(xué)各類參數(shù)特征。為此要求采樣布局和布設(shè)同時(shí)符合均勻性與合理性原則，即按照采樣網(wǎng)格與采樣密度在全國各地區(qū)均勻分布，以最大限度地控制調(diào)查面積；要求采樣點(diǎn)位按照合理性原則選擇恰當(dāng)采樣部位或位置[7]，一般平原地區(qū)選擇在采樣網(wǎng)格中間部位，丘陵山地、黃土溝壑等選擇在土壤易于匯集的山間谷地、坡地等，河流、湖泊、沼澤等布設(shè)在水流較緩處，盡量避開人類影響部位。野外工作全過程實(shí)行野外作業(yè)組、項(xiàng)目承擔(dān)部門及項(xiàng)目主管單位三級質(zhì)量檢查和驗(yàn)收制度。一般野外采樣工作達(dá)到優(yōu)秀水平后，才可送實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行樣品測試。

1.2 實(shí)驗(yàn)室樣品加工與測試

樣品加工與處理。樣品經(jīng)干燥、加工后過20目(<0.84 mm)尼龍篩，充分混勻，其中500 g樣品裝瓶長期保留。另部分樣品，表層土壤樣品按4 km2網(wǎng)格等量均勻組合，深層土壤樣品按16 km2網(wǎng)格等量均勻組合，樣品質(zhì)量≥200 g，送實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行分析測試。表層與深層樣品采集及加工、組合、包裝、運(yùn)輸過程防止沾污、霉?fàn)€等問題發(fā)生。

樣品測試方面，采用電感耦合等離子體質(zhì)譜法(ICP-MS)、等離子體發(fā)射光譜(ICP-OES)、X射線熒光光譜法(XRF)為主，原子熒光光譜(AFS)、交流電弧—發(fā)射光譜法(ES)為輔的配套分析方案，主要分析Ag、As、Au、B、Br、Cl、F、Ge、Hg、I、N、S、Se、Sn、TOC、pH等共54項(xiàng)元素指標(biāo)[8-9]，依據(jù)儀器功能特性與方法優(yōu)勢選擇最佳的配套分析方案(表1)。樣品分析規(guī)定所選擇的分析方法與所提供的分析數(shù)據(jù)必須符合現(xiàn)代測試水準(zhǔn)的檢出限、準(zhǔn)確度與精密度要求，即分析方法檢出限要求達(dá)到或低于地殼元素豐度值(表2)，分析方法準(zhǔn)確度與分析方法精密度達(dá)到表2、表3各項(xiàng)指標(biāo)[10-12]。某些元素若采用其他分析方法進(jìn)行分析時(shí)，應(yīng)經(jīng)過試驗(yàn)證實(shí)各項(xiàng)分析指標(biāo)達(dá)到規(guī)定的精度指標(biāo)要求時(shí)方可用于樣品分析。

表1 分析方法配套方案

表2 元素指標(biāo)分析方法檢出限、準(zhǔn)確度、精密度

表3 分析方法的準(zhǔn)確度、精密度要求

為確保全國多目標(biāo)區(qū)域地球化學(xué)調(diào)查分析方法與分析數(shù)據(jù)達(dá)到上述各項(xiàng)質(zhì)量指標(biāo)要求，以監(jiān)控全國不同分析實(shí)驗(yàn)室、不同方法、不同批次、不同地區(qū)或不同時(shí)期間可能存在的系統(tǒng)偏倚，實(shí)現(xiàn)各地區(qū)、各省區(qū)之間及至全國地球化學(xué)圖的無縫拼接，使分析數(shù)據(jù)逼近客觀真實(shí)的地球化學(xué)分布，元素地球化學(xué)數(shù)據(jù)在全省區(qū)和全國范圍的對比研究，樣品分析質(zhì)量控制采用實(shí)驗(yàn)室內(nèi)部和外部相結(jié)合的雙重控制方法[10-12]。

實(shí)驗(yàn)室內(nèi)部質(zhì)量控制包括分析方法與分析方法各項(xiàng)質(zhì)量指標(biāo)控制。① 準(zhǔn)確度控制指控制試樣測定值與真值的符合程度，同時(shí)控制不同實(shí)驗(yàn)室、不同分析方法及不同地區(qū)間可能存在的系統(tǒng)偏倚。要求采用分析國家一級標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，具體做法是每500件樣品中密碼插入12個(gè)GBW標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)進(jìn)行分析，計(jì)算每種元素每次分析結(jié)果測定值與標(biāo)準(zhǔn)值對數(shù)差(ΔlgC)，分析質(zhì)量合格率達(dá)到100%。② 精密度控制指控制試樣多次測定相互間的符合程度，同時(shí)控制不同地區(qū)、不同分析批次及不同圖幅間可能存在的系統(tǒng)偏倚。具體做法是選擇4個(gè)不同的國家一級標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，密碼插入每一分析批中(50個(gè)號碼)，與試樣一起分析后對每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)計(jì)算測定值與監(jiān)控值對數(shù)偏差(ΔlgC)，用以衡量樣品分析精密度，分析質(zhì)量合格率100%。準(zhǔn)確度與精密度控制允許限見表4。③ 報(bào)出率控制指實(shí)驗(yàn)室分析能夠報(bào)出元素含量大于或等于分析方法檢出限的數(shù)據(jù)樣品數(shù)(N)占樣品總數(shù)(M)百分比(P=N/M)，要求各類元素報(bào)出率均應(yīng)高于95%，總報(bào)出率≥99%。④ 樣品重復(fù)性檢驗(yàn)合格率達(dá)到90%。⑤ 異常值抽查檢查合格率達(dá)到85%。

表4 日常分析準(zhǔn)確度、精密度要求

實(shí)驗(yàn)室外部質(zhì)量控制由全國區(qū)域性地球化學(xué)樣品測試質(zhì)量檢查驗(yàn)收專家組負(fù)責(zé)，對各地區(qū)實(shí)驗(yàn)室實(shí)行分析質(zhì)量全程監(jiān)控及對全部樣品分析質(zhì)量進(jìn)行考核。具體方法是利用若干國家土壤一級標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)按照不同比例配制成數(shù)千個(gè)不同的標(biāo)準(zhǔn)控制樣，其元素含量標(biāo)準(zhǔn)值由樣品配制比例計(jì)算取得試用值，經(jīng)高精度測試方法檢驗(yàn)后定值，編制成密碼標(biāo)準(zhǔn)控制樣。全國區(qū)域性地球化學(xué)樣品測試質(zhì)量檢查驗(yàn)收專家組通過密碼標(biāo)準(zhǔn)控制樣對全國各地區(qū)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行分析質(zhì)量監(jiān)控。全國質(zhì)量檢查驗(yàn)收專家組負(fù)責(zé)將密碼標(biāo)準(zhǔn)控制樣編入實(shí)驗(yàn)室各批次分析樣品中，與樣品同時(shí)分析，要求:① 統(tǒng)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)控制樣單元素合格率達(dá)到90%；② 標(biāo)準(zhǔn)監(jiān)控樣標(biāo)準(zhǔn)值與測量值相關(guān)系數(shù)≥0.90；③ 標(biāo)準(zhǔn)監(jiān)控樣標(biāo)準(zhǔn)值與測量值方差檢驗(yàn)的F測量值≤F臨界值；④ 虛擬相似度圖判別合格；⑤ 元素地球化學(xué)圖與實(shí)際地質(zhì)特征一致，且與周邊元素地球化學(xué)圖無縫拼接。

全國區(qū)域性地球化學(xué)樣品測試質(zhì)量檢查驗(yàn)收專家組負(fù)有全權(quán)管理之責(zé)任，包括對實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行資格論證、考核分析方法與配套方案、檢查質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量體系運(yùn)行狀況、檢查樣品存放及加工處理與測試各環(huán)節(jié)流程、進(jìn)行過程檢查與最終驗(yàn)收、調(diào)查處理質(zhì)量問題與質(zhì)量事故、提出監(jiān)控方法與監(jiān)控指標(biāo)意見及對測試結(jié)果進(jìn)行評分與定級等。在實(shí)驗(yàn)室樣品分析數(shù)據(jù)資料分析質(zhì)量審查與驗(yàn)收環(huán)節(jié)，首先要求各地區(qū)實(shí)驗(yàn)室依據(jù)分析質(zhì)量對所報(bào)出的分析數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量評估，包括分析方案與分析方法、各項(xiàng)分析質(zhì)量指標(biāo)及內(nèi)部質(zhì)量管理機(jī)制等方面，提交分析質(zhì)量評估報(bào)告。專家組對實(shí)驗(yàn)室提交的分析質(zhì)量評估報(bào)告進(jìn)行全面審查和綜合評價(jià)，對測試過程及形成的原始資料(包括所采用測試儀器設(shè)備、分析方法技術(shù)及原始數(shù)據(jù)、測試記錄等)進(jìn)行審閱與審核，對全部分析數(shù)據(jù)質(zhì)量進(jìn)行評定與驗(yàn)收，在確認(rèn)全部數(shù)據(jù)資料達(dá)到前述實(shí)驗(yàn)室內(nèi)部與外部各項(xiàng)質(zhì)量指標(biāo)后方可予以驗(yàn)收(對未達(dá)到優(yōu)秀級質(zhì)量水平的元素指標(biāo)進(jìn)行重新分析，直至符合要求)，正式提交地質(zhì)調(diào)查部門，進(jìn)入數(shù)據(jù)整理、圖件繪制及報(bào)告編寫等工作階段。

全國多目標(biāo)區(qū)域地球化學(xué)調(diào)查工作分布面積之廣大，采樣網(wǎng)度之密集，測試質(zhì)量之精準(zhǔn)，信息資料之豐富，均達(dá)到目前國內(nèi)外前所未有的高度與水平，這是中國勘查地球化學(xué)發(fā)展史上具有里程碑意義的巨大成功，是對世界應(yīng)用地球化學(xué)領(lǐng)域作出的卓越貢獻(xiàn)。同時(shí)，也就為建立全國土壤地球化學(xué)背景值與基準(zhǔn)值系列參數(shù)提供高精確度的大數(shù)據(jù)信息基礎(chǔ)。

2 中國土壤背景值與基準(zhǔn)值系列參數(shù)及其變化特征

全國多目標(biāo)區(qū)域地球化學(xué)調(diào)查在1999～2019年20年期間完成調(diào)查面積約260萬km2。本文依據(jù)《中國土壤地球化學(xué)參數(shù)》[1]研究成果，主要指在1999～2012年期間全國多目標(biāo)區(qū)域地球化學(xué)調(diào)查取得的數(shù)據(jù)資料，覆蓋國土面積150萬km2，如圖1所示，包括全國主要平原盆地、湖泊濕地、近海灘涂、森林草原、丘陵山區(qū)及黃土高原等第四系發(fā)育地區(qū)。

圖1 全國多目標(biāo)區(qū)域地球化學(xué)調(diào)查程度(1999～2012)Fig.1 Areas covered by multi-target regional geochemical survey in China(1999～2012)(審圖號：GS(2021)3113)

全國多目標(biāo)區(qū)域地球化學(xué)調(diào)查按照雙層網(wǎng)格化采樣布局方式，總計(jì)采集樣品約200萬件，測試表層與深層土壤組合樣品約47萬件，每件樣品分析54項(xiàng)元素指標(biāo)，測試元素指標(biāo)數(shù)據(jù)總量達(dá)2 550萬個(gè)。依據(jù)土壤地球化學(xué)背景值與基準(zhǔn)值參數(shù)統(tǒng)計(jì)方法，對全國范圍，以及按照土壤類型、土地利用類型、成土母質(zhì)、大地構(gòu)造單元、成礦區(qū)帶、行政區(qū)、江河流域、地理景觀及溫度帶等9大類統(tǒng)計(jì)單元，分別統(tǒng)計(jì)算術(shù)平均值、幾何平均值、算術(shù)標(biāo)準(zhǔn)偏差、幾何標(biāo)準(zhǔn)偏差、變異系數(shù)、眾值、中位數(shù)、最大值、最小值、累積頻率分段值以及統(tǒng)計(jì)樣本數(shù)、分布面積等，進(jìn)行大數(shù)據(jù)綜合集成研究與分類統(tǒng)計(jì)應(yīng)用。本文主要從全國層面概要地研究土壤地球化學(xué)系列參數(shù)及其變化特征。

中國第一環(huán)境與第二環(huán)境土壤地球化學(xué)背景值系列參數(shù)，分別采用原始數(shù)據(jù)與原始數(shù)據(jù)剔除異常值兩種統(tǒng)計(jì)方法計(jì)算，如表5所示。

表5 中國土壤地球化學(xué)背景值

研究中國土壤地球化學(xué)背景值與全球地殼豐度比值，一般比值≥1.20的元素指標(biāo)為顯著高于豐度值，介于1.10～1.20之間為高于豐度值，介于0.90～1.10為相對穩(wěn)定，介于0.80～0.90為低于豐度值，小于0.80為顯著低于豐度值。由表6看出：① 與全球豐度值近似的元素指標(biāo)，比值為1或接近1，如Au(1.00～1.33)、Be(0.95～1.05)、F(0.90～0.96)、Ti(1.09～1.16)、W(0.93～1.15)、SiO2(0.96～0.98)等；② 高于或顯著高于全球豐度值，依次為B(2.82～3.00)、Sb(1.90～2.55)、As(1.90～2.25)、Bi(1.81～2.88)、Li(1.57～1.71)、Sn(1.43～2.05)、Ag(1.40～5.60)、Cd(1.07～2.28)、Pb(1.35～1.76)、Zr(1.33～1.43)、Nb(1.25～1.33)、La(1.19～1.23)等；③ 低于或顯著低于全球豐度值，依次為Sr(0.46～0.49)、Ni(0.55～0.62)、Mo(0.61～0.81)、Mn(0.73～0.85)、Ba(0.81～0.83)等；④ 氧化物與全球豐度比值由較低至較高依次為Na2O(0.39)、 MgO(0.59～0.61)、CaO(0.78～0.83)、TFe2O3(0.78～0.86)、 K2O(0.84～0.86)、 Al2O3(0.84～0.91)、SiO2(0.96～0.98)；⑤ 相同元素(氧化物)第一環(huán)境與第二環(huán)境比值變化幅度一般在相同級次上，表明全球尺度上元素(氧化物)的共性特征，僅Hg在土壤第一環(huán)境明顯低于豐度值(0.92～0.56)，而在第二環(huán)境明顯高于豐度值(1.00～1.52)。以上反映中國土壤元素(氧化物)與全球地殼豐度的總體特征和基本規(guī)律，隱含豐富的地球化學(xué)內(nèi)涵，值得深入研究。

表6 中國土壤地球化學(xué)背景值與地殼豐度比值

但是，中國地域遼闊，縱跨多級緯度帶，地質(zhì)背景與地理景觀截然不同，表生作用方式、特點(diǎn)及程度存在巨大差異，因此，還必須以全球豐度與中國背景為依據(jù)衡量全國各類自然景觀地區(qū)土壤地球化學(xué)背景特征，以具體分析和研究這些地區(qū)表生地球化學(xué)的變化規(guī)律。如表7所示，由北方至南方分別選擇遼河流域、黃河流域、長江流域與珠江流域等典型地區(qū)，采用各流域第一環(huán)境土壤背景值(選擇原始數(shù)據(jù)剔除異常值數(shù)據(jù))，分別與地殼豐度值和中國第一環(huán)境土壤背景值進(jìn)行對比，以研究各大流域與全球及全國背景值的變化特征。看出，各大流域元素氧化物相對于地殼豐度與中國土壤背景值變化幅度較大。與地殼豐度相比，遼河流域高于豐度值元素依次為Ag、As、B、Bi、Li、Sb、Pb等，黃河流域依次為Ag、As、B、Sb、Bi、Cd、Li、Sn、Pb等，長江流域?yàn)锳g、As、Bi、Cd、Li、Sb、Sn、Pb、Th、Nb等，珠江流域?yàn)锳g、As、Bi、B、Hg、Sb、Sn、Pb、Th、W、U、Y、Zr、La、Nb、Li、Mo等?？闯?，各大流域在強(qiáng)度、組成等方面均有不同，其中南方較北方元素組成復(fù)雜，含量強(qiáng)度高。值得注意，長江流域重金屬Cd背景值與地殼豐度比值為1.39，黃河流域?yàn)?.26，顯著高于遼河流域與珠江流域。低于豐度值方面，遼河流域主要為Au、Co、Cr、Cu、F、Hg、Mn、Mo、Ni、P、Sr、U、V、W、Zn等，黃河流域?yàn)锽a、Be、Co、Cr、Cu、F、Hg、Mn、Mo、Ni、P、Sr、U、V、W、Zn等，長江流域?yàn)锽a、Cr、F、Mo、Ni、P、Sr等，珠江流域?yàn)锽a、Co、Cr、Cu、F、Mn、Ni、P、Sr、V、Zn等。比較各大流域氧化物變化特征，遼河流域TFe2O3、CaO、MgO、Na2O顯著低于豐度值。黃河流域CaO顯著高于豐度值，TFe2O3、Al2O3、Na2O顯著低于豐度值。長江流域CaO、MgO、Na2O顯著低于豐度值。珠江流域特點(diǎn)最為突出，Al2O3顯著高于豐度值，而CaO、Na2O、MgO、K2O顯著低于豐度值。

各大流域元素(氧化物)與全國土壤背景比值反映各大流域在全國總背景中的相對貢獻(xiàn)率。如表7所示，僅以Cd元素為例，長江流域Cd(1.30)比值最高，依次為黃河流域(1.18)、遼河流域(0.68)、珠江流域(0.56)。中國第二環(huán)境土壤表生作用更為強(qiáng)烈，且在自然背景基礎(chǔ)上疊加人類活動影響因數(shù)，比值特征更為復(fù)雜，本文限于篇幅原因，未作論述。

土壤元素(氧化物)富集與貧化狀態(tài)深度影響生態(tài)系統(tǒng)和環(huán)境質(zhì)量。以中國第一環(huán)境土壤背景值為基準(zhǔn)，研究第二環(huán)境土壤地球化學(xué)富集特征，由表8看出，依據(jù)原始數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，顯著富集元素指標(biāo)為SOC(3.07)、N(2.39)、TC(1.81)、Hg(1.65)、Cd(1.61)、Se(1.55)、Br(1.54)、S(1.52)、P(1.48)、Cl(1.36)等；富集元素指標(biāo)為Sn(1.19)、Ag(1.18)、Au(1.18)、Bi(1.16)、Pb(1.12)等。依據(jù)原始數(shù)據(jù)剔除異常值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，顯著富集元素指標(biāo)為TC(1.83)、SOC(3.48)、Br(1.46)、Cd(1.56)、Hg(1.77)、N(2.52)、P(1.49)、S(2.02)、Se(1.78)等；富集元素指標(biāo)為Bi(1.12)、Cl(1.14)、Pb(1.11)等。元素富集特征總體受自然環(huán)境與成土母質(zhì)等因素控制，Hg、Cd、S、N、P等富集與人類活動有關(guān)，有些與有機(jī)碳吸附作用有關(guān)，如Se、Br、Cl、Hg等。其中Cd、Hg、S等富集問題與pH值對于生態(tài)環(huán)境尤應(yīng)關(guān)注。表層土壤與深層土壤pH中位數(shù)比值為0.95，土壤中[H]+濃度增加了2.5倍，表明我國表層土壤總體趨于酸化，可能促使重金屬元素活化轉(zhuǎn)移。

表8 中國土壤第二環(huán)境背景值與第一環(huán)境背景值(基準(zhǔn)值)比值特征

全國各地區(qū)在地理景觀、氣候環(huán)境、地質(zhì)背景、物理化學(xué)條件及人類影響強(qiáng)烈程度等方面存在較多差異，土壤物質(zhì)來源、風(fēng)化程度及地球化學(xué)特征也有所不同，因而各地區(qū)元素指標(biāo)第二環(huán)境與第一環(huán)境土壤背景值比值呈現(xiàn)流域性、區(qū)域性富集或貧化特征。采用原始數(shù)據(jù)具體分析國內(nèi)各大流域或地區(qū)土壤地球化學(xué)背景比值特征，由表9所示，元素指標(biāo)富集特征方面，全國性元素指標(biāo)富集與顯著富集元素指標(biāo)為Cd、Hg、Pb、Ag、Br、N、P、Se、S及TC、SOC等，基本反映全國各流域各地區(qū)的普遍特征。貧化特征方面，中國北方與南方地區(qū)變化較大。長江流域及其以北地區(qū)僅B、Mo、I等元素貧化，而珠江流域及其以南地區(qū)Mo、Zn、Cu等多達(dá)20余種類微量元素貧化或顯著貧化，珠江流域、廣西地區(qū)K2O、MgO等常量元素顯著貧化，海南島MgO顯著貧化。各流域地區(qū)富集或貧化的元素指標(biāo)組成特征也存在較大變化，反映全國由北向南縱跨寒溫帶、溫帶、亞熱帶至熱帶氣候變遷、自然景觀及地質(zhì)背景對于地球化學(xué)行為的深度影響。即使同為南方地區(qū)也有所不同，如珠江流域、廣西地區(qū)S顯著富集，而海南島地區(qū)顯著貧化，I則相反，存在大量值得深入研究的地球化學(xué)現(xiàn)象。

表9 全國和各主要流域地區(qū)第二環(huán)境與第一環(huán)境土壤背景值(基準(zhǔn)值)比值特征

3 結(jié)語

《中國土壤地球化學(xué)參數(shù)》作為一項(xiàng)基礎(chǔ)性研究工作，以其大數(shù)據(jù)優(yōu)勢建立土壤地球化學(xué)背景值與基準(zhǔn)值系列參數(shù)，為土壤學(xué)、生態(tài)學(xué)、環(huán)境學(xué)、生物學(xué)及地球科學(xué)領(lǐng)域提供基礎(chǔ)信息，為全球變化、全球環(huán)境、全球治理重大科學(xué)問題研究提供重要依據(jù)，為國家自然資源、生態(tài)環(huán)保、農(nóng)業(yè)農(nóng)村及衛(wèi)生健康等行業(yè)部門科學(xué)管理與科學(xué)決策提供評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，具有重要科學(xué)價(jià)值和應(yīng)用價(jià)值。

《中國土壤地球化學(xué)參數(shù)》研究建立在地球化學(xué)大數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，信息量巨大，內(nèi)涵極為豐富。本文研究僅僅觸及宏觀層面的某些方面，就已經(jīng)涌流出大量生態(tài)信息、自然規(guī)律與科學(xué)問題需要深化研究和應(yīng)用實(shí)踐。土壤污染問題及其對生態(tài)系統(tǒng)影響是目前世界各國高度關(guān)注的現(xiàn)實(shí)問題，建立國家與地方土壤環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)勢在必行。中國依據(jù)全國土壤地球化學(xué)背景值與基準(zhǔn)值研究及全國性生態(tài)環(huán)境問題建立全國土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，為全國土壤環(huán)境質(zhì)量等級劃分及進(jìn)行土壤環(huán)境質(zhì)量評價(jià)提供依據(jù)，推動生態(tài)環(huán)境領(lǐng)域土壤環(huán)境調(diào)查評價(jià)、預(yù)測預(yù)警、治理修復(fù)及風(fēng)險(xiǎn)防治等各項(xiàng)工作全面實(shí)施。依據(jù)全國各地區(qū)土壤地球化學(xué)背景值與基準(zhǔn)值研究及區(qū)域性生態(tài)環(huán)境問題建立地方土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，針對不同地理景觀、地質(zhì)背景、物理化學(xué)條件及表生作用，具體研究各地區(qū)土壤地球化學(xué)背景與異常變化幅度，深化研究土壤環(huán)境容量、土壤環(huán)境質(zhì)量及評價(jià)土壤污染程度與生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，形成以國家標(biāo)準(zhǔn)為指導(dǎo)性標(biāo)準(zhǔn)、地方標(biāo)準(zhǔn)為執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)范體系，使國家土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)更加科學(xué)合理，切合全國及各地區(qū)經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展實(shí)際。與此同時(shí)，依據(jù)全國土壤地球化學(xué)系列參數(shù)研究各類有益元素組分及其生態(tài)效應(yīng)，建立土壤有益元素質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行有益元素組分等級劃分，科學(xué)合理規(guī)劃開發(fā)土地資源，取得豐碩經(jīng)濟(jì)社會效益。

全球變化使世界各國面臨前所未有的生存危機(jī)，成為全世界經(jīng)濟(jì)社會可持續(xù)發(fā)展必須面對的重大科學(xué)問題和現(xiàn)實(shí)問題。中國作為負(fù)責(zé)任大國在碳達(dá)峰與碳中和方面作出重大戰(zhàn)略決策，在節(jié)能減排與構(gòu)建清潔低碳能源體系同時(shí)，大力提升生態(tài)碳匯能力，充分發(fā)揮包括土壤在內(nèi)森林、草原、濕地、凍土固碳作用。土壤生態(tài)系統(tǒng)具有碳源與碳匯的雙重效應(yīng)，擔(dān)負(fù)實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰與碳中和的雙重責(zé)任。自然資源領(lǐng)域負(fù)有遏制碳排放與提升生態(tài)系統(tǒng)碳匯增量的重要職責(zé)，有必要在自然資源開發(fā)利用、保護(hù)監(jiān)督與生態(tài)修復(fù)等方面制定土壤減排增匯指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)體系，監(jiān)測監(jiān)控全國各地區(qū)土壤碳源/匯變化趨勢，指導(dǎo)土地規(guī)劃利用，為強(qiáng)化國土空間規(guī)劃與用途管控提供政策依據(jù)與對策措施。在出版《中國土壤地球化學(xué)參數(shù)》著作之前，特別出版《中國土壤碳密度系列參數(shù)》專著[14]，詳細(xì)統(tǒng)計(jì)全國土壤及不同土壤類型、土地利用類型、植被類型及流域、行政區(qū)劃等碳含量及碳密度參數(shù)，為土地利用、農(nóng)業(yè)耕作、城鎮(zhèn)建設(shè)等行業(yè)領(lǐng)域，以及平原盆地、黃土高原、森林草原、湖泊濕地、冰川凍土等自然景觀提供土壤生態(tài)系統(tǒng)評價(jià)準(zhǔn)則，推動土壤碳密度、碳循環(huán)及其變化速率研究，增強(qiáng)土壤系統(tǒng)碳匯作用與固碳儲碳能力，治理修復(fù)土壤碳排放源區(qū)，促進(jìn)形成土壤系統(tǒng)碳排放交易與碳補(bǔ)償市場機(jī)制，為有效應(yīng)對全球變化作出貢獻(xiàn)。

《中國土壤地球化學(xué)參數(shù)》是我國地球化學(xué)史上空前規(guī)模的具有里程碑意義的學(xué)術(shù)成就。這項(xiàng)研究工作在自然資源部中國地質(zhì)調(diào)查局主導(dǎo)下，由中國地質(zhì)大學(xué)(北京)精心設(shè)計(jì)與組織，各省、自治區(qū)、直轄市地質(zhì)調(diào)查部門按照全國統(tǒng)一的規(guī)范要求與質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)參與實(shí)施；與此同時(shí)，《中華人民共和國多目標(biāo)區(qū)域地球化學(xué)圖集》編制工作在中國地質(zhì)科學(xué)院地球物理地球化學(xué)勘查研究所主持下，在全國各省、自治區(qū)、直轄市及重要經(jīng)濟(jì)區(qū)帶全面開展和陸續(xù)出版，客觀、精確地展示出各地區(qū)元素(化合物)地球化學(xué)分布狀況及參數(shù)特征。這兩項(xiàng)重大成果凝聚了廣大地學(xué)工作者的辛勞和智慧，展現(xiàn)出嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)精神和崇高的事業(yè)心與責(zé)任心，展示中國質(zhì)量和中國精度，代表中國地學(xué)領(lǐng)域高質(zhì)量發(fā)展方向。本書特將相關(guān)地質(zhì)調(diào)查與分析測試部門名稱列于其附錄中?？梢灶A(yù)見，隨著中國土壤地球化學(xué)參數(shù)值的深入研究與廣泛應(yīng)用，逐步建立以地球化學(xué)大數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，生態(tài)地球化學(xué)理論為指導(dǎo)的信息化、模式化、智能化應(yīng)用科學(xué)體系，將促使地球化學(xué)更加深度融入國家經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展，在國家發(fā)展大格局中發(fā)揮積極作用，國家經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展也將會更加關(guān)注地球化學(xué)問題。