西北地區(qū)土地質(zhì)量地球化學(xué)調(diào)查進展與主要成果

趙禹，趙寒森，劉拓，*，白金，王磊、梁楠，王鵬，楊生飛，魏錦萍，李文明，曾憲紅，張轉(zhuǎn)，韓海輝，趙君，陳振宇

（1.中國地質(zhì)調(diào)查局西安地質(zhì)調(diào)查中心，陜西 西安 710054；2. 中國地質(zhì)調(diào)查局西安礦產(chǎn)資源中心，陜西 西安 710100）

土地是指地球陸地表面和近地面層，包括氣候、土壤、水文、植被以及過去和現(xiàn)在人類活動影響在內(nèi)的自然歷史綜合體，是人類賴以生存和社會發(fā)展的基礎(chǔ)，土地質(zhì)量的好壞直接影響到農(nóng)、林、牧業(yè)的生產(chǎn)效益和人們生活的質(zhì)量（黃勇等，2008）。自1999年以來，中國地質(zhì)調(diào)查局在全國部署實施了多目標(biāo)區(qū)域地球化學(xué)調(diào)查/土地質(zhì)量地球化學(xué)調(diào)查工作，旨在查明中國土地質(zhì)量和生態(tài)狀況，為生態(tài)文明建設(shè)和自然資源管理提供地質(zhì)數(shù)據(jù)支撐，這是中國繼區(qū)域化探全國掃面計劃之后一項新的國家地球化學(xué)填圖計劃。該項工作以“摸清家底、發(fā)現(xiàn)問題、提出對策、支撐服務(wù)”為指導(dǎo)思想，實行高密度的大數(shù)據(jù)、大信息綜合集成運作，通過20余年的發(fā)展，構(gòu)建了土地質(zhì)量地球化學(xué)調(diào)查的任務(wù)鏈布局和實現(xiàn)途徑，創(chuàng)建了生態(tài)地球化學(xué)理論體系，在支撐服務(wù)農(nóng)業(yè)發(fā)展、土壤環(huán)境污染防控、土地資源管理、國家重大立法、衛(wèi)生健康、精準(zhǔn)扶貧等方面做出了重大貢獻，顯著拓展了地質(zhì)工作服務(wù)鏈（李括等，2019）。特別是在“十三五”期間，在資源和環(huán)境保護各方面繼續(xù)取得顯著成果，產(chǎn)生廣泛影響力和重要經(jīng)濟社會效益，成為地質(zhì)轉(zhuǎn)型工作最具活力的領(lǐng)域之一。

西北地區(qū)（陜西、甘肅、寧夏、青海和新疆）幅員遼闊、地理空間跨度大。自2004年，在中國地質(zhì)調(diào)查局統(tǒng)籌部署下，西安地質(zhì)調(diào)查中心負責(zé)組織西北地勘單位共同開展多目標(biāo)區(qū)域地球化學(xué)調(diào)查/土地質(zhì)量地球化學(xué)調(diào)查項目30余項，并取得系列成果。其中，西安地質(zhì)調(diào)查中心組織編制的《中華人民共和國多目標(biāo)區(qū)域地球化學(xué)圖集：汾渭盆地》是汾渭盆地1∶25萬多目標(biāo)區(qū)域地球化學(xué)調(diào)查的重要集成成果，是汾渭盆地土地規(guī)劃與管護、農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)調(diào)整、環(huán)境保護、資源勘查、全球變化及第四紀(jì)研究的重要基礎(chǔ)資料（原國土資源部中國地質(zhì)調(diào)查局，2016）。青海省第五地質(zhì)勘查院匯聚海東地區(qū)歷年土地質(zhì)量地球化學(xué)調(diào)查項目成果，編制出版了青海省地質(zhì)勘查成果系列叢書《青海東部土壤地球化學(xué)背景值》（苗國文等，2020）、《青海東部生態(tài)地球化學(xué)成果及經(jīng)濟效益示范》（姬丙艷等，2020），其研究成果“青藏高原北緣富硒土壤地球化學(xué)特征研究及應(yīng)用”獲青海省科學(xué)技術(shù)進步一等獎。甘肅、寧夏和新疆地區(qū)同樣取得重要成果。

2016年以來，通過“西北五省區(qū)耕地區(qū)1∶25萬土地質(zhì)量地球化學(xué)調(diào)查”和“新疆耕地區(qū)土地質(zhì)量地球化學(xué)調(diào)查”自然資源部中國地質(zhì)調(diào)查局二級項目的實施，有力地推進了西北地區(qū)土地質(zhì)量地球化學(xué)調(diào)查和研究工作，首次集成西北五省區(qū)數(shù)據(jù)，形成了大區(qū)尺度成果，并在解決基礎(chǔ)地質(zhì)問題、耕地保護與質(zhì)量提升、促進特色農(nóng)業(yè)發(fā)展、服務(wù)自然資源管理、支撐脫貧攻堅與鄉(xiāng)村振興有效銜接等方面起到重要引領(lǐng)示范作用（劉拓等，2019），西北土地質(zhì)量地球化學(xué)調(diào)查團隊據(jù)此榮獲中國地質(zhì)調(diào)查局“十三五”脫貧攻堅優(yōu)秀集體。筆者旨在通過回顧和總結(jié)以往調(diào)查、研究及應(yīng)用成果，探索地質(zhì)調(diào)查成果在現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、生態(tài)環(huán)境保護、元素與健康、土地資源管理等多個領(lǐng)域拓展應(yīng)用方法，拋磚引玉，為地質(zhì)工作轉(zhuǎn)型升級提供經(jīng)驗和借鑒。

1 西北土地質(zhì)量地球化學(xué)調(diào)查現(xiàn)狀

西北地區(qū)土地質(zhì)量地球化學(xué)調(diào)查工作始于2004年，截止目前，已累計完成1∶25萬土地質(zhì)量地球化學(xué)調(diào)查29.97萬km2（圖1），全國占比11.1%（全國累計完成270萬km2），覆蓋耕地1.39億畝，實現(xiàn)耕地覆蓋率56.39%，低于全國78.4%的平均覆蓋水平。時間跨度上，“十五”期間僅在青海西寧作為全國試點試驗區(qū)完成3 500 km2；“十一五”和“十三五”期間完成調(diào)查面積最大，分別占比35.42%和49.18%；“十二五”處于低谷期，僅占14.23%（圖2）。整體上，西北地區(qū)不同階段工作量投入情況與全國土地質(zhì)量地球化學(xué)調(diào)查大背景一致，從某種程度上來說，土地質(zhì)量地球化學(xué)調(diào)查工作的起伏與該項工作支撐服務(wù)國家需求能力密切相關(guān)，“十三五”期間的快速增長，是其在農(nóng)業(yè)、環(huán)境和國土資源管理中基礎(chǔ)性地位不斷提高的重要體現(xiàn)。調(diào)查區(qū)域上，該項工作重點圍繞西北主要糧食主產(chǎn)區(qū)、重要經(jīng)濟帶開展，并涵蓋了97個國家級貧困縣和部分陜甘寧革命老區(qū)。由于各省區(qū)耕地數(shù)量不同，其耕地覆蓋率有一定差異（表1）。其中，寧夏區(qū)已實現(xiàn)耕地全覆蓋（100%），其次為新疆區(qū)（70.73%）（已完成工作主要集中分布于天山以南地區(qū)）、青海?。?9.99%）（同時覆蓋了大面積牧草地；海北州、海西州部分地區(qū)和玉樹州等未開展工作）；陜西省和甘肅省相對較低，分別為44.72%和39.19%，已完成區(qū)主要集中分布于甘肅省張掖—蘭州—天水一帶，以及陜西省關(guān)中盆地、延安部分地區(qū)。經(jīng)費投入上，1∶25萬土地質(zhì)量地球化學(xué)調(diào)查總計投入1.76億元，其中中央財政占比81.74%，充分體現(xiàn)了該項地質(zhì)調(diào)查工作基礎(chǔ)性、公益性性質(zhì)。

圖1 西北五省土地質(zhì)量地球化學(xué)調(diào)查工作程度圖Fig.1 Working degree map of geochemical survey of land quality in Northwest China

圖2 2004～2020年西北土地質(zhì)量地球化學(xué)調(diào)查完成面積及經(jīng)費投入圖Fig.2 Completed area and fund investment of geochemical survey of land quality in Northwest China from 2004 to 2020

表1 西北五省土地質(zhì)量地球化學(xué)調(diào)查完成情況及經(jīng)費投入統(tǒng)計表Tab.1 Statistical table of Completed area and fund investment of geochemical survey of land quality in Northwest China

1∶5萬土地質(zhì)量地球化學(xué)調(diào)查工作主要部署在富硒區(qū)、特色農(nóng)業(yè)種植區(qū)、重要城鎮(zhèn)區(qū)和重要生態(tài)地球化學(xué)問題區(qū)等，西北累計完成1.99萬km2，均在2010年以后完成，其中“十三五”時期占比67.22%，主要得益于富硒特色土地資源的開發(fā)應(yīng)用帶動地方財政的積極跟進。該項工作以中央財政為引導(dǎo)，帶動省區(qū)級財政經(jīng)費投入為主（占到總投入經(jīng)費88.25%），并在青海、寧夏、新疆、陜西等省區(qū)起到了顯著的示范引領(lǐng)作用和應(yīng)用成效。

2 主要進展與成果

2.1 土壤地球化學(xué)參數(shù)特征

土壤地球化學(xué)參數(shù)包括了54項指標(biāo)的土壤地球化學(xué)背景值與基準(zhǔn)值，其反映土壤地球化學(xué)特征的基本指標(biāo)，是識別和評價土壤污染程度、制訂環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)、確立污染治理修復(fù)目標(biāo)的重要依據(jù)，具有環(huán)境、農(nóng)業(yè)、生態(tài)以及地方病等多學(xué)科研究價值（任蕊等，2013；成杭新等，2014；奚小環(huán)等，2021）。利用獲取的表層土壤數(shù)據(jù)，采用迭代剔除平均值加減3倍標(biāo)準(zhǔn)差離群數(shù)據(jù)后的算數(shù)平均值，作為西北地區(qū)土壤背景值；利用獲取的深層土壤數(shù)據(jù)，采用迭代剔除平均值加減3倍標(biāo)準(zhǔn)差離群數(shù)據(jù)后的算數(shù)平均值，作為西北地區(qū)土壤基準(zhǔn)值（表2）。同時，討論了元素空間分布與地質(zhì)背景、成礦作用、表生作用以及人類活動的關(guān)系。

富集系數(shù)K用于定量評價元素的富集特征，依據(jù)富集系數(shù)大小可將元素富集程度分為富集（K>1.2）、均勻（1.2≥K>0.8）和貧化（K≤0.8）3種類型。與全國土壤背景值相比（侯青葉等，2020），西北地區(qū)土壤背景值不同元素富集程度差異較大，富集系數(shù)K1（K1=西北地區(qū)土壤背景值/全國土壤背景值）介于0.46～2.65，54項元素指標(biāo)中CaO、MgO、Sr、TC、Cl、As、Na2O、Sb、Mo等9項富集系數(shù)K1大于1.2，屬富集元素；Hg、Corg、N、Zr等4項指標(biāo)屬貧化元素；其余41項為均勻元素。與全國土壤基準(zhǔn)值相比（侯青葉等，2020），深層土壤元素富集系數(shù)K2（K2=西北地區(qū)土壤基準(zhǔn)值/全國土壤基準(zhǔn)值）介于0.57～2.68，其中，CaO、TC、S、Cl、Sr、MgO、Cd、Na2O、P、As、Sb等11項指標(biāo)富集系數(shù)K2大于1.2，屬富集元素；Mo、Hg、Corg、N等4項指標(biāo)屬貧化元素；其余為均勻元素。

表2 西北農(nóng)耕區(qū)土壤基準(zhǔn)值、背景值統(tǒng)計表Tab.2 Geochemical background and baseline values in Northwest China

續(xù)表2

對劃分的黃土高原、戈壁綠洲不同地理景觀進行統(tǒng)計，結(jié)果表明，自然地理、成土母質(zhì)、土壤類型和土地利用類型對土壤元素背景值、基準(zhǔn)值影響顯著。黃土高原土壤元素含量受土壤粒度分帶和土壤類型空間分布規(guī)律的制約，亦具由北向南呈現(xiàn)規(guī)律性地球化學(xué)宏觀變化趨勢：隨著土壤粒度減小和土壤類型由沙漠土-黏黃土的變化，土壤中養(yǎng)分元素（N、P、K、有機質(zhì)）、生命健康（Se、B、I、Ge、Cu、Zn等）等有益元素、重金屬元素（Cd、Cr、As、Hg、Cu、Pb、Zn、Ni）、鐵族元素以及其他大量元素等呈現(xiàn)遞增趨勢；而SiO2、Na2O、Ba、Cl、Zr等元素，隨著土壤粒度減小和土壤類型由沙漠土-黏黃土的變化呈遞減趨勢，其原因與北部沙漠地區(qū)土壤中沙質(zhì)成分多和土壤鹽堿化發(fā)育有關(guān)。新疆戈壁綠洲區(qū)受北天山地區(qū)博格達成礦帶、伊連哈比爾尕成礦帶成礦元素影響，天山北坡土壤中Cu、Mn、Mo、Ti、V等金屬元素顯著富集；南疆白堊紀(jì)和第三紀(jì)含鹽地層廣泛分布，且較北疆氣候更加干旱，造成Cl、S、Ca等易溶鹽元素在南疆地區(qū)強烈富集；Corg、N、P等營養(yǎng)元素空間分布不均衡，呈現(xiàn)北疆豐于南疆的分布格局。

2.2 耕地質(zhì)量狀況與綠色農(nóng)業(yè)適宜性評價

N、P、K和有機質(zhì)為土壤肥力的最重要評價指標(biāo)（楊忠芳等，2016），參照《土地質(zhì)量地球化學(xué)評價規(guī)范（DZ/T0295——2016）》有關(guān)要求，通過對西北已獲取的1∶25萬土地質(zhì)量地球化學(xué)調(diào)查區(qū)土壤養(yǎng)分進行分析評價，結(jié)果表明，西北地區(qū)土壤養(yǎng)分元素含量以全鉀、全磷相對較豐富，全氮和有機質(zhì)相較缺乏為總體特點（表3）。其中，土壤全氮含量為0.02～11.39 g/kg，均值為0.93 g/kg，以較缺乏-缺乏為主（占比77.13%）；全磷含量為0.01～5.74 g/kg，均值為0.79 g/kg，以較豐富-中等為主（占比67.94%）；全鉀含量為3.34～120.32 g/kg，均值為19.86 g/kg，以較豐富-中等為主（占比97.93%）；有機質(zhì)含量為0.0～335.4 g/kg，均值為15.67 g/kg，以中等-較缺乏為主（占比84.75%）。全氮和有機質(zhì)成為西北地區(qū)土壤肥力最主要限制因素，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)以增施氮肥、有機肥為主，以改善土壤肥力狀況。在此基礎(chǔ)上，對土壤養(yǎng)分綜合質(zhì)量進行評價，整體上，西北耕地區(qū)土壤肥力處于中等-較缺乏水平（占比為75.09%），養(yǎng)分豐富-較豐富等級土壤在陜西、甘肅、寧夏、青海和新疆五省區(qū)中分別占比22.07%、13.90%、4.19%、57.79%、14.77%。其中，養(yǎng)分豐富的土壤主要集中分布在青海，其次在新疆伊犁河谷，甘肅河西走廊地區(qū)有較小面積分布；寧夏東部地區(qū)土壤養(yǎng)分明顯缺乏，主要受毛烏素荒漠和騰格里沙漠的影響，土壤類型以沙質(zhì)土為主，土壤退化造成養(yǎng)分流失嚴(yán)重，僅保留SiO2等造巖元素。

產(chǎn)地環(huán)境質(zhì)量是綠色食品生產(chǎn)的基本條件，根據(jù)《綠色食品產(chǎn)地環(huán)境質(zhì)量（NY/T391—2013）》標(biāo)準(zhǔn)，對西北已調(diào)查區(qū)開展土壤綠色食品產(chǎn)地適宜性評價，結(jié)果表明，西北已調(diào)查區(qū)41.5%的土壤符合綠色食品產(chǎn)地的環(huán)境質(zhì)量和全氮、有機質(zhì)肥力標(biāo)準(zhǔn)要求，其中AA級綠色食品產(chǎn)地適宜區(qū)56 332 km2，A級綠色食品產(chǎn)地適宜區(qū)57 661 km2。圈定的綠色食品產(chǎn)地適宜區(qū)主要分布在陜西的旬邑—宜君、鳳翔—麟游，甘肅的臨夏—和政、河西走廊，青海的大部分地區(qū)，寧夏的銀川盆地和新疆伊犁地區(qū)、烏魯木齊—奇臺（圖3）。綠色食品產(chǎn)地適宜性區(qū)的圈定為綠色農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)園區(qū)選址奠定了重要基礎(chǔ)，應(yīng)作為高標(biāo)準(zhǔn)基本農(nóng)田進行嚴(yán)格保護。

2.3 土壤生態(tài)問題與類型劃分

自然或人為因素導(dǎo)致土壤重金屬污染、荒漠化、元素異常而危及糧食安全、生態(tài)系統(tǒng)安全和生命健康安全等均屬于土地生態(tài)風(fēng)險的范疇（楊忠芳等，2004；朱立新等，2006；李朝晉等，2013；王翔，2021）?！锻寥拉h(huán)境質(zhì)量農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險管控標(biāo)準(zhǔn)（試行）（GB 15618—2018）》中將As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb、Zn等8種重金屬元素作為農(nóng)用地土壤環(huán)境質(zhì)量評價指標(biāo)。評價結(jié)果表明：西北已調(diào)查區(qū)土壤清潔，98.78%以上土壤中重金屬元素含量遠低于風(fēng)險篩選值；風(fēng)險可控和風(fēng)險較高土壤分布極少，分別占比1.16%、0.06%，呈小規(guī)模條片狀分布，主要分布在礦集區(qū)、地質(zhì)高背景區(qū)。

西北地區(qū)是中國土壤鹽漬化分布最廣、最多的地區(qū)。2017～2018年，西安地質(zhì)調(diào)查中心對西北典型鹽漬化地區(qū)（寧夏銀川盆地、甘肅張掖和酒泉、新疆南疆地區(qū)）進行了實地調(diào)查和樣品采集，通過土壤中主要元素與易溶鹽相關(guān)性研究，南疆硫酸鹽-氯離子型鹽土區(qū)土壤中全鹽量與Cl、Na2O相關(guān)系數(shù)分別為0.936、0.935；河西走廊氯離子-硫酸鹽型鹽土區(qū)土壤中硫酸根與S、Na2O相關(guān)系數(shù)分別為0.749、0.794；銀川盆地碳酸鹽型鹽土區(qū)土壤中硫酸根與Cl、S、Na2O相關(guān)系數(shù)分別為0.749、0.797、0791。根據(jù)《土地質(zhì)量地球化學(xué)評價規(guī)范DZ/T 0295—2016》中不同地區(qū)鹽漬化分級標(biāo)準(zhǔn)值，分別建立線性回歸方程，反演計算得出氯離子-硫酸鹽型、硫酸鹽-氯離子型、碳酸鹽型3種典型類型土壤鹽漬化分級標(biāo)準(zhǔn)（表4），為應(yīng)用多目標(biāo)地球化學(xué)調(diào)查數(shù)據(jù)開展鹽漬化生態(tài)風(fēng)險評價奠定了基礎(chǔ)。同時，研究表明，鹽漬化區(qū)土壤N、P、K和有機質(zhì)含量較非鹽漬化區(qū)降低29.95%、27.4%、7.84%和32.75%不等，表明鹽漬化對土壤肥力造成影響，以N和有機質(zhì)流失影響最為嚴(yán)重，其次為P，對K影響最小；土壤的鹽化與堿化對土壤肥力的影響程度不同，鹽化過程對土壤退化的影響程度較堿化更強（趙禹等，2018）。

表3 西北地區(qū)土地質(zhì)量評價結(jié)果統(tǒng)計表（含量%）Tab.3 Statistical table of land quality evaluation results in Northwest China（Unit:%）

圖3 西北綠色食品產(chǎn)地適宜性評價圖Fig.3 Suitability evaluation map of green food producing areas in Northwest China

表4 西北地區(qū)不同鹽漬化類型土壤分級標(biāo)準(zhǔn)表（含量：%）Tab.4 Soil classification standard of different salinization types in Northwest China（Unit：%）

I、F生命健康元素與地碘病、地氟病等常見地方病息息相關(guān)。依據(jù)《土地質(zhì)量地球化學(xué)評價規(guī)范（DZ/T0295—2016）》，劃定出西北地區(qū)土壤I和F異常區(qū)，其中，西北地區(qū)土壤中不存在I元素過剩區(qū)，缺乏區(qū)占比19.49%，主要分布在南疆地區(qū)；F元素過剩區(qū)、缺乏區(qū)占比相當(dāng)，分別為7.95%和7.33%，主要分布在南疆、寧東、青海地區(qū)。

基于西北地區(qū)土壤重金屬污染風(fēng)險低、點狀分布的特點，因此西北地區(qū)暫不將重金屬作為土壤生態(tài)問題考慮，僅就土壤鹽漬化、生命健康元素進行綜合評價，將西北地區(qū)劃分出6處（類）土壤生態(tài)問題，包括：①環(huán)塔里木河低I高F、鹽漬化生態(tài)問題區(qū)。②天山北坡鹽漬化、高F生態(tài)問題區(qū)。③甘、寧環(huán)騰格里沙漠鹽漬化生態(tài)問題區(qū)。④銀川盆地鹽漬化、低I生態(tài)問題區(qū)。⑤寧東低I生態(tài)問題區(qū)。⑥六盤山高F生態(tài)問題區(qū)。

2.4 特色土地資源狀況

根據(jù)西北地區(qū)1∶25萬土地質(zhì)量地球化學(xué)調(diào)查獲得的土壤Se含量數(shù)據(jù)，依據(jù)自然資源部中國地質(zhì)調(diào)查局《天然富硒土地劃定與標(biāo)識》（DD2019—10）的標(biāo)準(zhǔn)，以0.3 mg/kg為天然富Se土地劃定下限值，在西北地區(qū)共圈定天然富Se土地4 343萬畝，其中天然富Se耕地1 503萬畝（占到已調(diào)查耕地面積10.79%）。富Se土地在西北5省區(qū)均有分布，新疆已發(fā)現(xiàn)的富Se土地面積最大，占到總面積的69.96%，并在南疆形成一條沿天山南麓、塔里木盆地西北緣分布的“硒腰帶”，富Se土地2 254.84萬畝，并首次證實全國最大的內(nèi)陸淡水湖—博斯騰湖為富Se湖，湖中已調(diào)查發(fā)現(xiàn)10余種富Se水產(chǎn)品，具有重要經(jīng)濟價值；其次為甘肅省，占比為13.54%，主要分布在蘭州—白銀一帶和張掖地區(qū)；寧夏富Se面積最小，分布于銀川盆地和中寧—吳忠一帶（圖4、表5）。同時，分別查明富B、富Zn、富Cu、富Ge耕地611萬畝、954萬畝、2 656萬畝和265萬畝。富B土地在西北5省區(qū)均有分布，以新疆和青海分布面積最大；富Zn土地除寧夏外，其他4省均有分布；富Cu土地在西北地區(qū)分布較廣；富Ge土地則屬于非常稀缺的特色土地資源，集中分布在關(guān)中平原，甘肅河西走廊和青海門源地區(qū)有小面積分布。

圖4 西北富硒土地資源統(tǒng)計對比圖（a為各省富硒土地占比圖；b為富硒土地/耕地面積圖）Fig.4 Statistical comparison of selenium rich land resources in Northwest China

表5 西北五省區(qū)特色土地資源統(tǒng)計表（單位：km2）Tab.5 Statistical table of characteristic land resources in Northwest China（Unit: km2）

2.5 土壤碳儲量與碳密度

土壤是陸地生態(tài)系統(tǒng)中最大的碳庫，土壤碳特別是有機碳的分布與變化趨勢問題是全球變化研究的重要領(lǐng)域（Xu Li et al.，2018）。以往中國土壤碳的研究主要根據(jù)第二次土壤普查等數(shù)據(jù)，中國地質(zhì)調(diào)查局部署實施的土地質(zhì)量地球化學(xué)調(diào)查工作獲得了迄今為止中國最為系統(tǒng)的土壤碳實測數(shù)據(jù)，這為從大區(qū)域尺度上研究中國土壤碳庫的變化提供了基礎(chǔ)。西安地質(zhì)調(diào)查中心通過對西北27.88萬km2的土壤碳實測數(shù)據(jù)統(tǒng)計表明，西北主要農(nóng)耕區(qū)地表0～20 cm土壤有機碳平均含量為9.09 g/kg，低于全國平均值14.03 g/kg，而無機碳平均含量為14.93 g/kg，明顯高于全國平均值3.75 g/kg；深層土壤0～180 cm有機碳平均含量為3.71 g/kg，低于全國平均值4.29 g/kg，而無機碳平均含量為15.32 g/kg，明顯高于全國平均值4.49 g/kg（彭敏等，2021）。根據(jù)DZ/T 0258《多目標(biāo)區(qū)域地球化學(xué)調(diào)查規(guī)范（1∶250 000）》，計算得出西北主要農(nóng)耕區(qū)27.88萬km2范圍內(nèi)，土層厚度在0～20 cm、0～100 cm和0～200 cm的土壤碳儲量分別為1 684.00 Mt、7 846.73 Mt和12 713.72 Mt，其中土壤有機碳、無機碳儲量及平均碳密度見表6。

陸地生態(tài)系統(tǒng)根據(jù)固碳物質(zhì)不同，可細分為農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)、森林生態(tài)系統(tǒng)、草原生態(tài)系統(tǒng)、濕地生態(tài)系統(tǒng)和荒漠生態(tài)系統(tǒng)等（范振林，2021）。為進一步研究西北地區(qū)不同陸地生態(tài)系統(tǒng)土壤碳密度特征，選取陜西關(guān)中平原、青海拉脊山山地、毛烏素荒漠和博斯騰湖濱湖濕地，分別代表農(nóng)田、森林、草原、荒漠、濕地5個典型生態(tài)系統(tǒng)，對其表層0～20 cm土壤有機碳密度進行對比研究，結(jié)果表明：拉脊山森林草原生態(tài)系統(tǒng)土壤有機碳密度最高，達6 028 t/km2，主要是由于該生態(tài)系統(tǒng)區(qū)內(nèi)地表植被豐富，植物殘體長期累積造成有機質(zhì)不斷累積，且較少受到人為干擾使得其土壤腐殖質(zhì)氧化率低于農(nóng)田；其次為博斯騰湖濱湖濕地生態(tài)系統(tǒng)，土壤有機碳密度為2 652 t/km2，濱湖濕地由于淹水導(dǎo)致通氣性較差，使得區(qū)內(nèi)有機碳累積程度較高，但當(dāng)濱湖濕地間歇性落干則會提高有機質(zhì)被氧化分解，限制了濱湖濕地生態(tài)系統(tǒng)有機質(zhì)大量累積；再次為關(guān)中盆地農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)，土壤有機碳密度為2 255 t/km2，盆地內(nèi)土壤長期耕作，植被成熟后被集中收割移出土壤，植物殘體累計少，同時人為耕作的擾動使得耕作土壤較為通氣，加速了微生物對區(qū)內(nèi)有機碳的分解作用；毛烏素荒漠生態(tài)系統(tǒng)在高溫干燥的氣候條件下，有機質(zhì)分解速度最快，有機碳密度最低為665 t/km2，僅為拉脊山森林草原生態(tài)系統(tǒng)的11%（梁楠等，2020）。

陸地土壤生態(tài)系統(tǒng)是自然界碳循環(huán)的重要組成部分，存在著“有機碳-二氧化碳-無機碳”的微碳循環(huán)系統(tǒng)，有機碳以二氧化碳為介質(zhì)轉(zhuǎn)化為無機碳，這一過程是干旱-半干旱地區(qū)堿性土壤碳轉(zhuǎn)化及固持的重要機制（Xie et al.，2009）。丁仲禮院士（2021）在中國科學(xué)院學(xué)部第七屆學(xué)術(shù)年會全體院士學(xué)術(shù)報告會上多次提到堿性土壤在實現(xiàn)碳中和目標(biāo)中的巨大潛力。堿性土壤固碳主要是其富含鈣離子，在二氧化碳分壓高的土壤中，Ca、Mg離子溶解于土壤水，向下遷移到分壓低的下部時，形成CaCO3沉淀，中國干旱-半干旱區(qū)中常見的鈣板，黃土高原地區(qū)常見的鈣結(jié)合（料姜石）、新疆地區(qū)地層中膏巖層的出現(xiàn)即由此過程形成。趙禹等（2020）對西北堿性土壤增匯潛力分析表明：西北地區(qū)土壤pH均值為8.34，是全國土壤背景值（pH=6.7）的1.24倍，堿性和強堿性土壤占比97.65%（pH≥7.5）；土壤CaO含量均值為7.4%，是全國土壤背景值（CaO=1.54%）的4.81倍；MgO含量均值為2.37%，是全國土壤背景值（MgO=0.78%）的3.04倍。西北地區(qū)堿性土壤碳匯潛力巨大，對全球碳收支計算和碳固存具有重要意義。

表6 西北土壤碳儲量及碳密度統(tǒng)計表Tab.6 Statistics of soil carbon storage and carbon density in Northwest China

2.6 西北富硒土壤分布特征及成因分析

隨著全國土地質(zhì)量地球化學(xué)調(diào)查工作的開展，越來越多的富硒土地資源被發(fā)現(xiàn)，隨之，有關(guān)Se元素的研究受到廣大研究工作者的青睞。與中國南方丘陵山區(qū)相比，西北地區(qū)富硒土壤多分布在黃土高原和戈壁綠洲平原區(qū)，成壤作用復(fù)雜，因此，西北地區(qū)有關(guān)硒的物源研究相對較少，主要集中在富Se土壤地球化學(xué)特征及影響因素（尹宗義等，2016；王剛等，2019； Lei et al.，2021）、土壤中Se形態(tài)及生物有效性（姬丙艷等，2012；Liang et al.，2017；宋曉珂等，2018；趙禹等，2020）、農(nóng)產(chǎn)品中Se含量特征等（馬風(fēng)娟等，2015；劉拓等，2021）。以上研究成果有效推動了地方富硒產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

西北地區(qū)土壤中Se含量首先受區(qū)域地理地貌制約，由戈壁綠洲到青藏高原，再到黃土高原土壤中Se背景值依次降低，分別為0.25 mg/kg、0.20 mg/kg和0.17 mg/kg；其次，受地質(zhì)背景和成土母質(zhì)控制，基于陜西安康、韓城，甘肅張掖，青海平安、門源，新疆焉耆盆地和溫宿縣等地區(qū)研究表明，西北富硒土壤主要與黑色巖系、煤系地層和中基性火山巖有關(guān)，其成土母質(zhì)主要為上述巖層的殘坡積物、沖洪積物或河湖相沉積物；再次，土壤類型影響硒在局部區(qū)域的空間差異，大數(shù)據(jù)統(tǒng)計表明，西北地區(qū)典型土壤中沼澤土Se含量最高為0.32 mg/kg；潮土和鹽土Se含量次之，為0.27 mg/kg；灌漠土、草甸土、棕鈣土Se含量為0.25 mg/kg；灌淤土、灰漠土和黑氈土Se含量為0.23 mg/kg；黑鈣土Se含量為0.21 mg/kg；黑壚土和黃綿土作為黃土高原最主要的2種土壤類型，Se含量僅為0.15 mg/kg；風(fēng)沙土Se含量最低，為0.12 mg/kg。此外，土壤pH值對Se的富集具有明顯影響，按土壤酸堿度等級對富Se土壤進行統(tǒng)計表明，堿性土壤（pH=7.5～8.5）富硒率（富硒率=富硒樣本數(shù)/總樣本數(shù)）為12.73%，強堿性土壤（pH>8.5）富硒率為6.14%，中性土壤（pH=6.5～7.5）富硒率為5.50%，酸性土壤（pH<6.5）富硒率為3.70%，表明堿性土壤有利于Se元素富集，提高硒生物有效性。

3 成果應(yīng)用案例

3.1 調(diào)查成果在土地資源管理中的應(yīng)用

2017年1月《中共中央國務(wù)院關(guān)于加強耕地保護和改進占補平衡的意見》明確提出，著力加強耕地數(shù)量、質(zhì)量、生態(tài)“三位一體”保護。將土地質(zhì)量地球化學(xué)調(diào)查成果應(yīng)用到基本農(nóng)田劃定、后備耕地資源評價、耕地占比平衡和土地規(guī)劃等土地資源管理工作中去，已成為地質(zhì)調(diào)查支撐服務(wù)自然資源管理的重要手段之一。

新疆焉耆縣有未利用地246.33萬畝，按照耕地后備資源調(diào)查相關(guān)規(guī)程，對焉耆縣現(xiàn)有未利用地（主要是其他草地）進行評價（圖5），優(yōu)選2.78萬畝土壤清潔、Se含量高、集中連片的未利用地作為耕地后備資源，主要位于包爾海、四十里城子、永寧鎮(zhèn)和五號渠等鄉(xiāng)鎮(zhèn)。對焉耆縣目前已劃定的永久基本農(nóng)田進行評價，根據(jù)評價結(jié)果，建議調(diào)出少量存在污染的圖斑，總面積366畝，主要分布在北大渠、五號渠、永寧、包爾海等鄉(xiāng)鎮(zhèn)。同時，在一般耕地中，優(yōu)選出6.68萬畝Se含量高（>0.4 mg/kg）、土壤環(huán)境清潔無污染、土壤養(yǎng)分豐富、集中連片的地塊作為基本農(nóng)田調(diào)入備選區(qū)，主要位于北大渠、五號渠、永寧、包爾海等鄉(xiāng)鎮(zhèn)。

3.2 調(diào)查成果在農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)調(diào)整中的應(yīng)用

2015年中國中央農(nóng)村工作會議首次提出農(nóng)業(yè)供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革，會議強調(diào)，要著力加強農(nóng)業(yè)供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革，提高農(nóng)業(yè)供給體系質(zhì)量和效率，使農(nóng)產(chǎn)品供給數(shù)量充足、品種和質(zhì)量契合消費者需要，真正形成結(jié)構(gòu)合理、保障有力的農(nóng)產(chǎn)品有效供給。基于土地質(zhì)量地球化學(xué)調(diào)查中土壤和農(nóng)作物的協(xié)同調(diào)查研究，開展土壤種植適宜性評價，提出農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)調(diào)整建議是農(nóng)業(yè)供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革的重要突破口。

新疆溫宿縣是一個以農(nóng)為主、農(nóng)牧結(jié)合的半農(nóng)半牧邊境縣，核桃、紅棗、水稻、棉花、畜牧等農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)優(yōu)良，是聯(lián)合國認定的“綠色食品”優(yōu)質(zhì)大米生產(chǎn)基地，先后被授予“塞外江南、魚米之鄉(xiāng)”、“中國核桃之鄉(xiāng)”、“國家紅棗生物產(chǎn)業(yè)基地”等榮譽稱號。土地質(zhì)量地球化學(xué)調(diào)查表明，溫宿縣土壤Se含量介于0.10～4.30 mg/kg，區(qū)內(nèi)主要農(nóng)作物聚Se能力表現(xiàn)為小麥>玉米>核桃>水稻>胡蘿卜>蘋果?；诜N植不同富硒農(nóng)產(chǎn)品的最低土壤Se含量研究結(jié)果，為提高富硒土地資源高效利用水平，認為溫宿縣應(yīng)將發(fā)展富硒小麥、水稻作為首要糧食作物，在確保糧食產(chǎn)量的基礎(chǔ)上，應(yīng)重點發(fā)展富硒核桃。

3.3 調(diào)查成果在服務(wù)脫貧攻堅與鄉(xiāng)村振興中的應(yīng)用

土地是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的基礎(chǔ)，特色土地是發(fā)展特色農(nóng)業(yè)的重要資源保障，近年來，富Se土地因其稀缺性和高效的經(jīng)濟價值越來越受到人們的重視，并在服務(wù)脫貧攻堅和鄉(xiāng)村振興中發(fā)揮重要的作用，富Se土地開發(fā)應(yīng)用也受到了國家領(lǐng)導(dǎo)人的持續(xù)關(guān)注，并成為地質(zhì)調(diào)查支撐服務(wù)脫貧攻堅和鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的重要抓手。目前，西北地區(qū)已基本形成了陜西安康“中國硒谷”、青海平安“高原硒都”、寧夏吳忠“塞上硒都”和新疆巴州“西域硒都”4大區(qū)域富硒品牌。

圖5 焉耆縣基本農(nóng)田調(diào)整建議圖Fig.5 Suggestion for adjustment of basic farmland in Yanqi county

青海省海東市平安區(qū)富硒土地資源的發(fā)現(xiàn)和開發(fā)利用，是土地質(zhì)量地球化學(xué)調(diào)查成果在西北地區(qū)精準(zhǔn)服務(wù)脫貧攻堅的典型實例。2019年平安區(qū)已有富硒企業(yè)39家，實現(xiàn)富硒產(chǎn)值4.2億元，樹立了“中央資金引領(lǐng)示范，地方資金積極跟進，調(diào)查成果集中轉(zhuǎn)化”的典范，形成了“地質(zhì)先行、查明富硒，政府主導(dǎo)、創(chuàng)建園區(qū)，富硒富農(nóng)、精準(zhǔn)扶貧”的 “平安模式” ， 對推動青海乃至西北五省區(qū)特色農(nóng)業(yè)發(fā)展具有重要意義。寧夏吳忠依托中國地質(zhì)調(diào)查局項目圈定的富硒資源，加大了地方資金支持力度，富硒產(chǎn)業(yè)得以快速發(fā)展，2019年已超過青海平安，實現(xiàn)硒產(chǎn)業(yè)總產(chǎn)值10.6億元。

由中國地質(zhì)調(diào)查局西安地質(zhì)調(diào)查中心發(fā)現(xiàn)、全程參與推進的新疆巴州“西域硒都”富硒區(qū)域品牌，拉動全州境內(nèi)30余家企業(yè)投身富硒產(chǎn)業(yè)，建成小麥、辣椒、板栗等富硒農(nóng)產(chǎn)品種植示范基地，焉耆縣率先建成的全疆首個富硒食品加工產(chǎn)業(yè)園區(qū)，逐步形成了富硒小麥到富硒小麥粉再到富硒初深加工產(chǎn)品的全產(chǎn)業(yè)鏈條發(fā)展模式，實現(xiàn)產(chǎn)值1 500萬元/a，新疆巴州富硒產(chǎn)業(yè)的萌芽和發(fā)展意義在于其對南疆乃至全新疆的示范引領(lǐng)作用，為新疆特色農(nóng)業(yè)的發(fā)展開辟出一條新的途徑。此外，陜西商南縣紅巖村是西安地質(zhì)調(diào)查中心定點扶貧村，依托調(diào)查發(fā)現(xiàn)的富硒土地和富硒農(nóng)產(chǎn)品，助推了“十里紅巖”富硒品牌打造和綠色富硒產(chǎn)業(yè)園建立，帶動農(nóng)戶就業(yè)1 500余人，實現(xiàn)紅巖村67戶288人整體脫貧。

4 未來西北地區(qū)土地質(zhì)量地球化學(xué)調(diào)查工作的思考與建議

新時代地質(zhì)事業(yè)對土地質(zhì)量地球化學(xué)調(diào)查提出了新要求，同時也創(chuàng)造了新機遇。未來要以生態(tài)文明建設(shè)思想為引領(lǐng)，以地球系統(tǒng)科學(xué)理論為指導(dǎo)，以服務(wù)自然資源管理為宗旨，革新調(diào)查技術(shù)方法，提高基礎(chǔ)研究和科技創(chuàng)新水平，創(chuàng)新成果表達方式。

（1）土地質(zhì)量地球化學(xué)調(diào)查工作由農(nóng)業(yè)區(qū)向農(nóng)牧交互區(qū)及牧區(qū)延伸。加大土地質(zhì)量地球化學(xué)調(diào)查進度，特別是加大1∶25萬土地質(zhì)量地球化學(xué)調(diào)查工作，為更大比例尺工作的開展提供依據(jù)。西北地區(qū)調(diào)查工作相對全國較為滯后。目前，陜甘黃土高原農(nóng)業(yè)區(qū)、秦嶺地區(qū)、河西走廊、新疆北部農(nóng)業(yè)區(qū)、青海農(nóng)牧交互帶和重要草原區(qū)等均未開展1∶25萬土地質(zhì)量地球化學(xué)調(diào)查。此外，在一些綠洲農(nóng)耕區(qū)與山地之間的盆山過渡帶可能蘊含著重要的地質(zhì)找礦信息，這些均是未來需要加強調(diào)查研究的地區(qū)。

（2）開展土地資源綜合調(diào)查與評價技術(shù)方法創(chuàng)新。黨的十八大以來，黨中央、國務(wù)院制定出臺系列政策文件，不斷推進自然資源統(tǒng)一調(diào)查、評價、監(jiān)測制度，健全自然資源監(jiān)管體制。2021年，自然資源部印發(fā)《自然資源調(diào)查監(jiān)測體系構(gòu)建總體方案》，進一步加強自然資源調(diào)查評價監(jiān)測工作。土地資源是自然資源的重要組成，開展土地資源數(shù)量、質(zhì)量和生態(tài)“三位一體”調(diào)查，是劃定永久基本農(nóng)田，生態(tài)紅線、城市開發(fā)邊界紅線，確立數(shù)量、質(zhì)量、生態(tài)“三位一體”耕地保護新格局的重要依據(jù)。因此，未來土地質(zhì)量地球化學(xué)調(diào)查應(yīng)加快向土地資源綜合調(diào)查的轉(zhuǎn)變，補充土壤質(zhì)地、有效土層厚度、全鹽量等理化性狀調(diào)查，摸清土壤類型和障礙因素，加強影響土壤形成和生態(tài)功能的地表基質(zhì)調(diào)查，形成數(shù)量-質(zhì)量-生態(tài)相互融合的綜合評價技術(shù)方法；不同的土地使用功能具有不同的質(zhì)量內(nèi)涵，針對耕地、林地、草地和建筑用地等，應(yīng)分門類制定調(diào)查技術(shù)和評價方法；同時，加強遙感技術(shù)應(yīng)用，創(chuàng)新形成地球化學(xué)和遙感技術(shù)相協(xié)同的土地質(zhì)量調(diào)查、監(jiān)測評價技術(shù)，逐步形成土地資源綜合調(diào)查與評價技術(shù)方法，為國土空間規(guī)劃和用途管制、土地資源保護和利用等提供技術(shù)支撐。

（3）搭建表生地球化學(xué)作用研究平臺，加強基礎(chǔ)研究與科技創(chuàng)新。西北地區(qū)土地質(zhì)量地球化學(xué)調(diào)查已獲得大量的基礎(chǔ)調(diào)查數(shù)據(jù)，隨著該項工作不斷開展，還將不斷產(chǎn)生新的調(diào)查數(shù)據(jù)。未來，應(yīng)不斷加強土地質(zhì)量調(diào)查數(shù)據(jù)集成研究，發(fā)揮已獲取的巖、土、氣、生等多門類自然資源要素數(shù)據(jù)優(yōu)勢，構(gòu)建自然資源立體地球化學(xué)數(shù)據(jù)庫，用于研究自然與人為擾動過程中地球關(guān)鍵帶元素的地球化學(xué)遷移循環(huán)和相互作用機制及對全球變化的影響，評價人類活動對生態(tài)系統(tǒng)安全的潛在影響；開展土壤形成過程關(guān)鍵元素生物地球化學(xué)循環(huán)過程、耦合機理與驅(qū)動方式研究，揭示各種化學(xué)物質(zhì)的來源、存在數(shù)量和狀態(tài)以及遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律；土壤-作物系統(tǒng)營養(yǎng)與安全研究，揭示控制關(guān)鍵帶界面（土壤-作物）營養(yǎng)元素、污染元素吸收轉(zhuǎn)化過程及機理，科學(xué)評價土壤的生物有效性和生態(tài)風(fēng)險；開展堿性土壤生態(tài)系統(tǒng)碳庫容量、碳酸鈣累積速率及開發(fā)利用生態(tài)響應(yīng)研究，為實現(xiàn)耕地保護與質(zhì)量提升，助力碳中和目標(biāo)的實現(xiàn)提供科學(xué)依據(jù)。

（4）強化地質(zhì)調(diào)查支撐服務(wù)，推進成果轉(zhuǎn)化應(yīng)用。依托地質(zhì)調(diào)查和科技創(chuàng)新，加強成果在特色農(nóng)業(yè)發(fā)展、國家糧食安全、優(yōu)化國土空間保護格局和應(yīng)對全球變化等領(lǐng)域中的應(yīng)用。在繼續(xù)推進富Se土地開發(fā)應(yīng)用的基礎(chǔ)上，深度挖掘其他有益元素價值，進一步促進富Zn、Fe、Cu、Ca、I、Ge等土地資源和農(nóng)產(chǎn)品開發(fā)，推進特色農(nóng)業(yè)發(fā)展，服務(wù)鄉(xiāng)村振興和健康中國戰(zhàn)略，讓土地特色元素資源轉(zhuǎn)化為經(jīng)濟價值，助力自然資源生態(tài)產(chǎn)品價值實現(xiàn)。開展主糧及“名優(yōu)特作物”農(nóng)業(yè)地質(zhì)條件與適應(yīng)性分區(qū)，促進農(nóng)業(yè)生產(chǎn)向糧食生產(chǎn)功能區(qū)、重要農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)保護區(qū)和特色農(nóng)產(chǎn)品優(yōu)勢區(qū)聚集，優(yōu)化國土空間保護格局；以大數(shù)據(jù)建設(shè)為契機，以用戶需求為導(dǎo)向，提高成果產(chǎn)品化設(shè)計，提高成果的實用性。

致謝：本文是西北土地質(zhì)量地球化學(xué)調(diào)查與評價團隊近20年的集成成果，論文編撰過程中得到了中國地質(zhì)調(diào)查局西安地質(zhì)調(diào)查中心領(lǐng)導(dǎo)的大力支持和指導(dǎo)，同時也得到了陜西省水工環(huán)地質(zhì)調(diào)查中心、甘肅省地質(zhì)調(diào)查院、寧夏回族自治區(qū)國土資源調(diào)查監(jiān)測院、青海省第五地質(zhì)勘查院、新疆維吾爾自治區(qū)地質(zhì)調(diào)查院、新疆維吾爾自治區(qū)礦產(chǎn)實驗研究所、安徽省地質(zhì)實驗研究所等長期合作單位的支持，在此表示感謝！謹(jǐn)以此文慶祝西安地質(zhì)調(diào)查中心成立60周年！