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中国土壤54项指标的地球化学背景与基准研究

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地学前缘 2024年第4期31卷 380-402页

作者：杨峥彭敏赵传冬杨柯刘飞李括周亚龙唐世琪马宏宏张青成杭新中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所河北廊坊065000 中国地质调查局土地质量地球化学调查评价研究中心河北廊坊065000 中国地质科学院地球表层碳汞地球化学循环重点实验室河北廊坊065000 中国地质调查局哈尔滨自然资源综合调查中心黑龙江哈尔滨150086 内蒙古自治区地质调查研究院内蒙古呼和浩特010020

1999—2021年,中国地质调查局组织实施的土地质量地球化学调查共获得670321件表层组合土壤样品(0~20 cm)和167746件深层组合土壤样品(150~180 cm),覆盖面积约266.5万km^(2),囊括我国人口集中区和大部分耕地。对相关土壤样品均按统一标... 详细信息

1999—2021年,中国地质调查局组织实施的土地质量地球化学调查共获得670321件表层组合土壤样品(0~20 cm)和167746件深层组合土壤样品(150~180 cm),覆盖面积约266.5万km^(2),囊括我国人口集中区和大部分耕地。对相关土壤样品均按统一标准分析了54项化学指标(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、pH、全碳和有机碳)。本文利用这些数据讨论了中国土壤54项指标的地球化学背景值、基准值及其上下限的划定方法和基本特征,并对我国耕地土壤背景与现行环境、养分等相关标准中各种阈值进行了对比。结果显示:在全国尺度上,各项指标表层与深层Spearman相关系数均高于0.50,表明表层土壤中大部分指标都继承了深层土壤的含量与分布特征。54项指标中仅Corg、TC、N、S、Se、Hg、Br、Cd和P等指标背景值相对基准值发生了较大变化。我国耕地土壤中,Cd的农用地污染风险筛选值在背景范围内,Hg、As、Pb和Cr的筛选值则高于背景上限值。由于许多指标的空间分布存在着巨大的差异,在全国范围内划定一个统一的背景值并不利于土壤资源的精细化管理和保护,因此有必要在全国尺度地球化学背景与基准的基础上建立区域尺度地球化学背景与基准,为政府部门合理制定相关土壤环境质量的标准和保护法规提供依据。

关键词：土壤地球化学背景土壤地球化学基准中国土壤中国耕地土地质量地球化学调查

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冻土区土壤甲烷排放的研究进展及发展趋势

地学前缘 2024年第4期31卷 354-365页

作者：张舜尧施泽明杨志斌周亚龙张富贵彭敏中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所河北廊坊065000 中国地质科学院地球表层碳汞地球化学循环重点实验室河北廊坊065000 成都理工大学地球与行星科学学院四川成都610059

作为全球碳循环系统及陆地生态系统的重要组成部分,冻土区土壤甲烷排放在土壤碳库与气候变化之间的反馈联动机制中扮演着关键性角色,并因此成为全球气候变化研究中的前沿热点问题。冻土区土壤甲烷排放的气源主要为微生物产甲烷活动和冻... 详细信息

作为全球碳循环系统及陆地生态系统的重要组成部分,冻土区土壤甲烷排放在土壤碳库与气候变化之间的反馈联动机制中扮演着关键性角色,并因此成为全球气候变化研究中的前沿热点问题。冻土区土壤甲烷排放的气源主要为微生物产甲烷活动和冻土层、天然气水合物中的气体释放作用,其中,微生物气源的研究较为成熟,而冻土层和天然气水合物气源甲烷的排放研究目前尚停留在定性分析阶段。在影响因子方面,文献计量学统计结果中出现频次最多的关键词依次为土壤温度、湿度和水位条件、有机质含量、地表植被条件等,这些要素可以对甲烷产生、传输和氧化吸收等多个环节产生影响。模型计算法是当前冻土区土壤甲烷排放评估预测的主要方法,包括早期的统计计算模型和近年来出现的基于土壤甲烷排放成因机理的过程模型,相关计算结果有效地支撑了全球气候变化评估研究。通过对冻土区土壤甲烷排放研究成果的梳理和总结,发现当前对冻土区土壤甲烷排放的气源和单因子影响作用认识较为明确,不同尺度的监测和评估方法也较为成熟。但是,对多气源作用下的冻土区土壤甲烷复合排放研究仍然较为薄弱,尤其是在冻土层和天然气水合物的甲烷释放方面,还缺少相关的定量计算研究。与此同时,在影响因子研究方面,也缺少多因素作用下的成因机理和驱动机制分析。因此,可以通过多方法、多因素综合监测研究,利用产甲烷微生物的元基因组分析、多气源土壤甲烷排放的同位素示踪等新技术和新方法,结合卫星遥感等大尺度观测结果,完善冻土区土壤甲烷排放的过程模型。此外,作为全球的“第三极”,青藏高原区域碳循环系统的变化将对亚洲,乃至全球气候变化产生重大影响。因此,还应进一步加强对青藏高原中纬度高原冻土区土壤甲烷排放的相关研究,为区域碳排放的定量评估和全球气候变化的研究提供理论支撑。

关键词：冻土区土壤甲烷排放气源影响因子监测方法发展趋势

贵州省典型铅锌矿区潜在有毒元素(PTEs)物源甄别、生态风险评价及控制因素

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环境科学 2022年第4期43卷 2081-2093页

作者：张富贵彭敏贺灵马宏宏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 中国地质调查局地球表层碳-汞地球化学循环重点实验室廊坊065000 成都理工大学地球科学学院成都610059

贵州省碳酸盐岩和玄武岩广泛发育,潜在有毒元素(PTEs)具有天然的高含量低活性属性,在PTEs高背景区开展生态风险健康评价和识别潜在来源具有重要意义.贵州省赫章县是典型的成土母质为碳酸盐岩和玄武岩的土壤PTEs高背景区,全县分布有18处... 详细信息

贵州省碳酸盐岩和玄武岩广泛发育,潜在有毒元素(PTEs)具有天然的高含量低活性属性,在PTEs高背景区开展生态风险健康评价和识别潜在来源具有重要意义.贵州省赫章县是典型的成土母质为碳酸盐岩和玄武岩的土壤PTEs高背景区,全县分布有18处大型以上的铅锌矿和铁矿,PTEs来源复杂,潜在生态风险较高.在赫章县采集土壤表层样品(0~20 cm)3180件,分析了表层土壤中8种PTEs(Cd、Cr、As、Hg、Pb、Cu、Zn和Ni)含量,采用统计分析(SA)、地理信息系统(GIS)、富集系数(EF)、生态风险指数(RI)和正定矩阵因子分析模型(PMF)等方法开展生态风险评价和重金属源解析.结果发现,8种PTEs含量平均值均超过贵州省土壤背景值,Cd、Cr、Cu、Ni、Pb和Zn含量平均值均超过《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准》(GB 15618-2018)规定的筛选值.EF结果显示,Cd有较大面积的中等污染,Pb、Zn和Cu元素有较大面积的轻微污染,Hg、Cr、Ni和As富集系数在基线值附近(EF≈1),污染较小,研究区具有多种重金属的复合污染特点.正定矩阵因子分析模型结果显示,研究区重金属来源包括铁矿开采、铅锌矿开采、玄武岩成土风化、碳酸盐岩成土风化和农业活动,贡献率分别为5.25%、27.37%、28.94%、17.91%和20.53%.Fe、Mn和Si等氧化物含量是PTEs富集的影响因素.矿区土壤样品中含有较高比例的Zn/Cd和Pb/Cd值,非矿区土壤样品中含有较低比例的Zn/Cd和Pb/Cd值,说明矿区的PTEs可能主要来源于铅锌矿的冶炼废渣,非矿区Zn/Cd和Pb/Cd的比值较低,可能来源于烟气粉尘的大气沉降和地质背景.

关键词：潜在有毒元素(PTEs) 生态风险评价控制因素铅锌矿地质高背景区

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雄安新区土壤氟地球化学特征及健康风险评价

环境科学 2023年第8期44卷 4397-4405页

作者：郭志娟刘飞周亚龙王乔林王成文中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所廊坊065000 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 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

为科学评估雄安新区表层土壤氟(F)地球化学分布特征及人体健康风险,利用GIS空间分析、相关分析等分析土壤F贫化富集特征及影响因素,开展土壤F健康风险评估,基于蒙特卡罗随机模拟,研究健康风险评价结果的不确定性.结果表明,新区表层土壤... 详细信息

为科学评估雄安新区表层土壤氟(F)地球化学分布特征及人体健康风险,利用GIS空间分析、相关分析等分析土壤F贫化富集特征及影响因素,开展土壤F健康风险评估,基于蒙特卡罗随机模拟,研究健康风险评价结果的不确定性.结果表明,新区表层土壤ω(F)均值为641 mg·kg^(-1),是全国A层土壤背景值的1.34倍,F过剩和高等级样点占比超过85%,F含量整体相对偏高.灌溉水样ρ(F-)均值为0.85 mg·L^(-1),F-含量空间分布特征受浅层地下水水化学类型和流向的影响.土壤F垂向空间变化不显著,其垂向变化主要受土壤有机碳、质地等土壤理化性质的垂向分布影响.表层土壤F的贫化富集主要受地质背景成因控制,人为因素(农业灌溉水、施肥和大气干湿沉降)等外源输入影响其异常的空间分布.区内土壤F含量与地貌环境“标志性”指标Al_(2)O_(3)、Fe_(2)O_(3)、MgO和K_(2)O含量,土壤有机碳(Corg.)、阳离子交换量(CEC)、黏粒和粉粒含量显著正相关(P<0.01).人体健康风险评价结果显示经口摄入是土壤氟主要暴露风险途径,成人非致癌健康风险指数HQ均小于1,危害可忽略;成人和儿童非致癌健康风险超过阈值的概率分别为34.3%和27.6%,每日土壤摄入量为最敏感参数.

关键词：土壤氟(F) 地球化学健康风险雄安新区

贵州铅锌矿区土壤和作物重金属生态风险与迁移特征

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环境科学 2023年第5期44卷 2856-2867页

作者：马宏宏张利郭飞杨峥王惠艳彭敏张富贵中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所廊坊065000 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 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

土壤中积累高含量的重金属对生态环境和人体健康存在潜在风险.以贵州省某铅锌矿区农田土壤和作物为研究对象,运用GIS空间制图分析了重金属的分布与来源,采用潜在生态风险指数(RI)评价了重金属的潜在生态风险,利用美国环保署(USEPA)推荐... 详细信息

土壤中积累高含量的重金属对生态环境和人体健康存在潜在风险.以贵州省某铅锌矿区农田土壤和作物为研究对象,运用GIS空间制图分析了重金属的分布与来源,采用潜在生态风险指数(RI)评价了重金属的潜在生态风险,利用美国环保署(USEPA)推荐的人体健康风险评估方法量化了居民暴露于铅锌矿周围土壤重金属的健康风险.结果表明,土壤中ω(As)、ω(Cd)、ω(Cr)、ω(Cu)、ω(Hg)、ω(Ni)、ω(Pb)和ω(Zn)平均值分别为:58、7.9、175、64、0.461、65、1539和2513 mg·kg^(-1),均显著高于贵州省表层土壤元素背景值.土壤As、Cd、Cu、Hg、Pb和Zn含量在空间分布上极不均匀,其受到了强烈的铅锌矿冶炼等人为扰动.RI评价显示,土壤重金属存在极强、较强等级为主的综合潜在生态风险,Cd为主要的生态风险因子.22%和10%的玉米籽实样品中Pb和As分别超过了食品安全国家标准中的重金属污染阈值.人体健康风险评价显示,暴露于土壤重金属对成人和儿童存在非致癌健康风险,对儿童存在一定的致癌健康风险.土壤pH值是影响Cd生物有效性和土壤-作物系统Cd迁移富集的重要控制因素.研究结果为铅锌矿区周围土壤污染防治提供了数据和理论支撑.

关键词：铅锌矿潜在生态风险生物有效性人体健康风险土壤-作物系统

雄安新区富硒土地资源分布特征及开发利用评价

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中国环境科学 2022年第8期42卷 3913-3921页

作者：周亚龙郭志娟王乔林王成文宋云涛刘飞中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所河北廊坊065000 中国地质调查局土地质量地球化学调查评价研究中心河北廊坊065000 中国地质科学院地球表层碳-汞地球化学循环重点实验室河北廊坊065000

采集雄安新区表层土壤样品(0~20cm)、大宗农作物(小麦籽实)及根系土样品,利用GIS空间分析、相关分析等方法对土壤硒含量分布、富集特征及影响因素进行分析,基于生态位适宜性评价理论模型开展富硒土地资源开发利用适宜性评价.结果表明:... 详细信息

采集雄安新区表层土壤样品(0~20cm)、大宗农作物(小麦籽实)及根系土样品,利用GIS空间分析、相关分析等方法对土壤硒含量分布、富集特征及影响因素进行分析,基于生态位适宜性评价理论模型开展富硒土地资源开发利用适宜性评价.结果表明:新区表层富硒土地16993hm^(2),土壤中硒赋存形态以强有机结合态为主,其次为残渣态和腐殖酸结合态,三者占土壤硒总量的87%以上,生物可利用态硒含量所占比例相对较小(水溶态硒占比4.44%、离子交换态硒占比3.43%).小麦籽实样品富硒率28.45%,籽实中硒含量与根系土壤中硒含量具有显著相关性(r=0.77,P碳(Corg.)、阳离子交换量(CEC)、黏粒和粉粒含量等具有显著正相关关系,与SiO_(2)、Na_(2)O含量和土壤砂粒含量等具有显著负相关关系(P<0.01).基于生态位评价理论模型,新区富硒土地资源开发利用适宜性评价结果表明:高适宜区(Ⅰ级)和中适宜区(Ⅱ级)主要位于新区西北容城县南张镇和小里镇、安新县寨里乡和老河头镇等地,土地面积为14397.35hm^(2),占新区规划总面积的8.13%.

关键词：硒土壤根系土农作物适宜性评价雄安新区

塔里木盆地北部油气地球化学特征及异常成因探讨

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地质学报 2022年第7期96卷 2547-2561页

作者：周亚龙杨志斌张舜尧张富贵孙忠军中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所河北廊坊065000 中国地质科学院地球表层碳-汞地球化学循环重点实验室河北廊坊065000

为了发挥油气化探“迅速掌握全局快速缩小靶区”的战略性作用,服务油气化探全国扫面计划,选择塔里木含油气盆地北部开展低密度(1点/25 km~2)油气地球化学填图试点。油气化探填图指标土壤酸解烃、顶空气轻烃、荧光光谱、紫外吸收光谱和... 详细信息

为了发挥油气化探“迅速掌握全局快速缩小靶区”的战略性作用,服务油气化探全国扫面计划,选择塔里木含油气盆地北部开展低密度(1点/25 km~2)油气地球化学填图试点。油气化探填图指标土壤酸解烃、顶空气轻烃、荧光光谱、紫外吸收光谱和蚀变碳酸盐在大型油气田、油气富集区带上方均发育地球化学省异常,异常平面空间分布与地下油气富集区带具有良好的套合关系,对油气富集具有指示意义。区域性的荧光光谱等指标异常浓集中心沿轮台断裂等主干断裂带分布,与地下断裂位置良好的匹配性指示了油气大规模的运聚。甲烷碳同位素证实研究区油气地球化学省异常成因为热解成因,土壤样品三维荧光光谱发育共性峰,三维荧光光谱指纹特征反映了近地表土壤烃类异常与地下油气运移和油气藏类型相关。塔里木盆地北部地区油气地球化学填图试点结果表明,大型盆地可以采用甚低密度油气地球化学填图技术,圈出寻找大、中型油气田和油气富集区带的异常区,发挥油气化探“迅速掌握全局快速缩小靶区”的战略性作用。

关键词：酸解烃顶空气轻烃荧光光谱蚀变碳酸盐甲烷碳同位素油气地球化学填图塔里木盆地

科学构建土壤重金属高背景区生态风险评价方法的探讨

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浙江大学学报（农业与生命科学版） 2022年第1期48卷 57-67页

作者：张富贵成晓梦马宏宏孙彬彬彭敏中国地质调查局土地质量地球化学调查评价研究中心河北廊坊065000 中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所河北廊坊065000 中国地质调查局地球表层碳−汞地球化学循环重点实验室河北廊坊065000 成都理工大学地球科学学院成都610059

为了科学地识别和评价重金属含量高背景区中土壤重金属污染情况和生态风险,在贵州省赫章县河镇乡采集玉米及其对应的根系土样品309组,并采集20件玉米根茎叶不同部位样品,测定其砷(As)、镉(Cd)、铬(Cr)、铜(Cu)、汞(Hg)、镍(Ni)、铅(Pb)... 详细信息

为了科学地识别和评价重金属含量高背景区中土壤重金属污染情况和生态风险,在贵州省赫章县河镇乡采集玉米及其对应的根系土样品309组,并采集20件玉米根茎叶不同部位样品,测定其砷(As)、镉(Cd)、铬(Cr)、铜(Cu)、汞(Hg)、镍(Ni)、铅(Pb)和锌(Zn)8种重金属含量,根系土样品还分析了各重金属的形态(Cr未测)。研究发现:土壤重金属含量较高,表层土壤中8种重金属含量平均值远超过全国表层土壤背景值,Cd元素含量超出全国表层土壤背景值近7倍,土壤以酸性土为主,从重金属全量来看,研究区生态风险很高;土壤重金属As、Cu、Hg、Ni、Pb和Zn多以强有机结合态和残渣态形式存在,生物有效性较低,Cd的有效态组分较高。基于土壤重金属形态的生态风险统计结果显示,研究区生态风险主要是由Cd引起的,需要加强这部分土地的监管。在土壤-玉米系统中,生物富集系数和转运系数均较低,重金属难以在玉米中富集,玉米籽实中重金属含量不超标,农作物重金属等级评价为安全级。本结果为进一步研究重金属元素在岩-土-气-生介质间迁移转化规律,融合地质学、土壤学和生物学分析建立统一标准,科学评价生态环境风险和健康风险奠定了理论基础。

关键词：土壤重金属生态风险评价形态土壤污染高背景区

典型地质高背景区土壤硒-镉迁移累积特征及其生物有效性

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环境科学 2023年

作者：周亚龙彭敏杨志斌陈杰王成文韩伟中国地质科学院地球表层碳-汞地球化学循环重点实验室云南省地质调查院中国地质调查局土地质量地球化学调查评价研究中心中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所

地质高背景区土壤中普遍存在的硒-镉（Se-Cd）共生现象直接影响富Se土地资源的安全利用。为探究西南地质高背景区土壤-作物系统Se-Cd迁移累积特征及生物有效性，实现地质高背景区天然富Se土地资源的安全利用。系统采集分析84件农作物(玉... 详细信息

地质高背景区土壤中普遍存在的硒-镉（Se-Cd）共生现象直接影响富Se土地资源的安全利用。为探究西南地质高背景区土壤-作物系统Se-Cd迁移累积特征及生物有效性，实现地质高背景区天然富Se土地资源的安全利用。系统采集分析84件农作物(玉米)及其配套根系土壤样品中Se-Cd含量及理化性质，采用地统计、生物富集因子及地理探测器等分析方法，开展土壤-作物系统中Se-Cd累积特征、影响因素及生物有效性评价。结果表明，研究区土壤Se-Cd含量显著高于全国和云南省土壤背景值，受地质背景、成土过程中次生富集作用和农业活动的影响呈现不同程度的积累富集特征，根系土壤Se地累积指数等级为无富集到轻微富集等级，赋存形态以残渣态为主；土壤Cd地累积指数等级以中度污染等级为主，赋存形态以残渣态和铁锰结合态为主。作物籽实富Se率达98.8%（DB 50/T 524-2013），生物富集因子均值为5.8%；作物籽实Cd含量超标率仅1.19%（GB 2762-2022），Cd生物富集因子平均值为2.11%，作物籽粒Cd的生态风险相对较低。地质背景成因的Se-Cd共生区，土壤弱碱性环境能有效降低区内作物籽实Cd的生物有效性，土壤富Se对于作物吸收Cd有一定抑制效果。相关分析显示，土壤-作物系统中Se和Cd从土壤向作物籽实的迁移累积受元素赋存形态和土壤理化性质（pH）等因素的影响，同时，土壤-作物系统中Se与Cd相互之间也存在有一定的拮抗作用。

关键词：硒-镉(Se-Cd) 土壤-作物系统生物有效性拮抗作用地质高背景