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农业地质调查评价方法初探

农业地质调查评价方法初探. 陈有鑑 博士. 中国地质环境监测院 China Institute of Geo-Environment Monitoring 2004 年 10 月. 农业地质调查评价工作回顾. 农业地质调查 通过调查，我们获得海量的多介质、多元素不同相态的地球化学数据，因此，农业地质调查评价是 以区域多目标地球化学调查数据 为基础。 农业地质调查评价方法研究 两点共识： 评价目标： 追源→迁移转化→生态效应→预警 评价思路： 总量 →有效态→生态效应 一点分歧： 评价方法. 评价方法研究进展（ 1 ）. 第一阶段

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农业地质调查评价方法初探

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  1. 农业地质调查评价方法初探 陈有鑑 博士 中国地质环境监测院 China Institute of Geo-Environment Monitoring 2004年10月

  2. 农业地质调查评价工作回顾 • 农业地质调查 • 通过调查，我们获得海量的多介质、多元素不同相态的地球化学数据，因此，农业地质调查评价是以区域多目标地球化学调查数据为基础。 • 农业地质调查评价方法研究 • 两点共识： • 评价目标：追源→迁移转化→生态效应→预警 • 评价思路：总量 →有效态→生态效应 • 一点分歧：评价方法

  3. 评价方法研究进展（1） • 第一阶段 • 总量 →有效态→生态效应 • 评价指标：八大元素 • 评价标准：95标准 • 生态效应：生物效应，植物体内含量 • 存在问题 • 总量绝大部分以矿物态形式存在，不能被植物吸收 • 地质背景与评价脱节

  4. 评价方法研究进展（2） • 第二阶段 • 总量 →有效态→生态效应 • 评价指标：八大元素 • 评价标准：95标准 • 生态效应：生物效应，植物体内含量 • 存在问题 • 有效态评价尚无标准可循 • 元素生物有效性标准制定困难！ • 多元素：单元素标准尚且困难，多元素复合影响更是难上难 • 尺度问题：有效态（微观） →生态效应（宏观）

  5. 有关评价问题的几点思考 • 囿于环境评价思路 • 偏重污染元素 • 评价指标（八大元素）、评价标准（95标准） • 静态评价：地质背景与元素联系 • 数据挖掘（Data Mining)技术 • 定和效应 • 颗粒效应 • 有效态问题 • 物源分析 • 地统计学应用 • 可持续发展问题

  6. 小结 • 评价体系问题： • 评价目标：生态效应 • 评价指标：单元素&与多元素，元素组合&特征元素 • 评价标准：参照体系的选择，地上部分， • 评价方法：刻舟求剑 • 解决方案： • 选择正确的参照体系，即地上部分地上/地下对应 • 要针对具体问题进行评价，如化肥效率（姜司长讲话），种植结构调整（董总发言），而非泛泛而谈！

  7. 世上万物皆由元素组成，植物必需营养元素在生物体内皆有其生物功能并构成生命物质（如蛋白质、纤维等），由此可以推断，植物体内元素组成及其含量相对稳定的，其元素组成 (秩）是重要的生物学特征，这种元素组成特征即植物元素图谱，不同植物种属及植物器官的植物元素图谱有所差异。因此，植物元素图谱是土壤地球化学评价的天然标准，是种植结构调整的依据。 植物元素图谱主要由其遗传特性所决定，土壤地球化学环境对植物元素图谱影响不大，但影响其对植物非必需营养元素的吸收，从而影响作物生物量及其农产品品质。土壤地球化学环境主要是指可供给态元素含量及其组成（即有效态）。 因此，农业地质调查评价包括土壤地球化学环境及其作物体系，其中土壤是评价对象，而作物是评价的参照体系，植物元素图谱是评价标准。 图谱评价方法初探

  8. 前人工作程度

  9. 营养元素 植物可利用的形态 在干物质中的含量 百分率（%） ppm 大 量 营 养 元 素 碳(C) 氧(O) 氢(H) 氮(N) 钾(K) 钙(Ca) 镁(Mg) 磷(P) 硫(S) CO2 O2,H2O H2O NO3-,NH+4 K+ Ca2+ Mg2+ H2PO4- ,HPO42- SO42- 45 45 6 1.5 1.0 0.5 0.2 0.2 0.1 450,000 450,000 60,000 15,000 10,000 5,000 2,000 2,000 1,000 微 量 营 养 元 素 氯(Cl) 铁(Fe) 锰(Mn) 硼(B) 锌(Zn) 铜(Cu) 钼(Mo) Cl- Fe3+,Fe2+ Mn2+ BO33+,B4O72+ Zn2+ Cu2+,Cu+ MoO42- 0.01 0.01 0.005 0.002 0.002 0.0006 0.00001 100 100 50 20 20 6 0.1 植物元素含量分布

  10. 小麦样品中微量元素最高的为磷、钾和镁,其次为钙、铁、锌、锰、铜和钼。小麦样品中微量元素最高的为磷、钾和镁,其次为钙、铁、锌、锰、铜和钼。

  11. 生物质中元素分布特征的聚类分析研究廖翠萍　颜涌捷　吴创之（华东理工大学资源与环境工程学院）生物质中元素分布特征的聚类分析研究廖翠萍　颜涌捷　吴创之（华东理工大学资源与环境工程学院） • 测定了稻草秆、小麦秆、玉米秆、棉花秆、大豆秆、玉米芯、花生壳和柳树、松树、桦树、杨树、杉树12个农业生物质和林业生物质种类27个样品中主要元素K、Ca、Na、Mg、Al、Fe、P和痕量元素As、Cr、Co、Cu、Cd、Mn、Mo、Ni、Pb、T、Zn、V、Si、Ba、Be、Se、Sb、Ge、Hg的含量,并用SPSS聚类分析法分别进行了R型和Q型聚类研究,对这些元素在生物质中的分布特征进行了研究. • 结果显示:杨木、杉木和桦木与松木和柳木归成一大类,经济类作物黄豆秆和棉花秆分别归类后又归入一大类;农业生物质稻草秆和小麦秆、玉米秆被归入一类; • 虽然27种生物质样品分别取自我国东北、华东、华北和西南地区,在地理位置上相距极远,但样品聚类谱系图表明,元素的分布特征与生物质的种类的关系显著,与产地的关系不明显,即元素的分布特征受种类的影响大,而受生长环境、气候、土壤条件的影响小

  12. 不同产地同一品种稻米品质与不同品种稻米品质存在明显差异;江永香米的Zn,Mn,Cr含量均比普通稻米及香稻80-66的含量高,香稻80-66香米中Zn含量也较普通稻米高。香米产地香米香味长期不退化,可能与灌溉水中Zn元素含量较高有关。不同产地同一品种稻米品质与不同品种稻米品质存在明显差异;江永香米的Zn,Mn,Cr含量均比普通稻米及香稻80-66的含量高,香稻80-66香米中Zn含量也较普通稻米高。香米产地香米香味长期不退化,可能与灌溉水中Zn元素含量较高有关。

  13. 辽宁农作物的生物地球化学分类商翎　寒颖　王娜　(辽宁地质矿产研究院,沈阳110032)辽宁农作物的生物地球化学分类商翎　寒颖　王娜　(辽宁地质矿产研究院,沈阳110032) • 根据А.П.维诺格拉多夫的动植物体化学组成分类方法,对辽宁省45种农作物及其立地土壤中的52种化学元素进行了定量分析测试后,采用双指标法将元素的含量与生物吸收系数各分成三个数值段,从而将辽宁主要农作物化学元素划分成最富集元素、富集元素、贫乏元素及最贫乏元素4种类型,并作出农作物化学元素分类表,然后再将其转变成农作物生物地球化学分类表。 • （辽宁地质，1998年9月，本文根据原地质矿产部“八五”农业地质项目《辽宁省农业地球化学区划及应用研究》(8509012)及辽宁省科学技术委员会“八五”农业地质项目(91106011)撰写.

  14. 茶叶 竹笋 图谱评价方法初探

  15. 在调查多种作物52种元素或更多元素组成基础上，应用多元统计方法研究作物元素组成特征及其影响因素，建立不同作物元素图谱及其评价标准。 根据不同土壤地球化学元素风化速率，建立土壤地球化学元素图谱。 图谱评价方法应用： 评价土壤养分及微量元素丰缺状况 制定土壤质量评价地方标准 提出种植结构调整建议 进一步工作

  16. 土壤风化

  17. 评价方法研究进展（3） • 第三阶段 • 总量 →原生地球化学环境→生态效应 • 原生地球化学环境：是所有元素生物有效态的总和（水溶态），是农业地质环境（土壤物理、土壤化学、水环境等）的综合反映 • 创新点： • 解决评价中尺度问题：原生地球化学环境是宏观的概念，使得总量 →原生地球化学环境→生态效应 都在相同尺度范围内； • 把微观的土壤地球化学过程与宏观的地质环境联系起来 • 解决多元素评价问题：不限于单元素评价，可以任意多个元素 • 避免了土壤元素形态转化的复杂问题；走出死胡同 • 存在问题 • 土壤溶液采集问题 • 土壤溶液中微量元素含量极低，当前测试技术，很难直接测定 • 原生地球化学环境调查工作量仍然很大 • 仍然上静态评价

  18. 评价方法研究进展（4） • 总量 →土壤风化系数→原生地球化学环境→生态效应 • 土壤风化系数：是地质地理、土壤母岩母质、气候条件、水环境和生物环境的综合反映，同时是元素地球化学循环的根本动力，也是原生地球化学环境（有效态）的源泉； • 引入土壤风化系数有以下优势： • 风化系数是循环变量，使得动态评价变得可能； • 理论推算和模型计算，大大减轻调查工作量； • 计算方法与调查相结合，可以弥补采样和分析测试技术缺憾

  19. 土壤风化的重要性 • 化学风化是土壤中无机营养物质的重要来源，而这些营养物质最终被植物利用并参与生态系统的物质循环。 • 土壤的化学风化是生态系统唯一的长期碱度来源，以缓冲土壤和地表水的酸化。 • 化学风化在物质的地球化学循环，特别是碳的循环中起到极其重要的作用，因而对全球气候变化产生深远的影响。

  20. 土壤风化速率 土壤风化：土壤风化过程包括物理风化和化学风化，我们主要关注化学风化。所谓化学风化，就是土壤中的矿物在土壤溶液的作用下分解并释放出盐基阳离子的过程。

  21. Surface Area and Weathering 土壤风化影响因素

  22. Soil Horizons 土壤风化影响因素 A horizon: where most roots are, most weathered, lots of organic matter A horizon B horizon: material leaches down from A B horizon C horizon: weathered parent material, i.e. broken down bedrock C horizon

  23. 确定土壤风化速率的方法 • 实际观测 • 质量损失法 • 流域衡算法 • 模拟淋溶实验 • 理论计算 • 风化速率理论 • 经验方法

  24. 化学风化速率理论 确定土壤风化速率的方法

  25. 确定土壤风化速率的方法 矿物的化学溶解反应 • 矿物与氢离子的反应 • 矿物与水的反应 • 矿物同氢氧根离子的反应 • 矿物与二氧化碳的反应 • 矿物与有机酸的反应

  26. 确定土壤风化速率的方法

  27. 确定土壤风化速率的方法 PROFILE模型计算土壤风化速率的输入参数 • 土壤颗粒的比表面积 • 土壤温度和湿饱和度 • 土壤的矿物组成 • 土壤的其它物理性质（容重和厚度等） • 其它参数（包括沉降、植被参数等）

  28. 确定土壤风化速率的方法 土壤的矿物组成 • 利用X射线衍射法（XRD）分析测定 • 根据土壤的元素组成估算 UPPSALA模型——一种用土壤的全量分析结果构造土壤矿物组成的标准回归模型

  29. 确定土壤风化速率的方法--- UPPSALA模型

  30. 确定土壤风化速率的方法--- UPPSALA模型

  31. 经验方法（1）适用于瑞典的灰化土 确定土壤风化速率的方法 经验方法（2）适用于花岗岩形成的土壤 发展适合中国土壤的经验公式！

  32. 土壤颗粒分级 土壤风化系数 植物吸收过程 物源 土壤元素总量 原生地球化学类型 生态效应 工作流程图

  33. 致谢 • 特别感谢浙江省地质调查院提供条件

  34. 谢谢大家 ！

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