农业地质工作的发展态势
来源:中国地质环境信息网 作者:姚华军 唐金荣 更新日期:2006-02-16 17:22:00 点击:6551

姚华军 唐金荣

(中国地质调查局发展研究中心)

  近些年来,特别是中国地质调查局在成都、广州和武汉进行多目标地球化学填图试点取得突破之后,我国农业地质工作得到迅猛的发展,预计到2005年年底,农业地质调查面积将覆盖105万平方公里。农业地质是现代地质工作主动服务于现代农业的创新之举,也是地质调查与科学研究有机结合的一次成功尝试,必将哺育出重大的科学成果。随着经济社会发展对农业地质工作需求的变化,新形势下农业地质工作发展的主要态势也必将发生重要变化。

  一、社会对农业地质工作需求将不断增加

  《中共中央关于制定国民经济和社会发展第十一个五年规划的建议》明确提出的“坚持以人为本、全面贯彻落实科学发展观,解决“三农”问题,建设社会主义新农村”等新任务,为当代我国农业地质发展提出更加广泛的需求。其中“推进现代农业建设”部分,强调要加快农业科技进步,加强农业生产结构调整,实施优质粮食产业工程,发展高产、优质、高效、生态、安全农业,扩大养殖、园艺等劳动密集型产品和绿色产品的生产。农业地质工作作为农业科技进步的重要手段之一,在加快农业科技进步、调整农业生产结构、转变农业增长方式等方面责任重大。

  目前农业地质调查主要是以土壤、浅层地下水及水体中元素为调查对象,以区域地球化学勘查技术为主要手段、以农林牧等广义农业地质环境为主要目标的基础性地质调查与评价工作。其调查对象(土壤、浅层地下水及水体中元素等)既是自然作用(地质动力作用)的产物,也是人类生产、生活的历史沉淀(土地开垦、施肥与农药),是自然与历史的综合体。主要任务是系统测定土壤、浅层地下水及水体中元素并查明其分布,研究元素从岩石-土壤-水-农作物(养殖物)-人体的生态循环过程以及相互作用,提出应对农业环境变化的对策和评价建议,建立我国重要农业区农业地质环境评价体系,为区域农业生产结构调整、发展优质安全农业体系、政府宏观决策(规划)提供科学依据;为生产人类赖以生存的安全优质的农产品和建设良好人类生存环境提供科学依据,促进农村产业结构调整、保护农业地质环境、保证经济健康快速发展。无论是从它所研究对象、内容和目标,都可以看出今后社会对农业地质工作的需要将急剧增加,这一点也可从国家领导人对农业地质环境工作重视中得出。“我国土壤地球化学状况不容忽视”(《国土资源要情》)引起中央领导的高度重视,曾培炎副总理批示,“国土资源部与国家环保局共同起草落实意见,上报国务院批复,总理批示”。

  二、农业地质工作将由局部研究走向区域研究,最终实现局部研究与区域研究的有机结合

  早在18世纪末期国外的科学家就开始了石膏肥料用于农业的实验性研究,并关注施肥的质量与化石的形成过程(Logan-George,1797),这可以说是农业地质的最初萌芽。而真正的农业地质学的研究始于19世纪早期,主要是进行矿物肥料的研究,但是人工化肥的成功开发,却导致了天然施肥研究的搁置。随着生产力的发展、生产水平的提高和农业研究的深入,人们发现有一些奇特的农业现象是农业工作者无法理解的,人们就把眼光投向土壤下面的岩石,因而出现了“农业地质学派”,即研究局部的农业地质背景与农产品的关系。直到1972年,美国地质调查局为了统一学科概念,将农业地质解释为应用于农业需要的地质学,勘查土壤的成因和成分、肥料矿产、地下水分布及特征等,属于应用地质学范畴。主要工作涉及岩石和矿物的农用研究与开发、盐碱地土壤调查与改良、农作物和畜牧生产与地球化学元素关系的研究等。我国农业地质工作起步比较晚,但近年来得到了快速的发展。在20世纪50~70年代,主要是为解决农田供水问题,进行了农田供水水文地质勘查、盐碱地改良、农用矿产开发,以及土壤侵蚀、荒漠化、土地沙化的调查研究与改造等,为提高我国粮食的单产和总量做出了重要贡献。到20世纪80~90年代中期,部分地区以县、市的名特优农产品为研究对象,如:广西容县沙田柚子、云南东部烤烟、四川涪陵的榨菜、浙江萧山的茶叶等等,主要研究农产品的品质与地质环境的关系、矿物元素特别是各种微量元素对产品的影响等,这此研究工作为局部地区的农业生产部署提供了重要参考,促进了各地区农村经济的发展。

  随着全球环境变化不断地加剧,有关全球环境变化的研究也在不断地深入,尤其是20世纪80年代,由国际科学界组织的国际地圈-生物圈计划(IGBP),着重研究地球系统中的生物地球化学问题。随着地球化学填图技术的发展和完善,国际地科联(IUGS)全球地球化学工作组承担了全球地球化学基准计划,这项计划要求在全球大陆部署160km×160km的网格,每个网格采集4~8个样品进行71种元素的测试分析,欧洲26国正在执行这一计划。2004年4月国际水文学与挪威地质调查局在奥斯陆的会议上提出了全球大流域地球化学填图计划,这些大计划的实施使得人们认识到局部地区的地质背景是受大构造单元或大流域所控制。借鉴我国在国际地学界处于领先地位的勘查地球化学理论与实践经验,国土资源部于2001年启动了“覆盖中部农业主产区,重点安排东部经济区,优选西部农牧区”的农业地质调查项目,把传统的勘查地球化学方法,延拓、扩大到关系国计民生的农业领域。第一层次的区域地球化学调查,发现了过去局部工作难以发现的问题,如长江沿岸镉等重金属的大面积污染、城市周围有毒有害物质的异常、黄河中下游地下水含氟、硝酸根含量的超标等问题,扩大了我国地质工作者的眼界,并为解决我国农业、土壤、环境、卫生及生态中的重大问题提供了基础数据。

  因此,笔者认为今后农业地质工作发展将以流域或大区域(经济区、大盆地等)为调查对象,针对重点地区、特色产品或元素异常进行详细评价研究,最后实现区域调查与局部研究相结合,2004年1月国土资源部颁布的《农业地质工作规划要点》也充分的体现了这一趋势。

  三、为粮食安全性生产提供保障

  粮食安全性生产应该包含两个方面的内容:一是要确保粮食数量供应的安全性,在这一方面农业部门做了大量的工作,包括人工化肥的研发,农产品的改良,如杂交水稻的研究等,可以说这一问题基本上得到了解决,但是随着全球气候的变化、自然灾害的频发、耕地面积的减少和由耕作方式不合理造成的土壤质量、土壤肥力的下降,也都直接威胁着我国的粮食生产;另一方面,由于工业化、城市化等产生的大量的有毒有害物质,正在通过各种途径进入到农田生态系统中,土壤中重金属、农药残留、化肥污染呈蔓延趋势,农产品品质受到一定影响。多目标地球化学调查的结果表明,我国东、中部一些地区的耕地受Cd(镉)、Pb(铅)、Cr(铬)、Hg(汞)等重金属污染严重,导致粮食减产、品质下降,并通过食物链进入人体,给人们健康带来危害。据估计,全国工业和农药污染的耕地约占耕地总面积的20%以上。无论是从保证粮食的数量还是质量,都需要农业地质学家的积极参与,查清目前我国农业地质环境的状况,查清污染物的来源及其迁移的途径,为农村经济结构的调整和绿色农业和生态农业的发展提供科学技术支持。

  1、农业地质工作可为粮食生产选择高质量的土地

  目前,由中国地质调查局组织实施的多目标地球化学填图,分析了土壤中54种元素及有关表征土壤的其它指标,这些海量基础数据的获得,为农业地质的发展提供了战略基点。土壤质量(Soil quality)或土壤健康(Health of soils)是指维持生态系统生产力和动植物健康而不发生土壤退化及其它生态环境问题的能力。而一般表征土壤质量的因素有:土壤各类化学、物理指标,农作物产量、植物健壮状况、根系生长模式,地表水质量、地下水质量,生物学指标,以及植物营养方面的指标等。因此,在进行区域土壤质量评价的时候,可以充分利用多目标地球化学调查数据,根据不同景观条件,选用不同的方法和不同指标进行土壤评价。评价方法分单指标评价和多指标综合评价。单指标评价时,选择的因子一般为:N、P、K、B、Mo、Mn、Cu、Fe、Zn、Si、Se、Ca、Mg等元素全量及有效态。多指标综合评价,除考虑上述元素外,平原区增加地下水水位高度,丘陵区增加坡度、坡向、植被覆盖率和土地利用方式等。此外,土壤的质地、粘粒、有机质、CEC、pH也是重要的参评因子。不同地区和不同类型土壤每个参评因子的权重不同,在考虑不同地质背景土壤中有益元素和有害元素含量(有效态)、土壤理化性质及各种障碍因子的基础上,利用灰关联法(模糊决策或宽域法)对土壤质量进行综合评价。

  2003年,在成都盆地多目标地球化学调查的基础上,选择了N、P、K全量和B、Mo、Mn、Zn的有效态等指标,同时考虑地下水水位和丘陵区的坡度因素,利用灰关联法对成都地区的土壤质量进行了综合评价,从评价结果表1中可以得出,成都地区的土壤肥力水平平均为中上水平,仅从植物生长所需营养元素来看,是个比较理想的农业生产基地。

2 成都经济区不同成士母岩AsHgPbCd含量对比表

地层

时代

成土母质

土壤类型

分布范围

As/10-6

Hg/10-6

Pb/10-6

Cd/10-9

Qh

全新统冲、洪积物

黄壤

经济区西南、西北地区

13.95

23.63

27.90

KIq

泥岩夹粉砂岩及砂岩

紫色土

经济区东部丘陵区

5.6

14

28.0

118

J3p

红棕色厚层泥岩夹砂岩、粉砂岩

紫色士

成都经济区东、西两侧的边山丘陵区

3.2

14

18.9

115

T3xj

岩屑长石砂岩、粉砂岩、泥岩、产煤

黄壤

经济区西部边山丘陵区

2.9

27

38.3

376

  通过农业地质环境背景的调查研究以及有毒有害物质来源的追踪研究,结合土壤质量、土壤肥力的评价,农业地质可以为农村发展高效、优质、安全、绿色农业和生态农业提供科学技术支持,为农村经济的可持续发展提出建议。

  四、从传统农业地质环境调查转向对地球表层生态系统的研究

  地球表层生态系统是由大气圈、水圈、岩石圈、生物圈和土壤圈5大圈层组成,其中土壤圈又是大气圈、水圈、岩石圈和生物圈的交界面,是大气、水、岩石、生物之间进行物质与能量循环、转化、交换的中心场所。由于土壤圈对于外界环境扰动的响应时间很长,是地表系统中相对稳定的圈层,因此,对土壤圈的研究也远远落后于大气圈和水圈的研究,到目前为止,世界上还没有一个国家拥有一套统一的土壤质量评价方法或标准,也没有一个能像预报天气一样的预报系统。过去对土壤的研究多以土壤、土壤-农作物或岩石-土壤-农作物、土壤-水体-农作物等相对孤立的子系统为研究对象,因此许多问题难以找到正确的答案或得到合理的解释,如农作物中重金属含量与土壤重金属来源、含量及形态的关系,生态系统的安全性预警预报等问题。而地球系统科学理论的提出和应用,为农业地质工作在解决这些问题上提供了新的思路和方法。

  例如,在进行区域生态安全性预警预报的时候,我们需要动态考虑土壤环境容量。因为土壤环境的静容量虽然反映了污染物生态效应所容许的最大容纳量,但尚未考虑和顾及到土壤环境的自净作用与缓冲性能,即外源污染物进入土壤后的累积过程中,还要受土壤的环境地球化学背景与迁移转化过程的影响和制约。如污染物的输入与输出、吸附与解吸、固定与溶解、累积与降解等等,这些过程都处在动态变化中,其结果都能影响污染物在土壤环境中的最大容纳量。例如,重金属通过岩石圈的风化、大气的干湿尘降、化肥和农药的使用、污水灌溉等进入到农田生态系统中(通过长期监测可计算出重金属的年输入量)。进入到土壤中的重金属会发生物理、化学和生物等各种复杂反应,最后部分重金属被动植物吸收进入到食物链中,有一部分会被土壤矿物质、胶体、微生物等所吸附或固定(这一部分是组成“化学定时炸弹”主要物质,也是进行预报预警的关键部分),还有一部分被雨水所淋失进入到地表水或地下水中,从而对水生态系统造成污染,如何防止地下水的污染和地下水中有毒有害物质的活化,也将是农业地质工作者面临的巨大挑战。

  五、农业地质正向与农业、林业、生态、医学等多学科结合的方向发展

  农业地质工作是地质学与农业相结合的一门边缘学科,主要是为农业提供有关地质的信息和技术支持,由于近几十年来世界环境的不断恶化,许多地方尤其是农村地区出现了一些新问题,如地方病(As中毒、I中毒、F中毒等),还有不明原因的癌症村和病变等。如何有效防止和减少这类事件的发生,就需要多学科加强合作,下面举两个例子来说明这一点。

  1、恒河流域的砷中毒事件

  20世纪未,在孟加拉湾和西孟加拉湾发生“人类历史上危害最严重的、规模最大的As中毒事件”,引起了国际社会的广泛关注。有关恒河流域As中毒事件的最早报道是在1976年,发生在恒河源头,但从1976~1982年间,未在其它地区发现As中毒现象,从而没能引起人们的重视。直到1983年开始,恒河流域As中毒涉及的村庄和人数逐年增加,空间上表现为从恒河流域的下游地区向中游地区直至全流域发展,有专家推测目前恒河流域地下水As中毒正处在“化学定时炸弹”的爆发阶段。表3是印度西孟加拉邦和孟加拉国As中毒的地区和人数。

3  印度西孟加拉邦和孟加拉国As中毒的地区和人数

国家和地区

孟加拉国

印度西孟加拉邦

面积/km2

148393

891924

人口/万人

12000

6800

地区

64

18

As含量大于50mg/L的地区数

42

9

As中毒特征的人数/万人

92106

38865

As中毒特征的人数/万人

7990

4270

As中毒的地区数

25

7


  引自:成杭新,2005

  恒河流域As中毒的主要原因是由于当地居民饮用了含As量较高的地下水引起的。孟加拉湾和西孟加拉湾经常遭受洪涝灾害,水传染性疾病在该地区发病率最高。20世纪90年代,当地政府为了解决这一问题,倡导当地居民饮用“清洁”的地下水代替地表水,并在恒河流域施工了大量的水井,然而忽略了地下水的砷含量高于世界卫生组织规定的最高值的5倍这一关键因素。目前,对恒河流地下水中As的来源和As的活化机理以及在地下水-土壤-农作物-人体系统中的迁移转化规律,都是地质学家、地球化学家、环境学家、医学家所关注的焦点问题,但就恒河流域As释放的机理问题,在不同学科的科学家之间就存在3种不同的认识,即氧化机制、还原机制和有机碳-细菌还原机制。所以要想解决这些问题,必须进行多学科多部门的联合研究,同时,对于存在As污染地区的修复和治理工作以及为当地居民提供安全的饮用水,也是摆在科学家们和政府官员们面前的一项艰巨而紧迫的任务,需要与更多的学科相结合。

  2、日本的痛痛病

  上世纪初在日本富山地区出现了一种“怪病”,开始:腰、手、脚等关节疼痛。几年后,全身各部位会发生神经痛、骨痛现象,行动困难,甚至呼吸都会带来难以忍受的痛苦。到后期,患者骨骼软化、萎缩,四肢弯曲,脊柱变形,骨质松脆,就连咳嗽都能引起骨折。患者不能进食,疼痛无比。“痛痛病”是由于神通川上游的神冈矿山废水引起的镉中毒造成的。神通川流域从1913年开始炼锌。冶炼厂的废水中含有较多的镉,镉随废水流入河中,又随河水从上游流到下游,整条河都被镉污染了。用这种含镉的水浇灌农田,稻秧生长不良,生产出来的稻米成为“镉米”。河水中的镉被鱼所吸收,鱼的组织中就富含高浓度镉。这些含镉的稻米和鱼被人食用,人体中含镉量增多,发生镉中毒。“镉米”和“镉水”把神通川两岸人们带进了“痛痛病”阴霾中。

  但是不是只要是镉米就会使人发生镉中毒呢?为此,我们将日本神通川地区大米中的镉含量与我国部分地区的镉含量进行了对比(如图4)。从图中可以看出,我国张士地区大米中的镉含量变化范围与神通川地区是一致的,而且我国张士地区大米中含镉量>2.0mg/kg所占百分比远远超过了日本神通川地区,但是我国张士地区至今还没有镉中毒的报道。这可能与我国饮食结构和生活习惯有关,因为有害物质对人体的危害,除了与浓度有关外,更重要的是取决于其摄入总量。例如,WHO规定人的Cd每日摄入量为0.4~0.5mg,如果按照现有无公害食品卫生标准0.2mg/kg进行判别,每周粮食摄入量低于2kg就是相对安全的。 此外,由于元素之间存在拮抗和协同作用,相同含量水平的有害元素对人体危害会大不一样。如Cd2+可与Cu2+、Zn2+和Ca2+发生拮抗作用,Cd2+与巯基的结合比与Zn2+的结合更稳定,因此,Cd2+会影响人体对Zn2+的吸收;Cd2+与Ca2+的离子半径相近,Cd2+替代Ca2+进入骨骼是发生痛痛病的主要原因。所以,对类似于这种问题的研究,就需要地学与其它学科的结合,而且这也是现代科学发展的一种必然趋势。

4 我国部分地区与日本神通川流域镉米含量对比图(单位:mg/kg


  六、结

  通过以上分析,我们可以得出以下几点结论:

  1、农业地质已经成为地质工作的一个新方向,同时也是地质工作为社会服务的新领域。过去地质工作一直强调为国家建设、为工业化服务,现在国家提出“加大各级政府对农业和农村的投入力度,扩大公共财政覆盖农村的范围,强化政府对农村的公共服务”以及“工业反哺农业,城市支持农村”等政策,作为主要公共财政支助、为经济社会发展提供基础地质信息服务的地质调查工作必将更加主动的加大为农业的现代化提供科学、信息服务的力度。

  2、农业地质是以表层生态系统为研究对象、以区域地球化学勘查技术为主要手段、以农林牧等地质环境为主要目的的基础性地质工作。农业地质坚持调查与科研相结合,先是系统的调查土壤、浅层地下水及水体等表层生态系统中元素含量及空间,其次将地球化学、地质学等地球科学与农学、环境学、生态学、医学等相结合,共同研究元素在岩石-土壤-水-农作物-人体表层生态系统中的生态循环及其相互作用,研究提出应对农业地质环境变化的对策和评价建议,建立重要农业区农业地质环境评价体系,为区域农业结构调整、发展优质安全农业提供科学依据。可以说,农业地质为探索我国地质调查与科研的有机结合树立了一个典范,同时也为多学科的交叉提供了一个很好平台。

  3、通过这一轮农业地质调查工作的开展,我们发现要使农业地质调查巨大的潜在需求变成现实的投入,必须探索构建适应社会主义市场经济要求的多元融资机制,充分发挥中央与地方两个积极性,积极调动受益单位和部门的投资热情。


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