生態地質調查評價——以遼寧鐵嶺地區為例

陳樹旺，邢德和，丁秋紅，鄭月娟，高 飛，卞雄飛，張志斌，商 翎，Antonina A.Zhukovskaya,Irina V.Ershova,Nadezhda A.Tomilovskaya

（1.沈陽地質礦產研究所，遼寧沈陽110034；2.阿穆爾地質企業，俄羅斯阿穆爾675029）

作為地質學的一個分支，生態地質學是生態學和地質學之間的新興邊緣科學［1-2］.其研究對象涉及巖石圈、土壤圈、水圈、大氣圈及生物圈.生態地質調查目的是查明生態地質條件，確定其環境背景，以及人類技術活動對地質環境的破壞情況，評價自然或人為作用的活動強度及發展方向，進而研究地球淺表圈層的生態功能及其在生物（特別是人為影響下）時空演化規律，為區域資源利用和環境保護提供科學依據.

上個世紀80年代末，前蘇聯完成了較為系統的區域生態地質調查工作.1990年，批準出版了《1∶20萬、1∶10 萬地質生態調查和制圖的要求》、《1∶5 萬、1∶2.5萬地質生態調查和制圖的要求》等多項規范［3］.

我國生態地質調查試點項目始于1994年，原地礦部四川省地礦局開展了1∶5萬大巴山區生態地質調查［4-5］，指出地球表層土壤是生物營養的主要來源，而這些元素種類和含量的高低由母巖中的礦物成分直接控制；人類的生產活動改變原有自然體系和人類生活質量.國內外一些學者［6-11］對生態地質學進行了程度不同的研究工作.

1 生態地質調查

1.1 資料收集整理

生態地質調查工作不僅涉及到基礎地質、第四系地質、礦產資源［12-20］等，還與氣候、地貌、水文、土壤以及生態環境［21-38］密切相關.資料收集和整理分析是生態地質調查必不可少的前期準備工作.氣候資料可到氣象臺、站收集；地貌方面可通過地形圖和遙感解譯獲得；地質災害方面可通過地震局、礦山企業調查單位獲得.水利和環保等部門資料分析，可概要了解地表水和地下水的水文狀況和水質情況.地方病防治部門資料可了解地方病類型、分布狀況.

1.2 野外調查取樣

1.2.1 野外調查

野外調查主要內容包括：地質體的巖石類型、組構特征、露頭狀況以及抗風化程度；土壤地質類型、成土母巖特征以及土壤侵蝕等；植被類型、群落組成和蓋度以及自然植被與人為植被發育狀況.對觀察到的水文和地質災害等現象，要按照記錄表的內容做必要的記錄.登記采集的各類標本，重要自然、人文景觀或特種生物等.

1.2.2 樣品采集

（1）巖石-土壤-植物樣品

在每個點上進行植物、土壤A層和土壤B層以及成土母巖（若能采到）取樣（圖1）.為200 m×200 m“信封狀”取樣.每個樣品都從信封狀的5個點上采200 g，混合成一個混合樣.野外取樣時應記錄主要的地質、地貌景觀特點、植物群落特征以及土壤地質類型等.

植物樣品選擇的果實或地面部分（莖、葉），最好選取同類植物（最好為禾本科）.每個樣品須放在通風處，避免陽光直射，在室溫下干燥后，將樣品用紙或棉布樣袋包裝好；樣品干重不低于50 g.

（2）地表水和底沉積物

地表水樣品的穩定劑與包裝按“中華人民共和國地質礦產行業標準地下水質檢驗方法水樣的采集和保存（DZ/T0064.2-93）”的規定和實驗室具體要求進行.地表水取樣的同時，采集相應的底沉積物樣品——現代河流的細粒級淤泥質、泥和泥沙質沖積物；樣品量不少于500 g干重.

（3）地下水樣

主要進行第一含水層取樣，樣品的穩定劑與包裝按照“中華人民共和國地質礦產行業標準地下水質檢驗方法水樣的采集和保存（DZ/T0064.2-93）”的規定和實驗室要求.

（4）人發樣品

在野外調查基礎上，結合地方病分布狀況和區域生態地質背景特征，與地下水采樣點配合選擇人發采樣點；一般情況以村鎮為基本取樣點.通過對區域性的生態地質環境（巖石、土壤、水、食物等）與人發中的化學元素的研究，探討環境與地方病的關系［32-35］.

1.3 樣品分析

生態地質調查樣品的分析項目總體上包括常量元素、微量元素和稀土元素三大類.本項目的樣品測試者為國家地質實驗測試中心，檢測依據為DZ/T 0223-2001和《國家地質實驗測試中心檢定細則》.

1.3.1 巖石、土壤和底沉積物樣品

常量元素：Na2O、MgO、Al2O3、SiO2、K2O、CaO、TiO2、Fe2O3、FeO、S、F、P2O5、MnO；微量元素：Sr、Zr、Ba、Ga、Rb、Hf、Be、Co、Cu、Zn、Mo、Cd、Cs、Tl、Pb、As、Sb、Bi、Hg、Se、Te、Br、I、B、Cl、V、Ni、Cr；稀土元素：La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Y、Lu、Y.此外還包括土壤有機質、土壤可溶有機質中飽和烴分析、有機氯農藥殘留分析和土壤放射性分析等.

1.3.2 水文地質樣品

常規水質分析：SiO2、K、Na、Ca、Mg、Fe、Al、Sr、Be、Ti、V、Mn、Co、Ni、Cu、Zn、Ga、As、Br、Se、Rb、Y、Zr、Mo、Cd、Sb、Te、I、Cs、Ba、Hg、Ti、Pb、Bi， 以 及 Fe2+、NH4+、HCO3-、CO32-、SO42-、Cl-、NO3-、NO2-、總硬度、磷酸鹽、可溶性總固體、總有機碳；稀土元素：La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、Y.

1.3.3 植被樣品和人發樣品

常量和微量元素：Na、Mg、Al、Si、K、Ca、Ti、Fe、S、F、P、Mn、Sr、Zr、Ba、Ga、Rb、Hf、Be、Co、Cu、Zn、Mo、Cd、Cs、Tl、Pb、As、Sb、Bi、Hg、Se、Te、Br、I、B、Cl、V、Cr、Ni；稀土元 素 ：La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、Y.

2 生態地質評價

生態地質評價是應用調查取樣數據從定量的角度分析研究工作區生態地質背景狀況.

2.1 Kc值評價

Kc值也叫濃集系數，是某一個采樣點（如P501）的某種樣品（A層土壤、B土壤、底沉積物，植物，地表水、地下水、降雪）的某個元素含量與評價指標（國家標準或區域背景值）的比值.它是一種簡單評價法，是單元素的異常評價.

其中，Kci即所謂的“Kc值”，為第i個元素（或氧化物）的濃集系數；Cai為第i個元素在樣品中的含量-實驗室給定的測試數據；Csˉi為第i個元素的評價指標（國家標準或區域背景含量）.Kc值的大小能夠直接反映出研究對象（A層土壤、B土壤、底沉積物，植物，地表水、地下水、降雪）中某種元素相對于評價指標的異常狀況.

2.1.1 評價指標的選擇

（1）A層土壤、B層土壤和底沉積物樣品的評價指標

SiO2、Al2O3、Fe2O3、FeO、CaO、MgO、K2O、Na2O、TiO2、MnO、P2O5等常量元素（氧化物）和 Cr、Be、Bi、V、Ni、Cu、Zn、Rb、Sr、Y、Zr、Ba、As、Sb、Hg、Se、B、Co、Mo、Cd、Pb等微量元素采用了區域土壤背景值［21］；S、F、Cl、Br、I、Ga、Cs、Hf、Tl、Te 等微量元素和稀土元素采樣了世界土壤平均值［22］.

（2）地表水、地下水樣品的評價指標

Fe、Be、Cr、Mn、Co、Ni、Cu、Zn、As、I、Cl－、NO3－、NO2－、F－、Se、Mo、Cd、Ba、Hg、Pb 采用了相應的國家標準（地表水環境質量標準GB3838-2002；地下水質量標準GB5705）中的Ⅲ類標準.

（3）植物樣品的評價指標

植物樣品的元素生態評價，按照水稻、榛子［38］、草本植物以及玉米等不同的植物種類，分別選擇了相應的樣品評價指標.

2.1.2 Kc值數據處理

按照Kc值計算公式，分別求出所有研究對象（巖石、B層土壤、A層土壤、地表水、底積物、降雪的融化雪水和其中的大氣降塵、地下水、植物和人發）相對于評價指標的系列Kc值.對每種元素的Kc值，其數值大小或異常等級從小到大可分為最小—極強5個級別.如，鐵嶺地區A層土壤的Kc值評價為：中等異常區主要分布在東部低山丘陵區；輕度異常區位于中部的遼河平原及丘陵區.

2.2 Zc值評價

Zc值是對某一個采樣點（如P501）的某種樣品Kc值（A層土壤、B土壤、底沉積物，植物，地表水、地下水、降雪）的多元素含量依據評價指標（國家標準或區域背景值）進行的綜合評價.從污染的角度講，Zc值也叫總污染指數，某一個采樣點的Zc值即該點樣品Kc值中高于評價指標的的所有化學元素的Kc值之和.與Kc值評價不同，Zc值評價是對某個采樣點的某類樣品的多元素異常評價.

其中，Kci是第i個元素的Kc值；n為參與評價的異常元素數量.在本項目中，n=56.根據某一個采樣點某種樣品Kc值（A層土壤、B土壤、底沉積物，植物，地表水、地下水、降雪）第i個元素的Zc值的大小，可判斷該樣點某類采樣對象（A層土壤、B土壤、底沉積物，植物，地表水、地下水、降雪）的污染（或異常）狀況.

研究對象（A層土壤、B土壤、底沉積物，植物，地表水、地下水、降雪）的Zc值取決于自然背景（成土母質）和人為活動等復雜因素；根據Zc值的大小可分為最低污染—最強污染5個污染（異常）級別.

2.3 生態地質綜合評價

Kc和Zc值評價只是從污染的角度對土壤、地表水、底沉積物、地下水以及植被等生態因子的單項因子評價，并未考慮這些生態因子共同作用的結果.與之相比，土壤、地表水、底沉積物、地下水以及植被覆蓋、土壤侵蝕和地質災害等諸多生態因子的共同作用必然大于其中任一單個因子的影響.我們探索應用某一區域內諸多生態因子評價參數的總和，比單個因子評價能夠更好地反映區域生態狀況.

2.3.1 評價因子的確定

區域生態地質狀況涉及到地質背景、土壤、植被、水文以及地質災害等多方面因素.在完成對土壤、水文、植被生態狀況分類評價的基礎上，可進行區域生態地質狀況的綜合評價.結合生態地質調查內容（包括野外調查的重點和室內樣品分析測試的主要項目），主要選擇了土壤生態狀況參數：包括土壤厚度、土壤有機質、土壤有益常量元素組分含量、土壤微量元素組分含量、A層土壤的Zc值、土壤侵蝕程度；植被生態狀況參數：包括植被覆蓋率、自然植被覆蓋率、植物體內有益常量組分含量、植物體內有益微量元素組分含量以及植被的Zc值；水文生態參數：包括地表水Zc值、底沉積物Zc值和地下水Zc值以及地質災害發育程度參數.共計15項評價因子，作為區域生態地質狀況的綜合評價的主要評價指標.

2.3.2 評價級別的確立——因子得分

為了統一各項評價指標的量綱，在生態地質綜合評價中按照評價指標的系統分類，對土壤、植被以及水文和地質災害等評價指標劃分評判級別并給定相應的因子得分.以俄羅斯生態地質評價（Zc值）的分類原則為依據并結合相關的土壤、水文環境質量評價方法［23］，將土壤生態狀況參數、植被生態狀況參數以及水文生態參數和地質災害發育程度等評價指標分為5個評價級別.

2.3.3 生態地質綜合指數的簡單疊加法評價

反映區域生態地質狀況的參數可分為正面因子參數（EcP）和負面因子參數（EcN）.

正面因子參數（EcP）包括：土壤厚度、土壤有機質、土壤中有益的常量和微量元素組分含量以及總的植被覆蓋率與自然植被覆蓋率（和植物體內有益的常量和微量元素組分含量）的因子得分之和.

負面因子參數（EcN）包括：土壤、植被、水文的Zc值以及土壤侵蝕和地質災害發育程度的因子得分之和.

生態地質綜合指數（Ec值）為其正面因子參數（EcP）與負面因子參數（EcN）的差值.

某個生態地質調查點（x）的生態地質綜合指數（Ec值）及其正面因子參數（EcP）與負面因子參數（EcN）用公式表示分別為［39］：

Ec(x)=EcP(x)-EcN(x)；

EcP(x)=E1(x)+E2(x)+E3(x)+E4(x)+E7(x)+E8(x)+E9(x)+E10(x)；

EcN(x)=E5(x)+E6(x)+E11(x)+E12(x)+E13(x)+E14(x)+E15(x).

2.3.4 綜合評價分區與資源開發和環境保護建議

基于野外調查［39］和上述公式，鐵嶺地區生態地質綜合指數（Ec值）平均值為2.8.東部山區Ec值在10～15之間，為良好級，局部地區甚至大于15，屬優質級；西北部風沙區大部分地段Ec≤0（局部地區小于-5），屬危險級；中部平原區Ec值變化較大，但總體上介于東部山區與西北部風沙區之間；遼河沖積平原大部分地區和法庫丘陵區Ec值相對較高（在5～10之間，屬中等級）；昌圖緩丘區、鐵嶺市和鐵法市周邊地帶以及慶云堡－小青鎮一帶的Ec值相對較低（在0～5之間，屬警戒級）.

以生態地質綜合評價為基礎，結合區域地貌特征與地質背景，將研究區劃分為東部低山丘陵（Ⅰ區）；北部隆崗狀緩丘區（Ⅱ區）；遼河沖積平原區（Ⅲ區）；西北部風蝕沙地區（Ⅳ區）和西部丘陵區（Ⅴ區）等5個生態地質區（圖 2）［39］.5 個區的分界線為：新城子－鐵嶺－開原－昌圖－下二臺；東嘎－金家鎮－八家子；秀水河子－依牛堡子－鐵法－和平－北四家子；二牛所口－康平-北四家子.

Ⅰ區：東部低山丘陵區

該區的總體生態地質狀況為良好—優質級別，其生態地質綜合指數（Ec值）平均值為14.85.區內生態地質綜合指數（Ec值）的均衡性較差，其東部地區（16～19）大于西部（10～15），局部小于 10.該區的正面因子參數EcP平均值為22.84，大大高于其他4個區；其負面因子參數EcN平均值為12.26，相對較小.

該區植被多樣性較為良好，水文狀況也明顯優于其他幾個地區.現存優質生態區急待有效保護.應結合旅游開發，創立特色農業（如，花崗巖質棕壤區適合種植葡萄、蘋果等，基性巖質棕壤區適合種植榛子）和生態地質公園；對于區內零星分布的礦山，應控制區域性的植被破壞和水土流失，治理礦山周邊重金屬污染，留幾處青山綠水給子孫后代.

Ⅱ區：北部隆崗狀緩丘區

該區的總體生態地質狀況較差，為警戒級.區內生態地質綜合指數（Ec值）的均衡性較好，其生態地質綜合指數（Ec值）平均值為4.13，僅有局部地段小于0.該區的正面因子參數EcP平均值為17.88，僅大于Ⅳ區、明顯小于Ⅰ、Ⅲ、Ⅴ區；其負面因子參數EcN平均值為13.75，相對較小.

該區號稱“遼北糧倉”，但目前存在土壤質量下降、傳統大田作物有益元素組分含量低、有害組分升高的趨勢.應該關閉“蠶食”農田的磚場，保護珍貴的可耕地資源！本區西部黃土狀棕壤邊緣地帶應構建人工林、灌木和草本立體植被防護，減緩水土流失和沙漠化.

Ⅲ區：遼河沖積平原區

該區的總體生態地質狀況為中等級，其生態地質綜合指數（Ec值）平均值為7.43.區內生態地質綜合指數（Ec值）的均衡性較差，在鐵嶺市的城區、鐵法煤礦區以及通江口-后窯屯一帶，Ec值小于7，大于0.該區的正面因子參數EcP平均值為19.62，僅小于Ⅰ區、明顯大于Ⅱ、Ⅳ、Ⅴ區；其負面因子參數EcN平均值為12.19.

流域性問題：遼河干流工業類污染較為嚴重；地帶性地下水鐵含量嚴重超標，亟待政府部門解決；遼河河流水文狀況惡化，洪枯期流量差值不斷增大，流域性的旱澇災害呈現上升態勢.該區是遼北重要的水稻和蔬菜產地，其土壤和水文的環境生態狀況直接關系到“菜籃子”和“米袋子”的安全.而該區工礦業發達，人口密度大，應切實作好生產和生活垃圾處理，避免造成土壤和水質污染.

Ⅳ區：西北部風蝕沙地區

該區的總體生態地質狀況差，為危險級，其生態地質綜合指數（Ec值）平均值為-0.75.區內生態地質綜合指數（Ec值）的均衡性較好，僅局部地段（沙漠化嚴重地帶）為-7.該區的正面因子參數EcP平均值為12.28，為5個區的最小者；而其負面因子參數EcN平均值為17.13，為5個區的最大者.

該區位于科爾沁沙地東南緣，在沙漠化嚴重、水文狀況差的極端生態脆弱區，可采取生態移民政策.構建區域性人工林、灌木及草本的“立體植被防御系統”.防風固沙的重點，應放在生態脆弱的風沙土區，退耕還草，珍惜現存的沙地植被，禁止開荒種地.

Ⅴ區：西部丘陵區

該區的總體生態地質狀況一般，為中等級.其生態地質綜合指數（Ec值）平均值為7.13.區內生態地質綜合指數（Ec值）的均衡性較差，在靠近Ⅳ區地帶，Ec值為1；而在鐵法與法庫之間的丘陵區Ec值最高為12，屬于良好級別.該區的正面因子參數EcP平均值為19.31，小于Ⅰ、Ⅲ區，大于Ⅱ、Ⅳ區；其負面因子參數EcN平均值為12.19.

對于區內煤礦、硅灰石礦以及采石、挖沙場，整頓礦業秩序，控制區域性的植被破壞和水土流失，預防地面沉降或山體滑坡等地質災害發生.關閉散布在丘陵周邊黃土狀棕壤區的磚場，保護耕地資源.該區丘陵地帶土層薄，土壤侵蝕強烈，應切實保護現存自然林和人工林網——沈陽市與科爾沁沙地之間的最后一道“綠色屏障”.

3 結語

生態地質學研究的重要內容是地球表生帶的元素生物地球化學循環，作為生物地球化學循環物質基礎和決定因素的巖石、土壤、水和植物則是該項研究的主要對象.區域地質構造、地質體類型、巖石和礦物組分等地質因素是生態環境的物質基礎，而土壤、水文和植被的生態狀況則是區域生態地質背景優劣的決定因素.在流域性和區域性尺度（1∶25 萬和 1∶50 萬），進行生態地質調查工作，查明地球淺表生態系統內巖石－土壤－水－生物（包括人類）－大氣的生態狀況，全面而正確地認識它們之間的相互作用與影響，有助于深入認識人為活動與自然環境間的影響和制約關系，正確處理資源開發利用與保護間的矛盾，為區域社會經濟和諧發展提供科學依據.

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