健康地質調查研究進展及其評價方法

居字龍， 胡尚軍， 陳 思， 尹 猛， 夏 坤， 萬 翔

(湖北省地質調查院，湖北 武漢 430034)

人類的健康往往有著地域特征，且與氣候、地質條件等地理學背景密切相關[1-8]。許多地質學者探索影響人類生存的地質環境，如地下水、地質災害、礦山地質環境、水土環境、地方病(高氟病等)等，并提出環境地質、醫學地質等研究概念[3-5,8-16]。自20世紀50—60年代以來，國內外科研機構相繼開展地質學、醫學、化學、生物學等多學科協同融合，結合本底調查及已有數據的挖掘等方式，探索地表環境對人體健康、生態健康的影響關系。

2016年，國務院頒布《“健康中國2030”規劃綱要》，綱要中明確要開展環境污染對人群健康影響的評價以及中藥材基地規范化種植的研究，探索建立高風險區域重點項目健康風險評估制度。2017年，根據“健康中國”的國家戰略，同時順應新時期對地質工作的新需求，中國地質調查局提出了“健康地質”理念。之后該局依托地質調查項目，開展了健康地質工作方法與規范規程方面的先期預研究。但由于“健康地質”定義不明確，且缺乏科學系統的調查方法和評價體系的規范，導致健康地質調查研究進展滯緩。

2022年，湖北省地質局實施《武漢城市群健康地質調查與風險評價》項目。借此契機，本文綜合有關“健康地質”文獻、媒體報道和相關標準規范成果，采用對比、借鑒、總結等工作手段，全面梳理“健康地質”的概念、研究內容和評價方法等，以期展現較為系統的研究進展，促進健康地質工作方法和規范規程及風險評價體系的持續研究。

1 健康地質的起源及概念梳理

1.1 概念起源

黨的“十八大”以來，以習近平同志為核心的黨中央堅持以人民為中心的發展思想，把人民健康放在優先發展的戰略地位，全面推進“健康中國”建設。2016年，在國務院發布的《“健康中國2030”規劃綱要》中提到要開展重點區域、流域、行業環境與健康調查，建立覆蓋污染源監測、環境質量監測、人群暴露監測和健康效應監測的環境與健康綜合監測網絡及風險評估體系；實施環境與健康風險管理等。

2017年，中國地調局首次提出開展健康地質工作，將面向礦產資源的傳統地調工作轉向面向人民健康的新領域，指出健康地質工作要切實服務國家戰略，落實黨中央決策部署，搞清“所以然”，治“未”病。在2022年中國地調局印發的《全國地質調查“十四五”規劃》中又強調要建立健全健康地質工作體系，完成全國健康地質總體評價。之后由該局國家地質實驗測試中心牽頭組建成立“中國地質調查局健康地質研究中心”，建立 “1+6+N”的組織模式(1為實驗測試中心，6為六大區分中心，N為參與單位或合作機構)，發展健康地質學科，打造健康地質技術創新與人才成長平臺高地，穩步推進健康地質工作。

1.2 與其他概念的比較

健康地質調查的目的在于查明對人類健康有益或有害的地球物質分布及地質作用過程，評價地質環境對人類健康的影響，提出預防、減緩不利地質因素對人類健康影響的對策和實現人居環境改善的規劃建議。但由于概念定義不明確，沒有科學系統的工作方法、評價體系和標準規范，已經制約了健康地質調查工作的開展。另外，健康地質和醫學地質、環境地質、生態地質等概念關聯性較大，因此很有必要開展不同概念之間的比較。本文從相關概念的定義、起源及標志性時間、研究對象、主要內容及規范等相關角度開展對比分析(表1)，明確健康地質的定義及研究范疇。

表1 健康地質類似概念比較

概念起源及影響力對比表明：①環境地質和醫學地質是全球性的地質學科研究領域，環境地質是起源于全球性的社會發展導致的地質環境問題[14-16],包括水資源短缺、地面沉降、滑坡等；而醫學地質則是有針對性地研究地質背景和地質過程對動物及人類健康的影響，并成為聯合國教科文組織明確的研究對象，且有大量國外學者開展實際案例研究[18-21]。②健康地質和生態地質則是中國地調局依據《“健康中國”行動(2019—2030年)》及新時期對地質工作的新需求，提出的地質研究新概念，屬于大地質范疇且具有中國特色的地質概念。其中生態地質是響應“十九大”提出的生態文明建設，以服務生態文明建設為宗旨，側重于地學與生態學的關聯和滲透[17，22-25]，為此2019年該局公布了《生態地質調查技術要求(1∶50 000)(試行)》標準。健康地質是根據《“健康中國”行動(2019—2030年)》，按照“2023—2025—2030三步走”的戰略，查明地質環境對人群健康的影響范圍和強度，發現規律、認識機理，持續提供滿足政府決策和人民生活需要的健康地質成果，為國家管理、國民健康服務，至今尚未出臺相應的標準規范。

概念研究內容對比表明：①環境地質的涉獵面最廣[14-16]，包括人類活動相關的地下水、地質災害、礦山地質環境、水土環境等；而醫學地質則專注于地質背景和地質過程對于人類健康的影響，側重于地方病(高氟病等)[1,5,21]；生態地質則關注與生態環境和地質條件之間的關聯[17，22-25]；②健康地質則和醫學地質關聯較大，且不僅局限于地方病，探究影響人類健康的地質要素，包括人體健康的有益和有害元素的遷移規律以及地形地貌對人類宜居性的影響等。

綜上，健康地質調查指以地球系統觀為指導，通過查明區域地質環境中巖石、土壤、水、大氣、生物多介質的有益和有害元素含量水平、組合特征、生態效應，結合地形地貌、氣候條件等因素，評價地質環境對人體健康、宜居性的影響程度。

2 健康地質的研究內容及評價方法

2.1 研究內容及標準規范

健康地質的研究核心是地質環境要素對人體健康的影響。目前常用的健康風險評價方法為“污染場地評估”中“場地健康風險評估”。該評價方法基于1983年由美國國家科學院(NAS)提出的“四步法”健康風險評估，并逐步完善形成[26-30]。評估內容包括危害鑒別、劑量反應評估、暴露評估和風險表征，適用于污染場地的健康風險評估，關注的環境要素主要局限于重金屬和有機污染物等定量數據的表征。而隨著健康地質調查工作的推進，其他影響人體健康和居住條件的地質環境要素也需要關注，這些地質環境要素對人體健康及生存環境有有利和不利的影響[31-34]。例如黑色泥頁巖母質形成的土壤中富硒元素相對較高，是富硒農產品的優質場地[35-37]；負鍶礦泉水也是基于相應的地質環境[38-42]。因此，污染場地的健康風險評估方法則顯得較為局限，不能適用于全面展開的健康地質調查，需要以地球系統觀為指導，全面評價地質環境要素與人體健康的關系。

評估地質環境要素對人體健康的影響，應全面評價與人體健康息息相關的水、土壤、巖石、大氣、生物多介質的健康狀態。這五種介質中，土壤占據絕對核心的地位，它是生物生長的載體，也是水賦存的載體，也是巖石風化后的最終產物[43-47]。另外，由于現在絕大部分人群的飲用水都是來自自來水廠集中消毒后供應的，自然水體對于人體健康的影響相對減小，水對人體健康的影響方式主要體現在農作物灌溉用水。因此，地質環境對于人體健康的影響主要體現在土地功能健康、巖體穩定性、空氣健康三個方面[48-53]。其中土地功能健康可細分為初級生產力評價、水體凈化與調節、碳封存與調節、生物多樣性供給以及養分供給與循環(詳見表2)。

表2 健康地質研究內容梳理

明確健康地質的研究內容后，需綜合考慮健康地質調查與評價的工作標準，參照成熟且科學的國家標準及地質、環境等行業規范標準，健康地質調查與評價規范梳理為調查方法、水介質健康評價、土壤介質健康評價、大氣介質健康評價、聲音介質健康評價、農作物健康評價、巖土安全評價以及場地健康評價等八個方面，詳細規范目錄見表3。

表3 健康地質調查與評價參考規范

2.2 健康地質評價思路及流程

由于不同土壤利用類型對人體健康影響存在差異，導致了健康地質調查及評價內容會有差異[54-56]。以大眾較為關注的耕地和工礦倉儲用地為例，耕地對于人體健康的影響，主要涉及到人類活動與耕地土壤直接接觸，以及農產品食用導致的有益或有害影響。而工礦倉儲用地涉及到工業生產產生的空氣、水體、土壤中有害物質以及土體基巖的穩定性對人體健康產生的影響。因此，本次研究提出基于土地利用類型的健康地質評價思路，以第三次全國國土調查的土地利用類型為基礎，厘清不同土地利用類型所重點對應的健康地質評價內容，詳見表4。

表4 基于不同土地利用類型的健康地質評價內容

基于土地利用類型的健康地質調查與評價思路，將健康地質工作分為兩個階段(圖1)：①健康地質調查。該階段全面收集現有的三調圖斑數據、土地質量地球化學調查數據、地質災害評價數據、專項的實地采樣調查(空氣質量檢測)及實地人群調查，為后期健康地質評估提供基礎；②健康地質評價。該階段包括健康地質等級評價和健康地質專題評價。

圖1 健康地質調查及評價流程示意圖

2.3 健康地質評價

健康地質評價是健康地質調查結果的重要體現，主要包括健康地質等級評價和健康地質專題評價。健康地質等級評價是根據評價標準對評價單元開展健康地質等級劃分，而健康地質專題評價則是以調查數據和成果為基礎，針對調查區突出的健康環境問題、有益或有害元素的遷移規律、優勢地質基因等方面進行的專題研究。

2.3.1健康地質等級評價

由于評價對象和內容的差異，確定的指標無法適用于每種土地利用類型，另外受制于基礎資料的差異，即使是同一種土地利用類型，選取的評價指標也會有差異。層次分析法是一種定性與定量相結合，系統化、層次化的分析方法。該方法將目標分解為多個目標，進而分解為多指標(準則或約束)的若干層次，通過定性指標模糊量化方法計算出層次單排序(權數)和總排序，進而優化目標(多指標)、多方案決策[57-61]。層次分析法可給出相關聯因素相對重要性的定量指標，把主觀推斷轉化成數量形式(定性分析轉化為定量計算)，從而為健康地質等級評價排序提供支持。

(1) 評價指標的確定。該部分準則層包括初級生產力、水體凈化與調節、養分供給與循環、生物多樣性供給、碳封存與調節、巖體穩定性及環境空氣質量，而每個準則層均有相應的評價指標，詳細內容見圖2。

圖2 健康地質等級評價指標體系

(2) 指標權重的確定。依據前文的健康地質等級評價指標體系，由上至下逐層運用成對矩陣計算模型將評價內容及評價指標兩兩進行比較，權衡其權重。這個過程需要專業知識深厚且具有豐富經驗的場地評估專家來協助完成。通過對場地評價因子及其修正因子的權重分析，確定準則層和指標層各指標的權重關系[54，59-60]。

首先設某一層有n個因素，X={x1，x2，…，xn}，要把n個因素對上層某一目標的影響程度進行排序，aij表示第i個因素相對于第j個因素的比較結果，則成對矩陣為：

再計算重要性排序。根據判斷矩陣，求出其最大特征根λmax所對應的特征向量W，則有：

P×W=λmax×W

所求特征向量W經歸一化，即為各評價因素的重要性排序(權重分配)。

(3) 一致性檢驗。為檢驗以上得到的權重分配是否合理，需要對判斷矩陣進行一致性檢驗。

① 計算一致性指標CI(Consistency Index)，其計算公式為:

CI=(λmax-n)/(n-1)

式中：n為矩陣階數，且n>1。

② 確定判斷矩陣的平均隨機一致性指標，1～9階判斷矩陣的RI值依次為:0，0，0.52，0.89，1.12，1.24，1.36，1.41，1.45。

③ 計算一致性比例CR(Consistency Ratio)，其計算公式為：

CR=CI·R

若有CR>0.1，則表明上述判斷矩陣的一致性可以接受。同理可求得全部要素層各元素的權重，并分別對其判斷矩陣進行一致性檢驗。按照上述方法計算得到健康地質各指標的權重。為消除不同評價指標的單位與量綱差異，使數據之間具有可比性，需要采用極差標準化法對原始數據進行標準化處理，得到各評價指標的標準化值。

④ 健康地質評價得分及等級劃分。參考前文健康地質等級評價中的每個因素層及其對應的指標都是從不同側面來反映土地健康的狀況，將健康地質等級評價各個指標的標準化值與其相應的權重相乘后加和得出綜合指數，該指數可全面客觀地反映系統的整體狀況。健康地質綜合指數計算公式為:

式中：S表示土地利用系統健康綜合指數；Wi表示第i個指標的權重；Xi表示第i個指標標準化后的值。根據土地利用系統健康綜合指數的分值，將健康地質等級劃分為:病態、不健康、臨界狀態、亞健康以及健康5個等級，其分級標準及含義見表5。

表5 健康地質等級劃定依據

2.3.2健康地質專題評價

健康地質在醫學地質學的基礎上，擴展了研究的外延，除了地方病外，還進一步探討對人類健康有益的地球物質和地質作用過程的健康效應，其專題評價也是在此總體目標下開展的。目前根據土地質量地球化學評價成果，以及政府和社會大眾的需求及關注程度，其專題評價方向有以下6個方面值得重點關注：

(1) 地質—地球化學高背景區元素異常對人群健康影響的調查與評價。例如在中國西南地區、可可西里地區等典型地球化學高背景區，研究其元素存在的地質條件、賦存狀態、運移條件，及其在生態鏈中的循環和對周邊人群健康的影響。

(2) 礦業活動對人體健康影響的調查與評價。在金屬礦山周邊開展針對人體健康影響的調查與評價，包括礦山周邊小流域元素異常區的范圍、影響元素遷移的環境條件和對礦山周邊人群健康的中長期影響評估等。

(3) 重點地方病高發區元素缺乏與過剩的現狀調查。研究地方病的地學致病因素，對今后的發展趨勢作出評估，并針對當地的特點提出有效改善居民生存環境的措施。

(4) 研究硒等有益元素的局部富集機理和對環境與人體健康的影響程度。當前硒作為一種資源被人們認可，應該科學、客觀地評價環境中硒的作用，在硒含量不同的地區研究硒富集和轉化的機理、遷移過程和對人體健康的評價。

(5) 探索環境污染造成的流域性或局部元素異常對周邊人群健康影響機制的評價。針對典型的環境污染問題，開展重金屬、有毒或有害元素、有機污染物等不同類型污染調查，以及對周邊人群健康評價等。

(6) 建立地質—地球化學環境異常對環境影響的評價體系。

3 典型土地利用類型的健康地質評價

農用地和工礦倉儲用地是健康地質調查的重要土地利用類型。農用地作為農產品種植場所，包括耕地、園地、林地和草地，是人類大宗糧食、蔬菜、瓜果的主要來源地。近年來，隨著中國人民生活水平的日益提高，農產品的安全和土壤基底的質量逐漸成為關注的焦點。工礦倉儲用地則是人類工業活動的最主要場所，包括工業用地、采礦用地、鹽田和倉儲用地，是絕大部分污染的來源，其存在的健康風險一直是國內外大眾及學者關注的焦點，也是科研工作者最早開展健康風險評價研究的土地利用類型。由此可見兩者的關注點和研究基礎有著較大的差異。

3.1 農用地健康地質等級評價

農用地主要關注土地功能健康，尤其是土地初級生產力、水體凈化與調節，以及養分供給與循環。參考前文健康地質等級評價指標體系及健康地質專題評價，本次研究厘清了農用地健康地質等級評價準則層、指標層的具體內容，初步確定了該評價的指標體系和專題研究內容。

在其準則層中以土地功能健康為主，包括土地初級生產力、水體凈化與調節、養分供給與循環。準則層均對應有其指標層(圖3)。

圖3 農用地健康地質等級評價體系

值得注意的是，農作物等級評價是消費者關注的重點問題，不同等級農產品的營養品質和膳食健康差異較大[62-65]。目前農作物等級標準體系包括農產品等級規格標準、綠色食品標準、中國好糧油標準、富硒農產品標準、農產品地理標志標準和有機食品標準。除此之外，中國食品營養標準中也有涉及農產品的部分內容，例如保健食品、預包裝食品營養標簽和藥食物質相關標準。國際上農產品營養標準的最新進展有生物強化定義草案、生鮮農產品營養標簽與功能聲稱。而對于健康地質等級評價，需從中國現行農產品相關標準中梳理以營養成分作為指標的標準，評定農用地的健康地質等級。

3.2 工礦倉儲用地健康地質等級評價

工礦倉儲用地與人類工業活動密切相關，當前由人類工業活動引起的污染現象日益嚴重，備受各國政府、民眾和科研工作者的關注，而針對污染場地健康風險評估的研究體系已較為成熟。如美國國家科學院(NAS)于1983年提出了“四步法”健康風險評估；美國國家環境保護局于1989年頒布了《超級基金場地風險評價：人體健康風險評估手冊》。健康風險評價把環境污染與人類健康聯系起來，使用風險度作為評價指標來定量評估污染物對人體健康的致癌與非致癌風險。根據污染物來源、暴露途徑、人群易感性、危害類型的差異，構建了許多不同的健康風險評價模型，這些模型目前已被廣泛地應用于大氣、水、土壤、農產品等環境介質中污染物的評價[66-70]。

評估過程總體分為四步(圖4)：①數據收集與評價。主要通過數據收集，分析確定污染物、污染程度和范圍、潛在暴露途徑、暴露人口及暴露評估預測模型使用的參數；②毒性評估。查閱現有關于污染場地潛在污染物質毒性的研究情況，對該物質可能產生的健康反應作一個定性描述，同時收集與污染物有關的數值，如在土壤、水體或氣體中的質量標準限值、有關試驗的毒性數據等；③暴露評估。暴露評估主要是探討污染物的濃度、污染物進入人體的途徑及暴露時間長短及頻率等因子，根據化學物質對人體的致癌或非致癌毒性作出致癌或非致癌毒性評估；④風險表征。在暴露評估和毒性評估的基礎上，定量計算污染場地污染物質非致癌危害指數或致癌風險的大小，并對計算的結果進行解釋說明及分析風險評估結果中存在的不確定因素。

圖4 “四步法”人體健康風險評估步驟

“四步法”運用污染物暴露模型和健康風險評價模型，細化評價地塊中化學或物理因子對人體、動物造成損害的可能性以及影響程度。該研究以大量基礎數據作為支撐，其準確性取決于暴露水平測量的準確程度和劑量—反應關系的可靠性。暴露水平的計算包括暴露人群信息參數和環境數據的獲得。暴露人群信息參數是人體暴露和健康風險評價中的關鍵性參數，是暴露評估模型所需的重要基礎數據，其準確性是決定健康風險評價的關鍵因素之一。暴露人群信息參數種類較多，獲取方法也比較多，包括現場調查和監測數據、國內有關部門的調研推薦值及《中國人群暴露參數手冊》推薦值。

通過綜合上述污染地塊健康風險評估方法及體系構成，利用層次分析法，初步確定工礦倉儲用地健康地質等級評價體系的準則層為土壤介質、水體介質、空氣介質健康評價和巖體穩定性評價，其指標層為各準則層對應的人體暴露評估、非致癌風險評價以及致癌風險評價等(圖5)。該方法豐富了污染場地健康風險評估工作，并可保持與各土地利用類型健康地質調查評價方法、標準規范的一致性，促進成果間的利用。

圖5 工礦倉儲用地健康地質等級評價體系

4 結論與討論

(1) 健康地質是中國地調局依據《“健康中國”行動(2019—2030年)》的戰略部署，結合新時期地質工作提出的地質新概念，是醫學地質學的延伸。健康地質調查是以地球系統觀為指導，通過查明區域地質環境中巖石、土壤、水、大氣、生物多介質的有益或有害元素含量水平、組合特征、生態效應，結合地形地貌、氣候條件等因素，評價地質環境對人體健康、宜居性的影響程度。

(2) 健康地質主要的研究內容是地質環境要素對人體健康的影響，包括土地功能健康、巖體穩定性、空氣健康三個方面。健康地質調查與評價基于不同土地利用類型，采用多層次目標分析法，確定評估的準則層和指標層，以及相關因素的相對重要性，由定性分析轉化為定量計算，從而劃分健康地質評價等級。

(3) 在土地利用類型中，以農用地和工礦倉儲用地對人體健康影響最為密切。農用地重點關注土體功能健康，準則層細分為土地初級生產力、水體凈化與調節、養分供給與循環三個方面以及相應指標層；工礦倉儲用地健康風險評價融合污染地塊健康風險評價思路，重點關注污染物質對人體健康以及巖體的危害，準則層明確為土壤介質、水體介質、空氣介質健康評價和巖體穩定性評價。

(4) 健康地質比醫學地質研究范圍更廣，且體現了“以人為本”的地質科研理念。標準化和規范化地開展各種土地利用類型的健康地質調查與評價已成為健康地質研究和發展的核心。其成果轉化應用需要與自然資源和規劃、生態環保、農業農村等部門對接，通過政府部門的宣傳、引導，讓健康地質調查與評價成果更好地為政府決策、國民健康服務，同時這也將強有力地推動健康地質工作的持續開展。