多目标区域地球化学调查与土壤碳储量问题--以江苏、湖南、四川、吉林、内蒙古为例

在全国多目标区域地球化学调查获得土壤高密度和大数据量碳分布数据基础上,提出"单位土壤碳含量"概念和建立土壤碳储量实测计算方法,为精确计算土壤碳储量和估算土壤碳库提供了新的途径。依据"单位土壤碳含量"进行土壤碳储量实测计算,可以按照土壤类型、土地利用分类、生态系统及自然景观等任意划分方式,从不同途径取得市县、省区、流域及至国家土壤碳储量,并在各级次上进行土壤碳库问题研究,解决土地利用、农业种植和环境评估中的实际问题。文章以江苏、湖南、四川、吉林、内蒙古为例进行土壤有机碳储量计算,结果表明,全国土壤碳储量分布不均匀。按照土壤有机碳储量和土壤平均有机碳储量分布,四川省四川盆地西部区土壤有机碳储量为1779887583t,平均有机碳储量最高,为29107.86t/km2;依次为:吉林省平原区有机碳储量2618973357t,平均有机碳储量27427.25t/km2;湖南省洞庭湖区有机碳储量837159672t,平均有机碳储量21977.31t/km2;江苏省有机碳储量1818603526t,平均有机碳储量17117.61t/km2;内蒙古河套地区有机碳储量286247058t,平均有机碳储量9592.73t/km2。

中国典型地区土壤碳储量研究

利用多目标区域地球化学调查高精度和高密度上壤碳分布数据,建立"单位土壤碳量",采用指数模型计算方法,取得各地区土壤碳储量数据。按照土壤类型、上地利用分类、生态系统及自然景观等划分方式,按照0～0.2m,0～1.0m和0～1.8m不同土壤深度,分析了四川、湖南、吉林、江苏、河北、陕西等代表性地区有机碳储量空间分布特征,进行中国土壤碳储量研究。计算结果表明,全国土壤碳储量分布不均匀。按照0～1.8m深度比较,成都平原土壤碳储量为1462.9Mt,碳密度为24813t/km^2;吉林平原区碳储量1381.96Mt,碳密度14473t/km^2;湖南洞庭湖区碳储量757.65Mt,碳密度18171t/km^2;江苏省碳储量1468.87Mt,碳密度13802t/km^2;陕西渭河平原碳储量165.47Mt,碳密度12124t/km^2;河北平原区碳储量844.84Mt,碳密度10525t/km^2。按照面积加权平均计算,推算出全国多目标区域地球化学调查地区平均碳密度,0～0.2m为3186t/km^2,0～1.0m为11646t/km^2,0～1.8m为15339t/km^2。

东北平原土壤有机碳分布与变化趋势研究

在多目标区域地球化学调查基础上,采用"单位土壤碳量"方法计算土壤碳储量,显示东北平原(约23万km2)土壤有机碳总体分布:表层(0～0.2m)土壤有机碳为768.07Mt,碳密度为3327.8t/km2;中层(0～1.0m)为2978.41Mt,碳密度为12904.7t/km2;深层(0～1.8m)为3729.16Mt,碳密度为16157.5t/km2。东北平原土壤碳密度处于全国平均水平。土壤碳密度由东北平原南部(辽宁)、中部(吉林)到北部(黑龙江)从暖温带、温带向寒温带过渡呈现增高趋势,其中表层土壤碳密度由2284.2、3436.7增加到3861.5t/km2。与第二次土壤普查比较,20年期间东北平原表层土壤有机碳总体减少320.59Mt,占29.4%,年均减少16.03Mt,年均递减率1.73%。表层土壤碳密度由南向北依次减少1060.6、1646.4、1300.2t/km2,平均减少1389.0t/km2。不同生态系统和土地利用类型土壤有机碳减少程度不同。采用土壤碳密度比方法研究生态系统之间土壤碳密度动态平衡关系,研究土壤有机碳储量及其变化趋势,为进一步探讨土壤有机碳分布分配特征及土壤固碳潜力等提供科学依据。

基于多目标区域地球化学调查的中国土壤碳储量计算方法研究

土壤碳储量问题在碳循环和全球变化领域具有重要意义,长期以来这一基本参数的计算受到数据来源的制约。全国多目标区域地球化学调查采用双层网格化采样和分析,取得了大量高密度和高精度土壤地球化学数据,为土壤碳库的高精度计算提供了数据基础。文中重点探讨利用这些数据计算土壤碳储量的方法。首先提出针对多目标区域地球化学调查数据的"单位土壤碳量(USCA)"概念,用以代表调查数据基本面积单元(4km2)的碳储量,并作为区域和全国尺度土壤碳储量计算的基本单位。在收集分析14个省市414条的土壤剖面数据的基础上,发现土壤有机碳(TOC)的垂直分布与无机碳和其他元素不同,存在指数分布规律,运用面积积分运算方法发现利用直线模型计算土壤有机碳库的误差(+20%～+100%)远大于指数模型的误差(-10%～+20%)。因此,文中建议"有机碳单位土壤碳量(USCATOC)"需使用指数模型拟合后积分求算,而"无机碳单位土壤碳量(USCATIC)"则使用直线模型,"全碳单位土壤碳量(USCATC)"采用两者加和计算。文中还分析了其他元素的垂直分布特征,并提出氮储量计算需采用与有机碳类似的方法,其他51种元素(氧化物)储量采用与无机碳类似的方案,按照直线模型计算单位土壤元素量和单位土壤氧化物量(USEA)。

中国中东部平原及周边地区土壤有机碳分布与变化趋势研究

依据多目标区域地球化学调查数据对比研究中国中东部地区土壤有机碳分布与变化特征。中东部平原及周边地区河北、河南、湖北、湖南、广东与海南等6省经黄河、长江纵贯南北,由较高纬度带到较低纬度带,跨越温带、亚热带和热带地区的截然不同的自然景观,调查面积约33.4万km2,表层土壤(0～0.2m)碳储量为906.84Mt,平均碳密度为2 716.93t/km2。连接更高纬度带的东北平原土壤碳密度,中东部地区由高纬度带至低纬度带碳密度呈现高低高低的规律性变化,即3 327.8t/km2(东北平原)2 207.39、2 421.02t/km2(河北、河南)3 442.15、3 942.92t/km2(湖北、湖南)2 255.90、2 936.72t/km2(广东、海南)。不同生态系统碳密度均值比研究发现,由高纬度带至低纬度带农田与城市系统均值比呈反向变化,农田趋高,城市趋低。与第二次土壤普查相比,中东部地区20年期间土壤有机碳总计增加115.18Mt,占14.5%,年均增加5.76Mt。但有机碳增加比例极不平衡,由高纬度带至低纬度带增加比例及变化速率呈显著降低趋势乃至负增长。其中农田、城市系统变化比例呈现增长,呈下降趋势的由大至小为潮间带、河流、湖泊、草原、森林及沼泽等。

基于大数据的中国土壤背景值与基准值及其变化特征研究——写在《中国土壤地球化学参数》出版之际

土壤地球化学背景值与基准值研究是地球科学领域重要基础性工作。《中国土壤地球化学参数》是在全国多目标区域地球化学调查基础上,基于高质量高精度大数据研究的重要成果。本文概述地球化学调查工作方法与样品测试质量等若干基本要求,说明大数据的获取方式与精度水准。主要从宏观尺度上论述中国土壤背景值与基准值变化特征,包括:(1)研究中国土壤地球化学背景值与全球地壳丰度比值特征,阐述中国土壤元素(氧化物)背景值相对于全球地壳丰度的总体特征和基本规律;(2)通过辽河流域、黄河流域、长江流域及珠江流域土壤元素(氧化物)背景值与地壳丰度对比,研究由北方至南方各大流域相对于全球丰度的变化特征;(3)通过上述各大流域与全国土壤背景值对比,研究各大流域分别在全国总背景中的变化特征;(4)以中国基本无人类影响的代表自然本底的第一环境土壤背景值为基准,研究代表人类深度影响的第二环境土壤地球化学富集特征;(5)通过对比国内各大流域和地区第一环境与第二环境土壤地球化学背景比值特征,研究全国不同自然环境和地理景观条件下元素指标富集与贫化规律等。《中国土壤地球化学参数》研究建立在地球化学大数据基础上,信息量巨大,内涵极为丰富,是我国地球化学历史上空前规模的具有里程碑意义的学术成就,为包括土壤学、生态学、环境学、生物学在内的地球科学领域提供基础信息,为全球变化、全球环境、全球治理重大科学问题研究提供重要依据,为国家自然资源、生态环保、农业农村及卫生健康等行业部门科学管理与科学决策提供评价标准。本文研究仅仅触及宏观层面的某些方面,就已经涌流出大量生态信息、自然规律与科学问题需要深化研究和应用实践。可以预见,随着中国土壤地球化学参数的深入研究与广泛应用,将促使地球化学更加深度融入国家经济社会发展,在国家发展大格局中发挥积极作用,国家经济社会发展也将会更加关注地球化学问题。本项调查与研究成果凝聚了广大地学工作者的辛劳和智慧,展现出严谨的科学精神和崇高的事业心与责任心,展示中国质量和中国精度,代表中国地学领域高质量发展方向。

中国区域化探若干基本问题研究:1999—2009

1999—2009年,中国区域化探发生了根本性改变。主导思想是以地球化学理论为指导研究区域化探方法技术问题和进行矿产资源潜力评价。区域化探方法技术研究的基本要求是最大限度保持原生地球化学分布特征,表生地球化学条件下采样物质问题是区域化探方法研究的核心,样品采集应以代表地质找矿信息的基岩物质成分为原则,在全国范围内最大限度地保持采样物质的一致性。基于成矿地球化学理论建立资源潜力地球化学评价方法和实行地质找矿定量预测,使勘查地球化学从单纯方法手段上升到指导地质找矿的理论高度。主要标志是在全国建立完整的区域化探工作方法技术系统和实行样品分析质量全程监控。在区域化探高精度数据基础上绘制与出版精美的地球化学图集,使区域地球化学图精确地反映地质背景分布与异常特征,促进区域化探数据信息深度开发和利用,建立具有从区域、普查到详查进行全过程独立开展资源调查、评价和预测的方法技术体系和工作程序。区域化探长期支撑中国地质找矿工作,是整个地质找矿工作的先导。随着新一代地区和全国地球化学图的形成,将在基础地质和成矿规律研究以及揭示重大地质事件等方面提供新的发现、新的认识和新的观点,对于未来中国勘查地球化学和整个地质工作产生重要影响。

现代地质工作重要发展领域:“十一五”期间勘查地球化学评述

"十一五"期间(2006—2010年),国土资源部中国地质调查局继续推进区域化探与多目标区域地球化学调查计划。在区域化探方面,完成调查面积82.93万km2(累计完成756.62万km2),发现异常4 708处,经验证发现各类矿产411处,其中有色金属矿产273处,占66.4%,取得重大找矿突破。开展矿产资源地球化学评价,通过建立典型矿床地球化学异常模式,来圈定找矿靶区和进行资源潜力定量预测。在多目标区域地球化学调查方面,完成调查面积26.56万km2(累积完成165.66万km2),建立生态地球化学评价体系,主要针对重金属元素成因来源、迁移转化、生态效应与变化趋势进行较为全面和深入的研究。土地质量地球化学评价表明,中国土地达到优质级占53%,优良级占33%,较差等级主要分布在中东部经济社会发达地区。土壤有机碳研究表明,全国表层土壤(0～0.2m)平均碳密度仅为3 186t/km2,且各地区碳密度变化幅度较大,说明中国土壤有机碳处于低水平和不稳定状态。"十一五"期间勘查地球化学针对重大资源与环境问题,深化和延拓地质工作内涵,逐步形成矿产资源评价、生态地质科学研究、土地质量与生态评价、全球变化科学研究及基础地学研究等现代地质工作若干重要发展领域。

区域成矿地球化学理论体系问题研究:兼论沱沱河区域化探异常集群

区域成矿地球化学理论以成矿物质为主体，以成矿地质条件为背景，主要研究大型超大型矿床在成壳、成岩、成矿与成晕过程中的地球化学规律。区域成矿地球化学理论体系是基于成矿地质过程与成矿级次建立的研究框架，包括成矿地球化学块体理论、成矿地球化学区域分带理论、成矿地球化学次级分带理论和成矿地球化学原生分带理论，主要研究成矿省（域）、成矿区带、成矿亚带和矿床等各级次成矿地球化学问题。在区域成矿地球化学理论指导下，结合我国长期形成的区域、普查与详查化探工作程序特点，建立与之相适应的区域矿产资源地球化学评价体系和区域地球化学勘查方法技术体系，系统研究不同层级的成矿与找矿地球化学问题。各体系之间既密切相关地联系在一起，又具有独立的研究内涵与范畴。本文结合西南三江北段成矿带沱沱河区域化探异常集群的重大发现，主要讨论区域成矿地球化学理论体系及相关的评价体系与方法体系问题。

现代勘查地球化学科学体系概论:“十二五”期间勘查成果评述

"十二五"期间(2011~2015年)勘查地球化学以全国区域化探与多目标区域地球化学调查为主导,实行高密度的大数据、大信息综合集成运作,在资源与环境各方面继续取得显著成果,产生广泛影响力和重要经济社会效益,成为地质工作最具活力的领域。已经逐步建立以调查为基础,以理论为指导,融合资源与环境为一体的现代勘查地球化学发展总体框架与科学体系。矿产资源领域以全国区域化探为基础,成矿地球化学理论为指导,建立调查体系、理论体系、评价体系与方法体系。生态环境领域以全国多目标区域地球化学调查为基础,生态地球化学理论为指导,建立调查体系、理论体系、评价体系、预警体系、修复体系及方法体系。这是学科发展成熟的标志。本文简要论述勘查地球化学框架体系的构成、内涵及相互关联等。与此相关,提出若干新思想与新概念,以供讨论。

地质矿产部“八五”期间物探、化探、遥感勘查若干新进展

“八五”期间地矿部系统物探、化探、遥感勘查工作取得了若干新进展。本文根据各省、市、区地勘局及勘查技术院等有关资料 ,分基础地质、矿产勘查及水工环三部分简述了这些成果的主要方面。在矿产部分 ,特别列举了自“六五”期间区域化探、区域物探起步以来 ,15年间找矿成果的对比情况 。

生态地球化学:从调查实践到应用理论的系统工程

生态地球化学是以多目标区域地球化学调查为基础,以生态地球化学评价、生态地球化学评估、生态地球化学预警和生态地球化学修复为主体的系统工程。文章系统地介绍了我国近年来生态地球化学研究成果,对长江流域河流生态系统、山西农田生态系统,北京城市生态系统,鄱阳湖、洞庭湖、太湖等湖泊湿地生态系统的区域生态地球化学评价进展进行了归纳总结。文章从区域尺度上综述了土壤碳库,土壤元素基准值和土壤背景值,土壤污染等级划分等基础研究方面的进展。面向未来,指出了生态地球化学发展趋势,提出生态地球化学研究需要进一步延伸和发展的领域。

土壤污染地球化学标准及等级划分问题讨论

全国多目标区域地球化学调查发现有害元素广泛分布引起极大关注。土壤污染将长期危及生态系统和人类生存安全。制定土壤污染等级标准十分重要。国家土壤环境保护标准体系中,土壤污染等级标准是针对调查发现的污染进行量度划分,土壤环境质量标准是依据污染对环境影响程度确定临界值,土壤污染评价标准是针对存在问题进行科学研究的指标。土壤污染等级采用统一的分级标准,划分为国家级、流域级、省级和地市级。标准制定是一个由局部到全局的认识,又由全局到局部的决策过程。在多目标区域地球化学调查基础上首先制定土壤污染标准及划分污染等级是笔者的主导思想。

生态地球化学与生态地球化学评价

中国地质调查局近年来大力推进多目标区域地球化学调查工作,揭示了微观世界中大量未被发现和认识的现象,进行生态环境研究和评价是面临的主要问题。提出和探讨了关于生态地球化学及其评价问题,包括定义、研究思路、技术路线,以及全球的、区域的与局部的生态地球化学评价等。

多目标区域地球化学调查与生态地球化学——第四纪研究与应用的新方向

多目标区域地球化学调查是继区域化探全国扫面计划之后勘查地球化学的又一项重要进展。要点是以多目标区域地球化学调查为基础,进行生态地球化学评价、评估和预警。以第四纪地球化学巨量信息与生态环境研究相结合,吸纳与综合其他学科的思想、观点、方法和研究成果,进行多学科延伸和社会经济多领域应用,是第四纪研究与应用的新方向,使地学立于21世纪环境科学之林。

多目标的地质大调查——21世纪勘查地球化学的战略选择

21世纪勘查地球化学面临发展问题。20012005年勘查地球化学以国家其基础性公益性地质工作为主导，以经济社会发展需求为动力，以资源与环境并重为方针，实施多目标的地质大调查，取得一系列重要成果，标志勘查地球化学进入全面发展阶段。这是勘查地球化学的战略选择。在现代科学技术取得最新成就起点上，构建理论体系、方法体系和质量体系，在各项工作中采取科学态度和积极有效措施，推动勘查地球化学不断达到新的高度。

1999～2001·勘查地球化学·资源与环境

1999～2001年,勘查地球化学取得一系列重要进展和成果,在中国西部以资源调查和评价为主推进区域化探,在中国东部以环境调查和评价为主启动多目标区域地球化学填图,逐步形成新世纪勘查地球化学资源与环境并重的发展格局。与此相适应,提出了资源潜力地球化学评价与生态环境地球化学评价为主导的基本思路和方法。

自然资源时期:大数据与地球系统科学——再论全面发展时期的勘查地球化学

中国勘查地球化学全面发展的重要标志和本质特征是大数据信息与地球系统科学。勘查地球化学的全面发展坚持资源与环境并重方针,真实生动地反映国家经济社会发展的历史轨迹,在科学技术领域具有典型意义。自然资源时期地质工作关于资源内涵从矿产资源、国土资源到一切自然资源,关于环境内涵从地质环境、国土环境到包括山水林田湖草生命共同体在内的一切自然环境。本文继2008年对此有所评述后,在国家自然资源部成立之际,地质工作面临深刻转型之时,从大数据信息科学与自然资源地球化学调查、建立地球系统科学指导的自然资源地球化学理论体系与自然资源地球化学评价体系,以及针对自然资源领域重大科学问题,深化地球化学应用研究与理论研究,构建完善的科学体系等若干值得注意的方面再次就此议题加以评论。勘查地球化学的长期目标是通过大数据信息与地球系统科学研究揭示自然资源与自然环境状况,实现对地球资源的科学开发、合理利用和整体保护,创造人类与地球和谐共处的生存环境。由此,转型和升级贯穿中国勘查地球化学发展的全过程。地球化学将以形态和内涵的系统性、综合性、整体性作用,以及应用实践的多目标全方位面貌出现在国家行业部门与科技领域,极大地拓展和深入经济社会发展各个方面。勘查地球化学以方法技术优势实行大调查、大数据、大应用战略,建立大环境、大生态、大地球观,向大地质、大资源、大科学转变,为解决自然资源与生态环境问题提供地球化学方案,将全面发展时期的勘查地球化学从大数据信息应用优势和地球系统科学理论高度提升到"大地球化学"境界。

大数据科学从信息化、模式化到智能化:现代地球化学应用研究的新范式

地球科学领域处在信息科学与信息化社会时代,基于大数据战略驱动的现代地球科学正在蓬勃兴起。诞生于近代的地球化学具有天然的结构化信息科学属性。提出建立从信息化、模式化到智能化的地球化学大数据信息科学应用研究总体思路,即基于地球化学大数据首先建立信息化系统,运用地球系统科学方法理论建立成矿地球化学分带富集模式与生态地球化学累积效应模式,采用智能系统与智能技术按照模式化思维方式分析、判别和预测大量地质地球化学非线性现象,通过地球化学理论研究和应用评价解决影响国家经济社会发展重要资源环境问题。大数据与地球系统科学构成地球化学应用研究的两大支柱。本文针对目前存在的主要问题,从地球化学大数据信息化、信息模式化及模式智能化等方面进行论述。重要的是以地学模型为主体构建智能化系统,研究成矿系统与生态系统科学问题。世界经济社会发展与资源环境问题处在全球化时代,必须从全球资源配置与全球环境变化高度审视成矿地球化学和生态地球化学问题。地球化学结构化大数据属性的巨大优势,现代计算机关键技术日益成熟及智能化前缘理论研究的不断突破,预示实现地球化学大数据信息科学条件已经具备,可能从地球科学领域脱颖而出,成为具有广博视野和不断进取的新兴科学研究范式。

全面发展时期的勘查地球化学

21世纪勘查地球化学在经历战术发展时期和战略发展时期后进入全面发展时期。各发展时期都是在特定的历史条件下形成的。笔者主要简述全面发展时期的若干特点及需要注意的问题。