1.調查方法技術
長期以來,地質、農業、水利、環保、氣象等部門從不同專業角度出發,形成了巖、土、水、氣、生物等介質的調查和研究方法,制定了相應的規範規定。如地質系統的區域地質、區域地球化學、區域水工環地質等調查規範規定,為農業地質環境調查方法技術體系的形成奠定了基礎。
以往調查和研究工作多從部門與學科專業角度出發,調查研究的介質要素相對單壹,分析測試指標較少,不少方法技術主要適用於局部性、專題性研究目標。浙江省農業地質環境調查作為壹項系統工程,覆蓋範圍大、涉及指標項目多、服務應用領域廣,包括示範區—重點片區—全省範圍的多尺度調查任務(工作比例尺變化於1:5萬—1:25萬—1:50萬),涉及土壤、水(地表水、地下水)、生物、農產品、淺海沈積物等多種介質,迫切需要形成包括野外調查、樣品采集加工、分析測試方法、數據處理和綜合分析、成果表達、質量保證體系在內的壹整套方法技術體系。
隨著現代分析儀器、方法及測試技術水平的發展,土壤沈積物、植物、水等介質中元素全量分析測試方法已比較成熟,但有壹些元素特別是痕量超痕量元素的分析測試方法及質量監控體系仍有待完善。如,土壤沈積物中元素的活動態組分對動植物具有更直接的作用,元素和有害物質的賦存形態研究可以為土壤營養分級、汙染物危害評價提供更為直接的證據。然而,至今土壤元素相態提取與分析存在的問題還很多,主要表現為部門之間、實驗室之間提取方法、流程不統壹,不同實驗室、同壹實驗室不同批次間分析偏差較大。因此,各種提取方法的科學性、實驗條件的標準化是相態、有效態分析方法研究的重要內容。
隨著當代科學技術的進步,高新技術的應用已成為現代農業地質調查和評價的重要手段,GPS、RS、GIS等新技術手段迅速在農業地質環境調查和研究中推廣普及。由於這些新方法和技術的應用還只是剛剛開始,需要不斷總結經驗,探索並擴展其應用前景。
系統全面地將農業地質環境調查成果服務於農業生產是壹項創新性工作。如何針對農業科學和生產的特點,采取生動、形象、直觀的成果表達方式,滿足政府決策層、基層技術管理部門、專業技術人士以及普通公民等不同層面的需要,也是當前農業地質環境調查與評價研究所面臨的重要問題。
2.評價方法技術
浙江省農業地質環境調查項目,著重於開展與農業環境、農業生產、農產品安全性密切相關的區域地球化學調查工作,采取多學科合作、多部門聯合的方式,廣泛收集、綜合集成地質、地球化學、環境、農業、生態、氣候等學科專業成果資料,建設浙江省農業地質環境數據庫,以彌補以往工作的不足。開展全省或重點地區的區域尺度、縣(市)級尺度的多尺度多層次農業地質環境評價和規劃,是充分發揮農業地質環境調查成果、實現調查資料轉化利用的重要途徑。
長期以來,中國農業、環保、地質、水利、氣象等部門的科研單位、大專院校從部門需要出發,從各學科專業角度對中國農業生態環境進行了大量的調查和研究,積累了大量的巖、土、水、氣、生物等環境要素成果資料,並開展了解釋評價研究,取得了壹系列成果,如全國土壤背景值、第二次全國土壤普查資料、全國區域化探掃面等。然而,總的來說,由於部門間壁壘的存在,學科專業過細分割,受研究思路、方法手段以及經費等限制,多學科綜合研究、多部門協作配合差,以往相關調查與評價成果集成程度較低等多種原因的影響,使大量資料開發利率低,綜合效益較差。
與傳統的單學科研究、實驗室試驗、小範圍局部調查評價有所不同,浙江省農業地質環境調查是壹項包括區域和局部多尺度、水土生物多介質、調查研究相結合、基礎性和應用性兼顧的復雜系統工程。不同層次的農業地質環境評價需要強有力的基礎理論支持,同時需兼顧農業地質環境調查成果資料特點,充分考慮農業地質背景條件,形成壹套具有科學性、可操作性、實用性的評價方法技術體系。這樣的部門聯系廣、學科跨度大、技術層次高的高度綜合性評價工作是前所未有的,很難有現成的方法技術特別是綜合性評價方法供直接借鑒。盡管如此,長期以來環境地球化學、農業地質、環境質量評價、農業規劃、環境衛生學等領域的研究方法、評價模型與標準具有十分重要的參考價值和借鑒意義。
土壤元素主要來自於成土母質,部分來自人為汙染的疊加。元素三維分布模式,表層與深層土壤元素含量比值及其分散富集系數,成土母巖或母質、沈積環境(相)、土壤理化特性、汙染源空間分布關系的分析,元素組合特征研究,元素存在形態、同位素組成測定、同位素定年技術等,汙染元素分布的時空變化,以及典型汙染源組分特征等,為汙染源追蹤、汙染程度評價、異常成因分析提供了基本方法技術。
研究表明,巖土地質背景、氣候、地形條件、植被生物等自然資源和環境條件及其質量狀況是影響農業生產的基本要素;巖、土、水、氣環境與作物的生長、產量、品質,以及家禽畜牧健康間的關系是農業地質環境綜合評價的科學理論依據。眾多農作物尤其是壹些名優特產往往依存於特定的地質地球化學環境條件。根據農業地質環境區域分異規律及農作物適生地質地球化學模型,科學規劃、合理種植,因地制宜地發展特色農業,有利於提高農產品產量、改善農產品品質,合理利用農業資源,發揮地區優勢,提高農業生產效益。這是農業地質環境綜合評價的理論基礎和方法技術依據,其中的內在問題,就是調查研究地質地球化學環境同農產品生長之間的聯系。
汙染生態學研究認為,汙染生態效應研究應綜合考慮汙染物產生和釋放機理、不同環境條件下存在形態與轉化規律、不同環境介質中的遷移規律及作用於生物體的毒害機理。同樣,這也是農業地質環境評價的基本指導原則。
土壤、水、農產品等現有的農業地質環境單介質評價方法、標準依據及其評價成果,是綜合評價規劃的重要基礎依據。在數十年的環境毒理學、土壤環境容量、水質基準、人體安全攝入量等研究基礎上,已建立了土壤環境質量標準、水環境質量及飲用水質標準、農產品食品衛生標準等壹系列國家和行業標準,形成了環境質量分級、汙染指數評價等比較成熟的評價方法模型。多要素綜合評價、生態系統層面的綜合評價框架思路、指標體系、標準依據、方法模型是當今生態環境科學的熱點研究課題,諸如層次分析法、主成分分析法、灰色評價系統、專家信息系統、神經網絡系統等方法模型均具有壹定的試驗應用前景。
近十年來,全球定位系統(GPS)和遙感技術(RS)等高新技術的快速發展,為野外調查、快速高效地采集三維動態數據資料提供了技術條件。現代分析測試技術使多介質樣品的定量分析成為可能。計算機技術、數據庫技術、地理信息系統(GIS)的發展和成熟,為海量數據資料的管理、統計處理、空間分析和解釋評價提供了技術平臺。現代技術的突飛猛進,為多要素、多指標因子的農業地質環境綜合評價和研究提供了方法手段與技術平臺。
3.評價研究存在的問題
農業地質環境綜合評價是壹項研究內容豐富、跨越多學科、多部門的技術性系統工程,迄今為止難以找到類似先例,綜合評價的理論基礎、方法思路、指標標準還有待研究探索,其中還面臨諸多問題:
(1)理論依據與方法思路有待進壹步理清
傳統的農業、地質、環境調查、研究與評價,多考慮部門自身需要,從學科專業優勢出發,針對單壹環境介質或某些要素進行,從而獲取生態系統的部分信息,不可避免地帶有學科專業性質,影響到評價研究的綜合程度和生產規劃的實用性。農業地質環境綜合評價是以地學為主線,以地球化學資料為基礎,系統考慮與農業生產密切相關的各種自然和社會因素,包括地形地貌、地質背景、地球化學環境、作物適宜性、氣候條件、農業發展趨勢、社會經濟及市場導向等,綜合程度更高,以求評價規劃成果更加切合農業生產發展的實際需要。
顯然,這樣的多因素綜合評價面臨著壹系列方法技術問題。如果說,相對單壹的土壤、水、沈積物環境質量評價,農產品安全性評價,作物適生地質地球化學模型,農業地質環境的預測預警等評價思路和方法還存在這樣或那樣的問題,那麽綜合評價在概念理論、方法模型、指標體系、標準依據等多方面存在更多不確定因素。如何發揮地質、地球化學、環境、生態、農業等多學科理論的指導作用,充分利用農業地質環境調查資料成果,建立多學科、多信息、系統全面的評價方法和規劃,兼顧開發、利用、保護,促進區域農業、生態環境、社會經濟可持續發展,仍然是壹個需要深入研究的課題,也是需要在本項目實踐的基礎上不斷探索、研究解決的重要問題。
科學合理的評價工作要求有專業理論的指導,建立符合實際、操作性強的數學模型。例如,目前多以單因子汙染指數為基礎,進行機械的疊加處理以計算綜合汙染指數,進而評價總體環境質量及總體汙染程度,而忽視了更為重要的汙染物毒性差異、存在形態及生物有效性、汙染物之間相互作用,很難反映真實的環境質量和汙染生態效應。
科研部門對持久性有機汙染物(POPs)的環境行為、生物毒性及在各種環境介質含量水平進行了大量的研究。但是,如何表征、判定自然環境條件下低濃度有機汙染物如PCBs的長遠生態效態,還存在相當大的技術難度。再如,由於土壤重金屬的生態效應受到土壤環境、生物屬性、元素間相互作用等影響,並且具有延滯效應,單壹地根據調查取得的土壤元素含量資料評價其生態效應,本身就是壹件有難度的事情。
(2)基礎數據資料的局限性
農業地質環境是與農業生產密切相關的地質環境及其相關自然要素,包括基巖、土壤沈積物、水、氣以及地形、生物、氣候等地球表層多介質環境要素構成的自然環境體系,是生態系統的基本組成部分。農業地質環境評價需要根據不同評價目標,以地質、地球化學、農學、環境、生態等多學科理論為指導,以土壤、水、農產品、巖石、灘塗、淺海沈積物等多介質采樣分析、非點源汙染狀況、名特優特色農產品立地背景、農業經濟和農業發展調查資料為依據,綜合集成農業地質環境資料信息,取得符合客觀實際的農業地質環境評價成果。
受部門分割的影響,已有的農業地質環境評價規劃所依托的基礎數據資料在系統性(介質、測試指標)、覆蓋範圍、數據質量(采樣和分析質量)等方面存在不少問題,影響到整體評價規劃成果的水平。由於綜合研究深度有限,多信息綜合程度低,評價規劃結果往往帶有壹定的片面性。如在環境汙染調查評價方面,已有工作壹般是根據調查資料評價環境質量現狀,受資料的限制對於異常成因、汙染源追蹤、汙染物活化遷移、富集累積及其生態效應的預測研究比較薄弱。
(3)方法技術須進壹步完善
汙染源追蹤、存在形態測定、遷移轉化規律等方法還缺乏系統全面性。例如,形態分析方法,或對采集的樣品保存條件要求極高,或提取分析流程過於復雜,或分析測試成本過於昂貴,分析測試重現性差,而處於實驗室研究階段,難以適應批量樣品生產研究的需要。再如,不同景觀條件下土壤元素存在形態的提取與測定方法,不同學者有不同的看法,需要進行標準化、規範化,同時有必要建立系統健全的質量監控與保證體系。可喜的是,近年來在中國地質調查局的組織領導下,元素存在形態的提取、測定、質量監控的標準化、規範化水平得到顯著改善。又如,單源或雙源影響下的汙染,利用典型汙染源元素組合或同位素組成特征,就可比較有效地判別汙染來源及其貢獻大小。但多源汙染的識別難度則顯著增加,各種方法有效性大大下降。
(4)指標體系、依據標準不夠系統
在環境標準方面,考慮自然背景、環境要素與動植物健康的關系,以及經濟技術條件,確定的環境標準系列包括汙染物排放標準、環境質量評價標準、農產品安全和衛生標準等,涉及的環境介質包括土壤沈積物、水(地表水、地下水)、植物、大氣等,農產品則分門別類制定了極為詳細復雜的安全或衛生標準。這類法規標準雖然數以千計,但總體來說,現有的農業環境質量標準、農產品安全和衛生標準涉及的環境要素、介質因子及指標定值不夠系統,仍不能滿足當前多信息、多指標評價的需要。如中國土壤環境質量僅對8種重金屬元素作了規定,而地球化學調查元素指標壹般達50多項,由於標準不完備,多數元素的數據資料難以利用。隨著中國加入WTO,農業部、科技部已將農業環境標準、農產品標準的制定工作列為當前的重要任務,大量新標準正在形成,標準體系迅速完善,需及時跟蹤、收集並利用。
現有的評價方法模型多采用傳統的綜合汙染指數法評價總體環境質量及總體汙染程度,即采用各種數學模型將單因子指數進行機械地疊加處理,而忽視了汙染物的地球化學行為、生物有效態、生物效應間存在的巨大差異以及各種組分間的復雜相互作用,如拮抗作用與協同效應。常常導致評價結果與事實產生明顯的出入。
農業地質環境調查的環境介質、指標參數復雜多樣,要求以科學準確的方法、簡易可行的技術加以測定、量化或描述。由於農業地質環境調查畢竟是資金、人員、技術、時間投入都受壹定限制的項目性工作,在力求全面系統的同時,相對於農業環境、農業發展這壹龐大復雜系統,所獲取的指標參數、資料精度及其研究深度必然帶有時代局限性。因此,農業地質環境評價應切合生產實際,側重於現有數據資料的開發利用,形成實際可行的評價指標體系。
(5)信息綜合集成程度低
過去的農業發展規劃多從部門優勢出發,側重於農業生產的少數要素,基於有限的信息資料進行,未能將農業生態系統作為壹個有機整體進行系統調查、綜合評價。已有評價規劃模型大致可分為:①針對不同環境介質的評價。如土壤環境質量評價,水環境質量評價,大氣環境質量評價;②針對不同應用目標、單學科角度的評價。如考慮土壤立地條件、肥力條件的種植適宜性規劃,考慮地質背景條件的種植適宜性規劃,考慮氣候環境條件的種植適宜性規劃,考慮土壤汙染程度的土地質量分級利用規劃,考慮農村經濟水平、地理條件、市場導向的農業經濟發展規劃,以及考慮多種因素的綜合評價,等等。這些環境質量、農業評價規劃模型雖然對農業發展起到重要作用,但多學科綜合研究程度低。科學全面、多學科、多信息綜合的評價方法和模型並不多見。這種局面顯然已不能滿足當前綠色農業、優勢農業發展,以及建立農業生態環境長遠保護體系的需要。兼顧開發、利用、保護的原則,建立綜合多信息的農業發展評價規劃體系是當前壹項重要而緊迫的任務。
從農業生態環境系統角度進行綜合研究、評價與規劃還處於探索階段。現有的評價標準還不夠系統,不同學科專業對各種評價指標的權限看法不壹。雖已提出了多種綜合評價模型,如層次分析法、主成分分析法、模糊(灰色)評價系統、專家信息系統等,但效果好的應用實例並不多見。
(6)成果表達方式經驗不足
不同於傳統的學術理論研究,農業地質環境綜合評價以其重要的社會應用服務性為特色。因此,評價工作不僅要以翔實準確的數據為基礎,以科學先進的方法為途徑,還要以標準化、社會化、大眾化、科普化作為評價和規劃成果表達考評原則,以滿足各級政府、專業技術管理部門、科學研究人員和社會公眾等不同層次的需要。
新的研究內容、研究目標、服務對象,要求放棄傳統的思路和觀念,加強和突出成果表達方式的研究。充分發揮計算機信息處理技術、網絡傳播技術,也是改善成果表達方式的重要途徑。