生态环境安全预警的原理

1. 生态环境安全预警的原理

当生态环境将要或已经出现危险时，预警工作才有意义，安全预警可以从 “不安全”的角度进行研究。生态安全预警系统作为一种预报区域生态安全现状与发展趋势的信号系统，涵盖区域生态环境保护、社会经济发展、人口发展过程中，包括从发现警情、分析与辨识警兆、寻找警源、判定警度及排除警情进行决策的过程。
预警的原理主要分为 5 部分，即明确警义、寻找警源、分析警兆、预报警度和排除警患，明确警义是前提，是预警研究的基础; 寻找警源是对警情产生原因的分析，是排除警患的基础; 分析警兆是关联因素的分析，是预报警度的基础; 预报警度是排除警患的根据，而排除警患是预警目标。
(1)明确警义: 明确警义是预警的起点，它包括警素和警度两个方面。警素是指构成警情的指标，也就是出现了什么样的警情。警度是指警情处于什么状态，也就是其严重程度。生态环境安全预警就是要对生态环境的 “危险点”或 “危险区”作出预测，发出警报，减少或排除灾害损失。这种 “危险点”或 “危险区”在预警科学中称为警素，警素的严重程度即 “危险点”或 “危险区”的危害程度被称为警度。南水北调中线水源区生态环境安全的警素主要是当地的自然环境和人类对资源的不合理开发利用而形成的土壤退化，环境污染、地表水质量下降、生物多样性减少和地质灾害不断发生等生态环境问题，导致了生态系统功能衰退，严重地形成生态灾害。
(2)寻找警源: 警源是警情产生的根源。警源是指造成生态环境恶化的根源，有自然警源、外在警源及内在警源，如产生地震的原因、导致人体生病的病源一样，是区域系统产生警情的源头，可能是系统自身引起的内在警源，也可能是系统外因素诱引的外在警源。自然警源是指各种可能引发自然灾害从而对生态系统造成破坏的自然因素，如地震、水灾等，将对生态系统造成巨大的破坏。外在警源是指由生态系统以外输入的警源，如由于目前一部分人急功近利追求眼前的经济效益，不注重对环境的保护，造成系统生态环境质量降低。内在警源是指生态系统自身运行状态及机制，如由于人为因素造成生态环境的破坏，农药、化肥等大面积使用造成土壤、水质的污染。水源区生态环境安全出现警情的根源包括生态环境本底的自然因素和人为因素两个方面。自然因素主要是气候、水文、地形地貌、植被和土壤条件等; 人为因素主要是人类活动形成的社会要素，如耕地资源利用率、人口增长带来的人地资源压力和环境污染等。
(3)分析警兆: 警情在爆发前总会有一定的先兆出现，即警兆，分析警兆是预警过程中的关键环节，也最为复杂。警兆的确定既可以是定性的经验判断，也可以通过指标计算。经验判断建立在长期观察的基础上，需要对研究区生态环境演变有丰富的资料和数据积累，通过多年来生态环境风险出现的频度与强度，得出安全预警的描述性指令; 指标计算选取典型指标和相应权重，制定符合当地实际情况的预警阀值标准，对生态环境安全预警进行定量化的评价。由于警源包括了自然警素和社会警素，因此一般选用这两类指标，同时每类指标又可划分更详细的层次。本书选择了指标计算的方法分析警兆。
(4)预报警度: 预报警度是预警的目的。警度是衡量警情的严重程度，即警情的大小。区域生态安全预警的警度是判断区域生态系统运行与发展中各种警情、警兆和是否有警的尺度或参照系，一般可以分为无警、轻警、中警、重警、巨警这 5 级警度。
(5)排除警患: 提出相应的解决措施，减少或避免生态环境恶化，防止风险的发生。

2. 生态安全研究进展

3.1.1 国外生态安全研究进展
国际上对生态安全的研究是从对 “安全”定义的扩展开始的，主要围绕着环境变化和安全之间的关系展开。根据崔胜辉等的研究，国外生态安全的研究按时间关系和研究内容可分为如下 4 个阶段。
3.1.1.1 安全定义的扩展
最早将环境变化含义引入安全的学者是莱斯特 .R.布朗，早在 1977 年提出要对国家安全加以重新界定，并在 1981 年的一本著作 《建立一个持续发展的社会》中指出: “目前对安全的威胁，来自国与国之间的关系较少，而来自人与自然之间的关系可能较多”“土壤侵蚀、地球基本生物系统的退化和石油资源的枯竭，目前正在威胁每个国家的安全”。环境变化含义由此明确地引入到安全概念中来。20 世纪 80 年代早期，各种机构和学者开始关注超出严格军事意义却影响到整个国家的安全问题。联合国裁军和安全委员会对集体安全 (collective security)和共同安全 (common security)做了区别: 前者指的是更传统的国家间的军事安全问题，而后者指的是日益增多的非军事威胁，包括经济压力、资源缺乏、人口增长和环境退化。随后，前苏联领导人戈尔巴乔夫提出了 “全面安全(comprehensive security)”作为国际政治的基石。1989 年，Westing 扩展了 “全面安全”的概念，指出其包括两个相互联系的内容: 政治安全和环境安全。前者由军事、经济和人道主义等组成; 后者包括保护和利用环境。世界环境与发展委员会 (WECD)1987 年的报告 《我们共同的未来》中明确指出: “安全的定义必须扩展，超出对国家主权的政治和军事威胁，而要包括环境恶化和发展条件遭到的破坏”。
3.1.1.2 环境变化与安全的经验性研究
为了给早期的概念和理论上的争论提供一些根据，20 世纪 90 年代初期，科学家们对环境变化与安全之间的联系进行了大量的经验性研究。这一阶段研究的重点主要放在环境退化和暴力冲突的关系上。
对环境变化与安全进行经验性研究的主要项目有: 环境变化和剧烈冲突项目 (Envi-ronment and Acute Conflict Project，EACP); 环境与冲突项目 (Environment and Conflict Pro-ject，ENCOP)等。EACP 的总结论是，在许多发展中国家，环境资源亏缺已经导致暴力冲突。而 ENCOP 则证明了 EACP 关于环境资源缺乏和国内暴力冲突之间关系的假设，EN-COP 的结论强调了环境识别和环境变化所起的不同作用: 作为背景原因、促发、目标、渠道和催化剂。ENCOP 特别强调了不同的制度结构，在环境识别或变化情况下，这些制度结构在冲突的存在与否间存在着差别。
对 EACP 和 ENCOP 所做的经验性环境变化与冲突研究工作有一些批评，如过分强调环境因素; 对结论的概括具有投机性和局限性，因为所有个案研究只针对冲突更易发生的发展中国家。在 “环境变化—冲突”争论继续的同时，环境退化至少可作为冲突和不安全的一个诱因却被越来越多的人所接受。
3.1.1.3 环境变化与安全的综合性研究
20 世纪 90 年代后期，围绕生态环境与安全的相互关系，美国、英国、德国和加拿大等国以及北约、欧洲安全与合作组织、欧盟、联合国等国际组织开展了大量的综合性研究讨论，出现了一批代表性研究报告和著述。如北约的 《国际背景下的环境与安全》(Envi-ronmental ＆ Security in an International Context，1999); 德国外交部、环境部、经济合作部的 《环境和安全: 通过合作预防危机》 (Environmental and Security: Crisis PreventionThrough Cooperation，2000 ); 美 国的 《环境 变 化 和安全: 项 目 报告》 (EnvironmentalChange ＆ Security Project Report: The Woodrow Wilson Centre，2000); 加拿大的 《环境、短缺和暴力》(Environment，Scarcity and Violence，1999)等。联合国环境署执行主任托普费尔 2000 年 2 月 21 口在 “环境安全、稳定的社会秩序和文化”会议上指出: “环境保护是国家或国际安全的重要组成部分，生态退化则对当今国际和国家安全构成严重威胁。”他还指出: 有清晰的迹象表明，环境资源短缺在世界上许多地方可能促成暴力冲突。美国前副总统戈尔 2000 年 1 月 10 日在联合国安理会上指出: “我们应当认识到，过去的全球安全概念 (其重点主要在于军事、意识形态和地缘政治)应该扩大。一方面，传统的威胁依然存在，另一方面新的安全问题正在产生，并对国际秩序构成挑战。因此，必须制定包括全球环境挑战在内的新的世界安全议程。”
3.1.1.4 环境变化与安全内在关系的研究
通过上述 3 个阶段的研究，到 2001 年后，人们已经发现“环境变化”和“安全”是两个相差极大的概念，将它们结合在一起，使得“生态安全”具有很大的模糊性、复杂性和争议性。于是深入进行环境变化与安全内在关系的探讨，并深入到影响环境安全的具体因素。
认识到环境退化、贫穷和不安全之间的联系，且作为进入 21 世纪的 3 个关键问题，国际全球环境变化人文因素计划 (International Human Dimension Program of Global Environ-mental Change，IHDP)的全球环境变化和人类安全 (Global Environmental Change and Hu-man Security，GECHS )研究项目制定了一个科学计划来更好地理解这些联系，并提出一个与原先研究不同的新视角，尤其是通过多学科交叉和综合的观点来研究此问题。该科学计划提出了制定这一科学计划的 3 个关键前提，为了弄清全球环境变化和人类安全之间的内在关系，提出了 6 个关键问题作为研究活动的背景。GECHS 的这一科学计划还确定了研究的目标、方法、主要的研究内容和行动。
随着研究的不断深入，科学家们越来越关注环境变化与安全之间的内在关系，如美国哈佛大学肯尼迪管理学院与国际事务中心 William C.Clark 等人所做的 《评价全球环境风险的脆弱性》、美国环保局的环境监测和评价计划 (EMAP)以及瑞典斯德哥尔摩环境研究所 (SEI)的风险和脆弱性研究计划。这些研究认为，过去的对全球变化风险的科学评价，人们都集中在剖析发生的全球环境变化上，而很少关注这些变化可能对生态系统和社会带来的危险。最近有关社会和生态系统脆弱性的问题已成为研究的中心。
通过 30 多年的研究，国际上对生态安全取得了以下几点共识: ①环境、资源压力与日俱增，影响到社会、经济与政治稳定; ②由于人口的持续增长、消费量和污染的增多及土地利用的改变，环境压力在冲突和灾害中起着越来越重要的作用; ③冲突和灾害破坏了环境保护和发展的成就; ④生态安全不能仅停留在国家层面上，而应该从大到全球、小到地方的不同层面上加以考虑。
3.1.2 国内生态安全研究进展
国内对生态安全的研究起步比较晚，直到 20 世纪 90 年代生态安全才逐渐被人们所重视，近年来成为科学界和公众讨论的热点问题 (表 3.1)。2000 年 11 月 26 日国务院发布了《全国生态环境保护纲要》，指出生态安全是国家安全和社会稳定的一个重要部分，并首次提出 “维护国家生态环境安全”的目标。但由于对生态安全没有一个统一的认识，国内研究还停留在探索阶段，不成系统，理论尚不够成熟，不少学者都做了一些初步的研究工作。
表 3.1 我国以生态安全为主题的部分研究课题一览


围绕生态安全的概念，国内已有不少学者给出了自己的定义。其中典型的观点有以下几种: 生态安全是人类赖以生存的生态与环境，不受生态条件、状态及其变化的胁迫、威胁、危害、损害、乃至毁灭，能处于正常的生存与发展状态。也就是说，生态安全是人类生存环境处于可持续健康发展状态。曲格平 (2002)从两个方面解释生态安全: ①防止生态环境的退化对经济基础构成威胁，主要指环境质量状况和自然资源的减少、退化削弱了经济可持续发展的支撑能力; ②防止环境问题引发公众的不满，特别是导致环境难民的大量产生，影响社会的稳定。郭中伟 (2001)从生态系统的角度定义了生态安全，他认为生态安全包括两层含义: ①生态系统自身是否安全，即自身的结构是否受到破坏; ②生态系统对人类是否安全，即生态系统所提供的服务是否能满足人类生存的需要。周国富(2003)认为生态安全的概念包括 4 个方面的含义: ①生态安全指一种资源环境状态，这种状态一方面要生态环境自身处于良性循环之中，环境不出现恶化，另一方面是资源、环境状态要能满足社会经济发展需要; ②生态安全指一种关系，即资源环境与社会经济之间的关系，这种关系必须保持相互协调，社会经济的发展不能受资源环境的制约和限制;③生态安全反映资源环境对社会经济发展的重要性; ④生态安全强调持续性和长期性。
在生态安全理论探讨方面，有些学者对国内外生态安全的研究动态、现状和进展进行了描述; 肖笃宁等 (2002)对绿洲景观的生态安全进行了分析; 马克明等 (2004)从区域生态安全的角度出发，提出了区域生态安全格局的概念，从景观生态学、干扰生态学、保护生物学、恢复生态学、生态经济学、生态伦理学和复合生态系统理论等多个学科给出了生态安全研究的基础; 黎晓亚等 (2004)提出了区域生态安全格局设计的初步原则，以及地理信息系统、空间模拟和预案研究等多种方法，形成了区域生态安全格局设计的方法框架。
虞孝感、孙凡、屈波、张明举等学者针对生态安全问题的存在、产生的原因，从不同角度提出了保障生态安全的对策与措施。虞孝感 (2002)根据长江流域地区生态环境特征、问题及其生态功能将长江流域划分为 5 个生态区段，分别指出其各自存在的重大生态安全问题，并提出建立科学合理的流域生态补偿机制和新颖的管理模式是确保长江生态安全的关键措施。孙凡 (2003)对重庆三峡库区存在的生态问题进行了分析，提出加强库区生态建设的基本措施。屈波 (2004)具体分析了三峡库区自然、社会和经济 3 个方面的生态安全问题，提出了相应对策。张明举 (2004)针对长江流域存在的生态问题，提出了要切实加强长江流域的统一管理，加强立法体系的建设，积极推进西部大开发战略和尽快建立绿色 GDP 核算体系等政策建议。

3. 生态环境安全性地球化学预测预警

区域生态地球化学评价的主要目的之一是对所研究的生态系统未来发展趋势进行预测，对现在和将来可能存在的生态危险做出预警，以指导政府科学决策，实现人类社会的可持续发展。由于样本的局限性，本节所讨论的内容仅提供一种研究思路和具体方法，其结果有局限性，仅供参考。
一、概念及研究思路
（一）基本概念
预测是指依据对客观环境变化规律的认识，在调查研究掌握资料的基础上，运用一定的方法，对系统的未来状况所做的定性和定量的分析及推测。
所谓预警，就是事先发出警告，提示人们注意系统即将出现的不平衡状态，对研究系统的发展变化过程进行监测、跟踪和预测预报，将发生的问题事先发出警报，以便及时采取调控手段和措施将系统环境推到一个新的、可持续发展的结构状态。
评价、预测、预警三者之间既紧密联系又有所区别。评价是对现实生态安全性做出判断，是对各种地球化学指标进行影响效应评价；预测是根据建立的模型做出的科学推测，着重指明各要素指标的演化趋势；而预警是在预测基础上根据人类可持续发展对生态环境的要求所进行的危险程度警示，重点强调要素指标的演化趋势和速度产生的影响及后果。
从目前国内已有的各类研究成果来看，评价工作的理论和方法较为成熟；预测的方法和模型虽有许多可供借鉴，但应用在生态环境和地球化学领域还不够成熟，即实用性和准确性不甚理想，许多预测理论方法还在不断研究或完善中；地球化学预警工作目前还处于探索阶段，这是因为涉及的环境问题往往具有广泛性、具体性、复杂性和技术性特点，对于解决这类问题，理论和技术方法都处于起步阶段。
（二）总体研究思路
本次生态环境安全性预测思路和步骤为：① 确定预测预警目标，准确把握影响系统安全性的危害要素，如土壤Cd，Cr，Hg等重金属污染、土壤酸化、天然放射性异常，浅层地下水氟化物超标、农产品重金属元素超标等；②建立预警标准和警度判定模型，研究和判断生态系统目前所处的运行阶段；③选择科学的预测方法（定性或定量），对预测目标的未来发展变化趋势作出判断，并对预测结果的合理性给出科学评价，提出建议、提供决策服务。
二、土地生态地球化学预警
（一）土地生态地球化学预警
以现有标准或研究成果所确定的生态风险评价区作为生态地球化学现状预警区。共划分4类（图5-34）：①以土壤环境质量标准（GB15618—1995）划定的Hg，Zn，Cd，Cu，Pb，As，Cr，Ni 8个单项重金属元素结果为Ⅲ类和超Ⅲ类土壤的区域作为局部重金属元素污染高风险预警区；②将浅层地下水中氟化物含量＞1mg/L（Ⅳ类、Ⅴ类水）的区域作为地氟病预警区；③以全国第二次土壤普查标准划定土壤显著缺N，K，B，Mo等营养元素区域作为预警区；④以研究结果为“标准”的土壤天然U，Th，K等元素放射性污染隐患区作为预警区。
1.Hg-Cr-Pb等局部重金属元素污染高风险预测区
局部重金属元素污染高风险预测区分布较零散，从整体来看可分为3个片区（A1～A3），总面积约4124km2，占研究区面积的7.59%。A1重金属预警区分布在烟台市，主要由Cd，Ni，Cu超标，局部Hg，Cr，As超标引起，面积约2680km2，该预警区位于金、银、铜、铅锌和石墨等重要成矿区内，预警区表层、深层土壤元素分布分配特征差异明显，其污染成因可能主要与成矿作用产生的伴生重金属元素及人类活动后期叠加作用有关。A2重金属预警区分布在临朐—沂水，由Cr，Ni超标引起，面积1284km2，在空间上与临朐群玄武岩和中生代火山岩范围相吻合，与玄武岩及中生代火山岩等风化成土作用有关；A3重金属预警区分布在文登—成山角，主要由Cu，Ni和局部Cd超标引起，面积160km2，与新太古代闪长岩、侏罗纪二长花岗岩及白垩纪中酸性岩体有关。此外，日照市境内及青岛市区、即墨—胶州一带也零星分布重金属元素预警区，这些地区往往是中生代火山岩所在地，是在地质高背景上叠加人类活动污染所引起。

图5-34 鲁东地区土地质量现状预警图

重金属元素是剧毒元素。如镉可导致疼痛病，引发心血管病，癌症（如骨癌、肠胃癌、直肠癌、食道癌、前列腺癌）等。砷污染会激发皮肤癌、肺癌、肝癌、肾癌、膀胱癌，还会导致心血管病、糖代谢紊乱等高危病种。土壤重金属元素污染直接使蔬菜等食品污染，最后，人摄取食物而使致癌剧毒物进入人体。因此对圈定的局部重金属元素污染高风险区应引起重视，建议尽快建立土壤环境监测网络，以防农产品超标影响人类身体健康。
2.地氟病预警区
圈定地氟病预警区2片（B1～B2），总面积3033km2。潍坊市北部（B1），其西部未封闭，面积668km2；高密—昌邑（B2），面积2365km2，该区地下水中氟化物含量超过1mg/L，局部在2mg/L以上，由于各种原因，高氟区居民的饮水问题一直没有得到彻底解决，是山东省地氟病防治的重点地区。人类经济活动对浅层地下水中氟的影响作用微弱，主要是局部地段或一些点上的工矿企业废水的污染及污水灌溉引起的污染；研究表明本区高氟浅层地下水主要由莱阳群、青山群、王氏群高氟地层为物源，在地形、蒸发力、松散沉积物、地下水埋深等要素支配下，在水中聚集而成。
3.土壤显著缺N-K-B-Mo等营养元素并存在酸化的危险区
本次研究发现，区内Mn，TFe2O3等营养元素含量不均衡，且大面积缺乏全N、全P、有机质及B，Mo等有益微量元素。人们传统的施肥观点最多关注的是氮肥、磷肥和有机肥，并通过施肥加以改善，但矿肥、微肥中的B，Mo很少引起人们的重视，这些元素将影响作物的开花、结果等，是决定作物产量的重要因素。本区B，Mo元素无论从全量还是从有效量来讲，大面积属缺乏级水平，局部达严重缺乏。与农作物直接相关的为土壤元素有效量，按全国第二次土壤普查标准，将N，K，B，Mo有效态评价结果为同时缺乏的区域作为预警区，以提醒当地农民在施肥时应该重点关注，以改变作物缺素现象。圈定预警区4片，分别位于莒南—临沭（C1），面积 1525km2；胶南市南（C2），面积 281km2；即墨市东部（C3），面积850km2、威海市区及周边（C4），总面积524km2。
4.U-Th-K天然放射性污染隐患区
除青岛外，调查区其余地区未开展地面γ能谱测量，采用土壤中放射性元素U，Th，K2O的含量特征，根据三者含量值与放射性 γ 值的经验关系，换算为 U 当量（UE=U＋0.43Th＋1.826K2O，U，Th，KO2分别为土壤中的含量，U，Th含量单位10-6，KO2含量单位为%），以U当量来探讨调查区辐射环境的背景特征，铀当量低，则辐射强度低。
根据青岛地区实测γ辐射剂量率与U当量关系，U当量异常下限17.02×10-6（相当于U当量含量平均值＋1.67倍标准离差）对应的γ辐射剂量率值大约为163.1 nGr/h（换算为年辐射剂量率值为1msv—限量值）。以代表U，Th，K 3种放射性元素辐射的U当量异常下限作为预警尺度，圈定U-Th-K天然放射性预警区7 处，总面积2141.2km2，分布在临朐—沂水（D1面积506.0km2）、莒南县北（D2面积578.3km2）、青岛东北（D3面积64.8km2）、招远东北（D4面积66.8km2）、海阳市北（D5面积355.5km2）、荣成市北（D6面积376.5km2）和石岛镇（D7面积193.3km2）。7处放射性预警区中，仅位于莒南县北的2号预警区属地层（第四纪陆相冲洪积层）和中生代火山岩引起，其余预警区均为花岗岩类所引起。
（二）青岛北部土壤元素时空变化及预测
1.可行性分析
2003年在国土资源部和青岛市人民政府合作项目“青岛市地质环境质量评价和生态与经济可持续发展”的支持下，青岛海洋地质研究所在青岛北部地区进行了土壤采样分析，本次研究采样（2007）与2003年采样相隔4年，重复采样面积2200km2，对应单元数据553组。两次采样密度、采样方法、测试指标完全相同。样品由中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所测试中心承担，两次采样的分析方法、质量监控要求基本相同，采用了标准样、密码样、监控样等多种监控手段，保证了分析质量的可靠性。两批数据为区域土壤地球化学环境时空变化研究提供了高质量数据资料。
对比2003年和2007年（本次研究）两个期次土壤元素含量统计特征值（中值、平均值、相关系数等），对区域内土壤元素含量变化作出判断。由于短期内土壤元素累积速率基本呈线性，因此，利用过去4年间土壤元素累积速率，可以预测今后数年后土壤元素含量的变化，并用土壤环境质量标准（GB15618—1995）或其他标准采用相同色区、等量线制作地球化学图或评价图，对比可发现土壤元素空间分布的变化。
2.土壤元素时空变化研究
表5-8表明，2003～2007年4年间，青岛北部土壤中P，OrgC，Ba，La，Ag，B，W，Ga，Ge，Co等元素积累趋势较为明显；土壤中重金属元素的相对累积率以Zn最快，4年间含量上升了4%，其次为Cr，Pb，表明过去4年间青岛北部地区土壤中Zn，Cr，Pb重金属元素的富集作用十分明显，且土壤酸化（pH下降）显著。
相关分析表明（表5-8），两批数据间MgO，Tl，As，La，Sc，Y，Zr，Ce，Na2O，Nb，Fe2O3，Ni，Mn，Co，Cr，V，Sr，Ti，Be，Ba，Rb，K2O等元素呈显著正相关，其散点分布大致呈直线，元素空间分布吻合性较好。说明工农业生产、交通、生活活动污染影响较小，元素含量变异不大。Sn，C，N，Bi，Hg，Ge，Cd，Au，Cl，Ag，OrgC，I，Ga，Pb相关系数较小，其中Bi，Hg，Cd，Au，Cl，Ag，Pb变异系数也较高，由制作的散点分布图可以发现，Hg，Cd，N，OrgC等相关性差主要与少数采样单元格含量变化有关（图5-35），由此推断土壤中N，Bi，Hg，Cd，Au，OrgC，Pb等元素在过去4年间局部地区已发生明显变化，这种变化可能与人类活动影响有密切关系。

表5-8 青岛北部地区土壤元素含量统计参数（2003～2007年）表


续表

注：统计样本数为554个，氧化物、总碳、有机碳、N含量单位为%，Au含量单位为10-9，其余元素含量单位为10-6，pH为无量纲，相对累积速率（%）=（C2007-C2003）×100%/C2003。

图5-35 两次采样土壤Hg，Cd散点图

3.Cd，Hg环境质量预测
短期内土壤元素累积速率基本呈线性，是预测土壤中元素在未来某个时间点环境质量变化的基础。本次仅预测了Cd，Hg重金属在2015年、2020年、2030年土壤中的环境质量变化。首先按式（5-2）计算2015年、2020年、2030年表层土壤每个分析样单元（面积为4km2）的Cd，Hg预测值，然后按照土壤环境质量标准（GB15618—1995），采用相同色阶绘制了环境质量预测图。

鲁东地区农业生态地球化学研究

式中：△Ci为4年间元素年平均变化量，Ci2007，Ci2003分别为2007年、2003年元素实测含量值，Ci为n年后预测含量值，本研究取n=8，13，23。
由图5-36可见，随时间的推移，Cd，Hg元素超二类土壤面积逐渐增大。特别是Cd二类土壤区域范围增大明显，2015年局部将出现二类土壤，2020年二类土壤面积逐渐扩大，局部出现三类土壤，到2030年三类土壤面积逐渐扩大，出现“点源状”劣三类土壤，经统计从2007年至2030年Cd超二类土壤面积增加382km2，以平均每年16.6km2的速度递增。Hg的预测变化趋势与Cd稍有不同，与2007年相比，Hg在2015年变化最大，出现Hg的二类或三类土壤，超二类土壤面积达到35km2，占研究区面积的1.59%，而在此后的2020年、2030年预测结果变化不明显，且分布区域范围基本无明显变化。从重金属元素毒性及生态效应分析，对Cd，Hg预测结果应引起关注。

图5-36 青岛北部地区未来30年间土壤中Cd，Hg重金属环境质量预测图

a—2007年土壤Cd环境质量图；b—2015年土壤Cd环境质量预测图；c—2020年土壤Cd环境质量预测图；d—2030年土壤Cd环境质量预测图；e—2007年土壤Hg环境质量图；f—2015年土壤Hg环境质量预测图；g—2020年土壤Hg环境质量预测图；h—2030年土壤Hg环境质量预测图
三、区域生态安全预警与预测
（一）预警思路
1）小麦籽实中As，Cd，Pb和Se与土壤相应元素含量和pH或OrgC等变量有定量的线性关系模型（表5-5），是区域生态安全预警的前提；利用多目标调查获得的元素（指标）含量预报其上生长的农作物籽实中该元素含量，从而实现全区生态环境安全性预警。
2）区域生态安全预警主要从小麦安全性考虑，采用三级预警模式，即报警、较安全、安全等级。根据小麦籽实中重金属元素含量及相关标准，当小麦籽实中的重金属元素含量超过卫生限量标准时，即可“报警”，图上可着为红色，表明该区污染已经严重，必须加以治理或重新规划；若小麦质量高于绿色食品安全标准但低于卫生限量标准，可认为该区处于较安全级别，图上可着为黄色；若籽实质量高于绿色食品安全标准，可认为该区处于高度安全级别，图上可着为绿色。若出现元素标准限一致时（如Cd，Zn，Cu，Cr），图面则表示为两种色区，即红色“报警区”和绿色“安全区”。
3）小麦籽实中Se的卫生限量标准为0.3×10-6，结合谭见安等（1989）在研究地方病与环境关系时粮食中Se含量确定小麦预警限。将小麦籽实Se含量＜0.04×10-6为贫硒小麦，图上着粉红色；含量介于0.04×10-6～0.07×10-6之间的样品称为足硒小麦，图上着黄色；籽实含量介于0.07×10-6～0.3×10-6之间的样品称为富硒小麦，图上着绿色；而籽实含量＞0.3×10-6的样品称为超限食品，图上着深红色。
4）通过对现状分析，提出治理方案，对治理后的生态安全进行预测预警，对比治理前后效果。例如通过改善土壤酸碱度即改变土壤pH，探讨研究区生态安全有何变化。
（二）区域生态安全预警结果
由表5-9和表5-10可见，目前研究区绝大部分区域小麦是安全的，除Cr元素外，小麦籽实中Hg，Pb，Cd，As，Cu等元素含量安全的区域均在98%以上，As，Cu安全区域达100%。

表5-9 研究区小麦Cd，Cr，Cu，Zn生态安全现状预警结果表


表5-10 研究区小麦Hg，Pb，As生态安全现状预警结果表

研究区绝大部分小麦籽实P b是安全的，占到整个面积的97.33%，黄色较安全区域约2.33%，发出红色警报超标的小麦区域仅0.34%，零星分布，与人类活动造成土壤点源污染有关。小麦籽实Cd超标的红色警报区域约1.35%，主要由土壤Cd全量偏高、pH 值偏低导致小麦籽实对Cd元素吸收率升高而引起。小麦籽实Cr超标的红色警报区域约7.13%，是影响本区小麦综合质量的主要因子，前面研究表明，小麦籽实Cr含量超标是土壤理化指标如OrgC，pH，CEC偏低，Cr全量偏高共同作用的结果。
小麦籽实Hg超标的红色警报区域约1.32%，超标主要与金矿伴生Hg及矿山污染造成土壤Hg含量过高有关；黄色较安全区主要分布在预警区外围，小麦籽实Hg含量大于绿色标准小于限量标准，处于过渡区域，也应注意防范，见图5-37。
小麦籽实Se含量预测结果显示，小麦Se整体偏低，以贫硒和足硒为主，二者累计占96.50%，其中Se含量＜0.04×10-6属贫硒范围的小麦样品占46.07%；Se 含量介于0.04×10-6～0.07×10-6之间属足硒的小麦样品占50.43%；籽实中Se含量介于0.07×10-6～0.3×10-6之间属富硒的样品仅占3.47%，是很好的富硒小麦种植区；发出红色警报小麦Se含量超标的区域仅占0.03%，主要与“点源”污染有关，见图5-38。

图5-37 区域小麦Hg元素生态安全现状预警图

采用As，Hg，Pb，Cd，Cr，Cu，Zn等7元素“一票否决”的方法对研究区小麦生态安全现状进行综合评价（表5-10；图5-39），结果显示：目前研究区绝大部分小麦是安全的，占到整个面积的90.15%，其中安全区域占86.14%，较安全区域占4.01%。发出红色警报超标的小麦区域约9.85%，主要是在研究区的西部，而研究区中东部大部分地区可开展大面积农产品种植和名特优绿色食品的开发。
（三）区域生态安全未来趋势预测预警
随着工业化和农业集约化程度的不断提高，土壤Cd，Cr等重金属元素污染和土壤酸化已成为农产品安全生产的一大障碍。在前面研究表明，小麦籽实Cd，Cr富集系数与pH具有显著相关性，其函数关系式为

鲁东地区农业生态地球化学研究

根据实测的土壤pH和Cd，Cr含量，就可以通过上式计算得到小麦籽实中Cd和Cr的估测值。为了更加突出表示土壤pH变化导致小麦籽实含量变化，在小麦籽实Cd，Cr元素评价标准的划分上作如下改动：
在小麦Cd安全性预警图上，籽实Cd含量＜0.1×10-6，达到绿色食品安全，在图中用绿色表示；籽实Cd含量介于 0.1×10-6～0.2×10-6之间，在图中用黄色表示；籽实Cd含量介于0.2×10-6～0.4×10-6之间，超过国家食品安全标准，但低于国际食品标准，在图中用浅红色表示；籽实Cd含量＞0.4×10-6，超过国际食品标准，在图中用红色表示。

图5-38 区域小麦Se元素生态安全现状预警图

籽实Cr含量＜1.0×10-6，达到绿色食品安全，在图中用绿色表示；籽实Cr 含量介于1.0×10-6～1.5×10-6之间，在图中用黄色表示（警戒区）；籽实Cr含量介于1.5×10-6～2.0×10-6之间，在图中用浅红色表示（报警区）；籽实Cd含量＞2.0×10-6，超过食品卫生限量值的2倍，在图中用红色表示（严重报警）。
1）假设土壤中重金属元素含量保持不变，主要受到酸沉降、水土流失、人类活动等酸化因素影响，假设过若干年后，土壤由现在的pH下降0.2个单位、0.5个单位、0.7个单位、1个单位，对全区的小麦生态安全进行预测。
2）假设土壤中重金属元素含量保持不变，通过改良酸性土壤pH，可以求得当酸性土壤pH增加0.2个单位、0.5个单位、0.7个单位，1个单位，对全区的小麦生态安全进行预测。
表5-11和图5-40可见，研究区土壤pH在提升0.2个单位后，Cd元素红色报警区、黄色警戒区迅速向绿色安全区域转换，使小麦Cd质量绿色安全区域达到100%。而研究区土壤酸化程度加剧1个pH情况下会有0.97%的面积红色报警，是现状红色报警面积的3倍多。

图5-39 小麦综合生态安全现状预警图


表5-11 研究区土壤pH变化时小麦籽实Cd，Cr预警区域面积变化（土壤Cd，Cr含量不变）表


图5-40 区域小麦Cd生态安全预警（pH变化）图

a—区域小麦Cd 生态安全现状图（pH 下降0.2个单位）b—区域小麦Cd 生态安全现状图（pH 下降0.5个单位）
c—区域小麦Cd 生态安全现状图（pH 下降0.7个单位）d—区域小麦Cd 生态安全现状图（pH 下降1个单位）
图5-41为研究区土壤pH变化时Cr预警区域面积变化表和变化趋势图。由图541可以看出，研究区内红色报警区域的小麦质量会随着土壤pH的提高向绿色安全区域转换，即通过提高土壤pH能大大提高小麦质量，pH提高0.7个单位，能使小麦Cr绿色安全的面积达到99.09%，可在很大程度上改善农田生态安全恶化的趋势，这是未来提高研究区生态安全的一项必要措施。

图5-41 小麦Cr生态安全随土壤pH变化量预警趋势图

四、土壤酸性缓冲能力现状及预警
土壤酸化是在自然和人为条件下土壤pH值下降的现象。土壤酸化的自然过程非常缓慢，但最近几十年来，由于人为影响，土壤的酸化进程大大加速。影响土壤酸化的人为因素主要有两个方面，一是大气环境污染导致酸沉降的增加，使受酸沉降影响地区的土壤酸化速度加快。另一个重要因素是不当的农业措施。这些农业措施主要有：①豆科作物和牧草的种植，这些豆科植物通过生物固氮增加了土壤的有机氮水平，有机氮的矿化、硝化及随后的  淋溶导致土壤酸化；②通过动植物产品的收获从土壤中移走碱性物质；③化学肥料的施用，特别是铵态氮肥的施用，也是加速土壤酸化的一个重要原因。
（一）基于盐基离子土壤酸化模型的建立
土壤酸化都与土壤中盐基离子的淋失有关。一方面酸沉降输入到耕层土壤后，主要是淋滤土壤内的盐基离子，使得土壤pH降低，最终导致土壤酸化；另一方面，随着氮肥的过量施用，在水、热条件适当时，迅速水解形成  ，并继续被硝化成  离子，增加H＋离子的释放，产生土壤酸，另外  离子易与土壤中的盐基阳离子结合，随着  离子的淋失引起土壤中盐基阳离子的淋失，而土壤中盐基阳离子的减少会导致土壤酸化。除此之外，农作物收割也可以使得土壤中K，Na，Ca，Mg 离子较少。因此，本研究将土壤中盐基离子（碱性元素）含量与pH的相关关系作为预测土壤酸化的模型，通过模型来探讨土壤盐基离子变化导致土壤pH的变化趋势。
统计全区表层土壤13 674件样品数据，进行一定含量区间均值后，将 K，Ca，Na，Mg 之和与土壤pH作图（图5-42）。从图5-42中明显可以看出，土壤pH与盐基离子含量关系具有分段函数特征，可用如下4条直线方程来表示。将方程联立求解，从左到右，可以得到交点分别为（5.47，5.89），（7.13，5.59），（7.64，5.79）。

图5-42 土壤中主要盐基离子含量与pH关系图

1）Y盐基离子总量=0.1372XpH＋5.1408，R=0.348，n=31（pH≤5.40）；
2）Y盐基离子总量=-0.1846XpH＋6.9025，R=0.658，n=81（5.40＜pH≤7.10）；
3）Y盐基离子总量=0.3962XpH＋2.7614，R=0.608，n=36（7.10＜pH≤7.80）；
4）Y盐基离子总量=1.2374XpH＋3.6995，R=0.821，n=27（pH＞7.80）。
由图5-42可见，当土壤pH＞7.64，土壤受到酸性物质侵害时，通过中和大量金属离子，使土壤中pH保持相对较小的变动，此时，土壤中存在的大量金属离子起到了非常明显的酸缓冲作用；而当土壤pH在7.13～7.64之间呈碱性时，盐基离子对土壤酸性缓冲能力下降，酸碱中和作用基本消失，土壤pH值迅速下降，因此把土壤pH 为7.13～7.64的区域作为碱性土壤酸化预警区。当土壤pH在5.47～7.13之间时，随盐基离子的流失，土壤pH又有一个升高的过程，但当土壤pH＜5.47呈酸性时，由于受到酸性物质的侵害，土壤中大量盐基离子淋溶，当淋溶的盐基离子得不到补充时，丧失对土壤酸性缓冲能力，土壤开始迅速酸化，将土壤pH 5.47作为酸性土壤的酸性缓冲能力预警点。
（二）研究区土壤酸性缓冲能力预警
根据土壤酸化的地球化学模型，将预警判据作如下处理：
将pH＞7.64定义为高度安全区域，用深绿色表示，表明该区土壤酸性缓冲能力极强，是放心安全区；将pH=7.13～7.64，定义为碱性土壤酸化预警区，用粉红色表示，表明土壤缓冲能力处于由碱性向酸性的过渡状态，土壤缓冲能力较弱，但如果加以治理，提高土壤的pH值，也会较快改变酸性缓冲能力；pH=5.57～7.13范围内随土壤盐基离子的淋失，土壤pH迅速升高，即土壤中K＋Ca＋Na＋Mg由5.89%下降到5.59%时，土壤pH由5.47迅速升高到7.13，表明该区土壤也具有较强的酸性缓冲能力，是放心安全区，用浅绿色表示；将酸性土壤酸化临界点附近pH=5.47～5.57，定义为过渡预警区，用橙色表示，表明土壤缓冲能力处于过渡态，靠近酸化爆发点，一旦环境恶化就会引起爆发，需要高度警惕；将pH＜5.47区域定义为酸性土壤酸化预警区，用红色表示，表明土壤已基本丧失酸缓冲能力，需要报警，如果要提高酸缓冲能力，需要很大的努力才会对土壤pH有大的提高。
从图5-43可以看出，研究区近一半以上面积的土壤酸性缓冲能力很强，但是全区近34.43%面积的土壤酸化问题十分严重，酸性缓冲能力不容乐观。碱性土壤酸化预警区占13.84%，主要分布在潍河以西及烟台市东部、南部一带；全区近20.59%的面积处于危险区域（酸性土壤预警区），分布在南部基岩区、沂沭断裂带中南段、烟台市西部及威海大部分地区，这些地区亟待提高pH，避免酸化加剧丧失酸性缓冲能力。

图5-43 表层土壤酸性缓冲能力预警图

4. 生态环境预警的概念

人类赖以生存的生态环境是一个不断变化、演替的体系，而变化或演化，既有正向的(进化)，又有逆向的 (退化); 变化或演化的原因既有自然过程的作用，也有人类活动的影响和干扰; 但更多的是人为过程与自然过程相互综合的作用。只不过生态环境自身的演化或变化是漫长的，缓慢的 (只有在灾变、突变的特殊情况下才较显著，如破坏性大的洪、旱、风、地震等); 而人类活动引起的生态环境变化往往相对激烈，能在较短的时间或时段内就引起生态系统或环境质量较大 (或质)的变化。当代，地球上的生态系统和环境正经受着人类空前的干扰和压力，生态系统的演替和环境质量的变化直接影响着人类自身的健康、安全和持续发展。因此，监测、预测人类生存环境的变化趋势，成为人类共同关心的问题。为此，近年来国内外十分重视对生态环境预警的研究。
生态环境预警是指就区域内的工程建设、资源开发、国土整治等人类活动对生态环境所造成的影响进行预测、分析与评价; 确定区域生态环境质量和生态系统状态在人类活动影响下的变化趋势、速度以及达到某一变化阈值的时间等，并按需要适时地提出恶化或危害变化的各种警戒信息及相应的对策措施。生态环境预警应集中研究生态系统和环境质量逆化变化 (即退化、恶化)的过程和规律，作出及时的警告和对策。当代引起生态系统和环境质量逆化变化的动因，主要归咎于人类活动的影响。故其主题应明确为对人类活动引起的生态系统与环境质量逆向变化的预测、预告和警告。
当代生态与环境质量变化受到自然过程和人为过程两个方面的共同作用，人为过程对生态环境的影响及其后果，要通过自然生态与自然环境的响应、反馈和综合才能得到反映和体现。也就是说，自然环境本身的性质，所处的质量状况和自然过程的特点在很大程度上影响着人类活动对环境影响的效应和后果。因此，生态环境质量的变化，特别是人类活动引起的退化、恶化及其速度，取决于两个方面的条件: ①人类活动对环境影响强度的大小，作用时间的长短; ②生态环境系统本身的性质，即其对外来影响 (或作用力)的缓冲能力，调节能力，恢复能力，以及生态环境处所的质量状况 (现状质量等级)。这样，环境预警实际上涉及环境系统内外因的综合作用。
生态环境预警是以生态环境质量评价为基础，但又区别于生态环境质量评价。一方面生态环境质量评价重点是对生态环境现状及人类活动对生态环境的影响程度进行等级划分; 而生态环境预警则着重于人类活动引发的生态位移和环境质量的变化趋势、变化后果进行预测、分析和评价。另一方面，在生态环境质量评价中，不能对生态环境的变化趋势过程、后果进行评价，环境质量等级取值是静态的; 而生态环境预警评价则侧重于不同时段的动态变化分析，其重点不仅在于搞清研究区的生态环境质量属于哪一级，而且在于与现状进行比较，其质量是向好处发展还是向坏处发展? 所处现状如何? 变化趋势和速度有多大? 后果是什么? 并根据需要提出有关的警报信息。