当前世界环境地学发展的特点和趋向

当前世界环境地学发展的特点和趋向及我国的主要环境地学问题分析一、前言环境地质学概念于本世纪60年代初期在国外书刊上出现，关于它的涵义和研究范畴，各国学者持有不同的理解。国内学者从70年代以后对环境地质开始有所讨论，归纳起来国内外各家对环境地质学涵义有如下几点共同的认识:(1)环境地质学是地质科学中的一门新兴应用学科,是环境科学的重要组成部分；(2)环境地质学是应用地质科学的理论与方法，研究地质环境的基本特征、功能和自身演变规律的学科；(3)环境地质学侧重研究人类工程技术经济活动与地质环境相互作用、相互影响、相互制约的关系；(4)环境地质学着力为人类合理开发利用地质矿产资源和保护人类生存的地质环境提供地学方面的科学依据，在可持续发展战略中做出贡献。可见环境地质学已经成国际地学界认同为地质科学中一门应用科学，并且已经成为环境科学和环境保护方面一个不可忽视的研究领域。地质学以岩石圈为主要研究对象。地质环境是自然环境一部分,是“四圈”之一的岩石圈的表层部分。环境地质学则研究岩石、水、生物和大气四圈的相互作用和影响,研究地质环境系统与自然环境系统和社会环境系统相互间关系,地位十分重要。环境地质学与其它地学研究领域很难严格界定，均属于地球系统科学的范畴。因此，本文中采用的环境地质学是一个广义的概念。本文的主体部分来源于张宗祜院士、袁道先院士和其他众多学者的论著,作为从事于环境地质学研究的科技工作者来说,我们在此重新提出此问题主要是为了引起部署我国环境地质调查、研究与规划的决策者们的重视,从地球系统科学的角度正确理解环境地质学，进而开展有关国计民生的前沿课题和目前迫切需要解决的环境地学问题的研究,以使我国的环境地质学研究工作再上一个新台阶。二、当前世界环境地学发展的特点和趋向二十世纪中期以来全世界由于人口的剧增和经济的迅速发展以及自然资源的无序开发利用，工业化程度的提高，给人类生存的环境带来很大变化。人们逐渐认识到发生于地球表部的环境和生态系统的全球性重大变化，正在直接影响到人类生存和社会发展。意识到环境问题是全球性问题，人类和社会经济的进一步发展必须与环境相协调。因此，环境科学正成为当前世界上最为关注的一项新的学科。它是多学科交叉的综合性科学，其目的是要正确的认识发生在地球表部的重大环境变化及其未来的趋势。于是，在国际科学界的积极推动下，在各国间协调组织下，共同实施了一系列的环境科学的研究工作。例如，国际地圈——生物圈计划，即“全球变化”研究，联合国教科文组织（UNESCO）与环境计划署（UNEP）合作实施的“保护作为环境组分的岩石圈”计划，以及“地质学与环境”计划；联合国通过的“国际减灾十年”计划等，国际地质对比计划（IGCP）也提出“地学为人类服务”的目标，强调环境地学的重要性。在这些计划的实施中取得了大量有关环境问题的研究成果，国际上环境地质学研究在地球系统科学框架下，正进入新的发展阶段。地球系统科学为环境地质学提供了全新的科学哲学。基于地球系统科学的环境地质学哲学主要有以下内涵：（a）演化观：现今的自然环境是包含水、土、气、生和岩等要素在内的地球系统长期演化的产物；以无限度满足人欲为核心的强烈人类活动作为地球系统中非自然的新要素，局部甚至从根本上改变了自然环境演化的路径。（b）循环观：自然环境系统中物质、能量与信息的循环决定了自然资源的时空分布。在自然环境系统中，无“废物”可言。（c）系统观：环境系统是由相互作用的生物圈（含人类圈）、水圈、底层大气圈及浅层岩石—土壤圈组成的复杂系统。（d）空间尺度观：环境过程（实质上是影响人类安全与健康的地质—地球化学作用）及其产物在空间上和不同尺度上呈现多样性。这些哲学思想必须贯串环境科学研究的全过程和各个方面，对于构建人工环境系统也具有重要的指导意义。当前国际上环境地质学发展的特点概括起来有以下几个方面：1．着眼于地球是个复杂系统，是个多层次结构，以及通过各圈层相互作用的演化过程，来研究全球性环境变化。不仅是研究现代的，而且研究过去地质历史时期（主要是晚更新世以来，尤其是全新世时期的古环境变迁），同时对今后21世纪内全球变化趋势进行预测。全球性变化的主要研究内容是全球性气候（包括古气候）、全球性海平面变化、全球物质和能量循环等等，并且对这些全球性变化给人类生存环境和社会发展带来的影响及后果进行预测。2．以动态观点及非线性动力学理论和方法来探索地质环境演化的特点和地质环境灾变预报的可能性。影响环境变化的因素有自然因素与人为因素双重的作用。这些因素的变化在许多情况下是无序的，是一个非线性问题。这方面的研究，在国际上已成为热点问题。要了解和掌握这些因素变化，就要通过长期的连续的对环境各要素进行监测，取得必要的资料，从而来认识它。因此，国际上非常重视建立不同级别的（即全球性的、国家级的、地区性的）长期的环境监测网站。收集环境变化记录资料，作为全球环境变化研究的科学依据，也是地球系统科学的重要组成部分。这种以研究环境和生态系统为目的的不同级别的长期监测网站的建立已成为国际性趋势。例如美国的长期生态研究网络、亚洲—太平洋地区的全球变化网络、中国生态系统研究网络、欧洲全球变化研究网络等等。3．从不同时空尺度来研究地球环境变化。地球系统中的大气、水文、陆地部分都是在不同的空间尺度上演化和变化的，从空间尺度上来看：大尺度的环境研究有全球性变化、各层圈间的相互作用，如海洋—大气之间，海洋—陆地之间，大气与陆地之间，人—地之间的相互作用。这方面的研究重点是研究层圈间的界面上的物质传输，能量转换的化学的和物理的通量和过程。国际上在全球变化研究计划中有十个大的核心项目，组织各个国家协作研究。不久前又拟定了一项过去全球变化南北半球对比研究项目，拟定自北极经过赤道到南极这个方向内，选择通过美洲、亚洲、欧洲的三条纵向大剖面研究过去全球环境变化。即（l）北极—加拿大—美国—拉丁美洲—南极；（2）北极—俄罗斯—中国—澳大利亚—南极；（3）北极—欧洲—非洲—南极。国际上在全球能量与水循环试验项目（GEWEX）中的大陆尺度能量与水循环国际计划（GCIP）和GEWEX项目的科学目标就是研究并预测全球和区域水文过程及水资源变化，及其对环境变迁的响应能力。国际水文科学近年来开始进行的大尺度水文模型的建立等，都是大空间尺度的研究。近些年来，水文学的发展，也正在由流域尺度向全球尺度发展。国际水文科学活动愈来愈重视由于全球变化引起的环境变迁和水文学及水资源的影响，重视大陆尺度水量与能量平衡的时空变化。1990年美国和前苏联双边会议专门讨论了生态水文地质和水文学问题和水圈的大尺度变化等。中尺度的环境地质研究，是地区性或地带性问题。如生态脆弱地区，干旱半干旱地带、海岸带、大河流域、盆地、三角洲等和不同气候区，自然灾害多发区等。地区尺度的研究内容如：气候与陆地生态系统的耦合，对陆地生态系统变化的影响；全球变化对地区农业与粮食保障的影响等等。总之，以研究地区性特点的环境和对经济发展的影响为主要方向。小尺度空间的环境研究，多为环境问题比较集中的地点，如城市、工矿区、重大地质灾害发生地、经济发展较快的地区，以及有不同的突出环境问题如：地面沉降、塌陷、滑坡、泥石流等地区。这些地方的环境问题多以人为因素为主。研究环境变化中的动力的、化学的过程，人类的工程技术活动影响程度，以及防治措施。4．环境变化的时间效应成为环境地质研究中的一个十分重要的方向。由于空间尺度不同和发生过程和机理的复杂性，环境变化的时间效应不同，有时是周期性的，有的可能是突发性的，有的可能具较长时间的滞后性。周期性环境变化有时是长周期性的，有的是短周期。例如第四纪时期内古气候冷暖、干湿的交替变化，周期长的可达80万年、40万年，而短的周期变化只有万年、千年、百年或更短。短周期环境变化的研究更有实用意义，目前在环境变化的时间效应研究上，高分辨率时段的研究不论在理论上还是在方法上都已成为重要课题。因此，在了解和掌握环境变化的过程和预测其变化趋势上，其时间效应是十分重要的。例如1816～1830年在全球各地出现过一段气候急剧突变的时期，其原因是1815年在印度尼西亚的Tambora火山爆发，这是人类记录到的最大一次火山爆发。其结果导致美洲和欧洲大陆出现夏冷，亚洲如我国海南岛出现严冬天气，安徽六月雨雪等全球性气候异常，就连在祁连山也有气候异常，反映在树木年轮指数曲线上。有些地方长期积累的化学物质对环境的污染，可能滞后于几十年或百年之后爆发出大范围地区的环境突然恶化问题。5．现代新技术在环境研究中的应用发展速度很快。因为现代环境科学研究的问题，多是当代各有关学科的前缘科学问题；特别是多学科相交叉的边缘科学，许多问题都在探索前进。因此，在环境地质学研究中，从宏观到微观应用了大量现代新技术和方法，例如，卫星通讯技术和高速信息传输技术、生物工程技术、高精度的分析测试技术和方法、高分辨率的年代学测年技术，以及最近的环境磁学的形成和发展等等都标志着环境地质学在研究方法和手段上的这一特点。6．正在深入探索环境地质学的科学基础：水—岩相互作用。水-岩相互作用这一术语由水文地球化学学科的奠基人之一、前苏联А.М.Овчинников于20世纪50年代提出。1974年，国际地球化学与宇宙化学协会成立水-岩相互作用工作组，在捷克召开了第一届国际WRI学术会议。此后，每三年开一届，到2004年在美国召开的已经是第十一届了。水-岩相互作用研究发展至今，实际的研究内容已成为水-岩（土）-气-生-人类相互作用了。过去的研究确认：水-岩相互作用研究是成岩、成矿（包括金属、油气和热水）作用研究的基础，即资源地质学的科学基础。近三十年的研究证实，水-岩相互作用理论也是环境地质学的科学基础。水-岩相互作用是近地表环境演化的重要驱动力。人类赖以生存的四大环境要素——水、土、气、生，是不同时间尺度与空间尺度上的、自然的或受人类活动影响的水-岩相互作用的产物。再地球系统科学的框架下，以水-岩相互作用理论为指导，借助于现代先进的同位素示踪技术、数值模拟技术、空间信息分析技术等，深入研究不同时空尺度与不同条件下的水-岩相互作用，重塑表生带环境演化过程，揭示环境演化规律、分析环境变异（突变）机制，必能为人类生存环境的有效改善、最终实现人类与环境的协调发展提供理论基础。当前，从水—岩相互作用这一科学基础出发亟待加强研究的几个学术研究方向是：(1)风化作用带（浅层地下水系统）的环境演化与生态效应：地下水是地球表层系统中最活跃的因子，它不仅是水圈的重要组成部分，同时也是各圈层物质和能量交换的载体。地下水通过水分的垂直循环，维系着地球浅表水分、热量、盐分均衡以及地表的生态平衡、土壤的资源属性和局域气候的相对稳定性。具体来说，浅层的地下水系统往往是植物生境的重要组成要素之一，直接决定着植物生境的质量，影响着地表植被的结构和功能特点。即使在潜水埋藏较深的地段，地下水作为浅层土壤水分、盐分和热量的库，对维系植物生境中水分、盐分和热量的均衡也起着不可或缺的调节作用。例如，完整的描述水与植被生态关系的研究系统是“地下水—土壤—植物—大气连续体”（Groundwater-Soil-Plant-AtmosphereContinuum，GSPAC）的概念，即“四水”（饱水带水、包气带水及土壤水、植物水、近地表大气层水）的垂直循环理论。水-岩相互作用不仅使地下水本身、同时也使其次生沉积物中蕴含了丰富的环境变化与生态效应方面的信息。该方向侧重于水—岩相互作用中的水分以及基于地下水、沉积物高分辨率环境记录的研究，重建不同时间尺度、特别是历史时间尺度的高分辨率环境演化过程，为环境变化的预测、预警，以及浅层地下水系统的生态效应提供理论基础。（2）水土（气）环境污染：人类干预下的水-土-气-生系统中的水—岩相互作用加速或偏离了表生带环境自然演化进程，而使其变异，表现为人类生存对各主要环境要素——水、土、气、生的不适宜，即污染。因此，基于人类干预下的不同条件的水-岩相互作用研究可以为环境修复提供强有力的理论基础。该方向侧重于水-岩相互作用的化学组分的研究，主要研究内容：（