环境地球化学

环境地球化学当代人类正面临日益严峻的环境污染和生态体系平衡破坏的威胁，环境成为近代交叉学科发展的新的生长点。环境地球化学就是地球化学与环境科学结合衍生出来的边缘学科。环境地球化学作为地球化学的一个分支学科，是主要研究人类赖以生存的地球环境的化学组成、化学作用、化学演化与人类相互关系的科学。随着它自身的发展以及社会经济发展对它的需求，环境地球化学的研究领域已逐渐从单纯研究环境与人体健康(主要是地方病)之间的关系发展为对区域环境污染以及全球环境变化的研究。由于全球环境变化对人类的巨大影响,对这一领域的研究已超出了一般学科研究的范围，成为国家政治、外交方面的重要内容之一。解决全球变化问题，需要多学科的协作研究。其中，环境地球化学是不可缺少的学科之一。环境地球化学通过对生命圈层元素的分布、结合转化、集中分散和迁移循环规律的研究,揭示人类生存与环境之间的内在联系，参与解决环境问题。具体地说，环境地球化学通过对元素及其化合物在岩石-土壤-大气-水-植、动物-人这一系统中的含量分布和迁移转化规律的研究，揭示环境的历史演变规律，预测未来的全球环境变化；为评价环境质量提供基准，并为保持和改善这一系统的平衡、使人类与生态环境协调发展、建立最佳人类生存环境提供思路和方法。1环境地球化学的研究领域环境地球化学自其形成以来的近30年间,得到了迅速发展,在环境污染的监测与防治、发展农业、保障人体健康等诸多方面作出了贡献。进入90年代以来，其研究领域不断扩大,研究程度不断深入,并以其学科的优势解决环境问题。就环境地球化学发展看，以下几方面是近代环境地球化学发展的主要领域。1.1全球环境变化的环境地球化学研究为了把握当代全球环境，科学预测全球环境的未来，须开展全球环境历史演变的研究。1988年国际地圈一生物圈计划(IGBP)的确立，就是协调世界各国的科学家开展多学科的国际协作，对过去全球变化的海洋记录和陆地记录开展研究。具有行星尺度的全球变化大致可划分为以下的时间尺度：秒—数十小时；数天—数年；数十年—数百年；数千年—数百万年；数千万年—数亿年。从研究现状看,数十年—数百年尺度的全球变化记录研究是个薄弱环节。寻找并揭示不同尺度的自然档案—地质地球化学记录及其意义，并为评价现今环境提供对照基准，已成为环境地球化学近年来一个重要的发展方向。稳定同位素的地球化学分馏，使自然档案的δ13C、δ18O、δD等指标成为古气候、古温度及古环境变迁的见证；同位素地质年代学、磁性地层年龄法、氨基酸地层年代学等为直接测定自然档案的年龄，为历史变迁确立时间坐标提供了方法；自然档案中元素的分配、组合特征及赋存形式则是古环境的灵敏指示剂。如树木年轮的稳定碳同位素序列广泛应用于环境气候变迁的研究，时间分辨率可以达到1年。树木年轮中微量金属的含量分布对其周围环境的污染状况及历史变迁则有着直接的指示作用。冰岩芯的δ18O对气候变化的示踪使预测近百年来气候变化趋势有了依据。湖泊沉积物中210Pb、137Cs同位素,为确定沉积物的沉积时间和速率提供了条件,结合沉积物微量元素含量分布测定,可以分辨周围环境污染及变迁的历史。黄土剖面是一种良好的自然档案,我国的华北、西北地区有广泛的分布,最厚的沉积剖面达400m,可提供2.5Ma以上的连续记录,剖面中的有机质、铁离子价态等对古气候和环境有良好的指示作用。此外,我们通过地质历史时期记录下的、导致许多“生命爆炸”---生物多样性的出现(如5.3亿年前的澄江化石群的形成等)和生物物种灭绝(如恐龙灭绝等)的地球化学环境因素的研究，获取地球演化过程中出现影响生物生存的环境因素，以帮助人类制定相应的措施，减轻甚至避免重演类似的历史事件。1.2对于人体健康的环境地球化学研究地球化学环境与人体健康是环境地球化学的一个重要研究领域,受到各国的重视,英国、美国、德国和日本研究较多,我国在环境Se,Mo,I,As等微量元素与地方人群健康关系方面作了许多的多学科联合的调查研究,获得了丰富的成果。而后的发展是环境地球化学与环境医学结合,探索地球化学环境因素的致病机制、微量元素与人体健康的有机联系,寻找疾病防治的有效方案。人体组织元素含量研究表明,除生物物质主要元素(C,H,N,O)和地壳主要组分Si,Al外,人体血液所含60多种元素的丰度曲线与地壳元素的丰度曲线有着惊人的相似性。许多医学专家、学者认为,当今人类疾病90%以上与微量元素有关,许多疑难杂症和大面积的地方病都与人体微量元素失衡相关。地球化学研究表明,地壳中元素的分布是不均一的，具有区域性差异的特征。当人群长期生活在某种微量元素过丰或缺乏的环境中,势必出现人体某组织器官的微量元素平衡失调,引发组织病变,这就是地方病、职业病的环境地球化学病因。众所周知,甲状腺肿是一种世界性的地方病，它是由于人体缺碘或长期吸入过量的碘引起甲状腺激素合成的紊乱所致,而人体缺碘或高碘则是因为环境碘元素分布的含量水平过低或过高,致使人体每天的吸入量不能满足或超过人体的必需量。近年来,环境医学调查表明,癌症的高发区也具有区域分布特征，这说明地球化学环境因素也是致癌的重要因素之一。某些金属元素的致癌作用研究从另一角度作了佐证，如美国、新西兰肠癌高发区与环境中缺Se有关，我国河南林县食道癌高发区主要是环境缺Mo，医学研究认为该地区食管癌高发与饮用地下水类型和深度有关。尽管微量元素失衡致癌的医学机制尚不十分清楚，但研究已揭示了环境的地球化学因素的重要性。1.3环境污染的地球化学研究所谓环境污染,从地球化学角度去看,无非是一些人为的金属和非金属元素及各种无机和有机化合物叠加在自然物质基础之上而已。因此,地球化学的基本原理、研究方法(如元素在地壳分散和富集的规律、地球化学区划的概念等)也可以用于环境科学问题。环境污染在一些地方已严重制约地方经济的发展,影响居住人群的健康。近年来，淮海水系的严重污染，给两岸工农业生产带来的损失,对两岸人们生活的严重影响便是一例。大量资料表明,人类已破坏了全球的微量金属的稳态(工业技术发展前的)地球化学循环，并有大量有毒金属输入到生物圈，导致物种减少、危害人体健康。这种向大气的人为排放量或者超过或者相当于自然排放量,意味着人类活动已成为全球性或区域性微量元素大气循环中的一个关键因素。大气中的微量组分随着降水过程和飘尘的沉降,造成水体、土壤的二次污染,最终都将累及人类自身。因此，查明环境污染的性质、范围及污染源,开展环境综合治理已成为人类当前所面临的迫切任务。解决这一任务正是环境地球化学特长之所在,污染物质性质、污染范围及污染源的调查与地球化学中次生晕、水化学及气体地球化学找矿研究有着同样的思路和方法。对环境地球化学来说,更重要的是运用元素表与地球化学迁移的理论和地球化学手段,系统研究污染元素及其化合物在岩石圈表层(包括土壤)、水圈、大气圈、生物圈内及各圈层之间的迁移和交换,从理论上阐明污染的规律及其环境效应,找出对策,在污染综合治理中发挥指导作用。2环境地球化学研究方法环境地球化学的研究方法通常有两种:现场调查研究法和实验室模拟试验研究法.本文重点讨论现场调查研究法。在现场调查研究方面,科学地确定取样地点最为重要。采样点必须有代表性和足够的数量。为查明化学物质在环境中的迁移转化特点，通常采用共扼布点法。所谓共扼布点法就是同时对各种有关联的环境要素进行对比取样分析。在研究土壤环境的化学成分时，同时采集与土壤环境关系密切的水系样品或生长在这种土壤上的植物样品进行分析，这样就能获得关于环境诸要素间存在着密切的地球化学联系的资料,从而了解所研究的化学物质在整个环境中的迁移状况。2.1环境分析样品的采集和处理环境分析样品的采集和处理是获得环境地球化学信息的基础,采集的环境分析样品是否具有代表性,环境分析样品采集后处理是否适当,直接关系到分析数据的可靠性.因此,要真实地反映污染元素在环境构成各要素中的分布的迁移规律,环境样品的采集和处理是十分关键的。下面着重研究土壤和水样品的采集和处理方法。2.1.1土壤样品的采集和处理土壤不像大气和水样那样均匀性好,土壤本身一般都具有不同层次,并含有许多砾石、粗沙、植物根茎等混合物,还受自然条件和耕作情况影响。所以,土壤的采样误差常比分析误差大得多。为取得有代表性的土坡样品,首先要调查了解自然条件,包括母质、地形、植被、水文和气候；其次是土地利用、耕作方式、肥料、农业、灌溉和作物生长情况；第三是土壤性状,包括土壤类型、层次特征、分布情况及污染和防治史等,然后制定取样方案.由于土壤的不均匀性,通常采取多点取样,然后混合均匀的方法。在2一3亩(1334—2000平方米,1亩=667平方米)土地内选取5一10个点,点的安排视具体地块而定。为提高取样的代表性，注意不要在田边、路边、化肥堆边取样。取样深度一般为15cm的耕作层和15-30cm深度的耕作层底层。在每一个采样点切一“V”形缺口,在缺口的一侧取约1口的土片。各点所取土片应尽量相同,各点土样混合后,用四分之一法取约Ikg作为样品。采集的土样。将样品倒在塑料薄膜或厚纸上摊开,趁半干状态把土样压碎,去掉大的植物根茎,摊成薄层,让其在阴凉处慢慢风干,并要经常翻动。风干后的土样用木棒或有机玻璃棒仔细碾细,过土壤筛取掉2mm以上的砂砾和植物残根。3环境地球化学的发展展望展望未来,环境地球化学在环境领域中将发挥越来越重要的作用,并且在其发展过程中不断与其它学科交叉,提出问题、解决问题,又将促进诸如农学、环境科学、环境医学、分析测试技术领域等的发展,同时还会形成新的研究领域。如21世纪,海洋可能成为提供人类食物的宝库,故海洋环境地球化学研究也应提上日程等等。积极采用高新技术,全面提高环境地球化学监测数据的质量和处理数据的能力,为更精细地刻画地质环境的化学特征、更真实地模拟环境地球化学过程和更准确地提取地质环境信息,奠定坚实的基础。其中特别值得指出的是:“3S”技术,尤其是GIS技术已经成为国外环境地球化学研究的常规手段；主要由水文地质工作者发展起来的定深取样技术揭示表层环境地球化学过程的三维动态特征方面具有独特的作用,开始受到环境地球化学工作者的重视；GC-MS(色谱-质谱联用仪)和ICP-MS(等离子光质谱仪)在环境样品分析中的作用正日益受到重视和广泛应用。