環(huán)境地球化學(xué)

環(huán)境地球化學(xué)環(huán)境地球化學(xué)是環(huán)境科學(xué)與地球化學(xué)之間的一門新興的邊緣學(xué)科，是環(huán)境地學(xué)的一個分支。它主要研究環(huán)境中天然的和人為釋放的化學(xué)物質(zhì)的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律，及其與環(huán)境質(zhì)量、人體健康的關(guān)系。一、學(xué)科起源近代地球化學(xué)著重研究化學(xué)元素在地殼中的遷移、轉(zhuǎn)化、分散和富集問題。各種金屆和非金屆元素、各種天然的無機(jī)和有機(jī)化合物在自然界的運動受地球化學(xué)規(guī)律的支配。隨著社會生產(chǎn)的發(fā)展，出現(xiàn)了環(huán)境問題。人為釋放的各種金屬和非金屬元素、各種無機(jī)和有機(jī)化合物也加入自然界原有物質(zhì)循環(huán)之中，它們在自然界的運動同樣受地球化學(xué)規(guī)律的支配。因此，地球化學(xué)的許多原理和方法可以應(yīng)用于環(huán)境問題的研究，這樣就促進(jìn)了環(huán)境科學(xué)與地球化學(xué)的結(jié)合，導(dǎo)致了環(huán)境地球化學(xué)這門新興的邊緣學(xué)科的誕生。二、發(fā)展歷史20世紀(jì)初期，В.И.維爾納茨基系統(tǒng)論述了活質(zhì)的地球化學(xué)作用，成了萌發(fā)環(huán)境地球化學(xué)的基礎(chǔ)。這時期已發(fā)現(xiàn)一些地方性疾病如氟斑牙與當(dāng)?shù)鼐用裆畹乃h(huán)境有密切關(guān)系。20世紀(jì)60年代由小林純和H.A.施羅德進(jìn)行的飲用水質(zhì)與心血管病關(guān)系的研究進(jìn)一步強(qiáng)調(diào)了飲用水質(zhì)的地球化學(xué)與人體健康的關(guān)系。70年代初期，李長生、洪業(yè)湯等發(fā)現(xiàn)中國克山病、大骨節(jié)病吳東北—西南向條帶狀分布的規(guī)律、提出了包括巖石、土壤、氣候、植被在內(nèi)的綜合環(huán)境質(zhì)量以及元素在巖石-土壤-飲水－食糧－人系統(tǒng)中的地球化學(xué)行為與人體健康關(guān)系的思想，推動了環(huán)境地球化學(xué)的開展。同時，由于世界性工業(yè)環(huán)境污染嚴(yán)重，人為污染環(huán)境和原生天然環(huán)境是環(huán)境地球化學(xué)領(lǐng)域的兩個方面的思想被普遍接受，環(huán)境地球化學(xué)的研究體系得以基本構(gòu)成。進(jìn)入80年代，國際輿論對諸如全球氣溫上升、臭氧層損耗、全球性土壤侵蝕、礦質(zhì)燃料消費與大氣污染和酸雨、大規(guī)模砍伐森林的環(huán)境影響等全球性環(huán)境和生態(tài)狀況惡化的關(guān)心，迅速超過對局部性環(huán)境污染問題的關(guān)心。三、研究內(nèi)容環(huán)境地球化學(xué)主要研究人類環(huán)境的化學(xué)性質(zhì)、研究污染物在環(huán)境中的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律、研究環(huán)境中的化學(xué)物質(zhì)對生物體和人體健康的影響。①環(huán)境地球化學(xué)與健康。研究一些地方性疾?。ㄈ缈松讲?、大骨節(jié)病、地方性甲狀腺腫和地方性氟中毒等）和多發(fā)?。ㄈ缧难懿?、食管癌、結(jié)石病等）的地球化學(xué)環(huán)境。研究病區(qū)的巖石和土壤類型，環(huán)境的氧化還原電位和酸堿度，元素在環(huán)境－人系統(tǒng)中的含量、分布、存在形態(tài)和傳遞等，為病因研究和防治措施提供基礎(chǔ)。②污染物的環(huán)境地球化學(xué)。研究人為活動釋放的污染物的來源和分布、含量和形態(tài)、遷移與轉(zhuǎn)化、自凈與歸宿，為控制和消除污染提供依據(jù)。③環(huán)境背景值。又稱環(huán)境基線值，指未受人為活動污染的環(huán)境介質(zhì)中化學(xué)元素的原始含量水平。嚴(yán)格地說不受人為污染的環(huán)境已很難找到，因此，環(huán)境背景值只具有相對意義，但它是研究各種環(huán)境現(xiàn)象的基礎(chǔ)資料。環(huán)境背景值常用電子計算機(jī)作成的元素分布圖來表達(dá)。④同位素的環(huán)境地球化學(xué)。同位素包括穩(wěn)定同位素和放射性核素（見同位素地球化學(xué)）。研究不同環(huán)境介質(zhì)中穩(wěn)定同位素的組成、同位素分餾現(xiàn)象和放射性核素的衰變過程。穩(wěn)定同位素和放射性核素被當(dāng)成示蹤原子，以研究各種環(huán)境地球化學(xué)過程在空間和時間上的變化。例如，根據(jù)大氣環(huán)境中34S/32S的比值，可評價大氣中硫的不同來源，揭示天然釋放和人為活動釋放對大氣二氧化硫的相對貢獻(xiàn)量。利用樹木年輪中14C/12C的比值，可確定歷史時期大氣中二氧化碳的含量水平和演變規(guī)律。⑤古全球環(huán)境變化。通過研究各類地質(zhì)體中保存下來的環(huán)境地球化學(xué)記錄，研究歷史時期或地史時期地球環(huán)境的特征，為評價現(xiàn)代環(huán)境和預(yù)測發(fā)展趨勢提供基礎(chǔ)。⑥現(xiàn)代全球環(huán)境變化。研究現(xiàn)代大規(guī)模人為活動影響下，地球環(huán)境的化學(xué)組成以及地球各圈層界面間進(jìn)行的化學(xué)作用的變化，研究這些變化對人類生存的影響。具體內(nèi)容包括：陸地生態(tài)系統(tǒng)和大氣圈之間的物質(zhì)和能量的交換及環(huán)境效應(yīng)；海水和大氣圈之間的物質(zhì)和能量交換及環(huán)境效應(yīng)；水圈的環(huán)境地球化學(xué)；氣候變化對陸地生態(tài)系統(tǒng)中的環(huán)境地球化學(xué)過程的影響等。由于全球環(huán)境變化研究涉及的面廣和意義重大，國際科學(xué)聯(lián)合會(ICSU)已發(fā)起一項大型的國際合作研究計劃，即國際地圈－生物圈計劃(IGBP)，從1990年開始執(zhí)行，并將一直延續(xù)到21世紀(jì)。四、學(xué)科作用從地球化學(xué)的角度看：人類環(huán)境可分為五個地球化學(xué)系統(tǒng)，即表面巖石圈系統(tǒng)、大氣系統(tǒng)、水系統(tǒng)、土壤-生物系統(tǒng)和技術(shù)系統(tǒng)。為了改善人類環(huán)境質(zhì)量，必須深入了解這些系統(tǒng)的地球化學(xué)性質(zhì)。這些系統(tǒng)是在地質(zhì)歷史過程中逐步演化、依次產(chǎn)生的，它們的化學(xué)性質(zhì)不斷地發(fā)生變化。到了近代，人類運用強(qiáng)大的技術(shù)力量大規(guī)模地改變自然界的面貌，地殼深處大量的化學(xué)物質(zhì)被采掘出來，種類越來越多、數(shù)量越來越大的自然界本來不存在的化合物被合成出來，它們中的一部分不可避免地被散布到環(huán)境中。在原來環(huán)境物質(zhì)循環(huán)的基礎(chǔ)上，疊加了這些新的物質(zhì)的循環(huán)，對人類環(huán)境質(zhì)量產(chǎn)生了嚴(yán)重影響。環(huán)境地球化學(xué)的重要任務(wù)之一就在于及時地研究現(xiàn)代環(huán)境化學(xué)變化的過程和趨勢，在原來地球化學(xué)的基礎(chǔ)上，更加深入地研究組成人類環(huán)境的各個系統(tǒng)的地球化學(xué)性質(zhì)。人為散發(fā)的污染物在環(huán)境中不斷發(fā)生空間位置的移動和存在形態(tài)的轉(zhuǎn)化。這種遷移轉(zhuǎn)化的結(jié)果，可以向著有利的方向發(fā)展，如污染物被稀釋、擴(kuò)散、分解，甚至消失；也可以向著不利的方向發(fā)展，如污染物在某些條件下積累起來，轉(zhuǎn)變成為持久的次生污染物。污染物在環(huán)境中的存在形態(tài)可以通過各種化學(xué)作用不斷發(fā)生變化，如溶解、沉淀、水解、絡(luò)合與整合、氧化、還原、化學(xué)分解、光化學(xué)分解和生物化學(xué)分解等。污染物的存在形態(tài)不同，其毒性也往往不同，如六價鉻的毒性大于三價鉻，銅的絡(luò)離子的毒性小于銅離子，且絡(luò)離子愈穩(wěn)定，其毒性愈小。污染物的存在形態(tài)不同，生物對它的吸收作用也不同，如水稻易于吸收金屆汞、甲基汞，而不吸收硫化汞。在環(huán)境污染研究中，不但要研究污染物的總量，還必須研究污染物的形態(tài)。在一個特定的環(huán)境中，污染物的存在形態(tài)取決于環(huán)境的地球化學(xué)條件，如環(huán)境的酸堿條件、氧化-還原條件，環(huán)境中膠體的種類和數(shù)量、環(huán)境中有機(jī)質(zhì)的數(shù)量和性質(zhì)等。地球化學(xué)的研究表明，在地球表面上的每一特定地區(qū)都有它特有的地球化學(xué)性質(zhì)，所以應(yīng)用地球化學(xué)的原理和方法，能夠較好地闡明污染物在環(huán)境中遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律。這方面的研究有助于評價環(huán)境質(zhì)量，預(yù)測環(huán)境質(zhì)量變化的趨勢；有助于了解自然界對污染物的自然凈化能力；有助于制定環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)和制定改造已被污染的環(huán)境的措施。環(huán)境地球化學(xué)是在生物地球化學(xué)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。關(guān)于環(huán)境元素和生命元素的關(guān)系，早在40年代，生物地球化學(xué)的研究即指出：有機(jī)體中所含的化學(xué)元素與生物圈中所存在的化學(xué)元素成正比；組成有機(jī)體的主要元素在生物圈中都是容易形成氣體和水溶性化合物的元素。人體的組成是人類在漫長的歲月中通過新陳代謝，與環(huán)境進(jìn)行物質(zhì)交換，并通過遺傳、變異等過程建立了動態(tài)平衡的結(jié)果。顯然，人類釋放到環(huán)境中的各種各樣的化學(xué)物質(zhì)，必然會以不同的程度進(jìn)入生物和人的機(jī)體。當(dāng)機(jī)體組織不能忍受這些物質(zhì)時，就會產(chǎn)生嚴(yán)重的后果。汞污染引起的水俁病和鎘污染引起的痛痛病是這方面的突出的例子。環(huán)境地球化學(xué)在這方面的任務(wù)不僅研究現(xiàn)代環(huán)境化學(xué)組成的變化同生命體、人體化學(xué)組成和人類健康的關(guān)系，而且在更廣闊的地質(zhì)背景上研究宇宙元素、地殼元素、海洋元素同生命元素之間的關(guān)系，研究生命過程的地球化學(xué)演化等問題。五、研究方法環(huán)境地球化學(xué)的研究方法通常有兩種：現(xiàn)場調(diào)查研究法和實驗室模擬試驗研究法。在現(xiàn)場調(diào)查研究方面，科學(xué)地確定取樣地點最為重要。采樣點必須有代表性和有足夠的數(shù)量。為查明化學(xué)物質(zhì)在環(huán)境中的遷移轉(zhuǎn)化特點，通常采用共軛布點法。所謂共軛布點法就是同時對各種有關(guān)連的環(huán)境要素進(jìn)行對比取樣分析。如在研究風(fēng)化殼的化學(xué)成分時，同時采集流經(jīng)這種風(fēng)化殼的河流的水樣進(jìn)行分析；在研究土壤的化學(xué)成分時，同時采集生長在這種土壤上的植物樣品集流經(jīng)這種風(fēng)化殼的河流的水樣進(jìn)行分析；在研究土壤的化學(xué)成分時，同時采集生長在這種土壤上的植物樣品進(jìn)行分析，這樣就能獲得關(guān)于環(huán)境諸要素間存在著密切的地球化學(xué)聯(lián)系的資料，從而了解所研究的化學(xué)物質(zhì)在全環(huán)境中的遷移狀況?，F(xiàn)場調(diào)查研究法只能說明所研究的物質(zhì)在環(huán)境中遷移作用的結(jié)果，而不能說明這種結(jié)果發(fā)生的原因和機(jī)制必須在實驗室內(nèi)進(jìn)行簡單的或復(fù)雜的模擬實驗，即在人工設(shè)計的環(huán)境中進(jìn)行某一過程的觀測研究。設(shè)計時所采用的環(huán)境參數(shù)既要服從實驗?zāi)康?，又要盡可能接近環(huán)境的實際情況?，F(xiàn)代分析測試技術(shù)是研究環(huán)境地球化學(xué)的重要手段在環(huán)境地球化學(xué)研究中已經(jīng)采用的現(xiàn)代分析測試技術(shù)有中子活化分析法、火花源質(zhì)譜法、化學(xué)電離質(zhì)譜法、用電感耦合等離子體源的原子發(fā)射光譜法、無火焰原子吸收光譜法、x射線熒光譜法、電子探針法、化學(xué)分析電子能譜法、陽極溶出伏安法、差示脈沖極譜法和氣相色譜法等。進(jìn)行環(huán)境地球化學(xué)研究，要求分析測試方法的靈敏度要高，準(zhǔn)確度要好，基體反應(yīng)要小，并能進(jìn)行多元素分析。地球化學(xué)的一個分支。研究人類賴以生存的地球環(huán)境的化學(xué)組成、化學(xué)作用、化學(xué)演化及其與人類的相互關(guān)系的學(xué)科。這種關(guān)系包括兩方面內(nèi)容：①原生環(huán)境的地球化學(xué)性質(zhì)與人體健康的關(guān)系；②人類活動對環(huán)境的化學(xué)組成、化學(xué)作用和化學(xué)演化的影響及其環(huán)境效應(yīng)。環(huán)境地球化學(xué)著重研究人而不是一般生物與環(huán)境的關(guān)系。六、研究手段環(huán)境地球化學(xué)運用各類專門器具，采集地表、水下和空中的無機(jī)和有機(jī)樣本。為確定環(huán)境樣本中化學(xué)元素的含量和組合，各種成分分析儀器和質(zhì)譜計、能譜儀是它的必備手段。經(jīng)常采用的研究方法有下面幾種。①對比研究法。為確定一個地方病病區(qū)環(huán)境化學(xué)組成的變異,需和非病區(qū)對比;為確定一地區(qū)的污染狀況，需和清潔對照區(qū)對比等。②元素追索法。即緊緊抓住所瞄準(zhǔn)的元素，研究它在環(huán)境中運動的各個環(huán)節(jié)或在各種介質(zhì)中的地球化學(xué)行為。③環(huán)境檔案研究法。樹木年輪、冰巖心、湖泊沉積、海灣沉積、深海沉積、珊瑚、黃土、古土壤、河流泥沙、沉積巖、花粉、包裹體等都不同程度地記錄下了它們形成時的環(huán)境條件，如溫度、濕度、化學(xué)成分、生物量、火山噴發(fā)、地磁場、海平面和太陽活動等，因此它們可看成是環(huán)境變化的“檔案”材料。不同的檔案材料有不同的環(huán)境信息量和時間分辨率。有目的地研究這些檔案材料，可提取出過去環(huán)境變化的寶貴信息。④為了解環(huán)境地球化學(xué)過程在時間上的變化，需要引進(jìn)各種測年技術(shù)。環(huán)境地球化學(xué)研究常使用的有低本底放射性測年法,如碳-14法、鉛-210法等。⑤研究環(huán)境的化學(xué)組成或污染物在空間上的變化，常采用環(huán)境地球化學(xué)制圖法，為此需按不同的密度進(jìn)行網(wǎng)格取樣，用電子計算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。⑥天然和人為的同位素示蹤方法，以了解環(huán)境地球化學(xué)過程進(jìn)行的機(jī)理。⑦室內(nèi)實驗?zāi)M各種環(huán)境地球化學(xué)現(xiàn)象和過程及建立數(shù)學(xué)模型。七、學(xué)科聯(lián)系由于要應(yīng)用地球化學(xué)和生態(tài)學(xué)的原理和方法來研究環(huán)境問題，環(huán)境地球化學(xué)與地球化