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优秀精品课件文档资料,第二部分 生态地球化学调查理论基础与工作方法,1.前言 生态地球化学是近几年兴起的一门新学科。在国内外尽管已有较多的生态地球化学调查实例研究，如俄罗斯在90年代初期开始的多目标地球化学调查涉及生态地球化学调查，我国的江苏、山西、四川、湖南等省目前也在进行生态地球化学调查，但生态地球化学调查至今仍是一发展中的新的工作领域，有关这方面的成果报告和论文也很少见到。在google 搜索引挚中“Eco-geochemistry”只有5个搜索结果(止于2004/02/01)； Ecology geochemistry只有116个结果(止于2004/02/01)；而“Ecological geochemistry”只有40个结果。,对生态地球化学学科定位的理解：生态地质学是研究人类系统与自然生态环境与社会生态环境之间的相互关系科学；生态地球化学是生态地质学（地球科学）的一个分支学科，生态学、地球化学的交叉学科，主要研究元素在生物圈、岩石圈、水圈、大气圈系统内的分布特点以及元素在各系统间迁移、运动和相互作用的规律；同时涉及开展生态地球化学研究的有效研究方法及表达方法的探讨；而生态地球化学调查是生态地球化学的主要研究内容及研究手段之一；生态地球化学调查资料是区域生态系统布局规划、环境保护、人类活动功能区域布局规划的重要依据，是开展生态地球化学研究的重要基础。,生态地球化学调查的理论及方法：生态地球化学学科的定位决定了指导和开展生态地球化学调查的理论和方法为生态学理论、地球化学理论以及二者交叉融合可能形成的真正属于生态地球化学的理论和方法，目前人们在开展生态地球化学调查时主要借鉴的是地球化学理论与方法，而系统的生态地球化学理论和方法还在人们的探索和形成过程中。,生态地球化学的几个基本特点： （1）学科交叉性：生态学、地球化学学科的交叉，还涉及地质学、土壤学、农、林业科学、种植科学、水文学、环境科学、医学、生物学、信息科学等。 （2）研究对象的广泛性：研究对象分属于生物圈、岩石圈表层、水圈、大气圈等。 （3）研究内容的复杂性：除了研究生态系统与相关物质体的特征外，还注重不同圈层中物质以及同一圈层内不同物质间的质量、能量传输、相互作用及随时间的演化规律。 （4）研究内容的局限性：局限于现代，局限于地球表层，局限于具有生态效应的元素及地球作用过程。,国土资源部目前正组织开展多目标地球化学调查，而生态地球化学调查是其中的一部分，相关人员实际已在开展生态地球化学工作，有不少的实际工作积累和认识积累，并有理论和方法上的探讨（如奚小环“关于区域生态地球化学评价若干意见”、杨忠芳的“多目标地球化学调查”、湖南地质调查研究院的“洞庭湖区多目标生态地球化学调查中的第四纪地质工作方法”等发言、报告等），相信大家对他们的思想观点都已有认识，在此不再赘述；现将一些通过阅读文献和实际工作形成的一些自己不成熟的认识向大家作一介绍，由于这些认识完全是自我认识，虽有思路较新的特点，同时也不成熟之弊病，请多提意见。,2. 生态地球化学调查相关理论 21生态地球化学调查理论基础 211地球表层、具生物效应的元素对生态系统存在控制与影响作用,生态效应的表现之一，是元素在人体中的分布对健康的影响，上表中标记为浅色的元素是对健康的必须元素；深色的是有毒元素，而有些元素具双重性；生态地球化学调查的元素主要局限于这些有生态效应的元素。 212具生物效应的元素在地球表层分布、生态系统均有时空上的差异性（不均一性）以及相互间的联系性，这种差异性的存在才使得开展生态地球化学调查具有必要性，而联系性使调查发现规律成为可能。 如图2.1,2.2,2.3表现元素的空间分布的不均匀与不同生态系统间的对应性（Dissanayake et al., 1998）。,图2.1. 富Ni 蒙脱石土壤，几乎不长植物，土壤母质为蛇纹岩（斯里兰卡）,图2.2. 热带环境中I元素在水圈、大气圈、岩石（土壤）圈内及之间 地球化学循环,图2.3. 风化层、风化带厚度、气候条件和水化学组分间的 相关关系 ( after Pedro, 1985),22开展生态地球化学调查 应遵循的基本理论 221分布异常及异常差异理论 对地球化学异常的存在及成因已有系统的地球化学理论支持，但生态地球化学异常的理论仍在发展中。主要存在的问题是异常的分类、异常标准的确定、异常形成机理均无系统理论支持，人们借鉴的是地球化学与生态学理论，个人对此有如下认识：,u 生态地球化学异常的分类：地球化学的异常分类主要涉及是元素种类或元素组合异常；生态学的分类主要应是生物种类及生态系统（包括种类及环境）的异常； 生态地球化学异常的分类依据除考虑元素、生物的种类及组合外，最主要的应体现地球化学及生态多因素的组合异常，其分类依据可有： 元素（组合）-成因（天然-人为成因） 元素（组合）-响应（生物、生态健康响应） 元素（组合）-生物 元素（组合）-景观 元素（组合）-介质（土壤、水体、生物等） 元素相态（组合） 元素（组合）-环境（见图2.4：元素-pH, Eh值）。,图2.4. 不同地表环境（氧化、还原、酸性、碱性、潮湿、干旱）中必需及 有毒元素的稳定及活性程度,元素-介质异常则使人们能直观了解元素异常的载体及成因。 如Koval将多介质样品（水系沉积物、土壤、基岩、水体、积雪、植物）中的Hg异常分为了5类： 1）与基岩有关的自然异常; 2）与断层和裂谷有关的自然异常; 3）与工业和居住区有关的技术成因异常； 4）与淘金有关的技术成因异常； 5）离散流异常。,元素-成因异常可使人们非常明了的知道生态地球化学异常的成因。 如自然异常（natural anomalies）和人为异常，如前者可有富硒-茶业异常，后者可有富铅-交通异常；还可有人为与自然的综合异常：如矿山开采形成的异 常。,222生态地球化学异常分类的意义 u 更准确突出生态地球化学异常实际及特征：如图2.4只考虑元素种类或组合的分布（丰度）异常，则不能反映其生态环境特征，而地学工作者可能且容易选择元素种类或组合异常分类，结果我们可以有元素或元素组合的异常，异常却不能体现其生态环境特征；因此是否可形成如“酸性-Cr，Al”组合异常，非常明了说明酸性条件下，Al的不活动性可使土壤中的Al的聚集，累积后会形成Al的生态地球化学定时炸弹。,u 明了异常成因：元素（组合）-成因（天然-人为成因）依据的异常分类才能真正明了地表达元素异常形成的原因；如只依据元素种类划分异常，则可能混淆不同成因的异常，无法真正认识元素与生态间的相关规律和有效对策的提出。,u 明了异常的影响后果：元素（组合）- 响应（生物健康响应）明确表达异常对生物的影响后果，元素种类及量级对生物种类或生态环境的影响后果存在差异，不同的元素异常会产生不同的生态效应，如钴、铜、汞、铅等元素与胃癌死亡率有相关性，因此将元素异常与生物效果结合划分异常则能非常明了地表达二者间的关系和生态地球化学的基本特点，如划分“硒-克山病”异常，“氟-氟化症”异常，（Co, Cu, Hg, Pb）-胃癌异常（李文光, 2001）。,u 明了有效对策：正确明了的生态地球化学分类将明确表达应对有害异常应采取的措施；元素-生态效应异常的分类可满足不同对象的要求，大大提高生态地球化学调查成果的应用价值。,223生态地球化学区划理论 区划约束生态地球化学异常的空间分布格局。 区划标准的差异（空间区划、地理景观区划、功能区划、行政区划）会导致不同的生态地球化学异常格局，同时是生态地球化学调查工作部署的基本依据，同时对了解生态地球化学规律有约束作用；如以同位素体系为标准或元素异常组合划分，可有地球化学域或省，每个域或省的边界是按同位素或元素体系标准值来确定；目前是以行政区划来指导生态地球化学调查的工作部署，如果要了解生态地球化学的自然规律则行政区划不是最佳选择，而地理景观区划则会有更佳的效果；生态地球化学区划理论可起到指导人们根据需要从不同的角度开展生态地球化学调查部署，调查结果分析、规律表达的工作。,如空间区划可以有生态地球化学的局部异常和区域异常，局部异常与局部范围内人类活动引起的强污染有关。这类异常一般具有异常强度大、浓集克拉克值（异常内元素均值/地壳克拉克值）高的特点，使普通生物中毒，引发生物形态变异或生物群落发育特异种群(图1)；局部生态环境效应明显而较易识别，而区域生态地球化学异常作用范围巨大，对生态环境以及社会经济的潜在影响是相当深远。如60年代，人们发现不列颠岛15 000 km2范围内绵羊缺钴症，牛的硒中毒、铜高引起的缺钼症，家畜的砷和铅中毒，人工云杉林缺铜症和缺锰症，谷物缺锰症正是区域生态地球化学的具体表现。应用这项研究成果，有针对性地对农作物、家畜等补施/补充低缺元素，产生了显著的效果。生态地球化学省的异常作用效应并不明显，只有少数生态效应敏感元素才具有较明显的省生态效应，如硒是具有敏感生态效应的元素，其生态正常范围值很窄，构成我国重要的地方病克山病生态地球化学省异常（图2.5）。,地理景观区划（表2.1）可使人们更清楚了解不同生态系统内的地球化学异常，真正体现生态地球化学的特点与规律，而不是只反映元素特点，还反映生物特点及二者规律的纯空间分布区划；利用景观区划理论，生态地球化学调查的观察及采样点部署将更符合生态地球化学自身的特点及规律，如水域景观区划将指导人们依据水域的空间分布及水生生态特点进行采样点部署。 区划理论是环境生态地球化学质量评价单元划分的基础（邢诒 ,2002）。,224多介质效应理论 生态地球化学特征或事件能在多介质中产生效应，因此能表达生态地球化学效应的介质有多种.如现代盐湖盆地内的结晶体中的包裹体可包裹蒸发成因的自生矿物，还有大气粉尘颗粒，提供有关盐沉积过程中自然环境状态方面的重要信息；欧洲的一些盐湖中沉积物中发现了切尔诺贝利核电站核泄漏产生的放射性颗粒，天然盐可能是环境矿物学信息的最重要来源之一；德国森林中的磨菇反映切尔诺贝利核电站核泄漏事件；垃圾场内新生矿物的形成反映了垃圾场的物理化学环境条件；因此多介质效应理论启示我们开展生态地球化学调查可围绕工作目的灵活选取介质采样。,图2.5. 中国硒分布与克山病分布示意,多介质效应理论还反映不同介质体内元素有不同分布特点，因此生态地球化学异常必须有介质约束，这种约束是分析元素在不同的生态系统或与生态有关的地球圈层间传输规律的基础保证；如没有介质约束的元素异常不具对比性，无法体现生态效应；单纯的土壤化学异常不足以反映元素的生态地球化学特点，土壤与其中生物体的元素异常的结合才真正体现了一定空间范围内的生态地球化学特点，因此开展生态地球化学调查应根据工作目的注意多介质中元素分布的调查。,225生态地球化学异常评价理论 生态地球化学异常评价是生态地球化学调查的重要组成部分，但目前真正从生态地球化学特点设立的评价标准基本还没有，因此人们主要沿用与生物有关的标准进行评价，显然这种评价不足以反映生态地球化学特征，如我国地学工作者开展的生态地球化学调查的异常评价，更多的是土壤中元素异常的评价，体现不出或不能较切合实际地体现土壤元素异常对生态的影响效应，也许真正对生物产生的元素异常不但与土壤中元素含相关，也还可能与土壤中元素的相态相关，而且受土壤物化环境条件影响可能会有不同的生态效应，因此应设法建立生态地球化学异常的评价指标；生态地球化学异常的评价主要有以下几种：,表2.1：景观分类,u 标准评价,评价标准： 多种标准，灵活选择，如依据国家、组织发布的标准进行对比评价（图2.6），如土壤中有害元素的衡量标准有国标15168-1995标准，,其中与生态地球化学 评价关系密切的条款是类土壤的二级标准，类土壤主要指一般农田、蔬菜地、茶园、果园、牧场等，二级标准是为保障农业生产，维护人体健康的土壤限制值(表1)。,图2.6. 某区地下水氮含量与WHO的饮用水标准对比图,u 生态地球化学适宜性评价：针对生物存在与生长的适宜地球化学条件进行的评价；可按生物种类进行适宜性评价，也可进行适宜性分级评价。 u 生态地球化学综合指标评价：通过生态、地球化学特征及相关规律确定综合性指标来进行评价；综合指标可能并不直接显示生态性、地球化学特性和相互作用规律，表现形式可能是数值；一旦综合指标确定，则由于其数值性使得异常表达及区分非常方便和明了，特别有助于GIS技术的运用；但是综合指标的确认是一个复杂的过程，一般来说有：,第一步：确定地球化学生态效应因子 即明确生态效应的种类，如人体健康效应或是作物健康效应，找出影响生态效应因子的地球化学因子，如基岩类型、地貌类型、工作区不同介质中元素分布及元素组合等如何确定地球化学生态效应因子是实际工作中的难点。 第二步：分析地球化学的生态效应 地球化学环境与生态的相互作用过程，分析地球化学与生态效应的相关关系及并建立表达形式；该过程的实质是建立数学模型的过程，需要较高的生态地球化学理论、数学及计算技术的支撑。 如分析砷、钴、钾、锶、钒、钛、钼、锌等地球化学因子及其它环境因子（温度、雨量、降水pH值、植被覆盖率、多样性）对SARS的生态效应，利用模糊判别和逻辑信息方法获得数字性指标（表2.3）。,表2.3 生态环境特征因子综合得分,第三步：根据第二步取得的数据进行生态地球化学综合指标评价综合指标的确定 其方法有主成分法，人工神经网络法，模糊判别法，逻辑信息法，多元回归法，层次分析法，使用这些方法的基础是大量地球化学与生态因子数据的积累。,人工神经网络法（图2.7）是将已有的数据代入网络，利用相关计算机程序（如MatLab）或自己编程进行输入及输出的反复训练，通过不断调整网络层及神经元数量，在一定可信度约束之下，使训练结果逼近实际情况，获得神经网络模型，利用模型输出值作为生态地球化学综合评价指标。 开展生态地球化学综合指标评价的关键：影响因素的筛选（图）、因素数据的海量积累以及数学方法和计算机技术的运用，但有考虑因素多，相对符合实际、“一劳永逸”的效果。,图2.7.生态地球化学综合评价指标人工神经网络示意图,u 区域生态地球化学评价：根据区划理论和工作目的对不同的区域进行评价，涉及功能分区、行政分区等；如对农业区和城市生态地球化学评价。 226多目标应用理论 生态地球化学调查涉及与人类密切相关的多种介质，如土壤、水体、植物、动物等，同时还涉及地质、地理背景，其调查数据应成为一种基础数据，并能为多领域使用，在生态地球化学多目标应用理论的指导下，人们才可能考虑生态地球化学数据作为一种“产品”，提供多目标的应用；如通过数据的分析处理、与相关学科的解释评价和成图，可为解决环境、农业、林业、水产业、健康、建筑、城市发展等领域的一些重大实际问题提供研究线索和依据。实现生态地球化学调查结果的多目标应用，建立有效的数据管理系统，特别是元数据管理系统以及数据发布系统是关键。,元数据管理体系是生态地球化学调查数据应用的保障，元数据是数据的数据，描述数据的内容，质量，情况和其它特性等。 227 统一理论 生态地球化学调查涉及不同的圈层、介质、区域、时段等，而且调查主体具多样性特点，因此实现生态地球化学调查结果的归一化是使生态地球化学数据可利用性的关键；如何选择归一化方法则应是人们所要探讨的。,228 预警理论 预警是依据生态地球化学调查的结果对未来时段生态地球化学状况了解；预警依据涉及的对象分为多种类型：如依据时间，有分时预警；依据区域，有分区预警；依据介质，有介质预警；依据生态地球化学特征，有特征预警。 目前涉及生态地球化学的预警主要着眼于环境影响程度或质量指数，前者描述人类活动对环境生态因素影响，后者描述介质体受污染程度，表达的只是过去或现在的生态地球化学状况，依据现状推测未来，但对状况随时间或因素的演化规律涉及太少，因此不能说是真正意义上的预警，而依据生态地球化学演化规律实现的预警才是人们最为需要的预警。,预警理论涉及： 1）预警是对生态地球化学系统未来状态的评价； 2）生态、元素、环境因子的动态变化性使预警结果的动态性以真实反映环境状况； 3）系统状况随时间的演化性质（如元素的累积-化学定时炸弹）； 4）预警指标：环境影响（人为活动对生态地球化学系统的影响，如废水废物排放量）、环境影响强度，环境影响累积量；生态地球化学系统属性（质量，标准、容量），环境影响后果； 5）生态地球化学系统内各因子的相互作用规律的数学关系表达及获得预警参数； 6）预警等级（不良态，恶化趋势，恶化速度，临界点，灾变态等）。,229生态地球化学调查中应注意的原则 u 时态性原则：生态地球化学调查与传统的地球化学调查的主要区别体现在调查介质受时间影响明显，具有很强的时态特点（图2.8,2.9,2.10），因此开展生态地球化学调查应注意时态的影响，如同一介质（载体）的同时调查。,图2.8. JEROME 431-X型蒸气分析仪测量Hg气的示意图（M. Viladevall 1999）,图2.9.土壤Hg气的季节（2月与9月）性时态变化（M. Viladevall 1999）,u 统一原则：其实质是统一规范：包括网点部署、采样部位、采样时间、分析仪器、标样及流程、数据处理方法等方面的统一；已开展的生态地球化学调查已注意了该问题，如规范问题在在90年代初已列入国际地质对比计划 (IGCP-259计划；国际地球化学填图项目；IGCP-360计划；全球地球化学数据库与数字地球项目)中均有涉及；但在实践过程中均面临实施的困难，因此通过数据处理的归一化实现统一可能是值得探讨的领域。,图2.10. 不同年代香港城区和公园土壤中Cu, Pb, Zn 含量,