前 言 第一节 环境地球化学的概念与研究范畴 一、环境地球化学的一般概念 环境地球化学是二十世纪六十年代发展起来的一门新兴的交叉学科，是研究化学元素和微量物质在人类赖以生存的周围环境中的含量、分布和地球化学循环过程及其与人类健康的关系的科学。其主要任务是研究人类活动过程中与地球化学环境的相互作用。以地球科学为基础，综合研究元素、化合物在地－水－气－人环境系统中的地球化学行为，揭示人为系统干扰下区域及全球环境系统的变化规律，为资源合理开发利用，环境质量有效控制及人类生存、健康服务。环境有机地球化学是研究地表环境中有机物质（主要为微量有机污染物）的来源、分布、地球化学循环（迁移、转化与归宿），以及有关全球性和区域性环境问题的学科。它是环境地学和有机地球化学的一个重要分支。 环境与生态是一个统一的整体，环境地球化学研究离不开生物地球化学研究。严格的说，环境地球化学必须延伸到环境生物地球化学的领域。环境生物地球化学是一门研究生物—非生物复合系统中化学物质（包括营养物质，主要是针对污染物）的生物地球化学循环的基本过程（包括迁移、转化和保留等）与反应机制，及其从全球各个水平上进行宏观和微观调控的学科。 二、环境地球化学学科的特点 环境地球化学具有综合性、多样性、交叉性及实践性等特点。 综合性 环境地球化学来自于地球化学与环境科学的相互交融。以地球科学、环境科学及数学、物理、化学为理论基础，以技术科学和实验科学为学科支柱，并涉及到生物学、生态学、病理学等学科。 多样性 环境地球化学涉及到生物与非生物组成的复合系统，研究对象包括环境介质、污染物、动物、植物、微生物、人类等因素，及其它们之间的相互关系，因而，比任何单一的学科多更为多样、更为复杂。 交叉性 环境地球化学体现为多学科的交叉，如生态学与地球化学、环境科学与生物地球化学、环境地学与生物化学及分子化学的交叉。 实践性 该学科是为了解决全球或区域生态环境问题而设立的，因而有很强的针对性和实践性。 三、环境地球化学的发展历史 （一）世界环境地球化学发展阶段 二十年代早期人们就已经认识到微量元素与人类健康的关系，在自然科学的系统中，对地质环境的重视是从20世纪50年代开始的。环境地球化学的发展大致可分为以下几个阶段： 1．60年代环境地球化学发展的萌芽阶段 1965年，美国《地质时代》杂志首次使用了“医学地质”的概念，1969年美国地质调查所成立了环境地质组，随后日、法、德等国家的地质机构成立了专门的环境地质机构。在学术界相应的机构也迅速发展起来，如美国地球化学委员会下设了环境地球化学与健康分会。 2．70年代环境地球化学作为新兴的边缘学科取得进一步的发展 （1）召开国际性会议 1975年在加拿大召开了“环境生物地球化学讨论会”。 （2）学术活动频繁，出版物不断增加 美国70年代出版了几个版本的《环境地质学》、《环境生物地球化学》教材和专著。原苏联，1973年出版了《生物圈地球化学》，1975年出版了《环境环境地球化学》，标志着环境地球化学作为独立的学科的出现。 3．80年代是环境地球化学蓬勃发展、在理论上和解决实际环境生态科学问题上显示重要地位的阶段。 4．90年代环境地球化学在环境质量维护和改善、自然资源和合理开发利用，全球变化，农业生态保护及经济社会协调发展的环境决策等方面都发挥重大的作用的时期。 我国环境地球化学学科的发展历程基本上与国际同步： （1）长期以来，克山病、大骨节病等地方病威胁着人们的身体健康。60年代以来，地学研究者与医学工作者从地方病病区分布与环境条件出发，对上述疾病开展了大量的地质环境调查和地球化学研究； （2）1972年，中科院地化所编辑了不定期刊物—《环境地质与健康》。1973年在《环境地质与健康》集刊一号，涂光炽预言“70年代环境科学和生命科学将异军突起，并成为自然科学领域中生命力十分强大的新增长点，环境科学与地球化学相互渗透、将形成一个新的边缘交叉学科—环境地球化学” （3）随着环境地质地球化学学科的确立，1974年中科院地化所环境地质研究室正式成立（现成立了国家环境地球化学重点实验室）。 中科院地理所、长春地理所、环境化学所均开展了与环境地球化学相关的研究工作。北京大学、北京师范大学、浙江大学、华东师范大学均开展了环境地球化学的教学与科研工作。有计划地调查环境污染问题。 1973年由中科院地球化所牵头，由中国院地理所、北京大学、北京师范大学等联合开展了官厅水库洋河流域污染源调查。同时，“北京西郊环境污染调查与质量评价研究”项目开始组题并开展工作。 （4）1979年，中国矿物、岩石、地球化学学会设立了环境地质地球化学专业委员会，中国环境科学学会设立了环境地球化学与污染化学专业委员会，中国地理学会设立了化学地理专业委员会。1980年代初召开了全国性的环境地质地球化学学术会议。 我国环境地球化学研究现状 我国环境地球化学研究与国际学术界的发展基本上是同步的。随着环境污染和生态恶化的日趋严重，环境问题受到社会的广泛关注，80年代，保护环境被确定为我国的一项基本国策。 目前我国在区域环境研究（如区域环境分异、区域环境背景、区域环境效应、区域环境容量等）方面取得了一定的进展，在环境地球化学理论问题上的进展主要表现在以下几方面： （1）对环境介质中重金属和微量物质的含量水平、分布规律、赋存状态、运移特征、转化机制及其对生物学效应方面开展了大量的工作； （2）在土壤植物系统污染生态学研究中，地球化学物质和能量循环原理方面获得了新的发展，并在预防污染方面取得可喜的进展； （3）环境质量变异的地球化学原理获得进一步建立； （4）提出“环境界面地球化学”的概念。在区域性典型环境研究方面也取得一定的进展。 目前国内外环境污染状况：西方国家在治理环境污染的过程中，大致经历了重金属污染、易降解有机物与富营养化污染及毒害性有机污染三个阶段，目前已基本控制了第一、第二阶段的污染，并开始重视毒害性有机污染物的治理。我国对这方面的研究还处于理论准备阶段，但在经济发展较快的地区在第一、二阶段尚未控制之前又出现了第三阶段的污染，环境问题十分严重。 四、环境地球化学的研究范畴及其与其它学科的关系 （一）研究对象 研究对象为生物—非生物复合系统，包括生物与非生物两部分。其中非生物部分涉及到大气、水体、土壤（沉积物）等环境介质及其化学物质，生物部分包括动物、植物、微生物及人类等生命介质。 （二）研究内容 以生物—非生物复合系统中化学物质（尤其是化学污染物）的生物地球化学循环及其过程为主题。 环境生物地球化学的历史与进化 环境生物地球化学循环的过程与关键反应 生物地球化学循环涉及到诸如吸附与解吸、沉淀与溶解、络合与解络、生物合成与生物降解、吸收与排泄、风化与沉积、沉降与挥发等生物与非生物的全部过程及其化学反应。 生物地球化学循环的影响因素分析 生物地球化学循环的全部过程及其反应受到各种复杂的外界因素的影响。这些因素包括降水与气候、岩石与风化强度、生物作用、pH、Eh、有机质、铁氧化物、粘土含量、总铝、氯离子及其它化学元素及痕量有机化合物的浓度及其交互作用。 生物地球化学循环之间的耦合关系或交互作用 生物地球化学循环与污染物迁移及其特点 环境地球化学变化的生态效应 生物地球化学循环的调控与生态环境的修复、治理 生物地球化学循环的动态模拟与数学模型 毒害性有机污染物的地球化学基础研究包括：有毒有害有机物分布及地球化学行为，在水、大气、土壤中的来源、迁移、转化、归宿机制，以及它们与生物大分子（腐殖酸等）、金属元素的相互作用等，同时还包括在环境控制中的应用等（傅家谟，1996）。 （三）与其它学科之间的关系 环境地球以地球化学、地质学作为学科基础，与生态学交叉，在环境科学领域中形成独具一格的学科体系（图0－1）。  图0－1 环境地球化学与其它学科的关系 第二节 环境地球化学的原理与方法 一、环境地球化学的原理 整体相关原理 整体相关原理有两层含义：（1）指生物—非生物系统并不是生物分系统与非生物分系统的简单叠加，而是两个系统之间的一系列相互作用以及化学物质在这两系统之间的循环；（2）化学物质的环境生物地球化学循环把生物分系统与非生物分系统有机地联系起来，形成相互联系的复杂模式。 循环、再生与生物的富集放大原理 生物—非生物系统通过生物成分，一方面利用非生物成分不断合成新的物质，另一方面又把合成物质降解为原来的简单物质，归回到非生物组分中。但由于许多有机污染物在生物体内难以降解，而长期残留在生物体内，从而得到长期富集和放大。 2．时空分异原理 存在时间上和地域上的分异。地域分异是指生物—非生物系统在其生物学、地球化学、生态学和化学特征上存在地域差异，从而导致化学物质在地球化学循环上的区域分异。时间分异是指地球的不同演化阶段和不同时期的生物地球化学循环的内容是不同的（表0－1）。 表0－1 地球演化及生物地球化学循环发展历史  4．协调与优化原理 为了防止生物—非生物系统中各种化学物质的生物地球化学循环出现失调或产生对人类产生有害的循环。通过协调和优化，达到生物—非生物系统的可持续发展。 二、环境地球化学的研究方法 （一）分室模型法 是一种模拟生物圈内生物—非生物复合系统中所出现的一系列生物地球化学过程及其机理的宏观和微观相结合的方法。这里所指的分室包括大气分室、水分室、土壤分室及生物分室。 分室模拟的特点是把复杂的生物圈分解简化，从而阐明其中的物质（包括污染物）在生物—非生物复杂系统中迁移转化和循环的动力机制。 一般分室模型包括7个过程：（1）分室分析；（2）输入—输出设计；（3）模拟与定量化；（4）结构可变形检测；（5）参数估计；（6）可辨性监测；（7）模型的证实、认可与应用。 （二）化学动态方法 研究生物地球化学循环中化学物质的行为、生态条件和生物学效应等方面的化学动力学过程。化学物质行为包括：环境界面和化学平衡、非生物迁移和转化过程以及化学物质的环境归属三方面；生态条件是指生物圈及其各分室中物质与能量相互作用的综合和内部特征，包括pH、Eh和内外作用力。生物学效应是指化学物质与生命有机体组分相互作用产生诸如生物累积与放大乃至导致疾病的发生或中毒的现象与后果。 （三）系统动态方法 是一类按照系统动力学理论与原理分析系统，并建立动力学模型而借助计算机进行模拟的技术。 （四）化学分析法 目前主要包括常规化学分析、光谱分析、电化学分析、色谱分析等。 光谱分析主要有比色法、分光光度法、原子吸收分光光度法与荧光分析法等；电化学法主要有电位分析法和极谱分析法；色谱分析法主要包括气相色谱、高效液相色谱、离子色谱、薄层色谱、色质等方法，色谱法是分析诸如多环芳烃、多氯联苯和有机农药等有机污染物的重要手段。 （五）统计预测法 统计学方法可以基于对所获得的大量资料进行处理，对化学污染物质今后的迁移特点和分布规律做出预测。 主要参考书 杨忠芳等，1999，现代环境地球化学，地质出版社。 周启星等，2001，环境生物地球化学及全球环境变化，科学出版社。 戴树桂，1997，环境化学，高等教育出版社。 王焕校，2000，污染生态学，高等教育出版社。 徐晓白等，1998，典型化学污染物在环境中的变化及生态效应，科学出版社。 齐文启等，2001，痕量有机污染物的监测，化学工业出版社。