緒論

一、環(huán)境及全球環(huán)境問題；

二、環(huán)境地球化學(xué)的一般概念；

三、環(huán)境地球化學(xué)開展史；

四、我國(guó)環(huán)境地球化學(xué)研究現(xiàn)狀；

王、環(huán)境地球化學(xué)的開展趨勢(shì)及前景；

一、環(huán)境及全球環(huán)境問題

“環(huán)境”一般是指圍繞著人群的空間以及可以直接或間接影響人類生活和開展的各種旦蟹因蜜的

總體。（自然環(huán)境、社會(huì)環(huán)境、地球環(huán)境）

對(duì)于環(huán)境科學(xué)，環(huán)境是指人類生存的環(huán)境。地球化學(xué)研究的環(huán)境是指與人類環(huán)境密切相關(guān)的4個(gè)組

成要素：大氣圈、水圈、土壤-巖石圈和生物圈。

地球環(huán)境是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，它由大氣圈、水圈、土壤-巖石圈和生物圈所組成。在各圈層的內(nèi)部

以及圈層之間化學(xué)元素在不斷地演化、遷移和循環(huán),特別是在這些圈層的交界面上，元素之間的相互遷

移和轉(zhuǎn)化表現(xiàn)得更為明顯。（生物圈層）

人類與地球環(huán)境是組成該系統(tǒng)中的一對(duì)相互統(tǒng)一而又對(duì)立的矛盾雙方。自然環(huán)境決定包括人類在內(nèi)

的一切生物的發(fā)生和開展。同時(shí)，生物，特別是人類的生存和開展又不斷地影響著自然環(huán)境。因此，環(huán)

境地球化學(xué)既要重視根本上未受人類活動(dòng)影響的原生環(huán)境，又要重視經(jīng)過人類活動(dòng)改造了的次生環(huán)境。

環(huán)境問題又分原生環(huán)境（或第一類環(huán)境）問題、次生環(huán)境（或第二類環(huán)境）問題和社會(huì)環(huán)境（或第

三類環(huán)境）問題。原生環(huán)境（或第一類環(huán)境）是指地球自身形成過程及隨后的長(zhǎng)期地質(zhì)歷史中，在各種

地質(zhì)營(yíng)力作用下形成的自然環(huán)境，其根本的組成要素包括有天然的巖石、大氣、土壤、地表水、地下水

與植物等。這類環(huán)境的物質(zhì)成分特點(diǎn)和結(jié)構(gòu)特征是天然形成的，因此又稱作原生環(huán)境或第一環(huán)境。

原生環(huán)境（或第一類環(huán)境）問題是與人類活動(dòng)無關(guān)的，由自然界原來的環(huán)境給人類造成的，如許多

自然災(zāi)害是大自然活動(dòng)的結(jié)果；還有疾病的流行或某些地方性病的發(fā)生等。次生環(huán)境（或第二類環(huán)境）

即所謂人為成因的環(huán)境，是指人類生產(chǎn)活動(dòng)和社會(huì)生活對(duì)天然環(huán)境所引起的改造，使其原有的成份特點(diǎn)

和結(jié)構(gòu)特征發(fā)生了劇烈的、甚至質(zhì)的變化，形成與原來天然環(huán)境不完全同步的一種新的環(huán)境，即一般所

稱的污染環(huán)境亦即第二環(huán)境。

次生環(huán)境（或第二類環(huán)境）問題是由人類活動(dòng)引起的環(huán)境質(zhì)量變化，以及這種變化對(duì)人類生產(chǎn)、生

活和健康的影響問題。

社會(huì)環(huán)境問題是由丁社會(huì)結(jié)構(gòu)本身的不合理所造成的，如人口增長(zhǎng)、城市膨脹、科技和教育的結(jié)構(gòu)

不合理，以及經(jīng)濟(jì)開展不平衡帶來的社會(huì)結(jié)構(gòu)和社會(huì)生活問題。

上述三類環(huán)境問題往往是彼此聯(lián)系、不易分割的，尤其是討論全球環(huán)境問題時(shí)，不可能不涉及社會(huì)環(huán)境

問題。

2、全球環(huán)境問題

仝球環(huán)境問題是對(duì)全球產(chǎn)生直接影響的，或具有普遍性的，隨后又開展成為對(duì)仝球造成危害的環(huán)境

問題，也就是引起全球范圍內(nèi)生態(tài)環(huán)境退化的問題。這些問題包括：（1）全球變暖；（2）臭氧層破壞；（3）

酸雨；（4）淡水資源危機(jī)；（5）資源，能源短缺；（6）大氣污染；（7）土地荒漠化；（8）物種加速滅絕;

⑼垃圾成災(zāi)；（10）有毒化學(xué)品污染；

1〕地球變暖

科學(xué)研究說明，地球之所以能夠維持生命，就是因?yàn)樗峁┝司S持生命的條件一空氣、水和食品。

而這些又都與大氣有緊密的關(guān)系。空氣中的氧和二氧化碳是生物呼吸和光合作用的必需品。不僅如此，

含量?jī)H為空氣的萬分之三的二氧化碳及其他微量氣體，如甲烷、一氧化二氮、臭氧、氯氟垃等，由于其

“溫室效應(yīng)”，使地球保持適當(dāng)?shù)臏囟?，才使液態(tài)水得以存在，并為食品的生產(chǎn)提供了根本原料，從而

為生命的存在奠定了物質(zhì)根底。

圖0—1大氣中二氧化碳濃度的變化

全球二氧化碳的濃度已從1958年的314Ppm增加到1989年的349ppm,是目前大氣中溫室氣體濃度

最高，增溫作用最大的氣體。冰芯分析說明，19世紀(jì)后期大氣中二氧化碳濃度僅為260—280ppm。此外,

其他溫室氣體如甲烷、一氧化二氮等，濃度也在明顯增加。而且人類活動(dòng)還向大氣中排入了一些新的溫

室氣體，如氯氟燒等大氣中原本不存在的氣體，盡管它們?cè)诖髿庵械暮亢艿停捎谄淠暝鲩L(zhǎng)率高，

溫室效應(yīng)強(qiáng)（GWP）而倍受人們重視。

大氣中溫室氣體的增加，從而有可能引起全球增暖。觀測(cè)說明，1880年以來北半球地面平均溫度

升高了約C,雖然目前還不能識(shí)別這一全球增暖的現(xiàn)象中溫室氣體的奉獻(xiàn)有多大，但大多數(shù)科學(xué)家認(rèn)為

大氣中增加了的“溫室氣體”對(duì)全球平均溫度的增加是有促進(jìn)作用的。

由于人口的增加和人類生產(chǎn)活動(dòng)的規(guī)模越來越大，向大氣釋放的二氧化碳（C02）.甲烷（CHJ、一

氧化二氮（電0）、氯筑碳化合物（CFC）、四氯化碳（CC13一氧化碳（C0）等溫室氣體不斷增加，導(dǎo)致

大氣的組成發(fā)生變化。大氣質(zhì)量受到影響，氣候有逐漸變暖的超勢(shì)。由于全球氣候變暖，使極地冰川融

化，海平面每10年將升高6厘米，因而將使一些海岸地區(qū)被淹沒。全球變暖也可能影響到隱雨和大氣

環(huán)流的變化，使氣候反常，易造成旱澇災(zāi)害，這些都可能導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)發(fā)生變化和破壞，全球氣候變化

將對(duì)人類生活產(chǎn)生一系列重大影響。

表（）一1大氣中的主要溫室氣體

2〕臭氧層破壞

在離地球外表千米的大氣平流層中集中了地球上90%的臭氧氣體，在離地面26千米處臭氧

濃度最大，形成了厚度約為3亳米的臭氧集中層，稱為臭氧層。它能吸收太陽(yáng)的紫外線，以保護(hù)地球上

的生命免遭過量紫外線的傷害，并將能量貯存在上層大氣，起到調(diào)節(jié)氣候的作用。但臭氧層是一個(gè)很脆

弱的大氣層，如果進(jìn)入一些破壞臭氧的氣體，它們就會(huì)和臭氧發(fā)生化學(xué)作用，臭氧層就會(huì)遭到破壞。

3］酸雨

酸雨是指大氣降水中酸堿度（PII值）低于5.6的雨、雪或其他形式的降水。這是大氣污染的一種表

現(xiàn)。

4〕大氣污染

在干潔的大氣中，痕量氣體的組成是微缺乏道的。在一定范圍的大氣中，出現(xiàn)了原來沒有的微量物

質(zhì)，其數(shù)量和持續(xù)時(shí)間，都有可能對(duì)人、動(dòng)物、植物及物品、材料產(chǎn)生不利影響和危害。當(dāng)大氣中污染

物質(zhì)的濃度到達(dá)有害程度，以至破壞生態(tài)系統(tǒng)和人類正常生存和開展的條件，對(duì)人或物造成危害的現(xiàn)象

叫做大氣污染。造成大氣污染的原因，既有自然因素又有人為因素，尤其是人為因素，如工業(yè)廢氣、燃

燒、汽車尾氣和核爆炸等。

干潔空氣是指在自然狀態(tài)下的大氣（由混合氣體、水氣和雜質(zhì)組成）除去水氣和雜質(zhì)的空氣，其主

要成分是氮?dú)?，?8.09斬氧氣，占20.94%；氮，占0.93%；其它各種含量不到0.1%的微量氣體（如雙、

氨、二氧化碳、鈕）.

大氣污染的主要因子為懸浮顆粒物和有害氣體（一氧化碳、臭氧、二氧化碳、氮氧化物、硫氧化物、

鉛等）。5］水污染

“水污染”的定義：水體因某種物質(zhì)的介入，而導(dǎo)致其化學(xué)、物理、生物或者放射性等方面特征

的改變，從而影響水的有效利用，危害人體健康或者破壞生態(tài)環(huán)境，造成水質(zhì)惡化的現(xiàn)象稱為水污染

11984年公布的中華人民共和國(guó)水污染防治法）。

水的污染有兩類：一類是自然污染；另一類是人為污染。當(dāng)前對(duì)水體危害較大的是人為污染。水污

染可根據(jù)污染雜質(zhì)的不同而主要分為化學(xué)性污染、物埋性污染和生物性污染三大類。

6〕土地問題

（一）土壤污染

土壤污染：是指人類活動(dòng)所產(chǎn)生的污染物通過各種途徑進(jìn)入土壤，其數(shù)量和速度超過了土壤的容納

和凈化能力，而使土壤的性質(zhì)、組成及性狀等發(fā)生變化，使污染物質(zhì)的積累過程逐漸占據(jù)優(yōu)勢(shì)，破壞了

土壤的自然生態(tài)平衡，并導(dǎo)致土壤的自然功能失調(diào)、土壤質(zhì)量惡化的現(xiàn)象。

由于具有生理毒性的物質(zhì)或過量的植物營(yíng)養(yǎng)元素進(jìn)入土壤而導(dǎo)致土壤性質(zhì)惡化和植物生理功能失

調(diào)的現(xiàn)象。土壤處于陸地生態(tài)系統(tǒng)中的無機(jī)界和生物界的中心，不僅在本系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)行著能量和物質(zhì)的循

環(huán)，而且與水域、大氣和生物之間也不斷進(jìn)行物質(zhì)交換，?旦發(fā)生污染，三者之間就會(huì)有污染物質(zhì)的相互

傳遞。作物從上壤中吸收和積累的污染物常通過食物鏈傳遞而影響人體健康。

土壤污染物有以下4類：

①化學(xué)污染物：包括無機(jī)污染物和有機(jī)污染物。如重金屬，各種化學(xué)農(nóng)藥等；

②物理污染物：主要指固體廢棄物如尾礦、粉煤灰和工業(yè)垃圾等；

③生物污染物：指帶有各種病菌的城市垃圾和由衛(wèi)生設(shè)施〔包括醫(yī)院）排出的廢水、廢物以及廄肥

等；

④放射性污染物：主要存在于核原料開采和大氣層核爆炸地區(qū)，以鋁和鈾等在土壤中生存期長(zhǎng)的放

射性元素為主。

（二）土地荒漠化

1.定義

簡(jiǎn)單地說土地荒漠化就是指土地退化。1992年聯(lián)合國(guó)環(huán)境與開展大會(huì)對(duì)荒漠化的概念作了這樣的定

義：“荒漠化是由于氣候變化和人類不合理的經(jīng)濟(jì)活動(dòng)等因素，使干旱、半干旱和具有干旱災(zāi)害的半濕

澗地區(qū)的土地發(fā)生了退化。

2.影響

全球陸地面積占29.2%,其中沙漠和沙漠化面積又占了其中的25%.每年有600萬公頃的土地變成沙

漠。經(jīng)濟(jì)損失每年423億美元。全球共有干旱、半干旱土地50億公頃，其中33億遭到荒漠化威脅。

（三）水土流失

水土流失是指在水流作用下，土壤被侵蝕、搬運(yùn)和沉淀的整個(gè)過程。在自然狀態(tài)下，純粹由自然因

素引起的地表侵蝕過程非常緩慢，常與土壤形成過程處于相對(duì)平衡狀態(tài)。因此坡地還能保持完整。這種

侵蝕稱為自然侵蝕，也稱為地質(zhì)侵蝕。在人類活動(dòng)影響下，特別是人類嚴(yán)重地破壞了坡地植被后，由自

然因素引起的地表土壤破壞和土地物質(zhì)的移動(dòng)，流失過程加速，即發(fā)生水土流失.

二、環(huán)境地球化學(xué)的一般概念

環(huán)境地球化學(xué)作為環(huán)境科學(xué)與地球化學(xué)的一門交叉學(xué)科，在解決人類社會(huì)所面臨的環(huán)境問題、保持

可持續(xù)開展中起著越來越重要的作用。

1、定義：環(huán)境地球化學(xué)是研究與人類的生存和開展密切相關(guān)的元素在地球外圈層環(huán)境中的含量、分布、

形態(tài)以及遷移和循環(huán)規(guī)律的科學(xué)。同時(shí)，它還研究人類生產(chǎn)和消費(fèi)活動(dòng)造成對(duì)自然環(huán)境影響的上述地球

化學(xué)規(guī)律。

環(huán)境地球化學(xué)是研究化學(xué)元素和微量物質(zhì)在人類賴以生存的周圍環(huán)境中的含量、分布和遷移過程及

與人類健康關(guān)系的科學(xué)（楊忠芳等，1999）；

環(huán)境地球化學(xué)研究的環(huán)境，是指與人類生活密切相關(guān)的4個(gè)地球化學(xué)系統(tǒng)，即大氣系統(tǒng)、水系統(tǒng)、

土壤和生物系統(tǒng)、表層巖石圈系統(tǒng)。

2、環(huán)境地球化學(xué)與其它學(xué)科的關(guān)系

圖0—5環(huán)境科學(xué)的分支概況

圖0—6環(huán)境地球化學(xué)及其次級(jí)學(xué)科之間的關(guān)系

三、環(huán)境地球化學(xué)主要研究任務(wù)

環(huán)境地球化學(xué)的主要任務(wù)是研究人類活動(dòng)與地球化學(xué)環(huán)境的相互作用。它從地球環(huán)境的整體性和相

互依存性觀點(diǎn)出發(fā)，以地質(zhì)學(xué)為根底，綜合研究化學(xué)元素在地一水一氣一人環(huán)境系統(tǒng)中的地球化學(xué)行為,

揭示人為活動(dòng)干擾下區(qū)域及全球環(huán)境系統(tǒng)的保護(hù)規(guī)律，為資源開發(fā)利用、環(huán)境質(zhì)量控制及人類生存、健

康效勞。

1）環(huán)境中化學(xué)物質(zhì)的分布狀況與賦存狀態(tài)；

地殼深處或人工合成的化學(xué)物質(zhì)進(jìn)入地表環(huán)境后，經(jīng)地球內(nèi)、外營(yíng)力的共同作用，在地球外表的環(huán)境系

統(tǒng)中重新分配與重新組合。

2）元素的環(huán)境地球化學(xué)行為

研究對(duì)人類有益或有害元素以及生命元素的賦存規(guī)律、結(jié)合形態(tài)及其對(duì)人類健康的影響；

3）化學(xué)物在環(huán)境中的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律及其影響因素；

在不同環(huán)境條件下，各種化學(xué)物質(zhì)通過稀釋、擴(kuò)散等物理過程，氧化、更原、絡(luò)合、分解、聚合、

沉淀等化學(xué)過程及生物作用，在環(huán)境中發(fā)生移動(dòng)與形態(tài)變化。

4）環(huán)境中化學(xué)物質(zhì)對(duì)人類及動(dòng)、植物的影響；

人為釋放入環(huán)境中的物質(zhì)數(shù)量的變化可能打破原有的生態(tài)平衡，造成嚴(yán)重的污染，致使農(nóng)作物受害

減產(chǎn)，動(dòng)物中毒乃至死亡。如污染所產(chǎn)生的全球性的生態(tài)問題等。

5）地球化學(xué)演化與生命過程的關(guān)系；

通過宇宙元素、地殼元素和海洋的化學(xué)組成與生命元素間的關(guān)系研究目前環(huán)境中出現(xiàn)的某些元素過多或

缺乏可能引起的人體健康效應(yīng)及其防治對(duì)策。如甲基汞污染引起的水俁病；鎘污染產(chǎn)生的骨痛病，因自

然界碘缺乏或人體攝入過量碘產(chǎn)生的甲狀腺腫病以及高氟區(qū)引起的氨斑牙或氟骨癥等，均是較突出的例

子。

我國(guó)環(huán)境地球化學(xué)主要進(jìn)展：

1.從20世紀(jì)70年代以來，我國(guó)主要開展了環(huán)境地球化學(xué)與健康為主題的科學(xué)研窕；

2.特別是從“六五”方案起，?些全國(guó)范圍內(nèi)的根底性的包括環(huán)境地球化學(xué)在內(nèi)的綜合性環(huán)境科學(xué)

研究列入國(guó)家攻關(guān)工程，例如全國(guó)土壤背景值和長(zhǎng)江流域水體背景值的調(diào)杳的有組織地進(jìn)行；

3.對(duì)特定區(qū)域進(jìn)行的環(huán)境地球化學(xué)調(diào)查，指導(dǎo)科學(xué)施肥與農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)的提高；

4.多目標(biāo)地球化學(xué)填圖；

5.土地質(zhì)量評(píng)估；

四、我國(guó)環(huán)境地球化學(xué)研究現(xiàn)狀

80年代，環(huán)境保護(hù)被確立為我國(guó)的一項(xiàng)根本國(guó)策，全社會(huì)都關(guān)注著控制污染和保護(hù)生態(tài)環(huán)境的事業(yè)。

地球化學(xué)的根本原理和研究方法及工作手段被廣泛應(yīng)用于化境的科學(xué)調(diào)查和研究中，環(huán)境地球化學(xué)在以

下七個(gè)方面取得了研究進(jìn)展。

1區(qū)域環(huán)境分異的研究

區(qū)域性環(huán)境規(guī)劃是開展區(qū)域環(huán)境中協(xié)調(diào)資源開發(fā)、開展經(jīng)濟(jì)和改善環(huán)境的綱領(lǐng)。編制區(qū)域環(huán)境規(guī)劃

必須在環(huán)境目標(biāo)和環(huán)境內(nèi)容上與區(qū)域規(guī)劃協(xié)調(diào)，而區(qū)域環(huán)境地球化學(xué)分異特征正是區(qū)劃環(huán)境的重要根

底。

為了從區(qū)域整體上保護(hù)和改善環(huán)境質(zhì)量，80年代初進(jìn)行了京津渤區(qū)域環(huán)境綜合研究，著重探索區(qū)域

內(nèi)環(huán)境物質(zhì)運(yùn)移和凈化關(guān)系。通過分析自然環(huán)境特征和承載能力，說明了該環(huán)境區(qū)域的控制因素及凈化

功能，提出了環(huán)境保護(hù)分區(qū)，說明了環(huán)境污染過程及環(huán)境質(zhì)量狀況，提出了區(qū)域環(huán)境的對(duì)策建議。

另外研究還說明，黃土地球化學(xué)具有明顯的分帶性特征。這種分異規(guī)律不僅在認(rèn)識(shí)黃土堆積和次生

環(huán)境變化上具理論價(jià)值，而且在黃土區(qū)域農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人體健康的環(huán)境評(píng)價(jià)方面具重要理論意義。

2區(qū)域環(huán)境背景研究

為了評(píng)價(jià)人為經(jīng)濟(jì)社會(huì)對(duì)■環(huán)境地球化學(xué)平衡關(guān)系的影響程度，必須了解不同區(qū)域、不同環(huán)境介質(zhì)中

化學(xué)元素及化學(xué)物質(zhì)的背景濃度水平。因而以地球化學(xué)背景為根本概念，適應(yīng)于環(huán)境學(xué)科開展所需要的

“環(huán)境背景值”的調(diào)查和研究成為80年代的熱點(diǎn)。

環(huán)境背景系指沒有受到人類活動(dòng)干擾的自然狀態(tài)。環(huán)境背景數(shù)據(jù)主要有環(huán)境本底值、環(huán)境背景值和

環(huán)境基線值。

環(huán)境本底值是指未受到人類活動(dòng)影響的自然環(huán)境物質(zhì)的組成量。在人類的長(zhǎng)期活動(dòng)，特別是當(dāng)今頻

繁的社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)影響下，自然環(huán)境的原始狀況早已不更存在。因此，自然環(huán)境要素質(zhì)量參數(shù)的本底值

的實(shí)際含義應(yīng)該是環(huán)境要素質(zhì)量的背景值。

環(huán)境背景值是以一個(gè)區(qū)域內(nèi)相對(duì)清潔地區(qū)監(jiān)測(cè)所得到的質(zhì)量參數(shù)的統(tǒng)計(jì)平均值作為該區(qū)域各質(zhì)量

參數(shù)的背景值。所謂相對(duì)清潔區(qū)是指受人類活動(dòng)干擾較小、較為原始的自然環(huán)境狀況的地區(qū)。

環(huán)境基線值是在對(duì)一個(gè)區(qū)域進(jìn)行口常監(jiān)測(cè)或以環(huán)境評(píng)價(jià)為目的的監(jiān)測(cè)調(diào)查時(shí)所要獲取的該地區(qū)各

個(gè)局部環(huán)境質(zhì)量參數(shù)的實(shí)際值。這樣取得的質(zhì)量參數(shù)值稱為現(xiàn)狀基線值，也即作為該區(qū)域環(huán)境質(zhì)量變化

的參照系。

土壤的環(huán)境背景值一般是指某一特定區(qū)域而言的，亦稱為區(qū)域土壤環(huán)境背景值，是指一定區(qū)域內(nèi)，

在遠(yuǎn)離工廠、城鎮(zhèn)和道路，無明顯污染，歷史上也沒有受到過污染地區(qū)的土壤中一些化學(xué)元素和化合物

的含量。

3區(qū)域環(huán)境效應(yīng)的研究

地方性分布的疾病是典型的環(huán)境效應(yīng)。研究地方病的環(huán)境病因是我國(guó)環(huán)境地球化學(xué)研究的重要領(lǐng)

域。我國(guó)環(huán)境工作者對(duì)克山病、大骨節(jié)病、地方性氟中毒、地方性甲狀腺腫等疾病環(huán)境地球化學(xué)病因研

究的進(jìn)展，而且對(duì)伽師病、地方性珅中毒、肝癌、肺癌、宮頸癌、鼻咽癌、食管癌、腸癌等地方性或局

域性高發(fā)疾病的環(huán)境地球化學(xué)病因進(jìn)行了探索，揭示了許多有意義的現(xiàn)象。

4區(qū)域環(huán)境容量的研究

區(qū)域地球化學(xué)分異導(dǎo)致同一種化學(xué)元素或污染物在不同區(qū)域生態(tài)效應(yīng)的差異。這就意味著不同地球

化學(xué)環(huán)境類型的環(huán)境介質(zhì)中，允許存在的污染物的臨界數(shù)量不盡一樣。

土壤環(huán)境容量是在一定區(qū)域與一定時(shí)限內(nèi)，遵循環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，既保證農(nóng)產(chǎn)品生物學(xué)質(zhì)量，也不使

環(huán)境遭致污染時(shí)，土壤所能容納污染物的最大負(fù)荷量。

以往污染物的控制多是以濃度控制的方法。如污染物的排放是按一定的容許濃度標(biāo)準(zhǔn)來限制的.但

這種標(biāo)準(zhǔn)只限制了污染物排放的濃度，而沒有限制其排放的數(shù)量。而且就污染物的不同排放區(qū)域而言，

這種標(biāo)準(zhǔn)的限制方法，也未考慮到不同區(qū)域各異的凈化能力和容納能力。因此，污染物的排放除了要到

達(dá)容許的濃度標(biāo)準(zhǔn)外，還要把某一區(qū)域污染源排放到該區(qū)域環(huán)境中的污染物總量限制在一定數(shù)量之內(nèi)，

這個(gè)數(shù)量即為“環(huán)境容量”。

5環(huán)境地球化學(xué)理論問題的探索

①對(duì)環(huán)境介質(zhì)中重金屬和微量物質(zhì)的含量水平、分布規(guī)律、賦存狀態(tài)、運(yùn)移特征、轉(zhuǎn)化機(jī)制及其對(duì)

生物學(xué)效應(yīng)開展了大量的研究，并在認(rèn)識(shí)環(huán)境質(zhì)量、控制環(huán)境污染等方面發(fā)揮了積極作用。

②土壤一植物系統(tǒng)污染生態(tài)學(xué)的研究中，地球化學(xué)物質(zhì)和能量循環(huán)原理獲得了新的開展，并在防治

污染方面取得了可喜的的進(jìn)展。

③環(huán)境質(zhì)量變異的地球化學(xué)原理獲得了進(jìn)一步確立。環(huán)境質(zhì)量的變化在很大程度上受環(huán)境物質(zhì)組

分的制約。用地球化學(xué)原理說明環(huán)境質(zhì)量形成、變化，并提出和總結(jié)環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)的原理和方法。

④“環(huán)境界面地球化學(xué)”的提出。在各環(huán)境宿體的界面及界面附近，發(fā)生著重要的物理、化學(xué)和

生物反響，進(jìn)行著頻繁的物質(zhì)交換和物質(zhì)輸送過程，存在著特異的地球化學(xué)平衡關(guān)系。近代地球化學(xué)的

開展，已經(jīng)較多地注意到環(huán)境界面作用。

⑤核素示蹤技術(shù)在環(huán)境地球化學(xué)領(lǐng)域獲得了廣泛地應(yīng)用C環(huán)境中的放射性核素具有的輸入函數(shù)和

衰變美系，提供了示蹤地球化學(xué)過程的可能性。我國(guó)利用環(huán)境核素示蹤技術(shù)在環(huán)境物質(zhì)的累積、交換、

遷移及混合作用方面取得了長(zhǎng)足的進(jìn)展。

6區(qū)域性典型環(huán)境研究

沙化、石化、土質(zhì)退化、降水酸化、水源惡化是我國(guó)當(dāng)前面臨的幾個(gè)典型的區(qū)域性環(huán)境M題。這些

問題直接威脅著經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)開展和人民生存的根本條件。尋找解決上述問題的對(duì)策途徑是生態(tài)環(huán)境科

學(xué)領(lǐng)域眾多分支學(xué)科的共同任務(wù)，也是環(huán)境地球化學(xué)的重要任務(wù)。

7過去全球變化中環(huán)境信息的提取

過去全球歷史演變有地質(zhì)和地球化學(xué)的記錄，提取這些記錄揭示其對(duì)地球未來的意義，并為評(píng)價(jià)現(xiàn)

今的環(huán)境提供對(duì)照的基準(zhǔn)。IGBP自1988年建立并開展工作以來，調(diào)動(dòng)世界各國(guó)科學(xué)家開展多學(xué)科的國(guó)

際協(xié)作，研究過去全球變化的海洋記錄和陸地記錄，系統(tǒng)研究15萬年以來全球環(huán)境變化的地質(zhì)地球化

學(xué)記錄，特別加強(qiáng)研究2000a以來的地球歷史，以重建過去2000a全球氣候和環(huán)境變化的詳細(xì)歷史（時(shí)

間分辨率應(yīng)到達(dá)la）。在對(duì)過去歷史的研究中，樹輪、湖泊沉積物、海洋沉積物、冰巖心、黃土剖面、

古土壤、沉積巖層、泡粉及火山灰等可以提供豐富的環(huán)境演變信息。

五、環(huán)境地球化學(xué)的研究方法和手段

環(huán)境地球化學(xué)的研究方法通常有兩種：現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查研究法和實(shí)驗(yàn)室模擬試驗(yàn)研究法。

在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查研究方面，科學(xué)地確定取樣地點(diǎn)最為重要。采樣點(diǎn)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(diǎn)，通常采用共輾布點(diǎn)法。

所謂共軻布點(diǎn)法就是同時(shí)對(duì)各種有關(guān)連的環(huán)境要素進(jìn)行比照取樣分析。如在研究風(fēng)化殼的化學(xué)成分

時(shí)，同時(shí)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(shí)，同時(shí)采集生長(zhǎng)在這種

上壤上的植物樣品進(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。

現(xiàn)場(chǎng)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。因此必須在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行簡(jiǎn)單的或復(fù)雜的模擬實(shí)驗(yàn)，即在人工設(shè)計(jì)的環(huán)境中進(jìn)行某一過程的觀

測(cè)研究。設(shè)計(jì)時(shí)所采用的環(huán)境參數(shù)既要服從實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，又要盡可能接近環(huán)境的實(shí)際情況。環(huán)境地球化學(xué)

的研究手段

經(jīng)常采用的有下面幾種：

①比照研究法。為確定一個(gè)地方病病區(qū)環(huán)境化學(xué)組成的變異需要和非病區(qū)比照；為確定某一地區(qū)的污染

狀況，需要和清潔對(duì)照區(qū)比照等等。

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(yùn)動(dòng)的各個(gè)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(shí)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(chǎng)、海平面和太陽(yáng)活動(dòng)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(shí)間分辨率。有目的地研究這些檔案材料，可提取出過去環(huán)

境變化的珍貴信息。

④測(cè)年技術(shù)。為了解環(huán)境地球化學(xué)過程在時(shí)間上的變化，需要引進(jìn)各種測(cè)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(cè)年法，如碳-14法、鉛-210法等。

⑤環(huán)境地球化學(xué)制圖法。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(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

⑥同位素示蹤方法。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(shí)驗(yàn)?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。六、環(huán)境地球化學(xué)的開展

趨勢(shì)及前景

■環(huán)境地球化學(xué)以地球化學(xué)、地質(zhì)學(xué)為學(xué)科根底，與生態(tài)學(xué)交叉，在環(huán)境科學(xué)體系中形成「獨(dú)具一格的

學(xué)科內(nèi)容。

■認(rèn)識(shí)地圈一氣圈一水圈一生物圈各個(gè)子系統(tǒng)之間的相互關(guān)系；認(rèn)識(shí)地球環(huán)境的總體性和榨互依存性;

從環(huán)境的自然演化與人為影響上認(rèn)識(shí)環(huán)境變化的誘發(fā)因子；認(rèn)識(shí)區(qū)域環(huán)境變化、環(huán)境質(zhì)最影響及全球

變化：

環(huán)境地球化學(xué)在許多領(lǐng)域發(fā)揮著越來越重要的作用，主要表現(xiàn)在以下方面：

1）地球化學(xué)敏感及生態(tài)脆弱地區(qū)的風(fēng)化淋溶；

2）過去全球變化研究中氣侯信息的提出；

3）地一氣界面碳、硫及大氣圈飄塵的釋放以及環(huán)境地球化學(xué)行為：

4）環(huán)境微量物質(zhì)與人體健康和生態(tài)效應(yīng)的關(guān)系；

5）地球化學(xué)環(huán)境信息系統(tǒng)模型和模擬；

6）地球環(huán)境的地史演化等方面；

第一章地球環(huán)境的演化和特征

第一節(jié)地球的圈層結(jié)構(gòu)

一、內(nèi)部圈層

圖1—1地球的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

地核為固體，主要成分是鐵一銀合金；

地幔為固體，地?？拷貧さ膶用嬗幸粚榆浟魅Γń茲{糊）；地幔的物質(zhì)成分主要是硅酸鹽類，鐵鎂

是硅酸鹽類物質(zhì)中含量較多的化學(xué)元素。

地殼厚度相對(duì)于整個(gè)地球來說，相當(dāng)于雞蛋皮：大陸40——50km,成分：Na,K,Ca,SixAlyOz^,主

要形式花崗巖；大洋：6-----8km,成分：Mg,Na,K,SixAlQ,鹽，主要形式玄武巖。

表1—1地球的內(nèi)部圈層結(jié)構(gòu)劃分及特征

莫霍界面（平均地下17Km）,古登堡界面（地下平均2900Km）

二、外部圈層：

外部圈層包括大氣圈、水圈、生物圈等，這些圈層之間相互聯(lián)系、相互制約，形成人類賴以生

存和開展的自然環(huán)境。

大氣圈包圍著地球，是由氣體和懸浮物組成的復(fù)雜系統(tǒng)，它的主要成分是氮和氯。它是地球自

然環(huán)境的重要組成局部。

水圈是由地球表層水體構(gòu)成的連續(xù)但不規(guī)那么的圈層，它包括地表水、地下水、大氣水、生

物水等。水圈的水處于不間斷的循環(huán)運(yùn)動(dòng)之中。

生物圈是地球表層生物及其生存環(huán)境的總稱。它占有大氣圈的底部、水圈的全部和巖石圈的上

部。它是大氣圈、水圈和巖石圈相互滲透、相互影響的結(jié)果。

圖1一3地球的圈層結(jié)構(gòu)示意圖

地殼中元素的含量極不均勻，豐度最大的是元素氧［46.6%）o將各種元素按克拉克值遞減的順序排

列，可以看到前三種含量最多的元素〔氧、硅、鋁）的含量占82.4%；前8種元素（氯、硅、鋁、鐵、

鈣、鈉、鉀、鎂）的含量占98.6%；而余下的84種元素的總含量?jī)H占地殼總重量的1.4%。

元素在地殼中的存在形態(tài)大體上可分為四類：氧化物、硫化物、自然元素和類質(zhì)同象混入物。

將地殼、地球和太陽(yáng)系中豐度最大的元素按豐度順序加以比照，即可發(fā)現(xiàn)它們之間也存在明顯的差

異：

太陽(yáng)系：H>He>0>Ne>N>C>Si>Mg>Fe>S

地球：Fe>O>Mg>Si>S>Ca>AI>Co>Na

地殼：O>Si>AI>Fe>Ca>K>Mg>Ti>H

類質(zhì)同象：是指某種物質(zhì)在?定的外界條件下結(jié)晶時(shí)，晶體中的局部質(zhì)點(diǎn)被體系中的其他質(zhì)點(diǎn)（原子、

離子、絡(luò)離子J所占據(jù)，只引起晶體常數(shù)的微小改變，但晶體構(gòu)造類型、化學(xué)鍵類型、離子止負(fù)電荷的

平衡保持不變或幾乎不變的現(xiàn)象，稱為類質(zhì)同象。被置換而進(jìn)入晶格的物質(zhì)稱為類質(zhì)同象混合物。

殼豐度稱克拉克值（clarke）,指元素在地殼中的重量百分含量。地殼元素豐度是重要的地球化學(xué)根底數(shù)

據(jù)，它標(biāo)志地殼做為一個(gè)地球化學(xué)系統(tǒng)化學(xué)成分的總特征，決定了地殼中發(fā)生的各種地球化學(xué)作用的背

景，也提供了一個(gè)衡量元素集中分散變化程度的標(biāo)尺。

第二節(jié)大氣圈

大氣圈的厚度大約在200（）—3（）0（）km。大氣的成分和物理性質(zhì)在垂直方向上有明顯的差異，據(jù)此可

按大氣在各個(gè)高度的特征分成假設(shè)干層次。常用的分層法包括：①按溫度垂直變化的特點(diǎn)分為對(duì)流層、

平流層、中間層、暖層（電離層）和散逸層（外層）；②按大氣成分結(jié)構(gòu)分為均質(zhì)層和非均質(zhì)層；③按壓力

特征可分為氣壓層和外大氣層（散逸層）；④按電離狀態(tài)分為中性層、電離層和磁層。此外，還有由特殊

的大氣化學(xué)成分組成的臭氧層。

二、大氣的組成

包括干潔空氣、水汽、固體雜質(zhì)和大氣污染物。

大氣蛆成天氣中的平均濃度有壞

z10*

N78.09780&W生物和今生物

O：20.94209460生物和鐸生物

Ar01939340無

CO、0.033331生物活動(dòng)和人類活動(dòng)

Ne-18無

He-5.2無

Kr―1.0無

Xe-0L08無

-0.5生物活動(dòng)和化學(xué)活動(dòng)

H2

CH,-1.5生物活功和化學(xué)活動(dòng)

CO-0.1生物活動(dòng)和化學(xué)活動(dòng)

NO-0L25生物活動(dòng)和化學(xué)活動(dòng)

o,-O.L0.01化學(xué)過程

表1—3大氣的組成

三、大氣起源及化學(xué)成分的演化

現(xiàn)今地球大氣圈的成分在太陽(yáng)系中是獨(dú)一無二的。許多學(xué)者認(rèn)為，地球的原始大氣成分與我們鄰近

行星大氣的成分沒有很大差異，而現(xiàn)在的大氣那么是4.5Ga以來隨著地球的形成而不斷演變的結(jié)果。這

種演變?cè)诔跗谥饕Q于地球內(nèi)部不斷釋放出的氣體（地球的排氣作用），此后那么主要取決于地球生物

圈的開展。

地球上的惰性氣體比宇宙中的惰性氣體貧10-7到10-11倍.推測(cè)原始大氣似乎被熾熱的地球驅(qū)散了.

因此，現(xiàn)在談的原始大氣實(shí)際上是一種次生大氣，其成分來自地球內(nèi)部，由地球形成初期火山活動(dòng)釋放

出來的氣體所組成，主要有H2>水蒸汽（H2O）、CO、CO2>H2S^N2>CH4>NH3、HF、HCkAr

等。

這種原始大氣是一種復(fù)原的大氣，據(jù)推測(cè)，這種復(fù)原狀態(tài)很可能在地球歷史的最初2.5Ga期間一直

保持著；在此期間，像黃鐵礦和瀝青鈾礦（在氧化環(huán)境中它們?cè)跓釀?dòng)力條件下是不穩(wěn)定的）等獷物富集在

太古代一元古代碎屑中。

在了解大氣的演化時(shí)，必須注意含氧大氣的成因和演化，即由復(fù)原大氣向氧化大氣的轉(zhuǎn)化。因?yàn)樗?/p>

對(duì)地球上生命物質(zhì)的發(fā)生和開展起著決定性作用。由于巖石圈中明顯缺氧，地殼和地幔的排氣作用不可

能為大氣-海洋體系提供分子氧。因此，必須尋求非地質(zhì)作用的氧源一氣態(tài)氧化物。太陽(yáng)輻射可以為

這一作用提供最方便的能源。

大氣中02的出現(xiàn)終究是光化學(xué)作用的結(jié)果，其中雖然有人認(rèn)為無機(jī)光化學(xué)作用也可以生成02,但

其所生成的02量太少。這一作用是由波長(zhǎng)為150—210nm的太陽(yáng)高能輻射對(duì)大氣上層中的水蒸汽的光

解反響，其分解產(chǎn)物即為氧和氫。由于較輕的氫可以擺脫地球引力場(chǎng)而逸人太空，所以這一過程將導(dǎo)致

氧在大氣圈中的聚集，但是其數(shù)量甚少，每年約為200Gg,與目前氫向宇宙空間的逸失率相當(dāng)，此數(shù)值

與氧在生物循環(huán)中的轉(zhuǎn)換率10*g/a相比是微乎其微的。

由于無機(jī)造氧作用非常微強(qiáng)，所以大量游離氧的發(fā)生一定是與有機(jī)光化學(xué)作用的存在有關(guān)；在有機(jī)

光化學(xué)作用中，生物介質(zhì)將C02復(fù)原為碳?xì)浠衔?。其方式是通過綠色植物和某些藍(lán)綠藻（Cyanophyte）

的光合作用。這些生物能利用CO2和水合成出有機(jī)物質(zhì)，同時(shí)將分子氧當(dāng)作新陳代謝的副產(chǎn)物釋放出

來。

現(xiàn)代大氣圈的主要成分是N2和。2,而據(jù)研究，地球早期大氣圈的主要成分是CH4和H2。這說明

自地球形成以來，大氣圈的組分經(jīng)歷了一個(gè)緩慢的但是極為明顯的演化過程.

大氣化學(xué)成分的演化，與地球的演化和生命的形成有著密切的關(guān)系。據(jù)Horne研究，地球大氣圈的

演化，經(jīng)歷了如圖1—5所示的三個(gè)主要階段。

在地球形成階段，許多揮發(fā)性物質(zhì)逃逸出地球引力場(chǎng)。一般認(rèn)為，此階段地球上不存在大氣圈與水

圈。隨著地球冷卻，由火山活動(dòng)從地球內(nèi)部噴出的氣體和液體可能在地球外表保存，但由于比時(shí)熔融態(tài)

金屬鐵尚未移向地核，噴出來的火山氣體與零價(jià)鐵處于平衡中。在此情況下，強(qiáng)氧化性氣體02與金屬

鐵反響被復(fù)原，Holkmd（1966）曾應(yīng)用熱力學(xué)參數(shù)估算，此階段火山氣體中的雙原子氧的分壓，只及現(xiàn)代

大氣氧的10-12o平衡計(jì)算說明此階段火山氣體的主要成分可能是H?、H，0和C0,次要成分是CO?、

N2：和H2S。這些氣體一抵達(dá)地表，即被迅速冷卻，大局部水汽凝結(jié)形成水圈，只有少局部水汽殘留在

大氣中。碳的氧化物被H2復(fù)原為CH’。

雙原子氮局部地被復(fù)原為NH3,這樣就形成了第一階段的大氣圈的組分。

隨著地球的分異，金屬鐵逐步移向地核，由地球內(nèi)部噴出的氣體不再與金屬鐵接觸，使大氣圈成分

的氧化性稍有增高。此階段火山噴出的主要?dú)怏w可能是H2O、C02和S02以及少量的N2與H2（與現(xiàn)代火

I」氣體成分差異很小）。上述三種氣體進(jìn)入地表后，迅速被從大氣中除去。水汽繼續(xù)被凝結(jié)到海洋中，

酸性氧化物CO2和S02與相對(duì)堿性的巖石圈礦物發(fā)生反響：隨著H2分壓的降低，復(fù)原性化合物如CH4、

NH3等開始被氧化，此時(shí)游離的數(shù)量雖有所增加，但仍然是大氣中的次要成分。只有N2,由于其化

學(xué)惰性開始積蓄起來，成為大氣中的主要組分。

這一階段，生物有機(jī)體開始出現(xiàn)在狹窄的水體或大海邊緣。由于沒有足夠的氧，有機(jī)體在缺氧的條

件下，利用C02創(chuàng)造出碳水化合物與蛋白質(zhì)，同時(shí)開始了光合作用，生成02。所生成的02繼續(xù)作用于

巖石圈（使Fe2+變成Fe3+）而不能積累。但此時(shí)大氣圈的性質(zhì)已開始由復(fù)原性向氧化性過渡。

第三階段中大氣組成的形成與生命的形成，和平流層臭氧的生成密切相關(guān)。在臭氧層形成以前，整

個(gè)地球受到高能量光子的照射，生物分子很難形成。如波長(zhǎng)為2000埃的光子其能量為9.93X10」9焦耳。

遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于大局部化建斷裂所需要的能量（6.95X1019焦耳/鍵）。

臭氧層形成前，生命分子居于水下，光合反響進(jìn)行得很有限。臭氧層形成后能吸收波長(zhǎng)小于3400

埃的輻射，形成了對(duì)生命分子有保護(hù)作用的屏蔽層，使有機(jī)體有了更廣闊的生存空間一一陸地。由光合

作用生成的。2大大地增多了，從而形成了以N2和為主要成分的現(xiàn)代大氣圈。

四、低層大氣主要組分的地球化學(xué)循環(huán)

1、氧循環(huán)

大氣圈中的儲(chǔ)量大致為3.8X10?摩爾.光合作用釋放的。2，是大氣中。2的最主要來源，其

中絕大局部來自海洋植物。大氣圈的02是強(qiáng)氧化劑，當(dāng)其與各種環(huán)境物質(zhì)接觸時(shí)是不穩(wěn)定的。大氣圈

中的O?為三組作用所消耗：（1）有機(jī)質(zhì)（包括含于古代沉積物中的煤和石油）的氧化作用；（2）復(fù)原性無機(jī)

物質(zhì)的氧化作用，如由于侵蝕作用而暴露于地表的含F(xiàn)e2?礦物以及火山活動(dòng)噴出的復(fù)原性氣體，均可被

02所作用：（3）現(xiàn)代有機(jī)物質(zhì)的氧化作用，如土壤中植物的分解作用和呼吸作用。最后一種作用統(tǒng)稱為

有機(jī)質(zhì)的氧化分解作用，所消耗的02量最多，幾乎接近于光合作用所生成的02的數(shù)量。

人們?cè)P(guān)心一個(gè)問題，即由于人類的經(jīng)濟(jì)活動(dòng)，如大量砍伐森林和有毒化合物危害藍(lán)綠藻的生長(zhǎng)（減

少氧氣的制造）以及工業(yè)燃料迅速增長(zhǎng)（增加氧氣的消耗），是否會(huì)破壞大氣中O2的平衡，即是否會(huì)產(chǎn)生

全球性的缺。2問題。有人估計(jì)按現(xiàn)代工業(yè)的耗氧速度，人類可在數(shù)十萬年內(nèi)將大氣圈中的氫耗盡。然

而這樣的估算是不正確的，因?yàn)榈貧ぶ袃?chǔ)藏的燃料數(shù)量是有限的，目前的燃料耗氧速度不會(huì)無限地增加

下去。另外，同1910年以來，對(duì)空氣中02含量的準(zhǔn)確觀測(cè)（誤差不超過0.06%）說明，（表1—5）近50

年來空氣中02的含量實(shí)際上沒有變化。美國(guó)麻省理工學(xué)院的一項(xiàng)專門研究報(bào)告（1970）曾指出，按當(dāng)前的

工業(yè)化速度，即使再增加幾倍，在幾千年內(nèi)大氣中的氧不會(huì)構(gòu)成為一個(gè)問題。

圖1一6大氣圈中氧的循環(huán)

表1—5大氣中氧的含量

2、氮的循環(huán)

作為大氣圈最主要組分的N2的行為極為復(fù)雜（圖4,10,R.A.Rais-well,1980）o氮的行為所以很復(fù)

雜，與它的氧化數(shù)的范圍很寬有關(guān)。氮的氧化數(shù)有一3（如NH。、0（如N2）、十1（如N2。）、十3（如NO2

一）和十5（如NO3一），而氧只有兩種氧化數(shù):0（如02）和一2（婦為了使氮的循環(huán)圖式簡(jiǎn)明醒目,

作適當(dāng)?shù)臍w并是必要的。通常把大氣圈中氮的化合物歸為兩類;一類其氧化數(shù)大于十1小于一1（如NH3、

NH4\NO2）;另一類其氧化數(shù)為?；?1（如N2、N2O）巖石圈和水圈中氮的化合物，通常被區(qū)分為有

機(jī)氮化合物和無機(jī)氮化合物。

圖1—7氮的循環(huán)圖

氮的循環(huán)盡管較復(fù)雜，但可歸結(jié)為以下四個(gè)方面的過程：

（I）無機(jī)化過程（又稱礦質(zhì)化過程）一一有機(jī)氮向無機(jī)氮轉(zhuǎn)化的過程；如：

（2）固氮過程一一大氣中的N2轉(zhuǎn)化為有機(jī)統(tǒng)購(gòu)過程，如：

（3）同化作用一一無機(jī)氮轉(zhuǎn)化為有機(jī)氮的過程，如：

（4）脫氮作用一一無機(jī)氮轉(zhuǎn)化為大氣N2的過程，如：

3、大氣中的CO?

地球外表的游離CO2與游離N2和游離02,在地球化學(xué)方面的主要差異是，后兩者的質(zhì)量絕大局

部存在于大氣中，而游離CO2大約只有2%的質(zhì)量存在于大氣中，其余98%溶于世界海洋中。大氣圈

與水圈的CO2處于不斷的交換之中。由于CO2在高緯冷海水中的溶解度而于其在熱帶海水中的溶解度，

所以世界寒冷地區(qū)的海洋像抽水機(jī)一樣，不斷地抽吸大氣中的CO2,被抽吸的CO2隨深層海流帶至熱

帶地區(qū)排入到大氣中，使得熱帶地區(qū)大氣中的CO2分壓高于高緯度地區(qū)。

大氣中CO2的另一地球化學(xué)特點(diǎn)是，與生命物質(zhì)處于不斷的交換之中。綠色植物通過光合作用吸

收大氣因的CO2。從總體上看，生物圈每年從大氣圈中吸收C.15X10"摩爾的CO2,平均滯后20年，

再通過有機(jī)質(zhì)的分解作用返回大氣圈。此過程可概括為CO2—CH0H—CO2或CO2生命物質(zhì)。

有人將這個(gè)平衡循環(huán)稱為生命循環(huán)。

圖1一8CO2的循環(huán)圖

前面曾提到，按當(dāng)前的工業(yè)燃料耗氧速度，即使再增加幾倍，在幾千年內(nèi)大氣中的02不會(huì)構(gòu)成為

一個(gè)問題。而C02的情況那么完全不同。近20多年來的測(cè)量說明，由于工業(yè)燃料燃燒，大氣中C02的

平均含量已有提高。如在夏威夷群島某一偏遠(yuǎn)地區(qū)，大氣中的C02己從1958年的316ppm增至1976年

的332Ppm(圖1一9,WoodweH,1978)平均每年增加0.8ppm,而據(jù)估計(jì)，十九世紀(jì)末大氣中C02含量約為

292Ppm(圖1—10)

五、大氣圈中各氣體組分的停留時(shí)間

從地球化學(xué)循環(huán)的角度，可以把大氣圈視為各種氣體的貯庫(kù)。當(dāng)某種氣體向大氣中的輸入速率等于

其輸出速率時(shí)，該氣體在大氣閣中的儲(chǔ)量不變，根據(jù)某氣體在大氣中的儲(chǔ)量(Mx)和其輸入或輸出速率，

可以計(jì)算該氣體在大氣圈中的停留時(shí)間(Tx)：

Tx=Mx/Rx=Mx/Fx

式中，F(xiàn)x為x氣體的輸入速率(又稱源強(qiáng))，Rx為輸出速率(又稱漏強(qiáng)).所謂漏是指x氣體從大氣中

的各種去除過程。

假設(shè)某氣體成分有幾項(xiàng)輸入和輸出過程，各過程具有不同的輸入或輸出速率，那么可按下式求其在

.J_____141

大氣中的停留時(shí)間；111'

式中T1和T2是分別按兩種不同的輸入或輸出過程的速率所求得的各種停留時(shí)間。

大氣圈的所有氣體均有各自的停留時(shí)間。按停留時(shí)間的長(zhǎng)短可將大氣成分分為四類：

(I)非循環(huán)性氣體(惰性氣體)

表1-6惰性氣體的停留時(shí)間

組分類別ArHeXeNeKr

保存時(shí)間>1()7年IO,年>1。7年年年

由于惰性氣體的化學(xué)惰性在大氣中根本上不變化，無所謂源與漏，亦即無循環(huán)可言，

(2)長(zhǎng)壽期氣體

02和N2的停留時(shí)間，外別以萬年和百萬年計(jì)，對(duì)人類活動(dòng)所引起的輸入、輸出變化不敏感，也就

是說人類活動(dòng)對(duì)其影響不明顯。

3)中壽期氣體

這些氣體的停留時(shí)間以年計(jì)，這些氣體參與生物活動(dòng)與在地表中各個(gè)圈循環(huán)。停留時(shí)間小于1()年

的氣體，在大氣中的濃度隨時(shí)間和空間有輕微的變化。

(4)短壽期氣體與水

（液）----10?1天，----0.25年，NH,-------0,00?年，

N。與NO?------。?⑴年，H2s-------0.002年，S。：——年。

°這些氣體

的停留時(shí)間小于1年，其在大氣中的濃度，隨時(shí)間和空間有極明顯的變化。

第三節(jié)水

一、原始水圈

原始水圈的形成和原始大氣圈?樣，其物質(zhì)都來自地球內(nèi)部。在地球演化的早期，大量火山作用把

巖漿水（原生水）由地球內(nèi)部帶至地表。例如，當(dāng)玄武巖漿溢出地表發(fā)生脫氣作用可把含有7研勺巖漿水呈

蒸氣的形式釋放到大氣圈中。至今，對(duì)深海測(cè)量說明，地球內(nèi)部的排氣作用（排出H2O以及CO2、S、

N、Cl、Ar、F、H、Br、He等）仍在大洋中脊頂部進(jìn)行著，并可根據(jù)排出的3He,估算地球內(nèi)部揮發(fā)性

物質(zhì)排出的速度。

物質(zhì)主要來自地球內(nèi)部，原始的大氣具有很強(qiáng)的復(fù)原特征，原始水那么具有強(qiáng)的酸性（pH<7）。

地球形成時(shí)很少甚或沒有海洋，現(xiàn)在地球外表的水和其它揮發(fā)物質(zhì)那么是呈均勻程度不同的包含在

整個(gè)地球內(nèi)部，它們約占全部地球物質(zhì)的0.25%（重量計(jì)）。因此，推斷聚枳成地球的物質(zhì)平均含水量至

少應(yīng)有250ppm。

由地球內(nèi)部排出的原始大氣（含有H2O）在熾熱的地球外表無法凝聚成水體，只有當(dāng)?shù)厍蛲獗頊囟?/p>

下降到大約100C時(shí)，在兩極附近開始凝聚成原始大洋。

二、水圈概述

1.水圈：是指地球上被水和冰雪所占有或覆蓋而構(gòu)成的圈層C它們主要有：大氣水、海水、陸地水，

以及存在于生物體內(nèi)的生物水。水圈的水與大氣圈、生物圈、巖石圈、土壤圈之間有密切的關(guān)系，并形

成各種方式的水交換。

2.水環(huán)境：在自然界中水的積聚體稱為水體，它是指地面上各種水體，如河流、湖泊、水庫(kù)、池塘、

沼澤、海洋、冰川等。水體是一個(gè)完整的生態(tài)系統(tǒng)，其中包括水、水中的懸浮物、溶解物、底質(zhì)和水生

生物等。

3.水循環(huán)：地球上各種形態(tài)的水，在太陽(yáng)輻射和地心引力作用下，不斷蒸發(fā)、輸送、凝結(jié)、降落的往

復(fù)循環(huán)過程就稱為水循環(huán)。水循環(huán)是一個(gè)巨大的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，它將地球上各種水體連接起來構(gòu)成水圈，使

得各種水體能夠長(zhǎng)期存在，并在循環(huán)過程中進(jìn)入大氣圈、巖石圈和生物圈，組成一個(gè)循環(huán)聯(lián)系的有機(jī)整

體，從而使水能被周而復(fù)始地重復(fù)利用，成為再生性資源。

三、海洋

海水是一種含有多種溶解固體和氣體的混合溶液，其中水約占96.5%,其它物質(zhì)占3.5%,海水鹽

度平均為34.5%。。海水的鹽度在海洋的各個(gè)地方梢有差異，在赤道海洋上面被充分的降水所沖淡的地方,

鹽度可以在34.5?35%。之間，反之，在沙漠帶下蒸發(fā)增加，表層水的鹽度超過35.5%。。

海洋表層年平均水溫的變幅通常在-2?30℃,全球的年均溫為17.4℃o

表1—7海水中的主要鹽類

四、陸地水

陸地水包括河流、湖泊及地下水。

①河流

在陸地外表上接納、聚集和輸送水流的通道稱為河槽，河槽與其在中流動(dòng)的水流通稱為河流。河流

是地球上水分循環(huán)的重要路徑，是與人類關(guān)系最密切的一種天然水體。河水的含鹽度一般在100?

2++2

200mg/L,河水中各種離子的比例為：Ca>Na>HCO-3>SO4>Clo河水中溶解氧在一般情況下是呈飽和

狀態(tài)的，但假設(shè)受到有機(jī)物的污染會(huì)出現(xiàn)缺氧狀態(tài)。

②湖泊

湖泊是陸地上天然凹地中蓄積著停滯的或流動(dòng)緩慢的水體。湖水具有不同的化學(xué)成分，這與它的補(bǔ)

給和形成條件有關(guān)。湖泊是由河流及地下水補(bǔ)給而形成的，其水的組成成分與湖泊所處的氣候、地質(zhì)、

生物等條件有密切關(guān)系。因而可以形成淡水湖泊或咸水湖。湖水中大局部元素呈離子、膠體、氣體狀態(tài),

主要成分是：、2、「、、和此外，生物養(yǎng)分元素如+、

HCO3-SO4-SCa2+cMg2+Na+K+.NO3,NH4.P

S也是很重要的。

③地下水

埋藏在土壤、巖石空隙中各種不同形式的水通稱為地下水。儲(chǔ)存于巖石空隙中的地下水，按其物理

力學(xué)性質(zhì)不同，可分為氣態(tài)水、吸著水、薄膜水、毛管水、重力水與固態(tài)水幾種形式。

根本特征：懸浮雜質(zhì)少，水清澈透明，有機(jī)物和細(xì)菌含量極少，受地面的污染不那樣直接，溶解鹽

類含量增加，硬度和礦化度較大。地下水中含有較多的Fe2+、Mn2+、NO3,NO2'sRa、H+、As等。

第四節(jié)土壤圈

土壤圈是指巖石圈最外面一層疏松的局部，其上或里面有生物棲息。土壤圈是構(gòu)成自然環(huán)境的五大

圈之一，是聯(lián)系有機(jī)界和無機(jī)界的中心環(huán)節(jié)，也是與人類關(guān)系最為密切的一種環(huán)節(jié)要素。

（一）土壤的組成

組成包括固相（礦物質(zhì)、有機(jī)質(zhì)）、液相（土壤水分或溶液）和氣相（土壤空氣）等三相物質(zhì)四種成分有

機(jī)地組合在一起構(gòu)成的一種特殊物質(zhì)。圖1一14土壤三相容積比

1、土壤礦物質(zhì)

來源于成土母質(zhì)，按其成因可分為原生礦物和次生礦物。

原生礦物是直接來源于受到不同程度的物理風(fēng)化作用的碎屑，其化學(xué)成分和結(jié)構(gòu)未有改變。土壤中

的原生礦物主要有：

硅酸鹽類：橄欖石、石榴石、鉆石、輝石、角閃石、滑石、黑云母、白云母、鉀長(zhǎng)石、鈉長(zhǎng)石、鈣

長(zhǎng)石；

氧化物一氫氧化物：石英、針鐵礦、赤鐵礦、褐鐵礦、水鋁礦、硬水鋁礦等；碳酸鹽類：方解石、

白云石；硫酸鹽類：石膏；

硫化物類：黃鐵礦、方鉛礦、辰砂等；

磷酸鹽類：磷灰石等。次生礦物是原生礦物在成土過程中新生成的礦物，包括各種簡(jiǎn)單鹽類、次生

氧化物和鋁硅酸鹽類，主要是：方解石、白云石、石膏、芒硝、針鐵礦、褐鐵礦、伊利石、蒙脫石和高

嶺石等。

2、土壤有機(jī)質(zhì)

土壤有機(jī)質(zhì)是指以各種形式存在于土壤中的有機(jī)化合物，其含量一般僅占百分之幾。土壤有機(jī)質(zhì)可

分為兩大類：普通有機(jī)物和腐殖質(zhì)。

普通有機(jī)物包括碳水化合物、蛋白質(zhì)、木質(zhì)素、有機(jī)酸以及含氮、磷、硫的有機(jī)物等；

腐殖質(zhì)腐殖質(zhì)不是單一的有機(jī)質(zhì)，主要包括胡敏酸、富里酸和胡敏素

腐殖質(zhì)通常帶有電荷，并具有較強(qiáng)的吸收、緩沖性能，對(duì)土壤的理化性質(zhì)和生物學(xué)性質(zhì)有重要影響。

腐殖質(zhì)膠體中多種能解離的官能團(tuán)，可與重金屬離子等形成絡(luò)合物或螯合物，增加其水溶性，使之隨水

遷移或吸附、固定減輕其危害。因此，提高土壤腐殖質(zhì)含量是減輕污染危害及增強(qiáng)土壤自凈能力的重要

措施。

3、土壤中的宏量和微量元素

土壤中的元素組成很曳雜，幾乎包括地球中所有的化學(xué)元素，其中O、Si、Al、Fe、Ca、Mg、Na、

K、Ti、C等十種元素占土壤總量的99%以上。其它元素的含量不超過1%,土壤中宏量元素的含量如

下表所示。

表層土壤的主要化學(xué)組成

土壤中的微量元素是指宏指元素以外的各元素,其含量范圍為百萬分之幾到十萬分之，最高不超過

千分之幾。

土壤學(xué)中所指的微量兀素既可指土壤中所有含量很低的化學(xué)兀素，也可指其中具有生物學(xué)意義的化

學(xué)元素。土壤中微量元素的研究除了具有生物學(xué)意義外，還有其一定的特殊意義，例如成土過程的說明

和環(huán)境質(zhì)量的評(píng)價(jià)等。具有生物學(xué)意義的微量元素常是的或輔酶的組成成分，它們?cè)谏矬w中的特殊機(jī)

制有很強(qiáng)的專一性，為生物體正常生活和生長(zhǎng)所不可缺少。土壤中微量元素含量過低或過高的地區(qū)，會(huì)

引起動(dòng)植物的不良反響，影響作物的增產(chǎn)和人類的健康。

土壤中微量元素的主要主源是成土母質(zhì)，此外火山噴發(fā)和大氣塵降也可帶來少量微量元素,如硼、

碘、澳、秋、珅等。因而，土壤中微量元素的含量和形態(tài)常常能反映成土母質(zhì)的特點(diǎn)和母巖的類型。

一般將土壤中的微量元素分為：（I）水溶態(tài)、［2）弱交換劑交換態(tài)、［3）強(qiáng)交換劑交換態(tài)（或螯合

劑螯合的）、（4）次生礦物、（5）原生礦物。

我國(guó)主要土壤中微量元素的含量（XKT6）4、土壤的機(jī)械組成

土壤礦物質(zhì)各粒級(jí)的相對(duì)?含量和比例稱為十?壤機(jī)械組械?？捎纱舜_定土壤質(zhì)地。土壤質(zhì)地是土

壤最重要的物理性質(zhì)之一，它直接影響著土壤的非肥狀況，也是土壤分類的重要指標(biāo)。土壤的機(jī)械

組成分析，就是把土壤按其粒徑大小分成假設(shè)干級(jí)別（粗組）定出各級(jí)的數(shù)量，進(jìn)而測(cè)出土壤的機(jī)

板組成。

土壤機(jī)械組成用途：土壤比面估算、確定土壤質(zhì)地和土壤結(jié)構(gòu)性評(píng)價(jià)。

土壤質(zhì)地是根據(jù)機(jī)械組成劃分的土壤類型。其類型和特點(diǎn)主要是繼承了成土母質(zhì)的類型和特點(diǎn)，又

受人們耕作、施肥、灌排、平整土壤等的影響，一般/分為砂土、壤土和粘土三類。質(zhì)地是土壤一種十分

穩(wěn)定的自然屬性，它是影響土壤肥力上下、耕性好壞以及污染物質(zhì)容許容量大小的根本因素之一。

5、土壤溶液

土壤溶液是土壤水分及其所含氣體、溶質(zhì)和懸浮物質(zhì)的總稱，它是土壤三相（固、液、氣）中的要素。

上壤的水分把土壤、大氣中的植物養(yǎng)分溶解組成營(yíng)養(yǎng)溶液，輸送到植物根部。因此土壤水是植物吸收養(yǎng)

料的主要媒介。土壤溶液中含有Na+、K+、Mg2+、Ca2+、N03-、S0?\HCO3\C「等崗子以及有機(jī)物,

同時(shí)含有各種有機(jī)的、無機(jī)的污染物。

6、土壤剖面分層

淋溶層，A層（表土層卜處于土體最上部，它包括有機(jī)質(zhì)的積聚層（A0）和物質(zhì)的淋溶層（A）,本層生物

活動(dòng)最為強(qiáng)烈，進(jìn)行著有機(jī)質(zhì)的枳聚或分解和轉(zhuǎn)化過程。在較濕潤(rùn)的地區(qū)，該層內(nèi)發(fā)生著物質(zhì)的淋溶，

故稱為淋溶層，任何土壤都具有這一土層。

淀積層（B層）：它處于A層的下面，是物質(zhì)淀積作用造成H勺。淀積的物質(zhì)可以來自土體的上部，也

可來自地下水的上升，可以是粘粒也可以是鈣鐵銃鋁等，淀積的部位可以是土體的中部也可以是土體的

下部。一個(gè)發(fā)育完全的土壤剖面必須具備這一重要的上層。

母質(zhì)層（C層）：處丁上體最下部，沒有產(chǎn)生明顯的成上作用的上層，其組成物就是母質(zhì)。

A、B、C三層是土壤中的根本發(fā)生層。

土壤剖面圖

（二）土壤的物理化學(xué)性質(zhì)

1、物理性質(zhì)

⑴土壤的溫度

太陽(yáng)的輻射是土壤熱量的來源。因此，隨著太陽(yáng)輻射的周期性變化.

季節(jié)性變化表現(xiàn)為表層15cm土層的平均溫度，在全年中較氣溫為暖，而春夏較冷。一股而言，季

節(jié)變化的變幅隨深度增加而減少。

在一天中，表層土溫日間變暖，夜間變冷，每天6?18時(shí)熱從地表向下運(yùn)動(dòng)；夜間那么相反。一般

最高土溫和最低土溫分別出現(xiàn)在14時(shí)和6時(shí)左右。表層土溫的日變化隨深度的增加而逐漸減少。

⑵土壤的孔隙度

在十?壤中土粒與土粒之間所形成的大小不同的空間稱為土壤孔隙。土壤孔隙在單位土壤容積中所占

的百分比稱為土壤孔隙度。

土壤的孔隙狀況與土壤的孔隙度取決于土索應(yīng)如結(jié)構(gòu)及其排列的狀況。因此，土壤的孔隙度在不

同類型的土壤和同一類型的土壤的不同發(fā)生層次中都是不同的。

⑶土壤的密度與容重

土壤的密度是指土壤固體局部的重量與同體積水的重量之比，其大小決定于土壤固相物質(zhì)的種類和

相對(duì)含量。土壤中各種礦物的比值不同，一般多在2.6左右，含鐵礦物可達(dá)3.0以上。土壤中腐殖質(zhì)的

密度在1.04?1.25之間。因此，腐殖質(zhì)含量少的土壤密度較大；反之，土壤腐殖質(zhì)含量愈多，土壤密度

愈小。

單位體積的干土重與同體稹水的重審之比稱為土壤容重.

土壤容重總是小于密度,其大小取決于土壤質(zhì)地、土粒排列、結(jié)構(gòu)狀況以及有機(jī)質(zhì)含量等。

土壤容重因土壤質(zhì)地的不同而異，一般粘土，重壤土約為1—1.6,砂土和砂壤土約為1.2—1.8,緊

實(shí)的底土可達(dá)2.0o

土壤容重與土壤孔隙度的關(guān)系為：孔隙度(％)=(1一容重/密度)X100

2、