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优秀精品课件文档资料第1页第1页第二部分

生态地球化学调查理论基础与工作办法

第2页第2页1.序言生态地球化学是近几年兴起一门新学科。在国内外尽管已有较多生态地球化学调查实例研究，如俄罗斯在90年代早期开始多目的地球化学调查涉及生态地球化学调查，我国江苏、山西、四川、湖南等省当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新工作领域，相关这方面结果汇报和论文也很少见到。在谷歌搜索引挚中“Eco-geochemistry”只有5个搜索结果(止于/02/01)；

Ecologygeochemistry只有116个结果(止于/02/01)；而“Ecologicalgeochemistry”只有40个结果。第3页第3页对生态地球化学学科定位理解：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互相关系科学；生态地球化学是生态地质学（地球科学）一个分支学科，生态学、地球化学交叉学科，主要研究元素在生物圈、岩石圈、水圈、大气圈系统内分布特点以及元素在各系统间迁移、运动和互相作用规律；同时涉及开展生态地球化学研究有效研究办法及表示办法探讨；而生态地球化学调查是生态地球化学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、人类活动功效区域布局规划主要依据，是开展生态地球化学研究主要基础。

第4页第4页生态地球化学调查理论及办法：生态地球化学学科定位决定了指导和开展生态地球化学调查理论和办法为生态学理论、地球化学理论以及两者交叉融合也许形成真正属于生态地球化学理论和办法，当前人们在开展生态地球化学调查时主要借鉴是地球化学理论与办法，而系统生态地球化学理论和办法还在人们摸索和形成过程中。第5页第5页生态地球化学几个基本特点：（1）学科交叉性：生态学、地球化学学科交叉，还包括地质学、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）研究内容复杂性：除了硕士态系统与相关物质体特性外，还重视不同圈层中物质以及同一圈层内不同物质间质量、能量传输、相互作用及随时间演化规律。（4）研究内容不足：局限于当代，局限于地球表层，局限于含有生态效应元素及地球作用过程。第6页第6页国土资源部当前正组织开展多目的地球化学调查，而生态地球化学调查是其中一部分，相关人员实际已在开展生态地球化学工作，有不少实际工作积累和结识积累，并有理论和办法上探讨（如奚小环“关于区域生态地球化学评价若干意见”、杨忠芳“多目的地球化学调查”、湖南地质调查研究院“洞庭湖区多目的生态地球化学调查中第四纪地质工作办法”等发言、汇报等），相信大家对他们思想观点都已有结识，在此不再赘述；现将一些通过阅读文献和实际工作形成一些自己不成熟结识向大家作一简介，由于这些结识完全是自我结识，虽有思绪较新特点，同时也不成熟之弊病，请多提意见。第7页第7页2.生态地球化学调查相关理论2．1．生态地球化学调查理论基础2．1．1．地球表层、具生物效应元素对生态系统存在控制与影响作用

第8页第8页生态效应表现之一，是元素在人体中分布对健康影响，上表中标识为浅色元素是对健康必须元素；深色是有毒元素，而有些元素具双重性；生态地球化学调查元素主要局限于这些有生态效应元素。2．1．2．具生物效应元素在地球表层分布、生态系统都有时空上差异性（不均一性）以及相互间联络性，这种差异性存在才使得开展生态地球化学调查含有必要性，而联络性使调查发觉规律成为可能。如图2.1,2.2,2.3表现元素空间分布不均匀与不同生态系统间对应性（Dissanayakeetal.,1998）。第9页第9页图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）第10页第10页图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第11页第11页图2.3.风化层、风化带厚度、气候条件和水化学组分间相关关系

(afterPedro,1985)第12页第12页2．2．开展生态地球化学调查应遵循基本理论2．2．1．分布异常及异常差别理论

对地球化学异常存在及成因已有系统地球化学理论支持，但生态地球化学异常理论仍在发展中。主要存在问题是异常分类、异常原则确实定、异常形成机理均无系统理论支持，人们借鉴是地球化学与生态学理论，个人对此有下列结识：第13页第13页u

生态地球化学异常分类：地球化学异常分类主要涉及是元素种类或元素组合异常；生态学分类主要应是生物种类及生态系统（涉及种类及环境）异常；生态地球化学异常分类依据除考虑元素、生物种类及组合外，最主要应表达地球化学及生态多原因组合异常，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）。第14页第14页图2.4.不同地表环境（氧化、还原、酸性、碱性、潮湿、干旱）中必需及有毒元素稳定及活性程度第15页第15页元素-介质异常则使人们能直观理解元素异常载体及成因。如Koval将多介质样品（水系沉积物、土壤、基岩、水体、积雪、植物）中Hg异常分为了5类：1）与基岩相关自然异常;2）与断层和裂谷相关自然异常;3）与工业和居住区相关技术成因异常；4）与淘金相关技术成因异常；5）离散流异常。

第16页第16页元素-成因异常可使人们非常明了知道生态地球化学异常成因。如自然异常（naturalanomalies）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；还可有些人为与自然综合异常：如矿山开采形成异常。第17页第17页2．2．2生态地球化学异常分类意义u

更准确突出生态地球化学异常实际及特性：如图2.4只考虑元素种类或组合分布（丰度）异常，则不能反应其生态环境特性，而地学工作者也许且容易选择元素种类或组合异常分类，结果我们能够有元素或元素组合异常，异常却不能表达其生态环境特性；因此是否可形成如“酸性-Cr，Al”组合异常，非常明了阐明酸性条件下，Al不活动性可使土壤中Al汇集，累积后会形成Al生态地球化学定期炸弹。第18页第18页u

明了异常成因：元素（组合）-成因（天然-人为成因）依据异常分类才干真正明了地表示元素异常形成原因；如只依据元素种类划分异常，则可能混同不同成因异常，无法真正认识元素与生态间相关规律和有效对策提出。第19页第19页u

明了异常影响后果：元素（组合）-响应（生物健康响应）明确表示异常对生物影响后果，元素种类及量级对生物种类或生态环境影响后果存在差异，不同元素异常会产生不同生态效应，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示二者间关系和生态地球化学基本特点，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,）。第20页第20页u

明了有效对策：正确明了生态地球化学分类将明确表示应对有害异常应采取办法；元素-生态效应异常分类可满足不同对象要求，大大提升生态地球化学调查结果应用价值。第21页第21页2．2．3．生态地球化学区划理论区划约束生态地球化学异常空间分布格局。区划标准差异（空间区划、地理景观区划、功效区划、行政区划）会造成不同生态地球化学异常格局，同时是生态地球化学调查工作布署基本依据，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，每个域或省边界是按同位素或元素体系标准值来确定；当前是以行政区划来指导生态地球化学调查工作布署，假如要了解生态地球化学自然规律则行政区划不是最正确选择，而地理景观区划则会有更佳效果；生态地球化学区划理论可起到指导人们依据需要从不同角度开展生态地球化学调查布署，调查结果分析、规律表示工作。第22页第22页如空间区划能够有生态地球化学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强污染相关。这类异常普通含有异常强度大、浓集克拉克值（异常内元素均值/地壳克拉克值）高特点，使普通生物中毒，引起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辨认，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潜在影响是相称深远。如60年代，人们发觉不列颠岛15000km2范围内绵羊缺钴症，牛硒中毒、铜高引起缺钼症，家畜砷和铅中毒，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详细表现。应用这项研究结果，有针对性地对农作物、家畜等补施/补充低缺元素，产生了明显效果。生态地球化学省异常作用效应并不明显，只有少数生态效应敏感元素才含有较明显省生态效应，如硒是含有敏感生态效应元素，其生态正常范围值很窄，构成我国主要地方病——克山病生态地球化学省异常（图2.5）。第23页第23页地理景观区划（表2.1）可使人们更清楚了解不同生态系统内地球化学异常，真正表达生态地球化学特点与规律，而不是只反应元素特点，还反应生物特点及二者规律纯空间分布区划；利用景观区划理论，生态地球化学调查观测及采样点布署将更符合生态地球化学本身特点及规律，如水域景观区划将指导人们依据水域空间分布及水生生态特点进行采样点布署。区划理论是环境生态地球化学质量评价单元划分基础（邢诒,）。第24页第24页2．2．4．多介质效应理论生态地球化学特性或事件能在多介质中产生效应，因此能表示生态地球化学效应介质有各种.如当代盐湖盆地内结晶体中包裹体可包裹蒸发成因自生矿物，尚有大气粉尘颗粒，提供相关盐沉积过程中自然环境状态方面主要信息；欧洲一些盐湖中沉积物中发觉了切尔诺贝利核电站核泄漏产生放射性颗粒，天然盐也许是环境矿物学信息最主要起源之一；德国森林中磨菇反应切尔诺贝利核电站核泄漏事件；垃圾场内新生矿物形成反应了垃圾场物理化学环境条件；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。第25页第25页

图2.5.中国硒分布与克山病分布示意第26页第26页多介质效应理论还反应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生态系统或与生态相关地球圈层间传输规律基础确保；如没有介质约束元素异常不具对比性，无法表达生态效应；单纯土壤化学异常不足以反应元素生态地球化学特点，土壤与其中生物体元素异常结合才真正表达了一定空间范围内生态地球化学特点，因此开展生态地球化学调查应依据工作目标注意多介质中元素分布调查。第27页第27页2．2．5．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主要组成部分，但当前真正从生态地球化学特点设置评价标准基本还没有，因此人们主要沿用与生物相关标准进行评价，显然这种评价不足以反应生态地球化学特性，如我国地学工作者开展生态地球化学调查异常评价，更多是土壤中元素异常评价，表达不出或不能较切合实际地表达土壤元素异常对生态影响效应，可能真正对生物产生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相态相关，而且受土壤物化环境条件影响可能会有不同生态效应，因此应设法建立生态地球化学异常评价指标；生态地球化学异常评价主要有以下几个：第28页第28页

表2.1：景观分类第29页第29页u

原则评价

评价原则：各种原则，灵活选择，如依据国家、组织公布原则进行对比评价（图2.6），如土壤中有害元素衡量原则有国家原则ＧＢ15168-1995原则，第30页第30页其中与生态地球化学

评价关系密切条款是Ⅱ类土壤二级原则，Ⅱ类土壤主要指普通农田、蔬菜地、茶园、果园、牧场等，二级原则是为保障农业生产，维护人体健康土壤限制值(表1)。第31页第31页

图2.6.某区地下水氮含量与WHO饮用水原则对比图第32页第32页u

生态地球化学适宜性评价：针对生物存在与生长适宜地球化学条件进行评价；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、地球化学特性及相关规律拟定综合性指标来进行评价；综合指标也许并不直接显示生态性、地球化学特性和互相作用规律，表现形式也许是数值；一旦综合指标拟定，则由于其数值性使得异常表示及区别非常以便和明了，尤其有助于GIS技术利用；但是综合指标确实认是一个复杂过程，普通来说有：第33页第33页第一步：确定地球化学生态效应因子即明确生态效应种类，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怎样确定地球化学生态效应因子是实际工作中难点。第二步：分析地球化学生态效应地球化学环境与生态相互作用过程，分析地球化学与生态效应相关关系及并建立表示形式；该过程实质是建立数学模型过程，需要较高生态地球化学理论、数学及计算技术支撑。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生态效应，利用模糊判别和逻辑信息方法取得数字性指标（表2.3）。第34页第34页

表2.3生态环境特性因子综合得分

地域广东北京天津山西内蒙河北江西湖南因子得分0.9460.9200.6640.5700.4900.4470.1960.142

第35页第35页第三步：依据第二步取得数据进行生态地球化学综合指标评价综合指标确实定

其办法有主成份法，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，使用这些办法基础是大量地球化学与生态因子数据积累。

第36页第36页人工神经网络法（图2.7）是将已有数据代入网络，利用相关计算机程序（如MatLab）或自己编程进行输入及输出重复训练，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，使训练结果迫近实际情况，取得神经网络模型，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关键：影响原因筛选（图）、原因数据海量积累以及数学办法和计算机技术利用，但有考虑原因多，相对符合实际、“一劳永逸”效果。

第37页第37页土壤中X元素作物质量等级作物中X元素作物中Y元素海拔高度作物产量12…….n生物生长适宜性果实中有害元素超标也许性土壤中Y元素土壤中Z元素图2.7.生态地球化学综合评价指标人工神经网络示意图第38页第38页u

区域生态地球化学评价：依据区划理论和工作目标对不同区域进行评价，包括功效分区、行政分区等；如对农业区和城市生态地球化学评价。2．2．6．多目标应用理论生态地球化学调查包括与人类密切相关各种介质，如土壤、水体、植物、动物等，同时还包括地质、地理背景，其调查数据应成为一个基础数据，并能为多领域使用，在生态地球化学多目标应用理论指导下，人们才可能考虑生态地球化学数据作为一个“产品”，提供多目标应用；如经过数据分析处理、与相关学科解释评价和成图，可为处理环境、农业、林业、水产业、健康、建筑、城市发展等领域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多目标应用，建立有效数据管理系统，尤其是元数据管理系统以及数据公布系统是关键。第39页第39页元数据管理体系是生态地球化学调查数据应用保障，元数据是数据数据，描述数据内容，质量，情况和其它特性等。2．2．7．统一理论生态地球化学调查包括不同圈层、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归一化是使生态地球化学数据可利用性关键；怎样选择归一化方法则应是人们所要探讨。第40页第40页2．2．8预警理论

预警是依据生态地球化学调查结果对未来时段生态地球化学情况理解；预警依据涉及对象分为各种类型：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性，有特性预警。当前涉及生态地球化学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原因影响，后者描述介质体受污染程度，表示只是过去或现在生态地球化学情况，依据现实状况推测未来，但对情况随时间或原因演化规律涉及太少，因此不能说是真正意义上预警，而依据生态地球化学演化规律实现预警才是人们最为需要预警。第41页第41页预警