环境地球化学绪论PPT课件下载

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环境地球化学环境地球化学((EnvironmentalGeochemistry)EnvironmentalGeochemistry)绪论绪论主要内容：•环境地球化学的概念及主要研究内容•环境地球化学与其它学科的相互关系•环境地球化学的发展历史、研究现状及有关问题一、一、环境地球化学的概念环境地球化学的概念及其主要研究内容及其主要研究内容1.概念：环境地球化学（EnvironmentalGeochemistry）与其它许多学科有密切关系，是介于环境科学和地球化学之间的一门新兴边缘交叉学科，是研究化学元素和微量元素在人类赖以生存的周围环境中的含量、分布和迁移和循环规律的科学，并研究它们对人类健康造成的影响。同时，还研究人类生产和消费活动对自然环境的这些地球化学规律造成的影响。2.2.主要研究内容主要研究内容环境地球化学以研究人类赖以生存的地球环境的化学组成、化学作用、化学演化与人类活动相互关系及全球环境变化为主要任务。进而揭示人类生存与环境之间的内在联系。目前环境地球化学研究集中表现在下面几个方面：地球化学环境与人类健康，亦即原生环境的地球化学性质及其与植物、动物和人体健康的关系；环境污染的地球化学研究，亦即人类活动对环境的化学组成、化学作用、化学演化的影响及其环境效应。全球环境变化的地球化学记录农业的地球化学研究主要内容：•研究元素在岩石、土壤、水体和大气中的含量、分布及其分配规律，并评价原生环境的质量，为改造原生环境提供科学依据；•研究个别元素和元素对的环境地球化学行为，亦即研究对人类有益或有害元素以及生命元素的赋存规律、结合形态及其对人类健康的影响；•研究区域环境地球化学特征，揭示与原生环境有关的地方性疾病的发生原因，探讨人类长寿的环境地球化学因素；•研究原生地球环境及其演化因素的环境地球化学分类、元素演化过程中能量的作用、元素环境背景值的确定、原生环境质量评价以及人类活动对自然环境的影响和预测等；•研究人类活动对环境破坏和污染问题，并阐明污染规律及其环境效应；•研究过去地球环境（特别是15万年以来）的演变历史以及环境变化记录信息的提取；•研究碳、氧、氢、磷、硫及其它元素的全球地球化学和生物地球化学循环；•研究农业环境介质中化学元素的分布、结合转化、迁移循环对农业生产的影响。二、环境地球化学与相关学科的关系二、环境地球化学与相关学科的关系总体上，环境地球化学从属于环境科学分支。它与其它相关学科有密切关系，因此要注意环境地球化学及各个学科在研究对象、内容、方法等方面的区别。环境地球化学地球化学环境科学土壤学医药学生态学岩石学生物学物理化学矿物学三、环境地球化学的发展历史三、环境地球化学的发展历史及研究现状及研究现状1.1.环境地球化学的发展历史：环境地球化学的发展历史：1)环境地球化学与人类健康研究：时间：20世纪60年代及以前。特点：以生物地球化学的思想作指导，把生物地球化学中关于地球化学环境与植物、动物健康关系的研究进一步延伸到地球化学环境与人体健康关系研究方面。我国与国外基本同步开展了一系列卓有成效的研究工作，并取得很大成绩。2)2)环境地球化学与污染研究：环境地球化学与污染研究：时间：二十世纪70-80年代。特点：既研究天然产出的化学元素在环境中的地球化学行为及其与植物、动物和人体健康的关系，更研究人为活动释放的元素的地球化学行为及其影响；它不仅研究碳、氮、硫、磷等生命支撑元素；同时还研究人为活动释放入环境中的各种重金属和毒性化合物。我国该时期特别是八十年代以来环境地球化学研究得到蓬勃发展。注：这一时期环境科学的基本学术特征突出反映在两个方面：一是它力图对社会需要的充分满足和适应，环境科学把它自身的注意力几乎全部投入到了人类生产活动引起的局部地方性的或区域性的污染问题上；其二是具有明显的拼合性，即这一时期的环境科学基本上是传统的地学、生物学、化学、物理学、医学、工程学和社会科学的研究活动向环境污染领域延伸或扩展的结果。3)3)环境地球化学与全球环境变化研究：环境地球化学与全球环境变化研究：时间：二十世纪90年代以来。特点：环境地球化学的研究活动不仅包括地球化学环境与植物、动物和人体健康，也包括人为活动释放入环境中的污染物的地球化学，而且还包括了全球环境变化的地球化学方面。环境地球化学的研究范畴实现了第三次扩展或更新。环境地球化学已被理解为研究人类赖以生存的地球环境的化学组成、化学作用、化学演化与人类相互关系的科学。2.2.环境地球化学的研究现状环境地球化学的研究现状1)区域环境研究；2)环境地球化学理论问题的探索；3)区域性典型环境研究；4)过去全球变化中环境信息的提取.1)1)区域环境研究区域环境研究•区域环境分异研究;区域环境地球化学分异特征是区划环境的重要基础。区域性环境规划是发展区域环境中协调资源开发、发展经济和改善环境的纲领。编制区域环境规划必须在环境目标和环境内容上与区域规划协调。80年代初以区域环境综合研究为主，着重探索区域内环境物质运移和净化关系。通过分析自然环境特征和承载能力，阐明了环境区域的控制因素及净化功能，提出了环境保护分区，阐明了环境污染过程及环境质量状况，提出了区域环境的对策建议。•区域环境背景研究;为了评价人为经济社会对环境地球化学平衡关系的影响程度，必须了解不同区域、不同环境介质中化学元素及化学物质的背景浓度水平。80年代以来以地球化学背景为基本概念，适应于环境学科发展所需要的“环境背景值”的调查和研究成为环境地球化学的热点研究问题。•区域环境效应研究区域环境效应研究地方性分布的疾病是典型的环境效应。我国环境地球化学工作者对地方病的环境病因作了大量研究，对克山病、大骨节病、地方性氟中毒、地方性甲状腺肿等疾病进行了环境地球化学病因研究，同时对伽师病、地方性砷中毒、肝癌、肺癌、宫颈癌、鼻咽癌、食管癌、肠癌等地方性或区域性高发疾病的环境地球化学病因进行了探索，揭示了许多有意义的现象。•区域环境容量研究区域环境容量研究区域地球化学分异导致同一种化学元素或污染物在不同区域生态效应的差异。亦即不同地球化学环境类型的环境介质中，允许存在的污染物的临界数量不尽一样。也就是一个环境容量问题。从地球化学角度看，环境容量是一定地域单元内环境条件、环境背景、污染物性质及其人体健康和生物学效应的函数。对于确定的地域和污染物而言，环境容量是稀释扩散和净化降解能力及其生态效应的综合评估。二十世纪80年代来，我国环境地球化学工作者分别对大气、水体及土壤环境容量的具体含义、计算方法进行了广泛的讨论，并在土壤环境标准、农灌水质标准、污泥施用标准、污染物排放总量及土壤污染预测等方面体现出较大的实际意义。2)2)环境地球化学理论问题方面的探索环境地球化学理论问题方面的探索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的研究；土壤—植物系统污染生态学的研究；环境质量变异地球化学原理的确立；“环境界面地球化学”概念的提出；核素示踪技术在环境地球化学领域的广泛应用。3)3)区域性典型环境研究区域性典型环境研究解决区域性环境问题首先要认识这些问题产生的原因及其发展演绎过程。因此应在较大的时空尺度下，综合多种环境要素的影响和变化，对比自然演化过程与人为干扰影响的份额，深入剖析其发生演绎机理，揭示问题实质。环境地球化学以其宏观与微观结合的工作方法、多种环境因子的界面作用原理、对比识别自然变化与人为干扰的关系等学科特长，来认识和解决典型区域的环境问题。4)4)过去全球变化中环境信息的提取过去全球变化中环境信息的提取提取过去全球历史演变过程中地质和地球化学的记录，可预测未来地球环境的演变，并为评价现今的环境提供了对照的基准。在过去历史记录的研究方法上，树轮、湖泊沉积物、海洋沉积物、冰岩心、黄土剖面、古土壤、沉积岩层、抱粉及火山灰等均提供了可供人类分析环境演变的丰富信息。3.3.环境地球化学的发展趋势环境地球化学的发展趋势今后一段时期内环境地球化学研究中的几个前沿问题：地球化学环境与健康地球化学敏感及生态脆弱地区的风化淋溶；环境微量物质与人体健康和生态效应的关系。环境污染的地球化学研究地—气界面碳、硫及大气飘尘的释放以及环境地球化学行为；城镇和经济开发区地球化学环境基础调查以及矿山开发的环境地球化学研究。环境变化的地球化学记录研究过去全球变化研究中气候信息的提取；地球化学环境信息系统模型和模拟；地球环境的地史演化。农业地球化学研究农作物生长的地球化学研究（为农作物合理种植和选择肥料提供科学依据）；农业矿物岩石资源的开发；生态农业体系的地球化学研究。第一章：环境问题与可持续发展第一章：环境问题与可持续发展本章主要内容：•环境及其环境要素；•环境问题；•当前人类所面临的环境问题；•可持续发展。第二节：环境问题第二节：环境问题1.环境问题的概念及划分：a.概念：所谓环境问题，是指作为中心事物的人类与作为周围事物的环境之间的矛盾。目前所指的环境问题，主要是人类利用环境不当和人类社会发展中与环境不协调所致。环境问题的内容涉及到各个方面，如环境污染、生态破坏、人口急剧增加和资源的破坏与枯竭等。b.环境问题的划分(1).原生环境问题是与人类活动无关的，由自然界原来的环境给人类造成的，如许多自然灾害是大自然活动的必然结果；又如疾病的流行或某些地方病的发生等。(2).次生环境问题是由人类活动引起的环境质量变化，以及这种变化对人类生产、生活和健康的影响问题。(3).社会环境问题是由于社会结构本身的不合理所造成的，如人口增长、城市膨胀、科技和教育的结构不合理，以及经济发展不平衡带来的社会结构和社会生活问题。需要注意的是，一般讨论的环境问题多指次生环境问题，但上述三类环境问题往往又是彼此联系、不易分割的，尤其是讨论全球环境问题时，不可能不涉及社会环境问题。二、当代环境问题的特点•人类自身发展到一个关键时刻；•当代许多认为过程到了可与自然过程相匹敌的程度；•人类合成了多种自然界原本不存在地物质，它们对环境的影响尚难以预料；•人类大规模干预环境的某些活动可能造成某些自然过程不可逆的改变；•人类与环境的矛盾中，人口增长已成为矛盾的主要方面；•环境保护已成为公众、政府和国际都十分关切的问题三、世界当前面临的几大环境问题三、世界当前面临的几大环境问题•人口问题:人口急剧增加是当前环境的首要问题。•资源问题：土地资源在不断减少和退化、森林资源在不断缩小、淡水资源出现严重不足、生物物种在减少、某些矿产资源濒临枯竭。•生态破坏：全球性的生态破坏主要包括：森林减少、土地退化、水土流失、沙漠化、物种消失等。•环境污染：环境污染主要是指温室气体过量排放造成的气候变化、广泛的大气污染和酸雨沉降、臭氧层破坏、有毒化学物质的污染危害及其全球气候的变化。第三节：环境保护第三节：环境保护环境保护就是利用现代环境科学的理论与方法，协调人类和环境的关系，解决各种环境问题，是保护、改善、创建环境的一切人类活动的总称。环境保护的内容：环境保护的内容：•大气污染防治；•水污染防治；•食物污染防治；•土壤污染防治；•自然保护和自然保护区。第四节：可持续发展第四节：可持续发展一、可持续发展的定义：一般将可持续发展理解为：既满足当代人的需求，又不对后代人满足其自身需求的能力构成危害的发展。这里隐含了两层含义：一是人类要发展，要满足人类的发展需求；二是不能损害自然界支持当代人和后代人的生存能力。因此，可持续发展被明确地理解为一种“正向的”、“有益的”过程，并且可望在不同的空间尺度和不同的时间尺度，作为一种标准去诊断、去核查、去监测、去仲裁“自然—社会—经济”复杂系统的健康程度。可持续发展表现为生态持续、经济持续和社会持续三大特征。其中生态持续是基础，经济持续是条件，社会持续是目的。人们共同追求的应是自然—经济—社会复合系统持续、稳定、健康发展。二、可持续发展战略的基本思想二、可持续发展战略的基本思想(一)可持续发展鼓励经济增长：人类通过经济增长提高当代人福利水平，增强国家实力和社会财富。但可持续发展不仅要重视经济增长的数量，更要追求经济增长的质量。这就是说经济发展包括数量增长和质量提高两部分。(二)可持续发展的标志是资源的永续利用和良好的生态环境：经济和社会发展不能超越资源和环境的承载能力。可持续发展以自然资源为基础，同生态环境相协调。它要求在严格控制人口增长、提高人口素质和保护环境、资源永续利用的条件下，进行经济建设、保证以可持续的方式使用自然资源和环境成本，使人类的发展控制在地球的承载力之内。(三)可持续发展的目标是谋求社会的全面进步发展的本质应当包括改善人类生活质量，提高人类健康水平，创造一个保障人们平等、自由、教育和免受暴力的社会环境。这就是说，在人类可持续发展系统中，经济发展是基础，自然生态保护是条件，社会进步才是目的。人类共同追求的目标，是以人为本的自然一经济一社会复合系统的持续、稳定、健康的发展。三、可持续发展的基本原则三、可持续发展的基本原则(一)公平性原则可持续发展的公平性原则包括两个方面：一是本代人的公平即代内之间的横向公平。可持续发展要满足所有入的基本需求，给他们机会以满足他们要求过美好生活的愿望。二是代际间的公平即世代的纵向公平。人类赖以生存的自然资源是有限的，当代人不能因为自己的发展与需求而损害后代入满足其发展需求的条件——自然资源与环境，要给后代人以公平利用自然资源的权利。(二)持续性原则资源的永续利用和生态环境的可持续性是可持续发展的重要保证。人类在经济社会的发展进程中，需要根据持续性原则调整自己的生活方式，确定自身的消耗标准，而不是盲目地、过度地生产、消费。(三)共同性原则实现可持续发展就是人类要共同促进自身之间、自身与自然之间的协调，这是人类共同的道义和责任。四、可持续发展评价四、可持续发展评价为了对区域可持续发展状况做出诊断，必须把区域的可持续发展评价放在首位。区域可持续发展评价与规划是一种战略性的、根本性的、指导性的，也带有风险性的管理行为。区域可持续发展评价在于它是两种功能的有机结合：从纵的方面讲，即从过程的角度出发，可持续发展评价强调资源的世代分配、强调过程的顺畅运行、强调社会发展的稳定健康、强调人类在发展上的伦理道德与责任感；从横的方面讲，即从区域系统的瞬间场景出发，可持续发展强调结构的均衡、强调生产链的协调、强调供需关系的平衡、强调社会管理的有序。第二章：地球环境第二章：地球环境本章主要内容：•地球圈层构造;•地球的大气环境；•地球的水环境；•地球的生态环境（生态系统）；•地球各圈层与人类的关系。第一节：地球环境概述：第一节：地球环境概述：一、地球环境及其组成：自然环境包括人类赖以生存的环境要素，例如空气、阳光、水、土壤、矿物、岩石和生物等，以及由这些要素构成的各圈层，如大气圈、水圈、土壤圈、生物圈和岩石圈。这些要素和圈层构成了人类的生存环境和地理环境。二、地球环境的独特性：地球环境丰富多样，适合生物的生存和繁衍：地球上存在着大气、陆地和海洋；距地面15—40km处有一个臭氧层，保护着地球不受高能紫外线的侵袭；大气中含有一定数量的CO2，使地表保持适中的温度，有利于生物的生长,地表上覆盖着一层或厚或薄的土壤，为植物提供营养和生长的基地。地球的独特性在于它是一个靠生命来捕获、转移和储存太阳辐射能，靠生命活动来驱动地球表层的物质元素循环，靠生命过程来调控并保持其远离天体物理学平衡的开放系统。三、地球（生物）圈层演化及其作用：约46亿年的时候：地球是一个炙热的大火球，还没有圈层的分化。地球外面包围着原始大气，主要由H2、CH4、NH3和水蒸气等组成，是一个还原性的大气圈。在38亿年左右：在某种机制的作用下，地球上出现了水。水分的蒸发和降雨，降低了地表的温度．产生了河流、湖泊和海洋，为地球生命的出现创造了最基本的条件。水的出现是地球发育史的第一个重大事件。20亿年前后：地球上出现了较为进化的细菌和蓝藻等生物。从此，开始了一种新的生命过程——光合作用，大气圈中首次出现O2。生命的出现是地球史上第二个重大事件。到距今16亿年左右：一个含氧的大气圈终于形成。性质极其活泼的O2对大气圈进行了一场“氧革命”，导致还原性的原始大气逐渐向含有C02、H20和O3的氧化性大气转化。这一过程不仅进一步改变了大气圈的组成，而且03在高空的积累逐渐形成了保护地球的臭氧层，为更高等的海洋生物进化和生命登陆创造了条件。16亿年后，生物进化过程加速。12亿年前出现最早的真核细胞。5亿年前出现海洋无脊椎动物，4.5亿年以前，哺乳类动物出现在2亿年前。今天，大约有500万至5000万种生物组成了五彩摈纷的生物界，构成了包括人类在内的生物圈。地球各圈层发育过程中生物的能动作用起有重要作用。第二节：大气圈第二节：大气圈一、大气圈的组成与结构<一>.组成：大气是由干洁大气、水汽及气溶胶质粒子三部分组成的。1.干洁空气：大气中除去水汽和杂质的空气称为干洁空气。其组成成分最主要的是氮、氧、氩三种气体，。还有少量的二氧化碳、臭氧、各种氮氧化合物及其他一些惰性气体(表2-1)。2.水汽：大气中的水汽来源于海洋、湖泊、江河、沼泽、潮湿地面及植物表面的蒸发或蒸腾作用。3.固体杂质（气溶胶粒子）：固体杂质（或大气气溶胶粒子）是指悬浮于空气中的液体和固体粒子，包括水滴、冰晶、悬浮着的固体灰尘微粒、烟粒、微生物、植物的抱子花粉以及各种凝结核和带电离子等。4.大气污染物人类活动所产生的某些有害颗粒物和废气，可分为两类：一类是有害气体，如SO2、CO、CH4、N2O、H2S、HF等；另一类是灰尘烟雾，如煤烟、煤尘、水泥、金属粉尘等。表2-1大气的组成成分体积混合比成分体积混合比氮(N2)0.78083氪(Kr)1.1×10-6氧(O2)0.20947氙(Xe)0.1×10-6氩(Ar)0.00934氡(Rn)0.5×10-6二氧化碳(CO2)0.00035甲烷(CH4)1.7×10-6氖(Ne)1.82×10-6一氧化二氮(N2O)0.3×10-6氦(He)5.2×10-6臭氧(O3)10-50×10-6<二>、大气圈的结构按大气温度随高度分布的特征可把大气分为对流层、平流层、中间层、热层和外层(图2—1)。1)对流层：大气圈的最下一层，平均厚度在高纬度地区为8—9km，中纬度地区为10.12km，低纬度地区为17—18km。2)平流层：从对流层顶以上到大约50Km左右高度为平流层。3)中间层：平流层顶以上到大约80km的一层为中间层。4)热层(或暖层)：中间层顶以上到800km高空属于暖层。5)外层（或逸散层）：是指热层以上的大气层，即800km高度以上的大气层属散逸层。地球大气层结构二、地球大气平衡对生命的影响组成地球大气的多种成分可分为稳定组分和不稳定组分。氮、氧、氩、氦、氪、甲烷、氢、氖等，这些气体之间的比例，从地表到90km的高度范围内都是稳定的，属稳定组分；不稳定组分包括二氧化碳、二氧化硫、臭氧和水汽等。不稳定组分CO2、O3等浓度的变化对生物圈会造成极大影响。作为大气微量组分的C02和03等气体浓度已经发生实质性变化则是不争的事实，目前还没有观测到大气氧浓度的这种戏剧性变化。大气圈各组分之间的平衡是地球环境亿万年来发育的结果。保持这种平衡乃是维护生物圈所必须的，破坏这种平衡就是破坏生命的基础。然而，人类社会实现工业化以来，规模和强度日益加大的人类活动正在破坏这种平衡，这是人类面临的重大环境问题之一。第二节：水圈第二节：水圈一、水圈的组成<一>水的分布地球水体的总质量为1.5×1018t，体积约1.4×1018m3：，其中，海洋水约占97.212％，大陆表面水约占2.167％，地下水为0.619％，大气水占0.001％(表2．2)。从表中可以看出，地球上水体的分布是极不均匀的，能被人类饮用的淡水只占所有水体的一小部分，而且大部分又为固结在两极及高山地区的固态水。地球上水的分布分布类型水量（104km3)比例（％）海洋132,00097.212陆地表面水河流0.1250.0001淡水湖12.50.0092咸水湖10.40.0077冰川29202.15地下水土壤6.70.0049浅层地下水4200.31深层地下水4140.305生物水1.30.001总计135,786,145100<二>水的类型按天然水所处的环境不同可分为：海水、大气水和陆地水3类。1．海水(seawater)海洋是地球表面最大的积水盆地，是水圈的主体。海水的温度常随纬度和水深的变化而变化，低纬度地区的海水温度较高；深部的海水温度较稳定，常在(-1～4)℃之间，但表层的海水温度变化较大。海水的密度取决于海水的盐度和温度，0℃时，正常盐度(35‰)的海水密度为1.02g／cm3，密度随盐度的增加而增加但随温度的增高而降低。通常深部海水的密度较大，而浅处较小；近岸边的较大，而海洋中心的较小。海水的压力每加深10m约增加105Pa。海水的透明度是指海水透过光线的能力，一般近岸带的海水透明度低，而远岸的海水透明度高。2.陆地水陆地水主要包括地面流水、地下水、湖泊与沼泽及冰川。(1)地面流水地面流水是指沿陆地表面流动的水体，其水源主要有大气降水、冰雪融水、地下水和湖泊。(2)地下水地下水是埋藏在地表以下岩石和松散堆积物空隙中的水体。水源主要来自地面流水和大气降水，通过岩石或松散堆积物的空隙下渗而保存在地表以下。常见的泉、水井就是地下水在地表的露头。(3)湖泊与沼泽湖泊是陆地上较大的集水洼地，全世界湖泊的总面积约27×105km2，占陆地面积的1．8％。沼泽是陆地上潮湿积水、喜湿性植物大量生长并有泥炭堆积的地方。沼泽主要分布在湿润气候区，不论热带、温带和寒带都可产生。(4)冰川冰川是指由积雪形成的、并能运动的冰体。它是陆地上以固体形式存在的水。现在陆地上的冰川主要分布于地球两极及高山地区，覆盖陆地面积的10％，集中了全球85％的淡水。3．大气水大气水是指存在于大气圈中的水，它以汽态的形式存在。据估算，大气中水的总量约为1.3×1013m3：，而绝大多数分布于大气圈的对流层中。我们通常用湿度表示大气中的水含量。大气水对地球的温度能起到“温室效应”，使地球的表面温度保持恒定。水汽与CO2一样，能吸收大量来自地面的长波热辐射。把太阳辐射的能量截留住，使大气升温。据研究，如果大气圈的水分含量降低50％，气温将降低5℃左右。二、水圈的循环地球上各种形态的水，在太阳辐射和地心引力作用下，不断蒸发、输送、凝结、降落的往复循环过程就构成水循环。水循环是一个巨大的动态系统，它将地球上各种水体连接起来构成水圈，使得各种水体能够长期存在，并在循环过程中进入大气圈、岩石圈和生物圈，组成一个循环联系的有机整体，从而使水能被周而复始地重复利用，成为再生性资源。水圈的循环可分为自然循环和人为循环，我们通常所说的是水的自然循环。图2-2全球水循环过程（通量单位为1015kg/a，各源汇中的水量用占全球总水量的百分比表示）三、水圈对生命的重要作用•无色透明的水允许太阳光中的可见光和波长较长的紫外线部分可以透过，使光合作用所需的光能能够到达水面以下的一定深度，而对生物体有害的短波紫外线则被阻挡在外。•水是一种极好的溶剂，为生命过程中营养物和废弃物的传输提供了最基本的媒介。•水的高比热[4.18J／(g·)]℃、高蒸发热[在20℃下为2.4kJ／g]使得地球上的海洋、湖泊、河流等水体，白天吸收到达地表的太阳光的热量，夜晚又将热量释放到大气中，避免了剧烈的温度变化，使地表温度长期保持在一个相对恒定的范围内。•水在4℃时的密度最大，这一特性在控制水体温度分布和垂直循环中起着重要作用。•冰轻于水[冰的密度只有0.92g/cm3]。可以浮在水面上。这一特性对水下生物具有十分重要的意义。第三节：土壤圈第三节：土壤圈土壤圈是指岩石圈最外面一层疏松的部分，其上或里面有生物栖息。土壤圈是构成自然环境的五大圈之一，它与大气圈水圈同等重要，为第三大环境要素。土壤圈是联系有机界和无机界的中心环节，也是与人类关系最为密切的一种环节要素。一、土壤的组成土壤为由固相(矿物质、有机质)、液相(土壤水分或溶液)和气相(土壤空气)等三相物质四种成分有机地组合在一起构成的一种特殊物质。可分为：1.无机组成（矿物质）原生矿物主要有硅酸盐类：橄榄石、石榴子石、锆石、辉石、角闪石、滑石、黑云母、白云母、钾长石、钠长石、钙长石。碳酸盐类：方解石、白云石。氧化物，氢氧化物：石英、针铁矿、赤铁矿、褐铁矿、水铝矿、硬水铝矿等。硫酸盐类：石膏。硫化物类：黄铁矿。磷酸盐类：磷灰石等。次生矿物是原生矿物在成土过程中新生成的矿物，包括各种简单盐类、次生氧化物和铝硅酸盐类，主要是：方解石、白云石、石膏、芒硝、针铁矿、褐铁矿、伊利石、蒙脱石和高岭石等。2.有机质土壤有机质是指以各种形式存在于土壤中的有机化合物，其含量一般仅占百分之几。土壤有机质可分为两大类：普通有机物和腐殖质。3.机械组成土壤是由粗细不等的土壤颗粒组成的，这种粗细不等的土粒按不同比例组合称为土壤的机械组成，又称土壤质地。4.土壤溶液（水分）土壤溶液是土壤水分及其所含气体、溶质和悬浮物质的总称。二、土壤的性质1.土壤剖面：土壤的形成过程中，由于物质在土壤中的垂直迁移和累积的结果，促使土壤中物质发生淋溶和聚集，因而在土壤层次上发生垂向分化，并可划分出不同土层。2.土壤的物理性质：土壤的物理性质是土壤的基本性质，它包括土壤的质地、结构、比重、容量、空隙度、颜色、温度等。3.土壤的化学性质：土壤化学性质主要表现为土壤胶体性质、土壤酸碱度和氧化还原反应三个方面。土壤溶液中的胶体颗粒担当着离子吸收和保存的作用；土壤溶液的酸碱度决定着离子的交换和养分的有效性；土壤溶液的氧化还原反应则影响着有机质分解和养分有效性的程度。土壤剖面单个土体土体枯枝落叶层腐殖质层淋溶层淀积层母质层三、土壤圈与人类的关系土壤具有肥力，也就是具有提供和调节水、气、热和营养元素的能力，为植物的生长提供了必要的条件。地球半径约为6400km而地表土壤的厚度仅为几十厘米，相比之下微乎其微，但却正是这薄薄的一层土壤，才使得地球上有了广阔的森林、农田和草场，人类得以从中获得宝贵的生产和生活资源。尽管人类日益紧迫地面临土地匮缺的问题，但是，人类在其经济、政治和军事活动中仍然有意无意地伤害关系到人类衣食住行的土壤圈。人类对土壤圈较严重的影响包括荒漠化、水土流失、盐渍化和水涝，以及土壤污染等方面。第四节：生物圈第四节：生物圈生物圈(biosphere)是指地球上有生命活动的领域及其居住环境的整体。它包括海平面以上23km至海平面以下12km的范围。主要由生命物质、生物生成性物质和生物惰性物质组成。生命物质又称活质，是生命有机体的总和。生物生成性物质是由生命物质所组成的有机矿质作用和有机作用的生成物，如煤、石油、泥炭和土壤腐殖质等。生物惰性物质是指大气低层的气体、沉积岩、粘土矿物和水。生物圈存在的基本条件生物圈存在的基本条件•能够获得来自太阳的充足光能；•存在有可被生物利用的大量液态水；•生物圈内要有适合生命活动的温度条件，在此温度变化的范围内的物质存在气态、液态和固态三种变化；•提供生命物质所需的各种营养元素，包括02、C02、N、C、K、Ca、Fe和S等，它们是生命物质的组成或中介。一、生物与环境一、生物与环境1．环境因素与生物的相互影响任何生物有机体都不能脱离环境而生存，环境控制和塑造着生物的生理过程、形态构造和地理分布。同时生物有机体特别是其群体对环境也产生有明显的改造作用。不同的生物种对生态因素和环境的适应能力存在差异。一般来说，对环境适应能力较强的种类，其分布范围亦较广。22．生物的适应性和指示现象．生物的适应性和指示现象(1)生物的适应性生物的适应性是指生物的形态结构、生理机能、个体发育和行为等与其生存的一定环境条件互相统一、彼此适合的现象。(2)生物的指示现象生物的指示现象是指根据生物种或它们的群体、或生物的某些特征来确定地理环境中其他成分的现象。二、生物群落二、生物群落1.种群占据着一定环境空间的同一种生物的个体集群叫做种群。换言之，种群就是在一定空间中同种生物的个体群。自然界中，种群是物种存在、物种进化和表达种内关系的基本单位，是生物群落或生态系统的基本组成部分，同时也是生物资源开发、利用和保护的具体对象。2.生物群落群落为种群的集合体，是一个比种群更复杂更高一级的生命组织层次。生物群落在一定地段的自然环境条件下，由彼此在发展中有密切联系的动物、植物和微生物有规律地组合成的生物群体。每个生物群落都是自然界真实存在的一个整体单位，占据着生物圈的一定地区，具有一定的组成和结构，在物质和能量交换中执行着独特的功能。3.生物多样性生物多样性包括了遗传多样性（包括一个物种内个体之间和种群之间的差别）、物种多样性（一个区域内动植物和其他生物的不同类型）和生物群落或生态系统多样性（一个地区内各种各样的生境）。多样性在生态系统中的重要性有一部分是由于它们可以为人类服务——水、气体、营养物和其他物质的循环。三、生态系统三、生态系统1.概念在自然界中，一定空间内由生物成分和非生物成分组成的一生态学单位构成生态系统。即：生态系统就是由生命系统和环境系统在特定空间的组合。任何生态系统都具有三个共同特征：能量流动、物质循环和信息传递；具自我调节的能力；属一动态系统。2.生态系统的组成及类型1)组成•自养型生物：称为生产者，包括各种绿色植物和化能合成细菌。•异养型生物：称为消费者，包括草食动物和食肉动物。•异养型微生物：称为分解者（或还原者），如细菌、真菌、土壤原生动物和一些小型无脊椎动物，它们靠分解动植物残体为生。2）类型3.生态系统的营养结构生态系统的营养结构指生态系统中的无机环境与生物群落之间和生产者、消费者与分解者之间，通过营养或食物传递形成的一种组织形式。食物链是生态系统内不同生物之间类似链条式的食物依存关系。营养级食物链上的每一个环节称之。食物网食物链相互交叉形成复杂的摄食关系网称之。能量在食物网中流动转移效率是很低的。后一营养级所储存的能量只有大约10％能够被其上一营养级所利用。其余大部分能量被消耗在该营养级的呼吸作用上，以热量的形式释放到大气中去。这在生态学上被称为10％定律或1／10律。能力传递的1/10律4.生态系统的功能生态系统的功能主要表现为生物生产、能量流动和物质循环，它们是通过生态系统的核心部分——生物群落来实现的。(1)生态系统的生物生产生态系统的生物生产是指生物有机体在能量和物质代谢的过程中，将能量、物质重新组合，形成新的产物(碳水化合物、脂肪、蛋白质等)的过程。植物性生产或初级生产绿色植物通过光合作用，吸收和固定太阳能，将无机物转化成有机物的生产过程。动物性生产或次级生产消费者利用初级生产的产品进行新陈代谢，经过同化作用形成异养生物自身物质的生产过程。(2)生态系统的能量流动生态系统中的能量流动都是按照热力学第一定律和第二定律进行的。在热力学定律的约束下，自然界中大大小小的生态系统处于完美的和谐之中。在热力学定律的约束下，自然界中大大小小的生态系统处于完美的和谐之中。大自然赋予生物多样性使生态系统更加和谐。由于存在着这种多样性，每种生物都会在生态系统中找到适宜的栖息地。生存竞争导致优胜劣汰。当某种病害袭来时，只有某些敏感的物种遭到伤害。灾害过后，幸存的物种可能使生态系统得以复苏。值得注意的是，自然界的生态平衡很脆弱，易遭外力破坏。人类虽无力改变热力学定律，但往往能轻易地破坏生态金字塔和生物多样性，使不少地区陷入“生态危机”之中。(3)生态系统的物质循环自然界的各种元素和化合物在生态系统中的运动为一种循环式的流动,称为生物地球化学循环。生物地球化学循环可分为三种主要类型：水循环，气体型循环和沉积型循环。气体型循环主要包括碳和氮的循环，这两个元素的贮存库主要是大气和海洋。循环具全球性。•碳循环•氮循环•硫循环a.碳循环•碳循环的最简单形式在有阳光的条件下，植物把大气中的C02转化为碳水化合物，用以构成自身。同时，植物通过呼吸过程产生的C02被释放到大气中，供植物再度利用。•碳循环的第二种形式植物被动物采食后，碳水化合物转入动物体内，经消化、合成，由动物的呼吸排出C02。此外，动物排泄物和动、植物遗体中的碳，经微生物分解被返回大气中，供植物重新利用。•碳循环的第三种形式人类通过燃烧煤、石油和天然气等释放出大量C02，它们也可以被植物利用，加入生态系统的碳循环中。此外，在大气、土壤和海洋之间时刻都在进行着碳的交换，最终碳被沉积在深海中，进入更长时间尺度的循环。全球碳循环示意图b.氮循环氮属于不活泼元素，气态氮并不能直接被一般的绿色植物所利用。氮只有被转变成氨离子、亚硝酸离子和硝酸离子的形式，才能被植物吸收，这种转变称为硝化作用。大气氮进入生物体的主要途径有四种：•生物固氮(豆科植物、细菌、藻类等)；•工业固氮(合成氨)；•岩浆固氮(火山活动)；•大气固氮(闪电、宇宙线作用)。四种途径中第一种使大气氮直接进人生物有机体，其他则以氮肥的形式或随雨水间接地进人生物有机体。全球氮循环示意图每年进入生物圈的氮：92×106t每年回归大气的氮：83×106t（反硝化作用）每年生物圈固氮的速度9×106tc.硫循环地球中的硫大部分储存在岩石、矿物和海底沉积物中，以黄铁矿、石膏和水合硫酸钙的形式存在。大气圈中天然源的硫包括H2S、SO2和硫酸盐。H2S来自火山活动、沼泽、稻田和潮滩中有机物的嫌气(缺氧)分解等途径，SO2来自火山喷发的气体；大气圈中硫酸盐(如硫酸铵)则来自海浪花的蒸发。大气圈中硫的l／3(包括硫酸盐的99％)来自人类活动，其中的2/3来自含硫化石燃料(煤和石油)的燃烧，其余来自炼油和冶金工业和其他工业过程。全球硫循环数字表示通量（1012g/a)；小字体表示天然源贡献，大字体表示人为源贡献四、信息传递•物理信息由声、光和颜色等构成。例如，动物的叫声可以传递惊慌、警告、安全和求偶等信息；某些光和颜色可以向昆虫和鱼类提供食物信息。•化学信息由生物代谢作用产物(尤其是分泌物)组成的化学物质。如同种动物间释放的化学物质能传递求偶、行踪和划定活动范围等信息。•营养信息营养信息由食物和养分构成。食物网和食物链就是一个营养信息系统。•行为信息无论是同一种群还是不同种群，它们的个体之间都存在行为信息的表现。如某些动物以飞行姿势和舞蹈动作传递觅食和求偶信息，以鸣叫和动作传递警戒信息等。五、生态平衡及其破坏任何一个正常、成熟的生态系统，其结构与功能，包括其物种组成，各种群的数量和比例，以及物质与能量的输出、输入等方面，都处于相对稳定状态。就是说，在一定时期内，系统内生产者、消费者和分解者之间保持着一种动态平衡，系统内的能量流动和物质平衡在较长时期内保持稳定。这种状态就是生态平衡，如果生态系统中物质与能量的输入大于输出，其总生物量增加，反之则生物量减少。在自然状态下，生态系统的演替总是自动地向着物种多样化、结构复杂化、功能完善化的方向发展。生态平衡是靠一系列反馈机制维持的。物种循环与能量流动中的任何变化，都是对系统发出的信号，会导致系统向进化或退化的方向变化。生态系统结构愈复杂，物种愈多，食物链和食物网的结构也愈复杂多样，能量流动与物种循环就可以通过多渠道进行，有些渠道之间可以起相互补偿的作用。一旦某个渠道受阻，其他渠道有可能替代其功能，起着自动调节作用。当然，这种调节作用是有限度的，超过这个限度就会引起生态失调，乃至生态系统的破坏。影响生态平衡的因素既有自然的，也有人为的。自然因素如火山、地震、海啸、林火、台风、泥石流和水旱灾害等常常在短期内使生态系统破坏或毁灭。受破坏的生态系统在一定时期内有可能自然恢复或更新。人为因素包括人类有意识“改造自然”的行动和无意识造成对生态系统的破坏。例如，砍伐森林、疏干沼泽、围湖围海(垦殖)和环境污染等。这些人为因素都能破坏生态系统的结构与功能，引起生态失调，直接或间接地危害人类本身。所谓的“生态危机”大多是指人类活动引起的此类生态失调。第三章：全球变化第三章：全球变化本章主要内容：•全球变化的概念；•全球变化研究方法及信息获取；•中国陆域在全球变化研究中的作用及其科学问题。第一节：全球变化第一节：全球变化一、全球变化的科学内涵1.全球变化的定义全球环境(包括气候、土地生产力、海洋和其他水资源、大气化学及生态系统等)中能改变地球承载生命能力的变化称之。2.全球观点与全球尺度全球观点就是从地球系统的思想出发把地球看作一个整体，研究地球系统随时间的变化，集中研究那些把系统中所有部分紧密地联系在一起的、并导致系统发生变化的过程和机制，而不是孤立地研究地球的不同组分和它的环境。全球尺度是指过程或事件本身的空间尺度大约相当于地球半径以上，或虽然过程或事件本身的空间尺度没有达到上述规模，但其影响却是全球性的。3.全球变化的时间过程全球变化研究不仅是为了揭示发生在过去的全球变化规律，更主要地是为认识现代正在进行的及未来将要发生的全球变化。全球变化的主要时间尺度可以分为五个不同的时段：几百万年至几十亿年几千年至几十万年几十年至几百年几天至几个季度几秒到几小时五个时段中，几十年至几百年的中等时间尺度变化是全球变化研究的重点，在此时间尺度内的自然变化对人类有着重要的影响，而人类活动对全球过程的影响也最为显著。4.全球变化中人类的作用由于人类活动影响的加剧，全球变化过程正以前所未有的速度加快进行，人类已经成为导致全球变化的营力之一。狭义理解的全球变化主要是指人类生存环境的恶化。因此当前的全球变化研究特别关注的是对人类和对生物圈影响最大、对人类活动最为敏感的时间尺度为几十年至几百年的全球变化，以及作为这一尺度变化背景的几千至几万年尺度的变化。二、全球变化研究的主要内容二、全球变化研究的主要内容1.全球变化的过程全球变化是地球系统在各个时间尺度上的自然变化和人类活动所导致的全球变化两部分的叠加。全球变化是地球各个组成部分—地核、地幔、岩石圈、水圈、大气圈和生物圈—之间相互作用和反馈的结果，是地球系统动力学过程的必然表现。全球变化主要过程包括：气候和水文循环过程、生态系统和生物地球化学循环过程、固体地球过程和人类对地球的影响过程等。2.全球变化在时间和空间上的表现形式从时间过程上看，全球环境变化表现为一个时期环境的状态或其特征值较另一时期有明显不同。全球变化的时间过程可以由均值、周期、趋势、相对变率等许多参数来表征，其基本方式有两种，即环境围绕一个平衡状态的起伏波动；以及在短时间内由一种环境状态取代另一种环境状态的突变。区域分异是地球系统有序性在空间上的表现，地球系统的各组成要素在坐标位置不同的地球表层空间有不同的组合，从而形成具有不同环境属性特征的地理区域，每个区域内部有较高的一致性，相邻区域之间有明显的或逐渐过渡的分界线。全球环境状态随时间的变化在空间上的表现就是区域分异格局的调整。一种区域分异格局对应于一种环境状态，当全球环境状态发生变化时，区域分异的格局也相应地发生变化。3.全球变化的影响与人类的响应全球变化是对人类生存和发展的挑战。对于人类社会而言，全球变化意味着人类生存条件的变化，势必对人类产生有利或不利的影响。为适应全球变化，人类必须认识全球变化，并采取相应的对策。全球变化的对策与政策评估研究主要是基于对全球变化影响的认识和现实社会经济技术能力，提出人类适应与减缓全球变化影响的对策，评估其可行性，为人类的可持续发展服务。4.全球变化信息的获取、处理与分折技术在研究，证实、了解、模拟和评估全球变化，需要并产生大量的、多种类型的数据和信息，这些数据包括反映过去全球变化的各种信息、监测正在进行的全球变化过程所获得的信息，以及由各种分析、模拟所产生的信息等。环境地球化学在过去全球变化信息提取研究中可发挥重要作用。如：树轮、湖泊沉积物、海洋沉积物、冰岩心、黄土剖面、古土壤、沉积岩层、孢粉及火山灰等可提供丰富的环境演变信息。三、全球变化研究的意义三、全球变化研究的意义•全球变化研究是人类社会实现可持续发展的科学基础；•深化对地球系统的认识，促进地球科学发展；•改变人类的观念、促进应用基础科学和有关社会科学的发展。四、全球变化的国际研究计划四、全球变化的国际研究计划•国际地圈—生物圈计划(IGBP)；•全球变化人文计划(IHDP)；•世界气候研究计划(WCRP)；•生物多样性计划(DIVERSITAS)。1.世界气候研究计划(WCRP)WCRP的研究对象：物理气候系统。WCRP的两个研究目标：•气候的可预报程度；•人类活动对气候的影响。WCRP的三个研究方向：•为期数周的长期天气预报；•全球大气年际变率以及为期数年的热带海洋的年际变率；•长期变化WCRP的两大试验：•热带海洋和全球大气试验；•世界海洋环流试验，2.国际地圈一生物圈计划(IGBP)IGBP主要以生物地球化学循环于系统及其与物理气候子系统的相互作用为主要研究对象，其科学目标是：了解和阐述控制整个地球系统的关键的物理、化学和生物相互作用过程；了解和阐述支持生命的独特环境；了解和阐述出现在地球系统中受人类活动影响的重大全球变化。特别是那些时间尺度为几十年至几百年，对生物团影响最大，对人类活动最为敏感，具有可预测性的重大全球变化问题。IGBP由若干个核心计划和支撑计划构成。目前已启动的核心计划有11项。3.全球变化人文计划(IHDP)目的：从社会科学的角度来研究全球变化，力求更好地了解导致全球环境变化的人类原因。四个目标：•促进对左右人与地球总体系统相互作用的复杂原因的科学理解和认识；•不断努力探索预测全球环境下的社会变化；•确定宏观的社会战略，以预防或减轻全球变化的不利影响，以适应那些无法避免的变化；•分析对付全球环境变化、促进实现可持续发展的政策与方案。三个主要研究内容：•全球变化的根源，主要是人为根源；仔细区分自然趋势和由人类活动所造成的两类变化；•由于自然和直接由于人类作用所引起的变化的后果；•对全球变化的管理。4.生物多样性计划(DIVERSITAS)目标：旨在研究地球上生物多样性。内容：•生物多样性的生态系统功能；•生物多样性的产生、减少及其维护；•生物多样性的编目与监测。5.中国的全球变化研究我国的全球变化研究对下列两个方面的科学问题进行了重点研究：•首先是具有全球意义的、同时又是我国急需解决的区域性生存环境问题；•其次是全球变化对我国的气候、环境和经济发展的影响。我国科学家近一二十年在古季风环境变化、大气温室气体排放监测、全球气候变化对我国和陆地生态系统的可能影响、中国土地利用和土地覆盖变化历史、区域气候变化的模拟和预报、全球气候变化问题对策研究等许多方面所开展的工作和成就都对国际全球变化研究作出了贡献。国际全球变化的科学计划与相关的观测系统第二节：全球变化研究方法第二节：全球变化研究方法对于全球变化的决定性认知不仅来自对那些当代过程的研究，而且来自于对过去全球变化历史的重建。对过去全球变化的研究可以揭示各种过程之间不断变化着的平衡关系，而正是这些过程在地球的整个沿革过程中形成了现代地球系统。因此，科学的全球变化研究是从过去的全球变化研究开始的，其在全球变化研究中的重要意义主要在于：第一，重建全球变化历史，了解包括演变过程、时空分布形式、变化的区域差异等方面的规律；第二，通过过去发生过的全球变化现象，探讨和认识全球变化的成因机制；第三，利用重建的结果验证模式的可靠性或为模式的建立提供参数；第四，由历史演变规律推测未来环境或为预测未来环境提供历史相似型。当前全球变化研究的三种途径：•全球变化的重建以残存的过去全球变化的产物为依据，反推形成产物的环境状态，进一步推测其成因机制；•全球变化的动态监测利用各种观测手段，对正在进行的全球变化过程进行实时跟踪观测，从中找出变化的规律；•全球变化的模拟从全球变化的过程与成因机制出发，根据对全球变化过程的认识，建立数学模式，利用模式从已知的环境过程出发，演绎可能的环境状态及其产物。重建、动态监测与模拟构成了全球变化研究的三个基本途径，它们是互相参校补充的。一、过去全球变化重建的基本假设认识现代所发生的过程需要对所经历的历史有必要的了解。因此，关于全球变化的决定性见识不仅来自对那些当代过程的研究，而且来自于对过去全球变化历史的重建。进行过去全球变化的重建，通常依据以下几个基本假设条件：1.基本假设•均一性假设•协同性假设•全息假设二、过去全球变化环境属性信息的获取对象过去全球变化信息的三种类型：观测记录指借助于各种观测技术手段所获得的环境信息，如地面观测的气象、水文记录，空间观测获得的各种遥感数据等，它们记录规范，精度高，但时间尺度短。考古和历史文献记载指由人类物质文化活动而形成的物质和文字的记录，如古人类的遗址和遗物，有关物候、灾异、耕作制度的文字记录等。古环境感应体指在过去某一时期形成并一直保存至今的各种自然体。它们记录了当时的环境状况，如古沙丘、黄土与古土壤、冰芯、树木年轮等。过去全球变化的主要信息源与可提取信息信息源可提取信息赋存圈层主要类型物理化学生物人类文化岩石圈：沉积物与地貌形态湖泊沉积纹层、韵律层、粒度、矿物成分同位素、常量和微量元素孢粉、大化石、昆虫、介形虫、植物硅酸体文化层黄土与古土壤粒度、磁化率、土壤类型、土壤微形态同位素、化学(常量和微量)元素蜗牛、植物硅酸体、孢粉、C3／C4植物比例、大化石、昆虫、有机质文化层风沙层与古土壤粒度、磁化率、风沙与土壤层类型大化石、昆虫、孢粉、有机质文化层洞穴堆积石笋纹层同位素、化学元素孢粉、大化石、植物硅酸体文化层大陆架浅海沉积沉积速率同位素、化学元素微体生物化石、植物硅酸体、孢粉文化层深海沉积风成碎屑物含量、粒度同位素微体生物化石侵蚀与堆积地貌形态湖泊地貌、冰川地貌、风沙地貌、海岸地貌等地貌形态参数人工地貌冰雪圈冰芯冰雪累积量、尘埃含量同位素、化学元素、大气成分有机气体、有机物、孢粉生物圈残遗植物种群类型和分布树木年轮密度同位素、化学元素宽度(径向生长量)珊瑚年轮同位素、化学元素宽度主要天然环境档案的特征档案时间分辨率时间长度(年)可提取的环境参数树木年轮年/季104THCaBVMLS湖泊沉积年104～l06TBM极地冰岩芯年105THCaBVMS中纬度冰岩芯年103THBVMS海湾沉积年105TCwL黄土10年106TCsBM海洋岩芯100年107TCwBM花粉10年105THB古土壤100年105THCsV沉积岩芯2年107HCsVML历史记录天/小时103THBVMLST＝温度；H＝湿度或雨量；C＝大气(a)、水(w)或土壤(s)的化学成分；B＝生物量方面的信息;V＝火山喷发；M＝地磁场；L＝海平面；S＝太阳活动。（1）海洋沉积及深海沉积的氧同位素记录只有数十米深的大陆架是第四纪冰期一间冰期海面升降变化影响所及的地区，其上的浅海沉积物主要为由大江、大河所搬运的陆源物质。从浅海沉积物中不但能够获取海面变化、浅海地区的温度变化等信息，而且可以获取一定的有关陆地上的环境变化的信息。世界大洋彼此贯通，且沉积连续性好，因此用深海岩芯能够建立连续的、且能反映全球变化的时间序列。海洋中浮游微体生物骨骼的富集在深海沉积过程中具主导地位，由有孔虫、放射虫等微体古生物的组合或特征种属的含量可以对古水温、古盐度等环境特征进行推断。（2）黄土与古土壤第四纪黄土沉积以黄土层和古土壤层交互沉积为特征。黄土和古土壤层的交互出现是风尘堆积作用和成土作用两种对立的过程彼此消长的结果，当风尘堆积作用大于成土作用时形成黄土层，反之，形成古土壤层。因此，黄土沉积与寒冷的冰期相对应，古土壤则对应于相对温暖的间冰期。我国境内的黄土堆积主要与冬季风环流的搬运密切相关。因此，黄土被当作反映东亚冬季风变化的标志。粒度是用来反映黄土粗细程度的指标，粒度的大小差别反映了风力搬运强度的差别。磁化率（物质被磁化难易程度的一种量度）值的变化与气候变化尤其是降水量的变化有一定关系。黄土—古土壤序列中磁化率的变化被作为夏季风变化的指标，黄土层和古土壤层之间磁化率的差别反映了夏季风强度的差别。深海氧同位素记录与中国黄土古土壤序列的对比黄土的粒度与磁化率的变化（框线表示冬、夏季风存在位相差的时段）（3）孢粉和植物硅酸体孢粉是孢子和花粉的统称，它们分别是孢子植物和种子植物的繁殖器官。许多孢粉具有耐氧化、耐高温、耐溶解的质地坚硬的外壁，因此能够在沉积地层中长期保存下来，特别是在沼泽、泥炭地、湖底等积水的非氧化环境下更易保存。根据孢粉的组成及其随时间的变化，可以推断植被在时间和空间上的演化过程及环境的变化，如云杉、冷杉的孢粉组合代表了寒温带针叶林环境等。高等植物在生长过程中，通过根系从土壤中吸收硅，在植物组织细胞(与根、茎、叶、颖片、果壳、花有关的表皮细胞，叶肉细胞，维管束细胞等)内腔或细胞之间以水合硅(Si02·nH20)的形式沉积下来，并聚合成各种形态的蛋白石矿物称为植物硅酸体。根据植物硅酸体的形态特征可以区分植物的类型，对于从孢粉难以区分的禾本科植物能够区分到亚科、属甚至种；与孢粉比较，硅酸体属高度原地沉积，且在孢粉和其它化石难以保存的地层中亦能保存下来；因此，在某些方面较孢粉资料更具优越性，可与孢粉资料相互补充。（4）冰芯极地冰盖和中纬度高山冰川地区，冰雪终年不化，每年积累的雪最终转换成冰，形成一个年层。冰芯中获得的主要记录之一是氧同位素比率δ18O。陆地水体中水的18O／16O均小于标准大洋水(SMOW)中的18O／16O值，离海洋蒸发源越远，水体中的18O／16O越小，δ18O的负值越大。蒸发和凝结作用均与温度有关，因此δ18O与温度之间存在一定的关系。分析测试表明温度每降低l℃，δ18O在格陵兰地区降低0.70‰，在南极地区降低0．75‰，在青藏高原北部降低0．65‰，根据这种关系，可以由冰芯中的δ18O推断温度变化。由于冰面温度会影响冰晶生长，因此也可以根据冰芯中冰晶生长的形态来推断温度的变化。冰芯中的化学成分和微粒含量，记录了过去大气气溶胶的状况，以及地球沙漠化和大气环流强度的状况；冰芯中保存的有机物质记录了当时的生物地球化学循环过程；冰芯中的火山灰和强酸信号则记录了火山活动的历史；冰芯中的10Be等放射性同位素含量的变化反映了宇宙射线强度、太阳活动和地磁场强度变化的历史。（5）树木年轮树木年轮可提供时间分辨率为年或季的全球变化信息，是重建几十到几百年尺度全球变化的最重要的信息源之一。树木年轮的形成是树木形成层周期性生长的结果。树木的一个年轮由较宽的浅色早材和较窄的暗色晚材构成。环境变化所引起的树木年轮宽度变化反映的是对树木生长限制最大的环境(气候)因子的变化。根据年轮中碳、氢、氧同位素比值的变化可以反映环境的变化；碳13C／12C比值(δ13C)的变化还能够用来反映大气中CO2含量的变化及其对树木肥化作用，以及环境污染状况(污染能够减少邻近空气中CO2与树木间碳同位素的分馏作用，造成13C含量减少)。根据树木年轮中14C的变化，可以推断大气中14C浓度的变化，并进一步推断导致大气中14C浓度变化的太阳活动和宇宙射线变化的历史。树木年轮中的化学元素含量与当年环境中化学元素的含量存在着相关性，根据树木年轮中化学元素含量的变化，可以反映环境中化学元素的变化，如环境污染等。树木年轮的结构与影响窄轮形成的气候因子三、时间序列的确定一条全球变化信息不仅要能够在一定的精度范围内确定其所表征的环境状态，而且需要确定其发生的时间和空间位置，只有这样的信息才能用于重建过去的全球变化。根据时间参照系的不同，可分出绝对年代和相对年代，绝对年代可确定事件在一个特定的时间体系中的具体年代；相对年代只能确定一个事件与其它事件的相对先后次序，但通过与已建立起来的地质年代表进行对比，也可以知道事件发生的时段。第四纪以来地质时间序列的确定方法有很多种，其中主要有：14C、铀系、裂变经迹、热释光、铅同位素、以及磁性地层、氧同位素地层和氨基酸地层年代学等方法。第四纪年代测定主要方法（据M.Willianms,1997)方法被测参数测年范围测年材料应用结果放射性碳法(14C法)14C活度14C原子数100aBP－50kaBP有机质(如树木、木炭)、土壤、骨骼、介壳、地下水相对年龄和数值年龄热释光法(TL法)TL辐射l00aBP－1MaBP石英、长石矿物颗粒(如黄土、沙丘、冲击物)、陶瓷、火山灰、碳酸盐/淀积物热事件(火山活动、陶瓷烧制)、化学沉积、阳光晒退(沙丘形成、冲击历史)数值年龄 电子自旋共振法(ESR法)捕获电子的ESR2kaBP-10MaBP介壳、珊瑚礁、骨骼和牙齿、有机质、某些沉积物同上数值年龄铀系法(U—系法)U及其子系同位素的浓度或比值因方法而异含铀、钍的各种物质数值年龄钾氩法(K—Ar法)0Ar*的积累、40K的含量40K／40Ar*100kaBP以上含钾物质—火成岩、沉积岩、变质岩等矿物—岩石蚀变(如风化)、重结晶、断层、热历史数值年龄裂变径迹法径迹密度100kaBP以上含238U的物质，如锆石、玻璃(黑耀岩)、玄武岩、火山浮岩火山事件、地表演化、海底扩张、考古材料数值年龄第四纪年代测定主要方法（续前表)方法被测参数测年范围测年材料应用结果水解黑曜岩法水解层厚度lkaBP—几百万年黑曜岩冰碛、沉积物、考古材料历史档案、考古记录记录现代一几万年各类事件(如冲击事件)数值年龄树轮法年生长层0一10kaBP树木数值年龄纹泥和韵律层融冰水形成的纹层现代—10kaBP湖相沉积物冰川演化历史数值年龄地衣法 10a一103a地衣冰川演化历史数值年龄古地磁法极性倒转极性漂移长期变化剩磁方向50kaBP－1MaBP10—50KaBP2.5—3KaBP含磁性矿物的火山沉积(包括火山灰)、古窑遗址、风成和水成沉积海底扩张、沉积事件、火山岩、冷却事件、考古样地层对比(与已知年龄样品对比可以获取数值年龄)氨基酸外消旋法(AAR法)D／L比值2．5—3KaBP含蛋白质分解产物的化石(如骨骼、牙齿、贝壳、有孔虫)、钙质沉积物、泥炭古气候事件、有体死亡时间相对年龄(与已知年龄样品对比可以获取数值年龄)风化成土沉积特征10－10kaBP土壤、层状堆积物和冰川沉积物成壤事件、冰期间冰期历史、古气候相对年龄、地层对比(有一定局限性)1.14C年代测定（1).C同位素的分布自然界中含有三个C同位素，12C、13C和14C，其相对含量分别为98．89％、1．108％和1．2×10－10％，其中14C是放射性同位素。天然14C是在大气层上部，大气中宇宙射线产生的中子(n)轰击氮核（14N）产生14C，其反应式为：14N十n—→14C十1H新产生的14C在大气层中很快被氧化变成14CO2，并与大气层中原有的CO2充分混合后扩散混合到整个大气层中而达到平衡浓度。（2).14C测年原理假如在14C测年方法可测时段内宇宙辐射的强度保持不变，天然14C产生的速度将是固定的。分布于大气圈、水圈及生物圈中的14C通过自然界中碳的交换及循环作用不断地得到补充，另一方面由于14C的衰变而有一部分衰变为14N。这两个相反的作用同时存在使得14C在这三个碳储存库中的浓度达到平衡。一旦生物体死亡后，碳的交换循环作用就停止了。其肌体内保存的14C浓度将由于14C的衰变而随时间的推移逐步减少，因此，可以根据残留的14C浓度推算有机体死亡后所经历的时间。14C的衰变是严格地按照指数定律进行的，有机物死亡(t)年后残留的14C比度A(t)为：A(t)＝A0×e-λt式中：t为有机体死亡后经历的时间；A0为有机体活着时的14C比度；λ为14C的衰变常数，其值为：1n2／5730＝1／8267a-1，半衰期为5730a±40a。假定最近4万一5万a内宇宙辐射强度不变，在这一时期内大气层中14C的产生速度也将相应地不变。并假定在3个碳储存库中，14C的浓度保持相对的动态平衡，Ao值为常数，它可以通过对现在生长的树木的放射性比度测量求出，其计算公式为：t＝-80331n(Asn／Aon)式中：Asn为样品残留的14C比度(dpm／g)；Aon为现代碳的14C比度(dpm／g)。2.热释光(TL)法与物体的红热发光和荧光发光不同，热释光是一种磷光，是结晶固体受热之后，以光子的形式释放其储存在固体晶格中能量的一种特征表现。通常，结晶固体在其形成和在自然界存在的过程中，接受了来自周围环境和宇宙中的放射性核辐射，固体晶格受到辐射影响和损伤后，以内部电子的转移来储存核辐射带给晶体的能量，这种能量遇到外来热刺激(或光照)，又能通过储能电子的复原运动而以光子的方式再度把能量释放出来，这就是热释光。热释光的特征•一次性发光；•每种矿物都具有自身固有的热释光增长曲线，其热释光峰温往往与晶格中的储能电子所处陷阱的能量深度相对应。同种矿物来源不同，热释光增长曲线也有差别；•同种矿物对不同类型的辐射反应不同，其热释光增长曲线也有差异。热释光测年的基本原理自然界的沉积物中，均含有微量的长寿命的放射性元素——铀、钍和钾，它们在衰变过程中释放的、和射线，可使晶体发生电离，产生游离电子。这些游离电子大部分很快复原，有部分就被较高能态的晶体缺陷捕获而贮存在晶体中。当晶体受到热刺激时，被俘获的电子就可获得能量，逸出陷阱，产生热释光。释放的光子数与陷阱中储能电子数成正比，储能电子数与晶体接受的核辐射剂量成正比，即晶体的热释光强度与接受的核辐射总剂量成正比。在一定时距内，就半衰期很长的铀、钍和钾而言，其放射性强度几乎为恒量，每年提供给结晶固体的核辐射剂量也应为恒定值。因此，可认为晶体的热释光强度与储能电子累积的时间成正。石英晶体累积能量的方式A点：可测得TLA，就可得到时间t1，标本的年龄：t＝t1-0＝t1C点：可测得TLc和时间：t’＝t2-t4；但t’并不能代表石英沉积至今的年代(t＝t2-t3)；因此，要用阳光晒退实验测出残余热释光量TLD，由此计算出t”＝t3-t4，然后对t’作残余热释光校正，得到标本的真实年代：t＝t2-t3＝t’-t”热释光测定对象须具备的基本条件•被测对象应有良好的热释光特性，有确定的累积辐射能的起点，并能代表被测对象的形成年代；•需确定该结晶矿物在起始时刻，晶格中没有储存来自天然核辐射的能量，或在此之前，晶格中储存的辐射能已全部释放。热释光测定的年龄是矿物的形成年龄或最后一次热事件(光事件)的年龄；•在被测对象所处的环境中和所测年代的时域内，放射性物质的含量，除了本身的衰变外是恒定的，没有带入或带出，从而它们产生的核辐射每年提供给结晶固体的辐射剂量是常数。可用于热释光测年的矿物由于石英不仅具稳定的热释光特性，并且分布广泛，易于取样，因此，目前在热释光测年中石英是应用最广泛的矿物。此外，方解石、钾长石等矿物以及陨石都可用以热释光测年。用石英热释光特性来测年的材料有陶器、砖瓦、火山灰、火山熔岩烘烤层、火烧土及某些沉积物，如黄土、山丘沉积物、深海沉积物等。3.磁性地层法研究表明，地球磁场的倒转是同时的、全球范围的现象。因此，可以在全球范围内进行同时代地层的对比。磁性地层学方法正是基于这一现象将古地磁学的方法应用于定年的。它从测定地层岩石或沉积物的剩余磁性着手，进行地层层位的划分和区域地层对比的方法。这种方法是基于过去历史时期地球磁场曾经发生过多次的极性倒转，而岩石中保存有成岩作用期间的地球磁场特征，测定了地层岩石的剩余磁极性就可以确定当时地磁场的特性，再借助于地磁极性年代表则能间接地获知岩石生成的地质年代。天然岩石的磁性分类感应磁性（Mi表示其磁化强度）：物质在外磁场下产生的这种磁性。剩余磁性（Mn表示其磁化强度）：某些物质在外磁场作用下所产生的磁化强度，并不随外磁场的撤消而全部消失，它们之中尚保留有一定强度的磁性。这种磁性被称为。天然剩余磁性（NRM）：岩石的剩余磁性主要是由其中的天然铁磁性矿物如磁铁矿、赤铁矿、钛铁矿和磁黄铁矿等所提供产生的磁性被称之。原生剩余磁性(PRM)：指岩石或沉积物在成岩作用或沉积作用期间获得的磁性；次生剩余磁性（SRM)：指成岩作用期后或沉积作用期后所获得的磁性。最近5Ma以来的地磁极性年表（年代由K-Ar法测定）布容正极性时0～0.73Ma松山反极性时0.73～2.48Ma高斯正极性时2.48～3.40Ma吉尔伯特反极性时3.40～Ma第三节：中国大陆在全球变化研究中的作用第三节：中国大陆在全球变化研究中的作用•中国季风区域特点；•中国地形、地貌分布的特点；•青藏高原的作用；•中国北方干旱化、荒漠化和黄土堆积的研究意义；•人类活动对环境的影响突出；•生存环境的脆弱性。中国季风区域特点季风气候区是观察全球变化的一个重要窗口，而季风驱动的生态系统和其特有的自然地理系统也成为全球变化的一个重要组成部分。中国是典型的季风气候区，由于季风长期以来交替与进展的作用，中国具有非常特别的季风驱动的生态系统和自然地理系统，世界较大的气候异常在我国都有所反映。中国地形、地貌分布的特点地形地貌及地势高度位置常常成为影响局部地区甚至全球环境变化的重要条件。中国地形地貌复杂多样，地表几乎覆盖了全球所有的地貌类型。中国地势呈梯级分布，分为三个梯级。中国山川特征是山基海拔越高，相对高差也越大，许多高山地区因之具有十分明显的垂向地带分布青藏高原的作用青藏高原主要从热力和动力两个方面影响我国各地乃至全球的气候系统。冬季时，高原东侧平原上空形成东北风，从而加强了由于海陆分布引起的东北季风；夏季时，高原则加强了高原东侧上空的西南季风，并增加了东部地区的降水。高原季风的存在，对西北干旱气候的继续加深也有重要作用。青藏高原彻底改变了原来的地质环境格局。高原本身形成独特的高寒环境区域，隆起过程中对周边地区的地质过程和环境历史也产生了巨大的影响。近年来研究发现高原隆起可能是全球变化驱动因素的证据。研究表明，青藏高原的气候变化比中国东部要早十年左右，而影响青藏高原气候变化的一个重要下垫面是占青藏高原总面积60％以上的冰川冻土。冰冻圈对外界变化，尤其是气候变化十分敏感，使得青藏高原成为气候变化的一个预警区。青藏高原的生态系统是高原隆起过程中长时期生物进化与自然环境变化相适应的产物，深入研究青藏高原生态系统的分布规律、结构、功能与动态变化及其对全球变化的影响和响应具有重要的科学意义。中国北方干旱化、荒漠化和黄土堆积的研究意义人类活动是导致历史时期地理环境变化的一个重要因素。黄土高原在我国广为发育，其地理环境长期处于非稳定的脆弱状态，它是中华民族的重要发祥地，在相当长的一段历史时期内，曾是我国政治、文化中心，尤其是黄土高原而人类活动的历史又非常悠久。因此，该地区地理环境受人类活动的影响，在我国乃至世界上都是非常突出的。黄土高原发育区厚的黄土地层，比较全面地记录着第四纪以来古环境演变的历史，为人类提供了良好的古环境研究条件。人类活动对环境的影响极为突出我国人口众多，人类活动强烈地影响着生存环境。作为一个发展中国家，人类活动对环境的影响主要表现在土地利用和工业发展上。土地利用与农、林、牧、渔业及城市交通建设有密切关系。它包括森林采伐、放牧、土地垦植、水体利用和水生生物捕捞、道路和城市居民区建设等，其结果是天然植被破坏，水土流失。这种变化将影响到地表与大气之间的热量、水分和微量气体的交换过程，改变自然的生物地球化学循环、能量和水循环，并通过大气、植被和土壤之间的相互作用给人类生存环境带来长远的影响。工业的发展除了造成污水和酸雨等局地或区域性环境问题外，还由于大量的化石燃料的使用向大气排放温室气体，直接改变了大气成分，而对全球气候和环境产生影响我国生存环境的脆弱性我国人均资源少，人均占有的耕地、森林、草地和水资源都远远低于世界平均水平，土地承载力低是我国生存环境面临的一个严重问题。我国的生存环境就必然受到来自人类活动的更大的压力。因而我国的生存环境显得十分脆弱。自然灾害频繁构成了我国生存环境的另一特点，它进一步加重了土地的承载量，更为加重了我国生存环境的脆弱性。第四节：中国全球变化研究所面临的第四节：中国全球变化研究所面临的特殊科学问题特殊科学问题生存环境变化是地球系统的整体行为，不能离开全球变化的背景孤立地来研究我国的生存环境问题，而应该充分考虑全球变化对我国的影响；反过来看，又必须充分重视那些具有全球意义的区域性生存环境问题，才能够得出全球的整体状况。在我国开展全球变化研究应当考虑两个方面的科学问题：•具有全球意义的、同时又是我国急需解决的区域生存环境问题；•全球变化对我国的气候、环境和经济发展的影响。全球变化对东亚和我国生存环境变化和持续发展的影响全球变化研究一个主要的内容就是全球气候变化的研究。对于位于东南亚地区的中国来说，或许更具有实用意义和理论价值的问题应该是：东南亚季风系统在全球增暖下会发生什么变化?未来我国的气候冷暖、干湿情况如何?对水资源有什么影响？我国沿海海平面是否要上升?升高多少?对沿海城市有什么影响?这些是我国在全球变化研究中必须要回答的科学问题。具有全球意义的区域性生存环境问题1.季风气候----生态相互作用季风是全球气候系统的一个重要组成部分。它是在特定的自然条件下(主要是海陆分布)形成的一种类型的气候。在这样的气候条件下发育起来的陆地生态中植被—土壤—气候的相互作用过程是一个重要的科学问题。其中包括季风雨和季风雨林在水循环中的作用，季风雨林在碳循环中的作用等。2．人类活动，主要是土地利用在生存环境变化中的作用就自然科学而言，土地利用包括植被(森林、草原、耕地)变化、土壤变化、水体(河流、湖泊、水库)变化以及工业和城市发展占用土地状况的变化等，将明显改变陆地表面的性质。土地利用还会改变陆地表面与大气之间的微量气体交换和土壤内的营养物质交换等，从而使陆地生态的生物地球化学循环过程发生变化。这些发生在陆地表面的过程都将影响大气物理过程，引起气候变化。人们对这些影响的过程知道得还不很清楚。研究土地利用对陆地生态影响及其对气候变化的反馈是一个十分复杂的科学问题。3.生存环境的敏感带和突变性生存环境是复杂的，它由多种不同的气候、植被、土壤类型所组成，不同类型的生态群区之间有着明显的过渡带，那里有最强的“生态梯度”。一些初步研究表明，这样的过渡带在动力学上是不稳定的，极容易受人为和自然的干扰因素影响而发生变化，可能是全球变化中的敏感地区。全球环境的重大变化可能在这些地带出现的比较早、比较强，因而为检测全球变化的早期信号提供了一种可能性。全国存在多种尺度和类型的过渡带。环境变化的突变性是又一个重要的科学问题。至今人们对突变产生的原因知道很少，需要进一步揭示气候突变以及其他环境因子的突变事实，从而建立起生存环境突变的完整图像，进一步研究突变的发生机理，这对于我们预测未来环境的变化有重要意义。第四章：地球化学与过去全球第四章：地球化学与过去全球变化信息提取变化信息提取第一节第一节::树轮研究与气候变化树轮研究与气候变化一、树木年轮稳定同位素研究1.概况树木中保存着自然环境变化的大量信息，它必将成为全球变化研究中的一个重要内容。随着近年来开展的全球变化研究的兴起，开始了对树木年轮同位素丰度的研究。开展树轮稳定同位素季节性变化的研究，不仅可以获取树轮稳定同位素年际变化的信息和树木生长季内的气候状况，而且，还可以获取大气二氧化碳浓度及环境变化的极有价值的信息资料。它们对于未来的气候变化、生态变化、水圈变化及某些灾害性变化研究都具有重要的理论和实用价值。2．实验技术树木年轮同位素分析的关键是如何可靠地从树木中分离出适合质谱分析的样品，同时又不破坏其原始同位素成分•碳同位素分析使用全纤维素或α纤维素通过充分燃烧提取C02供质谱分析。•氧同位素分析常用的方法是高温真空热解，或在加热条件下与HgCl2反应，生成CO2和CO及其它成分。然后，将CO在真空放电器中转化为C02。•氢同位素分析首先对进行提取好的纤维素硝化，然后将硝化纤维（硝酸纤维素）与氧化铜混合，在真空条件下800℃燃烧，产生的C02收集后送质谱分析δ13C；H20用铀法处理提取H2，供质谱分析δD。3．树木年轮同位素理论研究目前树木稳定同位素的研究主要集中于同位素基础理论，如同位素生物分馏机理、分馏系数、分馏模式的研究上。(1)树木年轮氢同位素研究影响树木中氢同位素丰度的气侯要素主要为降雨量、湿度及树木生长季节的平均温度。•植物生物化学作用对氢同位素的影响目前人们试图找出准确的各种植物的生物化学分馏系数。M．J．DeNiro定义的生物化学分馏系数EB为：EB＝δDCN—δDSW式中，DCN为植物硝化纤维中的D；Dsw是植物在合成纤维素时所摄取的水的δD值。海藻的EB＝+50‰－-70‰；水囊EB＝0－-100‰；管状植物EB＝0－-20‰。根据植物生理学研究，管状植物与树木十分相似，所以这一结果也适用于树轮中。C．J．Yapp和S．Epstein报道了水生植物EB值在-12‰－-39‰，White报道美国东部白杉的EB值在-75‰－-53‰之间，计算出相应的温度系数为+1.6‰℃-1。V．M．C．Stratten报道的小麦和玉米的温度系数分别为-1.39‰±0.35‰℃-1和=-1.45‰±0.72‰℃-1。上述研究成果表明：EB值随植物种类的不同而有很大的差别。因此在采集样本时，除了对采样点进行选择外，对树种也要做相当严格的选择。•植物内部氢同位素成分与周围环境水中的氢同位素之间的关系C．J．Yapp和S．Epstein测定了不同地区不同植物种类的硝化纤维的δDCN值和它们生长周围环境水，得到一个统计关系式：ΔDCN=0.87δDW－11湿度对该关系式也有很大影响。不同的植物种类以及在不同湿度条件下生长的植物，其叶片水中的D值都有很大的变化。同样，在某些情况下，用于分析的水并不能真正代表树木在生长时它从周围环境所吸收的水分。为此他们定义分馏系数α为：α=(1十10-3δDCN)／(1十10-3δDW)由此，得到一个植物与周围环境湿度(h)之间的线性关系式；α＝-O.124h十1.089进而他们指出：植物生长过程中所吸收的环境水的δDw值对纤维素中δDCN值的变化起决定性的作用。•δD和环境温度的关系δD与年平均温度有关，两者之间存在线性关系。Gray和Song对三棵来自加拿大树龄为70一80年的树所作δD分析后得到δDCN与年平均温度T之间的关系：δDCN＝(7.3±2)T－(155‰±5‰)δDCN＝(13±1)T－(156‰±4‰)δDCN＝(15±2)T－(165‰±8‰)Ramesh研究了印度某地的银杉后，得到关系式：δD＝-(153±11)－(O.06±0.02)r十(6.6±2.3)Tmaxr为生长季节总降雨量。消去常数项后得：δD＝-(4.3±1.2)r十(0.02±0.01)Tmax式中，Tmax的温度系数为6.6‰℃±2.3‰℃-1，这与前面的结果十分吻合，他认为Tmax比T更能说明δD的变化。从树轮中提取的硝化纤维的δDCN可计算出大气降水中的δD，进而还可以算出决定降水中δD的变化因素——大气温度。但必须指出的是，并没有一个统一的温度系数可供所有的地区及所有的树种使用。(2)(2)氧同位素研究氧同位素研究δ180主要是受树木生长环境中湿度的影响。氧同位素研究中，首先需要解决的问题是生物化学分馏问题。定义生物化学分馏系数αB为：αB＝(1十10-3δ18OCN)／(1十10-3δ18Ow)其中，δ18OCN代表植物硝化纤维中的δ18O值，δ18Ow值是指植物所吸取的水源中的δ18O值。水源，对陆生生物而言是指叶片水，水生植物则是指其生长周围的环境水。S．Epstein报道的二个不同水生植物的αB值分别是1.027和1.028。M．J．DeNiro和S．Epstein在控制生长源的条件下，测出小麦的αB值为1.028。他俩后来又报道了海生植物的αB为1.027±0.003，淡水植物的αB为1.027±0.002。R．L.Burk和M．Stuiver报道的αB值为1.026—1.027。上述结果说明各种植物的αB值是相当恒定的。植物纤维系中的δ18O值与植物生长过程中所摄取的水中的δ18O之间有一适用于各种植物的关系式。植物中的氧有两个可能的来源。一是摄取水中的氧，另一个途径是植物呼吸大气C02中的氧。M．J．DeNiro和S．Epstein与A．Ferhi得出了似乎相矛盾的结果。M．J．DeNiroetal.,用控制生长环境的实验来检查到底是哪种氧进入了纤维素。结果表明，植物在生长时吸取的氧来自水中，而不是来自大气C02中，因为在纤维素合成之前，C02已与叶片水取得了平衡，这个过程的化学反应式为：6C02十6H2O*＝C6H1206*十602式中，O*表示区别于大气C02中的氧。A．Ferhi也用控制生长条件的方法对豆类进行了研究，得到了纤维素中δ18Oc分别与水中δ18Ow及湿度(h)之间的两个关系式：δ18Oc＝0.15δ18Ow十26.68δ18Oc＝10.92h十32.12他得到的结论指出C02并未完全与叶片水取得平衡。植物纤维素的δ18O与植物生长水源之间存在某种函数关系。R．Ramesh认为δ18O与湿度之间的关系极为密切。对印度银杉研究后，得到了如下关系式：δ18O＝-(1.3±0.4)h他认为空气中CO2中的氧同位素与叶片水达到平衡的状态早于纤维素细胞的合成。J．Gray和P．Thompson推导出了δ18O与年平均温度t之间的关系式：δ18O＝(1.3±0.1)t十(24.5±2)在分析了更多的树轮后，他们发现这个关系式在每年8—9月符合得最好，与其他月份的温度关系却很小。对此，只能说明温度对分馏系数有明显的影响，树木用以合成纤维素的水的同位素成分也是随着气温的变化而变化的。在上述树轮的采集地区，8—9月的气温最适合纤维素的合成。(3)(3)碳同位素研究碳同位素研究目前的研究表明：树轮中δ13C值的变化主要受温度、湿度及云量多少的影响。对于解释长期的大气δ13C值记录问题时，应基于全球大气状况，在分馏机制中找答案。为此，必须考虑以下两个问题：•植物生长时，开放的大气环境中局部CO2压力对植物本身的影响。•大气中的δ13C值变化。R．J.Francey和G．D．Farquhar考虑了前述两个问题，提出植物中碳同位素的分馏模式为：δ13Cp＝δ13Ca－a－(b－a)pi／pa式中，δ13Cp、δ13Ca分别指植物纤维素和大气C02中的δ13C值，pi、pa分别指植物在生长时纤维素细胞内外所受的CO2局部压力；a指13CO2和12CO2不同的扩散系数(其值约为4.4‰)；b指碳的生物化学分馏系数(约为27‰)。所以上式可改写为：δ13Cp＝δ13Ca－4.4－22.6(pi／pa)植物对C02的吸收速率A则由下列关系式与C02的局部压力联系起来了：A＝g(pa－pi)其中g为植物叶片的微孔导通系数。A．Long研究了过去600年以来δ13C与气候及大气C02之间的关系，他用上述两个公式作了详细的计算。其中δ13Cp用纤维素中的δ13C值；δ13Ca用C．D．Keeling所测的大气中CO2的δ13C值；pa是从冰心中测出的。据此计算出pi再由A＝g(pa一pi)式算出A／g值。假如在整个工业革命以后g值为常数，则A／g比值就是树木对C02的吸收速率，也就是树轮宽度指示器。这些计算表明，在工业革命期间增加的C02浓度必然导致C02吸收的增加，其结果表现在海拔较高的树木上就是轮宽加大。A．Long研究了1570一1850年间生长在欧洲某海拔较高的位置上的树，发现其生长量：很少(即年轮很窄)。恰恰在这段时间，全球处于“小冰期”时期。这也支持了大气C02浓度与地表温度之间存在着关系这一观点。随着对树轮中13C／12C比值的深入研究和了解，发现问题并非简单。因此，人们已不能简单地按温度或大气中δ13C来解释树轮中δ13C的变化。问题如下：•T．Mazany、P．P．Tans和W．G．Mook发现树轮内部的δ13C值沿周围和直径方向均有不同的变化。直径方向上，每轮早材、晚材直径的δ13C值可相差2‰；•H．D．Freyer和N．Belacy观察到树木前几轮的δ13C值同后面δ13C值比较，明显要小。因为在幼树时，其根部也呼吸C02，而使得其树叶吸收的C02中的δ13C值减少；•H.D．Freyer发现树木在污染区δ13C值要升高。•大量化石燃料的使用致使大量CO2进入大气，从而使δ13C值减少；•树木受自身生理因素影响，而使CO2浓度增高。4.4.树轮树轮HH、、OO同位素研究在气候变化同位素研究在气候变化中的应用中的应用研究表明，树轮同位素组成与降水同位素组成、降水量、温度和湿度直接相关。因此，树轮同位素序列可用来恢复气候记录、评价最近发生的气候事件和探讨引起气候长期波动的原因。(1)源水同位素组成不同来源的水具有不同的同位素比值，通过对植物同位素的研究有助于了解植物利用的环境水是雪融水、河水，还是浅层地表水或深层土壤水。对于干旱半干旱地区，植物的源水一般是当年的降水。这样该地区树轮同位素组成可反映降水同位素组成。因而有助于了解大气环流的特征或降水模式的时空变化。越来越多的证据揭示植物纤维素同位素组成的差异反映了植物源水同位素组成的变化，无论在年际尺度上还是在单个生长季内。研究表明，在干旱半干旱地区，树轮同位素比值与环境水(降水)的同位素比值线性相关。树轮同位素提供了降水同位素组成的可靠信息。(2)温度源水(降水)同位素的变化是温度的函数，所以树轮同位素的变化可以反映温度变化。C．J．Yapp等得出的树轮同位素与年平均温度的变化率(5.8‰／℃)跟降水同位素与年平均温度的变化率(5.6‰／℃)极为相近。最近的研究结果表明，对于气候条件简单或地势平坦的地区，树轮同位素序列是湿度变化历史的良好载体。温度的变化是树轮同位素组成长期波动的主要原因。利用树轮同位素序列研究气温的变化难点就是温度信号相对微弱。R．A．Houghton等指出，中纬度大多数地区近130年来平均温度变化幅度不到1℃。这样微弱的信号在其从降水到树木的源水、最后到树轮纤维素的传输过程中可能被丢失。(3)降水量树木生长季期内，如果树木吸收的水分受到限制，那么树木吸收水分的多少对叶片蒸发率有明显的影响，因而可能影响纤维素的同位素组成。树轮同位素组成与降水量之间的关系已被许多试验结果证明，一般是水分条件受到限制的地区，树轮同位素的组成与降水量反相相关。(4)湿度相对湿度与叶子蒸发速率有关，因而也与光合作用速率存在相关关系。很多研究结果表明树轮同位素与相对湿度之间存在线性相关。然而，在一些研究中树轮同位素与湿度之间的相关关系没有被发现。J．W.C.White等认为如果短期水汽与树木的源水未达到完全的同位素平衡，那么短期水同位素的变化将有效地掩盖掉树轮同位素的湿度信号。55．碳同位素研究在气候变化中的应用．碳同位素研究在气候变化中的应用研究表明，许多环境因素(如C02、压力、02分压、温度、光照、湿度、盐度等)都可以影响植物的碳同位素分馏(Δ值)和组成(δp)，按照Farquhar的模式公式[δ13Cp＝δ13Ca－a－(b－a)pi／pa]，植物的碳同位素组成与源C02的δa及叶子细胞内外C02分压之比(pi／pa)有关，而又pi／pa直接受各种环境因素的控制，因此，利用植物的δ13Cp就有可能反映大气C02的δ13Ca及环境因素的变化。(1)大气C02的δa变化在植物δp值变化中的记录大气C02的碳同位素组成(δa)不是一个常数，其随时间和空间而变化。时间上，大气C02的碳同位素组成不但随季节而变化，而且还随地质年代而变化。空间上，大气C02的δa值随着高度、纬度及海拔而变化。植物的碳同位素组成(δp)在很大程度上依赖于其生长时期的大气C02的碳同位素组成(δa)，森林冠层中大气C02同位素组成变轻在植物同位素组成中的反应是δp值降低，这一点已被许多科学家证实。(2)温度温度与植物δp之间的关系是比较复杂的。到目前为止，尽管温度与植物碳同位素分馏之间存在关系，但是在温度系数的大小方面还没有取得一致的意见，有入认为两者之间存在高度的负相关关系，但是在大多数研究中，人们发现的却都是正的相关关系，因此还是一个需要不断探索和深入研究的问题。(3)湿度湿度状况也被认为是影响植物δp变化的最重要因素之一。植物的δp值也能反映湿度状况的变化，如土壤含水量、空气湿度及降雨量的变化都可以记录在植物的δp值中，低的土壤含水量、低的空气湿度以及降雨量的不足都会引起δp值的增大。(4)光照条件光照条件的变化可影响植物叶子的气孔导通系数(g)、光合速率(A)及叶内C02分压pi。研究证明；不论是阴地植物还是阳地植物，随光照的增强，g和A几乎是平行变化的，两者随光照的增强而增大，在一定范围内与光照强度呈正相关的，当光照达到一定强度(光饱和点)时，两者都不再增加。pi在弱光条件下总是比较高的，随着光照强度的增大会逐渐降低，达到光饱和点时降到最低值，之后随光照强度的增大，δp值会逐步增大。(5)大气压力大气压力与叶子内外C02分压之比(pi／pa)之间存在着密切的关系，当大气压力下降时pi／pa降低。大气压力对pi／pa的这种影响作用可分解为C02分压(pCO2)及02分压(po2)两种影响。然而，Korner的压力效应模拟研究结果表明：大气总压变化时对pi／pa的影响主要是由O2分压产生的。当02分压降低时，pi／pa降低，按照Farquhar的分馏模式公式[δ13Cp＝δ13Ca－a－(b－a)pi／pa]，pi／pa降低，植物的δp值增大。因此，植物的δp值变化是能够记录大气压力(尤其是O2分压)的变化。(6)盐分及营养元素植物δp与盐分及营养元素状况之间也存在密切关系。对于非盐土植物，盐分对其新陈代谢具有明显的影响作用。对盐土植物，盐分的影响与非盐土植物相似。营养元素直接或间接地影响光合作用。氮、镁、锰等元素是叶绿素生物合成所必需的矿质元素；钾、磷等参与碳水化合物的代谢，间接地影响光合作用。一般情况是：在—定范围内，营养元素越多，光合速率(A)越快，叶子中pi／pa降低，δp增大；反之，营养元素越贫，δp越低。二、树轮生长波动与环境变化耦合的研究二、树轮生长波动与环境变化耦合的研究树木生长既是自然生理作用的结果，又是环境影响的产物。不同年份生长的生理宽度应该是生理作用和环境影响的综合反映。为了更好地提取树轮环境信息，必须重点揭示环境影响的树轮效应，即分辨出树轮变化中受环境条件变化而产生的生长波动。1．树木生长波动率的定义木材的生长波动率ρ定义为：ρ＝[(S—S’)／S’]×100％S（木材增长量）：以生长断面面积表示；S’：模拟曲线上的木材增长量。由上式可知：当ρ为正值时，表示环境因素对木材生长起了促进作用；而ρ为负值时，表示环境因素对木材生长起了抑制作用。2．生长波动率与环境因子的耦合(1)生长波动与太阳黑子的耦合关系新疆托木尔峰地区松木生长波动率与太阳黑子活动周表现出较好耦合关系。该松木生长波动率变化与太阳黑子活动周之间的耦合关系说明了太阳黑子活动变化可能影响着树木生长的变化。(2)生长波动受年均降水量的影响，但具有2年的滞后期1959—1960、1964、1968、1973、1977等年份较高的生长波动率分别与1957—1958、1962、1966、197l、1975等年份较高的降水量对应；而1961、1969一197l、1975等年份较低的生长波动率分别与1959、1967—1969、1973等年份较低的降水量相对应，但是，这种对应缺乏准确的函数关系。年均降水量对该松木生长波动的影响明显地存在着2年的滞后期。(3)碳同位素分馏指示的气温变化制约着该松木的生长波动1940一1964年间逐年的生长波动率与δ13C的线性关系为；δ13CPDB(‰)＝-22.84—0.027ρ(r＝-O.86)虽然这种线性负相关关系显著，但仅局限于该松木生长的旺盛期。在此讨论的线性相关仅是一种统计关系，而非因果关系。然而，不管对δ13C的年际变化机理作何解释，大气C02经光合作用转化为木材碳时的碳同位素分馏效应确应肯定。目前看来，木材中较低的δ13C值指示环境较高的温度的可能性是存在的。当气温较高，水分充足时，树木生长较快，呈现出较大的生长波动率。反之，当水分不够充沛，即使较高的气温也未必出现较高的生长波动率；同样，当水分充足，而气温偏低也不可能出现较高的生长波动率。松木年际生长波动率与环境因素变化对比图a.新疆阿克苏地区年水量变化；b.太阳黑子相对降数变化，图中数码为太阳黑子活动周序号；c.逐年生长波动率变化；d.δ13C变化。三、古冷杉树轮宽度与稳定碳同位素三、古冷杉树轮宽度与稳定碳同位素植物纤维素中的13C／12C可以反映其生长期间的气候因素及大气CO2浓度变化的信息。年轮宽度与同位素比例之间无相关关系（anticorrelation)。渭河古河道发现的木桩全木分析获得的δ13CH与纤维素分析结果δ13Cc之间有明显的相关性，它们之间的相关系数r＝0.61。δ13Cc与年轮宽度指标的相关系数r＝-0.37，表示相关性很小。这表明，树轮中纤维素及全木的δ13C值的变化均能反映古气候的变化。同时证实纤维素中δ13C值与树轮宽度指标之间无相关关系。渭河古河道151年冷杉全木及纤维素δ13C值及树轮宽度指示曲线树轮宽度的变化对同位素的变化是否有影响的问题一直是争论的焦点。对此，Francey和Farquhar提出如下分馏模式：δ13Cp＝δ13Ca一4.4—22.6(pi／pa)式中，δ13Cp为植物纤维素中的δ13C值；δ13Ca为植物生长期间大气C02中的δ13C值；pi和pa分别为纤维细胞内部和外部的C02浓度。在这一模式中，植物的δ13C不仅是大气CO2中δ13C的函数，而且也是细胞膜内部及外部C02浓度的函数。内部与外部C02浓度之间的关系为：pi＝pa—A／g式中，A为植物对C02吸收速率；g为叶片外部小孔的导通系数。各种各样外部条件的变化都会引起A值的变化。如光线增强或g值变小，都会增加δ13Cp，反之减小。A／g就是树木吸收CO2速率，也是年轮宽度指标的指示。第二节第二节::动物体内同位素组成、种群特征动物体内同位素组成、种群特征与全球变化与全球变化在全球变化研究中，可利用古动物体内的氧同位素和碳同位素的变化反演动物生长期间气候变化趋势，也可以通过底栖有孔虫的种群特征、氧同位素组成等探讨古海洋环境及环境变迁。一、马牙氧同位素组成与气候指标的定量关系因为食草动物的食物同位素的组成比较规律和稳定，所以牙齿釉质层的同位素分析对于判别古气候变化很有用。根据哺乳动物牙齿的碳同位素组成判别古气候主要是首先根据碳同位素组成判别出动物的食性，然后再根据其取食植物的光合作用类型判别出当时的气候带。植物的三种光合作用途径•Calvin(或C3)方式：生长在树荫浓密的森林或温带气候环境中的所有树种和大多数灌丛杂草以此类方式进行光合作用，C3植物的δ13C值为-20‰一-35‰(平均-26.5‰)。•Hatch—Slack(或C4)途径：适应炎阳下生长的草类，包括大多数热带草类遵循来进行光合作用，C4植物的δ13C值为-9‰一-16‰(平均-12.5‰)。•CAM途径：大多数肉质植物则通过此途径进行光合作用，此途径涉及到景天酸的代谢。CAM植物的δ13C值为-16.5‰。不同食性动物骨胶质中的δ13C值•食树叶的动物（即以食用C3途径进行光合作用植物的动物，如南非的非洲大羚羊）骨胶质中的δ13C值为-21.5‰，其原因是此类动物仅食用树木或灌丛的树叶；•仅食用以C4途径进行光合作用的草类的食草动物，其骨胶质中的δ13C值为-8‰一-10‰；•混食动物如黑羚羊δ13C值为-13‰一-15‰。由此，根据牙齿和骨骼的同位素测定，便可了解史前动物和人类食用的分别由C3和C4途径进行光合作用的植物的比例。1．现代马牙的氧同位素组成（世界各地野生马）种类采集地δ18Opo4／‰①δ18Ow／‰①t／()℃E．burchelli安哥拉22.84.121.9E．burchell博茨瓦纳25.01.922.0E．burcheLli纳米比亚20.8-7.719.1E．burchelli马拉维21.11.322.0E．burchelli肯尼亚18.9-5.017.0E．burchelli坦桑尼亚22.1-5.025.4E．burchelli南非21.6-2.018.8E．zebra南非15.6-5.517.2E．caballus美国14.4-9.812.3E．caballus阿拉斯加11.8-15.21.8E．caballus②匈牙利15.0-10.010.3E．caballus阿根廷17.05.017.0E．caballus西班牙南部18.9-4.518.0E．przewalskii蒙古12.9-13.04.0E．asinus②喀麦隆20.5-1.023.3E．asinus②埃塞俄比亚24.72.016.2IAEA观察站大气降水δ18O与地表年平均温度统计结果观察站δ18O与年平均温度的关系北大西洋沿岸各站δ18O＝0.695t－13.6欧洲四站①δ18O＝0.521t－14.96瑞典δ18O＝0.590t－13.8加拿大东海岸δ18O＝0.43t－13.56加拿大西海岸 δ18O＝0.49t－17.25IAEA全球观察站网δ18O＝0.38t－11.79IAEA观察站②δ18O＝0.56t－12.7阿尔卑斯山北坡各站δ18O＝0.525t－13.362．马牙的氧同位素组成与温度的关系根据表中的数据对马牙的氧同位素组成与大气降水的氧同位素组成进行回归计算得到：δ18Opo4＝0.7079δ18Ow+22.59(r＝0.88)大气降水的氧同位素组成与温度的关系为：δ18Ow＝0.6147t—15.39(r＝0.86)BryantJ.D.，LuzB.，FroelichP．N．(1994)建立的方程为：δ18Opo4＝0.6863δ18Ow十22.90(r＝0.83)ChillonB．S·，AlberoliM．T.，LeoneG．(1994)的方程是：δ18Opo4＝0.7369δ18Ow十22.04(r＝0.97)一个相同生境的年平均温度在一个地区是稳定的，马牙的δ18Opo4，与标本采集地多年平均温度t的关系(据邓涛）：δ18Opo4＝0.5080t十10.49(r＝0.82)从方程可以看出，温度每升高1℃，马牙的δ18Opo4将增加约0.5‰。根据表4—2中各方程参数的平均值，表明在全球范围内温度每上升l℃，大气降水中的δ18O也增加约0.5‰，这说明马牙的δ18Opo4变化完全响应于大气降水的δ18O变化。二、海洋微体化石的同位素组成、微二、海洋微体化石的同位素组成、微量元素变化与古气候量元素变化与古气候有孔虫等介壳形成时，其内的氧同位素组成受温度和海水的氧同位素组成的影响，当水蒸发时，含16O的较轻的水首先气化逃逸，于是雨水的同位素比它来源于的海水轻，而当水温增高时，碳酸盐介壳中的δ18O值就减小。同一岩心中底栖和浮游有孔虫同位素组分的差异可以用来确定海水表面温度以及底层水和表层水δ18O值的微小差异根据西北大洋V23－82岩心的有孔虫组合估计的北大西洋海水表面温度（SST）西赤道太平洋V28—238岩心氧同位素地层学255校状样的氧同位素和古温度曲线及其与170和l7940一2柱状样的对比温带水团和热带－亚热带水团中浮游有孔虫的分布特征是不同的。西太平洋三个柱状样分析表明，温带种的百分含量在末次冰期增加，冰后期减少；而热带一亚热带种的百分含量则呈现出相反趋势。冬季夏季冬季夏季冬季夏季9.9Co6.8Co8.7Co冲绳海槽和南海的3个柱状样中P.obliquiloculata的丰度变化4～2KaBP1.9%～5.1%8.2%～10.6%热带太平洋V28—238柱状样氧同位素期界面的深度与年龄分期埋深/cm年龄/ka分期埋深/cm年龄／ka122131281047225532138605023110641493054241287515101559252201281610756276335195171110647743025118118068885102971912107069595347201250729106303672113407821175544022  255柱状样氧同位素曲线和指示碳酸盐溶解作用的微体化石标志平均0.1%平均2.4%平均7.7%平均12.7%冰后期255柱状样中底栖有孔虫丰度、分异度和钙质壳中内生种百分含量变化底栖有孔虫丰度分异度（S）复合分异度（H)内生种高低小小大大多少表层古生产力指标和低氧种相对丰度的变化高度相关（r=0.93)低氧含量种属底栖有孔虫第三节第三节::黄土研究与全球变化黄土研究与全球变化中国黄土分布区域一、黄土堆积中古环境信息提取和主要替一、黄土堆积中古环境信息提取和主要替代性气候指标代性气候指标1.黄土—古土壤序列完整的黄土剖面下伏第三纪红色粘土堆积(以前命名为三趾马红土，现在以红粘土称之)。在沉积完整的地区，黄土与红粘土为整合接触，连续过渡。洛川剖面为中国黄土的标准剖面之一，该剖面黄土厚约135m，出露的红粘土厚约15m。在洛川黄土剖面中，有两类颜色、结构区别很大的地层单元，一为黄土层，另一为古土壤层。黄土层一般为灰黄色，质地较均一，无明显结构；古土壤层则为红色，有明显土壤结构和土壤发生层次。中国黄土－古土壤序列对比1.古土壤；2.黄土；3.红粘土；4.洪积物。极性柱中，黑色代表正向极性，白色代表反向极性2.黄土中的古土壤和古土壤所包合的环境变化信息黄土、古土壤在地层中的交替出现是气候冷暖旋回的反映。利用黄土-古土壤系列重建第四纪古气候的前提是黄土地层必须连续。土壤地层单位的上界为古土壤的物理上界，下界为黄土母质的物理下界。每一个土壤地层单位代表了一个完整的冷暖期旋回。不少地区在间冰期时以土壤发育为主，而冰期时则以沉积、侵蚀和坡地堆积的发育为主。在很多非水下沉积物中，古土壤是间冰期环境的唯一记录。冷期时黄土高原以接受黄土堆积为主，黄土的风化微弱；暖期时黄土高原以接受地表风化为主，或以冷期时堆积的黄土为母质，形成一定类型的古土壤。二、黄土的碳氧同位素与二、黄土的碳氧同位素与1010BeBe研究研究1.黄土的碳、氧同位素陆相沉积物中碳氧同位素的分馏过程与海洋截然不同。如陆地和海洋沉积物的氧同位素—温度效应极为不同，南级和格陵兰冰岩心的δ180值随温度的降低而减少，而深海沉积物碳酸盐的δ180值却随温度的增加而减少。研究表面：温度每升高1℃，大气降水的δ180值大约增加0.5‰。因此，陆地系统对气候变化的响应可能比海洋系统更为敏感。碳酸盐是人类探索如何利用陆地沉积物同位素的变化提取古气候信息的理想材料。成土过程中土壤碳酸盐的溶解、迁移和再沉淀CaCO3十C02十H20＝Ca2+十2HC03-渭南、吉县和会宁黄土剖面全岩样品中碳酸盐δ13C值变化曲线不同剖面全岩样品碳酸盐的碳同位素记录具基本相似的变化趋势，自东向西同一层位全岩样品碳酸盐的δ13C值越来越偏正，表明全岩样品的碳酸盐可能记录了很多环境变化的信息。不同类型古土壤底部的钙结核具有明显不同的碳氧同位素组分，古土壤形成时环境温度越高，湿度越大，其δ18O值越偏正，δ13C值越偏负。Cerling对世界各地现代土壤次生碳酸盐的碳氧同位素研究发现：氧同位素组分与大气降水的氧同位素组分有关，碳同位素组分与土壤C02的δ13C值成正相关性。2.黄土的10Be10Be是由宇宙射线高能粒子与大气主要成分氮、氧原子核进行散裂反应产生的，半衰期1.5×106a。大气圈中产生的10Be被气溶胶吸附，通过降水、降尘沉降至地表，可称为大气成因10Be。降水中的10Be浓度分布与气团运动及粉尘传输过程有关。黄土是干旱半干旱气候条件下形成的风成沉积物，10Be自始自终参与了粉尘形成与堆积的全过程。因此，10Be成为研究黄土形成作用的理想同位素示踪剂。洛川黄土剖面10Be及磁化率随深度变化曲线1一10Be浓度曲线，2一磁化率曲线图中km表示质量磁化率。“就地成因10Be”：宇宙射线与矿物自身氧进行散裂反应产生的10Be被称之。石英具有致密牢固结构，水和各种离子都难以渗透进去，因而其“就地成因10Be”不易受“大气成因10Be”的污染。另一方面，石英是黄土的重要组成部分，因此，通过研究黄土石英中“就地成因10Be”含量特征，可以得到黄土有关源区风化、侵蚀、暴露和埋藏等信息。石英“就地成因10Be”应由岩石风化前产生的10Be、搬运过程产生的10Be及堆积埋藏期间产生的10Be三部分构成。但由于沉积物的搬运时间远小于暴露时间和埋藏时间。因此可以近似认为石英“就地成因10Be”仅由岩石风化前10Be及堆积埋藏10Be两部分组成，即：Cr(x)＝C0e-(λx)十c(x)不同堆积速率对应的石英“就地成因10Be”浓度与深度的关系黄土源区侵蚀速率与石英就地成因10Be浓度关系侵蚀速率/cm·a-12.3×10-44.6×10-47.0×10-49.3×10-411.6×10-410Be浓度原子·g－11.37×1067.18×10540.80×1053.67×1052.95×1054.71×1062.47×1051.65×1061.26×1061.02×1062.10×1061.10×1067.37×1055.63×1054.53×1053.23×1061.70×1061.13×1068.66×1056.96×105堆积速率样品及深度m0.010.005GL47，9m(L1)GL83，17.15m(L2)GL47，9m(L1)GL83，17．15m(L2)10Be浓度原子·g－14.40×1044.2×1048.49×l047.91×1041.51×1051.46×l052..93×1052.73×1056.76×1046.52×1041.31×1051.22×1051.04×1051.00×1052.01×1051.87×105黄土沉降区堆积速率与石英“就地成因10Be”浓度关系三、中国黄土高原季风变迁与稳定同三、中国黄土高原季风变迁与稳定同位素证据位素证据黄土和古土壤中有机碳含量与土壤发育程度、磁化率一致，即土壤发育程度越高，磁化率值也越高，有机碳含量也越高。因此，有机碳含量的高低是土壤发育程度的一个度量。有机碳含量的多寡反映了土壤中有机质含量的高低，是特定的生物气候条件下的产物，其含量和性质都与环境状况有关。有机质含量的多寡反映了植被生物量的大小和气候的相对温湿。有机碳δ13C稳定同位素组成可作为气候变化的代用指标。段家坡剖面磁化率、有机质含量和有机质δ13C分布曲线1一马兰黄土；2一离石黄土，3一弱发育古土镶，4一古土壤第四节：冰岩心研究与全球变化第四节：冰岩心研究与全球变化冰雪中的δ18O变化可用来计算年累积率，其中的尘埃微粒浓度与δ18O有明显的相关关系。通过冰岩心的系统研究，能完整地反映以气温为主的气候变化。冰形成过程中，空气成小气泡被包裹在冰里，这种气泡里的空气可大致代表形成冰当时的空气样品。分析这种空气的组分可提供粒雪最后压紧成致密的冰时的大气组分。每一年所形成的冰层，可借助于粉尘含量的季节性变化、酸度的不同或者同位素含量来区分。从长的冰心获得的主要记录是水分子的氧同位素组成。在某一点水汽凝结的时候，温度每变化1oC，可产生同位素比值0.6‰～0.8‰的偏差，利用采自冰心的冰样品同位素比值分析，可以得出下雪地点下雪时的温度。1．青藏高原冰心研究进展深长冰岩心内稳定同位素分析研究可以获得最近数万年气候变化的信息。而浅孔冰岩心中的δ18O的变化则可反映近百年的气候波动，其精度可分辨出时间尺度为年的变化特征。德令哈地区年降水和年均温度及其与敦德冰帽δ18O的关系祁连山敦格冰帽D5孔氧同位素曲线祁连山敦德冰帽D6孔氧同位素曲线中纬度冷型冰川的年平均温度与冰岩心中的δ18O、δD的关系为；δD＝（6.04t—51）×1000（‰）δD=（8δ18O＋10）×1000（‰）合并后得到：t=(8δ18O一61)／6.04温度并不是影响δ18O值变化的惟一因素，所以用上述公式计算出的温度只是一个参考气候指标。温度的波动频率远大于降水的波动频率，即在百年级的气候变化中，温度可以有冷或暖的多次交替，相比之下，降水持续干或湿的时间要相对长一些，但每一个干湿循环中的变化幅度却又降水大于温度。冰川累积量与氧同位素的数值变化曲线上还可以划分出7个冷期、8个暖期。对冰岩心气泡中的空气成分进行分析还可以得到空气中CO2含量的变化。LGM大气CO2水平为（190～200）×10-6，而全新世平均水平为（270～280）×10-6；晚冰期格陵兰Dye3冰岩心CO2含量曾在1.3万aBP明显增加，约为300×10-6，并与δ18O指示的第一次升温过程一致。2．格陵兰的冰心记录新仙女本期存在的过去20ka的氧同位素记录3.南级冰心记录南极东方冰心记录a.微粒的体积浓度；b.非海相硫酸盐的含c.CO2含量；d.δ18O；e.估计的降水率；f.推测的古温度。包藏在南极西部冰中气体测得的平均二氧化碳浓度与气体估计的年龄关系图第五节第五节::碳酸盐研究与全球变化碳酸盐研究与全球变化一、海相碳酸盐研究与全球变化（－）氧同位素古海洋学研究中，一般都用碳酸盐中的氧同位素成分来研究古温度、古气候、古盐度等环境要素。1．海水温度对δ18O的影响碳酸钙从水溶液中沉淀出来进入生物壳体时，相互间发生同位素交换反应，反应方程为：1/3CaCO316＋H2O18＝1/3CaC0318＋H2O16当反应达到平衡时，其平衡常数与温度间有确定的关系，即碳酸钙的氧同位素组成是温度的函数。温度升高时，相对较轻的16O由于有较高的活性，易于迁移，在同位素交换反应中将优先被吸收进生物壳体内，致使18O含量相对减少，δ180值随温度的上升而下降。最适用于有孔虫同位素分析的关系式：t＝16.9－4.4（δs－δw）＋0.10（δs－δw）2式中，δs：壳体中氧同位素值，δw：水体的氧同位素值2.海水同位素组分对δ18O的影响—冰期效应与盐度效应•壳体同位素组分不仅受到海水温度的制约，而且还受到海水本身同位素组分背景值的影响。但从总体上来说，在开放性的大洋环境中，由于大洋环境的搅混与调节作用，盐度的变动极微，引起同位素组分的变动甚小（仅1‰的幅度），因而不是主要的影响因素。•冰期效应，在地质历史时期中可以造成大洋水体同位素成分的明显变动。当δ18O值向正值偏移时，意味着冰期的到来，向负值偏移代表着向间冰期的转化。这种冰期效应可以通过生物壳体在大洋地层中留下明显的记录。•目前一般认为，当以PDB为标准时，底水温度变化1oC时，相对于δ180值0.26‰的变化；而δ180值0.1‰的变化相对于盐度0.2‰的变化或间冰期海平面10m的变化。同位素测温的误差约在±0.1‰的范围内，对应于±0.5oC的温度变化。3．生命效应对壳体δ180值的影响生物在造壳过程中所吸取的氧同位素组分还受到生物自身的生长速率、新陈代谢、光合作用等多种生命效应的影响与干扰，即所谓“生物个体的分馏作用”。只有当生物体内δ180值与海水的氧同位素达到平衡，才可有效指示古海洋环境。有孔虫与软体动物壳体的δ180值与海水基本保持平衡，因此常用来指示古海洋环境。4氧同位素应用（l）查明地质时期海水古温度的变化趋势通过生物氧同位素研究法确定了自晚白垩纪（约7000万a前）以来全球气候有逐渐变冷的趋势。Emiliani（1954）根据底栖有孔虫δ180值逐渐递增的趋势，确定了自白垩纪以来，全球大洋深水平均温度曾从13oC逐渐下降到目前的2oC左右。由于在任何时候、任何地区，底栖有孔虫氧同位素温度始终低于浮游有孔虫的氧同位素温度，表明大洋的底层水系由高纬地区的表层水下沉扩散而来，所以，从新生代底层水的这种变冷趋势可以推出高纬地区的表层水以致大气圈也存在着逐渐变冷的趋势。过去7000万年来，大洋深水（底栖有孔虫）氧同位素测定值（标定的增量单位为1Ma）表明：新生代时期具有阶梯状逐渐变冷的总趋势。据δ180值作出的7000万a来大洋水温变化图上方：为太平洋低纬度表层水温；中间：为南大西洋中纬度表层水温；下方：为南大西洋深部水温（2）揭示全球气候周期变化的趋势经过修改综合的布容期古温度曲线曲线特征显示：在70万年期间，清晰地显示出波长大体相同、近十万年的周期变化；同时，δ180值的振幅十分相近，具有相近的极大值与极小值。（3）建立大洋水柱的垂直温度梯度剖面原理：基于古代灭绝的浮游有孔虫也有类似于现生种那样的分层生活的习性，利用生活在不同水深处的浮游有孔虫以及栖息在不同洋底深度的底栖有孔虫进行系统的氧同位素测定，从而重塑大洋某一时段自下而上温度结构的垂向剖面，以了解古大洋水文结构中十分重要的古温跃层的深度以及温度变化的梯度。第三纪时期低纬度地区的垂直温度梯度变化图早上新世平均的δ018值与深水的标绘图误差栅线代表±1标准偏差，编号为站位号（二）碳同位素1.自然界碳同位素的分布及其在生物中的分馏作用生物壳体的δ13C主要受极其复杂的生命效应所控制，物理的因素占相当次要的地位。海水与无机碳酸盐中的δ13C值均为0‰，因此当碳酸盐从海水中沉淀出来时，不会影响到海水原先的碳同位素值，即基本上不会引起碳同位素的分馏作用。但当有机物质从海水中析出时，由于两者相差悬殊，必然明显地影响到海水中的δ13C值。全球不同碳储存库内相应的碳同位素值：大气中CO2含碳0.000069×1016t，δ13C为-7‰；大洋水体中溶解的CO2含碳0.004×1016t，δ13C为0‰；碳酸盐沉积层含碳7×1016t，δ13C为0‰；沉积物中的有机质含碳2×1016t，δ13C约为-25‰；地球内部原生碳含碳9×1016t，δ13C为-5.5‰地球表面碳同位素的分馏作用主要是由植物的光合作用引起。海生和陆生植物碳同位素效应是明显不同的。这是因为海水与大气交换过程中，趋于更多地逸散12C至大气中，致使大气中CO2的δ13C值明显偏低。而在光合作用过程中，陆生植物主要是提取大气中的CO2，因此植物体内的δ13C亦明显偏轻，通常为-23‰～-35‰；而海生植物则是从海水中游离的CO2、CO3-2、重碳酸根中萃取碳元素，相对来说海水含12C少，因而δ13C稍高，其变化幅度从-17‰～-30‰。，其中在水温小于10oC的情况下，其δ13C值有随温度下降而更偏负的趋势，但在10oC以上时，其δ13C限于-17‰～-22‰，且不随温度而变化。因此，可以根据有机质的δ13C值的差异作为判别海、陆相的一项指标。2．物理因素对壳体δ13C值的影响与对氧同位素值的影响相比，温度、盐度等物理因素对壳体δ13C值分馏作用的影响很小。一般说来，温度1oC的变化可引起δ18O值O.2‰的变化，但仅能使δ13C值发生0.035‰的变化。尽管如此，在一定条件下，δ13C值仍可以配合其它标志作为推断古温度变化的一种辅助资料。3．碳同位素的应用1）反映森林植被面积及冰期效应冰期时，原间冰期的北方森林被冰雪覆盖，或成为冰原，而热带地区又变得十分干旱，其森林面积也大为减少，因此森林总面积急剧下将，大量的12C转移到大气中，通过海水与大气的交换，直接影响到海水的碳同位素。δ13C值明显降低。与此相反，间冰期时，森林大规模复苏，海水的δ13C值随之回升。2）指示水团的性质（肥力、含氧量）、来源及年龄深海垂向剖面中，CO2、δ13C、含氧量等存在规律性变化。大洋表层，作为初始生产者的浮游藻类，通过光合作用大量吸取水体中的CO2使其含量大幅度下降。同时，进行光合作用的过程中大量释放O2，所以在表层水中的含氧量较高。据估计，目前大洋表层水中平均的CO2分压（295×1011Pa）仅相当于深水CO2分压的（1000×1011Pa）1/3。由于生物在吸收CO2时倾向于萃取其中的12C，因而随着CO2含量的下降，δ13C值却明显升高，可达1.8‰～2.0‰。随着深度加大，到达缺氧层，生物遗体与碎屑在沉降过程中不断发生腐解，在转换成营养盐时，吸取02，释放CO2，并使12C回归到海水中，因而使这里的营养盐含量（肥力）与CO2含量明显增加，但含氧量及δ13C值却大幅度地减少。再向下至中层及深层水体，有机物质减少，同时由于极地表层水为深层水带来O2，致使深水团流经地区的含氧量及δ13C值再度上升。北大西洋水柱中，二氧化碳总量（∑CO2），碳同位素（δ13C），溶解氧（02）及氧同位素（δ18O）的垂向剖面图3）指示大气成分、生物量及有机碳堆积量的变化大气CO2含量以及地球表面反射率的变化是增进气候变化的两个强化剂。除工业化后人类的影响因素外，全球各种自然条件，例如生物界的变化，洋底热水活动强度的变化，都能直接或间接地引起大气中CO2含量的变化，从而影响到全球气候的变更。研究表明：当大气中CO2的浓度比现在增加一倍时，将通过大气圈的温室效应使全球的平均气温增加1.5～4℃。极地冰心气泡研究证明：地质时期内CO2曾发生过巨大变化且这种变化与气候变化之间的时差不超过±2000年。地质时期中，许多原因都可引起大洋－大气系统中CO2含量的变化。•温度因素Climap（1976）计算出未次冰期表层水当时平均水温比现在低2.5oC左右。由于每冷却1oC将使表层海水的CO2分压下降13×10-1Pa，因此冰期时CO2分压下降约33×10-1Pa，表明CO2含量显著减少。但与此同时，由于冰盖的形成，使海水盐度上升约0.9‰，由此造成海水CO2分压相对升高，补偿了由温度引起的下降值约2/3。•冰期与间冰期对碳酸盐溶解作用的影响不同，也会引起海水中CO2总含量的变化。经计算，末次冰期极盛期的CO2含量稍高于间冰期，两者的比值为1.15±0.5。这样，由海水表温、盐度、冰川体积等因素变化引起的大气CO2浓度变化仅占实际变化的5％。因此，如果当时不存在其它海水化学性质的变化，则大气CO2含量将保持近于恒定。但事实上CO2含量却存在着大幅度的变化，可见大洋表层水体必定发生过显著的变化。Broecker（1982）认为海水化学性质变化主要是由于大洋中PO4含量变动引起的。海水中磷、氮等元素是生物赖以生存的营养物质，因此磷、氮等含量的多寡，直接影响到生物繁殖量的增减，进一步也就决定了海水表层CO2被提取的程度。海洋生物量的变动可以通过深海区生物成因沉积物的沉积速率差异得到证明。因此，大气中CO2含量的变化不仅反映了气候的变动，还可以间接地标志大洋生物量的变异。目前来讲，用以最直接量度古代CO2含量的手段是从极地冰心的气泡包裹体中直接测出地史时期大气的CO2含量。表层水中由于CO2的减少，δ13C值相应增大，但是深层储库中的δ13C值由于不受表层生物量变异的影响，因此一般都保持不变，这样表层与深层水间碳同位素组分的差值（Δδ13C）可以作为大气CO2含量变化的监察器。热带东太平洋V19-30柱状样15万年来浮游有孔虫N.dutertrei与底栖有孔虫U.sentioncosa碳同位素组分的差值（Δδ13C）变化图左侧为与此相应的大气CO2含量的标尺，粗线为Nefvel等人推算的几万年来大气中CO2含量的编号范围南大西洋DSDP525、528钻孔的新生代13C值记录新生代以来全球有机碳埋藏量的变化生物量的变化不仅可用来恢复冰期一间冰期的更替，而且对于地球演化史上重大地史事件的研究也具有较大的意义。当一次灾变事件发生时，除了造成许多种属的生物灭绝，分异度骤然下降外，还直接引起生物量大幅度减少。这样，水体中CO2的消耗量降低，导致水体pH值下降，水质偏酸。因此生物的生态环境（主要是海洋化学方面）发生极大变化，形成一种灾变性海洋。在几千年至几万a的短暂时间内，浮游生物的生产率受到极大的抑制，甚至难以生存。因此，由浮游生物引起的碳同位素分馏作用近于停顿，表层水中12C大量增多，δ13C值急剧偏负。再通过表层水与底层水的混合作用，可使整个大洋水柱从顶到底δ13C值几乎一致。例如，在白垩系与第三系界线层处，在大约3～5万a或更多一些时间内，有3/4的生物灭绝，表层水的δ13C值可负偏到-2‰～-3‰，与底层水十分相近，显示出生物繁殖量极大地减少。二、黄土一古土壤碳酸盐研究与全球变化二、黄土一古土壤碳酸盐研究与全球变化1．作为古环境标志的黄土一古土壤碳酸盐同位素组成碳酸盐在与环境同位素平衡条件下形成时，其同位素组成主要取决于碳酸盐形成介质的同位素丰度和温度。即碳酸盐同位素组成能够反映它形成时的环境。通常，黄土或古土壤的自生碳酸盐与形成的环境可达到同位素平衡，因此可用来判断其形成环境。黄土－古土壤碳酸盐同位素组成基本上代表了自生碳酸盐同位素组成。δ18O值和δ13C值在剖面上的变化是由自生碳酸盐同位素组成变化所引起的，是环境变化的结果。2．黄土一古土壤碳酸盐氧同位素组成与古气候的关系现代土壤碳酸盐氧同位素δ18O值较好地与当地大气降水氧同位素δ18O值正相关。大气降水δ18O值与当地年平均温度呈正比，所以黄土－古土壤碳酸盐同位素组成在剖面中变化不仅是大气降水氧同位素组成随时间变化的反映，同时也是温度随时间变化的反映、在气候温暖的条件下形成碳酸盐将具有较高的δ18O值。黄土－古土壤碳酸盐δ18O值明显地随碳酸盐含量增加而减少。这说明它们同时受环境因素所控制的。宝鸡黄土－古土壤碳酸盐含量与氧同位素组成关系图土壤碳酸盐的含量与当地年降水量有关，自生碳酸盐在年降水量小于750mm地区的土壤中是常见的，而在年降水量大于1000mm地区的土壤中是少有的。现今黄土高原的气候与东亚季风有关，在夏季当来自太平洋的季风较强时，降水量增加；在冬季当来自西伯利亚的季风较强时，降水量减小。黄土－古土壤碳酸盐氧同位素组成在剖面中变化主要是古季风变化的记录，在夏季风强盛时形成的黄土－古土壤碳酸盐将有较高的δ18O值。3．黄土一古土壤碳同位素组成与植被的关系土壤自生碳酸盐碳同位素组成主要受土壤CO2碳同位素组成所控制。土壤CO2的碳同位素组成不仅与土壤CO2浓度有关，而且也与土壤植被光合作用途径有关。土壤CO2浓度随土壤植被密度增加而增加，并且控制了来自大气CO2在土壤CO2中的比例。由于植物呼吸作用产生的CO2其δ13C值比植物本身高约3‰～7‰，所以在植被群落中，C4或C3植物的百分率就决定了土壤呼吸作用产生的CO2的碳同位素组成。土壤碳酸盐δ13C值随土壤植被密度的增加（即土壤呼吸作用加强，土壤CO2浓度增加，来自母质的CO2相对减少）而减少，随土壤植被中C4植被相对增加而增大。气候越干旱，土壤碳酸盐δ13C值越高。C3植物主要分布于干旱和半干旱地区，它在植被群落中的比例是随夏季平均蒸发量增加而增加，随湿度降低而减少，和随干季土壤湿度的增加而减少。在干热的气候条件下，C4植物在植物中比例较高，因此，第四纪时期黄土高原古植被群落中C4植物的比例变化是不显著的，黄土－古土壤碳酸盐中δ13C值的变化可能主要是古植被密度变化所造成的。黄土高原及邻区现生蜗牛碳酸盐壳碳同位素组成和当地年平均相对湿度（％）三、黄土与深海沉积的对比非常连续的深海沉积古气候记录须与陆地沉积的古气候记录进行对比，相互验证，这样能够更全面地了解全球第四纪气候的面貌。风成黄土是陆上保存得最完整的沉积层系，在我国和全世界都有广泛分布。它提供了陆上沉积与海洋从沉积进行对比的物质基础，黄土沉积系列中沉积物的类型、生物组合变化等能够反映气候的冷暖演变。1．中欧黄土与深海沉积的对比欧洲黄土主要分布区都处在冰川前沿的外围，那里的地层未受冰川进退的破坏。黄土是冰期干冷条件的产物；而黄土地层中所夹的古土壤是间冰期阶段形成。中欧间冰期的气候类似于现代，或比现代温暖、潮湿，在落叶阔叶林分布范围内发育了次生棕壤型土壤。因此，在适合的沉积盆地内，冰期一间冰期旋回为反复交替的黄土和森林土壤记录下来。欧洲第四纪气候与深海沉积的气候记录相似，具多变性。中欧黄土地层与深海沉积的对比中获知，两者气候冷暖变化曲线非常吻合，深海沉积中最近的5个氧同位素期在黄土中同样出现。中欧黄土与深海沉积的对比C一冷的黄土草原．N一正常的黄土草原．M一暖的黄土草原；R一稀疏的边缘草地；T一浓密草地；BE一针叶林或混合林，PB－落叶林．1一坡地冲刷壤土；2一生物成因粘土；3一含泥皮的次生棕壤；4一黄土；5一腐殖棕壤士；6一钙质上；7一团粒状沙；8一标准层2．中国黄土与深海沉积的对比中国黄土分布广泛，覆盖面积达44万km2；沉积厚度大，最厚可达200多m；连续性好，从早更新世到全新世都有沉积，几乎记录了第四纪地质历史的全过程。黄土沉积层序中黄土与古十壤多次交替出现。由于对层位作了古地磁测量，使剖面的时间序列更为精确和清晰，从而为黄土与深海沉积的对比提供了可靠的基础。松山反向期布容正向期洛川剖面上部的各种黄土、古土壤类型及其古环境参数（古环境参数主要根据与现代土壤对比得出）弱风化黄土；2.中等风化黄土；3.强烈风化黄土；4.黑色黄土状土壤；5.钙质棕红色古土壤；6.受淋滤棕红色土壤；7.受淋溶棕红色土壤；8.褐棕红色土壤洛川黄土剖面与深海岩心的对比1一表土和下伏黑土，2一棕红色古土壤，3一其它古土壤；4一马兰黑土；5一离石黑土；6一午城黑土；7一钙质结核，8一红土粗的黄土平均粒径，高的CaCO3含量，低的Fe2O3／FeO比值和低的磁化率均指示干冷的气候环境（沙漠和草原）。相反，指示相对湿暖的气候环境。四、洞穴石笋古温度研究四、洞穴石笋古温度研究当洞穴内环境保持相对封闭状态的条件下，在沉淀的方解石和水两相之间达到了氧同位素交换的平衡条件，构成了CaCO3－H2O对的地质温度计，其平衡常数与石笋生长时的温度存在着某一确定关系。其反应式为：1/3CaC16O3＋H218O＝l/3CaC18O3＋H216O0’Neil根据实验研究得出的测温方法是：t(oC)＝16.9－4.38（δ18Oc－δ18Ow）＋0.1（δ18Oc－δ18Ow）式中，t是古温度；δ18Oc和δ18Ow分别是方解石（相对于PDB）和水（相对于SMOW）的δ18O值。第六节：湖泊沉积研究与气候、环境演化第六节：湖泊沉积研究与气候、环境演化湖相沉积具有存储信息量大、时间分辨率高和地理覆盖面广的优势。过去2ka以来的湖相沉积记录了人类活动因素和自然环境变化的双重信息。湖相沉积具有以下优势：•湖泊沉积记录的信息量大。湖泊沉积记录了丰富的各种环境要素信息，包括大气圈（温度、降水、风情、洪涝灾害、大气污染、酸雨、气溶胶和粉尘）、陆地生态系统（植被、土壤、火灾、火山活动等）和生态系统（盐度、pH值、碱度、营养态、初始生产力等）的混合信息。•湖泊沉积连续性好，沉积速率大，因而时间分辨率高。现代湖泊中心的沉积速率虽然变化较大，通常在0.5～3mm／a之间，如果采用合适的间隔采样，有可能得到10～102a的环境波动记录。分层湖泊的年纹沉积分析可以分辨到la甚至季节。•湖泊沉积的地理覆盖面积广。中国现有面积超过1km2的湖泊近230O个，在陆区湖泊的分布范围远超过冰心、黄土和树木年轮。苏黎世湖碳酸盐的δ18O和δ13C分析结果(a)在过去大约lOka以来沉积在苏黎世湖中的无机碳酸盐的碳氧同位素变化，(b)生物成因碳酸盐的碳氧同位素变化。空心圆点：介形类白玻璃介(Candonacandida：C．c)及湖陆类花介(Pisidiumconventus);实心圆点：双壳类软体动物孔旺豆蚬（Cytherissalacustris：C.1），这些化石样品从沉积物岩心中分离出来，钻孔岩心柱状图表示于图左边微量元素Mg和Sr的研究对确定湖泊的物理化学条件更加有效，这两种元素可取代非海洋沉积环境中形成的介形虫壳体方解石晶格中的钙原子，它们同Ca含量的比值是确定温度、离子组成及盐度的上好指标。在一个流域面积可以完全确定的湖泊，由于盐度的增加与蒸发量增加有联系，它只表明湖泊溶解物质浓度的增加，而不会使湖水的化学成分，如Sr／Ca改变。凯拉比特火山口湖介形虫壳体的Sr／Ca和Mg／Ca摩尔浓度平均比值变化曲线与根据邻近一个约40层沉积物岩心的粒度组成(同湖泊水深有关)得到的古盐度曲线(已经平均处理)的对比图图的左边给出了沉积序列，它表明有方解石层和文石层存在，说明湖水曾在不同时段达到碳酸盐饱和状态。介形虫壳体的Sr/Ca比值同湖泊盐度变化有关。第五章：地球化学环境与人类健康第五章：地球化学环境与人类健康本章主要内容：•人体与地球化学环境的关系；•人体中元素的分布；•微量元素与人类健康；•地球化学环境与人类疾病（地方性疾病）。第一节第一节::人体与地球化学环境的关系人体与地球化学环境的关系一、人体化学组成与地球化学环境的关系自然界的各种元素或化合物都是以空气、水和食物等形式经由呼吸道和消化道进入体内的。研究表明，人体的各种化学元素和平均含量与地壳中相应各种化学元素的含量相适应，显示了明显的相关性。因此，化学元素的相适应证明，人和地球化学环境有着密切的联系。人体血液和地壳中元素含量的相关性人体中有60余种元素，其中人体的99.954％是由氢、氧、氮、碳、磷、硫、氯、钾、钠、钙、镁和铁等宏量元素组成，其余不到0.05％的部分主要是由氟、锌、碘、铜、钒、锰、镍、钴、硒、铬和钼等微量元素(含量<0.01％)组成。尽管人体中以氧、碳、氢、氮等宏量元素为主，并成为人体各种软组织、体液和血液内的主要组成元素，但那些在人体中所占比例虽不到0.05％的微量元素，对人体健康却有着不可忽视的作用。人体化学元素组成宏量元素WB／％微量元素WB／10-6氧65.9氟37碳18.0锌33氢10.0铜1.0氮3.0钒0.3钙2.0铬0.2磷1.0硒0.2钾0.35锰0.2硫0.25碘0.2钠0.15钼0.1氯0.15镍0.1镁0.05钴0.05铁0.004总计99.954<0.05%二、人体与环境的辩证关系人体与环境之间最本质的联系是能量的传递和物质的交换，人与地壳物质保持的平衡是通过人体的新陈代谢与周围环境进行物质交换实现的。如果由于某种自然的或人为的原因，使环境中新出现或增加了某种化学物质，或减少了某种化学物质，超过了人体生理功能所能承受的适应能力，人和地球化学环境的平衡关系就会遭到破坏，人体健康就要受到影响，甚至发生疾病或死亡。人体各种生理功能在某种程度上对环境的变化是适应的，并能使人体与环境达到统一，但这些功能有一定的限度。如当某些元素在自然界含量过高或偏低时就会造成一些地方病；当有毒物质通过呼吸、饮水、食物等直接或间接地进入人体就会造成疾病，影响遗传甚至危及生命。因此，人和自然环境构成相互协调的统一体，在地球的演变进程中，形成了一种相互制约、相互作用的统一关系。三、现代人类疾病类型与地球化学环境的关系1．疾病的类型•遗传性疾病是由于生殖细胞或受精卵里的遗传物质在结构或功能上发生了不利改变，从而使发育成的个体罹患的疾病。•先天性疾病是怀孕期间，在胚胎发育过程中，由于不利因素的影响造成的疾病。这些不利因素影响了胎儿的正常发育，使得胎儿一出生就患有某种疾病。•匮乏性疾病又叫贫穷病，是由于人们所处环境的生活条件恶劣、营养不足、卫生条件差所导致的疾病。•现代病主要发生在经济发达的地区和国家，城市的发病率又明显高于农村2．疾病类型与环境的关系•遗传性疾病与环境遗传性疾病起因于生殖细胞或受精卵里物质的不利变化。遗传物质的损害主要是基因缺陷和染色体畸变。环境因素可以影响遗传物质，许多化学物质都可以引起突变。•先天性疾病与环境该类型疾病是胚胎发育过程中某些环境因素造成的。在怀孕期间，胎儿在母体内发育过程中，由于受不良环境因素的刺激，如过量放射性的照射、严重噪声的影响以及有害化学物质的侵扰等，使胎儿发育异常，出现各种先天性疾病，如先天性心脏病、先天性畸形等。•匮乏性疾病与环境由于区域自然环境恶劣，经济、文化落后所造成，主要表现为三个特点：•由于人们所处的生活条件恶劣、营养不足所造成的营养不良性疾病；•由于医疗、交通落后、人口拥挤、卫生条件差所造成的传染性疾病；•由于区域生态环境中有不利健康的因子存在，造成特定环境的特有的地方病，即原生性地方病。•现代病与环境由于现代社会的发展，出现了大量的现代病，以癌症心血管和各种职业病为典型代表，主要发生在发达国家和地区以及大城市。国际上已比较一致地认为90％以上人类的癌症与环境因素有关。四、人体对环境致病因素的反应人类环境的任何异常变化，都会不同程度地影响到人体的正常生理功能，但是，人类具有调节自己的生理功能来适应不断变化着的环境的能力。如果环境的异常变化不超过一定限度，人体是可以适应的；如果环境的异常变化超出人类正常生理调节的限度，则可能引起人体某些功能和结构发生异常，甚至造成病理性的变化。这种能使人体发生病理变化的环境因素，称为环境致病因素。人类的疾病多数是由生物的、物理的、化学的致病因素所引起。在环境致病因素中环境污染又占最重要的位置。人体对致病因素引起的功能损害有一定的代谢能力，在疾病发展过程中，有些变化是属于代偿性的，有些变化则属于损伤，两者同时存在。当代偿过程相对较强时，机体还可能保持着相对的稳定，暂不出现疾病的临床症状，这时如果致病因素停止作用，机体便向恢复健康的方向发展。第二节第二节::人体中元素的分布人体中元素的分布•生命组成元素这类元素是生命必须的宏量元素，它们在人体及生物体中的含量最高，可占人体的99.95％（以70公斤人体重量计）以上，主要是元素周期表中原子序数小的元素，包括：H、C、N、O、P、S、K、Na、Ca、Mg、Cl、Si;其中前6种元素是构成生物体结构的主要元素，也是构成有机分子的基本元素，它们占人体重量的97.25。•生命必需元素这类元素是生命必须的微量元素，它们是人体维持正常机能所必需的元素Fe、Cu、Zn、Mn、Co、I、Mo、Se、F、Cr、V、Ni、Br，约占人体重量的0.025％，它们虽然在人体内含量甚微，但在人类生命过程中起着重要作用，这些元素在人体中的不足或过剩都会影响到人的健康，甚至危及生命。判断元素的必需性应符合以下条件：•必须存在于一切生物的所有健康组织内；•在不同的动物体内的浓度应该相当恒定；•元素一旦从生物体中缺失，往往会发生结构上或生理上的异常；•如果补足这种元素，则可防止异常的发生或使其恢复正常。人体所摄取的微量元素(mg/d)元素(形态)不足正常有害致死Ag1+ 0.06～0.08601300Al3+ 10～100  As(III或V) 0.1～0.35～50100～300B硼酸盐 10～204000 Ba2+(水溶性) 1～5200 Bi3+ 0.06  Br 1～103000 Ca2+ 400～1500  Cd2+ 0.63 Cl1-702400～4000  Co2+ 0.0002500 Cr(V1)(铬酸盐) 0.052003000Cu2+ 2～5250～500 F1- O.5202000Fe(II或III) 12～15  Ca3+ 0.02  Hg(II) 0.005～0.02 150～300I1-0.0150.210000 人体所摄取的微量元素(mg/d)（续）元素(形态)不足正常有害致死I1-0.0150.2  In3+ O.016000 Kl+ 1400～3700200 Lil+ 2  Mg2+ 220～400  Mn2+ 3～9  Mo(VI)(钼酸盐) 0.7  N(有机) 8000～22000  Nal+451600～2700  Ni2+ 0.3～0.5  P(磷酸盐) 1200～2700 10000Pb2+ 0.3～0.1  Rbl+ 10  S(硫酸盐等) 420～3000100 Sb(III或V) 0.15 Sc(IV) 0.2  Si(硅酸盐) 6002000 Sn4+ 17～45  人体所摄取的微量元素(mg/d)（续）元素(形态)不足正常有害致死Sr2+1.5～5Ta(V)1Te(VI)0.022000Ti(TiO2)1～10Tl1+0.1U(VI)U022+0.05V(V)0.3W(VI)0.05Zn2+10～15Zr(IV)0.1•毒性元素对生物有毒性而无生物功能的元素。该类元素又可分为两类：•毒性元素：Cd、Ge、Sb、Te、Hg、Pb、Ga、In、As、Sn、Li，这些毒性元素是指它们对生物体无有益作用，而只有毒性。•潜在毒性和放射性元素：Be、Tl、Th、U、Po、Ra、Sr、Ba。•非必须元素非必须元素是指那些地壳丰度极小，化学性质极不活泼，其化合物不容于水或难溶于水，而且不具生物学功能的元素。它们多具放射性。一般不易与人类所接触，也就不易为生物所吸收。非必须元素包括氦、氖、氩、氪、氙、氡6个气体元素，15个镧系元素，锕、钍、镤3个锕系元素，以及其它的24个元素共计48个。•无毒性稳定性元素该类元素的地球化学性质稳定，多呈氧化矿物或自然元素状态产出，并多数呈副矿物。这些元素包括：Ti、Zr、Hf、Sc、Y、Nb、Ta、Ru、Os、Rb、Ir、Pd、Pt，Ag、Au。•两性元素两性元素指的是B。其氧化物具弱酸性，对人体无明显中毒现象。元素生物学分类周期表二、人体中元素的缺乏和过量供应某些元素在人体各组织中的分布具有明显的选择性，一般表现为：脑：Cd、Sr、Br、A1；肾：Bi、Pb、Cd、Se、As、Si；肝：Pb、I、Sm、Se、As、Zn、Cu；肺：Sb、Sn、Se、Cr、Al；淋巴结：U、Tb、Sb、Mn、A1、Li。必需和有毒元素的缺乏和过量对有机体的影响曲线效应有毒元素生理效应曲线耐量三、环境地球化学食物链化学元素从环境到有机体作用路线示意图四、人体中元素的分布元素在人体中分布是不均一的。•人体骨胳中的主要元素：Ca、P、S、Si、Mg、F、Mn等，其中的Ca、P、S、Mg等具结构性作用。Sr、Ba、Pb、Be、Cd、U、Au、Li等元素与骨骼有较强的亲合性，它们在骨中过量的蓄积将会产生不同程度、不同性质的损害。这些元素在骨中的量占人体总量的百分数分别为：Sr为99％；F为98.9％；Pb为97.6％；Ba为91％；Be为75％；Mg为70％；U为65.5％；Li为50％；Mn为43.4％。•牙齿中的元素多由Ca、P、F、Si、V等元素组成。•毛发中的元素由Si、Ni、As、Zn、F、Fe、Ti等组成。•肌肉中的元素Zn、Cu、Ca、Mg、V、Se、Br等元素，它们在肌肉中的量占人体总量的百分数为；Zn为65.2％；Br为60％；Se为38.3％；Cu为34.7％。•脂肪中的元素V、Hg、Cr、Nb、Sn等，其中V、Cr对脂肪代谢和降低胆固醇有重要作用。钒、汞、铬、铌、锡在脂肪中的蓄积量分别可达总量的90％、69.2％、37％、26％和25％。•血液中的主要微量元素Fe、Co、Mo、Cu、V等，其中铁在血液中的含量可占人体总铁的70％。•肺中的元素Sb、Sn、Se、Cr、Al、Si、Fe等。•肾中的元素Cd、Hg、Zn、Bi、Pb、Se、As、Si等。•肝中的元素Se、Cu、Zn、Fe、As、Cr、Mo、V、I等。•淋巴系统中易富集的元素Si、U、Te、Sr、Mn、Pb、Li等元素。元素与人体健康之间的关系元素地壳中的丰度(WB／％)人体内的含量人体中的作用缺少和过量可能引起的疾病Fe5.804～5g参与人体各种酶的组成缺铁易得传染病和贫血症。过量可引起中毒，表现为肝、肾受损。铁中毒使婴儿呕吐、胃肠道出血、末梢神经衰竭，重者死亡 Cu0.0063100～150mg适量铜可保证造血机能正常活动。缺铜会引起贫血、造成局部皮肤脱色(白癜风)、引起白发。过低可导致主动脉血管弹性降低。过量铜严重影响机体的正常代谢Zn 0.00941.5～3.0g缺锌可导致生殖力下降，形成性发育不全的侏儒，引起味觉不灵敏，食欲不振，视力减退，形成暗视盲。锌过多会引起恶心、呕吐、痉挛、下痢。锌的毒性极小，即使是高浓度毒性也不大 Mo1.3×10-412～20mg钼过多患通风病，可引起甲状腺肿大，干扰机体的钙、磷代谢，影响骨、齿的生长，形成佝偻病、软骨病和龋齿。缺钼肝解毒功能下降，以致肝损伤Se8×10-6ng、mg低硒引起心肌病和多种癌症，营养性肌无力，肌萎缩以及龋齿、白内障等，儿童恶性营养不良及婴儿猝死，高硒引起脱发、指甲畸形或变软和神经中毒Mn  0.1320mg锰不足可导致软骨、生长障碍、易患动脉硬化症。缺锰则影响造血功能。过量锰会引起中枢神经损伤元素地壳中的丰度(WB／％)人体内的含量人体中的作用缺少和过量可能引起的疾病I6×10-515～20g具有催化作用低碘可引起地方性甲状腺肿，生长发育停滞，体力和智商水平下降，中枢神经发育不全，重者导致呆傻症(克汀病)。高碘也可导致甲状腺肿 Cu0.0063100～150mg适量铜可保证造血机能正常活动。缺铜会引起贫血、造成局部皮肤脱色(白癜风)、引起白发。过低可导致主动脉血管弹性降低。过量铜严重影响机体的正常代谢Ca5.2001.25g缺钙容易诱发高血压，引起佝偻病、软骨病、骨质疏松。钙过多会导致缺血性心脏病，引起呕吐，肾脏钙化Mn  0.1320mg锰不足可导致软骨、生长障碍、易患动脉硬化症。缺锰则影响造血功能。过量锰会引起中枢神经损伤Cr0.0116mg铬适量有助于胆固醇的分解、排泄、可预防冠心病和动脉粥样硬化。缺铬可引起高血压和冠心病。铬过量会引起中毒Co0.00251mg缺钴会引起贫血。钴过量会引起机体代谢障碍。产生中毒。过剩还可以诱发甲状腺肿大。长期摄入会引起心肌病Ni0.00949.8mg适量镍可以提高胃蛋白酶的活性和改善造血过程。过量镍引起慢性中毒，导致中枢神经障碍，肝脏损坏，贫血和胃肠炎等。镍有很强的致癌作用元素地壳中的丰度(WB／％)人体内的含量人体中的作用缺少和过量可能引起的疾病Zn0.00941.5～3.0mg增能加提机高体抗免病疫能功力缺锌可导致生殖力下降，形成性发育不全的侏儒，引起味觉不灵敏，食欲不振，视力减退，形成暗视盲。锌过多会引起恶心、呕吐、痉挛、下痢。锌的毒性极小，即使是高浓度毒性也不大I6×10-515～20g低碘可引起地方性甲状腺肿，生长发育停滞，体力和智商水平下降，中枢神经发育不全，重者导致呆傻症(克汀病)。高碘也可导致甲状腺肿Se8×10-6Nmg低硒引起心肌病和多种痛症，营养性肌无力，肌萎缩以及龋齿、白内障等，儿童恶性营养不良及婴儿猝死。高硒引起脱发、指甲畸形或变软和神经中毒Ti  0.644.7mg微量钛可加强心肌收缩。钛还有降低血压的作用K1.70145g保护心血管缺钾会引起精力疲惫，心脏麻痹。钾过量引起中毒，表现为手足麻木，知觉异常，四肢疼痛，恶心呕吐,心律不齐，心动过缓，直到死亡Na2.3083g钠不足表现为软弱无力，食欲不振，头昏等，长期缺钠则影响发育。过量钠可导致婴儿急性中毒、甚至永久性脑损伤、还可引起高血压Li0.00212.2mg锂不足会产生狂躁症。锂过高可导致抑郁症，可抑制心肌活动，降低血压，重者可导致心脏停搏。锂中毒表现为肌无力，发射抗进，震颤、视力模糊、昏睡不醒元素地壳中的丰度(WB／％)人体内的含量人体中的作用缺少和过量可能引起的疾病Ca5.201.25kg保护心血管缺钙容易诱发高血压，引起佝偻病、软骨病、骨质疏松。钙过多会导致缺血性心脏病，引起呕吐，肾脏钙化Mg2.8024g镁不足可引起生长停滞、发育障碍、骨质松脆，牙齿生长不良，骨痛，精神抑郁、心动过速，肌肉痉挛。过量镁会引起神经系统作用过程抑制，降低动脉压力。Ti  0.644.7mg微量钛可加强心肌收缩。钛还有降低血压的作用VO.0140.1mg钒过量可抑制许多酶的活性，从而影响机体的正常代谢。钒中毒可引起肾小管坏死和肝脂肪变性。Se8×10-6Nmg低硒引起心肌病和多种癌症，营养性肌无力，肌萎缩以及龋齿、白内障等，儿童恶性营养不良及婴儿猝死。高硒引起脱发、指甲畸形或变软和神经中毒Fe5.804.5mg缺铁易得传染病和贫血症。过量可引起中毒，表现为肝、肾受损，婴儿铁中毒引起呕吐、胃肠道出血、末梢神经衰竭，重者死亡Cu0.0063100～150mg适量铜可保证造血机能正常活动。缺铜会引起贫血、造成局部皮肤脱色(白癜风)，引发白发。过低可导致主动脉血管弹性降低。过量铜严重影响机体的正常代谢Zn0.00941.5～3.0mg缺锌可导致生殖力下降，形成性发育不全的侏儒，引起味觉不灵敏，食欲不振，视力减退，形成暗视盲。锌过多会引起恶心、呕吐、痉挛、下痢。锌的毒性极小，即使是高浓度毒性也不大Na2.3083g钠不足表现为软弱无力，食欲不振，头昏等，长期缺钠则影响发育。过量钠可导致婴儿急性中毒，甚至永久性脑损伤，还可引起高血压Co0.00251mg缺钴会引起贫血。钴过量会引起机体代谢障碍，产生中毒。过剩还可以诱发甲状腺肿大。长期摄入会引起心肌病第三节：微量元素与人类健康第三节：微量元素与人类健康一、微量元素的生理功能微量元素是指占人体重量小于0.01％的元素。人体必须的微量元素不能由肌体自身制造，它虽然在人体内甚少，但在生物化学过程中却起关键性的作用，它们做为酶、激素、维生素、核酸的成分，维持生命的代谢过程。人体对各种微量元素的需要，依年龄、生理条件、环境条件及遗传因素等情况而定。人体必需微量元素对成人的供给量微量元素成人一日需要量铁12mg锌10～15mg氟1.5mg铜30μg/kg体重碘140μg锰5～10μg硒20～50μg铬2～2.5μg钼2μg／kg体重钴O.13mg钒0.1～0.3mg微量元素的重要生理功能•在酶系统中起特异的活化中心作用。酶是一种大而复杂的蛋白质结构，它的作用在于强化生化作用。几千种已知的酶中，大多数含有一个或几个金属原子。失去金属元素，酶的活力就丧失或下降；获得金属元素，酶的活力就恢复。•在激素和维生素中起着特异的生理作用。某些微量元素是激素和维生素的成分或重要活性部分，缺少这些元素，肌体内就无法合成这类激素或维生素。如甲状腺激素中缺少碘原子，就失去效用，人体就会得甲状腺肿大病。•协助输送宏量元素的作用，如铁是血红蛋白的重要组成部分，血红蛋白借助氧化作用把氧带到体内每个组织、器官的细胞中去，供应代谢的需要。•微量元素在体液内，与钾、钠、钙、镁等离子协同，可起调节渗透压、离子平衡和体液酸碱度的作用，以保持人体的正常生理功能。二、元素的协同和拮抗作用生命元素的拮抗作用是指在生物体总中，一种元素对另外一种元素的正常生理功能产生的干扰的现象，这种干扰多数是抑制或者抵消，但也有可能是加剧。铜与钼、硒与汞、铜与锌、铊与硒、铜与镉、锌与镉之间存在着生物的拮抗作用。元素拮抗作用的几种机理•直接化学反应产生的拮抗作用。在生物体内的这种化学反应，某种意义上类似于体外的无机化学反应。如果两元素能生成难离解的稳定化合物或两元素间能发生氧化还原反应，它们之间可能存在着生物拮抗作用。前者如As、Hg、Cd、Ag、Sb等元素对Se的拮抗，后者如Cr6+对Fe2+的拮抗；•干扰元素作用于金属酶的辅基或金属蛋白的蛋白质活性基团，使酶或蛋白质遭到破坏，从而实现对酶或蛋白质中有益元素的间接拮抗。如干扰离子与生物体中的有机质（如酶的辅基）结合得更稳定，从而使肌体中某些元素被置换出来。•由于某一元素的作用，使金属酶反应体系中的一环受阻，从而产生对另一元素的间接拮抗。这一类型的拮抗机理，虽然在两元素的性质上找不出直接的关系，但是从酶作用体系中是可以分析出它们的相关作用的。•在生物体中，相似原子结构的元素在有机络合物中互为取代而造成的拮抗作用。已经观察到的拮抗关系中，W－Mo、Cd－Ca、V－Mn、Ni－Cu、Mn－Mg应属这种类型。三、配合作用所谓配合作用是指采用金属配合物(或螯合物)的配位体原理排除进入机体的各种有毒元素的去毒作用。许多由污染途径进入人体的有毒元素，可以针对性地采用某些络合剂和螯合剂有效地加以排除。用于治疗机体内金属元素过量的某些螯合剂过量元素排毒螯合剂过量元素排毒螯合剂CaFeCo、ZnCd、AsHgEDTA去铁肟胺或Na2(CaEDTA)Na2(CaEDTA)BAL(二巯基丙醇)BAT（二巯基丙醇)Pb、CuBeTlNiPuD－青霉胺或Na2(CaEDTA)金精三羧酸三苯卡巴腙二乙基草酸钠Na3(CaDTPA)四、常见与元素有关的疾病元素对人类健康的影响反映了人体内、外环境之间的平衡。当人体摄入某些元素过量或不足，均会出现各种地方性症候和地方性疾病。这类疾病几乎涉及到机体全身，它们涉及到心血管组织、脑血管系统、内分泌系统、生殖系统、消化系统、骨齿系统、神经系统、细胞组织、结缔组织和其它方面。与元素有关的疾病疾病类别疾病名称摄入过量元素摄入不足元素心血管系统疾病(一)(1)心血管病(2)动脉粥样硬化(3)冠心病(4)心衰猝死(5)新生婴儿猝死(6)糖尿病(7)心肌病 Cd    CoCa、Mg、SeCrCa、Mg、Se、Cr、MoMgMgCr脑血管系统疾病(二)(1)脑溢血(2)高血压(3)脑神经紊乱Si02Si02Cu内分泌系统疾病(三)(1)地方性甲状腺肿(2)脑垂体分泌缺乏症(3)内分泌紊乱(女)IIZnZn、Mg、Mn、Ca疾病类别疾病名称摄入过量元素摄入不足元素生殖系统疾病(四)(1)性发育不全、侏儒症(2)生长发育不良(3)受精率低下(4)不育不孕(5)不孕症   MgS04U、RaZnMnIZn、Mn消化系统疾病(五)(1)地方性肠炎(2)地方性胃肠炎(3)胃肠炎BMgSO4Cd  Mg、Zn骨齿系统疾病(六)(1)龋齿(2)氟骨症(3)膝外翻综合症(4)骨质松脆、牙发育不良(5)佝偻病(6)趴病(7)大骨节病(8)软骨代谢障碍(9)骨质松脆症 FF、Mo SrBa腐殖酸F、V CaMeMg、Ca SeS、Mn、SeCu、Sr疾病类别疾病名称摄入过量元素摄入不足元素细胞癌变(七)(1)前列腺癌(2)乳房、结肠、卵巢、膀胱癌(3)肝癌(4)眼癌(5)皮肤癌(6)骨癌(?)喉癌(8)咽喉癌(9)直肠癌(10)结肠癌(11)食管癌(12)胃癌(13)白血症(14)肺癌Cd 亚硝胺AsAs、Se、AgBe、Cd、SeNi、As、CdNiNi、Cd Cd、ZnZnPb、AsCr6+、Pb、Sn、Si、As、Se、Sb Se、ISe、Mo      MoCuCuZn疾病类别疾病名称摄入过量元素摄入不足元素神经系统疾病(八)(1)中枢神经发育不全、脑发育落后、智力低下(2)神经性疾病(3)神经性传导障碍(4)抑郁症(5)狂躁症(6)神经中毒(水俣病)(7)Wilson症 IPbF RbHg、Se、As、TlCu I、Zn   Li结缔组织(九)(1)脱毛症、指甲脱落(2)扁甲(营养性)(3)毛发、皮肤异常Tl、Se I Ca、MeI其它(1)营养性贫血(2)高铁血红蛋白症(3)糖尿病(4)地方性肌萎缩(5)结石症(6)缺铁性贫血(7)溶血性贫血(8)暗视盲(味、嗅觉异常) N02  F、Ca PbFe、Cu CrMgFe Zn、V 1．硒（Se）•概述硒是亲硫稀有非金属，呈红色或灰色，性脆易氧化为二氧化硒，结晶硒为重要的光导电材料。硒主要用于制造整流器，硒还用作脱色绿玻璃和制造红宝石玻璃；生产不锈钢和铜合金；作橡胶添加剂和杀虫剂。硒可用于胰脏放射性扫描、照相复制术及X硒版摄影。•生物学功能硒是生物体多种酶和蛋白质的重要组成成份，具有很强的生物活性，参与多种生理生化作用。硒的抗氧化性是因含硒谷胱甘肽过氧化酶(GSH—PX)对体内已生成的过氧化物起解毒作用；参与辅酶A、辅酶Q的合成，刺激免疫球蛋白的产生，有保护心脏、肝、肾和增强免疫的功能；调动人体抗癌因素，抑制癌细胞的生长，降低铅、镉、汞、铊、砷、铬等毒物的毒性；代替维生素E的作用，促进维生素E的利用。•人体中的硒正常成人含硒14～2lmg，就能满足生理需要。硒在人体内主要分布于肝(50％)、肾、骨、指甲和头发。我国推荐成人最低日需硒量为40μg，美国提出成人日需量为50～200μg。•Se的生理功能缺硒可致肝坏死；硒营养不足，可降低机体抵抗力，影响视力，严重者诱发心血管疾病和癌症；地方性缺硒，可导致“克山病”和“大骨节病”。一般来说，机体的硒含量与机体的抗氧化水平呈正相关关系。但过高则相反，研究表明人体血液中高硒(0.43μg/mL，与正常人群的0.075μg/mL相比)不但不增加GSH—px的活性，降低LPO的水平，相反，高硒却降低了GSH—px的活性(47.59unit/mL全血，与正常人群的83.21unit/mL全血相比)，增加了LPO的含量(3.50M丙谷醛MDA/mL血清，与正常人群的2.93nMMDA/mL血清相比)。因此，人体接触硒或硒化物过多，摄入过量，可中毒。硒化物的毒性较元素硒大，可溶性硒盐毒性最高。硒中毒类似砷中毒，引起呼吸道刺激和全身性反应。肝、肾损伤最严重。•硒不足及过量的防治硒不足者，可多食海产品、大蒜、谷物等富硒食品，也可服用富硒麦芽类硒营养添加剂。缺硒患者，应服用硒酵母、亚硒酸钠、亚硒酸钠维生素C片；中药黄芪也含有丰富的硒。控制硒接触，是预防职业性硒病的重要环节。硒中毒者，应中断高硒饮食或脱离高硒环境，加强营养，多食高蛋白和亚麻油，降低硒的毒性，口服大量维生素C和维生素E，能加速体内硒的排泄。2．镍（Ni）•简述镍是一种银白色带特殊光泽的金属，具有磁性。主要用途是用来与其他金属一起制造合金，制造碱性电池及抗腐蚀涂料。纯镍或者镍的化合物还可以用作多种化学过程的催化剂。镍污染环境的主要来源是矿产工业、有色合金以及机器制造、金属加工、化学、仪器制造等企业，石油、煤的燃烧会使大气受到镍化物的污染。•人体中的Ni金属镍在人体中的含量一般为3～23μg／100g。人体一昼夜平均摄入0.3～0.6mg，就能满足成人机体的需要。镍吸收后，分布于各组织器官，其中以肺的含量最高，占38％，脑占16.7％。•Ni的生理功能对人体危害最大的是镍化合物，尤其是羟基镍。人体大量吸入羟基镍后，其中的2／3被吸收进入血液，与细胞内的核酸、蛋白质结合，可以造成急性中毒，会出现头痛、头晕、恶心、呕吐等症状。在脱离接触6—36小时后，会发生肺水肿，表现为咳嗽、气急、胸闷、甚至昏迷，对肝脏也有损害。镍也是一种致癌物质。•Ni中毒预防对所有能排放羟基镍的生产过程与设备必须采取密闭化设施，限制其进入环境3．铍（Be）•简述铍是一种呈银灰色的稀有金属，质轻、坚硬、耐高温(熔点1278℃，沸点2970)℃，耐腐蚀，加工时不会发生火花，也不受磁力影响。在正常的pH范围内的天然水中，铍的含量极微。铍易被天然存在的矿物质所吸附。•人体中的Be人体含铍量大约为210μg，血液中含0.5μg的铍。约有75%的铍集中于骨骼中。•Be的生物学功能铍一般不会通过水或食物链影响人体健康。导致人体产生铍病的主要是铍工业污染。铍主要是从呼吸道吸入进入人体危害健康的。急性铍病是一种化学性中毒，它有明显的剂量－效应关系。严重中毒时可发生化学性肺炎和肺水肿。慢性铍病潜伏期较长，主要是吸入氧化铍等难溶性铍化合物所致，多在接触5年、10年甚至20～25年后逐渐出现肺部病变，称为铍肺。过量的铍还可导致骨癌。•防治控制铍接触，是防止铍病的重要环节。降低空气中铍浓度在允许值限之下，这是保护铍作业者的重要步骤。4．钴(Co)•简述钴属铁族元素，顺磁性银白色金属，在水及空气中稳定，易溶于硝酸，逐渐溶于稀盐酸和硫酸。单质钴是制造超硬耐热合金和磁性合金的重要原料；钴的放射性同位素60Co在机械、化工、冶金等方面应用广，在医疗上代替了镭治疗癌症，钴化物主要用于玻璃、颜料，陶瓷、电镀等行业。•人体中的Co人体内正常钴含量1.l～1.5mg，每人每天的摄钴量约为7μg。•生物学功能钴参与机体酶的组成和对酶的激活作用。钴可活化脑内的肽酶，引起氨的释放，以保持pH的恒定，并可调节组织巯基的浓度。钴可治疗多种贫血：钴盐对低色素小细胞性贫血疗效较好。维生素B12对高色素巨细胞性贫血疗效显著。据报道，钴可防止脂肪在肝内沉着，具有趋脂作用。钴、铜、锰合用可加速生长发育，增强体质。患钴缺乏症时，会食欲不振、皮肤粗糙、消瘦无力、粘膜苍白、乳汁减少，继而贫血、严重者死亡。长期服用可溶性钴化物，可产生红细胞增多症、甲状腺肿大和心脏病。大剂量摄入钴能引起结缔组织癌和肺癌。•防治控制人为污染，减少钴作业者与钴接触。5．锑(Sb)•简述锑是一种银白色金属，常以硫化物或氧化物、锑赫石或锑华的形式存在。世界锑产量的一半用于制造合金，另一半以锑化合物形态应用于橡胶、纺织、陶瓷、玻璃、半导体和医药等方面。•人体中的Sb人体含锑约91mg，血液中有0.5-2.0mg。人体的摄锑量为0.1mg/天。大约有1/4的锑沉积于骨骼中。•生物学功能锑是氮族元素，具中等毒性。锑对成年人的致死量为97.2mg，儿童为48.6mg。锑对肠胃道粘膜和皮肤有刺激作用，对神经系统和心脏有损害。含锑化合物能引起恶心、呕吐、体虚、腹泻、皮炎、咳嗽、呼吸困难、慢性肺变化；心率不齐、心肌衰退和损害；也使肝损害和坏死、产生血液疾病等。•防治防止锑污染对动植物危害的最根本的办法就是要在锑的生产过程中严格控制其污染物的排放，制定环境中锑的最大允许浓度标准。6．铝(Al)•简述铝及其化合物主要有十几种，以无机和有机的形式存在。主要含铝矿物有：铵明矾、钙铝榴石、高岭石、水铝钒石及铝土矿等。虽然铝在地壳中的含量比较丰富，但它们的活性较低，较难迁移。因此，在天然水中铝的浓度很低，为0-0.4mg/L。•人体中的Al人体中含铝约61mg，血液中有1.9mg，估计总日摄入量为88mg。大约有35%的铝率集中于骨骼中，19.7%的铝蓄积于肝脏和肺脏中，铝还可以在脑室中不断地积累。•生理功能用于砷透析装置的水含铝，引起病人神经紊乱；早老性痴呆症与体内铝含量增加有关。正常人脑铝含量不超过4μg/g(干重)，而早老性痴呆症患者脑铝明显增加，最高可达107μg/g(干重)。目前的研究表明，铝是一种有毒元素，还未发现它对生物有何有益作用。一般情况下，人们对铝的摄入量还远远达不到中毒的计量。因此，关于铝对人体可能产生的危害应持以防而不惧的态度。7．锗(Ge)•简述锗是IV周期IV族元素，介于金属和非金属间。锗以化合物状态存在于自然界中。锗主要作为优良的半导体材料。•人体中的Ge在正常人体干组织中，锗的含量为：肾40×10-6；肝0.15×10-6；头发2.3×10-6；全身0.44×10-6；骨骼无。人日摄入锗0.9～3.2mg。•生理功能锗及其化合物的生物效果非常良好：•促进细胞生长和代谢；•自由基消除；•抗突变；•与其他元素的相互拮抗作用；•免疫调节；•氧富集作用。锗在人体代谢中起着重要积极的作用；可抗肿瘤，增强放射敏化，诱发干扰素，可强化免疫功能、抗高血压、增强生物活性，防衰抗老等。目前锗已被开发用于医疗、食品和保健中。属于大补的药物如灵芝、人参、枸杞、西洋参、刺五加等均富含锗。被实践证明的抗癌食品如魔芋、蘑菇、大蒜也都富含锗。第四节地球化学环境与人类疾病第四节地球化学环境与人类疾病地质历史的发展过程中，由于地质作用发展的不均衡性及化学元素本身的地球化学性质的不同，造成元素在地球表层分布的不均一，使局部地区某些组分的含量出现异常，造成人体从环境中摄取的这些组分超出或低于所能适应的限度，此时就会发生地方病，它常具有地域性分布的特征。一、我国地方病生物地球化学区的成因类型及地理分布地理位置、地形、地质、水文、气候及居民生活习性等均是导致地方病的主要因素，但最重要的是不同地区水、土、大气所含的化学元素种类和数量不同。一般来讲，在元素受到强烈淋溶的寒温带地区、元素缺乏的沙土地区或元素难以释放的沼泽地区，容易发生元素缺乏症，相反，在元素浓集的干旱地区和火山喷发带导致多种元素富集的地区，又容易发生元素中毒性疾病。生物地球化学区是指地表元素缺乏或过剩而引起生物与环境的化学平衡遭到破坏的地区，它是在地质、地形、气候、水文、土壤、植物和人文等问题的综合作用下形成的。按成因类型，可将我国归纳为七种成因类型的生物地球化学区：•蒸发浓缩型；•矿床或矿化地层型；•矿泉型；•生物积累型；•湿润山岳型；•沼泽泥炭型；•沙土型。1．蒸发浓缩型•特点气候干燥、蒸发量大，可溶性盐类在相对低洼的地区浓集、积累，使土壤盐碱化、潜水矿化度增高，出现咸水、苦水和肥水，水土中一些与生命有关的元素，如Na、Mg、Ca、SO42-、Cl、NO3-、NO2-、I、F、Se、As、B等过剩。•分布地区东北西部平原、华北滨海平原、内蒙古高原、准噶尔盆地、塔里木盆地、柴达木盆地、藏北高原、关中盆地等地区。其中，青藏高原是富硼区；内蒙古巴丹吉林沙漠、腾格里沙漠、乌兰布和沙漠、新疆的准噶尔盆地、塔里木盆地和藏北高原出现富砷的潜水(0.1～25mg/L)、湖水和矿泉水；东北、华北、西北的油田区，民用深井常富碘(0.30～1.920mg/L)。•地方病干旱、半干旱区已发现的生物地球化学地方病有氟中毒、慢性砷中毒、慢性亚硝酸盐中毒、高碘性地方性甲状腺肿、硼肠炎、地方性腹泻、天然放射性疾病。2．矿床或矿化地层型•特点近地表的矿床或矿化层，经风化后形成元素富集的分散流和分散晕，造成元素过剩的生物地球化学区。•分布地区一定地域的矿床或矿化层发育区，典型代表有：贵州的富煤系地层、氟磷灰石矿，河南伏牛山萤石矿、水晶矿带流行人畜氟中毒。•地方病与特定区域富集的成矿金属元素相关，如许多金属矿床导致流行As、Hg、Cu、硫酸盐和放射性元素中毒的地方病。3．矿泉型•特点由于某些矿泉毒性元素含量较高，污染泉口附近的水土，而成为元素过剩的生物地球化学区。•分布地区我国广东、福建、台湾、西藏等地有些矿泉含氟较高，受矿泉水污染的农田、牧场的农作物和牧草含氟量达(6.3～75)×10-6。•致病这些地区常造成严重的人、畜氟中毒。4．生物积累型•特点水土中一些元素，如Hg、Se、Tl通过生物富集而引起中毒（多半是通过食物链引起）。•典型地区我国西藏浪子卡地区由于紫云英聚积硒达5.8×10-6以上，造成家畜盲目蹒跚；松花江流域由食物链引发的甲基汞中毒。5.湿润山岳型•特点降水丰沛的山岳、山麓，有利于迁移能力强的元素淋溶流失，造成山区缺碘。•分布区域大小兴安岭、长白山、燕山、太行山、祁连山、天山、阿尔泰山、昆仑山、喜马拉雅山、横断山、秦岭、云贵高原、大巴山、武夷山、南岭等山脉皆是严重缺碘的地区。另外在西北干旱和东南湿润地区之间的过渡带的山岳丘陵区，形成一条北东－南西向的低硒带，在此带内流行与硒缺乏有关的动物白肌病、人类克山病。6．沼泽泥炭型沼泽泥炭发育地区，由于水土为还原性，动植物残体的矿质化作用弱，一些生命元素，如I、Cu、Co、B、Se的迁移能力下降，生物有效态的含量低，从而形成元素缺乏的生物地球化学区。7．沙土型•特点由于沙土有机质含量低、粘粒含量少，对水分和养分的保持能力差，因此一些生命元素(I、F、Zn、Cu、Mo、B、Se)容易流失，形成沙土型的元素缺乏生物地球化学区。•分布区主要分布于沙漠边缘区，山前冲积、洪积扇上部。二、中国环境景观类型1．滨海、河湖相冲积、洪积平原、盆地区•特征一般这类地区地势较低缓，主要堆积物为滨海、河湖冲积、洪积的淤泥、沙、砾等。•典型地区我国东部的松辽平原、黄淮海平原、长江中下游平原，以及处于河流入海的中下游地区等。这些地区的堆积厚度大，各种元素含量丰富，区内气候比较温暖，雨量也比较适中，很适宜种植业的发展，因此，这些平原区一直是我国农作物粮、棉、油料作物的主要种植地区。2．黄土堆积高原区•特点多干旱缺水，区内元素的淋溶作用不强，碱性元素和碱土元素、碳酸盐含量偏高，地表水呈现碱性反应。•地区我国黄土分布区。3．残积、坡积山地、高原、丘陵、盆地区•高寒残积、坡积高山、高原区位于我国西南部的青藏高原，地貌景观和堆积物类型比较复杂，有随着高度出现的垂直分带现象。大于5000m以上的地段：气候寒冷，风化剥蚀多以机械作用为主，淋溶作用很弱，矿物和元素的变化，运移都不明显；2000～5000m之间的地段：气候仍偏寒冷，淋溶作用不强，风化堆积物仍以原地堆积为主，由于部分微生物和地表水作用，Cl、Na部分少量被淋溶；小于2000m高度的地段：气候稍温暖潮湿，有植被生长，堆积以残积、坡积为主，元素部分被淋溶，但并不富集。部分C1、S可能被有机体少量吸收，Ca、Mg、K等元素仍保留在堆积物中。•风蚀残积、坡积高平原区位于我国西北部及内蒙古的高平原，地貌特征与青藏高原相比，显得平坦开阔，区内由于多年干旱少雨，大陆性气候明显，地表常年受大（暴）风的侵蚀，风积形成沙漠，在低洼地方冲积、洪积形成河、湖平地。淋溶作用相对较弱，化学风化作用有所增强，但也只有最容易移动的Cl、S及部分Na元素被淋溶，少量的C1、S被有机物吸收，而Ca、Mg、K等元素大部分被保留相对富集，地表水矿化度偏高。•残积、坡积溶蚀高原区我国西南云贵高原由于地处亚热带－暖亚热带气候区，长年雨量丰富，植被茂盛，因此剥蚀和淋溶作用都很强，风化堆积物和植物残片中的元素和腐殖质都很快被分解，可溶性物质不断被淋失，而Fe、A1、Si相对残留，风化过程中Fe2+被氧化为Fe3+，形成游离的Fe(OH)3，使残积、堆积物和土壤都具有砖红色和棕黄色的特征，地表水由于Ca的淋失成为缺Ca的软水。•残积、坡积山地、丘陵地区我国分布范围广，跨越的气候带也多，风化剥蚀堆积类型、特征及地貌景观等都很复杂，分布方向上也不相同。区内复杂的地貌景观，表现在山高谷深，逐渐过渡到丘陵、山间坝子和小平原，构成了高山峻岭与丘陵平原相间的特征。秦岭为界南北两区明显差异：北区：大致属寒温带风化剥蚀区，气候偏温暖，但热量不足，适宜植物生长，淋溶作用较强，Ca、Mg、Na、Cl等元素易被淋失，地表水多为缺钙的软水，由于Ca、Mg的淋失，酸性增强，故形成了酸性还原环境；南区：由于地处亚热带－暖亚热带，气温偏高，雨水充足、湿度大，风化剥蚀作用强烈，堆积物中的可溶物质迅速被淋溶，被溶矿物中释放出的钙、钠、氯、镁、钾等元素很快被淋走，腐殖质也因淋失而贫乏，Si、Al元素则因残留而相对富集。武夷山以南的海南岛、台湾及海南诸岛，长年气候炎热，雨量、湿度都大，属热带雨林区，元素的淋溶、运移、风化剥蚀作用相当强烈，地表形成强酸性氧化环境，Al元素相对富集。4.风沙堆积的沙漠盆地区我国从西到东都有沙漠盆地分布，其周围多有高山围绕，为盆地提供丰富的风化剥蚀物，但通常由于盆地中气候异常干旱，长年又受大陆性季风的影响，风化剥蚀物一般被风分选，盆地中央荒漠缺水，形成强碱性氧化环境，Ca、Mg、Na及SO42-等富集。在有河流低洼的地方形成盐沼泽地、盐平原或盐湖等地貌景观。较典型的有：准噶尔盆地、塔里木盆地、吐鲁番盆地、柴达木盆地，内蒙古高平原的巴丹吉林沙漠、腾格里沙漠等。5．火山台地、火山穹隆区现代火山地貌、多以火山台地与火山穹隆为特征，熔融的岩浆外溢，除火山喷发气体对人类健康造成危害外，大量的火山喷发物质经过风化剥蚀、堆积，在自然环境中又成为饮水型地方氟中毒，水中氟的物源提供者。三、几种主要的地方病三、几种主要的地方病地方性疾病：是指具有一定的发病区域环境的疾病，它是一种影响范围大，潜伏周期长，并具突发性流行，不易根治的疾病。目前对引起这些地方性疾病流行的原因还不甚清楚。在病因上概括起来可归为两类不同的观点：一类认为是当地环境生物性因子引起；另一类认为无机元素缺乏或过多而引起的。从生物地球化学环境的角度来看，生物的和非生物因素的共同作用，对于地方病的流行和分布都是至关重要的。我国几种地方性疾病的分布示意图1-克山病；2-大骨节病；3-地方性氟中毒1．地方性甲状腺肿•致病原因碘缺乏或过剩都会导致人体甲状腺代谢功能障碍，发生甲状腺肿。这是一种世界范围的地方性疾病，它严重危害人类健康，在地方性甲状腺肿严重流行的地区，同时流行克汀病，其特征是聋、哑、傻、矬，且终生残废。•地方性甲状腺肿的分布主要分布于北半球的高纬度地带，包括欧洲、亚洲、美洲的北半部，略呈带状。地理特征上，集中分布于世界几大山脉，如亚洲的喜马拉雅山区在尼泊尔境内为最重的病区，患病率高达90％～100％；欧洲的阿尔卑斯山、高加索山、南美的安第斯山，该病广泛分布，澳大利亚的新西兰岛、新几内亚岛，非洲马达加斯加岛是该病较重的流行地。我国是世界甲状腺肿流行较严重的国家之一，该病广泛分布于山区和内陆。世界地方性甲状腺肿分布示意图•碘的地球化学与生物地球化学作用–碘在自然界的特征碘在自然界一般呈碘化物、碘酸盐或有机碘化物的形式存在。在不同介质及不同条件下，碘的含量和赋存状态各不相同：碘在地表环境中具有很强的迁移能力，易淋溶淋失。–我国的地方性甲状腺肿的分布特征我国的地方性甲状腺肿主要分布在山区。在内陆某些起伏较大的地区，山上发育低碘地方性甲状腺肿，山下易涝地带则有高碘地方性甲状腺肿发生。保持碘的能力较差的沙土地区也易发生地方性甲状腺肿；保持碘能力过强的土壤又会使植物对碘吸收发生困难，也可造成低碘地方性甲状腺肿的流行，如黑龙江的桦川县。干旱、半干旱气候的油田区和沿海地区往往因摄取过量的碘而引起地方性甲状腺肿。–人体中的碘碘是参与甲状腺素合成的必需微量元素，人体含碘量约为10～25mg，有80％的碘富集于甲状腺体中。人体主要从饮水和食物中吸收碘，吸收率很高，几乎可达100％，每人每日需碘量为100～300μg不等。正常需碘量约为200μg，摄入量低于50μg为不足，大于1000μg则会产生毒害。–生理功能无机碘进入机体后主要为甲状腺体所吸收，通过甲状腺激素与过氧化酶作用使其氧化，活性得到加强，置换甲状腺球朊中酪氨酸基中的氢离子，通过一系列的置换形成碘酪氨酸、二碘酪氨酸、三碘酪氨酸和四碘酪氨酸，三碘酪氨酸和四碘酪氨酸就是甲状腺素（甲状腺素贮存于滤泡中，它与血清蛋白相结合，被输送到各组织中，起着激素作用）。–症状缺碘对人的主要表现为：甲状腺体肿大，生长发育停滞，体力和智商水平下降，脑电活动降低，细胞代谢异常，皮肤毛发生长异常，中枢神经发育不全，严重者导致克汀病。•地球化学环境中的碘与地方性甲状腺肿一般的规律是，地方性甲状腺肿的发病率山区高，平原低。土壤、作物和饮水中的碘含量与地方性甲状腺肿的发病率呈负相关，但几个因素相对讲，惟有饮水中的含碘量与地方性甲状腺肿的关系比较一致，并具有可比性。当水碘低于最适浓度的下限(10μg/L)时，饮水中含碘量愈低，地方性甲状腺肿患病率愈高，二者呈负相关关系；当水碘高于最适浓度的上限浓度时，饮水中的碘含量愈高，地方性甲状腺肿患病率愈高，两者呈正相关关系。但也有研究表明，有些地区的水土并不缺碘，可是甲状腺肿却严重流行，其的产生的原因是由于环境中存在着某些干扰因素，这些干扰因素包括：•某些元素的干扰饮水中较多的钙、镁、锰、氟等元素可以干扰人体对碘的吸收，尤其是钙干扰作用最强。•污染水干扰碘的吸收许多资料表明，在亚洲、非洲、拉丁美洲有许多国家因饮用水严重受到有机(微生物)污染，而引起地方性甲状腺肿严重流行。•食物中的致甲状腺肿物质某些蔬菜，如卷心菜、黄白菜、大豆等含有致甲状腺肿物质，它们能抑制氧化作用的进行，从而阻碍甲状腺对碘的吸收利用。•地方性甲状腺肿的防治因为在低碘和高碘环境中都可以发生地方性甲状腺肿此病，而且还有许多干扰因素促使该病流行。因此要进行有效地防治，还是一个十分复杂的问题。为了更有效地防治地方性甲状腺肿，环境地球化学工作者应做到：•查明天然水中碘的分布规律，提供适量碘的饮水水源；•查明水中Ca、F、Mg、Mn等元素的含量；•查明地区性的食物特征，如蔬菜、食盐、海产品等对该病的干扰；•测定水中有机质的含量和细菌指数、水中的亚硝酸盐含量。对于该病的有效防治方法是使用碘盐、进行改水、限制使用“促甲状腺肿”物质。2．氟的生物地球化学与地方性氟病地方性氟病是一种世界性地方病，遍及五大洲。我国主要主要流行于贵洲、陕西、甘肃、山西、山东、河北、吉林、黑龙江等省。这种病的主要表现是氟中毒引起的斑釉牙、氟骨症和氟摄入不足引起的龋齿。世界地方性氟病与龋齿分布示意图1-地方性氟病；2-龋齿(1)地方性氟病的分布世界范围内，地方性氟中毒的分布表现为地带性和非地带性的。地带性氟中毒的分布与自然地理纬度有关，其主要分布于干旱及半干旱带，年降水量为200～400mm左右，或更少。这种地带主要位于赤道南北的15o～35o之间，它包括了中国、原苏联、和蒙古境内的干旱、半干旱区。非地带性的氟中毒有以下几种情况：•与火山有关的氟病区，如冰岛、意大利、日本等国；•与含氟岩石或含氟矿床有关的氟病区，如埃及、突尼斯、阿尔及利亚、摩洛哥等国，•与磷酸盐矿床(Ca5[P04]3F)有关的氟病区；•与冰晶石(Na3AIF6)矿床有关的氟病区；•与一些著名温泉有关的氟病区，如我国北京的小汤山温泉、怀来盆地温泉区。中国地方性氟中毒分布示意图(2)氟的地球化学与生物化学作用•人体内的氟及氟的来源氟是一种重要的生命必需微量元素。在人的骨骼、肌肉、血液和脏器中都有它的存在。正常人体的含氟量为1390mg。一个70kg重的成年人，日摄入氟是为3.8mg，其中1.4mg是通过饮水摄入的。氟的来源主要有两种，一是矿物、岩石被风化；二是火山喷发。氟极易为水迁移，在酸性环境中呈离子状态。但水的含氟量与气候带密切相关，在湿润的淋溶区，水氟含量很低，为0.02～0.2mg/L；在干燥区，水氟含量一般为0.8～1.5mg/L，局部地区大于1.5mg/L；海水氟含量为0.10mg/L，河水氟含量为0.02～7mg/L，潜水0.02～28mg/L，承压水0.5～1.0mg/L。天然水中氟的主要来源是含氟矿物、含氟矿脉及矿床。干旱的古地理环境是高氟地下水形成的主要原因。•地方性氟病因及症状–影响骨骼正常发育生长人体在高氟环境中，长期摄入过量的氟，在机体内可形成CaF2。CaF2沉着于骨及软骨组织中，破坏钙磷代谢，从而影响骨骼正常发育生长；–影响牙齿健康CaF2还可导致牙齿钙化不全，牙釉受损。–影响人体内分泌功能过量的氟可抑制许多酶的活性，干扰基因合成，影响甲状腺、胰腺、肾上腺、性腺等的内分泌功能，从而使胃、胰、心脏、大脑、肝脏等脏器和器官受到损伤。另外，对生殖功能也有一定影响。–过量的氟对中枢神经有毒害作用过量氟可影响神经传导，破坏条件反射，引起神经中毒。生活在高氟区的人群，往往有肢体麻木、知觉异常、反应迟钝、嗜睡不醒等症状。严重的氟中毒就是氟骨症。表现为骨质被破坏、堆积、骨质软化，骨外膜赘骨增生，韧带钙化，骨质疏松。随之而来的是肌肉萎缩、肢体变形。(3)地方性氟病的预防地方性氟中毒，除少数为食物型和燃煤污染型外，绝大多数属于饮水型。因此预防氟中毒主要是采用降低水中氟含量的办法来实现。降氟方法大体上可分为化学法、物理吸附法和电化学法三大类，其中以化学法采用较为普遍。常用的化学降氟剂有氧化铝(A1203)、多氯联铝(A12C13)、羟基氯化铝、活性氧化铝、硫酸铝和明矾。这种方法可将水中的氟含量从10mg/L降至1～1.5mg/L，基本符合防病的要求。物理吸附法常采用的吸附剂有骨粉、骨炭、浮石、磷灰石及活性炭等。小规模的降氟有时还采用阳离子交换树脂。虽然在气候干旱的氟病区地表水、潜水含氟量多在2～3mg／L以上，但是承压水的含氟量往往较低，常为lmg／L左右。所以我国主要是采用打防氟井的办法。但实践表明：打防氟井的数量多、投资大、效益差。另一方面，有些深井水取自湖沼相地层，氟含量虽然下降了，可是大骨节病和克山病却加重了。因此，在上述地区既要打井防氟，又要防止大骨节病的发生。低氟水的分布也很广泛，因此龋齿广泛流行。对于低氟水的改良方法，主要是进行氟化。数十年来国内外饮水氟化的实践显示了良好的防治效果，特别对青少年的龋齿防治取得了良好的效果。但20世纪60年代以来，由于城市人口癌症患病率明显升高，且似乎表现为与饮水氟化城市的死亡率高于为氟化城市，因此，一度时期以来把死因归咎为饮水氟化。最近的研究表明，癌症死亡率与饮水氟化无关。3．砷与砷中毒人类对砷的利用涉及到医药、农业、牧业、林业及其它工业部门。在医药方面除了用砷化物治疗梅毒、贫血，还经常使用一定浓度的亚砷酸钾(K3AsO3)溶液治疗风湿症、白血病、牛皮癣；用砷酸钠(Na3AsO4)可治疗慢性皮肤病、寄生虫病和贫血。在农业上，常用砷酸铜、砷酸铝、砷酸铅等作为除莠剂，甲砷酸、二甲基丙砷酸钙、甲基砷酸钙等有机砷化物也常用作除莠剂，如果园、棉田、苗圃和草地中杂草的去除。在畜牧业上，用砷化物作为饲料添加剂促进猪和禽类的发育生长。在林业上，人们常用铬砷合剂、砷酸钠、砷酸锌作为木材的防腐剂，以防止霉菌和昆虫的侵蚀和破坏。在制革工业中常采用较大量的砷化物作为脱毛剂。总的来讲，人类对砷及其化合物的用途在很大程度上是利用了它们的毒理性质。(1)砷的地球化学砷有0、3-、3+、5+价态，以后两种价态常见。砷广泛分布于大气、水、土、岩石和生物体中。砷的地壳丰度不高，为1.8μg/g，。含砷矿物可分为硫化砷、氧化砷和多金属砷化物三大类。硫化砷矿物经氧化后较易溶解，氧化砷矿物较难溶解，而多金属砷矿物一般情况下难溶解。三价砷与硫有很强的亲和力，因此As3+常常被金属硫化物所吸附，或与其共沉淀。砷酸盐可被氢氧化铁(Fe(OH)2)吸附沉淀，因此在各类沉积铁矿中常伴有较大量的砷。砷还可以被粘土矿物或其它的含铁化合物吸附。砷酸盐与磷酸盐的化学性质很相近，因此，在磷酸盐矿物中和富含磷酸盐矿物的地层中往往也富含较大量的砷。在氧化的碱性环境中亚砷酸盐不稳定，而砷酸盐比较稳定，所以As3+较多地被转变为As5+；天然水中的砷主要为As5+，约占总砷量的70％～80％。在酸性还原环境中，亚砷酸盐较稳定，以As3+为主；此时天然水中的砷以As3+为主，可占总砷量的70％一90％。•大气中的砷无污染的空气中的砷含量也有0.01～1.0μg/m3。煤烟是大气中砷的主要来源。工厂冶炼或施撒农药，可使空气中的砷含量达到1～nμg/m3。•岩石中的砷岩石中的砷是环境中砷的主要来源。各类岩石的平均砷含量都很相近，为1.4—2.5μg/g左右，页岩在所有岩石中的砷含量最高，为13μg/g。•土壤中的砷土壤中砷的平均含量大约为0.1～9.0μg/g。在砷矿区，或富砷地层周围的土壤含砷量很高。土壤被砷污染后，其毒性的大小与土壤本身的化学成分、土壤所处的地球化学环境有关。如果土壤富含较大量的铁、铝、钙等成分，虽然它们可促使砷在土壤中积累，但土壤的粘粒、氧化铁、氧化铝易与砷结合，形成难溶的砷化物。在pH值和Eh值较高的环境里，土壤中砷的活性较高，易于溶解、迁移，易于为生物所吸收。•天然水中的砷各种天然水砷含量在5～50μg/L之间，最高可达280mg/L。大气降水各地区的均值大约为0.016～0.1μg/L。海水的平均含砷量为2～10μg/L。世界河水平均含砷量为2μg/L，范围为2.5～10μg/L。地表水、潜水的一般含砷量为0.5～5μg/L，个别可达5—50μg/L。地下水由于埋深、Eh值、pH值、含水层的岩性不同，含砷量差别很大，一般为1～50μg/L，高者可达100～2000μg/L。温泉水及火山温泉水含砷量亦很高，一般为1.2—8.5mg/L。天然水中各种形式的砷酸和亚砷酸是比较稳定的。在氧化条件下以砷酸盐为主，还原条件下以亚砷酸盐为主。在氧化环境中As3+更多地转变为As5+，这一转变可大大降低总砷（As3+、As5+的总和）的毒性。•食物中的砷人体中的砷主要来自于饮水和食物。鱼虾类含砷量最高，为2.17～170μg/g；肉类较高，为0.85～1.3μg/g；谷类最低为0.02～0.10μg/g。(2)砷的生物化学性质人体每天从食物和饮水中吸取一定量的砷，摄入量为0.5—2.5mg/人·日。正常人体的总砷量约为98mg，血液中含砷为2.5mg，最多的在肺、肾、脾中，头发、指甲、皮肤次之。中国人发砷的含量范围为0.16～0.97μg/g，一般认为发砷大于3μg/g，即可作为接触砷的标志。资料表明，As3+的毒性要比As5+大60倍。砷的生物化学作用及其毒性，在很大程度上是因为As3+与酶蛋白质中的巯基(－SH)、蛋白质物质中的胱氨酸、半胱氨酸等含硫的氨基(－NH2)有很强的亲和力，而As5+的亲和力则很小。As3+与Se4+在机体的代谢过程中可以互相拮抗、相互取代，它们使含有大量硫的角质素发生分解或死亡。过量的砷对植物也有较大的损害。砷对植物的破坏作用在于它能影响或阻碍植物根部对水分和营养的吸收和输送；影响植物对氮的吸收，破坏叶绿素的合成；砷还能影响植物对磷的代谢，从而阻碍植物的生长。砷对人体有许多有益的作用，如久服元素砷可以强身壮体御寒，渔民们知道用砷作为御寒剂。适量的砷可促进家禽、家畜的生长发育，适量的砷有助于血红蛋白的合成。适量的砷还可刺激豌豆、萝卜、、土豆、小麦等作物生长等。(3)砷中毒及其类型砷中毒按其发病过程可分为急性和慢性两大类。急性砷中毒多为大量意外接触砷所引起，它可严重损害胃肠道、呼吸道、皮肤和神经系统，主要表现为疲乏无力、呕吐、皮肤发黄、腹痛及神经痛，甚至引起昏迷，严重者表现为神经异常、呼吸困难、心肌衰竭而死亡。急性砷中毒的致死剂量为70～180mg。慢性砷中毒表现为肌无力、食欲减退、皮肤角化及某些神经症状。地方性慢性砷中毒主要反映在皮肤、头发、指甲和神经系统方面，此外还有全身性的症状。慢性砷毒患者的皮肤粗糙，而且异常干燥；头发脆而易脱落；掌及跖部皮肤增厚，角化过度；许多部位出现皮疹，少数可见皮肤溃疡；躯干部位皮肤色素沉着，亦可见细小的脱色斑点（俗称“蛤蟆皮”或“花肚皮”），这是诊断砷中毒的一个重要标志。患者的指(趾)甲粗糙无光泽、脆薄易损，并出现1～3mm宽的白色横纹，这是砷中毒的典型特征。神经系统表现为多发性神经炎，如肢体感觉迟钝、麻木、刺痛、压痛，严重者表现为肌无力、行动困难、运动失调；四肢远端麻木、感觉迟钝，乃至失去知觉。长期摄入大量的砷，可导致皮肤癌。1)药物型砷中毒用含砷的药物治疗某些疾病如用量不当，就会给患者的健康带来严重的危害。用砷凡纳明治疗的梅毒患者，在32年后，出现典型的砷性角化症；用亚砷酸钾(K3AsO3)溶液治疗的白血病、牛皮癣患者，结果有40.4％出现掌跖角化，其潜伏期平均为14年。口服砷剂总量达30g就可导致内脏部位的癌症；终生服砷20g，皮肤癌发病率为6％。前者的潜伏期为24年，后者为18年。2)污染和职业型砷中毒砷污染中毒多是由于食品污染及水污染所造成。职业性砷中毒与工作人员接触砷的机会有关。3)生物地球化学型砷中毒指原生环境或非人为因素所引起的砷中毒。(4)饮水砷标准及砷中毒防治措施除原苏联外，世界各国均以总砷作为评价水质的标准，在氧化条件下一般天然水中As3+：As5+为3:7，若以As3+为0.05mg/L时，总砷则为0.170mg/L。砷中毒的防治，对于新开发的水源，投入使用前应进行系统的水质监测；在砷中毒地区，进行改水，在未找到合格水源之前可对高砷水采用絮凝法、石灰软化法、活性氧化铝吸附法降砷，实践表明含砷0.6mg/L的1升高砷水加入1g明矾，可使砷降至0.03mg/L。4．硒的地球化学与疾病(1)硒的地球化学硒的地壳丰度较低，为0.05μg/g，但分布很广。不同岩石种类的含硒量差别较大。含硒量较高的岩石有火山凝灰岩、碳质页岩、富含黄铁矿的页岩及灰岩，以及某些含煤地层。土壤中硒的丰度较岩石低，为0.0lμg/g。土壤含硒量差别很大，最低为0．001μg/g，最高可达105μg/g。一般，在湿润的偏酸性还原环境中有利于硒的淋溶和迁移，土壤中硒较缺乏；在干旱的偏碱性氧化环境中，土壤的硒易于富集，从而导致硒过剩；在热带、亚热带湿热的环境中，一方面淋溶作用强烈，另一方面风化壳多为富含铁、铝的粘土矿物组成，它们对硒有较强的吸附能力。天然水中的硒浓度很低，大约为0.02～0.2ng/g。它主要以硒酸盐(Na2SeO4)和亚硒酸盐(Na2SeO3)的形式存在。在硒缺乏区，地表水、地下水的硒浓度均值为0.5ng/g。干旱区水硒浓度较高，平均为1.79ng/g。我国国家饮水卫生标准为<10ng/g。食物的硒量差别极大，在相同生态环境中，食物中的硒以鱼类最高，肉类次之，谷物较低，水果最低。一般鱼类含硒量为5.1～6.2μg/g，肉类为0.2～1.0μg/g，谷类为0.05～0.20μg/g，蔬菜水果类均小于0.1μg/g。(2)人体中的硒代谢人体含硒约为13mg，肌肉中有4.55mg，占人体总硒量的35％，血液中含硒量为1.1mg，占8.5％，其余的分布于全身，以脏器、头发、指甲的含硒量较高。人体的发硒和尿硒含量直接反映出环境中硒的丰度，发硒含量是硒在人体和积累程度的标志，尿硒浓度可作为人体硒代谢强度的指示。根据大量的统计结果，可将发硒含量<0.1μg/g划分为缺硒，0.1～1.Oμg/g适量，1～5μg/g为高硒，5～≥20μg/g为硒中毒。尿硒0.04～0.33μg/g为正常。每人每天的适宜硒摄入量为0.04～0.23mg，>0.24mg中毒，<0.03mg为摄入不足。(3)硒与地方性疾病1)高硒与地方性疾病畜类典型的硒中毒是以中枢神经系统中毒为主的盲目蹒跚和结缔组织中毒性坏死。我国湖北恩施、陕西紫阳为硒中毒区，主要与高硒含煤地层有关。湖北恩施硒中毒区在历史上也有流行，俗称“脱甲风”，主要流行于干旱年份。2)低硒与地方性疾病早在100年前就在新西兰发现一种由于低硒造成的动物肌营养不良症，称为白肌病。白肌病主要分布于湿润的针叶林灰化土带、落叶阔叶林棕壤带、温带森林棕褐土带和森林草原黑土带，降雨量600～1000mm。人类与低硒有关的疾病：•涉及到循环系统的有：心血管疾病、克山病；•涉及到消化系统的有：胃癌、肝癌和胰腺癌等；•造血系统的有：溶血性贫血、白血病；•神经性系统的有：营养性肌无力、肌萎缩。此外，还有儿童恶性营养不良及婴儿猝死。克山病是一种病因未完全查明，慢性病程的地方性心肌病，但研究表明：病区土壤中硒的含量普遍低于其它地区，从而导致人体缺硒生病。在采取病区居民服用亚硒酸钠的补硒措施后，几十万病人的治疗，证明可减少克山病的发病率，并能降低病死率。该病主要分布于农村和偏僻山区，青年妇女和儿童为主要受害者，主要表现为心肌细胞坏死。在我国分布较广。全国克山病分布示意图中国硒营养背景值示意图•三大类病因学说：•营养说；•中毒说；•生物地球化学说。•三种硒分布类型：•东北型：克山病与大骨节病基本上平行分布。•西北型：大骨节病较严重。•西南型：只有克山病，没有大骨节病。总的来看，特定的有机环境及有机污染饮水与克山病密切相关，这也是一个Mg、Se、Mo等元素缺乏的地球化学环境。我国主要黄土区克山病、大骨节病、地方性氟中毒病分布示意图5．区域环境与伽师病伽师病主要分布于新疆喀什平原的伽师县、岳普湖县一带，主要症状是长期患慢性腹泻，血钾普遍较低、女性不孕、男性不育、肝肿大。伽师病严重流行的地区是在伽师县和岳普湖县的东南部，与沙漠接壤，属于荒漠盐土区，主要分布于克孜河下游冲积平原区。新疆喀什平原不孕症分布示意图新疆喀什平原低血钾症分布示意图(1)伽师病的地球化学环境克孜河下游冲积平原为广阔的荒漠盐土区，该区气候十分干旱，年降水量为56.1mm，蒸发量为2241.2mm，为降水量的40倍。由于地表水、潜水很少，其分布受季节性影响很大，所以盐分在表土层中大量聚集，尤其在封闭的洼地，往往可以见到沉积的盐层。克孜河发源于西天山俄罗斯境内的特普齐亚峰，在上游流经了西天山大面积的第三系富含石膏的红色岩层，即红色泥岩夹粉砂岩层。因此，河水溶滤了大量的硫酸盐和氯化物，使河水中含有较多的S042-、C1-、Na+、Ca2+、Mg2+、Sr2+，在上游地段就形成了矿化度较高的(0.63g/L)S－Ca型水。因此，克孜河是一条典型硫酸盐水河，由于河水大量渗漏和强烈蒸发，导致下游水量减少，水中盐分增加，形成矿化度较高的硫酸盐－氯化物水，在水中除了聚集有大量的氯化物外，还聚集了大量的钠、钙、镁的硫酸盐。该区的环境介质偏碱性，氧化还原电位较高，锰、锌的化学活动性及生物学活性均较低。因此，在水土和谷物中，锰、锌的含量偏低。伽师病的患病率随着水土中的盐化程度增加而增加，严重流行的环境也是水土中盐分，尤其是硫酸盐高度聚集的环境。伽师病区的的地表水、潜水水质一般较差，氯化物、硫酸盐大大超过饮水水质标准。在克孜河下游地区，居民主要饮用河、渠水，或由河、渠水引入涝坝(即池塘)的涝坝水。在下游由于河渠水已高度盐化，矿化度可达1.5～4.5g/L，S042-可达610～1710mg/L，水质十分苦咸。(2)伽师病的病因分析伽师病的发生与特定的地球化学环境有密切的关系。在病区水土中富集了大量的钠、钙、镁硫酸盐，钾、锶等元素也很丰富，而锰、锌明显不足。病区的环境介质偏碱性，氧化还原电位较高，锰、锌的化学活性及生物活性均较低。所以病区谷物中的锰、锌含量亦较低。钾是一种具有多种重要生物学功能的元素，是组成细胞的主要阳离子，它对维持细胞的正常结构和功能具有重要作用。病区环境是一个富钾的环境，水土和作物中钾的含量都十分丰富，但地方性的慢性腹泻，导致体内的钾大量流失；摄入大量的钠进入肾曲管后与钾进行交换，从而引起钾的流失；机体内钠、钾之间的拮抗作用，使钾从尿中排出；高镁可引起钾的代谢障碍；钾还可以随汗水排出体内。慢性低钾会影响蛋白质的合成，进而导致蛋白质营养不良症。镁对机体最大的影响是形成硫酸镁后的导泻作用，使肝脏的解毒功能下降，导致机体对某些毒物耐量的降低；大量的镁促使电解质代谢紊乱，同时对钾也有拮抗作用；高镁还可干扰机体对锰、锌等微量元素的吸收。锰是一种十分重要的生命必需的微量元素，儿童缺锰，生长发育受到抑制，成年人缺锰影响生育。病区环境本来就缺锌，由于钙的浓度很高影响机体对锌的吸收，再加上长期腹泻，锌随粪便大量排出，就更促使锌的缺乏。伽师病病区具高硫酸盐、高镁、高钠、高钙和低锌、低锰等特征，主要是通过饮水而作用于人群和畜类的。长期饮用高硫酸盐水的人群几乎都有稀便、腹鸣、腹胀的症状。其带来一些不良的后果是，使体内的钾大量流失，以致来不及补充而处于低钾状态，影响机体对营养物质的消化、吸收，导致营养缺乏症；体液大量流失，使血溶量减低而导致低血压，使肠道内的锰、锌等微量元素流失，促使体内的元素缺乏，可引起电解质及酶代谢的紊乱，使机体的代谢平衡受到破坏。因此，高硫酸盐既是伽师病发病的诱导因素，又是发病的基础条件。总之，伽师病是因为多种元素过剩及少数元素不足所引起的一种地方性综合症。6．区域环境与癌症目前的研究表明，约有80％的癌症是由环境因素引起的，其分布具明显的地区性和地带性，有集中高发的现象，其中消化系统癌症的地区性分布最为明显。所谓地区性，指癌症死亡率的分布有明显的地区性差异，或集中高发的现象；地带性则指，癌症死亡率的分布不仅有明显的地区性特点，而且随着地理纬度的变化而变化。(1)癌症的分布特征癌症在世界各地均有分布，但它有明显集中高发的现象。对世界各地食管癌死亡率研究后，可按其频率划分为四级；•高发区，死亡率高于100／10万；•相对高发区，死亡率为70～100／10万；•中发区，死亡率为40～70／10万；•低发区的死亡率低于40／10万。中国男性食管癌高发地带分布示意图肝癌的分布地方性也十分明显，按发生频率也可分为四级：•高发区死亡率大于30／10万；•相对高发区，死亡率为19～30／10万；•中发区的死亡率为10～19／10万；•低发区的死亡率小于10／10万。中国男性肝癌分布示意图胃癌主要分布于平原沼泽地带，或河漫滩沼泽地带，是一个土壤有机质富集，Ca、Mg、Cu等元素缺乏的环境。我国胃癌的平均死亡率约为15／10万，其总的分布趋势是西北黄土高原和东部沿海各省较高。癌症分布的另一个重要特征是对比性强，也就是在广泛的低发区内出现几个高发点，或在高发区内轻重病点紧相毗连，形成明显对比。癌症分布不仅表现出地方性，其地带性特征也较明显。这种关系明显地反映在水文地球化学的地带性特征上。胃癌主要分布在中、高纬度地带，而在低纬度带和赤道附近，胃癌则较少发生。胃癌高发带的主要自然特征是气候寒冷湿润、植被繁茂、土壤多富含腐殖质；地表水、潜水丰富，为富含腐殖质的重碳酸盐－硅质软水，矿化度一般为100～200mg/L，甚至小于100mg/L，Ca、Mg、Se、Mo、Cu、Zn等元素缺乏。肝癌主要流行于低纬度地带，在高纬度区很少发生肝癌。肝癌高发区属于干旱、半干旱的环境，水源缺乏；或者是处于湿热气候的沿海地带。其特点是饮水水质不良。食管癌的主高发区主要位于东南非和中亚地区。其环境特征是，气候干旱、水源缺乏、土壤盐渍化程度较高，属硫酸盐－重碳酸盐水或硫酸盐－氯化物水带；地表及地下水的矿化度均较高，且偏碱性，水中As、Se、Mo、V、Cr、B、Ni、I、F等元素富集。(2)地球化学环境与癌症癌症的分布往往与某些类型的岩石或土壤有关。如南非的食管癌高发区多为玄武岩层分布区；我国山西某地的食管癌可能与无烟煤的分布有关；河南的食管癌主要分布于安山岩和中更新统的洪积层分布区；广西南宁的肝癌高发区主要为石灰岩分布区，而在砂、页岩地区肝癌发病率显著降低。除了岩石和土壤成分与癌症有着较密切的关系外，地貌可影响水文条件和水的化学成分。大量的调查资料表明：肝癌、食管癌高发区，饮池塘水、沟渠水的居民多，而饮深井水的居民发病率明显较低。从水质上看，池塘水、沟渠水的有机污染严重，其直观指标是；浑浊、着色(黄、绿、灰等色)、异味、异嗅、微生物繁盛；水缸底有胶体絮状沉淀物。其化学标志是NO3-、NO2-、NH4+、腐殖酸(－OH)含量高，COD高，Se、Mo、Mg、Ca含量低。我国消化系统癌症高发区的环境可划分为山区型、岩溶山区型、水网平原、三角洲平原型。•山区型：以太行山食管癌区为代表。气候较干旱，植被稀少，基岩裸露，地表迳流较贫乏，为严重缺水区。环境卫生不良，水质污染严重，居民多饮用旱井水、池塘水、浅井水。•岩溶山区型：以南宁地区肝癌高发区为代表。气候湿热，雨量充沛，岩溶发育，峰林槽谷地貌构成了特殊的水文地质条件，地表径流量少，地下暗河十分发育，居民饮用质量低劣的塘水或塘边渗井水。•水网平原型：以苏北地区食管癌、肝癌高发区为代表。为河流下游的水网区，气候湿热，雨量较多，地形低洼，河渠纵横，潜水水位较高，地表水丰富，水流滞缓，循环不良。湖塘洼地星罗棋布，湖沼相沉积物发育，土壤中腐殖质较丰富；地表水、潜水硝酸盐、亚硝酸盐含量较高，地表水普遍受到污染。•三角洲平原型：以长江三角洲、珠江三角洲的癌症高发区为代表。以海陆交互沉积物为主，三角洲地带沼泽发育，土壤中腐殖质丰富，盐分含量较高。在湖沼地带及河渠末梢水流滞缓，尤其在防潮堤内长期积水形成池沼地，沼气逸出，构成了封闭的还原环境。癌症高发区的居民饮用沟渠水和池塘水。7．地球化学环境与大骨节病大骨节病是一种伴有机体改变对称的地方性畸形骨关节病，病情有明显的地方性。在我国14个省区均有分布，主要发生在我国北方地区。中国大骨节病分布图(1)大骨节病的流行特点大骨节病在流行病学上的显著特点表现为地方性、广泛性、严重性、对比性、稳定性及可变性。•地方性表现在大骨节病在一地流行，相邻的另一地却不流行，往往仅一山之隔、一水之隔、一沟之隔，其病情就存在着轻重和有无的差别。•广泛性表现为大骨节病分布十分广泛，它跨越了寒、温、热三大气候带，在不同地层区、地貌区、各类植被区、不同土壤带都有其分布。•严重性表现为患者多，病情重。临床检出率大于50％，X射线检出率高于70％的病村为数不少，严重损害青少年的身体健康。•对比性表现为两村相邻，一重一轻，或一有一无，对比非常明显；或者在病区内出现“健康岛”，或在健康区中出现“病岛”，形成鲜明对比。•稳定性表现为大骨节病的病情比较稳定，没有时有时无、忽高忽低的现象，在没有受到特殊因素干扰的情况下，病情的变化是比较缓慢的、渐变的。•可变性是指大骨节病在短期内，例如1～2年或3～4年，在8～13岁的易感人群中就可出现大骨节病，或者明显下降，直至消失。这种变化往往与饮水的变更直接相关。大骨节病有三种流行趋势：•病情重而稳定的老病区，大骨节病的病区多处于偏僻山区，为原始森林或茂密的次生林带，属于未开垦的处女地，或初垦的生荒地。•病情消退的老病区，由于人们对森林、土地、水利资源的大量开发改变了水文地球化学环境，病区的病情显著下降，许多村镇已无新发病例。•病情突变的病区，这包括：①历史上有此病流行，但是程度很轻，自从饮水水源改变以后，大骨节病显著加重，如东北平原病区，渭北、陇东黄土高原病区；②历史中很少有人居住，后来在外来移民的少年儿童中突发大骨节病，发病率可高达80％～90％，如东北松嫩平原、三江平原；③在平原氟病区，因防病打深井，饮用深井水后，骤发大骨节病，如吉林省西部平原的乾安县、长岭县，黑龙江省的安达、大庆、林甸、杜尔伯特等地。(2)大骨节病的地球化学环境饮水源与大骨节病的调查统计资料表明，居民的发病率与饮水水源类型密切相关，饮窖水、沟水的居民发病率最高，饮井水、泉水的居民发病率最低，或不发病。大骨节病与饮水的有机污染有着密切的关系。各病区200个水样的腐殖酸测定表明，严重、较严重污染的饮水腐殖酸含量平均为0.34mg/L，范围为0.14～3.19mg/L；轻度或无污染的饮水腐殖酸平均含量为0.05mg/L，范围为0.02～0.16mg/L。同时病区饮水中的Se含量也显著低于非病区，全国病区平均为0.17±0.17μg/L，而非病区平均为0.97±0.55μg/L。我国主要大骨节病病区饮水水源污染程度和病情相关图解I一无污染；II一轻度污染；III一中度污染；IV一严重污染；V一极严重污染我国主要大骨节病病区重、轻、非病饮水腐殖酸含量柱状对比图大骨节病四种病区环境类型：•表生天然腐殖环境病区，气候较湿润，植被茂盛，枯枝落叶广布，沼泽发育，草炭堆积，腐殖质丰富，土壤多为棕色或暗棕色森林土、草甸沼泽土和沼泽土。地表水、潜水较丰富，但是多受腐殖质的严重污染，水质不良。凡饮沼泽甸子水、沟水、渗泉水的居民，大骨节病较严重，而饮大河水、深井水的居民病情较轻或无病。病村多分布于山系分水岭两侧河流中、上流的谷地、山间盆地、洼地。•沼泽相沉积环境病区，为半干旱草原、稀树草原景观区。土壤有草甸黑钙土、草甸盐碱土、草甸沼泽土和沼泽土。地势低平、水流不畅，沼泽湖泊星罗棋布，有的已被疏干开垦。发病主要取决于水井穿过的地层。凡取用冲积层的水，水质较好，一般无病；凡水井穿过湖沼相地层，多发重病。在上述地层中常可见到半腐烂的草根、树叶，甚至还有树干。此类地区的特点是病情重、发展快、患者集中，以少年儿童为多。•黄土高原残塬沟壑区，黄土广布，厚达百余米。因侵蚀作用强烈，形成残塬、沟壑、梁峁地形。该区严重缺水，群众多饮用窖水、沟水、渗泉水和渗井水。水质不良，大骨节病严重。属温带森林草原黑垆土，由于历史砍伐，森林资源破坏殆尽。仅在残塬边坡沟壑之低洼处，因土壤湿润，灌丛草木才得以滋生。重病村主要分布于黄土残塬边坡沟壑部位，而在黄土塬上或宽阔的川道中很少出现重病村。•沙漠沼泽草炭沉积环境病区，属于干旱、半干旱沙漠自然景观，固定或半固定沙丘呈浑圆状或垄岗状。沙丘间距疏密不等，丘间洼地大小不同。多数干燥无水，少数为芦苇沼泽，底部有薄层草炭。群众就地掘井，凡饮用此水者多长大骨节病。然而，在同一村内或邻村饮泉水或井水者无病。在该区大骨节病多呈“岛状”分布，在毛乌素沙漠和昭乌达盟等地的沙漠地带不断发生此病。

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