元素之间的相互迁移和转化表现得更为明显
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&&&&&&&&绪论&&&&一、环境及全球环境问题；二、环境地球化学的一般概念；三、环境地球化学发展史；四、我国环境地球化学研究现状；五、环境地球化学的发展趋势及前景；&&&&&&&&一、环境及全球环境问题1、环境&&&&“环境”一般是指围绕着人群的空间以及可以直接或间接影响人类生活和发展的各种自然因素的总体。自（自然环境、社会环境、地球环境）对于环境科学，环境是指人类生存的环境。地球化学研究的环境是指与人类环境密切相关的4个组成要素：大气圈、水圈、土壤-岩石圈和生物圈。地球环境是一个复杂的系统，它由大气圈、水圈、土壤-岩石圈和生物圈所组成。在各圈层的内部以及圈层之间化化学元素在不断地演化、迁移和循环，特别是在这些圈层的交界面上，元素之间的相互迁移和转化表现得更为明显。（生物圈层）人类与地球环境是组成该系统中的一对相互统一而又对立的矛盾双方。自然环境决定包括人类在内的一切生物的发生和发展。同时，生物，特别是人类的生存和发展又不断地影响着自然环境。因此，环境地球化学既要重视基本上未受人类活动影响的原生环境，又要重视经过人类活动改造了的次生环境。环境问题又分原生环境（或第一类环境）问题、次生环境（或第二类环境）问题和社会环境（或第三类环境）问题。原生环境（或第一类环境）是指地球自身形成过程及随后的长期地质历史中，在各种地质营力作用下形成的自然环境，其基本的组成要素包括有天然的岩石、大气、土壤、地表水、地下水与植物等。这类环境的物质成分特点和结构特征是天然形成的，因此又称作原生环境或第一环境。原生环境（或第一类环境）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结果；还有疾病的流行或某些地方性病的发生等。次生环境（或第二类环境）即所谓人为成因的环境，是指人类生产活动和社会生活对天然环境所引起的改造，使其原有的成份特点和结构特征发生了剧烈的、甚至质的变化，形成与原来天然环境不完全同步的一种新的环境，即一般所称的污染环境亦即第二环境。次生环境（或第二类环境）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。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。上述三类环境问题往往是彼此联系、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。&&&&&&&&2、全球环境问题&&&&全球环境问题是对全球产生直接影响的，或具有普遍性的，随后又发展成为对全球造成危害的环境问题，也就是引起全球范围内生态环境退化的问题。这些问题包括：(1)全球变暖；(2)臭氧层破坏；(3)酸雨；(4)淡水资源危机；(5)资源,能源短缺；（6）大气污染；(7)土地荒漠化；(8)物种加速灭绝；(9)垃圾成灾；(10)有毒化学品污染；&&&&1&&&&&&&&&&&&1）地球变暖&&&&科学研究表明，地球之所以能够维持生命，就是因为她提供了维持生命的条件－空气、水和食品。而这些又都与大气有紧密的关系。空气中的氧和二氧化碳是生物呼吸和光合作用的必需品。不仅如此，含量仅为空气的万分之三的二氧化碳及其他微量气体，如甲烷、一氧化二氮、臭氧、氯氟烃等，由于其“温室效应”，使地球保持适当的温度，才使液态水得以存在，并为食品的生产提供了基本原料，从而为生命的存在奠定了物质基础。&&&&&&&&图0—1大气中二氧化碳浓度的变化全球二氧化碳的浓度已从1958年的314ppm增加到1989年的349ppm，是目前大气中温室气体浓度最高，增温作用最大的气体。冰芯分析表明，19世纪后期大气中二氧化碳浓度仅为260－280ppm。此外，其他温室气体如甲烷、一氧化二氮等，浓度也在明显增加。而且人类活动还向大气中排入了一些新的温室气体，如氯氟烃等大气中原本不存在的气体，尽管它们在大气中的含量很低，但由于其年增长率高，温室效应强(GWP)而倍受人们重视。?大气中温室气体的增加，从而有可能引起全球增暖。观测表明，1880年以来北半球地面平均温度升高了约0.3-0.6℃，虽然目前还不能识别这一全球增暖的现象中温室气体的贡献有多大，但大多数科学家认为大气中增加了的“温室气体”对全球平均温度的增加是有促进作用的。由于人口的增加和人类生产活动的规模越来越大，向大气释放的二氧化碳（CO2）、甲烷（CH4）、一氧化二氮（N2O）、氯氟碳化合物（CFC）、四氯化碳（CCl4）、一氧化碳（CO）等温室气体不断增加，导致大气的组成发生变化。大气质量受到影响，气候有逐渐变暖的趋势。由于全球气候变暖，使极地冰川融化，海平面每10年将升高6厘米，因而将使一些海岸地区被淹没。全球变暖也可能影响到降雨和大气环流的变化，使气候反常，易造成旱涝灾害，这些都可能导致生态系统发生变化和破坏，全球气候变化将对人类生活产生一系列重大影响。表0—1大气中的主要温室气体&&&&&&&&2&&&&&&&&&&&&2）臭氧层破坏&&&&在离地球表面10—50千米的大气平流层中集中了地球上90%的臭氧气体，在离地面25千米处臭氧浓度最大，形成了厚度约为3毫米的臭氧集中层，称为臭氧层。它能吸收太阳的紫外线，以保护地球上的生命免遭过量紫外线的伤害，并将能量贮存在上层大气，起到调节气候的作用。但臭氧层是一个很脆弱的大气层，如果进入一些破坏臭氧的气体，它们就会和臭氧发生化学作用，臭氧层就会遭到破坏。&&&&&&&&3）酸雨&&&&酸雨是指大气降水中酸碱度（PH值）低于5.6的雨、雪或其他形式的降水。这是大气污染的一种表现。&&&&&&&&4）大气污染&&&&在干洁的大气中，痕量气体的组成是微不足道的。在一定范围的大气中，出现了原来没有的微量物质，其数量和持续时间，都有可能对人、动物、植物及物品、材料产生不利影响和危害。当大气中污染物质的浓度达到有害程度，以至破坏生态系统和人类正常生存和发展的条件，对人或物造成危害的现象叫做大气污染。造成大气污染的原因，既有自然因素又有人为因素，尤其是人为因素，如工业废气、燃烧、汽车尾气和核爆炸等。干洁空气是指在自然状态下的大气（由混合气体、水气和杂质组成）除去水气和杂质的空气，其主要成分是氮气，占78.09%；氧气，占20.94%；氩，占0.93%；其它各种含量不到0.1%的微量气体(如氖、氦、二氧化碳、氪)。大气污染的主要因子为悬浮颗粒物和有害气体（一氧化碳、臭氧、二氧化碳、氮氧化物、硫氧化物、铅等）。&&&&&&&&5）水污染&&&&“水污染”的定义：水体因某种物质的介入，而导致其化学、物理、生物或者放射性等方面特征的改变，从而影响水的有效利用，危害人体健康或者破坏生态环境，造成水质恶化的现象称为水污染（1984年颁布的中华人民共和国水污染防治法）。水的污染有两类：一类是自然污染；另一类是人为污染。当前对水体危害较大的是人为污染。水污染可根据污染杂质的不同而主要分为化学性污染、物理性污染和生物性污染三大类。&&&&&&&&6）土地问题&&&&（一）土壤污染&&&&土壤污染：是指人类活动所产生的污染物通过各种途径进入土壤，其数量和速度超过了土壤的容纳和净化能力，而使土壤的性质、组成及性状等发生变化，使污染物质的积累过程逐渐占据优势，破坏了土壤的自然生态平衡，并导致土壤的自然功能失调、土壤质量恶化的现象。&&&&&&&&3&&&&&&&&&&&&由于具有生理毒性的物质或过量的植物营养元素进入土壤而导致土壤性质恶化和植物生理功能失调的现象。土壤处于陆地生态系统中的无机界和生物界的中心，不仅在本系统内进行着能量和物质的循环，而且与水域、大气和生物之间也不断进行物质交换,一旦发生污染,三者之间就会有污染物质的相互传递。作物从土壤中吸收和积累的污染物常通过食物链传递而影响人体健康。土壤污染物有下列4类:①化学污染物：包括无机污染物和有机污染物。如重金属，各种化学农药等；②物理污染物：主要指固体废弃物如尾矿、粉煤灰和工业垃圾等；③生物污染物：指带有各种病菌的城市垃圾和由卫生设施（包括医院）排出的废水、废物以及厩肥等；④放射性污染物：主要存在于核原料开采和大气层核爆炸地区，以锶和铯等在土壤中生存期长的放射性元素为主。&&&&&&&&（二）土地荒漠化&&&&1.定义简单地说土地荒漠化就是指土地退化。1992年联合国环境与发展大会对荒漠化的概念作了这样的定义：“荒漠化是由于气候变化和人类不合理的经济活动等因素，使干旱、半干旱和具有干旱灾害的半湿润地区的土地发生了退化。2.影响全球陆地面积占29.2%，其中沙漠和沙漠化面积又占了其中的25%.每年有600万公顷的土地变成沙漠。经济损失每年423亿美元。全球共有干旱、半干旱土地50亿公顷，其中33亿遭到荒漠化威胁。&&&&&&&&（三）水土流失&&&&水土流失是指在水流作用下，土壤被侵蚀、搬运和沉淀的整个过程。在自然状态下，纯粹由自然因素引起的地表侵蚀过程非常缓慢，常与土壤形成过程处于相对平衡状态。因此坡地还能保持完整。这种侵蚀称为自然侵蚀，也称为地质侵蚀。在人类活动影响下，特别是人类严重地破坏了坡地植被后，由自然因素引起的地表土壤破坏和土地物质的移动，流失过程加速，即发生水土流失。&&&&&&&&二、环境地球化学的一般概念&&&&环境地球化学作为环境科学与地球化学的一门交叉学科，在解决人类社会所面临的环境问题、保持可持续发展中起着越来越重要的作用。&&&&&&&&1、定义：环境地球化学是研究与人类的生存和发展密切相关的元素在地球外圈层环境中的含量、分布、形态以及迁&&&&移和循环规律的科学。同时，它还研究人类生产和消费活动造成对自然环境影响的上述地球化学规律。环境地球化学是研究化学元素和微量物质在人类赖以生存的周围环境中的含量、分布和迁移过程及与人类健康关系的科学(杨忠芳等，1999)；环境地球化学研究的环境，是指与人类生活密切相关的4个地球化学系统，即大气系统、水系统、土壤和生物系统、表层岩石圈系统。&&&&&&&&2、环境地球化学与其它学科的关系&&&&&&&&4&&&&&&&&&&&&图0—5环境科学的分支概况&&&&&&&&图0—6环境地球化学及其次级学科之间的关系&&&&&&&&5&&&&&&&&&&&&三、环境地球化学主要研究任务&&&&环境地球化学的主要任务是研究人类活动与地球化学环境的相互作用。它从地球环境的整体性和相互依存性观点出发，以地质学为基础，综合研究化学元素在地－水－气－人环境系统中的地球化学行为，揭示人为活动干扰下区域及全球环境系统的保护规律，为资源开发利用、环境质量控制及人类生存、健康服务。&&&&&&&&1）环境中化学物质的分布状况与赋存状态；&&&&地壳深处或人工合成的化学物质进入地表环境后，经地球内、外营力的共同作用，在地球表面的环境系统中重新分配与重新组合。&&&&&&&&2）元素的环境地球化学行为&&&&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；&&&&&&&&3）化学物在环境中的迁移转化规律及其影响因素；&&&&在不同环境条件下，各种化学物质通过稀释、扩散等物理过程，氧化、还原、络合、分解、聚合、沉淀等化学过程及生物作用，在环境中发生移动与形态变化。&&&&&&&&4）环境中化学物质对人类及动、植物的影响；&&&&人为释放入环境中的物质数量的变化可能打破原有的生态平衡，造成严重的污染，致使农作物受害减产，动物中毒乃至死亡。如DDT污染所产生的全球性的生态问题等。&&&&&&&&5）地球化学演化与生命过程的关系；&&&&通过宇宙元素、地壳元素和海洋的化学组成与生命元素间的关系研究目前环境中出现的某些元素过多或不足可能引起的人体健康效应及其防治对策。如甲基汞污染引起的水俣病；镉污染产生的骨痛病，因自然界碘缺乏或人体摄入过量碘产生的甲状腺肿病以及高氟区引起的氟斑牙或氟骨症等，均是较突出的例子。&&&&&&&&我国环境地球化学主要进展：&&&&1.从20世纪70年代以来，我国主要开展了环境地球化学与健康为主题的科学研究;2.特别是从“六五”计划起，一些全国范围内的基础性的包括环境地球化学在内的综合性环境科学研究列入国家攻关项目，例如全国土壤背景值和长江流域水体背景值的调查的有组织地进行；3.对特定区域进行的环境地球化学调查，指导科学施肥与农产品品质的提高；4.多目标地球化学填图;5.土地质量评估；&&&&&&&&四、我国环境地球化学研究现状&&&&80年代，环境保护被确立为我国的一项基本国策，全社会都关注着控制污染和保护生态环境的事业。地球化学的基本原理和研究方法及工作手段被广泛应用于化境的科学调查和研究中，环境地球化学在以下七个方面取得了研究进展。&&&&&&&&1区域环境分异的研究&&&&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，而区域环境地球化学分异特征正是区划环境的重要基础。为了从区域整体上保护和改善环境质量，80年代初进行了京津渤区域环境综合研究，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，阐明了该环境区域的控制因素及净化功能，提出了环境保护分区，&&&&6&&&&&&&&&&&&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。另外研究还表明，黄土地球化学具有明显的分带性特征。这种分异规律不仅在认识黄土堆积和次生环境变化上具理论价值，而且在黄土区域农业生产和人体健康的环境评价方面具重要理论意义。&&&&&&&&2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。因而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80年代的热点。环境背景系指没有受到人类活动干扰的自然状态。环境背景数据主要有环境本底值、环境背景值和环境基线值。环境本底值是指未受到人类活动影响的自然环境物质的组成量。在人类的长期活动，特别是当今频繁的社会经济活动影响下，自然环境的原始状况早已不复存在。因此，自然环境要素质量参数的本底值的实际含义应该是环境要素质量的背景值。环境背景值是以一个区域内相对清洁地区监测所得到的质量参数的统计平均值作为该区域各质量参数的背景值。所谓相对清洁区是指受人类活动干扰较小、较为原始的自然环境状况的地区。环境基线值是在对一个区域进行日常监测或以环境评价为目的的监测调查时所要获取的该地区各个部分环境质量参数的实际值。这样取得的质量参数值称为现状基线值，也即作为该区域环境质量变化的参照系。土壤的环境背景值一般是指某一特定区域而言的，亦称为区域土壤环境背景值，是指一定区域内，在远离工厂、城镇和道路，无明显污染，历史上也没有受到过污染地区的土壤中一些化学元素和化合物的含量。&&&&&&&&3区域环境效应的研究&&&&地方性分布的疾病是典型的环境效应。研究地方病的环境病因是我国环境地球化学研究的重要领域。我国环境工作者对克山病、大骨节病、地方性氟中毒、地方性甲状腺肿等疾病环境地球化学病因研究的进展，而且对伽师病、地方性砷中毒、肝癌、肺癌、宫颈癌、鼻咽癌、食管癌、肠癌等地方性或局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。&&&&&&&&4区域环境容量的研究&&&&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。这就意味着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。土壤环境容量是在一定区域与一定时限内，遵循环境质量标准，既保证农产品生物学质量，也不使环境遭致污染时，土壤所能容纳污染物的最大负荷量。以往污染物的控制多是以浓度控制的办法。如污染物的排放是按一定的容许浓度标准来限制的。但这种标准只限制了污染物排放的浓度，而没有限制其排放的数量。而且就污染物的不同排放区域而言，这种标准的限制办法，也未考虑到不同区域各异的净化能力和容纳能力。因此，污染物的排放除了要达到容许的浓度标准外，还要把某一区域污染源排放到该区域环境中的污染物总量限制在一定数量之内，这个数量即为“环境容量”。&&&&&&&&5环境地球化学理论问题的探索&&&&①对环境介质中重金属和微量物质的含量水平、分布规律、赋存状态、运移特征、转化机制及其对生物学效应开展了大量的研究，并在认识环境质量、控制环境污染等方面发挥了积极作用。②土壤－植物系统污染生态学的研究中，地球化学物质和能量循环原理获得了新的发展，并在防治污染方面取得&&&&7&&&&&&&&&&&&了可喜的的进展。③环境质量变异的地球化学原理获得了进一步确立。环境质量的变化在很大程度上受环境物质组分的制约。用地球化学原理阐明环境质量形成、变化，并提出和总结环境质量评价的原理和方法。④“环境界面地球化学”的提出。在各环境宿体的界面及界面附近，发生着重要的物理、化学和生物反应，进行着频繁的物质交换和物质输送过程，存在着特异的地球化学平衡关系。近代地球化学的发展，已经较多地注意到环境界面作用。⑤核素示踪技术在环境地球化学领域获得了广泛地应用。环境中的放射性核素具有已知的输入函数和衰变关系，提供了示踪地球化学过程的可能性。我国利用环境核素示踪技术在环境物质的累积、交换、迁移及混合作用方面取得了长足的进展。&&&&&&&&6区域性典型环境研究&&&&沙化、石化、土质退化、降水酸化、水源恶化是我国当前面临的几个典型的区域性环境问题。这些问题直接威胁着经济的可持续发展和人民生存的基本条件。寻找解决上述问题的对策途径是生态环境科学领域众多分支学科的共同任务，也是环境地球化学的重要任务。&&&&&&&&7过去全球变化中环境信息的提取&&&&过去全球历史演变有地质和地球化学的记录，提取这些记录揭示其对地球未来的意义，并为评价现今的环境提供对照的基准。IGBP自1988年建立并开展工作以来，调动世界各国科学家开展多学科的国际协作，研究过去全球变化的海洋记录和陆地记录，系统研究15万年以来全球环境变化的地质地球化学记录，特别加强研究2000a以来的地球历史，以重建过去2000a全球气候和环境变化的详细历史（时间分辨率应达到1a）。在对过去历史的研究中，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、孢粉及火山灰等可以提供丰富的环境演变信息。&&&&&&&&五、环境地球化学的研究方法和手段&&&&环境地球化学的研究方法通常有两种：现场调查研究法和实验室模拟试验研究法。在现场调查研究方面，科学地确定取样地点最为重要。采样点必须有代表性和有足够的数量。为查明化学物质在环境中的迁移转化特点，通常采用共轭布点法。所谓共轭布点法就是同时对各种有关连的环境要素进行对比取样分析。如在研究风化壳的化学成分时，同时采集流经这种风化壳的河流的水样进行分析；在研究土壤的化学成分时，同时采集生长在这种土壤上的植物样品进行分析，这样就能获得关于环境诸要素间存在着密切的地球化学联系的资料，从而了解所研究的化学物质在全环境中的迁移状况。现场调查研究法只能说明所研究的物质在环境中迁移作用的结果，而不能说明这种结果发生的原因和机制。因此必须在实验室内进行简单的或复杂的模拟实验，即在人工设计的环境中进行某一过程的观测研究。设计时所采用的环境参数既要服从实验目的，又要尽可能接近环境的实际情况。环境地球化学的研究手段经常采用的有下面几种：①对比研究法。为确定一个地方病病区环境化学组成的变异需要和非病区对比；为确定某一地区的污染状况，需要&&&&8&&&&&&&&&&&&和清洁对照区对比等等。②元素追索法。即紧紧抓住所瞄准的元素，研究它在环境中运动的各个环节或在各种介质中的地球化学行为。③环境档案研究法。树木年轮、冰岩心、湖泊沉积、海湾沉积、深海沉积、珊瑚、黄土、古土壤、河流泥沙、沉积岩、花粉、包裹体等都不同程度地记录下了它们形成时的环境条件，如温度、湿度、化学成分、生物量、火山喷发、地磁场、海平面和太阳活动等，因此它们可看成是环境变化的“档案”材料。不同的档案材料有不同的环境信息量和时间分辨率。有目的地研究这些档案材料，可提取出过去环境变化的宝贵信息。④测年技术。为了解环境地球化学过程在时间上的变化，需要引进各种测年技术。环境地球化学研究常使用的有低本底放射性测年法,如碳-14法、铅-210法等。⑤环境地球化学制图法。研究环境的化学组成或污染物在空间上的变化，常采用环境地球化学制图法，为此需按不同的密度进行网格取样，用电子计算机进行数据处理。⑥同位素示踪方法。天然和人为的同位素示踪方法，以了解环境地球化学过程进行的机理。⑦室内实验模拟各种环境地球化学现象和过程及建立数学模型。&&&&&&&&六、环境地球化学的发展趋势及前景&&&&&&&&&&&&环境地球化学以地球化学、地质学为学科基础，与生态学交叉，在环境科学体系中形成了独具一格的学科内容。认识地圈－气圈－水圈－生物圈各个子系统之间的相互关系；认识地球环境的总体性和相互依存性；从环境的自然演化与人为影响上认识环境变化的诱发因子；认识区域环境变化、环境质量影响及全球变化；环境地球化学在许多领域发挥着越来越重要的作用，主要表现在以下方面：1）地球化学敏感及生态脆弱地区的风化淋溶；2）过去全球变化研究中气候信息的提出；3）地－气界面碳、硫及大气圈飘尘的释放以及环境地球化学行为；4）环境微量物质与人体健康和生态效应的关系；5）地球化学环境信息系统模型和模拟；6）地球环境的地史演化等方面；&&&&&&&&思考题：1、几个概念：原生环境，次生环境，环境本底值，环境背景值，环境基线值。2、什么是环境地球化学？3、环境地球化学的主要研究任务。4、了解具有普遍性的全球环境问题及其对环境的影响。5、环境地球化学的主要研究方法和手段有哪些？&&&&&&&&第一章地球环境的演化和特征&&&&9&&&&&&&&&&&&第一节地球的圈层结构&&&&一、内部圈层&&&&&&&&图1—1地球的内部结构图地核为固体，主要成分是铁—镍合金；地幔为固体，地幔靠近地壳的层面有一层软流圈（近似浆糊）地幔的物质成分主要是硅酸盐类，铁镁是硅酸盐类物；&&&&&&&&质中含量较多的化学元素。&&&&地壳厚度相对于整个地球来说，相当于鸡蛋皮：大陆40——50km，成分：Na，K，Ca，SixAlyOz盐，主要形式花岗岩；大洋：6——8km，成分：Mg，Na，K，SixAlyOz盐，主要形式玄武岩。表1—1地球的内部圈层结构划分及特征&&&&&&&&莫霍界面（平均地下17Km），古登堡界面（地下平均2900Km）二、外部圈层：&&&&外部圈层包括大气圈、水圈、生物圈等,这些圈层之间相互联系、相互制约，形成人类赖以生存和发展的自然环境。大气圈包围着地球，是由气体和悬浮物组成的复杂系统，它的主要成分是氮和氧。它是地球自然环境的重要组成部分。&&&&10&&&&&&&&&&&&水圈是由地球表层水体构成的连续但不规则的圈层。它包括地表水、地下水、大气水、生物水等。水圈的水处于不间断的循环运动之中。生物圈是地球表层生物及其生存环境的总称。它占有大气圈的底部、水圈的全部和岩石圈的上部。它是大气圈、水圈和岩石圈相互渗透、相互影响的结果。&&&&&&&&图1—3地球的圈层结构示意图&&&&地壳中元素的含量极不均匀，丰度最大的是元素氧（46.6%）。将各种元素按克拉克值递减的顺序排列，可以看到前三种含量最多的元素（氧、硅、铝）的含量占82.4%；前8种元素（氧、硅、铝、铁、钙、钠、钾、镁）的含量占98.6%；而余下的84种元素的总含量仅占地壳总重量的1.4%。元素在地壳中的存在形态大体上可分为四类：氧化物、硫化物、自然元素和类质同象混入物。将地壳、地球和太阳系中丰度最大的元素按丰度顺序加以对比，即可发现它们之间也存在明显的差异：太阳系：H＞He＞O＞Ne＞N＞C＞Si＞Mg＞Fe＞S地球：Fe＞O＞Mg＞Si＞S＞Ca＞AI＞Co＞Na地壳：O＞Si＞AI＞Fe＞Ca＞K＞Mg＞Ti＞H类质同象：是指某种物质在一定的外界条件下结晶时，晶体中的部分质点被体系中的其他质点（原子、离子、络离子）所占据，只引起晶体常数的微小改变，但晶体构造类型、化学键类型、离子正负电荷的平衡保持不变或几乎不变的现象，称为类质同象。被置换而进入晶格的物质称为类质同象混合物。壳丰度称克拉克值(clarke)，指元素在地壳中的重量百分含量。地壳元素丰度是重要的地球化学基础数据，它标志地壳做为一个地球化学系统化学成分的总特征，决定了地壳中发生的各种地球化学作用的背景，也提供了一个衡量元素集中分散变化程度的标尺。&&&&&&&&第二节大气圈&&&&大气圈的厚度大约在km。大气的成分和物理性质在垂直方向上有明显的差异，据此可按大气在各个高度的特征分成若干层次。常用的分层法包括：①按温度垂直变化的特点分为对流层、平流层、中间层、暖层(电离层)和散逸层(外层)；②按大气成分结构分为均质层和非均质层；③按压力特征可分为气压层和外大气层(散逸层)；④按电离状态分为中性层、电离层和磁层。此外，还有由特殊的大气化学成分组成的臭氧层。&&&&&&&&11&&&&&&&&&&&&二、大气的组成&&&&包括干洁空气、水汽、固体杂质和大气污染物。&&&&&&&&表1—3大气的组成&&&&&&&&三、大气起源及化学成分的演化&&&&现今地球大气圈的成分在太阳系中是独一无二的。许多学者认为，地球的原始大气成分与我们邻近行星大气的成分没有很大差别，而现在的大气则是4.5Ga以来随着地球的形成而不断演变的结果。这种演变在初期主要取决于地球内部不断释放出的气体(地球的排气作用)，尔后则主要取决于地球生物圈的发展。地球上的惰性气体比宇宙中的惰性气体贫10-7到10-11倍，推测原始大气似乎被炽热的地球驱散了。因此，现在谈的原始大气实际上是一种次生大气，其成分来自地球内部，由地球形成初期火山活动释放出来的气体所组成，主要有H2、水蒸汽(H2O)、CO、CO2、H2S、N2、CH4、NH3、HF、HCl、Ar等。这种原始大气是一种还原的大气，据推测，这种还原状态很可能在地球历史的最初2.5Ga期间一直保持着；在此期间，像黄铁矿和沥青铀矿(在氧化环境中它们在热动力条件下是不稳定的)等矿物富集在太古代－元古代碎屑中。在了解大气的演化时，必须注意含氧大气的成因和演化，即由还原大气向氧化大气的转化。因为它对地球上生命物质的发生和发展起着决定性作用。由于岩石圈中明显缺氧，地壳和地幔的排气作用不可能为大气-海洋体系提供分子氧。因此，必须寻求非地质作用的氧源——气态氧化物。太阳辐射可以为这一作用提供最方便的能源。大气中O2的出现终究是光化学作用的结果，其中虽然有人认为无机光化学作用也可以生成O2，但其所生成的O2量太少。这一作用是由波长为150一210nm的太阳高能辐射对大气上层中的水蒸汽的光解反应，其分解产物即为氧和氢。由于较轻的氢可以摆脱地球引力场而逸人太空，所以这一过程将导致氧在大气圈中的聚集，但是其数量甚少，每年约为200Gg，与目前氢向宇宙空间的逸失率相当，此数值与氧在生物循环中的转换率1017g/a相比是微乎其微的。&&&&&&&&12&&&&&&&&&&&&由于无机造氧作用非常微弱，所以大量游离氧的发生一定是与有机光化学作用的存在有关；在有机光化学作用中，生物介质将CO2还原为碳氢化合物。其方式是通过绿色植物和某些蓝绿藻(Cyanophyte)的光合作用。这些生物能利用CO2和水合成出有机物质，同时将分子氧当作新陈代谢的副产物释放出来。&&&&&&&&现代大气圈的主要成分是N2和O2，而据研究，地球早期大气圈的主要成分是CH4和H2。这说明自地球形成以来，大气圈的组分经历了一个缓慢的但是极为明显的演化过程。大气化学成分的演化，与地球的演化和生命的形成有着密切的关系。据Horne研究，地球大气圈的演化，经历了如图1—5所示的三个主要阶段。&&&&&&&&在地球形成阶段，许多挥发性物质逃逸出地球引力场。一般认为，此阶段地球上不存在大气圈与水圈。随着地球冷却，由火山活动从地球内部喷出的气体和液体可能在地球表面保存，但由于此时熔融态金属铁尚未移向地核，喷出来的火山气体与零价铁处于平衡中。在此情况下，强氧化性气体O2与金属铁反应被还原，Holland(1966)曾应用热力学参数估算，此阶段火山气体中的双原子氧的分压，只及现代大气氧的10&&&&—12&&&&&&&&。平衡计算表明此阶段火山气体的主要成分&&&&&&&&可能是H2、H2O和CO，次要成分是CO2、N2：和H2S。这些气体一抵达地表，即被迅速冷却，大部分水汽凝结形成水圈，只有少部分水汽残留在大气中。碳的氧化物被H2还原为CH4。双原子氮部分地被还原为NH3，这样就形成了第一阶段的大气圈的组分。随着地球的分异，金属铁逐步移向地核，由地球内部喷出的气体不再与金属铁接触，使大气圈成分的氧化性稍有增高。此阶段火山喷出的主要气体可能是H2O、CO2和S02以及少量的N2与H2(与现代火山气体成分差异很小)。上述&&&&13&&&&&&&&&&&&三种气体进入地表后，迅速被从大气中除去。水汽继续被凝结到海洋中，酸性氧化物CO2和S02与相对碱性的岩石圈矿物发生反应：随着H2分压的降低，还原性化合物如CH4、NH3等开始被氧化，此时游离O2的数量虽有所增加，但仍然是大气中的次要成分。只有N2，由于其化学惰性开始积蓄起来，成为大气中的主要组分。这一阶段，生物有机体开始出现在狭窄的水体或大海边缘。由于没有足够的氧，有机体在缺氧的条件下，利用CO2创造出碳水化合物与蛋白质，同时开始了光合作用，生成O2。所生成的O2继续作用于岩石圈(使Fe2+变成Fe3+)而不能积累。但此时大气圈的性质已开始由还原性向氧化性过渡。第三阶段中大气组成的形成与生命的形成，和平流层臭氧的生成密切相关。在臭氧层形成以前，整个地球受到高能量光子的照射，生物分子很难形成。如波长为2000埃的光子其能量为9.93×10所需要的能量(6.95×10&&&&—19—19&&&&&&&&焦耳。远远大于大部分化建断裂&&&&&&&&焦耳/键)。&&&&&&&&臭氧层形成前，生命分子居于水下，光合反应进行得很有限。臭氧层形成后能吸收波长小于3400埃的辐射，形成了对生命分子有保护作用的屏蔽层，使有机体有了更广阔的生存空间——陆地。由光合作用生成的O2大大地增多了，从而形成了以N2和O2为主要成分的现代大气圈。&&&&&&&&四、低层大气主要组分的地球化学循环&&&&1、氧循环大气圈中O2的储量大致为3．8×1019摩尔．光合作用释放的O2，是大气中O2的最主要来源，其中绝大部分来自海洋植物。大气圈的O2是强氧化剂，当其与各种环境物质接触时是不稳定的。大气圈中的O2为三组作用所消耗：(1)有机质(包括含于古代沉积物中的煤和石油)的氧化作用；(2)还原性无机物质的氧化作用，如由于侵蚀作用而暴露于地表的含Fe2+矿物以及火山活动喷出的还原性气体，均可被O2所作用；(3)现代有机物质的氧化作用，如土壤中植物的分解作用和呼吸作用。最后一种作用统称为有机质的氧化分解作用，所消耗的O2量最多，几乎接近于光合作用所生成的O2的数量。人们曾关心一个问题，即由于人类的经济活动，如大量砍伐森林和有毒化合物危害蓝绿藻的生长(减少氧气的制造)以及工业燃料迅速增长(增加氧气的消耗)，是否会破坏大气中O2的平衡，即是否会产生全球性的缺O2问题。有人估计按现代工业的耗氧速度，人类可在数十万年内将大气圈中的氧耗尽。然而这样的估算是不正确的，因为地壳中储藏的燃料数量是有限的，目前的燃料耗氧速度不会无限地增加下去。另外，1910年以来，同对空气中O2含量的准确观测(误差不超过0.06％)表明，（表1—5）近50年来空气中O2的含量实际上没有变化。美国麻省理工学院的一项专门研究报告(1970)曾指出，按当前的工业化速度，即使再增加几倍，在几千年内大气中的氧不会构成为一个问题。&&&&&&&&14&&&&&&&&&&&&图1—6大气圈中氧的循环&&&&&&&&表1—5大气中氧的含量&&&&&&&&2、氮的循环作为大气圈最主要组分的N2的行为极为复杂(图4,10，R．A．Rais—well,l980)。氮的行为所以很复杂，与它的氧化数的范围很宽有关。氮的氧化数有一3(如NH3)、0(如N2)、十1(如N2O)、十3(如NO2—)和十5(如NO3—)，而氧只有两种氧化数：0(如O2)和一2(如H2O)。为了使氮的循环图式简明醒目，作适当的归并是必要的。通常把大气圈中氮的化合物归为两类；—类其氧化数大于十1小于一1（如NH3、NH4+、NO2）；另一类其氧化数为0或+1（如N2、N2O）岩石圈和水圈中氮的化合物，通常被区分为有机氮化合物和无机氮化合物。&&&&&&&&图1—7氮的循环图氮的循环尽管较复杂，但可归结为以下四个方面的过程：（1）无机化过程（又称矿质化过程）——有机氮向无机氮转化的过程；如：&&&&15&&&&&&&&&&&&（2）固氮过程——大气中的N2转化为有机统购过程，如：&&&&&&&&（3）同化作用——无机氮转化为有机氮的过程，如：&&&&&&&&（4）脱氮作用——无机氮转化为大气N2的过程，如：&&&&&&&&3、大气中的CO2地球表面的游离CO2与游离N2和游离O2，在地球化学方面的主要差别是，后两者的质量绝大部分存在于大气中，而游离CO2大约只有2％的质量存在于大气中，其余98％溶于世界海洋中。大气圈与水圈的CO2处于不断的交换之中。由于CO2在高纬冷海水中的溶解度高于其在热带海水中的溶解度，所以世界寒冷地区的海洋像抽水机一样，不断地抽吸大气中的CO2，被抽吸的CO2随深层海流带至热带地区排入到大气中，使得热带地区大气中的CO2分压高于高纬度地区。大气中CO2的另一地球化学特点是，与生命物质处于不断的交换之中。绿色植物通过光合作用吸收大气因的CO2。从总体上看，生物圈每年从大气圈中吸收0.15×l0摩尔的CO2，平均滞后20年，再通过有机质的分解作用返回大气圈。此过程可概括为CO2—CHOH—CO2或CO2生命物质。有人将这个平衡循环称为生命循环。&&&&16&&&&&&&&图1—8CO2的循环图前面曾提到，按当前的工业燃料耗氧速度，即使再增加几倍，在几千年内大气中的O2不会构成为一个问题。CO2而的情况则完全不同。近20多年来的测量表明，由于工业燃料燃烧，大气中CO2的平均含量已有提高。如在夏威夷群岛&&&&&&&&16&&&&&&&&&&&&某一偏远地区，大气中的CO2己从1958年的316ppm增至1976年的332ppm(图1—9，WoodweH，1978)平均每年增加0.8ppm，而据估计，十九世纪末大气中CO2含量约为292ppm(图1—10)&&&&&&&&五、大气圈中各气体组分的停留时间&&&&从地球化学循环的角度，可以把大气圈视为各种气体的贮库。当某种气体向大气中的输入速率等于其输出速率时，该气体在大气阁中的储量不变，根据某气体在大气中的储量(Mx)和其输入或输出速率，可以计算该气体在大气圈中的停留时间(Tx)：Tx=Mx/Rx=Mx/Fx式中，Fx为x气体的输入速率(又称源强)，Rx为输出速率(又称漏强)．所谓漏是指x气体从大气中的各种去除过程。假如某气体成分有几项输入和输出过程，各过程具有不同的输入或输出速率，则可按下式求其在大气中的停留时&&&&&&&&间；式中T1和T2是分别按两种不同的输入或输出过程的速率所求得的各种停留时间。大气圈的所有气体均有各自的停留时间。按停留时间的长短可将大气成分分为四类：(1)非循环性气体(惰性气体)表1—6惰性气体的停留时间&&&&&&&&组分类别&&&&&&&&Ar&&&&&&&&He107年&&&&&&&&Xe&&&&&&&&Ne&&&&&&&&Kr107年&&&&&&&&保留时间107年&&&&(2)长寿期气体&&&&&&&&107年107年&&&&&&&&由于惰性气体的化学惰性在大气中基本上不变化，无所谓源与漏，亦即无循环可言。&&&&&&&&O2和N2的停留时间，外别以万年和百万年计，对人类活动所引起的输入、输出变化不敏感，也就是说人类活动对其影响不明显。3)中寿期气体&&&&&&&&这些气体的停留时间以年计，这些气体参与生物活动与在地表中各个圈循环。停留时间小于10年的气体，在大气中的浓度随时间和空间有轻微的变化。（4）短寿期气体与水&&&&&&&&这些气体的停留时间小于1年，其在大气中的浓度，随时间和空间有极明显的变化。&&&&17&&&&&&&&&&&&第三节水圈&&&&&&&&一、原始水圈&&&&原始水圈的形成和原始大气圈一样，其物质都来自地球内部。在地球演化的早期，大量火山作用把岩浆水(原生水)由地球内部带至地表。例如，当玄武岩浆溢出地表发生脱气作用可把含有7%的岩浆水呈蒸气的形式释放到大气圈中。至今，对深海测量表明，地球内部的排气作用(排出H2O以及CO2、S、N、Cl、Ar、F、H、Br、He等)仍在大洋中脊顶部进行着，并可根据排出的3He，估算地球内部挥发性物质排出的速度。物质主要来自地球内部，原始的大气具有很强的还原特征，原始水则具有强的酸性(pH7)。地球形成时很少甚或没有海洋，现在地球表面的水和其它挥发物质则是呈均匀程度不同的包含在整个地球内部，它们约占全部地球物质的0.25%(重量计)。因此，推断聚积成地球的物质平均含水量至少应有250ppm。由地球内部排出的原始大气（含有H2O）在炽热的地球表面无法凝聚成水体，只有当地球表面温度下降到大约100℃时，在两极附近开始凝聚成原始大洋。&&&&&&&&二、水圈概述&&&&1．水圈：是指地球上被水和冰雪所占有或覆盖而构成的圈层。它们主要有：大气水、海水、陆地水，以及存在于生物体内的生物水。水圈的水与大气圈、生物圈、岩石圈、土壤圈之间有密切的关系，并形成各种方式的水交换。2．水环境：在自然界中水的积聚体称为水体，它是指地面上各种水体，如河流、湖泊、水库、池塘、沼泽、海洋、冰川等。水体是一个完整的生态系统，其中包括水、水中的悬浮物、溶解物、底质和水生生物等。3．水循环：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称为水循环。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。&&&&&&&&三、海洋&&&&海水是一种含有多种溶解固体和气体的混合溶液，其中水约占96.5％，其它物质占3.5％，海水盐度平均为34.5‰。海水的盐度在海洋的各个地方稍有差异，在赤道海洋上面被充沛的降水所冲淡的地方，盐度可以在34.5～35‰之间，反之，在沙漠带下蒸发增加，表层水的盐度超过35.5‰。海洋表层年平均水温的变幅通常在-2～30℃，全球的年均温为17.4℃。表1—7海水中的主要盐类&&&&&&&&18&&&&&&&&&&&&四、陆地水&&&&陆地水包括河流、湖泊及地下水。&&&&①河流&&&&在陆地表面上接纳、汇集和输送水流的通道称为河槽，河槽与其在中流动的水流通称为河流。河流是地球上水分循环的重要路径，是与人类关系最密切的一种天然水体。河水的含盐度一般在100～200mg/L，河水中各种离子的比例为：2+Na+HCO-3SO42-Cl-。Ca河水中溶解氧在一般情况下是呈饱和状态的，但若受到有机物的污染会出现缺氧状态。&&&&&&&&②湖泊&&&&湖泊是陆地上天然凹地中蓄积着停滞的或流动缓慢的水体。湖水具有不同的化学成分，这与它的补给和形成条件有关。湖泊是由河流及地下水补给而形成的，其水的组成成分与湖泊所处的气候、地质、生物等条件有密切关系。因而可以形成淡水湖泊或咸水湖。湖水中大部分元素呈离子、胶体、气体状态，主要成分是：HCO3-、SO42-、Ca2+、Cl-、Mg2+、Na+和K+。此外，生物养分元素如NO3-、NH4+、P、S也是很重要的。&&&&&&&&③地下水&&&&埋藏在土壤、岩石空隙中各种不同形式的水通称为地下水。储存于岩石空隙中的地下水，按其物理力学性质不同，可分为气态水、吸着水、薄膜水、毛管水、重力水与固态水几种形式。基本特征：悬浮杂质少，水清澈透明，有机物和细菌含量极少，受地面的污染不那样直接，溶解盐类含量增加，硬度和矿化度较大。地下水中含有较多的Fe2+、Mn2+、NO3-、NO2-、Ra、H+、As等。&&&&&&&&第四节土壤圈&&&&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，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&&&&组成包括固相(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。图1—14土壤三相容积比&&&&&&&&1、土壤矿物质&&&&来源于成土母质，按其成因可分为原生矿物和次生矿物。原生矿物是直接来源于受到不同程度的物理风化作用的碎屑，其化学成分和结构未有改变。土壤中的原生矿物主要有:&&&&19&&&&&&&&&&&&硅酸盐类：橄榄石、石榴石、锆石、辉石、角闪石、滑石、黑云母、白云母、钾长石、钠长石、钙长石；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；碳酸盐类：方解石、白云石；硫酸盐类：石膏；硫化物类：黄铁矿、方铅矿、辰砂等；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、土壤有机质&&&&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。普通有机物包括碳水化合物、蛋白质、木质素、有机酸以及含氮、磷、硫的有机物等；腐殖质腐殖质不是单一的有机质，主要包括胡敏酸、富里酸和胡敏素。&&&&&&&&腐殖质通常带有电荷，并具有较强的吸收、缓冲性能，对土壤的理化性质和生物学性质有重要影响。腐殖质胶体中多种能解离的官能团，可与重金属离子等形成络合物或螯合物，增加其水溶性，使之随水迁移或吸附、固定减轻其危害。因此，提高土壤腐殖质含量是减轻污染危害及增强土壤自净能力的重要措施。&&&&&&&&3、土壤中的宏量和微量元素&&&&土壤中的元素组成很复杂，几乎包括地球中所有的化学元素，其中O、Si、Al、Fe、Ca、Mg、Na、K、Ti、C等十种元素占土壤总量的99％以上。其它元素的含量不超过1％，土壤中宏量元素的含量如下表所示。表层土壤的主要化学组成&&&&&&&&土壤中的微量元素是指宏量元素以外的各元素，其含量范围为百万分之几到十万分之，最高不超过千分之几。&&&&20&&&&&&&&&&&&土壤学中所指的微量元素既可指土壤中所有含量很低的化学元素，也可指其中具有生物学意义的化学元素。土壤中微量元素的研究除了具有生物学意义外，还有其一定的特殊意义，例如成土过程的阐明和环境质量的评价等。具有生物学意义的微量元素常是酶或辅酶的组成成分，它们在生物体中的特殊机制有很强的专一性，为生物体正常生活和生长所不可缺少。土壤中微量元素含量过低或过高的地区，会引起动植物的不良反应，影响作物的增产和人类的健康。土壤中微量元素的主要来源是成土母质，此外火山喷发和大气尘降也可带来少量微量元素，如硼、碘、溴、氟、砷等。因而，土壤中微量元素的含量和形态常常能反映成土母质的特点和母岩的类型。一般将土壤中的微量元素分为：（1）水溶态、（2）弱交换剂交换态、（3）强交换剂交换态（或螯合剂螯合的）（4）、次生矿物、（5）原生矿物。&&&&&&&&我国主要土壤中微量元素的含量（×10-6）&&&&&&&&4、土壤的机械组成&&&&土壤矿物质各粒级的相对含量和比例称为土壤机械组成。可由此确定土壤质地。土壤质地是土壤最重要的物理性质之一，它直接影响着土壤的非肥状况，也是土壤分类的重要指标。土壤的机械组成分析，就是把土壤按其粒径大小分成若干级别（粗组）定出各级的数量，进而测出土壤的机械组成。&&&&土壤机械组成用途：土壤比面估算、确定土壤质地和土壤结构性评价。土壤质地是根据机械组成划分的土壤类型。其类型和特点主要是继承了成土母质的类型和特点，又受人们耕作、施肥、灌排、平整土壤等的影响，一般分为砂土、壤土和粘土三类。质地是土壤一种十分稳定的自然属性，它是影响土壤肥力高低、耕性好坏以及污染物质容许容量大小的基本因素之一。&&&&&&&&5、土壤溶液&&&&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，它是土壤三相(固、液、气)中的要素。土壤的水分把土壤、大气中的植物养分溶解组成营养溶液，输送到植物根部。因此土壤水是植物吸收养料的主要媒介。土壤溶液中含有Na+、K+、Mg2+、Ca2+、NO3-、SO42-、HCO3-、CI-等离子以及有机物，同时含有各种有机的、无机的污染物。&&&&&&&&21&&&&&&&&&&&&6、土壤剖面分层&&&&淋溶层：A层(表土层)：处于土体最上部，它包括有机质的积聚层(A0)和物质的淋溶层(A),本层生物活动最为强烈，&&&&进行着有机质的积聚或分解和转化过程。在较湿润的地区，该层内发生着物质的淋溶，故称为淋溶层，任何土壤都具有这一土层。&&&&&&&&淀积层（B层）它处于A层的下面，是物质淀积作用造成的。淀积的物质可以来自土体的上部，也可来自地下水的：&&&&上升，可以是粘粒也可以是钙铁锰铝等，淀积的部位可以是土体的中部也可以是土体的下部。一个发育完全的土壤剖面必须具备这一重要的土层。&&&&&&&&母质层（C层）处于土体最下部，没有产生明显的成土作用的土层，其组成物就是母质。：&&&&A、B、C三层是土壤中的基本发生层。&&&&&&&&土壤剖面图&&&&&&&&(二)土壤的物理化学性质1、物理性质&&&&⑴土壤的温度太阳的辐射是土壤热量的来源。因此，随着太阳辐射的周期性变化.季节性变化表现为表层15cm土层的平均温度，在全年中较气温为暖，而春夏较冷。一般而言，季节变化的变幅随深度增加而减少。在一天中，表层土温日间变暖，夜间变冷，每天6～18时热从地表向下运动；夜间则相反。一般最高土温和最低土温分别出现在14时和6时左右。表层土温的日变化随深度的增加而逐渐减少。⑵土壤的孔隙度在土壤中土粒与土粒之间所形成的大小不同的空间称为土壤孔隙。土壤孔隙在单位土壤容积中所占的百分比称为土壤孔隙度。土壤的孔隙状况与土壤的孔隙度取决于土壤质地、结构及其排列的状况。因此，土壤的孔隙度在不同类型的土壤和同一类型的土壤的不同发生层次中都是不同的。⑶土壤的密度与容重&&&&&&&&22&&&&&&&&&&&&土壤的密度是指土壤固体部分的重量与同体积水的重量之比，其大小决定于土壤固相物质的种类和相对含量。土壤中各种矿物的比值不同，一般多在2.6左右，含铁矿物可达3.0以上。土壤中腐殖质的密度在1.04～1.25之间。因此，腐殖质含量少的土壤密度较大；反之，土壤腐殖质含量愈多，土壤密度愈小。单位体积的干土重与同体积水的重量之比称为土壤容重。&&&&&&&&土壤容重总是小于密度，其大小取决于土壤质地、土粒排列、结构状况以及有机质含量等。&&&&土壤容重因土壤质地的不同而异，一般粘土，重壤土约为1—1.6，砂土和砂壤土约为1.2—1.8，紧实的底土可达2.0。土壤容重与土壤孔隙度的关系为：孔隙度(%)=(1—容重/密度)×100&&&&&&&&2、化学性质&&&&⑴土壤的酸度土壤的酸碱度是指土壤溶液中H＋和OH-浓度，通常用pH值表示。土壤pH分级：pH5.0；pH5.0~6.5；pH6.5~7.5；pH7.0~8.5；pH8.5。根据引起土壤酸性反应的H＋和Al3＋的存在形式，可将土壤酸度分为活性酸度和潜在酸度两大类。活性酸度是由溶液中H＋的浓度所引起的酸度，用pH值表示。潜在酸度是由土壤胶体或吸收性复合体的交换性H＋和Al3＋所引起的酸度。这种酸度只有在土壤胶体上的H＋被其它阳离子交换而进入土壤溶液后才显示出来。土壤酸化程度随着工业化发展而不断增强。土壤这一理化性质的变化，一方面将导致土壤中有毒有害重金属离子浓度的增加，植物养分大量流失，土壤贫瘠，最终将产生植物重金属超标中毒；另一方面，还将引起水体酸化，从而对人类的饮食饮水和农业生产危害增加，生态环境恶化。⑵土壤的缓冲性土壤具有一定的抵抗土壤溶液中H＋或OH－浓度改变的能力，称为土壤的缓冲性能。由于土壤具有缓冲性，因而有助于缓冲土壤酸碱变化，为植物生长和微生物活动创造比较稳定的生活环境。土壤缓冲作用是因为土壤胶体吸收了许多代换性阳离子，如Ca2＋、Mg2＋、Na＋等可对酸起缓冲作用，H＋和Al3＋可对碱起缓冲作用。土壤缓冲作用的大小与土壤代换量有关，其随代换量的增大而增大。⑶土壤的氧化还原反应土壤溶液中普遍存在氧化还原反应，氧化剂主要为O2，还原物质为有机质，常用Eh表示，常见的氧化还原体系有：（见表1—9）&&&&&&&&23&&&&&&&&&&&&第五节生物圈一、基本概念&&&&生物圈是指活的生物分布、发育的空间及其居住环境的整体。生物圈——植物、动物和微生物的总和，地球上能够有生物存在的部分，它包括地面以上23km至地面以下12km的范围内。包括平流层的下层，整个对流层以及沉积岩圈和水圈。生物圈主要由生命物质、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。生物圈是一个复杂的、全球性的开放系统，是一个生命物质与非生命物质的自我调节系统。它的形成是生物界与水圈、大气圈及岩石圈长期相互作用的结果。生物圈存在的基本条件是：第一、可以获得来自太阳的充足光能。第二、要存在可被生物利用的大量液态水。第三、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。第四、提供生命物质所需的各种营养元素，包括O2、CO2、N、C、K、Ca、Fe和S等，它们是生命物质的组成或中介。&&&&&&&&二、生物多样性&&&&生物圈中最普遍的特征之一是生物体的多样性。生物多样性是指某一区域内遗传基因的品系、物种和生态系统多样性的总和。它涵盖了种内基因变化的多样性，生物物种的多样性和生态系统的多样性三个层次，完整地描述了生命系统中从微观到宏观的不同方面。遗传多样性是指某个种内个体的变异性。由特定种、变种或种内遗传的变异来计量。地球上几乎每一种生物都拥有独特的遗传组合。遗传多样性是生物多样性的基础。物种多样性是指地球上生命有机体的多样性。一般来说，某一物种的活体数量越大，其基因变异性的机会亦越大。&&&&24&&&&&&&&&&&&但某些物种活体数量的过分增加，亦可能导致其他物种活体数量的减少，甚至减少物种的多样性。生态系统多样性是指物种存在的生态复合体系的多样化和健康状态，即指生物圈内的生境、生物群落和生态过程的多样化。生态系统是所有物种存在的基础。物种的相互依存性和相互制约性形成了生态系统的主要特征——整体性。生物与生境的密切关系形成了生态系统的区域性特征，而生态系统包容众多物种和基因又形成了其层次性特征。由于地球上生物的演化过程会产生新的物种，而新的生态环境又可能造成其他一些物种的消失，所以生物的多样性是不断变化的。人类社会从远古发展至今，均建立在生物多样性的基础上。&&&&&&&&三、生态系统及其组成&&&&1生态系统&&&&生态系统是指特定地段中的全部生物（即生物群落）和物理环境相互作用的任何统一体。在生态系统内，由能量&&&&的流动导致形成一定的营养结构、生物多样性和物质循环。换句话说，生态系统就是一个相互进行物质和能量交换的&&&&&&&&生物和非生物部分构成的相对稳定的系统，它是生物与环境之间构成的一个功能整体，是生物圈能量和物质循环的一&&&&个功能单位。生态系统是一个很广的概念，任何生物群体与其环境组成的自然体都可视为一个生态系统。如一片森林；一条河流；一座山脉都是生态系统。而水库、城市和农田等也是人工生态系统。小的生态系统组成大的生态系统，简单的生态系统构成复杂的生态系统。形形色色、丰富多彩的生态系统合成为生物圈。生物圈本身就是一个无比巨大而又精密的生态系统，是地球上所有生物和它们生存环境的总体。&&&&&&&&2生态系统的组成&&&&地球表面上任何一个生态系统都有生物和非生物环境两大部分组成。（1）生物部分①初级生产者(自养有机体)是指绿色植物和某些能进行光合作用或光化能合成的细菌，绿色植物通过叶绿素吸收太阳能进行光合作用，把从周围环境中摄取的无机物质合成碳水化合物，也就是把太阳能转化为化学能贮存起来，地球上其他生命都依靠植物生产的有机物质得以生存。②消费者消费者是指直接或间接利用绿色植物所制造的有机物质作为食物能源的异养生物，又称为异养有机体。主要是各种动物，也包括某些腐生和寄生的菌类。可划分为：A草食动物：它们以植物的叶、枝、果实、种子为食物，如牛、羊、兔、鹿、蝗虫和许多鱼类等。在生态系统中，绿色植物所制造的有机物质首先作为这类动物的食物，所以草食动物又称为初级消费者或第一消费者。B肉食动物：它们以草食动物或其他弱小动物为食，包括次级消费者和三级消费者等。初级消费者、次级消费者和三级消费者等之间并没有严格的界限，许多杂食性动物，既是初级消费者，也是次级消费者或三级消费者。因而构成复杂的食物链和食物网。C寄生动物：寄生于它种动、植物体上，靠吸取寄主营养为生。D腐食动物：以腐烂的动植物残体为食。③分解者分解者主要是指各种微生物，也包括某些以有机碎屑为食物的动物，又称为还原者。即腐烂、分解，或把有机废物破坏并使养分回到周围环境中去的细菌和真菌，它们以动植物的残体和排泄物中的有机物质作为维持生命的食物能&&&&25&&&&&&&&&&&&源，并把复杂的有机物分解为简单的无机物归还环境，供生产者再度吸收利用，从而构成生态系统中营养物质的循环。(2)非生物部分非生物环境是生态系统中生物赖以生存的物质和能量的源泉及活动的场所，包括周围环境中所有化学和物理的成分，可分为：原料部分，主要是阳光、O2、CO2、H2O、无机盐及非生命的有机物质；媒质部分，指水、土壤、空气等；基质，指岩石、砂和泥。&&&&&&&&图1—16生态系统的组成图&&&&&&&&四、生态系统的特征&&&&1开放性&&&&生态系统是一个不断同外界环境进行物质和能量交换的开放系统。在生态系统中，能量是单向流动的，即从绿色植物接受太阳光能开始，到生产者、消费者、分解者以各种形式的热能消耗、散失为止，不能再被利用形成循环。而维持生命活动所需的各种物质，如C、O、N、P等元素，则以矿物形式先进入植物体内，然后以有机物的形式从一个营养级传递到另一个营养级，最后有机物经微生物分解为矿物元素而重新释放到环境中，并被生物的再次循环所利用。生态系统的有序性和特定功能的产生，是与这种开放性分不开的。&&&&&&&&2运动性&&&&生态系统是一个有机统一体，它总是处于不断的运动之中。在相互适应调节状态下，生态系统呈现出一种有节奏的相对稳定状态，并对外界环境条件的变化表现出一定的弹性。这种稳定状态，即是生态平衡。在相对稳定阶段，生态系统中的运动（能量流动和物质循环）对其性质不会发生影响。因此，所谓平衡实是动态平衡。&&&&&&&&3自我调节性&&&&生态系统作为一个有机的整体，在不断与外界进行能量和物质交换的过程中，通过自身的运动而不断调整其内在&&&&26&&&&&&&&&&&&的组成和结构，并表现出一种自我调节的能力，以不断增强对外界条件变化的适应性、忍耐性，维持生态的动态平衡。只有当外界条件变化太大或系统内部结构发生严重破损时，生态系统的这种自我调节功能才会下降或丧失，以致造成生态平衡的破坏。当前，环境问题的严重性就在于打乱以至破坏了全球或区域生态系统的这种自我适应、自我调节功能。&&&&&&&&4相关性与演化性&&&&任何一个生态系统，虽然有自身的结构和功能，但又同周围的其他生态系统有着广泛的联系和交流，很难把它们截然分开，由此表现出一种系统间的相关性。对一个具体的生态系统而言，它总是随着一定的内外条件的变化而不断地自我更新、发展和演化，表现为一种产生、发展、消亡的历史过程，呈现出一定的周期性。&&&&&&&&化学物质环境生物地球化学循环&&&&一、基本概念&&&&（一）生物—非生物复合系统&&&&地球包括岩石圈（土壤圈）、水圈、大气圈及生物圈。在环境地球化学研究中上述圈层相应划分为岩石（土壤）分室、大气分室和生物分室。生物—非生物系统则是由一系列相互作用的各个独立分室构成的。其中生物分室是这些分室的基础与核心，包括植物、动物、微生物和人等基本成分，由初级生产者、食草者、食肉者和分解者组成。正是由于他们的活动和作用，生物—非生物系统呈现了动态的运行机制和进化方式。&&&&&&&&（二）环境生物地球化学循环&&&&环境生物地球化学循环一般是指化学物质（包括营养元素、有毒元素、无机化合物、有机化合物和高分子化合物）从非生物分室到生物分室，然后又到非生物分室循环的过程，包括化学元素或化合物在非生物分室中的行为、运行机制和过程，以及从非生物分室到生物分室或从一种生物分室到另一种生物分室的迁移或食物链的传递关系及其效应。&&&&&&&&二、环境生物地球化学循环的基本形式与特点&&&&环境生物地球化学循环的形式主要有：（1）生物圈总体水平上的的循环，即全球宏观循环，这种循环结果往往导致全球化学污染；（2）局部生态系统单元水平上的化学物质循环，即区域或流域的亚宏观循环，这种循环后果导致区域或某个流域化学污染的发生；（3）局部范围（某个小村落、某个湖泊）内进行循环，这类循环称为局部循环。从循环的化学物质看，环境生物地球化学循环分为四类：（1）营养元素循环，包括大量的营养物质和微量元素的循环；（2）有毒元素的循环，主要是一些金属元素和放射性元素的循环；（3）有机污染物质的循环，主要包括化学农药、石油烃、多氯联苯、多环芳烃和二恶英等有机污染物的循环；（4）次循环或亚循环，如温室气体循环等。环境生物地球化学循环系统可以是开放的系统，也可以是封闭的系统。在开放系统内，物质可以流入或流出系统内；在封闭的系统内，即没有物质流出循环系统，也没有物质流入循环系统。环境生物地球化学循环涉及到储蓄库和循环库两部分，根据有机储蓄库和循环库的不同划分为三大基本类型：（1）气体型循环，储蓄库为大气分室和水分室，并可能成为生物—非生物复合系统的一个组成部分；（2）沉积型循环，储蓄库为地壳或岩石系统，存在于生物－非生物复合系统之外；（3）过渡型循环，兼有气体型循环和沉积型循环双重特点。&&&&27&&&&&&&&&&&&基于对生物地球化学基本过程的调控程度的不同，环境生物地球化学循环可划分为完整循环型和不完整循环型，其中完整循环型表现为强烈的调控程度，当循环受到干扰时，各分室中的化学物质的库存量和各分室间化学物质的通量产生一些变化后，能较快重新恢复到正常状态。完整循环方式存在两个特点：（1）非生物分室中化学物质的有效库很大；（2）具有许多负反馈控制，主要是指分室中的库存量或分室间的通量因受到干扰而增大或减少时，完整循环就以负反馈的方式进行调控，从而使循环恢复到初始的条件。现代人类活动大大加快了许多化学物质的迁移活动，以至于使循环更加趋于不完整。不完整循环是现代环境生物地球化学循环的主要方式。致使生物圈各分室中或生物—非生物复合系统中许多化学物质在分布上更加不均匀（通过粘土矿物和有机物质的强烈吸附，或通过生物累积和放大作用），在形态上更加多变（通过各种生态化学或生物化学反应）。&&&&&&&&三、生物环境地球化学循环的过程描述&&&&生物环境地球化学循环通常用“库”“分室”和“通量”等描述。、&&&&&&&&（一）库和分室1．库（M）&&&&库是指某些物理、化学或生物特性所限定的物质的数量。“生物地球化学库”是一个动态的概念，它是由生物—非生物系统各种组分中一定数量的特定的化学物质组成，其组分可以是生物组分，也可以是非生物组分。例如，如果把水体中的磷作为一个库，那末浮游植物中的磷为第二个库，通过物质从一个库到另一个库的迁移过程把库与库之间相互联系起来。&&&&&&&&2．分室&&&&分室可以由若干个规模更小的库组成，即库的组合可以构成分室。例如生物分室由有机质、磷、氮等库组成。&&&&&&&&（二）通量与通量密度&&&&化学物质从一个分室到另一个分室迁移的速度，可以用“通量”和“通量密度”表示。通量：单位时间内化学物质从生物—非生物系统的一个分室（或库）迁移到另一个分室（库）的数量，用F表示。通量密度：单位时间、单位面积或体积内化学物质流过系统两分室之间的数量。用Q表示。&&&&&&&&（三）源与汇&&&&对于生物—非生物系统的一个分室，输入的物质通量（F）或通量密度（Q）即为源，输出的物质通量（S）即为汇。输出的物质通量与该库的浓度有一定的关系：S=kM。&&&&&&&&（四）周转速率和周转时间&&&&周转速率可表示为:&&&&TR?输出或输入库中的通量该库中化学物质的量&&&&28&&&&&&&&&&&&周转时间（τ）为某分室中化学物质的库存量（M）与输出通量之比，表示为:τ=M/S。&&&&&&&&(五)停留时间与平均寿命&&&&单个原子或分子在某一分室中所花费的时间。&&&&&&&&（六）反应时间&&&&反应时间是指系统突然发生变化后重新调整到平衡所需的时间。思考题：1、概念：类质同象；土壤孔隙度；土壤的密度；土壤容重2、地球内部圈层结构的划分依据及特征是什么？3、现代大气圈的成分与早期大气圈的成分有何不同？试详述其演化过程经历的三个阶段。4、试述大气中氧、氮、二氧化碳的地球化学循环过程。5、了解土壤的各组成成分。6、生物圈存在的基本条件是什么？7、生物体的多样性是生物圈中最普遍的特征之一，其具体含义包含哪些？8、何谓环境生物地球化学循环？其基本形式主要有哪些？有哪些具体分类？&&&&&&&&第二章全球变化学&&&&全球气候异常；土地荒漠化日趋严重；淡水资源短缺；森林锐减、生物物种减少；酸雨蔓延；温室效应诱发的全球增暖；臭氧层破坏等一系列重大而紧迫的环境问题困扰着人类社会。从科学上看，全球性环境问题是地球系统整体性行为的结果，涉及到地球系统各层圈的相互作用，生命系统与无生命系统的相互作用，以及地球系统中三大基本过程（物理、化学和生物）的相互作用，最终影响到地球可居住性这样一个重大战略性问题。&&&&&&&&第一节全球变化学的概念&&&&一、定义&&&&全球变化学是研究地球系统整体行为的一门科学。它的主要目的是了解地球系统是如何工作、如何运转的；研究地球系统过去、现在和未来的变化规律和控制这些变化的原因和机制，从而建立全球变化预测的科学基础，并为地球系统的管理提供科学依据。这些重大的全球环境问题已经远远超过了单一学科的范围，迫切要求从整体上来研究地球环境和生命系统的变化，从而提出了地球系统的概念，它是由大气圈、水圈、陆圈和生物圈组成的一个整体。观测技术的发展，特别是卫星遥感技术的发展，提供了对整个地球系统的行为进行监测的能力；计算机技术的发展，为处理大量的地球系统的信息，发展复杂的地球系统的数值模型提供了工具。技术的发展加上自然科学各分支学科自身的进步，到了今天才有可能从整体上、从学科间的相互作用来研究地球系统和它的变化。全球变化学的理论基础是地球系统科学（earthsystemscience）理，它是研究地球系统各组成部分之间的相互作用，发生在地球系统内的物理、化学和生物过程之间的相互作用，以及人与地球系统之间的相互作用的一支新兴学科。它以&&&&29&&&&&&&&&&&&整个地球为研究对象，但并不是一门凌驾于所有地球科学、环境科学和宏观生物学之上的“超级学科”，而是以学科之间的交叉地带作为其主要研究领域的一门交叉学科。从90年代开始，全球变化将开始一系列的核心计划，成为未来10－20年世界科学最活跃的一个研究领域。估计核可能在学科之间的交叉地带产生许多新的思想和理论，并在物理、化学和生物过程相互作用的基本理论方面有新的突破。同时，由于交叉、综合、相互作用过程研究的需要，可能在学科研究方法上产生重要的变革。&&&&&&&&二、全球变化研究计划概述&&&&全球变化研究是本世纪80年代以来国际科学界所组织的意义深远、规模最大的一项合作研究计划，涉及地球科学、宏观生物学、天体科学、遥感技术等众多的自然科学和社会科学学科领域，具有高度综合和交叉学科研究的特点以及跨世纪的影响，代表了当今世界科学的发展趋势，吸引了全世界众多的科学团体和科学家的积极参与。1、全球变化研究计划&&&&&&&&世界气候研究计划（WCRP）国际地圈－生物圈计划（IGBP）全球环境变化中的人类因素计划（HDP）&&&&WCRP着重研究气候系统中物理方面的问题，IGBP则着重研究地球系统中的生物地球化学问题。HDP着重研究全球变化过程人的因素。2、全球变化学现阶段主要研究内容如下：（1）全球大气化学与生物圈的相互作用。主要研究全球大气化学过程是如何调制的？生物过程在产生和消耗微量气体中的作用，预报自然和人类活动对大气化学成分变化的影响。（2）全球海洋通量研究。主要研究海洋生物地球化学过程对气候的影响，及其对气候变化的影响。（3）全球水文循环过程的生物学特征。主要研究植被与水循环物理过程的相互作用。（4）全球变化对陆地生态系统的影响。主要研究气候、大气成分变化和土地利用类型变化对陆地生态系统的结构和功能的影响及其对气候的反馈。（5）全球变化史的研究。重建2000年来，以及一个完整冰期一间冰期循环的全球环境变化，了解它们与地球内部或外部作用力的关系。3、主要的研究手段和技术路线是：（1）发展全球分析和模拟。借助于全球模式来定量分析地球系统内物理、化学和生物过程的相互作用，估计未来变化的可能影响。（2）建立全球资料和信息系统。建立全球变化研究需要的全球资料和信息的处理，贮存、交流系统，特别要发展全球变化的空间遥感观测能力和资料的处理能力。（3）建立区域研究中心。在全球的代表性生态系统区域，主要在发展中国家建立全球变化的区域研究中心。它们的功能是生态环境的长期监测、特殊问题的试验研究、科学技术人员的培训以及区域资料交换等。&&&&30&&&&&&&&&&&&第二节与全球变化研究相关的几个问题简述&&&&1第四纪(Quaternary)&&&&1829年，法国地质学家德努尼尔所创(Desnyers)1839年，莱伊尔（C.Lyell）把第四纪分为两个阶段：更新世(Pleistocene)和现代（Recent）1869年,基尔瓦斯（Gervais）提出全新世（Holocene）1881年第二届国际地质学会正式采用第四纪一词，第四纪分为更新世（代号Qp）和全新世(Holocene)第四纪是新生代的第二个纪，包括更新世和全新世两个世。是地质历史上最新的一个纪，它是地质历史上发生过大规模冰川活动的少数几个纪之一，又是哺乳动物和被子植物高度发展的时代，人类的出现是这个时代最突出的事件。&&&&&&&&因此也有人称第四纪为人类纪或灵生纪。&&&&&&&&2第四纪冰期&&&&又称“第四纪大冰期”。第三纪末，气候开始转冷，第四纪初期，寒冷气候带向南迁移，使高纬和高山地区进入冰期，并广泛发育冰盖或冰川。第四纪冰盖的规模很大，在欧洲，冰盖南缘可达北纬50°附近，在北美，冰盖前缘一直伸到北纬40°以南，南极洲的冰盖也远比现在大得多，包括赤道附近在内的地区的山岳冰川和山麓冰川，都曾下达到较低的位置。我国第四纪冰川作用的范围，不仅包括东北、西北、西藏和西南等地的山地和高原，而且波及到东部山区和山麓平原。这次大冰期，至少可分为四次冰期和三次间冰期。在最大的一次冰期中，世界大陆有32％的面积为冰川所覆盖，大量的水份停滞在大陆上，致使海平面下降约130米。在第四纪冰期中，气温平均比现在低3－7℃左右，雪雨降量也比较大，不但高纬度地区为冰川覆盖，就是中纬度地区也出现了寒冷气候，并在山区发育山岳冰川。但是，并不像灾变论者所说的那样，生物会全部消灭。相反，从人类发展历史来看，原始人类就是在第四纪冰期和间冰期的气候变化中，同自然界严寒条件的激烈斗争，发展成为现代人的。&&&&&&&&3冰后期&&&&第四纪大冰期最后一次冰川退缩后至现在的一段时期,即全新世。末次冰期后世界气候转暖,世界上大多数地区进入冰后期阶段，这时冰川逐渐向高纬度或高地后退，但是世界各地冰川退缩的时期并不一致,因此冰后期开始的时间也不相同,据近年同位素年龄研究的结果,中纬度地区的冰后期从1万年前开始。欧洲北部、波罗的海沿岸的冰盖从1万年前开始向北退却,公元前6500年退到瑞典中部。就全球而论,一般认为晚冰期结束就是冰后期的开始,大约是1万年前,也就是说一般将冰后期与全新世作为同义语,前者指气候时期,后者为地质时期。&&&&&&&&4古土壤&&&&一般是指地质历史时期形成的土壤。古土壤主要是第四纪时期形成的，偶而也见于第三纪地层中。更早时期的土壤一般均已石化，不再称为古土壤。因此，古土壤可以作为划分第四纪地层的一种标志。&&&&31&&&&&&&&&&&&一个保存完整发育完全的古土壤剖面，和现代土壤剖面一样，自上而下可以分为淋滤层、粘化层与淀积层。典型的古土壤呈暗灰棕色或浅红棕色，古土壤的下部碳酸盐淀积层位于未风化的黄土母质的顶部,剖面中的黄土和古土壤的交替。剖面中的黄土和古土壤的交替，反映了黄土高原形成环境从植被贫乏的半荒漠到植被稠密的树丛草原的变化，可以看作是古湿度和古风速波动的纪录，然而它更与当时地面的有效湿度变化有关，这种地面湿度控制了植被的密度，从而可视为地区降水量和蒸发量的代用纪录。&&&&&&&&5黄土&&&&黄土是第四纪时期的重要堆积物，其对于古环境的恢复具有极重大的意义。黄土是第四纪以来气候变迁的忠实记录,近年来利用黄土开展古气候研究。主要由粒径0.015～0.05毫米的粉细石英颗粒组成，一般呈灰黄、红黄及棕黄色。黄土富含易溶盐及钙质结核，质地松散，具有肉眼可见的大空隙，不具层理，具有独特的地质、地貌特征。典型黄土又称为原生黄土，多数人认为是风积物。黄土中若具有层理且夹有多量砂粒或粘土成分时，又称为次生黄土，它是原生黄土经流水冲刷搬运后再沉积的黄土。黄土呈断续带状分布在南、北半球的中纬度地带的大陆内部温带荒漠或半荒漠地区的外缘。我国西北和华北地区黄土广泛分布，是世界上黄土分布最广、厚度最大、类型最复杂的一个地区。其面积达60万平方公里，厚度一般为20－30米，最厚可达200米左右。&&&&&&&&6磁化率&&&&现在磁化率被认为是反映气候变化的一种指标之一。黄土和古土壤中的磁化率是它们在人工弱磁场被感应的磁性度量，黄土和古土壤中的磁化率信号的主要载体为非常细（＜1μm）的颗粒部分，其中，磁铁矿和磁赤铁矿对磁化率有着主要贡献，因为这些＜1μm的单磁畴颗粒所具有的超顺磁性显示了高磁化率值。这些非常细的磁铁矿颗粒可能来自沙漠源区的粉尘、高纬度的火山尘埃、高层大气的气溶胶物质、沉积区成壤过程形成的磁铁矿以及宇宙物质等。&&&&&&&&测量方法：一般用磁化率仪以5～20厘米间隔在地层剖面上进行测量，得出黄土磁化率随深度变化的曲线。研究结果发现古土壤层的磁化率值要比黄土层的为高。&&&&&&&&磁化率的物理意义：&&&&一种认为，由于磁性矿物堆积速率在千年尺度上是恒定的，黄土序列中磁化率的变化主要反映了来自地质源区的粉尘堆积速率的变化，即磁化率高，粉尘堆积速率慢，发育古土壤；低磁化率值则指示了加快的粉尘堆积速率，形成黄土。第二种认为，古土壤磁化率值之所以高于黄土，在于土壤中细粒磁铁矿是成壤过程中的就地产物，磁化率值的高低，指示了成壤或成土作用的强度。由于粉尘堆积作用与成壤成土作用在黄土或古土壤形成过程中是相互联系又相互制约的两个方面，也即粉尘堆积速率快，成壤强度小，反之则成壤强度大。&&&&32&&&&&&&&&&&&可以将黄土和古土壤的磁化率值作为成壤作用强度或粉尘堆积速率的一种度量。当降水较多蒸发较少时，源区和沉积区的植被密度和土壤湿度较大，土壤中含有磁铁矿的细颗粒组分浓度高，磁化率高；反之，降水较少，植被密度和土壤湿度小，较粗颗粒的粉尘堆积速率增加，磁化率值低。从某种意义上说，黄土和古土壤的磁化率可作为衡量降水量甚至土壤湿度乃至季风强度的一种敏感参数或代用指标。&&&&&&&&7古气候旋回形成机制假说&&&&为了解释冰期—间冰期气候旋回，已经提出了众多学说。1、一类假说涉及气候的外部系统，主要是地球接受太阳辐射的多寡。1)如太阳辐射说认为，太阳辐射的输出量发生过周期性变化；或认为星云周期性地遮蔽了阳光，减少了到达地球的太阳辐射量。2)地球轨道变动说认为，即使太阳输出的能量不变，随着地球轨道几何形态的周期性变化，地球上不同纬度不同季节所吸收的太阳能量也会发生周期性的变化。3)火山尘埃说：大量火山爆发时，火山灰吸收和散射阳光会导致气候变冷。4)地磁场变动说：气候波动与地磁场强度及地磁场倒转有关。2、还有一类假说牵涉到地球气候系统的某些内部因素及其反馈作用1)先热后冷说：当暖流进入北极地区时，会导致降雪量增大，形成冰盖；冰进伴随着海平面下降，致使北上的暖流受到海底岭脊的阻碍，冰雪反射使气候变冷。也会减小降雪量导致冰盖后退；融化的冰水使海面回升，暖流可再度进入北极区使冰盖扩展。2)造山运动说认为，山地抬升至雪线以上形成冰川，进而通过反射率升高使气候变冷。3)CO2的温室效应学认为，藻类等植物的大量繁殖，消耗CO2，引起冰期来临；而CO2的耗竭和温度下降使植物死亡腐烂，又会导致CO2重新积聚，进而引起温度上升。&&&&&&&&8米兰科维奇理论&&&&上世纪二、三十年代，南斯拉夫米兰科维奇提出，地球轨道形态变化导致北半球高纬度地区夏季日射率发生周期性变化，是引起冰期－间冰期变化的主导因素。控制地球表面日射率的轨道参数有三个，即轨道偏心率（e）、地轴倾角（ε）和岁差（P）。在月球和其它天体微小引力的影响下，地球轨道参数发生周期性的变化。偏心率（eccentricity,e）地球椭圆形轨道的最长直径与最短直径之差与赤道半径之比，指轨道偏离正圆的程度,变化在0.005-0.06之间。地史上存在10万年、40万年两种变化周期。冰期均发育于e的最小值，相当于日地距离增加而日照量减少。&&&&&&&&33&&&&&&&&&&&&目前地球轨道的偏心率为0.0167。偏心率越大，季节长短的差异越大。地轴倾角（即黄赤交角或斜度（obliquityofecliptic,ε））黄道面与天赤道面的交角，即地轴与地球轨道面夹角的余角。ε现在约23?26’。地质历史上存在4万年±的周期，其ε值变化于22?02’～24?30’之间。ε值增大，使冬、夏温差增强，即冬季更冷夏季更热。因此，在黄赤交角较小时，夏季相对较凉，有利于出现冰期。&&&&&&&&图2—2黄赤交角岁差（precession,P）由于月球和太阳对地球赤道鼓起部分的吸引，地球自转轴的方向环绕与黄道面的垂直轴作缓慢的进动，在空间上描绘出一个圆锥面，地轴绕完一圈约需26000年。这种现象叫岁差。最近一次岁差周期约2.5万年，地质历史上1.9～2.3万年（平均2万年）值变化对赤道带气候影响较大，对两极高纬区影响较小。。P&&&&&&&&图2—3陀螺和地轴的进动&&&&34&&&&&&&&&&&&9新仙女木事件（youngerDryas,简称Y.D.事件）&&&&新仙女木期是冰期向全新世过渡中发生的一次最重要的气候回返事件。这是在末次冰期冰消过程中冰川突然短暂前进的阶段。在晚冰期后的急剧升温过程中，大约在距今11～10ka，气候突然出现短暂（持续约1.3ka）的逆转，这一现象被称为YoungerDryas事件（简称Y.D.事件）。全球性的Y.D.事件已先后被北大西洋、赤道太平洋、红海中部的巴巴多斯等地区的深海沉积物记录和海平面变化所证实。格陵兰冰岩心、深海沉积物中都有新仙女木期寒冷气候的标志发现。此外，欧洲的Gerzensea、Chirens、Fanlensee湖、非洲的Ziwayshala湖和撒哈拉以南的Bosunti湖，以及格陵兰冰芯和南极Vostok冰芯等也记录了这一事件。地处亚洲季风区的中国同样也发现了这一事件的存在。在中国还表现为在冰消期海平面上升背景上一次短暂的海平面下降过程。&&&&&&&&10厄尔尼诺现象&&&&厄尔尼诺现象发现已有一百多年的记载，最早出现在赤道附近的秘鲁、智利等国沿岸海域，每年圣诞节前后(12&&&&&&&&月到次年2月)，这一带海域的海水温度上升异常，雨量加大，鱼类大量死亡，这种冷暖生态不平衡现象常发生在圣诞&&&&节前后，故被当地渔民称之为“厄尔尼诺”，在西班牙语中意为“圣婴”。厄尔尼诺现象可以出现在一年中的任何季节，但以春季为多，一般持续一年左右时间，其发生与变化也无规律可言，而且范围不限于秘鲁等国沿岸海域，它可扩展至赤道中、东太平洋的辽阔洋面，科学上将这种太平洋赤道一带的海水温度持续半年比一般年份高出0.5~2℃以上的大范围异常增温现象，定义为“厄尔尼诺”现象。厄尔尼诺现象出现前几个月，赤道洋面表层暖水大规模自西向东移动，热带多雨带也随之东迁。原来干旱的赤道太平洋东部降水量骤增，有时造成严重水灾。本为多雨的赤道太平洋西部地区却出现少见的干旱。由于赤道太平洋海水温度异常升高，使沿岸生物大批死亡或潜逃，海鸟因失去食物而迁徙。有时，暖水也从东向西移动，导致大范围海水增温。厄尔尼诺发生时间、频次、规模很不稳定。据统计,年的135年中,共发生30次厄尔尼诺现象,平均每4～5年发生一次；最近50年平均每3～2年发生一次；尤其是1991年以来已发生了4次,平均每2～3年发生一次。厄尔尼诺现象对全球气候和暴雨、洪水等自然灾害产生了重要影响。&&&&&&&&11拉尼娜现象&&&&又称反厄尔尼诺。拉尼娜与厄尔尼诺现象相反，在太平洋赤道海域发生的大规模海水异常低温现象。主要是由于暖水不断被送入西太平洋，导致东西海区的温差增加。这样，空气在西太平洋上升，而在东太平洋却下沉。这种纬向东流的加强使赤道信风越来越加强的结构发生作用，使东太平洋的水温出现显著下降。拉尼娜除对海洋环境产生直接影响外，对全球气候和自然灾害也产生广泛影响，只是影响程度和发生次数均低于厄尔尼诺现象。自1954年以来共出现12次拉尼娜现象，平均3～5年发生一次；1991年以后只发生2次。对拉尼娜现象的认识同厄尔尼诺现象一样，还在不断深化。&&&&35&&&&&&&&&&&&第三节过去全球变化研究中的几个时间段&&&&过去全球变化主要集中研究的时间段为：250万年、15万年、2万年、及2000年。其原因为：过去250万年是北半球高纬度冰盖形成，并进入冰期与间冰期多次交替的时段，也是全球从末次间冰期、末次冰期到冰后期的时段；过去2万年是地球经历了末次盛冰期到冰后期的时段；过去2000年是包括了小冰期及其结束后人类进入工业发展的时代。自然环境演变过程中保存的黄土、湖积物、沙漠沉积、冰芯、海洋沉积、树木年轮、以及地层中的生物遗存和有关历史记录等，是过去气候和环境从季节到千年、万年时间分辨率不等的变化记录。从这些记录中可以提取地球系统中生物、物理化学过程相互作用的信息，提取陆地生态系统中植被、土壤、大气相互作用的信息，研究自然因素和人为因素相互作用的信息，目的在于理解现今气候和生存环境在自然演变过程中所处的阶段和位置，从而为它的发展趋势和预测研究提供背景资料。因此，气候变迁时间序列的建立和替代性气候指标乃至气候要素值的复原，是古气候和古环境研究中基础性的关气键环节。&&&&&&&&一、放射性衰变和地质年龄测定原理及前提&&&&不稳定原子核自发地放出各种射线的现象称为放射性，由α、β、γ三种射线组成。α是高速运动的42He核粒子流；β是高速运动的电子流或正电子流；γ是波长很短的电磁波。能自发地放射出各种射线的同位素称为放射性同位素。放射性同位素放射出α或β射线而发生核转变的过程称为放射性衰变。衰变前的放射性同位素叫母体，衰变过程中产生的新同位素叫子体。&&&&&&&&1、放射性衰变方式&&&&在自然界不稳定核素的自发衰变方式主要有以下几种：(1)α衰变原子核自发地放射出α粒子而转变为另一种核的过程为α衰变，它是重核的特征，只有质量数A140的原子核才有，特别是原子序数Z82和质量数209的放射性同位素，则以α衰变主。&&&&AA-44ZX→Z-2Y+2He+QRa(镭)→86Rn(氡)+2He&&&&&&&&(2)β衰变原子核自发地放射出β粒子的过程称为β衰变，β粒子包括正电子和负电子。&&&&&&&&β-&&&&&&&&A&&&&&&&&Z&&&&&&&&X→&&&&&&&&AZ+1&&&&&&&&Y+e+υ+Q&&&&&&&&_&&&&&&&&质量数不变，序数加1&&&&&&&&β+&&&&&&&&A&&&&&&&&X→Z&&&&&&&&AZ-1Y&&&&&&&&+e++υ+Q&&&&&&&&质量数不变，序数减1式中，e_为负电子，e+为正电子，υ为中微子。(3)电子捕获原子核从核外电子层中捕获一个轨道电子的过程称为轨道电子捕获－K层捕获。&&&&36&&&&&&&&&&&&A&&&&&&&&X+e_→Z&&&&&&&&AZ-140&&&&&&&&Y+υ+QAr&&&&&&&&40&&&&&&&&K+e_→19&&&&&&&&18&&&&&&&&此外，还有γ衰变和核裂变等方式&&&&&&&&2、放射性衰变定律&&&&衰变反应与化学反应不同，具有其特殊性质：(1)核内部反应；(2)衰变自发持续进行，母核素按恒定比例衰减；(3)反应不受T、P和原子存在形式影响，母体和子体的数量只是时间的函数。据此，可归纳出放射性衰变速率定律：单位时间内衰变的原子数与现存放射性母体原子数成正比或衰变速率正比于现存母体原子数：&&&&&&&&－（dN/dT）=λNλ=－（dN/dT）·（1/N）&&&&&&&&(1)(2)&&&&&&&&式中dN/dT为衰变速率，λ为衰变常数，为单位时间内发生衰变的原子数的比例数，单位为d-1、s-1等。对（1）式从0到t积分：&&&&&&&&Ln（N/N0）=-λtN=N0·-λte&&&&（3）&&&&&&&&N0为t=0时衰变母体原子数。设衰变产物原子数为D*D*＝N0－N&&&&&&&&D*＝N0(1-e-λt)=N(eλt-1)&&&&&&&&（4）&&&&&&&&半衰期τ为放射性的母体衰减到初始值一半时所需用的时间，即当&&&&&&&&N＝1/2N0时，τ＝Ln2/λ=0.693/λ&&&&&&&&3、同位素计时原理及前提&&&&当矿物或岩石在一次地质事件中形成时，放射性同位素以一定的形式进入到矿物内，以后不断衰减，随之放射成因的稳定子体逐渐增加，因此只要系统中母体和子体的原子数变化归因于放射性衰变，那么通过准确测定岩石、矿物中的母体和子体的含量，就可以根据放射性衰变定律计算出该岩石或矿物的地质年龄。这种年龄测定称作同位素计时或放射性计时，计时的基本原理就是依据天然放射性同位素的衰变规律，由此测定的地质事件或宇宙事件的年龄即为同位素年龄。&&&&37&&&&&&&&&&&&同位素计时的前提：(1)λ需精确测定，并且衰变的最终产物是稳定的；(2)样品及其测得的N和D值能代表想要得到的年龄的那个体系；(3)已知母体元素的同位素种类和相应的同位素丰度，并且无论是在不同时代的地球物质中，还是在人工合成物中，甚至在天然样品中，这些同位素都有固定的丰度值；(4)体系形成时不存在稳定子体（中间子体也不存在），即D0＝0，或者通过一定的方法能对样品中混入的非放射成因的稳定子体的初始含量D0作出准确地扣除、校正；(5)岩石或矿物对于母体和子体是封闭体系；(6)需用高精度、高灵敏度的测试技术和方法。&&&&&&&&二、时间序列的确定方法&&&&1）14C法&&&&天然14C是在大气层上部，宇宙射线产生的中子（n)与大气中的氮核（14N）发生核反应的产物，其反应式为：&&&&1414&&&&&&&&N＋n&&&&&&&&C＋1H&&&&&&&&⑴&&&&&&&&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充分混合后扩散到整个大气层中。大气层中CO2通过与溶解于海水中的CO2的交换，以及通过植物的光合作用，动物对食物中碳的吸收等，使水圈与生物圈中都存在着宇宙辐射成因的14C。氮是大气中比较丰富的元