Question

地球科学研究的一个新方向

Answer 1

吴功建　李家熙　黄怀曾

（中国地质科学院，北京　100037）

摘要　区域地球化学在农业和生命科学上的应用项目，是从全球变化观点出发，将地球科学应用于农业和生命科学。它的结合点是地球化学元素。它是一项复杂的系统工程。通过研究编制出了一套自成体系的《中国生态环境地球化学图集》，提出了一些新认识，为我国国民经济的宏观决策提供了量化的科学依据。

关键词　区域地球化学　全球变化　生物环境地球化学

前言

目前地球科学的发展表明，有两大趋势非常引人瞩目。①多学科的相互交叉，相互渗透，从而产生新的边缘学科；有时一个学科的难题，需要其他学科的配合和共同解决，才能有所突破，有所前进。②积极开展国际间的合作，因为重大科学问题的解决，往往具有全球性，单靠一国或少数国家的科学家是不够的。

地球科学从20世纪50年代末起，率先开展了国际地球物理年，60年代实施了国际上地幔计划，70年代实施了国际地球动力学计划，80年代是国际岩石圈计划，1987年在加拿大温哥华召开的第19届国际大会测量和地球物理联合会的会前会上，科学家讨论了地球科学往何处去的问题，专家们提出了全球变化的课题。原国家科委要求“区域地球化学在农业和生命科学中的应用”项目要有高起点，就是要我们与当前地球科学的研究前沿相接轨。项目应从全球变化观点出发，将“四个圈”结合起来。

岩石圈是人和－切生命的栖息生长之地。它是由地壳及地幔最上部所组成，即大家熟知的地球板块，其下是软流圈，对板块起着润滑移动作用。在岩石圈的表层有一土壤圈，它基本上是由其下母岩风化而成。岩石由火成岩、沉积岩和变质岩三类组成，土壤层的化学成分主要是取决于母岩的成分。在岩石圈之上，还存在一个包括海洋、江河湖海溪及地下水的水圈，它可以分解岩石中的矿物，形成离子状态；作为地球化学元素迁移的载体，元素分散或富集；进入食物链，被人体吸收或排泄。在岩石圈外围还包括有N、O、He、Ne、Ar、CO₂和水蒸气的气圈。这四个圈不是彼此孤立的，而是相互联系的，相互作用的，在它们之间存在物质与能量的交流。用全球变化作为项目的指导思想，是引人入胜的，因此它具有前瞻性。

1　多学科的结合点

项目包括地球科学、农学和生命科学，是多学科的综合研究，必须寻找出结合点，才能作到相互补充，发挥各学科的优势，逐步去形成一门边缘学科。利用地球化学元素作为结合点，是因为一切物质的基本单元是化学元素。已知人体几乎含有周期表中自然界存在的所有元素，在地壳表层中已知存在90多种元素，似乎在人体内均可找到。从农业看，不仅需要主量元素养分，而且还需微量元素养分，才会使农业获得最佳产量和改善其品质，也就是说地球科学与生物科学的交叉是通过化学元素来进行的，而微量元素又是一个刚刚开垦的处女地，是我们研究的重点。

20世纪60～70年代，英国地球化学家Eric Hamitton测定了220例英国人体组织中的化学元素（从H到U）的含量，并与岩石中各化学元素的丰度作了对比。两组丰度有惊人的相似性，这是由于人体通过新陈代谢和其生活环境进行物质和能量交换的结果。为此，我们把生命元素、养分元素与微量地球化学元素作为多学科的结合点，从而保障了综合研究的顺利进行和能够取得预期的成果。

2　目的、内容与特点

本项目研究的目的在于促使我国国民经济的持续稳定的发展，整治环境，力争取得最佳农业生产效果和品质的改善，提高人民的健康水平，为国家进行宏观决策提供量化的科学依据。

研究内容：主要是在岩石圈、水圈和气圈中的空间分布，运移规律，及在农学和生命科学中的作用与机理；探索化学、生物与物理间的相互作用和能量交换；及方法与技术的研究。

本项目的研究特点如下。

（1）用已有的巨量数据做生态环境新领域的研究，包括1:20万区域化探扫面数据；1976年死亡率调查及新的抽样调查数据；土壤有效态及土壤地球化学新旧数据；水文地球化学数据；人发、血液、尿、膳食数据；有关典型地区数据。

（2）充分利用、开发并完善计算机处理软件技术和测试技术。

（3）实行了部门内和部门间的数据共享，做到这点，靠各部门领导的大力鼎助。

（4）采取点面结合，选择了北京、山东、安徽、云南腾冲和浙江杭嘉湖等典型地区的区域地球化学特征，及其对农业与健康影响的实用性研究。

（5）把地球化学分区、元素区域分布规律、浅层地下水地球化学分带、土壤的重新分类、养分元素从土壤和溶液摄入到植物的转移过程、主要地方病的地球化学作用等基础研究，应用到主要农作物和名、特、优产品适应能力上，以提高产量和改善品质，增大经济效益；应用到人体健康方面，以提高人类生存质量和生活环境。

（6）把科研成果与开发结合起来。

在开展地球科学、农业和医学综合研究的基础上，把岩石、土壤、浅层地下水、农作物、摄入物和人体健康结合成一个新的链条，它的研究实际上是一项繁杂的系统工程。

3　预见未来，发展生产力，提出科学依据

利用区域地球化学数据库提供的极其丰富的信息，深入研究了区域地球化学元素分布的规律，及其循环和运移过程，提出合理方案。在发展生产力的同时，也改善了生态环境，并可预见未来，作出正确决策，这样的研究将具有深远的意义。

农民是靠充分利用土地资源存活、改善生活和脱贫致富的。土壤是养分元素供给的地方，而土壤中微量元素的主要来源是母岩，即风化的基岩或经过风、水、冰川活动搬运的覆盖层。因为地壳95%是火成岩，它可以提供Cu、Zn、Co、Mn等元素的来源；5%是沉积岩，它覆盖在火成岩之上，其中的页岩，通常含有大量微量元素，如黑色页岩可提供Cu、Pb、Zn、Mo和Hg等微量元素。在矿化地区，则可使农业作物发生重金属的污染，从而危害人体健康。已知土壤的特性，如pH值和Eh值，都会影响土壤中微量元素的分布、存在形式和活动性。为此，我们以土壤的成因和演化重新划分了土壤类型，不同于以往以生物和气候条件为依据划分的土壤类型。新土壤类型的划分，对发展我国农业具有重大意义。

编制与农业有关的地球化学元素图，它可以指出主要养分元素与微量养分元素在区域内的丰缺状况，从而告诫人们不要在元素已丰的地区再施加同元素的肥料，以免造成浪费。然而通过实践和研究使我们知道事物并不这样简单，尽管元素虽丰，未必能为植物所吸收。为此，我们开展了元素有效态的研究，以及研究土壤－植物－动物体系中元素间的累积、协同和拮抗作用。这种地球化学元素图和土壤有效态图，对规划一个省的农业，实行科学耕种，将具有重大的经济意义。山东省在查明自然地理条件和农业资源的基础上，根据社会经济发展水平和技术条件，结合生态环境地球化学特点，因地制宜地制定出山东区划，我们在济南召开了现场会议，推广了这一经验。

我国名特优产品在国际竞争中不占优势，天然植物药材也因生态环境的改变而不那么“地道”了，这大大影响了果、茶、烟、药的经济效益。根据研究，名茶产于酸性、高钾以及有效性锌、铜、硼等微量元素较高的土壤中；优质烟草则产于中性、碳酸钙含量低、钾素供应充足，有效性B、Mn、Cu、Zn较高的土壤中；优质柑橘则生长于酸度适中，盐基组成中Ca、Mg较丰富，有效性Zn、Cu、Mo和B比较丰富的土壤中；大部分中草药，约有4800多种集中产于铁铝土区，如龙脑香、罗汉果、山奈、浙八味、川贝母、杜仲、三七等。我们对柑橘营养元素的循环和平衡做了研究，提出了营养元素配方，取得了显著的经济效益。若能根据名特优产品的土壤地球化学条件扩大种植，必将带来巨大的经济效益，也是一些地区脱贫致富之路。

4　改善环境，增强人民体质，提高生存质量

人体生命元素主要来源于食物链，即通过饮食、水、空气和药物等。人体内除常量元素H、N、O、C、Na、Cl、Mg、P、S、Ca、I外，微量元素则属痕迹元素，尽管其量甚微，但它们对人的生老病死及遗传代谢作用却有着极其重要的作用。

已知微量元素在人体生理上的功能大体是：①作为酶和某些维生素的活性因子；②参与激素的生理作用；③运载作用，如铁离子是氧的载体；④维持核酸的正常代谢，核酸又是遗传信息的载体。

然而，环境的变化，也会对人体产生不同程度的影响，通常可以调节人体的生理功能来适应生活环境的变化，如果这种变化超过人体的适应能力，将会引起人体功能、生理和结构的变化而生病，或者死亡。在地质环境中某些元素含量偏高或偏低时，通过食物链，人体也会患病，通常称为地方病，亦称地球化学病。

4.1　地方病与地球化学元素

在研究地方病与微量元素之间的关系时，我们着重研究了氟与地氟病，硒与克山病和大骨节病，碘与碘缺乏病之间的关系。

4.1.1　对氟的致病机理作了进一步探讨

氟中毒，以水源型最为广泛，氟骨病患者约104万人，氟斑牙患者约212万人，全国受困扰的约7274万人，几乎涉及我国各省、市、自治区。以往人们认为长期饮用氟含量大于1mg/L的水，当水中氟高时，可导致水氟中毒。此次通过华北典型地区的研究表明，在浅层地下水中氟的组分存在形式有10种，其中以F^-、MgF⁺和CaF⁺三种为主。高氟地下水以吸附性氟为物源，通过蒸发浓缩作用而成，氟浓度随矿化度的增加而增加。非均质土体氟迁移富集动态模拟实验表明，随矿化度增大，碱性水体中游离氟浓度增高，酸性水溶液以络合物为主，氟总浓度下降。黄淮海平原以北地区氟浓度大于1～2mg/L。在土壤中氟含量南方高北方低，而水氟含量则正相反，尤以盆地、低阶地、平原薄地氟病最严重。此外，在萤石、磷灰石矿区中氟的含量甚高；燃煤中的氟，以及茶中的氟，均可引起氟中毒。

4.1.2　硒与克山病和大骨节病

我国克山病和大骨节病主要分布在东北三江到西南三江地区，以棕褐土系为主的地带内。1959～1980年间年平均发病率为8.3/10万，以10岁以下儿童和育龄期妇女为主；大骨节病患者达176万人，以儿童和少年为主。

从区域地球化学特点看，土壤偏中性，Se、Zn、Fe、P、Mn有效含量偏低，Se小于0.025mg/kg，食物摄入Se32.7～38.0mg/（人·天）人发Se小于0.20μg/g，血液中Se0.030μg/g;Zn、Mn分别低于0.50mg/kg和2.0mg/kg,Fe为4.5～10.0mg/kg，中偏低。病带内Cu、Zn、P和Mn均低于全国平均水平，从而表明生物地球化学环境是诱发克山病和大骨节病的主要因素。为了更进一步探讨致病机理，我们与英国地调研究所进行了合作。

4.1.3　碘与碘缺乏病

我国碘缺乏病约有4.25亿人，占世界病区人口的40%。除常见的地方性甲状腺肿瘤和克汀病外，最主要的危害是影响胎儿的脑发育，导致儿童智能和体格发育障碍，还可导致流产、死产和先天畸形等。

一般来说，碘缺乏病，山区人多于平原人，内陆人多于沿海人。碘含量为0.2～0.8mg/kg，偏低。碘缺乏病可分以下5种环境类型：①山地、丘陵碘淋溶型，碘浓度极低，如天山、秦岭；②泥炭沼泽碘固定型，碘虽丰，因被吸附固定，不易析出，碘浓度偏低，如东北三江；③沙土渗漏贫碘型，如沙漠边缘，大河道；④石灰岩碘低度型，因水中多是离子，阻碍碘的吸收，还可加速碘的排泄，如云贵石林区；⑤碘过剩型，由井水碘高达10000μg/kg，及地势低洼而成高碘病区，如山东滨州、山西孝义等。

我国采取食盐中加碘的办法，可以改善碘缺乏病。为配合国务院“2000年我国消除碘缺乏病”的目标，我们在安徽太和县开发了“华典碘矿泉水”和山东梁山水浒108矿泉水。研究表明，饮用天然碘矿泉水是除碘盐以外的最有效的补碘途径，碘矿泉水是宝贵的资源。

4.2　主要恶性肿瘤与体内地球化学元素

我国居民恶性肿瘤死亡率呈现出明显的区域分布特点，各部位别恶性肿瘤具有一定聚集性。肺癌、乳腺癌、结肠癌和白血病在我国东部沿海地区、长江中下游和东北工业发达地区相对高发，胃癌、食道癌在内地和沿海山区相对高发，肝癌、鼻咽癌死亡率从东南沿海向西北内陆逐步降低。

通过相关回归分析表明，人发中Fe、Cu、Co、Se、Mo、Mn等元素含量与当地恶性肿瘤死亡率呈负相关；Pb、K、As、Cr、Ca等元素含量与当地恶性肿瘤死亡率呈正相关。逐步回归分析表明：肺癌、白血病等与Pb、As、K元素相关；胃癌、食道癌与Fe、K元素相关。癌症除氡外，很少与单一元素相关，多是与元素组合相关。癌症病理因素复杂，与环境污染有关，还有待进一步深入探讨。

肺癌与放射性氡的关系，已被国际广泛注意，主要证据来自矿山工人流行病学（因为只有受氡的超常辐射才能被测出来），还得考虑被研究人群的死亡率或病变率增加的其他因素，如不考虑吸烟和工作环境中其他致癌物的作用，那么剩下很少一部分肺癌可归咎为氡辐射。近年来，联合国卫生组织已将氡列为致癌的物质之一。

曾对北京、崂山、黄山、东南沿海等地开展调查与研究，我们特别关注了室内氡害。因城市人大部分时间是生活在室内，因此室内氡及子体对人体的危害是近年来的环境热点问题。‘北京市室内氡平均浓度为20.3Bq/m³，在国家控制标准400Bq/m³之下，但个别地区超标。

4.3　膳食与地球化学元素

由于我国地域广大，土壤类型差异较大，经济发展水平相差大，从区域分布来看，膳食中元素摄入量差别较大。铁、锰、铜、磷的摄入量，南方略低于北方；钾北方显著高于南方；钠、钙、镁西部地区低于东部地区；东北三江至西南三江呈现硒、锌偏低带。总之，我国膳食的特点是高钠、低钾、低钙、低硒和低锌，应对我国现行饮食结构加以改善。

结束语

在地球科学研究中，探索化学、生物与物理间的相互作用及能量交换，将地球科学与农业、生命科学交叉进行研究，取得了可喜的进展和国际先进水平的成果。出版了一本自成体系的《中国生态环境地球化学图集》，共107幅图。我们清醒地认识到这只不过是迈出了万里长征的第一步，然而它显示出很强的生命力，以及很高的社会效益、生态效益和经济效益，是地球科学研究的一个新方向。