应用地球化学市公开课一等奖百校联赛特等奖课件.pptx

优异精品课件文档资料第1页第二部分第二部分生态地球化学调查理论基础与生态地球化学调查理论基础与工作方法工作方法第2页1.序言序言生态地球化学是近几年兴起一门新学科。在国内外尽管已经有较多生态地球化学调查实例研究，如俄罗斯在90年代早期开始多目标地球化学调查包括生态地球化学调查，我国江苏、山西、四川、湖南等省当前也在进行生态地球化学调查，但生态地球化学调查至今仍是一发展中新工作领域，相关这方面结果汇报和论文也极少见到。在谷歌 搜索引挚中“Eco-geochemistry”只有5个搜索结果(止于/02/01)；Ecology geochemistry只有116个结果(止于/02/01)；而“Ecological geochemistry”只有40个结果。第3页对对生生态态地地球球化化学学学学科科定定位位了了解解：生态地质学是研究人类系统与自然生态环境与社会生态环境之间相互关系科学；生态地球化学是生态地质学（地球科学）一个分支学科，生态学、地球化学交叉学科，主要研究元素在生物圈、岩石圈、水圈、大气圈系统内分布特点以及元素在各系统间迁移、运动和相互作用规律；同时包括开展生态地球化学研究有效研究方法及表示方法探讨；而生态地球化学调查是生态地球化学主要研究内容及研究伎俩之一；生态地球化学调查资料是区域生态系统布局规划、环境保护、人类活动功效区域布局规划主要依据，是开展生态地球化学研究主要基础。第4页生生态态地地球球化化学学调调查查理理论论及及方方法法：生态地球化学学科定位决定了指导和开展生态地球化学调查理论和方法为生态学理论、地球化学理论以及二者交叉融合可能形成真正属于生态地球化学理论和方法，当前人们在开展生态地球化学调查时主要借鉴是地球化学理论与方法，而系统生态地球化学理论和方法还在人们探索和形成过程中。第5页生态地球化学几个基本特点：生态地球化学几个基本特点：（1）学科交叉性：生态学、地球化学学科交叉，还包括地质学、土壤学、农、林业科学、种植科学、水文学、环境科学、医学、生物学、信息科学等。（2）研究对象广泛性：研究对象分属于生物圈、岩石圈表层、水圈、大气圈等。（3）研究内容复杂性：除了硕士态系统与相关物质体特征外，还重视不一样圈层中物质以及同一圈层内不一样物质间质量、能量传输、相互作用及随时间演化规律。（4）研究内容不足：局限于当代，局限于地球表层，局限于含有生态效应元素及地球作用过程。第6页国土资源部当前正组织开展多目标地球化学调查，而生态地球化学调查是其中一部分，相关人员实际已在开展生态地球化学工作，有不少实际工作积累和认识积累，并有理论和方法上探讨（如奚小环“关于区域生态地球化学评价若干意见”、杨忠芳“多目标地球化学调查”、湖南地质调查研究院“洞庭湖区多目标生态地球化学调查中第四纪地质工作方法”等讲话、汇报等），相信大家对他们思想观点都已经有认识，在此不再赘述；现将一些经过阅读文件和实际工作形成一些自己不成熟认识向大家作一介绍，因为这些认识完全是自我认识，虽有思绪较新特点，同时也不成熟之弊病，请多提意见。第7页2.生态地球化学调查相关理论生态地球化学调查相关理论21生态地球化学调查理论基础生态地球化学调查理论基础211地球表层、具生物效应元素对生态系统存在控制与影响作用第8页生态效应表现之一，是元素在人体中分布对健康影响，上表中标识为浅色元素是对健康必须元素；深色是有毒元素，而有些元素具双重性；生态地球化学调查元素主要局限于这些有生态效应元素。212具生物效应元素在地球表层分布、生态系统都有时空上差异性（不均一性）以及相互间联络性，这种差异性存在才使得开展生态地球化学调查含有必要性，而联络性使调查发觉规律成为可能。如图2.1,2.2,2.3表现元素空间分布不均匀与不一样生态系统间对应性（Dissanayake et al.,1998）。第9页图2.1.富Ni 蒙脱石土壤，几乎不长植物，土壤母质为蛇纹岩（斯里兰卡）第10页图2.2.热带环境中I元素在水圈、大气圈、岩石（土壤）圈内及之间地球化学循环第11页图2.3.风化层、风化带厚度、气候条件和水化学组分间 相关关系(after Pedro,1985)第12页22开展生态地球化学调查开展生态地球化学调查 应遵照基本理论应遵照基本理论221分布异常及异常差异理论分布异常及异常差异理论 对地球化学异常存在及成因已经有系统地球化学理论支持，但生态地球化学异常理论仍在发展中。主要存在问题是异常分类、异常标准确实定、异常形成机理均无系统理论支持，人们借鉴是地球化学与生态学理论，个人对此有以下认识：第13页u生态地球化学异常分类：地球化学异常分类主要包括是元素种类或元素组合异常；生态学分类主要应是生物种类及生态系统（包含种类及环境）异常；生态地球化学异常分类依据除考虑元素、生物种类及组合外，最主要应表达地球化学及生态多原因组合异常，其分类依据可有：元素（组合）-成因（天然-人为成因）元素（组合）-响应（生物、生态健康响应）元素（组合）-生物元素（组合）-景观元素（组合）-介质（土壤、水体、生物等）元素相态（组合）元素（组合）-环境（见图2.4：元素-pH,Eh值）。第14页图2.4.不一样地表环境（氧化、还原、酸性、碱性、潮湿、干旱）中必需及 有毒元素稳定及活性程度第15页元素元素-介质异常则使人们能直观了解元素异常载体及成因。介质异常则使人们能直观了解元素异常载体及成因。如Koval将多介质样品（水系沉积物、土壤、基岩、水体、积雪、植物）中Hg异常分为了5类：1）与基岩相关自然异常;2）与断层和裂谷相关自然异常;3）与工业和居住区相关技术成因异常；4）与淘金相关技术成因异常；5）离散流异常。第16页元元素素-成成因因异异常常可可使使人人们们非非常常明明了了知知道道生生态态地地球球化化学异常成因。学异常成因。如自然异常（naturalanomalies）和人为异常，如前者可有富硒-茶业异常，后者可有富铅-交通异常；还可有些人为与自然综合异常：如矿山开采形成异常。第17页222生态地球化学异常分类意义生态地球化学异常分类意义u更更准准确确突突出出生生态态地地球球化化学学异异常常实实际际及及特特征征：如图2.4只考虑元素种类或组合分布（丰度）异常，则不能反应其生态环境特征，而地学工作者可能且轻易选择元素种类或组合异常分类，结果我们能够有元素或元素组合异常，异常却不能表达其生态环境特征；所以是否可形成如“酸酸性性-Cr，Al”组组合合异异常常，非常明了说明酸性条件下，Al不活动性可使土壤中Al聚集，累积后会形成Al生态地球化学定时炸弹。第18页u明明了了异异常常成成因因：元素（组合）-成因（天然-人为成因）依据异常分类才能真正明了地表示元素异常形成原因；如只依据元素种类划分异常，则可能混同不一样成因异常，无法真正认识元素与生态间相关规律和有效对策提出。第19页u明明了了异异常常影影响响后后果果：元素（组合）-响应（生物健康响应）明确表示异常对生物影响后果，元素种类及量级对生物种类或生态环境影响后果存在差异，不一样元素异常会产生不一样生态效应，如钴、铜、汞、铅等元素与胃癌死亡率有相关性，所以将元素异常与生物效果结合划分异常则能非常明了地表示二者间关系和生态地球化学基本特点，如划分“硒硒-克克山山病病”异异常常，“氟氟-氟氟化化症症”异异常常，（Co,Cu,Hg,Pb）-胃癌异常（李文光胃癌异常（李文光,）。）。第20页u明明了了有有效效对对策策：正确明了生态地球化学分类将明确表示应对有害异常应采取办法；元素-生态效应异常分类可满足不一样对象要求，大大提升生态地球化学调查结果应用价值。第21页223生态地球化学区划理论生态地球化学区划理论区划约束生态地球化学异常空间分布格局。区区划划标标准准差差异异（空空间间区区划划、地地理理景景观观区区划划、功功效效区区划划、行行政政区区划划）会会造造成成不不一一样样生生态态地地球球化化学学异异常常格格局局，同同时时是是生生态态地地球球化化学学调调查查工工作作布布署署基基本本依依据据，同时对了解生态地球化学规律有约束作用；如以同位素体系为标准或元素异常组合划分，可有地球化学域或省，每个域或省边界是按同位素或元素体系标准值来确定；当前是以行政区划来指导生态地球化学调查工作布署，假如要了解生态地球化学自然规律则行政区划不是最正确选择，而地理景观区划则会有更佳效果；生态地球化学区划理论可起到指导人们依据需要从不一样角度开展生态地球化学调查布署，调查结果分析、规律表示工作。第22页如如空空间间区区划划能能够够有有生生态态地地球球化化学学局局部部异异常常和和区区域域异异常常，局局部部异异常常与与局局部部范范围围内内人人类类活活动动引引发发强强污污染染相相关关。这类异常普通含有异常强度大、浓集克拉克值（异常内元素均值/地壳克拉克值）高特点，使普通生物中毒，引发生物形态变异或生物群落发育特异种群(图1)；局部生态环境效应显著而较易识别，而区域生态地球化学异常作用范围巨大，对生态环境以及社会经济潜在影响是相当深远。如60年代，人们发觉不列颠岛15 000 km2范围内绵羊缺钴症，牛硒中毒、铜高引发缺钼症，家畜砷和铅中毒，人工云杉林缺铜症和缺锰症，谷物缺锰症正是区域生态地球化学详细表现。应用这项研究结果，有针对性地对农作物、家畜等补施/补充低缺元素，产生了显著效果。生态地球化学省异常作用效应并不显著，只有少数生态效应敏感元素才含有较显著省生态效应，如硒是含有敏感生态效应元素，其生态正常范围值很窄，组成我国主要地方病克山病生态地球化学省异常（图2.5）。第23页地理景观区划（表地理景观区划（表2.1）可使人们更清楚了解不）可使人们更清楚了解不一样生态系统内地球化学异常，真正表达生态地球一样生态系统内地球化学异常，真正表达生态地球化学特点与规律，而不是只反应元素特点，化学特点与规律，而不是只反应元素特点，还反应生物特点及二者规律纯空间分布区划；利用景观区划理论，生态地球化学调查观察及采样点布署将更符合生态地球化学本身特点及规律，如水域景观区划将指导人们依据水域空间分布及水生生态特点进行采样点布署。区区划划理理论论是是环环境境生生态态地地球球化化学学质质量量评评价价单单元元划划分分基础（邢诒基础（邢诒,）。第24页224多介质效应理论多介质效应理论生生态态地地球球化化学学特特征征或或事事件件能能在在多多介介质质中中产产生生效效应应，所所以以能能表表示示生生态态地地球球化化学学效效应应介介质质有有各各种种.如当代盐湖盆地内结晶体中包裹体可包裹蒸发成因自生矿物，还有大气粉尘颗粒，提供相关盐沉积过程中自然环境状态方面主要信息；欧洲一些盐湖中沉积物中发觉了切尔诺贝利核电站核泄漏产生放射性颗粒，天然盐可能是环境矿物学信息最主要起源之一；德国森林中磨菇反应切尔诺贝利核电站核泄漏事件；垃圾场内新生矿物形成反应了垃圾场物理化学环境条件；所以多介质效应理论启示我们开展生态地球化学调查可围绕工作目标灵活选取介质采样。第25页 图2.5.中国硒分布与克山病分布示意第26页多介质效应理论还反应不一样介质体内元素有不一多介质效应理论还反应不一样介质体内元素有不一样分布特点，所以生态地球化学异常必须有介质约样分布特点，所以生态地球化学异常必须有介质约束，束，这种约束是分析元素在不一样生态系统或与生态相关地球圈层间传输规律基础确保；如没有介质如没有介质约束元素异常不具对比性，无法表达生态效应；约束元素异常不具对比性，无法表达生态效应；单纯土壤化学异常不足以反应元素生态地球化学特点，土壤与其中生物体元素异常结合才真正表达了一定空间范围内生态地球化学特点，所以开展生态地球化学调查应依据工作目标注意多介质中元素分布调查。第27页225生态地球化学异常评价理论生态地球化学异常评价理论生态地球化学异常评价是生态地球化学调查主要组成部分，但当前真正从生态地球化学特点设置评价标准基本还没有，所以人们主要沿用与生物相关标准进行评价，显然这种评价不足以反应生态地球化学特征，如我国地学工作者开展生态地球化学调查异常评价，更多是土壤中元素异常评价，表达不出或不能较切合实际地表达土壤元素异常对生态影响效应，可能真正对生物产生元素异常不但与土壤中元素含相关，也还可能与土壤中元素相态相关，而且受土壤物化环境条件影响可能会有不一样生态效应，所以应设法建立生态地球化学异常评价指标；生态地球化学异常评价主要有以下几个：第28页 表2.1：景观分类第29页u标准评价标准评价评价标准：各种标准，灵活选择，如依据国家、组织公布标准进行对比评价（图2.6），如土壤中有害元素衡量标准有国家标准15168-1995标准，第30页其中与生态地球化学评价关系亲密条款是类土壤二级标准，类土壤主要指普通农田、蔬菜地、茶园、果园、牧场等，二级标准是为保障农业生产，维护人体健康土壤限制值(表1)。第31页图2.6.某区地下水氮含量与WHO饮用水标准对比图第32页u生生态态地地球球化化学学适适宜宜性性评评价价：针对生物存在与生长适宜地球化学条件进行评价；可按生物种类进行适宜性评价，也可进行适宜性分级评价。u生生态态地地球球化化学学综综合合指指标标评评价价：经过生态、地球化学特征及相关规律确定综合性指标来进行评价；综合指标可能并不直接显示生态性、地球化学特征和相互作用规律，表现形式可能是数值；一旦综合指标确定，则因为其数值性使得异常表示及区分非常方便和明了，尤其有利于GIS技术利用；不过综合指标确实认是一个复杂过程，普通来说有：第33页第一步：确定地球化学生态效应因子第一步：确定地球化学生态效应因子即明确生态效应种类，如人体健康效应或是作物健康效应，找出影响生态效应因子地球化学因子，如基岩类型、地貌类型、工作区不一样介质中元素分布及元素组合等怎样确定地球化学生态效应因子是实际工作中难点。第二步：分析地球化学生态效应第二步：分析地球化学生态效应地球化学环境与生态相互作用过程，分析地球化学与生态效应相关关系及并建立表示形式；该过程实质是建立数学模型过程，需要较高生态地球化学理论、数学及计算技术支撑。如分析砷、钴、钾、锶、钒、钛、钼、锌等地球化学因子及其它环境因子（温度、雨量、降水pH值、植被覆盖率、多样性）对SARS生态效应，利用含糊判别和逻辑信息方法取得数字性指标（表2.3）。第34页 表2.3 生态环境特征因子综合得分 地域广东北京天津山西内蒙河北江西湖南因子得分0.9460.9200.6640.5700.4900.4470.1960.142第35页第三步：依据第二步取得数据进行生态地球化学综第三步：依据第二步取得数据进行生态地球化学综合指标评价综合指标确实定合指标评价综合指标确实定 其方法有主成份法，人工神经网络法，含糊判别法，逻辑信息法，多元回归法，层次分析法，使用这些方法基础是大量地球化学与生态因子数据积累。第36页人人工工神神经经网网络络法法（图2.7）是将已经有数据代入网络，利用相关计算机程序（如MatLab）或自己编程进行输入及输出重复训练，经过不停调整网络层及神经元数量，在一定可信度约束之下，使训练结果迫近实际情况，取得神经网络模型，利用模型输出值作为生态地球化学综合评价指标。开开展展生生态态地地球球化化学学综综合合指指标标评评价价关关键键：影响原因筛选（图）、原因数据海量积累以及数学方法和计算机技术利用，但有考虑原因多，相对符合实际、“一劳永逸”效果。第37页土壤中X元素作物质量等级作物中X元素作物中Y元素海拔高度作物产量12.n生物生长适宜性果实中有害元素超标可能性土壤中Y元素土壤中Z元素图2.7.生态地球化学综合评价指标人工神经网络示意图第38页u区区域域生生态态地地球球化化学学评评价价：依据区划理论和工作目标对不一样区域进行评价，包括功效分区、行政分区等；如对农业区和城市生态地球化学评价。226多目标应用理论多目标应用理论生态地球化学调查包括与人类亲密相关各种介质，如土壤、水体、植物、动物等，同时还包括地质、地理背景，其调查数据应成为一个基础数据，并能为多领域使用，在生态地球化学多目标应用理论指导下，人们才可能考虑生态地球化学数据作为一个“产品”，提供多目标应用；如经过数据分析处理、与相关学科解释评价和成图，可为处理环境、农业、林业、水产业、健康、建筑、城市发展等领域一些重大实际问题提供研究线索和依据。实现生态地球化学调查结果多目标应用，建立有效数据管理系统，尤其是元数据管理系统以及数据公布系统是关键。第39页元数据管理体系是生态地球化学调查数据应用保障，元数据是数据数据，描述数据内容，质量，情况和其它特征等。227 统一理论统一理论生态地球化学调查包括不一样圈层、介质、区域、时段等，而且调查主体具多样性特点，所以实现生态地球化学调查结果归一化是使生态地球化学数据可利用性关键；怎样选择归一化方法则应是人们所要探讨。第40页228 预警理论预警理论预警是依据生态地球化学调查结果对未来时段生态地球化学情况了解；预警依据包括对象分为各种类型：如依据时间，有分时预警；依据区域，有分区预警；依据介质，有介质预警；依据生态地球化学特征，有特征预警。当前包括生态地球化学预警主要着眼于环境影响程度或质量指数，前者描述人类活动对环境生态原因影响，后者描述介质体受污染程度，表示只是过去或现在生态地球化学情况，依据现实状况推测未来，但对情况随时间或原因演化规律包括太少，所以不能说是真正意义上预警，而依据生态地球化学演化规律实现预警才是人们最为需要预警。第41页预警理论包括：1）预警是对生态地球化学系统未来状态评价；2）生态、元素、环境因子动态改变性使预警结果动态性以真实反应环境情况；3）系统情况随时间演化性质（如元素累积-化学定时炸弹）；4）预警指标：环境影响（人为活动对生态地球化学系统影响，如废水废物排放量）、环境影响强度，环境影响累积量；生态地球化学系统属性（质量，标准、容量），环境影响后果；5）生态地球化学系统内各因子相互作用规律数学关系表示及取得预警参数；6）预警等级（不良态，恶化趋势，恶化速度，临界点，灾变态等）。第42页229生态地球化学调查中应注意标准生态地球化学调查中应注意标准u时时态态性性标标准准：生态地球化学调查与传统地球化学调查主要区分表达在调查介质受时间影响显著，含有很强时态特点（图2.8,2.9,2.10），所以开展生态地球化学调查应注意时态影响，如同一介质（载体）同时调查。第43页图2.8.JEROME 431-X型蒸气分析仪测量Hg气示意图（M.Viladevall 1999）第44页图2.9.土壤Hg气季节（2月与9月）性时态改变（M.Viladevall 1999）第45页u统统一一标标准准：其实质是统一规范：包含网点布署、采样部位、采样时间、分析仪器、标样及流程、数据处理方法等方面统一；已开展生态地球化学调查已注意了该问题，如规范问题在在90年代初已列入国际地质对比计划(IGCP-259计划；国际地球化学填图项目；IGCP-360计划；全球地球化学数据库与数字地球项目)中都有包括；但在实践过程中均面临实施困难，所以经过数据处理归一化实现统一可能是值得探讨领域。图2.10.不一样年代香港城区和公园土壤中Cu,Pb,Zn 含量第46页