生态地球化学
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一、基本概念及研究内容
1.基本概念
农业地质（agro-geology）是地球科学与农业科学相结合而衍生的边缘学科，周国华等（2007）提出，农业地质是以农业生产及其发展需求为动力，将地球科学理论与知识应用于农业生产与农业发展的应用性学科。其实质就是将岩石、土壤、水、生物等环境要素及人类生产活动作为相互作用与影响的有机整体，研究系统内各个要素的发展演变规律、要素之间的相互作用和耦合关系，目的在于解决农业生态系统不平衡及农业（种植业、林业、牧业、渔业）生产中的具体问题。随着农业地质的迅速发展，农业地质的概念和研究内容不断拓展，不同时期农业地质的内涵不尽相同。
生态地球化学（ecological geochemistry）一词1988年首次被使用。国内生态地球化学术语2004年才明确提出，其结合生态学观点和方法提出了更符合我国实际的生态地球化学概念。生态地球化学是依据地球化学循环理论，采取多目标区域地球化学调查方法和地球系统评价技术路线，研究元素地球化学分布、分配状态与生态环境之间关系的科学。杨忠芳等在此基础上将生态地球化学概念更具体化，认为生态地球化学是研究生态系统中化学元素及化合物地球化学分布、分配特征及迁移转化规律，并对其所产生的生态效应进行评价与预测的一门科学，是生态学与地球化学相结合的产物。目前它主要包括多目标区域地球化学调查与区域生态地球化学评价两个方面或两个层次的工作内容。
农业地质调查评价是多目标区域地球化学调查评价的重要内容之一。地球化学调查研究本是地学范畴的问题，但是当大量重金属元素被粮食、蔬菜、水产品等吸收，影响到农业土壤、农产品安全和绿色基地建立，即转化成为农业问题。所以，近年来我国多目标区域地球化学调查评价工作主要集中在农业地质的调查评价方面。
2.主要研究内容
大农业（农、林、牧、渔）发展受到光、热、水、土、气、肥等自然生产要素的严重制约，而构造、地层、岩石、地形地貌等地质环境条件是决定或影响农业生态环境的重要因素。农业地质调查就是要摸清地质、地球化学特征的空间分布及分异特征，掌握地质背景与农业生态环境要素间的作用关系和影响模式，从而为土地等农业自然资源的科学合理利用和农业生产发展规划服务。
多数学者认为，农业地质学是地质学的一个分支学科，它的研究领域涉及土壤成因与特征，矿产肥料种类与储存状况，以及地下水行为与特征，但在实际研究和应用过程中已远远超出这一范围。从农业地质的研究历史来看，农业地质背景、土壤地球化学、水文地质和水环境化学、农业生态环境是农业地质研究的中心任务。
近年来，生态地球化学调查成为我国农业地质调查的主体工作任务和核心研究内容，使农业地质发展成为以地质学、地球化学、土壤学、植物营养学、生态学、地方病学、生物工程学、环境工程学和信息技术等学科理论为基础，以地质背景、生态地球化学研究为核心，综合应用区域地球化学调查方法、现代分析测试技术、计算机、遥感、地理信息系统等技术手段，在系统调查与综合研究的基础上，通过农业地质环境评价与决策规划直接指导农业种植结构调整、安全农产品生产、土壤改良与平衡施肥等农业生产，达到服务于国土资源可持续利用与保护、农业产业结构调整与优化、保障和提高农产品产量、质量及其食用安全性、提升国家或区域数字化建设、国土资源宏观决策水平的目的。围绕上述目标，近些年的农业地质调查主要集中在以下3个方面。
1）农业地质背景调查是农业地质研究的基本内容。农业地质背景是指一定区域内对大农业生产和发展有着一定影响或作用的各种地质组成（特征）及有关地质作用的综合，涉及所有与农业生产和科研开发有关的地质特征及问题。如形成土壤母岩的组成和特性、成土母质的来源和性质、区域地质体和构造特点、地球化学特异性、地下水的赋存及水文地质特性、地形地貌发育情况、地表地质作用等，它们是决定农作物种植适宜性的基本要素。
2）多目标区域地球化学调查是基础性工作，系统采集具有代表性的土壤地球化学样品及水地球化学样品，利用大型精密仪器测定样品中数十种无机和有机地球化学指标，编制有关地球化学图件，查明元素地球化学分布、分配特征，对发现的有关重要元素地球化学异常进行查证，为资源、环境、农业、生态等多个领域提供基础资料。
3）根据区域地球化学调查获取的大流域或经济区带内元素和化合物分布分配特征及元素异常，追踪异常元素及有机污染物的来源、成因特征；查明异常元素及有机污染物的迁移途径、输入输出总量和速率；研究土壤-植物间元素地球化学循环与制约农作物生长和品质的元素含量及其赋存状态；对异常元素及有机污染物的变化趋势进行风险预测、危害趋势预警；对已污染的生态系统提出治理、修复和监测建议。
二、国内外研究现状及进展
地质和农业是两门古老的学科，各有其自身的内涵和发展轨迹。随着研究的深入和学科的发展，土壤作为两个学科共同的研究对象，架起了地质与农业融合的桥梁。随着全球人口数量的急剧增长，粮食不足、资源大量消耗、环境日趋恶化等问题日益突出，各国地质工作者进行了多方面的探索，也促进了农业地质的萌生与发展。
1.国外农业地质研究进展
“农业地质”（agro-geology）一词最早是由德国学者法鲁（F.A.Fellow）和李希霍芬（F.V.Richthofen）于19世纪中叶提出的，没有明确的定义，只是用于解释岩石风化与土壤的形成关系。20世纪初国际地质学界广泛注意了农业地质研究，曾在欧洲召开过多次国际性会议。1907年匈牙利皇家科学院地质研究所建立了世界上第一个从事农业地质研究的机构——农业地质部，该机构把土壤地质调查、填图和土壤成因与分类作为主攻方向。
20世纪的前50年时间里，先后有英美的地质学家著书讲授农业地质学，如1916年英国剑桥大学R.H.Rastll出版的《农业地质》、1946年美国路易斯安那州立大学F.V.Emeison出版的《农业地质学》。这两本书的初衷都是给从事农业研究的人员介绍地质学的知识，如岩石、矿物、构造等。这些都说明当时的农业地质主要是地质学的知识和认识渗透于土壤研究或直接服务于农业。
20世纪20年代美国地理学家H.H.巴罗斯明确提出地理学就是人类生态学，促进了人地关系研究；20世纪30年代，K.Troll首次提出了“地质生态学”这一术语，现在一般把这一概念理解为研究作为环境系统构成部分和生物圈的物质基础的地质圈及其内在自然与人类活动成因因素影响下所发生变化的科学。区域生态地质调查工作以俄罗斯（苏联）做得比较系统，已经完成了俄罗斯全境内14张1：500万生态地质图。20世纪50年代后，随着世界人口、资源、环境矛盾的日益突出，环境地质学（Betzf，1962）逐渐兴起，相当多的农业地质问题被列入环境地质的范畴。20世纪60年代初，英国以J.Webb为首的地球化学家对北爱尔兰、英格兰和威尔士的水系沉积物进行了系统的地球化学测量，编制了主要元素和一些微量元素图并分析了它们对人类、动物、植物的影响。1969～1971年，美国在密苏里州进行了地球化学调查，目的是为流行病学家提供研究地球化学环境与人类健康之间关系的基础资料。直到1972年，美国地质调查所为了统一学科概念，将农业地质解释为应用于农业需要的地质学，勘查土壤的成因和成分、肥料矿产、地下水分布及特征等，属于应用地质学范畴。目前，在国外农业地质通常被解释为“服务于农业的地质学”。
20世纪70年代初期，苏联对稀有元素矿物学、地球化学和结晶化学研究所对生态地球化学理论、方法及应用问题都做了一些有益探索。在西北地区进行了广泛的农业地球化学调查，为农业土壤的改良、土壤肥力的提高及农作物产量的增加与环境保护等多方面提供了可靠资料。20世纪90年代以来，随着快速精确的仪器分析方法和“3S”技术的迅速发展，勘查地球化学在国际上正不断拓宽应用领域，俄罗斯等国开展了以生态环境评价、土地合理使用、成矿预测等研究内容为一体的区域地球化学环境的调查和评价，美国、加拿大、日本、德国、意大利、芬兰、比利时、瑞典、印度、波兰、捷克、立陶宛、越南、印度尼西亚、韩国、罗马尼亚、苏门答腊、肯尼亚和玻利维亚等国家针对各自不同的问题，也广泛开展了区域地球化学环境的调查与研究。
2.国内农业地质研究进展
我国农业地质思想由来已久，古代就对生物与环境的统一有较深刻的认识。早在周代《考工记》中就有“橘生淮南则为橘，生于淮北则为枳，叶徒相似，其实味不同，所以然者何？地气使然也”，可见早在2500年前，中国人民就认识到果树与土壤的生态关系；王象晋的《群芳谱》（1621）有“地不厌高，土肥为上，锄不厌数，土松为良”的记载，是我国古代先民对农业与地质环境关系的一种最朴素的认识。但是，将作物与环境的关系作为一门学科来研究，历史不过百年，这就是后来的农业地质学。
我国地质与农业的结合，也是从地质学指导下的土壤学研究和某些农用矿产调查开始的。随着农业地质的迅速发展，农业地质的概念含义和研究内容不断拓展，不同时期农业地质的内涵不尽相同。新中国成立以前，地质为农业服务主要侧重于农业经营和农学中所遇到的地质问题，例如，通过研究使数十种非传统农用矿物岩石尤其是磷、钾、硫矿等矿物肥料在农业生产的各个领域得到广泛应用，可作为土壤改良剂、饲料添加剂、肥料、复合肥料、畜牧渔业场圈干燥与除臭剂、农药载体、鱼池净化剂等；20世纪50年代以后，我国农业地质工作取得了长足的发展，主要可划分为4个阶段。
第一阶段：20世纪50～70年代，农业地质工作主要集中在为农业服务的区域地质、区域水文地质、农药农肥矿产勘查等传统领域。新中国成立之初，粮食问题一直是困扰*和生存的大问题。在“有收无收在于水，收多收少在于肥”的思想指导下，地质部门开展了钾矿、磷矿的调查与勘探工作，在北方半干旱、干旱地区开展了农田供水勘查、土壤侵蚀和盐碱化改良研究等工作。20世纪60～70年代完成1：5万和1：10万农田供水水文地质勘查累计约130×104km2。
第二阶段：20世纪80年代，以地层、岩石和地貌等背景条件为研究对象的农业地质背景研究，探讨不同地质背景下优、劣势特产农作物及其与某些元素的关系，认识到地质背景条件是影响农业生产的重要因素。在此期间地质矿产部或地方*多次部署开展了以研究农业地质背景与名优特产为主的农业地质工作，以及新型矿物肥料和矿物饲料的勘查与开发研究。主要有山东肥城桃，平阴玫瑰、山东烟草、泰山（东北麓）板栗，四川柑橘，涪陵榨菜，河北省沧州金丝小枣，广西荔枝，柳州甘蔗及南宁的香蕉等等，项目取得了丰富的成果，积累了大量数据资料，总结了不少理论认识，利用这些数据资料和规律，寻找或发现了许多新的农林优势区，扩大了种植，也极大地促进了地方经济的发展。1988年，地质矿产部向*报告了关于开展地质为农业服务的工作，掀起了农业地质的第一次*。20世纪80年代以后，我国1：20万区域化探扫面资料开始应用于环境地球化学领域，研究了Zn，Cu，Co，Mo，B等在不同地区的含量与作物产量的对应关系，寻找产生生物生长缺陷和低产的原因，总结提出当地某些元素与相应作物生长的正常、过量或缺乏的阈值。类似的研究为微肥配制与田间投放提供了基础依据，有力地促进了当地中低产田及草场的改造。
第三阶段：20世纪90年代，生态农业地质学成为研究热点；近10年来，生态地球化学的引入使农业地质工作进入了一个全新的快速发展的历史时期。进入20世纪90年代，“农业地质”已经演化成“农业生态地质”。“农业生态地质学”已经不是早期的“农业地质学”的概念了，已经形成了一个边缘学科的雏形。1992年，中国地质学会成立了农业地质专业委员会。农业地质专业委员会向国际第30届地质大会介绍了我国农业生态地质研究的最新成果，受到国际同行的关注。“九五”期间，地质矿产部在传统区域地质调查工作中增加了1：5万生态地质调查试点和1：5万农业生态地质调查试点工作，如山东临淄幅、青州幅1：5万区域地质与农业生态地质调查试点项目，河北流常幅、龙华幅1：5万农业生态地质调查试点项目等，都是地质部门为给农业区划提供有效服务的工作。
第四阶段：21世纪是农业地质发展的鼎盛阶段。1999～2002年进行了珠江三角洲、江汉平原和成都平原多目标区域地球化学填图试点工作并取得了一系列重大发现。在前期多目标区域地球化学调查经验基础上，从2001年开始，我国先后在中、东部地区的近20个省区200多万平方千米的范围内开展了以建设现代农业、推进农业经济结构调整、健全农产品质量安全体系为主要内容的省、部合作多目标区域地球化学调查工作，在此基础上重点对长江流域、黄河流域、沿海经济带、东北经济区（即“一带两域一区”）等区域进行农业地质生态环境总体评价，掀起了农业地质工作的新*。
总的来说，过去30多年是我国农业地质研究的鼎盛时期，涌现了众多的理论观点，方法技术得到迅速发展，实践应用取得巨大成就。20世纪80年代，李正积（1986）在《农业地质背景系统概论》中提出了“农业地质背景即农、林、牧、副、渔业等密切相关的地质体和地质营力作用的特殊综合”。冯群耀（1991）在《大农业地质学》中提出了“大农业地质学是以地质学理论为基础，结合农林等学科相关理论，研究大农业相关问题的边缘学科”。两者都强调了农业地质背景、矿物岩石及其地球化学成分与农业的关系。到了20世纪末期，成官文（1996）在《农业环境地质理论及其研究内容初探》中提出了“农业环境地质是一门研究农业地质环境及其环境中物质与能量在自然因素、人为因素作用下活化、迁移、转化的变化规律和伴随这种变化规律的生物效应，并通过人为作用和利用现代科学技术对农业地质环境实施时空优化、因素流动和物料平衡，使农业经济能持续发展、集约经营与科学管理的学科”。张宗祜（1997）提出了“农业生态地质是一门研究人-农业生产-地质环境整个系统的结构、功能及其相互作用的学科”。两者把农业地质的研究范围扩大到生态环境领域，大大拓展了农业地质的应用前景和社会功能。
三、农业地质工作的发展趋势
迄今为止，农业地质已走过了100多年的发展历史。农业地质是从制约农业生产的客观自然因素出发研究解决农业发展问题，目前侧重于对农业地质背景及农业地质环境的研究及土壤的化学污染与防治、土壤地球化学、农业中的微量营养元素及土壤区划等。随着信息技术的发展和对生态环境要求的提高，农业地质研究需要把岩石圈、大气圈、水圈、生物圈和社会圈紧密结合起来。农业地质科学的主要研究内容已扩展到国土资源的利用和管理、农业生产活动、农产品质量和食品安全、生态环境保护、区域经济规划、地方病和地质灾害防治、可持续发展等众多领域，体现了广阔的发展前景。近年来，与农业地质有关的研究和发展趋势可概括为如下几个方面。
1.多部门协同作战成为农业地质发展趋势
长期以来地球化学、环境化学、土壤化学、植物营养学、环境生物学、毒理学、污染生态学、环境医学等学科领域在农业生态环境中有毒有害物质的赋存形态、活化迁移、转化循环、生物吸收累积机制、生物效应等一系列问题进行了大量基础性研究，取得了大量理论研究成果，建立了理论方法体系，为农业生态环境的综合评价提供了基础理论依据。农业地质既是地矿系统拓宽学科研究，面向扩大服务领域的最好方向之一，又是农学部门结合地学知识，加深加快农业发展的新途径。因此不同行业的科技人员协同作战是必由之路。
2.系统研究特色农作物与生态条件之间的关系
农业地质背景是农作物特色品质形成的生态基础条件之一，在实际生产、科研中必须通过综合研究，获得足够的农业地质背景数据，系统地、完整地研究特色农作物品质与生态条件之间的关系，寻找起关键作用的地质背景因子，可以更准确地指导农业生产、促进相关学科的发展。为了更好地研究农业地质背景在农作物生产中的位置和作用，作者认为在以后的农业地质背景研究中，应该着重于以下几个方面：首先，广泛开展农业地质背景调查，综合各种地质因素，研究特色农产品与农业地质背景因子之间的关系，揭示不同农业地质背景产区作物品质差异的原因；其次，在广泛开展农业地质背景调查的基础研究，对比分析优势农产区与一般农产区的元素地球化学特征和土壤适宜性；最后，随着农业地质背景调查研究的深入，充分应用3S（GIS，GPS，RS）技术在农业地质背景调查研究中的作用，以避免人力、财力和时间的浪费，降低研究中数据的综合、提取难度，并提高调查数据的准确性。
3.农业环境保护已成为世界各国共同关心的重大课题
工业化给人类生存环境带来的种种影响和危害早已引起各国*和科学家的普遍关注，针对工业化污染的研究相对成熟，许多国家和*已颁布法令制止有害工业污染物的任意排放，使工业污染在一定程度上得到有效控制。相比之下，工业现代化对农业环境的负面影响到20世纪后半叶才引起人们的警觉，工业“三废”及城市生活污染物排放、农业生产中农药、化肥等化学品大量施用，是导致农业生态（地质）环境日益恶化，农产品质量下降的主要原因之一。目前，农业地质（生态）环境和农产品安全体系的构建已愈来愈被世界各国*重视。许多国家尤其美国、英国、法国、德国、日本等西方发达国家相继投入大量的人力和物力，对重金属、*盐、农药及持久性有机污染物（POPs）等在农业生态环境中的行为和影响开展了一系列基础研究和应用研究，并建立专门机构，制定相应的法令法规，严格*化学品在农产品生产领域的使用范围和数量。同时，大力发展有机农业，走农业可持续发展之路。在大量基础性、应用性研究的基础上，实施了大规模的农业生态环境的实时性监测；生产过程控制技术的精准化、程序化及产品质量的即时性监测；印度等一些发展中国家也逐步认识到农业生态环境污染对农业可持续发展的负面影响，积极开展了相关内容的工作，加紧制定保护和改善农业生态（地质）环境、防治农产品污染的*和技术措施，以适应经济全球化趋势和国际农产品一体化进程。
我国由于受到经济、科技发展状况等因素的*，在农业生态地质环境方面的研究起步相对较晚。进入20世纪80年代以来，我国将其作为应用基础研究的重要课题，先后对20多个省、自治区、直辖市的农业生态环境污染状况进行了调查，在土壤地球化学背景值、污染物的农业生态地质环境效应、农业区划布局等方面开展了一定程度的研究工作，并在有机氯农药对农业生态系统的影响及作用规律，镉、汞等重金属及无机和有机污染物对农业生态系统的危害、迁移转化机制与防治措施等方面取得了一定进展。进入“十五”期间，针对当前加强农产品安全管理的形势及适应加入WTO的迫切需要，我国正借鉴发达国家的经验，积极研究农业生态环境保护和防治、农产品安全生产过程控制等关键技术，并在我国首次将生态农业、食品安全技术等方面的研究列入“十五”科技攻关重大专项，研究和制定了《农田灌溉水质标准》等国家标准，将我国农产品（食品）安全纳入《中国食物与营养发展纲要（2001～2010）》，以农业生态环境安全和食品安全为主线，开展科技攻关。
4.与农业地质相关的基础性、应用性研究不断深入
美国、英国等一些西方发达国家自20世纪60年代以来，相继对重金属、*盐、有机氯农药等在农业生态环境和农产品中的污染现状、发生规律、迁移富集过程、循环转化机理及农产品质量安全控制策略和治理途径等各个方面开展了一系列深入而广泛的研究。
农业生产过程对环境的污染主要为面源污染，因其涉及面广，过程、机理复杂，这方面研究相对滞后。国外对重金属在土壤和植物中的迁移富集规律、氮磷水平及潜在的面源污染、有机氯等有机物污染、信息技术在农业面源污染调查与评价中的应用等进行了较为深入的研究，但相关研究目前基本上集中在畜牧业发达的地区，研究的土壤基本上为旱地，对湿地土壤和水田土壤的研究尚不足。
在农业信息系统开发方面，发达国家的信息高速公路正迅速伸向农村和农业，利用计算机技术、地理信息技术与网络技术集成优势，在农业面源污染信息系统、生猪管理系统、名优果树新品种、农业信息管理系统、畜禽饲料专家配方系统等方面的应用已经相当成熟，尤其以美国、日本、西欧为代表的发达国家在完成了农业工业化和农业机械化后已经进入农业信息化时代，建立了AGRIS，CABI，AGRICOLA等为主的三大著名国际农业数据库及国家食品安全数据库（National Food Safety Database）；卫星数据传输系统已被农业生产者广泛应用，使农业生产率得到大幅度提高。
5.农业地质评价方法技术研究方兴未艾
长期以来，地质、农业、水利、环保、气象等部门从不同专业角度出发，形成了岩、土、水、气、生物等介质的调查和研究方法，制订了相应的规范规定。但这些调查和研究工作多从部门与学科专业角度出发，调查研究的介质要素相对单一，分析测试指标较少，不少方法技术主要适用于局部性、专题性研究目标。与传统的单学科研究、实验室试验、局部调查评价有所不同，农业地质环境调查是一项包括区域和局部多尺度、水土生物多介质、调查研究相结合、基础性和应用性兼顾的复杂系统工程。岩土地质背景、气候、植被、生物、地形条件等自然资源、环境条件及其质量状况是影响农业生产的基本要素；需要有一套具有科学性、可操作性、实用性的评价方法技术体系予以支持。因此，近年来针对环境质量、污染程度的评价方法模型，特别是综合考虑多环境要素，从生态系统角度出发的综合评价体系研究，包括评价的框架思路、指标体系、标准依据、方法模型已成为当今生态环境科学的热点研究课题。
