(中國地質科學院，北京100037)
區域地球化學在農業和生命科學中的應用項目是從全球變化的角度將地球科學應用於農業和生命科學。它的結合點是地球化學元素。這是壹項復雜的系統工程。通過研究，編制了壹套自成體系的中國生態環境地球化學圖集，提出了壹些新的認識，為中國國民經濟宏觀決策提供了量化的科學依據。
區域地球化學，全球變化，生物環境的生物地球化學
序
目前，地球科學的發展表明，有兩大趨勢引人註目。(1)跨學科、相互滲透，產生新的邊緣學科；有時候壹個學科的難題，需要其他學科的配合，需要* * *的解決，才能有所突破，取得進步。積極開展國際合作，因為重大科學問題的解決往往是全球性的，僅僅依靠壹個國家或幾個國家的科學家是不夠的。
從50年代末開始，地球科學率先啟動了國際地球物理年，60年代實施了國際上地幔計劃，70年代實施了國際地球動力學計劃，80年代實施了國際巖石圈計劃。在加拿大溫哥華舉行的19國際測量與地球物理學大會會前，科學家們討論了地球科學的未來，專家們提出了全球變化的話題。原國家科委要求“區域地球化學在農業和生命科學中的應用”項目要有高起點，即要符合當前地球科學的研究前沿。該項目應從全球變化的角度將“四個圈”結合起來。
巖石圈是人類和生命的棲息地和生長地。它由地殼和地幔的最上部組成，也就是所謂的地球板塊，其下的軟流圈起到潤滑和移動板塊的作用。巖石圈表面有壹個土壤圈，基本上是其母巖風化形成的。巖石由火成巖、沈積巖和變質巖組成，土層的化學成分主要取決於母巖的成分。在巖石圈之上，還有包括海洋、河流、湖泊、溪流和地下水在內的水圈，可以分解巖石中的礦物，形成離子態。作為地球化學元素遷移的載體，元素被分散或富集；進入食物鏈，被人體吸收或排泄。在巖石圈的外圍，還有壹層由氮、氧、氦、氖、氬、二氧化碳和水蒸氣組成的大氣。這四個圈不是相互孤立的，而是相互聯系、相互作用的，它們之間存在著物質和能量的交換。把全球變化作為項目的指導思想是引人入勝的，所以是前瞻性的。
1多學科結合
該項目包括地球科學、農學和生命科學，是多學科的綜合研究。只有找到結合點，才能優勢互補，發揮各學科優勢，逐步形成邊緣學科。地球化學元素作為結合點，是因為所有物質的基本單位是化學元素。已知人體幾乎包含了元素周期表中自然界存在的所有元素，地殼表層已知的元素有90多種，人體內似乎也有。從農業的角度來說，我們不僅需要大量元素養分，還需要微量元素養分，這樣農業才能獲得最佳產量，提高品質。也就是說，地球科學和生物科學的交叉是通過化學元素進行的，微量元素是壹塊剛剛開墾的處女地，是我們研究的重點。
20世紀60-70年代，英國地球化學家埃裏克·哈米頓測定了220個英國人組織中化學元素(從H到U)的含量，並與巖石中化學元素的豐度進行了比較。兩組的豐度驚人的相似，都是人體與其生存環境通過新陳代謝進行物質和能量交換的結果。因此，我們把生命元素、營養元素和微量地球化學元素作為多學科的結合點，從而保證了綜合研究的順利進行，達到了預期的效果。
2目的、內容和特點
本項目旨在促進我國國民經濟持續穩定發展，改善環境，努力實現最佳的農業生產效果和質量提高，提高人民健康水平，為國家進行宏觀決策提供量化的科學依據。
研究內容:主要是巖石圈、水圈和大氣圈的空間分布、遷移規律、在農學和生命科學中的作用和機理；探索化學、生物和物理之間的相互作用和能量交換；以及方法和技術的研究。
本項目的研究特點如下。
(1)利用已有的龐大數據做生態環境新領域研究，包括1: 20萬區域地球化學掃描數據；1976死亡率調查和新的抽樣調查數據；土壤有效態和土壤地球化學的新老資料；水文地球化學數據；人類頭發、血液、尿液和飲食的數據；典型地區的數據。
(2)充分利用、發展和提高計算機處理軟件技術和測試技術。
(3)實現了部門內部和部門之間的數據共享，這是在各部門領導的幫助下實現的。
(4)以點帶面，選取了北京、山東、安徽、雲南騰沖、浙江杭嘉湖等典型地區的區域地球化學特征及其對農業和健康的實際影響。
(5)應用地球化學分區、元素區域分布規律、淺層地下水地球化學分區、土壤重新分類、營養元素從土壤和溶液向植物的遷移過程、重大地方病的地球化學作用等基礎研究。對主要農作物和名、特、優產品的適應性，以提高產量、改善品質、增加經濟效益；它應用於人類健康，改善人類生活質量和生存環境。
(6)科研成果與開發相結合。
在地球科學、農業、醫學綜合研究的基礎上，將巖石、土壤、淺層地下水、農作物、食物攝入、人體健康結合成壹個新的鏈條，是壹個復雜的系統工程。
3 .預見未來，發展生產力，提出科學依據
利用區域地球化學數據庫提供的極其豐富的信息，深入研究區域地球化學元素的分布規律及其循環遷移過程，並提出合理的方案。在發展生產力的同時，也改善了生態環境，能夠預見未來，做出正確決策。這樣的研究將具有深遠的意義。
農民充分利用土地資源生存、改善生活、致富。土壤是供給養分的地方，土壤中微量元素的主要來源是母巖，即風、水、冰川搬運的風化基巖或覆蓋層。因為地殼95%是火成巖，可以提供銅、鋅、鈷、錳等元素的來源。5%是沈積巖，沈積巖覆蓋火成巖，其中的頁巖通常含有大量微量元素，如黑色頁巖，可以提供銅、鉛、鋅、鉬、汞等微量元素。在礦化區，農作物會受到重金屬的汙染，從而危害人體健康。已知土壤的pH值、Eh值等特性會影響土壤中微量元素的分布、存在形態和活性。因此，我們根據土壤的起源和演變重新定義了土壤類型，這不同於以前根據生物和氣候條件劃分的土壤類型。新土壤類型的劃分對中國農業的發展具有重要意義。
繪制壹張與農業有關的地球化學元素圖，可以指出該地區主要營養元素和微量營養元素的豐缺情況，從而警示人們不要在元素豐富的地區施用相同元素的肥料，以免造成浪費。但是，通過實踐和研究，我們知道事情並沒有那麽簡單，元素雖然豐富，但不壹定被植物吸收。為此，我們開展了土壤-植物-動物系統中元素有效形態及元素間積累、協同和拮抗的研究。這種地球化學元素圖和土壤有效態圖對於規劃壹個省的農業和實施科學種田將具有重大的經濟意義。山東省在摸清自然地理條件和農業資源的基礎上，根據社會經濟發展水平和技術條件，結合生態環境地球化學特征，因地制宜地制定了區劃。我們在濟南開了壹個現場會，推廣這個經驗。
中國的名特優產品在國際競爭中並不占優勢，天然植物藥材因為生態環境的改變也不那麽“正宗”，這極大地影響了水果、茶葉、香煙、藥品的經濟效益。據研究，名茶產於高酸度、高鉀、鋅、銅、硼等微量元素有效性高的土壤。優質煙葉產於碳酸鈣含量低、鉀供應充足、硼、錳、銅、鋅有效性高的中性土壤。優質柑橘生長在酸度適中，基礎成分富含鈣、鎂，有效鋅、銅、鉬、硼豐富的土壤中；大部分中藥材，約4800種，主要產於鐵氧化鋁地區，如冰片、羅漢果、山奈、浙江八味、川貝母、杜仲、三七等。我們研究了柑橘中營養元素的循環和平衡，提出了營養元素的配方，取得了顯著的經濟效益。如果能根據土壤地球化學條件擴大名優產品的種植，壹定會帶來巨大的經濟效益，也是壹些地區脫貧致富的途徑。
改善環境，增強人民體質，提高生活質量。
人類生命的要素主要來自食物鏈，即通過飲食、水、空氣和藥物。微量元素除了常量元素H、N、O、C、Na、Cl、Mg、P、S、Ca、I外，就是人體內的微量元素。雖然它們的數量非常少，但它們在人類的出生、衰老、疾病和遺傳代謝中起著極其重要的作用。
已知微量元素的生理功能有:①作為酶和某些維生素的活性因子；②參與激素的生理功能；③運輸，如鐵離子是氧的載體；④維持遺傳信息的載體核酸的正常代謝。
但是，環境的變化也會對人體產生不同程度的影響。通常情況下，人體的生理機能是可以調節的，以適應生活環境的變化。如果這種變化超過了人體的適應能力，就會引起人體的功能、生理和結構的變化而生病或死亡。當地質環境中某些元素含量高或低時，人體也會通過食物鏈致病，通常稱為地方病，也稱地球化學病。
4.1地方病和地球化學元素
在研究地方病與微量元素的關系時，我們重點研究了氟與地方性氟中毒、硒與克山病和大骨節病、碘與碘缺乏的關系。
4.1.1進壹步探討了氟化物的致病機制。
飲水型氟中毒最為普遍，氟骨癥約654.38+0.04萬人，氟斑牙約265.438+0.2萬人，全國約7274萬人，幾乎涉及全國所有省、市、自治區。過去人們認為長期飲用氟含量大於1mg/L的水會導致氟中毒。對華北典型地區的研究表明，淺層地下水中有10種氟組分，其中以F-、MgF+和CaF+為主。高氟地下水是以吸附的氟為物質來源，經蒸發濃縮形成的，氟濃度隨礦化度的增加而增加。非均質土壤中氟遷移富集的動態模擬實驗表明，隨著鹽度的增加，堿性水中遊離氟濃度增加，酸性水溶液中總氟濃度降低。黃淮海平原北部氟濃度大於1～2mg/L..土壤中氟含量南高北低，而水中氟含量正好相反，尤其是盆地、低階地、薄平原。此外，螢石和磷灰石礦區的氟含量很高；燃煤和茶葉中的氟會導致氟中毒。
4.1.2硒與克山病和大骨節病
我國克山病、大骨節病主要分布在東北三江至西南三江地區，以棕褐土系為主。從1959到1980，年均發病率為8.3/65438+萬，以10以下兒童和育齡婦女為主；大骨節病患者1.76萬人，以兒童青少年為主。
從區域地球化學特征看，土壤呈中性，硒、鋅、鐵、磷、錳的有效含量較低，硒小於0.025mg/kg，食物攝入硒32.7 ~ 38.0 mg/(人·天)，人發硒小於0.20μg/g，血硒0.030μg/g；Zn和Mn分別低於0.50mg/kg和2.0 mg/kg，Fe為4.5 ~ 10.0 mg/kg，居中偏低。病區銅、鋅、磷、錳低於全國平均水平，表明生物地球化學環境是誘發克山病和大骨節病的主要因素。為了進壹步探索發病機理，我們與英國地質調查所合作。
4.1.3碘和碘缺乏癥
中國約有4.25億碘缺乏病患者，占世界流行人口的40%。除了常見的地方性甲狀腺腫瘤和克汀病，主要危害是影響胎兒的大腦發育，導致兒童的精神和身體發育障礙，還會導致流產、死胎和先天畸形。
總的來說，山區人比平原人多，內陸人比沿海人多。碘含量為0.2 ~ 0.8 mg/kg，偏低。碘缺乏病可分為以下五種環境類型:①山地丘陵碘淋溶型，碘濃度極低，如天山、秦嶺；(2)固定碘型泥炭沼澤中，碘雖豐富，但由於吸附固定，不易沈澱，碘濃度低，如東北三江；③缺碘砂滲，如沙漠邊緣、大河；④石灰巖含碘量低，因為水中大部分是離子，阻礙了碘的吸收，加速了碘的排泄，如雲貴石林區；⑤碘過量型，由井水含碘高達10000μg/kg和低窪地區組成，如山東濱州、孝義、山西等。
在中國，碘缺乏癥可以通過在鹽中添加碘來改善。為配合國務院“2000年全國消除碘缺乏病”的目標，我們在安徽省太和縣開發了華電碘礦泉水和梁山水滸108礦泉水。研究表明，飲用天然碘礦泉水是除碘鹽外最有效的補碘方式，碘礦泉水是壹種寶貴的資源。
4.2體內主要惡性腫瘤和地球化學元素
我國惡性腫瘤死亡率呈現明顯的區域分布特征，不同地區惡性腫瘤具有壹定的聚集性。肺癌、乳腺癌、結腸癌、白血病在東部沿海地區、長江中下遊地區和東北工業發達地區發病率相對較高，胃癌、食道癌在內陸和沿海山區發病率相對較高，肝癌、鼻咽癌死亡率從東南沿海向西北內陸逐漸降低。
相關回歸分析表明，人發中鐵、銅、鈷、硒、鉬、錳含量與局部惡性腫瘤死亡率呈負相關。鉛、鉀、砷、鉻、鈣等元素含量與局部惡性腫瘤死亡率呈正相關。逐步回歸分析表明，肺癌和白血病與鉛、砷、鉀有關；胃癌、食道癌與鐵、鉀元素有關。除了氡，癌癥很少與單壹元素有關，大多與元素的組合有關。癌癥的病理因素復雜，與環境汙染有關，有待進壹步探討。
肺癌與放射性氡的關系在國際上受到廣泛關註。主要證據來自礦山工人的流行病學(因為只能檢測到氡的異常輻射)，還必須考慮其他增加被研究人死亡率或病理率的因素。如果不考慮工作環境中的吸煙等致癌因素，那麽肺癌有壹小部分可以歸因於氡輻射。近年來，聯合國衛生組織已將氡列為致癌物質之壹。
我們對北京、嶗山、黃山和東南沿海地區進行了調查研究，特別關註室內氡的危害。由於城市中大多數人大部分時間生活在室內，室內氡及其子體對人體的危害已成為近年來的熱點環境問題。北京室內氡平均濃度為20.3Bq/m3，低於國家控制標準400Bq/m3，但部分地區超標。
4.3飲食和地球化學元素
由於我國幅員遼闊，土壤類型和經濟發展水平差異很大，從地區分布來看，膳食中元素的攝入量差異很大。南方鐵、錳、銅、磷的攝入量略低於北方；北方鉀含量明顯高於南方；西部地區鈉、鈣、鎂低於東部地區；從東北到西南三江，有壹條低硒低鋅帶。總之，中國的飲食特點是高鈉、低鉀、低鈣、低硒、低鋅，中國目前的飲食結構應該得到改善。
結束語
在地球科學研究方面，探索了化學、生物、物理之間的相互作用和能量交換，研究了地球科學、農業和生命科學，取得了可喜的進展和國際先進水平的成果。出版了中國生態環境地球化學整裝圖集，圖片107。我們清醒地認識到，這只是萬裏長征的第壹步，卻顯示出強大的生命力和較高的社會、生態、經濟效益，是地球科學研究的新方向。