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[生物工程]地质科学创新领域――生物地质环境学
[生物工程]地质科学创新领域――生物地质环境学
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[生物工程]地质科学创新领域――生物地质环境学
作者：未知　来源：中国科普博览　文章类型：生物工程　加入时间： 13:45:23
地质科学创新领域――生物地质环境学
&&&&―、生物与环境任何生物一旦诞生，为了完成其生命过程，须臾也不能脱离它所在的环境。对于一个具体的生物而言，它周围的所有因素都是它的环境。如光照、温度、空气中的O2、CO2、湿度、水分、土壤、各种营养元素，以及其它的各种生物，还有影响该生物存在的人类活动，等等。
&&&&生物与环境的关系不是单向的，而是双向互动的。即，不但环境给生物提供生存条件；反过来，生物的存在也会给环境产生某些变化。如森林的存在，可以改善气候、涵养水土、保护野生动物；而毁林开荒，可造成水土流失、土地沙化、气候恶劣、生态环境破坏，物种丧失，最终危害到人类自身的生存。
&&&&不同环境对生物产生不同影响：适宜的环境对生物产生好影响，促使其良性生长发育；恶劣环境则产生不良影响，妨碍它正常生长发育。环境不仅影响生物的当代，而且会胁迫生物改变自身的性状，为适应环境产生变异，并将此变异带到遗传基因中去。所以说，任何一种实际存在的生物所表现的形式，都是环境影响的结果。
&&&&在环境影响生物这一领域中，学术界传统观点多侧重于地表生态因子（光、热、水、气）对生物的影响，而忽略了地质环境因子（如地质作用、地质构造、地球化学、地球物理等）的影响。
&&&&生态学是专门研究生物与其周围环境的科学。生态学提出了生态因子的概念以区别于环境因子，即：生态因子是环境因子中对生物起作用的因子，而环境因子则是指生物体以外的全部因子。
&&&&生态因子极其复杂多样，可归纳为五类：1.气候因子：如温度、湿度、光、水、风、气压和雷电等；2.土壤因子：包括土壤、土壤有机和无机成分的理化性质以及土壤生物等；3.形因子：如地面起伏、山脉坡度、阴坡或阳坡、海拔高度和经纬度等；4.生物因子：生物之间的捕食、寄生、竞争和互惠共生等；5.人为因子：人类活动对生物的影响。
&&&&由上可见，包括生态学在内的讨论生命与环境的学科，多侧重于环境中地表生态因子（光、热、水、气等）对生物的影响，而忽略了地下生态因子，即由地质环境决定的各种因子对生物的重要影响。只有包括了地貌、土壤、矿质元素、岩石类型等地质环境因子，才能完整地代表生物与环境的全部关系。
&&&&二、生物与地质环境生物与其生存的地质环境统一进行研究的思想在20世纪初即已萌发。1910年，A.R.华莱士指出，地壳变动是生物进化的诱因和冲动力，其中化学元素含量的变化是根本的动因。1916年起，В。И。维尔纳茨基多次指出，有机体化学元素和地壳的化学元素之间有着不可分割的。生物的出现不是地壳外部的偶然现象，而是地壳发展的必然产物。被有机体同化了的矿物质的量变，必然导致积累这些元素的有机体的质变。因此，有机体引起的生物环境的化学变化，必然导致有机体的质变，促进生物的进化。
&&&&1927年，В。И。维尔纳茨基提出“生物圈”的概念，将其与地球表层的气圈、水圈、岩石圈相提并论。他认为，生物圈是指有机体及其存在环境的总和。
&&&&生物地球化学研究认为，生物有机体（含人类）并非什么超自然的特殊物质，而是由地壳无机物长期演化的产物。生物在其漫长的演化进程中，通过新陈代谢，与环境交换物质，并通过变异、遗传等过程建立了动态平衡。
&&&&1938年，А。П。维诺格拉多夫在他提出的“生物地球化学省”这一概念中认为，由于地壳表层不同地区地球化学元素含量不同，因而引起地方植物群和动物群的不同生物反应，在极端情况下（某些重要元素的显著不足或过剩），会产生生物地球化学病。显而易见，这一概念应包括人类。
&&&&因地质环境所致的地方病例不胜枚举。如全球性的，北半球灰化和草甸土――灰化土壤带，从美国边境经欧洲（德国、荷兰、丹麦、波兰）过波罗的海沿岸国家到莫斯科近郊，延至乌拉尔，然后再经西伯利亚到达泽雅，由于缺乏碘、铜、钴、钙而产生的动植物和人的甲状腺肿、缺钴病、脆骨病、贫血病等。又如，严重危及人民健康的克山病（心肌衰竭病），呈对角线状分布在我国自黑龙江到云南的十多个省区。
&&&&1954年，А。П。维诺格拉多夫在对6000多种动物和植物化学分析的基础上，获得了元素在有机体中分布的资料。随后，于上世纪60年代初，他和Д。П。马留加又公布了元素在岩石圈、土壤和地表植物中丰度比较的资料。1975年，J.J.康纳和H.T.沙克立特根据美国147个景观单元，8000多个岩石、土壤、植物及蔬菜样品的分析结果，得出了美国大陆岩石、土壤、植物及蔬菜中48种元素的地球化学背景值。
&&&&以上研究不仅提供了详细丰富的资料，更可贵的是在生物与地质环境的地球化学方面给人以深刻的印象。
&&&&更为全面系统研究生物与地质环境关系的当属Б。Б。波雷诺夫和А。И。彼列尔曼等（），他们创建的《景观地球化学》认为，存在于地球表面任一地区之内的各种自然因子（气候、地质、地貌、土壤、水文和动植物等）是一个有着紧密且又互相制约的统一体，即地球化学景观。景观中最主要的地球化学现象是活有机体的活动及其堆积的活质的量和质，它又决定于有机体以外的其它自然因子。景观中所有因子之间最重要的联系是地球化学联系。景观中的地球化学元素多次加入活有机体的组成内（有机质化），尔后又从中析出（矿质化）。但此过程是不可逆的，即景观不能重复过去的情况，而是不断获得某些新的特性。
&&&&上述思想可以概括为，生物是地球长期演化的必然产物，生物与其生存的地壳表层环境（即地质环境）有着密不可分的，其中最重要的联系是地球化学联系。地质环境对生物的影响极为深刻，必须对生物及其存在的地质环境中诸自然因子作统一的研究。
&&&&可惜的是，这些思想只是分散于有关学科中（如《地球化学》、《生物地球化学》、《景观地球化学》等），这些学科各有自己的研究对象和任务，并非专门来全面系统地论述地质环境对生物的影响。云南省地质科学研究所的科技人员通过多年研究和总结，推出了一门新的边缘学科――生物地质环境学。下面，就此学科内容作较为详细的介绍。
&&&&三、生物地质环境学生物地质环境学是用地质学的理论和方法研究生物与其赖以生存的地质环境之间关系，着重研究地质环境对生物影响的学科，它是生物学、地质学和环境科学等相互渗透融合而成的一门边缘学科。该学科认为：生物（微生物、植物、动物、人类）与其赖以生存的地壳表层环境（地质环境）有着密不可分的，地质环境中诸因子（地形、地质运动、地质构造、成土母岩、土壤、地球化学、地球物理、水文等）对生物的生长、发育、品质和健康有重要影响。其中最重要最本质的影响是地球化学元素通过在母岩―土壤―生物系统中的运移、变化、积累，最终对生物的生理生化作用产生的影响。
&&&&生物地质环境学的理论表述为：研究物质流、能量流、信息流在岩石圈（表层）、水圈、大气圈（下层）和生物圈之间的运动交换、转化及其对生物的影响。
&&&&生物地质环境学通过认识生物和地质环境的关系以及改造地质环境以适应生物生存之需，达到生物与地质环境和谐相处，培育开发优良生物资源，保护和建设生物及人类生存的优良环境。由此可见，本学科既有创新的理论意义，又有重要实际价值。
&&&&生物地质环境学的研究内容可分两大方面：一是研究构成地质环境和各种因子的性质、特征及其影响生物的具体行为和机制；二是研究选择、调整、保护和改造地质环境以满足生物生存需要的方法。
&&&&关于第一方面环境性质的研究有以下几个内容：
&&&&1、环境的地理、地貌特征研究：指研究区所在的地理位置（经度、纬度）和海拔高度，地表固态（水体）与液态（水体）面积的比例与配置方式，固态地表的几何形态（平缓开阔、起伏剧烈、凸起、凹下、山坡陡缓）等。这些性质首先决定了该区的小气候，生物生存的基本条件（土壤和水文），以及这里的风化成土作用及土壤发育和保存条件。当然，也是地球化学元素运移和地球物理性质产生的条件之一。所有这些都直接地影响到生物。
&&&&2、环境的地质构造及地质运动特征研究：区域地质构造特征在宏观上决定了该区地貌框架、地层岩石组合布局，从而也决定了地球化学元素区域分布特征。它们从总体上制约着该区生物生存的基本条件和大生产总体格局。地质构造活动带往往也是地球化学运动强烈地带，形成某些地球化学异常能量场和物质场，这些地带对生物有突出的影响。
&&&&地质运动的性质多种多样：有剧烈活动的，也有相对平稳宁静的；有抬升隆起的，也有沉陷下降的；有褶皱造山的，也有造陆或成海的，等等。地质运动从大的时空尺度上决定了该区生态环境的变迁，从而决定了生物种群和演化，深刻影响当代生物的分布和性状。
&&&&3、环境的地球化学性质研究：这是生物地质环境学研究的重点内容之一。前已述及，组成生物体的化学物质始终与地壳（即地质环境）保持着动态平衡。生物的进化始终与地壳的演化紧密相随。地壳表面化学元素的分布是绝对非均一的，也就是说，不同地区的地球化学背景场是不一样的，它们对生物影响不同，造成了生物体的地区性生物反应，轻则影响产量、品质、健康，重则致病畸变甚至死亡。
&&&&要研究地质环境中的化学元素，特别是那些与生物密切相关的特征元素在母岩―土壤―生物系统中存在的种类、数量和形态，迁移、转化、富集的条件，影响生物体的机理。还要研究元素之间的协和或拮抗关系，等等。
&&&&4、环境的地球物理性质研究：勿庸置疑，地壳的完整坚实程度（完整的、破碎的、坚固的、松脆的）和地球产生的各种物理场（磁场、重力场、电场、放射性场等）对生物有巨大影响，一是直接影响生物的生存；另外，作为化学元素存在的环境条件，通过影响元素的存在和迁移而间接影响生物。不过，此领域的大部分内容尚未研究，潜力十分巨大。
&&&&5、环境的水文性质研究：水是生物生存的必需条件之一，其重要性不言而喻。无论母岩风化成母质，生物参与下母质衍生成土壤，以及元素在土壤中活化成有效态而被作物吸收等过程，无不有水的作用。
&&&&要研究地下水、地表水、土壤水、生物生理水及大气水之间的关系，研究潜水面高度，包气带厚度和水的量质对作物的影响。更要研究由于地下水位升降、海水进退等造成的大区域土地盐碱化、沙化、荒漠化等重大环境问题。
&&&&6、地质灾害与地方病研究：地质灾害是环境突变产生的山崩、滑波、泥石流、水土流失等灾害性现象，对生物生存、大生产和人类生活造成重大危害，其发生的原因与地质环境性质密切相关。使用遥感手段加上实地调研，对可能发生灾害的地段做出预测并提出科学的防治措施。
&&&&地方病的产生机制相当复杂，但是，其中一个重要致病因子是地质环境中某些有关化学元素出现障碍（缺乏或过量）。如我省主要分布于楚雄州的克山病―缺钼和硒引起的地方性心肌病；主要分布于德宏州的地甲病―缺碘引起的地方性甲状腺肿；主要分布于昭通地区的地氟病―氟缺乏或过高所致的疾病，均可用生物地质环境学的理论、方法和手段来研究防治。
&&&&关于第二方面改造地质环境的研究主要指某些非金属矿物的利用开发研究。如有关沸石矿的开发已有较多成功例子，用其高效离子交换和吸附性能，生产新型沸石肥料、饲料添加剂和污水处理剂等，效果十分显著。在此不赘。
&&&&生物地质环境学从生物圈和地壳层三个圈层（气、水、岩）的交互关系去研究地质环境诸因子对生物的影响，重点是研究地球化学元素的影响，研究元素是如何通过酶系统和基因的表达深刻影响生物的。生物地质环境学的研究对象不限于生产的植物和动物，它包括自然界存在的所有生物（微生物、植物、动物和人类），其研究范畴和适用领域，也远远超出了大农业生产，而广泛触及诸如生物多样性、区域生态环境、国土资源开发等多种战略性的研究领域。
&&&四、研究实例以下我们将从地质历史、地质作用、地质构造、土壤、地球化学元素五个方面讨论地质环境对生物的影响。
&&&&1、地质历史对生物的影响
&&&&地球形成至少已有45亿年了，根据地质古生物学的研究，地球上找到的最古老的生命证据是在南非发现的生活在32亿年前的超微化石（电镜发现）―短杆菌，而大量丰富的后生动物是从6亿年前开始的。可见，在生命出现以前，已经历了长达13亿年的化学进化阶段，从无机小分子进化到原始有机体再到生命，而从原核细胞到真核细胞，从单细胞到多细胞又历经至少26亿年的漫长时期。这一时期以亿年为单位，而从6亿年开始的后生动物演化就越来越快，可以百万年为单位。到了新生代，人类出现的时代，演化就快到要以万年为单位了。
&&&&纵观地质史上生物演化历程，每一阶段无不与地质环境密切相关。在长达40多亿年的地质历史中，随着地质环境的逐步变迁，由不适合生物生存到越来越适合；由泛海洋到陆地逐渐扩大；由单一的环境到越来越复杂，生物也由简单到复杂、由低级到高级、由一般生物到出现灵长类，最终出现具有高度智慧的人类。环境和生物的演化完全是同步的紧密相关的。
&&&&当地质环境处于长期稳定渐变式的前进时，生物的演化也呈缓慢的渐变式的，而当环境表现出突变式的急转弯时，生物也就出现所谓的“灾变”―大灭绝，或者大爆发。
&&&&著名的寒武纪生物大爆发和白垩纪末期恐龙大灭绝是生物发展中突变的典型例子。寒武纪以前，由于地质环境尚未演化到适合的阶段，生物的出现也仅仅是低级的原始的，个体数量少，分布面积不广，密度也不大，而且更重要的是还没有条件形成硬壳保护其遗体。所以，保存化石的机率就很少。但是，寒武纪以前长达26亿年（自32亿年前最古老的微化石到6亿年前寒武纪开始）的漫长时代，为生物大爆发准备了质变的飞跃和大量繁殖出现的条件。
&&&&寒武纪早期，地球三圈―岩石圈、水圈、气圈发生剧烈变化，游离氧增至现代氧压的10%，足以支持生物在液体介质中借助本身器官进行气体循环。此时的海水中富磷、镁、硅并含钙，为生物造壳提供了物质基础。生物一旦有壳，可保护半定型的软体，适应多变环境和防御外敌能力大大加强。于是，发生了生物界具有质变飞跃意义的带壳演化，促使了梅树村动物群和澄江动物群两次生命大爆发。
&&&&白垩纪末期恐龙的突然灭绝也是与此时的地质环境发生突变有关。一方面，当时的强烈地壳运动引起了地形、气候、植物等环境条件产生了强烈改变。另一方面，有的学者根据白垩系上统粘土层中富集了大量铱元素（Ir）而提出了“行星撞击地球”假说，因为铱在地球上是罕见的，但在陨石中含量很高。据此认为，由于受到小行星碰撞，造成大面积尘埃云，长时间遮天蔽日，使植物光合作用停止，食物链破坏，导致食量巨大的恐龙集群绝灭。
&&&&环境突变时，大批夕阳物种绝灭了，但仍有相当多的新生物种存活下来，由于清除了他们的竞争者，这些存活的新物种在新的环境中继续发展进化，形成突变以后更高级的新的生物界。恐龙灭绝后，哺乳动物取代爬行动物即此一例。
&&&&生物随环境渐变的例子很多，例如上古生代，有一种叫作总鳍鱼的鱼，逐渐演化成两栖类。当时由于地壳强烈运动，环境多变，陆缘浅海发生海退而成湖泊沼泽湿地。当地生活的总鳍鱼具有坚硬的鳍和强劲的肺，它们遇到干旱水竭时节，也能勉强在空气中呼吸；用鳍在沼泽中爬行。日久天长，环境变成了真正的陆地，总鳍鱼的后代也演化成能适应陆地生活的两栖类了。到古生代末期，陆地继续扩大，地势分异加剧，干燥气候带逐渐取代潮湿气候带，形成广阔的内陆河湖盆地。此时，两栖类由于要适应离水域较远的生活环境，其中一支又进化为原始的爬行动物。
&&&&由此可见，在地质历史上出现的所谓“植物登陆”或“动物登陆”，并非真正的是生物主动登上陆地，而是因为环境由海洋逐渐变为海陆交互带，最后再变成陆地，迫使在其中生活的物种发生变异以适应变化了的环境。在这样一对环境与生物的互动因子中，环境起了主导的作用。
&&&&2、地质作用对生物的影响
&&&&中国科学院昆明植物研究所研究发现，中国特有种子植物属在云南有两大生物多样性中心，一个位于滇西北，另一个位于滇东南。据初步统计，前者约有48个属，分别隶属于27科，其中单型属21个，少型属21个，多型属6个，它们主要是温带性质；后者约有47个属，分别隶属于35科，其中单型属32个，少型属13个，多型属2个，它们主要是热带亚热带性质。两个中心的属在成因上差异很大，前者占主导地位的是生态成因而历史成因次之，后者占主导地位的是历史成因而生态成因次之。因此前者主要是新特有中心，而后者主要是古特有中心。
&&&&造成这种特征差异的根本原因是两地区的地质作用性质的不同。滇西北属青藏川滇褶皱系，境内高山峻岭并列，海拔高度一般在4000m以上，是著名的三江并流奇观区。怒江、澜沧江、金沙江呈南北向紧密并流而下，高山狭谷，地形极为破碎。典型“V”字型河谷深而狭窄，从山脚到山顶依次具备热带、亚热带、温带到寒带各类型植被，高山植物区系极为丰富。
&&&&由于第三纪中新世开始的喜马拉雅造山运动而引发的青藏高原急剧强烈隆起和古地中海向西退却，造成本区出现较多的新特有属，且处于上升阶段。至于中心里仍然保留的一些古特有属，它们仅出现于避难所而呈星散分布。
&&&&滇东南属华南褶皱系，境内没有象滇西北那样雄伟的高山峻岭，呈较缓和的山原形态。夷平面一般海拔在m，远低于滇西北地区。因受南盘江、红河水系切割，谷底海拔更低，红河下游的河口海拔仅76.4m，为云南境内最低点，与滇西北最高峰梅里雪山主峰6740m形成巨大的落差，达6664m.境内喀斯特地貌相对发育，往往形成土山与石灰岩山镶嵌地形，景观独特。自河谷到山顶具备热带至亚热带类型的植被。
&&&&自老第三纪以来，本区地质作用相对滇西北地区而言远较平稳而宁静，所以才有可能保留了很多古特有属植物，而为数不多的新特有属是由于本区处于热带区系向亚热带过渡地带，再加上岩石基质的多样性造成的。
&&&&3、地质构造对生物的影响
&&&&地质构造格局对生物的作用则表现十分明显，这是因为由地质运动而产生的地质构造格局将一个大的地域分割成一些性质不同的景观单元，它们各自具有不同的地表形态、海拔高度、地球化学性质和水文条件等特征，从而控制和决定了各自的大生物生产和开发的基础。作为一个地质构造复杂的山区农业大省云南，其规律更为明显。
&&&&据云南省农科院叶惠民和云南省土肥站王文富研究，云南全省可划分为三个不同景观单元：
&&&&1）西褶皱带：即横断山脉地区，由怒江、澜沧江、金沙江三大水系与高黎贡山、无量山、哀牢山等相间紧密排列而成。本带又可分南北两段，北部高山深谷，南部是带状山脉的中山宽谷。山地从3000m以上下降到1300m，谷地从1000m下降到500多米。横断山地土壤的水平、垂直带谱都很明显，自高至低，自北而南依次为棕壤、黄棕壤、山地红壤、赤红壤、砖红壤。大生产结构是：林业―旱谷―茶叶、甘蔗、籼粳稻―橡胶热作、籼稻等。
&&&&2）东丘状高原：是南、北盘江和红河水系的发源地，中低山山脉短小，脉络不清，丘陵状地势起伏平缓。有大量雁行式分布的盆地。包括滇东喀斯特高原、滇东湖盆高原和滇中红色高原三个部分。本区土壤水平带谱较明显而垂直带谱不甚突出，自北而南依次为棕壤、红棕壤、山原红壤、赤红壤、砖红壤。大生产布局依次为：林业―玉米―烤烟、粳稻―甘蔗、籼粳稻―橡胶热作、籼稻。
&&&&3）北分割高原：金沙江中游地区，全区地势起伏较大，自西而东有云岭、玉龙雪山、白草岭、三台山、五莲峰、大药山等高山耸立，海拔4000m以上。金沙江自西而东穿山而过，谷底下切至1000m左右。土壤垂直带谱极明显，水平带谱不显。自高而低依次为：亚高山寒漠土、亚高山草甸土―暗棕壤、棕壤、黄棕壤―黄壤、山原红壤―燥红土，大生产布局相应为牧业―林业―玉米―亚热带水果、冬早蔬菜、籼稻。
&&&&造成以上三种大生产景观单元的原因是大地构造作用。始自第三纪中期的喜马拉雅运动，西部印度板块与东部欧亚板块相碰撞，断裂活跃，地壳抬升，与青藏高原有关的滇西北抬升尤烈。云南被分为滇西褶皱带与滇东准平原。到上新世末地壳继续抬高，形成北高南低格局，将滇东准平原进一步划分为北部分割高原和东部丘陵状高原。前者与青藏高原相联受金沙江水系袭夺作用连成一片。于是形成了上述三大块景观，制约了云南的大农业生产布局。
&&&&4、地质环境通过土壤对生物的影响
&&&&土壤是地质环境与生物之间的桥梁，地质环境中的许多性状都是通过土壤传递给植物，然后再通过食物链由植物依次传递给动物和人类的。诚如著名土壤学家威廉士所说，土壤把无机界和有机界联系起来，把非生物界和生物界联系起来。
&&&&地球化学资料证实，土壤和有机体之间在化学成分上有密切关系。费尔斯曼指出，生物圈的平均化学成分，在很小程度上符合于大气圈和水圈的平均成分；而最相近地、最真接地符合于土壤的平均化学成分。换言之，土壤的化学成分，在某种程度预先决定了其上生长的有机体的化学元素成分。
&&&&土壤学家H.詹尼认为，除了氮以外，土壤中其他养分的原始贮存承袭自母岩。离子的淋失最终减少了差异性，促成了各种土壤及其植被之间的相似性。但一定的气候和地形部位上，土壤的肥力和生物量生产仍然表明其原始状态。
&&&&我们认为，在同一气候带内，发育在不同母岩上貌似相同的土壤，始终会带有母岩的“先天烙印”而存在或多或少的差异性，因而给作物生长以不同的影响，这正是研究环境对生物影响的关键问题之一。
&&&&比如，在滇东南弥勒县的大片上古生界碳酸盐岩红壤区内，烟草生长和品质也会呈现出一定差异。当母岩为下石炭统大塘组较纯灰岩时（弥勒五山），烟叶普遍出现缺镁黄白病症，叶尖、叶绿色淡泛黄，甚至变白，剧时波及前半叶乃至整叶，严重影响烟叶内在品质。而其他以白云岩为主的碳酸盐岩红壤区则基本无此现象。原因就在于，前者母岩成分以CaCO3为主，MgCO3很少，来自母岩的镁离子本来就少，加之在红壤化过程中，钙、镁等盐基离子强烈淋溶，因而更加剧了镁离子缺乏的程度，危及烟叶。当增施镁肥后，情况就有明显好转。
&&&&地质环境对土壤的影响至少表现在两个方面，即对土壤理化性状和宏观分布的影响。
&&&&地质环境为土壤提供全部矿质元素和决定土壤中粘土矿物类型。高等植物必需的16种元素，有11种（钙、镁、磷、硫、铁、锰、硼、锌、铜、钼）来自母岩。进一步研究表明，对生物有重要影响的微量元素还有许多，如稀土、硒、锗、铅、镉、汞、砷等，也全部来自母岩。粘土矿物会影响土壤的保肥能力。在三种主要粘土矿物中，蒙脱石保肥能力最大，伊利石次之，高岭石最小。土壤粘土矿物按成因可分为碎屑型和新生型二种，前者乃原封不动来自母岩，后者由母岩中的硅酸盐矿物在表生地质（风化）作用下变成。故无论何种类型的粘土矿物均受母岩性质和表生地质作用控制。
&&&&母岩中耐风化矿物的粒度及其在岩石中的含量和风化条件在很大程度上决定了土壤质地。如粗粒石英砂岩形成粗砂土，花岗岩多形成含砾砂壤土，白云质粉砂岩或粉砂质泥岩形成各种粉砂质壤土，高度风化的碳酸盐岩往往形成重粘土。
&&&&母岩性质、风化条件和地下水的性质决定了土壤的反应条件（主要指pH值）。如石灰岩地区形成的初育型石灰土呈明显的碱性反应，同样由灰岩形成但淋溶强烈的红壤则为酸性反应，砂岩、花岗岩地区的土壤也往往呈酸性反应。
&&&&无论是岩石风化成母质，在生物作用下母质进一步衍生成土壤；还是矿质营养元素转化为有效态被作物吸收；以及地下水直接带给土壤某些营养成分并供给作物必需的水分，这每一过程无不有水的贡献。地质环境提供的地下水状况从根本上影响了土壤―生物系统。
&&&&对土壤宏观分布的影响方面，浙江大学陆景岗多年研究新构造运动对土壤的影响，他发现一定时间里的土壤常与所在空间不相适称的现象。比如。典型的红壤原只应形成于低丘位置，可是在华南很多强烈上升的山区，高海拔的地方竟有红壤出现，如云南昆明2500m左右，四川甘孜4000m左右，西藏珠峰地区更可高过4900m.这显然是由于新构造运动上升，把原先位置较低的红壤抬高到目前所见的高度的缘故。有些高海拔的红壤已作为母质，向山地黄壤或山地草甸土发育。
&&&&反之，随着新构造运动的下沉，也可以使红壤掩埋在不同深度的沉积层之下。这种现象多出现于下沉的河湖低地，如洞庭湖与鄱阳湖的滨湖区，东南沿海的钱塘江、闽江、珠江等大河的入海口附近，下沉后掩埋在其沉积层之下的红壤，一般颜色转黄，酸性减弱。
&&&&综观全球的纬向水平土壤带常很不整齐，这多系地质内力作用影响所致，如我国的纬向土壤带除受气候影响外，还受东西向地质构造体系与山字型构造体系的控制。例如阴山、秦岭诸山脉以及祁吕贺、淮阳、广西等山字型构造体系的前弧与两翼等，都成为重要的土壤分界线。
&&&&据云南莫再勤研究，云南高原地势平缓，古富铝红色风化壳保存较好，且遗存砖红壤的残留特性，大多数学者都同意将云南高原中部海拔m古风化壳发育的此种土壤定名为山原红壤。而贵州高原上的地带性土壤是山地黄壤，海拔高度1500m左右。这样，就出现了云贵高原上黄壤在下红壤在上的“倒置”带谱现象。
&&&&造成这种“倒置”带谱现象的根本原因，是新构造运动的差别上升，第三纪以来，随着青藏高原的强烈隆起，云贵高原也大面积间隙性上升。但云南和贵州的上升幅度和运动性质是有差异的。云南高原抬升幅度较大，但运动相对较平缓，侵蚀剥蚀作用不深，古夷平面上发育的红色风化壳呈斑块状保存下来，土体依然保持着砖红壤的残留特性。而贵州高原抬升幅度虽然稍小，但运动性质属振荡式，古风化壳大部分剥蚀殆尽，仅局部地段保存。就总体而言，贵州高原土壤成土年龄稍短，风化度稍浅，受近代生物气候影响要深，故形成山地黄壤。
&&&&由地质内力作用和外力作用共同塑造的地貌对土壤的形成、保留和迁移也有重要影响。《云南土壤》指出，云南的山地和平坝其水热状况、物质迁移和积累均有很大差异，对土壤发生发育必然有根本不同的影响。同一山体的南坡北坡也有明显不同的成土条件。南坡相对较暖而旱，水热条件变化大，剖面层次发育不显，但垦殖系数较高，同一土壤类型其垂直分布的上限要稍高于北坡。而北坡要相对冷湿，水热变化稍小，剖面层次较明显，有机质较高，植被保存较好。一些高大山体的迎风坡与背风坡，由于水热条件差异巨大，甚至可以发育为性质各异的土壤类型。
&&&&至此，我们已经讨论了地质环境的一些因子对生物的影响，这些影响都还是宏观的综合性的或曰潜在的。另外还有两个因子有待进一步论述，一个是环境的化学因子，或者说，地球化学元素对生物的影响，一个是环境的物理性质，或者说，地球物理因子对生物的影响。前者是我们已经研究和将要深入研究的重点，也是生物地质环境学的核心内容，将作深入介绍。后者虽亦重要，但未做工作，也未收集到有关内容，故未提及。
&&&&5、地球化学元素对生物的影响
&&&&和其他非生命物质一样，地球上的所有生物（包括微生物、植物、动物和人）也是由化学元素组成的。只不过是，组成生物的元素在周期表上的位置靠前面一些，而人体中在周期表上前12个元素就占其总量的99.994%，0.006%的微量元素才是位于周期表内后面的。
&&&&组成生物的元素均来自地质环境，生物通过不断与环境交换物质，这种交换涉及固相（岩石圈）、液相（水圈）和气相（大气圈），最终趋于一种动态平衡。
&&&&分布在地球表层各处的地质环境中的地球化学元素组合特征是绝对非均一的，因此，生存在各个地区的生物与环境交换的化学元素特征也肯定不会相同。换言之，不同地质环境对生物的影响是不相同的。
&&&&来自地壳表层的地球化学元素，由母岩通过风化作用释放出来进入土壤，然后活化成有效态被植物吸收。进入植物体的元素必然会对其生长、发育、生理、生化产生影响，从而影响植物的产量、品质，再通过食物链进入动物和人体，并同样会对动物和人体的生长、健康产生重要影响。
&&&&不同地质环境的地球化学特征是不同的，能为生物提供的地球化学元素种类和数量也各异，从而对生物的影响也将各有不同。这方面介绍几个地球化学元素影响生物品质的例子。
&&&&陕西省安康地区紫阳县所产优质茶叶―紫阳毛尖，原是“贡品”，清代被列为全国十大名茶之一。不仅滋味醇爽，而且有抗癌保健功能。原因是茶园的成土母岩富含硒（Se），该茶为富硒地球化学背景的产物。
&&&&湖北恩施地区是有名的富硒地质背景，该地所产大蒜为上品，具抗癌、防治心血管病功效。经分析，此地大蒜含硒达32.4mg/kg，比外地一般大蒜（仅含硒0.01～1mg/kg）高出三个数量级。
&&&&名贵中药材人参的功效与其中有机锗（Ge）的含量有关，20年生长期的野山参含有机锗达100mg/kg以上。高丽参含有机锗可达250～320mg/kg.而人工栽培的园头参含有机锗尚不到50mg/kg.后者之药效远不如前者。
&&&&贵州天麻产在富铷（Rb）、锂（Li）、锰（Mn）的地球化学环境，当异地栽培天麻时，需向土壤中补施铷、锂、锰等养分，亦可提高其品质。
&&&&木灵芝对高血压、神经衰弱、失眠等病状有较好疗效，究其原因是其中含锶（Sr）所致。南京排山地区所产优质木灵芝含锶达20mg/kg，其产地为含锶最高达629mg/kg（一般为400～500mg/kg）的正长闪长斑岩体接触变质带。而该区含锶只有1～1.5mg/kg的五通砂岩衍生土壤上就不产木灵芝。
&&&&广西名产沙田柚产在富钠（Na）的地球化学背景区，若环境缺钠，则柚树花而不实，或虽实不佳。果农凭经验大量灌施盐水，即可获优质高产。
&&&&烟草喜钾、稀土忌氯，茶叶亦喜钾、稀土而忌钙，等等。有关例子，不胜枚举。
&&&&我们的目的是，在生物与地质环境的关系中，发现它们的地球化学。即在生物体中找到一组能表明特定环境对生物产生特定影响的地球化学元素，我们将其命名为“生物特征元素组合”。
&&&&特征元素组合应具备四个条件：（1）它们主要是由岩石圈提供的元素。因此，不包括主要由水圈、气圈提供的元素也不包括人工施用的元素。（2）它们在生物体内积累的数量较大。量太微小，尽管有作用也影响不大。（3）它们与能表明生物体品质、健康的有机生化组分关系较密切（相关性较大），这一点是最重要的。（4）对植物来说，它们是该植物从土壤中吸收率较大者。
&&&&地球化学元素在生物体内的功能，除了C、H、O、N、P和S这6种生物主体元素以外的常量元素和微量元素外，按已有的研究，其它元素至少有以下六个方面：（1）构成金属酶或作为酶的激活剂，在酶系统中起特异的活化中心作用。（2）组成生物体器官的结构材料，如动物的骨骼和牙齿就是由Ca、P、F等组成。3）输送物质作用。如血红素中的铁是氧的携带者，它把氧带到各组织和器官的细胞中去，维持正常代谢之需。（4）影响核酸的物理化学性质，在遗传方面起作用。核酸是遗传信息的携带者，现已发现，核酸中含有相当多的铬、铁、锌、锰、铜、镍等微量元素，它们通过酶的作用影响核酸的复制、转录和翻译过程，在遗传方面起重要作用。（5）在激素和维生素中起特异的生理作用。如甲状腺激素中的碘和维生素B12中的钴都是它们的重要活性成分。（6）调节体液的物理化学性质。生物体的大部分生命活动都是在体液中进行的，为了保证正常的生理、生化活动，需保持体液中电解质平衡和酸碱平衡，于此，Na+、K+、Cl－等离子起重要作用。
&&&&诚如上述，地质环境对生物体的影响，主要是通过地球化学元素实现的。本质上说，生物体和地质环境中所有其他介质一样，也是一种化学元素组成体。但是，组成生物体的元素有没有独特之处，它们有没有可能再进行分类，它们的生物地球化学性质和在生物体中的作用是什么样的，对此进行研究，将具有重要理论和实际意义。
&&&&上面提到的地球化学元素对生物的影响仅是理论概要，在研究中如何找到影响某种具体生物的地球化学特征元素，还必须有一个好的系统研究方案。鉴于各项研究内容差别较大，在此不可能逐一详述。下面只介绍其中最为重要也是最为成熟的一项，即单一作物的环境地球化学性质研究方案（以烟草地质环境研究为例），一般情况下，它适用于所有作物地质环境研究。
&&&&1）划分生物地质环境景观区
&&&&景观区是指由大致相同的景观要素组成的有相当面积的地段，在该地段内，环境对生物产生大致相同的影响。景观区是研究的基本单元。
&&&&划分景观区的要素主要有：地貌性质、岩石组合、地球化学特征、土壤性状、水文条件等。它们是在收集资料综合研究并进行实地踏勘后确定的。将结果表示在适当比例尺的图上。
&&&&划分景观区时一定要从宏观上、总体特征上对各要素进行归并、概括，注意全体要素之间的叠合，使分区图在研究和指导生产时具有较好的可操作性。切忌拘泥于某些局部细节，而使图面过于繁琐、复杂。
&&&&2）分区设置研究点
&&&&研究点是野外调研、收集资料、采集各类样品、有些还是小区试验的地方。可以说，研究工作中绝大部分资料都是从研究点上获得的。
&&&&研究点是分不同景观区各自考虑控制程度而设置的，在生物主产区（适生景观区）内，研究点的密度稍大，反之要稀一些。
&&&&确定研究点的具体位置时，要注意该地块在生物生产、土壤类型和地质环境的代表性。因为有些生物样品的采集和小区试验的某些工作要依靠农户完成，所以，还要考虑农户的科技素质。
&&&&点又分为一般研究点和重点研究点两类，二者的区别在于采样件数和分析项目的简繁程度（详见后述），重点研究点约占一般研究点总数的10%.
&&&&当然，为了控制合理，研究点之间距离应尽量拉开。
&&&&3）采集样品
&&&&采样的基本原则是按母岩→土壤→生物立体小生境剖面配套采集。采生物样及与之配套的土壤样时，要在较大面积的地块内用对角线法或“S”形法多点随机采集，然后混合成一个样。
&&&&采与土壤配套的母岩样时，要观察母岩与土壤的关系：如为成因关系则可采；如仅仅是空间覆盖关系则不可采，要找到与之有成因者才采（这常见于洪坡积土壤）。多源土壤要尽可能找到各种来源的母岩，分别采集，组合成样。
&&&&这样，全区由采样点构建成一个立体研究网络，它是整个研究工作的前提和基础，具有明显的优点：一是充分利用了现有资料，体现多学科相互渗透，有事半功倍之效。二是在立体网络上对区内的研究对象作合理控制，使研究结果更符合客观实际。因此避免了单一学科研究和平面式随意采几个样品研究难免造成的片面和疏漏。
&&&&4）多种分析项目
&&&&地质环境对生物的影响主要是通过地球化学元素进行的，所以，尽分析仪器的可能，尽量多地分析生物和地质环境中所含的元素，这是本学科研究的一个重要内容。
&&&&在烟草研究项目中，使用固体粉末法等离子光谱仪对全体样品分析了41个元素（含15个稀土元素），它们是：Mg、Al、Si、P、K、Ca、Fe、B、Mn、Mo、Cu、Zn、Be、V、Cr、Co、Ni、Ga、Sr、Zr、Nb、Ag、Sn、Ba、Pb、Sc以及15个稀土元素：La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Y、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu.
&&&&上述元素种类是由仪器的功能决定，其中已包括高等植物必需的常量元素、微量元素和影响生物的主要元素，可谓相当全面了。研究成果中的一些重要发现和基本规律大多皆由此得出。
&&&&对土壤理化性状作较全面的分析，土壤是元素存在的环境，它的理化性状对元素的活化、迁移有决定性意义，同时也会直接影响植物的生长、发育。对土壤要做常规分析、有效态元素含量分析、质地分析、阳离子交换量、代换性盐基总量和盐基饱和度分析等。
&&&&我们研究的目的是为了获得优质的生物产品，因此，如何科学地确定生物体的优良品质，是应该首先要查明的问题。
&&&&我们认为，决定生物体内在品质主要有三项指标：（1）生物体内与品质有关的主要有机生化组分含量；（2）其中不同性质生化组分之间的平衡协调关系；（3）生物体内有益和有害元素的含量。强调不同性质生化组分之间的平衡关系和某些元素的含量在确定生物品质的重要意义是本学科的创新点之一。
&&&&在烟草研究中，我们首次认识到烟叶生化组分可划分为酸性组分（以总糖为代表）和碱性组分（以烟碱为代表）两类。首次揭示出，优质烟叶的化学本质是在一定碱性组分含量基础上酸性组分和碱性组分适度平衡（以糖碱比表示）。
&&&&对于两类点上的样品（一般样、重点样）分析项目也有所不同；一般样只分析基本项目，如全体样品的多元素分析，生物样的有机生化组分分析、土壤常规分析和有效态元素分析等。重点样除上述分析外，还有：全体样品的稀土元素分析，生物样的田间长相，外在品质或吃味品质鉴定、土壤质地分析、表征肥力各种分析、母岩作岩矿鉴定和耐风化矿物粒度分析等。
&&&&在烟草研究中，共划分出10个景观区，分区共设置了87个研究点。采集母岩样品97件，土壤样142件，烟叶样142件，地表水样5件。进行各种分析、测试、鉴定12项，共计1216项次，获数据数万个。
&&&&5）发现特征元素组合
&&&&在上述多项分析获得大量数据的基础上，通过数理统计和综合分析，可以获得特征元素组合。
&&&&前已述及，特征元素组合是指来自地质环境对生物影响较大的一组元素。它们在生物体内含量较高，更重要的是，它们与生物的有机生化组分有较密切关系。
&&&&特征元素概念的提出和在研究中已实际求得，是生物地质环境学又一个重要的创新点。它标志着地质环境影响生物已找到具体的因子――地球化学元素。这不仅意味着理论上的深化，而且具有重要的实践意义。
&&&&在烟草地质环境研究中，找到烟草特征元素组合是：K、Mg、Al、REE、Ca和P.
&&&&6）研究特征元素在空间上迁移规律
&&&&在垂直方向上，研究特征元素在母岩→土壤→生物系统中的运移、转化、富集或淋失的规律。已有研究表明，元素在母岩→土壤系统中相关性较好，而在土壤→生物系统中相关性较差。这是因为由母岩风化破碎产生母质最终形成土壤，是一个受大体相同的表生地球化学作用的连续过程。元素受其本身固有的地球化学性质和周围环境双重影响，在此过程中均呈现为一种连续的变化，因此元素在母岩→土壤系统中有较好的相关性。
&&&&一旦加入生物因子，情况就复杂得多。由于生物本身的生理特征，它们具有一种相对于土壤而言的独立性。表现为，当土壤中的有效态元素含量低时，生物能最大限度利用；而在高含量情况下，生物也会被迫吸收一定的量。或者说，对于必需元素，生物主动选择地吸收，而对非必需元素，它只是被动吸收。所以一般说，非必需元素在土壤→生物系统中对应性较好，而必需元素则基本上无相关关系。
&&&&在水平空间，揭示出不同特征（特别是特征元素组合丰度不同）的地质环境区制约着不同品质特征的生物分布。将前述划分的景观区归纳为几大类不同品质特征的生物适生区，以此作为该生物生产中优化布局、分类指导的依据。
&&&&在烟草研究中，将10个景观区归纳为三类烟草适生区，一区为高碱低糖优质烟型适生区；二区为中碱中糖优质云烟型适生区；三区为劣质烟区。
&&&&小区试验
&&&&上述机理研究成果，还要通过田间小区试验加以验证，才能转化为生产力。和传统农学的小区试验对比，本学科进行的试验有自己的特点：（1）按不同地质环境区分别进行试验。（2）必须在测土的基础上进行试验。（3）试验因子要针对特征元素的丰缺状况和土壤理化性状来确定。如：补充缺乏的特征元素；抑制过多的特征元素活性；调整土壤pH值；改良土壤结构等等。
&&&&在烟草研究中，查明稀土元素和烟碱存在显著正相关关系，而磷与总糖存在不太显著的正相关关系。另外，植烟土壤最佳pH值应为5.5～6.5，土壤质地应为通透性良好的壤质土。据此，我们在缺稀土的环境区作了稀土微肥试验，在高磷环境区作了减少磷肥试验，在pH值低于5的酸性土壤区作了施加石灰以提高pH值的试验，在土壤粘重板结的地区作了施加沸石粉的试验，都收到较明显的效果。
&&&&五、生物地质环境学发展前景生态系统的定义是“由生物及其生存的非生物环境组成的体系”，但是生物学家在研究生态系统时，很少有人能考虑到地质构造、岩石化学成分和地质运动过程对非生物环境的决定性作用，以及地球物理、化学性质与生态系统和生物圈之间的。众所周知，大气圈、水圈、岩石圈、土壤圈的综合作用，共同组成了有再生产能力的生物圈及生态系统。其中土壤圈是陆地上生命层的核心，而土壤中的主要化学成分，约90%是继承基岩及其风化物的成分。因此，要想透彻理解生态系统及其生态因子之间的关系，必需将生物圈骨架的地质要素纳入生态系统，也就是要重视生物地质学，并建立一个包含地质信息的生态系统数据库，根据地质要素与土壤和生态系统内生物间的相互关系划分单元，从而使生物地质学融入对生态系统的研究中。
&&&&以生物圈、土壤圈、岩石圈之间的空间关系以及地球化学关联为研究对象的生物地质环境学，地理信息系统必然是最强有力的技术手段。利用最先进的研究方法和技术手段并结合实际所需，生物地质环境学的发展空间是无限的。从理论上将地质要素纳入生态系统，则涉及岩石、土壤及生物圈等生态学方面，以及国土资源规划等方面的问题，生物地质环境学都可交叉渗透，在深度和广度上极大地延伸了研究的范围。具体研究构想，我们认为目前可在下述几个方面开展研究工作。如西部生态环境和生物多样性的保护及可持续发展的研究、土地资源的合理利用、中药现代化科技行动、精确建设、地质地理信息系统的建设、数字地球和数字国土、景观地球化学及景观生态学调查规划等，生物地质环境学都应积极参与，促进本学科的发展和壮大。
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