探究地球環(huán)境之謎
——環(huán)境地球化學(xué)國家重點實驗室

聚焦前沿，發(fā)展壯大

環(huán)境地球化學(xué)國家重點實驗室具有悠久的發(fā)展歷史，其前身為1974年正式組建的我國第一個環(huán)境地質(zhì)研究機構(gòu)：中國科學(xué)院地球化學(xué)研究所環(huán)境地質(zhì)研究室。早在1968年，當(dāng)?shù)厍蚧瘜W(xué)環(huán)境思想處于啟蒙時期，中國科學(xué)院地球化學(xué)研究所就率先開展了地方病區(qū)的地質(zhì)環(huán)境調(diào)查和地球化學(xué)病因研究，提出的地球化學(xué)元素追蹤法對環(huán)境調(diào)查和評價發(fā)揮了重要作用，為我國環(huán)境科學(xué)的崛起發(fā)揮了奠基作用；1972年繼斯德哥爾摩《人類環(huán)境宣言》的發(fā)表，中國科學(xué)院地球化學(xué)研究所又開始了環(huán)境污染規(guī)律和環(huán)境質(zhì)量研究，與有關(guān)單位一起開創(chuàng)性地主持了我國最早的大型環(huán)境科研項目——“北京西郊環(huán)境質(zhì)量評價”和“京津渤地區(qū)污染規(guī)律和環(huán)境質(zhì)量研究”，中國科學(xué)院地球化學(xué)研究所提出的地球化學(xué)環(huán)境分異的觀點在區(qū)域環(huán)境研究中發(fā)揮了指導(dǎo)作用；進(jìn)入20世紀(jì)80年代，全球變化問題的提出為環(huán)境地球化學(xué)的發(fā)展提供了新的研究空間，中國科學(xué)院地球化學(xué)研究所開拓了環(huán)境界面地球化學(xué)和環(huán)境記錄研究新領(lǐng)域；通過上述工作，中國科學(xué)院地球化學(xué)研究所在我國建立和發(fā)展了環(huán)境地球化學(xué)這一學(xué)科。

1989年，原國家計委批準(zhǔn)利用世界銀行貸款在中國科學(xué)院地球化學(xué)研究所環(huán)境地質(zhì)研究室的基礎(chǔ)上組建環(huán)境地球化學(xué)國家重點實驗室（以下簡稱“實驗室”），實驗室于1991年由中國科學(xué)院批準(zhǔn)正式對國內(nèi)外開放，1995年10月建成并通過國家驗收。

實驗室定位為基礎(chǔ)和應(yīng)用基礎(chǔ)研究，圍繞環(huán)境地球化學(xué)學(xué)科前沿領(lǐng)域和發(fā)展趨勢，緊密結(jié)合國家在資源開發(fā)利用、生態(tài)環(huán)境保護(hù)和治理及人類健康服務(wù)等方面的重大需求，將地球科學(xué)、生命科學(xué)和環(huán)境科學(xué)融為一體，將當(dāng)今的環(huán)境現(xiàn)象與地球歷史的長期演化進(jìn)行結(jié)合，將地球環(huán)境系統(tǒng)的自然演化與人為影響進(jìn)行結(jié)合，探索自然作用和人類活動干擾下地球化學(xué)環(huán)境系統(tǒng)的變化規(guī)律，發(fā)展和完善環(huán)境地球化學(xué)理論體系，建成國際上有重要影響的環(huán)境地球化學(xué)研究基地。

多年來，實驗室以地球化學(xué)理論和方法為主要研究手段，從地球環(huán)境的整體性和相互依存性出發(fā)，針對區(qū)域（特別是西南喀斯特地區(qū)）生態(tài)環(huán)境特點和全球環(huán)境變化問題，綜合研究天然和人為過程釋放的化學(xué)元素、同位素及化合物在地表各圈層（巖石圈-土壤圈-水圈-大氣圈-生物圈）之間的遷移和轉(zhuǎn)化規(guī)律，針對區(qū)域評估導(dǎo)致環(huán)境質(zhì)量變化的自然和人為作用份額，形成了環(huán)境地球化學(xué)過程與環(huán)境質(zhì)量變化、地質(zhì)環(huán)境與人體健康、地球化學(xué)記錄與環(huán)境和氣候變化三大研究方向。

環(huán)境地球化學(xué)過程與環(huán)境質(zhì)量變化方向主要研究地球表面各圈層之間的物質(zhì)循環(huán)的生物地球化學(xué)過程及其生態(tài)和環(huán)境效應(yīng)，揭示物質(zhì)生物地球化學(xué)循環(huán)與生態(tài)環(huán)境變化之間的關(guān)系，為生態(tài)環(huán)境保護(hù)和治理決策提供科學(xué)依據(jù)。

地質(zhì)環(huán)境與人體健康方向主要研究有害物質(zhì)遷移、轉(zhuǎn)化規(guī)律及其控制機理，揭示地球化學(xué)環(huán)境與人群健康的耦合關(guān)系，為人體健康風(fēng)險評價和人體健康保護(hù)提供科學(xué)理論依據(jù)。

地球化學(xué)記錄與環(huán)境和氣候變化方向主要研究建立各種環(huán)境和氣候變化的地球化學(xué)代用指標(biāo)，揭示地球過去（尤其是全新世和過去2000年以來）的氣候和環(huán)境變化及其與人類社會發(fā)展的關(guān)系。

根據(jù)實驗室定位和研究方向，實驗室在揭示物質(zhì)生物地球化學(xué)循環(huán)與生態(tài)環(huán)境變化、地球化學(xué)環(huán)境與人體健康、地球過去氣候和環(huán)境變化與人類社會發(fā)展等方面的耦合關(guān)系作出持續(xù)性的創(chuàng)新貢獻(xiàn)，為生態(tài)環(huán)境保護(hù)、人類健康和社會可持續(xù)發(fā)展提供基礎(chǔ)性、前瞻性的科學(xué)決策依據(jù)，成為我國環(huán)境地球化學(xué)研究和人才培養(yǎng)的基地，在環(huán)境地球化學(xué)理論研究、應(yīng)用基礎(chǔ)研究和人才培養(yǎng)方面取得不可替代的地位，成為國際著名環(huán)境地球化學(xué)研究中心之一。

突破創(chuàng)新，捷報頻傳

今年上半年，實驗室在國際知名期刊上發(fā)表多篇科研成果。

針對喀斯特碳酸鹽巖發(fā)育土壤中，碳主要以碳酸鹽形式存在，微生物如何利用無機碳獲取能量進(jìn)行亞鐵和砷氧化的過程仍不明確的問題，實驗室課題組與廣東省科學(xué)院生態(tài)環(huán)境與土壤研究所合作，利用穩(wěn)定同位素核算探針技術(shù)（DNA-SIP）進(jìn)一步研究了喀斯特稻田土壤微氧亞鐵氧化過程中的碳固定機制及砷的轉(zhuǎn)化規(guī)律。

研究表明，微氧型鐵氧化菌驅(qū)動的亞鐵氧化耦合碳固定過程不僅能增加土壤中有機碳含量，還能促進(jìn)砷的氧化以及砷在鐵氧化物表面的吸附作用，有效降低砷的作物可利用性。研究結(jié)果對于利用土壤鐵循環(huán)提高土壤肥力及降低重金屬污染風(fēng)險具有重要的支撐作用。研究成果發(fā)表于環(huán)境科學(xué)重要期刊Environmental Science and Technology，并被遴選為封面論文。

針對目前居民無機汞暴露途徑及貢獻(xiàn)份額認(rèn)識不夠準(zhǔn)確，制約著人體無機汞暴露的風(fēng)險識別和風(fēng)險防控的難題，實驗室基于前期開發(fā)的低濃度樣品汞富集及同位素測定方法，以貴州萬山礦區(qū)、貴陽市區(qū)及長順背景區(qū)居民作為研究對象，系統(tǒng)測定大氣、食用食物（大米、魚肉和蔬菜）和尿液汞含量和汞同位素組成，分析無機汞在人體代謝過程的分餾特征，以定量計算尿液汞的來源。結(jié)果表明，輕的汞同位素更易在腎臟富集并通過尿液排出。汞穩(wěn)定同位素是研究人體無機汞的來源和新陳代謝過程的有力工具，不僅可以準(zhǔn)確識別人體無機汞的暴露來源，而且為理解人體汞的新陳代謝過程提供獨特視角。相關(guān)成果發(fā)表在環(huán)境科學(xué)領(lǐng)域1區(qū)期刊Environment Internationa。

針對人類活動向大氣中排放大量的毒性重金屬汞，而各種排放源對周邊土壤汞的影響程度和污染貢獻(xiàn)份額并不清楚的問題，實驗室選取我國4個典型汞排放行業(yè)（汞礦開采、金礦開采、鋅冶煉和燃煤發(fā)電），采用汞同位素示蹤與受體模型（PMF和PCA/APCS）進(jìn)行土壤汞的溯源研究。

1996—2017年年均硅酸鹽巖風(fēng)化碳匯通量（SCSF）的空間分布和緯度變化

結(jié)果表明，汞礦區(qū)、金礦區(qū)和鋅冶煉區(qū)土壤汞污染較為嚴(yán)重，而燃煤電廠周邊土壤汞略高于背景值，研究區(qū)域樣品的汞同位素與汞含量存在顯著差異。各排放源對其周邊（方圓半徑5km）土壤汞的貢獻(xiàn)率分別是92.2%±9.70%（汞礦區(qū)），63.5%±0.83%（鋅冶煉區(qū)），41.3%±1.90%（金礦區(qū)）和21.1%±3.58%（燃煤電廠）。

研究定量揭示了我國典型汞排放地區(qū)土壤汞的污染特征和污染來源，展現(xiàn)了汞同位素用于研究人為排放與土壤汞耦合的潛力，為我國土壤汞污染防控和修復(fù)提供重要科學(xué)依據(jù)。相關(guān)成果在環(huán)境科學(xué)領(lǐng)域1區(qū)期刊Journal of Cleaner Production上。

針對學(xué)術(shù)界對于方解石生長速率對方解石δ13C值的影響存在的巨大爭議，劉再華研究員團(tuán)隊在研究中首次提出了水動力條件通過影響擴(kuò)散邊界層（DBL）厚度從而影響方解石的同位素和元素組成這一控制機理。該理論對于理解自然界和實驗室方解石的同位素組成和元素比值有重要指示意義。研究成果近期發(fā)表在地學(xué)知名刊物Earth and Planetary Science Letters上。

此外，實驗室課題組還在國際著名SCI期刊Earth’s Future上發(fā)表的研究論文則探討了全球硅酸鹽巖風(fēng)化碳匯的空間分布及時間變化趨勢，并預(yù)測了未來不同情景下的碳匯量級。該研究對于改進(jìn)碳循環(huán)模型和評價硅酸鹽巖碳匯有重要意義，并為全球碳匯交易的公平性提供了參考，從而為全球環(huán)境治理提供理論依據(jù)。

未來，實驗室將繼續(xù)依托中國科學(xué)院地球化學(xué)研究所這一廣闊平臺，突出和增強研究的前沿性，加大人才培養(yǎng)、學(xué)術(shù)交流力度，為環(huán)境地球化學(xué)研究作貢獻(xiàn)。