生态地球化学
1.基本概念
农业地质学是地球科学和农业科学相结合的一门边缘学科。周国华等(2007)提出农业地质学是一门以农业生产及其发展需求为驱动，将地球科学的理论和知识应用于农业生产和农业发展的应用学科。其实质是将岩石、土壤、水、生物和人类生产活动等环境因素视为一个相互作用、相互影响的有机整体，研究系统中各要素的发展演变规律、要素间的相互作用和耦合关系，目的是解决农业生态系统的失衡和农业(种植业、林业、畜牧业、渔业)生产中的具体问题。随着农业地质学的迅速发展，农业地质学的概念和研究内容也在不断拓展，不同时期农业地质学的内涵也有所不同。
1988首次使用“生态地球化学”这个术语。2004年明确提出国内生态地球化学术语，结合生态学观点和方法，提出更符合中国实际的生态地球化学概念。生态地球化学是采用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、分布状态与生态环境关系的科学。在此基础上，杨等人将生态地球化学的概念更加具体化，认为生态地球化学是研究化学元素及其化合物在生态系统中的地球化学分布、分布特征和迁移转化规律，并对其产生的生态效应进行评价和预测的科学，是生态学和地球化学相结合的产物。目前主要包括两个方面或两个层次的工作:多目标区域地球化学调查和区域生态地球化学评价。
农业地质调查与评价是多目标区域地球化学调查与评价的重要内容之一。地球化学调查研究本来是地学中的问题，但当大量重金属元素被粮食、蔬菜、水产品等吸收后。影响农业土壤、农产品安全和绿色基地的建立，成为农业问题。因此，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调查评价方面。
2.主要研究内容
大农业(农林牧渔)的发展受到光、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。农业地质调查是查明地质地球化学特征的空间分布和分异特征，掌握地质背景与农业生态环境要素之间的关系和影响方式，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。
大多数学者认为，农业地质学是地质学的一个分支，其研究领域涉及土壤的成因和特性、矿物肥料的种类和贮存、地下水的行为和特征等，但在实际研究和应用过程中却远远超出了这一范围。从农业地质学的研究历史来看，农业地质背景、土壤地球化学、水文地质、水环境化学和农业生态环境是农业地质研究的中心任务。
近年来，生态地球化学调查已成为我国农业地质调查的主要任务和核心研究内容，使农业地质学发展成为以地质学、地球化学、土壤学、植物营养学、生态学、地方病、生物工程、环境工程和信息技术为基础，以地质背景和生态地球化学研究为核心的学科理论。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，在系统调查和综合研究的基础上，通过农业地质环境评价和决策规划，直接指导农业种植结构调整、安全农产品生产、土壤改良和平衡施肥等农业生产，为土地资源可持续利用和保护、农业产业结构调整和优化、保障和提高农产品产量、质量和食用安全、提升国家或区域数字化建设服务。围绕上述目标，近几年的农业地质调查主要集中在以下三个方面。
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(agricultural geological background)是指在一定区域内对农业生产和发展有一定影响或作用的各种地质成分(特征)和相关地质作用的综合，涉及与农业生产和科研开发有关的一切地质特征和问题。比如成土母岩的组成和特征，成土母岩的来源和性质，区域地质体和构造特征，地球化学特异性，地下水的赋存和水文地质特征，地形地貌发育，地表地质作用等。，是决定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一项基础性工作，系统采集具有代表性的土壤地球化学样品和水体地球化学样品，利用大型精密仪器测定样品中的数十种无机和有机地球化学指标，编制相关地球化学图件，查明元素的地球化学分布和分布特征，核实发现的重要元素的地球化学异常，从而为资源、环境、农业、生态等领域提供基础信息。
3)根据区域地球化学调查获得的大流域或经济区元素和化合物的分布特征和元素异常，追溯异常元素和有机污染物的来源和成因特征；查明异常元素和有机污染物的迁移路径、总输入输出和速率；研究元素在土壤和植物之间的地球化学循环以及制约作物生长和品质的元素的含量和赋存状态；异常元素和有机污染物的风险预测和危害趋势预警；对污染生态系统的管理、修复和监测提出了建议。
二、国内外研究现状及进展
地质学和农学是两个古老的学科，各有其内涵和发展轨迹。随着研究的深入和学科的发展，土壤作为两个学科相同的研究对象，为地质和农业的融合搭建了桥梁。随着全球人口的快速增长，粮食不足、资源大量消耗、环境恶化等问题日益突出。各国地质学家进行了各种探索，也促进了农业地质学的产生和发展。
1.国外农业地质学的研究进展
“农业地质学”一词最早是由德国学者F.A.Fellow和F.V.Richthofen在19世纪中叶提出的。没有明确的定义，只是用来解释岩石风化与土壤形成的关系。20世纪初，国际地质学家广泛关注农业地质研究，在欧洲召开了多次国际会议。1907期间，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，该部以土壤地质调查、制图和土壤发生与分类为研究重点。
20世纪前50年，英美地质学家著书讲授农业地质学，如英国剑桥大学R.H.Rastll出版的《农业地质学》1916，美国路易斯安那州立大学F.V.Emeison出版的《农业地质学》1946。这两本书的初衷是向从事农业研究的人介绍岩石、矿物、构造等地质学知识。这些都表明，当时的农业地质学主要是将地质学的知识和认识渗透到土壤研究中，或者直接为农业服务。
20世纪20年代美国地理学家H.H巴罗斯明确提出地理学是人类生态学，推动了人地关系的研究。20世纪30年代，K.Troll首次提出了“地缘生态学”一词。现在，这一概念被普遍理解为研究作为环境系统组成部分和生物圈物质基础的地圈及其内部自然和人类活动变化的科学。俄罗斯(苏联)系统开展了区域生态地质调查，完成了1:500万的14生态地质图。20世纪50年代以来，随着世界人口、资源、环境之间矛盾的日益突出，环境地质学(Betzf，1962)逐渐兴起，相当多的农业地质问题被纳入环境地质学的范畴。20世纪60年代初，以J·韦伯(J.Webb)为首的英国地球化学家对北爱尔兰、英格兰和威尔士的河流沉积物进行了系统的地球化学调查，编制了常量元素和部分微量元素图，分析了它们对人类、动物和植物的影响。1969 ~ 1971年期间，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研究地球化学环境与人类健康的关系提供基础数据。直到1972年，为了统一学科概念，美国地质调查局将农业地质学解释为应用于农业的地质学，探索土壤、肥料矿物、地下水分布和特征的成因和成分，属于应用地质学的范畴。目前，农业地质学在国外通常被解释为“地质学为农业服务”。
20世纪70年代初，苏联在矿物学、地球化学和稀有元素结晶研究所对生态地球化学的理论、方法和应用进行了一些有益的探索。中国西北地区开展了大范围的农业地球化学调查，为改良农业土壤、提高土壤肥力、增加作物产量和保护环境提供了可靠的数据。20世纪90年代以来，随着快速准确的仪器分析方法和“3S”技术的迅速发展，勘查地球化学在世界范围内的应用领域不断扩大。俄罗斯等国开展了集生态环境评价、土地合理利用、成矿预测于一体的区域地球化学环境调查与评价。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、肯尼亚和玻利维亚也根据各自不同的问题，开展了广泛的区域地球化学环境调查研究。
2.中国农业地质学的研究进展
中国的农业地质思想源远流长，在古代就有对生物与环境统一性的深刻认识。早在周朝，《花王公基》中就有这样一句话:“生于淮南者为橘，生于淮北者为橘。叶子和徒弟差不多，其实味道不一样，为什么呢？可见，早在2500年前，中国人民就认识到了果树与土壤的生态关系；王的《群芳谱》(1621)记载“地不太高，土肥最好，除草太多，土松好”，这是我们古代先民对农业与地质环境关系最朴素的认识。而作物与环境关系的研究作为一门学科只有百年历史，也就是后来的农业地质学。
中国的地质学与农业的结合也是从土壤学的研究和地质学指导下的一些农业矿产的调查开始的。随着农业地质学的迅速发展，农业地质学的概念、含义和研究内容也在不断扩展，不同时期农业地质学的内涵也有所不同。新中国成立前，地质为农业服务主要集中在农业管理和农学中遇到的地质问题。例如，通过研究，数十种非传统农业矿物岩石，特别是磷、钾、硫矿等矿物肥料被广泛应用于农业生产的各个领域，可用作土壤改良剂、饲料添加剂、肥料、复合肥、畜牧渔场的干燥除臭、农药载体、鱼塘净化剂等。20世纪50年代以来，我国农业地质工作取得了很大进展，可分为四个阶段。
第一阶段:20世纪50年代至70年代，农业地质工作主要集中在区域地质、区域水文地质、农药、化肥、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国家安全和生存的大问题。在“水无收获，肥多收获少”的思想指导下，地质部门开展了钾盐矿和磷矿的调查勘探，开展了北方半干旱和干旱地区农田供水、水土流失和盐渍化改良的勘探。20世纪60-70年代，完成了1:5万和1:1，004，000元的农田供水水文地质勘探，总计约130×104 km2。
第二阶段:20世纪80年代，以地层、岩石、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的优劣势特产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，地矿部或地方政府部署开展了以农业地质背景和名优产品研究为重点的农业地质工作，以及新型矿物肥料和矿物饲料的勘探开发。主要有山东肥城桃、平阴玫瑰、山东烟草、泰山(东北脚)板栗、四川柑橘、涪陵榨菜、河北沧州金丝小枣、广西荔枝、柳州甘蔗、南宁香蕉等。该项目取得了丰富的成果，积累了大量的数据和资料，总结了许多理论认识，并利用这些数据和规律发现或发现了许多新的农林优势区域，扩大了种植，极大地促进了地方经济。65438年至0988年，地矿部向国务院汇报了发展地质为农业服务的工作，掀起了农业地质的第一次高潮。20世纪80年代后，我国1:20万区域地球化学数据开始应用于环境地球化学领域。研究了不同地区锌、铜、钴、钼、硼含量与作物产量的对应关系，找到了生物生长缺陷和产量低的原因，总结提出了一些局部元素和相应作物的正常、过量或不足生长阈值。类似的研究为微肥的制备和田间应用提供了基础依据，有效地促进了当地中低产田和草地的改造。
第三阶段: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崭新的快速发展的历史时期。20世纪90年代，“农业地质学”演变为“农业生态地质学”。“农业生态地质学”不再是早期“农业地质学”的概念，而是已经形成了一门边缘学科的雏形。1992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第30届国际地质大会介绍了我国农业生态地质研究的最新成果，引起了国际同行的关注。“九五”期间，地质矿产部在山东临淄、青州新增生态地质调查试点1:5万个，农业生态地质调查试点1:5万个，在河北刘畅、隆化新增区域地质和农业生态地质调查试点1:5万个。
第四阶段:21世纪是农业地质发展的高峰阶段。1999-2002年，在珠江三角洲、江汉平原和成都平原开展了多目标区域地球化学填图试点工作，取得了一系列重要发现。在以往多目标区域地球化学调查经验的基础上，自2001以来，我国先后在中东部近20个省区开展了以建设现代农业、促进农业经济结构调整、完善农产品质量安全体系为主要内容的多目标区域地球化学调查。在此基础上，重点研究了长江流域、黄河流域、沿海经济带和东北经济区。
总的来说，过去30年是中国农业地质研究的鼎盛时期，理论观点层出不穷，方法技术发展迅速，实践应用成果丰硕。上世纪80年代，李(1986)在《农业地质背景系统概论》中提出“农业地质背景是农、林、牧、副、渔等密切相关的地质体和地质力的特殊综合”。冯群耀(1991)在《大农业地质学》中提出“大农业地质学是以地质学理论为基础，结合农林业相关理论，研究大农业相关问题的边缘学科”。两者都强调农业地质背景、矿物岩石及其地球化学成分与农业的关系。到20世纪末，程冠文(1996)在《农业环境地质学论及其研究内容》中提出“农业环境地质学是研究在自然因素和人为因素作用下，农业地质环境的变化规律和环境中物质、能量的活化、迁移和转化，以及伴随这种变化规律的生物效应，通过人类的作用和现代科学技术的运用，使农业地质环境在时空、要素流动和物质平衡上得到优化。张宗虎(1997)提出“农业生态地质学是研究人类-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”。两者都将农业地质学的研究范围扩展到生态环境领域，极大地拓展了农业地质学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，农业地质学已经走过了100多年的发展历史。农业地质学是从制约农业生产的客观自然因素出发，解决农业发展问题。目前重点开展农业地质背景与农业地质环境、土壤化学污染与防治、土壤地球化学、农业中微量营养元素、土壤区划等方面的研究。随着信息技术的发展和对生态环境要求的提高，农业地质研究需要将岩石圈、大气圈、水圈、生物圈和社交圈紧密结合起来。农业地质科学的主要研究内容已扩展到土地资源利用与管理、农业生产活动、农产品质量与食品安全、生态环境保护、区域经济规划、地方病与地质灾害防治、可持续发展等诸多领域，体现了广阔的发展前景。近年来，与农业地质学有关的研究和发展趋势可以总结如下。
1.多部门合作已成为农业地质的发展趋势。
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、环境医学等学科对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、生物吸收积累机制、生物效应等一系列问题做了大量的基础研究，取得了大量的理论研究成果，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本的理论依据。农业地质学不仅是拓宽地矿系统学科研究、拓展服务领域的最佳方向之一，也是农业部门结合地质知识深化和加快农业发展的新途径。所以不同行业的科技人员一起合作是必由之路。
2.系统研究特色作物与生态条件的关系。
农业地质背景是作物特征品质形成的生态基础条件之一。在实际生产和科研中，必须获得足够的农业地质背景数据，系统完整地研究特色作物品质与生态条件的关系，找出关键的地质背景因素，才能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作物生产中的地位和作用，作者认为今后的农业地质背景研究应强调以下几个方面:一是广泛开展农业地质背景调查，研究特色农产品与农业地质背景因素的关系，揭示不同农业地质背景区作物品质差异的原因；其次，在广泛调查农业地质背景的基础上，对比分析优势农业产区和一般农业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，应充分发挥3S(GIS、GPS、RS)技术在农业地质背景调查研究中的作用，避免人力、财力和时间的浪费，降低数据综合和提取的难度，提高调查数据的准确性。
3.农业环境保护已成为世界各国关注的重大问题。
工业化给人类生存环境带来的影响和危害早已引起世界各国政府和科学家的普遍关注。对工业污染的研究已经比较成熟，许多国家和政府都颁布了法律来制止有害工业污染物的任意排放，使工业污染得到一定程度的有效控制。相比之下，工业现代化对农业环境的负面影响直到20世纪下半叶才引起人们的警惕。工业“三废”和城市生活污染物的排放，以及农业生产中农药、化肥等化学品的大量使用，是农业生态(地质)环境恶化和农产品质量下降的主要原因之一。当前，农业地质(生态)环境和农产品安全体系建设越来越受到世界各国政府的重视。许多国家，特别是美国、英国、法国、德国、日本等西方发达国家，投入了大量的人力物力，对重金属、硝酸盐、农药和持久性有机污染物(POPs)在农业生态环境中的行为和影响进行了一系列的基础研究和应用研究，建立了专门的机构，制定了相应的法律法规，严格限制农业生产中化学品的使用范围和数量。同时，大力发展有机农业，走农业可持续发展之路。在大量基础和应用研究的基础上，实施了大范围的农业生态环境实时监测；精准程序化的生产过程控制技术和产品质量实时监控；印度等一些发展中国家已逐渐认识到农业生态环境污染对农业可持续发展的负面影响，积极开展相关工作，加紧制定保护和改善农业生态环境(地质)和防止农产品污染的政策和技术措施，以适应经济全球化趋势和国际农产品一体化进程。
由于受经济和科技发展的制约，我国农业生态地质环境研究起步较晚。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，对20多个省、自治区、直辖市的农业生态环境污染进行了调查，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些研究工作。，并研究了有机氯农药对农业生态系统的影响和作用规律，以及镉、汞等重金属和无机、有机污染物对农业生态系统的危害、迁移转化机理。“十五”期间，针对加强农产品安全管理的现状和适应加入世贸组织的迫切需要，我国正在积极研究农业生态环境保护与防治、农产品安全生产过程控制等关键技术。，并在国内首次将生态农业和食品安全技术研究列入“十五”科技重大专项，研究制定了《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.农业地质基础和应用研究不断深化。
美国、英国等一些西方发达国家自20世纪60年代以来，对农业生态环境和农产品中重金属、硝酸盐和有机氯农药的污染现状、发生规律、迁移富集过程、循环机制、质量安全控制策略和处理途径等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是面源污染，因为它涉及面广，过程和机理复杂，这方面的研究比较落后。重金属在土壤和植物中的迁移富集、氮磷水平和潜在面源污染、有机氯污染以及信息技术在农业面源污染调查和评价中的应用，国外已有深入研究，但相关研究基本集中在畜牧业发达的地区，研究的土壤基本为旱地，对湿地土壤和水稻土的研究仍显不足。
在农业信息系统的发展中，发达国家的信息高速公路正在迅速向农村和农业延伸。利用计算机技术、地理信息技术和网络技术的集成优势，农业面源污染信息系统、生猪管理系统、名优果树新品种、农业信息管理系统和畜禽饲料专家配方系统的应用已经相当成熟。特别是以美、日、西欧为代表的发达国家，在完成农业产业化、机械化后，进入了农业信息化时代，建立了国际著名的AGRIS、CABI、AGRICOLA三大农业数据库和国家食品安全数据库。卫星数据传输系统已被农业生产者广泛使用，大大提高了农业生产率。
5.农业地质评价方法与技术的研究方兴未艾。
长期以来，地质、农业、水利、环保、气象等部门从不同的专业角度形成了岩石、土壤、水、气体、生物等介质的调查研究方法，并制定了相应的规范和规定。但是，这些调查和研究工作大多是从部门和学科的角度进行的。调查研究的媒介要素比较单一，分析测试指标较少。许多方法和技术主要适用于局部和专题研究目标。与传统的单学科研究、实验室试验和局部调查评价不同，农业地质环境调查是一项复杂的系统工程，包括区域和局部的多尺度、多介质的水土生物，调查与研究相结合，基础与应用兼顾。岩土地质背景、气候、植被、生物和地形条件、环境条件等自然资源及其质量是影响农业生产的基本因素；需要有科学的、可操作的、实用的评价方法和技术体系来支撑。因此，近年来，环境质量和污染程度的评价方法模型，特别是从生态系统角度出发的综合评价体系，包括评价框架、指标体系、标准依据和方法模型，已成为当今生态环境科学的研究热点。