第一章 环境保护与发展

环境保护与可持续发展钱易女，1956年毕业于同济大学卫生工程系，1959年清华大学研究生毕业后留校任教至今，环境系教授、博士生导师。中国工程院院士。钱易院士数十年来致力于水污染防治工程的教学与科研，努力研究开发适合我国国情的高效、低耗废水处理新技术，对难降解有机物生物降解特性、处理机理及工艺技术进行了卓有成效的研究工作。近年来致力于倡导和推行清洁生产、循环经济和可持续发展。课程介绍•由于科学技术的不断进步，世界经济的迅猛发展，人类社会发生了翻天覆地的变化，许多先人的梦想已经或正在逐步变成现实。•残酷的现实告诉人们，人类经济水平的提高和物质享受的增加，在很大程度上是以牺牲环境与资源换取得来。环境污染、生态破坏、资源短缺、酸雨蔓延、全球气候变化、臭氧层出现空洞等，正是由于人类在发展中对自然环境采取了不公正、不友好的态度和做法的结果。•可以毫不夸张地说，人类正遭受着严重环境问题的威胁和危害。这种威胁和危害关系到当今人类的健康、生存与发展，更危及地球的命运和人类的前途。•环境保护与可持续发展是当今人类所面临的重要问题，也是中国的基本国策。为了保护环境走可持续发展的道路，起根本作用也是最迫切需要的，是全人类的觉醒和一致行动。第一章地球环境的基本特征第一节地球环境的圈层构造第二节人类与地球各圈层的关系本章重点1、地球大气的热分层和各层的主要特征.2、地球上的水量分布.3、人类的生产活动给水圈带来的影响.4、地面土壤仅几十厘米厚.5、土壤含盐量达到占干土重0.2﹪，作物生长受阻。第一节地球环境的圈层构造一、地球环境及其组成•环境科学所研究的是人类所赖以生存的地球环境，地球上的其他生物和非生物物质被视为环境要素，与人类息息相关。•人类环境是人类赖以生存和发展的物质条件的综合体。它包括自然环境和社会环境两部分。主体环境二．地球环境的独特性•地球是迄今发现存在智能生物的唯一天体。环境丰富多样，适合生物的生存和繁衍。臭氧层（距地面15--40km处），保护着地球不受高能紫外线（1022Hz)的侵袭；二氧化碳，使地表保持适中的温度，有利于生物的生长(但工业革命以来排放CO2将增加1000倍，浓度达到30%以上，温室效应地球早已不适合生物生存了！）；土壤（地表上覆盖着一层或厚或薄），为植物提供营养和生长的基地；地壳的厚度也很适中，厚到足以把岩浆覆盖到足够的深度，又薄到足以维持地壳深部和浅部保持一定物质交换。盖娅（Gaia)假说：近年来，科学研究的进展，使一些科学家提出了不同的看法。他们反因为果，认为不是地球上“优越”的环境条件创造了生命，而是生命活动创造了今天地球的环境。这种观点被称为盖娅（Gaia)假说或盖娅理论。为什么说生命现象创造了我们今天赖以生存的环境？1.地球表层物质和能量的循环、转换是靠生命活动实现的。如果没有生命捕获、转移和储存太阳能，则来自太阳能的辐射将会散失。生命活动在太阳能的捕获与储存和地球表层物质的迁移转化方面的巨大作用，远远超乎人们的想象。因此，地球的现状是生命参与地质历史过程的结果，地球现在的状态也是靠生命活动调节、控制和维持的。1.所有生物累计是地球质量的1000倍2.水圈---2800年被生物代谢过程一次3.大气圈中的氧---每1000年全部通过生物代谢过程一次4.若无生物吸收人类工业化以来排放CO2将增加1000倍，浓度达到30%以上，温室效应地球早已不适合生物生存了！三．地球各圈层的发育地球在大约46亿年前形成的时候，是一个炽热的大火球，还没有圈层的分化。地球外面包围着原始大气，主要由氢气、甲烷、氨和水蒸气等组成，是一个还原性的大气圈。我们今天看见的地球各圈层，是经历了亿万年的发育才形成的。水的出现是地球发育史的第一个重大事件。大约在38亿年以前，在某种机制的作用下，地球上出现了水。水分的蒸发和降雨，降低了地表的温度，产生了河流、湖泊和海洋，为地球生命的出现创造了最基本的条件。地球史上第二个重大事件是生命的出现，尽管对生命起源的机制也有种种不同看法，但一般都认为生命起源于海洋。早期细菌通过发酵作用取得能量，并在生命过程中放出二氧化碳，逐渐改变了原始大气的组成。到大约20亿年前，出现了更为进化的细菌和蓝藻等生物。从此，开始了一种新的生命过程---光合作用，大气圈中首次出现了氧气。此后，生物进化过程加速。12亿年前出现最早的真核细胞5亿年前出现海洋无脊椎动物4.5亿年以前，在温暖湿润的河口地带，一种叫做顶囊蕨的植物开始登陆2亿年前哺乳类动物出现，200-300万年前出现人类现在，大约有500万至5000万种生物组成了五彩缤纷的生物界，构成了包括人类在内的生物圈。•从地球个圈层发育的过程中，我们又一次看到生物的能动作用。可以毫不夸张的说，地球今天的面貌是生物创造的。爱护和保护生物圈，就是爱护和保护地球的现在和未来！第二节人类与地球各圈层的关系•一．人类与大气圈•二．人类与水圈•三．人类与土壤圈•四．人类与岩石圈•五．人类与生物圈一、人类与大气圈•大气圈是地球外面由各种气体和悬浮物组成的复杂流体系统，是在生命活动参与下长期发育而形成的。（一）大气圈的结构按照其分子组成分为两个大的层次（90km分界）：均质层和非均质层（或称同质层和非同质层）根据大气的物理和化学性质，大气圈又可以分为光化层和离子层世界普遍采用：根据大气温度垂直变化特征，将大气圈分为对流层（∠12km）、平流层（12-50km）、中间层（50-80km）、热成层（电离层）和逸散层。（二）地球大气的精细平衡地球大气的主要成分是氮和氧，这种组成在太阳系九大行星种非常特殊。组成地球大气的多种成分可分为：稳定组分和不稳定组分稳定组分：氮、氧、甲烷、氢、氙等，这些气体之间的比例是稳定的。不稳定组分：二氧化碳、二氧化硫、臭氧和水汽等。地球各圈层，尤其是生物圈各组分，与大气圈保持着十分密切的物质和能量的交换，使大气各组分之间保持着极其精细的平衡。目前，下层大气中氧气的浓度为21%（譬如升至25%，雷电会烧毁陆地所有植被），这是亿万年来生物圈进化与大气圈相互作用的结果。•大气圈中另一种敏感的微量组分是甲烷，俗称沼气。目前，其浓度低于百万分之二（2ppm)。如果浓度过高，在现有的氧浓度下就会因闪电而燃烧。并且，甲烷的温室效应比二氧化碳强300多倍。综上所述，大气圈各组分之间保持着精细的平衡（特别是氧和甲烷的浓度），这是地球环境亿万年来发育的结果。保持这种平衡乃是维护生物圈所必须，破坏这种平衡就是破坏生命的基础。然而，人类社会实现工业化以来，规模和强度日益加大的人类活动正在破坏这种平衡，这是人类面临的重大环境问题之一。二、人类与水圈•海洋和陆地上的液态水和固态水构成一个大体连续的圈层覆盖在地球表面，称为水圈。它包括江河湖海中一切淡水、咸水、土壤水、浅层和深层地下水以及南北两极冰帽和各大陆高山冰川中的冰，还包括大气圈中的水蒸气和水滴。水的优异的自然性质决定了它对人类和生态环境的特殊意义有五点：（1）水是无色透明的，它允许太阳光中的可见光和波长较长紫外线部分可以透过，使光合作用所需的光能能够到达水面以下的一定的深度，而对生物体有害的短波紫外线则被阻挡在外。（2）水是一种极好的溶剂，为生命过程中营养物和废弃物的传输提供了最基本的媒介。（3）高比热、高蒸发特性。除液氨外，水的比热是所有的液体和固体中最大的，为4.18J/(g.ºC)。地球上的水体，白天吸收太阳能使地表温度升高，夜晚又释放出去，避免了温度的剧烈变化，使地表温度保持相对稳定。（4）水在4ºC时的密度最大，这一特性在控制水体温度分布和垂直循环中起着重要作用。水的生态意义有五点：（5）冰的密度比水小，这一特性对水下生物有十分重要的意义。否则，气温降低时水面结成的冰会沉入水底，给水下生物带来灭顶之灾。•近代人类在其生产活动中，给水圈带来各种各样的影响，这些影响有：（1）兴建大型水库；（2）大量开采地下水；（3）小河流渠道化；（4）湖泊的泯灭。三．人类与土壤圈•土壤是地球陆地上能供植物生长与繁殖的疏松表层。除了江河湖海等水体和两极冰盖与高山冰川覆盖的地区以外，几乎都由土壤存在。即使在岩石出漏或流沙覆盖的地方，也可能有原始土壤和风沙土的发育。土壤圈是与大气圈、水圈同样重要的第三大环境要素。•土壤和岩石共同构成了大地，但土壤和岩石是有区别的。地球半径约为6371km而地表土壤的厚度仅为几十厘米，相比之下微乎其微，但却正是这薄薄的一层土壤，才使得地球上有了广阔的森林、农田和草场，人类得以从中获得宝贵的生产和生活资源。•一般而言，当土壤含盐量达到占干土比重0.2%时，作物生长受阻，这种土壤称为盐渍化土。灌溉水把渠道和土壤中的盐分溶解出来，随着水分的蒸发，数量不等的盐分便积累在土壤表面。土壤学上把这种过程称作次生盐渍化。当土壤含盐量达到2%以上时，大多数作物无法生长，这类土壤就是盐土。次生盐渍化影响范围广泛，而且仍有发展的趋势。据估计当前世界水浇地的14%受盐渍化影响。水涝，即沼泽化。传统灌溉技术，如沟灌和渠灌，常有过量水分下渗至底土，在排水不良的地形部位上潜水位逐渐提高，使土壤表层和表下层水分过多，造成缺氧环境，妨碍作物生长，俗称水涝。四．人类与岩石圈•岩石圈是人类生存环境中最下面的一个圈层，又是地球内部各圈层的最外层。众所周知，地球内部也分成几个圈层。从地心向外，分别是固态内核、液态外核、地幔和地壳。•岩石圈对人类的发展也具有重要的价值，向人类提供了丰富的化石燃料和矿物燃料。（一）化石燃料从人类全部历史来看，化石燃料大规模使用的历史尚不足200年。历史上长期使用的燃料是薪柴、木炭、作物秸秆和畜粪。进入20世纪以后，煤炭才开始占主导地位。石油更是一个后来者，从1920年起其开采量大幅度上升，开始了能源供应的“石油时代”。从1929年至1971年，世界煤炭产量增长了70%，同期石油产量增长了1000%。（二）矿物原料人类利用矿物资源的历史不算长，大约在公元前6000年人类首次学会从矿石中提取金属，进入青铜时代。3000年以后，到了公元1709年，英国人达比发明了用焦炭作燃料熔炼铁，才进入近代的钢铁时代，钢铁也成了现代一切工业的基础。总之，岩石圈是人类所需要的矿物原料和化石燃料的储藏所，其储量是巨大的。但是，由于人口的持续增长和技术的迅速进步，对矿产与能源的需求与日俱增，传统原料与燃料行将耗竭。如何迅速实现向新材料与新能源的转变，已经成为关系到人类未来生存与发展的要务。五．人类与生物圈•生物圈是指地球上有生命的部分，即地球上所有的生物，包括人类及其生存环境的总体。生物圈的发育经历了大约30亿年的历程。从30亿年前出现原始细菌开始，20亿年前出现了能进行光合作用的固氮生物，释放出氧气，并在约16亿年前形成了含氧气的大气圈。•生物圈是地球上最大的生态系统，包括从海平面以下10km到海平面以上9km的范围。在这个范围内有正常的生命存在，生态系统内部不断进行着物质、能量和信息的交换循环。而人类从农业社会进入工业社会后，掌握了可以同大自然相抗衡的力量。尤其是最近半个世纪以来，科学技术迅猛发展，终于使人类从大自然的奴隶变成大自然的主人，但人类在过去相当长的时期处处以胜利者和占领者的姿态出现，破坏了人类同大自然的平衡和和谐。