第一章 环境与环境科学

第一章环境与环境科学能动学院刘银河印尼火山爆发印度尼西亚苏门答腊岛以北海域当地时间2004年12月２６日上午８时发生里氏８.５级强烈地震，并引发海啸，东南亚和南亚数个国家受波及，造成重大人员伤亡（最后报道遇难者超过15万人。印度尼西亚班达亚齐灾区满目疮痍一度是海河流域最大高原内陆湖安固里淖去年彻底干涸浙江海域出现的大面积赤潮。中国酸雨分布八成湖泊消失沙漠进逼敦煌要成为第二个楼兰？举世闻名的甘肃敦煌月牙泉在上世纪70年代占地22亩，水最深处达9米。由于地表水减少、地下水下降，月牙泉如今水面仅有8亩，水深不足3米。尽管当地政府采取多种措施进行补救，效果不大。据有关专家介绍，如不采取更加有力措施进行抢救，30年后月牙泉将面临不复存在的危险。冶炼钢铁的高温环境科学发展观第一节环境概述一、环境的概念•环境是指与某一体系有关的周围客观事物的总和。–体系—人为划定的一定范围内的研究对象，即中心事物。环境即为与某一中心事物有关的周围事物。不同的中心事物具有不同的环境，即环境随着中心事物的变化而变化。–《中华人民共和国环境保护法》称“本法所称环境，是指影响人类生存和发展的各种天然的和经过人工改造的自然因素的总体，包括大气、水、海洋、土地、矿藏、森林、草原、野生生物、自然遗迹、人文遗迹、自然保护区、风景名胜区、城市和乡村等”。–包括以下两个方面：»自然环境是指人类发生，并赖以生存、生活和生产所必需的物质基础»社会环境是指人类活动而形成的各种事物第一节环境概述二、环境的组成与分类•环境的组成如下：自然环境：①物质：空气、土壤、水、岩石、动物、植物、微生物等；②能量：阳光、地热、气温、引力和地磁力等；③自然现象：太阳的稳定性、地壳稳定性（地质构造、地震、火山活动、海啸）、全球水循环、大气流动、水土演变等。社会环境：综合生产力、科学技术、人工建筑物、人工产品和能量、政治体制、社会活动、法律制度、宗教信仰、文化艺术等。•环境的分类如下：环境分类依据：空间范围的大小、环境要素的差异、环境的性质等，按照人类生存环境的空间范围可分为：1.聚落环境——环境科学的重要和优先研究领域2.地理环境——包括全部土壤圈，其范围大致与水圈和生物圈相当3.地质环境——岩石圈部分4.宇宙环境——大气圈以外第一节环境概述三、环境的形成与发展–60亿年以前，地球是一团云状气尘物质，演化后形成了地球胎。–46亿年前，地球是一个炽热的大火球，外面包围着原始大气。演化过程中逐步形成原始的①岩石圈：物质的重力分离；②大气圈：上升到地表的还原性气体，无O2；③水圈：地球内部的水蒸气进入大气圈，降雨产生了河流、湖泊、海洋.–35亿年以前，海洋中的元素和小分子化合物在各种能量的作用下，逐步合成了简单有机化合物，演化成具有单细胞结构的厌氧生物（异养生物）。–20亿年前，出现含有叶绿素的自养原核生物细菌、蓝藻等生物，它们的光合作用、新陈代谢使大气圈中出现O2，使大气环境从还原型向氧化型转变，最终形成了一个含氧的大气圈。–6亿年前，出现海洋动物。随着大气圈O2的增加，大气游离氧在高空积累，约在4亿年前形成了保护地球的臭氧层，为海洋生物登陆创造了条件，生物圈由水圈扩展到陆地。–4亿年至2亿年前，首次出现了陆生蕨类植物。最终在地球上形成微生物、植物、动物的水陆生态系统，即生物圈。–200～300万年前，出现了人类。第一节环境概述四、环境要素和环境效应•环境要素——指构成人类环境整体的、各个独立的、性质不同的而又服从整体演化规律的基本物质组分，又称环境基质。分为自然环境要素与社会环境要素，习惯上指自然环境要素。特点如下：（1）最小限制律（2）等值性（3）环境整体性大于环境诸要素的个体之和（4）环境诸要素相互依赖、相互作用与相互制约。•环境效应——指在自然过程和人类活动的综合影响下，物质之间通过物理、化学和生物作用所产生的环境效果，引起环境系统和功能的变化。（1）环境化学效应（2）环境物理效应（3）环境生物效应第二节生态学基础一、生态学概述(1/2)•生态学的概念——研究生物（动、植、微生物）与环境（非生物环境和生物环境）之间相互关系及其作用机理的科学（1）研究生物的个体水平就是研究其对环境的反映；（2）研究影响种群丰富度和种群波动的因素；（3）研究生物群落的结构和功能；（4）研究生态系统的能量流动、食物网（链）和养分循环。•生物与环境的相互作用（1）生物依赖于环境——生物的物质基础元素均来自环境，生物的新陈代谢就是从环境摄取养分和能量，并将废物排弃的过程。（2）环境因子对生物的影响——非生物环境因子为生物提供必要的生存条件，但同时又可能出现某些限制因子（尤其是营养因子及气候因子）。因此，生物对环境因子有一定的耐受性与适应性。（3）环境污染对生物的影响——环境污染对生物的危害，主要是一些有毒有害物质通过呼吸、消化、感官等系统进入体内，使生物细胞降低或丧失正常的功能，最终对生物及人体健康产生危害。第二节生态学基础一、生态学概述(2/2)•人类与环境的关系——自然环境影响社会活动及其社会发展，人类活动影响自然环境。①环境保护和资源开发必须为多数人的利益服务。避免自然资源的浪费，确保资源的有效利用和无污染废物。②限制影响环境的人类活动。所有自然物都有存在的权利。③人类、其他生物和环境因素之间是一种互相依存的合作关系。只要他们中间任何一方发生问题，这种关系都会遭受破坏，即生态系统失去平衡。•公众和科学家们要求对人类活动加以约束，使“生态意识”逐渐成为全民道德观。仅仅依靠科学技术不能完全解决环境和生态系统问题，只有整个人类意识到人类和自然环境是一个整体，制定道德、经济和法律的制约措施，才会是有效的。因此，生态学是人类社会与生物圈稳定与持续发展的理论基础。第二节生态学基础二、生态系统的组成与结构(1/2)•生态系统概念——指自然界在一定的地域内由全部生物和非生物环境相互作用的统一体，即生命系统与环境系统在特定空间的组合。（相对稳定的动平衡状态）•生态系统的组成——生物环境和非生物环境–生物环境——由生产者、消费者、分解者三类活动角色组成①生产者（自养生物）。将太阳的辐射能转变为化学能贮存在有机物质的分子结构中。主要是绿色植物，也包括进行光合作用和化学能合成的某些微生物。②消费者（异养生物）。食用植物或相互食用的生物，以动物为主，实现物质与能量的传递与物质的转换。③分解者（腐化性生物）。具有分解能力的细菌和真菌等微生物，某些参与分解活动的动物，将生产者和消费者的残体分解为简单的无机物质，供生产者再吸收利用。食物关系把多种生物联系在一起，形成食物链。每一个环节为一个营养级。–非生物环境——包括各种环境要素的总和，由所有非生命物质和能量两部分构成，为各种生物提供必要的营养元素和生存环境，是生态系统中各种生物赖以存在的基础。第二节生态学基础二、生态系统的组成与结构(2/2)•生态系统的结构——生态系统中各组成成分之间的相互关系。–时间和空间结构——空间结构是指生物及环境因素在空间的配置；时间结构是指生态系统的结构随时间变化而产生的变化。–生物多样性结构——指某一区域内遗传基因的品系、物种和生态系统多样化总和。多样性的生态系统是所有物种赖以生存与发展的基础，决定了物种、种群、群落的发展与消亡–营养结构——由生物的食物链构成，实现物质与能量的传递与物质的转换。每个营养级生物的个体数量、生物量或者能量，按营养级的顺序由低到高排列起来绘成结构图，就形成生态金字塔。营养级越高的生物，其生物种类、数量和所有生物的能量之和越少。•生态系统的类型——自然生态系统、半自然生态系统和人工生态系统；陆生态系统、水生生态系统和湿地生态系统第二节生态学基础三、生态系统的基本功能(1/2)能量流动、物质循环和信息传递是维系生态系统稳定的三项主要功能。食物链(网)和营养级是实现这些功能的保证。（一）生态系统中的能量流动生物与环境、生物与生物之间的能量传递和转换的过程，遵循热力学定律。特点：①能量流动的单向性；②流动中能量逐渐减少（贬值）。因为：①各营养级生物总有一部分会未被食用而自然死亡，最终被分解者所利用，不可能全部被下一营养级的生物完全利用；②各营养级的生物要维系自身的生命活动，必须消耗一部分能量，这一部分最后以热能的形式消散到环境中；③各营养级不能完全吸收利用上一营养级的能量，通过排泄损失能量太阳能量只有约4%被植物有效利用，除了供植物本身生命活动需要外，光合生物能为上一营养级提供的太阳能还不到1.29%，损失70％。其它动物也是如此，摄取的能量，能被上一级有效利用的约为10%。食物链不可能太长，生态系统中的营养级最多只有四、五级，很少超过六级。第二节生态学基础三、生态系统的基本功能(2/2)（二）生态系统中的物质循环–C、H、O、N、P、S是是构成生命有机体的主要物质，它们在自然界循环。对人类生存和环境保护来说，最主要的是水、碳、氮、硫的物质循环。–碳循环–氮循环–硫循环（三）生态系统中的信息传递信息—系统传输和处理的对象，生态系统中的信息是指各种环境因素。生态系统的信息传递和联系方式使生态系统结合成为一个有机的统一整体。1.营养信息食物链和食物网构成。2.物理信息通过物理过程传递的信息。3.化学信息通过化学物质传递的信息。4.行为信息通过生物的异常行为传递的信息。第二节生态学基础四、生态系统的平衡(1/2)•生态平衡指某生态系统的生物环境和非生物环境之间以及它们内部之间通过物质循环、能量流动和信息传递，达到互相适应、相互制约、协调统一的效果，维持一种恒定状态。•包括生态系统中结构上的平衡和功能上的平衡两个方面：•结构平衡主要指生物种类的多样性。•功能平衡指生态系统中物质流动相对恒定，循环保持正常；能量输入和输出接近相等，流动基本守恒；信息网络完整，传递通畅。•综合起来，生态系统的稳定性取决于各子平衡系统之间的相互关系。处于动态平衡，具有自身调节的能力。当生态系统受到一定程度的外界干扰而引起不平衡时，具有恢复平衡状态的能力。但干扰超出其承受能力，即一定的限度，达到破坏生态规律的程度，调节就不再起作用，生态平衡就会遭到严重破坏。第二节生态学基础四、生态系统的平衡(2/2)•影响生态平衡的因素生态系统自身调节能力的强弱是生态系统平衡的关键»生物多样性的结构——保持一定生物种类和数量的相对稳定»生态功能的完整性——生态功能的合理运转•生态平衡失调的原因:外界干扰所施加的压力﹥生态系统自身调节能力–自然因素–人为因素»环境因素的变化»物种的改变»信息系统的破坏第三节环境科学一、环境问题的由来和发展（1/2）•环境问题——指由于自然原因和人类活动作用所引发的人们周围环境质量的变化，以及这种变化所产生的对人类的生产、生活和健康等一系列有害的影响问题。–第一环境问题（原生环境）：自然因素引起–第二环境问题（次生环境）：人类活动引起——包括生态环境失调与环境污染•环境问题的出现：真正的环境问题出现在18世纪中叶开始的工业革命以后。–由于生产力的大幅度提高和新生产关系建立，扩大并强化了人类利用、改造环境的能力，从而破坏了原有的生态平衡，产生了新的环境问题。–一些工业化的先驱城市和工矿企业区，排出大量污染环境的废弃物，出现了一系列污染环境的事件。如：英国伦敦在1873～1892年间，由于大量排放煤烟型有害废气，多次发生可怕的有毒烟雾事件；19世纪后期，日本足尾铜矿区排出的废水污染了大片农田。–此时的环境污染特点：局部、暂时的，危害也有限，未能引起足够重视。第三节环境科学一、环境问题的由来和发展(2/2)•环境问题的发展–第一代环境问题——环境问题引起人们重视的规模性爆发和逐步的恶化发展始于20世纪40年代，并在80年代前出现了环境问题的第一次高潮，形成第一代环境问题。八大公害事件，公害是指环境污染对公众所造成的伤害。原因：（1）人口迅猛增加，城市化的速度加快。50年～80年代人口增加了20亿，城市人口集中，导致污染物的集中排放。（2）工业化规模不断集中和扩大，能源的消耗激增。30年间能源的消费增加了近亿75吨（25～100），是20世纪前50年的5倍。