环境地球化学PPT课件.ppt

环境地球化学(EnvironmentalGeochemistry),1,主要参考文献：,杨忠芳等，现代环境地球化学。北京：地质出版社，2019。戎秋涛，翁焕新编，环境地球化学，北京：地质出版社，1989。中国科学院地球化学研究所编，高等地球化学，北京：科学出版社，2019,379-433黄润华，贾振邦编，环境学基础教程，北京：高等教育出版社，2019，1-11EldonDEnger,BradleyF.Smith,EnvironmentalScience,AstudyofInterrelationships,北京：清华大学出版社，2000刘本培，蔡运龙主编，地球科学导论，北京：高等教育出版社，2000，139-301钱易，唐孝炎主编，环境保护与可持续发展，北京：高等教育出版社，2000张兰生，方修琦，任国玉编著，全球变化，北京：高等教育出版社，2000戴树桂主编，环境化学，北京：高等教育出版社，2000,2,绪论,主要内容：环境地球化学的概念环境地球化学主要研究内容环境地球化学与其它学科的相互关系环境地球化学的发展历史、研究现状及有关问题,3,一、环境地球化学的概念及其主要研究内容,概念：环境地球化学（EnvironmentalGeochemistry）与其它许多学科有密切关系，是介于环境科学和地球化学之间的一门新兴边缘交叉学科，是研究化学元素和微量元素在人类赖以生存的周围环境中的含量、分布和迁移和循环规律的科学，并研究它们对人类健康造成的影响。同时，还研究人类生产和消费活动对自然环境的这些地球化学规律造成的影响。,4,2.主要研究内容,环境地球化学以研究人类赖以生存的地球环境的化学组成、化学作用、化学演化与人类活动相互关系及全球环境变化为主要任务。进而揭示人类生存与环境之间的内在联系。目前环境地球化学研究集中表现在下面几个方面：地球化学环境与人类健康，亦即原生环境的地球化学性质及其与植物、动物和人体健康的关系；环境污染的地球化学研究，亦即人类活动对环境的化学组成、化学作用、化学演化的影响及其环境效应。全球环境变化的地球化学记录农业的地球化学研究,5,主要内容：研究元素在岩石、土壤、水体和大气中的含量、分布及其分配规律，并评价原生环境的质量，为改造原生环境提供科学依据；研究个别元素和元素对的环境地球化学行为，亦即研究对人类有益或有害元素以及生命元素的赋存规律、结合形态及其对人类健康的影响；研究区域环境地球化学特征，揭示与原生环境有关的地方性疾病的发生原因，探讨人类长寿的环境地球化学因素；研究原生地球环境及其演化因素的环境地球化学分类、元素演化过程中能量的作用、元素环境背景值的确定、原生环境质量评价以及人类活动对自然环境的影响和预测等；研究人类活动对环境破坏和污染问题，并阐明污染规律及其环境效应；研究过去地球环境（特别是15万年以来）的演变历史以及环境变化记录信息的提取；研究碳、氧、氢、磷、硫及其它元素的全球地球化学和生物地球化学循环；研究农业环境介质中化学元素的分布、结合转化、迁移循环对农业生产的影响。,6,二、环境地球化学与相关学科的关系,总体上，环境地球化学从属于环境科学分支。它与其它相关学科有密切关系，因此要注意环境地球化学及各个学科在研究对象、内容、方法等方面的区别。,环境地球化学,地球化学,环境科学,土壤学,医药学,生态学,岩石学,生物学,物理化学,矿物学,7,三、环境地球化学的发展历史及研究现状,1.环境地球化学的发展历史：1)环境地球化学与人类健康研究：时间：20世纪60年代及以前。特点：以生物地球化学的思想作指导，把生物地球化学中关于地球化学环境与植物、动物健康关系的研究进一步延伸到地球化学环境与人体健康关系研究方面。我国与国外基本同步开展了一系列卓有成效的研究工作，并取得很大成绩。,8,2)环境地球化学与污染研究：,时间：二十世纪70-80年代。特点：既研究天然产出的化学元素在环境中的地球化学行为及其与植物、动物和人体健康的关系，更研究人为活动释放的元素的地球化学行为及其影响；它不仅研究碳、氮、硫、磷等生命支撑元素；同时还研究人为活动释放入环境中的各种重金属和毒性化合物。我国该时期特别是八十年代以来环境地球化学研究得到蓬勃发展。注：这一时期环境科学的基本学术特征突出反映在两个方面：一是它力图对社会需要的充分满足和适应，环境科学把它自身的注意力几乎全部投入到了人类生产活动引起的局部地方性的或区域性的污染问题上；其二是具有明显的拼合性，即这一时期的环境科学基本上是传统的地学、生物学、化学、物理学、医学、工程学和社会科学的研究活动向环境污染领域延伸或扩展的结果。,9,3)环境地球化学与全球环境变化研究：,时间：二十世纪90年代以来。特点：环境地球化学的研究活动不仅包括地球化学环境与植物、动物和人体健康，也包括人为活动释放入环境中的污染物的地球化学，而且还包括了全球环境变化的地球化学方面。环境地球化学的研究范畴实现了第三次扩展或更新。环境地球化学已被理解为研究人类赖以生存的地球环境的化学组成、化学作用、化学演化与人类相互关系的科学。,10,11,2.环境地球化学的研究现状1)区域环境研究；2)环境地球化学理论问题的探索；3)区域性典型环境研究；4)过去全球变化中环境信息的提取.,12,1)区域环境研究,区域环境分异研究;区域环境地球化学分异特征是区划环境的重要基础。区域性环境规划是发展区域环境中协调资源开发、发展经济和改善环境的纲领。编制区域环境规划必须在环境目标和环境内容上与区域规划协调。80年代初以区域环境综合研究为主，着重探索区域内环境物质运移和净化关系。通过分析自然环境特征和承载能力，阐明了环境区域的控制因素及净化功能，提出了环境保护分区，阐明了环境污染过程及环境质量状况，提出了区域环境的对策建议。区域环境背景研究;为了评价人为经济社会对环境地球化学平衡关系的影响程度，必须了解不同区域、不同环境介质中化学元素及化学物质的背景浓度水平。80年代以来以地球化学背景为基本概念，适应于环境学科发展所需要的“环境背景值”的调查和研究成为环境地球化学的热点研究问题。,13,区域环境效应研究地方性分布的疾病是典型的环境效应。我国环境地球化学工作者对地方病的环境病因作了大量研究，对克山病、大骨节病、地方性氟中毒、地方性甲状腺肿等疾病进行了环境地球化学病因研究，同时对伽师病、地方性砷中毒、肝癌、肺癌、宫颈癌、鼻咽癌、食管癌、肠癌等地方性或区域性高发疾病的环境地球化学病因进行了探索，揭示了许多有意义的现象。区域环境容量研究区域地球化学分异导致同一种化学元素或污染物在不同区域生态效应的差异。亦即不同地球化学环境类型的环境介质中，允许存在的污染物的临界数量不尽一样。也就是一个环境容量问题。从地球化学角度看，环境容量是一定地域单元内环境条件、环境背景、污染物性质及其人体健康和生物学效应的函数。对于确定的地域和污染物而言，环境容量是稀释扩散和净化降解能力及其生态效应的综合评估。二十世纪80年代来，我国环境地球化学工作者分别对大气、水体及土壤环境容量的具体含义、计算方法进行了广泛的讨论，并在土壤环境标准、农灌水质标准、污泥施用标准、污染物排放总量及土壤污染预测等方面体现出较大的实际意义。,14,2)环境地球化学理论问题方面的探索,环境介质中重金属和微量物质的含量水平、分布规律、赋存状态、运移特征、转化机制及其对生物学效应的研究；土壤植物系统污染生态学的研究；环境质量变异地球化学原理的确立；“环境界面地球化学”概念的提出；核素示踪技术在环境地球化学领域的广泛应用。,15,3)区域性典型环境研究,解决区域性环境问题首先要认识这些问题产生的原因及其发展演绎过程。因此应在较大的时空尺度下，综合多种环境要素的影响和变化，对比自然演化过程与人为干扰影响的份额，深入剖析其发生演绎机理，揭示问题实质。环境地球化学以其宏观与微观结合的工作方法、多种环境因子的界面作用原理、对比识别自然变化与人为干扰的关系等学科特长，来认识和解决典型区域的环境问题。,16,4)过去全球变化中环境信息的提取,提取过去全球历史演变过程中地质和地球化学的记录，可预测未来地球环境的演变，并为评价现今的环境提供了对照的基准。在过去历史记录的研究方法上，树轮、湖泊沉积物、海洋沉积物、冰岩心、黄土剖面、古土壤、沉积岩层、抱粉及火山灰等均提供了可供人类分析环境演变的丰富信息。,17,3.环境地球化学的发展趋势,今后一段时期内环境地球化学研究中的几个前沿问题：地球化学环境与健康地球化学敏感及生态脆弱地区的风化淋溶；环境微量物质与人体健康和生态效应的关系。环境污染的地球化学研究地气界面碳、硫及大气飘尘的释放以及环境地球化学行为；城镇和经济开发区地球化学环境基础调查以及矿山开发的环境地球化学研究。环境变化的地球化学记录研究过去全球变化研究中气候信息的提取；地球化学环境信息系统模型和模拟；地球环境的地史演化。农业地球化学研究农作物生长的地球化学研究（为农作物合理种植和选择肥料提供科学依据）；农业矿物岩石资源的开发；生态农业体系的地球化学研究。,18,第一章：环境问题与可持续发展,本章主要内容：环境及其环境要素；环境问题；当前人类所面临的环境问题；可持续发展。,19,第一节：环境与环境科学,一、环境二、环境科学,20,一、环境（Environment）,1.环境的定义对环境科学而言，环境是指“以人类社会为主体的外部世界的总体”。即指人类已经认识到的直接或间接影响人类生存与社会发展的周围事物。它既包括未经人类改造过的自然界众多因素，如阳光、空气、陆地、土壤、水体、天然森林和草原、野生生物等，又包括经过人类社会加工改造过的自然界，如城市、村落、水库、港口、公路、铁路、空港、园林等。所以，环境科学中所指的环境是人类生存的环境。Environmentisusuallyunderstoodtomeanthesurroundingconditionsthataffectpeopleandotherorganisms.Inabroaderdefinition,environmentiseverythingthataffectsanorganismduringitslifetime.Fromahumanperspective,environmentalissuesinvolveconcernsaboutscience,nature,health,employment,profits,politics,ethics,andeconomics.,21,一般讨论的问题是指自然环境，具体可划分为：,生存环境；地理环境；地质环境；宇宙环境.,环境地球化学研究的环境主要指地理环境，是指与人类生存活动密切相关的4个地球化学系统，即大气系统、水系统、土壤和生物系统、表层岩石圈系统。,22,原生环境或第一环境(自然成因的环境),指地球自身形成过程及随后的长期地质历史中，在各种地质营力作用下形成的自然环境，其基本的组成要素包括有天然的岩石、大气、土壤、地表水、地下水与植物等。这类环境的物质成分特点和结构特征是天然形成的。,23,污染环境亦即第二环境（人为成因的环境）,指人类生产活动和社会生活对天然环境所引起的改造，使其原有的成分特点和结构特征发生了剧烈的、甚至质的变化，形成与原来天然环境不完全同步的一种新的环境。,24,2.环境要素,环境要素的特点：最小限制律；等值性；整体性大于各个体之和；相互联系相互制约。,环境要素是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因素。可分为自然环境要素和人工环境要素两类。这里所讲的环境要素指的是前者，即包括水、大气、土壤、岩石、生物及阳光等。,25,3.环境质量、环境容量及环境效应,环境质量指在一具体环境内，环境的某些要素或总体对人类或社会经济发展的适宜程度。环境容量指人类生存和自然环境在不致受害的前提下，环境可能容纳污染物质的最大负荷量。环境效应指在环境要素作用下环境受到影响的现象及其后果。环境特性整体性；b)有限性；c)不可逆性；d)隐现性；e)持续作用性；f)灾害放大性。,26,二、环境科学,1.定义环境科学是指从应用及理论上研究人类对世界作用的一门交叉领域。EnvironmentalScienceisaninterdisciplinaryareaofstudythatincludesbothappliedandtheoreticalaspectsofhumanimpactontheworld.Sincehumansaregenerallyorganizedintogroups,environmentalsciencemustdealwithpolitics,socialorganization,economics,ethics,andphilosophy.Thus,environmentalscienceisamixtureoftraditionalscience,socialvalues,andpoliticalawareness.,27,2.环境科学的研究对象及任务,研究对象环境科学以人类环境系统为其研究对象，主要研究环境在人类活动强烈干预下所发生的变化和为了保持这个系统的稳定性所应采取的对策与措施。研究任务了解人类与环境的发展规律(前提）；研究人类与环境的关系（核心）；探索人类活动强烈影响下环境的全球性变化（目标）；开发环境污染防治技术与制订环境管理法规（应用）。,28,3.环境科学的分科,由于环境问题的重要性与综合性，许多自然科学、社会科学和工程科学部门都已积极参加环境科学的研究，形成了许多相互渗透、相互交叉的分支学科。其中属于自然科学方面的有环境地学、环境生物学、环境化学、环境物理学和环境医学等；居于社会科学方面的有环境法学、环境经济学和环境管理学等；属于工程科学方面的有环境工程学等。而且，其中许多学科又进一步发展了一些二级分支学科。,29,第二节：环境问题,1.环境问题的概念及划分：a.概念：所谓环境问题，是指作为中心事物的人类与作为周围事物的环境之间的矛盾。目前所指的环境问题，主要是人类利用环境不当和人类社会发展中与环境不协调所致。环境问题的内容涉及到各个方面，如环境污染、生态破坏、人口急剧增加和资源的破坏与枯竭等。,30,b.环境问题的划分(1).原生环境问题是与人类活动无关的，由自然界原来的环境给人类造成的，如许多自然灾害是大自然活动的必然结果；又如疾病的流行或某些地方病的发生等。(2).次生环境问题是由人类活动引起的环境质量变化，以及这种变化对人类生产、生活和健康的影响问题。(3).社会环境问题是由于社会结构本身的不合理所造成的，如人口增长、城市膨胀、科技和教育的结构不合理，以及经济发展不平衡带来的社会结构和社会生活问题。需要注意的是，一般讨论的环境问题多指次生环境问题，但上述三类环境问题往往又是彼此联系、不易分割的，尤其是讨论全球环境问题时，不可能不涉及社会环境问题。,31,二、当代环境问题的特点,人类自身发展到一个关键时刻；当代许多认为过程到了可与自然过程相匹敌的程度；人类合成了多种自然界原本不存在地物质，它们对环境的影响尚难以预料；人类大规模干预环境的某些活动可能造成某些自然过程不可逆的改变；人类与环境的矛盾中，人口增长已成为矛盾的主要方面；环境保护已成为公众、政府和国际都十分关切的问题,32,三、世界当前面临的几大环境问题,人口问题:人口急剧增加是当前环境的首要问题。资源问题：土地资源在不断减少和退化、森林资源在不断缩小、淡水资源出现严重不足、生物物种在减少、某些矿产资源濒临枯竭。生态破坏：全球性的生态破坏主要包括：森林减少、土地退化、水土流失、沙漠化、物种消失等。环境污染：环境污染主要是指温室气体过量排放造成的气候变化、广泛的大气污染和酸雨沉降、臭氧层破坏、有毒化学物质的污染危害及其全球气候的变化。,33,第三节：环境保护,环境保护就是利用现代环境科学的理论与方法，协调人类和环境的关系，解决各种环境问题，是保护、改善、创建环境的一切人类活动的总称。,34,环境保护的内容：,大气污染防治；水污染防治；食物污染防治；土壤污染防治；自然保护和自然保护区。,35,第四节：可持续发展,一、可持续发展的定义：一般将可持续发展理解为：既满足当代人的需求，又不对后代人满足其自身需求的能力构成危害的发展。这里隐含了两层含义：一是人类要发展，要满足人类的发展需求；二是不能损害自然界支持当代人和后代人的生存能力。因此，可持续发展被明确地理解为一种“正向的”、“有益的”过程，并且可望在不同的空间尺度和不同的时间尺度，作为一种标准去诊断、去核查、去监测、去仲裁“自然社会经济”复杂系统的健康程度。可持续发展表现为生态持续、经济持续和社会持续三大特征。其中生态持续是基础，经济持续是条件，社会持续是目的。人们共同追求的应是自然经济社会复合系统持续、稳定、健康发展。,36,二、可持续发展战略的基本思想,(一)可持续发展鼓励经济增长：人类通过经济增长提高当代人福利水平，增强国家实力和社会财富。但可持续发展不仅要重视经济增长的数量，更要追求经济增长的质量。这就是说经济发展包括数量增长和质量提高两部分。(二)可持续发展的标志是资源的永续利用和良好的生态环境：经济和社会发展不能超越资源和环境的承载能力。可持续发展以自然资源为基础，同生态环境相协调。它要求在严格控制人口增长、提高人口素质和保护环境、资源永续利用的条件下，进行经济建设、保证以可持续的方式使用自然资源和环境成本，使人类的发展控制在地球的承载力之内。(三)可持续发展的目标是谋求社会的全面进步发展的本质应当包括改善人类生活质量，提高人类健康水平，创造一个保障人们平等、自由、教育和免受暴力的社会环境。这就是说，在人类可持续发展系统中，经济发展是基础，自然生态保护是条件，社会进步才是目的。人类共同追求的目标，是以人为本的自然一经济一社会复合系统的持续、稳定、健康的发展。,37,三、可持续发展的基本原则,(一)公平性原则可持续发展的公平性原则包括两个方面：一是本代人的公平即代内之间的横向公平。可持续发展要满足所有入的基本需求，给他们机会以满足他们要求过美好生活的愿望。二是代际间的公平即世代的纵向公平。人类赖以生存的自然资源是有限的，当代人不能因为自己的发展与需求而损害后代入满足其发展需求的条件自然资源与环境，要给后代人以公平利用自然资源的权利。(二)持续性原则资源的永续利用和生态环境的可持续性是可持续发展的重要保证。人类在经济社会的发展进程中，需要根据持续性原则调整自己的生活方式，确定自身的消耗标准，而不是盲目地、过度地生产、消费。(三)共同性原则实现可持续发展就是人类要共同促进自身之间、自身与自然之间的协调，这是人类共同的道义和责任。,38,四、可持续发展评价,为了对区域可持续发展状况做出诊断，必须把区域的可持续发展评价放在首位。区域可持续发展评价与规划是一种战略性的、根本性的、指导性的，也带有风险性的管理行为。区域可持续发展评价在于它是两种功能的有机结合：从纵的方面讲，即从过程的角度出发，可持续发展评价强调资源的世代分配、强调过程的顺畅运行、强调社会发展的稳定健康、强调人类在发展上的伦理道德与责任感；从横的方面讲，即从区域系统的瞬间场景出发，可持续发展强调结构的均衡、强调生产链的协调、强调供需关系的平衡、强调社会管理的有序。,39,第二章：地球环境,本章主要内容：地球圈层构造;地球的大气环境；地球的水环境；地球的生态环境（生态系统）；地球各圈层与人类的关系。,40,第一节：地球环境概述：,一、地球环境及其组成：自然环境包括人类赖以生存的环境要素，例如空气、阳光、水、土壤、矿物、岩石和生物等，以及由这些要素构成的各圈层，如大气圈、水圈、土壤圈、生物圈和岩石圈。这些要素和圈层构成了人类的生存环境和地理环境。二、地球环境的独特性：地球环境丰富多样，适合生物的生存和繁衍：地球上存在着大气、陆地和海洋；距地面1540km处有一个臭氧层，保护着地球不受高能紫外线的侵袭；大气中含有一定数量的CO2，使地表保持适中的温度，有利于生物的生长,地表上覆盖着一层或厚或薄的土壤，为植物提供营养和生长的基地。地球的独特性在于它是一个靠生命来捕获、转移和储存太阳辐射能，靠生命活动来驱动地球表层的物质元素循环，靠生命过程来调控并保持其远离天体物理学平衡的开放系统。,41,三、地球（生物）圈层演化及其作用：约46亿年的时候：地球是一个炙热的大火球，还没有圈层的分化。地球外面包围着原始大气，主要由H2、CH4、NH3和水蒸气等组成，是一个还原性的大气圈。在38亿年左右：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。水的出现是地球发育史的第一个重大事件。20亿年前后：地球上出现了较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O2。生命的出现是地球史上第二个重大事件。到距今16亿年左右：一个含氧的大气圈终于形成。性质极其活泼的O2对大气圈进行了一场“氧革命”，导致还原性的原始大气逐渐向含有C02、H20和O3的氧化性大气转化。这一过程不仅进一步改变了大气圈的组成，而且03在高空的积累逐渐形成了保护地球的臭氧层，为更高等的海洋生物进化和生命登陆创造了条件。16亿年后，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，哺乳类动物出现在2亿年前。今天，大约有500万至5000万种生物组成了五彩摈纷的生物界，构成了包括人类在内的生物圈。地球各圈层发育过程中生物的能动作用起有重要作用。,42,第二节：大气圈,一、大气圈的组成与结构.组成：大气是由干洁大气、水汽及气溶胶质粒子三部分组成的。1.干洁空气：大气中除去水汽和杂质的空气称为干洁空气。其组成成分最主要的是氮、氧、氩三种气体，。还有少量的二氧化碳、臭氧、各种氮氧化合物及其他一些惰性气体(表2-1)。2.水汽：大气中的水汽来源于海洋、湖泊、江河、沼泽、潮湿地面及植物表面的蒸发或蒸腾作用。3.固体杂质（气溶胶粒子）：固体杂质（或大气气溶胶粒子）是指悬浮于空气中的液体和固体粒子，包括水滴、冰晶、悬浮着的固体灰尘微粒、烟粒、微生物、植物的抱子花粉以及各种凝结核和带电离子等。4.大气污染物人类活动所产生的某些有害颗粒物和废气，可分为两类：一类是有害气体，如SO2、CO、CH4、N2O、H2S、HF等；另一类是灰尘烟雾，如煤烟、煤尘、水泥、金属粉尘等。,43,表2-1大气的组成,44,、大气圈的结构,按大气温度随高度分布的特征可把大气分为对流层、平流层、中间层、热层和外层(图21)。1)对流层：大气圈的最下一层，平均厚度在高纬度地区为89km，中纬度地区为10.12km，低纬度地区为1718km。2)平流层：从对流层顶以上到大约50Km左右高度为平流层。3)中间层：平流层顶以上到大约80km的一层为中间层。4)热层(或暖层)：中间层顶以上到800km高空属于暖层。5)外层（或逸散层）：是指热层以上的大气层，即800km高度以上的大气层属散逸层。,45,地球大气层结构,46,二、地球大气平衡对生命的影响,组成地球大气的多种成分可分为稳定组分和不稳定组分。氮、氧、氩、氦、氪、甲烷、氢、氖等，这些气体之间的比例，从地表到90km的高度范围内都是稳定的，属稳定组分；不稳定组分包括二氧化碳、二氧化硫、臭氧和水汽等。不稳定组分CO2、O3等浓度的变化对生物圈会造成极大影响。作为大气微量组分的C02和03等气体浓度已经发生实质性变化则是不争的事实，目前还没有观测到大气氧浓度的这种戏剧性变化。大气圈各组分之间的平衡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的，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。,47,第二节：水圈,一、水圈的组成水的分布地球水体的总质量为1.51018t，体积约1.41018m3：，其中，海洋水约占97.212，大陆表面水约占2.167，地下水为0.619，大气水占0.001(表22)。从表中可以看出，地球上水体的分布是极不均匀的，能被人类饮用的淡水只占所有水体的一小部分，而且大部分又为固结在两极及高山地区的固态水。,48,地球上水的分布,49,水的类型按天然水所处的环境不同可分为：海水、大气水和陆地水3类。,1海水(seawater)海洋是地球表面最大的积水盆地，是水圈的主体。海水的温度常随纬度和水深的变化而变化，低纬度地区的海水温度较高；深部的海水温度较稳定，常在(-14)之间，但表层的海水温度变化较大。海水的密度取决于海水的盐度和温度，0时，正常盐度(35)的海水密度为1.02gcm3，密度随盐度的增加而增加但随温度的增高而降低。通常深部海水的密度较大，而浅处较小；近岸边的较大，而海洋中心的较小。海水的压力每加深10m约增加105Pa。海水的透明度是指海水透过光线的能力，一般近岸带的海水透明度低，而远岸的海水透明度高。,50,2.陆地水,陆地水主要包括地面流水、地下水、湖泊与沼泽及冰川。(1)地面流水地面流水是指沿陆地表面流动的水体，其水源主要有大气降水、冰雪融水、地下水和湖泊。(2)地下水地下水是埋藏在地表以下岩石和松散堆积物空隙中的水体。水源主要来自地面流水和大气降水，通过岩石或松散堆积物的空隙下渗而保存在地表以下。常见的泉、水井就是地下水在地表的露头。(3)湖泊与沼泽湖泊是陆地上较大的集水洼地，全世界湖泊的总面积约27105km2，占陆地面积的18。沼泽是陆地上潮湿积水、喜湿性植物大量生长并有泥炭堆积的地方。沼泽主要分布在湿润气候区，不论热带、温带和寒带都可产生。(4)冰川冰川是指由积雪形成的、并能运动的冰体。它是陆地上以固体形式存在的水。现在陆地上的冰川主要分布于地球两极及高山地区，覆盖陆地面积的10，集中了全球85的淡水。,51,3大气水,大气水是指存在于大气圈中的水，它以汽态的形式存在。据估算，大气中水的总量约为1.31013m3：，而绝大多数分布于大气圈的对流层中。我们通常用湿度表示大气中的水含量。大气水对地球的温度能起到“温室效应”，使地球的表面温度保持恒定。水汽与CO2一样，能吸收大量来自地面的长波热辐射。把太阳辐射的能量截留住，使大气升温。据研究，如果大气圈的水分含量降低50，气温将降低5左右。,52,二、水圈的循环,地球上各种形态的水，在太阳辐射和地心引力作用下，不断蒸发、输送、凝结、降落的往复循环过程就构成水循环。水循环是一个巨大的动态系统，它将地球上各种水体连接起来构成水圈，使得各种水体能够长期存在，并在循环过程中进入大气圈、岩石圈和生物圈，组成一个循环联系的有机整体，从而使水能被周而复始地重复利用，成为再生性资源。水圈的循环可分为自然循环和人为循环，我们通常所说的是水的自然循环。,53,图2-2全球水循环过程（通量单位为1015kg/a，各源汇中的水量用占全球总水量的百分比表示）,54,三、水圈对生命的重要作用,无色透明的水允许太阳光中的可见光和波长较长的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深度，而对生物体有害的短波紫外线则被阻挡在外。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。水的高比热4.18J(g)、高蒸发热在20下为2.4kJg使得地球上的海洋、湖泊、河流等水体，白天吸收到达地表的太阳光的热量，夜晚又将热量释放到大气中，避免了剧烈的温度变化，使地表温度长期保持在一个相对恒定的范围内。水在4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。冰轻于水冰的密度只有0.92g/cm3。可以浮在水面上。这一特性对水下生物具有十分重要的意义。,55,第三节：土壤圈,土壤圈是指岩石圈最外面一层疏松的部分，其上或里面有生物栖息。土壤圈是构成自然环境的五大圈之一，它与大气圈水圈同等重要，为第三大环境要素。土壤圈是联系有机界和无机界的中心环节，也是与人类关系最为密切的一种环节要素。,56,一、土壤的组成,土壤为由固相(矿物质、有机质)、液相(土壤水分或溶液)和气相(土壤空气)等三相物质四种成分有机地组合在一起构成的一种特殊物质。可分为：1.无机组成（矿物质）原生矿物主要有硅酸盐类：橄榄石、石榴子石、锆石、辉石、角闪石、滑石、黑云母、白云母、钾长石、钠长石、钙长石。碳酸盐类：方解石、白云石。氧化物，氢氧化物：石英、针铁矿、赤铁矿、褐铁矿、水铝矿、硬水铝矿等。硫酸盐类：石膏。硫化物类：黄铁矿。磷酸盐类：磷灰石等。次生矿物是原生矿物在成土过程中新生成的矿物，包括各种简单盐类、次生氧化物和铝硅酸盐类，主要是：方解石、白云石、石膏、芒硝、针铁矿、褐铁矿、伊利石、蒙脱石和高岭石等。,57,2.有机质土壤有机质是指以各种形式存在于土壤中的有机化合物，其含量一般仅占百分之几。土壤有机质可分为两大类：普通有机物和腐殖质。3.机械组成土壤是由粗细不等的土壤颗粒组成的，这种粗细不等的土粒按不同比例组合称为土壤的机械组成，又称土壤质地。4.土壤溶液（水分）土壤溶液是土壤水分及其所含气体、溶质和悬浮物质的总称。,58,二、土壤的性质,1.土壤剖面：土壤的形成过程中，由于物质在土壤中的垂直迁移和累积的结果，促使土壤中物质发生淋溶和聚集，因而在土壤层次上发生垂向分化，并可划分出不同土层。2.土壤的物理性质：土壤的物理性质是土壤的基本性质，它包括土壤的质地、结构、比重、容量、空隙度、颜色、温度等。3.土壤的化学性质：土壤化学性质主要表现为土壤胶体性质、土壤酸碱度和氧化还原反应三个方面。土壤溶液中的胶体颗粒担当着离子吸收和保存的作用；土壤溶液的酸碱度决定着离子的交换和养分的有效性；土壤溶液的氧化还原反应则影响着有机质分解和养分有效性的程度。,59,土壤剖面,单个土体,土体,枯枝落叶层,腐殖质层,淋溶层,淀积层,母质层,60,三、土壤圈与人类的关系,土壤具有肥力，也就是具有提供和调节水、气、热和营养元素的能力，为植物的生长提供了必要的条件。地球半径约为6400km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。尽管人类日益紧迫地面临土地匮缺的问题，但是，人类在其经济、政治和军事活动中仍然有意无意地伤害关系到人类衣食住行的土壤圈。人类对土壤圈较严重的影响包括荒漠化、水土流失、盐渍化和水涝，以及土壤污染等方面。,61,第四节：生物圈,生物圈(biosphere)是指地球上有生命活动的领域及其居住环境的整体。它包括海平面以上23km至海平面以下12km的范围。主要由生命物质、生物生成性物质和生物惰性物质组成。生命物质又称活质，是生命有机体的总和。生物生成性物质是由生命物质所组成的有机矿质作用和有机作用的生成物，如煤、石油、泥炭和土壤腐殖质等。生物惰性物质是指大气低层的气体、沉积岩、粘土矿物和水。,62,生物圈存在的基本条件,能够获得来自太阳的充足光能；存在有可被生物利用的大量液态水；生物圈内要有适合生命活动的温度条件，在此温度变化的范围内的物质存在气态、液态和固态三种变化；提供生命物质所需的各种营养元素，包括02、C02、N、C、K、Ca、Fe和S等，它们是生命物质的组成或中介。,63,一、生物与环境,1环境因素与生物的相互影响任何生物有机体都不能脱离环境而生存，环境控制和塑造着生物的生理过程、形态构造和地理分布。同时，生物有机体特别是其群体对环境也产生有明显的改造作用。不同的生物种对生态因素和环境的适应能力存在差异。一般来说，对环境适应能力较强的种类，其分布范围亦较广。,64,2生物的适应性和指示现象,(1)生物的适应性生物的适应性是指生物的形态结构、生理机能、个体发育和行为等与其生存的一定环境条件互相统一、彼此适合的现象。(2)生物的指示现象生物的指示现象是指根据生物种或它们的群体、或生物的某些特征来确定地理环境中其他成分的现象。,65,二、生物群落,1.种群占据着一定环境空间的同一种生物的个体集群叫做种群。换言之，种群就是在一定空间中同种生物的个体群。自然界中，种群是物种存在、物种进化和表达种内关系的基本单位，是生物群落或生态系统的基本组成部分，同时也是生物资源开发、利用和保护的具体对象。,66,2.生物群落群落为种群的集合体，是一个比种群更复杂更高一级的生命组织层次。生物群落在一定地段的自然环境条件下，由彼此在发展中有密切联系的动物、植物和微生物有规律地组合成的生物群体。每个生物群落都是自然界真实存在的一个整体单位，占据着生物圈的一定地区，具有一定的组成和结构，在物质和能量交换中执行着独特的功能。,67,3.生物多样性生物多样性包括了遗传多样性（包括一个物种内个体之间和种群之间的差别）、物种多样性（一个区域内动植物和其他生物的不同类型）和生物群落或生态系统多样性（一个地区内各种各样的生境）。多样性在生态系统中的重要性有一部分是由于它们可以为人类服务水、气体、营养物和其他物质的循环。,68,三、生态系统,1.概念在自然界中，一定空间内由生物成分和非生物成分组成的一生态学单位构成生态系统。即：生态系统就是由生命系统和环境系统在特定空间的组合。任何生态系统都具有三个共同特征：能量流动、物质循环和信息传递；具自我调节的能力；属一动态系统。,69,2.生态系统的组成及类型,1)组成,70,自养型生物：称为生产者，包括各种绿色植物和化能合成细菌。异养型生物：称为消费者，包括草食动物和食肉动物。异养型微生物：称为分解者（或还原者），如细菌、真菌、土壤原生动物和一些小型无脊椎动物，它们靠分解动植物残体为生。,2）类型,71,3.生态系统的营养结构,生态系统的营养结构指生态系统中的无机环境与生物群落之间和生产者、消费者与分解者之间，通过营养或食物传递形成的一种组织形式。食物链是生态系统内不同生物之间类似链条式的食物依存关系。营养级食物链上的每一个环节称之。食物网食物链相互交叉形成复杂的摄食关系网称之。,72,能量在食物网中流动转移效率是很低的。后一营养级所储存的能量只有大约10能够被其上一营养级所利用。其余大部分能量被消耗在该营养级的呼吸作用上，以热量的形式释放到大气中去。这在生态学上被称为10定律或110律。,能力传递的1/10律,73,4.生态系统的功能,生态系统的功能主要表现为生物生产、能量流动和物质循环，它们是通过生态系统的核心部分生物群落来实现的。,74,(1)生态系统的生物生产,生态系统的生物生产是指生物有机体在能量和物质代谢的过程中，将能量、物质重新组合，形成新的产物(碳水化合物、脂肪、蛋白质等)的过程。植物性生产或初级生产绿色植物通过光合作用，吸收和固定太阳能，将无机物转化成有机物的生产过程。动物性生产或次级生产消费者利用初级生产的产品进行新陈代谢，经过同化作用形成异养生物自身物质的生产过程。,75,(2)生态系统的能量流动,生态系统中的能量流动都是按照热力学第一定律和第二定律进行的。在热力学定律的约束下，自然界中大大小小的生态系统处于完美的和谐之中。在热力学定律的约束下，自然界中大大小小的生态系统处于完美的和谐之中。大自然赋予生物多样性使生态系统更加和谐。由于存在着这种多样性，每种生物都会在生态系统中找到适宜的栖息地。生存竞争导致优胜劣汰。当某种病害袭来时，只有某些敏感的物种遭到伤害。灾害过后，幸存的物种可能使生态系统得以复苏。值得注意的是，自然界的生态平衡很脆弱，易遭外力破坏。人类虽无力改变热力学定律，但往往能轻易地破坏生态金字塔和生物多样性，使不少地区陷入“生态危机”之中。,76,(3)生态系统的物质循环,自然界的各种元素和化合物在生态系统中的运动为一种循环式的流动,称为生物地球化学循环。生物地球化学循环可分为三种主要类型：水循环，气体型循环和沉积型循环。气体型循环主要包括碳和氮的循环，这两个元素的贮存库主要是大气和海洋。循环具全球性。碳循环氮循环硫循环,77,a.碳循环,碳循环的最简单形式在有阳光的条件下，植物把大气中的C02转化为碳水化合物，用以构成自身。同时，植物通过呼吸过程产生的C02被释放到大气中，供植物再度利用。碳循环的第二种形式植物被动物采食后，碳水化合物转入动物体内，经消化、合成，由动物的呼吸排出C02。此外，动物排泄物和动、植物遗体中的碳，经微生物分解被返回大气中，供植物重新利用。碳循环的第三种形式人类通过燃烧煤、石油和天然气等释放出大量C02，它们也可以被植物利用，加入生态系统的碳循环中。此外，在大气、土壤和海洋之间时刻都在进行着碳的交换，最终碳被沉积在深海中，进入更长时间尺度的循环。,78,全球碳循环示意图,79,b.氮循环,氮属于不活泼元素，气态氮并不能直接被一般的绿色植物所利用。氮只有被转变成氨离子、亚硝酸离子和硝酸离子的形式，才能被植物吸收，这种转变称为硝化作用。大气氮进入生物体的主要途径有四种：生物固氮(豆科植物、细菌、藻类等)；工业固氮(合成氨)；岩浆固氮(火山活动)；大气固氮(闪电、宇宙线作用)。四种途径中第一种使大气氮直接进人生物有机体，其他则以氮肥的形式或随雨水间接地进人生物有机体。,80,全球氮循环示意图,每年进入生物圈的氮：92106t,每年回归大气的氮：83106t（反硝化作用）,每年生物圈固氮的速度9106t,81,c.硫循环,地球中的硫大部分储存在岩石、矿物和海底沉积物中，以黄铁矿、石膏和水合硫酸钙的形式存在。大气圈中天然源的硫包括H2S、SO2和硫酸盐。H2S来自火山活动、沼泽、稻田和潮滩中有机物的嫌气(缺氧)分解等途径，SO2来自火山喷发的气体；大气圈中硫酸盐(如硫酸铵)则来自海浪花的蒸发。大气圈中硫的l3(包括硫酸盐的99)来自人类活动，其中的2/3来自含硫化石燃料(煤和石油)的燃烧，其余来自炼油和冶金工业和其他工业过程。,82,全球硫循环数字表示通量（1012g/a)；小字体表示天然源贡献，大字体表示人为源贡献,83,四、信息传递,物理信息由声、光和颜色等构成。例如，动物的叫声可以传递惊慌、警告、安全和求偶等信息；某些光和颜色可以向昆虫和鱼类提供食物信息。化学信息由生物代谢作用产物(尤其是分泌物)组成的化学物质。如同种动物间释放的化学物质能传递求偶、行踪和划定活动范围等信息。营养信息营养信息由食物和养分构成。食物网和食物链就是一个营养信息系统。行为信息无论是同一种群还是不同种群，它们的个体之间都存在行为信息的表现。如某些动物以飞行姿势和舞蹈动作传递觅食和求偶信息，以鸣叫和动作传递警戒信息等。,84,五、生态平衡及其破坏,任何一个正常、成熟的生态系统，其结构与功能，包括其物种组成，各种群的数量和比例，以及物质与能量的输出、输入等方面，都处于相对稳定状态。就是说，在一定时期内，系统内生产者、消费者和分解者之间保持着一种动态平衡，系统内的能量流动和物质平衡在较长时期内保持稳定。这种状态就是生态平衡，,85,如果生态系统中物质与能量的输入大于输出，其总生物量增加，反之则生物量减少。在自然状态下，生态系统的演替总是自动地向着物种多样化、结构复杂化、功能完善化的方向发展。生态平衡是靠一系列反馈机制维持的。物种循环与能量流动中的任何变化，都是对系统发出的信号，会导致系统向进化或退化的方向变化。生态系统结构愈复杂，物种愈多，食物链和食物网的结构也愈复杂多样，能量流动与物种循环就可以通过多渠道进行，有些渠道之间可以起相互补偿的作用。一旦某个渠道受阻，其他渠道有可能替代其功能，起着自动调节作用。当然，这种调节作用是有限度的，超过这个限度就会引起生态失调，乃至生态系统的破坏。,86,影响生态平衡的因素既有自然的，也有人为的。自然因素如火山、地震、海啸、林火、台风、泥石流和水旱灾害等常常在短期内使生态系统破坏或毁灭。受破坏的生态系统在一定时期内有可能自然恢复或更新。人为因素包括人类有意识“改造自然”的行动和无意识造成对生态系统的破坏。例如，砍伐森林、疏干沼泽、围湖围海(垦殖)和环境污染等。这些人为因素都能破坏生态系统的结构与功能，引起生态失调，直接或间接地危害人类本身。所谓的“生态危机”大多是指人类活动引起的此类生态失调。,87,第三章：全球变化,本章主要内容：全球变化的概念；全球变化研究方法及信息获取；中国陆域在全球变化研究中的作用及其科学问题。,88,第一节：全球变化,一、全球变化的科学内涵1.全球变化的定义全球环境(包括气候、土地生产力、海洋和其他水资源、大气化学及生态系统等)中能改变地球承载生命能力的变化称之。2.全球观点与全球尺度全球观点就是从地球系统的思想出发把地球看作一个整体，研究地球系统随时间的变化，集中研究那些把系统中所有部分紧密地联系在一起的、并导致系统发生变化的过程和机制，而不是孤立地研究地球的不同组分和它的环境。全球尺度是指过程或事件本身的空间尺度大约相当于地球半径以上，或虽然过程或事件本身的空间尺度没有达到上述规模，但其影响却是全球性的。,89,3.全球变化的时间过程,全球变化研究不仅是为了揭示发生在过去的全球变化规律，更主要地是为认识现代正在进行的及未来将要发生的全球变化。全球变化的主要时间尺度可以分为五个不同的时段：几百万年至几十亿年几千年至几十万年几十年至几百年几天至几个季度几秒到几小时五个时段中，几十年至几百年的中等时间尺度变化是全球变化研究的重点，在此时间尺度内的自然变化对人类有着重要的影响，而人类活动对全球过程的影响也最为显著。,90,4.全球变化中人类的作用,由于人类活动影响的加剧，全球变化过程正以前所未有的速度加快进行，人类已经成为导致全球变化的营力之一。狭义理解的全球变化主要是指人类生存环境的恶化。因此当前的全球变化研究特别关注的是对人类和对生物圈影响最大、对人类活动最为敏感的时间尺度为几十年至几百年的全球变化，以及作为这一尺度变化背景的几千至几万年尺度的变化。,91,二、全球变化研究的主要内容,1.全球变化的过程全球变化是地球系统在各个时间尺度上的自然变化和人类活动所导致的全球变化两部分的叠加。全球变化是地球各个组成部分地核、地幔、岩石圈、水圈、大气圈和生物圈之间相互作用和反馈的结果，是地球系统动力学过程的必然表现。全球变化主要过程包括：气候和水文循环过程、生态系统和生物地球化学循环过程、固体地球过程和人类对地球的影响过程等。,92,2.全球变化在时间和空间上的表现形式,从时间过程上看，全球环境变化表现为一个时期环境的状态或其特征值较另一时期有明显不同。全球变化的时间过程可以由均值、周期、趋势、相对变率等许多参数来表征，其基本方式有两种，即环境围绕一个平衡状态的起伏波动；以及在短时间内由一种环境状态取代另一种环境状态的突变。区域分异是地球系统有序性在空间上的表现，地球系统的各