第一章 环境与环境科学.ppt

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 日上午 时发生里氏 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 又好又快 又快又好 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 物质 空气 土壤 水 岩石 动物 植物 微生物等 能量 阳光 地热 气温 引力和地磁力等 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 岩石圈 物质的重力分离 大气圈 上升到地表的还原性气体 无O2 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 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 限制影响环境的人类活动 所有自然物都有存在的权利 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 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 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 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 能量流动的单向性 流动中能量逐渐减少 贬值 因为 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 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 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 3 人们的环境意识薄弱 人们没有意识到高速的经济发展可能会引发的环境问题 第二代环境问题 20世纪80年代后出现了新的环境问题 可视为第二代环境问题 形成了环境问题的第二轮高潮 主要分为三类 1 全球性的环境问题 2 大面积生态环境破坏问题 3 严重的突发性污染事件迭起 目前环境问题的主要特点 1 从区域性环境问题转化为全球性环境问题 2 从发达国家的环境问题扩展到发展中国家的环境问题 3 污染源种类多样化和复杂化 4 环境问题危害范围扩大 程度严重 第三节环境科学二 环境科学的创立和发展 环境科学的研究对象环境科学 考察以人类为主体的生态系统 研究人类与环境的关系 人类环境的质量结构与演变 是多学科交叉的 介于社会科学 自然科学和技术科学之间的综合性新兴学科 环境科学的诞生环境科学萌芽 烟囱 地下排水道 驱逐烟气 工业黑化 的现象 各个时代的气候和植物界 物种起源 人和自然 生态学 生态系统 给排水系统 污水处理厂 饮用水消毒 消烟除尘技术 旋风除尘器和布袋除尘器 寂静的春天 环境科学的发展及特点环境科学发展的综合性分支学科形成的独特性 第三节环境科学三 环境科学系统 1 环境科学的任务及研究内容 1 探索人类活动与生态平衡的相互协调关系 2 揭示全球范围的环境演化的规律 3 研究污染物对环境变化及生物生存的影响 4 寻找区域性环境污染的综合性防治途径 2 环境科学的分类基础环境学 包括环境数学 环境物理学 声 光 热 辐射等 环境化学 环境生态学 环境地质学 应用环境学 包括环境工程学 环境系统工程 环境监测 环境经济学 环境医学 环境法学 环境管理学 环境工效学 第三节环境科学四 环境工程学 环境工程学 运用相关学科的基本原理和工程技术方法 研究保护和合理利用自然资源 防治环境污染 以改善环境质量 保护人类健康的学科1 环境工程学的形成 1 水污染 2 大气污染 3 固体废物 4 噪声控制 5 污染综合治理 6 环保市场2 环境工程学的研究内容 1 水污染防治工程 2 大气污染防治工程 3 固体废物的处置和利用 4 噪声控制 5 环境系统工程 第四节环境与发展一 社会经济发展与环境 1 社会经济发展与环境的辨证关系环境是经济的基础 主要体现在 环境提供不可缺少的各种自然资源和各种生物生存的基本条件 具备净化废弃排放物的自净功能 舒适环境为人类提供精神享受 社会经济是环境保护的物质保证 但是 环境对于人类的索取和要求的容忍有一定的限度 一旦超过了极限 难以恢复 全球土地面积的15 已遭到不同程度的退化 旱地中近70 已中等程度荒漠化 严重的淡水资源短缺 煤估计只能开采150 200年 环境容量或自净能力是有限的 向环境排放的废物使全球环境状况发生显著的变化 温室气体的增多已经使地表温度在过去的100年中大约上升了0 3 0 6 氯氟碳导致南极上空臭氧总量平均减少了30 40 化石燃料燃烧时的排放物形成酸雨 废水大量排放严重污染水体 生态破坏和环境污染给各国造成了极大的损失 由此造成的经济损失每年占国民生产总值的比例 1990年德国为1 7 4 2 波兰1987年为4 4 7 7 美国1981年为0 8 1 2 1989年尼日利亚为17 4 经济发展与环境的关系是密不可分 对立统一的整体 前者是主要矛盾面 对环境的变化起着主导作用 第四节环境与发展一 社会经济发展与环境 2 关于社会经济发展的两种观点 1 零增长发展观 2 传统发展观 社会经济发展的两种观点 1 零增长发展观悲观论观点1972年 悲观的环保主义以麻省工学院D 梅多斯 Dennis L Meadows 为首的罗马俱乐部提交了一份研究报告 增长的极限 为代表 研究发现 人口 粮食 资源 工业和环境污染五种因素均是以幂指数增长 这种增长率 在未来100年内 地球上的经济增长将达到极限 出现世界粮食短缺 资源枯竭 环境污染和生态环境破坏 而发生无法控制的崩溃 该书一出版 立即引起了西方学术界的激烈争论 在世界范围内引起了对人类自身前途的极大关注 认为 生态失衡和环境恶化的根源是社会经济和科学技术的发展 要维持人类环境 只有放弃发展 提出 经济零增长 经济原点发展 技术原点发展 的论点 意义 侧重考虑社会经济发展对环境的影响 使人类对面临的困境有了清醒的认识 结论片面 忽视了科学技术进步的作用 否认科学技术进步能够解决人类面临的困境 悲观的环保主义观点地球上的最后 最后一片森林 地球上的最后 最后一棵树 地球上的最后 最后的家园 地球上的最后 最后的晚餐 地球上的最后 最后一滴水 地球上的最后 最后的生命 2 传统发展观乐观论观点 美国赫德森研究所所长卡恩为代表 在 今后200年 美国和世界的一幅远景 的文章对梅多斯的观点进行批驳 认为 依靠科学技术进步和社会经济增长 上述5个问题基本或完全能解决 近期 中期的未来 技术至上 论 但 这种观点把环境保护同社会经济增长对立起来 片面追求经济发展 过分强调科学技术进步的作用 不考虑社会经济发展对环境质量的影响 对环境问题严重性估计不足 实施的 先污染 后治理 传统战略 乐观的环保主义以英国经济学家皮尔斯和沃福特在1993年出版的 世界无末日 一书为代表 该书认为 地球环境通过全球的共同努力是可以达到人与环境的和谐 还地球的美丽 蓝天白云和树1 还地球的美丽 蓝天白云和树2 还地球的美丽 草原 还地球的美丽 蓝天 还地球的美丽 桂林山水 还地球的美丽 林荫道 还地球的美丽 秋色 还地球的美丽 梦想与树为邻 还地球的美丽 山野的宁静 还地球的美丽 秋水 还地球的美丽 极光 还地球的美丽 清流 第四节环境与发展二 可持续发展战略 1 2 1 可持续性发展战略的确立1972年6月5日 联合国会议通过了斯德哥尔摩 联合国人类环境会议宣言 但环保意识未真正被世界各国的决策层所接受 1982年5月 内罗毕人类环境特别会议上发现环境污染只有局部的好转 而整体仍在日趋恶化 1983年11月 联合国成立世界环境与发展委员会 WECD 1987年 WECD受联合国委托 系统地研究了人类面临的重大经济 社会和环境问题 在 我们共同的未来 报告中正式提出了可持续发展的模式 这种模式包含了对传统发展模式的反思和批判 以及对可持续发展模式的理性设计 1992年6月 可持续发展模式成为巴西里约热内卢环境发展大会的主题 得到世界各国家的一致共识和普遍认同 通过 里约环境与发展宣言 和 21世纪议程 两个纲领性文件 link 第四节环境与发展二 可持续发展战略 2 2 2 可持续发展的定义 既满足当代人的需求 又不危害后代人满足其需求的发展 3 可持续发展的基本思想 1 可持续发展强调发展的主题 鼓励经济增长 2 经济发展必须受到制约 3 发展应保持公平 代内公平代际公平可持续发展理论源于传统发展观 但本质上与传统发展观是相对立的 是对传统发展观进行深刻反思基础上的一个彻底的否定 可持续发展思想显示了环境与发展两者间密不可分 相互促进的辩证关系 第四节环境与发展三 中国的环境保护 一 中国的环境问题严峻1 生态恶化的趋势仍在加重 森林 草原的生态功能急剧衰退 土地退化日益突出 水体生态平衡严重失调 自然灾害日趋频繁 生物多样性锐减 2 能源结构性污染突出 工业污染排放量仍高煤炭为主的能源结构和过低的治理水平 3 城市污染依然严重空气 水质 噪声 垃圾4 农村环境问题日趋突出粗放型生产方式 牲畜养殖污染物排放 农田污水 农药化肥 第四节环境与发展三 中国的环境保护 二 中国环境保护的发展历程第一阶段 1973 1978年 32字环境保护方针 全面规划