环境学导论(含英文).doc

生态系统成分，不论是陆地还是水域，或大或小，都可以概括为生物和非生物（环境组分）两大组分。 1. 生物组分(Biotic) 多种多样的生物在生态系统中扮演着重要的角色。根据生物在生态系统中发挥的作用和地位而或分为生产者、消费者和分解者三大功能类群 Food chains: 食物链：一种生物以另一种生物为食，彼此形成一个食物联接起来的链锁关系。生物圈中的各种生物基于生产者和各级消费者间的营养关系，构成了生态系统中的食物链。 Food webs:食物网：各生物成分之间在取食关系上存在着错综复杂的联系，各种食物链相互交错，相互联结，形成网状结构，称为食物网。生物富集作用Biorichment 指生物体从环境中蓄积某种污染物，出现生物体中浓度超过环境中浓度的现象。 也叫生物浓缩 bioconcentration. 某些自然界不能降解的重金属元素或其他有毒物质，在环境中的起始浓度并不高，但经过食物链逐渐富集，进入人体后，可能提高到数百倍甚至数百万倍，对机体构成危害。如在某水生食物链中，水中DDT的浓度只有0.000003ppm（或3ppt），但经过浮游生物、小鱼这条食物链的逐渐富集，最终鱼鹰体内的DDT浓度增大1000万倍。通过各个营养级，能量是逐级减少的，原因是： （1）各营养级消费者不可能百分之百地利用前一营养级的生物量； （2）各营养级的同化率也不是百分之百的，总有一部分变成排泄物而留于环境中，为分解者生物所利用； （3）各营养级生物要维持自身的生命活动，总要消耗一部分能量，这部分能量变成热能耗散掉。生物群落及其中的生物之所以能维持有序的状态，就得依赖这些能量的消耗。生态系统在维持正常的功能，就必须有永恒不断的太阳能的输入，用以平衡各营养级生物维持生命活动的消耗，只要这个输入中断，生态系统便会丧失功能。物质不灭定律和质能守恒定律 物质不灭定律认为，化学方法可以改变物质的成分，但不能改变物质的量，即在一般的化学变化过程中，察觉不到物质在量上的增加或减少。 质能守恒定律认为，世界不存在没有能量的物质质量，也不存在没有质量的物质能量。质量和能量作为一个统一体，其总量在任何过程中都保持不变的守恒。 Information transfer in ecosystems 生态系统中的信息传递 Energy flow in ecosystems:物理信息：物理信息由声、光和颜色等构成。 Biogeochemical cycle:化学信息：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。营养信息：营养信息由食物和养分构成。通过营养交换的形式，可以将信息从一个种群传递给另一个种群。 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。不同的行为动作传递不同的信息。Ecosystems services 生态系统服务功能定义和内涵： 生态服务功能是指生态系统为人类社会的生存和发展所提供的有形或无形的自然产品和环境公益。生态服务功能是生态系统的产出和功效生态系统服务功能包括：直接服务：为人类发展提供食物、纤维、药材及原材料等；间接服务：提供维持人类赖以生存、发展的生命支持系统的持续运行的自然生态服务，如调节气候、减缓洪涝灾害、水文调节、营养元素循环、环境自净、维护生境以及科研、教育、美学、艺术及休闲用途等。种群都有增长的特征，可以称为种群增长型。具有2种基本型： J形增长型 (J-curve growth) S形增长型 (S-curve growthExponential growth (J-curve growth) J形增长型中，密度增加迅速，呈指数或复利形式，然后突然地停止，即环境阻力或其他限制，突然地发生有效影响时。 J形曲线属不正常的增长曲线。开始时环境对种群生长繁殖有利，使种群数量猛增；但当灾难突然来临时，整个种群陷入几乎灭绝的境界。导致这种惨局的原因是多方面的，包括天气突变、严寒袭击、食物耗竭、病毒传染、废弃物毒害或其它因素等。环境容量(carrying capacity) 种群增长的最高水平（即超过此水平种群不再增长），称为增长曲线上渐线，或称为环境容量或环境承载力Ecological equilibrium 生态平衡 任何一个正常的生态系统中，能量流动和物质循环总是不断地进行着，但在一定时期内，生产者、消费者和还原者之间都保持着一种动态的平衡，这种平衡状态就叫生态平衡。 在自然生态系统中，平衡还表现为生物种类和数量的相对稳定 生态系统之所以能保持动态的平衡，主要是由于内部具有自动调节的能力。当系统的某一部分出现了机能异常时，就可能被不同部分的调节所抵消。生态系统的组成成分越多样，多量流动的物质循环的途径越复杂，其调节能力也越强反馈(feedback)： 当生态系统中某一成分发生变化时，它必然会引起其它成分出现一系列的相应变化，这些变化最终又反过来影响最初发生变化的那种成分，这个过程就叫反馈。反馈具有两种类型，即负反馈和正反馈。正反馈(positive feedback): 生态系统中某一成分的变化所引起的其它一系列变化，反过来不是抑制而是加速最初发生变化的成分所发生的变化，因此正反馈的作用常常使生态系统远离平衡状态或稳态。负反馈(negative feedback): 能够使生态系统达到和保持平衡或稳态，反馈的结果是抑制和减弱最初发生变化的那种成分所发生的变化Degradation of ecosystems 生态系统退化生态系统的平衡是靠一系列的反馈机制维持的。在物质与能量流动与循环的过程中，如果发生了任何变化，其结果最终又反过来影响这一变化本身，使原有的生态平衡得以保持。 生态系统的自动调节能力和代偿功能是有一定限度的，超过这个限度就会引起生态失调，乃至生态系统的崩溃。 生态危机是指由于人类盲目活动而导致局部地区甚至整个生物圈结构和功能的失衡，从而威胁到人类的生存。 Birth rate (or crude birth rate)（出生率）: The number of live births per 1,000 population in a given year. Not to be confused with the growth rate. Death rate (or crude death rate)（死亡率）: The number of deaths per 1,000 population in a given year. Demographic transition（人口转变）: The historical shift of birth and death rates from high to low levels in a population. The decline of mortality usually precedes the decline in fertility, thus producing rapid population growth during the transition period. Emigration（迁出）: The process of leaving one country to take up permanent or semipermanent residence in another. Growth rate（增长率）: The number of persons added to (or subtracted from) a population in a year due to natural increase and net migration; expressed as a percentage of the population at the beginning of the time period. Immigration（迁入）: The process of entering one country from another to take up permanent or semipermanent residence. Mortality（死亡率）: Deaths as a component of population change. Rate of natural increase（自然增长率）: The rate at which a population is increasing (or decreasing) in a given year due to a surplus (or deficit) of births over deaths, expressed as a percentage of the base population. Total fertility rate (TFR)（总生育率）: The number of children women are having today. The average number of children that would be born alive to a women during her childbearing years if she conformed to the age-specific fertility rates of a given year Replacement-level fertility（生育更替水平）: A fertility rate that will just replace a woman and her partner. Less developed countries（欠发达国家）: Less developed countries include all countries in Africa, Asia (excluding Japan), and Latin America and the Caribbean, and the regions of Melanesia, Micronesia, and Polynesia. More developed countries（发达国家）: More developed countries include all countries in Europe, North America, Australia, New Zealand, and JapanConsequences of population growth 人口增长的影响1) 粮食生产：人均粮食产量下降，每年约下降0.5；2) 耕地：人均耕地面积减少，近50年来，全球耕地面积增加19%，但是，人口增加132%；3) 淡水资源：人均淡水资源量急剧下降；4) 海洋捕捞：全球海洋捕捞量已经达到甚至超过海洋的可承受极限；全球2/3以上的海洋渔业区捕捞量下降；5) 肉类产品需求量上升：畜禽养殖量上升对农业及自然环境的压力上升；6) 自然保护区：城市扩展、人类已经改变了47%的地球表面，荒野的面积不断减少；7) 森林：20世纪世界森林面积减少75%，面积减少导致森林功能退化；8) 生物多样性：人类现代生活中，物种以1001000倍的速率消失；9) 气候变化：近50年来，CO2浓度提高20%；10) 能源：未来50年，随着人口数量和生活标准提高，能源消耗量将大幅上升；废弃物：人口增长带来的垃圾、污水及工业废料等将急剧上升；12)就业与收入：近50年来，世界劳动力人口由12亿增加到27亿，超过了创设就业机会；贫富差距拉大，人均收入减少；13)教育：不注意控制人口的国家，如非洲的一些国家已经被大量真正需要受教育和就业的青年问题困扰；14)住房：目前全球有1亿人无家可归；15)城市化问题：预计到2050年全球有65亿人生活在城市；16)老龄化问题 Demographic transition 人口转变人口转变指人口从高出生率和高死亡率向低出生率和低死亡率的转变。 Four Phases of the Demographic Transition人口转变的四个阶段Phase I: high CBR, high CDR高出生率，高死亡率极慢的增长或无增长 Phase II: high CBR, declining CDR 高出生率，下降的死亡率高增长 Phase III: declining CBR, low CDR下降的出生率，相对低的死亡率低增长 Phase IV: low CBR, low CDR低出生率，低死亡率极低的人口增长 Demographic window of opportunity or Demographic Bonus 人口机会窗口或人口红利在人口转变的过程中，会逐渐形成一个有利于经济发展的人口年龄结构，也就是人口负担系数比较低的局面，总人口“中间大、两头小”的结构，使得劳动力供给充足，而且人口的社会负担相对较轻，对社会经济发展十分有利，人口学家称这段时期为“人口机会窗口” 或者“人口红利”人口机会窗口开启，有三个特征为发展提供机遇： 劳动力人口供给充分，劳动力人口年龄结构比较轻，且价格比较便宜，如果就业充分，会创造出较多的社会财富； 由于劳动力人口年龄结构较轻，使得储蓄率较高，如果资本市场健全，能将储蓄转化为投资，会加速经济增长； 由于人口老化高峰尚未到来，社会保障支出负担轻，财富积累速度比较快。 Dependency Ratio人口负担系数 人口负担系数指0-14岁和65岁及以上人口之和与15-64岁人口的比重。水的密度(Water density) 0-4 “热缩冷胀” 0 (液态) 0.99987 kg/L 4 1kg/L 0 (固态) 0.915 kg/L水的比热较大，具有调节气温的作用。比热：30 -4176.3 J/(kg ) 15 70 -4186.8 J/(kg )热传导率： 水(20 )-0.5987 J/(m s ) 冰-2.261 J/(m s ) 雪-0.093 J/(m s )有利于水生生物的生存。水的表面张力(Surface tension force) 水的表面张力较大，0 时为7.549*10-2 N/m，100 时为5.715*10-2 N/m。 水的表面张力对水在土壤中的运动意义重大。 水的压缩性(Compressibility)水的体积压缩系数为4.7*10-5/1个大气压，近似认为不可压缩的液体。 水文循环的基本要素 蒸散发 (Evapotranspiration, green water, P182) 降水 (Precipitation) 径流 (Runoff, blue water, P182)对流雨Convective rain 地面受热，温度升高，下层空气上升，上层较低温空气下沉补充，形成空气对流。因为下层空气是带有丰富水汽的暖空气，它运动到温度较低高空，动力冷却而凝结，从而形成降雨。特点：降雨强度大，历时短，雨区较小台风雨(Typhoon热带气旋指发生在低纬度海洋上的强大而深厚的气旋性漩涡。气象部门，分为四类：热带低压风力68级；热带风暴89级；强热带风暴1011级；台风12级。 台风雨的特点：降雨不均，中心雨强大，历时不长。 地形雨(Orographic rain 空气在运移过程中，遇山脉的阻挡，气流被迫沿迎风坡上升，由于动力冷却而形成的降雨。降雨特性随空气自身温湿特性，运行速度以及地形特点而异。 Meteorological factors affecting runoff:影响径流的气象因素 Type of precipitation (降水类型) Rainfall intensity (降雨强度) Rainfall amount (雨量) Rainfall duration (降雨历时) Distribution of rainfall over the drainage basin (降雨的空间分布) Direction of storm movement (暴雨的移动方向) Precedent soil moisture (前期土壤含水量)Physical characteristics affecting runoff:影响径流的下垫面因素 Land use (土地利用方式) Vegetation (植被类型) Soil type (土壤质地) Drainage area (集水面积) Basin shape (流域形状) Topography, especially the slope of the land (坡度) Ponds, lakes, reservoirs, sinks, etc. in the basin, which prevent or delay runoff from continuing downstream (蓄水体) 水体类别更新时间水体类别更新时间极地冰川约10000年土壤水1年世界大洋2500年河流水16天高山冰川1600年大气水8天深部地下水1400年生物水几个小时湖泊水17年全 球2400年沼泽水5年 人类活动如何影响水文循环 Changes to Earths surface (改变下垫面) Water withdrawals for human use (取水活动) Changes to Earths climate (气候变化) Atmospheric pollution (大气污染)Negative effects of overpumping groundwater 超采地下水的负面影响： Lowering of the water table 地下水位降低 Reduction of water in streams and lakes河流湖泊水位降低 Land subsidence 地面沉降 Seawater intrusion海水入侵 Deterioration of water quality水质恶化Water Stewardship: Public-Policy Challenges水务管理：政策挑战Engineering measures 工程性措施Tapping more groundwater (开发地下水)Building dams and water diversion projects (修建水坝和调水工程)大坝和调水工程对生态保护的积极作用 水力发电减少温室气体排放 南水北调遏制地下水超采 小水电代燃料保护森林植被大坝和调水工程对生态与环境的负面影响 大量移民: 1500万老移民 河流形态变化：泥沙淤积， 堤岸冲刷，河势演变，河 道断流，河口退缩 生物多样性退化：鱼类、 植物、动物、微生物消亡 水质恶化：流速减小，自净能力降低 引发地质灾害：诱发地震、滑坡 溃坝威胁Desalting Seawater (海水淡化Water saving irrigation (节水灌溉Grey water reuse (灰水再利用Non-engineering measures 非工程性措施 环境污染(Environmental pollution)：主要是人类活动所引起的环境质量下降而有害于人类及其他生物正常生存和发展的现象。自然过程引起的同类现象称为自然灾害或异常。中国大百科全书 环境科学 水污染: 水体因某种物质的介入，而导致其化学、物理、生物或者放射性等方面特性的改变，从而影响水的有效利用，危害人体健康或者破坏生态环境，造成水质恶化的现象 Oxygen-demanding wastes需氧污染物: 由于其中含有的碳水化合物，蛋白质，脂肪，纤维素等物质在造纸，皮革，食品，制糖，印染等工厂排放的废水和生活污水中，在生物和化学作用下会发生分解，分解过程则会消耗水中的溶解氧，而恶化水质。 Plant nutrients植物营养物: 工业废水、生活污水及农田中使用化肥后的流水中含有大量的氮，磷等植物营养素，会造成藻类、细菌和某些根茎植物在水中疯长，以影响水质。 Heavy metals重金属：电镀工业、冶金工业、化学工业等排放的废水中含有的重金属元素汞、铬、镉、砷、铅等，排入天然水体后经沉淀、吸附及食物链而不断富集，达到对生态环境及人体健康有害的浓度，是致癌的主要元凶之一 Synthetic organic compounds合成有机化合物: 来自焦化、燃料、塑料合成等工业废水及农田径流中的农药残留，具有较大分子结构的有机化合物，不易被为微生物降解，是癌症、畸形等疾病的致病物质。 Sediments沉积物: 由岩石风化产生的无机物或有机物的固体碎片，经风、水或冰带动而形成的沉积。 Pathogens病原体: 主要源于生活污水（医院污水）细菌、病毒、原生动物、寄生虫等寄生生物等进入天然水体，引发痢疾、肝炎、霍乱等危及人类身体健康的疾病。 Indices of eutrophication assessment 富营养化评价指标 TN 0.2 - 0.3 mg/L TP 0.01 - 0.02 mg/L BOD 10 mg/L Chla 10 g/L (chlorophyll a; 叶绿素a)贫营养 Oligotrophic:中营养 Mesotrophic:轻度富营养 Light eutrophic:中度富营养 Middle eutrophic:重度富营养 Hyper eutrophic: Removing the pollutants from sewage 废水处理 Preliminary treatment (removal of debris and grit) 预处理（去除碎石和粗砂） Primary treatment (removal of particulate organic material) 一级处理（去除颗粒状有机物质） Secondary treatment (removal of colloidal and dissolved organic material). 二级处理（去除胶质状和可溶性有机物质） Biological nutrient removal (removal of dissolved inorganic material) 营养物质的生物处理（去除可溶性无机物质） Final cleansing and disinfection 消毒处理 Solid waste固体废弃物：生产和生活活动中丢弃的固体、半固体物质. Municipal solid waste (MSW): 城市固体废弃物：生产和生活活动中丢弃的固体、半固体物质Problems of landfills 垃圾填埋的弊端 Leachate generation and groundwater contamination 产生渗出液，污染地下水 Methane production 产生甲烷 Incomplete decomposition 降解不完全 Settling 地面沉降 卫生填埋技术始于20世纪60