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环境科学基础知识长沙环境保护职业技术学院李倦生2004年3月 环境问题归要到底是因人类的生产和生活方式不当而引起的 研究环境问题离不开人类主体 马克思和恩格斯在 德意志意识形态 一文中说 人既是主体也是客体 人创造环境 环境也创造人 在本讲座进入专业之前 让我们先了解 人 的有关问题 人是一切社会关系的总和 生产是人区别动物的标志 而 物质资料的生产是人区别于动物的根本标志 生产力 资金和社会交往形式的总和是人的本质的现实基础 物质生活资料的生产是人的第一活动 是一切历史的基本条件 人的本质应从社会性和自然性两方面看 人是自然界的一部分 人的社会活动四个方面是 物质生活的生产新需要的产生家庭社会关系 共产主义归根到底是以生产力的普遍发展和与此相联系的交往为前提的 第一部分环境基础知识一 1 环境定义 环境是指影响人类生存和发展的各种天然的和经过人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 风景各胜区 城市和乡村等 2 环境的基本内涵相对于某一类生命主体 群体或个体 周围的外部条件的总和 包括主体的存在空间 维持生命活动的能量和物质以及对其产生影响的各种直接或间接因素 4 人与环境 马克思主义认为 可以认为人本身的自然和外部自然以及物质资料的生产方式构成人类社会的物质生活条件 包括人类在内的生命有机体能够影响整个地球的状况 地球表面的化学组成决定了生命起源的环境条件 生命的组成与宇宙的组成显著地相似 人体成分与地球化学元素成分及并丰度相一致 元素在水中的溶解度 是决定产生生命的地质化学界中元素相对丰度的最终约束 从这个意义上讲 人是自然界的一部分 人类是地球环境与地球生命长期相互作用 相互依存 协调发展的产物 人类仍然只能依赖和依托环境而生产 生活和生存 3 环境问题与人类社会发展 见表1 1 马克思主义认为 生产力和发展决定分工的发展 分工发展的不同阶段就是所有制的不同形式 一切历史冲突都根源于生产力和交往形式 生产关系 之间的矛盾 生产方式不仅是人的肉体存在的再生产方式 而且是人的活动方式和生活方式 因此 有什么样的生产力 就有什么样的生产关系 相应的就产生什么类型的环境问题 在不同的生产力发展阶段 人们对环境干扰的方式 程度 内容和范围都有不同 这是环境问题具有阶段性的根源 生产力是一种客观的物质力量 作为一种既得力量的生产力 是人们全部历史的基础 这是环境问题具有相对稳定性的原因 由此也可以理解为 解决环境问题也具有历史阶段性 四 环境科学环境科学是一门新兴的学科 它是以人类为主体 研究人类生存 繁衍与所需有关条件之间相互关系的科学 科学研究的任务 认识 发现和利用 环境科学研究的对象十分广泛 其研究内容是指人类为其自身生存和发展 在利用和改造自然界过程中 对自然环境造成的破坏和污染 以及由此产生的危害人类生存和社会发展的各种不利效应 总之 树立正确的社会发展观 提高全民族的环境意识 推进可持续战略的实施 是当代环境科学研究的重要任务 到此 我想用马克思在 资本论 中的一段话作一小结 一个社会即使探索到了本身运动的自然规律 它还是既不能跳过也不能用法令取消自然的发展阶段 但是它能缩短和减轻分娩的痛苦 第二部分大气环境化学 一 基础知识1 大气环境化学的内容 范围和特点研究内容 主要研究大气中对环境有影响的重要组分在大气中的来源 存在形式 迁移过程中的化学转化 归宿以及对大气质量的影响 研究范围 对人类有直接 间接影响的地球大气 大气环境化学的特点 大气是氧化性介质 化学反应 低氧化态 高氧化态 光化学反应占有重要位置 主要考虑反应速度 气象因素的影响 7 大气气体的组成及循环a 恒定组分 Ar Ne Kr Xe 无循环 O2 N2 生物和微生物 b 可变组分 CH4 CO2 CO H2 N2O人类活动 生物活动及化学过程c 不定组分 SO2 NH3 NO NO2 O3 HNO2 H2O He CFCs人类活动 化学过程 物理化学过程d 在地球大气中 已鉴定出几百种痕量气体 二 大气污染问题大气污染 指一定范围内的大气中 某些成分异常增多或出现新的成分 从而对人类 生态 材料或其它环境要素 如大气性质 水体水质 气候等 产生不良效应时 就构成大气污染 1 大气污染物分为 a 一次污染物 直接从污染源排放的物质 SO2 H2S NO NH3 CH化合物 CO CO2 HF HCl b 二次污染物 排入环境中的化合物 经物理 化学或生物作用或与其它物质发生反应而形成新的化合物 SO3 H2SO4 MSO4 NO2 HNO3 MNO3 醛 酮 臭氧 O3 过氧乙酰硝酸酯 大气中重要污染物 含硫化合物 SO3 H2S CH3 2S和H2SO4 含氮化合物 NO NO2 NH3 HNO3和N2O CO CO2 CnHx烃类 醛 酮 光化学氧化剂 O3 PAN H2O2 含卤素化合物 HF HCl和CFCs 颗粒物 H2SO4 SO4 2 NO3 多环芳烃及重金属等 放射性物质 4 大气污染物的去除过程 干沉降 干去除 湿沉降 湿去除 化学反应去除向平流层输送三 几种典型大气污染现象1 光化学烟雾引发反应 NO2 hv NO OO O2 M O3 MNO O3 NO2 基传递反应 RH OH RC O O2 H2ORCHO OH RC O O2 H2ORCHO hv RO2 H2O COHO2 NO NO2 OHRO2 ON NO2 RCHO H2ORC O O2 NO NO2 RO2 CO2OH NO2 HNO3终止反应 RC O O2 NO2 RC O O2NO2RC O O2NO2 RC O O2 NO2 3 平流层的O3变化平流层中臭氧的存在对于生命物质至关重要 因为它阻挡了高能量的紫外线 200 300nm 到达地球表面 从而保护了生物 UV B能破坏生物蛋白质和脱氧核糖酸 DNA 造成细胞残废 平流层中的含氢 氮 氯的各种化学物质 通过许多光化学反应控制了平流层大气中的臭氧分布 重要的源分子有 CH4 N2O 卤代烃类 CFC 11 CFC 12 CFC 13 CH3Cl 活性基有 HOx OH HO2 NOx NO NO2 和ClOx Cl ClO 储库分子 HNO3 HCl ClONO2 N2 臭氧生成反应 O2 hv 240nm 2O 3P 2O 3P 2O2 M 2O3 2M总反应 3O2 hv 2O3催化反应 Y O3 YO O2 损耗臭氧O3 YO O Y O2总反应 O3 O 2O2催化性物种 NO2 HOx ClOx CO2来源及去除人为源天然源去除 光合作用 6CO2 6H2O C6H12O6 6O2 与其它物质反应 CO2的浓度变化 工业化前240 290ppm 工业化360ppm 现在378ppm约以0 5 1 5ppm的增加速度连续增加 甲烷 重要温室气体 效应为CO2的20倍年排放量600 106t a CH4占其中的80 85 全球稻田CH4年排放量130 30 106t a 中国为29 6 106t a 四 主要的空气污染问题 细颗粒物和二氧化硫浓度高室内空气污染酸雨现象频繁ODS削减难度大大气污染控制管理战略 减少城市地区的环境空气污染 降低室内空气污染 减轻酸沉降的影响 解决全球环境问题 温室效应 酸雨 O3耗损 气候异常 关键行动 能源结构调整 使用清洁能源 能源利用效率提高 2 水资源特点水是所有所机体普遍的内部介质 生命物质的90 以上由水组成 每人用水3kg 人 d 又是所有水生生物的外部介质 能够起资源 条件和栖息地的作用 主要特点为 a 维护生态平衡和环境的基本要素b 利用上的多重性c 经济上的两重性 水利 水害 d 补给上的循环性e 时空分布上的可变性 3 水污染指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 污染物 指能导致水污染的物质 4 污染物在水环境中的迁移 转化指污染物在水环境中空间位置的变动 存在形态的转化 以及由此引起的分散或富集过程 一切运动都是和某种位置变动相联系的 恩格斯 迁移方式 机械迁移物理化学迁移生物迁移机械迁移 水 气的机械迁移 重力的机械迁移 物理化学迁移 溶解 沉淀作用 氧化还原作用 水解作用 络合 螯合作用 吸附 解吸作用生物迁移 通过生物体的吸收 代谢 生长 死亡等过程实现迁移 选择吸收与积累作用 积累放大作用 分解有机物的主要是细菌 主要作用 有机物降解 有氧条件下 最终产物 CO2 H2O NO3 SO2缺氧条件下 最终产生 NH3 H2S CH4 有机酸 醇 CO2 H2O等 而我国农业用水灌溉系数为0 4 约为国外的1 2 工业用水为100M3 万元GDP 2003年 工业 生活废水排放总量453亿t 生活污水占53 国际上河流用水警戒线为30 我国北方已普遍超过这一界限 国际上缺水标准为1000M3 人 年 我国面临水资源紧缺和水质污染两大问题 3 土壤功能与特性土壤为自然要素中物质和能量迁移转化最复杂而又最频繁场所 功能 植物的营养源接纳废弃物和死亡生物保持水分 调节温度维持养分的再循环提供资源 同化各种外来物质 4 土壤污染土壤污染是由于人类活动所产生的污染物质 通过各种途径进入土壤 其数量超过了土壤的容纳和同化能力 使土壤的性质 组成及性状发生了变化 并导致土壤的自然功能失调 土壤质量恶化 从而影响植物的正常生长和发育 使作物产量和质量下降 甚至影响人类健康 土壤污染类型 水体型污染大气型污染农业污染型生物污染型固体废弃物污染型 5 土壤污染特点 多源性持久性隐蔽性转移性6 土壤污染的净化主要是生物和化学的共同降解作用 关于环境污染就不再一一涉及 总之 人类活动正不断地对全球环境产生日益深刻的影响 马克思在140多年前就说过 文明如果是自发的发展而不是自觉地发展 则留给自己的是荒漠 这是我们应当不要忘记的 二 地球表面主要生态系统类型水域生态系统 淡水 咸水 陆地生态系统 荒漠 热荒漠 农田 自然生态系统人工生态系统城市生态系统农田生态系统三 生态系统的功能能量流动物质循环生物生产 全球每年生产有机物1500 108t a 信息传递 四 生态平衡在一定时间内 生态系统各组分通过相互制约 转化 补偿与反馈等作用使结构与功能的协调达到最优化 信息传递流畅 具有较高的生产力和稳定性 能量与物质的输入与输出基本相等的状态 特征 结构平衡功能平衡收支平衡 五 生态系统服务 包括生态系统提供的商品及服务 指生态系统与生态过程所形成的及所维持的人类赖以生存的自然环境与效用 生态系统服务包括 气体调节 气候调节 干扰调节 水调节 水供应 控制侵蚀和保存沉积物 土壤形成 养分循环 废物处理 传粉 生物防治 避难所 食物生产 原材料 基因资源 休闲娱乐 文化等 六 生态系统服务的价值评估全球生态系统服务的价值 气体调节13000亿 干扰调节18000亿 废弃物处理23000亿 养分循环170000亿 中国生态系统服务的价值总价值 77834 48亿元 a 其中 陆地56098 46亿元 a 海洋21736 02亿元 a 七 生态安全指自然生物系统 个体 种群 群落及生态系统 或人类社会生态系统 个人 集体 地区 国家甚至全球 在生存和发展方面的风险大小 包括环境安全 生物安全 个体安全和社会生态系统安全等 八 生物多样性生物多样性是一个描述自然界多样性程度的概念 定义 所有来源的形形色色的生物体 其来源包括陆地 海洋及其它水生生态系统 及其构成的生态综合体 主要内涵包括 遗传多样性物种多样性生态系统多样性景观多样性生物多样性的价值表现 生态价值 维持生物圈的功能科研价值 信息丰富直接利用价值 供人类消费的价值美学价值 环境功能 五 可持续发展的实施关键环节人口 居民消费 社会服务 消除贫困 卫生与健康 人居 防灾减灾 其实施应具备如下条件 自然观的转变与环境理念的形成树立正确的环境伦理观变革生活方式 六 新千年的环境战略1 经济教训 a 环境机构仅依靠自身不可能管理所有问题 b 必须改变中国的整个发展模式 2 在三个领域采取行动 处理环境问题的体制安排实现环境目标所用的手段实现环境目标所需的投资 2 环境管理的任务与目的基本任务 转变人类社会的一系列观念和调整人类社会的行为 目的 创建新的生产方式 消费方式 社会行为规则 发展方式3 我国环境保护的战略方针 三同步方针 经济建设 城乡建设和环境建设同步规划 同步实施 同步发展 做到经济效益 社会效益和环境效益的统一 4 三大环境保护政策 预防为主的政策谁污染谁付费的政策强化环境管理的政策5 环境管理的基本原理 生态学原理系统论原理经济学原理 二 关于环境价值和绿色GDP核算1 环境是有价值的 劳动价值论 环境没有凝聚人类劳动 不具有价值 但保护环境有耗费劳动力 环境具有价值 效用价值论 价值由生产费用和边际效用两部分组成 环境不具备价值 生产补偿价值论 考虑资源耗竭成本和环境损害成本 就是环境有价值的体现 基于哲学价值论 客体的属性功能能