西建大环境工程学讲义第1章 环境与环境科学

第一章

环境与环境科学第一节

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。根据研究问题的需要和某种研究目的，人为地将研究对象从周围物体中分割出来，这种人为划定的一定范围内的研究对象称为体系，即中心事物。相对于某一中心事物有关的周围事物，就是这个中心事物的环境。因此，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。若中心事物是人类，环境即是以人为中心事物而存在于周围的一切事物，除人以外的一切其他生命体与非生命体均被视为环境的对象，这里不考虑其对人类的生存与发展是否有影响。对于环境科学来说，中心事物仍然是人类，但环境主要是指与人类密切相关的生存环境。它的涵义可以概括为：

“作用在‘人’这一中心客体上的、一切外界事物和力量的总和”。人类与环境之间存在着一种对立统一的辨证关系，是矛盾的两个方面，他们之间的关系既是相互作用、相互依存、相互促进和相互转化，又处于相互对立和相互制约。当前，世界各国对各自国家的环境保护政策都有明确的规定，但这些规定和各国法律对环境的解释又不尽相同。我国颁布的《中华人民共和国环境保护法》中明确指出：“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”。法律明确规定的环境内涵就是指人类的生存和发展环境，并不泛指人类周围的所有自然因素。这里的“自然因素的总体”强调的是“各种天然的和经过人工改造的”，即法律所指的“环境”，既包括了自然环境，也包括了社会环境。所以人类的生存环境有别于其他生物的生存环境，也不同于所谓的自然环境。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，包括①各种天然的和经过人工改造的物质条件，例如空气、土壤、水、岩石、矿物和生物等；②能量资源，例如阳光、地热、温度、引力和地磁力等；③自然现象，例如地震爆发、火山活动、海啸等地壳的稳定性和太阳的稳定性等。这些要素又构成了大气圈、水圈、土壤圈、生物圈和岩石圈等各种圈层，因此自然环境又可分为大气环境、水环境、土壤环境、生物环境和地质环境等。概括来说，自然环境就是直接或间接影响到人类生存和发展的一切自然形成的物质、能量和自然现象的总体。从广义上讲，自然环境包括了地球环境和宇宙环境两个部分。地球环境对于人类生存具有特殊的重要意义，它为人类提供了主要的活动场所以及必要的物质基础。到目前为止，在千万亿个天体中，能适于人类繁衍生存的只有地球这一个星球。宇宙环境是指地球以外的宇宙空间，理论上它的范围无穷大，某些星体的存在会影响到地球环境，例如月球引力会对海水的潮汐产生影响。在现阶段，人类活动的范围还主要限于地球，月球对人类的生存和发展影响非常小，因此没有把月球视为人类的生存环境。但是，随着空间科学和宇航事业的发展，当人类能够频繁往来于月球和地球之间，并在月球上建立一定规模和适合人类生存的空间站，以及规模开发利用月球上的自然资源时，月球就会成为人类生存环境的重要组成部分。社会环境是指人类活动而形成的各种事物，包括社会制度等上层建筑条件，构成社会的经济基础，以及与各种社会和经济体制相适应的综合生产力、政治制度、科学技术、法律制度、宗教信仰、文化艺术、哲学观念、组织机构、社会活动、各种人工产品和建筑物等。社会环境是人类在自然环境的基础上，通过有意识的社会劳动，经过加工和改造了的自然物质，以及所积累的物质、精神、文化等构成的总和，是人类长期生存发展活动的必然产物。社会环境的发展与变化直接影响到自然环境的发展与变化，它既可以对人类社会进一步发展起促进作用，又可能成为制约因素，因而在研究中不可把自然环境和社会环境截然分开。

二、环境的组成与分类

人类活动对整个环境的影响是综合性的，而环境系统也是从各个方面反作用于人类，其效应也是综合性的。人类与其他的生物不同，不仅仅以自己的生存为目的来影响环境、使自己的身体适应环境，而是为了提高生存质量，通过自己的劳动来改造环境，把自然环境转变为新的生存环境。这种新的生存环境有可能更适合人类生存，但也有可能恶化了人类的生存环境。在这一反复曲折的过程中，人类的生存环境已形成一个庞大的、结构复杂的、多层次、多组元相互交融的动态环境体系(HierarchicalSystem)。环境分类一般按照空间范围的大小、环境要素的差异、环境的性质等为依据。如从性质来考虑，可分为物理环境、化学环境和生物环境等。如果按照环境要素来分类，可以分为大气环境、水环境、地质环境、土壤环境及生物环境。通常，按照人类生存环境的空间范围，可由近及远，由小到大地分为聚落环境、地理环境、地质环境和星际环境等层次结构，而每一层次均包含各种不同的环境性质和要素，并由自然环境和社会环境共同组成。

1.聚落环境聚落是指人类聚居的中心，活动的场所。聚落环境是人类有目的、有计划地利用和改造自然环境而创造出来的生存环境，是与人类的生产和生活关系最密切、最直接的工作和生活环境。聚落环境中的人工环境因素占主导地位，也是社会环境的一种类型。人类的聚落环境，从自然界中的穴居和散居，直到形成密集栖息地乡村和城市。显然，随着聚居环境的变迁和发展，为人类提供了安全清洁和舒适方便的生存环境。但是，聚落环境乃至周围的生态环境由于人口的过度集中、人类缺乏节制的频繁活动、以及对自然界的资源和能源超负荷索取同时受到巨大的压力，造成局部、区域、以至全球性的环境污染。因此，聚落环境历来都引起人们的重视和关注，也是环境科学的重要和优先研究领域。2.地理环境地理学上所指的地理环境位于地球表层，处于岩石圈、水圈、大气圈、土壤圈和生物圈相互制约、相互渗透、相互转化的交融带上。它下起岩石圈的表层，上至大气圈下部的对流层顶，厚约10～20km，包括了全部的土壤圈，其范围大致与水圈和生物圈相当。概括地说，地理环境是由与人类生存与发展密切相关的，直接影响到人类衣、食、住、行的非生物和生物等因子构成的复杂的对立统一体，是具有一定结构的多级自然系统，水、土、气、生物圈都是它的子系统。每个子系统在整个系统中有着各自特定的地位和作用，非生物环境都是生物（植物、动物和微生物）赖以生存的主要环境要素，它们与生物种群共同组成生物的生存环境。这里是来自地球内部的内能和来自太阳辐射的外能的交融地带，有着适合人类生存的物理条件、化学条件和生物条件，因而构成了人类活动的基础。3.地质环境地质环境主要指地表以下的坚硬地壳层，也就是岩石圈部分。它是由岩石及其风化产物—浮土两个部分组成。岩石是地球表面的固体部分，平均厚度30Km左右；浮土是包括土壤和岩石碎屑组成的松散覆盖层，厚度范围一般为几十米至几公里。实质上，地理环境是在地质环境的基础上，在星际环境的影响下发生和发展起来的，在地理环境、地质环境和星际环境之间，经常不断地进行着物质和能量的交换和循环。例如，岩石在太阳辐射的作用下，在风化过程中使固结在岩石中的物质释放出来，参加到地理环境中去，再经过复杂的转化过程又回到地质环境或星际环境中。如果说地理环境为人类提供了大量的生活资料，即可再生的资源，那么地质环境则为人类提供了大量的生产资料，特别是丰富的矿产资源，即难以再生的资源，它对人类社会发展的影响将与日俱增。4.宇宙环境宇宙环境，又称为星际环境，是指地球大气圈以外的宇宙空间环境，由广漠的空间、各种天体、弥漫物质、以及各类飞行器组成。它是人类活动进入地球邻近的天体和大气层以外的空间的过程中提出的概念，是人类生存环境的最外层部分。太阳辐射能为地球的人类生存提供主要的能量。太阳的辐射能量变化和对地球的引力作用会影响地球的地理环境，与地球的降水量、潮汐现象、风暴和海啸等自然灾害有明显的相关性。随着科学技术的发展，人类活动越来越多地延伸到大气层以外的空间，发射的人造卫星、运载火箭、空间探测工具等飞行器本身失效和遗弃的废物，将给宇宙环境以及相邻的地球环境带来了新的环境问题。

三、环境的形成与发展地球环境是在几十亿年漫长的过程中逐渐演化而成，它与生命体的产生和发展进化密切相关。根据“星云假说”理论，距今60亿年以前，地球还是一团没有凝集在一起的云状气尘物质，经漫长时间的演化，形成了地球胎。大约46亿年前，地球是一个炽热的大火球，外面包围着原始大气，随着放射性元素转化产生的热能聚集，地球内部温度升高，使地球内部物质具有可塑性，为重力的分异产生了条件。较重的金属元素如铁、镍等向地球内部集中，形成了地核；而较轻的物质如硅酸盐、碳酸盐类物质逐渐上升成地表，由此形成当今地球的地核、地幔、地壳等层次，即岩石圈。地球内部的气体则上升到地表，在引力作用下，气体滞留在地球的周围，其主要成分为还原性气体，如CO2、CO、CH4、NH3和H2等，尚不存在氧气，从而形成了原始的大气圈。同时，由于地球内部具有较高的温度，使得以结晶水存在于地球内部的水分不断蒸发，以水蒸气的形式逃逸出地球内部进入大气圈，并在温度降低时以雨水形式降落于起伏不平的地球表面。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，形成最初的水圈。至此，原始的水圈、大气圈、岩石圈的形成和它们之间的相互作用，为地球生命的出现创造了最基本的条件。

大约35亿年以前，原始海洋中的元素和小分子化合物，如CH4、CO、N2、NH3、H2O等，在射线、射线、雷电及热能等各种能量的作用下，逐步合成了生命的基本要素如氨基酸、核苷酸、蛋白质等简单有机化合物。继而集聚演化成具有单细胞结构，进行无氧呼吸的厌氧生物，即厌氧细菌。它们以异养方式通过吸收水中有机物和发酵作用获得能量，水中有机物质含量随之减少。到大约20亿年前，出现了生命更为进化的自养原核生物细菌、燧石藻和蓝藻等生物，这些含有叶绿素的原始生物具有光合作用的特征，是生命的第一次飞跃。它们生命过程中的新陈代谢作用使大气圈中首次出现了O2，并减少大气中的CO2，逐渐改变了原始大气的组成，使大气环境从还原型向更适应于生物生存发展的氧化型转变。经过大约4亿年的积累，终于形成了一个含氧的大气圈。6亿年前，海洋中出现动物。随着大气圈O2含量的逐步增加，具有活泼化学性质的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。臭氧层能吸收强烈的宇宙紫外线，为更高等的海洋生物进化和生命登陆创造了条件。水生生物的登陆表明了生物从水生到陆生的飞跃，生物圈由水圈扩展到陆地。地表环境也相继发生变化，由水生生态环境逐步演化到陆生生态环境。在几十亿年的地壳运动和地球环境演化过程中，逐渐形成现代地表分布，出现了高山峡谷、江河湖海、丘陵平原、绿色植物、差异明显的气候带等。

生物的进化过程随着地球环境的演变而加速。自12亿年前出现最早的真核生物后，5亿年前出现海洋无脊椎动物，约4亿年至2亿年前，首次出现了陆生蕨类植物，地球上形成微生物、植物、动物的水陆生态系统，生物圈初现雏形。陆生植物的繁茂昌盛，加速提高大气中的O2水平，需氧动物逐步在陆地上繁衍，动物界也由此实现了从水体到陆地、从无脊椎到脊椎动物的飞跃，约在2亿年前出现哺乳类动物。如今，大约有500～5000万种生物与人一起构成了地球的生物圈。

生物的生命过程中，将大气圈中的CO2转移到岩石圈中，形成了大量的碳酸盐岩石，逐渐改变了岩石圈的组成。同时，生物分解物与岩石风化物在地表形成了肥沃的土壤，为植物的昌盛建立了基础，进而促使哺乳动物大量发展，也为人类的诞生创造了良好条件。古人类出现于在距今大约200～300万年前。人类是物质运动，即地球的地表环境发展到一定阶段的产物，而环境是人类生存与发展的物质基础。人类通过自身的活动来利用和支配自然界，同时也改造着自然界，把自然环境转变为新的生存环境，而新的生存环境又反作用于人类。因此，人们今天赖以生存的环境，就是在人类的进化过程中，由简单到复杂、由低级到高级、经过人工改造加工而发展形成的。

四、环境要素和环境效应1.环境要素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物质组分，又称环境基质。通常，环境要素可以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，包括水、大气、岩石、生物、阳光与土壤等。环境要素是组成环境的基本结构单元，结构单元又组成环境整体或环境系统。譬如，水组成各种水体，全部水体总称为水圈；大气组成大气层，全部大气层总称为大气圈；由坚硬岩石构成岩体，由岩石分化物和生物作用形成土壤，这样全部岩石与土壤构成的固体壳层称为岩石圈；此外，由动物、植物、微生物等生物体组成生物群落，而全部生物群落的总集称为生物圈。环境要素具有如下非常重要的特点：（1）最小限制律。整个环境的质量受到环境诸要素中那个与最优状态差距最大的要素所制约，即环境诸要素中处于最劣状态的那个环境要素控制环境质量的高低，而不是由环境诸要素的平均状态决定，也不能采用处于优良状态的环境要素去代替和弥补。所以，人们在改善整个环境质量时，首先应改造最劣的要素。（2）等值性。等值性说明环境要素对环境质量的作用。各个环境要素无论在规模上或数量上存在什么差异，只要它们是处于最劣状态，那么对于环境质量的限制作用没有本质的区别，就具有等值性。等值性与最小限制律有着密切联系，前者主要对各个要素的作用进行比较，而后者强调制约环境质量的主导要素。（3）环境整体性大于环境诸要素的个体之和。环境诸要素之间产生的整体环境效应不是组成该环境各个要素性质的简单叠加，而是在个体效应基础上有着质的变化。也就是说，环境整体性质能够体现环境诸要素的某些特征，但未必反映出各要素的全部特点，而是各要素综合作用后更为复杂的性质。（4）环境诸要素相互依赖、相互作用与相互制约。环境某些要素孕育着其它要素，如岩石圈、大气圈、水圈和生物圈随地球环境的发展依次形成。每一新要素的产生，都会给环境整体带来非常大的影响。这些环境诸要素相互关系的特点是通过能量在各个要素之间的传递，形态转换，以及物质在各个要素之间的流通实现的。

2.环境效应环境效应是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。物质之间在综合环境条件影响下进行的化学反应所引起的环境效果。例如，环境的酸化、盐碱化、光化学烟雾等。这些环境化学效应不仅使农作物与渔业减产，还会导致土壤和地下水的质量下降，以及危害人类的身心健康。（2）环境物理效应。环境诸因素在物理作用下引起的环境效果。例如，热岛效应、噪声和振动、地面变迁等。（3）环境生物效应。环境诸因素变化导致生态系统变异的环境效果。例如，气候变化引起的生物种群的突然消失，如中生代的恐龙；现代大型水电工程的建立，使水生生物的栖息和繁殖受到影响；生活和工业废水大量排入江河湖海，使水生生物受到严重危害，甚至灭绝。

第二节生态学基础一、生态学概述1.生态学概念生态学是研究生物与环境之间相互关系及其作用机理的科学。这里所说的生物包括植物、动物和微生物，而环境是指各种生物一定的生存环境，由非生物环境和生物环境两方面组成。非生物环境包括光照、热能、空气、水分、土壤和各种无机元素，生物环境包括主体生物以外的其他一切生物所施加的各种影响，如竞争、捕食、寄生和互利合作等。德国生物学家海克尔(E.Haeckel)于1869年首先提出生态学这一名词，并于1886年创立生态学这门学科。当时，他把生态学定义为“自然界的经济学”，是管理自然的科学，研究生物在环境中如何生活。后来，也有学者把生态学定义为“研究生物或生物群体与其环境的关系，或生活着的生物与其环境之间相互联系的科学。”定义表明，生态学是把生物或环境看作一个有着相互关系的整体，具体体现在生物与其生存环境之间作用与反作用、相互依赖与制约和物质循环与代谢等几个方面。传统的生态学基本上局限于研究生物与环境之间的相互关系，隶属于生物学的一个分支学科。生态学的研究对象从单个分子到整个地球生物圈，一般可划分为4个层次：个体、种群、群落和生态系统。其中，生物的个体水平研究其对环境的反映，单个物种构成的种群水平主要研究影响种群丰富度和种群波动的因素，而由不同物种构成的生物群落水平主要确定群落的结构和功能，各个生物群落和非生物环境所构成的生态系统水平主要研究其中的能量流动、食物网和养分循环。随着现代科学技术的不断发展，生态学突破了原来纯生物科学的范畴，向微观与宏观两极发展。例如，微观研究已深入到细胞与基因的水平，而宏观研究已从生物群落与环境条件的统一，发展为生物圈与非生物因素之间相互作用的地球系统，即全球生态学。2.

生物与环境的相互作用生态系统是生物和非生物因素的综合统一体，生物与环境之间存在着密切的联系和相互作用，最终达到相互协调，演化成一个优良的生态系统。（1）生物依赖于环境。生物是多层次组织结构构成的有机体，愈高级的生物，组织结构愈复杂。但不管哪一种生物，细胞都是其基本功能单位。细胞由不同的生物大分子，如蛋白质、核酸、脂类、碳水化合物等组成，并通过生物体的基本结构单元细胞的新陈代谢构建成生物体。各类生物大分子有着共同的物质基础元素，而这些元素均来自环境，即生物大分子环境中的各类原子所组成。新陈代谢是生物细胞在生长、繁殖、分化的活动中从环境摄取养分和能量，并将废物排弃的过程。新陈代谢的实质就是环境中的大分子分解后成为细胞活动所需能量及细胞基本结构的元素，细胞靠细胞膜的吸收作用从环境中选择性的吸收营养物质及矿物元素，然后通过酶的作用，细胞将营养物质进行生物化学反应，合成机体大分子，同时将废物排弃到细胞外。因此，离开了环境，生物因缺乏物质基础及其能量来源而死亡。（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，尤其是那些量少但必不可缺的营养因子及变幻无穷的气候因子。因此，生物对环境因子有一定的耐受性与适应性。限制因子的量或质的不足或过多，超过了生物的耐受度，将会影响生物的生存。适应性体现在当环境因子变化时，生物因子也随时通过核酸分子的突变，产生遗传变异来重新调整，生物便不断进化发展，而那些耐受性较低的生物则趋于死亡。（3）环境污染对生物的影响。环境污染主要指人们为了提高生存及生活质量，向环境过度索取资源，各行各业所排出的超出环境自净能力的各种有害废弃物质。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，与生物细胞大分子物质进行反应，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。环境污染对生物及人类的影响将在其他章节中进一步阐述。3.

人类与环境的关系历史上人们对环境的关心主要是考虑自然环境如何影响社会活动及其社会发展。仅仅最近几十年来，公众和环境工作者才越来越多地关注人类活动怎样影响自然环境。关于人与环境的关系，许多学者或环境论者认为：①自然资源的价值在于被人们利用，但利用过程中要保证高效和无污染废物。环境保护主要关注的是避免自然资源的浪费，确保资源的有效利用。这种造福于人类的环境保护和资源开发必须为多数人的利益服务，而不只是为少数人的利润；②要求对影响环境的人类活动有所限制，认为非人类生物和自然物，如植物、动物、土壤和水体都有存在的权利；③人类活动中的不谨慎行为能导致自然系统不可逆转的变化，可能产生灾难性的影响，甚至有可能危及地球保障人类生存的能力。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。随着人类征服大自然的能力增强，伴随着的是人类对自然系统的破坏能力也在增强，从而面临着环境日益恶化的挑战。为此，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。

二、生态系统的组成（一）生态系统概念生态系统是指自然界的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。换言之，生态系统是生命系统与环境系统在特定空间的组合。在这个统一整体中，生物与环境之间相互影响，相互制约，不断演变，并在一定时期内处于相对稳定的动平衡状态。生态系统由各种活动角色组成，具有营养级别、生物多样性等系统的结构特征，以及生物生产、物质循环、能量流动和信息传递等系统功能。自然界由各种各样的生态系统组成。在生态学研究中，通常划出一个特定的生态系统，如一条河流、一块土地、一片森林。生态系统的边界依具体研究情况而定，因此其范围可大可小，小到一个池塘、一滴海水、甚至是动物体内消化道中的微生物系统，大到陆地、海洋、以及整个地球生物圈。生态系统一般可划分自然生态系统和社会生态系统为两类，前者中的生命系统是生物群落，后者中的生命系统就是人类。下面主要是介绍自然生态系统。（二）生态系统的组成生态系统由生物和非生物环境两大部分组成，而生物部分又包括生产者、消费者、分解者三类活动角色。1.生物环境（1）生产者。生产者主要是绿色植物，也包括进行光合作用和化学能合成的某些微生物。绿色植物从太阳获得能量，同时从土壤中吸取养分，依靠体内含有的光合作用色素，将二氧化碳、硫化物、水和无机盐类等合成为有机物质，同时放出氧气，并把太阳能转变为化学能贮存在有机物质的分子结构中。微生物则利用太阳能或化学能将二氧化碳和水把无机物转化、合成为有机物质。生产者又称自养生物，其生产的有机物及贮存的化学能，除供自身生长发育需要外，还用以维持其他生物的生命活动。这种供养关系形成生态系统中的食物链，每一环节为一个营养级。生产者称为第一营养级。（2）消费者。消费者是指食用植物或相互食用的生物，以动物为主。由于它们不能直接利用太阳光能和无机化合物中的能量，只能直接或间接地从生产者摄取碳水化合物、脂肪和蛋白质等有机物质获得生命活动的能量，因此消费者又称为异养生物。在食物链中，它们属于不同层次的营养级，其中以植物为食的食草动物为第二营养级；以食草动物为食的食肉动物为第三营养级；以为第三营养级的动物为食的食肉动物为第四营养级；依次类推。消费者在生态系统中的主要作用是实现物质与能量的传递与物质的转换，如食草动物从植物中获取能量，并把植物性蛋白转换为动物性蛋白。（3）分解者。分解者主要是指具有分解能力的细菌和真菌等微生物，也包括某些参与分解活动的原生动物、腐食性动物、软体动物，如咀嚼植物和枯木的鼠类、甲虫、白蚁，以及蚯蚓、蜈蚣等。它们通过物理的肢解，腐生生化成可溶性有机酸及将腐植酸矿化的三个作用阶段，把生产者和消费者的残体分解为简单的无机物质，归还到非生物环境中，供生产者再吸收利用。分解者也是生态系统中的异养生物，又称为还原者或腐化性生物。2.非生物环境非生物环境部分包括各种环境要素的总和：温度、光照、大气、水壤、土壤、气候、各种非生物成分的无机物质和有机物质，即由所有非生命物质和能量两部分构成。在这个有机的统一整体中，能量与物质在不断地循环和流动，并在一定条件下保持着相对平衡。非生物环境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。（三）生态系统的结构生态系统的结构是指生态系统中各组成成分之间的相互关系。良好的生态结构配置可以使生态系统在一定时期和地域保持相对稳定的状态。生态系统的基本结构可划分为时空结构、生物多样性结构以及营养结构。1.时间和空间结构生态系统的空间结构是指生物及环境因素在空间的配置，包括生物群落和非生物环境因素在空间上的分布。例如，在高山森林生态系统中的垂直方向上，通常鸟类在空中飞翔，兽类在地面活动，许多昆虫则在土壤中；植物中自下而上有苔藓地衣层、草本植物层、灌木层和乔木层。生态系统的时间结构是指生态系统的结构随时间变化而产生的变化。由于时间出现一年四季的周期性变化，从而生物群落结构也随之发生变化，如森林生态系统中生物在春、夏、秋、冬有不同的形态，植物忽而绿草如茵，忽而枯枝残叶；动物出现休眠，鸟类迁移等。另一方面，随着时间的流逝，生物的物种也将发生明显的演化，则生态系统的结构随之变化。2.生物多样性结构生物多样性是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。遗传多样性指在自然因素或人工手段的处理下，使某个种内的遗传物质发生变异，产生了变种、亚种等；物种多样性指生命有机体的多样性，是不同生命形式的具体体现。多样性的生态系统由各种生物群落与其周围的环境组成，这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。当地球上的环境变化时，会导致依赖于生存环境的物种不断演化，从量变到质变形成新的物种。另一面也会使已形成的物种，如恐龙在地球上消亡。3.营养结构生态系统的营养结构是由生物的食物链构成，实质上是各营养级生物的能量转移和转换过程。其表现为生产者可向消费者和分解者分别提供营养，消费者也可向分解者提供营养，分解者又可把营养物质输送给环境，由环境再供给生产者。不同的生物属于不同的营养级，如前所述，绿色植物和其他自养生物构成第一营养级，草食动物为第二营养级，一级肉食动物为第三营养级，二级肉食动物为第四营养级，依此类推。如果将生态系统中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，就会成为一个金字塔形，即生态金字塔。其中，能量金字塔、一般的生物量金字塔和数量金字塔，通常从第一营养级到最后营养级逐渐减少，即营养级越高的生物，其生物种类、数量和该营养级所有生物的能量之和越少。（四）生态系统的类型地球生物圈由大小不一、各种形式多样的生态系统所组成。人们可从不同研究角度，根据各个生态系统的组成成分和结构特征对生态系统进行分类，如从各种环境因素、生物因子和非生物因子的特点来划分不同的生态系统类型。依据生态系统受人类活动影响程度的大小，可划分为自然生态系统、半自然生态系统和人工生态系统；而根据环境因素水体把生态系统划分为陆生态系统、水生生态系统和湿地生态系统。陆生生态系统分为森林、草原、稀树干草原、荒漠等各类生态系统。其中，以乔木和灌木树种等绿色植物群体为主组成的森林生态系统，绿色植物的生产量约占陆地总生产量的72%，对物质循环和能量流动的影响最大，其次是草原生态系统。水生生态系统又可以划分为海洋和淡水两大生态系统，并可根据水体的性质和分别进一步划分为各类子系统。水生生态系统中最大的是海洋生态系统，地球上生物生产力的25%来自海洋，其次是海滩生态系统、湖泊生态系统。自然生态系统是指那些存在于自然界，没有直接受到人类活动干扰的生态系统，如原始森林、远洋深海、未经放牧的草原、冻原地带等人类尚未到达的地方，能通过自我结构的调整来保持系统的相对稳定。人工生态系统是指人类与其生存环境相互作用的网络结构，完全有人类活动所创造和控制的生态系统，如农村、城市、工业区等。半自然生态系统指受到人类活动的影响，但其环境仍保持一定自然状态的生态系统，如天然放牧的草场、人工森林、耕作的农田、养殖湖泊等。

三、生态系统的基本功能能量流动、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态系统中除少数能自养的细菌以外，几乎所有的生物体所获取的能量，都是太阳能单向传递的结果。太阳能以阳光的形式进入生态系统，并通过绿色植物体内的光转换系统—光敏色素，尤其是叶绿素的光合作用被固定，把光能转换为化学能贮存在有机物中，其中一部分供给异养生物进行生命活动。这样，太阳能通过光合生物进入生态系统，转化为化学键上的高效化合能开始流动，并通过生产者、消费者、分解者之间的食物链开始传递，最终被分解为无机物，重新进入为植物利用的再循环运动。这种生物与环境、生物与生物之间的能量传递和转换的过程，称为生态系统的能量流动。能量传递与转换遵循热力学定律，即说明能量守恒的热力学第一定律和能量贬值的热力学第二定律。热力学第一定律指出，能量不能被创造，也不能被消灭，在流动过程中可以从一种形式转换成另一种形式，数量保持不变。热力学第二定律指出，在能量的传递和转化过程中，只有一部分可以继续传递和做功（有效能），另一部分必然会以热的形式消散，成为无效能，即任何一次能量转换都会使得系统的有效能减少，无效能增加，能量发生贬值。生态系统中的能量流动也服从热力学定律。这种能量流动的特点是能量流动的单向性和通过各营养级的能量逐渐减少，即以食物形式存在的能量总是从低的营养级流向高的营养级，传递过程中的有效能不断损失。这是因为：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。由此可见，生态系统食物链中的能量转换效率很低。绿色植物通过光和作用从太阳得到的能量很少部分被吸收。全部照射到叶子表面的阳光只有约4%被有效利用，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%。其它营养级的动物也是如此，从植物过其它动物摄取的能量，能被上一级有效利用的约为10%。营养级越高，生物量越少，其储存的能量越低，形成前述的生物金字塔。因此，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。若某一营养级不足以向上一营养级提供足够的能量，食物链中断。（二）生态系统中的物质循环自然界中的物质由各种化学元素组成。这些物质在生态系统的各个组成部分之间不断进行着循环。其中，碳、氢、氧、氮、磷、硫是自然界中的主要元素，也是构成生命有机体的主要物质。它们在自然界的良性循环，保证了生态系统的稳定性。1.碳循环碳是构成生物体和贮藏光能的主要元素，在自然界中以碳水化合物、脂肪、蛋白质等有机体和CO2、碳酸盐等无机体的形式存在，并在大气圈、水圈、生物圈、岩石圈和化石燃料(石油、煤等)等环境因素中进行碳循环，如图1－1所示。光合生物通过光合作用吸收大气中的CO2和H20形成碳水化合物，同时释放氧气。碳水化合物通过食物链逐级往高的营养级流动，并转换为不同的形式。同时，动物通过呼吸作用吸入O2而放出CO2，生物残体被微生物分解，矿化时也释放出CO2，这些经过生命系统的CO2又重新返回空气中。此外，化石燃料的燃烧，自然界的火山喷发、地震也会将固定的碳元素以CO2的形式释放到大气中。另外，CO2通过扩散作用在大气和水体之间循环，进入水体中的CO2会被吸收形成新的碳酸盐岩石，也可以通过死亡动植物的遗骸进入地壳形成化石燃料。碳循环对环境的影响主要表现在大气中的CO2含量。大气中CO2的体积分数虽然只有0.035%，但其稳定性，尤其是化石燃料燃烧排放大量的CO2对全球气候变化产生了不可忽视的影响。2.氮循环氮是构成生命物质蛋白质和各种氨基酸的主要元素，也是大气的主要组成成分。虽然大气中自由氮含量占79%，却不能直接被生物利用，只有将氮制造成硝酸盐进入土壤，才能被植物吸收，最终通过食物链进入各类生命体。氮循环主要是在大气、水体、生物和土壤之间进行，如图1－2所示。大气中的氮进入土壤和植物有以下几种方法：①人工固氮。人类通过工业手段，将大气中的氮合成氨或铵盐，即合成氮肥，供植物利用；②非生物固氮。如雷雨天气的闪电现象而产生的电离作用，能将大气中的氮氧化成硝酸盐，随降雨过程进入土壤，以及火山喷发出的岩浆所固定的氮，植物吸收这些进入土壤的氮；③植物固氮。寄生的豆科植物和其他少数高等植物根部的根瘤固氮菌具有固定大气中的氮的能力。土壤中被固定的氨或铵盐，经硝化细菌将其转化为亚硝酸盐或硝酸盐被植物吸收利用，并与碳结合形成各种氨基酸，最后合成蛋白质。动物直接或间接从植物中摄取植物性蛋白，作为自身的营养来源。生物圈中动植物的残体，以及动物新陈代谢过程中的含氮排泄物被微生物分解后有又形成氨或铵盐，回归于土壤。土壤中的氨形成硝酸盐后，一部分为植物利用，另一部分则由反硝化细菌把硝酸盐分解为氮分子，重新进人大气。氮循环在环境问题中有着十分重要的地位，如缺少蛋白质会造成营养不良，化石燃料燃烧排放的氮氧化物会污染大气，过度使用含氮化肥会污染水体。3.硫循环硫是氨基酸和蛋白的重要组成成分，它以硫键的形式把蛋白质分子连接起来。硫循环由自然作用和人类活动所推动，主要在大气、海洋和陆地之间进行。自然作用的循环过程是：陆地上，地壳中的硫通过火山喷发和岩石内的硫在风化作用下，以H2S、SO2或硫酸盐的形式进入大气；海底火山爆发时产生的硫分别逸入大气和溶入海洋；大气、水分和土壤中的硫被植物所吸收，并进入动物体内，当生物残骸被微生物分解时生成H2S回到大气；海洋中的生物遗骸腐败后，其储存的硫重新释放到海水中，当海浪飞溅时，硫又进入大气。大气中的硫或硫酸根离子，通过降水、沉降、和地表面吸收等过程回到陆地和海洋，并被植物吸收；地表径流的冲刷使土壤中的硫进入河流、海洋，最终沉积于海底。人类作用的循环过程是：地壳中含硫的化石燃料和金属矿物在人类使用的过程中，通过燃烧和冶炼将硫还原成H2S和氧化成SO2，排入大气，或者随着酸性废水排放到土壤和水体。硫的自然循环过程在没有外界的强烈干预时，在生态系统中基本处于一种稳定和平衡的状态。当人类无制约使用化石燃料时，会向大气排放出大量的SO2，从而破坏了硫的正常循环，形成严重的环境污染。（三）生态系统中的信息传递信息是指系统传输和处理的对象，通常是指在传播形式中的情报、信号、消息、指令、数据、图像等知识内容。生态系统中的信息是指各种环境因素。在沟通生物和环境之间，生物种群内部、及各生物群落之间的关系方面，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。生态系统的信息传递往往是双向可逆的，这是指既存在输入到输出的信息传递，也有从输出向输入的信息反馈。生态系统中的信息形式主要有营养信息、行为信息、化学信息和物理信息。1.营养信息生态系统中的食物链和食物网构成一个生物的营养信息系统。各种生物通过营养的方式把信息从一个个体、一个种群或一个群落传递给另一个个体、另一个种群或另一个群落。例如，食草动物与草原植被这两个生物群落之间，当食草动物少时，草原植被就繁茂昌盛，这一信息传递到其它食草动物之中，则草原上的食草动物将增加；反之，当食草动物过多时，草原植被减少，不足以供养全部的食草动物，这一信息使得部分食草动物迁移。因此，从草的多少可以得食草动物食物是否丰富的信息，以及食草动物数量的信息。又如，鼠类、鹌鹑和猫头鹰组成的食物链：当鹌鹑数量较少时，猫头鹰大量捕食鼠类，鹌鹑很少受害；当鹌鹑数量较多时，猫头鹰转而大量捕捉鹌鹑。这样，通过猫头鹰对鹌鹑捕食的轻重，向鹌鹑传递了鼠类数量多少的信息。2.物理信息生态系统中通过物理过程传递的信息称为物理信息，如声音、光线、气温、磁场等。各种动物发出的声音传达了警告、恫吓、安全、惊慌、以及要求配偶等各种信息。含羞草在强烈声音的刺激下，会表现出叶子合并，叶柄下垂的运动。空中的飞禽通过视觉发现地面的猎物是一个光信息的传递过程，猎物是发出信息的信息源。气候由热至冷的逐渐变化给动植物传递了食物减少和气温高低的信息，使得某些动物储存脂肪、变换肤毛、有的进入冬眠，候鸟迁徙，植物落叶减少散热。蜜蜂无数次将花蜜运回蜂巢，候鸟成群结队南北长途往返飞行都能准确到达目的地，这些动物主要依靠自己身上的电磁场与地球磁场相互作用确定方位。3.化学信息生态系统中通过化学物质传递的信息称为化学信息，如某些生物在特定的条件下，或某个生长发育阶段的代谢产物性激素、生长素等。生物分泌出的这些特殊化学物质在生物的个体或种群之间起着某种信息的传递作用，协调个体之间的活动，并且维持生物的集群活动的整体性。例如，许多哺乳动物(虎、狗、猫等)动物通过排泄物标记自己的行踪和活动领域，其中的雄性动物凭借种内的雌性个体释放的体外性激素寻求配偶。蚂蚁通过自己的分泌物留下化学跟踪痕迹，以保持群体活动。4.行为信息生态系统中通过生物的异常行为传递的信息称为行为信息，如许多动物的异常表现和行动向同伙甚至其他物种发出识别、危险、警告、挑战和求偶等信息。例如，蜜蜂发现蜜源时，用舞蹈动作“告诉”同一巢穴其他的蜜蜂去采蜜，并用不同的行为姿势表示出蜜源的远近，其他工蜂则以触觉来感觉舞蹈的步伐，得到正确方向的信息。当某些自然灾害，如森林火灾发生时，离火源较近的动物纷纷逃离，这种异常行为信息可以传递给沿途其它物种的动物，使得更多的动物加入逃跑的行列。

四、生态系统的平衡（一）生态平衡的概念生态平衡是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。也就是说，生态平衡包括了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。生态系统的平衡是一种动态平衡。生物环境中的物种产生、变化、以及种群的组合与改变永远处于变动状态，生物的进化就是为了增强对环境的适应能力，是生物系统长期与地质、大气、温度等外在理化因素的变化相互作用的结果。就非生物环境而言，由于地球在运动之中，太阳能给予地球的能量会随之改变，因而总有气候、温度、降雨量等的变化，使得非生物环境诸因素也随之改变，并作用于生物，最后使生态系统发生了演替。演替的趋势是生态系统朝着种类多样化、结构复杂化和功能完善化的方向发展，直到建立起更加稳定的优良生态系统。由此可见，生态系统的各组成成分、结构、功能是随着时间而改变，不断地按照一定的变化规律运动着，生态平衡是一种相对的和非稳态的平衡，即动态平衡。生态系统的动态平衡表明，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，使其进入新的平衡状态，即自身调节的能力。生态系统调节能力的大小，与生态系统生物的多样性有关。例如，热带雨林和海洋分别是岩石圈和水圈内生物物种最丰富的区域，具有非常稳定的生态系统；而如我国青藏高原和干旱缺水地区，以及寒冷的南、北极地域，由于生物种类稀少，食物链单调，生态系统非常脆弱，轻微的干扰就会引起严重的失调。虽然生态系统对外界的干扰有很强的调节能力，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。（二）影响生态平衡的因素生态系统本身具有的自身调节的能力是保持生态系统动态平衡的主要功能。如果这种自身调节能力中的某一环节出现缺损，就会破坏生态系统的平衡。因此，生态系统自身调节能力的强弱是生态系统平衡的关键。影响生态系统自身调节能力的因素有：1.生物多样性的结构生态系统的生物多样性结构越复杂，生物种类越丰富，食物链的环节越多，自身调节能力越强；反之，自身调节能力越弱。处于平衡状态的生态系统，生产者、消费者、分解者构成一个完整的食物网，缺一不可，否则营养结构会缺损，导致生态系统的衰退和破坏，甚至系统可能会崩溃。因此，若要维持稳定的食物链，必须保持一定生物种类和数量的相对稳定。例如，一个草原生态系统，若只有植被、山羊和狼构成简单食物链，当狼群数量过多时，会使山羊数量急剧减少，狼群数量就会因食物的减少而随之减少，整个系统遭到破坏；若山羊消失，这个系统就可能崩溃。如果狼的食物除了山羊外，还有野兔、鹿和其它食草动物等种类，那么狼的食物就有了更多的选择，狼群数量不会因山羊数量减少而减少，同时，山羊数量又得以恢复，生态系统保持了生物物种的相对平衡。这些表明，生物多样性结构提高了生态系统的自身调节能力。2.生态功能的完整性生态系统的功能在生物生理机能的控制下能得到合理地运转称为生态功能的完整性。生态系统的主要功能是物质、能量和信息的流动，合理运转是指生态系统中的物质和能量的输入和输出在各种生物的相互作用下达到相对平衡,信息网络工作通畅。生态系统中的能量和物质的流动如果入不敷出，系统就会衰退；若输入多，输出少，则生态系统有积累，也处于非平衡状态。能量、物质和信息的流动越合理，生态系统自身调节能力就越强。如果能量流动在某个营养层上受阻或者物质循环和信息沟通正常途径的中断，则生态系统自身调节能力下降甚至丧失。例如，向河流中排入大量的酚，若该系统生存着许多对酚有很强降解能力的微生物和水葱等高等植物，酚就会很快得到降解，那么物质平衡不会遭到破坏；反之，这个系统的物质平衡就可能失调，生态平衡受到破坏。（三）生态平衡失调的原因在生态系统中，当自然的或人为的外界干扰所施加的压力超过了其自身调节能力和补偿能力，达到破坏生态规律的程度，将导致生态系统平衡失调。1.自然因素自然因素主要是指自然界发生的异常变化，通常称为自然灾害。如洪涝水灾、热带风暴、火山爆发、少雨旱灾、地震山崩、瘟疫流行、海啸以及地壳变迁等，都可能引起生态平衡的破坏。这些自然因素对生态系统的破坏是严重的，甚至可能是灾难性的，往往具有突发性的特点。相对来讲，由于这类因素的出现通常是局部的和偶然的，频率并不高，生态平衡的破坏在一定的时期内可以得以恢复。例如，秘鲁海面每隔6～7年就发生一次海洋变异现象，结果使一种来自寒流系的鱼大量死亡，引起食鱼为生的海鸟失去食物而大量死亡；当海洋逐渐原来环境时，生态平衡又得以恢复。2.人为因素人为因素是指人类的生命活动引起的生态平衡失调，尤其是对自然资源不合理的开发利用以及工农业生产所带来的环境污染等，是造成生态平衡破坏的主要原因。人为因素对生态平衡的影响往往是渐进的、长效性的，破坏性程度与作用时间、作用强度紧密相关。人类活动将导致生态系统失去结构和功能上的平衡，引起系统的变异，其主要影响有：（1）环境因素的变化。人类活动使大量污染物质进入环境，使得环境因素发生改变，从而影响整个生态系统，甚至破坏生态平衡。如燃烧化石燃料等造成的大气污染，以及生活、生产废水的大量排放造成水体污染，危害植物生长，影响人类和其它动物的健康；草原放牧和开垦及森林砍伐过度，缩小了植被面积，严重削弱了生态系统的调节能力等。（2）物种的改变。人为引起某一生物种类的增加或减少，都可能造成生态系统的失调。例如，我国20世纪50年代曾大量捕杀过麻雀，致使有些地区出现了严重的虫灾；（3）信息系统的破坏。如果人类活动向环境中施放某种物质，破坏了保持生物种群联系的某种化学信息，就有可能使生态平衡遭受破坏。如有些雌性昆虫在繁殖时将排放一种体外性激素，具有引诱雄性昆虫的作用。若人们排放到环境中的某些物质与这种昆虫排放的性激素发生反应，使得性激素消失，中断雌雄昆虫间的信息沟通渠道，则会影响生态平衡。

第三节

环境科学一、环境问题的由来和发展1.环境问题广义的环境问题是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。通常所指的环境问题是狭义的环境问题，即由人为因素引起的环境问题。因此，环境问题可以分为两种类型：第一环境问题，即由自然因素引起的环境问题，或称为原生环境问题，如火山爆发、地震海啸、洪涝干旱、流行病等自然界发生的灾害或异常变化；第二环境问题，即由人类活动引起的环境问题，或称为次生环境问题，这是环境科学与环境保护需要研究的主要环境问题,也是人类生存面临的最为严重的问题之一。第二环境问题还可以进一步划分为生态环境失调与环境污染两大类型。生态失调主要是由于人类盲目开发利用自然资源，超出环境承载力，引起生态环境质量恶化、生态平衡破坏或自然资源枯竭的现象，例如，畜牧业的高速发展、过度砍伐森林和开荒造田导致的草原退化、水土流失、以及沙漠化等。环境污染则是随着人口的过度膨胀，城市化的规模发展和经济的高速增长形成的环境污染和破坏，造成环境质量发生恶化，原有的生态系统被扰乱的现象，例如，工业生产过程中排放的废气、废水和废渣对生物环境和非生物环境的污染。2.环境问题的出现环境问题自人类诞生以来就存在。远古以来的很长的岁月里，人类仅仅是为了生存向自然界索取有限的天然资源，主要是利用和依赖环境而不是有意识的改造环境。因此，人类活动对环境和自身的影响不大，但也会由于人口的自然增长和盲目滥用资源造成诸如居室污染、疾病流行、局部区域生活资源缺乏、食物减少等“环境问题”。进入农业社会后，人类利用和改造环境的影响越来越明显，与此同时也发生了相应的环境问题，如大量砍伐森林、破坏草原、刀耕火种、盲目开荒，往往引起严重的水土流失，频繁的水旱灾害和沙漠化。由于当时工业生产并不发达，因此引起的环境污染问题并不突出。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。但此时的环境污染尚属局部、暂时的，其造成的危害也有限。因此，环境问题未能引起人们的足够重视。3.环境问题的发展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。在这个时期，发生了震惊世界的“八大公害事件”，其中四件发生在“二战”后经济以惊人速度重新崛起的日本，其它发生在工业化起步最早的国家和地区，如英国、欧洲、美国。日本人民在得到物质享受同时也尝到了环境污染的苦果，并为此付出了沉痛的代价，创造了公害这个名词，公害是指环境污染对公众所造成的伤害。“八大公害事件”是：①马斯河谷事件发生于1930年12月初比利时马斯河谷工业区，二氧化硫、粉尘蓄积于近地层空气无法扩散。一周内约60余人死亡，数千人患呼吸系统疾病；②洛杉矶光化学烟雾发生于40年代美国洛杉矶市，晴朗天气出现由汽车尾气中的NO、NO2、SO2和碳氢化合物(HC)等经光化学反应所造成的烟雾，刺激人的眼睛和呼吸系统。光化学烟雾首次于1946年在洛杉矶发现，在1955年的严重事件中，65岁以上的老人死亡约400余人；③多诺拉烟雾事件发生于1948年10月底美国宾夕法尼亚州多诺拉镇，受亚热带反气旋控制，出现逆温天气。炼锌、钢铁、硫酸等工厂排放的含有SO2的废气在近地层大气中无法稀释。4天内死亡人数约17人，约6000人的呼吸系统受损害；④伦敦烟雾事件发生于1952～1962年间英国伦敦，SO2、烟尘在浓雾不散、尘埃中含有Fe2O3的条件下，形成刺激性硫酸烟雾。最严重的是1952年12月，三天内与此有关的死亡人数达4000多人；⑤四日市气喘病发生于1955年日本四日市，炼油厂排放的酸性废气中SO2浓度高，导致约800余人患哮喘病，死亡30多人；⑥富山县骨痛病发生于1955～1972年日本富山县，铅锌冶炼厂排出的含镉废水污染了稻米等农作物，从而使人中毒，引起骨痛病，患者130余人，死18人，多人因不堪疼痛而自杀；⑦水俣病事件发生于1935～1965年日本水俣湾，化工厂排放含汞废水，至使人与动物患上汞中毒症，中枢神经受损伤，出现听觉、语言、运动失调，死亡200多人；⑧米糠油事件发生在1968年日本北九洲和四国等地，人们食用混入了多氯联苯的米糠油后发生的中毒事件，死亡16人，中毒患者10000余人。第一代环境问题主要是由于下列因素造成的：（1）人口迅猛增加，城市化的速度加快。世界人口从20世纪初的16亿增至1950年25亿，经过50年人口约增加了9亿；而50年～80年代人口增加了20亿，至1980年世界人口达到45亿。而在许多发达国家中，有半数人口住在城市，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。1900年世界能源消费量还不到10亿吨煤当量，1950年增至25亿吨煤当量，50年增加了15亿吨；而到1980年猛增至接近100亿吨煤当量，30年间能源的消费增加了近亿75吨，是20世纪前50年的5倍。这些数据表明，工业的迅速发展逐渐形成的大工业区域排放的污染物不仅集中，而且数量非常多，在一定条件下，极易形成突发性的环境污染事件。（3）人们的环境意识薄弱。由于“二战”结束后，各工业国家急于恢复建设和发展经济，根本没有意识到高速的经济发展可能会引发的环境问题。当时，第一代环境问题在工业发达国家已经达到严重程度，直接威胁到人类的生存环境，影响了经济的进一步发展。由此，工业发达国家把环境问题摆上了国家议事日程，包括制定法律、建立机构、加强管理、采用新技术，70年代中期环境污染得到了有效控制。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。近20年来的环境问题的规模和性质，对人及其他生物的影响，以及预测或解决这些问题的难度都大大超过第一代环境问题。这些问题有些早已存在，但是80年代以后才逐渐引起人类的重视。人们共同关心的重要的环境问题分为三类：①全球性的环境问题，如臭氧空洞、温室效应、酸雨问题越过国界、危险物品全球转移等；②大面积生态环境破坏问题，如森林和植被减少、草场退化、水土流失、沙尘暴、荒漠化和生物多样性锐减等；③严重的突发性污染事件迭起。如1984年12月印度博帕尔农药泄漏事件，美国联合碳化公司所属农药厂430t异氰酸甲脂泄漏，造成6400人死亡，13.5万人受到伤害，2万多人被迫转移；1986年4月前苏联切尔诺贝利核污染事故，第四号反应堆爆炸，放射性物质沉降到前苏联西部广大地区和欧洲国家，并有全球性沉降，死亡31人，13.5万人被迫迁移；以及1989年3月在美国阿拉斯加海湾由于油船搁浅造成大量原油外溢和1991年6月海湾战争油燃烧污染，导致上千公里海面和大面积植被及土壤遭受严重污染。第二代环境问题的出现实质上是在第一代环境问题长期累积下没有得到有效控制，并继续加速经济发展引起的。但是这两代环境问题具有明显的阶段性，有如下不同的主要特点：（1）从区域性环境问题转化为全球性环境问题。第一代环境问题主要出现在工业发达国家，是由局部性环境污染造成的区域性影响，如城市、河流、农田等；第二代环境问题则表现出大面积的环境污染和生态破坏引起的全球性影响，如一个国家和一个地区燃烧化石燃料排放的CO2能够改变另一个国家的气候或使全球海平面上升；一个国家生产和排放的危险物品能够威胁到全人类的生存；一个地区砍伐森林会导致全球CO2的增加。（2）从发达国家的环境问题扩展到发展中国家的环境问题。20世纪后期，发达国家开始采取有力的控制环境恶化的措施，环境质量有所好转。但是，由于发展中国家人口爆炸性增长出现资源短缺；贫穷与落后造成环境灾难与生态难民；为了还清债务迫使加剧进行得不偿失的资源开发；为早日实现国家的工业化被迫走加剧环境污染的道路；以及为了经济利益无奈接受从发达国家转移出来的放射性和有毒危险物品以及肮脏工业，使得环境污染迅速向发展中国家扩展。现在全世界空气污染最严重的都市大都集中在发展中国家，各种生态破坏现象也是在发展中国家急速发展，发展中国家的环境问题已成为世界环境问题的重心。（3）污染源种类多样化和复杂化。第一代环境问题集中在传统的“三废”，即废气、废水、废渣上，主要是化石燃料燃烧引起的大气污染，重工业废水、有机物废水及生活废水等引起的水体污染，以及工业固体废物和城市垃圾所造成的污染。而第二代环境问题，污染源分布广且众多复杂，来自于人类活动的各个领域，存在众多尚不清楚并有待解决的有害物质。这些环境问题的解决要依靠众多国家，这就极大地增加了解决问题的难度。（4）环境问题危害范围扩大、程度严重。第一代环境问题发生的范围有限，人们关注的是环境污染对人体健康的影响，环境污染对经济发展形成的制约问题还未突显；第二代环境问题扩展到整个地球环境，污染事故范围大、危害严重、经济损失巨大。这不但会损害和影响人类的健康及正常的活动，而且已经威胁到人类的生存与发展，阻碍经济的持续增长。从环境问题的发展历程可以看出，人为的环境问题是随人类的诞生而产生，并随着人类活动的加剧和社会的发展而发展。因此，必须分别对待不同国家出现的环境问题，处理好人类社会发展与环境的关系，才能从根本上解决环境问题。

二、环境科学的创立和发展1.境科学的研究对象任何一门科学的兴起和创立都有特定的研究对象和系统，而环境科学就是一门以人类与环境这对矛盾为特定研究系统的多学科交叉的，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。实质上，环境科学是现代科学技术为了研究和解决日益严重的环境问题向纵深发展的产物，也是人类认识自然和改造自然能力进一步深化的体现。环境科学的目的是考察以人类为主体的生态系统，研究人类与环境的对立统一关系的发生与发展，掌握它们之间的客观规律，调节与控制这个系统中的物质和能量的交换过程，合理利用与改造环境，使之处于最佳运行状态，从而形成生态系统的良性循环。2.环境科学的诞生环境科学是由于社会经济发展中的环境问题的日益突出而逐渐发展起来的。随着许多学者、科学家在不同的学科领域从各个角度对环境问题的研究不断深入，环境科学已经形成一门与自然科学、社会科学以及技术科学相互交融和渗透的综合性新兴学科。早在公元前5千年，我国已在烧制陶瓷的柴窑中，应用热气上升原理安装了使燃烧产生的烟气能迅速排出的烟囱，这不仅提高了燃烧速度，同时又改善了周围的空气环境。古罗马公元前6世纪已修建了排放污水的地下排水道。英国人丁·伊林于公元1661年写了《驱逐烟气》一书，指出了空气污染的危害，提出了一些防治烟尘的措施。18世纪60年代在工业发源地英国的产业集中地区，如曼彻斯特城，由于煤烟的排放，城市的树木被熏黑，使生活在树木上的70余种昆虫，几乎全部从灰色型转变成黑色型，出现了科学家称之为“工业黑化”的现象。这些属于早期的环境科学萌芽。19世纪中叶后，各科学领域的学者开始对人类活动和自然界的相互关系进行初步的探索和研究。1847年德国植物学家C.弗腊斯在《各个时代的气候和植物界》一书中论述了人类活动对植物和气候变化的影响；英国生物学家C.R.达尔文在1859年出版的《物种起源》一书论证了生物进化与环境变化的关系；1864年美国学者G.P.马什在《人和自然》一书中论述了人类活动对自然地理环境的影响；1869年德国生物学家E.H.海克尔创立生态学的概念；1935年英国生态学家A.G.坦斯利提出了成为环境科学重要理论基础的生态系统的概念。这一时期的工程技术方面也有进展，城市的给排水系统不断扩大完善；1879年英国建立了污水处理厂；1850年人们开始用化学方法对饮用水消毒以杀死病菌；19世纪后期开始研究消烟除尘技术，在20世纪初发明的旋风除尘器和布袋除尘器至今仍然在广泛使用。

20世纪中期，环境问题的研究从纯自然科学向社会科学和技术科学系统延伸，人们希望通过各学科的交叉融合研究寻求解决环境问题的途径，这些工作促进了环境科学的诞生。

美国研究宇航飞船内人工环境的科学家们在1954年首次提出环境科学的概念。当今通常公认的环境科学诞生的标志是，1962年美国海洋生物学家R·卡逊出版的第一部有重要影响的环境科学著作《寂静的春天》，她在书中用生态学的方法详细描述了滥用农药对自然环境造成的危害，该书引起了西方社会的强烈反响。3.环境科学的发展及特点

环境科学随着环境新问题的不断涌现自诞生之初就向着全方位方向发展。时至世纪今日，环境科学在发展过程中已建立起庞大的跨学科的综合性研究系统，并形成自身的特点。（1）环境科学发展的综合性。50年代以来，环境科学以环境问题为中心，在各学科领域研究的基础上，通过合作从多学科研究向跨学科的综合性方向发展，形成不同学科的共融体。以1972年第一次世界人类环境会议为背景，英国经济学家B.沃德和美国微生物学家R.沃博斯共同主编了《只有一个地球：对一个小小行星的关怀和维护》，分别从自然界、社会、经济和政治等各方面阐述了主要的环境问题和对人类的影响，探讨了解决环境问题的途径和科学管理地球的方法。环境科学几乎涉及到现代科学的各个领域，包括科学技术、经济管理、社会行为、文化教育、人文法律、以及行业部门等人类社会的各个方面，因此存在社会科学、自然科学、技术科学交叉渗透的广泛基础，具有很强的跨学科综合性的特点。（2）分支学科形成的独特性。环境科学的建立主要是以从传统学科中分化、重组、综合、创新的方式进行的。传统科学领域在研究环境问题时取得的研究成果，促进了环境科学中分支学科的形成。早期，各传统学科运用本学科的理论和方法研究相应的环境问题，从而形成了环境化学、环境生物学、环境物理、环境经济学、环境医学、环境法学等多个交叉的分支学科。例如，分析化学将仪器分析和微量分析方面的进展直接应用于环境中污染物质的监测、分析和检测，形成了环境化学；在应用现代工程技术解决“三废”及噪声污染的同时形成了环境工程学。而后，以人类为主的生态系统为特定研究对象，进行自然科学、社会科学、技术科学跨学科的综合研究，在此基础上形成了包括人类生态学、生态哲学、理论环境学等特有的现代环境科学体系。

三、环境科学系统1.环境科学的任务及研究内容环境科学的研究对象是人类环境的质量结构与演变。因此，环境科学的任务在于揭示人类活动、社会进步、经济增长与环境保护相协调发展的基本规律，研究保护人类免于环境因素负影响和保护环境免于人类活动负影响的途径。在微观上研究环境中的物质，尤其是人类活动排放的污染物的分子、原子等微小粒子在有机体内迁移，转化和蓄积的过程及其运动规律，探索它们对生命的影响及其作用机理；从宏观上研究人类同环境之间的对立统一关系，掌握人类社会活动与环境变化的发展规律。在此基础上，采取相应措施逐步解决人类面临的环境问题，达到社会经济和环境保护相协调发展的目的。主要的研究内容有：（1）探索人类活动与生态平衡的相互协调关系。探索人类与生态环境的相互依存、相互作用关系是影响到人类生存与发展的关键问题。①考察生态系统结构的组成和相互关系，以及生态系统功能的作用和相关的影响因素，尤其要考虑人类活动中物质和能量的迁移和转化过程对生态变化的影响。首先是排入环境的废弃物不能超过环境自净能力，其次是合理开发和利用不可再生资源，以及从环境中获取的可再生资源不能超过它的再生能力，以保障环境资源永续利用；②研究人类的生产活动和消费行为对生态系统的影响，包括生态系统已经产生的正面和负面、好的或坏的以及将要产生的影响，如大面积的酸雨和生态破坏，全球性气候变暖，臭氧层破坏等重大不良变化及其原因的深入探索；③研究生态系统产生平衡失调后所应采取的相应战略对策。（2）揭示全球范围的环境演化的规律。地球环境的各组成因素如岩石、大气、水、生物、能量等在相互作用中不断地演化，环境变异也可能随时随地发生。必须了解环境变化的原因及过程，包括环境的基本特性、环境结构组成形式和演化机理等，以使环境向有利于人类社会进步的方向发展，

（3）研究污染物对环境变化及生物生存的影响。研究有害物质在环境中的物理和化学的变化过程，在生态系统中的积累、迁移、转化的机理以及对生命体的损害作用，尤其是进入人体后发生的各种有害作用。同时，必须研究污染物造成的物质循环变化与环境退化之间的关系，包括环境自净化的研究。这些研究结果可作为保护人类生态环境而制定的各项环境标准、法规和控制污染物排放指标的依据。

（4）寻找区域性环境污染的综合性防治途径。环境污染的综合性防治措施和途径要考虑社会管理措施、经济发展规律以及工程技术手段等各方面，利用系统分析及系统工程的方法，寻求解决区域环境问题的最佳方案。①以生态理论为指导，研究制定区域(或国家)的环境保护和经济发展规划，作为环境保护工作的基本保障；②通过采取防治环境污染破坏的科学技术措施和应用环境政策法规，确保人类改造自然活动对环境的影响在生态系统的调控能力之内。尤其是要探索物质、能量在人工利用中的流动过程和规律，寻求物流和能流的合理结构和布局，以及对资源利用的最佳方案，这也是工程技术要解决重要问题之一。2.环境科学的分类环境科学的领域很广，内容极为丰富。它既涉及到自然因素，也涉及到社会因素；既相对独立于其他自然科学和社会科学，又紧密地依附于这些学科的有关门类，是一门与自然科学、社会科学、技术科学相互交又、渗透的综合性新兴学科。对其学科分科体系尚存在不同的看法，还没有统一的模式。若将环境科学按其性质和作用分类，一般可以划分为基础环境学和应用环境学两大类，这两类学科包含的子学科主要有：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（大气污染控制工程、水污染控制工程、固体废物处置及利用、噪声控制工程、核工业环境工程、光、热、辐射污染控制工程），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。

四、环境工程学环境工程学是环境科学的一个重要分支。这门学科主要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。美国土木工程师学会(AmericanSocietyofCivilEngineers，简称ASCE)环境工程分会对环境工程的解释是“环境工程(EnvironmentalEngineering)通过健全的工程理论与实践来解决环境卫生(environmentalsanitation)问题，主要包括：提供安全、可口和充足的公共给水；适当处置与循环使用废水和固体废物；建立城市和农村符合卫生要求的排水系统；控制水、土壤和空气污染，并消除这些问题对社会和环境所造成的影响。而且，它涉及的是公共卫生领域里的工程问题，例如控制通过节肢动物传染的疾病，消除工业健康危害，为城市、农村和娱乐场所提供合适的卫生设施，评价技术进步对环境的影响等。”1.环境工程学的形成环境工程学是人类为了保护和改善生存环境，在同环境污染的长期斗争过程中逐步形成的。在中国，早在公元前2300年，为了保护水源，建立了持刀守卫水井的制度，也在公元前2000多年前，陶土管修建的地下排水道形成了中国排水工程雏形，明朝以前开始采用明矾净水。在英国，19世纪初开始用砂滤法净化自来水，19世纪末采用漂白粉消毒，19世纪中叶开始建立污水处理厂，20世纪开始采用活性污泥法(生化法)处理污水。随后，给排水工程、污水处理工程、卫生工程等逐步发展起来，形成了一门防治水污染的技术科学。

为了控制大气及其对人体健康造成的危害，美国在1885年发明了离心除尘器以消除工业生产造成的粉尘污染，当除尘、工业气体净化、空气调节、燃烧装置改造等工程技术逐渐发展后，形成防治大气污染的技术科学。其它的环境工程学内容，如在固体废物处理方面，约在公元前3000～1000年，古希腊即开始对城市垃圾采用填埋处置方法，在20世纪出现了利用工业废渣制造建筑材料等工程技术。在噪声控制方面，有悠久文明历史国家的古建筑中，从隔声方面考虑对门窗和墙体的位置进行了合理的安排，20世纪50年代，在对噪声控制问题广泛研究的基础上形成了环境声学。由此可见，在传统学科，如化学、物理学、生物学、地学、医学等基础理论之上，运用卫生工程，给排水工程，化学工程，机械工程等技术原理和手段，在各自领域内逐步解决许多环境污染问题，单项污染的治理技术日趋成熟。此后，研究工作从单项治理措施逐渐向综合防治措施过渡，同时对防治环境污染的措施进行综合的技术经济分析，使得环境系统工程和环境污染综合防治的研究工作迅速发展起来，最终形成了一门新的环境工程学科。在环境工程技术基础上，以防治环境污染、改善环境质量和保护自然生态为目标的新兴的环境保护产业也相继蓬勃发展。现在全世界每年用于环境保护工业的投资在2000亿美元以上，环保产品的商品市场每年达3000～6000亿美元，并以每年5%～20%的速度增长。2.环境工程学的研究内容

环境工程学的研究内容包括大气污染防治工程，水污染防治工程，固体废物的处理和利用，噪声控制，以及光、热、放射性和电磁辐射污染与防治等。另外，环境工程学的研究还包括环保新技术、新材料及新能源的开发利用，无毒新工艺的设计和应用，工业污染系统控制，环境污染综合防治的方法和措施，污染控制技术中的控制法规与设计准则，环境影响的预测、监测和评价的方法等，参与制订环境保护规划的方法与原则，以及利用系统工程方法，从区域的整体上寻求解决环境问题的最优方案。主要研究内容有：（1）水污染防治工程。研究采用物理处理、化学处理，生物处理和物理化学处理等方法对废水进行综合治理，并充分利用环境自净能力，以防止、减轻直至消除水体污染，改善和保持水环境质量。并且要合理地利用水源，加强水资源的管理工作，制定废水排放标准。（2）大气污染防治工程。研究应用化学和物理的基本原理，采用各种工程技术方法去除工业废气的颗粒物，治理排放的有害气体，制定不同类型的废气排放标准，保持进入大气的有害物质在大气的自净化能力范围之内。（3）固体废物的处置和利用。固体废物的处理原则是减容化、无害化和资源化。按照这个要求，从工