環(huán)境科學概論第七章 環(huán)境地學

第七章環(huán)境地學 7.1環(huán)境地學的學科性質、地位與作用 7.2人類-地球環(huán)境復合系統(tǒng) 7.3人-地環(huán)境復合系統(tǒng)的整體性及各圈層間的影響與響應 7.4環(huán)境地學的開展趨勢

主要內容7.1環(huán)境地學的學科性質、地位與作用7.1.1環(huán)境地學的學科性質 環(huán)境地學是以人-地復合系統(tǒng)為研究對象，研究其發(fā)生、演變、組成、結構、特性和功能，及其整體行為對人類〔以及生物〕的影響和作用以及人類〔生物〕對系統(tǒng)開展變化的反響或相應，據此制定合理改造、利用和保護資源與環(huán)境優(yōu)化控制和調節(jié)的途徑與措施，使人類與環(huán)境相協調，到達可持續(xù)開展目的的學科。7.1.2關于環(huán)境地學學科性質的幾個問題研究內容：地球環(huán)境系統(tǒng)變化；物質、能量和信息的遷移、轉化和交換過程；環(huán)境質量及其演變規(guī)律；以地表環(huán)境系統(tǒng)為中心的延伸與擴展；開展并完善完整的環(huán)境地學理論體系。2.分支學科：環(huán)境地質學、環(huán)境水文學、環(huán)境土壤學、環(huán)境地球化學、環(huán)境海洋學、污染氣象學等。7.1.2關于環(huán)境地學學科性質的幾個問題3.研究思想：地球系統(tǒng)科學演化觀、循環(huán)觀、系統(tǒng)觀、空間尺度觀。4.研究的問題第一環(huán)境問題：是指自然界本身所存在的因素變化產生的對人類生存環(huán)境的破壞〔和惡化〕問題。第二環(huán)境問題：是指由于人類生產活動和生活活動所產生的對環(huán)境的破壞〔和惡化〕問題。7.1.3環(huán)境地學的地位和作用地位：環(huán)境科學的一門支柱性、根底性分支學科。作用：建立了生命系統(tǒng)與非生命系統(tǒng)之間的關系，起著將各分支學科有機聯系在一起的“紐帶〞作用。7.2人類-地球復合系統(tǒng)7.2人類-地球復合系統(tǒng)什么是人類-地球復合系統(tǒng)?人類地球環(huán)境復合系統(tǒng)是由人類社會和地球環(huán)境兩大系統(tǒng)偶合成的、遠離平衡態(tài)的、復雜而有序的開放巨系統(tǒng)。人-地復合系統(tǒng)主要包括哪幾局部？大氣圈、水圈、巖石圈、土壤圈、冰凍圈、生物圈和智慧圈。7.2.1人類-地球環(huán)境復合系統(tǒng)〔1〕氣候系統(tǒng)

氣候系統(tǒng)是由大氣圈下層、水圈、冰凍圈、生物圈、土壤圈和巖石圈上部所組成的整個體系。它們之間存在著密切而復雜的相互作用?！?〕大氣環(huán)境與邊界層中的空氣污染 大氣是地球系統(tǒng)中最活潑、變化最大的局部，作為人類-地球復合系統(tǒng)中子系統(tǒng)之一的大氣圈是人類生存環(huán)境的重要組成局部。大氣環(huán)境及空氣污染 大氣環(huán)境是地球系統(tǒng)中以大氣為中心介質的自然環(huán)境，通常指大氣圈中與人類關系密切的臭氧層及其以下的局部，尤其是指邊界層內的大氣狀態(tài)。 大氣污染通常是指由于人類活動和自然過程引起某種物質進入大氣，呈現出足夠的濃度，到達了足夠的時間并因此危害了人體的舒適、健康和福利或危害了環(huán)境的現象。人為排放是造成空氣污染、尤其是局地空氣污染的主要原因。空氣污染物的分類及特點污染物在大氣中的彌散及研究方法

廣義的大氣彌散泛指進入大氣的污染物通過風、湍流、抬升、下沉、干濕沉降、化學轉化等過程在空間逐漸分散、稀釋的現象。

它雖有助于緩解局地大氣污染，但會擴大污染物的影響范圍，可能會導致二次污染的形成，或將污染轉移到土壤及水體中去。 其研究方法一般分數學模擬、室內流體物理模擬〔如風洞、水槽、對流室模擬〕及現場實驗?！?〕大氣圈的能量循環(huán)與物質循環(huán)大氣圈的能量循環(huán)地球系統(tǒng)的輻射平衡大氣和海洋的能量交換大氣和陸地的能量交換大氣圈的水循環(huán)海洋和大氣間的水汽交換大氣中的水汽運輸生物圈驅動的水汽循環(huán)海-氣耦合系統(tǒng)植物的作用冰層覆蓋〔4〕氣候系統(tǒng)與大氣圈能量及水分循環(huán)的關系〔5〕人類活動對大氣圈的影響及其環(huán)境效應溫室效應：CO2、CH4、N2O、CFCs(氯氟烴類)

酸雨臭氧層屏蔽作用的破壞及影響光化學煙霧〔5〕空氣資源的價值及保護 通過動物的呼吸，新鮮空氣中含有的氧氣由血液輸送到體內各組織和細胞并參與各種生化反響和代謝過程，才能使生命得以延續(xù)。 空氣還是第一性生產者——植物的呼吸及正常生理反響中必不可少的物質?？諝膺\動除了能促進物質、熱量和水汽的交換，產生形形色色的大氣現象、為人類提供清潔的風能外，還是植物種子傳播的重要途徑。 地球大氣溫室效應還大大抑制了地面溫度的劇烈變化；保護了地球上的生物不受宇宙射線和流星的傷害；為工農業(yè)生產提供了豐富的原料。 但對于某個區(qū)域〔如城市、山谷、盆地〕來說，大氣對人類活動排放于其中的污染物的自凈、稀釋能力是有限的。如果超過了其大氣環(huán)境容量的閾值，環(huán)境空氣質量將明顯惡化。除了加強宣傳教育，提高環(huán)境意識，實行清潔生產，優(yōu)化產業(yè)結構，提高森林面積〔圖7-2〕之外，保護空氣資源，改善環(huán)境空氣質量還須采取法律手段以及經濟手段。圖7-21980～1995世界森林面積的變化〔引自世界資源報告，UNDP,UNEP,WB,WRI，2002〕7.2.2水環(huán)境與海洋環(huán)境〔1〕水循環(huán)的根本類型?大循環(huán)：發(fā)生于全球海洋與陸地之間的水分交換過程，由于廣及全球，故名大循環(huán)，又稱外循環(huán)。?小循環(huán)：發(fā)生于海洋與大氣之間，或陸地與大氣之間的水分交換過程。小循環(huán)又稱內部循環(huán)，前者又可稱為海洋小循環(huán)，后者稱陸地小循環(huán)。 水量平衡是水循環(huán)的數量表示。即在一定的時域空間內，水分在循環(huán)、轉化過程中，其數量遵循質量守恒定律，收入的水量與支出的水量之間的差額必等于該區(qū)域〔或水體〕內蓄水的變化量〔圖7-3〕。水循環(huán)是地球上客觀存在的自然現象，水量平衡是水循環(huán)的內在規(guī)律。〔2〕水量平衡圖7-3 全球水文循環(huán)過程〔根據Moore,1996重繪〕〔3〕水體污染與水體自凈

當污染物進入河流、湖泊、海洋或地下水等水體后，其含量超過了水體的自凈能力，使水體的水質和水體底質的物理、化學性質或生物組成發(fā)生變化，從而降低了水體的使用價值和使用功能的現象，被稱作為水體污染。

污染物進入水體后，通過復雜的物理、化學和生物等方面的作用，使污染物的濃度逐漸降低，經過一段時間后，水體將恢復到受污染前的狀態(tài)，這一現象就稱為水體的自凈作用。水體的凈化作用，按其凈化機制，可分為三種凈化類型：?物理凈化：污染物在水體中由于混合、稀釋、擴散、揮發(fā)、沉淀等作用，而使污染物質在水體中濃度降低的過程。?化學凈化：污染物在水體中以簡單或復雜的離子或分子狀態(tài)遷移，并發(fā)生化學性質或形態(tài)、價態(tài)上的轉化，使水質發(fā)生化學性質的變化，但不參與生物作用。?生物凈化：水體中的污染物在生物新陳代謝過程中，通過生物的吸收、降解作用使環(huán)境污染物的濃度與毒性減弱以至消失?！?〕海洋環(huán)境及海-氣、海-陸相互作用 a.熱量交換：海洋以對流、傳導〔感熱〕，蒸發(fā)〔潛熱〕、熱輻射等形式向大氣輸送能量，這是排熵的過程。其結果使海洋上空大氣的運動變化無常，形成豐富多彩的天氣現象。

b.動量交換：在海-氣界面上，動量交換主要表現在大氣通過風應力向海洋提供動量，從而形成海浪和洋流，并導致大范圍的能量與物質輸送。c.物質交換：通過蒸發(fā)與降水實現的水分交換是海-氣界面物質交換最主要的過程。海-氣相互作用a.物質交換：入海河流將從陸地攜帶的泥沙輸入海洋。與此同時，陸地的營養(yǎng)物質和污染物質如N2、P等的化合物也隨之排入海洋。b.動量交換：在海陸交替的海岸帶，受波浪沖擊而存在著海蝕作用，使巖石發(fā)生坍塌。c.海平面變化：由于全球氣候變暖，使海水膨脹、極地冰原和大陸冰川融化，導致海平面上升。海-陸相互作用 冰雪覆蓋對全球氣候和環(huán)境具有很重要的影響。由于冰雪具有很高的外表反射率，可大大減少下墊面對太陽輻射的吸收；冰雪具有較低的熱傳導率，可減弱冰雪蓋下面介質的熱量垂直傳導。冰川是氣候和地貌的產物，但它又對氣候和地貌產生強烈影響。冰川覆蓋的山區(qū)降水量往往高于無冰川覆蓋的山區(qū)?！?〕冰雪下墊面對氣候變化的影響7.2.3其他圈層的地位與作用〔1〕巖石圈與人類生存、開展的關系 巖石圈是由各種巖石組成的固體地球最外層，其垂直結構包括地殼和上地幔頂部的橄欖巖層。它是土壤和生命所必需的大量礦產資源和多種燃料的源地，與人類的生存、開展密切相關。今后相當長時間內，人類社會所需的80%以上的原材料和90%的能源均將取自巖石圈?！?〕土壤環(huán)境與土地覆被變化的環(huán)境效應土壤是指位于地球陸地外表的具有一定肥力而能夠生長植物的疏松表層，是巖石、地形、氣候、生物、時間和人類活動等成土因素綜合作用的產物。土壤肥力是土壤為植物生長供給和協調營養(yǎng)因素以及協調環(huán)境條件的能力。土壤環(huán)境在整個地球表層環(huán)境系統(tǒng)中處于大氣圈、水圈、巖石圈及生物圈的交接地帶，是聯結無機環(huán)境和有機環(huán)境的紐帶。 土地覆被是指地球表層的植被覆蓋物和人工覆蓋物的總稱。土地利用是土地覆被變化的外在驅動力，而土地覆被也會通過反響來影響土地利用的方式。土地覆被的特點對氣候、全球生物地球化學循環(huán)、陸地生物種類的豐度和組成都具有重要的影響。土地利用與土地覆被變化可通過改變地表反射率、溫室氣體和痕量氣體的含量來影響區(qū)域氣候。同時，影響著能量交換、水交換、侵蝕與堆積、生物循環(huán)和作物生產等土壤主要生態(tài)過程。 生物圈與人-地環(huán)境復合系統(tǒng)中其它各圈層的相互影響、相互作用，正是促使整個復合系統(tǒng)永不停息地演化與開展的重要一環(huán)。生物圈與土壤、水和大氣等圈層共同構成了人類生態(tài)環(huán)境。通過能量和物質在各圈層內及圈層間的流動、交換，地球系統(tǒng)的平衡與穩(wěn)定才得以維系?！?〕生物圈與人—地環(huán)境復合系統(tǒng)的關系〔4〕智慧圈與人—地關系7.3人類-地球環(huán)境復合系統(tǒng)的整體性及各圈層間的影響與響應7.3.1人-地環(huán)境復合系統(tǒng)的整體性

人類-地球環(huán)境復合系統(tǒng)的整體行為涉及地球各圈層的相互作用，其中的物理、化學、生物過程和人文過程交織在一起，表現出復合系統(tǒng)有機統(tǒng)一的整體特性，使全球與地區(qū)、宏觀與微觀、地球環(huán)境與生命過程緊密結合。7.3.2各圈層間及圈層內的相互作用各圈層間的相互作用最重要的是海-氣相互作用、陸-氣相互作用和陸-海相互作用。下墊面狀況決定太陽輻射在地表的分配,并影響氣候系統(tǒng)。濕地、森林、城