环境科学概论第二章 自然环境

1、第二章第二章 自然环境自然环境 ？你眼中的自然环境？你眼中的自然环境 2 自然环境（图片）自然环境（图片） 内蒙古草原研究样地，内蒙古草原研究样地，5月月 自然环境（图片）自然环境（图片） 上海上海 内内 容容 2.1 地球表层系统地球表层系统 2.2 自然环境的圈层结构自然环境的圈层结构 2.3 自然环境的功能自然环境的功能 2.4 自然环境的地带性分布规律自然环境的地带性分布规律 2.1 地球表层系统地球表层系统 在地球表面，生命活动集中发生的区域在地球表面，生命活动集中发生的区域 独特的适合生物生存和繁衍环境独特的适合生物生存和繁衍环境 距地面距地面1540km处有臭氧层，保护地球不受高

2、能紫外处有臭氧层，保护地球不受高能紫外 线的伤害线的伤害 适量适量CO2的存在，使地球保持适合生物生长的温度的存在，使地球保持适合生物生长的温度 地壳运动实现物质交换，地表土壤圈为植物提供了营养地壳运动实现物质交换，地表土壤圈为植物提供了营养 和生长基地和生长基地 地球的优越环境创造了生命。地球的优越环境创造了生命。 大地女神（大地女神（Gaia）假说）假说 u 最早是由最早是由Lovelock在在1969年美国普林斯顿大学举行的有关生年美国普林斯顿大学举行的有关生 命起源的国际会议上公开提出的。命起源的国际会议上公开提出的。 u 1979年年Lovelock的著作的著作Gaia：对地球上生命

3、的认识：对地球上生命的认识引起引起 关注。关注。1988年完善和修正。地球自我调节理论。年完善和修正。地球自我调节理论。 u 主要观点：主要观点： 强调只有把生物和环境看成一个整体才能真正了解地球强调只有把生物和环境看成一个整体才能真正了解地球 地球上生物不断地主动积极地对地球环境起着调节作用地球上生物不断地主动积极地对地球环境起着调节作用 地球的进化包括地球上所有的生物和物质环境的进化，是两地球的进化包括地球上所有的生物和物质环境的进化，是两 者共同作用的结果者共同作用的结果 u 中心思想：生命活动创造了地球环境中心思想：生命活动创造了地球环境 2.2 自然环境的圈层结构自然环境的圈层结构

4、u 自然环境的结构受地自然环境的结构受地 球结构的影响球结构的影响 u 地球的圈层结构地球的圈层结构 软圈层：软圈层：位于地面下位于地面下150 公里处，将地球分成内圈公里处，将地球分成内圈 与外圈与外圈 地球各圈层分布特点：地球各圈层分布特点： 地球内部与表面高空呈平地球内部与表面高空呈平 行 分 布 ； 地 球 表 面 附行 分 布 ； 地 球 表 面 附 近，各圈层相互渗透相互近，各圈层相互渗透相互 重叠，由此形成了影响生重叠，由此形成了影响生 命的自然环境命的自然环境 软软 圈圈 层层 大气圈大气圈 水圈水圈 生物圈生物圈 岩石圈岩石圈 外圈外圈 2.2.1 大气圈大气圈(Atmosp

5、here) u 大气圈是地球外圈中最外部的气体圈层，大气圈包围大气圈是地球外圈中最外部的气体圈层，大气圈包围 着海洋和陆地着海洋和陆地 u大气圈的物质组成：大气圈的物质组成： 气体：气体：N2 (78%)、O2 (21%)、Ar(氩，氩，0.93%)、CO2 等等 水汽：表面水的蒸发和水汽：表面水的蒸发和 植物蒸腾植物蒸腾 大气颗粒物：悬浮在大气中的固体、液体微粒，如烟尘等大气颗粒物：悬浮在大气中的固体、液体微粒，如烟尘等 大气圈的垂直结大气圈的垂直结 构：构：对流层、平流对流层、平流 层、中间层、热成层、中间层、热成 层、逸散层。层、逸散层。 对人类的意义：对人类的意义： 调解并维持适宜调解

6、并维持适宜环环 境，生命基础条件境，生命基础条件 主要的环境问题：主要的环境问题： 气候变化、大气污气候变化、大气污 染等染等 生生 命命 集集 中中 区区 75% 生命生命 按气温垂直分布分层按气温垂直分布分层热分层热分层 2.2.2 水圈（水圈（Hydrosphere） u水圈水圈 由大气圈、海洋、陆地水体（河流、湖泊、冰川）、土由大气圈、海洋、陆地水体（河流、湖泊、冰川）、土 壤和岩石孔隙以及生物体中的气、液、固各态水壤和岩石孔隙以及生物体中的气、液、固各态水组成的连组成的连 续的圈层称为水圈续的圈层称为水圈 u 总水圈：总水圈：豪恩豪恩 大气大气 中的水中的水 土壤土壤 中的水中的水

7、生物生物 圈中的水圈中的水 狭义狭义 的水圈的水圈 例例：水水蒸汽，雨霜蒸汽，雨霜渗流渗流生物体液生物体液湖河，海洋湖河，海洋 总水圈总水圈 11 p 地球上水的分布地球上水的分布 海洋海洋 97.6% 淡水淡水 2.4% 冰帽和冰河冰帽和冰河 87% 液态水液态水 13% 地下水地下水 95% 土壤含水土壤含水2% p 人类与水圈的关系人类与水圈的关系 水的重要性：水的重要性： 生命组成成分（约生命组成成分（约70%），营养），营养 物质的载体物质的载体 湖、河、溪流湖、河、溪流3% p 人类对水圈的影响人类对水圈的影响 p 直接影响直接影响 大量开采利用地下水和地表水大量开采利用地下水和地

8、表水 p 间接影响间接影响 修建大型水库、大坝修建大型水库、大坝 河流渠道化河流渠道化 水体过度利用水体过度利用 p 环境问题环境问题 水资源匮乏水资源匮乏 水质恶化水质恶化 短片 淮河水污染淮河水污染 水体污染水体污染 怪现象一：河水当化肥怪现象一：河水当化肥 产粮全卖出产粮全卖出 怪现象二：淮河千余闸怪现象二：淮河千余闸 闸闸截污水闸闸截污水 人类对水循环的影响有那些？人类对水循环的影响有那些？ 1、植被破坏、植被破坏 2、水利工程、水利工程 3、水体污染、水体污染 4、开采地下水、开采地下水 人类对水循环的影响是多方面的。如修筑水库、人类对水循环的影响是多方面的。如修筑水库、 塘堰可扩大

9、自然蓄水量；而围湖造田又使自然塘堰可扩大自然蓄水量；而围湖造田又使自然 蓄水容积减小；地下水的过度开采利用，使某蓄水容积减小；地下水的过度开采利用，使某 些人口集中的地区出现了地下水位和水质量的些人口集中的地区出现了地下水位和水质量的 下降，如目前我国许多北方大城市的地下水分下降，如目前我国许多北方大城市的地下水分 布出现布出现“漏斗漏斗”。 p 对人类的价值对人类的价值 能源和资源能源和资源 2.2.3 岩石圈（岩石圈（Lithosphere） p 组成组成 由地壳和地幔圈中上由地壳和地幔圈中上 地幔顶部组成地幔顶部组成 人们从岩石圈人们从岩石圈 中获取自己需中获取自己需 要的各种资源要的各

10、种资源 和能源和能源 厚度厚度33-35km p 主要问题主要问题 能源和资源短缺与耗竭能源和资源短缺与耗竭 2.2.4 生物圈生物圈(Biosphere) p 概念：概念： 生物圈是地球上所有的生物及生物圈是地球上所有的生物及 其生存环境的总称。其生存环境的总称。 其中，生其中，生 物包括植物、动物和微生物物包括植物、动物和微生物 p 对人类的价值：对人类的价值： 健康营养物健康营养物 p 主要问题：主要问题： 物种锐减物种锐减 2.2.5 土壤圈土壤圈(Pedosphere) p 土壤圈是土壤圈是以以 上四个圈层的上四个圈层的 交界面，是联交界面，是联 系无机成分与系无机成分与 有机成分的

11、枢有机成分的枢 纽。纽。 土壤结构示意图土壤结构示意图 n 土壤组成土壤组成 固相物质固相物质 矿物质矿物质 有机质有机质 土壤土壤 粒间物质粒间物质 气相，主要是氧气和氮气等气相，主要是氧气和氮气等 液相，粒间水分和溶解物质液相，粒间水分和溶解物质 生物体生物体 各类昆虫，线虫，节肢动物各类昆虫，线虫，节肢动物 土壤微生物土壤微生物 p 包含固相、液相和包含固相、液相和 气气相物质以及生物体相物质以及生物体 四部分组成四部分组成 p 这一复杂结构是物这一复杂结构是物 理、化学和生物的长理、化学和生物的长 期共同作用的结果期共同作用的结果 p 功能：提供各种营养物质；同时还具有稳定自功能：提供

12、各种营养物质；同时还具有稳定自 然系统的功能（吸附性、缓冲性、氧化还原性和然系统的功能（吸附性、缓冲性、氧化还原性和 自净功能）自净功能） p 主要环境问题：水土流失、沙漠化、盐碱化、主要环境问题：水土流失、沙漠化、盐碱化、 土壤污染土壤污染 2.3 自然环境的功能自然环境的功能 p 自然环境的三大功能自然环境的三大功能: 物质循环：物质循环：物质元素在各圈层之间的交换过程，物质元素在各圈层之间的交换过程， 又称生物地球化学循环又称生物地球化学循环(biogeochemical cycle) 能量流动：能量流动：太阳能进入到地球生态系统，太阳能进入到地球生态系统，然后然后 耗散到外部环境中的过

13、程耗散到外部环境中的过程 信息传递：信息传递：各种信息在生态系统各生命成各种信息在生态系统各生命成分之间分之间 的流通的流通 北极岛屿简单的食物网北极岛屿简单的食物网 23 沙燕沙燕 松鸡松鸡 贼鸥贼鸥 蜱螨蜱螨 典型实例之一：典型实例之一： 食物链与食物网食物链与食物网 2.3.1 物质循环典型实例物质循环典型实例 （1） 水循环水循环 生态系统中的水循环生态系统中的水循环 降雨降雨 截留截留 穿透雨穿透雨 蒸腾蒸腾 渗透渗透 土壤吸收土壤吸收 地表地表 径流径流 地下径流地下径流 消费者消费者 地面蒸发地面蒸发 （2） 碳循环碳循环 碳循环途径有：碳循环途径有： 在光合作用和呼吸作用之间的

14、在光合作用和呼吸作用之间的细胞水平细胞水平上的循环；上的循环； 大气大气CO2和植物体之间的和植物体之间的个体水平个体水平上的循环；上的循环； 大气大气CO2植物植物动物动物微生物之间的微生物之间的食物链水平食物链水平上上 的循环的循环(这些循环均属于这些循环均属于生物小循环生物小循环)。 此外，碳以动植物有机体形式深埋地下，在还原条件下，此外，碳以动植物有机体形式深埋地下，在还原条件下， 形成化石燃料，于是碳便进入了地质大循环。当人们开采形成化石燃料，于是碳便进入了地质大循环。当人们开采 利用这些化石燃料时，利用这些化石燃料时，CO2被再次释放进入大气。被再次释放进入大气。 碳循环碳循环 1

15、 个体水平个体水平 细胞水平细胞水平 食物链水平食物链水平 地质大循环 碳的储存库碳的储存库 大气圈大气圈：储量最小，二氧化碳等储量最小，二氧化碳等 岩石圈岩石圈：储量最大，碳酸盐岩等储量最大，碳酸盐岩等 水圈水圈：无机盐，有机体无机盐，有机体 生物圈：生物圈：2000 2000 年的估计数据年的估计数据, ,全球陆地生态系统碳储量约全球陆地生态系统碳储量约 24 770 24 770 亿亿t , t ,其中植被其中植被4 6604 660亿亿t , t ,土壤土壤20 110 20 110 亿亿t t 。森林为陆地。森林为陆地 生态系统中最大的碳储库生态系统中最大的碳储库, ,森林植被的碳储

16、量约占全球植被森林植被的碳储量约占全球植被 的的77 %,77 %,森林土壤的碳储量约占全球土壤的森林土壤的碳储量约占全球土壤的39 % 39 % 。 横坐标是时间，横坐标是时间， 左方纵坐标是气体左方纵坐标是气体 的浓度的浓度 人类的应对措施人类的应对措施 1. 1. 改造植物，营林并定期砍伐改造植物，营林并定期砍伐 2. 202. 20世纪世纪8080年代，约翰年代，约翰马丁针对全球变暖提出马丁针对全球变暖提出 了了“GeritolGeritol方案方案”（GeritolGeritol是一种治疗缺铁性贫是一种治疗缺铁性贫 血的营养补充剂）血的营养补充剂）? ? 3. 3. 将工厂排放的二氧

17、化碳气体压缩后，送到海底。将工厂排放的二氧化碳气体压缩后，送到海底。 在在3000m3000m以下的深海，压强足够大，二氧化碳可以以下的深海，压强足够大，二氧化碳可以 维持液态。维持液态。 ? ? 4.4.人工树：在科学界，它被称之为人工树：在科学界，它被称之为“空气捕手空气捕手”。 主要的功能就是吸收空气中的二氧化碳。设计可以主要的功能就是吸收空气中的二氧化碳。设计可以 化学吸附二氧化碳的空气过滤片，加压使二氧化碳化学吸附二氧化碳的空气过滤片，加压使二氧化碳 变成液体，然后再运送到处理厂。处理这些废料的变成液体，然后再运送到处理厂。处理这些废料的 成本会很高。成本会很高。 （3） 氮循环氮循

18、环 开发生物固氮资源对增加农业生态系统的氮素开发生物固氮资源对增加农业生态系统的氮素 输入，提高生物产量具有重要意义。生产化学输入，提高生物产量具有重要意义。生产化学 氮肥需要耗费大量能源，并且可能造成环境的氮肥需要耗费大量能源，并且可能造成环境的 污染（污染水体、加速全球气温升高、臭氧成污染（污染水体、加速全球气温升高、臭氧成 破坏、降低土壤质量、污染空气并形成酸雨）。破坏、降低土壤质量、污染空气并形成酸雨）。 在生物固氮资源方面，豆科作物的共生固氮占在生物固氮资源方面，豆科作物的共生固氮占 全球生物固氮总量的全球生物固氮总量的40%左右。左右。 （4 4）磷循环）磷循环 磷的循环过程磷的循

19、环过程 岩石经土壤风化释放的磷酸盐和农田中施用的磷岩石经土壤风化释放的磷酸盐和农田中施用的磷 肥，被植物吸收进入植物体内肥，被植物吸收进入植物体内 沿食物链传递，并以粪便、残体或直接以枯枝落沿食物链传递，并以粪便、残体或直接以枯枝落 叶、秸秆归还土壤叶、秸秆归还土壤 含磷有机化合物经土壤微生物的分解，转变为可含磷有机化合物经土壤微生物的分解，转变为可 溶性的磷酸盐，可再次供给植物吸收利用，这是溶性的磷酸盐，可再次供给植物吸收利用，这是 磷的生物小循环。磷的生物小循环。 一部分磷脱离生物小循环进入地质大循环一部分磷脱离生物小循环进入地质大循环 动植物遗体在陆地表面的磷矿化动植物遗体在陆地表面的磷

20、矿化 磷受水的冲蚀进入江河，流入海洋磷受水的冲蚀进入江河，流入海洋 为什么用了多年的含磷洗涤用品会给环境造成破坏呢？含磷洗为什么用了多年的含磷洗涤用品会给环境造成破坏呢？含磷洗 衣粉以磷酸盐作为主要助剂，磷酸盐是一种高效助洗剂，同时衣粉以磷酸盐作为主要助剂，磷酸盐是一种高效助洗剂，同时 也是也是藻类的助长剂藻类的助长剂，水中的磷含量升高，水质趋向富营养化，水中的磷含量升高，水质趋向富营养化， 会导致各种藻类、水草大量滋生，水体缺氧会使鱼类死亡等现会导致各种藻类、水草大量滋生，水体缺氧会使鱼类死亡等现 象。象。 据有关部门统计，目前我国洗涤用品仅洗衣粉一项的年消费量据有关部门统计，目前我国洗涤用

21、品仅洗衣粉一项的年消费量 就在就在350万吨左右。若将会成洗衣粉中磷酸盐的平均含量接万吨左右。若将会成洗衣粉中磷酸盐的平均含量接 15%计算，每年就有超过计算，每年就有超过50万吨含磷化合物排放到地表水中，万吨含磷化合物排放到地表水中， 而而1克磷就可使藻类生长克磷就可使藻类生长100克、有调查资料显示，因含磷过多，克、有调查资料显示，因含磷过多， 我国湖泊及城市水系几乎都处于富营养化状态，水质严重恶化，我国湖泊及城市水系几乎都处于富营养化状态，水质严重恶化， 许多地方根本不能饮用。许多地方根本不能饮用。 我国从我国从1994年开展环境标志产品认证，无磷洗涤品拥有了明显年开展环境标志产品认证，

22、无磷洗涤品拥有了明显 的绿色标志。的绿色标志。 （5） 硫循环硫循环 硫是原生质体的重要组分，它的主要蓄库硫是原生质体的重要组分，它的主要蓄库 是岩石圈。硫循环包括长期的沉积阶段是岩石圈。硫循环包括长期的沉积阶段 （有机或无机沉积物中）和短期的气体阶（有机或无机沉积物中）和短期的气体阶 段。段。 岩石库中的硫酸盐主要通过生物的分解和岩石库中的硫酸盐主要通过生物的分解和 自然分化作用进入生态系统自然分化作用进入生态系统。 酸雨的形成酸雨的形成 （6） 氧循环氧循环 28 p 物质循环的类型物质循环的类型: 1. 水循环：水循环：以水体（海洋）为物质的储库以水体（海洋）为物质的储库 2. 气体型循

23、环：气体型循环：以大气和海洋为物质的主要储以大气和海洋为物质的主要储 库，如碳、氮、氧、氯等物质的循环库，如碳、氮、氧、氯等物质的循环 3. 沉积型循环：沉积型循环：以岩石圈为物质的主要储库，以岩石圈为物质的主要储库， 如硫、磷、钾等物质的循环如硫、磷、钾等物质的循环 4. 有毒有害物质循环：有毒有害物质循环：对生物体有毒害作用的对生物体有毒害作用的 物质的循环，如重金属、有毒的有机物物质的循环，如重金属、有毒的有机物 p 物质循环的特点物质循环的特点: 物质在生态系统中做循环式运动物质在生态系统中做循环式运动 物质循环过程中将发生多种变化，包括物理、化物质循环过程中将发生多种变化，包括物理、

24、化 学学等方面，是一个复杂的过程等方面，是一个复杂的过程 在数量上，存在着一定的相互制约关系在数量上，存在着一定的相互制约关系 思思 考考 在人类活动干扰下，物质循环发生了怎样的变在人类活动干扰下，物质循环发生了怎样的变 化？举例说明化？举例说明 2.3.2 自然环境的功能自然环境的功能能量流动能量流动 光合作用光合作用 p 能量流动三个基本过程：能量流动三个基本过程： 能量的固定过程：光合作用能量的固定过程：光合作用 分解还原过程：分解作用，把有机物分解为无机物分解还原过程：分解作用，把有机物分解为无机物 储存与矿化过程：部分生物体埋入地下，形成矿物燃料储存与矿化过程：部分生物体埋入地下，形

25、成矿物燃料 p 能量流动的特点：能量流动的特点： 单向性：生态系统中能量沿营养级单向流动单向性：生态系统中能量沿营养级单向流动 递减性：能量的数量沿营养级逐级递减，形成能量金字塔递减性：能量的数量沿营养级逐级递减，形成能量金字塔 能量的质量逐级提高：低质能转变为高质能能量的质量逐级提高：低质能转变为高质能 变动性：生态系统的能量随输入、输出和内部生物消耗量变动性：生态系统的能量随输入、输出和内部生物消耗量 的变化而不断变化的变化而不断变化 能量金字塔能量金字塔（Pyramid of Energy） 永远正塔型永远正塔型 2.3.3 自然环境的功能自然环境的功能信息传递信息传递 p 信息传递：信

26、息传递：系统中各生命成分之间各种信息（物理、系统中各生命成分之间各种信息（物理、 化学、生物等方面的特征）的流通化学、生物等方面的特征）的流通 p 信息传递的特点信息传递的特点 信息量非常庞杂信息量非常庞杂 信息来源广信息来源广 信息的性质、形态以及内容丰富信息的性质、形态以及内容丰富 信息传递类型信息传递类型 举举 例例 想想看想想看 你观察到自然环境中信息传递的现象了吗？你观察到自然环境中信息传递的现象了吗？ 试举例说明试举例说明 p 功能决定了各圈层结构间的关系功能决定了各圈层结构间的关系 p 各圈关系的复杂性各圈关系的复杂性: 相互依存相互依存,相互作用相互作用 物理、化学、生物和人文过程交织在一起。物理、化学、生物和人文过程交织在一起。 复合系统的整体性复合系统的整体性 形成发展、变化和反馈机制形成发展、变化和反馈机制 各圈层始终不停地进行着协同演化各圈层始终不停地进行着协同演化 2.4 自然环境的地带性规律自然环境的地带性规律 地带性：自然环境要素（如温度、压力、物质含量等）地带性：自然环境要素（如温度、压力、物质含量等）