环境科学概论

大连大学建筑工程学院刘俊杰1/12/20231绪论自然环境1.1地球表面系统1.2自然环境的圈层结构

1.2.1大气圈

1.2.2水圈

1.2.3岩石圈

1.2.4土壤圈

1.2.5生物圈1.3自然环境的地带性规律

1.3.1陆生生态系统分布规律

1.3.2水生生态系统分布规律环境科学概论(研究生选修课)0绪论0.1环境及环境的类型0.1.1环境的概念

最早把生物及其生存环境间的相互关系作为主要研究对象的学科是生态学，德国学者Häckel,在1866年的《普通生物形态学》中首先使用了“环境”一词，environment。所谓环境，是指与体系有关的周围客观事物的总和，体系是指被研究的对象，即中心事物。环境是一个相对的概念，它以某项中心事物作为参照系，因中心事物的不同而不同，随中心事物的变化而变化，中心事物与环境之间存在着对立统一的相互关系。生态学中的环境是指某一特定生物体或生物群体以外的空间，以及直接或间接影响该生物体或生物群体生存的一切事物的总和。大连大学建筑工程学院刘俊杰1/12/20232环境科学中所研究的环境是以人类为主体的外部世界，即人类赖以生存和发展的物质条件的综合体，包括自然环境

和人工环境。

按照这一定义，环境包括了直接或间接影响人类生存和发展的各种自然要素和社会要素，它既包括人类出现以前就存在的、未经人类改造过的众多自然要素，如阳光、温度、气候、地磁、陆地、岩石、天然水体、天然森林和草原、野生生物等，也包括经过人类改造过和创造出的事物，如水库、农田、园林、村落、城市、工厂、港口、公路、铁路等，以及由于人类活动而形成的诸如政治、经济、文化、宗教等环境要素。

可见，主体的不同是生态学和环境科学所研究的环境之间最根本的差别。大连大学建筑工程学院刘俊杰1/12/20233大连大学建筑工程学院刘俊杰1/12/202340.1.2环境的类型按照环境主体分类，可以分为：人类环境，生物环境按照环境空间分类，可以分为：星际环境，全球环境，区域环境，聚落环境，特定空间环境以不同尺度的环境空间为例，星际环境又称为宇宙环境，它是指地球大气层以外的宇宙空间，与地球环境有一定的联系。全球环境就是指整个地球环境系统。区域环境是不同地区的社会因素和自然因素的总和，它的空间和时间尺度的变化是很大的，可大可小，如流域环境、行政区域环境等。聚落环境指人类有计划、有目的地创造出来的以人工环境为主的环境，是人类聚集的地方，又可分为城市环境、乡镇环境、村落环境和院落环境。与其他环境相比，特定空间环境更加微观，是小范围的环境，如居室环境，航空、航天的密封舱环境等。大连大学建筑工程学院刘俊杰1/12/20235大连大学建筑工程学院刘俊杰1/12/202360.1.3环境的特征环境的整体性环境中的各部分之间存在着紧密的相互联系、相互制约关系。环境中大气、水、土壤、生物及声、光、电等各个环境要素相互依存，相互影响。环境中的各种变化也不是孤立的，而是多种因素的综合反映。局部地区的环境污染或破坏，总会对其他地区造成影响和危害。例如：化学农药##$在被禁用十多年后，在美国加利福尼亚州海岸死去的海豚体内仍有极高的含量；南极的企鹅、海豹、虾等很多海洋生物、北极圈内的北极熊体内，都陆续检测出六六六和DDT等农药，甚至在南极的陆地植物地衣中，也发现有六六六和DDT

。一般化学农药的残留时间较长，它们通过大气环流、海洋环流以及食物链进入南北极，危害动植物的生存。由此可见环境问题是跨越国界、无处不在的，因此人类的生存环境及其保护，从整体上看是没有地区界限、省界和国界的。环境的区域性由于纬度和经度的差异，导致了地球热量和水分在各个自然环境的分布不同，形成了陆地生态系统和水域生态系统的垂直地带性分布和水平地带性分布的特点，这是自然环境的基本特征。不同时空尺度下区域生态环境特征变化很大，使对环境规律的探索和运用面临困难。环境的相对稳定性在一定的时空尺度下，环境具有相对稳定的特点。所谓相对稳定，是指环境通过物流、能流和信息流而处于不断变化中，但环境系统具有一定抗干扰的自我调节能力，只要干扰强度不超过环境所能承受的界限，环境系统的结构和功能就能得以逐渐恢复，表现出一定的稳定性。大连大学建筑工程学院刘俊杰1/12/20237

环境变化的滞后性自然环境受到外界影响后，其产生的变化往往是潜在的、滞后的，原因是：一是引发的许多影响不能很快反映出来；二是环境受到影响后，发生变化的范围和影响程度很难了解清楚，也很难预测；三是一旦环境被破坏，所需的恢复时间较长，尤其是当超过阈值(Threshold)之后，一般就很难再恢复了。环境的脆弱性地球会受到各种各样因素的影响，从以上特点可以看出它具有一定的脆弱性，主要体现在以下几方面：来自宇宙的影响：太阳耀斑在短时间内可以释放出相当于100亿颗百万吨级氢弹爆炸的能量，这样大的能量会引起局部区域的瞬时加热和可见光、紫外线、红外线、$射线、高能粒子及宇宙射线等的增强，可能破坏大气电离层结构，影响无线电通讯，或者产生磁暴，使罗盘失去作用。据科学家统计，地球每隔40万年可能发生一次外来星体的撞击事件，实验证明，只要有一颗质量10000t（直径只有50m）的星体以20km/s的速度轻轻擦过地球表面，就能摧毁半径50km以内所有突出地表的建筑或小山，所以，只要一个外来星体与地球相撞，就有可能成为一个太空炮弹。来自人类的影响：20世纪下半叶，全球人口迅速增长，成为影响环境的重要因素，人们把它称为“人口爆炸”。地球及其存在的资源能供养人口的数量是有限的，即地球承载力是有限的。大连大学建筑工程学院刘俊杰1/12/20238大连大学建筑工程学院刘俊杰1/12/20239环境承载力environmentbearingcapacity

是衡量地球承载力以及人与环境和谐程度的重要指标，是指在一定时期、范围下，维持人类环境系统稳定，人类活动不引起环境功能破坏发生质的改变的能力，其实质就是在维持人与环境和谐的前提下，人类环境系统所能承受的人类活动的阈值。大连大学建筑工程学院刘俊杰1/12/2023100.2环境科学的研究对象及其分支学科大连大学建筑工程学院刘俊杰1/12/2023环境科学的研究对象

人类具有双重属性，人类的生物属性决定了人类必然是自然中的一员，必然要和自然界的其他事物发生关系；人类的社会属性是人类不同于其他生物的属性，决定了人类的行为和活动具有社会的特性。这两个属性共同影响、制约着人类的行为，因此，人类与环境之间的关系是复杂的。环境科学以“人类环境”这一矛盾体为其特定的研究对象，研究人类—环境之间的对立统一关系，其目的在于探讨人类社会持续发展对环境的影响及环境质量的变化规律，从而通过调整人类自身的行为来保护和改善环境，为社会、经济、环境的可持续发展提供科学依据。11环境科学的任务环境科学的基本任务，从宏观上来说是研究人类—环境的发展规律，调控人类与环境间的相互作用关系，探索两者可持续运行的途径和方法；从微观上来说，是研究环境中的物质在环境中的迁移转化规律及它们与人类的关系。环境科学的主要任务有：第一，探讨人类社会持续发展对环境的影响及其环境质量的变化规律，了解全球环境变化的历史、演化机理、环境结构及基本特性等，从而为改善环境和创造新环境提供科学依据。第二，揭示人类活动同自然环境之间的关系，探索环境变化对人类生存和地球环境安全的影响。环境科学以“可持续发展”的观点为指导，对二者的关系进行协调，使环境在为人类提供资源的同时，又不遭到破坏，实现人类社会和环境的协调发展。物、化学、生物和社会等因素及它们的相互作用都会引起环境变化，因此，环境科学研究污染物在环境中的迁移、转化、作用。第三，帮助人类树立正确的社会发展观，研究和探讨环境污染控制技术和管理手段，对不同时空尺度下环境问题的解决途径进行系统优化，推进可持续发展战略的实施。从区域环境的整体上调节控制“人类环境”系统，寻求解决区域环境问题的最佳方案，综合分析自然自身的状况、调节能力以及人类对其进行改造所采取的技术措施，为制定区域环境管理体制提供理论指导。大连大学建筑工程学院刘俊杰1/12/202312环境科学的分支学科130.3环境科学思想与方法论整体性

整体性主要指以时空结合的概念，对贯穿整个系统的各个部分进行分析整个系统的作用和功能不是系统内各个亚系统的简单相加。环境科学的特点是强调研究对象的整体性，把人类与环境系统看作是具有特定结构和功能的有机整体。作为整体的环境大于环境诸要素之和，环境的性质和功能要比组成环境的各要素之和丰富、复杂得多，环境要素互相联系、互相作用产生的集体效应，组成整体的环境。环境遇到污染和破坏，常常不是一个因素，而是多种因素相互作用的综合结果。例如臭氧层的破坏、大气中二氧化碳含量增高及其影响、土壤中含氮量的不足等，这些问题表面看来原因各异，但实质上都是互相关联的，因为全球性的碳、氧、氮、硫等物质的生物化学循环之间有许多联系。因此，在研究和解决环境问题时，必须全面考虑，实行跨部门、跨学科的合作。环境科学是在科学整体化过程中，充分运用各种学科知识，对人类活动引起的环境变化及其相互作用和影响，以及控制的途径和方法进行系统的综合研究。这就要求未来的环境科技工作者必须走多学科相互交叉之路。大连大学建筑工程学院刘俊杰1/12/202314系统性环境科学所研究的环境是一个复杂的、有时、空、量、序变化的动态系统和开放系统。环境构成一个系统，是由于在各子系统和各组成成分之间，存在着相互作用，并构成一定的网络结构。环境系统内外存在着物质、能量和信息的变化和交换，并在交换流通中实现自组织，维持其结构功能的有序性，一旦交换和流通停止，环境系统就会自发地趋向无序，最后导致环境问题。例如我们所熟悉的水环境，其各组成部分间，通过蒸发、降水、渗透及径流不断地进行水的循环，成为一个有机的系统。人为作用下，对一些水体建造了防渗漏层或者通过一些水利工程阻断自然的径流，直接导致了水分循环的中断，有可能使系统功能崩溃。环境问题往往是由于人们在解决其他问题时，给环境留下了后患，有时是解决一个环境问题的同时又引起了新的环境问题，也就是没有关注环境的系统性，导致环境系统的无序。例如：汽车的发明解决了人们的交通问题，给单元和组成要素，把总过程分解为分过程，把总目标分解为阶段目标，以了解他们在系统中的地位和作用。系统组合则是在系统分析的基础上，为了研制更合理、更有效的新人类与环境系统而进行结构和功能性组合，将分过程组成总过程，把分目标合成总目标，把系统要素组成结构单元和整个系统，即集零为整。从整体观点出发，运用普遍联系和发展的原则，协调各子系统之间的关系，从而寻求高效能的优化结构。大连大学建筑工程学院刘俊杰1/12/202315大连大学建筑工程学院刘俊杰1/12/202316综合性目前许多学科都有综合性发展的趋势，而环境科学因为研究对象的关联性，其本身的综合性比其他学科更为突出。环境是一个有机整体，涉及面非常广，几乎关系到每一个自然要素和一定的社会要素，所以解决环境问题必须进行多学科的综合研究，环境科学是在现代社会经济和科学发展过程中，在环境问题日益严重的情况下产生和发展起来的一门综合性学科。环境科学涉及的学科面广，具有自然科学、社会科学、技术科学交叉渗透的广泛基础，几乎涉及现代科学的各个领域。如果把社会科学、自然科学和技术科学看作人类早已确立的三大科学领域，环境科学便是在这三大领域的交接带上。环境科学的研究范围涉及人类经济活动和社会行为的各个领域，包括管理、经济、科技、军事等部门及文化教育等人类社会的各个方面。环境科学的形成过程、特定的研究对象以及非常广泛的学科基础和研究领域，决定了它是一门综合性很强的重要的新兴学科。环境问题也具有综合性特点，一是生态系统的破坏是在多种环境问题综合作用下产生的，这种综合作用对环境的影响有时会大于各环境问题效应之和，有时会小于其效应之和；另一方面，环境问题都是多种因素综合作用的结果。例如，湖泊生态系统的加速退化是由于富营养化、水体污染以及水资源供求失衡等环境问题综合作用产生的，其中富营养化问题又是营养物超负荷、湖水流动滞缓以及生态系统失衡等多因素的综合效应，解决的途径和方法涉及环境科学、生态学、环境工程、经济学、水利学和管理科学等众多学科，需要在进行深入研究和系统分析之后进行综合的科学决策。17复杂性环境科学所研究的以人类为主体的环境是庞大而复杂的多级大系统。环境的各组成成分除了具有本身的特征外，各成分之间都有相互作用，它使系统具有自我调节的能力，保持系统同本身的稳定和平衡，这种相互作用越复杂，彼此的调节能力就越强，因此环境的结构与功能越复杂，其稳定性就越大，越容易保持平衡；反之，结构与功能越简单，稳定性越小。随着人类的发展，环境问题和环境科学理论、方法和技术手段也在变化发展。环境问题的特点包括人为性、隐蔽性、不确定性与加速性、动态发展性与可变性，在空间分布上又具有区域差异性。这些特点加大了环境问题及环境科学理论与实践的复杂性。20世纪，尤其是二战以来，科学技术的发展日新月异，环境问题的发展速度也超过了过去数百年积累的水平，人类对环境的影响越来越大，环境对人类社会的反作用也愈加明显，环境问题已成为一个综合的、复杂的问题。社会愈发展，致灾因素愈复杂，有害现象也愈多，其强度也愈大，同时也使解决环境问题的方法和手段更复杂。不同的环境问题之间并不是相互独立的，它们互为因果，相互交叉，彼此协同强化，使得问题更加复杂化。因此，环境科学工作者将面临更大的挑战。同时，环境科学工作者还肩负着提高政府、企事业、师生和公众的环境保护意识及参与程度，争取最大程度的社会力量投身到这个绿色事业中来的责任和义务。大连大学建筑工程学院刘俊杰1/12/2023181自然环境自然环境是指以自然界事物为主体的外部空间，以及直接或间接影响生物体或生物群体生存的一切事物的综合。是人类赖以生存和发展的物质基础，包括大气圈、水圈、土壤圈、生物圈及岩石圈各圈层。大连大学建筑工程学院刘俊杰1/12/2023191.1地球表层系统由于地球独特的环境，适合生物的生存和繁衍，因此，迄今为止，地球是整个宇宙中惟一已知的有智能生物存在的星球。距地面15-40km处有一个臭氧层，保护地球不受高能紫外线的伤害；适量CO2的存在，使地球保持在有利于生物生长的温度；地球土壤圈为植物提供了营养和生长的基地；更有厚度适中的地壳将岩浆覆盖于地下足够的深度，但又能维持一定的构造运动和火山活动，从而实现地壳深部和浅部一定的物质交换，这就是地球的表层系统。大连大学建筑工程学院刘俊杰1/12/2023201.2自然环境的圈层结构大气圈水圈岩石圈土壤圈生物圈大连大学建筑工程学院刘俊杰1/12/202321大连大学建筑工程学院刘俊杰1/12/202322受地理位置（纬度、经度）、气候以及土壤等因素的影响，自然环境呈现出地带性规律。18世纪末，德国地理学家A.Von洪堡就提出了地球上的气候、植物和动物按纬度方向呈带状分布的规律，1893年俄国土壤学家道库恰耶夫提出了“自然地带学说”，指出地球上的所有自然现象都遵循纬度地带性和垂直带性规律。地带性规律包括水平地带性和垂直带性。地带性是由于气温和热量随纬度变化以及与之相伴随的其他自然地理特征的带状变化；而由海陆分布及地形等引起的自然地理特征的空间变化属非地带性现象。1.3自然环境的地带性规律大连大学建筑工程学院刘俊杰1/12/2023231.3.1陆生生态系统分布规律水平地带性由于热量沿纬度变化，生态系统也随之发生有规律的更替，从赤道向北极依次出现了热带雨林、常绿阔叶林、落叶阔叶林、北方针叶林与苔原。由于水分沿经度变化，生态系统也发生了经度更替，如北美大陆和欧亚大陆由沿海湿润区的森林，经半干旱的草原到干旱区的荒漠。应该注意的是，纬度地带性是一种普遍的严格的自然地理规律。在不改变纬度的前提下，把地球上所有的大陆合在一起，列出世界的植被类型，发现南半球没有和北半球相对应的寒温带针叶林与苔原，两个半球的植被带大致与纬线平行，从而证实了纬度地带性的存在，此外，还发现，由于信风的影响，在北纬89:和南纬89:之间的东西两侧是不对称的。我国东部季风区从南到北依次出现热带雨林和季雨林、亚热带常绿阔叶林、暖温带落叶阔叶林、温带针阔混交林、寒温带针叶林等多种森林植被类型，纬度地带性明显。大连大学建筑工程学院刘俊杰1/12/202324垂直地带性由于气温和水分随海拔高度的变化而发生规律性的变化，因而整个生态系统也呈现出不同的垂直变化———垂直带。不同自然地带的山地，其垂直带谱是不同的，垂直带谱大致反映了不同生态系统类型沿纬度方向交替分布的规律。研究山