环境地学课件

全球變化回應的靈敏指示器

——冰凍圈

目前世界上冰川(冰蓋)覆蓋總面積約1490×104km2，占陸地總面積10%，冰與雪的總體積折合水量約4340×104km3，相當於世界海洋每年蒸發總量的10倍，若全部融化流歸海洋將使世界海洋水層增厚65-80m。更重要的是冰雪聚集著地球上全部淡水資源的85-90%左右，它已成為人類開發利用淡水資源的重要對象。一、冰凍圈的組成、特徵和空間結構1.冰凍圈（Cryosphere）定義地球表層系統中受冰或冰凍作用影響的部分。地球表層每年至少部分時間溫度在0℃以下，形成各種類型的積雪、冰川、河流、湖泊的淡水冰、海冰及地下水或永久凍土。2.組成1）積雪或雪蓋雪:由於氣溫較低，空氣中的水汽直接凝華，而成為由冰晶組成的六出分支的星狀雪花，有時夾有針狀或柱狀晶粒，有時很多雪花溶合成團似棉絮。雪崩:雪崩多發於中緯度中高山區，坡地上的積雪驟然塌落，順溝槽或山坡快速下滑。春季多濕雪崩（暖雪崩），冬季多幹雪崩（冷雪崩）。雪崩掃蕩沿程的岩塊碎屑，形成雪崩槽溝；然後堆疊在山麓，待雪化後出現岩塊碎屑組成的雪崩扇或雪崩錐。雪線：雪的年累計量與消融量相當的平衡線。大體以夏季最熱月積雪區的外緣邊界為限，以內為多年積雪區，以外到冬季積雪區外緣之間為季節性積雪區。從降雪的積累情況看，唯有在多年積雪區才有降雪的連續積累，在平衡方程式中記為降雪量減去消融量等於積累量。在季節性積雪區，實際上是降雪量小於消融量，沒有長期的降雪的積累。一個地方雪線的具體分佈位置取決於以下三方面因素的影響。一是溫度。形成多年積雪要求該地近地面空氣溫度長期保持在0℃以下；二是降雪量。積雪的消融除融化成液態水之外，還有昇華蒸發損耗。如果降雪量的增加(或減少)超過融雪量隨溫度升高(或下降)而增長(或降低)的值，那麼，雪線的具體位置就可能出現在近地面空氣溫度較偏高(或更低)的地方。三是地貌因素。地貌因素對雪線的影響，主要表現在山勢和坡向上。陡峻的山地，不利於積雪保存，雪線偏高；對於北半球而言，南坡、西坡日照多，冰雪消融量大，雪線偏高，而北坡和東坡的雪線位置較低。2）大陸極地和高山冰川、冰帽與冰蓋冰川是一種密實程度不同的固體冰雪堆積物，它在地心引力場作用下運動著。冰川依據其面積大小和下伏地形狀況，一般可分為冰蓋、冰帽和各種冰川，約占陸地面積的11％，占地球淡水資源的75％。山嶽冰川主要分佈在中低緯高山上的冰川。其中分佈在雪線附近或更高圍椅狀窪地(冰鬥)中的冰體稱冰鬥冰川，規模大的可達數平方公里，小的不足1平方公里，有的有短小冰舌從窪地缺口處伸出。從冰鬥中伸出較長的冰舌，前端停滯在高懸的山坡上或支溝穀之中的冰川稱懸冰川。它的特點是規模較小但前端的進退變化比較大，即對當地氣候變化的反映比較靈敏。在有多量冰雪補給情況下，一條冰鬥冰川的冰舌或數條冰鬥冰川匯合順山谷伸延比較遠的冰川稱山谷冰川。由幾條山谷冰川匯合而成的也稱複式山谷冰川*。山谷冰川長可達數公里到數十公里，厚可達數十米至數百米。山谷冰川的特點是冰川前舌可以伸延到雪線高度以下。

山麓冰川，指山谷冰川至山麓鋪展或匯合而形成的扇形的寬展冰體。阿拉斯加太平洋沿岸的馬拉斯平冰川，是由12條山谷冰川匯合而成的，在山麓鋪展達2000km2以上，最厚的地方達615m，充填在山麓的一個封閉低窪地中，該窪地地面比海平面還要低300m。馬拉斯平冰川近期處萎縮階段，表面多棱角尖峭的岩塊，生長著雲杉和白樺，有的樹木已有百多年樹齡。大陸冰川(冰蓋、冰盾)是指高緯極地區大面積厚度逾千米的冰體。由於它的表面中部凸起似盾似蓋，所以也稱冰盾或冰蓋.

高原冰川是大陸冰川與山谷冰川之間的過渡類型，發育在起伏和緩的高地上，曾被稱為冰帽。3)陸地凍土凍土是低溫氣候的產物，根據凍土溫度及其持續時間，可分為多年凍土、季節性凍土和瞬間凍土。4）海冰：海上漂浮的冰蓋與冰塊固定冰與浮冰固定冰與海岸、島嶼或海底凍結在一起，稱之為冰架。3.全球性的冰進與冰期

冰川舌端的向前推移，一則表示冰川冰的積累和冰川冰的運動通量增多了，多數與降水增多、冰雪積累增多、冰層增厚、冰川冰運動速度加快有關；二則表示冰川舌端的冰川冰消融減少了、放慢了，後來運動到此的冰川冰不被融化而連續向前推移了。多數與近地面氣溫下降有關，或者就是前者的直接結果。冰川舌端的向前推移或向後退縮分別稱為冰進或冰退。當冰川冰前進補給多於冰川冰的消融，則表現為冰川舌端向前推移，但冰川舌端的推移速度小於冰川冰前進的速度；當冰川冰前進補給小於冰川冰消融量的時候，冰川末端出現負增長，也就是退縮，即繼續向前運動的冰川冰到不了先前冰舌前端的位置就融化消失了。二、冰凍圈在地球表層環境系統中的作用（一）冰凍圈對氣候的影響1.雪蓋的影響積雪與氣溫的關係複雜雪蓋的最大效應是其對太陽輻射的高反射率，因而使下墊面接受的太陽輻射減少。雪蓋的低導熱率減少了下墊面與大氣間的熱量交換。2.海冰的影響海冰的高反射率減少了下墊面接受的太陽輻射，使兩極地區的熱量損失增加，進而通過大氣變冷增強了經向溫度梯度和緯向環流。在海洋與大氣之間，海冰又是一個隔熱層，對海洋和大氣之間的熱量交換起著抑制作用。海冰生消所產生的潛熱變化、海冰季節和年際變化、覆蓋面積的擴大或縮小，對地區表層的輻射平衡和熱量平衡將產生深遠影響，從而對局地、區域和全球大氣環流和氣候變化產生重大影響。（二）冰凍圈對全球和區域變化的回應1.對氣候變薄的影響與回饋1）山地冰川末端的波動對氣候變化的回應滯後四到幾十年，末端群體動態滯後12～13年。2）冬季季節性積雪的98％分佈在北半球。3）凍土約占地區陸地面積的1/5，季節性凍土面積就更加廣大。凍土形成過程中水的凍結釋熱會消弱氣候變冷，凍土融化時的吸熱過程會減弱氣候變暖。4）南極冰架的分離碎裂，被認為是對全球增溫的一種回應。5）冰芯記錄中，δ18O程度不同地呈上升趨勢。2.對海平面波動的影響和回應1）影響海平面波動的動力學系統局地地區的淨重力場；地區負載的增加導致的地面緩慢下沉；構造和均衡作用導致海平面相對變化；氣候變暖將使消融的冰水進入海域，或氣候變冷而把部分海水變成陸冰，都會造成全球範圍的海平面波動。2）海平面上升是冰凍圈對全球氣候變暖回應3.對生態環境的影響和回應由於物種和群落的自然遷移能力和適應速率比氣候變化的速率緩慢得多，因而在遷移過程中，許多適應能力弱的物種種群大小和生存範圍也將會縮小，以至可能導致生態不穩定、失衡和退化，威脅全球生物的多樣性。第一節地球大氣的組成和結構第二節大氣圈的能量與物質運動第三節人類活動對大氣圈的影響及其環境效應第四節區域大氣環境與空氣資源保護

大氣圈第一節地球大氣的組成和結構一、如何確定大氣圈的存在大氣圈：是指因地球的引力而聚集在地表周圍的氣體圈層。大氣圈存在的主要證據或現象:

1、藍色的天空

這是由於大氣中的一些非常細小物質成分，如氣體、粉塵等，它們的直徑較陽光的波長小得多，因此，藍色的散射量較之於其他任何一種顏色能更多地被選擇散射。這種散射稱瑞利散射。2、白雲如果形成散射的粒子的形狀是球形的，而且並不比陽光的波長小，所有的波長都是平均地被散射的，這種散射稱邁耶散射。因此，雲是白色的。3、風

有風就說明有物質的存在，因為風是由於大氣不同部位的壓力差別造成的。如果在真空中就不會有風了4、流星流星就是隕石穿過大氣層時，由於其速度太快，與大氣摩擦產生熱使隕石燃燒起來。二、大氣的物質組成（一）古人的認識列子：天是氣的集聚體，天不會塌下，即杞人憂天。

宋應星：盈天地皆氣也，兩氣相軋而成聲者，風是也。物之充氣者，如其激水然，氣與水，同一易動之物。

達.芬奇：已有了空氣和真空的概念。

伽裏略：證明空氣與其他物質一樣有品質。

拉瓦錫（1743－1794）：指出空氣是氮和氧的混合物（二）地球大氣的物質組成1.大氣總的品質：5×1018kg2.大氣的密度：1.23×10-3g/cm3

（15℃，海平面）3.大氣的組成：按體積計（按品質計）氮，78.09％（75.51％）氧，20.94％（23.15％）氬，0.93%（1.28％）其他，0.04％（0.06％）亞裏斯多德的猜想和伽利略的設想古希臘哲學家亞裏斯多德曾經猜想：我們這個世界是由四個殼層組成的，而這四個殼層又分別由四種原質構成，它們是：土(實心球),水(海洋),空氣(大氣)和火(一個不可見的外層,在閃電的閃光中,它偶而成為可見的)。他說，這些殼層之外的宇宙是由神秘的、純粹的第五種原質構成，他把它叫做“以太”。在這樣一幅圖象之中，是沒有“真空”(即“無物”)的位置的：在土的盡頭，水就開始出現；土和水的盡頭，氣開始出現；火開始於氣的盡頭；而在火的盡頭，以太又緊接著開始出現，它一直延續到宇宙的終級。伽利略的探索的一生的晚年,對這個謎感到興趣。顯然,大自然對真空的厭惡只是到一定的限度為止,除此之外,他不可能再得出任何結論了。伽利略的學生托裏拆利(EvangelistaTorricelli)和維瓦尼(VincenzoViviani)在1644年真的進行了這個實驗。他們選用了汞(汞的密度是水的13.5倍)。他們在一根約一米長的玻璃管裏灌滿汞，把開口的一端塞住，侄過來立在盛汞的盤中，然後拿開塞子。這時汞開始從管子流到盤裏，但當管內汞面降低到比盤內汞面只高760毫米時，汞就不再從管裏流出，而一直保持這個高度了。第一個“氣壓計”就是這樣做成的是什麼使汞柱保持一定的高度呢？維瓦尼提出，這是由於大氣的重量向下壓在盤中的液體上。這是一個具有革命性的思想，因為按照亞裏斯多德的概念，空氣是沒有重量的，它只不過在土球的外面佔有它自己固有的範圍。但是現在人們開始明白，10米高的水柱或760毫米高的汞柱為大氣的重量提供了一個量度，也就是說，這水柱或汞柱的重量就等於截面與之相同、高度為從海平面到大氣頂部這樣一個空氣柱的重量。如果空氣具有有限的重量，大氣就一定會有有限的高度。這樣，如果在大氣層的各個高度上密度處處相同的話，大氣層的高度就恰好是8公里左右。托裏拆利、維瓦尼的實驗與氣壓計

但是，1662年玻意耳證明,情況不可能是這樣,因為壓力會使空氣的密度增大。玻意耳把一個J形管子直立起來，J形管較高的一端是敞口的，從這個口倒進一些汞，汞就會把小量的空氣囚錮在較矮一邊的封閉端內。當他再多灌入一些汞時，那個空氣包就收縮。玻意耳發現，與此同時，它的壓強增大了，這是因為觀察到當汞越來越重時，空氣包的收縮卻越來越少。根據實際測量，玻意耳證明，氣體體積減小一半，壓強就增大一倍。玻意耳、巴斯卡的實驗與大氣壓由於空氣受壓時會收縮，所以在海平面上空氣一定最稠密，而沿著指向大氣層頂部的方向，隨著高層空氣重量的減小，空氣變得愈來愈稀薄，法國數學家巴斯卡(BlaisePascal)第一個證實了這個情況，1648年，他讓他的姻兄弟帕瑞(FlorinPerier)帶著一個氣壓計登上一座高約1.5公里的山，並請他在登高時隨時注意氣壓計中汞柱高度下降的情況近代對高空大氣的探索

理論計算表明，如果溫度在整個高度上處處相同，那麼，高度每增加公里，空氣壓強就將減小為原來的1/10。換句話說，在19公里的高空，空氣所能支持的汞柱高度將從760毫米降低為76毫米；在38公里的高空，將降低為7.6毫米；而在57公里的高空，將降低為0.76毫米，等等。在170公里的高空，空氣壓強就會僅僅相當於0.000000076毫米汞柱。實際上，所有這些數字都只是近似的，因為空氣的溫度是隨高度而變化的。不過，這些數字確實能使圖象變得清楚一些，而且我們可以看到，大氣層並沒有明確的邊界，它只是逐漸稀薄下去，一直到變成幾乎一無所有的宇宙空間。人們曾經探測到160公里高空處的隕星光跡，那裏的大氣壓只有地球表面的幾百分之一，而空氣的密度卻只有十億分之一。但這一點點空氣就足以使它們那一點點物質因摩擦而燃燒到白熾。由於受到外層空間高速粒子的轟擊而發出冷輝光的氣體所形成的極光棗北極光，則位於海平面以上800-1000公里的高空。直到十八世紀末期，人們所能接觸的高層大氣似乎還從未超過高山的山頂。1892年設計出了帶有儀器、無人乘坐的氣球，這些氣球能夠上升得更高，從過去從未探索過的高空氣層帶回那裏大氣的溫度和壓強的情報。現在用的氣象電碼式探空儀及其探空氣球

在離地只有幾公里的空中，正象人們所預料的，溫度逐漸下降。在11公里左右的高空,溫度為-55℃.但是，再往上去情況就令人驚奇了。在這個高度以上溫度並不降低，事實上它甚至還略有升高。人類用平流層氣球和探空火箭進一步認識了10公里以上的地球大氣3.成分的特點及其分類地球大氣由多種其他及一些懸浮的固體和液體微粒混合組成。在85km以下，各種氣體成分一般可分為兩類：一類為恒定組分，其各成分間大致保持固定的比例，主要有N2、O2、Ar和一些微量惰性氣體Ne、Kr、Xe及He等；一類為可變組分，它們在大氣中的比例隨時間和空間不同而變化，主要有水汽、CO2、O3和一些C、S、N的化合物如CO、CH4、H2S、SO3等。90km以下，N2、O2、Ar、CO2剩下的次要成分所總體積極其微小90km以上，大氣的主要成分仍為N2、O2，其他氣體的含量減小100km高度處，O2幾乎已全部被離解為游離氧250km以上，N2也基本上全部離解為游離氮500km以上，游離氧、[H]、[He]也逐漸成為占統治地位的大氣組分（三）、大氣圈的作用1.大氣是地球上有生命物質的源泉。氮氣、氧氣：生物的生長、發育不可或缺O3：保護生物免受過量的太陽紫外線輻射CO2：植物的生長和全球氣候變化息息相關水汽：大氣運動以及許多天氣現象的生消、複合系統內物質交換以及生物地球化學過程均有重要意義。2.氣層又保護著地球的“體溫”，使地表的熱量不易散失，同時通過大氣的流動和熱量交換，使地表的溫度得到調節。3.大氣的水熱狀況，可以影響一個地區的氣候的基本特徵，進而決定該地區的水文特點、地貌類型、土壤發育和生物類型，從而對地球表面的整個自然環境的演化進程起著重要作用。4.大氣中含有細微的岩屑和水汽，而地殼岩石中和水體中也有空氣存在，它們是互相滲透和互相影響的。大氣中的氧和碳酸氣，大氣的濕度變化以及風雨等，都直接作用於地表的岩石，所以大氣的活動對地殼岩石的形成和破壞均有影響（四）大氣的垂直結構整個大氣圈品質的90％都集中在高於海平面16公里以內的空間裏。再往上去當升高到比海平面高出80公里的高度，大氣圈品質的99.999％都集中在這個界限以下，而所乘無幾的大氣卻佔據了這個界限以上的極大的空間。1.分層的主要依據(1)物質組成(2)大氣溫度變化(3)電荷(4)大氣運動2.對流層厚度：平均11－13km，赤道17－18km，兩極8－9km。

品質：約占大氣圈品質的75％。

氣溫：從下向上是降溫的，大氣降溫率是6.50C/km，

對流層頂約-83℃。

大氣運動：強烈的對流。

成分：含水蒸氣、塵埃。

氣象現象：風、霜、雨、雪、雹、霧等。3.平流層高度：從對流層頂到55km。

品質：幾乎占大氣圈品質的25％。

氣溫：從下向上是升溫的，到平流層的頂溫度升到0℃。

大氣運動：水準運動。

成分：幾乎不含水蒸氣、塵埃，存在數層臭氧層。

無天氣現象。

4.中間層高度：從平流層頂到80－90km。

氣溫：從下向上是降溫的，到中間層的頂溫度降到-80℃。

大氣運動：對流運動。

存在電離層（D），反射無線電波5.暖層高度：從中間層頂到800km。

氣溫：從下向上迅速升溫，到300km高空，溫度達1000℃。

存在多層的電離層（E、F、G），也稱電離層。6.散逸層高度：從暖層頂到外層空間。

物質多以原子、離子狀態存在。

是地球物質向宇宙空間擴散的部位。（五）大氣現象光的衍射：在大氣中傳播的日光或月光遇到小雲滴(小雨滴或小冰晶)等障礙物時，會繞過這些障礙物而產生衍射。當天空中存在由均勻小雲滴組成的透光高層雲或透光高積雲時，月光在透過雲層時遇雲滴而產生衍射，由於雲滴大小均勻，形成的衍射環能迭加，從而出現以月亮為中心的一圈圈明暗相間彩色光環，這就是華。極光太陽是一個龐大而熾熱的氣體球，在它的內部和表面進行著各種化學元素的核反應，產生了強大的帶電微粒流，並從太陽發射出來，用極大的速度射向周圍的空間。當這種帶電微粒流射入地球週邊那稀薄的高空大大氣層時，就與稀薄氣體的分子猛烈地衝擊起來，於是產生了發光現象，這就是極光。為什麼極光大多在南北兩極附近的上空出現？

瑰麗的極光是天空的奇觀，它是高緯度地帶晴夜天空常見的一種輝煌閃爍的光弧或光蒂．這種電的現象在中低緯度地帶一般是不常見的。極光的形成主要是由於太陽的帶電微粒發射到地球磁場的勢力範圍，受到地球磁場的影響，從高緯度進入地球的高空大氣，激發了高層空氣質粒而造成的發光現象。地球是一塊巨大的磁石，而它的磁極在南北兩極附近。我們知道，指南針總是指著南北方向，就是因為受了地磁場的影響。從太陽射來的帶電微粒流，也要受到地磁場的影響，而且使帶電微粒流聚集在磁極附近。所以極光大多在南北兩極附近的上空出現。在南極發生的叫南極光，在北極發生的叫北極光。我國處在北半球，所以東北等地看到的只能是北極光。日月暈環天空中有一層高雲，陽光或月光透過雲中的冰晶時發生折射和反射，便會在太陽或月亮周圍產生彩色光環，光環彩色的排序是內紅外紫。稱這七色彩環為日暈或月暈，統稱為暈。其中對觀測者所張的角半徑為22度的暈最為常見，稱22度暈，偶爾也可看到角半徑為46度的暈和其他形式的與暈相近的光弧。由於有卷層雲存在才出現暈，而卷層雲常處在離鋒面雨區數百公里的地方，隨著鋒面的推進，雨區不久可能移來，因此暈就往往成為陰雨天氣的先兆。華蓋天空中有一層透光薄雲，雲中的水滴大小均勻，若是由冰晶組成的雲則要求冰晶尺寸均勻。月光或陽光透射雲層過程中，受到均勻雲滴(水滴或冰晶)的衍射，結果會在月亮或太陽周圍緊貼月盤或日盤形成內紫外紅的彩環，稱為華。因日光太亮，人們不易觀察到日華，月華則比較常見。緊貼月盤的華又稱華蓋，通常華蓋的紫色不太顯著故內環呈青藍色，其外呈黃色為主，最外呈紅色。有時在華蓋外隔一暗圈後還會出現一個甚至幾個彩色排序與華蓋相同，但亮度弱得多的同心光環，稱為副華峨嵋寶光當清晨或傍晚，太陽位於地平線附近時，人若站在雲霧縈繞的高山之巔，恰值山巔之上是晴空，山巔之下是雲霧，你背對晴天的太陽，下看彌漫的雲海迷霧，便可能突然看到雲霧幕上出現人影，圍繞在人影的四周是一圈圈彩色光環，有紅色的也可有藍色或別的顏色的弧環，這就是峨眉寶光。海市蜃樓是一種反常的折射現象，它是光線在垂直方向密度不同的大氣層中傳播，經過折射造成的結果。常分為上現、下現和側現海市蜃樓。第二節大氣圈的能量與物質運動一、大氣圈的能量迴圈對人類生態環境至關重要的氣候系統和生物地球化學迴圈正是依靠能量迴圈與水分迴圈而緊密聯繫在一起的。地球－大氣系統吸收了來自太陽輻射的能量後，為了保持熱力平衡狀態而必須向太空釋放等量的能量，同時還通過大氣環流、海洋環流以及陸地熱量收支平衡。在生物地球化學迴圈中，能量迴圈首先表現為陸地和海洋植物將利用太陽能進行物質合成，而當物質分解時，伴隨著元素的迴圈，能量又被釋放出來。正是有了這種化學能的轉換過程，生物地球化學迴圈才能持續不斷。（一）地球系統的輻射平衡對地－氣系統能量收支來說，太陽短波輻射的能量主要集中在紫外區、可見光區和近紅外區。即波長在0.1～2.0μm的部分；地球長波輻射的能量則主要幾種在紅外區。地球－大氣系統的輻射平衡16被H2O、灰塵和O2吸收4雲吸收50地表吸收地面反射雲反射空氣後向散射地面反射的淨紅外輻射624其他形式支出14H2O、CO2吸收H2O、CO2放射的淨輻射感熱通量雲反射20地表輻射射出太陽輻射

3826反射太陽輻射6204入射太陽輻射

1006潛熱通量全球範圍地面的熱源是太陽，而大氣熱源的68.8％則是來自地面，其中還包括通過湍流和對流過程以感熱和潛熱形式輸送導大氣中的30個單位。雲層雖然只從太陽入射能中吸收了4個單位的短波輻射能量，但卻反射了20個單位的太陽短波輻射它在輻射平衡及氣候變化中扮演了非常重要的角色。地－氣系統所接受到的太陽輻射與其放出的長波輻射的差額稱淨輻射。就全球而言，淨輻射的多年平均值應為零，但不同地球因太陽入射角以及系統對短波輻射和長波輻射的吸收能力與反射能力不同，淨輻射值既可為正，也可為負。從而形成了地－氣系統淨輻射隨季節、地區變化而變化的地理分佈。其平均狀況呈南北向梯度分佈。海洋吸收的能量多於陸地而呈現顯著的海陸差異。如果僅按照局地淨輻射收支狀況來計算地面氣溫，那麼在輻射收支盈餘處溫度應當不斷升高，虧損處則不斷降低。但是長期觀測結果正是，地表各處的溫度變化微小，說明，局地的能量盈虧基本上是平衡的。存在高低緯度之間與海陸之間的能量輸送，以便把淨輻射收支盈餘區所獲得的能量輸送到虧損區。輸送方式：大氣和海洋的流動驅動：大氣環流：淨輻射水準差形成的從赤道指向基地的溫度梯度

海洋環流：大氣風場及海水密度分佈不均意義：地－氣系統的輻射平衡是物理氣候和生物地球化學迴圈兩大體系中所有過程得以維持的重要條件，也是在所有過程的參與下實現的。（二）大氣和海洋的能量交換大氣能量的分佈：內能（70％），位能（27.1％），潛熱（2.5％），動能（0.5％）能夠釋放出來的內能和位能只占其總能量的一小部分。能被釋放出來的一小部分可以轉換成大氣動能的內能和位能稱為有效位能用以驅動大氣運動的動能不斷從有效位能中得到補充，因而使大氣環流得以維持。在中緯度地區，海洋的輸送能力要超過大氣，如北半球中緯度地區兩支強大的暖洋流（墨西哥晚暖流和黑潮）把大量的熱量送向高緯度。在暖洋流附近，海－氣之間存在著強烈的熱量交換。當高緯度寒潮南移到暖洋面上空時，海洋把巨大的能量輸送給大氣，在通過大氣環流繼續把能力向高緯度輸送。海－氣系統的能量交換、輸送，維持或改變著全球氣候和其他過程，影響著人類生態系統的分佈格局和生物多樣性。（三）大氣和陸地的能量交換大氣中吸收太陽輻射的主要成分有水汽、CO2、O2、N2、NOx、CH4、氣溶膠等，而溫室氣體和雲則對於地球長波輻射的吸收起著主要作用。大氣中的氣體、氣溶膠和雲中的水汽和冰晶都參與了散射過程。陽傘效應：雲對地－氣系統輻射過程的總效應應是使系統溫度降低，這種效應稱為陽傘效應。陸地表面所接受的太陽輻射能無法通過熱傳導方式到達深層土壤，因而陸地不可能長期儲存太陽輻射能。白天吸收的太陽輻射能量，夜間便很快以長波形式輻射出去。陸地表面的置備和土壤對太陽輻射的反射差別很大。植物葉片中的葉綠素對可見光有很強的吸收能力，因此，植被使陸地表面發射率大小的決定性因素之一。一般在森林頂部，陽光反射率為14％－20％；沙地表面反射率則在18％－28％以上；開闊的雪面對陽光的反射率可達70％,甚至更高。陸地與大氣間的能量交換過程還有感熱和潛熱的輸送。潛熱輸送是通過土壤表面的水分蒸發和植被生長過程中葉片的蒸騰作用實現的。植被可使平坦下墊面的粗糙度大大增加。粗糙度增加必然導致空氣的湍流混合能力增強，使地表的感熱、潛熱以及水汽、CO2及各種污染物向高層的擴散加速。風平浪靜的海面的粗糙度只有0.02cm；平緩的沙漠表面只有0.03cm；5cm高的草地的表面粗糙度則在草地高度1～2cm；而森林頂部的粗糙度可高達幾米。二、大氣圈的水分迴圈過程（放在水圈的水迴圈一節）三、大氣環流的平均狀況大氣環流：大範圍的大氣運動狀態。一般尺度達n×103km，垂直尺度約10km以上，時間尺度則在1～2天以上。主要形式：三圈徑向環流、緯向環流、對流層內的大型平均槽脊轉化、行星尺度的高空急流與西風帶中的大尺度擾動、季風環流與氣旋、反氣旋等影響因素：太陽輻射驅動、地球自轉作用、下墊面性質影響以及地表摩擦作用等。熱量輸送和地球上的熱量平衡

由赤道向極地的高低緯之間的熱量傳輸，主要依靠全球性的大氣環流（顯熱和潛熱）及洋流來實現的，並隨緯度和季節而異。從緯度看，全球能量的輸送是從南北緯35o之間的輻射差額正值區向緯度高於35o的負值區輸送，就平均而言，輸送量以緯度40o附近為最大值。水準氣壓梯度力：在存在著氣壓梯度的地方，空氣分子受到力的作用，驅使著空氣沿著和氣壓梯度相同的方向移動的力，它是促使空氣從靜止到運動的原動力。地轉偏向力（科裏奧利力）：由於地球的自轉，地球表面運動的物體都會發生運動方向的偏轉。導致地球表面運動物體方向偏轉的力。在地轉偏向力的作用下，地表運動的物體，在北半球向右偏轉，在南半球向左偏轉。大氣的輻合：在低壓中心附近，大氣由周圍向中心集中。大氣的輻散：在高壓中心附近，大氣向周圍散開。氣旋、反氣旋：旋轉著的向低壓中心輔合的大氣系統叫做氣旋，旋轉著的由高壓中心向外輔散的大氣系統叫做反氣旋。由於受地轉偏向力的作用，氣旋、反氣旋旋轉的方向正好相反。大氣環流:在太陽輻射、地球自轉、地表面性質以及地面摩擦的共同作用，使得大氣圈內的空氣產生了不同規模的三維運動。季風：大範圍地區，盛行風隨季節變化而發生有規律改變的現象。局地環流：海陸風：發生在沿海地區的、白天吹海風、夜間吹陸風、以一日為週期的週期性風系高原季風：高聳挺拔的大高原，由於它與周圍自由大氣的熱力差異所形成的冬夏相反的盛行風系。山谷風：在山區，白天從谷地吹向山坡、夜間從山坡吹向谷地，以一日為週期的週期性風系。

焚風：山後的空氣溫度比山前同高度上空氣的溫度要高得多，濕度也小得多，形成了沿著背風坡向下吹的既熱且幹的風城市熱島：城市的溫度一般高於周圍的郊區和農村。

由於地球的自轉，地球表面運動的物體都會發生運動方向的偏轉。在北半球運動物體向右偏轉，在南半球則向左偏轉。導致地球表面運動物體方向偏轉的力，叫做地轉偏向力，又叫做科裏奧利力。地轉偏向力具有以下幾個特點：（1）這個力只改變物體的運動方向，不改變物體的運動速度；（2）這個力的作用方向總是與物體的運動方向垂直；（3）這個力的大小與物體運動的線速度成正比；（4）這個力的大小與緯度的正弦成正比，在赤道處為零，向兩極地區逐步增大現在地球上的大氣環流圖（三圈環流）

然而,空氣一旦開始運動,地轉偏向力就隨之發生作用.正是由於地轉偏向力的存在,就不可能存在一個單一的閉合的熱力環流,而在全球近地面氣層形成了赤道低壓帶、副熱帶高壓帶、副極地低壓帶、極地高壓帶。北半球夏季（7月）近地面大氣環流狀況北半球夏季（7月）

大範圍區域盛行風隨季節變化而發生有規律改變的現象，稱為季風。季風的形成與多種因素有關，最主要的是由於海陸間熱力性質的差異造成的，其次是由於行星風系的季節移動而形成的。北半球冬季（1月）近地面大氣環流狀況海陸風環流

海陸風是指發生在沿海地區的、白天吹海風、夜間吹陸風、以一日為週期的週期性風系。它也是由於海陸的熱力性質的差異引起的，但影響的範圍僅限於沿海地區。在沿海地區，白天，陸地增溫快，陸面氣溫高於海面，近地面空氣上升形成低壓，氣流從海洋流向陸地，形成海風；夜間相反，陸地降溫快，陸面氣溫低於海面，形成陸風。海陸風對沿海地區的天氣和氣候有著明顯的影響：白天，海風攜帶著海洋水汽輸向大陸沿岸，使沿海地區多霧多低雲，降水量增多，同時還調節了沿海地區的溫度，使夏季不致過於炎熱，冬季不過於寒冷。海風陸風青藏高原與平均經向環流

高聳挺拔的大高原，由於它與周圍自由大氣的熱力差異所形成的冬夏相反的盛行風系，稱為高原季風。以青藏高原季風最為典型。冬季高原面上出現冷高壓，氣流從高原向四周流動；夏季高原面上出現熱低壓，氣流從四周流向高原。高原季風對環流和氣候的影響很大，尤其在東亞和南亞季風區。同時，在冬夏不同的季節，高原季風環流的方向與東亞地區因海陸熱力性質差異所形成的季風的方向完全一致，兩者疊加起來，使得東亞地區的季風（尤其冬季風）勢力特別強盛，厚度特別大。山谷風(b）山風（a）穀風

在山區，白天從谷地吹向山坡、夜間從山坡吹向谷地，以一日為週期的週期性風系，稱為山谷風（見下圖）。白天，因為山坡上的空氣比同高度的自由大氣增溫強烈，空氣從谷地沿坡向上爬升，形成穀風；夜間由於山坡輻射冷卻，冷空氣沿坡下滑，從山坡流入谷地，形成山風。焚風

當流經山地的濕潤氣流受到山地阻擋時，被迫沿坡絕熱爬升，這時按照幹絕熱遞減率降溫。當達到水汽凝結高度時，形成雲，此後按照濕絕熱遞減率降溫，逐漸形成降水，空氣繼續沿坡上升，降水也不斷發生。當越過山頂以後，空氣沿坡下沉增溫，水汽含量大為減少，按照幹絕熱遞減率下沉壓縮升溫。由於幹絕熱溫度變化率比濕絕熱溫度變化率大。過山後的空氣溫度比山前同高度上空氣的溫度要高得多，濕度也小得多，形成了沿著背風坡向下吹的既熱且幹的風，稱為焚風。“城市熱島”

城市人口集中，工業發達，居民生活、工業生產及交通工具每天釋放出大量的人為熱，導致城市熱力過程的總效應為：城市的溫度一般高於周圍的郊區和農村，城市尤如一個溫暖的島嶼，稱為“城市熱島”。這主要是城市上空通過湍流擴散從暖的建築物得到潛熱，並且吸收城市表面和污染層放出的長波輻射的結果。由於熱島效應的存在，城市的年平均溫度要比郊區高0.5～1℃。能量傳輸高低緯間的傳輸：主要依靠全球性的大氣環流（顯熱和潛熱）及洋流來實現的。海陸間的傳輸：冬季，海洋是熱源，大陸是冷源，熱量從海洋輸向大陸。越近海洋，輸熱越多，氣溫越高。高低空之間的傳輸：在對流層中，由於空氣的對流，高低空之間也在進行著能量的傳輸。四、大氣組分的區域及全球平衡地－氣系統中的元素或化合物通過物理輸送或化學轉化過程在大氣、海洋、土壤、生物等各圈層的儲存庫內部或各儲存庫之間不斷地進行遷移轉化，它們直接制約著大氣中一些重要的痕量氣體的全球迴圈和平衡。元素在每個儲存庫中的存留時間是這種迴圈和平衡過程的一個重要特徵。一個存留時間很長的元素或化合物將有充分的時間在整個對流層中混合並分佈道全球，而對於存留時間較短的元素或化合物來說則不然。對流層中未受局地污染源影響的幹空氣氣體組分可分為：“半永久性”：O2、N2，Ar可變的：CO2、CH4、CO等極易變的：O3、NOx、NH3、SO2（一）大氣中氣體與水分的平衡（1）存留時間長的氣體：這類氣體包括O2、N2，以及一些惰性氣體Ar、He、Kr、Xe等N2來源：細菌把硝酸鹽轉化

N2O的脫氮過程高層大氣的光化學反應與大氣中氮的總量相比，生成的量極小，轉換時間要以千萬計。O2的源：植物的光合作用3.7×1017gO2的匯：有機物分解、呼吸作用、化石染料燃燒大氣中大約有1.2×1021g的O2，估計其轉換時間大致為4000年左右。按照地質學的觀點，O2的濃度主要由沉積物中所儲藏的有機物數量和地殼中物質被氧化的清除量之間的平衡所決定的。惰性氣體的化學性質不活潑，一般不會在大氣儲存庫中迴圈，它們在大氣中大多是作為地球形成早期的殘留物質而存在的。氮Ar是一例外，它是由宇宙射線所產生的40k的放射性衰變所形成的。目前由於日益發展的核能工業的排放，大氣中放射性kr的同位素85kr也在不斷地增加。(2)水分大氣中水分的存在對大氣化學過程來說極其重要：參與了氣相化學反應；液態水滴為學多化學轉化過程提供了反應的場所；降水本身對氣溶膠顆粒物和一些氣體化合物構成了一個有效的清除機制。補償：水面、地表的蒸發和植物的蒸騰大氣圈的水分含量：2.9×1015kg，它相當於覆蓋全球表面2.5cn高的日降水量（全球的年平均降水量為900mm）停留時間：對於一個給定的水分子在大氣圈中的存留時間為10.1天，但不同地區、不同氣候條件下水分在大氣中的存留時間並不相同。（3）二氧化碳作為一種溫室氣體，CO2既使大氣溫度保持在一定水準而有利於生命的存在，又扮演著引起全球變暖的重要角色。CO2在大氣和陸地生物以及大氣與海洋之間碳的交換率大約為6.0×1016g/a自然界中碳的最大儲存苦是沉積岩、深海中的煤炭、石油以及無機碳礦藏。（4）氮氧化物N2的一些化合物與O3和SO2等一起被列入“極易變化的”一組，說明這些存留時間很短的痕量氣體只能在區域範圍內迴圈和平衡，而沒有足夠的時間彌散到全球以及整個對流層。源：NOx的排放包括自然過程（土壤中亞硝酸鹽的分解、閃電固氮、NH3的轉化等）和與交通、能源生產有關的人為高溫燃燒過程。

NH3可能大量來源於家畜的尿液及高溫下煤的燃燒。匯：大氣中NH3和NOx等化合物可通過氣體形態以及顆粒物形態被清除。（5）對流層中的臭氧由於O3的光化學分解形成了OH，而OH極大的支配著低層大氣中大多數痕量氣體的氧化作用，所以O3在決定對流層中一般痕量氣體的活性方面具有特殊的作用。在近地面未受污染的大氣中，O3的最高濃度出現在白天。然而在混合層之上自由大氣中O3的濃度則相對穩定。當大氣處於不穩定狀態，垂直混合旺盛是，O3可從高層向下被輸送到近地面。南北半球的實測結果表明，平流層富含O3空氣向對流層的輸送主要發生在中、高緯地帶。（6）硫化物主要的不確定性來自於自然過程排放量以及遠離城鎮地區硫化合物的濃度變化。近一個世紀來，全球SO2的人為排放量猛增。它主要來自化石燃料的燃燒以及含S礦石的冶煉。由於其存留時間只有幾天，所以在大氣中的時空分佈很不均勻。（二）氣溶膠顆粒物的源、匯及其對環境的影響大氣中的氣溶膠顆粒物是以固體或液體例子為分散相，以大氣為分散介質所形成的溶膠。霧和雲屬於水滴分散在空氣中的液態氣溶膠；煙屬於固體微粒分散在空氣中的固態氣溶膠；煙霧則屬固、液混合態氣溶膠。1.氣溶膠的成分和分佈氣溶膠粒子的成分相當複雜，含有40～50種元素之多。其中60％左右是無機物，其他的則是各種有機化合物、有機聚合物、可揮發性有機物以及微生物，如細菌、酵母菌、病毒等生物氣溶膠顆粒物。它們在近地層和平流層下層有兩個高濃度帶，具體分佈隨時間和地點變化而異。大粒子受重力作用可較快沉降到地面，主要集中在近地面及源地附近。直徑小於1µm的粒子可隨氣流上升到高空並作長距離輸送。2.氣溶膠粒子的源和匯

源：氣溶膠粒子的來源分為自然源和人為源。自然源包括火山灰、宇宙塵埃、隕石灰燼、植物花粉和孢子以及細菌等生物氣溶膠、岩石風化後的粉塵、森林著火後的煙塵、海水飛沫蒸發後殘留在空中的鹽粒、風卷塵埃等。此外，大氣中氣－粒轉換過程的化學反應也可生成新的大氣懸浮顆粒物。大氣氣溶膠微粒的清除過程主要有兩個：幹沉降（如重力沉降、碰並吸附、致熱遷移、擴散遷移等）；濕沉降。降水過程大約可使氣溶膠粒子從大氣中移走10％～20％。3.氣溶膠粒子的環境意義

1）通過散射和吸收太陽輻射直接影響氣候；

2）以雲凝結核的形式，改變雲的光學特性及其分佈，從而間接影響氣候；

3）氣溶膠顆粒物是多種有毒、有害物質的載體，可長期懸浮在空氣之中並大範圍擴散。它在人體呼吸器官中的穿透作用沉積作用的強弱是微粒大小的函數。

4）沙塵氣溶膠主要源於沙漠和乾旱地區的風蝕及風力揚塵過程。土地利用變化、沙漠化、城市化以及各種自然或人為因數引起的地表特徵變化和氣候變化都可能改變沙塵（暴）天氣發生的頻率和強度。沙塵暴降塵中至少含有38種化學元素，它給源地、周邊地區以及下風地區的大氣環境、土壤、農業生產等造成了長期的、潛在的危害。特別是使土地貧瘠化，嚴重影響農業生產。沙塵氣溶膠既可吸收又可反射太陽輻射，在不同條件下對氣候具有複雜的加熱和冷卻作用。五、物質迴圈（一）氮迴圈1.氮的簡介

氮在地球大氣圈、岩石圈和生物圈都有廣泛的分佈。在大氣中氮的儲量最為豐富。在地殼中的氮也是常見元素之一。生物圈中的氮總量最少，但是它對生命體卻有著決定性的作用。無論是生命必須的蛋白質還是核酸，處處都離不開氮的存在。物質輸移水汽的輸移：垂直傳輸；水準傳輸（高低緯間輸送；海陸間輸送）。氣溶膠的輸移：源地附近濃度大，逐漸向四周及上空擴散輸移。二氧化碳的輸移：CO2從源區向四周及上層大氣擴散輸移。2.全球氮迴圈大氣中的氮以分子形式存在，占大氣總量的78％。但是氮分子在化學性質上具惰性，只有大氣中偶爾的閃電可以分解少量氮分子成為氮的化合物。這部分氮化合物隨降水進入土壤和海洋。陸地上也有少量植物可以直接吸收氮分子。此外，還有極少量的氮分子溶解於海洋中。但總的來說，大氣中參與氮迴圈的氮是很少的。岩石和礦物中的氮被風化後進入土壤，一部分被生物體吸收，一部分被地表徑流帶入海洋。海洋接納了來自土壤和大氣的氮，其中的一部分被生物體吸收。生物體死後，生物體內的氮一部分以揮發性氮化合物的形式進入大氣，一部分又返回土壤，還有一部分以沉積物的形式沉積在大洋深處。3.對人類的影響氮是構成生命的主要元素。植物的生長更缺少不了氮的補充。但是由於地表徑流的溶解和搬運作用，土壤中的氮往往消耗極大而補充很少。而大多數植物又不能直接吸收大氣中的氮。自然條件下，很多植被豐茂的地區都面臨著氮的缺乏。人類利用自身的智慧使全球氮迴圈，尤其是大氣的氮迴圈得到了補充。現代化肥工業成功地固定了大氣中的氮，並將其轉化為可被初級生產者利用的形式。這個有90年曆史的產業帶來了全世界範圍內農作物產量的大幅度增長，因而被稱之為“綠色革命”。（二）碳迴圈碳是地球上儲量最豐富的元素之一。它廣泛地分佈於大氣、海洋、地殼沉積岩和生物體中，並隨地球的運動迴圈不止。同時碳又是有機化合物的基本成分，是構成生命體的基本元素。碳迴圈還與生命活動緊密相聯。億萬年來，在地球的生物圈和大氣圈中，碳通過生命的新陳代謝，往復迴圈、生生不息。1.假說約100年前，瑞典化學家阿倫尼烏斯提出了大氣中二氧化碳豐度的變化會影響地表溫度的假說。據阿倫尼烏斯估計，二氧化碳濃度加倍會使全球增溫約9攝氏度。隨後，也有一些科學家沿著類似的思路做了論證。但是，大多數科學家對這些意見都不當一回事。理由之一是約在同一時期全球平均溫度停止上升；而在其後的二十年裏溫度甚至略有下降。理由之二是許多科學家認為幾乎所有工業產生的二氧化碳會被海洋吸收，因而從大氣中消除。理由之三是不同時間不同地點所取空氣樣品中二氧化碳的測量結果變化很大，以至不可能確定大氣中二氧化碳的總量是否正在增加或是正在減少。2.全球碳迴圈

自然界中絕大多數的碳並非儲存於生物體內，而是儲存於大量的地殼沉積岩中。一方面沉積岩中的碳因自然和人為的各種化學作用分解後進入大氣和海洋；另一方面生物體死亡以及其他各種含碳物質又不停地以沉積物的形式返回地殼中，由此構成了全球碳迴圈的一部分。碳的生物迴圈雖然對地球的環境有著很大的影響，但是從以百萬年計的地質時間上來看，緩慢變化的碳的地球化學大循環才是地球環境最主要的控制因素。（1）碳的地球化學迴圈

碳的地球化學迴圈控制了碳在地表或近地表的沉積物和大氣、生物圈及海洋之間的遷移,而且是對大氣二氧化碳和海洋二氧化碳的最主要的控制。如圖所示，沉積物含有兩種形式的碳：乾酪根和碳酸鹽。在風化過程中，乾酪根與氧反應產生二氧化碳，而碳酸鹽的風化作用卻很複雜。含在白雲石和方解石礦物中的碳酸鎂和碳酸鈣受到地下水的侵蝕，產生出溶解的鈣離子、鎂離子和重碳酸根離子。它們由地下水最終帶入海洋。在海洋中，浮游生物和珊瑚之類的海生生物攝取鈣離子和重碳酸根離子來構成碳酸鈣的骨骼和貝殼。這些生物死了之後，碳酸鈣就沉積在海底而最終被埋藏起來。（2）碳的生物地球化學迴圈在碳的生物迴圈中,大氣中的二氧化碳被植物吸收後,通過光合作用轉變成有機物質,然後通過生物呼吸作用和細菌分解作用又從有機物質轉換為二氧化碳而進入大氣。碳的生物迴圈包括了碳在動、植物及環境之間的遷移。（三）氧迴圈

氧的地球化學迴圈涉及的環節非常複雜，包括了大氣圈、生物圈、岩石圈，甚至整個地球的方方面面，是目前研究較多的領域之一。大氣與海水的相互作用，生物的生理活動，地球內部的物質分異以及岩石圈表層的地質作用，大氣圈臭氧層的變化等等過程都發生著氧的交換。目前氧迴圈的研究主要通過分析氧同位素的構成，分餾機理等特徵來探求氧的分異、固定、流動和混合的過程。至今科學家們還沒有建立起氧循環系統的完整結構。但生物活動引起的氧迴圈已為人所知。1.生態系統氧迴圈氧在大氣圈和生物圈中主要是以水、二氧化碳和氧氣的形式存在。在自然條件下，水中的氧很難分解成氧氣。而二氧化碳則可以通過植物的光合作用而釋放出氧氣。因此，在生態系統中，氧迴圈與碳迴圈有著密切的聯繫。在大氣中，氧含量占21％。在大氣紊流的作用下，空氣中的氧可以完全滲透到生態系統的各個角落：動物的呼吸作用、植物非光合器官的呼吸作用和光合器官在夜間的呼吸作用，以及地表物質腐敗氧化等過程不斷消耗著大氣中的氧。但與此同時，大量綠色植物的光合作用卻大量吸收著大氣中的二氧化碳並將釋放出的氧氣排入大氣。如此生生不息，構成了生態系統的氧迴圈，並保持了大氣中氧含量的恒定，維持了整個生態系統的平衡。（四）、硫迴圈全球硫迴圈自然界的硫最初來自於黃鐵礦（FeS2）和黃銅礦(CuFeS2)等含硫的礦物。但這些礦物被風化剝蝕後，硫就進入了土壤。土壤中的硫一部分被地表徑流溶解進入海洋，一部分被氧化以揮發性氣體的形式進入大氣，還有一部分被植物吸收，通過食物鏈的關係分佈於生物圈。進入海洋的硫，一部分以沉積的方式，億萬年之後成為煤或石油中的硫，一部分進入生物體被吸收。生物體中的硫在生物體死亡腐敗過程中，一部分以H2S的方式進入大氣，其餘的重又回到土壤，使迴圈得以繼續。而大氣中的硫卻以降水的形式落到海洋、土壤中，又開始了它們的下一輪次的迴圈。酸雨問題地表的硫以揮發性氣體的形式進入大氣，又隨降水而回到地表。這本是全球硫迴圈中的一個普通子迴圈而已，但是由於人類活動，造成排入大氣中的硫含量迅速增加。在某些地區，該迴圈顯著加強，大量的硫隨降水返回地面，導致了全球關注的酸雨問題。由於人類大量燃燒含硫燃料和熔煉有色金屬，大量的二氧化硫進入大氣。目前大氣中所含的二氧化硫，有2/3來源於自然界，另外1/3來自人類的活動。在某些工業地區，這個比例還要高得多。在大氣塵埃中的Fe、Mn等金屬的催化下，大氣中大量的二氧化硫，有一部分能轉化為三氧化硫並遇水氣而生成硫酸。當降水發生時，大量酸性的雨、雪落回地面，導致土壤突然酸化、植被死亡、水體環境受到改變。更嚴重的是，當降水的pH值小於4.0時，地表的很多生物將不能生存。這種危險大多出現在靠近工業中心或污染嚴重的地方。我國的西南地區已經成為世界三大酸雨災害區之一第三節人類活動對大氣圈的影響及其環境效應一、大氣過程引擎的人類環境災害（一）寒潮寒潮是指強冷空氣的活動標準：足以使氣溫在24小時內下降10以上，最低溫度達到5以下由強冷空氣迅速入侵造成大範圍的劇烈降溫，並伴有大風、雨雪、凍害等現象，這樣的冷空氣過程稱為寒潮。寒潮的標準各地不一，有些規定時有更改和補充。寒潮是我國冬半年主要的氣象災害。寒潮造成的災害主要有：強烈降溫會使農作物遭受凍害。尤以秋季和春季的寒潮對農作物危害最大；大風能吹翻船只，摧毀建築物，破壞牧場；嚴重的大雪、凍雨可壓斷電線、折斷電杆，造成通信和輸電線路中斷，交通運輸受阻等。寒潮影響的範圍大，而且多種災害併發。就目前來說，對寒潮仍無有效的防禦方法。提前發佈準確的寒潮消息或警報，使海上船隻在大風到來前返港；提醒有關部門事先對農作物、畜群等做好防寒準備。將可大大減少損失。土壤圈

第一節土壤的基本特徵一、土壤的概念及其在地理環境中的作用

1、土壤的概念：土壤是指陸地表面具有一定肥力，能夠生長植物的疏鬆表層什麼是“壤”？《周禮》指出：“以人所耕而樹藝焉則曰壤”。這句話精言深意，深刻闡明了“壤”的形成過程及其科學意義。根據《說文解字》：“壤，柔土也，無塊曰壤。”《禹貢》馬融注：“壤，天性和美也。”上述兩種對“壤”之解釋，“柔土”“天性和美也”都說明“壤”的生產性能比“土”要好，肥力高。因為它的性質既不堅硬板結，也不過於輕鬆疏散，而是柔軟和美的，適於各種作物的生長。記錄歷史的龜裂土龜裂土大多數由河流沖積母質形成，上部的主要土層為比較粘重的細土。這種顆粒的組成狀況，通常只有在比較緩慢的靜水沉積條件下才能形成。土壤主要分佈在塔里木河北岸，瑪斯河右岸，黃河左岸。由於河水斷流或改道，水位下降，土體變幹才逐漸向荒漠土壤發展。土壤的形成完全與地下水失去聯繫，僅與短暫的地表水流相關。地衣、藻類在地表短暫濕潤時出現，水分幹後很快死亡，在地面形成極薄卷皮，表土逐漸收縮裂開形成網格狀裂片。

龜裂土記錄了自然的變遷、生命的消長。

社稷祭祀：上古時代，我國有“社稷祭祀”制度，把國家稱為“社稷”。《白虎通》曾設王者為何有“社稷”之問答雲：“為天下求福報功。以‘人非土不立，非穀不食’。土地廣博，不可一一祭之也，故封土立‘社’，‘社’為‘土神’；穀物眾多，不可遍及祀，

故封穀立‘稷’，‘稷’為‘穀神’之長”。這就是說，當時國家統治者，重視土壤和糧食，認為“神”可以引出萬物，祭“神”可以保障五穀豐登。祭祀“土神”“穀神”的地方叫做“社稷”今日的乾涸的羅布泊，水和流沙侵蝕的湖岸臺灣澎湖島玄武岩風化作用形成的“石爛”

沙塵暴的形成沙塵暴的形成及其大小，直接取決於風力、氣溫、降水及與其相關的土壤表層狀況。

2000年春天北京和華北地區出現了幾十年罕見的沙塵暴，其間氣候異常，是造成這次沙塵暴的主要原因。3月份以來，華北地區和西北地區東部氣溫顯著偏高。偏高的幅度達2至3℃，部分地區氣溫偏高幅度為近40年以來少見。這使土壤解凍的時間比往年提前，加速了土壤水分的蒸發。疏鬆的沙土極易被大風揚起。春天北方大部地區基本無降水，解凍後大面積表層土壤乾燥、疏鬆，植被還未形成，且在每次大風到來之前均沒有可以抑制揚沙的明顯降水過程。冷空氣活動頻繁，大風連續出現。

2、土壤在地理環境中的作用氣候生物水文地貌土壤土壤在地理環境中的作用土壤圈就是岩石圈最外面一層的疏鬆部分，其最顯著的特徵，一是它能夠提供植物生長所需的營養條件（水分和養分）和環境條件（溫度和透氣）；二是其內部有生物棲息。由於具備這些特徵，土壤圈表現出其他環境系統不可替代的功能：聯繫有機界和無機界的中心環節（通過植物的光合作用）和同化外界輸入的其他物質（有機化合物），是整個生物圈極為重要的組成部分。二、土壤的肥力特性及其重要性1、土壤的本質屬性——肥力2、土壤的物質組成：

礦物質、有機質、水分、空氣

3、土壤與農業生產的關係(1)土壤是農業生產最基本的自然資源

(2)土壤是一種永續性的可更新資源指土壤能同時並不斷地供應和調節植物在生長過程中所需要的水分、養分、空氣、熱量的能力礦物質——是土壤的物質基礎，成土母質風化形成的土壤顆粒，釋放鉀、磷鈣鎂等養分有機質——（包含腐殖質）釋放氮，是土壤肥力的重要標誌有機質多集中在表層，直接影響土壤肥力的形成和發展。土壤中的有機物質在微生物分解作用下，能夠釋放以氮素為主的養分，供植物吸收，同時放出二氧化碳，加強植物的光合作用。水分和空氣——使土壤中能通氣透水，又能蓄水保溫，運動和變化影響肥力礦物質是指成土母質（風化殼或風化堆積物）風化形成的土壤固體顆粒，它是土壤的物質基礎，組成了整個土體的“骨骼”。礦物質經風化分解，能夠把原來固結在礦物中的一些養分元素，如鉀、磷、鈣、鎂等釋放出來，供植物吸收。因此礦物質是土壤中礦物養分的主要來源。土壤水分（水溶液）和空氣貯存在土壤孔隙中，具有很大的流動性。兩者的組成比例常常隨著外界氣候條件及其他因素的變化而此消彼長，並共同影響著土壤的熱量狀況。當水分過多時，空氣就會受到排擠，造成土溫下降，土壤缺氧，影響植物生長；如果空氣過多而水分缺少，則會造成養分和水分供應不足，植物就會枯萎。性狀良好的土壤，則既能通氣透水，又能蓄水保溫。組成土壤的物質，既有無機物，又有有機物，並且固相、液相、氣相三相俱全。土壤中的每種成分都有其獨特的作用，它們彼此之間又有密切的關係。正是這種特殊的物質組成，形成了土壤的肥力特性。土壤空隙對作物生長十分重要。比如一個肥沃的土壤必須有相當數量直徑大於250微米的大空隙，有了這些大空隙作為根系才能順利地伸展。土壤中還應有不低於10%的直徑大於50微米的中等空隙，這些空隙相互連通保證能了土壤的良好排水功能。另外，為了使土壤具有良好的水分保持功能，土壤必須有不小於10%的直徑0.5-50微米的小孔隙。所以土壤物理環境和土壤的養分水分供應能力有很大關系。

土壤化學環境也是保證作物健康生長的另一重要環境條件。比如土壤太酸，太堿，鹽分太多，都使作物生長受到很大影響甚至不能生長。三、土壤的形成特性1、土壤形成的過程

2、成土主導因素:生物3、人類活動的影響:形成高產穩產的耕作土壤裸露岩石成土母質原始土壤成熟土壤耕作土壤風化作用微生物低等植物草本植物木本植物耕作培育生土熟土肥土(1)改造方式：灌溉、施肥、翻耕等(2)合理耕作經營：土壤不斷改良，保持和提高土壤肥力(3)不合理耕作經營：土壤沙化、鹽鹼化和水土流失等

生物對土壤形成的作用1）、有機質積累過程成土母質微生物作用岩石積累有機質腐殖質土粒團聚形成土壤風化

生物生長

凝結作用根系穿橫2）、養分元素的富集過程礦物質淋失分解、釋放養分元素的富集

殘體釋放土壤表層形成有一定肥力的土壤層

氣候影響

根系吸收4壤剖面

土壤在形成过程中，土体从上而下产生明显的分异，从而形成了不同性状的土层。一个发育成熟的土壤剖面，一般具有以下几个土层。1）自然剖面

●枯枝落叶层，又叫覆盖层（只有森林土壤有这一层）。

●腐殖质层，也称有机质层，呈棕黑色。

●淋滤层，矿物质淋溶、淋失，色泽较淡。

●淀积层，由上层淋滤下来的物质，淀积在这里，通常比较紧实、粘重，不透水，矿物质养分比较丰富。

●母质层，多为粗糙的风化碎屑物质或粘重的胶泥，不具备土壤结构土壤發育的相對年齡——土壤發育的原始階段、幼年階段、壯年階段、老年階段四個階段稱為土壤發育的相對年齡。土壤發育的絕對年齡——土壤形成經歷的真正時間稱為土壤發育的絕對年齡。覆蓋層由地面上的枯枝落葉層組成，根據枯枝落葉的腐爛程度，可進一步分為A00和A0兩個亞層。

aA00層：未曾分解的枯枝落葉層

bA0層：充分分解的枯枝落葉層A1層：為腐殖質層。是接近地表處所形成的礦質土層。以腐殖質的積累為主要過程。A2層：為灰化層，由於受強烈的淋溶，易溶物質淋濕，且難溶物質如鐵、鋁、以及粘粒等也下移。顏色較前常成灰白色，顆粒較粗，常為粉沙與粉粒。A3層：過渡層淋溶層覆蓋層（A0）淋溶層（A）澱積層（B）母質層（C）基岩（R）A00A0A1A2A3B1B2B3CCCCSGR疏鬆的枯枝落葉層，未分解暗色半分解有機質層暗色的腐殖質層灰白色的灰化層向B層過渡層，多似A層向A層過渡層，多似B層棕色至紅棕色的澱積層向C層過渡層CaCO3聚積層CaSO4聚積層潛育層（灰粘層）可能出現的特殊層次2.耕作土壤剖面1)耕作層（表土層、熟化層）：疏鬆；有機質多；細碎；色暗2)犁底層（亞表土層）：有機質含量少；結識；保水3)生土層（新土層）：土壤熟化程度不夠4)死土層（底土層）：相當於自然土壤的C層（二）土壤的其他形態特徵1.土壤顏色土壤顏色是土壤重要的形態特徵之一。根據顏色的變化可以判斷土壤的變異。許多土類用顏色來命名。土壤顏色主要取決於土壤的化學組成與礦物組成，因此它也是成土過程的結果和外部表現。影響土壤顏色的主要物質有：腐殖質、礦物質、水、質地、生物活動等。2.土壤質地質地是指土壤顆粒粗細的情況。準確的測定要在室內用機械分析方法來進行。但在野外常根據用手指研磨土壤的感覺近似的判斷。分成：砂土、壤土、粘土3.土壤結構指土壤顆粒結合的狀況，土壤結構體中有糰粒結構、片狀結構、塊狀結構、柱狀結構等。4.土壤緊實度指土壤堅實或疏鬆的程度，一般用小刀插入土中所用力大小來衡量，分為緊實、稍緊實、疏鬆等。5.土壤孔隙狀況孔隙的大小和孔隙的多少6.土壤幹濕度土壤的幹濕程度，反映土壤中水量的多少7.新生體：在成土過程中產生和積累於土壤中的物質。各種易溶性鹽類；生物作用產生的有機體8.侵入體不是由成土過程所產生的特殊物質。成土過程中受外來的影響而進入土壤；有些是從母質中帶來的。（三）土壤的機械組成為了認識和研究的方便，常按照一定的粒徑大小範圍將土粒分成若干組，稱為粒組或粒級。各粒級在土壤中所占的相對比例或重量百分數，叫做土壤的機械組成，也稱為土壤質地。直徑/mm中國制組成成分性質3.02.0石礫原生礦物滲漏作用大1.00.250.20.05粗砂粒砂粒原生礦物主要成分為石英、長石出現毛管現象細砂粒0.020.01粗粉粒粉粒絕大部分是原生礦物細粉粒物理形狀變化0.0050.0020.001泥粒（粗粘粒）次生礦物粘結性、可塑性膠粒（粘粒）膠體性質砂土：砂粒佔優勢，土壤中的大孔隙多，毛管孔隙少。通氣、透水性強，保水和蓄水性能弱，熱容量小，溫度變化劇烈，易受乾旱威脅；保肥能力弱，易耕作。壤土：含砂粒、粉粒、粘粒的含量比較適中。通氣、透水性能良好；蓄水、保肥和供肥能力強粘土：粘粒佔優勢。毛管作用力強，透水、通氣性差；蓄水保水能力差，保肥性能好；養分含量豐富；質地粘重，不易耕種。第二節土壤形成的基本規律俄國土壤學家道庫恰耶夫和美國土壤學家赫格德是世界公認的土壤科學的奠基者。他們最先認識到，土壤性質是某些物理作用和化學作用的產物，而這些作用不僅受母質的影響，同時也受生物、氣候、地形和時間的影響。一、成土因素（一）母質因素1.母質同土壤之間存在“血緣”關係2.母質因素直接影響成土過程3.母質影響土壤環境元素背景值4.母岩的化學組成對土壤腐殖質影響深刻5.土壤母質影響成土過程的進程和方向按照母質的搬運情況可將其分為殘積母質和運積母質兩大類：殘積母質：指風化岩石基本上未搬運而殘留原地的物質。運積母質：指母質風化後經外力作用而遷移到其他地區是物質。（二）氣候因素1.降水/水分狀況水分影響土壤中的化學作用和生物活動。潮濕多雨地區，鹽分淋失，泥土呈酸性。土壤養分下移，肥力下降。乾燥地區，蒸發大於降水，土壤中水分上升，令鹽分在地表積聚，形成硬碟。降水多的地區(降雨量>600毫米)，形成淋餘土或鐵鋁土。雨量少的地區(降雨量<500毫米)，形成鈣層土。(脫矽作用﹕矽隨水分下移被沖至泥土下層，多在熱帶雨林發生。2.溫度直接影響風化作用速度，決定土層厚薄。影響有機物的合成和分解、生物化學作用。溫度每上升10℃，化學作用增加一倍。寒帶地區，溫度低，風化作用、生物化學作用微弱，土壤發育緩慢，處於原始階段。土壤多受物理崩解形成碎屑物質，顆粒粗大。熱帶地區，高溫多雨，礦物除石英外多被分解，顆粒較小。植物生長迅速，有機物質積聚快，但分解亦快，形成Ｏ層薄，腐殖質少。溫度影響土壤中水分移動方向。在溫度高，蒸發率高地區，水分在泥土中向上移動，令鹽分積聚。3.風速增加蒸發作用，加速土壤中水分流失。在乾燥地區，強風會將表面土壤帶走，令養分流失（三）地形因素影響水熱再分配：地形對氣候產生影響，使土壤的水分和溫度狀況發生變化。高度上升、溫度下降、水分數量下降。地形影響地表水和地下水的分佈，影響土壤中的物質轉移。地形影響土壤侵蝕作用。坡度大，沖刷作用嚴重，水分和養分流失，上層輻薄。山坡座向影響熱量和濕度。背陽坡，溫度低，濕度高，日照數量大。影響土壤類型和分佈：土鏈︰在不同地形上，泥土剖面的變化。在陡坡上，土層厚度減少。在平坦土地上，土層厚。在沼澤地區，形成泥炭層。山勢的起伏影響排水情況。在山坡上，排水迅速，土壤含水量較低。在平坦地面上，如果泥土或岩石下屬排水不良，出現地下水位上升至地面情況，令有機物質累積。在和緩起伏的地形，排水狀況理想，令土壤剖面保持穩定。在陡峭山坡，水分流失過多，土壤剖面發育遲緩。（四）生物因素：最活躍的因素1.植物土壤與植物間的物質交換。植物腐爛分解供給有機物質給土壤。植物根部鞏固土壤。植物產生截流作用，令土壤侵蝕減少。森林減低風速，遮蔽陽光，減少水分蒸發，使分解作用不停進行。植物吸收鹽基養分，養分被吸收後，經分解作用再釋放回土壤中。植物根部有助風化，令空氣及水分流通。

2.土壤微生物細菌、真菌及分解者影響土壤的養分迴圈，令土壤保持養分流動。分解有機質，釋放各種養料合成土壤腐殖質，發展土壤膠體性能有的微生物可以固氮轉化礦物質養料，使某些礦質養料元素能被植物吸收利用吸收、分解、轉化土壤有機污染物及重金屬污染物部分微生物可作為土壤污染程度的指示物3.土壤動物遺體增加土壤有機質生活過程中搬運和消化別的動物和植物有機體，使之拌和於土壤中，並分解其有機質，引起土壤有機質的深刻變化。鑽土動物影響土壤結構和性質，令土壤的物理及化學作用活躍。（五）時間因素1.土壤的特性需要時間來發展2. 年幼的土壤，各土層層次的特徵並不明顯。3. 土壤在穩定的氣候環境下，經過長時的發育，造成成熟的土壤剖面。時間影響其他成土因素的重要性。在土壤形成初期，母質因素日最重要。但土壤形成後，其他因素的重要性日漸提高。

（六）人為因素對土壤形成和演變的影響人類活動對土壤的影響極為深刻，它可通過改變某一成土因素或各因素之間的對比關係來控制土壤發育的方向。1.人類活動特別是農業活動對土壤的影響是有意識、有目的和定向的。2.人類活動的影響並非僅是在農業活動對土壤的直接影響，更重要的是影響土壤形成和發展的生態環境的改變，從而也改變了土壤和土被形成發育的方向。3.人類工業生產活動對土壤品質產生的重要影響。4.人類活動對土壤的影響具有兩重性。5.人類活動具有社會性。二、主要成土過程（一）有機質聚積過程1、腐殖化過程(1)概念腐殖化過程（humification）——是一種生物成土過程。指進入土壤的有機殘體轉化為腐殖物質並在土壤表層積累的過程。(2)特點在土壤的表層形成一個色調偏暗的腐殖質層（Ah）。腐殖化過程是礦質土壤形成中的一個普遍過程。由於不同自然地理環境中的植被與氣候條件的差異，腐殖化的程度有強有弱，影響的深度有大有小。因此各地土壤的腐殖質層的厚薄、顏色的深淺各有不同。一般來說，冷濕的草原及草甸植被下土壤腐殖質層發育最厚，腐殖質含量最高，顏色最暗。（草氈和斑氈化過程）2.泥炭化過程（1)概念泥炭化過程（paludization）——是一種生物成土過程。是指有機質主要以植物殘體形式在土體上部積聚的過程。(2)特點泥炭化過程主要發生在地下水水位很高或地表有積水的沼澤地帶。在積水環境下，大量濕生植物的殘體因缺乏氧氣而不能徹底分解或完全腐殖化，逐漸堆積形成泥炭層（H）。有時泥炭層中尚能保留植物體的組織原狀（二）鈣化過程(1)發生條件鈣化過程（calcification）是乾旱與半乾旱地區土壤中普遍存在的成土過程。以中緯度的草原和荒漠草原地帶最為典型。鈣化作用發生的條件是：1)水分——降水量與蒸發量接近相等或低於蒸發量。淋溶作用微弱。2)氣溫——溫度和降水有比較明顯的變化，降水集中時或有一定的淋溶作用，但乾旱時期以毛管水上升為主。3)生物——由於下層土壤水分不足，難以支持深根性的森林植被生長，植物以淺根性的草類為主。4)母質——母質排水良好，土壤不受地下水位的影響（2）作用過程

1)環境——鹼性。

2)淋溶——雖然由於水分不足使土壤的淋溶作用比較微弱，但在降水過程中仍然存在水分的向下運動。土壤中由於礦物風化和有機質分解而釋放的鹽基離子也必然隨水遷移。但不同種類鹽基離子的活性有差異：一價離子如Na+、K+的溶解性最強，極易隨水遷移，大多隨水淋失，最終脫離土體。二價離子如Ca2+、Mg2+等，溶解性較弱，活動性也差。

3)澱積——隨著下行水分的不斷減少，溶液濃度逐漸升高，二價離子便會在一定範圍內形成固體鹽類沉積下來，其中尤以（CaCO3）的沉積最為突出。有時也有石膏（CaSO4）的澱積。鈣積層（calcicborizon）——在乾旱季節裏，由於土壤表層蒸發強烈，雨季儲存於下層深處的毛管水便會向上運動，上升到一定高度時水分蒸發，其中所含的Ca鹽也會析出沉澱。這樣就