环境与环境科学

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。依照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畴内的研究对象称为体系，即中心事物。相关于某一中心事物有关的周围事物，确实是那个中心事物的环境。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，那个地点不考虑其对人类的生存与进展是否有阻碍。关于环境科学来说，中心事物仍旧是人类，但环境要紧是指与人类紧密相关的生存环境。它的涵义能够概括为：

“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爱护政策都有明确的规定，但这些规定和各国法律对环境的说明又不尽相同。我国颁布的《中华人民共和国环境爱护法》中明确指出：“本法所称环境，是指阻碍人类生存和进展的各种天然的和通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、自然爱护区、风景名胜区、都市和乡村等”。法律明确规定的环境内涵确实是指人类的生存和进展环境，并不泛指人类周围的所有自然因素。那个地点的“自然因素的总体”强调的是“各种天然的和通过人工改造的”，即法律所指的“环境”，既包括了自然环境，也包括了社会环境。因此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各种天然的和通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、海啸等地壳的稳固性和太阳的稳固性等。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，自然环境确实是直截了当或间接阻碍到人类生存和进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。地球环境关于人类生存具有专门的重要意义，它为人类提供了要紧的活动场因此及必要的物质基础。到目前为止，在千万亿个天体中，能适于人类繁育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，理论上它的范畴无穷大，某些星体的存在会阻碍到地球环境，例如月球引力会对海水的潮汐产生阻碍。在现时期，人类活动的范畴还要紧限于地球，月球对人类的生存和进展阻碍专门小，因此没有把月球视为人类的生存环境。然而，随着空间科学和宇航事业的进展，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，通过加工和改造了的自然物质，以及所积存的物质、精神、文化等构成的总和，是人类长期生存进展活动的必定产物。社会环境的进展与变化直截了当阻碍到自然环境的进展与变化，它既能够对人类社会进一步进展起促进作用，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阻碍是综合性的，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阻碍环境、使自己的躯体适应环境，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)。环境分类一样按照空间范畴的大小、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。假如按照环境要素来分类，能够分为大气环境、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畴，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、有打算地利用和改造自然环境而制造出来的生存环境，是与人类的生产和生活关系最紧密、最直截了当的工作和生活环境。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都市。明显，随着聚居环境的变迁和进展，为人类提供了安全清洁和舒服方便的生存环境。然而，聚落环境乃至周围的生态环境由于人口的过度集中、人类缺乏克制的频繁活动、以及对自然界的资源和能源超负荷索取同时受到庞大的压力，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，其范畴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进展紧密相关的，直截了当阻碍到人类衣、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、生物圈差不多上它的子系统。每个子系统在整个系统中有着各自特定的地位和作用，非生物环境差不多上生物（植物、动物和微生物）赖以生存的要紧环境要素，它们与生物种群共同组成生物的生存环境。那个地点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.地质环境地质环境要紧指地表以下的坚硬地壳层，也确实是岩石圈部分。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，厚度范畴一样为几十米至几公里。实质上，地理环境是在地质环境的基础上，在星际环境的阻碍下发生和进展起来的，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开释出来，参加到地理环境中去，再通过复杂的转化过程又回到地质环境或星际环境中。假如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，专门是丰富的矿产资源，即难以再生的资源，它对人类社会进展的阻碍将与日俱增。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、充满物质、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要紧的能量。太阳的辐射能量变化和对地球的引力作用会阻碍地球的地理环境，与地球的降水量、潮汐现象、风暴和海啸等自然灾难有明显的相关性。随着科学技术的进展，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抛弃的废物，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、环境的形成与进展地球环境是在几十亿年漫长的过程中逐步演化而成，它与生命体的产生和进展进化紧密相关。依照“星云假说”理论，距今60亿年往常，地球依旧一团没有凝集在一起的云状气尘物质，经漫长时刻的演化，形成了地球胎。大约46亿年前，地球是一个酷热的大火球，别处包围着原始大气，随着放射性元素转化产生的热能集合，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、碳酸盐类物质逐步上升成地表，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，其要紧成分为还原性气体，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，为地球生命的显现制造了最差不多的条件。

大约35亿年往常，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，逐步合成了生命的差不多要素如氨基酸、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取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，显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点，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显现了O2，并减少大气中的CO2，逐步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进展的氧化型转变。通过大约4亿年的积存，终于形成了一个含氧的大气圈。6亿年前，海洋中显现动物。随着大气圈O2含量的逐步增加，具有爽朗化学性质的大气游离氧在高空积存，约在4亿年前形成了爱护地球的臭氧层。臭氧层能吸取强烈的宇宙紫外线，为更高等的海洋生物进化和生命登陆制造了条件。水生生物的登陆说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，逐步形成现代地表分布，显现了高山峡谷、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12亿年前显现最早的真核生物后，5亿年前显现海洋无脊椎动物，约4亿年至2亿年前，首次显现了陆生蕨类植物，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。陆生植物的繁茂强盛，加速提高大气中的O2水平，需氧动物逐步在陆地上繁育，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2亿年前显现哺乳类动物。现在，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，逐步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，为植物的强盛建立了基础，进而促使哺乳动物大量进展，也为人类的产生制造了良好条件。古人类显现于在距今大约200～300万年前。人类是物质运动，即地球的地表环境进展到一定时期的产物，而环境是人类生存与进展的物质基础。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，确实是在人类的进化过程中，由简单到复杂、由低级到高级、通过人工改造加工而进展形成的。

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差不多物质组分，又称环境基质。通常，环境要素能够分为自然环境要素与社会环境要素，适应上指自然环境要素，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差不多结构单元，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，如此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。环境要素具有如下专门重要的特点：（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操纵环境质量的高低，而不是由环境诸要素的平均状态决定，也不能采纳处于优良状态的环境要素去代替和补偿。因此，人们在改善整个环境质量时，第一应改造最劣的要素。（2）等值性。等值性说明环境要素对环境质量的作用。各个环境要素不管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，那么关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紧密联系，前者要紧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。也确实是说，环境整体性质能够表达环境诸要素的某些特点，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）环境诸要素相互依靠、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进展依次形成。每一新要素的产生，都会给环境整体带来专门大的阻碍。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，形状转换，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阻碍下，物质之间通过物理、化学和生物作用所产生的环境成效，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阻碍下进行的化学反应所引起的环境成效。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成效。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成效。例如，气候变化引起的生物种群的突然消逝，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育受到阻碍；生活和工业废水大量排入江河湖海，使水生生物受到严峻危害，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。那个地点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阻碍，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年第一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”，是治理自然的科学，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。”定义说明，生态学是把生物或环境看作一个有着相互关系的整体，具体表达在生物与其生存环境之间作用与反作用、相互依靠与制约和物质循环与代谢等几个方面。传统的生态学差不多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，一样可划分为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要紧研究阻碍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要紧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要紧研究其中的能量流淌、食物网和养分循环。随着现代科学技术的不断进展，生态学突破了原先纯生物科学的范畴，向微观与宏观两极进展。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，进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。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紧密的联系和相互作用，最终达到相互和谐，演化成一个优良的生态系统。（1）生物依靠于环境。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，细胞差不多上其差不多功能单位。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，并通过生物体的差不多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、繁育、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。新陈代谢的实质确实是环境中的大分子分解后成为细胞活动所需能量及细胞差不多结构的元素，细胞靠细胞膜的吸取作用从环境中选择性的吸取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）环境因子对生物的阻碍。非生物环境因子为生物提供必要的生存条件，但同时又可能显现某些限制因子，专门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，将会阻碍生物的生存。适应性表达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，生物便不断进化进展，而那些耐受性较低的生物则趋于死亡。（3）环境污染对生物的阻碍。环境污染要紧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，要紧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阻碍将在其他章节中进一步阐述。人类与环境的关系历史上人们对环境的关怀要紧是考虑自然环境如何阻碍社会活动及其社会进展。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如何样阻碍自然环境。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。环境爱护要紧关注的是幸免自然资源的白费，确保资源的有效利用。这种造福于人类的环境爱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要求对阻碍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益；③人类活动中的不慎重行为能导致自然系统不可逆转的变化，可能产生灾难性的阻碍，甚至有可能危及地球保证人类生存的能力。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，即生态系统失去平稳。随着人类战胜大自然的能力增强，相伴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”逐步成为全民道德观。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固与连续进展的理论基础。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。在那个统一整体中，生物与环境之间相互阻碍，相互制约，不断演变，并在一定时期内处于相对稳固的动平稳状态。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点，以及生物生产、物质循环、能量流淌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形而定，因此其范畴可大可小，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。生态系统一样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，后者中的生命系统确实是人类。下面要紧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。生产者要紧是绿色植物，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，还用以坚持其他生物的生命活动。这种供给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。由于它们不能直截了当利用太阳光能和无机化合物中的能量，只能直截了当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要紧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猎取能量，并把植物性蛋白转换为动物性蛋白。（3）分解者。分解者要紧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时期，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，供生产者再吸取利用。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。在那个有机的统一整体中，能量与物质在不断地循环和流淌，并在一定条件下保持着相对平稳。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能够使生态系统在一定时期和地域保持相对稳固的状态。生态系统的差不多结构可划分为时空结构、生物多样性结构以及营养结构。1.时刻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，通常鸟类在空中翱翔，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。生态系统的时刻结构是指生态系统的结构随时刻变化而产生的变化。由于时刻显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、冬有不同的形状，植物忽而绿草如茵，忽而枯枝残叶；动物显现休眠，鸟类迁移等。另一方面，随着时刻的流逝，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表达。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进展的基础，决定了物种、种群、群落的进展与消亡。当地球上的环境变化时，会导致依靠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。假如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、一样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步减少，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，依照各个生态系统的组成成分和结构特点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阻碍程度的大小，可划分为自然生态系统、半自然生态系统和人工生态系统；而依照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淌的阻碍最大，其次是草原生态系统。水生生态系统又能够划分为海洋和淡水两大生态系统，并可依照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，没有直截了当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点，能通过自我结构的调整来保持系统的相对稳固。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，完全有人类活动所制造和操纵的生态系统，如农村、都市、工业区等。半自然生态系统指受到人类活动的阻碍，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、生态系统的差不多功能能量流淌、物质循环和信息传递是维系生态系统稳固的三项要紧功能。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淌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猎取的能量，差不多上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，专门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。如此，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淌，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淌。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，能量不能被制造，也不能被消灭，在流淌过程中能够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，只有一部分能够连续传递和做功（有效能），另一部分必定会以热的形式消散，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淌也服从热力学定律。这种能量流淌的特点是能量流淌的单向性和通过各营养级的能量逐步减少，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缺失。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取利用上一营养级的能量，通过排泄缺失能量。由此可见，生态系统食物链中的能量转换效率专门低。绿色植物通过光和作用从太阳得到的能量专门少部分被吸取。全部照耀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，专门少超过六级。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、硫是自然界中的要紧元素，也是构成生命有机体的要紧物质。它们在自然界的良性循环，保证了生态系统的稳固性。1.碳循环碳是构成生物体和贮藏光能的要紧元素，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取大气中的CO2和H20形成碳水化合物，同时开释氧气。碳水化合物通过食物链逐级往高的营养级流淌，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，矿化时也开释出CO2，这些通过生命系统的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的形式开释到大气中。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会被吸取形成新的碳酸盐岩石，也能够通过死亡动植物的遗骸进入地壳形成化石燃料。碳循环对环境的阻碍要紧表现在大气中的CO2含量。大气中CO2的体积分数尽管只有0.035%，但其稳固性，专门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阻碍。2.氮循环氮是构成生命物质蛋白质和各种氨基酸的要紧元素，也是大气的要紧组成成分。尽管大气中自由氮含量占79％，却不能直截了当被生物利用，只有将氮制造成硝酸盐进入土壤，才能被植物吸取，最终通过食物链进入各类生命体。氮循环要紧是在大气、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，植物吸取这些进入土壤的氮；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取利用，并与碳结合形成各种氨基酸，最后合成蛋白质。动物直截了当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，回来于土壤。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，要紧在大气、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取，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，其储存的硫重新开释到海水中，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、和地表面吸取等过程回到陆地和海洋，并被植物吸取；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，在生态系统中差不多处于一种稳固和平稳的状态。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，形成严峻的环境污染。（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要紧有营养信息、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，草原植被就繁茂强盛，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，不足以供给全部的食草动物，这一信息使得部分食草动物迁移。因此，从草的多少能够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，鹌鹑专门少受害；当鹌鹑数量较多时，猫头鹰转而大量捕捉鹌鹑。如此，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觉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。气候由热至冷的逐步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。蜜蜂许多次将花蜜运回蜂巢，候鸟成群结队南北长途往返飞行都能准确到达目的地，这些动物要紧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，或某个生长发育时期的代谢产物性激素、生长素等。生物分泌出的这些专门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，和谐个体之间的活动，同时坚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开释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专门行为传递的信息称为行为信息，如许多动物的专门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，蜜蜂发觉蜜源时，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受舞蹈的步伐，得到正确方向的信息。当某些自然灾难，如森林火灾发生时，离火源较近的动物纷纷逃离，这种专门行为信息能够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、生态系统的平稳（一）生态平稳的概念生态平稳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、能量流淌和信息传递，达到互相适应、相互制约、和谐统一的成效，坚持一种恒定状态。也确实是说，生态平稳包括了生态系统中结构上的平稳和功能上的平稳两个方面：结构平稳要紧指生物种类的多样性。功能平稳指生态系统中物质流淌相对恒定，循环保持正常；能量输入和输出接近相等，流淌差不多守恒；信息网络完整，传递通畅。综合起来，生态系统的稳固性取决于各子平稳系统之间的相互关系。生态系统的平稳是一种动态平稳。生物环境中的物种产生、变化、以及种群的组合与改变永久处于变动状态，生物的进化确实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进展，直到建立起更加稳固的优良生态系统。由此可见，生态系统的各组成成分、结构、功能是随着时刻而改变，不断地按照一定的变化规律运动着，生态平稳是一种相对的和非稳态的平稳，即动态平稳。生态系统的动态平稳说明，当生态系统受到一定程度的外界干扰而引起不平稳时，具有复原平稳状态的能力，使其进入新的平稳状态，即自身调剂的能力。生态系统调剂能力的大小，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，具有专门稳固的生态系统；而如我国青藏高原和洪涝缺水地区，以及冰冷的南、北极地域，由于生物种类稀少，食物链单调，生态系统专门脆弱，轻微的干扰就会引起严峻的失调。尽管生态系统对外界的干扰有专门强的调剂能力，但干扰超出其承担能力，即一定的限度，达到破坏生态规律的程度，调剂就不再起作用，生态平稳就会遭到严峻破坏。（二）阻碍生态平稳的因素生态系统本身具有的自身调剂的能力是保持生态系统动态平稳的要紧功能。假如这种自身调剂能力中的某一环节显现缺损，就会破坏生态系统的平稳。因此，生态系统自身调剂能力的强弱是生态系统平稳的关键。阻碍生态系统自身调剂能力的因素有：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，自身调剂能力越强；反之，自身调剂能力越弱。处于平稳状态的生态系统，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，若要坚持稳固的食物链，必须保持一定生物种类和数量的相对稳固。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；若山羊消逝，那个系统就可能崩溃。假如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，狼群数量可不能因山羊数量减少而减少，同时，山羊数量又得以复原，生态系统保持了生物物种的相对平稳。这些说明，生物多样性结构提高了生态系统的自身调剂能力。2.生态功能的完整性生态系统的功能在生物生理机能的操纵下能得到合理地运转称为生态功能的完整性。生态系统的要紧功能是物质、能量和信息的流淌，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稳,信息网络工作通畅。生态系统中的能量和物质的流淌假如入不敷出，系统就会衰退；若输入多，输出少，则生态系统有积存，也处于非平稳状态。能量、物质和信息的流淌越合理，生态系统自身调剂能力就越强。假如能量流淌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，则生态系统自身调剂能力下降甚至丧失。例如，向河流中排入大量的酚，若该系统生存着许多对酚有专门强降解能力的微生物和水葱等高等植物，酚就会专门快得到降解，那么物质平稳可不能遭到破坏；反之，那个系统的物质平稳就可能失调，生态平稳受到破坏。（三）生态平稳失调的缘故在生态系统中，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剂能力和补偿能力，达到破坏生态规律的程度，将导致生态系统平稳失调。1.自然因素自然因素要紧是指自然界发生的专门变化，通常称为自然灾难。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，都可能引起生态平稳的破坏。这些自然因素对生态系统的破坏是严峻的，甚至可能是灾难性的，往往具有突发性的特点。相对来讲，由于这类因素的显现通常是局部的和偶然的，频率并不高，生态平稳的破坏在一定的时期内能够得以复原。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；当海洋逐步原先环境时，生态平稳又得以复原。2.人为因素人为因素是指人类的生命活动引起的生态平稳失调，专门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，是造成生态平稳破坏的要紧缘故。人为因素对生态平稳的阻碍往往是渐进的、长效性的，破坏性程度与作用时刻、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稳，引起系统的变异，其要紧阻碍有：（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，从而阻碍整个生态系统，甚至破坏生态平稳。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，阻碍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，严峻削弱了生态系统的调剂能力等。（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，致使有些地区显现了严峻的虫灾；（3）信息系统的破坏。假如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，就有可能使生态平稳遭受破坏。如有些雌性昆虫在繁育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，使得性激素消逝，中断雌雄昆虫间的信息沟通渠道，则会阻碍生态平稳。

第三节

环境科学一、环境问题的由来和进展1.环境问题广义的环境问题是指由于自然缘故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阻碍问题。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，环境问题能够分为两种类型：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、洪涝洪涝、流行病等自然界发生的灾难或专门变化；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爱护需要研究的要紧环境问题,也是人类生存面临的最为严峻的问题之一。第二环境问题还能够进一步划分为生态环境失调与环境污染两大类型。生态失调要紧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、生态平稳破坏或自然资源枯竭的现象，例如，畜牧业的高速进展、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，都市化的规模进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.环境问题的显现环境问题自人类产生以来就存在。远古以来的专门长的岁月里，人类仅仅是为了生存向自然界索取有限的天然资源，要紧是利用和依靠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阻碍不大，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阻碍越来越明显，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，往往引起严峻的水土流失，频繁的水旱灾难和沙漠化。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。真正的环境问题显现在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稳，产生了新的环境问题。一些工业化的先驱都市和工矿企业区，排出大量污染环境的废弃物，显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。但现在的环境污染尚属局部、临时的，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.环境问题的进展环境问题引起人们重视的规模性爆发和逐步的恶化进展始于20世纪40年代，并在80年代前显现了环境问题的第一次高潮，形成第一代环境问题。在那个时期，发生了震动世界的“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，制造了公害那个名词，公害是指环境污染对公众所造成的损害。“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，晴朗天气显现由汽车尾气中的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年在洛杉矶发觉，在1955年的严峻事件中，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，受亚热带反气旋操纵，显现逆温天气。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。最严峻的是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，中枢神经受损害，显现听觉、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。第一代环境问题要紧是由于下列因素造成的：（1）人口迅猛增加，都市化的速度加快。世界人口从20世纪初的16亿增至1950年25亿，通过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，有半数人口住在都市，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。这些数据说明，工业的迅速进展逐步形成的大工业区域排放的污染物不仅集中，而且数量专门多，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”终止后，各工业国家急于复原建设和进展经济，全然没有意识到高速的经济进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差不多达到严峻程度，直截了当威逼到人类的生存环境，阻碍了经济的进一步进展。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、加强治理、采纳新技术，70年代中期环境污染得到了有效操纵。20世纪80年代后显现了新的环境问题，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，对人及其他生物的阻碍，以及推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，然而80年代以后才逐步引起人类的重视。人们共同关怀的重要的环境问题分为三类：①全球性的环境问题，如臭氧空泛、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严峻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，13.5万人受到损害，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宽敞地区和欧洲国家，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峻污染。第二代环境问题的显现实质上是在第一代环境问题长期累积下没有得到有效操纵，并连续加速经济进展引起的。然而这两代环境问题具有明显的时期性，有如下不同的要紧特点：（1）从区域性环境问题转化为全球性环境问题。第一代环境问题要紧显现在工业发达国家，是由局部性环境污染造成的区域性阻碍，如都市、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阻碍，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逼到全人类的生存；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进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操纵环境恶化的措施，环境质量有所好转。然而，由于进展中国家人口爆炸性增长显现资源短缺；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同意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进展中国家扩展。现在全世界空气污染最严峻的都市大都集中在进展中国家，各种生态破坏现象也是在进展中国家急速进展，进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，要紧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都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，存在众多尚不清晰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）环境问题危害范畴扩大、程度严峻。第一代环境问题发生的范畴有限，人们关注的是环境污染对人体健康的阻碍，环境污染对经济进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，污染事故范畴大、危害严峻、经济缺失庞大。这不但会损害和阻碍人类的健康及正常的活动，而且差不多威逼到人类的生存与进展，阻碍经济的连续增长。从环境问题的进展历程能够看出，人为的环境问题是随人类的产生而产生，并随着人类活动的加剧和社会的进展而进展。因此，必须分别对待不同国家显现的环境问题，处理好人类社会进展与环境的关系，才能从全然上解决环境问题。

二、环境科学的创立和进展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，而环境科学确实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峻的环境问题向纵深进展的产物，也是人类认识自然和改造自然能力进一步深化的表达。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进展，把握它们之间的客观规律，调剂与操纵那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.环境科学的产生环境科学是由于社会经济进展中的环境问题的日益突出而逐步进展起来的。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，环境科学差不多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，都市的树木被熏黑，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，显现了科学家称之为“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究和研究。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阻碍；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阻碍；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，都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旧在广泛使用。

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，人们期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产生。

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产生的标志是，1962年美国海洋生物学家R·卡逊出版的第一部有重要阻碍的环境科学著作《安静的春天》，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.环境科学的进展及特点

环境科学随着环境新问题的不断涌现自产生之初就向着全方位方向进展。时至世纪今日，环境科学在进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）环境科学进展的综合性。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进展，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爱护》，分别从自然界、社会、经济和政治等各方面阐述了要紧的环境问题和对人类的阻碍，探讨了解决环境问题的途径和科学治理地球的方法。环境科学几乎涉及到现代科学的各个领域，包括科学技术、经济治理、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，具有专门强的跨学科综合性的特点。（2）分支学科形成的专门性。环境科学的建立要紧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截了当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、经济增长与环境爱护相和谐进展的差不多规律，研究爱护人类免于环境因素负阻碍和爱护环境免于人类活动负阻碍的途径。在微观上研究环境中的物质，专门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，探究它们对生命的阻碍及其作用机理；从宏观上研究人类同环境之间的对立统一关系，把握人类社会活动与环境变化的进展规律。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爱护相和谐进展的目的。要紧的研究内容有：（1）探究人类活动与生态平稳的相互和谐关系。探究人类与生态环境的相互依存、相互作用关系是阻碍到人类生存与进展的关键问题。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阻碍因素，专门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阻碍