环境科学概论讲义

大连大学建筑工程学院
刘俊杰
2018年5月18日星期五
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0.1.3 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##$在被禁用十多年后，在美国加利福尼亚 州海岸死去的海豚体内仍有极高的含量；南极的企鹅、海豹、虾等很多海洋生物、 北极圈内的北极熊体内，都陆续检测出六六六和DDT等农药，甚至在南极的陆地植 物地衣中，也发现有六六六和DDT 。一般化学农药的残留时间较长，它们通过大气 环流、海洋环流以及食物链进入南北极，危害动植物的生存。由此可见环境问题是 跨越国界、无处不在的，因此人类的生存环境及其保护，从整体上看是没有地区界 限、省界和国界的。 环境的区域性 由于纬度和经度的差异，导致了地球热量和水分在各个自然环境的分布不同， 形成了陆地生态系统和水域生态系统的垂直地带性分布和水平地带性分布的特点， 这是自然环境的基本特征。不同时空尺度下区域生态环境特征变化很大，使对环境 规律的探索和运用面临困难。 环境的相对稳定性 在一定的时空尺度下，环境具有相对稳定的特点。所谓相对稳定，是指环境通 过物流、能流和信息流而处于不断变化中，但环境系统具有一定抗干扰的自我调节 能力，只要干扰强度不超过环境所能承受的界限，环境系统的结构和功能就能得以 逐渐恢复，表现出一定的稳定性。
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3 环境科学中所研究的环境是以人类为主体的外部世界， 即人类赖以生存和发展的物质条件的综合体，包括自然环境 和人工环境。 按照这一定义，环境包括了直接或间接影响人类生存和 发展的各种自然要素和社会要素，它既包括人类出现以前就 存在的、未经人类改造过的众多自然要素，如阳光、温度、 气候、地磁、陆地、岩石、天然水体、天然森林和草原、野 生生物等，也包括经过人类改造过和创造出的事物，如水库、 农田、园林、村落、城市、工厂、港口、公路、铁路等，以 及由于人类活动而形成的诸如政治、经济、文化、宗教等环 境要素。 可见，主体的不同是生态学和环境科学所研究的环境之 间最根本的差别。
环境科学概论
(研究生选修课)
绪论 自然环境 1.1 地球表面系统 1.2 自然环境的圈层结构 1.2.1 大气圈 1.2.2 水圈 1.2.3 岩石圈 1.2.4 土壤圈 1.2.5 生物圈 1.3 自然环境的地带性规律 1.3.1 陆生生态系统分布规律 1.3.2 水生生态系统分布规律
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8 环境变化的滞后性 自然环境受到外界影响后，其产生的变化往往是潜在的、滞后的，原因 是：一是引发的许多影响不能很快反映出来；二是环境受到影响后，发生变 化的范围和影响程度很难了解清楚，也很难预测；三是一旦环境被破坏，所 需的恢复时间较长，尤其是当超过阈值(Threshold)之后，一般就很难再恢 复了。 环境的脆弱性 地球会受到各种各样因素的影响，从以上特点可以看出它具有一定的脆 弱性，主要体现在以下几方面： 来自宇宙的影响：太阳耀斑在短时间内可以释放出相当于100亿颗百万吨级 氢弹爆炸的能量，这样大的能量会引起局部区域的瞬时加热和可见光、紫外 线、红外线、$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。
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环境承载力environment bearing capacity
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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。
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系统性
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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。
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0.1.2 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
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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。
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环 境 科 学 的 分 支 学 科
0.3 环境科学思想与方法论
整体性
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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。
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0 绪论
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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Hä ckel,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。
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综合性
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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。
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环境科学的任务
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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。
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0.2 环境科学的研究对象及其分支学科
环境科学的研究对象
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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。
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。