第3章 资源的环境特征(1)

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(3)氧循环

正是由于氧在自然界中有巨大的含量及其 活泼性的特征,致使环境中无处无氧(游 离态或化合态),所以氧在自然界中的循 环是非常复杂的。在前面所述的两种循环 中均有氧的参与,也构成了氧循环的一部 分。
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氧循环
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氧循环


在自然界中参与上述循环的碳、氮、氧实际上仅 为其总量的几分之一,而大部分则储存在各自的 “储库”之中。例如海洋是H2O的总储库,地壳 的岩石为C和O的总储库,大气则为氮的总储库。 因为参与循环的物质量相对其总量而言是极少的, 所以各种物质循环一周所需的时间很长。且由于 各类物质总储存量的不同,它们的循环周期的长 短差别也很明显。
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3.3.1 能源的分类

能源是指提供可用能量的资源,其种类繁 多,一类是比较集中且容易转化的含能物 质,称含能体燃料(燃料能源),如煤炭、 石油、天然气、沼气、氢等;另一类是可 以利用的能量过程(非燃料能源),如太 阳辐射、风力,潮汐等。
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能源的分类
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水、氧和二氧化碳的循环
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3.3 能源消耗与环境


能源是人类赖以生存和发展的不可缺少的物质基 础,是材料生产的要素。 目前人类使用的能源,特别是不可再生能源却是 有限的,甚至是稀缺的。能源在不同程度上制约 着人类社会的发展。 由于利用方式的不合理,能源利用在不同程度上 损害着地球环境,甚至威胁到人类自身的生存。

1)资源的枯竭 能源利用推动了人类文明的发展。 一个世纪以前,非商品能源(薪柴、农业废料和动物粪便 等)占全部使用能源的52%,随后其分额即日趋下降。 19世纪末20世纪初,煤炭成为其主要能源; 20世纪中叶以后,进入了以石油、天然气为主要能源的时 代,核能也得到一定的发展。到1970年,油、气占商品能 源消费总量的64%。70年代以后,由于石油价格的上涨, 石油的分额从1970年的46%降至1990年的36%,但石油 仍是主要的商品能源之一。
能源的分类
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能源的分类
第一类能源:来自地球以外,主要来自太 阳辐射,也包括太阳能转化而成的矿物能 源(煤炭、石油、天然气)。 第二类能源:来自地球内部,如地热、核 能。 第三类能源:来自地球和其他天体的运动 作用,如风能,潮汐能,水能。

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3.3.2 能源的利用与环境问题

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(2)氮循环
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大气中的氮
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(2)氮循环



氮在自然循环中的不平衡,将给生态系统带来极其严重的 恶果。首先是因硝酸盐过量而污染天然水体,造成水体的 富营养化,藻类过量繁殖。 其次是硝酸盐对人类和动物生存的潜在危害。硝酸盐被人 或动物摄取后,在细菌的作用下可能转化为亚硝酸盐。而 亚硝酸盐除了能同血液中的红血球结合而破坏血液的输氧 能力之外,还会同食物中的某些有机化合物起反应生成有 致癌作用的亚硝胺化合物。 气态的氮氧化物几乎都是剧毒性物质,在太阳辐射下还会 与碳氢化物反应形成光化学烟雾。
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3.2.2 未探明储量

未探明储量是指目前尚未探明但可以根据科学理 论推测其存在或应当存在的资源,分为: (1)测存在的储量:可以根据现有科学理论推测 其存在的资源。 (2)应当存在的资源:今后由于科学的发展可以 推测其存在的资源。
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3.2.3 蕴藏量

资源蕴藏量等于已探明储量与未探明储量之和, 是指地球上所有资源储量的总和。因为价格与资 源蕴藏量的大小无关,所以蕴藏量是一个物质概 念而非经济概念。对于可耗竭资源来说,蕴藏量 是绝对减少的;对于可更新资源来说,蕴藏量是 一个可变量。这个概念之所以重要,是因为它代 表着地球上所有有用资源的最高极限。
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氧循环
据估计,水、氧和二氧化碳在四个圈层中 的循环情况是:所有地球上的水被植物的 光合作用所分解,到再次由于动植物细胞 的生物氧化而生成,约需时间200万年。 在此过程中产生的氧进入大气并约在2000 年内进行再循环。 CO2为动植物细胞所呼出并进入大气中,平 均停留300年,再被植物细胞固定。
第3章 资源的环境特征
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材料与资源

对材料的生产和使用而言,资源消耗是源 头,环境污染是末尾。材料的生产和使用 与资源和环境有着密不可分的关系。
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什么是资源
资源通常被解释为“资财之源,一般指天然的财源”(《辞海》)。由于人们在研 究领域和研究角度上存在着差别,资源又有广义、狭义之分。

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(2)不可回收的可耗竭资源
使用过程不可逆,且使用之后不能恢复原 状的可耗竭资源称为不可回收的可耗竭资 源。 其主要指煤、石油、天然气等能源资源, 这类资源被使用后就被消耗掉了。 由于不可回收的可耗竭资源使用过程的不 可逆性,决定了使用机会只有一次 。

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3.1.2 可更新资源
3.1 自然资源分类
资源是指人类可以从自然界获得并用于生 产和生活的物质。 显然,资源是自然环境的重要组成部分, 故通常又称为自然资源。

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3.1.1可耗竭资源

定义:在任何对人类有意义的时间范围内, 资源质量保持不变,资源蕴藏量不再增加 的资源称为可耗竭资源。
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(2)氮循环

在自然界中,氮的化合物倾向于还原状态, 常常存在于和氢化合的物质中,而较少存 在于氧化状态。然而由于工业生产和人为 原因带进环境中的氮几乎都是氧化状态, 如NO,N2O等。
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(2)氮循环
保持环境中氮氧化物的低浓度,对于自然 界的平衡和生态系统的安全是非常重要的。 由于矿物燃料燃烧及工业生产活动强度的 日益剧增,使氮的循环受到了严重的干扰。 目前,大气中的NO2以每年0.2~0.3%的速 度增加,NO2的净增量每年达到了 4×1012mol。
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(2)可更新公共物品资源


不为任何特定的个人所有,但是却能为任何人所 享用的可更新资源是可更新公共物品资源。如公 海鱼类资源、物种、空气等。 特征:消费具有不可分性或无竞争性,是指某人 对某物品的消费完全不会减少或干扰他人对同一 物品的消费;再是消费无排他性,指不能阻止任 何人免费消费该物品。
(1)可回收的可耗竭资源


资源产品的效用丧失后,大部分物质还能够回收 利用的可耗竭资源称为可回收的可耗竭资源。 主要指金属等矿产资源,例如汽车报废后,汽车 上的废铁可以回收利用。 资源的可回收利用程度是由经济条件所决定的。 只有当资源的回收利用成本低于新资源的开采成 本时,回收利用才有可能。 影响可耗竭资源开采量的因素有两个:价格因素 和技术进步。
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(2)氮循环


在生物圈中氮的循环基本模式是植物吸收N2经生物固氮作 用形成硝酸盐、亚硝酸盐、氨、氨基酸,进而合成蛋白质 和核酸,并和其他化合物进一步合成为植物有机体。 除生物固氮以外,闪电和宇宙射线也能使氮被氧化成硝酸 盐。 食物链中成员的分解产物、排泄物在细菌的作用下转变成 氨,亚硝化细菌把氨转化为亚硝酸盐,硝化细菌又进一步 将亚硝酸盐转化为硝酸盐,在循环的末端,反硝化细菌把 硝酸盐转变为分子态氮,又重新返回大气。
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公共物品的可更新资源的非专有性

属于公共物品的可更新资源是非专有的, 非专有性是财产权的一种减弱,它将导致 低效率。这种配制的结果是可更新资源过 度开发,以及在管理、保护和提高生产能 力方面投资不足 。
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3.2 自然资源的蕴藏量

3.2.1 已探明储量 已探明储量是利用现有的技术条件、资源位置、 数量和质量可以得到明确证实的储量。又分为: (1)采储量:为在目前的经济技术水平下有开采 价值的资源。 (2)待开采储量:定义为储量虽已探明,但由于 经济技术条件的限制,尚不具备开采价值的资源。
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资源的枯竭
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资源的枯竭
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资源的枯竭
石油储量中东地区占66.4%,超过了一半, 中南美12.4%,非洲6.2%; 天然气储量的分布,前苏联地区约40%, 中东30%; 煤炭的可开采年数相对较长,为219年。主 要分布区域为美国,前苏联地区, 中国和澳 大利亚,分布区域较广,其资源寿命也比 较长。

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(2)氮循环

氮与碳不同,氮是一个变价元素,它有多 种价态,如:+5,+3,+1,-1,-3等。这 使得氮的循环通过各种价态化合物组成复 杂的途径。
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(2)氮循环

尽管大气圈中的分子态氮N2约占大气组成 的79%(v/v),但是分子态氮对于生命是 无效的。只有通过各种反应将N2转化成其 它形态后,氮才能显示出生命活力。因此, 氮与人类的生存密切相关。

碳是构成有机物质的中心元素和构成地壳 岩石及矿物燃料(煤和石油)的主要成分, 也是构成各种材料,例如钢铁材料、高分 子材料或陶瓷材料的基本元素之一。碳在 钢铁中以间隙原子的形式和化合物的形式 存在,是钢铁材料的一个重要化学元素和 强化元素。
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(1)碳循环:
在自然环境内,碳的循环主要是通过二氧 化碳来进行的。由动物呼吸或矿物燃料的 燃烧生成二氧化碳并放出热量。在生物圈 中二氧化碳的循环(亦构成氧循环的一部 分)主要表现在光合反应中。 反应:6CO2+6H2O+2822J→C6H12O6+6O2

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(1)碳循环:


碳循环始于CO2经绿色植物光合作用固定,以各种碳化物 的形式储存,经过营养级的传递、分解,有一部分经过动 植物的呼吸作用及动植物尸残体的分解转变为CO2,回归 到大气中去;另一部分转入土壤或地下深层,经过漫长的 演化转变成矿物。 由于矿物燃料的燃烧,人类已经在全球尺度上影响CO2的 生物地球化学循环,每年排放到大气中的CO2总量与日俱 增,导致了地球表面热量不断积累,破坏了原来的热量平 衡,形成“温室效应”。
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(1)碳循环:
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(2)氮循环
氮是构成蛋白质的主要元素,而所有生物 体内均含有蛋白质,所以氮的循环涉及到 自然界的各个领域。 氮在材料工业中也起着重要作用。例如氮 在铁中以间隙原子的形式和化合物的形式 存在,是钢铁材料中的一个重要强化元素。 同时氮还是金属基复合材料的一个强化相 的组成元素,如AlN,TiN 等等。

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3.2.4 三个重要的物质循环

自然界内处于千变万化中的物质欲维持质 量——能量守恒,只有通过物质的循环来 实现。一旦物质循环的程序局部发生故障, 即发生环境污染,则整个自然系统就要遭 到破坏。其中碳循环、氮循环、氧循环是 三个最重要的循环。
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(1)碳循环:

能够通过自然力以某一增长率保持或增加 蕴藏量的自然资源是可更新资源。例如太 阳能、大气、森林、鱼类、农作物以及各 种野生动植物等。
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(1)可更新商品性资源

财产权可以确定,能够被私人所有和享用, 并能在市场上进行交易的可更新资源是可 更新商品性资源。例如,私人土地上的农 作物、森林等。
狭义的资源仅指自然资源,联合国环境规划署对资源下过这样的定义:“所谓 自然资源,是指在一定时间、地点的条件下能够产生经济价值的、以提高人类 当前和将来福利的自然环境因素和条件的总称”。 《英国大百科全书》中把资源说成是人类可以利用的自然生成物以及生成这些 成分的环境功能。前者包括土地、水、大气、岩石、矿物及其森林、草地、矿 产和海洋等,后者则指太阳能、生态系统的环境机能、地球物理化学的循环机 能等。
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(1)可回收的可耗竭资源
可回收的可耗竭资源最终仍无法逃脱被耗 竭的命运,但耗竭的速率是可变的,它取 决于市场需求、资源产品的耐用性和回收 利用该产品的程度。 需要强调的是:可回收的可耗竭资源不可 能100%地循环利用。根据化学热力学第二 定律,“在一个封闭的系统内,无限的内 循环是不可能的”。
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