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1、環境科學概論環境科學概論(Introduction to Environmental Science)第一章、緒論Natural capital refers to the earths natural resources and the ecological systems that provide vital life-support services to society and all living things. These services are of immense economic value; some are literally priceless, since they
2、 have no known substitutes. Yet current business practices typically fail to take into account the value of these assets which is rising with their scarcity.As a result, natural capital is being degraded and liquidated by the very wasteful use of resources such as energy, materials, water, fiber, an
3、d topsoil. (http:/www.rmi.org/sitepages/pid156.php)“Asustainable society is one which satisfies its needs without diminishing the prospects of future generations.“ Lester R. Brown, Founder and President, Worldwatch Institute (http:/www.nps.gov/sustain/spop/def.html)問題： 1. 1.何謂自然(地球)資產(natural capita
4、l)？什麼是永續社會(sustainability)？(李載鳴, p.2-4) 2. 2.何謂指數成長(exponential growth)？何謂直線成長(linear growth)？人口成長以何種形 式增加？(李載鳴, p.4-5) 3. 3.何謂人口加倍時間(doubling time)？(李載鳴, p.5) 4. 4.簡述資源(resources)的分類，人類如何使用地球上的資源？(李載鳴, p.7-11) 5. 5.簡述開發中與已開發國家對資源利用及環境破壞的差異。(李載鳴, p.14) 6. 6.簡述污染(pollution)的類型，人類如何預防及減少污染？(李載鳴, p.12)
5、 7. 7.簡述現今主要環境及資源問題(major environmental and resource problems)。 8. 8.簡述造成環境問題的主要原因有那些？(李載鳴, p.13-14) 9. 9.簡述Paul Ehrlich 相反，如果一種生物對某一生態因子的耐受範圍很窄，而且這種因 子又易於變化，那麼這種因子就特別值得詳細研究，因為它很可能就是于種限制因子。例如， 氧氣對陸生動物來說，數量多、含量穩定而且容易得到，因此一般不會成為限制因子(寄生生 物、土壤生物和高山生物除外)，但是氧氣在水體中的含量是有限的，而且經常發生波動，因 此常常成為水生生物的限制因子，這就是為什麼水生
6、生物學家經常要攜帶測氧儀的原因。限 制因子概念的主要價值是使生態學家掌握了一把研究生物與環境複雓關係的鑰匙，因為各種 生態因子對生物來說並非同等重要，生態學家一旦找到了限制因子，意味著找到了影響生物 生存和發展的關鍵性因子，並可集中力量研究它。2-7 簡單說明生態系中的限制因子為何? 陸域生態系：氣溫，水(降雨量的多寡)，陽光，土壤養分。依照氣溫和降雨量可以分為： 沙漠 (Desert):750mm/yr l 北方針葉林 (Taiga/Boreal forest) l 溫帶落葉林 (Temperate deciduous forest) l 溫帶雨林 (Temperate rain fores
7、t) l 熱帶雨林 (Tropical rain forest) l 熱帶落葉林 (Tropical deciduous forest) 水生生態系 ：水中鹽度，陽光，氣溫，溶氧量。水中鹽度為特定體積水中不同溶解鹽的總量。 依照水中鹽度可以分為： 淡水生態系統(Freshwater ecosystem) l 湖泊(Lakes and Ponds) l 濕地(Wetlands); 沼澤(Marshes and Swamps) l 河流(Rivers and Streams) 海水、淡水交會區(Aquatic ecotones) l 河口(Estuaries) 海水生態系統(Marine ecos
8、ystem) l 海岸(Intertidal zone) l 淺海(Neritic zone) l 遠海(Oceanic zone)2-8 請說明何謂生態金字塔? 試舉例說明各類金字塔的特質 生態金字塔為一種表示營養層級間關係的圖形, 最下層為生產者, 初級消費者在第二層, 次 級消費者及三級消費者分別居第三, 第四層, 可利用能量, 生物量或物種族群數量等方式繪 成。 能量流金字塔均為直立金字塔型, 因為能量品質隨著能量第二定律自動減少, 能量流金字塔 也說明了如果人類直接攝食低層級的營養食品, 如榖類, 蔬菜, 水果等, 而不是越過這一層級, 去攝取更高層級的食物, 則地球可提供更多的人口
9、生存。大量的能量在營養層級間傳遞時流 失的現象, 說明了為何食物鏈或食物網中鮮少比四級或五級消費者還高層的生物。大多數案 例顯示, 當能量經由四級或五級消費者遞移後,剩下能再利用的能量是少之又少, 根本無法再提供足夠的能量給更上層的生物, 此亦說明為何較高層的肉食動物, 如老鷹, 老虎, 白鯨等生 物的數量極少, 且當環境受干擾時, 這些動物通常也是首先遭殃的, 因此很容易滅絕。 生物量金字塔為生態系統中儲藏在營養層級中的生物量, 它是依生物的營養層級分類排序, 乾燥, 稱重後得到各層級的生物量。因典型的生態關係中通常生產者較多, 並無太多的初級消 費者, 但有少數的二級消費者, 因此通常如直
10、立的金字塔, 而並非每一種生態環境均為直立 的塔型。如在開放的水域生態系統, 一級消費者(浮游動物)的物質量, 在實際上是多過產者(多 為微小浮游植物且成長和生產快速, 而非緩慢成長及生產的大型植物), 大部分浮游動物吃浮 游植物的速度和浮游植物的生產速度一樣, 因此生產者的族群從未非常多, 因此此圖非垂直 的金字塔。 數量金字塔是由營養層級中生物的數量所建立成的, 如 1 萬公噸的綠草可供 2 千 7 百萬隻蚱 蜢生存, 這些蚱蜢可供 9 萬隻表蛙攝取, 這麼多青蛙能滿足 300 隻鱒魚, 然而對一個人而言, 300 隻鱒魚僅足以提供作為 30 天的食物, 數量金字塔在某些生態系統上也不一定
11、繪成傳統的 金字塔圖形, 如溫帶森林, 只有少量的生產者(樹), 卻必需供給大量的小型級消費者(昆蟲)。2-9 請簡單說明生態系統中的 C、H、O 循環。 綠色植物從空氣中取得二氧化碳，通過光化合作用，把二氧化碳和水轉變成簡單的糖，同時 釋出氧氣，供消費者攝取。在消費者呼吸過程中又釋放出二氧化碳，再被植物利用。這是碳 循環的一個方面。其二，死亡的生物殘體被微生物分解，把蛋白質、脂肪和碳素分解氧化成 二氧化碳、水和無機鹽，其中二氧化碳可以再被植物吸收利用，參加生態系統的再循環。其 三，化石燃料（煤、石油、天然氣等）是地球史上埋藏於地層中的生物殘體的珍成物。當人 類燃用這類燃料時，大量的二氧化碳被
12、釋放到大氣中，加入到碳循環中。其四，一部分的生 物殘體在地層中形成碳酸鹽，沉積於海底，形成新的岩石，使這一部分碳較長時間貯藏於地 層中，暫時退出碳循環。相反，在火山爆發時，地層中一部分碳又重新返回到大氣層，參加 生態系統的物質再循環。 a.碳的循環：碳在大氣中主要以二氧化碳的形式呈現。生物性的碳循環最終是與氧循環相關 的，因為無論何時，氧經由生命過程循環時，碳必陪伴之。碳藉由光合作用加入有機組織內， 又由呼吸作用釋出，並且衰敗。然而，碳循環總量中僅有一半以下是經由生物性或其他有機 途徑而發生的。大氣的二氧化碳易溶於水，而一些溶解性分子由海中逃逸於空氣中。這個變 化呈動力平衡（dynamic e
13、quilibrium）的發生，也就是說，大氣二氧化碳分子穩定地被溶於海 洋，而先前溶解的那些 CO2 又穩定地從海水逃逸至空氣。溶解的化合物對大氣碳化合物的比 值淨變化（net change）甚少。這個地質化學的循環與任何生活過程無關；它是二氧化碳與水 的化學上原本就具有的性質。一些溶解的二氧化碳與海水反應形成碳酸鹽（carbonates） ，一 般成碳酸鈣而沉降於海洋底層，乃以無機沉澱物（可灰可）的形式，而呈各種海洋生物的骨 骼成份。這種損失一部份被內陸水（inland water）的作用而均衡，內陸水緩慢地溶解積存於 陸地的石灰石，而將碳酸鹽携入海洋。 b.氧的循環：氧在地球上的呈現狀況是
14、為氣態的分子（O2） 、氣態二氧化碳（CO2）中的一種 化學成分、水（H2O）的一種組成，以及許多有機化合物，諸如糖類、澱粉和蛋白質中的一 種重要元素。許多可溶性離子，諸如硝酸鹽離子（NO3-）或碳酸鹽離子（CO3-）的一種組成， 並為地球礦物殼層的一種主要成分。氧確實在岩石與氣或液態之間發生了地質化學的交換現 象，但較之其他形式的改變則為很慢的。目前，最常見的氧循環是由有機過程為始。植物在 陽光的存在下，將二氧化碳與水化合，合成碳水化合物，並釋放出氧作為副產物：此一過程 稱為光合作用（phostosynthesis） 。植物組織中的大多數分子均含有氧這個元素。異營生物不 能由二氧化碳與水來建
15、造糖類，因而消耗本物並同化，成為它們自己的複雜化學物質，氧亦 包含於內。當這些化學物質經由食物網而移至其他順序的消耗者時，它們最終全部以呼吸作 用或其他氧化過程轉變成二氧化碳及水。有機的氧参與這些轉變，因此它亦一路進入 CO2與 H2O 分子內：於是就完成了整個循環，因為二氧化碳與水可再被利用為生原料 （new materials）而供作新合成之用。2-10 請簡單說明生態系統的氮循環. 雖然在對流層中 78%的氣體為氮(N2),然而他並不能直接供給多細胞植物及動物吸收利用,幸 好藉由閃電和某些細菌可將氮轉化為氮化合物,隨著食物網的循環供給生物氮營養物質,稱為 氮循環(Nitrogen cyc
16、le),其中包括固氮作用、硝化作用、同化作用、氨化作用、脫硝作用。 氮元素循環主要依賴微生物的作用，固氮作用於豆科植物的根瘤細菌，大部分生物無法直接 利用空氣中的 N2，必須轉化成氨硝酸態或亞硝酸態才能被植物吸收，生物的固氮作用靠少數 固氮菌（如根瘤菌、固氮桿菌）及部分藍綠藻利用固氮作用把 N2轉換成 NH3。另外，空 氣中的氮也可經閃電作用變成硝酸（NO3-）溶於雨水中進入土壤，而被植物根部吸收。 還有人工合成氮肥也是方法之一。植物被動物攝食後，植物性蛋白質將轉變成動物性蛋白質。 動物排泄物、排遺物、遺體中的氮化合物則將經由細菌或真菌的分解氧化轉變成氨，此過程 稱為氨化作用 。氨化作用所產生的氨一部分回到大氣中，一部分則可能經細菌的硝化作 用變成硝酸鹽而繼續被植物所吸收利用。在缺氧的情況下，硝酸鹽經由細菌脫氮作用 還原成氮氣回到大氣中，繼續循環。整個氮循環就是經由上述固氮作用、硝化作用及脫氮作 用等構成。2-10 請簡單說生態循環中的氮循環 氮是地球上存量最多的氣體，但常是生物生產量的限制因子，因為氣態的 N，一般生物是不 能直接利用的。一般植物只能吸收 N
