能源与环境工程 第一章 环境与环境科学

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1、第一章 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。 体系人为划定的一定范围内的研究对象，即中心事物。环境即为与某一中心事物有关的周围事物。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。 中华人民共和国环境保护法称“本法所称环境，是指影响人类生存和发展的各种天然的和经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、自然保护区、风景名胜区、城市和乡村等” 。 包括以下两个方面： 自然环境是指人类赖以生存、生活和生产所必需的物质基础 社会环境是指人类活动而形成的各种事物,人们生

2、活的社会经济制度和上层建筑的环境条件,第一节 环境概述 二、环境的组成与分类,环境的组成如下： 自然环境： 物质：空气、土壤、水、岩石、动物、植物、微生物等； 能量：阳光、地热、气温、引力和地磁力等； 自然现象：太阳的稳定性、地壳稳定性（地质构造、地震、火山活动、海啸）、全球水循环、大气流动、水土演变等。 社会环境：综合生产力、科学技术、人工建筑物、人工产品和能量、政治体制、社会活动、法律制度、宗教信仰、文化艺术等。 环境的分类如下： 环境分类依据：空间范围的大小、环境要素的差异、环境的性质等.按照人类生存环境的空间范围可分为： 聚落环境 地理环境土壤圈，其范围大致与水圈和生物圈 相当 地质环

3、境岩石圈部分 宇宙环境大气圈以外,第一节 环境概述 三、环境的形成与发展,60亿年以前，地球是一团的云状气尘物质，演化后形成了地球胎。 46亿年前，地球是一个炽热的大火球，外面包围着原始大气。演化过程中逐步形成原始的 岩石圈：物质的重力分离； 大气圈：上升到地表的还原性气体，无O2； 水圈：地球内部的水蒸气进入大气圈，降雨产生了河流、湖泊、海洋. 35亿年以前，海洋中的元素和小分子化合物在各种能量的作用下，逐步合成了简单有机化合物，演化成具有单细胞结构的厌氧生物（异养 生物）。 20亿年前，出现含有叶绿素的自养原核生物细菌、蓝藻等生物，它们的光合作用、新陈代谢使大气圈中出现O2，使大气环境从还

4、原型向氧化型转变，最终形成了一个含氧的大气圈。 6亿年前，出现海洋动物。随着大气圈O2的增加，大气游离氧在高空积累; 约在4亿年前形成了保护地球的臭氧层，为海洋生物登陆创造了条件，生物圈由水圈扩展到陆地。(古人类出现于在距今大约200300万年前。) 4亿年至2亿年前，首次出现了陆生蕨类植物。 最终在地球上形成微生物、植物、动物的水陆生态系统，即生物圈。,第一节 环境概述 四、环境要素和环境效应,环境要素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基本物质组分，又称环境基质 。分为自然环境要素与社会环境要素，习惯上指自然环境要素 。特点如下： （1）最小限制律 （2）等值

5、性 （3）环境整体性大于环境诸要素的个体之和 （4）环境诸要素相互依赖、相互作用与相互制约。 环境效应指在自然过程和人类活动的综合影响下，物质之间通过物理、化学和生物作用所产生的环境效果，引起环境系统和功能的变化。 （1）环境化学效应 （2）环境物理效应 （3）环境生物效应,第二节 生态学基础 一、生态学概述(1/2),生态学的概念研究生物与环境之间相互关系及其作用机理的科学。 （1）研究生物的个体水平及其对环境的反映； （2）研究影响种群丰富度和种群波动的因素； （3）研究生物群落的结构和功能； （4）研究生态系统的能量流动、食物网（链）和养分循环。 生物与环境的相互作用 （1）生物依赖于环

6、境生物的物质基础元素均来自环境，生物的新陈代谢就是从环境摄取养分和能量，并将废物排弃的过程。 （2）环境因子对生物的影响 非生物环境因子为生物提供必要的生存条件，但同时又可能出现某些限制因子（尤其是营养因子及气候因子）。因此，生物对环境因子有一定的耐受性与适应性。 （3）环境污染对生物的影响环境污染对生物的危害，主要是一些有毒有害物质通过呼吸、消化、感官等系统进入体内，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。,第二节 生态学基础 一、生态学概述(2/2),人类与环境的关系自然环境影响社会活动及其社会发展，人类活动也影响自然环境。 环境保护和资源开发必须为多数人的利益服务避

7、免自然资源的浪费，确保资源的有效利用和无污染废物。 限制影响环境的人类活动所有自然物都有存在的权利。 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，即生态系统失去平衡。,第二节 生态学基础 二、生态系统的组成与结构(1/2),生态系统概念指自然界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，即生命系统与环境系统在特定空间的组合。（相对稳定的动平衡状态）。 生态系统的组成生物环境和非生物环境 非生物环境包括各种环境要素的总和，由所有非生命物质和能量两部分构成，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

8、础。 生物环境由生产者、消费者、分解者三类活动角色组成 生产者（自养生物）。将太阳的辐射能转变为化学能贮存在有机物质的分子结构中。主要是绿色植物，也包括进行光合作用和化学能合成的某些微生物。 消费者（异养生物）。食用植物或相互食用的生物，以动物为主，实现物质与能量的传递与物质的转换。 分解者（腐化性生物）。具有分解能力的细菌和真菌等微生物，某些参与分解活动的动物，将生产者和消费者的残体分解为简单的无机物质，供生产者再吸收利用。 食物关系把多种生物联系在一起，形成食物链。 每一个环节为一个营养级。,第二节 生态学基础 二、生态系统的组成与结构(2/2),生态系统的结构生态系统中各组成成分之间的相

9、互关系。 时间和空间结构空间结构是指生物及环境因素在空间的配置；时间结构是指生态系统的结构随时间变化而产生的变化。 生物多样性结构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。多样性的生态系统是所有物种赖以生存与发展的基础，决定了物种、种群、群落的发展与消亡 营养结构由生物的食物链构成，实现物质与能量的传递与物质的转换。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，就形成生态金字塔。营养级越高的生物，其生物种类、数量和所有生物的能量之和越少。 生态系统的类型自然生态系统、半自然生态系统和人工生态系统； 陆生态系统、水生生态系统和湿地生态系统,第二节

10、 生态学基础 三、生态系统的基本功能(1/2),（一）生态系统中的能量流动 生物与环境、生物与生物之间的能量传递和转换的过程，遵循热力学定律。 特点：能量守恒，只是形态转变； 能量在流动中不断减少（指对下一营养级可利用的），是一种单向流失的过程。 因为： 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； 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； 各营养级不能完全吸收利用上一营养级的能量，通过排泄损失能量。 太阳能量只有约4%被植物有效利用，除了供植物本身生命活动需要外，光合生物能为上一营

11、养级提供的太阳能还不到1.29%，损失70。其它动物也是如此，摄取的能量，能被上一级有效利用的约为10%。食物链不可能太长，生态系统中的营养级最多只有四、五级，很少超过六级。,第二节 生态学基础 三、生态系统的基本功能(2/2),（二）生态系统中的物质循环 C、H、O、N、P、S是是构成生命有机体的主要物质，它们在自然界循环。对人类生存和环境保护来说，最主要的是水、碳、氮、硫的物质循环。 碳循环 氮循环 硫循环,碳 循 环 有机碳：碳水化合物、脂肪、蛋白质； 无机碳：CO2、碳酸盐。,光合生物通过光合作用吸收大气中的CO2和H2O形成碳水化合物，同时释放氧气。 碳水化合物通过食物链逐级往高的营

12、养级流动，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，矿化时也释放出CO2，这些经过生命系统的CO2又重新返回空气中。 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的形式释放到大气中。 CO2通过扩散作用在大气和水体之间循环，进入水体中的CO2会被吸收形成新的碳酸盐岩石，也可以通过死亡动植物的遗骸进入地壳形成化石燃料。,碳的存在形态,氮 循 环,大气中的氮进入土壤和植物：人工固氮非生物固氮植物固氮 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收利用，并与碳结合形成各种氨基酸，最后合成蛋白质 动物直接或间接从植

13、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，回归土壤。 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。,返回,硫 循 环,S主要在大气、海洋和陆地之间进行循环： 进入大气的S：岩石中的硫随火山喷发或风化作用下形成H2S、SO2；海浪飞溅 ；陆地生物残骸分解时生成H2S；化石燃料燃烧。 进入水体的S：海底火山爆发或生物遗骸腐败产生的硫；降水；酸性废水排放。 进入陆地的S：植物吸收；降水；酸性废水排放。,返回,（三）生态系统中的信息传递 信息系统传输和处理的对象

14、，生态系统中的信息是指各种环境因素。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。 营养信息 食物链和食物网构成 。 物理信息 通过物理过程传递的信息。 化学信息 通过化学物质传递的信息。 行为信息 通过生物的异常行为传递的信息。,第二节 生态学基础 四、生态系统的平衡(1/2),生态平衡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、能量流动和信息传递，达到互相适应、相互制约、协调统一的效果，维持一种恒定状态。 包括生态系统中结构上的平衡和功能上的平衡两个方面： 结构平衡主要指生物种类的多样性。 功能平衡指生态系统中物质流动相对恒定，循环保持正常；能量

15、输入和输出接近相等，流动基本守恒；信息网络完整，传递通畅。综合起来，生态系统的稳定性取决于各子平衡系统之间的相互关系。 生态平衡是动态平衡，具有自身调节的能力。当生态系统受到一定程度的外界干扰而引起不平衡时，具有恢复平衡状态的能力。 但干扰超出其承受能力，即一定的限度，达到破坏生态规律的程度，调节就不再起作用，生态平衡就会遭到严重破坏。,第二节 生态学基础 四、生态系统的平衡(2/2),影响生态平衡的因素 生态系统自身调节能力的强弱是生态系统平衡的关键 生物多样性的结构保持一定生物种类和数量的相对稳定 生态功能的完整性生态功能的合理运转 生态平衡失调的原因:外界干扰所施加的压力生态系统自身调节

16、能力 自然因素 人为因素 环境因素的变化 物种的改变 信息系统的破坏,第三节 环境科学 一、环境问题的由来和发展（1/2）,环境问题指由于自然原因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影响问题。 第一环境问题 （原生环境）：自然因素引起 第二环境问题（次生环境）：人类活动引起包括生态环境失调与环境污染 环境问题的出现：真正的环境问题出现在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的生产关系建立，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衡，产生了新的环境问题。 一些工业化的先驱城市和工矿企业区，排出大量污染环境的废弃物，出现了一系列污染环境的事件。如：英国伦敦在18731892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。 此时的环境污染特点：局部、