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。根据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围内的研究对象称为体系,即中心事物。相对于某一中心事物有关的周围事物,就是这个中心事物的环境。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,这里不考虑其对人类的生存与发展是否有影响。对于环境科学来说,中心事物仍然是人类,但环境主要是指与人类密切相关的生存环境。它的涵义可以概括为:,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保护政策都有明确的规定,但这些规定和各国法律对环境的解释又不尽相同。我国颁布的《中华人民共和国环境保护法》中明确指出:“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”。法律明确规定的环境内涵就是指人类的生存和发展环境,并不泛指人类周围的所有自然因素。这里的“自然因素的总体”强调的是“各种天然的和经过人工改造的”,即法律所指的“环境”,既包括了自然环境,也包括了社会环境。所以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各种天然的和经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、海啸等地壳的稳定性和太阳的稳定性等。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,自然环境就是直接或间接影响到人类生存和发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。地球环境对于人类生存具有特殊的重要意义,它为人类提供了主要的活动场所以及必要的物质基础。到目前为止,在千万亿个天体中,能适于人类繁衍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,理论上它的范围无穷大,某些星体的存在会影响到地球环境,例如月球引力会对海水的潮汐产生影响。
在现阶段,人类活动的范围还主要限于地球,月球对人类的生存和发展影响非常小,因此没有把月球视为人类的生存环境。但是,随着空间科学和宇航事业的发展,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,经过加工和改造了的自然物质,以及所积累的物质、精神、文化等构成的总和,是人类长期生存发展活动的必然产物。社会环境的发展与变化直接影响到自然环境的发展与变化,它既可以对人类社会进一步发展起促进作用,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影响是综合性的,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影响环境、使自己的身体适应环境,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 (Hierarchical System)。
环境分类一般按照空间范围的大小、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。如果按照环境要素来分类,可以分为大气环境、
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围,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、计划地利用和改造自然环境而创造出来的生存环境,是与人类的生产和生活关系最密切、最直接的工作和生活环境。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城市。显然,随着聚居环境的变迁和发展,
为人类提供了安全清洁和舒适方便的生存环境。但是,聚落环境乃至周围的生态环境由于人口的过度集中、人类缺乏节制的频繁活动、以及对自然界的资源和能源超负荷索取同时受到巨大的压力,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10~20 km,包括了全部的土壤圈,其范围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发展密切相关的,直接影响到人类衣、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、生物圈都是它的子系统。
每个子系统在整个系统中有着各自特定的地位和作用,非生物环境都是生物(植物、动物和微生物)赖以生存的主要环境要素,它们与生物种群共同组成生物的生存环境。这里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
地质环境主要指地表以下的坚硬地壳层,也就是岩石圈部分。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,厚度范围一般为几十米至几公里。实质上,地理环境是在地质环境的基础上,在星际环境的影响下发生和发展起来的,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释放出来,参加到地理环境中去,再经过复杂的转化过程又回到地质环境或星际中。如果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,特别是丰富的矿产资源,即难以再生的资源,它对人类社会发展的影响将与日俱增。
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、弥漫物质、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主要的能量。太阳的辐射能量变化和对地球的引力作用会影响地球的地理环境,与地球的降水量、潮汐现象、风暴和海啸等自然灾害有明显的相关性。随着科学技术的发展,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遗弃的废物,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、环境的形成与发展
地球环境是在几十亿年漫长的过程中逐渐演化而成,它与生命体的产生和发展进化密切相关。根据“星云假说”理论,距今60亿年以前,地球还是一团没有凝集在一起的云状气尘物质,
经漫长时间的演化,形成了地球胎。大约46亿年前,地球是一个炽热的大火球,外面包围着原始大气,随着放射性元素转化产生的热能聚集,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、碳酸盐类物质逐渐上升成地表,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,其主要成分为还原性气体,如CO
2
、CO、CH
4
、NH
3
和H
2
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,为地球生命的出现创造了最基本的条件。
大约35亿年以前,原始海洋中的元素和小分子化合物,如CH
4
、CO、N
2
、NH
3
、H
2
O等,在
β射线、γ射线、雷电及热能等各种能量的作用下,逐步合成了生命的基本要素如氨基酸、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收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,出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征,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出现了O
2
,并减少大气中的CO
2
,逐渐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发展的氧化型转变。
经过大约4亿年的积累,终于形成了一个含氧的大气圈。6亿年前,海洋中出现动物。随着大气圈O
2
含量的逐步增加,具有活泼化学性质的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。臭氧层能吸收强烈的宇宙紫外线,为更高等的海洋生物进化和生命登陆创造了条件。水生生物的登陆表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,逐渐形成现代地表分布,出现了高山峡谷、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12亿年前出现最早的真核生物后,5亿年前出现海洋无脊椎动物,约4亿年至2亿年前,首次出现了陆生蕨类植物,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。陆生植物的繁茂昌盛,加速提高大气中的O
2
水平,
需氧动物逐步在陆地上繁衍,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2亿年前出现哺乳类动物。如今,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C O
2
转移到岩石圈中,形成了大量的碳酸盐岩石,逐渐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,为植物的昌盛建立了基础,进而促使哺乳动物大量发展,也为人类的诞生创造了良好条件。
古人类出现于在距今大约200~300万年前。人类是物质运动,即地球的地表环境发展到一定阶段的产物,而环境是人类生存与发展的物质基础。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,就是在人类的进化过程中,由简单到复杂、由低级到高级、经过人工改造加工而发展形成的。
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基本物质组分,又称环境基质。通常,环境要素可以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,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基本结构单元,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,这样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。环境要素具有如下非常重要的特点,
(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控制环境质量的高低,而不是由环境诸要素的平均状态决定,也不能采用处于优良状态的环境要素去代替和弥补。所以,人们在改善整个环境质量时,首先应改造最劣的要素。
(2)等值性。等值性说明环境要素对环境质量的作用。各个环境要素无论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,那么对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密切联系,前者主要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。也就是说,环境整体性质能够体现环境诸要素的某些特征,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)环境诸要素相互依赖、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发展依次形成。每一新要素的产生,都会给环境整体带来非常大的影响。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,形态转换,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。物质之间在综合环境条件影响下进行的化学反应所引起的环境效果。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效果。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效果。例如,气候变化引起的生物种群的突然消失,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殖受到影响;生活和工业废水大量