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1、第一章第一章 地球环境的地球环境的基本特征基本特征第1页，本讲稿共36页主要参考书：主要参考书：1、环境保护与可持续发展、环境保护与可持续发展 奚旦立编著奚旦立编著 高等教育出版社高等教育出版社2、环境学导论、环境学导论 何强等何强等 编著编著 清华大学出版社清华大学出版社第2页，本讲稿共36页参考网站：参考网站：1、中国可持续发展信息网、中国可持续发展信息网 （）2、中国环保网（、中国环保网（）3、绿色中华环境保护网、绿色中华环境保护网 （）第3页，本讲稿共36页平时出勤占平时出勤占30。期末考试占期末考试占70(考试方式待定），试题内容考试方式待定），试题内容基本出自教材（要求熟读教材内容
2、）。基本出自教材（要求熟读教材内容）。课程要求及考核：课程要求及考核：第4页，本讲稿共36页第一篇第一篇 地球环境与生态系统地球环境与生态系统第一章第一章 地球环境的基本特征地球环境的基本特征1 1 地球环境的圈层构造地球环境的圈层构造一、地球环境及其组成一、地球环境及其组成 环境科学的研究对象环境科学的研究对象环境科学的研究对象环境科学的研究对象 地球环境地球环境地球环境地球环境其他生物其他生物其他生物其他生物和非生物和非生物和非生物和非生物物质物质物质物质环境要素环境要素环境要素环境要素第5页，本讲稿共36页 自然环境自然环境自然环境自然环境人类环境人类环境人类环境人类环境 社会环境（人工
3、环境）社会环境（人工环境）社会环境（人工环境）社会环境（人工环境）自然环境：自然环境：自然环境：自然环境：直接或间接影响人类生活、生产的生物直接或间接影响人类生活、生产的生物直接或间接影响人类生活、生产的生物直接或间接影响人类生活、生产的生物 有机体、无机体（空气、岩石、水、土有机体、无机体（空气、岩石、水、土有机体、无机体（空气、岩石、水、土有机体、无机体（空气、岩石、水、土 壤等）等。它是人类发生、发展与生存壤等）等。它是人类发生、发展与生存壤等）等。它是人类发生、发展与生存壤等）等。它是人类发生、发展与生存 的物质基础。的物质基础。的物质基础。的物质基础。人工环境：人工环境：人工环境：人
4、工环境：由于人类活动而形成的各种事物。它包由于人类活动而形成的各种事物。它包由于人类活动而形成的各种事物。它包由于人类活动而形成的各种事物。它包 括由人工形成的物质、能量和精神产品，括由人工形成的物质、能量和精神产品，括由人工形成的物质、能量和精神产品，括由人工形成的物质、能量和精神产品，以及人类活动中所形成的人间关系，如经以及人类活动中所形成的人间关系，如经以及人类活动中所形成的人间关系，如经以及人类活动中所形成的人间关系，如经 济基础、政治体制等。济基础、政治体制等。济基础、政治体制等。济基础、政治体制等。第6页，本讲稿共36页二、地球环境的独特性二、地球环境的独特性观点一：观点一：观点一
5、：观点一：地球环境丰富多样，适合生物的生存和繁衍，地地球环境丰富多样，适合生物的生存和繁衍，地地球环境丰富多样，适合生物的生存和繁衍，地地球环境丰富多样，适合生物的生存和繁衍，地球的独特性就在于它具备其他天体所不具备的上述条件。球的独特性就在于它具备其他天体所不具备的上述条件。球的独特性就在于它具备其他天体所不具备的上述条件。球的独特性就在于它具备其他天体所不具备的上述条件。观点二（盖娅理论）：观点二（盖娅理论）：观点二（盖娅理论）：观点二（盖娅理论）：地球的独特性在于它是一个靠生命来地球的独特性在于它是一个靠生命来地球的独特性在于它是一个靠生命来地球的独特性在于它是一个靠生命来捕获、转移和储
6、存太阳辐射能，靠生命活动来驱动地球捕获、转移和储存太阳辐射能，靠生命活动来驱动地球捕获、转移和储存太阳辐射能，靠生命活动来驱动地球捕获、转移和储存太阳辐射能，靠生命活动来驱动地球表层的物质元素循环，靠生命过程来调控并保持其远离表层的物质元素循环，靠生命过程来调控并保持其远离表层的物质元素循环，靠生命过程来调控并保持其远离表层的物质元素循环，靠生命过程来调控并保持其远离天体物理学平衡的开发系统。也就是说，不是地球上天体物理学平衡的开发系统。也就是说，不是地球上天体物理学平衡的开发系统。也就是说，不是地球上天体物理学平衡的开发系统。也就是说，不是地球上“优越优越优越优越”的环境条件创造了生命，而是
7、生命活动创造了今天地球的环境条件创造了生命，而是生命活动创造了今天地球的环境条件创造了生命，而是生命活动创造了今天地球的环境条件创造了生命，而是生命活动创造了今天地球的环境。的环境。的环境。的环境。第7页，本讲稿共36页三、地球各圈层的发育三、地球各圈层的发育主要经历的阶段：主要经历的阶段：水的出现水的出现 (38(38亿年前）亿年前）生命的出现（起源于海洋）生命的出现（起源于海洋）COCO2 2的放出的放出含氧大气圈的形成（含氧大气圈的形成（1616亿年前）亿年前）生物圈的形成生物圈的形成土壤的形成（碳酸盐岩石风化）土壤的形成（碳酸盐岩石风化）第8页，本讲稿共36页22 人类与地球各圈层的关
8、系人类与地球各圈层的关系一、人类与大气圈大气圈的结构大气圈的结构 对流层平流层热成层中间层逸散层第9页，本讲稿共36页1对流层对流层位于大气圈的最下层，平均厚度为12km，是大气圈中最活跃的一层，存在强烈的垂直对流作用和水平运动。对流层中水汽和尘埃含量较高，雷电、雨雪、云雾、霜、雹等天气现象与过程都发生在这一层，对人类影响也最大。通常所指的大气污染就是对此层而言。对流层的另一重要性质是大气温度随高度增加而下降，其平均递减率为-6.5/km。2平流层平流层位于对流层顶至大约50km的高度，也叫同温层。其下部有一明显的稳定层，温度基本不随高度而变化，近似等温状态。稳定层以上，温度又随高度增加而上升
9、，这主要是由于地表辐射影响的减少和氧及臭氧对太阳辐射吸收加热，使大气温度上升。这种温度结构抑制了大气的垂直运动，大气以水平运动为主。由于水汽和尘埃含量极少，平流层中没有云雨等天气现象。在大约50km的高度上气温达到最高值，这就是平流层顶。第10页，本讲稿共36页3中间层中间层位于平流层顶到大约80km的高度，温度随高度增加而下降，到中间层顶达到最低值，是大气圈中最冷的一层。该层中又有大气的垂直对流运动。虽然水汽浓度极低，但由于对流运动的发展，在某些条件下能出现夜光云。在约60km高度，大气分子开始电离。因此，6080km高度是均质层向非均质层的过渡层。4热成层热成层位于中间层顶以上，又称增温层
10、或电离层，温度随高度增加急剧上升，到约1000km高度时，白天温度可达10001750K。该层空气分子在各种射线作用下大都发生电离，成为原子、离子和自由电子，电离层之名因此而得。5逸散层逸散层位于热成层之上，也称外大气层，是大气圈的最外层，大约延伸至800km的高度。这里大气极其稀薄，地心引力微弱，大气质点之间鲜有碰撞。有些运动速度较快的质点完全摆脱地球引力而逸入宇宙空间。第11页，本讲稿共36页第12页，本讲稿共36页地球大气的精细平衡地球大气的精细平衡地球各圈层，尤其是生物圈各组分，与大气圈保持着十分密切的物质和能量的交换，使大气各组分之间保持着极其精细的平衡。比如，氧的平衡：生活在低海拔
11、的人会经受高山反应生活在低海拔的人会经受高山反应浓度过低浓度过低浓度过低浓度过低之苦；之苦；氧化反应受到抑制，氧化反应受到抑制，COCO等有毒气等有毒气体将积累在大气圈。体将积累在大气圈。浓度过高浓度过高浓度过高浓度过高雷电就能点燃嫩枝和草地，造成火雷电就能点燃嫩枝和草地，造成火灾，使全球植被遭到破坏灾，使全球植被遭到破坏。大气中大气中氧气的氧气的浓度为浓度为21%21%，第13页，本讲稿共36页二、人类与水圈二、人类与水圈水圈：海洋和陆地上的液态水和固态水构成了一个大体连续的圈层覆盖在地球表面，称为水圈。第14页，本讲稿共36页水的优异的自然性质决定了它对人类和生态环境的特殊意义：1、水是无
12、色透明的，它允许太阳光中的可见光和波长较长的紫外线部分可以透过，使光合作用所需的光能能够到达水面以下的一定深度，而对生物体有害的短波紫外线则被阻挡在外。这不仅在地球上生命的产生和进化过程中起了关键性的作用，今天对生活在水中的各种生物也具有重要意义。2、水是一种极好的溶剂，为生命过程中营养物和废弃物的传输提供了最基本的媒介。而且水的介电常数在所有的液体中是最高的，使得大多数离子化合物能够在其中溶解并发生最大程度的电离，这对营养物质的吸收和生物体内各类生化反应的进行具有重要意义。第15页，本讲稿共36页3、除液氨外，水的比热是所有的液体和固体中最大的，为4.18J/（g）。此外，水的蒸发热也极高，
13、在20下为2.4kJ/g。正是由于这种高比热、高蒸发热的特性，地球上的海洋、湖泊、河流等水体，白天吸收到达地表的太阳光的热量，夜晚又将热量释放到大气中，避免了剧烈的温度变化，使地表温度长期保持在一个相对恒定的范围内。月球表面都是岩石，石头的比热只有水的20，所以月球表面的气温变化可以从+120到-150。4、水在4时的密度最大，这一特性在控制水体温度分布和垂直循环中起着重要作用。在气温急剧下降的夜晚，水面上较重的水层向水底沉降，与下部水层更换，这种循环过程使得溶解在水中的氧及其他营养物得以在整个水域分布均匀，当水体趋于一种稳定状态，水底温度是4，在这一层中水生物可以幸存。5、冰轻于水。冰的密度
14、比水小，只有0.92g/m3，可以浮在水面上。这一特性对水下生物具有十分重要的意义。否则，气温降低时水面结成的冰会沉入水底，从而导致整个水体完全冻结，给水下生物带来灭顶之灾。第16页，本讲稿共36页地球是一个水量丰富的“水球”，全世界的总水量约有14108km3之多，但是它的存在形式多种多样，如海洋水、冰川水、湖泊水、沼泽水、江河水、土壤水、大气水和生物水等。地球上水量分布地球上水量分布 单位：%总水量分布淡水量分布海水 97.3冰盖、冰川 77.2淡水 2.7地下水、土壤水 22.4湖泊、沼泽 0.35大气 0.04河流 0.01第17页，本讲稿共36页近代人类在其生产活动中，给水圈带来各种
15、各样的影响，这些影响有：（1）兴建大型水库：科学技术的发展，使人类有可能修建库容以亿立方米计的大型水库，迄今全世界水库的总库容已达2000km3，成为一种稳定可靠的水源。但是，水库也常常产生一些不良的生态效应，甚至触发地震。（2）大量开采地下水：地下水以其水量丰富、水质优良和供应稳定而备受青睐，成为许多地区的主要水源。然而，地下水的过度开采造成了严重的环境问题。地下水位大幅度下降乃至地下含水层的枯竭。此外，过度抽取地下水的另一环境效应是地面沉陷。我国不少沿海城市巳发生这种现象。第18页，本讲稿共36页（3）小河流渠道化：所谓渠道化（channelization）就是为了防洪的目的把整条小河流或
16、某一河段取直、加宽、挖深。渠道化的最大利益就是有利于排水防洪，使两岸农田和城镇，免遭洪水威胁。但是，渠道化改变了河流的物理特性，并有可能对水生生态系统带来灾难性影响。（4）湖泊的泯灭：湖泊的存在只是一种过度现象，因为它终究会被入流的泥沙和湖泊中的水生生物残体充填，逐渐演变为沼泽直至最后消亡。但是，这种自然过程由于人类活动而大大加速了。湖泊面积和水量往往在短时期内发生戏剧性变化，甚至导致一些湖泊完全干涸。第19页，本讲稿共36页三、人类与土壤圈三、人类与土壤圈 土壤：土壤：土壤：土壤：地球陆地上能提供植物生长与繁殖的疏松表地球陆地上能提供植物生长与繁殖的疏松表 层，土壤圈是与大气圈、水圈同样重要
17、的第三层，土壤圈是与大气圈、水圈同样重要的第三大环境要素。大环境要素。尽管人类日益紧迫地面临土地匱缺的问题，但是，尽管人类日益紧迫地面临土地匱缺的问题，但是，人类在其经济、政治和军事活动中仍然有意无意地伤人类在其经济、政治和军事活动中仍然有意无意地伤害关系到人类衣食住行的土壤圈。人类对土壤圈较严害关系到人类衣食住行的土壤圈。人类对土壤圈较严重的影响包括荒漠化、水土流失、盐漬化和水涝，以重的影响包括荒漠化、水土流失、盐漬化和水涝，以及土壤污染等方面。及土壤污染等方面。第20页，本讲稿共36页四、人类与岩石圈四、人类与岩石圈岩石圈：人类生存环境中最下面的一个圈层，又是地岩石圈：人类生存环境中最下面
18、的一个圈层，又是地岩石圈：人类生存环境中最下面的一个圈层，又是地岩石圈：人类生存环境中最下面的一个圈层，又是地 球内部各圈层的最外层。球内部各圈层的最外层。球内部各圈层的最外层。球内部各圈层的最外层。由于人口的持续增长和技术的迅速进步，对矿产与能由于人口的持续增长和技术的迅速进步，对矿产与能源的需求与日俱增，传统原料与燃料行将耗竭，因此，人类源的需求与日俱增，传统原料与燃料行将耗竭，因此，人类必须迅速实现向新材料与新能源的转变。必须迅速实现向新材料与新能源的转变。此外，岩石圈又是其上面各圈层的基础，并且与此外，岩石圈又是其上面各圈层的基础，并且与各圈层相互作用，进行着物资与能量的交换。对岩石圈
19、各圈层相互作用，进行着物资与能量的交换。对岩石圈的任何干预，也必将对其他圈层发生影响。的任何干预，也必将对其他圈层发生影响。第21页，本讲稿共36页（一）化石燃料从人类全部历史来看，化石燃料大规模使用的历史尚不足200年。历史上长期使用的燃料是薪柴、木炭、作物秸秆和畜粪。进入20世纪以后，煤炭才开始占主导地位。石油更是一个后来者，从1920年起其开采量大幅度上升，开始了能源供应的“石油时代”。从1929年至1971年，世界煤炭产量增长了70，同期石油产量增长了1000。化石燃料是在漫长的地质年代里形成的，属于不可再生能源。为了维持人类社会的可持续发展，必须尽快把能源消费从不可再生能源转变为可再
20、生能源。因为新能源的开发，新技术与新设备（如核聚变与太阳能发电等）也要消耗大量能量，现存的能源应该用以实现这种转变。因此，未来几十年能源的利用可能决定人类文明的未来。第22页，本讲稿共36页（二）矿物原料大约在公元前6000年人类首次学会从矿石中提取金属，进入青铜时代。公元前1600年又学会了提炼更坚硬的铁，进入铁器时代。3000年以后，到了公元1709年，英国人达比发明了用焦炭作燃料熔炼铁，才进入近代的钢铁时代，钢铁也成了现代一切工业的基础。岩石圈内的矿物资源随人类开发能力的增强而不断满足着人类的需要，人类利用矿物原料的种类与数量与日俱增。人类开发利用化石燃料和矿物原料的同时，也对环境造成一
21、定程度的影响。由于人口的持续增长和技术的迅速进步，对矿产与能源的需求与日俱增，传统原料与燃料行将耗竭。如何迅速实现向新材料与新能源的转变，已经成为关系到人类未来生存与发展的要务。第23页，本讲稿共36页第24页，本讲稿共36页五、人类与生物圈五、人类与生物圈生物圈生物圈生物圈生物圈：指地球上有生命的部分，即地球上所有的生：指地球上有生命的部分，即地球上所有的生物，包括人类及其生存环境的总体。此外，还包物，包括人类及其生存环境的总体。此外，还包括某些休眠形式生命的括某些休眠形式生命的“副生物圈副生物圈”（parabiospere)parabiospere)。生物圈是地球上最大的生态系统，包括从海
22、平面生物圈是地球上最大的生态系统，包括从海平面以下以下10km10km到海平面以上到海平面以上9km9km的范围。在这个范围的范围。在这个范围内有正常的生命存在，生态系统内部不断进行内有正常的生命存在，生态系统内部不断进行着物质、能量和信息的交换与循环。着物质、能量和信息的交换与循环。第25页，本讲稿共36页生物圈的发育经历了大约30亿年的历程。从30亿年前出现原始细菌开始，20亿年前出现了能进行光合作用的固氮生物，释放出氧气，并在约16亿年前形成了含氧气的大气圈。陆续出现了多细胞生物（7亿年前），无脊椎动物（5亿年前），以及哺乳类动物（2亿年前）。由于地壳的变化、气候的变异和其他种种原因，有
23、些物种消亡了，新的物种产生了，形成了今天由大约107物种组成的五彩缤纷的生物圈。生物圈是地球上最大的生态系统，包括从海平面以下10km到海平面以上9km的范围。在这个范围内有正常的生命存在，生态系统内部不断进行着物质、能量和信息的交换与循环。第26页，本讲稿共36页距今时间(108a)大事记地质构造（地层）化石0 人类锡伐利克地层（印度）拉马古猿 最早的陆地动物上志留纪拉德洛统（英国）顶囊蕨最早的多细胞动物艾狄卡拉山地层（澳大利亚）Springgina10 最早的真核细胞上贝客泉地层（美国加州）未定名 一氧化大气圈形成20 最早的光合和固氮生物燧石藻地层（加拿大安大略省）燧石藻30 最早的已知
24、生物无花果地层（非洲）原始细菌 地壳中最初的岩石海洋形成40 地壳、地幔与地核分化地壳收放射性加热熔融45 地球形成注：本表引自G.E.Hutchinson.生物圈.北京:科学出版社，1974。第27页，本讲稿共36页第二章第二章 生态系统生态系统1生态系统的基本概念生态系统的基本概念定义：生态系统包括人类本身和人类的生命支持系统生态系统包括人类本身和人类的生命支持系统大气、水、生物、土壤和岩石，这些要素也在大气、水、生物、土壤和岩石，这些要素也在相互作用构成一个整体，即人类的自然环境。除此相互作用构成一个整体，即人类的自然环境。除此之外，还存在许多人工生态系统，例如，农田、果之外，还存在许多
25、人工生态系统，例如，农田、果园等园等。第28页，本讲稿共36页特性：特性：具有能量流动、物质循环和信息传递三大功能具有自我调节的能力是一种动态系统第29页，本讲稿共36页生态系统的组成、结构和类型生态系统的组成、结构和类型无机物有机化合物组成气候因素生产者分解者第30页，本讲稿共36页类型：类型：生产者（自养生物）按照其在生态消费者（异养生物）系统中的功能分解者（又称还原者）水生生态系统根据地理条件的不同陆地生态系统。第31页，本讲稿共36页四、食物链和食物网四、食物链和食物网 食物链：各种生物之间存在着取食和被取食食物链：各种生物之间存在着取食和被取食 的关系，称为食物链。的关系，称为食物链
26、。自自然然界界中中实实际际存存在在的的取取食食关关系系要要复复杂杂得得多多，许许多多食食物物链链经经常常互互相相交交叉叉，形形成成一一张张无无形形的的网网络络，把把许许多多生生物物包包括在内，这种复杂的捕食关系就是食物网。括在内，这种复杂的捕食关系就是食物网。一般，食物网越复杂，生态系统就越稳定。因为食一般，食物网越复杂，生态系统就越稳定。因为食物网中某个环节（物种）缺失时，其他相应环节能起补物网中某个环节（物种）缺失时，其他相应环节能起补偿作用。相反，食物网越简单，则生态系统越不稳定偿作用。相反，食物网越简单，则生态系统越不稳定。第32页，本讲稿共36页五、营养级和生态金字塔五、营养级和生态
27、金字塔 某个营养级就是食物链某个环节上一切生物种的总和，某个营养级就是食物链某个环节上一切生物种的总和，某个营养级就是食物链某个环节上一切生物种的总和，某个营养级就是食物链某个环节上一切生物种的总和，是处在某一营养层次上一类生物和另一营养层次上另一类生是处在某一营养层次上一类生物和另一营养层次上另一类生是处在某一营养层次上一类生物和另一营养层次上另一类生是处在某一营养层次上一类生物和另一营养层次上另一类生物的关系。物的关系。物的关系。物的关系。当当当当能能能能量量量量在在在在食食食食物物物物网网网网中中中中流流流流动动动动时时时时，其其其其效效效效率率率率是是是是很很很很低低低低的的的的。下下
28、下下面面面面营营营营养养养养级级级级所所所所储储储储存存存存的的的的能能能能量量量量只只只只有有有有大大大大约约约约10%10%能能能能够够够够被被被被其其其其上上上上一一一一营营营营养养养养级级级级所所所所利利利利用用用用。其其其其余余余余大大大大部部部部分分分分能能能能量量量量被被被被消消消消耗耗耗耗在在在在该该该该营营营营养养养养级级级级的的的的呼呼呼呼吸吸吸吸作作作作用用用用上上上上，以以以以热热热热量量量量的的的的形形形形式式式式释释释释放放放放到到到到大大大大气气气气中中中中去去去去。这这这这在在在在生生生生态态态态学学学学上上上上被被被被称称称称为为为为10%10%定定定定律或律或律或律或1/101/10律。律。律。律。第33页，本讲稿共36页第34页，本讲稿共36页六、生态系统的功能六、生态系统的功能 能量流动生态系统 物质循环 信息传递第35页，本讲稿共36页图图2-2 地球生态系统中的能量流地球生态系统中的能量流 第36页，本讲稿共36页