地球系統(tǒng)科學(xué)、生態(tài)學(xué)和環(huán)境科學(xué)課件

第八章1從人類誕生以來，從未停止探索地球奧秘的步伐，但仍遠不能達到預(yù)防自然災(zāi)害、消除巨大損失的目的。人類對地球的開發(fā)、利用、探索研究活動由來已久，地質(zhì)學(xué)、地理學(xué)、氣象學(xué)、海洋學(xué)和生態(tài)學(xué)都有悠久歷史，但這些已形成系統(tǒng)研究方法和知識體系的專門學(xué)科，已經(jīng)不能適應(yīng)新形勢下的需要。鑒于地球各個圈層間復(fù)雜而微妙的相互作用，地球系統(tǒng)科學(xué)自然應(yīng)運而生。2從研究包括人類在內(nèi)的地球系統(tǒng)角度研究人類和地球表層關(guān)系產(chǎn)生地球系統(tǒng)科學(xué)。從環(huán)境質(zhì)量演化的角度研究人類和地球的關(guān)系及地球的變化產(chǎn)生了環(huán)境科學(xué)。從生物的生存環(huán)境角度研究地球的變化產(chǎn)生了生態(tài)學(xué)。研究對象一致，研究角度不同，三者研究領(lǐng)域既有交叉又有差異。3

8.1地球系統(tǒng)科學(xué)地球系統(tǒng)科學(xué)的創(chuàng)立地球系統(tǒng)科學(xué)的研究對象及發(fā)展趨勢從研究包括人類在內(nèi)的地球系統(tǒng)角度研究人類和地球表層關(guān)系產(chǎn)生地球系統(tǒng)科學(xué)。58.1.1地球系統(tǒng)科學(xué)的創(chuàng)立地球系統(tǒng)科學(xué)最早由美國國家航空與宇航管理局（NASA）1983年提出。20世紀80年代中期以來，地球科學(xué)發(fā)展迅猛，科學(xué)家明確提出物理過程與生物過程相互作用的觀點，進而形成了“地球系統(tǒng)”思想。90年代，這一觀點成為地學(xué)界共識，美、英、日等國紛紛制定相關(guān)計劃，這一學(xué)科得以確立并蓬勃發(fā)展起來。1992年美國22所大學(xué)將地球系統(tǒng)科學(xué)教育納入課程之內(nèi)；與此同時，聯(lián)合國《21世紀議程》將地球科學(xué)作為可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的科學(xué)基礎(chǔ)之一。6德國聯(lián)邦政府與德國科學(xué)基金會、美國國家科學(xué)基金會相繼投入巨資，擬定了分別為期15年和10年的“地球工程學(xué)—地球系統(tǒng)”等大型研究計劃。

72001年１月，中國科學(xué)院院長路甬祥把對“地球系統(tǒng)整體行為的集成研究”列為新世紀科學(xué)家要勇敢面對的第九大挑戰(zhàn)。2002年10月溫家寶同志在中國地質(zhì)學(xué)會80周年紀念大會上講話時也強調(diào)，必須實現(xiàn)“傳統(tǒng)地質(zhì)工作向以‘地球系統(tǒng)科學(xué)’為核心內(nèi)容的現(xiàn)代地質(zhì)工作”的轉(zhuǎn)變。我國自然科學(xué)基金委地學(xué)部也于2002年3月提出了21世紀初的地球科學(xué)戰(zhàn)略重點，擬定了“以地球系統(tǒng)各圈層的相互作用為主線，從我國具有優(yōu)勢的前沿領(lǐng)域?qū)ふ抑鞴ツ繕?biāo)”的“十五”優(yōu)先資助領(lǐng)域戰(zhàn)略。8地球系統(tǒng)科學(xué)中時間尺度是一個關(guān)鍵指標(biāo)。對地球上的生物存在威脅的諸如氣候變化、大氣成份變化，土地覆蓋變化等，10年到100年的時間尺度尤為重要。由于方法的限制，傳統(tǒng)的地質(zhì)、海洋、地理科學(xué)只能基于長時間尺度或定時預(yù)測。雖然，水文、氣象基于物理客觀規(guī)律，但是，也只能實現(xiàn)以天、旬為時間尺度的預(yù)測。上述兩類時間尺度的研究均未能建立起時間尺度為50年的理論體系；而生物過程的時間尺度既可以放大，也可以縮小，其時間尺度必須基于地球系統(tǒng)科學(xué)。

10地球系統(tǒng)科學(xué)的研究需要自然科學(xué)和社會科學(xué)多學(xué)科的綜合。地球系統(tǒng)科學(xué)正在推動可持續(xù)發(fā)展的研究。地球系統(tǒng)科學(xué)關(guān)注人類活動對地球系統(tǒng)的存在、運動和發(fā)展的影響。三、地球系統(tǒng)科學(xué)研究的發(fā)展趨勢12生態(tài)學(xué)的產(chǎn)生與發(fā)展生態(tài)學(xué)的研究內(nèi)容生態(tài)學(xué)的發(fā)展趨勢148.2.1生態(tài)學(xué)的產(chǎn)生與發(fā)展古希臘亞歷士多德古中國賈思勰法國布豐1798年馬爾薩斯《人口論》1895年達爾文《物種起源》151869年，?？藸柺紫忍岢錾鷳B(tài)學(xué)的概念。1935年坦斯勒提出“生態(tài)系統(tǒng)”概念。1942年林德曼提出食物鏈和金字塔營養(yǎng)結(jié)構(gòu)，確立了生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)和能量流動理論，為現(xiàn)代生態(tài)學(xué)奠定了基礎(chǔ)。20世紀50年代，生態(tài)學(xué)進入現(xiàn)代生態(tài)學(xué)發(fā)展時期，擴展了人類影響自然環(huán)境的廣度和深度。自20世紀60年代以來，生態(tài)學(xué)和當(dāng)代國際重大社會問題密切相關(guān)，成為解決國際重大社會問題的理論基礎(chǔ)。168.2.2生態(tài)學(xué)的研究內(nèi)容1、生態(tài)研究生物與環(huán)境、生物與生物之間的相互關(guān)系。2、生態(tài)學(xué)主要以種群、群落和生態(tài)系統(tǒng)的研究為核心。3、隨著全球環(huán)境問題日益受到重視，全球生態(tài)學(xué)應(yīng)運而生，并正在成為人們關(guān)注的領(lǐng)域。17生態(tài)學(xué)的發(fā)展特征：1、多學(xué)科跨部門的綜合研究：國際性研究計劃

世界氣候研究計劃（WCRP）國際地圈生物圈計劃（IGBP）全球環(huán)境變化的人類因素計劃（HDP）國際巖石圈計劃（ILP）深海鉆探計劃/大洋鉆探計劃（DSDP/ODP）全球海洋生態(tài)系統(tǒng)動力學(xué)研究（GLOBEC）世界大洋環(huán)流實驗計劃（WOCE）188.2.3生態(tài)學(xué)的發(fā)展趨勢學(xué)科滲透，生態(tài)學(xué)向各學(xué)科的滲透，出現(xiàn)了能量生態(tài)學(xué)、數(shù)學(xué)生態(tài)學(xué)、城市生態(tài)學(xué)、化學(xué)生態(tài)學(xué)、災(zāi)害生態(tài)學(xué)等等。生物圈功能研究：生物圈功能的開發(fā)給生態(tài)學(xué)提出了工藝性的技術(shù)問題，也要求生態(tài)學(xué)提供解決現(xiàn)實生態(tài)問題的科學(xué)對策。為可持續(xù)發(fā)展提供理論基礎(chǔ)：20其他森林生態(tài)學(xué)中國生態(tài)農(nóng)業(yè)建設(shè)的歷程和成績中國的水資源狀況中國濕地利用21環(huán)境科學(xué)研究人類活動對自然界的影響，力圖發(fā)現(xiàn)由人的活動給地球環(huán)境帶來的各種干擾、危害和負擔(dān)，并研究人類如何能解決這些問題?；趯Φ厍虻淖匀粻顩r和自然規(guī)律的研究，環(huán)境科學(xué)向人們提供如何能盡量保護自然、又能使人類得到發(fā)展的科學(xué)理論和指導(dǎo)原則。23目前已在世界環(huán)境科學(xué)界達成共識的原則是：人類要在尊重自然的基礎(chǔ)上，來提高自己的生活質(zhì)量，只有這樣，人類才能與自己生存的星球共存。把地球作為一個有生命的整體來進行研究，開始一次全新的工業(yè)革命，讓人與地球生命系統(tǒng)的和諧關(guān)系成為21世紀的主宰，是近年來環(huán)境科學(xué)發(fā)展的重要飛越。環(huán)境是一種“公共財產(chǎn)”。24世界著名的“八大公害事件

261比利時馬斯河谷煙霧事件:1930年12月1-5日，比利時馬斯河谷工業(yè)區(qū)內(nèi)13個工廠排放的大量煙霧彌漫在河谷上空無法擴散，使河谷工業(yè)區(qū)有上千人發(fā)生胸疼、咳嗽、流淚、咽痛、呼吸困難等，一周內(nèi)有60多人死亡，許多家畜也紛紛死去.272美國多諾拉煙霧事件:1948年10月26-31日，美國賓夕法尼亞州多諾拉鎮(zhèn)持續(xù)霧天，工廠排放的煙霧被封鎖在山谷中，使6000人突然發(fā)生眼痛、咽喉痛、流鼻涕、頭痛、胸悶等不適，其中20人很快死亡。這次煙霧事件主要由二氧化硫等有毒有害物質(zhì)和金屬微粒附著在懸浮顆粒物上。284

美國洛杉機光化學(xué)煙霧事件：從20世紀40年代起，已擁有大量汽車的美國洛杉磯城上空開始出現(xiàn)由光化學(xué)煙霧造成的黃色煙幕。它刺激人的眼睛、灼傷喉嚨和肺部、引起胸悶等，還使植物大面積受害，松林枯死，柑橘減產(chǎn)。1955年，洛杉磯因光化學(xué)煙霧引起的呼吸系統(tǒng)衰竭死亡的人數(shù)達到400多人，這是最早出現(xiàn)的由汽車尾氣造成的大氣污染事件。305日本水俁病事件：從1949年起，位于日本熊本縣水俁鎮(zhèn)的日本氮肥公司開始制造氯乙烯和醋酸乙烯。由于制造過程要使用含汞（Hg）的催化劑，大量的汞便隨著工廠未經(jīng)處理的廢水被排放到了水俁灣。1954年，水俁灣開始出現(xiàn)一種病因不明的怪病，叫"水俁病"，患病的是貓和人，癥狀是步態(tài)不穩(wěn)、抽搐、手足變形、神經(jīng)失常、身體彎弓高叫，直至死亡。316日本富山骨痛病事件：19世紀80年代，日本富山縣平原神通川上游的神岡礦山實現(xiàn)現(xiàn)代化經(jīng)營，。然而在采礦過程及堆積的礦渣中產(chǎn)生的含有鎘等重金屬的廢水卻直接長期流入周圍的環(huán)境中，在當(dāng)?shù)氐乃锿寥?、河流底泥中產(chǎn)生了鎘等重金屬的沉淀堆積。鎘通過稻米進入人體，首先引起腎臟障礙，逐漸導(dǎo)致軟骨癥，婦女得上一種渾身劇烈疼痛的病，叫骨痛病，重者全身多處骨折，在痛苦中死亡。從1931年到1968年，神通川平原地區(qū)被確診患此病的人數(shù)為258人，其中死亡128人。327日本四日市哮喘病事件：1955年日本第一座石油化工聯(lián)合企業(yè)在四日市上馬，1958年在四日市海灣打的魚開始出現(xiàn)有難聞的石油氣味，使當(dāng)?shù)睾．a(chǎn)品的捕撈開始下降。1959年由昭石石油公司投資186億日元的四日市煉油廠開始投產(chǎn)，四日市很快發(fā)展成為"石油聯(lián)合企業(yè)城"。然而，石油冶煉產(chǎn)生的廢氣使當(dāng)?shù)靥炜战K年煙霧彌漫，煙霧厚達500米，其中漂浮著多種有毒有害氣體和金屬粉塵，很多人出現(xiàn)頭疼、咽喉疼、眼睛疼、嘔吐等不適。從1960年起，當(dāng)?shù)鼗枷〉娜藬?shù)激增，一些哮喘病患者病甚至因不堪忍受疾病的折磨而自殺。到1979年10月底，當(dāng)?shù)卮_認患有大氣污染性疾病的患者人數(shù)達775491人，典型的呼吸系統(tǒng)疾病有：支氣管炎、哮喘、肺氣腫、肺癌。338日本米糠油事件：1968年日本九州愛知縣一個食用油廠在生產(chǎn)米糠油時，因管理不善，操作失誤，致使米糠油中混入了在脫臭工藝中使用的熱載體多氯聯(lián)苯，造成食物油污染。因食用被多氯聯(lián)苯污染的食物而得病的人，初期癥狀是皮疹、指甲發(fā)黑、皮膚色素沉著、眼結(jié)膜充血，后期癥狀轉(zhuǎn)為肝功能下降、全身肌肉疼痛等，重者會發(fā)生急性肝壞死、肝昏迷，以至死亡。1978年，確診患者人數(shù)累計達1684人。34六大污染事故在20世紀，世界上最聞名的"六大污染事故"351意大利塞維索化學(xué)污染事故1976年7月意大利塞維索一家化工廠爆炸，劇毒化學(xué)品二惡英擴散，使許多人中毒。事隔多年后，當(dāng)?shù)鼐用竦幕蝺撼錾蚀鬄樵黾印?62美國三里島核電站泄漏事故1979年3月，美國賓夕法尼亞州三里島核電站反應(yīng)堆元件受損，放射性裂變物質(zhì)泄漏，使周圍50英里以內(nèi)約200萬人口處在極度不安之中，人們停工停課，紛紛撤離，一片混亂。373墨西哥液化氣爆炸事件1984年11月，墨西哥城郊石油公司液化氣站54座氣儲罐幾乎全部爆炸起火，對周圍環(huán)境造成嚴重危害，死亡上千人，50萬居民逃難。384印度博帕爾毒氣泄漏事故1984年12月，美國聯(lián)合碳化物公司設(shè)在印度博帕爾市的農(nóng)藥廠劇毒氣體外泄，使2500人死亡，20萬人受害，其中5萬人可能雙目失明。

395前蘇聯(lián)切爾諾貝利核電站事故1986年4月，前蘇聯(lián)基鋪地區(qū)切爾諾貝利核電站4號反應(yīng)堆爆炸起火，放射性物質(zhì)外泄，上萬人受到傷害，也造成了其他國家遭受放射性塵埃的污染，中國的北京上空也檢測到這樣的塵埃。406德國萊茵河污染事故1986年11月，瑞士巴塞爾桑多茲化學(xué)公司的倉庫起火，大量有毒化學(xué)品隨滅火用水流進萊茵河，使靠近事故地段河流生物絕跡，成為死河。100英里處鰻魚和大多數(shù)魚類死亡，300英里處的井水不能飲用，德國和荷蘭居民被迫定量供水，使幾十年德國為治理萊茵河投資的210億美元付諸東流。41卡爾遜《寂靜的春天》1962年，美國女海洋生物學(xué)家卡爾遜《寂靜的春天》一書在美國波士頓出版后，引起全球性轟動，激起了環(huán)境運動的高潮。世界第一部環(huán)境科學(xué)研究力作。42《增長的極限》1968年4月，來