第一章 地球環(huán)境的基本特征

第一章地球環(huán)境的基本特征第1頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月

主要參考書：

1、環(huán)境保護(hù)與可持續(xù)發(fā)展

奚旦立編著《高等教育出版社》

2、環(huán)境學(xué)導(dǎo)論何強(qiáng)等編著

《清華大學(xué)出版社》

第2頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月參考網(wǎng)站：

1、中國可持續(xù)發(fā)展信息網(wǎng)（）

2、中國環(huán)保網(wǎng)（）

3、綠色中華環(huán)境保護(hù)網(wǎng)（）第3頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月平時出勤占30％。期末考試占70％(考試方式待定），試題內(nèi)容基本出自教材（要求熟讀教材內(nèi)容）。課程要求及考核：第4頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月

第一篇地球環(huán)境與生態(tài)系統(tǒng)

第一章地球環(huán)境的基本特征§1地球環(huán)境的圈層構(gòu)造一、地球環(huán)境及其組成

環(huán)境科學(xué)的研究對象地球環(huán)境其他生物和非生物物質(zhì)環(huán)境要素第5頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月

自然環(huán)境人類環(huán)境社會環(huán)境（人工環(huán)境）自然環(huán)境：直接或間接影響人類生活、生產(chǎn)的生物有機(jī)體、無機(jī)體（空氣、巖石、水、土壤等）等。它是人類發(fā)生、發(fā)展與生存的物質(zhì)基礎(chǔ)。人工環(huán)境：由于人類活動而形成的各種事物。它包括由人工形成的物質(zhì)、能量和精神產(chǎn)品，以及人類活動中所形成的人間關(guān)系，如經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)、政治體制等。第6頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月二、地球環(huán)境的獨(dú)特性觀點(diǎn)一：地球環(huán)境豐富多樣，適合生物的生存和繁衍，地球的獨(dú)特性就在于它具備其他天體所不具備的上述條件。觀點(diǎn)二（蓋婭理論）：地球的獨(dú)特性在于它是一個靠生命來捕獲、轉(zhuǎn)移和儲存太陽輻射能，靠生命活動來驅(qū)動地球表層的物質(zhì)元素循環(huán)，靠生命過程來調(diào)控并保持其遠(yuǎn)離天體物理學(xué)平衡的開發(fā)系統(tǒng)。也就是說，不是地球上“優(yōu)越”的環(huán)境條件創(chuàng)造了生命，而是生命活動創(chuàng)造了今天地球的環(huán)境。第7頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月三、地球各圈層的發(fā)育主要經(jīng)歷的階段：水的出現(xiàn)(38億年前）生命的出現(xiàn)（起源于海洋）CO2的放出含氧大氣圈的形成（16億年前）生物圈的形成土壤的形成（碳酸鹽巖石風(fēng)化）第8頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月§2

人類與地球各圈層的關(guān)系一、人類與大氣圈

大氣圈的結(jié)構(gòu)

對流層平流層熱成層中間層逸散層第9頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月1．對流層對流層位于大氣圈的最下層，平均厚度為12km，是大氣圈中最活躍的一層，存在強(qiáng)烈的垂直對流作用和水平運(yùn)動。對流層中水汽和塵埃含量較高，雷電、雨雪、云霧、霜、雹等天氣現(xiàn)象與過程都發(fā)生在這一層，對人類影響也最大。通常所指的大氣污染就是對此層而言。對流層的另一重要性質(zhì)是大氣溫度隨高度增加而下降，其平均遞減率為-6.5℃/km。2．平流層平流層位于對流層頂至大約50km的高度，也叫同溫層。其下部有一明顯的穩(wěn)定層，溫度基本不隨高度而變化，近似等溫狀態(tài)。穩(wěn)定層以上，溫度又隨高度增加而上升，這主要是由于地表輻射影響的減少和氧及臭氧對太陽輻射吸收加熱，使大氣溫度上升。這種溫度結(jié)構(gòu)抑制了大氣的垂直運(yùn)動，大氣以水平運(yùn)動為主。由于水汽和塵埃含量極少，平流層中沒有云雨等天氣現(xiàn)象。在大約50km的高度上氣溫達(dá)到最高值，這就是平流層頂。第10頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月3．中間層中間層位于平流層頂?shù)酱蠹s80km的高度，溫度隨高度增加而下降，到中間層頂達(dá)到最低值，是大氣圈中最冷的一層。該層中又有大氣的垂直對流運(yùn)動。雖然水汽濃度極低，但由于對流運(yùn)動的發(fā)展，在某些條件下能出現(xiàn)夜光云。在約60km高度，大氣分子開始電離。因此，60～80km高度是均質(zhì)層向非均質(zhì)層的過渡層。4．熱成層熱成層位于中間層頂以上，又稱增溫層或電離層，溫度隨高度增加急劇上升，到約1000km高度時，白天溫度可達(dá)1000～1750K。該層空氣分子在各種射線作用下大都發(fā)生電離，成為原子、離子和自由電子，電離層之名因此而得。5．逸散層逸散層位于熱成層之上，也稱外大氣層，是大氣圈的最外層，大約延伸至800km的高度。這里大氣極其稀薄，地心引力微弱，大氣質(zhì)點(diǎn)之間鮮有碰撞。有些運(yùn)動速度較快的質(zhì)點(diǎn)完全擺脫地球引力而逸入宇宙空間。第11頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月第12頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月地球大氣的精細(xì)平衡

地球各圈層，尤其是生物圈各組分，與大氣圈保持著十分密切的物質(zhì)和能量的交換，使大氣各組分之間保持著極其精細(xì)的平衡。比如，氧的平衡：

生活在低海拔的人會經(jīng)受高山反應(yīng)濃度過低之苦；氧化反應(yīng)受到抑制，CO等有毒氣體將積累在大氣圈。

濃度過高雷電就能點(diǎn)燃嫩枝和草地，造成火災(zāi)，使全球植被遭到破壞。

大氣中氧氣的濃度為21%，第13頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月二、人類與水圈

水圈：海洋和陸地上的液態(tài)水和固態(tài)水構(gòu)成了一個大體連續(xù)的圈層覆蓋在地球表面，稱為水圈。

第14頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月水的優(yōu)異的自然性質(zhì)決定了它對人類和生態(tài)環(huán)境的特殊意義：

1、水是無色透明的，它允許太陽光中的可見光和波長較長的紫外線部分可以透過，使光合作用所需的光能能夠到達(dá)水面以下的一定深度，而對生物體有害的短波紫外線則被阻擋在外。這不僅在地球上生命的產(chǎn)生和進(jìn)化過程中起了關(guān)鍵性的作用，今天對生活在水中的各種生物也具有重要意義。

2、水是一種極好的溶劑，為生命過程中營養(yǎng)物和廢棄物的傳輸提供了最基本的媒介。而且水的介電常數(shù)在所有的液體中是最高的，使得大多數(shù)離子化合物能夠在其中溶解并發(fā)生最大程度的電離，這對營養(yǎng)物質(zhì)的吸收和生物體內(nèi)各類生化反應(yīng)的進(jìn)行具有重要意義。第15頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月3、除液氨外，水的比熱是所有的液體和固體中最大的，為4.18J/（g·℃）。此外，水的蒸發(fā)熱也極高，在20℃下為2.4kJ/g。正是由于這種高比熱、高蒸發(fā)熱的特性，地球上的海洋、湖泊、河流等水體，白天吸收到達(dá)地表的太陽光的熱量，夜晚又將熱量釋放到大氣中，避免了劇烈的溫度變化，使地表溫度長期保持在一個相對恒定的范圍內(nèi)。月球表面都是巖石，石頭的比熱只有水的20％，所以月球表面的氣溫變化可以從+120℃到-150℃。

4、水在4℃時的密度最大，這一特性在控制水體溫度分布和垂直循環(huán)中起著重要作用。在氣溫急劇下降的夜晚，水面上較重的水層向水底沉降，與下部水層更換，這種循環(huán)過程使得溶解在水中的氧及其他營養(yǎng)物得以在整個水域分布均勻，當(dāng)水體趨于一種穩(wěn)定狀態(tài)，水底溫度是4℃，在這一層中水生物可以幸存。

5、冰輕于水。冰的密度比水小，只有0.92g/m3，可以浮在水面上。這一特性對水下生物具有十分重要的意義。否則，氣溫降低時水面結(jié)成的冰會沉入水底，從而導(dǎo)致整個水體完全凍結(jié)，給水下生物帶來滅頂之災(zāi)。第16頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月

地球是一個水量豐富的“水球”，全世界的總水量約有14×108km3之多，但是它的存在形式多種多樣，如海洋水、冰川水、湖泊水、沼澤水、江河水、土壤水、大氣水和生物水等。地球上水量分布

單位：%總水量分布淡水量分布海水

97.3冰蓋、冰川

77.2淡水

2.7地下水、土壤水

22.4

湖泊、沼澤

0.35

大氣

0.04

河流

0.01第17頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月

近代人類在其生產(chǎn)活動中，給水圈帶來各種各樣的影響，這些影響有：（1）興建大型水庫：科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，使人類有可能修建庫容以億立方米計的大型水庫，迄今全世界水庫的總庫容已達(dá)2000km3，成為一種穩(wěn)定可靠的水源。但是，水庫也常常產(chǎn)生一些不良的生態(tài)效應(yīng)，甚至觸發(fā)地震。（2）大量開采地下水：地下水以其水量豐富、水質(zhì)優(yōu)良和供應(yīng)穩(wěn)定而備受青睞，成為許多地區(qū)的主要水源。然而，地下水的過度開采造成了嚴(yán)重的環(huán)境問題。地下水位大幅度下降乃至地下含水層的枯竭。此外，過度抽取地下水的另一環(huán)境效應(yīng)是地面沉陷。我國不少沿海城市巳發(fā)生這種現(xiàn)象。第18頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月

（3）小河流渠道化：所謂渠道化（channelization）就是為了防洪的目的把整條小河流或某一河段取直、加寬、挖深。渠道化的最大利益就是有利于排水防洪，使兩岸農(nóng)田和城鎮(zhèn)，免遭洪水威脅。但是，渠道化改變了河流的物理特性，并有可能對水生生態(tài)系統(tǒng)帶來災(zāi)難性影響。（4）湖泊的泯滅：湖泊的存在只是一種過度現(xiàn)象，因?yàn)樗K究會被入流的泥沙和湖泊中的水生生物殘體充填，逐漸演變?yōu)檎訚芍敝磷詈笙觥５?，這種自然過程由于人類活動而大大加速了。湖泊面積和水量往往在短時期內(nèi)發(fā)生戲劇性變化，甚至導(dǎo)致一些湖泊完全干涸。第19頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月三、人類與土壤圈

土壤：地球陸地上能提供植物生長與繁殖的疏松表層，土壤圈是與大氣圈、水圈同樣重要的第三大環(huán)境要素。

盡管人類日益緊迫地面臨土地匱缺的問題，但是，人類在其經(jīng)濟(jì)、政治和軍事活動中仍然有意無意地傷害關(guān)系到人類衣食住行的土壤圈。人類對土壤圈較嚴(yán)重的影響包括荒漠化、水土流失、鹽漬化和水澇，以及土壤污染等方面。第20頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月四、人類與巖石圈

巖石圈：人類生存環(huán)境中最下面的一個圈層，又是地球內(nèi)部各圈層的最外層。

由于人口的持續(xù)增長和技術(shù)的迅速進(jìn)步，對礦產(chǎn)與能源的需求與日俱增，傳統(tǒng)原料與燃料行將耗竭，因此，人類必須迅速實(shí)現(xiàn)向新材料與新能源的轉(zhuǎn)變。此外，巖石圈又是其上面各圈層的基礎(chǔ)，并且與各圈層相互作用，進(jìn)行著物資與能量的交換。對巖石圈的任何干預(yù)，也必將對其他圈層發(fā)生影響。第21頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月（一）化石燃料

從人類全部歷史來看，化石燃料大規(guī)模使用的歷史尚不足200年。歷史上長期使用的燃料是薪柴、木炭、作物秸稈和畜糞。進(jìn)入20世紀(jì)以后，煤炭才開始占主導(dǎo)地位。石油更是一個后來者，從1920年起其開采量大幅度上升，開始了能源供應(yīng)的“石油時代”。從1929年至1971年，世界煤炭產(chǎn)量增長了70％，同期石油產(chǎn)量增長了1000％。

化石燃料是在漫長的地質(zhì)年代里形成的，屬于不可再生能源。為了維持人類社會的可持續(xù)發(fā)展，必須盡快把能源消費(fèi)從不可再生能源轉(zhuǎn)變?yōu)榭稍偕茉?。因?yàn)樾履茉吹拈_發(fā)，新技術(shù)與新設(shè)備（如核聚變與太陽能發(fā)電等）也要消耗大量能量，現(xiàn)存的能源應(yīng)該用以實(shí)現(xiàn)這種轉(zhuǎn)變。因此，未來幾十年能源的利用可能決定人類文明的未來。第22頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月（二）礦物原料

大約在公元前6000年人類首次學(xué)會從礦石中提取金屬，進(jìn)入青銅時代。公元前1600年又學(xué)會了提煉更堅(jiān)硬的鐵，進(jìn)入鐵器時代。3000年以后，到了公元1709年，英國人達(dá)比發(fā)明了用焦炭作燃料熔煉鐵，才進(jìn)入近代的鋼鐵時代，鋼鐵也成了現(xiàn)代一切工業(yè)的基礎(chǔ)。

巖石圈內(nèi)的礦物資源隨人類開發(fā)能力的增強(qiáng)而不斷滿足著人類的需要，人類利用礦物原料的種類與數(shù)量與日俱增。 人類開發(fā)利用化石燃料和礦物原料的同時，也對環(huán)境造成一定程度的影響。由于人口的持續(xù)增長和技術(shù)的迅速進(jìn)步，對礦產(chǎn)與能源的需求與日俱增，傳統(tǒng)原料與燃料行將耗竭。如何迅速實(shí)現(xiàn)向新材料與新能源的轉(zhuǎn)變，已經(jīng)成為關(guān)系到人類未來生存與發(fā)展的要務(wù)。第23頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月第24頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月五、人類與生物圈生物圈：指地球上有生命的部分，即地球上所有的生物，包括人類及其生存環(huán)境的總體。此外，還包括某些休眠形式生命的“副生物圈”（parabiospere)。生物圈是地球上最大的生態(tài)系統(tǒng)，包括從海平面以下10km到海平面以上9km的范圍。在這個范圍內(nèi)有正常的生命存在，生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部不斷進(jìn)行著物質(zhì)、能量和信息的交換與循環(huán)。第25頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月

生物圈的發(fā)育經(jīng)歷了大約30億年的歷程。從30億年前出現(xiàn)原始細(xì)菌開始，20億年前出現(xiàn)了能進(jìn)行光合作用的固氮生物，釋放出氧氣，并在約16億年前形成了含氧氣的大氣圈。陸續(xù)出現(xiàn)了多細(xì)胞生物（7億年前），無脊椎動物（5億年前），以及哺乳類動物（2億年前）。由于地殼的變化、氣候的變異和其他種種原因，有些物種消亡了，新的物種產(chǎn)生了，形成了今天由大約107物種組成的五彩繽紛的生物圈。生物圈是地球上最大的生態(tài)系統(tǒng)，包括從海平面以下10km到海平面以上9km的范圍。在這個范圍內(nèi)有正常的生命存在，生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部不斷進(jìn)行著物質(zhì)、能量和信息的交換與循環(huán)。第26頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月距今時間／(108a)大事記地質(zhì)構(gòu)造（地層）化石0

—人類錫伐利克地層（印度）拉馬古猿

—最早的陸地動物上志留紀(jì)拉德洛統(tǒng)（英國）頂囊蕨最早的多細(xì)胞動物艾狄卡拉山地層（澳大利亞）Springgina

10

—最早的真核細(xì)胞上貝客泉地層（美國加州）未定名

一氧化大氣圈形成

20

—最早的光合和固氮生物燧石藻地層（加拿大安大略?。╈菔?/p>

30

—最早的已知生物無花果地層（非洲）原始細(xì)菌

—地殼中最初的巖石

海洋形成

40

—地殼、地幔與地核分化

地殼收放射性加熱熔融

45

—地球形成

注：本表引自G.E.Hutchinson.生物圈.北京:科學(xué)出版社，1974。第27頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月第二章生態(tài)系統(tǒng)

§1生態(tài)系統(tǒng)的基本概念定義：生態(tài)系統(tǒng)包括人類本身和人類的生命支持系統(tǒng)——大氣、水、生物、土壤和巖石，這些要素也在相互作用構(gòu)成一個整體，即人類的自然環(huán)境。除此之外，還存在許多人工生態(tài)系統(tǒng)，例如，農(nóng)田、果園等。第28頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月特性：具有能量流動、物質(zhì)循環(huán)和信息傳遞三大功能具有自我調(diào)節(jié)的能力是一種動態(tài)系統(tǒng)第29頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月生態(tài)系統(tǒng)的組成、結(jié)構(gòu)和類型

無機(jī)物有機(jī)化合物組成

氣候因素生產(chǎn)者分解者

第30頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月類型：

生產(chǎn)者（自養(yǎng)生物）按