环境科学导论

第1章绪论对于环境科学而言，“环境”的定义应是：以人类社会为主体的外部世界的总体。

在不同的学科中，“环境”一词的科学定义不尽相同，其差异源于主体的界定。

环境的分类:按照环境的主体来分。

按照环境的范围大小来分，此种分类比较单。

按照环境要素来分，此种分类则较复杂。

环境要素：构成环境整体的各个独立的、性质不同而又服从总体演化规律的基本物质组分，亦称环境基质。

环境要素分为自然环境要素和社会环境要素。

目前研究较多的是自然环境要素，故环境要素通常指自然环境要素。

环境要素主要包括水、大气、生物、土壤、岩石和阳光等要素，由它们组成环境的结构单元，环境的结构单元组成环境整体或环境系统。

环境要素的四个特点:最小限制律，等值性，环境的整体性大于环境诸要素的个体和，各环境要素互相联系。

环境结构：环境要素的配置关系。

它表示环境要素是怎样结合成一个整体的。

环境的内部结构和相互作用直接制约着环境的物质交换和能量流动的功能。

人类赖以生存的环境包括自然环境和社会环境两大部分，各自具有不同的结构和特点。

环境结构的配置及其相互关系具有圈层性、带性、节律性、等级性、稳定性和变异性等特点。

环境系统：地球表面各种环境要素或环境结构及其相互关系的总和。

环境系统的内在本质在于各种环境要素之间的相互关系和相互作用过程。

环境系统和生态系统两个概念的区别是：前者着眼于环境整体，而后者侧重于生物彼此之间及生物与环境之间的相互关系。

环境系统和人类生态系统两个概念相近似，但后者突出人类在环境系统中的地位和作用，强调人类同环境之间的相互关系。

环境系统从地球形成以后就存在，生态系统是生物出现后的环境系统。

而人类生态系统一般是人类出现后的环境系统。

环境的功能： 1.为人类生存提供所需要的资源 2.环境具有调节功能 3.环境具有服务功能4.环境具有文化功能。

环境的基本特性：环境整体性，环境资源的有限性，环境的区域性，环境的变动性和稳定性，危害作用的时滞性。

环境问题：就其范围大小而论，可从广义和狭义两个方面理解。

从广义理解，是由自然力或人力引起生态平衡破坏，最后直接或间接影响人类的生存和发展的一切客观存在的问题，都是环境问题。

从狭义理解，是指由于人类的生产和生活活动，使自然生态系统失去平衡，反过来影响人类生存和发展的一切问题。

环境问题是伴随着人类的出现、生产力的发展和人类文明的进步而产生的，并从小范围、低程度危害，发展到大范围、对人类生存环境造成不容忽视的危害，即由轻度污染、轻度破坏、轻度危害向重度污染、重度破坏、重度危害方向发展。

环境问题的产生和发展大致可分为三个阶段:生态环境早期破坏与环境问题的产生，“公害”加剧与城市环境问题的产生，全球大气环境恶化与当代环境问题产生。

世界著名八大公害事件：比利时的马斯河谷事件，美国多诺拉事件，伦敦烟雾事件，洛杉矶烟雾事件，日本熊本县的水俣事件，日本富山县的骨痛病事件，日本四日市的哮喘事件，日本北九州的米糠油事件。

当代环境问题阶段：环境问题主要集中在酸雨、臭氧层破坏和全球变暖三大全球性大气环境问题上。

第2章生态学基础生态学是研究生物之间、生物与环境之间相互关系及其作用机理的科学。

生态学的研究对象包括生物分子、个体、种群、群落、生态系统直到生物圈。

生态学涉及的环境从无机环境、生物环境到人与人类社会，以及由人类活动所导致的环境问题。

生态系统的四个基本含义：生态系统是客观存在的实体，有空间和时间的概念，由生物成分和非生物成分组成；以生物为主体；各成员间有机地组织在一起，具有统一的整体功能。

生态系统分类：按生物成分分类：植物生态系统：主要由植物和无机环境构成，如草原生态系统。

动物生态系统：由植物生态系统和动物组成，动物起主导作用。

如鱼塘。

微生物生态系统：由微生物和无机环境组成，微生物为主，如落叶层，活性污泥等。

人类生态系统：人群为主体的生态系统，如城市生态系统。

按生态系统结构与外界物质和能量交换状况分类：开放系统：生态系统内外都可进行物质和能量交换。

封闭系统：有能量交换，无物质交换。

隔离系统：无物质和能量交换。

用于科学研究而设计的。

按人类活动及其影响分类：自然生态系统：未受或轻度受人类活动影响，具有自动调控和不断更新的能力。

半自然生态系统：营养结构和类型受人类活动影响有了变化，有一定的自行调控和更新能力。

人工复合生态系统：人在此系统中起主导作用。

生物群落在很大程度上失去自行调控和恢复能力，只有在人的参与下调控和更新才能有序进行。

社会—经济—自然复合生态系统：系统最复杂，把生态、社会和经济多个目标一体化，使系统复合效应最高、风险最小、活力最大。

按生态系统大环境条件分类：陆地生态系统，水生生态系统。

生态系统结构：空间结构，时间结构，营养结构。

生态系统中各种成分之间最本质的联系是通过营养来实现的。

食物链：生产者所固定的能量和物质，通过一系列取食和被食的关系在生态系统中传递，各种生物按其食物关系排列的链状顺序。

食物网：生态系统中食物链交错成网，即食物网。

将生物与生物，生物与非生物环境有机的结合在一起，能量的流动、物质的迁移和转化，就是通过食物链和食物网进行的。

可揭示环境中有毒物质转移积累的原理和规律。

生态系统的基本功能主要表现在物质生产、能量流动、物质循环和信息传递几个方面。

物质生产：生态系统不断运转，有机体在代谢过程中通过能量转化和物质重新组合，形成新的产物的过程。

可分为初级生产和次级生产两个过程。

植物在单位面积、单位时间内通过光合作用固定的太阳能的量称为总初级生产量(GPP)，常用单位为J/(m2·a)。

总初级生产量减去植物的呼吸量(R)，余下的有机物质即为净初级生产量(NPP)。

NPP = GPP-R生物量：在一个时间范围闪，生态系统的物质贮存量。

全球初级生产量分布有以下特点：陆地比水域的初级生产量大，陆地上初级生产量有随纬度的增加而逐渐减少的趋势，海洋中初级生产量有由河口湾向大陆架和大洋区逐渐减少的趋势。

次级生产：消费者和分解者利用初级生产物质进行同化作用建造自己和繁衍后代的过程。

次级生产量：次级生产所形成的有机物(消费者体重增加和后代繁衍)的量生态系统净初级生产量只有一部分被食草动物所利用，而大部分未被采食或触及。

真正被食草动物所摄取利用的这一部分，称为消耗量。

能量流动：能量通过食物网在生态系统内的传递与耗散过程。

它始于生产者的初级生产，止于还原者的功能完成，整个过程包括能量形式的转化、能量的转移与耗散。

生态系统中的能量包括动能和潜能(势能)两种形式。

生物与环境之间以传导和对流的形式相互传递与转化的能量是动能，包括热能与光能。

通过食物链在生物之间传递与转化的能量是势能。

生态系统的能量流动也可看作是动能和势能在系统内的传递与转化过程。

生态系统的能量流动具有以下特点:能流是变化着的，能流的不可逆性，能量的耗散，能量利用率低。

物质循环：生态系统中各种营养物质经过分解者分解成为可被生产者利用的形式归还环境中重复利用，周而复始地循环的过程。

库：某一物质在生物或非生物环境中暂时滞留(被固定或贮存)的数量。

贮存库：其容量大，元素在库中滞留的时间长，流动速率小，多数为非生物成分，如岩石或沉积物。

交换库或循环库：是指元素在生物和其环境之间进行迅速交换的较小而非常活跃的部分，如植物库、动物库和土壤库等。

流通率：物质在生态系统中单位时间、单位面积(或体积)内移动的量。

周转率：某物质出入一个库的流通率与库量之比。

即周转率＝流通率／库中该物质的量周转时间：周转率的倒数。

生物的生命过程中，大约需要30~40种化学元素，这些元素大致可分为三类：能量元素也称结构元素，是构成生命体(如蛋白质、核酸、多糖和脂类)所必需的基本元素，包括C、H、O、N。

大量元素是生命航程大量需要的元素，包括Ca、Mg、P、K、S、Na等。

微量元素需要量很少，但却是不可缺少的。

生态系统物质循环分类：从物质循环层次上可分为：生物个体层次的物质循环，生态系统层次的物质循环，生物圈层次的物质循环。

根据物质参与循环的主要形式，可分为：气相循环，液相循环，固相循环。

生态系统信息传递又称信息流，是生态系统中生命成分之间相互作用、相互影响的一种特殊形式。

整个生态系统中的能量流和物质流的行为是由信息决定的。

而信息又寓于物质和能量流动之中，物质流和能量流是信息流的载体。

信息流与物质流和能量流相比有其自身的特点：物质流是循环的；能量流是单向的，不可逆的；而信息流却是双向流。

正是由于信息流的存在，生态系统的自动调节机制才得以实现。

信息流从生态学角度主要分为营养信息、物理信息、化学信息和行为信息。

通过营养传递的形式，把信息从一个种群传递给另一个种群，或从一个个体传递给另一个个体，即为营养信息。

食物链、食物网就可视为一种营养信息传递系统。

通过声音、光、色彩等物理现象传递的信息，都是生态系统的物理信息。

与植物有关的物理信息主要是光和色彩。

植物与光的信息联系是紧密的，动植物之间的信息常是非常鲜艳的色彩。

动物间更多地使用声音信息，昆虫是用声信号进行种内通信的一批陆生动物，鸟类以用声音信息通信而著称，动物间使用光信号的有荧光昆虫和鱼类的闪光等。

化学信息是生物在某些特定条件下，或某个生长发育阶段，分泌出的某些特殊的化学物质，这些分泌物不提供营养，而是在生物的个体或种群间传递某种信息。

这些分泌物即称为化学信息素，也称为生态激素。

许多动物的不同个体相遇时，会表现出有趣的行为，即行为信息。

生态系统平衡的定义：广义的生态平衡是指生命各个层次上主体与环境的综合协调。

生态平衡是生态系统在一定时间内结构与功能的相对稳定状态，其物质和能量的输入、输出接近相等，在外来干扰下，能通过自我调节恢复到原初稳定状态，则这种状态称为生态平衡。

生态平衡应包括三个方面的平衡：结构上的平衡、功能上的平衡以及输入和输出物质数量上的平衡。

保持生态平衡的因素：生态系统有很强的自我调节能力。

生态系统的调节能力是有限的，外部干扰或内部变化超过了这个限度，生态系统就会遭到破坏。

这个限度称为生态阈值。

生态系统自我调节能力，与结构多样性和功能完整性等因素有关。

生态系统平衡调节主要是通过系统的反馈机制、抵抗力和恢复力实现的。

生态系统特征：具有生物学特征，具有一定的区域特征，是开放的“自律系统”，是一种反馈系统。

第三章水体污染及其控制技术我国水资源面临到主要问题：水资源总量丰富，但人均拥有水量少，水资源时空分布不均，水资源污染破坏严重，水资源浪费现象十分严重，水资源需求量不断增长，工农业用水矛盾日见突出。

水体污染：是指污染物进入河流、海洋、湖泊或地下水等水体后，使其水质和沉积物的物理、化学性质或生物群落组成发生变化，从而降低了水体的使用价值和使用功能，并达到了影响人类正常生产、生活以及影响生态平衡的现象。

水体污染根据来源的不同，可以分为自然污染和人为污染两大类。