人类-环境系统课件.ppt

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1、水环境化学水环境化学课程内容（程内容（约12讲）地球环境的特点与人类生存的关系；及人类在 “人类环境系统”中的独特地位和作用（1讲）当代人类面临的 重大全球性环境问题（1讲）环境科学的学科体系和环境化学的内容与分支学科（1讲）天然水化学基本原理（1讲）中国河流的天然水质与二十世纪后半叶中国河流水质的变化（1讲）水环境中耗氧有机物的降解过程（2讲）水环境中有毒有机物的迁移过程（1讲）水环境中重金属的迁移转化行为（2讲）水体沉积物在水环境化学研究中的应用（1讲）中国河流沉积物的化学组成和性质（1讲）从宏从宏观到微到微观 从全球到区域从全球到区域课程重点程重点:污染物在染物在环境中的迁移境中的迁移转

2、化原理及生化原理及生态影响影响污染物迁移转化的概念污染物迁移转化的概念Transport,TransportationTransport,Transportation，迁移指污染物在环境中空间位置污染物在环境中空间位置的移动的移动Transfer,TransformationTransfer,Transformation,转化 指污染物在环境中存在形态污染物在环境中存在形态的变化的变化MigrationMigration,迁移加转化过程的总迁移加转化过程的总称（包括机械，物理化学和生物称（包括机械，物理化学和生物的过程）。的过程）。除强调化学过程外，特别强调区域自然地理条件对环境化学过程的影响

3、。化学化学-地学地学-环境三环境三结合结合污染物迁移转化涉及的化学原理污染物迁移转化涉及的化学原理气气态态污污染染物物在大气中的迁移和转化主要涉及光化学光化学原理无无机机污污染染物物尤其是微量金属污染物的迁移转化主要涉及基本的无无机机化化学学原原理理易易降降解解有有机机污污染染物物(又称为耗氧污染物),主要存在于生活污水和某些工业废水中。其迁移转化过程主要涉及有有机机化学和生物化学化学和生物化学原理 难降解有机污染物难降解有机污染物(称为持久性污染物,可在水、沉积物、土壤、大气和生物体间迁移，其降解转化过程涉及有机和生物化学，其迁移转化主要涉及化化学转移动力学学转移动力学（Chemodynam

4、ics）课程性质、讲课与考试方式课程性质：基本知识、原理，与讲课人有关研究成果的介绍和研究经验交流讲课方式：Powerpoint图片演示与传统板书相结合；讲授时提问与讨论相结合；希望尽可能简要记笔记，才能边听边思考，有助于强调融会贯通考试方式：中小题开卷考试，或按某专题写读书报告（听取多数人意见）地球地球环境的特点境的特点及及对人人类生存的意生存的意义地球地球环境与其他天体境与其他天体环境的区境的区别地球上存在着大气圈地球上存在着大气圈.在距地面在距地面15-4015-40公里高的那一公里高的那一层大气大气中含有一定中含有一定浓度的臭氧度的臭氧(称臭氧称臭氧层),),保保护着地球不受高能紫着地

5、球不受高能紫外外线的的辐射射;大气中含有一定数量的大气中含有一定数量的COCO2 2,使地面保持适中的温度使地面保持适中的温度,有利于有利于生物的生生物的生长和繁衍和繁衍;地表覆盖一地表覆盖一层或厚或薄的土壤或厚或薄的土壤,为植物提供生植物提供生长的基地的基地地壳的厚度很适中地壳的厚度很适中,它厚到足以把岩它厚到足以把岩浆覆盖在地下足覆盖在地下足够的深的深度度,又薄到足以又薄到足以维持一定的火山活持一定的火山活动,使地壳深部和浅部之使地壳深部和浅部之间保持一定的物保持一定的物质交交换.由于由于这些条件些条件,使地球成使地球成为迄今迄今发现的唯一存在的唯一存在智能生物的天体智能生物的天体生命生命

6、对地球地球环境的意境的意义 长期以来，人期以来，人们一直一直认为，前面提到各种，前面提到各种“优越越”条件，条件，创造了地球上的生命。近年来，一些科学家提出了具造了地球上的生命。近年来，一些科学家提出了具补充性的相反看充性的相反看法。他法。他们反因反因为果，果，认为地球地球环境的的独特性在于它是一个靠生命境的的独特性在于它是一个靠生命来捕来捕获、转移和移和储存太阳存太阳辐射能，靠生命活射能，靠生命活动来来驱动地球表地球表层物物质循循环，靠生命，靠生命过程来程来调控地表各种控地表各种过程的开放系程的开放系统。也就是。也就是说，不，不仅是地球上是地球上“优越越”的条件的条件创造了生命，而且是生命活

7、造了生命，而且是生命活动创造了今天造了今天的地球的地球环境。境。这一一观点由盖点由盖娅(Gaia)(Gaia)提出提出,被称被称为盖盖娅理理论。地球物地球物质通通过生命生命过程的循程的循环 地球表地球表层物物质和能量的循和能量的循环是靠生命活是靠生命活动实现的。据粗略估算的。据粗略估算:1 1 至今地至今地质历史上所有生物的累史上所有生物的累计总质量是地球量是地球质量的量的10001000倍以上。倍以上。2 2 水圈中全部的水每水圈中全部的水每28002800年通年通过生物体循生物体循环一次；一次；3 3 大气圈中的氧气每大气圈中的氧气每10001000年全部通年全部通过生物代生物代谢过程一次

8、；程一次；4 4 沉沉积岩中全部的碳都是生物固定的，如果没有生物，就岩中全部的碳都是生物固定的，如果没有生物，就没有石灰岩等碳酸没有石灰岩等碳酸盐岩的形成；岩的形成；5 5 如果没有生物吸收人如果没有生物吸收人类工工业化以来排放的化以来排放的COCO2 2，则今天大今天大气圈的气圈的COCO2 2将增加将增加10001000倍，倍，浓度将达到度将达到30%30%以上以上.便不适合人便不适合人类和一切生物的生存了。和一切生物的生存了。因此，盖因此，盖娅理理论认为，地球的，地球的现状是生命参与状是生命参与地地质历史史过程的程的结果，地球果，地球现在的状在的状态也是靠生命活也是靠生命活动调节、控制和

9、、控制和维持的。持的。地球地球环境的圈境的圈层结构构大气圈大气圈水水 圈圈土壤圈土壤圈岩石圈岩石圈生物圈生物圈地球各圈地球各圈层的生成和演化的生成和演化早期的地球和原始大气圈早期的地球和原始大气圈 地球在地球在45454747亿年前形成的年前形成的时候，是一个炙候，是一个炙热的大火球，的大火球，为原始大气所包原始大气所包围.原始大气圈主要由原始大气圈主要由H H2 2、CHCH4 4、NHNH3 3和水和水蒸气等蒸气等组成，是一个成，是一个还原性的大气圈（完全不同于原性的大气圈（完全不同于现代的代的氧化性大气圈）。我氧化性大气圈）。我们今天所今天所见的地球各圈的地球各圈层，是，是经历了了亿万年

10、的万年的发育才形成的。育才形成的。水圈的出水圈的出现 大大约在在3838亿年以前，地球上出年以前，地球上出现了水。水的来源机制尚了水。水的来源机制尚未有定未有定论，但年，但年龄为3838亿年的最古老的沉年的最古老的沉积岩岩为水出水出现的的时间提供了确提供了确凿的的证据。据。水的出水的出现是地球是地球发育史的第一个重大事件。水分的蒸育史的第一个重大事件。水分的蒸发和降雨，降低了地表的温度，和降雨，降低了地表的温度，产生了河流、湖泊和海洋，生了河流、湖泊和海洋，为地球生命的出地球生命的出现创造了最基本的条件。造了最基本的条件。地球各圈地球各圈层的生成和演化的生成和演化地球上生命的出地球上生命的出现

11、 地球史上第二个重大事件是生命的出地球史上第二个重大事件是生命的出现。南非地。南非地层中中发现的的3030亿年以前的年以前的细菌化石菌化石为地球生命的起源提供了确地球生命的起源提供了确凿的的证据。尽据。尽管管对生命起源的机制也有种种不同看法，但一般都生命起源的机制也有种种不同看法，但一般都认为生命起源生命起源于海洋，因于海洋，因为当当时还原性的大气圈原性的大气圈还不能向地球提供必要的保不能向地球提供必要的保护，使之免遭使之免遭强大的太阳紫外大的太阳紫外线的的袭击。频率高达率高达10221022赫赫兹的太阳的太阳辐射足以射足以毁灭一切生命，除非一切生命，除非这些原始生命些原始生命处于海洋水于海洋

12、水层的保的保护之之下。下。早期生命的早期生命的对原始大气圈的改造作用原始大气圈的改造作用 早期早期细菌通菌通过发酵作用取得能量，并在生命酵作用取得能量，并在生命过程中放出程中放出COCO2 2，逐逐渐改改变原始大气的原始大气的组成。到大成。到大约2020亿年前，出年前，出现了更了更为进化的化的细菌和菌和蓝藻一藻一类生物，开始了一种新的生命生物，开始了一种新的生命过程程光合作用，光合作用，使大气圈中首次出使大气圈中首次出现O O2 2。有两种地。有两种地质学学证据据证明明O O2 2的出的出现：2020亿年以前的叠年以前的叠层石未遭氧化而此后的叠石未遭氧化而此后的叠层石已被氧化；石已被氧化；20

13、20亿年前形年前形成的成的许多有多有经济价价值的富的富铁岩石是海洋中岩石是海洋中还原原态铁被氧化后沉被氧化后沉积的。的。地球各圈地球各圈层的生成和演化的生成和演化现代大气圈的形成和意代大气圈的形成和意义 经过大大约4 4亿年的年的积累，到距今累，到距今1616亿年以前，一个含氧年以前，一个含氧的大气圈的大气圈终于形成。性于形成。性质极其活极其活泼的的O O2 2对大气圈大气圈进行了一行了一场“氧革命氧革命”：它与：它与CHCH4 4作用生成作用生成COCO2 2和和H H2 2O O，与，与NHNH3 3作用生成作用生成N N2 2和和H H2 2O O，在高空中，在高空中O O2 2分子相互

14、作用生成分子相互作用生成O O3 3。这些反些反应不不仅进一步一步改改变了大气圈的了大气圈的组成，而且成，而且O O3 3在高空的在高空的积累逐累逐渐形成了保形成了保护地球的臭氧地球的臭氧层，为更高等的海洋生物更高等的海洋生物进化和生命登上化和生命登上陆地地创造了条件。造了条件。现代生物圈的形成代生物圈的形成 此后，生命此后，生命进化的化的过程加速。程加速。1212亿年前出年前出现最早的真核最早的真核细胞。胞。5 5亿年前出年前出现海洋无脊椎海洋无脊椎动物，物，4.54.5亿年以前，在温年以前，在温暖湿暖湿润的河口地的河口地带，一种叫做，一种叫做顶囊蕨的植物开始登囊蕨的植物开始登陆。哺。哺乳乳

15、类动物出物出现在在2 2亿年前。今天，大年前。今天，大约有有500500万至万至50005000万种万种生物生物组成了五彩成了五彩缤纷的生物界，构成了包括人的生物界，构成了包括人类在内的生在内的生物圈。物圈。大气圈的特点和性大气圈的特点和性质根据流星和北极光的最高根据流星和北极光的最高发光点推算，地球表面光点推算，地球表面800 800 千米以上高千米以上高空仍有稀薄的空气。因此，一般把大气圈的厚度定空仍有稀薄的空气。因此，一般把大气圈的厚度定为1000 1000 千米。千米。大气圈的大气圈的总质量相当于地球量相当于地球质量的百万分之一。量的百万分之一。大气大气质量在垂直方向上的分布极不均匀，

16、在地心引力作用下，大量在垂直方向上的分布极不均匀，在地心引力作用下，大气的气的质量主要集中在大气圈的下部，其中量主要集中在大气圈的下部，其中50%50%集中在离地面集中在离地面5 km5 km以以下，下，75%75%在在10 km10 km以下，以下，90%90%在在30 km30 km以下。以下。按照其分子按照其分子组成，大气可分成，大气可分为均均质层和非均和非均质层。均均质层是从地表至是从地表至9090千米高度的大气千米高度的大气层，虽然其密度随高度然其密度随高度增加而减小，但除了水汽的含量增加而减小，但除了水汽的含量变化化较大以外，其他大以外，其他组分的比例分的比例大体大体稳定。定。这种

17、均种均质性是大气低性是大气低层的的风和湍流运和湍流运动的的结果。果。非均非均质层位于均位于均质层之上，根据其气体成分又可分之上，根据其气体成分又可分为四个四个层次：氮次：氮层（距地面（距地面90-200 km90-200 km）、原子氧）、原子氧层（2002001000 km1000 km）、氦）、氦层（110011003200 km3200 km）和）和氢层（320032009600 km9600 km）。）。地球大气圈按地球大气圈按热量状况的分量状况的分层目前世界普遍采用的大目前世界普遍采用的大气圈分层方法是气圈分层方法是19621962年年世界气象组织（世界气象组织（WMOWMO）执行委

18、员会正式通过国执行委员会正式通过国际大地测量和地球物理际大地测量和地球物理联合会（联合会（IUGGIUGG）建议的）建议的分层系统，即根据大气分层系统，即根据大气温度垂直变化特征，将温度垂直变化特征，将大气圈分为对流层、平大气圈分为对流层、平流层、中间层、热成层流层、中间层、热成层和逸散层和逸散层 地球大气的地球大气的组分及其精巧平衡分及其精巧平衡组成地球大气的多种成分可分成地球大气的多种成分可分为稳定定组分和不分和不稳定定组分。分。前者包括氮、氧、前者包括氮、氧、氩、氦、氦、氪、甲、甲烷、氢、氙等，、氙等，这些些气体之气体之间的比例，从地表到的比例，从地表到9090千米的高度范千米的高度范围

19、内都是固内都是固定的。大气的不定的。大气的不稳定定组分包括二氧化碳、二氧化硫、臭分包括二氧化碳、二氧化硫、臭氧和水汽等。氧和水汽等。此外，大气中此外，大气中还含有一些固含有一些固态和液和液态杂质，主要是火山、，主要是火山、地震、岩石地震、岩石风化、森林火灾和人化、森林火灾和人为活活动产生的烟生的烟尘、硫、硫化物和氮氧化物等。化物和氮氧化物等。地球各圈地球各圈层，尤其是生物圈各，尤其是生物圈各组分，与大气圈保持着十分，与大气圈保持着十分密切的物分密切的物质和能量的交和能量的交换，使大气各，使大气各组分之分之间保持着保持着极其精巧的平衡。如果极其精巧的平衡。如果这种平衡一旦遭到破坏，就会种平衡一旦

20、遭到破坏，就会对整个生物圈造成灾整个生物圈造成灾难性的后果，人性的后果，人类赖以生存的以生存的环境亦境亦会遭到破坏。会遭到破坏。大气圈中的氧大气圈中的氧大气中氧的含量大气中氧的含量为21%21%，这是是亿万年来生物圈万年来生物圈进化与大化与大气圈相互作用的气圈相互作用的结果。果。3030亿年前，大气圈中氧年前，大气圈中氧浓度只有度只有现在的千分之一，地表在的千分之一，地表没有生命。没有生命。到距今到距今6 6亿年年时，氧，氧浓度达到度达到现水平的百分之一，生命水平的百分之一，生命开始出开始出现于水面，成于水面，成为生命史的第一个关生命史的第一个关键浓度。度。到到4 4亿多年前，氧多年前，氧浓度

21、达度达现水平的十分之一，生命才能水平的十分之一，生命才能从海洋登上从海洋登上陆地，地，这是生命史上的第二个关是生命史上的第二个关键浓度。度。此后，大气氧此后，大气氧浓度逐度逐渐达到了达到了现有水平，有水平，标志着大气耗志着大气耗氧与复氧氧与复氧过程之程之间达到某种平衡达到某种平衡.如果大气圈氧如果大气圈氧浓度下降，度下降，则不不仅生活在低海拔的人会生活在低海拔的人会经受高山反受高山反应之苦，而且氧化反之苦，而且氧化反应受到抑制，燃料燃受到抑制，燃料燃烧产生的一氧化碳等有毒气体就生的一氧化碳等有毒气体就积累在大气圈中。相反，如累在大气圈中。相反，如果大气氧果大气氧浓度增高，比如从度增高，比如从现

22、有的有的21%21%增高至增高至25%25%，则雷雷电就能把嫩枝和草地点燃，造成就能把嫩枝和草地点燃，造成连绵不断的火灾，使全不断的火灾，使全球植被遭到破坏。球植被遭到破坏。大气圈中的大气圈中的CO2 20-30 20-30亿年以前，大气圈中年以前，大气圈中COCO2 2的的浓度很高，度很高，约为今天的今天的1010倍。到倍。到1616亿年前，随着含氧大气圈的形成，大气年前，随着含氧大气圈的形成，大气COCO2 2的的浓度逐度逐渐下降到先有水平。下降到先有水平。一定一定浓度度COCO2 2的存在，的存在，对地表温度的地表温度的调节很重要。很重要。因因为COCO2 2和某些气体具有能和某些气体具

23、有能让太阳太阳辐射中的短波射中的短波辐射通射通过而滞而滞留地表留地表长波波辐射、使地表增温，即所射、使地表增温，即所谓“温室效温室效应”。若无。若无这些温室气体的存在，有关些温室气体的存在，有关计算推断地球的年平均温度算推断地球的年平均温度应为1818，而不是，而不是现在的在的13131515。就是。就是说，天然，天然COCO2 2的温室效的温室效应使全球温度上升了使全球温度上升了31313333。当前大气圈当前大气圈COCO2 2的的浓度度约为0.03%0.03%，在人，在人为活活动影响影响下下渐趋上升，使温室效上升，使温室效应增增强。另一方面，如果。另一方面，如果COCO2 2等温室气等温

24、室气体体浓度下降，度下降，则会引起温度下降。小幅度的下降将会引起温度下降。小幅度的下降将导致生致生长期期缩短，作物短，作物产量下降；量下降；较大幅度的下降，例如全球气温下大幅度的下降，例如全球气温下降降4 455，则将引将引发一个新的冰期。一个新的冰期。大气圈中的甲大气圈中的甲烷 大气圈的另一种敏感的微量大气圈的另一种敏感的微量组分是甲分是甲烷，其其浓度度为1.4 ppm1.4 ppm。如果其。如果其浓度度较高，在高，在现有的氧有的氧浓度下就会因度下就会因闪电而燃而燃烧。更更为重要的是，甲重要的是，甲烷的温室效的温室效应比二氧比二氧化碳化碳强300300多倍，它所造成的增温作用占全球人多倍，它

25、所造成的增温作用占全球人为增增温作用的温作用的1/4(CO1/4(CO2 2占占1/2,1/2,其他温室气体占其他温室气体占1/4)1/4)。天然沼天然沼泽和水稻田是和水稻田是产生甲生甲烷的重要的重要场所。所。反反刍动物胃中物胃中产生的甲生的甲烷也是大气圈甲也是大气圈甲烷的重要来源。的重要来源。地球大气地球大气组分精巧平衡的意分精巧平衡的意义 大气圈各大气圈各组分之分之间保持着精巧的平衡，保持着精巧的平衡，这是地球是地球环境境亿万年来万年来发展的展的结果。保持果。保持这种平衡可保种平衡可保护人人类赖以生存的生物圈以生存的生物圈.破坏破坏这种平衡就是破坏生命的基种平衡就是破坏生命的基础。然而，人

26、然而，人类社会社会实现工工业化以来，化以来，规模和模和强度日益加大的人度日益加大的人类活活动正在破坏正在破坏这种平衡，种平衡，这是人是人类面面临的重大的重大环境境问题之一。之一。水水圈圈 海洋和海洋和陆地上的液地上的液态水和固水和固态水构成一个大体水构成一个大体连续的的圈圈层覆盖在地球表面，称覆盖在地球表面，称为水圈。它包括江河湖海中一切淡水和水圈。它包括江河湖海中一切淡水和咸水、土壤水、浅咸水、土壤水、浅层和深和深层地下水以及南北两极冰帽和各大地下水以及南北两极冰帽和各大陆高高山冰川中的冰，山冰川中的冰，还包括大气圈中的水蒸气和水滴包括大气圈中的水蒸气和水滴.水圈是水圈是对地地球表面和接近地

27、球表面的各种形球表面和接近地球表面的各种形态的水的的水的总称。称。水圈的水圈的结构构大气圈中的水大气圈中的水雨、雹、霾、雪、水蒸气雨、雹、霾、雪、水蒸气 生物圈中的水生物圈中的水体液、细胞液、生物聚合水体液、细胞液、生物聚合水化物化物 岩石圈中的水岩石圈中的水地下水、岩浆水、水合水地下水、岩浆水、水合水狭义水圈狭义水圈 陆地水陆地水(泉水、沼泽水塘水、泉水、沼泽水塘水、湖水、冰盖与雪盖河水、冰湖水、冰盖与雪盖河水、冰川川)海洋水海洋水(浅海水、浅海水、大洋水、大洋水、海洋沉积物孔隙水海洋沉积物孔隙水)水水对地球地球环境和人境和人类生存的意生存的意义地球所以能地球所以能够成成为一一颗智慧星球，水

28、是一个关智慧星球，水是一个关键因素。各因素。各种生命起源的假种生命起源的假说都离不开水都离不开水这一要素。一要素。水是任何生物体构成的基本成分。水是任何生物体构成的基本成分。动物体平均含水物体平均含水70%70%，植，植物体平均含水物体平均含水404060%60%。有的生物体含水量很高，如水母身。有的生物体含水量很高，如水母身体中的含水量占其体重的体中的含水量占其体重的95%95%。水水对生物的重要作用生物的重要作用还在于水是生物新在于水是生物新陈代代谢的介的介质。生。生物通物通过水从外界吸取养分，通水从外界吸取养分，通过水把各种水把各种营养物养物输送到机送到机体的各个部分，又通体的各个部分，

29、又通过水把代水把代谢产物排出体外。水作物排出体外。水作为介介质把生物体的把生物体的营养和代养和代谢过程程联系起来，通系起来，通过这一一过程程维持着生命的活力。持着生命的活力。水水对生物体生物体还起着散失起着散失热量、量、调节体温的作用。体温的作用。研究研究发现，人，人类血液中所含的血液中所含的矿物物质为9 g/L9 g/L，与，与3030亿年前年前的海水是相同的。静脉点滴用的生理的海水是相同的。静脉点滴用的生理盐水水为0.9 g/L0.9 g/L的的NaClNaCl溶液，与原始海水一致。溶液，与原始海水一致。这似乎似乎说明，明，现代人的身体内流代人的身体内流动着几十着几十亿年前的海水。年前的海

30、水。水的性水的性质对地球地球环境和人境和人类生存的意生存的意义水的水的优异的性异的性质决定了它决定了它对人人类生存生存环境的意境的意义。1 1 水是无色透明的，允水是无色透明的，允许太阳光中的可太阳光中的可见光和光和较长波的紫外光通波的紫外光通过，使到水面以下的一定深度的水生，使到水面以下的一定深度的水生植物均能植物均能进行光合作用，而行光合作用，而对生物体有害的短波紫生物体有害的短波紫外外线则被阻被阻挡在外。在外。这不不仅对地球上生命的起源和地球上生命的起源和进化起重要作用，化起重要作用，对今天生活在水的各种生物也有今天生活在水的各种生物也有重要作用重要作用2 2 水的一种极好的溶水的一种极

31、好的溶剂，为生命生命过程中程中营养物养物质和和废弃物的弃物的传输提供最基本的媒介。水的介提供最基本的媒介。水的介电常数在常数在所有液体中是最高的，使得大多数离子化合物能所有液体中是最高的，使得大多数离子化合物能够溶解于其中，并溶解于其中，并发生最大程度的生最大程度的电离，离，这对生物吸生物吸收收营养物养物质和在生物体内和在生物体内进行的各种行的各种难过化化过程有程有重要意重要意义。水的性水的性质对地球地球环境和人境和人类生存的意生存的意义3 3 除液氮外，水的比除液氮外，水的比热是所有液体和固体中最大的，是所有液体和固体中最大的，水的蒸水的蒸发热也最高，也最高，这使地表水体白天能使地表水体白天

32、能够吸收太吸收太阳光的阳光的热量，夜晚又可将量，夜晚又可将热量量释放到大气中，从而放到大气中，从而避免了激烈的温度避免了激烈的温度变化，使代表温度保持在一个相化，使代表温度保持在一个相对恒定的范恒定的范围内。月球的表面都是岩石，石内。月球的表面都是岩石，石头的比的比热只有水的只有水的20%20%，所以，所以语文求表面的温度文求表面的温度变化可以化可以从从+120+120度到度到-150-150度。度。水的性水的性质对地球地球环境和人境和人类生存的意生存的意义4 4 水在水在摄氏氏4 4度度时密度最大，密度最大，这一特性在控制水体一特性在控制水体温度分布和垂直循温度分布和垂直循环中起重要作用。在

33、气温急中起重要作用。在气温急剧下降的夜晚，水面上下降的夜晚，水面上较重的水重的水层向下沉降，与下向下沉降，与下部水更部水更换，这一一过程使溶解在水中的氧及其他程使溶解在水中的氧及其他营养物养物质得以在整个水域分布均匀。水生生物可以得以在整个水域分布均匀。水生生物可以在在摄氏氏4 4度条件下生存。度条件下生存。5 5 冰冰轻于水。冰的密度比水小，于水。冰的密度比水小，为0.92 g/cm30.92 g/cm3，可以浮在水面上。可以浮在水面上。这一特性一特性对水下生物具有十分水下生物具有十分重要的作用。否重要的作用。否则，气温降低，气温降低时，在水面，在水面结成的成的冰回沉至水底，冰回沉至水底，导

34、致整个水体完全致整个水体完全冻结，给水下水下生物生物带来来灭顶之灾。之灾。海洋海洋对人人类环境的作用境的作用世界海洋大世界海洋大约覆盖地表覆盖地表71%71%的面的面积，平均深度，平均深度为38003800米。世界海洋的米。世界海洋的总体体积约为1313亿立方公里立方公里,海海洋容洋容纳的水量占地球水圈的水量占地球水圈总水量的水量的97%97%，也就是，也就是说,海洋是水圈的主体。海洋是水圈的主体。海洋海洋对人人类的重要性首先表的重要性首先表现在气候方面。水的在气候方面。水的热容量很高，巨大的海洋水体容量很高，巨大的海洋水体储存着大量存着大量热能，能，这些些热的的获得或得或释放都十分放都十分缓

35、慢。因而海洋能有效地慢。因而海洋能有效地调节气温，使季气温，使季节性温度差异性温度差异变得和得和缓。另外，海洋。另外，海洋给大气圈提供了大量水蒸气，大气圈提供了大量水蒸气，这是降落到是降落到陆地上的地上的雨水的基本源泉，从根本上雨水的基本源泉，从根本上说也几乎是人也几乎是人类生活淡生活淡水的唯一来源。海洋生物水的唯一来源。海洋生物给人人类提供了一部分但却提供了一部分但却重要的食物。海洋重要的食物。海洋还给人人类提供了四通八达的提供了四通八达的“不不留痕迹的路面留痕迹的路面”。海洋和。海洋和陆地的接触地的接触带对人人类来来说是一种独特的是一种独特的环境。境。总之，海洋在之，海洋在发展人展人类文明

36、方文明方面一直起着巨大的作用。面一直起着巨大的作用。自然界水的循自然界水的循环地球水圈各部分的水不是静止的，而是地球水圈各部分的水不是静止的，而是处于不断的于不断的变化和化和循循环之中。地球各部分的水在太阳照射下，通之中。地球各部分的水在太阳照射下，通过广大的水广大的水面和土面的蒸面和土面的蒸发以及植物茎叶的蒸以及植物茎叶的蒸腾，化，化为水气，上升到水气，上升到空中，然后在大气空中，然后在大气环流推流推动下，下，输送送传播到各播到各处。当水气。当水气上升遇冷上升遇冷时便凝便凝结，以雨、雪等形式降落下来。，以雨、雪等形式降落下来。这些降落些降落下来的水一部分渗入地下，成下来的水一部分渗入地下，成

37、为土壤水和地下水；一部分土壤水和地下水；一部分经植物吸收后再植物吸收后再经茎叶蒸茎叶蒸腾至大气中；一部分又直接从地至大气中；一部分又直接从地面蒸面蒸发进入大气中；更多的入大气中；更多的则是以地面径流形式是以地面径流形式汇入江河入江河湖泊，再注入大海。而大海中的水又会再蒸湖泊，再注入大海。而大海中的水又会再蒸发到大气圈中。到大气圈中。如此循如此循环往复，永无往复，永无终止。止。这就是自然界中的水分循就是自然界中的水分循环。水分循水分循环可分可分为大循大循环和小循和小循环两种。一般两种。一般说来，水被蒸来，水被蒸发后凝后凝结成雨，未成雨，未经很大距离的移很大距离的移动就降回原就降回原处的称的称为小

38、小循循环；而水从海面蒸；而水从海面蒸发后，水气被大气后，水气被大气环流流输送至大送至大陆上上空，空，经凝凝结又降落至地面，通又降落至地面，通过河流再河流再汇聚入海的，便称聚入海的，便称为大循大循环。地球表面的水量平衡地球表面的水量平衡水分循水分循环是由蒸是由蒸发、水气、水气输送、降水和径流四个送、降水和径流四个环节构成的。构成的。这四个四个环节在地球表面构成水量的相在地球表面构成水量的相对平衡体系，即：平衡体系，即：1 1海洋表面的年平均蒸海洋表面的年平均蒸发量等于降到海洋表面上量等于降到海洋表面上的降水量与河道径流量之和；的降水量与河道径流量之和；2 2陆地表面的年平均蒸地表面的年平均蒸发量

39、等于降落在地面上的量等于降落在地面上的降水量减去河道径流量。降水量减去河道径流量。3.3.将上述两点叠加起来即可以得到：海洋表面将上述两点叠加起来即可以得到：海洋表面及及陆地表面的地表面的总蒸蒸发量等于海洋表面和量等于海洋表面和陆地表面的地表面的总降水量，即全球降水量，即全球总蒸蒸发量等于全球量等于全球总降水量。降水量。地球表面的水量分布地球表面的水量分布水的类型水的类型 占水总量的百分数占水总量的百分数(%)淡水湖淡水湖0.009咸水湖和内海咸水湖和内海0.008河流河流0.0001土壤水分和渗透水土壤水分和渗透水0.005地下水地下水(达达0.8 km深深)0.31深部地下水深部地下水0.

40、31地壳表面部分的水地壳表面部分的水(液液)0.635雪和冰雪和冰2.15大气圈中的水大气圈中的水0.001海洋海洋97.2土壤圈土壤圈土壤是地球土壤是地球陆地上能供植物生地上能供植物生长与繁殖的疏松表与繁殖的疏松表层。除了江河湖海等水体和两极冰盖与高山冰川。除了江河湖海等水体和两极冰盖与高山冰川覆盖的地区以外，几乎都有土壤存在。即使在岩覆盖的地区以外，几乎都有土壤存在。即使在岩石出露或流沙覆盖的地方，也可能有原始土壤和石出露或流沙覆盖的地方，也可能有原始土壤和风沙土的沙土的发育。因此，各种土壤在地球表面形成育。因此，各种土壤在地球表面形成一个断一个断续分布的圈分布的圈层，覆盖于岩石圈之上，其

41、厚，覆盖于岩石圈之上，其厚度由几厘米至几米不等。在炎度由几厘米至几米不等。在炎热湿湿润的的热带亚热带地区，有些土壤的厚度可能达几十米。地区，有些土壤的厚度可能达几十米。这就是就是土壤圈存在的范土壤圈存在的范围。土壤土壤对人人类生存生存环境的意境的意义土壤由岩石演化而来土壤由岩石演化而来,土壤与岩石的不同之土壤与岩石的不同之处在于它具有肥力在于它具有肥力,即具有提供和即具有提供和调节水水,气气,热和和营养元素的能力养元素的能力,为植物的生植物的生长提供了必要条件提供了必要条件.正是薄薄的一正是薄薄的一层土壤才使地球上有了广土壤才使地球上有了广阔的森的森林林,草草场和和农田田岩石圈岩石圈岩石圈是人

42、岩石圈是人类生存生存环境中最下面的一个圈境中最下面的一个圈层，又是地球内部各圈，又是地球内部各圈层的最外的最外层。众所周知，地球内部也分成几个圈。众所周知，地球内部也分成几个圈层。从地心向外，。从地心向外，分分别是固是固态内核、液内核、液态外核、地幔和地壳。一般人常将岩石圈看外核、地幔和地壳。一般人常将岩石圈看作作为地壳的同地壳的同义语，包括地球最外，包括地球最外层的岩石、的岩石、风化壳和土壤，平化壳和土壤，平均厚度均厚度为33333535千米。千米。地球内部各圈地球内部各圈层岩石圈岩石圈对人人类生存和生存和发展的意展的意义岩石圈岩石圈质量量仅占地球的占地球的0.20.2，厚度，厚度仅及地球半

43、径的及地球半径的0.50.5,形象形象地地说，就象一只苹果的外皮那，就象一只苹果的外皮那样薄薄的一薄薄的一层。然而正是。然而正是这个薄个薄层内包含了大内包含了大陆与海盆，也是大与海盆，也是大陆与海洋沉与海洋沉积物、海洋物、海洋盐类、大气、大气圈气体、地球上一切自由水的源泉。同圈气体、地球上一切自由水的源泉。同时，它是人，它是人类所需各种化所需各种化石燃料和石燃料和矿物原料的物原料的储藏所。藏所。岩石圈向人岩石圈向人类社会提供化石燃料社会提供化石燃料 从人从人类全部全部历史来看，化石燃料大史来看，化石燃料大规模使用的模使用的历史尚不足史尚不足200200年。年。历史上史上长期使用的期使用的燃料是

44、薪柴、木炭、作物秸燃料是薪柴、木炭、作物秸秆和畜和畜粪。直至。直至18951895年，工年，工业发达的美国和欧洲大达的美国和欧洲大陆的能源的能源结构中木构中木材仍占材仍占9090。进入入2020世世纪以后，煤炭才开始占主以后，煤炭才开始占主导地位。石油更是一个后来者，从地位。石油更是一个后来者，从19201920年起其开年起其开采量大幅度上升，开始了能源供采量大幅度上升，开始了能源供应的的“石油石油时代代”。从从19291929年至年至19711971年，世界煤炭年，世界煤炭产量增量增长了了7070，同期石油同期石油产量增量增长了了10001000。岩石圈向人岩石圈向人类社会提供社会提供矿物原

45、料物原料人人类利用利用矿物原料的物原料的历史不算史不算长，大，大约在公元前在公元前60006000年人年人类首次学会从首次学会从矿石中提取金属，石中提取金属，进入青入青铜时代。公元前代。公元前16001600年又学会了提年又学会了提炼更更坚硬的硬的铁，进入入铁器器时代。代。30003000年年以后，到了公元以后，到了公元17091709年，英国人达比年，英国人达比发明了用焦炭作燃料明了用焦炭作燃料熔熔炼铁，才，才进入近代的入近代的钢铁时代，代，钢铁也成了也成了现代一切工代一切工业的基的基础。人人类利用利用矿物物资源的种源的种类与数量与日俱增：原始人一生只与数量与日俱增：原始人一生只需要几千克至

46、几十千克石需要几千克至几十千克石头打制石器；打制石器；农业社会的社会的农民一民一生也只需要几千克生也只需要几千克铁和和铜制造制造简单的的农具，迄今具，迄今许多多发展展中国家的中国家的农民依然使用着极其民依然使用着极其简单的的农具；工具；工业化社会化社会对矿物物资源的消源的消费却大得多，却大得多，7070年代一个美国公民每年要消年代一个美国公民每年要消费钢铁9.49.4吨、有色金属吨、有色金属约6 6吨（其中吨（其中铅7.257.25千克，主要用千克，主要用作汽油添加作汽油添加剂，现已已废止）、沙止）、沙砾石石3.553.55吨、水泥吨、水泥227227千克、千克、粘土粘土9191千克、千克、盐

47、9191千克，千克，总计各种金属和非金属物料各种金属和非金属物料约2020吨。吨。生物圈生物圈生物圈的概念是生物圈的概念是18751875年奥地利地年奥地利地质学家休斯首次引学家休斯首次引进自然自然科学的，但直至科学的，但直至19201920年代年代苏联地球化学家地球化学家维尔纳茨基在茨基在苏联（19261926年）和法国（年）和法国（19291929年）作了年）作了题为“生物圈生物圈”的两次的两次讲演之后，才引起人演之后，才引起人们的注意。的注意。生物圈是指地球上有生命的部分，即地球上所有的生物，生物圈是指地球上有生命的部分，即地球上所有的生物，包括人包括人类及其生存及其生存环境的境的总体。

48、体。这个概念尽管个概念尽管简明，却不明，却不甚明确。因甚明确。因为在一些极端在一些极端环境下，例如大气圈相当高的地境下，例如大气圈相当高的地方（方（90009000米以上）、非常干旱的荒漠中、米以上）、非常干旱的荒漠中、严寒（寒（190190）和酷和酷热（140140）的）的环境中，境中，虽然然难以以维持代持代谢过程的程的进行，行，但在但在这些地区仍能找到真菌的些地区仍能找到真菌的孢子。因此，除了我子。因此，除了我们周周围生机勃勃的生物圈以外，生机勃勃的生物圈以外，还存在一个界限不甚明确，有着存在一个界限不甚明确，有着某些休眠形式生命的某些休眠形式生命的“副生物圈副生物圈”（parabiosp

49、ereparabiospere）。）。生物圈的演化 生物圈的生物圈的发育育经历了大了大约3030亿年的年的历程。程。从从3030亿年前出年前出现原始原始细菌开始，菌开始，2020亿年前出年前出现了能了能进行光合作用的固氮生物，行光合作用的固氮生物，释放出氧气，并在放出氧气，并在约1616亿年前形成了含氧气的大气圈。年前形成了含氧气的大气圈。7 7亿年前出年前出现了多了多细胞生物，胞生物，5 5亿年前海洋中出年前海洋中出现了无脊椎了无脊椎动物，物，4.54.5亿年前生物从海洋登年前生物从海洋登陆。只是最近。只是最近2 2亿年前才出年前才出现哺乳哺乳类动物（表物（表1.11.1）。在）。在这漫漫长

50、的的历史史长河中，河中，由于地壳的由于地壳的变化、气候的化、气候的变异和其他种种原因，有异和其他种种原因，有些物种消亡了，新的物种些物种消亡了，新的物种产生了，形成了今天由大生了，形成了今天由大约一千万物种（迄今已一千万物种（迄今已鉴定了定了约180180万物种，其中万物种，其中2/32/3为昆虫。全球物种昆虫。全球物种总数估数估计为500500万万50005000万种，万种，其中其中3/43/4在在热带地区，尤其集中在地区，尤其集中在热带雨林中）雨林中）组成的五彩成的五彩缤纷的生物圈。的生物圈。生物圈对地球环境的意义生物的出生物的出现，将大气圈中大量的，将大气圈中大量的CO2CO2转移到岩石