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品价值那样得到足够的体现。因此,许多地区都曾陷入过对其只知使用、干式恒温仪不知保 护的恶性循环怪圈。除了加强宣传教育,提 高环 境意 识,实行清 洁生 产,优化 产 业结构,提高森林面积(图 7 2)之外,保护空气 资源,改善环 境空气质 量还须 采 取法律手段以及经济手段。大多数 国家 均把这 两种 手段 结合起 来使 用,如同 美 国的 GreenLights计划和加拿大的 SMOGFREE计划那样。必须通过立法来完善 170 第 7章 环 境 地 学 各项管理制度,规定空气资源的限量标准和污染物排放的限量标准,实施强制性 管理。制定合理的经济政 策,坚 持对 空气 资源 的有 偿 使用 原则,做 到“谁利 用, 谁补偿;谁破坏,谁恢复 ”。 这是 体现 空气 的 资源 价值,保 护 空气 资 源的 一 个 有 力手段。 7.2.2 水环境与海洋环境 水循环和水量平衡都是对水在大气 圈、水圈、岩 石圈、土 壤圈和 生物 圈之 间 运动与交换过程的描述,前者侧重于概念的阐述,后者则对水分循环进行定量的 计算。关于水循环的基本过程,参见第 2章 2.3节。 (1)水循环的基本类型 通常按水循环的不同途径与规模,将全球的水循环分为大循环与小循环。 ① 大循环:发生于全球海洋与陆地之间的水分交换过 程,由 于遍及全 球,故 名大循环,又称外循环。 大循环的主要特点是,在循环过 程中,水 分通过 蒸发 与降 水两大 基本 环节, 在空中与海洋、空中与陆地之间进行 垂向交 换,与此 同时,又 以水汽 输送 和径 流 的形式进行横向交换。交换过程中,海面上的年蒸发量大于年降水量,陆面上情 况正好相反,降水大于蒸发;在横向 交换 过程中,海洋上 空向 陆地输 送的 水汽 要 多于陆地上空向海洋回送的水汽,两 者之 差称 为海洋 的有 效水汽 输送。 正是 这 部分有效的水汽输送,在陆地上转化 为地表 及地 下径 流,最后回 流入 海,在海 陆 之间维持水量的相对平衡。 ② 小循环:是指发生于海 洋与 大气之 间,或陆 地与
大气 之间 的水 分交 换 过 程。小循环又称内部循环,前者又可称为海洋小循环,后者称陆地小循环。 海洋小循环主要包括海面的 蒸发 与降水 两大 环节,所 以比较 简单。 陆地 小 循环的情况则要复杂得多,并且内部存在明显的差别。从水汽来源看,有陆地自 身蒸发的水汽,也有自海洋输送来的 水汽,并在 地区 分布 上很不 均匀,一 般规 律 是距海愈远,水汽含量愈少,因此,水循 环强 度具 有自海 洋向 内陆深 处逐 步递 减 的趋势,如果地区内部植被条件好,贮水 比较丰 富,那么 自身 蒸发的 水汽 量比 较 多,有利于降水的形成,因而可以促进地区小循环。 陆地小循环可以进一步区分为大陆外流区小循环和内流区小循环。其中外 流区小循环除自身垂向的水分交换外,还有对于的水量,以地表径流及地下径流 的方式输向海洋,高空中必然有等量的水分从海洋送至陆地,所以还存在与海洋 之间的横向水分交换。而陆地上的内流区,其多年平均降水量等于蒸发量,自成 一个独立的水循环系统,地面上并不 直接 和海洋 相沟 通,水分 交换以 垂向 为主, 仅借助于大气环流运动,在 高空 与外 界之 间,进行 一 定量 的 水汽 输 送与 交 换 活 动。 7.2 人类 地球环境复合系统 171 (2)水量平衡 水量平衡是水循环的数量表示。即在一定的时域空间内,水分在循环、转化 过程中,其数量遵循质量守恒定律,收入的水量与支出的水量之间的差额必等于 该区域(或水体)内蓄 水的 变化 量。也 就是 说,水 在循 环过 程 中,从总 体上 说 是 收支平衡的(图 7 3)。 图 7 3 全球水文循环过程 (根 据 Moore,1996重绘 ) 从本质上说,水量平衡是质量守恒定律原理在水循环过程中的具体体现,也 是地球上的水循环能够持续不断 进行 下去的 基本 前提。 一旦水 量平 衡失控,水 循环中某一环节就要发生断裂,整个水循环亦将不复存在。反之,如果自然界根 本不存在水循环现象,亦就无所谓 平衡 了。因 而两者 密切 不可分。 水循 环是 地 球上客观存在的自然现象,水量平衡是水循环的内在规律。 全球水量平衡中,海陆降水量之和等于海陆蒸发量之和,说明全球水量保持 平衡,基本上保持不变。海洋蒸发量提供了海洋 降水量 的 85% 和陆地 降水量 的 89%,海洋是大气水分和陆地水的主要来源。陆 地降水 量中只有 11%来 源于 陆 地蒸发,说明大陆气团对陆地降水的 作用 远远 不及海 洋气 团的作 用。海 洋降 水 量等于海洋蒸发量与入海径流量之 差,而陆 地降 水量等 于陆 地蒸发 量与 入海 径 流量之和,海洋和陆地水最后通过径流达到平衡。 (3)水体污染与水体自净 水体是地表水圈的重要组成部 分,它是 指以 相对稳 定的 陆地为 边界 的天 然 水域,包括江河、湖泊、水库、沼泽以及冰川和海洋等。水体作为一个完整的生态 系统,除水以外还包括水中的悬浮 物质、溶解 物质、水 生生 物和底 泥等。 随着 人 类社会的发展进步,人类改造和利用自然的能力越来越强,工业和农业技术的高 172 第 7章 环 境 地 学 度发展,生产和使用大量的无机和有机产品,这些自然界原来没有的东西不可能 不进入水体等自然环境,不可避免地 会最 终进 入水圈。 当人 类活动 改变 了天 然 水质,使水质恶化严重到足以降低资源的基 本用途 的程 度时,便引 发了 “水体 污 染”的问题。 当污染物进入河流、湖泊、海洋 或地 下水等 水体 后,其含 量超过 了水 体的 自 净能力,使水体的水质和水体底质的 物理、化学 性质 或生 物组成 发生 变化,从 而 降低了水体的使用价值和使用功能的现象,称为水体污染。 水体污染的发生和过程取决于 污染 物、污染 源及承 受水 体三方 面的 特征 及 其相互作用和关系。水体污染可分为自然污染和人为污染两大类。自然污染是 指自然因素所产生的污染,例如降水对 各种 矿石 的溶解 作用 和对大 气的 淋洗 以 及地表径流挟带各种污染物质进 入水 体而形 成的 污染。 但是一 般说 来,自然 污 染只发生在局部地区,因此危害也往 往具 有地 区性。人 为污 染是指 人类 在生 产 和生活中产生的“三废”对水体的污染。 其中,工业废水 是造成 水体污染 的主 要 污染源。 按污染物的来源,水体污染分为工业污染、生活污染、农田污染和天然污染; 按污染物进入水体的方式,分为点源 污染 和非 点源污 染。由 人类活 动进 入水 体 的污染物种类繁多,对水体污染产生 的作 用千 差万别。 水体 污染物 包括 有机 污 染物、重金属污染物、化肥和农药、放射性污染物、病原微生物和热污染等。 污染物进入水体后,通过复杂的 物理、化学 和生 物等 方面的 作用,使 污染 物 的浓度逐渐降低,经过一段时间后,水体 将恢复 到受 污染 前的状 态,这一 现象 就 称为水体的自净作用。自然界各种 水体 都具有 一定 的自 我净化 能力,使 受污 染 的水体部分地或完全地恢复到原来的洁净状态。 水体的净化作用,按其净化机制,可分为三种净化类型: ① 物理净化:污染物进入 水体 后,只改变 其物 理 性状、空 间位 置,而不 改 变 其化学性质、不参与生物作用。主要是指污染物在水体中由于混合、稀释、扩散、 挥发、沉淀等作用,而使污染物质在水体中浓度降低的过程。物理净化能力的强 弱取决于水体的物理条件,如温度、流 速、流量等,以 及污 染物 自身的 物理 性质, 如密度、形态、粒度等。 ② 化 学净 化 :污 染 物 在水 体 中
以 简 单或 复 杂 的 离 子或 分 子 状 态 迁移 ,并 发生 化 学性 质 或形 态 、价态 上 的转 化 ,使水 质 发 生化 学 性质 的 变化 ,但 不参 与 生物作 用。 如酸碱 中和 、氧化 还 原 反 应、络 合 、吸 附 及凝 聚 作 用、各 种水 解 、光 解与离 解过程 及离 子交 换等化 学反 应。这 些过 程能 够改变 污染 物在 水 体中 的 迁移能 力和 毒性大 小,也 能 改 变水 环 境 化 学 反应 条 件。 影 响 化 学净 化 的 环 境 因素 有 酸碱 度、氧化 还 原电 位 、温度 、化 学组 分 以及 污 染 物自 身 的形 态 和化 学 性质。 7.2 人类 地球环境复合系统 173 ③ 生物净化:生物净化是 水体 中的污 染物 在生物 新 陈代 谢过 程中,通 过 生 物的吸收、降解作用使环境污染物的 浓度 与毒 性减弱 以至 消失。水 体生 物净 化 作用也被称为狭义的自净作用,主要是 指悬 浮和 溶解于 水体 中的有 机污 染物 在 微生物作用下发生氧化分解的过程。水体的生物净化与化学净化紧密相连且多 同时发生,在水体自净中,生物化学过 程占 主要地 位。生 物净 化与生 物的 种类、 环境的水热条件和供氧状况等因素有关。 上述各种净化过程是同时发 生,相互 影响 并相互 交织 进行的。 水体 的自 净 作用是一个十分复杂的过程,它受地 形、水文、微 生物 种类和 数量、水 温、复氧 能 力、污染物组成和浓度等因素的综合影响。 (4)海洋环境及海—气、海—陆相互作用 ① 海洋环境:地球上面积 广大 的连续 水域 通称海 洋,其 面积 占地 表总 面 积 的 70.8%。根据海洋要素特点及形成特征,可分为主 要部分 和附属部 分。主 要 部分为洋,附属部分为海、海湾和海峡。 海水的形成与地球物质整体演化作用有关。一般认为海水是地球内部物质 排气作用的产物,即水汽和其他气体是 通过 岩浆 活动和 火山 作用不 断从 地球 内 部排出的。现代火山排出的气 体中,水 汽往往占 75%以上,据此推测,地球原 始 物质中的含量应当较高。地球早期 火山 作用排 出的 水汽 凝结为 液态 水,积聚 成 原始海洋,还有些火山气体溶解于水,从 而转移 到原 始海 洋中,而另 一些 不溶 或 微溶于水的气体则组成了原始大气圈。 海水是含有多种溶解 固体 和 气体 的水 溶液,其中 水约 占 96.5%,其他 物 质 占 3.5%。海水中还有少量有机和无机 悬浮固体 物质。H2 和 O2 是 海水 中最 主 要的化学成分。化学元素周期表中的天然元素,在海水中已发现约 80种。通 常 把每升海 水中 含 100mg以 上的 元素 叫常 量 元素,不 足 100mg的 叫微 量元 素。 海水中的溶解气体主要是 O2 和 CO2。在海水上层的光亮带,它们接近饱和。 由 于表层与深层海水经常发生混合,深海中也含有一定数量的溶解气体,这是底栖 生物能存在的原因之一。 ② 海—气相互作用:海洋和 大气 同属 流体,它们 有类 似的 运动 规 律。在 相 互作用上,二者的主导作用体现在不同的方面。 a.热量交换:由于海洋占据地 球表面 积的 71%,海 水又
具有流 动性 和比 热 大的特点,所以海洋是地表系统中最主要的太阳能贮存器。据估计,海洋吸收了 到达地表的太阳辐射的大约 70%,其贮存的 热量约占 整个地 表所贮存 的热量 的 85%。加之海水密度远大于 大气。 流动 性却 小于 大气。 因此,在海 气界 面 热 量交换中,海洋起着主导 作用。海 洋以 对流、传导 (感热 ),蒸 发(潜热)、热 辐 射 等形式向大气输送能量,这是排熵的 过程。 其结 果使海 洋上 空大气 的运 动变 化 无常,形成丰富多彩的天气现象。 174 第 7章 环 境 地 学 b.动量交换:在海 气界面上,动量交换主要表现在大气通过风应 力向海 洋 提供动量,从而形成海浪和洋流,并导致大范围的能量与物质输送。因此在动量 交换中大气起着主导作用。 c.物质 交换 :通 过蒸 发与 降 水 实 现 的水 分 交 换 是 海 气 界 面 物质 交 换 最 主要的 过程。 CO2 等 气体被 海洋 吸收 后,再缓 慢释 放到 大气 中 的过 程 ,具有 调 节温室 气体 浓度及 缓冲 气体 变化进 程的 作用。 此外 ,由浪花 飞溅 而进 入 大气 , 又受降 水冲 刷而回 归大 海的 盐 粒 交 换 过程 ,为 大 气 所提 供 的 气 溶 胶是 形 成 云 雾的凝 结核 。这些 气溶 胶还 可 以 减弱 进 入 地 球 表层 的 太 阳 辐 射,使 地 表 温 度 下降。 ③ 海—陆相互作用:海洋与陆 地通 过海 岸带 紧密 地联 系 在一 起,它们 之 间 的相互作用主要表现在物质交换、动量 交换 和海 平面变 化所 引起的 陆地 环境 变 化等方面。 a.物质 交换 :入 海河 流将 从陆地 携带 的 泥 沙输 入 海洋 ,与 此 同 时,陆 地 的 营养物 质和 污染物 质 如 N、P等 的 化 合 物 也 随 之 排 入 海 洋。 这 虽 然 给 海 洋 生 物提供 了丰 富的食 物,但 同时也 将造 成沿 海水域 的富 营养化 ,使藻 类及 其他 浮 游生物 在海 水表层 迅速 繁 殖,形成 赤 潮。 由 于 浮 游生 物 大 量 消 耗海 水 中 的 溶 解氧 ,从 而导 致 海水 缺 氧,最 终 造成 大 量的 海 洋 生物 死 亡,使 海 洋生 态 系统 遭 到破坏 。此 外,重 金 属 污 染 物 排 入 海 洋 后,通 过 食 物 链 聚 集 在 植 物 和 动 物 体 内,对海 洋生 态系统 的长 期 演 化造 成 潜 在 威 胁。 虽然 海 洋 具 有 很强 的 自 净 能 力和 较 大的 容 量,但 在 人类 活 动影 响 频 繁的 近 海海 域 及河 口 、港湾 ,水 体的 净 化能力 相对 不足,常 常造 成较严 重的 污染 。由此 可见 ,陆地在 物质 交换 方面 起 着主要 的作 用。 b.动量交换:在海陆交替的海岸带,受波浪冲击而存在着海 蚀作用,使岩 石 发生坍塌。岩石碎屑物质经波浪和潮流的搬运作用,在适宜的地方堆积,形成沙 滩或砾滩。如此往复进行,建造了 各种不 同形 态、成因 的海岸 地貌。 因此,海 洋 在动量交换中起着主导作用。 c.海平面变化:由 于 全 球气 候 变暖,使海 水 膨 胀、极 地 冰 原和 大 陆 冰 川 融 化,导致海平面上升。海水入侵陆地,造成沿海地区城市被淹没、土地盐碱化、地 下水咸化等,给人类生存环境和陆地 生态 系统 带来破 坏性 的影响。 在人 类活 动 (如地下水过度开采造成地面沉降)的叠加作用下,这种影响还会加剧。 (5)冰雪下垫面对气候变化的影响 目前全球大陆冰川 总 面积 约占 全球 陆地 总 面积 的 11%。它 是全 球水 量 平 衡的一个重要组成部分。全球冰量 的变 化,会对 相对于 大陆 的海平 面位 置产 生 极大的影响。如果这些冰全部融化,将使世界洋面上升 67m。 冰雪覆盖对全球气候和环境具有很重要的影响。由于冰雪具有很高的表面 7.2 人类 地球环境复合系统 175 反射率,可大大减少下垫面对太阳辐 射的吸 收;冰雪 表面 粗糙度 低,可以 使湍 流 交换相应减弱;冰雪具有较低的热传导率,可减弱冰雪盖下面介质的热量垂直传 导。在冬季,阻止土壤温度降低;而 春季 气温升 高时,冰 雪盖 会阻止 热量 向下 传 导,加上冰雪或土壤中冰晶融化需要热量,从而延缓土壤温度的回升。 冰川是气候和地貌的产物,但它 又对 气候 和地貌 产生 强烈影 响。在 同一 高 度,冰川表面的气温通常比非冰川表面要低 2℃ 左右,而湿度 却高得 多;气 温低、 湿度大,水汽就容
易饱和,有利于降 水的 形成,因 而有冰 川覆 盖的山 区降 水量 往 往高于无冰川覆盖的山区。南极大陆冰川本身 是一个巨 大的“冷 源”,在 那里 可 形成稳定的反气旋,使南半球保持强劲和稳定的极地东风带。 极冰的 存在 也影响 着 气 候 变化 。根 据 卫 星 观 测,地 球 陆 面 平 均 反 射 率 为 20% ~25% ,无冰 海面平 均反 射率 为 30% ,而极冰 表面 反射 率可达 60% 以上 , 所以冰 面吸 收太阳 辐射 量 较 陆面 和 水 面 要 小。 冰面 减 少 了 蒸 发量 ,减 少 了 与 下层水 体或 土壤间 的热 传 输,也减 少 了 与 大 气间 的 热 交 换。 极 冰变 化 常 常 会 造成气 候异 常。20世 纪 60年 代 以 来 ,随 着 北 极 地 区 变 冷,极 冰 范 围 扩 大 ,冰 岛等海 面流 冰日数 急剧 增 加。 同 时,温带 地 区 干 旱 频频 发 生,降 水变 率 增 大 , 而热带 地区雨 水增 加。 中低纬 度所 出现的 气候 异常 现象似 乎也 与极 冰 扩大 有 一定关 系。 7.2.3 其他圈层的地位与作用 (1)岩石圈与人类生存、发展的关系 岩石圈是由各种岩石组成的固 体地 球最外 层,其垂 直结 构包括 地壳 和上 地 幔顶部的橄榄岩层。它是 土壤 和生 命 所必 需 的大 量 矿产 资 源和 多 种燃 料 的 源 地,与人类的生存、发展密 切相关。今后相当长 时间内,人类社会所需 的 80% 以 上的原材料和 90%的能源均将取自岩石圈。 矿物是人类生活、生产资料的重要来源。迄今,天然矿物燃料仍是世界主要 的能源。人类从地壳中获取的多 种资 源、能源 直接或 间接 源自地 幔。地 幔中 的 岩浆活动、构造活动既可能形成有 用矿产、发 展地 貌,也可 能带来 地质 灾害。 上 地幔与地壳之间持续进行的物质与能量交换,是地表环境形成的重要驱动力。 岩石圈上部表现为复杂多样的地 貌类型,形 态各 异、切割 深度不 同的 山地、 丘陵、山原、高原与平原,使地表的水热重新分配,并在不同地貌部位分布着物理