第二章环境问题与环境污染.doc

第二章 环境问题与环境污染第一节 人类面临的环境问题环境问题是指由于自然或人类活动使环境质量发生变化，从而带来不利于人类生产、生活和健康的结果，其重要特点就是从局部地区的环境污染向全球性环境问题发展。当前人类面临的环境问题很多，很难区分哪些是最重要的。本章把主要的环境问题划分为全球（大气）环境问题，生态环境问题及社会环境问题三部分分别进行介绍。一、社会环境问题20世纪以来，全世界发生了三种影响深远的变化：社会生产力的极大提高和经济规模的空前扩大，创造了前所未有的巨大财富；全球人口爆炸性增长，一个世纪人口翻了两番；随之出现了生产和生活资料短缺、环境污染、以及生态系统破坏等一系列环境问题。这些变化加剧了人类与自然界之间的矛盾，对人类自身的生存和社会经济持续发展构成新的障碍。其中，人口剧增是矛盾的最主要方面。1. 人口剧增人口急剧增加是当今世界面临的首要环境问题。据统计，世界人口在1830年为10亿，1930年为20亿，1960年为30亿，1975年为40亿，1987年7月11日为50亿，1999年10月12日，世界人口已达到60亿。从人类200多万年历程中人口达到10亿，到目前超过60多亿的短短170年时间，每增加10亿人口的时间分别为100年、30年、15年和两个12年。目前世界人口仍以每年8000万的速度增长，其中发展中国家速度更快，是发达国家的2倍以上。中国是世界上第一人口大国。20世纪初，我国的人口不足4亿，到50年代初为4.5亿，现在人口已经超过13亿。我国在50年代初鼓励生育，到1974年人口增长到9亿，平均每5.3年增加1亿。在实施计划生育的国策后，人口的增长速度明显减缓，平均每7年增加1亿，同期我国的经济发展高速增长。可见，控制人口增长是经济持续发展的有效途径之一。人口急剧增加导致人口与环境之间的严重失调，加剧了人类与自然界之间的矛盾。首先是人口增加导致人类对自然资源的需求急剧增大，加剧了资源供需矛盾。自然资源是人类生存发展不可缺少的物质依托和条件，但是地球上的许多自然资源是有限的、不可再生的或需要很长的更替时间，其承载能力受到一定的制约。随着全球人口的增长和经济的发展，全球资源匮乏的危机与日俱增，如土地不断减少和退化、粮食短缺、森林减少、淡水严重不足、生物多样性减少、以及某些矿产、能源濒临枯竭等。以土地与粮食为例，由于世界粮食增长赶不上人口增长的速度，目前世界上有4亿多人的饮食严重不足，在发展中国家，每年有1500万至2000万人直接死于营养不良，其中有34是儿童。地球表面的陆地仅占14，但有一半的土地暂时还不能供人类利用，包括终年积雪、冻土、沙漠、陡坡山地等，而依赖有限的土地资源生活的人却越来越多，1975年世界人均耕地0.31hm2，目前下降到0.15 hm2，减少了一半。20世纪70年代初平均1 hm2地养活2.6人，目前需要养活4个人。随着人口的增长和经济发展占地的不断增加，还将使耕地面积不断缩小。其次，人口增加导致人类活动以及对资源的利用的增加，尤其是化石能源的利用急剧增加，加重了环境污染和生态破坏。随着人口的增加，人类的活动范围和生产规模不断扩大，使得生产和消费活动中不可避免的有害废弃物的排放量急剧增加，从而加重了环境污染，直至破坏整个生态系统的平衡。环境污染主要包括大气污染，如全球气候变暖、酸雨沉降、臭氧层破坏，水体和土壤的污染，固体废物的污染，以及噪声、辐射、光污染等。生态环境破坏主要有生物多样性减少，森林和草原植被破坏，土地退化、水土流失和荒漠化，海洋生态问题等。2. 城市化城市化由人类利用和改造环境而创造出来的高度人工化的生存环境，是人类发展、变革的重要过程和一个国家经济和文化发展的结果。古代城市环境的主要问题是由于过度的开发和掠夺性经营土地，使得整个区域生态环境的恶化，许多城市因此被遗弃，最终消亡，如古代三大文明之一的巴比伦古城，我国古代西北地区一些城市等。尤其自18世纪工业革命后，开创了以煤和石油为主要能源的时期，出现了严重的公害问题，直接影响并威胁到城市人们的生活质量和生命安全。城市化引起的环境问题有大气、水体、垃圾和噪声污染严重，绿地缺乏，城市热辐射和光辐射，能源和资源不足，生物种类极为贫乏，生态环境质量下降等，主要反映在生物环境、水环境、以及大气环境三个方面：（1）城市化对生物环境的影响。城市化严重地破坏了生物环境，使生产者有机体与消费者有机体的结构比例失调，失去了自然生物环境的调节功能。许多城市除了遍地的水泥建筑、沥青路面、以及拥挤不堪的人群，其他的生命体，如野生动物种群、飞禽走兽、以及大面积的植被几乎完全消失。它使生态系统遭到破坏，影响了碳、氧、氮等物质正常循环。（2）城市化对水环境的影响。城市化影响地表水径流流量，使得地下水源枯竭，导致水质恶化，破坏自然界的正常水循环。城市化增加了房屋和道路等不透水面积和排水工程，一方面减少雨水的渗透，地下水得不到地表水足够的补充；同时城市化将增加耗水量，往往导致水源枯竭、地下水面下降和地面下沉。另一方面，增加了地表水的总径流流量，特别是暴雨季节排水工程，会增加地表径流的峰值流量，使得河流洪峰流量增加。另外，随着城市化的进程，城市废水对河流、湖泊等水体的污染日益加重。生活污水中的病原菌污染水源，导致传染病流行（如18481854年，伦敦先后两次霍乱大流行）；工业废水比重不断增加，排出的污染物质和毒物也随之增多，最终使得水质恶化，水生生物灭绝，生态平衡被破坏。（3）城市化对大气环境的影响。城市化改变了大气的热量分布，影响自然地面的组成和性质，并向大气排放大量的颗粒污染物和有害气体。城市人口稠密、工业集中、交通繁忙，这种格局消耗大量能源，释放出大量热能。此外，燃料燃烧排放温室气体CO2，加上城市建筑材料的热容量大，白天吸收的热量夜间难以完全释放，使得城市成为一个大热源。其次，城市化大量排放各种气体和颗粒污染物，如烟尘、硫氧化物、氮氧化物、碳氧化物、碳氢化合物等，这些有害气体改变了城市大气环境的组成，造成对大气的严重污染。盲目的城市化过程还会造成振动、噪声、微波污染，交通紊乱、住房拥挤、供应紧张等一系列威胁人民健康和生命安全的环境问题。依照自然规律和随着社会的不断进步，人口增长和城市化是不可避免的必然趋势，但人口剧增和城市过大的弊端又是明显的。因此，必须采取措施，有效地控制人口增长和防止城市化自流发展，使人口增长和城市的规模与环境功能相适应。二、全球性环境问题1. 全球气候变暖全球气候变暖一般包括气温升高、海平面上升和降水增加三个方面的内容。对过去100多年中全球气温的研究表明，全球平均地面温度上升了0306，19811990年全球平均气温比18611880年上升了048，20世纪50年代以后全球平均气候约比19世纪下半叶升高了0612。100年来，地球上两极冰川融化后退，海平面上升了1425 cm。全球陆地降雨量增加了1%。有专家预测，考虑到海水热膨胀、冰雪融化、降水增加等综合因素，全球气温在本世纪可能升高154，海平面可能上升20165cm。从近6亿年全球周期性气候冷暖变化的地质发展规律来看，目前地球正处于冰期向间冰期的过渡时期，全球性气候变暖是必然的，人类活动所造成的“温室效应”(greenhouse effect)加快了全球变暖的趋势。所谓“温室效应”是地球上早已存在的自然现象，由瑞典诺贝尔化学奖获得者S阿伦纽斯在1896年提出的概念。大气中的某些组分，如三原子气体能让太阳短波辐射通过，但却可以强烈地吸收长波辐射，就像温室中玻璃保温一样，使地表大气温度提高。据科学家估算，如果不存在温室效应，地球表面的温度将不是现在的15，而是18。自然界的任何物体都有热辐射，温度越高，辐射能量越大，辐射波长就越短。太阳表面平均温度约为6000K，以300800nm的紫外光、可见光等短波辐射透过大气被地球表面吸收；而地球表面平均温度约为288K，以16000nm的红外长波辐射形式将到达地表的太阳能向外空间反射，从而维持地球的热平衡。由气体分子结构和分子光谱的原理可知，大气中的CO2和其它微量气体如CH4、CFCs (氯氟烃)、H2O、N2O、O3等可以使太阳的短波辐射几乎无衰减地通过，但却可以吸收地面反射的长波辐射，阻止地面向外空间散失能量，使大气温度升高。因此，这些气体有类似温室的作用，故称上述气体为“温室气体”(green housegas)，由此产生的效应称为温室效应。目前由于人类活动增加了大气中的温室气体，温室效应加强了，因而导致全球气候变暖。大气中能产生温室效应的气体已经发现近30种。从对增加温室效应的贡献来看，最重要的气体是CO2，大约起66%的作用，其次，CH4和CFCs分别起到16%和12%的作用。CO2是一种比较稳定的化学物质，它在大气中的保留时间可达l0年以上，而且较少参与大气中的各种化学反应。大气中CO2浓度增加的人为原因主要是化石燃料的燃烧和森林植被的毁坏两个原因。据估算，化石燃料燃烧所排放的C02占排放总量的70%。1850年工业革命后，人类活动使大气中CO2体积分数由0.028%增加到1991年的0.0383%，100多年来增长了2030%。到本世纪中叶，化石燃料仍然是人类的主要能源，而且需求还将增加，大气中的CO2体积分数将达到0.056%以上。大气CO2增加的另一个原因是陆地植物系统的破坏。据科学家估算，全球绿色植物每年能吸收285109t CO2，其中森林就可吸收其中的42%。热带雨林的破坏，使大气层每年增加17109t CO2，这个数字相当于世界燃烧放出的CO2的总量，所以森林在地球上以极快的速度消失是导致全球性气温升高的又一个重要原因。CH4在大气中的含量极少，但对温室效应的贡献是同样数量C02的21倍。由于随着人口和人类活动的增加，家畜饲养、生物体分解、煤矿和天然气的开采、以及工业生产等活动的CH4排放也增加，使得大气中甲烷已经从工业革命开始前的0710-6增长到1992年的1710-6，增加了将近150%，而且正以每年1%2%的速度增加。目前全球甲烷每年排放约55亿t，其中2/3左右来自人工源。氯氟烃(CFCs) 的商业名称为氟利昂，它的温室效应作用不仅是同样数量C02数千倍，危害极大，而且破坏臭氧层的作用更加令人关注。全球变暖可能造成的影响有：人类的传染病、心血管和呼吸道疾病发病率增高，危害增大；生物物种的迁徙可能跟不上气候变化的速率，影响动植物的分布；加剧全球干旱、洪涝等气象灾难事件的频率和程度；海平面上升会对经济相对发达的沿海地区产生重大影响；全球范围农作物的产量和品种的地理分布将发生变化。2. 臭氧层损耗臭氧（O3）在大气中的含量非常微少，仅占一亿分之一。臭氧层存在于距地面高度2030km范围平流层中，其中臭氧的含量占这一高度上的空气总量的十万分之一。臭氧含量虽然极微，却具有非常强烈的吸收紫外线的功能，它能吸收波长为200300nm的紫外线。正由于臭氧层能够吸收99%以上来自太阳的，对生物具有极强的杀伤力的紫外辐射，从而保护了地球上各种生命的存在、繁衍和发展，维持着地球上的生态平衡。科学家观察证实，近40年来，大气中臭氧层的破坏和损耗越来越严重。自1975年以来，南极上空每年早春(南极10月份)总臭氧浓度的减少超过30%。1985年，南极上空臭氧层中心地带的臭氧浓度极为稀薄，近95%被破坏，出现所谓的臭氧层“空洞”。到1994年，南极上空的臭氧层破坏面积已经达2 400万km2。臭氧空洞发生的持续期间和面积不断延长和扩大，1998年的持续期间为100天，比1995年增加23天，而且臭氧洞的面积比1997年增大约15%，几乎可以相当于3个澳大利亚。南极上空的臭氧层是在20亿年里形成的，可是在一个世纪里就被破坏了60%。北半球上空的臭氧层比以往任何时候都薄。欧洲和北美上空的臭氧层平均减少了10%15%，西伯利亚上空甚至减少了35%。20世纪80年代，中国昆明上空臭氧平均含量减少15%，北京减少5%。臭氧层损耗原因目前还在探索之中，仍然存在着不同的认识，但人类排放的许多物质能引起臭氧层破坏已成了不争的事实。这些物质主要有氟氯烃(CFCs)、哈龙、氮氧化物、四氯化碳以及甲烷)等，其中破坏作用最大的为哈龙与氟氯烃类物质。氟氯碳(氟利昂)和哈龙的存在是臭氧层遭到破坏的主要原因。氟利昂主要用于致冷剂、发泡剂、清洗剂以及火箭使用的推进器等，而哈龙则是高效灭火剂。进入平流层的氟利昂和哈龙在强烈的紫外线照射下，其分子吸收光子进行光解反应等，释放出具有催化活性的原子态氯和溴。而O3吸收大量太阳强辐射后会产生激发态氧原子(O)，如果激发态氧原子遇到具有催化活性的基团、原子或分子，就会发生化学反应而被消耗掉。这种反应基本上属于活化能很小的热化学反应，反应快速并容易进行，可循环反应多次，如原子态Cl与O3反应形成ClO 与O2，而ClO遇到O原子又反应成原子态Cl，从而再次损耗O3。只有当原子态Cl形成较稳定的分子（HCl）后，整个链式反应才告终。据估算，一个氯原子可以破坏10万个臭氧分子，哈龙释放的溴原子对臭氧的破坏能力是氯原子的3060倍。由于人为释放的氟利昂和哈龙等的化学性质很稳定，在大气的对流层中可长期存在(寿命约为几十年甚至上百年)并向全球扩散，不能通过一般的大气化学反应去除。它们通过大气环流进入平流层，由于平流层空气很少有上下对流，没有雨雪的冲洗，污染物可以在平流层停留很长的时间，对臭氧层的破坏很大。许多氮氧化物也像CFC一样破坏平流层中臭氧层，其中氧化亚氮(N2O)引人关注。N2O的光解和氧化作用可以形成NO，NO再与O3反应形成NO2和O2，从而使O3分解。N2O的人为来源是施用化肥、化石燃料燃烧等，天然来源有土壤中的细菌作用和空中雷电等自然现象。高空飞行的航空器、核试验等产生的NOX也可以使O3分解。据美国科学院估计，假如工业生产及豆科植物产生的氮肥增加12倍，全球的臭氧将减少3.5%。臭氧层损耗，过量紫外线照射造成的危害有：损害人的免疫系统、眼角膜及人体皮肤，尤其使患皮肤癌患者增加。据估计，平流层臭氧若损耗1%，皮肤癌的发病率将增加2%。破坏地球上的生态系统。抑制植物的光合作用，损害植物叶片，使农作物减产。水生生态系统中的微生物、小型鱼虾和单细胞藻类减少、死亡，食物链被破坏，还可能导致某些生物物种的突变。引起新的环境问题。如加剧光化学烟雾的形成，增强大气温室效应，加速材料的老化、分解、破坏，例如塑料老化、涂料变色、钢铁材料加速腐蚀等等。3. 酸性降水酸性降水是指pH值小于5.6的大气降水，包括雨、雪、霜、雹、雾和露等各种降水形式，其中最多的酸性降水是酸雨。一般雨水的pH值为6左右，呈现弱酸性，主要是天然降水中溶解了CO2所致。国际上多年来将pH值5.6作为判断是否是酸雨的界限。但近年来通过对降水的多年监测，有人认为pH值小于5.0为酸雨比较合适。有关酸雨的研究已有100多年历史。1852年，英国杂志上首次发表了曼彻斯特附近地区降雨中有硫酸的报导，而酸雨(acid rain) 的概念则是1872年R史密斯在大气与降水化学气候学的开端一书中首次提出的。当前的酸雨主要是人类活动向大气排放的各类酸性物质所造成。20世纪五六十年代以前，酸雨只在局部地区出现。之后，欧美等工业发达国家陆续发现酸雨增多、范围扩大的现象。70年代初，调查发现北欧斯堪的纳维亚的许多湖泊被酸化，瑞典就有15000个。北欧、英国和联邦德国，酸雨造成的环境酸化程度超过正常值的10倍以上，而且发现北欧酸雨是英国和西欧排放的SO2“输出”造成的，酸雨成为跨越国界的环境问题。在1974年欧洲科西嘉岛测得过一次pH值为2.4的酸雨，这已经与食醋的pH值一样。1982年美国有15个州的降水pH值在4.8以下，酸雨已经从美国东北部地区蔓延到西部人口稠密区和重要的自然保护区。此后，酸雨在世界各地相继出现。我国20世纪70年代末也发现酸雨。30年来，酸雨受害面积已扩大到国土面积的30%以上。我国的酸雨主要分布于长江以南、青藏高原以东地区及四川盆地。其中以长沙为代表的华中酸雨区，降水酸度值最低，酸雨出现频率最高，长沙降水平均pH值曾经低至3.54。酸雨的范围也在扩大，北方地区也有一些城市，如青岛、图们、太原等出现酸雨。目前，我国与日本已成为步北欧、北美后的世界第三大酸雨区。通常，在酸雨形成过程中，硫酸占60%70%，硝酸占30%，盐酸占5%，有机酸占2%。NOx和SO2是形成酸雨的大气污染物的主要成分，主要来自燃烧化石燃料的各种设备和汽车尾气等人为的排放。气态的NOx和SO2在大气中可以氧化成不易挥发的硝酸和硫酸，溶于云雾或雨滴中而形成酸雨。SO2氧化为SO3的速度在清洁干燥的大气中非常慢，但在潮湿、有多种微粒和光的作用下，反应速度会大大加快。SO2的化学氧化机理有：液相催化反应。当大气湿度较高时，游离在大气中颗粒状的金属盐(锰铁、铜等的硫酸盐或氯化物)作为凝结核可使水分子聚集成小水滴，水滴吸收SO2和O2后，在这些金属盐的催化作用下，液相中的SO2将迅速氧化为H2SO4。光氧化反应。直接光氧化反应是在光的作用下处于激状态的SO2，与O2碰撞发生形成SO3；间接光氧化反应是处于基态的SO2，与由其他分子光解产生的自由基如HO、HO2等碰撞而发生热化学反应形成SO3，SO3再与H2O化合成H2SO4。NO的氧化途径有两种：NO与O3反应氧化成NO2，或与自由基OH、H02等反应形成HN02、HN03。N02的氧化途径也有两种：N02与03和NO3反应形成N205，再与HO2反应转化成HN03，或与过H02反应转化为H02NO2 (过氧硝酸)。 酸雨的危害极大，主要表现在：酸雨使水生生态系统酸化，浮游植物和动物减少，影响鱼类繁殖、生存。当pH值小于5.5时，大部分鱼类难以生存；当pH值小于4.5时，水生生物大部分死亡；酸雨使陆生生态系统酸化，土壤中的营养元素钾、镁、钙、硅等不断流失和有毒元素溶出，抑制了微生物固氮和分解有机质的活动，加速了土壤贫瘠化过程，影响各种绿色植物的生存及产量；酸雨腐蚀建筑材料和金属制品等各种材料，尤其对主要化学成分为CaCO3的大理石所构建的文物古迹，如古代建筑、雕刻、绘画等，由酸雨溶解下来的CaSO4部分侵入颗粒间缝隙，大部分被雨水冲走或以宜于脱落的结壳形式沉积于大理石表面，造成无法挽回的损失；酸雨间接影响和危害人体健康，如饮用由于酸雨的溶侵作用，使地下水中Al、Cu、Gd等金属元素的浓度超出正常值几十、上百倍的水，食用酸性水体中被食物链的富集作用污染的鱼类等，必然对人体健康造成伤害。三、生态环境问题1. 生物多样性锐减生物多样性(biological diversity或biodiversty)是指一定空间范围所有生物有规律地结合在一起的总称。一般从物种多样性、遗传多样性和生态系统多样性三个方面来研究和分析生物多样性的基本特点。生物多样性以及由此而形成的生物资源构成了人类赖以生存的生命支持系统，具有维持生态平衡的功能，是一种不可缺少的自然遗产和重要资源。在地球上大约1000万3000万的物种中，已辨明、分类的植物、动物、微生物品种共有170万种，其中覆盖地球陆地面积的7%的热带森林几乎包含了世界物种的一半以上。物种丰富的生物资源提供了地球生命的基础，植物中不到20种提供了世界绝大部分的粮食。植物和动物是主要的工业原料。同时，生物资源起到维护自然界的氧-碳平衡、净化环境、涵养水源、降解有毒有害污染物等作用。物种多样性锐减表现为物种灭绝和消失，前者是指一个物种在整个地球上不可逆转的消失；后者则是指一个物种仅在某些地域存活，而在大部分分布区消失，但在一定条件下可以恢复。物种灭绝是一个自然进化的过程。在22亿年前的晚三叠纪和6500万年前的晚白垩纪，地球均有过大规模的物种灭绝。但是最近400年来，人类活动已引起全球700多个物种的灭绝，其中包括大约100多种哺乳动物和160种鸟类。其中13是19世纪前灭绝的，13是19世纪灭绝的，另13是近50年来灭绝的，而且20世纪最后10年里灭绝的生物物种比前90年所灭绝的物种的总和还多。科学家预测，物种灭绝的速度是形成速度的100万倍，如不采取保护措施，地球上全部生物多样性的14在未来2030年里有被消灭的严重危险。由于食物链的作用，地球上每消失一种植物，往往有1030种依附于这种植物的动物和微生物也随之消失。生物多样性锐减，将导致生物圈内食物链的破碎，引起人类生存基础的坍塌，威胁人类生存与发展机会的选择，其后果是灾难性的。人类活动造成生物多样性锐减主要原因有：大面积森林采伐，过度放牧引起草场退化；工业、旅游、城市的无控制发展，生物资源的过分利用；大气、水体、土壤等环境污染；各种干扰的累加效应。改善和恢复生态系统的环境，以及建立各种生物保护区是保护生物多样性的主要途径。我国为保护生物的多样性建立了各类形式的保护区，截止2001年底，中国自然保护区达1551个，总面积为12989万hm2，占全国国土面积的12.9%。2. 森林和草原植被减少森林和草原植被是一种可再生的自然资源，是整个陆地生态系统的重要组成部分，它们的减少与破坏是生态环境破坏的最典型特征之一。历史上，地球森林广阔，但到1985年，全世界森林面积仅为41.47亿hm2。目前，地球森林面积的覆盖率约为27%。我国占世界森林面积的3%4%。中国森林减少与破坏的现象曾经比较严重，森林覆盖率从1949年的13%曾一度下降到11.5%。20世纪的最后十几年，我国采取了天然林资源保护工程、防护林体系建设工程、退耕还林工程等措施，取得了成效。到2001年底，我国森林面积15900万hm2，森林覆盖率为1655%，仍比世界平均水平低10.45个百分点；人均占有森林面积为0128hm2，相当于世界人均森林面积的1/5。森林的重要作用体现在：（1）森林是陆地上最丰富的物种基因库和生产地。森林繁育着多种多样的生物物种，保存着世界上濒危、珍稀、特有的野生动植物，生物生产量占植物生产总量90%；它又是巨大的基因库，物种的遗传变异和种质对农业、医药和工业每年能提供数十亿美元的贡献。（2）维护和调节地球的生态平衡。森林在生态系统的碳循环中起着重要的调节作用，每年大约可固定36109t碳，使全球550亿吨的C02转化，维持大气中C02和02的良性循环。据测定，1 hm2阔叶林每天可吸收l 000kg C02，放出730kg02，可供1000人正常呼吸之用。森林具有水源涵养、固沙防风、调节气候、减少水土流失的功能。（3）净化环境的污染。森林可以净化环境，能阻滞酸雨和吸收大气中的污染物，每公顷云杉林可吸滞粉尘10.5t；森林还可降低噪声，30m宽的林带可衰减噪声1015dB；森林还分泌杀菌素，有的树木能促使臭氧产生，杀死空气中的细菌，有益人体健康。（4）森林是生物资源的生产基地。森林提供建筑、造纸等原料，还是林业副产品和森林化工原材料的生产基地。到2001年底，全国各类天然草原39283万hm2，约占国土面积的41.7%，居世界第二位。但人均占有草地仅0.33 hm2，为世界人均面积的一半。我国天然草原的面积每年减少约0.17%，90%存在不同程度的退化。其中“三化”(退化、沙化、碱化)草原面积已达34.4%，并且每年还以200万hm2的速度增加。草原把太阳能转化为化学能及生物能，是一个巨大的绿色能源库和宝贵的生物基因库，为人类活动提供丰富的生产和消费资源，具有重要的经济价值。它覆盖面积大、适应性强，更新速度快，具有调节气候、保持水土、防风固沙、净化大气环境等重要的生态功能。保护森林和草原植被的措施有：强化植被管理，推行规范化、科学化、法制化管理机制；改变植被经营思想，发挥植被的多种功能和多种效益，利用好现有植被资源；实施生态建设规划，坚持不懈地植树造林，优化、调整林业生产布局，重视和发展草地产业，加快草地的恢复和建设；加强林区保护，防治森林和草原植被的病虫鼠害。3. 土地退化土地退化主要有水土流失和荒漠化两种现象。水土流失是土地资源的不合理利用特别是毁林造田、过度放牧所带来的不良后果。据统计，全世界水土流失面积达25亿hm2，占全球陆地面积的16.8%，以及占全球耕地和林草地总面积的29%。如果以土壤层平均厚lm计算，经过809年全球耕地土壤将被侵蚀殆尽。中国是世界上水土流失最严重的国家之一。目前全国水土流失总面积3.56亿hm2，约占我国领土面积的37%。黄土高原地区的水土流失现象最为严重，流失面积占该区总面积的83%。水土流失的直接后果是导致土地退化、地力衰退，严重破坏了土地资源和农业生产，削弱人类赖以生存和发展的基础。我国每年损失表土约50亿t，相当于全国耕地每年剥去1cm的肥土层，流失的氮、磷、钾估计为4 000万t左右，与一年化肥用量相当，折合经济损失达24亿元。此外，流失土壤还会造成水库、湖泊和河道淤积。例如，由于黄河上游水土流失严重，下游河床平均每年抬高达lOcm。荒漠化是包括气候变异和人类活动在内的种种因素所造成的土地退化。目前世界上受荒漠化威胁的面积已达4 5亿hm2，其中有21亿hm2完全丧失生产能力。每年约有500700万hm2的耕地被沙化，损失达100亿美元。荒漠化受害面涉及到全世界，全球陆地面积的13、超过60%的国家和地区、世界约20%的人口受到荒漠化的危害和直接影响。最为严重的是非洲大陆，其次是亚洲。我国的沙漠化现象也比较严重。我国有1.68亿hm2土地为荒漠地貌，约占国土面积的17.5%，比10个山东省的面积还要大。其中1.1亿hm2目前尚无可以治理的有效方法，并且荒漠化的扩张速度达到每年24万hm2。若考虑潜在的荒漠化面积，受荒漠化影响的土地面积约占国土总面积的13，近4亿人口受到荒漠化的威胁。荒漠化扩大主要是由于森林面积减少、过度耕作和放牧、天然草场退化、水土流失、水体和土壤污染等人为过度的经济活动，破坏生态平衡所引起的一种土地退化过程。联合国对荒漠化地区的调查结果发现：由于自然变化引起的荒漠化占13%，其余87%均为人为因素所致；中国科学院的调查也表明我国北方地区现代荒漠化土地中的94.5%为人为因素所致。4. 海洋生态问题海洋总面积36亿km2，覆盖71%的地球表面，占地球总水量的97%。海洋具有深的浩瀚水域、独自的潮汐和洋流系统、比较稳定和较高的盐度(约3.5%左右)。海洋以其巨大的容量消纳着一切来自自然源和人为源的污染物，是大部分污染物的最终归宿地。随着人为活动的加剧，海洋已经遭受日益严重的人为污染，其中主要的是海洋石油污染。造成海洋石油污染的主要原因是石油的海上运输事故，油轮将大量原油泄入海洋，以及其他正常输油船只的冲洗排放和近海采油平台及输油管的泄漏；其次是排入江河的来自陆地油田、机动车辆、船只或其它机器的散溢的石油和润滑油，这些废油最终进入近海。据估计，每年在海运过程中流失的原油估计达150万t，其它途径进入海洋的原油及石油产品的总量约达2002000万t。海洋石油污染给海洋生态带来一系列有害影响：首先，海面被油膜覆盖后降低海洋植物光合作用的效率，阻止大气中氧气向海水中的扩散，而使海水中的溶解氧下降，导致海洋水生动物难以生存；其次，原油在海水中扩散、乳化、溶解产生剧毒，进入并破坏鱼类的循环系统，轻则使鱼类富集有毒物质失去食用价值，重则大批鱼类死亡；还有，油污阻止海洋浮游植物的细胞分裂而致其大量死亡，石油污染海兽和海鸟皮毛而破坏其隔热保护作用，石油通过鸟类用嘴整理羽毛时进入肠胃导致病亡等。高浓度石油对近海水域生态系统的破坏是局部的，但低浓度、长时间对整个海洋的危害也已日渐显露。近海赤潮是另一种常见的海洋污染现象，它主要是由氮和磷引起的污染，农田退水和洗涤废水中富含这两种元素。当海水中无机氮浓度超过0.3gg、无机磷浓度超过0.01gg时，藻类群落就会因环境的富营养化而“爆发”地增长，形成“藻花”，并因不同藻类的不同颜色而被称为“赤潮”、“褐潮”或“绿潮”。茂密的藻花遮蔽了阳光，使下层水生植物不能生长；大量藻类死亡腐化消耗水中氧气，造成局部海域的厌氧环境，产生H2S等还原性有毒气体，给海洋渔业、水产业和旅游业带来巨大损失。2001年，中国大部分海域环境质量基本保持良好状态，但近岸海域局部污染仍然较重。近岸海域水质主要受到活性磷酸盐和无机氮的影响，部分海域主要污染物是化学需氧量、石油类和铅，近岸海水以二类和劣四类为主。中国海域赤潮发生次数增多，发生时间提前，主要赤潮生物种类增多，总次数和累计影响面积均比往年有大幅度增加。海洋污染的特点是：污染源广。人类活动产生的废物在各种因素的影响下，最后都进入海洋。持续性强。未溶解的和不易分解的污染物质长期在海洋中蓄积着，并且随着时间的推移，越积越多。扩散范围大。污染物质排入海洋后，通过海流把混入海水中的污染物质带到很远的海域去。控制复杂。由于污染源和海洋系统的复杂多变性决定了海洋污染控制的复杂性。第二节 能源概述一、能源及其分类1. 能源利用的进程能源是自然环境中存在的，通过人类开发能够产生各种能量的物质资源，是人类赖以生存的基础和经济发展的动力。人类社会的巨大发展与进步，都与能源消费的增长密切相关。能源利用和消费的每一次重大突破，都伴随着科学技术的重大进步，促进社会生产力的大幅度提高，加速了经济的发展，使人类社会的面貌发生根本的变化。人类从远古的钻木取火之后，薪柴燃料作为主要能源维持日常生活，并少量使用水力、风力等能源促进生产方式的变化。能源利用的重大突破出现在18世纪后半叶，1785年蒸气机的问世，把热能转换为机械能，推动了产业革命。机械化大工业生产的迅猛发展，促使能源由薪材燃料转向了化石燃料，首先是煤炭消耗量的迅速增加。19世纪中叶以后，内燃机的发明和火力发电厂的发展，以及钻探技术的提高，石油和天然气得到广泛应用。目前，人类社会生产和生活进入了电气化时代，对电能的需求量日益增长。由于产生电能的一次能源主要是煤和石油，都是非再生能源，长期强行开采势必使之日渐枯竭，能源的开发利用必须走多样化的道路。本世纪50年代，继原子能技术在军事上应用后，实现了核裂变技术在工业中的应用。核电站的建立和核燃料的使用是能源利用发展史上一次重大的技术革命，为人类社会稳定发展打下坚实的物质基础。随着科学技术水平的提高，太阳能、风能、海洋能、地热能等新能源必将得到充分的合理开发和利用，尤其是受控核聚变若能实现的话，将为人类提供无穷无尽的能量。2. 能源的分类能源的分类有许多形式。按照能源的来源可分为三类：来自太阳的能量，包括直接来自太阳的辐射能，即通常所说的太阳能，以及间接来自太阳的能源，如化石燃料、水能、风能、海洋能；地球本身贮存的能量称为贮存能，如地球内部的地热能，地球上的可用铀、钍、氘、氚等产生裂变聚变的核能；由月亮、太阳、地球之间产生的能量为引力能，如潮汐能。 根据能源的利用形式和性质可以进行不同的分类。以化学能或原子能形式贮存于物质中，通过燃烧或原子裂、聚变后释放出热能的自然资源称为燃料能源，如化石燃料、草木、沼气、核燃料。而以光能、机械能或热能形式存在，可以直接利用的能量资源称为非燃料能源，如太阳能、水能、风能、地热能。自然界中不需进行加工，可以直接应用的能源为一次能源，有煤、原油、天然气、水能、风能、太阳能等。其中矿物燃料和核燃料的生成速度极慢，而消费速度不断增长，最终会枯竭，故称为非再生能源；在自然界的物质和能量循环中能够重复生产的能源，如太阳能、水能、风能、地热能、波浪能、潮汐能、生物质能、海洋能、及其所产生的二次氢能等，能量的消耗速度可与再生速度持平，经久使用而不会枯竭，故称为可再生能源。经由一次能源的处理和转换而得到的能源称为二次能源，如焦炭、重油、煤气、电力、蒸汽等。目前，这些能源资源中在工农业生产和人类生活消费中得到广泛应用的部分被称为常规能源，如煤炭、石油、天然气、水力等。可再生能源与核能受到现阶段科学技术水平的限制，尚未大规模开发或广泛使用，在利用技术方面有待进一步研究完善，称之为新能源。从对环境污染程度来说，目前主要的常规能源，煤、石油、天然气在使用时会对环境产生较严重的污染，属于不清洁能源；可再生能源为清洁能源。 3. 化石燃料燃料是由可燃物质、不可燃成分和水分等物质组成的混合物，是常规能源的主要组成部分，在燃烧过程中能够放出大量热量。化石燃料是由于地壳内部深处的动植物残骸，历经数千万年漫长的生物、化学和物理变化而形成的，如煤、石油、天然气、油页岩等。化石燃料中的化学能最初来源于太阳。植物通过光合作用收集、转化了太阳能，接着转存于动植物的有机体中，成为化石燃料的原料。由于形成的原因、地质条件与年代的不同，产生了不同种类的化石燃料。煤主要是远古时代的高等植物在地壳运动中被深埋在地下或水中，其残体在缺氧条件下被厌氧细菌生化降解，纤维素、木质素、蛋白质等被分解并聚缩，形成胶体状的腐殖酸。其余具有抗腐能力的部分如树脂、角质、孢子等保留原有形态分散在腐殖酸中，逐步变成含水很多、黑褐色的泥炭。这是成煤的第一阶段泥炭化阶段。经过漫长的地质年代，泥炭在地热和泥沙覆盖层不断增厚或地壳下沉而受压增大的作用下，泥炭层被压实、失水，其化学性质和成分发生变化。泥炭的密度和碳含量相对增加，腐殖酸、水分、氧、氢和甲烷等挥发物逐渐减少。随着泥炭的质变由浅到深，依次形成不同种类的褐煤、烟煤、无烟煤等。这是成煤的第二阶段煤化阶段。 石油的生成过程与煤相似。它的形成物质主要是低等动、植物遗体中的脂肪、蛋白质和碳水化合物。这些有机物质的沉积物在地壳长期缓慢下降中不断增厚，或在深水中被沉积保存。同样经历了缺氧或强还原环境中的细菌分解阶段和温度、压力增加条件下的转化阶段，碳和氢的含量富集，形成一种流动或半流动的粘稠性液体。石油的生成条件要求较严格，沉积过程初期，温度和压力不够，不能生成石油。当沉积深度达到1 0004000m，温度达到6050时有机质生成大量石油。若压力和温度进一步增加，有机质被热分解，如深度超过4000m，温度超过150200后几乎不能生成石油。天然气的形成物质非常广泛。除石油有机物质可以产气外，高等植物中的木质纤维腐烂分解，无机物质如地下深处碳钙等各种矿物的分解，都可以生成天然气。天然气的生成过程比石油容易、简单，除生成石油的压力和温度范围外，在常温、常压、高温、高压下均能产生气体。同时，天然气除在强还原环境外，有氧气存在的弱还原条件下，如沼泽地带也可生成。天然气中富集了有机物质被菌化或分解后形成的分散碳氢化合物，成为可燃气体。化石燃料的燃烧排放物是环境污染的最主要原因。二、中国能源资源（一）综合能源资源1. 中国一次能源资源丰富中国常规能源包括煤、油、气和水能，水能为可再生能源。按使用100年计算，探明(技术可开发)总资源量超过8231亿tce（吨标准煤），占世界同类资源总量的25%，按2000年能源产量计算的能源资源保证程度超过760年。同时，还有核能、太阳能、风能、地热能、潮汐能、波浪能以及生物质能等新能源和可再生能源可供开发利用。中国常规能源探明(经济可开发)剩余可采总储量1392亿tce，约占世界总量的10.1%。能源探明总储量的结构为：原煤87.4%，原油2.8%，天然气0.3%，水能9.5%。能源剩余可采总储量的结构为：原煤58.8%，原油3.4%，天然气1.3%，水能36.5%。中国常规能源资源储量及结构见表21。表21 中国常规能源资源储量及结构能 源能源总量/亿tce原 煤/亿t原 油/亿t天然气/亿m3水 能/亿kWh总资源量404