地球系统科学、生态学和环境科学

12从人类诞生以来，从未停止探索地球奥秘的步伐，但仍远不能达到预防自然灾害、消除巨大损失的目的。人类对地球的开发、利用、探索研究活动由来已久，地质学、地理学、气象学、海洋学和生态学都有悠久历史，但这些已形成系统研究方法和知识体系的专门学科，已经不能适应新形势下的需要。鉴于地球各个圈层间复杂而微妙的相互作用，地球系统科学自然应运而生。3从研究包括人类在内的地球系统角度研究人类和地球表层关系产生地球系统科学。从环境质量演化的角度研究人类和地球的关系及地球的变化产生了环境科学。从生物的生存环境角度研究地球的变化产生了生态学。研究对象一致，研究角度不同，三者研究领域既有交叉又有差异。4目录地球系统科学生态学环境科学三门具有密切的内在联系而又不能互相替代的姊妹科学58.1地球系统科学地球系统科学的创立地球系统科学的研究对象及发展趋势从研究包括人类在内的地球系统角度研究人类和地球表层关系产生地球系统科学。68.1.1地球系统科学的创立地球系统科学最早由美国国家航空与宇航管理局（NASA）1983年提出。20世纪80年代中期以来，地球科学发展迅猛，科学家明确提出物理过程与生物过程相互作用的观点，进而形成了“地球系统”思想。90年代，这一观点成为地学界共识，美、英、日等国纷纷制定相关计划，这一学科得以确立并蓬勃发展起来。1992年美国22所大学将地球系统科学教育纳入课程之内；与此同时，联合国《21世纪议程》将地球科学作为可持续发展战略的科学基础之一。7德国联邦政府与德国科学基金会、美国国家科学基金会相继投入巨资，拟定了分别为期15年和10年的“地球工程学—地球系统”等大型研究计划。82001年１月，中国科学院院长路甬祥把对“地球系统整体行为的集成研究”列为新世纪科学家要勇敢面对的第九大挑战。2002年10月温家宝同志在中国地质学会80周年纪念大会上讲话时也强调，必须实现“传统地质工作向以‘地球系统科学’为核心内容的现代地质工作”的转变。我国自然科学基金委地学部也于2002年3月提出了21世纪初的地球科学战略重点，拟定了“以地球系统各圈层的相互作用为主线，从我国具有优势的前沿领域寻找主攻目标”的“十五”优先资助领域战略。98.1.2地球系统科学的研究对象及发展趋势一、研究对象大气圈水圈岩石圈生物圈主要研究组成的地球表层系统，探讨各个圈层相互作用的体制，分析人类活动引起的生态环境变化，提高地球系统的生命承载能力。地球系统科学10地球系统科学中时间尺度是一个关键指标。对地球上的生物存在威胁的诸如气候变化、大气成份变化，土地覆盖变化等，10年到100年的时间尺度尤为重要。由于方法的限制，传统的地质、海洋、地理科学只能基于长时间尺度或定时预测。虽然，水文、气象基于物理客观规律，但是，也只能实现以天、旬为时间尺度的预测。上述两类时间尺度的研究均未能建立起时间尺度为50年的理论体系；而生物过程的时间尺度既可以放大，也可以缩小，其时间尺度必须基于地球系统科学。11全球变化：核心问题，包括自然环境变迁，生物量变迁及人类活动的生态效应。区域模型：依靠信息将区域和全球变化连接起来，探讨地球系统全球层次和区域层次之间的相互作用以及人类行为对全球变化的反聩。宏观调控信息系统：运用环境工程，解决生态穿凿、生态工业内部及其两者之间的匹配问题。二、三个研究层次（见P135页）12地球系统科学的研究需要自然科学和社会科学多学科的综合。地球系统科学正在推动可持续发展的研究。地球系统科学关注人类活动对地球系统的存在、运动和发展的影响。三、地球系统科学研究的发展趋势138.2生态学生态学是研究生命系统和环境系统之间相互作用的机理，规律的科学。生态学的英文名称是ecology，由两个希腊词根构成：likos(房子、住所)、ologs（科学、研究）。生命系统包括动物，植物，微生物。环境系统主要包括光、温、水、营养物等理化因素。14生态学的产生与发展生态学的研究内容生态学的发展趋势158.2.1生态学的产生与发展古希腊亚历士多德古中国贾思勰法国布丰1798年马尔萨斯《人口论》1895年达尔文《物种起源》161869年，海克尔首先提出生态学的概念。1935年坦斯勒提出“生态系统”概念。1942年林德曼提出食物链和金字塔营养结构，确立了生态系统物质循环和能量流动理论，为现代生态学奠定了基础。20世纪50年代，生态学进入现代生态学发展时期，扩展了人类影响自然环境的广度和深度。自20世纪60年代以来，生态学和当代国际重大社会问题密切相关，成为解决国际重大社会问题的理论基础。178.2.2生态学的研究内容1、生态研究生物与环境、生物与生物之间的相互关系。2、生态学主要以种群、群落和生态系统的研究为核心。3、随着全球环境问题日益受到重视，全球生态学应运而生，并正在成为人们关注的领域。18生态学的发展特征：1、多学科跨部门的综合研究：国际性研究计划世界气候研究计划（WCRP）国际地圈生物圈计划（IGBP）全球环境变化的人类因素计划（HDP）国际岩石圈计划（ILP）深海钻探计划/大洋钻探计划（DSDP/ODP）全球海洋生态系统动力学研究（GLOBEC）世界大洋环流实验计划（WOCE）192、强化生态学为社会服务的功能，即通过探索解决经济发展和环境保护之间的矛盾，实现生态学的自然、经济、社会功能。包括的内容主要有：生物生产力的管理。通过改善光合作用的程度，提高不同营养级生物产品利用效益。人工生物群落的稳定性。世界自然保护大纲的三大目标是：保护生态过程和生命支持系统；保护遗传基因多样性；保护现有物种，促进生物资源的永续利用。生态指标体系。建立生态定位站和数据库。动态监测物种变化，及时提出预报。208.2.3生态学的发展趋势学科渗透，生态学向各学科的渗透，出现了能量生态学、数学生态学、城市生态学、化学生态学、灾害生态学等等。生物圈功能研究：生物圈功能的开发给生态学提出了工艺性的技术问题，也要求生态学提供解决现实生态问题的科学对策。为可持续发展提供理论基础：21其他森林生态学中国生态农业建设的历程和成绩中国的水资源状况中国湿地利用228.3环境科学环境是指与人类密切相关的影响人类生活和生产活动的各种自然力量和作用的总和。国际环境教育界提出的“环境”定义要点：1）人以外的一切就是环境；2）每个人都是他人环境的组成部分。环境科学把人类的环境分为两大方面：自然环境：主要包括，大气环境、水环境、土壤环境、生态环境和地质环境；社会环境：主要包括，居住环境、生产环境、文化环境和交通环境。23环境科学研究人类活动对自然界的影响，力图发现由人的活动给地球环境带来的各种干扰、危害和负担，并研究人类如何能解决这些问题。基于对地球的自然状况和自然规律的研究，环境科学向人们提供如何能尽量保护自然、又能使人类得到发展的科学理论和指导原则。24目前已在世界环境科学界达成共识的原则是：人类要在尊重自然的基础上，来提高自己的生活质量，只有这样，人类才能与自己生存的星球共存。把地球作为一个有生命的整体来进行研究，开始一次全新的工业革命，让人与地球生命系统的和谐关系成为21世纪的主宰，是近年来环境科学发展的重要飞越。环境是一种“公共财产”。258.3.1环境问题和环境科学的产生环境问题早在远古时代就存在，并且古人用相应的简单措施对付。但由于古代世界人口数量有限，生产规模小消费小，环境问题没有成为人类生活的重大问题。工业化后，随着生产力的提高也带来了环境污染。26世界著名的“八大公害事件271比利时马斯河谷烟雾事件:1930年12月1-5日，比利时马斯河谷工业区内13个工厂排放的大量烟雾弥漫在河谷上空无法扩散，使河谷工业区有上千人发生胸疼、咳嗽、流泪、咽痛、呼吸困难等，一周内有60多人死亡，许多家畜也纷纷死去.282美国多诺拉烟雾事件:1948年10月26-31日，美国宾夕法尼亚州多诺拉镇持续雾天，工厂排放的烟雾被封锁在山谷中，使6000人突然发生眼痛、咽喉痛、流鼻涕、头痛、胸闷等不适，其中20人很快死亡。这次烟雾事件主要由二氧化硫等有毒有害物质和金属微粒附着在悬浮颗粒物上。293伦敦烟雾事件:1952年12月5-8日,伦敦城市上空高压，大雾笼罩，连日无风。而当时正值冬季大量燃煤取暖期，煤烟粉尘和湿气积聚在大气中，使许多城市居民都感到呼吸困难、眼睛刺痛，仅四天时间内死亡了4000多人，在之后的两个月时间内，又有8000人陆续死亡。这是20世纪世界上最大的由燃煤引发的城市烟雾事件。304美国洛杉机光化学烟雾事件：从20世纪40年代起，已拥有大量汽车的美国洛杉矶城上空开始出现由光化学烟雾造成的黄色烟幕。它刺激人的眼睛、灼伤喉咙和肺部、引起胸闷等，还使植物大面积受害，松林枯死，柑橘减产。1955年，洛杉矶因光化学烟雾引起的呼吸系统衰竭死亡的人数达到400多人，这是最早出现的由汽车尾气造成的大气污染事件。315日本水俣病事件：从1949年起，位于日本熊本县水俣镇的日本氮肥公司开始制造氯乙烯和醋酸乙烯。由于制造过程要使用含汞（Hg）的催化剂，大量的汞便随着工厂未经处理的废水被排放到了水俣湾。1954年，水俣湾开始出现一种病因不明的怪病，叫水俣病，患病的是猫和人，症状是步态不稳、抽搐、手足变形、神经失常、身体弯弓高叫，直至死亡。326日本富山骨痛病事件：19世纪80年代，日本富山县平原神通川上游的神冈矿山实现现代化经营，。然而在采矿过程及堆积的矿渣中产生的含有镉等重金属的废水却直接长期流入周围的环境中，在当地的水田土壤、河流底泥中产生了镉等重金属的沉淀堆积。镉通过稻米进入人体，首先引起肾脏障碍，逐渐导致软骨症，妇女得上一种浑身剧烈疼痛的病，叫骨痛病，重者全身多处骨折，在痛苦中死亡。从1931年到1968年，神通川平原地区被确诊患此病的人数为258人，其中死亡128人。337日本四日市哮喘病事件：1955年日本第一座石油化工联合企业在四日市上马，1958年在四日市海湾打的鱼开始出现有难闻的石油气味，使当地海产品的捕捞开始下降。1959年由昭石石油公司投资186亿日元的四日市炼油厂开始投产，四日市很快发展成为石油联合企业城。然而，石油冶炼产生的废气使当地天空终年烟雾弥漫，烟雾厚达500米，其中漂浮着多种有毒有害气体和金属粉尘，很多人出现头疼、咽喉疼、眼睛疼、呕吐等不适。从1960年起，当地患哮喘病的人数激增，一些哮喘病患者病甚至因不堪忍受疾病的折磨而自杀。到1979年10月底，当地确认患有大气污染性疾病的患者人数达775491人，典型的呼吸系统疾病有：支气管炎、哮喘、肺气肿、肺癌。348日本米糠油事件：1968年日本九州爱知县一个食用油厂在生产米糠油时，因管理不善，操作失误，致使米糠油中混入了在脱臭工艺中使用的热载体多氯联苯，造成食物油污染。因食用被多氯联苯污染的食物而得病的人，初期症状是皮疹、指甲发黑、皮肤色素沉着、眼结膜充血，后期症状转为肝功能下降、全身肌肉疼痛等，重者会发生急性肝坏死、肝昏迷，以至死亡。1978年，确诊患者人数累计达1684人。35六大污染事故在20世纪，世界上最闻名的六大污染事故361意大利塞维索化学污染事故1976年7月意大利塞维索一家化工厂爆炸，剧毒化学品二恶英扩散，使许多人中毒。事隔多年后，当地居民的畸形儿出生率大为增加。372美国三里岛核电站泄漏事故1979年3月，美国宾夕法尼亚州三里岛核电站反应堆元件受损，放射性裂变物质泄漏，使周围50英里以内约200万人口处在极度不安之中，人们停工停课，纷纷撤离，一片混乱。383墨西哥液化气爆炸事件1984年11月，墨西哥城郊石油公司液化气站54座气储罐几乎全部爆炸起火，对周围环境造成严重危害，死亡上千人，50万居民逃难。394印度博帕尔毒气泄漏事故1984年12月，美国联合碳化物公司设在印度博帕尔市的农药厂剧毒气体外泄，使2500人死亡，20万人受害，其中5万人可能双目失明。405前苏联切尔诺贝利核电站事故1986年