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品價值那樣得到足夠的體現(xiàn)。因此,許多地區(qū)都曾陷入過對其只知使用、干式恒溫儀不知保 護的惡性循環(huán)怪圈。除了加強宣傳教育,提 高環(huán) 境意 識,實行清 潔生 產(chǎn),優(yōu)化 產(chǎn) 業(yè)結(jié)構(gòu),提高森林面積(圖 7 2)之外,保護空氣 資源,改善環(huán) 境空氣質(zhì) 量還須 采 取法律手段以及經(jīng)濟手段。大多數(shù) 國家 均把這 兩種 手段 結(jié)合起 來使 用,如同 美 國的 GreenLights計劃和加拿大的 SMOGFREE計劃那樣。必須通過立法來完善 170 第 7章 環(huán) 境 地 學 各項管理制度,規(guī)定空氣資源的限量標準和污染物排放的限量標準,實施強制性 管理。制定合理的經(jīng)濟政 策,堅 持對 空氣 資源 的有 償 使用 原則,做 到“誰利 用, 誰補償;誰破壞,誰恢復 ”。 這是 體現(xiàn) 空氣 的 資源 價值,保 護 空氣 資 源的 一 個 有 力手段。 7.2.2 水環(huán)境與海洋環(huán)境 水循環(huán)和水量平衡都是對水在大氣 圈、水圈、巖 石圈、土 壤圈和 生物 圈之 間 運動與交換過程的描述,前者側(cè)重于概念的闡述,后者則對水分循環(huán)進行定量的 計算。關(guān)于水循環(huán)的基本過程,參見第 2章 2.3節(jié)。 (1)水循環(huán)的基本類型 通常按水循環(huán)的不同途徑與規(guī)模,將全球的水循環(huán)分為大循環(huán)與小循環(huán)。 ① 大循環(huán):發(fā)生于全球海洋與陸地之間的水分交換過 程,由 于遍及全 球,故 名大循環(huán),又稱外循環(huán)。 大循環(huán)的主要特點是,在循環(huán)過 程中,水 分通過 蒸發(fā) 與降 水兩大 基本 環(huán)節(jié), 在空中與海洋、空中與陸地之間進行 垂向交 換,與此 同時,又 以水汽 輸送 和徑 流 的形式進行橫向交換。交換過程中,海面上的年蒸發(fā)量大于年降水量,陸面上情 況正好相反,降水大于蒸發(fā);在橫向 交換 過程中,海洋上 空向 陸地輸 送的 水汽 要 多于陸地上空向海洋回送的水汽,兩 者之 差稱 為海洋 的有 效水汽 輸送。 正是 這 部分有效的水汽輸送,在陸地上轉(zhuǎn)化 為地表 及地 下徑 流,最后回 流入 海,在海 陸 之間維持水量的相對平衡。 ② 小循環(huán):是指發(fā)生于海 洋與 大氣之 間,或陸 地與
大氣 之間 的水 分交 換 過 程。小循環(huán)又稱內(nèi)部循環(huán),前者又可稱為海洋小循環(huán),后者稱陸地小循環(huán)。 海洋小循環(huán)主要包括海面的 蒸發(fā) 與降水 兩大 環(huán)節(jié),所 以比較 簡單。 陸地 小 循環(huán)的情況則要復雜得多,并且內(nèi)部存在明顯的差別。從水汽來源看,有陸地自 身蒸發(fā)的水汽,也有自海洋輸送來的 水汽,并在 地區(qū) 分布 上很不 均勻,一 般規(guī) 律 是距海愈遠,水汽含量愈少,因此,水循 環(huán)強 度具 有自海 洋向 內(nèi)陸深 處逐 步遞 減 的趨勢,如果地區(qū)內(nèi)部植被條件好,貯水 比較豐 富,那么 自身 蒸發(fā)的 水汽 量比 較 多,有利于降水的形成,因而可以促進地區(qū)小循環(huán)。 陸地小循環(huán)可以進一步區(qū)分為大陸外流區(qū)小循環(huán)和內(nèi)流區(qū)小循環(huán)。其中外 流區(qū)小循環(huán)除自身垂向的水分交換外,還有對于的水量,以地表徑流及地下徑流 的方式輸向海洋,高空中必然有等量的水分從海洋送至陸地,所以還存在與海洋 之間的橫向水分交換。而陸地上的內(nèi)流區(qū),其多年平均降水量等于蒸發(fā)量,自成 一個獨立的水循環(huán)系統(tǒng),地面上并不 直接 和海洋 相溝 通,水分 交換以 垂向 為主, 僅借助于大氣環(huán)流運動,在 高空 與外 界之 間,進行 一 定量 的 水汽 輸 送與 交 換 活 動。 7.2 人類 地球環(huán)境復合系統(tǒng) 171 (2)水量平衡 水量平衡是水循環(huán)的數(shù)量表示。即在一定的時域空間內(nèi),水分在循環(huán)、轉(zhuǎn)化 過程中,其數(shù)量遵循質(zhì)量守恒定律,收入的水量與支出的水量之間的差額必等于 該區(qū)域(或水體)內(nèi)蓄 水的 變化 量。也 就是 說,水 在循 環(huán)過 程 中,從總 體上 說 是 收支平衡的(圖 7 3)。 圖 7 3 全球水文循環(huán)過程 (根 據(jù) Moore,1996重繪 ) 從本質(zhì)上說,水量平衡是質(zhì)量守恒定律原理在水循環(huán)過程中的具體體現(xiàn),也 是地球上的水循環(huán)能夠持續(xù)不斷 進行 下去的 基本 前提。 一旦水 量平 衡失控,水 循環(huán)中某一環(huán)節(jié)就要發(fā)生斷裂,整個水循環(huán)亦將不復存在。反之,如果自然界根 本不存在水循環(huán)現(xiàn)象,亦就無所謂 平衡 了。因 而兩者 密切 不可分。 水循 環(huán)是 地 球上客觀存在的自然現(xiàn)象,水量平衡是水循環(huán)的內(nèi)在規(guī)律。 全球水量平衡中,海陸降水量之和等于海陸蒸發(fā)量之和,說明全球水量保持 平衡,基本上保持不變。海洋蒸發(fā)量提供了海洋 降水量 的 85% 和陸地 降水量 的 89%,海洋是大氣水分和陸地水的主要來源。陸 地降水 量中只有 11%來 源于 陸 地蒸發(fā),說明大陸氣團對陸地降水的 作用 遠遠 不及海 洋氣 團的作 用。海 洋降 水 量等于海洋蒸發(fā)量與入海徑流量之 差,而陸 地降 水量等 于陸 地蒸發(fā) 量與 入海 徑 流量之和,海洋和陸地水最后通過徑流達到平衡。 (3)水體污染與水體自凈 水體是地表水圈的重要組成部 分,它是 指以 相對穩(wěn) 定的 陸地為 邊界 的天 然 水域,包括江河、湖泊、水庫、沼澤以及冰川和海洋等。水體作為一個完整的生態(tài) 系統(tǒng),除水以外還包括水中的懸浮 物質(zhì)、溶解 物質(zhì)、水 生生 物和底 泥等。 隨著 人 類社會的發(fā)展進步,人類改造和利用自然的能力越來越強,工業(yè)和農(nóng)業(yè)技術(shù)的高 172 第 7章 環(huán) 境 地 學 度發(fā)展,生產(chǎn)和使用大量的無機和有機產(chǎn)品,這些自然界原來沒有的東西不可能 不進入水體等自然環(huán)境,不可避免地 會最 終進 入水圈。 當人 類活動 改變 了天 然 水質(zhì),使水質(zhì)惡化嚴重到足以降低資源的基 本用途 的程 度時,便引 發(fā)了 “水體 污 染”的問題。 當污染物進入河流、湖泊、海洋 或地 下水等 水體 后,其含 量超過 了水 體的 自 凈能力,使水體的水質(zhì)和水體底質(zhì)的 物理、化學 性質(zhì) 或生 物組成 發(fā)生 變化,從 而 降低了水體的使用價值和使用功能的現(xiàn)象,稱為水體污染。 水體污染的發(fā)生和過程取決于 污染 物、污染 源及承 受水 體三方 面的 特征 及 其相互作用和關(guān)系。水體污染可分為自然污染和人為污染兩大類。自然污染是 指自然因素所產(chǎn)生的污染,例如降水對 各種 礦石 的溶解 作用 和對大 氣的 淋洗 以 及地表徑流挾帶各種污染物質(zhì)進 入水 體而形 成的 污染。 但是一 般說 來,自然 污 染只發(fā)生在局部地區(qū),因此危害也往 往具 有地 區(qū)性。人 為污 染是指 人類 在生 產(chǎn) 和生活中產(chǎn)生的“三廢”對水體的污染。 其中,工業(yè)廢水 是造成 水體污染 的主 要 污染源。 按污染物的來源,水體污染分為工業(yè)污染、生活污染、農(nóng)田污染和天然污染; 按污染物進入水體的方式,分為點源 污染 和非 點源污 染。由 人類活 動進 入水 體 的污染物種類繁多,對水體污染產(chǎn)生 的作 用千 差萬別。 水體 污染物 包括 有機 污 染物、重金屬污染物、化肥和農(nóng)藥、放射性污染物、病原微生物和熱污染等。 污染物進入水體后,通過復雜的 物理、化學 和生 物等 方面的 作用,使 污染 物 的濃度逐漸降低,經(jīng)過一段時間后,水體 將恢復 到受 污染 前的狀 態(tài),這一 現(xiàn)象 就 稱為水體的自凈作用。自然界各種 水體 都具有 一定 的自 我凈化 能力,使 受污 染 的水體部分地或完全地恢復到原來的潔凈狀態(tài)。 水體的凈化作用,按其凈化機制,可分為三種凈化類型: ① 物理凈化:污染物進入 水體 后,只改變 其物 理 性狀、空 間位 置,而不 改 變 其化學性質(zhì)、不參與生物作用。主要是指污染物在水體中由于混合、稀釋、擴散、 揮發(fā)、沉淀等作用,而使污染物質(zhì)在水體中濃度降低的過程。物理凈化能力的強 弱取決于水體的物理條件,如溫度、流 速、流量等,以 及污 染物 自身的 物理 性質(zhì), 如密度、形態(tài)、粒度等。 ② 化 學凈 化 :污 染 物 在水 體 中
以 簡 單或 復 雜 的 離 子或 分 子 狀 態(tài) 遷移 ,并 發(fā)生 化 學性 質(zhì) 或形 態(tài) 、價態(tài) 上 的轉(zhuǎn) 化 ,使水 質(zhì) 發(fā) 生化 學 性質(zhì) 的 變化 ,但 不參 與 生物作 用。 如酸堿 中和 、氧化 還 原 反 應、絡(luò) 合 、吸 附 及凝 聚 作 用、各 種水 解 、光 解與離 解過程 及離 子交 換等化 學反 應。這 些過 程能 夠改變 污染 物在 水 體中 的 遷移能 力和 毒性大 小,也 能 改 變水 環(huán) 境 化 學 反應 條 件。 影 響 化 學凈 化 的 環(huán) 境 因素 有 酸堿 度、氧化 還 原電 位 、溫度 、化 學組 分 以及 污 染 物自 身 的形 態(tài) 和化 學 性質(zhì)。 7.2 人類 地球環(huán)境復合系統(tǒng) 173 ③ 生物凈化:生物凈化是 水體 中的污 染物 在生物 新 陳代 謝過 程中,通 過 生 物的吸收、降解作用使環(huán)境污染物的 濃度 與毒 性減弱 以至 消失。水 體生 物凈 化 作用也被稱為狹義的自凈作用,主要是 指懸 浮和 溶解于 水體 中的有 機污 染物 在 微生物作用下發(fā)生氧化分解的過程。水體的生物凈化與化學凈化緊密相連且多 同時發(fā)生,在水體自凈中,生物化學過 程占 主要地 位。生 物凈 化與生 物的 種類、 環(huán)境的水熱條件和供氧狀況等因素有關(guān)。 上述各種凈化過程是同時發(fā) 生,相互 影響 并相互 交織 進行的。 水體 的自 凈 作用是一個十分復雜的過程,它受地 形、水文、微 生物 種類和 數(shù)量、水 溫、復氧 能 力、污染物組成和濃度等因素的綜合影響。 (4)海洋環(huán)境及海—氣、!懴嗷プ饔 ① 海洋環(huán)境:地球上面積 廣大 的連續(xù) 水域 通稱海 洋,其 面積 占地 表總 面 積 的 70.8%。根據(jù)海洋要素特點及形成特征,可分為主 要部分 和附屬部 分。主 要 部分為洋,附屬部分為海、海灣和海峽。 海水的形成與地球物質(zhì)整體演化作用有關(guān)。一般認為海水是地球內(nèi)部物質(zhì) 排氣作用的產(chǎn)物,即水汽和其他氣體是 通過 巖漿 活動和 火山 作用不 斷從 地球 內(nèi) 部排出的,F(xiàn)代火山排出的氣 體中,水 汽往往占 75%以上,據(jù)此推測,地球原 始 物質(zhì)中的含量應當較高。地球早期 火山 作用排 出的 水汽 凝結(jié)為 液態(tài) 水,積聚 成 原始海洋,還有些火山氣體溶解于水,從 而轉(zhuǎn)移 到原 始海 洋中,而另 一些 不溶 或 微溶于水的氣體則組成了原始大氣圈。 海水是含有多種溶解 固體 和 氣體 的水 溶液,其中 水約 占 96.5%,其他 物 質(zhì) 占 3.5%。海水中還有少量有機和無機 懸浮固體 物質(zhì)。H2 和 O2 是 海水 中最 主 要的化學成分;瘜W元素周期表中的天然元素,在海水中已發(fā)現(xiàn)約 80種。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。 海水中的溶解氣體主要是 O2 和 CO2。在海水上層的光亮帶,它們接近飽和。 由 于表層與深層海水經(jīng)常發(fā)生混合,深海中也含有一定數(shù)量的溶解氣體,這是底棲 生物能存在的原因之一。 ② !獨庀嗷プ饔茫汉Q蠛 大氣 同屬 流體,它們 有類 似的 運動 規(guī) 律。在 相 互作用上,二者的主導作用體現(xiàn)在不同的方面。 a.熱量交換:由于海洋占據(jù)地 球表面 積的 71%,海 水又
具有流 動性 和比 熱 大的特點,所以海洋是地表系統(tǒng)中最主要的太陽能貯存器。據(jù)估計,海洋吸收了 到達地表的太陽輻射的大約 70%,其貯存的 熱量約占 整個地 表所貯存 的熱量 的 85%。加之海水密度遠大于 大氣。 流動 性卻 小于 大氣。 因此,在海 氣界 面 熱 量交換中,海洋起著主導 作用。海 洋以 對流、傳導 (感熱 ),蒸 發(fā)(潛熱)、熱 輻 射 等形式向大氣輸送能量,這是排熵的 過程。 其結(jié) 果使海 洋上 空大氣 的運 動變 化 無常,形成豐富多彩的天氣現(xiàn)象。 174 第 7章 環(huán) 境 地 學 b.動量交換:在海 氣界面上,動量交換主要表現(xiàn)在大氣通過風應 力向海 洋 提供動量,從而形成海浪和洋流,并導致大范圍的能量與物質(zhì)輸送。因此在動量 交換中大氣起著主導作用。 c.物質(zhì) 交換 :通 過蒸 發(fā)與 降 水 實 現(xiàn) 的水 分 交 換 是 海 氣 界 面 物質(zhì) 交 換 最 主要的 過程。 CO2 等 氣體被 海洋 吸收 后,再緩 慢釋 放到 大氣 中 的過 程 ,具有 調(diào) 節(jié)溫室 氣體 濃度及 緩沖 氣體 變化進 程的 作用。 此外 ,由浪花 飛濺 而進 入 大氣 , 又受降 水沖 刷而回 歸大 海的 鹽 粒 交 換 過程 ,為 大 氣 所提 供 的 氣 溶 膠是 形 成 云 霧的凝 結(jié)核 。這些 氣溶 膠還 可 以 減弱 進 入 地 球 表層 的 太 陽 輻 射,使 地 表 溫 度 下降。 ③ !懴嗷プ饔茫汉Q笈c陸 地通 過海 岸帶 緊密 地聯(lián) 系 在一 起,它們 之 間 的相互作用主要表現(xiàn)在物質(zhì)交換、動量 交換 和海 平面變 化所 引起的 陸地 環(huán)境 變 化等方面。 a.物質(zhì) 交換 :入 海河 流將 從陸地 攜帶 的 泥 沙輸 入 海洋 ,與 此 同 時,陸 地 的 營養(yǎng)物 質(zhì)和 污染物 質(zhì) 如 N、P等 的 化 合 物 也 隨 之 排 入 海 洋。 這 雖 然 給 海 洋 生 物提供 了豐 富的食 物,但 同時也 將造 成沿 海水域 的富 營養(yǎng)化 ,使藻 類及 其他 浮 游生物 在海 水表層 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 ,從 而導 致 海水 缺 氧,最 終 造成 大 量的 海 洋 生物 死 亡,使 海 洋生 態(tài) 系統(tǒng) 遭 到破壞 。此 外,重 金 屬 污 染 物 排 入 海 洋 后,通 過 食 物 鏈 聚 集 在 植 物 和 動 物 體 內(nèi),對海 洋生 態(tài)系統(tǒng) 的長 期 演 化造 成 潛 在 威 脅。 雖然 海 洋 具 有 很強 的 自 凈 能 力和 較 大的 容 量,但 在 人類 活 動影 響 頻 繁的 近 海海 域 及河 口 、港灣 ,水 體的 凈 化能力 相對 不足,常 常造 成較嚴 重的 污染 。由此 可見 ,陸地在 物質(zhì) 交換 方面 起 著主要 的作 用。 b.動量交換:在海陸交替的海岸帶,受波浪沖擊而存在著海 蝕作用,使巖 石 發(fā)生坍塌。巖石碎屑物質(zhì)經(jīng)波浪和潮流的搬運作用,在適宜的地方堆積,形成沙 灘或礫灘。如此往復進行,建造了 各種不 同形 態(tài)、成因 的海岸 地貌。 因此,海 洋 在動量交換中起著主導作用。 c.海平面變化:由 于 全 球氣 候 變暖,使海 水 膨 脹、極 地 冰 原和 大 陸 冰 川 融 化,導致海平面上升。海水入侵陸地,造成沿海地區(qū)城市被淹沒、土地鹽堿化、地 下水咸化等,給人類生存環(huán)境和陸地 生態(tài) 系統(tǒng) 帶來破 壞性 的影響。 在人 類活 動 (如地下水過度開采造成地面沉降)的疊加作用下,這種影響還會加劇。 (5)冰雪下墊面對氣候變化的影響 目前全球大陸冰川 總 面積 約占 全球 陸地 總 面積 的 11%。它 是全 球水 量 平 衡的一個重要組成部分。全球冰量 的變 化,會對 相對于 大陸 的海平 面位 置產(chǎn) 生 極大的影響。如果這些冰全部融化,將使世界洋面上升 67m。 冰雪覆蓋對全球氣候和環(huán)境具有很重要的影響。由于冰雪具有很高的表面 7.2 人類 地球環(huán)境復合系統(tǒng) 175 反射率,可大大減少下墊面對太陽輻 射的吸 收;冰雪 表面 粗糙度 低,可以 使湍 流 交換相應減弱;冰雪具有較低的熱傳導率,可減弱冰雪蓋下面介質(zhì)的熱量垂直傳 導。在冬季,阻止土壤溫度降低;而 春季 氣溫升 高時,冰 雪蓋 會阻止 熱量 向下 傳 導,加上冰雪或土壤中冰晶融化需要熱量,從而延緩土壤溫度的回升。 冰川是氣候和地貌的產(chǎn)物,但它 又對 氣候 和地貌 產(chǎn)生 強烈影 響。在 同一 高 度,冰川表面的氣溫通常比非冰川表面要低 2℃ 左右,而濕度 卻高得 多;氣 溫低、 濕度大,水汽就容
易飽和,有利于降 水的 形成,因 而有冰 川覆 蓋的山 區(qū)降 水量 往 往高于無冰川覆蓋的山區(qū)。南極大陸冰川本身 是一個巨 大的“冷 源”,在 那里 可 形成穩(wěn)定的反氣旋,使南半球保持強勁和穩(wěn)定的極地東風帶。 極冰的 存在 也影響 著 氣 候 變化 。根 據(jù) 衛(wèi) 星 觀 測,地 球 陸 面 平 均 反 射 率 為 20% ~25% ,無冰 海面平 均反 射率 為 30% ,而極冰 表面 反射 率可達 60% 以上 , 所以冰 面吸 收太陽 輻射 量 較 陸面 和 水 面 要 小。 冰面 減 少 了 蒸 發(fā)量 ,減 少 了 與 下層水 體或 土壤間 的熱 傳 輸,也減 少 了 與 大 氣間 的 熱 交 換。 極 冰變 化 常 常 會 造成氣 候異 常。20世 紀 60年 代 以 來 ,隨 著 北 極 地 區(qū) 變 冷,極 冰 范 圍 擴 大 ,冰 島等海 面流 冰日數(shù) 急劇 增 加。 同 時,溫帶 地 區(qū) 干 旱 頻頻 發(fā) 生,降 水變 率 增 大 , 而熱帶 地區(qū)雨 水增 加。 中低緯 度所 出現(xiàn)的 氣候 異常 現(xiàn)象似 乎也 與極 冰 擴大 有 一定關(guān) 系。 7.2.3 其他圈層的地位與作用 (1)巖石圈與人類生存、發(fā)展的關(guān)系 巖石圈是由各種巖石組成的固 體地 球最外 層,其垂 直結(jié) 構(gòu)包括 地殼 和上 地 幔頂部的橄欖巖層。它是 土壤 和生 命 所必 需 的大 量 礦產(chǎn) 資 源和 多 種燃 料 的 源 地,與人類的生存、發(fā)展密 切相關(guān)。今后相當長 時間內(nèi),人類社會所需 的 80% 以 上的原材料和 90%的能源均將取自巖石圈。 礦物是人類生活、生產(chǎn)資料的重要來源。迄今,天然礦物燃料仍是世界主要 的能源。人類從地殼中獲取的多 種資 源、能源 直接或 間接 源自地 幔。地 幔中 的 巖漿活動、構(gòu)造活動既可能形成有 用礦產(chǎn)、發(fā) 展地 貌,也可 能帶來 地質(zhì) 災害。 上 地幔與地殼之間持續(xù)進行的物質(zhì)與能量交換,是地表環(huán)境形成的重要驅(qū)動力。 巖石圈上部表現(xiàn)為復雜多樣的地 貌類型,形 態(tài)各 異、切割 深度不 同的 山地、 丘陵、山原、高原與平原,使地表的水熱重新分配,并在不同地貌部位分布著物理