厚度0an) 海洋 地壳 上层地幔 5100 软流层 地幔外核内核 下层地幔 图1-1地球的结构 地球内部的三个圈层位于不同深度,具有不同物理性质。地球内部的密 度、压力和温度都随着深度的增大而增加(表1-1)。 1—1地球内部各圈层物理状态 度(km) 密度(g/cm) 压力(MPa) 温度(℃) 3.32~5.66 136800 1500~2000 6371 9.71~16(?) 约360000 大于2000 地核处于地球中心部(即深度超过2900km的地层),压力达30多万MPa 温度可达2000℃以上。它的主要成分中可能有铁和镍,所以有非常大的密 度。地幔是紧紧包在地核外面的一圈,因为它夹于地壳和地核之间,也称中 间层。地幔厚度大约有2900km,其密度和整个地球的平均密度比较接近。在 上下地幔层之间有一个软流层,在这里集中着大量放射性物质,所产生的蜕 变热使地层呈局部熔融状态,被认为是岩浆的发源地。地壳是地球最外面的 层,其厚度各处不一,最薄的只有5~6km,最厚的地方有70~80km,平均 是33km。由地壳和地幔顶部坚硬岩石组成了厚度约70~100km的岩石圈。此 外,在地球上还分异出了水圈和大气圈。水圈包括地球上的海洋、江河、湖 泊、冰川等,按其体积大约占整个地球的千分之一。包围在地球最外面的 层气体就是大气圈,厚度从地面到高空1000~3000km。大气圈越离开地面越 稀薄,100km高空的大气密度约是地面的百万分之一。地球上有了水和空气, 给生物的发生和发展提供了条件,于是在地球上又形成了生物圈。整个人类 的社会活动几乎都是在地球表面的生物圈内进行的。 地球各圈层形成之后,也并不是彼此孤立、静止不变的,而是相互制约 相互渗透、相互影响,不断发展和变化的。原始大气中主要成分可能是H和 He,通过聚变反应部分转化为重元素C、N、O,再通过化学反应生成CH4、NH3 和H0等。此后发生的各种演化过程(特别是长时期的光合作用),使大气 圈成分发生了进一步变化,逐渐形成了今天地球大气圈所具有的成分。最初 海洋中也没有这么多盐分,由于河流的搬运作用,把地面上的可溶性盐类带 入了海洋,通过年长日久的贮积,使海水中含盐量越来越多,达到了目前的 水平。地壳也是一直不断地运动着。近代的地质观测表明,地壳是由“漂浮
地球内部的三个圈层位于不同深度，具有不同物理性质。地球内部的密 度、压力和温度都随着深度的增大而增加（表 1－1）。 表 1 — 1 地球内部各圈层物理状态 圈层 深度(km) 密度(g/cm3 ) 压力(MPa) 温度(℃) 地壳 33 2.7 ～ 2.9 900 15 ～ 1000 地幔 2900 3.32 ～ 5.66 136800 1500 ～ 2000 地核 6371 9.71 ～ 16(?) 约 360000 大于 2000 地核处于地球中心部（即深度超过 2900km 的地层），压力达 30 多万 MPa， 温度可达 2000℃以上。它的主要成分中可能有铁和镍，所以有非常大的密 度。地幔是紧紧包在地核外面的一圈，因为它夹于地壳和地核之间，也称中 间层。地幔厚度大约有 2900km，其密度和整个地球的平均密度比较接近。在 上下地幔层之间有一个软流层，在这里集中着大量放射性物质，所产生的蜕 变热使地层呈局部熔融状态，被认为是岩浆的发源地。地壳是地球最外面的 一层，其厚度各处不一，最薄的只有 5～6km，最厚的地方有 70～80km，平均 是 33km。由地壳和地幔顶部坚硬岩石组成了厚度约 70～100km 的岩石圈。此 外，在地球上还分异出了水圈和大气圈。水圈包括地球上的海洋、江河、湖 泊、冰川等，按其体积大约占整个地球的千分之一。包围在地球最外面的一 层气体就是大气圈，厚度从地面到高空 1000～3000km。大气圈越离开地面越 稀薄，100km 高空的大气密度约是地面的百万分之一。地球上有了水和空气， 给生物的发生和发展提供了条件，于是在地球上又形成了生物圈。整个人类 的社会活动几乎都是在地球表面的生物圈内进行的。 地球各圈层形成之后，也并不是彼此孤立、静止不变的，而是相互制约、 相互渗透、相互影响，不断发展和变化的。原始大气中主要成分可能是 H 和 He，通过聚变反应部分转化为重元素 C、N、O，再通过化学反应生成 CH4、NH3 和 H 2 O 等。此后发生的各种演化过程（特别是长时期的光合作用），使大气 圈成分发生了进一步变化，逐渐形成了今天地球大气圈所具有的成分。最初 海洋中也没有这么多盐分，由于河流的搬运作用，把地面上的可溶性盐类带 入了海洋，通过年长日久的贮积，使海水中含盐量越来越多，达到了目前的 水平。地壳也是一直不断地运动着。近代的地质观测表明，地壳是由“漂浮
在地幔之上的一些板块组成的。这些板块的互相推碰或互相靠拢以至于剧烈 碰撞,是一切地壳运动现象的根源。例如,古大陆的分裂,迄今所发生的大 陆漂移以及当前发生的火山爆发和地震活动等,全都由这些板块的运动所引 起。地壳上连绵不断的山脉和纵横交错的河流也都是地壳运动的产物,它们 都各有其发生和发展的历史。 生物圈也是在长时期内渐次演变的,而且与地球表面上的环境变化息息 相关。通常人们将整个地质历史划分为五个代和十余个纪,如表1-2所示 最原始的生物发生在太古代晚期,在此后的漫长时期中,生物不断地由低级 向高级发展。在距今约7000万年的新生代,哺乳动物、鸟类和被子植物开始 繁衍昌盛,只是在新生代最晚一个阶段,即第四纪出现了人类,因此人类不 过有大约100万年的历史。 表1-2地质年代表 纪 距今年龄 生物发展阶段 大气演化 (百万年) 动物界 植物界 新生代Kz 新第三纪N 哺乳动物被子植物时代 时代 白垩纪K 爬行动物 裸子植物 富 中生代Mz 时代 时代 二迭纪P 两栖动物 时代 陆生孢子 氧 古生代 植物时代 志留纪S 440 海生无脊椎 奧陶纪0 动物时代 海生藻类 震旦纪乙 l000? 动物孕育、 时代 含氧,开始出 元古代Pt 1800 萌芽、发展 现臭氧 的初级阶段 太古代Ar 等原始生物产生 地球的初期发展阶段 6000? 无氧 以上所述的地球的产生和演化过程告诉我们,整个地球有一部漫长的历 史,生物的出现和进化只是其中的一小段,而人类的历史更是短暂的“一瞬”。 地球各圈层的质量和各圈层的化学元素组成分别如表1-3和表1-4所 示。从表列数据可见,元素氧是各圈层中最普遍存在的元素
在地幔之上的一些板块组成的。这些板块的互相推碰或互相靠拢以至于剧烈 碰撞，是一切地壳运动现象的根源。例如，古大陆的分裂，迄今所发生的大 陆漂移以及当前发生的火山爆发和地震活动等，全都由这些板块的运动所引 起。地壳上连绵不断的山脉和纵横交错的河流也都是地壳运动的产物，它们 都各有其发生和发展的历史。 生物圈也是在长时期内渐次演变的，而且与地球表面上的环境变化息息 相关。通常人们将整个地质历史划分为五个代和十余个纪，如表 1-2 所示， 最原始的生物发生在太古代晚期，在此后的漫长时期中，生物不断地由低级 向高级发展。在距今约 7000 万年的新生代，哺乳动物、鸟类和被子植物开始 繁衍昌盛，只是在新生代最晚一个阶段，即第四纪出现了人类，因此人类不 过有大约 100 万年的历史。 表 1 — 2 地质年代表 代 纪 距今年龄 生物发展阶段 （百万年） 动物界 植物界 大气演化 第四纪 Q 1 人类时代 新生代 新第三纪 N 25 Kz 老第三纪 E 70 哺乳动物 时代 被子植物时代 白垩纪 K 135 中生代 侏罗纪 J 180 Mz 三迭纪 T 225 爬行动物 时代 裸子植物 时代 二迭纪 P 270 石炭纪 C 350 两栖动物 时代 泥盆纪 D 400 鱼类时代 志留纪 S 440 陆生孢子 植物时代 奥陶纪 O 500 古生代 Pz 寒武纪∈ 600 海生无脊椎 动物时代 富 氧 震旦纪 Z 1000 ？ 元古代 Pt 1800 动物孕育、 萌芽、发展 的初级阶段 海生藻类 时代 含氧，开始出 现臭氧 太古代 Ar 4600 最低等原始生物产生 少氧 地球的初期发展阶段 6000 ？ 无氧 以上所述的地球的产生和演化过程告诉我们，整个地球有一部漫长的历 史，生物的出现和进化只是其中的一小段，而人类的历史更是短暂的“一瞬”。 地球各圈层的质量和各圈层的化学元素组成分别如表 1-3 和表 1-4 所 示。从表列数据可见，元素氧是各圈层中最普遍存在的元素
表1—3地球各圈层的质量 圈名 佔计质量(0。圈名佔计质量(0 两极冰帽、冰山、冰河 对流层的质量(至11km处) 40 海洋 13480 总质量 4.岩石圈 2.土壤圈 沉积物 3000 水圈 沉积岩 流和湖泊 变成岩 8 l89300 注:①地下水也可归入岩石圈 表1-4地球及各圈层中元素的质量百分组成 (按元素丰度次序排列) 地壳 海洋 大气(不含水汽) 生物圈 Fe 350 46.6 75.5 029si27.7|H 8.1 3 1.05|C9.3×10 s2.9ca3.6Mg0.13|N Ni 2.4 Na 2 0.45×10 72×10 NcKsP A11.8 2.1 0.039 40×10 0.57Br 0.007 P0.2H0.22C 0.003|S 70×10
表 1 — 3 地球各圈层的质量 圈名 估计质量(1020g) 圈名 估计质量(1020g) 1.大气圈 两极冰帽、冰山、冰河 278 对流层的质量(至 11km 处) 40 海洋 13480 总质量 52 4.岩石圈 2.土壤圈 16 沉积物 3000 3.水圈 沉积岩 29000 河流和湖泊 2 变成岩 76200 地下水① 81 火成岩 189300 注：①地下水也可归入岩石圈 表 1 — 4 地球及各圈层中元素的质量百分组成 （按元素丰度次序排列） 地球 地壳 海洋 大气（不含水汽） 生物圈 Fe 35 O 46.6 O 85.8 N 75.5 O 53 O 29 Si 27.7 H 11 O 23.2 C 39 Si 14 Al 8.1 Cl 1.94 Ar 1.3 H 6.6 Mg 14 Fe 5.0 Na 1.05 C 9.3 × 10-3 N 0.5 S 2.9 Ca 3.6 Mg 0.13 Ne 1.3 × 10-3 Ca 0.4 Ni 2.4 Na 2.8 S 0.09 Kr 0.45 × 10-3 K 0.2 Ca 2.1 K 2.6 Ca 0.041 He 72 × 10-6 Si 0.1 Al 1.8 Mg 2.1 K 0.039 Xe 40 × 10-6 P 0.1 Na 0.3 Ti 0.57 Br 0.007 H 23 × 10-6 Mg 0.1 P 0.2 H 0.22 C 0.003 S 70 × 10-9 S 0.07
1.2有关环境的一些基本概念 1)环境和人类生存环境 对某一生物主体而言,环境原是与遗传相对的名称,指的是那些影响该 主体生存、发展和演化的外来原因和后天性的因素。在此,我们将围绕着某 有生命主体的外部世界称之为环境。例如相对于人这一主体而言的外部世 界,就是人类的生存环境。广而言之,人类生存环境指的是围绕着人群的 充满各种有生命和无生命物质的空间,是人类赖以生存,直接或间接影响人 类生产、生活和发展的各种外界事物和力量的总和。也可以说,人类的生存 环境包容了人类以外的自然界中的一切事物。由此看来,它是一个有序的、 广度可及至宇宙的无比巨大的系统。对于如此巨大的系统,人们是无从下手 研究的。目前环境科学所研究的环境范围主要包括自然环境,特别是其中的 生物圈部分(人类的社会环境不在其内)。因为这是人类活动的最基本范围 人和环境间的交互作用也主要发生在这一范围之内。 2)自然环境 指的是人类生存环境中的自然条件部分。概括地讲,它指的是客观物质 世界中和人类、人类社会发生相互影响的各种自然因素的总和。其中主要因 素(环境要素)有水、大气、阳光、岩石、土壤、生物等。 3)生物圈 可定义为地球上所有生物体的总和,也可定义为由生活在大气圈、水圈、 岩石圈和土壤层(岩石圈的附属层)界面上的生物所构成的一个有生命的圈 层。应用后一定义便于显现出生物体与其周围非生物环境之间的相互作用。 自从生命在地球上诞生之后,生物就在这个圈层上生存、发展和演化。生物 圈也正是生物活动的最大环境。根据生物分布幅度,生物圈上界可达海平面 以上10km,下界达海平面以下12km。也就是说,在地球表面包裹了2km厚 的一层生物圈。在这个广阔的自然界里,最活跃的是生物。 生活在生物圈某区域范围内某生物物种的所有个体总和被称为种群。在 此范围内所有种群之和被称为群落。对某一确定种群来说,只能生活在变动 幅度不大的环境条件下,但不同种群的生物可能在相差悬殊的环境条件下各 自生活。例如极地动物和嗜热细菌间虽然有着共通的遗传密码和相似的蛋白 质结构,但前者生活在0C以下的陆地,而后者却能在80C的热泉水中生长、 繁殖。表1-5列举了对全体生物而言的生存环境的条件限度。一般说来,只 有微生物类才能在极端环境条件下生存。 表1—5地球生物的生存条件 温度 I8℃(细菌类) 04℃(反硫化细菌,10km深水下) 电极电位Eh一450mv(pH9.5)(反硫化细菌) +850mV(pH3)(铁细菌) 0(硫细菌等) 13?(织线藻属,念珠藻属) 水压 重蒸馏水(异养细菌) 饱和食盐水(好盐细菌等 在考虑一个实际的环境系统时,自然环境和生物圈还是一个过于巨大的
1.2 有关环境的一些基本概念 1）环境和人类生存环境 对某一生物主体而言，环境原是与遗传相对的名称，指的是那些影响该 主体生存、发展和演化的外来原因和后天性的因素。在此，我们将围绕着某 一有生命主体的外部世界称之为环境。例如相对于人这一主体而言的外部世 界，就是人类的生存环境。广而言之，人类生存环境指的是围绕着人群的， 充满各种有生命和无生命物质的空间，是人类赖以生存，直接或间接影响人 类生产、生活和发展的各种外界事物和力量的总和。也可以说，人类的生存 环境包容了人类以外的自然界中的一切事物。由此看来，它是一个有序的、 广度可及至宇宙的无比巨大的系统。对于如此巨大的系统，人们是无从下手 研究的。目前环境科学所研究的环境范围主要包括自然环境，特别是其中的 生物圈部分（人类的社会环境不在其内）。因为这是人类活动的最基本范围， 人和环境间的交互作用也主要发生在这一范围之内。 2）自然环境 指的是人类生存环境中的自然条件部分。概括地讲，它指的是客观物质 世界中和人类、人类社会发生相互影响的各种自然因素的总和。其中主要因 素（环境要素）有水、大气、阳光、岩石、土壤、生物等。 3）生物圈 可定义为地球上所有生物体的总和，也可定义为由生活在大气圈、水圈、 岩石圈和土壤层（岩石圈的附属层）界面上的生物所构成的一个有生命的圈 层。应用后一定义便于显现出生物体与其周围非生物环境之间的相互作用。 自从生命在地球上诞生之后，生物就在这个圈层上生存、发展和演化。生物 圈也正是生物活动的最大环境。根据生物分布幅度，生物圈上界可达海平面 以上 10km，下界达海平面以下 12km。也就是说，在地球表面包裹了 22km 厚 的一层生物圈。在这个广阔的自然界里，最活跃的是生物。 生活在生物圈某区域范围内某生物物种的所有个体总和被称为种群。在 此范围内所有种群之和被称为群落。对某一确定种群来说，只能生活在变动 幅度不大的环境条件下，但不同种群的生物可能在相差悬殊的环境条件下各 自生活。例如极地动物和嗜热细菌间虽然有着共通的遗传密码和相似的蛋白 质结构，但前者生活在 0℃以下的陆地，而后者却能在 80℃的热泉水中生长、 繁殖。表 1-5 列举了对全体生物而言的生存环境的条件限度。一般说来，只 有微生物类才能在极端环境条件下生存。 表 1 — 5 地球生物的生存条件 条件 下限 上限 温度 — 18 ℃(细菌类) 104 ℃(反硫化细菌， 10km 深水下) 电极电位 Eh — 450mV(pH9.5)(反硫化细菌) +850mV(pH3)(铁细菌) pH 0(硫细菌等) 13 ？(织线藻属，念珠藻属) 水压 ～ 0 140MPa(深海细菌) 盐度 重蒸馏水(异养细菌) 饱和食盐水(好盐细菌等) 在考虑一个实际的环境系统时，自然环境和生物圈还是一个过于巨大的
系统。比这更小的环境系统依次是区域环境、生境、小环境、微环境和內环 境 4)区域环境 指的是某生物群落所处的生存环境。组成生物圈的各圈层是不均匀的, 在物质的组成和分布方面有着很大差异,形成了彼此可相区别的各种各样区 域,即为区域环境。例如:湖、河、江海、沙漠、山地、平原以及热带、亚 热带、温带和寒带等,都有各自突出的自然环境景观。不同区域环境中生存 着与环境相适应的动物、植物和微生物。 5)生境 指的是生物群落中某一种群所处的生存环境。种群能有效地利用周围能 源而得以良好生长和发育的环境就是生境。如盐沼是网茅的生境,干旱的石 灰岩山坡是毛枝栎的生境,北方森林和苔原是驯鹿的生境等。 6)小环境和微环境 指的是生物个体所占据生境的一个特定范围。例如:居室是人们生活的 小环境;根系表面的土壤环境,即为根系环境;叶片表面附近的大气环境及 随温度、湿度变化所形成的小气候或微气候,就是植物的小环境。微生物形 体微小,其所处生境被称为微环境。 7)内环境 指的是生物体内的环境,例如植物的细胞空腔、气孔、气室都是植物的 内环境。生物体内光能的转化、光合作用的发生、呼吸作用的过程等生理功 能活动,无一不在内环境中进行。维持内环境的正常平衡就能促进生命的发 展;相反,内环境的平衡失调,将导致生物死亡。 8)人工环境 与上述具有多个层次的自然环境相对应的是人工环境。包括人工栽培的 植物,引种驯化的动物,农作物、人工经营管理的森林、草地、绿化园林甚 至自然保护区内的一些控制和防治等措施都是人工环境。此外,如人为形成 的污染环境、资源被开发后所形成的环境等,也都是在人为影响下所形成的 人工环境。 9)生态学 如前所述,以人作为主体的自然环境可分出多个环境层次。在各个层次 中又生活着各种各样的生物群落和种群,它们也“生老病死”于环境之中, 与环境间发生各式各样的关系。1868年德国人赫克尔首先把“研究有机生物 体与环境相互关系的一门科学”命名为生态学。也有人提出,生态学可与环 境生物学同义。如是,生态学的藴义就显得浅近和容易理解了。生态学和环 境学虽是两门不同学科,但两者有着非常密切的联系 为了便于研究,常将环境作为“系统”考虑。在此我们将系统定义为: 由相互间存在着依赖和作用关系的许多组分所组成的完整实体。以一个水池 为例,试静态地观察其中以一定时间和空间相组合的各种生态组分(生命的 和非生命的),则我们所能见到的就是一个生态环境。如果要研究这个生态 环境中各组分在结构和功能间的关系,那么我们所面临的就是一个动态的生 态系统。生态系统具有一般系统的下列通性:①它由物质组成,且具有一定 的结构;②是实际环境在一定程度上一般化、抽象化和理想化了的形式;③ 它是活动的。所谓活动,指的是其中所包含的物质是流动的或不断迁移的; ④正因为系统是活动的,在其各组分间会发生功能性的或结构性的相互影
系统。比这更小的环境系统依次是区域环境、生境、小环境、微环境和内环 境。 4）区域环境 指的是某生物群落所处的生存环境。组成生物圈的各圈层是不均匀的， 在物质的组成和分布方面有着很大差异，形成了彼此可相区别的各种各样区 域，即为区域环境。例如：湖、河、江海、沙漠、山地、平原以及热带、亚 热带、温带和寒带等，都有各自突出的自然环境景观。不同区域环境中生存 着与环境相适应的动物、植物和微生物。 5）生境 指的是生物群落中某一种群所处的生存环境。种群能有效地利用周围能 源而得以良好生长和发育的环境就是生境。如盐沼是网茅的生境，干旱的石 灰岩山坡是毛枝栎的生境，北方森林和苔原是驯鹿的生境等。 6）小环境和微环境 指的是生物个体所占据生境的一个特定范围。例如：居室是人们生活的 小环境；根系表面的土壤环境，即为根系环境；叶片表面附近的大气环境及 随温度、湿度变化所形成的小气候或微气候，就是植物的小环境。微生物形 体微小，其所处生境被称为微环境。 7）内环境 指的是生物体内的环境，例如植物的细胞空腔、气孔、气室都是植物的 内环境。生物体内光能的转化、光合作用的发生、呼吸作用的过程等生理功 能活动，无一不在内环境中进行。维持内环境的正常平衡就能促进生命的发 展；相反，内环境的平衡失调，将导致生物死亡。 8）人工环境 与上述具有多个层次的自然环境相对应的是人工环境。包括人工栽培的 植物，引种驯化的动物，农作物、人工经营管理的森林、草地、绿化园林甚 至自然保护区内的一些控制和防治等措施都是人工环境。此外，如人为形成 的污染环境、资源被开发后所形成的环境等，也都是在人为影响下所形成的 人工环境。 9）生态学 如前所述，以人作为主体的自然环境可分出多个环境层次。在各个层次 中又生活着各种各样的生物群落和种群，它们也“生老病死”于环境之中， 与环境间发生各式各样的关系。1868 年德国人赫克尔首先把“研究有机生物 体与环境相互关系的一门科学”命名为生态学。也有人提出，生态学可与环 境生物学同义。如是，生态学的蕴义就显得浅近和容易理解了。生态学和环 境学虽是两门不同学科，但两者有着非常密切的联系。 为了便于研究，常将环境作为“系统”考虑。在此我们将系统定义为： 由相互间存在着依赖和作用关系的许多组分所组成的完整实体。以一个水池 为例，试静态地观察其中以一定时间和空间相组合的各种生态组分（生命的 和非生命的），则我们所能见到的就是一个生态环境。如果要研究这个生态 环境中各组分在结构和功能间的关系，那么我们所面临的就是一个动态的生 态系统。生态系统具有一般系统的下列通性：①它由物质组成，且具有一定 的结构；②是实际环境在一定程度上一般化、抽象化和理想化了的形式；③ 它是活动的。所谓活动，指的是其中所包含的物质是流动的或不断迁移的； ④正因为系统是活动的，在其各组分间会发生功能性的或结构性的相互影