环境地学

    随着人类社会的发展，人类活动对自然环境的破坏影响越来越强烈，
保护环境已成为当今人类的统一认识和重要研究课题。于是环境科学应
运而生，并且其他许多学科都开始与环境科学相互渗透，既带来了环境
科学的大发展，同时也形成了一些新的交叉学科。环境地学便是地球科
学与环境科学相互渗透形成的交叉学科。
  环境地学是以地表系统为主要研究对象，以全球性及区域性环境变
化为主要研究领域的学科，着重研究人类活动与地球环境间的相互作用
和影响，环境的发展、演化与预测，环境污染物的发生、分布、迁移和
自净规律，以及自然资源的合理开发利用等。环境地学无论是对环境类
专业还是对地球科学专业，都具有十分重要的作用。
  我们在多年的教学工作中，感觉到环境类专业的学生对地球科学的
基本知识了解不多，重视不够，更缺少相应的基本训练，这对深刻理解
环境科学的根本目的，在更广泛的领域中探索人与环境的关系等都是不
利的。对于非环境专业的学生，他们又对环境科学的基本内容不了解，
不利于提高全民的环境意识和素质。为适应环境教育的需要，我们编写
了本书。本书的编写除满足高职高专环境类专业学生的层次和专业需要
外，也尽量考虑能为非环境专业所用。
  本书在编写内容和结构上，从人类与地球环境的关系开始，介绍了
与环境地学有关的基本概念和研究内容(**章)；然后在介绍地球环境
 基本知识(第二章)的基础上，以地球的圈层结构为线，对地球不同圈
层的环境特征及其受人类活动的影响、反馈等分别进行了阐述(第三章
至第七章)，并对原生地球化学环境异常引起的地方病以及人为环境污染
引发的健康效应给予必要介绍(第八章)；考虑到城市在现代世界经济活
动中的重要地位以及城市发展同自然环境间的相互关系，简要介绍了城
市环境地质的基本内容(第九章)；*后介绍了环境地学的研究方法(第
十章)和基本的实习、实训内容(第十一章)。本书所介绍的内容有不少
属于地质学所关注的领域，但强调的是人类活动与自然环境的相互影响
和程度。
    全书共十一章，由廉有轩担任主编，负责整书的构思和统稿，胡忠
任副主编。各章节编者分别为：**章、第二章，廉有轩；第三章，张
青；第四章，周国强；第五章、第七章，胡忠；第六章，杨冰、廉有轩；
第八章，刘玉瑞、吴烨；第九章、第十章，吴烨；第十一章，刘玉瑞。
    本书的编写得到了教育部高等学校高职高专环保与气象专业教学指
导委员会的关心与支持，得到了各位编者单位领导和同事的关心与支持；
南京师范大学地理科学学院黄家柱老师对本书进行了认真审阅，提出了
许多宝贵的修改意见。在此表示由衷的感谢。另外，本书编著引用并参
考了许多专家学者的文献资料，这些虽在书后列出，或许还有遗漏，在
此特向各位专家说明，并谨此一并致以深深的谢意。
    因编者水平所限，书中难免错漏，恳请专家、读者批评指正。

生物圈及生物环境
  [知识目标]
  本章要求熟悉生物圈的结构和生态系统的结构；理解生物圈结构和功能的整体
性、生物圈与其他圈层的相互作用、人与生物圈的关系、生态平衡；掌握生态系统
的三大基本功能、物种多样性保护的主要途径；了解生物圈的形成与演化、生态系
统类型。
  一、生物圈的形成与演化
  地球生物圈的形成经历了从无到有、从简单到复杂的一系列演化过程，可分为
若干个阶段。
  (一)生命的起源
  生命的起源是地球演化过程中的一个重要事件。由地球上的非生命物质发展起
来的生命，其发展大体可分为三个主要阶段。
    1．从无机物到简单有机物阶段
    对生物有机体的分析表明，组成生命物质的元素主要是碳、氢、氧、氮、硫、
磷等，其中碳是构成一切有机物的基本元素：氮与氢、氢与氧也能化合，分别形成
氨和水等简单的物质。这些对于生命形成具有重要作用的元素广泛存在于自然界
中，例如，碳、氢等元素不仅存在于地球上，而且广布在宇宙中。它们不仅以原子
状态存在，还存在于各种化合物中，如碳氢化合物(如甲烷)、碳氮化合物(如氰)、
分子状态的碳(双碳)等，在一些没有任何生命痕迹的陨石上，也成功地分离出*
简单的含氧和硫的碳氢化合物，甚至含有氨基酸。显然这些有机物都是通过非生命
的途径，即物理化学的途径形成的。
    根据有关地球内部的科学资料推测，在地壳形成初始，地球内部深处的碳化物
(碳和金属的化合物)喷到地球表面以后，与当时基本上由过热水汽所组成的地球
大气发生相互作用，形成了各种碳氢化合物，以后，它们在水中和大气里进一步与
 水分子结合，再跟空气中的氨分子化合，就产生了一些较为复杂的物质，如乙醛等。
由此可设想，地球早期的有机物是通过物理化学过程形成的。
    在地球形成的初期，这些原始物质的出现，是化学演变过程中的一次重要质变，
为生命的产生做了必要的物质准备。
    2．从简单有机物到复杂有机物阶段
    这一阶段发生在地球形成以后、生命出现以前的十几亿年。在这一阶段里，简
单的碳氢化合物借助于当时地球上的各种能源，如紫外线、闪电、宇宙射线、局部
地热等，与地球原始大气(水蒸气、氢、氨、二氧化碳等物质)发生作用形成复杂
的有机物。
    开始形成的是一些低分子的有机物，如氨基酸、嘌呤、吡啶、脂肪酸、糖、卟
啉、核苷酸等。化学演化过程中的这一步骤已由许多模拟实验所证实。嘌呤、吡啶、
糖等低分子有机物产生后便合成了核苷酸。核苷酸是组成核酸的单位，有了核苷酸
就为产生核酸提供了物质基础。
    又经过许多万年的发展，氨基酸与核苷酸便分别形成高分子有机化合物—蛋
白质和核酸。它们的出现标志着化学演化过程中又一次重大的质变。由于在这个转
化过程中，温度、压力、光照等条件是很重要的，特别是水的参与，是低分子有机
物向高分子有机物转化的必要条件。因此，有人认为这一转化过程应当发生在原始
海洋里，另一些人则主张发生在海底或岸边的黏土粒子上。
    3．从高分子有机物到具有新陈代谢机能的蛋白体阶段
    蛋白质是活质的*重要组成部分，是活质的构造和机能的基础，而核酸是主要
的遗传物质，有了它们，也就具备了生命起源的基本条件。在原始的水域里，高分
子有机物发生凝聚作用，形成以蛋白质和核酸为基础的多分子体系。这种多分子体
系可能像一种胶质小球，漂浮在原始水域中，被称为团聚体或微球体。它同周围的
水溶液之间，有明显的界面，形成相对独立于环境的体系。这种体系从周围环境中
吸收物质作为养料，扩充并改造自己；同时也将一些废物排出体系外。*后，一部
分多分子体系终于产生出生命的基本特征——新陈代谢。由此实现了地球上的非生
命体向生命体的转化，化学过程向生命过程的转化。原始生命体诞生了。
    原始生命体产生之后，生命演化由化学演化阶段进入生物进化阶段。生物圈也
从此形成。
    (二)生物圈的演化
    生物圈形成后经历了漫长而复杂的演化过程，概括起来其演化具有两个方面的
特征。
    1．生物种类由少到多与生物圈结构由简单到复杂
    当代进化论认为，*初的原始生命体没有细胞结构，经过长期演化，在结构和
 功能两方面进一步复杂化、完善化，才形成了有完备生命特征的细胞。但开始仍然
没有出现明显的细胞核，称为原核生物，它们中的一部分进一步演化产生了有细胞
核的真核生物(即原生生物)。以后随着地理环境不断发展变化，原始生物的环境
适应，以及生物间的生存竞争，原始单细胞生物在细胞的形态构造上发生进一步分
化，带来营养生活方式上的分化。其中一部分原始单细胞生物向以消耗现成有机物
来生活的动物界分化；另一部分原始单细胞生物逐渐形成了自己能够制造有机养料
的能力，而向植物界发展。
    原生生物、后生动物、后生植物的出现，使得生物种类更加丰富多样，生物圈
的结构也随之变得复杂起来。*初的生物圈仅仅由原核生物组成；原生生物出现以
后，生物圈由原核生物和原生生物组成；今天的生物圈，除了原核生物和原生生物
以外，还有后生动物与后生植物。
    2．生物分布的空间范围由小到大与从海洋向陆地扩展
    地球上的生命起源于海洋，发展演化也始于海洋中。太古宙后期出现细菌。元
古宙后期，在海底已有大量低等藻类繁殖，同时出现单细胞动物。到古生代初期(寒
武纪)，浅海广布，藻类繁盛，海生无脊椎动物得到了很大的发展。直到古生代早
期，生物仍然局限在海洋中，陆地上没有生物。
    但到古生代中期，生物开始向陆地扩展。志留纪、泥盆纪，鱼类出现并兴盛一
时，植物**次登上了陆地，从此大地开始披上了绿装。古生代后期(石炭纪、二
叠纪)，气候温湿，蕨类植物繁盛，裸子植物兴起，陆地上出现了大片森林，两栖
类占着优势，爬行类动物兴盛。中生代气候炎热，松柏类、苏铁、银杏等裸子植物
生长繁茂，形成高大森林；后期被子植物出现，爬行动物繁盛，恐龙称霸于世，原
始哺乳类出现并繁盛起来。进入新生代(距今6 500万年)，气候开始变冷，进化
程度比较高级的哺乳类、鸟类和被子植物获得很大发展，其后灵长类出现。在新生
代晚期，即第四纪时，人类出现，开始了人类发展的时代。
  二、生物圈的组成与结构
  生物圈由活着的有机体和与这些有机体相互作用的环境构成。它与地球其他圈
层相互作用、相互联系，就其分布范围而言，它占有大气圈的底部、水圈、岩石圈
的上部，厚度约为20 km。实际上生物的大部分个体集中在地表上下约100 m的范
围内。对生物圈系统结构和功能的认识不仅是科学求“真”的需要，而且是人类合
理利用和改造生物圈的基础。