地球化学第3讲 课件.ppt

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1、环境地球化学 第1页,第2章：地球环境,本章主要内容：地球圈层构造地球的大气环境地球的水环境地球的生态环境（生态系统）地球各圈层与人类的关系,环境地球化学 第2页,第1节：地球环境概述,一、地球环境及其组成自然环境包括人类赖以生存的环境要素，例如空气、阳光、水、土壤、矿物、岩石和生物等，以及由这些要素构成的各圈层，如大气圈、水圈、土壤圈、生物圈和岩石圈。这些要素和圈层构成了人类的生存环境和地理环境。二、地球环境的独特性地球环境丰富多样，适合生物的生存和繁衍：地球上存在着大气、陆地和海洋；距地面1540km处有一个臭氧层，保护着地球不受高能紫外线的侵袭；大气中含有一定数量的CO2，使地表保持适中

2、的温度，有利于生物的生长,地表上覆盖着一层或厚或薄的土壤，为植物提供营养和生长的基地。地球的独特性在于它是一个靠生命来捕获、转移和储存太阳辐射能，靠生命活动来驱动地球表层的物质元素循环，靠生命过程来调控并保持其远离天体物理学平衡的开放系统。,环境地球化学 第3页,第1节：地球环境概述,三、地球（生物）圈层演化及其作用：约46亿年的时候：地球是一个炙热的大火球，还没有圈层的分化。地球外面包围着原始大气，主要由H2、CH4、NH3和水蒸气等组成，是一个还原性的大气圈。38亿年左右：在某种机制的作用下，地球上出现了水。水分的蒸发和降雨，降低了地表的温度产生了河流、湖泊和海洋，为地球生命的出现创造了最

3、基本的条件。水的出现是地球发育史的第一个重大事件。20亿年前后：地球上出现了较为进化的细菌和蓝藻等生物。从此，开始了一种新的生命过程光合作用，大气圈中首次出现O2。生命的出现是地球史上第二个重大事件。,环境地球化学 第4页,第1节：地球环境概述,距今16亿年左右：一个含氧的大气圈终于形成。性质极其活泼的O2对大气圈进行了一场“氧革命”，导致还原性的原始大气逐渐向含有C02、H20和O3的氧化性大气转化。这一过程不仅进一步改变了大气圈的组成，而且03在高空的积累逐渐形成了保护地球的臭氧层，为更高等的海洋生物进化和生命登陆创造了条件。16亿年后，生物进化过程加速。12亿年前出现最早的真核细胞。5亿

4、年前出现海洋无脊椎动物，4.5亿年以前，顶囊蕨植物开始登录，在2亿年前出现哺乳类动物。今天，大约有500万至5000万种生物组成了五彩摈纷的生物界，构成了包括人类在内的生物圈。地球各圈层发育过程中生物的作用起有重要作用。,环境地球化学 第5页,第2节：大气圈,一、大气圈的组成与结构.组成大气是由干洁大气、水汽及气溶胶质粒子三部分组成的。1.干洁空气 大气中除去水汽和杂质的空气称为干洁空气。其组成成分最主要的是氮、氧、氩三种气体，。还有少量的二氧化碳、臭氧、各种氮氧化合物及其他一些惰性气体(见后表)。2.水汽大气中的水汽来源于海洋、湖泊、江河、沼泽、潮湿地面及植物表面的蒸发或蒸腾作用。3.固体杂

5、质（气溶胶粒子）固体杂质（或大气气溶胶粒子）是指悬浮于空气中的液体和固体粒子，包括水滴、冰晶、悬浮着的固体灰尘微粒、烟粒、微生物、植物的抱子花粉以及各种凝结核和带电离子等。4.大气污染物 人类活动所产生的某些有害颗粒物和废气，可分为两类：一类是有害气体，如SO2、CO、CH4、N2O、H2S、HF等；另一类是灰尘烟雾，如煤烟、煤尘、水泥、金属粉尘等。,环境地球化学 第6页,第2节：大气圈,大 气 的 组 成,环境地球化学 第7页,第2节：大气圈,、大气圈的结构按大气温度随高度分布的特征可把大气分为对流层、平流层、中间层、热层和外层(见图)。1)对流层 Troposphere：大气圈的最下一层，

6、平均厚度在高纬度地区为89km，中纬度地区为10.12km，低纬度地区为1718km。2)平流层 Stratosphere：从对流层顶以上到大约50Km左右高度为平流层。3)中间层 Mesosphere：平流层顶以上到大约80km的一层为中间层。4)热层(或暖层)Thermosphere：中间层顶以上到800km高空属于暖层，温度可达1000度。5)外层（或逸散层）Esosphere：热层以上的大气层，即690km高度以上的大气层属散逸层。,环境地球化学 第8页,第2节：大气圈,环境地球化学 第9页,第2节：大气圈,二、地球大气平衡对生命的影响组成地球大气的多种成分可分为稳定组分和不稳定组分。

7、氮、氧、氩、氦、氪、甲烷、氢、氖等，这些气体之间的比例，从地表到90km的高度范围内都是稳定的，属稳定组分；不稳定组分包括二氧化碳、二氧化硫、臭氧和水汽等。不稳定组分CO2、O3等浓度的变化对生物圈会造成极大影响。作为大气微量组分的C02和03等气体浓度已经发生实质性变化则是不争的事实，目前还没有观测到大气氧浓度的这种戏剧性变化。大气圈各组分之间的平衡是地球环境亿万年来发育的结果。保持这种平衡乃是维护生物圈所必须的，破坏这种平衡就是破坏生命的基础。然而，人类社会实现工业化以来，规模和强度日益加大的人类活动正在破坏这种平衡，这是人类面临的重大环境问题之一。,环境地球化学 第10页,第3节：水圈,

8、一、水圈的组成水的分布地球水体的总质量为1.51018t，体积约1.41018m3：，其中，海洋水约占97.212，大陆表面水约占2.167，地下水为0.619，大气水占0.001(见表）。从表中可以看出，地球上水体的分布是极不均匀的，能被人类饮用的淡水只占所有水体的一小部分，而且大部分又为固结在两极及高山地区的固态水。,环境地球化学 第11页,水圈,环境地球化学 第12页,第3节：水圈,地球上水的分布,环境地球化学 第13页,第3节：水圈,水的类型按天然水所处的环境不同可分为：海水、大气水和陆地水3类。1海水(sea water)海洋是地球表面最大的积水盆地，是水圈的主体。海水的温度常随纬度

9、和水深的变化而变化，低纬度地区的海水温度较高；深部的海水温度较稳定，常在(-14)之间，但表层的海水温度变化较大。海水的密度取决于海水的盐度和温度，0时，正常盐度(35)的海水密度为1.02gcm3，密度随盐度的增加而增加但随温度的增高而降低。通常深部海水的密度较大，而浅处较小；近岸边的较大，而海洋中心的较小。海水的压力每加深10m约增加105Pa。海水的透明度是指海水透过光线的能力，一般近岸带的海水透明度低，而远岸的海水透明度高。,环境地球化学 第14页,第3节：水圈,2.陆地水陆地水主要包括地面流水、地下水、湖泊与沼泽及冰川。(1)地面流水 地面流水是指沿陆地表面流动的水体，其水源主要有大

10、气降水、冰雪融水、地下水和湖泊。(2)地下水地下水是埋藏在地表以下岩石和松散堆积物空隙中的水体。水源主要来自地面流水和大气降水，通过岩石或松散堆积物的空隙下渗而保存在地表以下。常见的泉、水井就是地下水在地表的露头。,环境地球化学 第15页,第3节：水圈,(3)湖泊与沼泽湖泊是陆地上较大的集水洼地，全世界湖泊的总面积约27105km2，占陆地面积的1.8。沼泽是陆地上潮湿积水、喜湿性植物大量生长并有泥炭堆积的地方。沼泽主要分布在湿润气候区，不论热带、温带和寒带都可产生。(4)冰川冰川是指由积雪形成的、并能运动的冰体。它是陆地上以固体形式存在的水。现在陆地上的冰川主要分布于地球两极及高山地区，覆盖

11、陆地面积的10，集中了全球85的淡水。,环境地球化学 第16页,第3节：水圈,3大气水大气水是指存在于大气圈中的水，它以汽态的形式存在。据估算，大气中水的总量约为1.31013m3：，而绝大多数分布于大气圈的对流层中。我们通常用湿度表示大气中的水含量。大气水对地球的温度能起到“温室效应”，使地球的表面温度保持恒定。水汽与CO2一样，能吸收大量来自地面的长波热辐射。把太阳辐射的能量截留住，使大气升温。据研究，如果大气圈的水分含量降低50，气温将降低5左右。,环境地球化学 第17页,第3节：水圈,二、水圈的循环地球上各种形态的水，在太阳辐射和地心引力作用下，不断蒸发、输送、凝结、降落的往复循环过程

12、就构成水循环。水循环是一个巨大的动态系统，它将地球上各种水体连接起来构成水圈，使得各种水体能够长期存在，并在循环过程中进入大气圈、岩石圈和生物圈，组成一个循环联系的有机整体，从而使水能被周而复始地重复利用，成为再生性资源。水圈的循环可分为自然循环和人为循环，我们通常所说的是水的自然循环。,环境地球化学 第18页,环境地球化学 第19页,第3节：水圈,三、水圈对生命的重要作用无色透明的水允许太阳光中的可见光和波长较长的紫外线部分可以透过，使光合作用所需的光能能够到达水面以下的一定深度，而对生物体有害的短波紫外线则被阻挡在外。水是一种极好的溶剂，为生命过程中营养物和废弃物的传输提供了最基本的媒介。

13、,环境地球化学 第20页,第3节：水圈,水的高比热4.18J(g)、高蒸发热在20下为2.4kJg使得地球上的海洋、湖泊、河流等水体，白天吸收到达地表的太阳光的热量，夜晚又将热量释放到大气中，避免了剧烈的温度变化，使地表温度长期保持在一个相对恒定的范围内。水在4时的密度最大，这一特性在控制水体温度分布和垂直循环中起着重要作用。冰轻于水冰的密度只有0.92g/cm3。可以浮在水面上。这一特性对水下生物具有十分重要的意义。,环境地球化学 第21页,第4节：土壤圈,土壤圈是指岩石圈最外面一层疏松的部分，其上或里面有生物栖息。土壤圈是构成自然环境的五大圈之一，它与大气圈水圈同等重要，为第三大环境要素。

14、土壤圈是联系有机界和无机界的中心环节，也是与人类关系最为密切的一种环节要素。,环境地球化学 第22页,第4节：土壤圈（skin of land）,一、土壤的组成土壤为由固相(矿物质、有机质)、液相(土壤水分或溶液)和气相(土壤空气)等三相物质四种成分有机地组合在一起构成的一种特殊物质。可分为：1.无机组成（矿物质）原生矿物：主要有硅酸盐类：橄榄石、石榴子石、锆石、辉石、角闪石、滑石、黑云母、白云母、钾长石、钠长石、钙长石。碳酸盐类：方解石、白云石。氧化物和氢氧化物：石英、针铁矿、赤铁矿、褐铁矿、水铝矿、硬水铝矿等。硫酸盐类：石膏。硫化物类：黄铁矿。磷酸盐类：磷灰石等。次生矿物：是原生矿物在成土

15、过程中新生成的矿物，包括各种简单盐类、次生氧化物和铝硅酸盐类。主要为：方解石、白云石、石膏、芒硝、针铁矿、褐铁矿、伊利石、蒙脱石和高岭石等。,环境地球化学 第23页,第4节：土壤圈,2.有机质 土壤有机质是指以各种形式存在于土壤中的有机化合物，其含量一般仅占百分之几。土壤有机质可分为两大类：普通有机物和腐殖质。3.机械组成 土壤是由粗细不等的土壤颗粒组成的，这种粗细不等的土粒按不同比例组合称为土壤的机械组成，又称土壤质地。4.土壤溶液（水分）土壤溶液是土壤水分及其所含气体、溶质和悬浮物质的总称。,环境地球化学 第24页,第4节：土壤圈,二、土壤的性质1.土壤剖面土壤的形成过程中，由于物质在土壤

16、中的垂直迁移和累积的结果，促使土壤中物质发生淋溶和聚集，因而在土壤层次上发生垂向分化，并可划分出不同土层。2.土壤的物理性质土壤的物理性质是土壤的基本性质，它包括土壤的质地、结构、比重、容量、空隙度、颜色、温度等。3.土壤的化学性质土壤化学性质主要表现为土壤胶体性质、土壤酸碱度和氧化还原反应三个方面。土壤溶液中的胶体颗粒担当着离子吸收和保存的作用；土壤溶液的酸碱度决定着离子的交换和养分的有效性；土壤溶液的氧化还原反应则影响着有机质分解和养分有效性的程度。,环境地球化学 第25页,第4节：土壤圈,土 壤 剖 面,环境地球化学 第26页,环境地球化学 第27页,第4节：土壤圈,三、土壤圈与人类的关

17、系土壤具有肥力，也就是具有提供和调节水、气、热和营养元素的能力，为植物的生长提供了必要的条件。地球半径约为6400km而地表土壤的厚度仅为几十厘米，相比之下微乎其微，但却正是这薄薄的一层土壤，才使得地球上有了广阔的森林、农田和草场，人类得以从中获得宝贵的生产和生活资源。尽管人类日益紧迫地面临土地匮缺的问题，但是，人类在其经济、政治和军事活动中仍然有意无意地伤害关系到人类衣食住行的土壤圈。人类对土壤圈较严重的影响包括荒漠化、水土流失、盐渍化和水涝，以及土壤污染等方面。,环境地球化学 第28页,第5节：生物圈,生物圈(biosphere)是指地球上有生命活动的领域及其居住环境的整体。它包括海平面以

18、上23km至海平面以下12km的范围。主要由生命物质、生物生成性物质和生物惰性物质组成。生命物质又称活质，是生命有机体的总和。生物生成性物质是由生命物质所组成的有机矿质作用和有机作用的生成物，如煤、石油、泥炭和土壤腐殖质等。生物惰性物质是指大气底层的气体、沉积岩、粘土矿物和水。,环境地球化学 第29页,第5节：生物圈,一、生物圈存在的基本条件 能够获得来自太阳的充足光能；存在有可被生物利用的大量液态水；生物圈内要有适合生命活动的温度条件，在此温度变化的范围内的物质存在气态、液态和固态三种变化；提供生命物质所需的各种营养元素，包括02、C02、N、C、K、Ca、Fe和S等，它们是生命物质的组成或

19、中介。,环境地球化学 第30页,第5节：生物圈,二、生物与环境1环境因素与生物的相互影响 任何生物有机体都不能脱离环境而生存，环境控制和塑造着生物的生理过程、形态构造和地理分布。同时，生物有机体特别是其群体对环境也产生有明显的改造作用。不同的生物种对生态因素和环境的适应能力存在差异。一般来说，对环境适应能力较强的种类，其分布范围亦较广。,环境地球化学 第31页,第5节：生物圈,2生物适应性和指示现象(1)生物的适应性生物的适应性：是指生物的形态结构、生理机能、个体发育和行为等与其生存的一定环境条件互相统一、彼此适合的现象。(2)生物的指示现象生物的指示现象：是指根据生物种或它们的群体、或生物的

20、某些特征来确定地理环境中其他成分的现象。,环境地球化学 第32页,第5节：生物圈,三、生物群落1.种群占据着一定环境空间的同一种生物的个体集群叫做种群。换言之，种群就是在一定空间中同种生物的个体群。自然界中，种群是物种存在、物种进化和表达种内关系的基本单位，是生物群落或生态系统的基本组成部分，同时也是生物资源开发、利用和保护的具体对象。,环境地球化学 第33页,第5节：生物圈,2.生物群落 群落 为种群的集合体，是一个比种群更复杂更高一级的生命组织层次。生物群落 在一定地段的自然环境条件下，由彼此在发展中有密切联系的动物、植物和微生物有规律地组合成的生物群体。每个生物群落都是自然界真实存在的一

21、个整体单位，占据着生物圈的一定地区，具有一定的组成和结构，在物质和能量交换中执行着独特的功能。,环境地球化学 第34页,第5节：生物圈,3.生物多样性生物多样性包括了遗传多样性（包括一个物种内个体之间和种群之间的差别）、物种多样性（一个区域内动植物和其他生物的不同类型）和生物群落或生态系统多样性（一个地区内各种各样的生境）。多样性在生态系统中的重要性有一部分是由于它们可以为人类服务水、气体、营养物和其他物质的循环。,环境地球化学 第35页,第5节：生物圈,三、生态系统1.概念在自然界中，一定空间内由生物成分和非生物成分组成的一生态学单位构成生态系统。即：生态系统就是由生命系统和环境系统在特定空

22、间的组合。任何生态系统都具有三个共同特征：能量流动、物质循环和信息传递；具自我调节的能力；动态系统。,环境地球化学 第36页,第5节：生物圈,2.生态系统的组成及类型1）组成,环境地球化学 第37页,第5节：生物圈,2）类型自养型生物：称为生产者，包括各种绿色植物和化能合成细菌。异养型生物：称为消费者，包括草食动物和食肉动物。异养型微生物：称为分解者（或还原者），如细菌、真菌、土壤原生动物和一些小型无脊椎动物，它们靠分解动植物残体为生。在消化过程中将无机养分从有机物中释放出来，归还给环境。,环境地球化学 第38页,第5节：生物圈,3.生态系统的营养结构生态系统的营养结构 指生态系统中的无机环境

23、与生物群落之间和生产者、消费者与分解者之间，通过营养或食物传递形成的一种组织形式。食物链是生态系统内不同生物之间类似链条式的食物依存关系。营养级食物链上的每一个环节称之。食物网食物链相互交叉形成复杂的摄食关系网称之。,环境地球化学 第39页,第5节：生物圈,能力传递的1/10律,能量在食物网中流动转移效率是很低的。后一营养级所储存的能量只有大约10能够被其上一营养级所利用。其余大部分能量被消耗在该营养级的呼吸作用上，以热量的形式释放到大气中去。这在生态学上被称为10定律或110律。,环境地球化学 第40页,第5节：生物圈,4.生态系统的功能生态系统的功能主要表现为生物生产、能量流动和物质循环，

24、它们是通过生态系统的核心部分生物群落来实现的。,环境地球化学 第41页,第5节：生物圈,(1)生态系统的生物生产生态系统的生物生产是指生物有机体在能量和物质代谢的过程中，将能量、物质重新组合，形成新的产物(碳水化合物、脂肪、蛋白质等)的过程。植物性生产或初级生产绿色植物通过光合作用，吸收和固定太阳能，将无机物转化成有机物的生产过程。动物性生产或次级生产消费者利用初级生产的产品进行新陈代谢，经过同化作用形成异养生物自身物质的生产过程。,环境地球化学 第42页,第5节：生物圈,(2)生态系统的能量流动生态系统中的能量流动都是按照热力学第一定律和第二定律进行的。在热力学定律的约束下，自然界中大大小小

25、的生态系统处于完美的和谐之中。大自然赋予生物多样性使生态系统更加和谐。由于存在着这种多样性，每种生物都会在生态系统中找到适宜的栖息地。生存竞争导致优胜劣汰。当某种病害袭来时，只有某些敏感的物种遭到伤害。灾害过后，幸存的物种可能使生态系统得以复苏。值得注意的是，自然界的生态平衡很脆弱，易遭外力破坏。人类虽无力改变热力学定律，但往往能轻易地破坏生态金字塔和生物多样性，使不少地区陷入“生态危机”之中。,环境地球化学 第43页,第5节：生物圈,(3)生态系统的物质循环自然界的各种元素和化合物在生态系统中的运动为一种循环式的流动,称为生物地球化学循环。生物地球化学循环可分为三种主要类型：水循环，气体型循

26、环和沉积型循环。气体型循环主要包括碳和氮的循环，这两个元素的贮存库主要是大气和海洋。循环具全球性。碳循环 氮循环 硫循环,环境地球化学 第44页,第5节：生物圈,碳循环碳循环的最简单形式在有阳光的条件下，植物把大气中的C02转化为碳水化合物，用以构成自身。同时，植物通过呼吸过程产生的C02被释放到大气中，供植物再度利用。碳循环的第二种形式 植物被动物采食后，碳水化合物转入动物体内，经消化、合成，由动物的呼吸排出C02。此外，动物排泄物和动、植物遗体中的碳，经微生物分解被返回大气中，供植物重新利用。碳循环的第三种形式 人类通过燃烧煤、石油和天然气等释放出大量C02，它们也可以被植物利用，加入生态

27、系统的碳循环中。此外，在大气、土壤和海洋之间时刻都在进行着碳的交换，最终碳被沉积在深海中，进入更长时间尺度的循环。,环境地球化学 第45页,第5节：生物圈,全球碳循环示意图,环境地球化学 第46页,第5节：生物圈,氮循环氮属于不活泼元素，气态氮并不能直接被一般的绿色植物所利用。氮只有被转变成氨离子、亚硝酸离子和硝酸离子的形式，才能被植物吸收，这种转变称为硝化作用。大气氮进入生物体的主要途径有四种：生物固氮(豆科植物、细菌、藻类等)；工业固氮(合成氨)；岩浆固氮(火山活动)；大气固氮(闪电、宇宙线作用)。四种途径中第一种使大气氮直接进人生物有机体，其他则以氮肥的形式或随雨水间接地进人生物有机体。

28、,环境地球化学 第47页,第5节：生物圈,氮循环示意图,环境地球化学 第48页,第5节：生物圈,硫循环地球中的硫大部分储存在岩石、矿物和海底沉积物中，以黄铁矿、石膏和水合硫酸钙的形式存在。大气圈中天然源的硫包括H2S、SO2和硫酸盐。H2S来自火山活动、沼泽、稻田和潮滩中有机物的嫌气(缺氧)分解等途径，SO2来自火山喷发的气体；大气圈中硫酸盐(如硫酸铵)则来自海浪花的蒸发。大气圈中硫的l/3(包括硫酸盐的99)来自人类活动，其中的2/3来自含硫化石燃料(煤和石油)的燃烧，其余来自炼油和冶金工业和其他工业过程。,环境地球化学 第49页,第5节：生物圈,全球硫循环示意图,数字表示通量（1012g/

29、a)；小字体表示天然源贡献，大字体表示人为源贡献.,环境地球化学 第50页,第5节：生物圈,四、生态平衡及其破坏任何一个正常、成熟的生态系统，其结构与功能，包括其物种组成，各种群的数量和比例，以及物质与能量的输出、输入等方面，都处于相对稳定状态。就是说，在一定时期内，系统内生产者、消费者和分解者之间保持着一种动态平衡，系统内的能量流动和物质平衡在较长时期内保持稳定。这种状态就是生态平衡。,环境地球化学 第51页,第5节：生物圈,如果生态系统中物质与能量的输入大于输出，其总生物量增加，反之则生物量减少。在自然状态下，生态系统的演替总是自动地向着物种多样化、结构复杂化、功能完善化的方向发展。生态平

30、衡是靠一系列反馈机制维持的。物种循环与能量流动中的任何变化，都是对系统发出的信号，会导致系统向进化或退化的方向变化。生态系统结构愈复杂，物种愈多，食物链和食物网的结构也愈复杂多样，能量流动与物种循环就可以通过多渠道进行，有些渠道之间可以起相互补偿的作用。一旦某个渠道受阻，其他渠道有可能替代其功能，起着自动调节作用。当然，这种调节作用是有限度的，超过这个限度就会引起生态失调，乃至生态系统的破坏。,环境地球化学 第52页,第5节：生物圈,影响生态平衡的因素既有自然的，也有人为的。自然因素如火山、地震、海啸、林火、台风、泥石流和水旱灾害等常常在短期内使生态系统破坏或毁灭。受破坏的生态系统在一定时期内有可能自然恢复或更新。人为因素包括人类有意识“改造自然”的行动和无意识造成对生态系统的破坏。例如，砍伐森林、疏干沼泽、围湖围海(垦殖)和环境污染等。这些人为因素都能破坏生态系统的结构与功能，引起生态失调，直接或间接地危害人类本身。所谓的“生态危机”大多是指人类活动引起的此类生态失调。,