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环境科学3
第三章资源的环境特征
由于在材料的加工、制备、使用及废弃过程中对生态环境造成很大的破坏，使全球环境污染问题变得日益严峻，加重了地球的负担。
因此，对材料的生产和使用而言，资源消耗是源头，环境污染是末尾。
材料的生产和使用与资源和环境有着密不可分的关系。
3.1自然资源分类
资源是指人类可以从自然界获得并用于生产和生活的物质。
显然，资源是自然环境的重要组成部分，故通常又称为自然资源。
为了研究自然资源对材料生产的影响，将自然资源分为可耗竭资源和可更新资源（可再生资源）两大类。
3.1.1可耗竭资源
在任何对人类有意义的时间范围内，资源质量保持不变，资源蕴藏量不再增加的资源称为可耗竭资源。
（1）可回收的可耗竭资源
资源产品的效用丧失后，大部分物质还能够回收利用的可耗竭资源是可回收的可耗竭资源。
这类资源主要指金属等矿产资源，例如汽车报废后，汽车上的废铁可以回收利用。
不过，资源的可回收利用程度是由经济条件所决定的。
只有当资源的回收利用成本低于新资源的开采成本时，回收利用才有可能。
影响可耗竭资源开采量的因素有两个：
价格因素和技术进步。
当矿产资源的市场价格上升时，会刺激生产者去勘探潜在的资源，或者开采低品位的资源。
此外，高价格还会刺激技术进步。
技术进步又可以提高资源的利用率，或是发现新的可替代资源。
可回收的可耗竭资源最终仍无法逃脱被耗竭的命运，但耗竭的速率是可变的，它取决于市场需求、资源产品的耐用性和回收利用该产品的程度。
需要强调的是，可回收的可耗竭资源不可能100%地循环利用。
根据化学热力学第二定律，在一个封闭的系统内，无限的内循环是不可能的。
每次内循环都要产生某些损失，每次资源利用都会使资源产生某种退化，只要资源的回收率小于100%，资源蕴藏量就一定会降低到零。
（2）不可回收的可耗竭资源
使用过程不可逆，且使用之后不能恢复原状的可耗竭资源是不可回收的可耗竭资源。
主要指煤、石油、天然气等能源资源，这类资源被使用后就被消耗掉了。
例如煤，一旦燃烧变成了热能，热量便消散到大气中，变得不可恢复了。
不可回收的可耗竭资源的特点决定了它的耗竭速度必然快于其它资源。
能源是人类社会发展的经济动力，一个国家利用和获得能源的能力，在很大程度上决定了它在当今世界的经济地位。
当代社会对能源资源迅速增加的巨大需求，更加剧了这种资源的耗竭速率。
减缓不可回收的可耗竭资源耗竭速率的重要措施是提高资源利用率。
由于不可回收的可耗竭资源使用过程的不可逆性，决定了使用机会只有一次，如果在一次使用中资源得不到充分利用，就会造成重大浪费。
另外，由于煤、石油等资源在使用之后，大多转化成对环境有害的物质，所以提高资源利用率还可以减少污染。
3.1.2可更新资源
能够通过自然力以某一增长率保持或增加蕴藏量的自然资源是可更新资源。
例如太阳能、大气、森林、鱼类、农作物以及各种野生动植物等。
许多可更新资源的可持续性受人类利用方式的影响。
在合理开发利用的情况下，资源可以恢复、更新、再生产，甚至不断增长；在开发利用不合理的条件下，其更新过程就会受阻，使蕴藏量不断减少，以至枯竭。
根据财产权是否明确，可更新资源可以分为可更新商品性资源和可更新公共物品资源。
（1）可更新商品性资源
财产权可以确定，能够被私人所有和享用，并能在市场上进行交易的可更新资源是可更新商品性资源，例如，私人土地上的农作物、森林等。
（2）可更新公共物品资源
不为任何特定的个人所有，但是却能为任何人所享用的可更新资源是可更新公共物品资源，如公海鱼类资源、物种、空气等。
这类可更新资源的特征是：
消费不可分性或无竞争性，是指某人对某物品的消费完全不会减少或干扰他人对同一物品的消费，例如每个人可以自由呼吸空气，同时并不减少他人可以得到的数量；再是消费无排他性，指不能阻止任何人免费消费该物品，例如公海里某一渔民无法阻止别人前来捕鱼。
属于公共物品的可更新资源是非专有的，非专有性是财产权的一种减弱，它将导致低效率。
这种配制的结果是可更新资源过度开发，以及在管理、保护和提高生产能力方面投资不足。
3.1.3自然资源的蕴藏量
关于资源蕴藏量有三个不同的概念，即已探明储量、未探明储量和蕴藏量。
已探明储量是利用现有的技术条件、资源位置、数量和质量可以得到明确证实的储量。
又分为：
（1）采储量：
为在目前的经济技术水平下有开采价值的资源。
（2）待开采储量：
定义为储量虽已探明，但由于经济技术条件的限制，尚不具备开采价值的资源。
未探明储量是指目前尚未探明但可以根据科学理论推测其存在或应当存在的资源，分为：
（1）推测存在的储量：
可以根据现有科学理论推测其存在的资源。
（2）应当存在的资源：
今后由于科学的发展可以推测其存在的资源。
资源蕴藏量等于已探明储量与未探明储量之和，是指地球上所有资源储量的总和。
因为价格与资源蕴藏量的大小无关，所以蕴藏量是一个物质概念而非经济概念。
对于可耗竭资源来说，蕴藏量是绝对减少的；对于可更新资源来说，蕴藏量是一个可变量。
这个概念之所以重要，是因为它代表着地球上所有有用资源的最高极限。
3.2自然界中三个重要的物质循环
自然界内处于千变万化中的物质欲维持质量——能量守恒，只有通过物质的循环来实现。
一旦物质循环的程序局部发生故障，即发生环境污染，则整个自然系统就要遭到破坏。
其中碳循环、氮循环、氧循环是三个最重要的循环。
（1）碳循环：
碳是构成有机物质的中心元素和构成地壳岩石及矿物燃料（煤和石油）的主要成分，也是构成各种材料，例如钢铁材料、高分子材料或陶瓷材料的基本元素之一。
碳在铁中以间隙原子的形式和化合物的形式存在，是钢铁材料的一个重要化学元素和强化元素。
在自然环境内，碳的循环主要是通过二氧化碳来进行的。
由动物呼吸或矿物燃料的燃烧生成二氧化碳并放出热量。
在生物圈中二氧化碳的循环（亦构成氧循环的一部分）主要表现在光合反应中。
反应：
6CO2+6H2O+2822J→C6H12O6+6O2
碳循环始于二氧化碳经绿色植物光合作用固定，以各种碳化物的形式储存，经过营养级的传递、分解，有一部分经过动植物的呼吸作用及动植物尸残体的分解转变为二氧化碳，回归到大气中去，另一部分转入土壤或地下深层，经过漫长的演化转变成矿物。
由于矿物燃料的燃烧，人类已经在全球尺度上影响二氧化碳的生物地球化学循环，每年排放到大气中的二氧化碳总量与日俱增，导致了地球表面热量不断积累，破坏了原来的热量平衡，形成“温室效应”。
图3-1碳循环示意图
（2）氮循环：
氮是构成蛋白质的主要元素，而所有生物体内均含有蛋白质，所以氮的循环涉及到自然界的各个领域。
另一方面，氮在材料工业中也起着重要作用。
例如氮在铁中以间隙原子的形式和化合物的形式存在，是钢铁材料中的一个重要强化元素。
同时氮还是金属基复合材料的一个强化相的组成元素，如AlN，TiN等等。
氮和碳不同，氮是一个变价元素，它有多种价态，如：
+5，+3，+1，-1，-3等。
这使氮的循环通过各种价态化合物组成复杂的途径。
尽管大气圈中的分子态氮（N2）约占大气组成的79%（v/v），但是分子态氮对生命是无效的。
只有通过各种反应将N2转化成其它形态后，才能显示生命活力。
因此，氮与人类的生存密切相关。
在生物圈中氮的循环基本模式是植物吸收N2经生物固氮作用形成硝酸盐、亚硝酸盐、和氨而生成氨基酸，进而合成蛋白质和核酸，并和其他化合物进一步合成为植物有机体。
除生物固氮以外，闪电和宇宙射线也能使氮被氧化成硝酸盐。
食物链中成员的分解产物、排泄物在细菌的作用下转变成氨，亚硝化细菌把氨转化为亚硝酸盐，硝化细菌又进一步将亚硝酸盐转化为硝酸盐，在循环的末端，反硝化细菌把硝酸盐转变为分子态氮，又重新返回大气。
在自然界中，氮的化合物倾向于还原状态，常常存在于和氢化合的物质中，而较少存在于氧化状态。
然而由于工业生产和人为原因带进环境中的氮几乎都是氧化状态，如NO，N20，NO2等。
保持环境中氮氧化物的低浓度，对于自然界的平衡和生态系统的安全是非常重要的。
但是由于矿物燃料燃烧及工业生产活动强度的日益剧增，使氮的循环受到了严重的干扰。
目前，大气中的NO2以每年0.2-0.3%的速度增加，NO2的净增量每年达到了4×1012mol。
氮在自然循环中的不平衡，将给生态系统带来极其严重的恶果。
首先是因硝酸盐过量而污染天然水体，造成水体的富营养化，藻类过量繁殖；其次是硝酸盐对人类和动物生存的潜在危害，硝酸盐被人或动物摄取后，在细菌的作用下可能转化为亚硝酸盐，而亚硝酸盐除了能同血液中的红血球结合而破坏血液的输氧能力之外，还会同食物中的某些有机化合物起反应生成有致癌作用的亚硝胺化合物；最后是气态的氮氧化物几乎都是剧毒性物质，在太阳辐射下还会与碳氢化物反应形成光化学烟雾。
图3-2氮循环示意图
（3）氧循环：
正是由于氧在自然界中有巨大的含量及其活泼性的特征，致使环境中无处无氧（游离态或化合态），所以氧在自然界中的循环是非常复杂的。
在前面所述的两种循环中均有氧的参与，也构成了氧循环的一部分。
图3-3氧循环示意图
在自然界中参与上述循环的碳、氮、氧实际上仅为其总量的几分之一，而大部分则储存在各自的“储库”之中。
例如海洋是H2O的总储库，地壳的岩石为C和O的总储库，大气则为氮的总储库。
因为参与循环的物质量相对其总量而言是极少的，所以各种物质循环一周所需的时间很长。
且由于各类物质总储存量的不同，它们的循环周期的长短差别也很明显。
据估计，水、氧和二氧化碳在四个圈层中的循环情况是：
所有地球上的水被植物的光合作用所分解，到再次由于动植物细胞的生物氧化而生成，约需时间200万年。
在此过程中产生的氧进入大气并约在2000年内进行再循环。
CO2为动植物细胞所呼出并进入大气中，平均停留300年，再为植物细胞固定。
图3-4不同圈层间的物质循环
3.3能源消耗与环境
能源是人类赖以生存和发展的不可缺少的物质基础，是材料生产的要素。
但是，目前人类使用的能源，特别是不可再生能源却是有限的，甚至是稀缺的。
能源在不同程度上制约着人类社会的发展。
同时，由于利用方式的不合理，能源利用在不同程度上损害着地球环境，甚至威胁到人类自身的生存。
3.3.1能源的分类
能源是指提供可用能量的资源，其种类繁多，一类是比较集中且容易转化的含能物质，称含能体燃料（燃料能源），如煤炭、石油、天然气、沼气、氢等；另一类是可以利用的能量过程（非燃料能源），如太阳辐射、风力，潮汐等。
表3-1能源的分类
一次能源
二次能源
常规能源
燃料能源
煤炭、油页岩、油砂、石油、天然气、生物质能
煤气、甲醇、焦碳、酒精、汽油、甲烷、煤油、柴油、液化石油气、电力、蒸汽、热水
非燃料能源
水能
新能源
燃料能源
核燃料
电力、氢能
非燃料能源
太阳能、海洋能、风能、地热能、潮汐能
表3-2一次能源分类
可再生能源
不可再生能源
第一类能源
太阳能
生物质能
煤炭、油页岩、油砂、石油、天然气
第二类能源
地热能
核燃料
第三类能源
潮汐能、风能、水能
第一类能源：
来自地球以外，主要来自太阳辐射，也包括太阳能转化而成的矿物能源（煤炭、石油、天然气）；
第二类能源：
来自地球内部，如地热、核能；
第三类能源：
来自地球和其他天体的运动作用，如风能，潮汐能，水能。
3.3.2能源的利用与环境问题
1）资源的枯竭
随着能源技术的不断提高，能源利用推动了人类文明的发展。
这种进程开始是缓慢的。
一个世纪以前，非商品能源（薪柴、农业废料和动物粪便等）占全部使用能源的52%，随后其分额日趋下降。
19世纪末20世纪初，西方国家的工业迅猛发展起来，煤炭成为其主要能源；20世纪中叶以后，进入了以石油、天然气为主要能源的时代，核能也得到一定的发展。
到1970年，油、气占商品能源消费总量的64%。
70年代以后，由于石油价格的上涨，石油的分额从1970年的46%降至2006年的40.4%，但石油仍是主要的商品能源之一。
20世纪70年代的能源危机，标志着廉价能源的时代已经结束，能源（尤其是矿物燃料）的有限性明显地显现出来，世界各国都不得不以较贵的价格获得煤炭、石油和天然气等能源。
今后怎样获取能源是人类所面临的重大课题，现在对石油、煤炭等矿物能源储藏量的估计是根据实际采掘开发的情况，通过统计的方法推算的。
根据英国石油公司的统计，截止2003年底，世界探明可采储量石油为11477亿桶，合1567亿吨，天然气为175.78万亿立方米，煤炭为9844.53亿吨，将可开采量除以年开采量，则可得到可开采年数（资源的寿命），计算得到：
石油为41年，天然气67年，煤炭为192年。
按照乐观的估计，到21世纪中叶，地球上的石油、天然气资源也将全部枯竭。
表3-3世界能源储量、分布产量及可采年数（2003年末）
石油
天然气
煤
探明储量
1567亿吨
175.78万亿米3
9844.53亿吨
储
藏
地
域
分
布
北美
5.5%
4.2%
26.2%
中南美
8.9%
4.1%
2.2%
欧洲
1.6%
3.3%
12.7%
中东
63.3%
40.8%
0.2%
亚洲太平洋
4.2%
7.7%
29.7%
非洲
8.9%
7.8%
5.6%
前苏联
7.6%
32.1%
23.4%
2003年产量
36.97亿吨
25910亿米3
51.88亿吨
可开采年数
41.0年
67.1年
192年
截止到2003年底，全球已探明的矿物能源储量、地域分布、产量及预计可开采年数见表3-3。
石油储量中东地区占63.3%，超过了一半，中南美8.9%，非洲8.9%；天然气储量的分布，中东地区占40.8%，前苏联地区约32.1%；煤炭的可开采年数相对较长，为192年，主要分布区域为美国、前苏联地区、中国和澳大利亚，分布区域较广，其资源寿命也比较长。
表3-4每个人消耗的能源（折合石油：
吨）
1971年
1990年
2000年
2010年
世界
1.36
1.55
1.56
1.71
OECD各国
4.25
4.78
5.31
5.71
北美
7.49
7.67
8.25
8.71
欧洲
2.81
3.29
3.69
3.94
太平洋
2.71
3.68
4.44
5.16
前苏地区/中、东欧
3.04
4.32
3.36
4.02
其他各国
0.29
0.53
0.66
0.83
南亚
0.10
0.19
0.25
0.36
东亚
0.41
0.90
1.33
1.77
中国
0.28
0.56
0.67
0.85
中东
1.12
2.49
3.38
4.27
中南美
0.62
0.89
0.98
1.21
非洲
0.22
0.35
0.36
0.37
根据美国能源部能源信息局的《2007年国际能源展望》报告，假定当前的法律和政策不变，再据此预测从2004-2030年的世界能源生产和消费。
它预测，世界能源消费在此期间将增加57%，非经合组织国家能源需求增加95%，而经合组织国家增加24%。
预计每人的能源消耗（换算为石油，单位吨）将由1990年的1.55吨增加到2010年的1.71吨（表3-4）。
水资源方面，淡水分布不均，贫水区和城市水荒日益严重。
地球表面70%以上被水覆盖，其中97.41%的水是咸水而不能被利用。
淡水只占2.59%，其中冰川、冰帽占1.98%，地下水占0.592%，湖泊、土壤水、生物水、大气水蒸气和径流加在一起占0.014%。
据计算，全球可利用的地表和地下水储量为3.5×108亿立方米。
在过去的3个世纪里，人类的淡水使用量增加了35倍。
2006年联合国《世界水资源开发报告》中指出全球用水量在20世纪增加了6倍，其增长速度是人口增速的两倍。
在土地、森林资源方面，土地自然退化现象日益严重，沙漠化范围不断扩大。
全球能被人类支配的土地约有1.4亿平方公里，其中耕地0.15亿平方公里，天然草地0.3亿平方公里，森林0.4亿平方公里，城市、工矿等0.049亿平方公里，其他属于难利用土地，如沙漠、沼泽、冰雪覆盖地等。
世界人均耕地约2800平方米，亚洲人均只有1500平方米。
全球可耕地的82%已投入耕作生产，土地荒漠化已影响到全球8.5亿人的生活。
据计算，2005年全球人均森林面积仅0.006平方公里。
每年约有6.1万平方公里的热带雨林被滥伐，威胁到近10亿人口的生存，并严重影响了全球气候。
2）能源的利用与环境公害事件
生产力是社会进步的动力,而生产力的进步在很大程度上依靠能源利用的不断进步。
近200年来的工业化进程使世界发生了翻天覆地的变化，但是能源利用的规模加大和深度不断提高明显地破坏了环境。
在近代工业化革命短短的一二百年中，工业生产增加了50倍，矿物燃料的消耗也增加了30倍。
更重要的是，人类创造物质财富能力的80%是在20世纪50年代以后产生的，人类消耗矿物燃料的能力60%也是在50年代以后产生的。
人类对能源利用的认识，分为以下四个阶段：
①在较低水平上的可持续使用阶段。
在人类进入工业化时代以前，能源的消耗还比较少，尽管也存在局部的能源短缺和环境破坏，但总体上不存在全球性的环境问题。
②能源毫不节制的消耗阶段。
工业革命之后，人类对能源的开发和利用有了巨大的变化，原始森林的急剧减少、大规模开发利用煤炭以及低廉的石油有力地支持了二战之后一大批老牌工业化国家的复兴和一大批新兴工业化国家的兴起。
这一时期人类对能源的开发和利用可以说是掠夺性的，给全球生态环境造成了无可挽回的损害。
③珍惜使用即将枯竭的能源资源阶段。
1973年和1979年两次石油危机，导致了世界性的经济危机，人类突然意识到矿物燃料总会有枯竭的那一天。
西方国家开始节省能源、提高能效并积极寻求替代能源。
④即使能源资源不会枯竭，环境容量也要求人类对自己的能源消费行为加以限制阶段。
人们对气候变化的不断关注，从而意识到能源与环境协调发展的重要性。
如果人类不对毫无节制的能源消费行为加以控制，环境容量将先于能源资源而枯竭。
因此，对能源的利用应该首先限制在环境容量允许的范围之内，否则发展难以为继。
20世纪中叶，环境问题逐步显现出来，为公众所关注。
在开始阶段，环境问题只限制在特定的地域。
现在，人们知道，有些重大环境问题的影响是区域性的甚至是全球性的。
一个国家的环境问题可以影响其临国的环境，甚至世界的环境，如酸雨、臭氧层损耗和全球变暖等问题。
表3-5是能源生产和利用中产生的一些公害事件案例。
表3-5能源生产和利用中产生的一些公害事件案例
1873-1892年
伦敦，由于工业燃烧废气的排放，造成大气污染使500-2000余人死亡。
20世纪40年代
美国洛山矶地区由于汽车尾气和工业废气污染形成光化学烟雾。
1952年
由于伦敦大气污染，死亡人数比往年增加3500-4000人。
1959年
日本三重县四日市大气污染造成哮喘病患者急增，1964年出现死亡。
墨西哥液化气爆炸。
1989年
墨西哥城在1989年的1月因大气污染学校被迫放假，人们被告诫不要外出散步。
3.4中国的能源利用问题与对策
3.4.1能源消费结构
发达国家能源消费的构成以石油、天然气为主，大约占2/3左右。
1973年以前，发达国家依靠廉价的石油能源发展了本国的经济，完成了工业化进程。
1973年后，随着石油危机，使其能源需求的增量逐渐减少，推动其单位国内生产总值（GDP）的能源使用量也相应下降了（表3-6）。
表3-6发达国家能源消费构成
年份
1960
1965
1970
1973
1980
1990
煤炭
52.5
37
35.5
28
29
27
油气
45.8
57
62.4
65.4
62
58
水力
1.7
6
1.3
5.6
5.8
7
核能及其它
3.2
8
发展中国家的能源消费结构因地区的不同而有明显差异,总体说来,使用煤炭等固体燃料比重较高,使用较清洁的和优质的燃料如石油、天然气等比重较少（表3-7）；同时，由于资金和技术的限制，能耗水平较高。
燃煤发电的效率为30%,这意味着煤中所含的能量只有30%最终作为电能被利用。
表3-72006年一些国家的能源消费构成单位：
%
国家
石油
天然气
煤炭
核能
水力等
占世界比重
美国
40.4
24.4
24.4
8.1
2.8
21.4
法国
35.3
15.5
5.0
38.9
5.3
2.4
德国
37.6
23.9
25.1
11.5
1.9
3.0
意大利
47.0
38.1
9.5
-
5.3
1.7
英国
36.3
36.1
19.2
7.5
0.8
2.1
日本
45.2
14.6
22.9
13.2
4.1
4.8
中国
21.1
3.0
69.7
0.7
5.5
15.8
世界
35.8
23.7
28.4
5.8
6.3
100.0
表3-8不同能源二氧化碳的排放量
燃料
二氧化碳排放量kg/GJ
天然气
55.0
石油产品
77.0
黑煤
91.7
棕煤
95.3
电（燃煤产生）
286.0
能源消费的行业结构中,运输业是发达国家主要的能源消费行业之一,平均约占30%（表3-9）。
发达国家的机动车占有水平远远高于发展中国家,2006年世界每千人汽车拥有量为104辆，美国790辆，德国597辆，法国590辆，日本574辆，韩国251辆，而中国每千人拥有仅27辆。
表3-92000年世界分地区分部门终端能源消费结构
指
国家标
与组织
总消费量，Mtoe
消费结构，%
工业
交通运输
民用、商业、农业
非能源用途
中国
559
55.64
13.26
27.37
3.88
美国
1499
26.62
40.69
31.55
3.75
欧盟（15国）
1052
30.89
30.13
36.12
2.85
日本
347
39.48
27.12
30.55
2.82
OECD
3612
30.07
33.75
32.92
4.90
世界总计
6035
34.63
29.48
32.86
3.05
注：
toe即吨标准油当量
商品能源的消费主要集中在经济较发达的国家和地区，其中经济合作与发展组织（OECD）国家人口不到世界的五分之一，却消费了世界一半以上的能源和60%多的石油。
20世纪70年代后期，人们开始认识到矿物燃料是有限的，发达国家开始利用和发展节能技术，在不提高能耗的情况下满足日益增长的能源需求。
由于能耗下降，发达国家的工业能源密度（工业能源使用量与增值的比率）显著下降（表3-10）。
表3-101973-2002年中国与一些发达国家单位产值能耗比较
单位：
toe/百万美元GDP
1973年
1990年
2002年
中国
2476
1709
837
美国
433
296
249
欧盟
218
167
148
日本
124
91
90
OECD
283
208
188
非OECD
685
720
564
世界
345
297
262
注：
1、GDP为1995年美元币值；
2、欧盟15个成员国；
3、toe为吨油
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