学科：环境科学

词目：环境化学演化

英文：chemical evolution of environment

释文：由地球形成初期的核化学反应逐渐变为简单的氧化还原反应，形成较简单的化合物（如CO2、CO、H2O等），在太阳能的作用下形成简单的无机物和甲烷等，化合成氨基酸、核甙酸等。生命的发生和生物的发展对环境化学演化有着重大的影响。生物出现后，一些简单的生物开始在太阳光的作用下进行化学反应，水中的生物和植物大量繁殖。同时，岩石的风化作用使一些元素进入水中或植物中，使一些元素富集，加强了化学演化的复杂性。人类出现后，特别是工业化以来，环境的化学演化更日趋复杂，改变了原始环境，加剧了化学变化，产生了大量的无机污染和有机污染。

地球作为一个行星，在46亿年前起源于太阳系星云，它经历了吸积、碰撞等演化过程。地球胎形成时，温度较低，并无分层结构，只是由于放射性衰变致热和原始地球的重力收缩，和陨石物质的轰击，才使地球温度逐渐升高，并使地球物质具有越来越大的可塑性，出现局部熔融的现象。这时在重力作用下，开始物质分异。地球外部较重的物质逐渐下沉，地球内部较轻的物质逐渐上升。一些重元素（如液态铁）沉到地球中心，形成一个密度较大的地核。物质的对流伴随着大规模的化学分异。地球就逐渐形成现在的地壳（岩石圈）、地幔和地核这些层次。在地球演化的早期，原始的大气化学物质逐渐逃逸殆尽。随着物质的重新化合和分化，原先在地球内部的各种气体上升到地表，地球引力使这些气体渐渐积蓄在地球周围形成第二代的大气圈。第二代大气的化学成分主要由二氧化碳、一氧化碳、甲烷和氨组成，没有氧，当然也没有臭氧层。这一代大气称为还原大气。在地球形成的过程中，由于温度的升高，地球内部结晶水汽化，逸出地表，随着地表温度的下降，气态水凝成水滴，降落到地面，形成水圈。原始海洋是以氯化物为主的酸性还原环境。地球形成后10～15亿年，岩石圈、大气圈、水圈已经演化成型，是一个强还原环境。在地热能、太阳能的作用下，简单的无机物和甲烷等化合成氨基酸、核甙酸等有机物，并逐步演化为蛋白质等有机物，为生命的产生准备了充分必要的条件。

大约距今 35亿年前，原始海洋中的氨基酸和蛋白质形成最简单的、无氧呼吸的原始生物（细菌）。它们是厌氧的异养生物，靠吸收水环境中的有机物进行无氧呼吸(发酵)而获得能量。这种厌氧异养原始细菌逐步演化出有叶绿素，并能进行光合作用的自养原核生物──藻类，如燧石藻、蓝绿藻等，形成藻菌生态系，在水体中进行光合放氧作用。随着藻菌生态系的进化，在10～15亿年前，出现了单细胞真核植物，约在6亿年前海洋中出现动物，在4亿年前（晚志留纪和早泥盆纪）出现陆生蕨类，从此，形成了水陆的动物、植物、藻菌类的生态系统。

生物的发生和发展形成了生物圈。生物的作用对环境化学物质的演化产生巨大的影响。这种影响主要有如下几个方面：①绿色植物通过光合作用，吸收二氧化碳，放出氧；植物吸收氧,合成蛋白质;微生物分解生物残体，放出氮气。这一切使原来以二氧化碳、一氧化碳、甲烷和氨为主要组分的还原大气演化成为以氮、氧为主的氧化大气(第三代大气)。据推断，地球大气由还原大气演化成氧化大气约在18～22亿年以前。由于大气中游离氧逐渐增加，约在 4亿年前形成臭氧层。臭氧层对太阳的强烈紫外辐射起到屏蔽和过滤作用，使陆地植物更加繁盛，水生生态逐渐演化到陆生生态。绿色植物是二氧化碳的主要转化者，又是碳素的主要储存者。据推算，地球上每年约有 150亿吨的二氧化碳转化为木材。森林植被含有碳素4000～5000亿吨。当今使用的矿物燃料（煤、石油、天然气）是古代生物转化而来的。②岩石经风化和生物的作用形成了土壤。土壤的形成促进了生物的大发展，影响环境化学物质的循环和演化。③生物的作用影响水圈的化学演化，使原来以氯化物为主的酸性还原环境逐渐演化为以氯化物－碳酸盐为主要成分的中性氧化环境；氨被氧化为硝酸盐；活性较大的低价铁、锰离子被氧化为高价离子，并形成铁锰水合物或碳酸盐而富集起来。④水陆的动物、植物和微生物的三级生态系统，对化学物质的循环产生重大的影响。如占空气正常含量约0.03%的二氧化碳，通过生物的呼吸作用，大约 300年循环一次；占空气正常含量约20%的氧，通过植物的光合作用，2000年可循环一次。整个水圈的水分，通过生物圈的吸收、排泄以及蒸发和蒸腾作用，约20万年可循环一次。此外，生物的作用对铁、钙、碳、氮、磷等的循环也有很大的影响。

可分为从人类出现到产业革命前和从产业革命到现在两个时期。约在 300万年前，形成了最早能制造工具的原始人类。随着社会生产力不断提高，人类对环境化学演化的作用不断增强。人类在各个历史时期大规模地狩猎和烧荒,兴修水利,开垦农田，采伐森林等，这些生产活动都对环境化学演化发生影响。早期的城市已发生局部的生活污染，排出的污水中的氮、磷使一些地区水体受到污染。产业革命后人类开发自然和利用自然资源的规模愈来愈大，不仅把沉睡在地壳中的矿产大量移进地表人类环境，而且制造出许多种自然界所没有的人工合成化学物质，如农药、塑料和人工合成的许多无机、有机化合物。据统计，这些物质目前已超过500万种，每年生产 6000万吨。这就冲击着长期以来人类所适应的自然环境，影响和改变着环境质量。20世纪40年代以来，世界化肥产量大约每10年增加一倍。这就改变和加强了地表环境中氮素和矿物营养元素的化学循环过程。目前世界施用的矿物肥料每年为4亿多吨，其中氮肥约 4000万吨，其他为磷、钾等肥料。因此，大量氮、磷通过径流进入河流、湖泊和地下水。饮用水源受到污染，有些地区饮用水源中硝酸盐含量上升到有毒水平。另一个问题是水体富营养化，破坏水资源和生物资源。

人类活动大大加速了地表环境中各种元素的迁移。古代人类仅利用18种元素，到19世纪就利用了62种元素，20世纪70年代除利用地壳中已知的94种天然元素外，还开始制取和部分利用了地壳中不存在的人造元素如镅、锎等。人们创造了自然界不存在的元素状态和组合，如自然界所没有的呈游离状态的铁、铝、铜、锌、镍、钴等元素。人类每年从地壳中取出不少于 4立方公里的矿石，冶炼愈来愈多的金属。大量尾矿、金属废料、冶炼废水的排放，使土地和水域遭到严重污染。重金属元素污染，对环境的影响较大，如大量应用汞和汞化合物的一些氯碱厂、有机化工厂的汞污染特别严重。石油燃烧排入大气的汞每年约3000吨。因此，目前地球未遭汞污染的地区已经很少。另外，矿物燃料产量逐年增加，根据统计，1975年全世界煤产量为276100万吨，石油产量为270800万吨。这些矿物燃料的燃烧影响大气化学性质，转而又影响整个环境化学特征。发生影响最大的是二氧化碳，其次是一氧化碳、二氧化硫、氮氧化物以及颗粒物。二氧化碳对近地面环境产生温室效应；颗粒物可减弱太阳辐射，对地表产生阳伞效应。二氧化硫可形成酸雨。氮氧化物能造成光化学烟雾和破坏臭氧层。已确知，大气中二氧化碳的浓度已由19世纪60年代的290ppm上升到20世纪60年代末的320ppm，而且所增加部分的五分之一是在1959～1969年的10年中增加的。根据在夏威夷的冒纳罗亚长期观测得知，从1958～1968年二氧化碳浓度每年平均约增加0.7ppm，而1969年以来，每年平均增加量超过1ppm，证明大气中二氧化碳浓度的增加有加快的趋势。