科罗拉多州莱德维尔一处矿渣堆流出的污染径流。（© David Hiser / Getty Images ）
密苏里州泰晤士滩（Times Beach），一度是圣路易斯西南梅勒梅克河沿岸一个拥挤的工人阶级社区。但现在人去楼空，空荡荡的房舍、店铺、弃置的汽车和生锈的电冰箱无声地伫立着。“欢迎光顾”——自动洗衣店的广告牌向不存在的顾客说。野花开放在杂草丛生的草坪上，苍蝇嗡嗡叫，树上的松鼠互相追逐，偶尔还有郊狼在大街上游荡。如果这里允许参观，观光客可能认为他们看到的是好莱坞一处神秘的场景。其实，这个“鬼城”是危险废物污染一个社区后造成的景象。
麻烦始自1971年夏天，那时泰晤士滩雇佣了一个人，在该市镇长达16千米肮脏的公路上喷洒油料用来防尘。不幸的是，他所用的是该州南部一家市镇化工厂的废油和其他废物，他在当年和翌年夏天把这些废物的混合物洒遍全城，这是被二噁英（dioxin）污染的几万升紫色污泥，是人类制造出来的毒性最强的物质之一。
接触二噁英的后果几乎立即在两个赛马场上显示出来。几天内，数百只小鸟和小动物死亡、小猫死产、许多马匹染病死亡。接着，居民开始报告各种症状，包括流产、癫痫、肝损伤和肾癌。直到1982年，美国国家环境保护局（Environmental Protection Agency，EPA）才对该化工厂储存的废物中高水平的二噁英发出警告，并对泰晤士滩进行了彻底调查。他们发现有些土壤样品中二噁英化合物TCDD① 水平高达300×10-9 ；而1×10-9 被认为是最大安全浓度。环境保护局购买了该市的所有地产，下令居民撤离（图12.1）。
图 12.1 密苏里州泰晤士滩。大多数公路地图不再标示这个前社区的位置。（Joe Sohm / Image Works ）
此处选取泰晤士滩的故事是用以表明，这只是人们如何影响他们赖以生存的水、空气和土壤质量的许多方式之一。
陆地和洋盆的特征、气象要素和气候特征、植物和动物区系等构成了被称为“环境”的复杂马赛克体的众多模块，也就是说，环境就是以各种方式影响生物的众多事物的总体。动植物、地貌、土壤和养分、气象和气候都是生物体的环境。研究生物间相互影响以及生物与环境相互影响的学科称为生态学 （ecology）。生态学对了解环境问题至关重要，环境问题通常是由于人类对构成我们的世界的自然系统的干扰而产生的。人类生存在自然环境中，并通过个人或集体的行动改变了自然环境。人们砍伐森林、耕垦草原、修筑水坝、建造城市，然后自然环境被改造成文化环境，改造着、改变着或破坏着人类影响出现以前就已经存在的自然平衡。本章所讨论的是关于人类与被其极大改变了的自然环境之间的相互作用。
自农业社会开始以来，人类就改变着地球的面貌，改变着自然界精巧的平衡和相互作用，这个过程增强了或危害了人们所建立的社会和经济。自然平衡的本质和人类改变它的方式不仅是本章的主题，也是我们这个时代社会所关切的国内和国际主要事务。我们将会看到，我们所消费的燃料、所使用的原料、所创造的产品、所抛弃的废物都是对生物圈 （biosphere）有害的改变。生物圈就是我们生活在其中由空气、水和土壤组成的薄薄的圈层。
12.1 生态系统
生物圈由3个相互联系的部分组成：
（1）对流层，地球大气层的最下层，从地面向上延伸大约9.5—11.25千米；
（2）水圈 （hydrosphere），包括海洋、河流、湖泊、冰川表层和亚表层的水体或地下水——其中大部分封闭在冰川或地球内部，不能被直接利用；
（3）地壳最上层，最多几千米，包括支持植物的土壤和动植物赖以生存的矿物质，以及人类开采的化石燃料和矿石。
生物圈是一个错综复杂、相互联结的系统，容纳着生命所需的一切。所有这一切都被生物所利用，而且有可能永远被利用。生物圈的成分必须不间断地在自然界循环和再生。植物使空气净化、空气帮助水净化，而水和矿物又被动植物利用并回归自然,而后被再利用。
因此，生物圈是由两个相互交织的成分组成的：①无生命的外部能源——太阳——和必需的化学物质；②有生命的动植物界。生物圈又可以细分为具体的生态系统 （ecosystem），即某地区由所有生物（动植物）和自然要素（空气、水、土壤和化学物质）共同组成的自给单位。对一切生态系统而言，最重要的原则是一切事物都是相互联系的。对自然平衡的任何侵扰或阻断，都必然导致系统出现不良的反应。每种生物都占据生态系统中一处特殊的生态位 （ecological niche）或地方。在能量交换系统中，每种生物都起一定的作用，生物个体的存活是因为在这个环境中有其他生物的生存。问题不在于对生态位的认识，而在于预测系统的因果链以及某个生态位占有者受干扰后的调整。
生命依赖于流过生态系统的能量和养分。能量和物质从一种生物向另一种生物转移是食物链 （food chain）中的一环。食物链就是一个生物序列，如绿色植物—草食动物—肉食动物，能量和物质通过这个序列在生态系统中移动（图12.2）。大多数食物链有3—4个环节，虽然有些食物链只有2个环节——例如人类吃米饭。由于自然界中生态系统处于相互协调运行的连续循环之中，因此食物链无始无终。这里只有养分转移的不同阶段，各阶段食物链中每个较低水平的环节将其所含能量的一部分转移到下一个较高级的消费者中。
图 12.2 生态系统中食物的供应是一个“谁吃什么”的级序——创造食物链的级序。在这个简化的实例中，绿色植物是生产者（自养生物），利用养分和太阳能制造自己的食物。食草的野兔（初级消费者）直接以植物为食，而食肉的狐狸（第二级消费者）以野兔为食。食物链是复杂的食物网中的一条线，食物网就是存在于生态系统中的所有摄食关系。例如，老鼠可能以图中的植物为食，而老鼠又被该食物网中另一条食物链中的鹰捕食。
图12.2中的分解者 （decomposer）在维持食物链和生命循环中至关重要。它们使有机质——动物尸体与粪便、死亡的植物、废纸等——分解。分解过程中，物质的化学性质发生改变，其中所含养分变成有效态供动植物再利用。养分，即生物生长所需的矿物质和其他元素，永远不会被消灭；它们会从生物体移向非生物体，再回到生物体。我们躯体中所含养分曾经是其他生物的一部分，也许是一只野兔、一只鹰或一棵橡树。
生态系统中无论有没有人，都处于永恒的变化之中，但是人类对它的影响超过其他任何一个物种。起初人类对生态系统的影响很小，那时人口规模小，能耗与技术水平低。但是这种影响增长得非常迅速而且无处不在，以至于现在我们看到的是公认的各色生态危机。本章后面还要讨论人类对自然环境影响的一些问题。
12.2 对水的影响
水的供应是持续的。通过生物圈不断循环水的系统叫作水循环 （hydrologic cycle）（图12.3）。在水循环中，水的形式可能发生改变，但在自然环境中，水在再循环中被净化，因其适合于地球生态系统的性质而被再利用。蒸发、蒸腾（水蒸气从植物中散发出来）和降水是重新分配水分的机制。水蒸气在云中汇聚、凝结，然后再降落到地面，在地面上再蒸发、再蒸腾，以降水的形式再次降落。
图 12.3 水循环。太阳提供的能量使淡水和海水蒸发。空气中的水分达到饱和以前，水保持水蒸气的形态。大气层水分以固态或液态降水的形式回到地面，从而完成水循环。由于降水分布不均，水分不一定以同样的数量回到其蒸发的地区。大陆得到的水多于其损失。多余部分以地表水或地下水的形式回归海洋。但是，全球总是维持着水分平衡。
人类对水的依赖使我们早就开始努力控制水的供应。这种实践业已改变了江河的水量和水质。
水的可利用性
就全球范围而言，淡水资源很丰富。每年雨雪降落到各大陆的水分以830毫米厚的水层覆盖于陆地表面。每年从水循环中再生的淡水通常被认为足以满足现在世界人口5—10倍的需要。
然而，世界上许多地方水供应不足，而且水资源日趋减少。问题不在于全球的总水量，而在于它的分配（一个地区得到的平均降水量）和可靠性（降水的逐年变化）。区域水分充足的程度是用水人口规模以及人口对资源需求的函数。就全世界而论，灌溉农业用水占淡水使用量的70%，在最贫穷的国家里占90%（图12.4）。工业用水约占1/4（23%），其余为家庭与城市用水（饮用、洗浴和浇灌草坪等）。1950年以来，人类从河湖和地下含水层中提取的淡水增加了2倍以上（含水层就是地表以下水分饱和的砂砾层，它所含的水叫地下水，不同于河水和湖水之类的地表水）。
图 12.4 澳大利亚西部阿盖尔湖（Argyle）灌溉工程。1950年以来，该工程每年增加灌溉面积五六万平方千米。目前灌溉农业以其17%的耕地面积生产全世界40%的粮食。通常输送和灌溉到农田中的水量比农作物的实际需要多得多，浪费了大量的紧缺水资源。“滴灌”就是通过铺设在田间的有小孔的水管把水分直接递送到植物根部，这是一种减少用水量的方法。（Robert Frerck / Odyssey Productions ）
“短缺”是部分发达国家和发展中国家经常用以描述用水供应的词汇（图12.5）。灌溉用水不足周期性地危及农作物，并预示饥馑；常年性河流变成了间歇性河流；湖泊缩小；来自全世界的报道称地下水位急剧下降，水井干涸。据世界银行报道，威胁着粮食生产、经济发展、医疗卫生和环境保护的慢性缺水正折磨着80个国家。北非和中东10国正处于缺水的境地：这些国家所消耗的水量超过每年可更新的水量供应，抽取地下水的速度通常高于降雨给地下水的补给。
图 12.5 人均可更新淡水的可利用性。可更新水资源是指从河流、湖泊和地下含水层中得到的水。虽然美国有着数量巨大的淡水，但其使用量也是巨大的。用水量随人口的增长、生活标准的提高、灌溉农业的扩展，以及随之发展而来的工业与城市用水需求的增大而上升。世界上越来越多的地区水资源短缺，抑制了可持续发展，需要抉择是否对互相竞争的用户之间进行硬性分配。（编注：1立方英尺约等于0.0283立方米。）
资料来源：Student Atlas of World Geography, 3 / e, John Allen, Map 50, p. 63. McGraw-Hill / Dushkin, 2003.
全国性数据可能掩盖地方缺水问题。许多国家的主要产粮区过分抽取地下水，含水层的耗竭导致严重缺水及供水限制。
中国北方，水浇地和城市与工业增长对水资源的消耗十分巨大，以至于多数年份里黄河下游水流在进入黄海前就已经干涸。中国100多座大城市（多在北方）已经严重缺水。中国北方大部分地区地下水位每年下降1—2米。
世界人口第二大国——印度——抽取地下水的速率是再生速率的两倍。在一些地区，包括该国的“面包篮子”哈里亚纳邦和旁遮普邦，用水过多造成了地下水位下降和水井干涸。
乍得湖因气候干旱和从入流河抽水灌溉，面积严重缩小。该湖曾经是非洲第二大湖，1965年面积为2.5万平方千米，到2005年只有1500平方千米。
墨西哥最大的淡水水体查帕拉湖（Lake Chapala），自20世纪70年代以来已经损失了其入流水量的80%。该湖主要由莱尔马河（Rio Lerma）补给，但该河全部流量几乎都被引作灌溉和工业用水。墨西哥城地下水抽取的速度比其天然补给快40%，城市对此的反应是在20世纪内沉陷了9米。
美国也是这样，亚利桑那、新墨西哥、加利福尼亚和内华达等州的部分地区，地下水消耗的速度超过其更新速度。美国西南各州对重要地表水源科罗拉多河的依赖如此巨大，以至于该河（在墨西哥湾）入海时只剩下涓涓细流。灌渠和沟渠“吸吮”了河水，供西部7州和墨西哥北部使用。许多西部城市，包括丹佛和圣菲，为限制用水已经采取各种强制性措施。
奥加拉拉（Ogallala）含水层是美国最大的地下水储存库，为美国25%的水浇地提供灌溉用水，目前其消耗速率是补充速率的3倍（图12.6）。该含水层从南达科他州延伸到得克萨斯州西部，支持着美国近半数的养牛业、1/4的棉田，以及大量玉米和小麦的种植。目前有15万口井打入该含水层中，提水供灌溉、工业和家庭使用。
图 12.6 美国最大的地下水源，巨大的奥加拉拉含水层提供了全国灌溉用水量的1/4左右。该含水层南部水分消耗最为严重。那里，奥加拉拉从降雨中得到的补给寥寥无几。得克萨斯州的情况最令人担心，该州人口预期从2000年的2100万到2050年增加一倍。从1950年以来，该含水层容量已经减少了约1/3。
据联合国估计，到2015年全世界将有30亿人——预期世界人口的40%——生活在水资源不足的国家中，很难或根本不可能得到足够的水以满足其基本需要。这种必需资源的绝对短缺使开发商和环境主义者之间发生争执，各种用户——农业、工业和城市用户相互竞争。拉斯维加斯，这个美国发展最迅速的大都市，从科罗拉多河上的“水库”米德湖（Lake Mead）抽水以满足其对水的需求，但是目前该市实质上已经用光了它的份额。预期下一个10年内该地区人口将近倍增，南内华达州水务局不顾担忧土地会干涸的牧场主的反对，打算从附近农业县开发河水和地下水。在两三个国家分享一条河流的地方，关系更加紧张。例如，墨西哥对美国在科罗拉多河到达其国境之前用光河水感到愤怒；土耳其通过筑坝和灌溉农田，截取了底格里斯河和幼发拉底河河水，减少了下游叙利亚和伊拉克的用水量。
由于海洋含有看似无穷无尽的水，有人指望通过脱盐② （去除海水中的盐分和矿物质）作为解决水资源短缺的技术手段。然而，由于这种过程在经济上效益不高，所以它只能满足人类一小部分的需求。如果将来其成本降到足够低，脱盐也只能增加一些生活用水的供应，但未必能便宜到供应农业用水。
河流整治
为了防止泛滥、控制农业与城市聚落供水，或者为了发电，人们千百年来用拦河筑坝、开凿运河、建造水库等方法整治河流。虽然人们一般都能达到他们的目的，但是这些构筑物也会带来未曾料到的后果，如第5章所述。这些后果包括下游泥沙量减少，农作物与鱼类所需的养分减少，土壤的含盐量增加，以及地面沉陷等（见“灾难‘蓝图’：河流改道与咸海”专栏）。
专栏 12-1 灾难“蓝图”：河流改道与咸海
1960年，咸海还是世界上第四大内陆海，面积为6.45万平方千米，比西弗吉尼亚州还要大。现在咸海面积已经缩小到原来的一半以下，水量也只有原来的1/4。海平面下降了18米，而且一分为二：北咸海和南咸海。
这个内陆海的缩小，只是将其原有水源——阿姆河和锡尔河——几乎全部改道，使河水用以灌溉中亚农田的结果之一。其他后果还有：
随着水量减少，几千平方千米海床上留下污染废物。原来入流的河流被农田径流和未经处理的高含量化肥、农药、重金属和其他有毒化合物污染。目前南咸海被看作死海。由于不能生存在高盐、有毒的海水之中，20种已知鱼类全部死亡，商业性捕鱼业全面崩溃。过去一度是渔港和大众海滩的莫伊诺克（Mo'ynoq）现在距海100千米。过去曾是北岸主要港口的阿拉尔斯克（Aralsk）现在距海80千米。
猛烈的风暴从干涸的海床和邻近陆地上扬起含盐的粗砂和有毒化学品，沉降到几百千米以外的农田里，损害土壤的肥力。讽刺的是，让咸海为之做出牺牲的农作物——主要是棉花和水稻——本身也处于危险之中。
当地野生动物赖以生存的森林和湿地骤减。据估算，该流域3/4的野生物种已经消失。
受污染的水、土壤和空气威胁着当地人的健康。像霍乱、斑疹伤寒、胃癌和食道癌等严重疾病以及呼吸道疾病（哮喘和支气管炎）的发病率明显增加。流产率与出生缺陷率普遍增高，婴幼儿死亡率居世界首位。
为了拯救咸海，世界银行和哈萨克斯坦政府为锡尔河筑坝与修堤提供贷款。到2006年，咸海水位从海拔30米以下上升到38米，海面扩大了30%左右。若干年内，当海水恢复原有水位时，政府官员准备放养几百万尾鲟鱼、鲤鱼和其他咸海本土鱼类。或许将来终有一天可以改变这个“世界最大的人造环境灾难”。
渠道化 （channelization）是对河流整治的另一种方法，即修堤筑坝、裁弯取直、加宽挖深，以此控制洪水或改善航运。从全球看，有50万千米以上的河流经过疏浚和渠道化。世界上许多大河，包括密西西比河、尼罗河和黄河，已经建成河堤系统。这些河堤系统像水坝一样，可能产生不可预见的后果。河堤减少了自然蓄洪，加重了下游的洪峰，而且会造成过度的侵蚀。
直至1960年，佛罗里达州基西米（Kissimmee）河蜿蜒曲折流淌于基西米湖和奥基乔比（Okeechobee）湖之间的泛滥平原上（图12.7）。这里的生境供养着几百种鸟类、爬行类、哺乳类动物和鱼类。应开发商、牧场主和农民的要求——他们打算移居到这片湿地上，但受到河流泛滥倾向的烦扰——美国陆军工程兵团挖深河道，把166千米的曲流河裁直，变为只有90千米长的土质水渠。1971年水渠竣工，湿地消失，外来植物种入侵，鱼类大幅减少，90%的水禽（包括若干濒危种）消失。
图 12.7 佛罗里达州基西米河。工程兵团裁直河道之前（［a］）和之后（［b］）。河流过去供养成千种鱼类、水禽和林鹳、雪鹭以及大蓝鹭等涉禽。渠道化造成奥基乔比湖和大沼泽的退化。美国联邦政府和佛罗里达州政府不得不启动一项长期工程，把基西米河恢复为曲流河道。
资料来源：Courtesy of South Florida Water Management District .
渠道化和筑坝是人类经过深思熟虑后为整治河流格局所做的努力。但是，人类另外几种活动也对河流水文产生重大影响。例如城市化产生了重大的水文影响，包括降低地下水位、污染、增强洪水径流。同样的，去除森林覆盖使径流量增加、促进洪峰突发、降低地下水位和加速侵蚀。
尽管如此，人类对水的负面影响主要是在水质方面。人们抽取河水、湖水和地下水用于饮食、洗浴、农业、工业和许多其他目的。尽管所提取的水又回归水循环，但其并不总能保持被提取时的状态。水和生态系统其他部分一样，也常常面临严重的污染问题。
水质
因人类造成的环境污染 （environmental pollution），其广义的定义是进入生物圈的废物，由于其体积、组成或二者兼有，而不能被自然过程迅速分解的过程。对水而言，污染的核心概念是由于一种或多种物质存在于水体中，使水的组成发生改变，达到不能用于某种目的或降低了其自然状态下的适用性的程度。水污染是指排放到水中的物质造成水的化学性质或物理性质发生不利的改变，或者造成生活在其中的生物在数量和质量上发生不利的改变。污染是一个相对的词语，不适于饮用的水可能完全满足洒扫街道的要求，对鱼类污染严重的水可能为某些水生植物提供可生存的环境。
人类活动不是造成水污染的唯一原因。落叶腐烂、动物粪便、油苗渗出等自然现象也可能影响水质，但是，有些自然过程能够处理这种污染。水中生物能够降解、吸收和分散此类物质，使之降低到自然水平。天然污染物超过受纳水体净化能力的情况比较少见。目前的情况是人类排放污染物的数量常常超过某个水体的自净能力。此外，人类还引进各种污染物，如金属和其他无机物。天然生物需要很长时间才能将其破坏或根本不能破坏。
只要地球上存在人类，就会有污染。因此，问题就不是消灭污染，而是要控制它。这种控制生死攸关。水媒病原体和污染每年导致几百万人死亡（大多为儿童）。人们死于痢疾和与水有关的疾病，如霍乱和伤寒。
水污染的四大“元凶”是农业、工业、矿业和城市住宅区，将其分为点源污染 （point source of pollution）与非点源污染 （nonpoint source of pollution）是有用的。正如其名称本身所表示的那样，点源是在特定地点进入环境的，如污水处理设施或工业排放管道。非点源较分散，因而也更难控制，例如来自农田径流和在道路上撒化冰盐。
农业水污染源
就全世界而言，农业对水污染的“贡献”可能比其他任何单项活动都大。在美国，据估计农业占造成河流污染原因的2/3。农业径流携带3种主要污染物：化肥、生物杀灭剂和动物粪便。
化肥
农业是造成水体过度营养的主要原因。当所施用化肥以及动物粪肥中的氮和磷排入江河，最后积聚在池沼、湖泊和河口湾时，就会出现污染。养分加速了富营养化 （eutrophication），即水体中养分富集的过程。当周围地区的营养物质被冲刷进水中时，也会自然地出现富营养化，但是，当物质来源是商业肥料之类人为的富集营养物时，水体就可能负荷过重的营养物。藻类和其他植物受刺激而大量生长，阻断其他生物生长所需要的阳光。当这些藻类等生物死亡分解后会使水中溶解氧水平下降，进而使不能忍受缺氧状态的鱼类和植物窒息死亡。
据估计，在世界范围内，北美、欧洲和东南亚有50%、南美有40%、非洲有28%的湖泊和水库受到这种加速富营养化的影响。富营养湖泊的症状是杂草疯长、藻类繁茂、鱼类死亡、湖底沉积物迅速堆积、水体腐臭。
虽然污水处理厂、暴雨径流和空气污染也提供刺激藻类生长的氮和磷，但是高营养水平的农业径流才是世界上超过30个“死亡带”形成的原因。“死亡带”是严重缺氧、鱼蟹等水生动物无法存活的地区。世界上最大的死亡带在波罗的海、黑海和路易斯安那州沿岸的墨西哥湾北部海域（图12.8）。这些地带的大小逐年不同，夏季随着水温增高和太阳辐射增强而达到峰值，形成藻华。
图 12.8 2001年墨西哥湾中的“死亡带”覆盖了大约2.3万平方千米，相当于马萨诸塞州的面积。人们认为来自农业径流的营养物质是造成该海域缺氧的关键因素。营养物质为夏季兴盛的藻类种群供给营养。藻类死亡后沉入墨西哥湾海底，分解并耗尽海床附近的氧气，剩余的少量氧气难以支撑生命。
生物杀灭剂
农业上使用的除草剂和杀虫剂 （pesticide）是水体化学污染的另一来源。施用过生物杀灭剂的农田径流污染着地下水和地表水。与生物杀灭剂使用相关联的问题之一，是人们对这种用法的长期效应并不总能立即了解到。例如，人们使用DDT多年之后，才发现它对鸟类、鱼类和水生植物的影响。另一问题是，现在广泛使用的成千种此类产品，包含600多种活性成分，但只有很少几种经环境保护局做过安全检查。最后，在这些化学品不再被使用后，即使过了很长时间，被淋洗到地下含水层中的生物杀灭剂可能仍然停留在那里。虽然美国自20世纪60年代后期起禁止使用DDT，但迄今水体中仍然检测到它的存在。
动物粪便
最后一种农业上的化学污染源是动物粪便，在集约饲养动物的国家尤其如此。问题存在于两方面：其一是在饲养场，牲口在屠宰前被高度密集育肥；其二是在工厂式的农场里，牛肉、猪肉和家禽产品日益集中生产（图12.9）。美国的农场和大型饲养场产出大量粪肥——每天近30亿吨，但通常没有污水处理设施。处理方法主要是将粪肥排放到防渗漏水池内，随后喷洒到周围田地上，粪肥可能从那里被淋滤到地下水和河流中。
图 12.9 俄亥俄州一处工业化养猪场的运作。（a）照片中的工业化养猪场中，几千头猪在长方形大型畜棚中被喂养四五个月，长到120千克。（b）猪粪尿通过地面水槽被冲洗到管道和沟渠中，进入室外坑塘中。这些废物携带病原体和来自动物饲料的多余营养物质，特别是高浓度的氮和磷，污染附近的土壤和水。（［a ］© Larry Lefever / Grant Heilman Photography, Inc. ［b ］© Keith Myers / The New York Times ）
有人怀疑因喷洒粪肥造成的水污染是切萨皮克湾微生物噬鱼费氏藻（Pfiesteria piscicida ）爆发的原因。这些单细胞藻类在粪肥高水平氮磷环境中高速增殖并变得有毒。粪肥来自马里兰州、弗吉尼亚州和北卡罗来纳州大型家禽养殖场和养猪场。有害费氏藻已经毒死成百万尾鱼，还有证据显示这种微生物可使人类致病。
其他水污染源
如上文所述，农业只是人类活动造成水污染的原因之一。其他污染源是工业、矿业、城市居民区。
工业
在发达国家，工业对水污染的“贡献”可能与农业一样大。许多工业把有机和无机污染物排放到水体中。这些污染物可能是酸，也可能是汞和砷之类的剧毒金属，或是炼油工业产生的有毒有机化学品。核电工业的放射性废料从海底或地下埋藏罐中渗出时也造成某种水污染。
这些污染可能具有多方面的效应。不适于生活在污染水体中的生物可能死亡；受污染的水可能变得不宜用于家居或灌溉；废物可能进入食物链，对人类有毒害作用。在国际上成为工业污染威胁的焦点、最声名狼藉的污染案例之一，是40年前出现在日本西南部水俁村的事件。一家使用氯化汞的化工厂在加工过程中把废汞排放到水俁湾，氯化汞沉积到淤泥中。汞被以淤泥中的生物为食的鱼吸收，并在鱼体内富集。然后，鱼类又被人摄食。这一事件的死亡人数超过700，另有至少9000人致畸或其他永久性残疾。
美国也存在汞污染。环境保护局报告称，事实上全国所有湖泊和河流均被汞污染，48个州都发布了有关吃鱼的忠告。汞作为燃煤发电厂的副产物，随风飘扬到河流湖泊中，被鱼类和贝类吸收。发电厂集中的东北部和中西部问题最为严重。
在美国，已经排放到水中的污染物中包括多氯联苯 （polychlorinated biphenyls，PCBs），这是作为管道滑润剂和用于各种电气设备、油漆和塑料中的一类化学品。许多公司在加工过程中把多氯联苯倾倒进河流中，致使其从那里进入食物链。有几个州已经禁止在一些河流湖泊中进行商业捕鱼，因为鱼体内多氯联苯含量高于有关部门认为安全食用的水平。虽然多氯联苯对人体健康的影响尚未完全清楚，但其可能和出生缺陷、免疫系统伤害、肝病和癌症有关。1977年环境保护局禁止把多氯联苯直接倾倒到美国水体中，但由于多氯联苯并不立即分解，因此仍有大量此类化学品残存于水体中。
最近，高氯酸盐和氯乙烯也被列为地下含水层和水井的污染物。高氯酸盐是火箭燃料的主要成分，氯乙烯用以制造塑料管、家具和室内装潢。受污染的水用于饮用、洗浴或烹饪能导致肝癌、神经伤害、血液循环疾病和皮肤损伤。
石油工业是水化学污染的重要原因。海洋日益受到石油的污染。虽然像1989年瓦尔迪兹号（Exxon Valdez ）油轮那样的大规模石油泄漏吸引了公众的注意，但较小规模的泄漏造成每年成百万升石油“例行公事”地倾倒入美国的水体中。通常有一半以上的石油来自油轮和驳船，其中多半与海难中船体断裂相关。其余大多来自炼油厂漏油、冲洗储油罐、排放含油压仓水和海底钻探平台漏油等。作为大范围海底钻探场的墨西哥湾是世界上污染最严重的大水体之一。
酸沉降（通常叫作酸雨）来自工厂、发电厂和汽车尾气排放的副产物，影响着世界上成千上万湖泊和河流的水质与生态系统。由于酸沉降是空气污染造成的，因此本章后面还要对其进行讨论（见“酸雨”一节）。
许多工业过程和电力生产需要用水作为冷却剂。被加热了的水回到环境中就出现热污染 （thermal pollution），对水体中的动植物产生不良影响。如果热废水温度明显高于受纳水体，就可能破坏鱼类种群的生长、繁殖和洄游。甚至只有几度的水温变化也使许多植物和鱼类不能存活。它们不是死亡就是被迫迁徙，以其为食的物种也是如此。食物链就这样被破坏了。此外，水温越高，氧气含量越少，这意味着只有较低等级的动植物才能生存。
矿业
煤矿、铜矿、金矿、铀矿和其他矿物的露天开采所产生的废弃物造成水源污染。雨水与矿山废弃物发生反应，溶出矿物质，渗入邻近水体。所发生确切的化学变化取决于煤和矿渣的成分，以及矿物与沉积物或河水之间的反应。
例如，堆浸法③ 是将大量氰化物倾倒到低品位矿石堆上来提取金。许多国家，包括美国、秘鲁、罗马尼亚、坦桑尼亚和印度尼西亚的大型矿业公司，都使用这种较新式的技术。这些公司把大量含氰化物的废物倾倒到河流中，造成水污染。这些污染物除了改变水质以外，还给土壤、植被和动物带来次生影响。例如，美国西部各州，如亚利桑那州、内华达州和加利福尼亚州，每年都有成千种栖息于金矿湖沼中的动物和候鸟因饮用了被氰化物污染的水而死亡。
亚马孙河及其支流水源也发生同样的污染，但污染物是汞而不是氰化物。因为汞本身附着在金子上，所以可以把金从土壤和岩石中分离出来。据估计，巴西、委内瑞拉和相邻各国有50万被称为“露天矿勘探者”（garimpeiros）④ 的由独立矿工组成的合作团体使用这种有毒液体采金。他们把矿石从河床里挖掘出来，碾碎矿石后把汞倒在上面，用手把汞挤出来，然后焚烧混合物，让多余的汞蒸发掉。这样开采金矿，估计每年要把大约100吨汞排放到亚马孙河中，毒化河水，使鱼类中毒，另有100吨汞蒸发到大气层。由于可能要几十年，河水中汞的浓度才达到中毒水平，因此，汞对河流的污染就像一颗定时炸弹，许多年内亚马孙流域汞中毒的全部效应可能不为人知。然而，已经查明的是，有很高比例的矿工通过接触和吸入，体内汞浓度已达极高水平。还查明，他们和其他人通过吃鱼也遭到汞的污染。
城市和居民区
许多污染物来自与城市化有关的活动。洗涤剂的使用增加了河流中磷的含量，用于道路防冻的盐类增加了径流中氯化物的含量。城市地区的径流中含有垃圾、动物粪便、树叶和车辆漏油带来的污染物。由于污染源多种多样，因此任何一个地区的水源都常常受到多种污染物影响使水污染控制问题变得很复杂。
受污染的饮用水井遍及美国半数以上的州。垃圾填埋、汽油与其他燃料油储罐破裂、化粪池破裂，以及农田喷洒杀虫剂和除草剂，使化学品渗入地下含水层而进入地下水。含水层污染特别麻烦，因为地下水与地表水不同，其自我净化能力很低，污染能保存几个世纪。
污水也是主要水污染源，这取决于污水排放前是否得到良好的处理。它不单和环境有关，还直接影响人的健康。未经处理的人类粪便含有导致痢疾、肝炎、脊髓灰质炎（小儿麻痹症）、脊膜炎和其他疾病的病毒。
虽然最发达国家城市废水处理日渐增加，但发展中国家90%以上的污水未经任何处理就被直接排放到江河、湖泊和沿海水体中。对俄罗斯200条主要河流的调查表明，其中80%受到原生污水的污染，含有危险程度很高的细菌和滤过性病毒。印度全部地表水至少有70%受污染，因为其3000多座城市里至多只有200座有完备或部分的污水收集和处理设施。
虽然污水处理厂遍及美国，但只有一半美国人居住在符合联邦《清洁水法》（Clean Water Act）所规定最低目标设施的社区。1100座城市里老化的下水道系统仍然把处理很差的污水排放到河流、湖泊和海洋中。当佛罗里达州戴德县（Dade County）下水道系统周期性破裂的时候，成百万升原生污水泄入迈阿密河，在迈阿密市区排入比斯坎湾（Biscayne Bay）。同样的，未经处理的污水从老化的污水处理厂溢流入五大湖中，湖滩也因此遭到污染而被关闭。
在许多社区，如果含有动物粪便、街道垃圾和草坪化学品的雨水涌进下水道，那么在大雨后会出现特殊的问题。由于污水处理厂超负荷，暴雨径流和原生污水一起流入河流、海湾和海洋中。仅纽约市就有500多个排洪口，每年把大约2460亿升未经处理的污水（约占该市污水总量的10%）排入哈得孙河和长岛海峡。除此以外，美国东部、中西部和西北部1200座城市也有和暴雨溢流系统相结合的污水网络。
控制水污染
近几十年来，对污染日益严重的关切已在美国和其他国家引发了对一些地表水体水质较大的改善。1972年美国联邦政府在调控水污染方面率先制定了《清洁水法》。其目标为“恢复、维持本国水体的化学、物理和生物的完整性”。国会针对每一类主要污染工业，建立了全国性统一管理制度，规定政府支付新建污水处理厂的大部分费用。自1972年以来，美国建立了服务于8000万人的污水处理厂，工业界花费了几十亿美元按照《清洁水法》减少有机废物排放。
这些成绩令人印象深刻。许多在生态学上已经死亡和正在死亡的河流、湖泊重现生机。一度成为各种生活垃圾和工业垃圾倾倒场的哈得孙河、波托马克河、凯霍加河与特里尼蒂河变得比过去更干净、更有吸引力和生产力了。人们现在可以在这些河流上进行垂钓捕鱼、游泳和划船等娱乐活动。同样的，西雅图的华盛顿湖和五大湖也比20年前更健康了。最近，有关当局宣布了几项雄心勃勃的计划，要清洁本国最大的河口——切萨皮克湾——的水体，并通过改善基西米河和奥基乔比湖的水质来消除对佛罗里达大沼泽造成的伤害。
其他国家环境意识的提高也促进了立法和相关行动的实施。例如，英国南部因排入污水和工业废物而被严重污染的泰晤士河，现在处于几个世纪以来最清洁的时候。严格的污染控制标准的执行停止了水质下降的趋势。藻类、海草、鱼类和野禽又大量回归河中。
甚至地中海也进入逐步康复之途。1976年周边18国签署了《保护地中海免受污染公约》（Convention for the Protection of the Mediterranean Sea against Pollution）。那时所有沿岸城市都把未经处理的污水倾倒入海，油轮喷出含油废物，成吨的磷、洗涤剂、铅和其他物质污染着海水。现在，许多城市建立了或正在建立污水处理厂，禁止轮船随意倾倒污水，有些国家政府开始实行对陆地污染源的控制。
我们不应为这些进展所误导。尽管有些最严重的问题已经得到处理，但是根据美国国家环境保护局的资料，美国50%的河口湾、45%的湖泊和39%的河流仍然受到污染。解决水污染问题取决于对城市、工业废物的有效处理；取决于对来自农业、矿业和林业的化学径流的控制；还取决于对低污染技术的开发。虽然污染控制项目代价高昂，但污染的长期代价更高。
12.3 对空气和气候的影响
对流层，即地表上面薄薄的一层空气，包含着我们呼吸的所有空气。每天都有成千吨污染物被车辆、焚化炉、工厂和飞机排入空气中。当空气中所含物质的浓度足以对生物造成有害影响时，空气就被污染了。
空气污染物
可能从来就不存在真正纯净的空气。就像存在着天然的水污染源一样，即使人类不向空气中加入任何物质，也会有一些物质使空气遭到污染。火山爆发产生的灰尘、沼泽气体、林火产生的烟气，以及被风吹扬的尘埃，都是天然的空气污染源。
这些污染物通常数量很少，而且充分扩散到整个大气层。一座大火山偶尔爆发可能产生非常多的灰尘，以至于大气层发生短期的改变。一般来说，天然的空气污染源不会对空气造成长期的明显影响，而且，空气就像水一样，也能够自行净化这种污染。
人类排放到空气中的物质远比自然界产生的污染物更多。这些人为污染物主要是燃烧化石燃料（煤、天然气和石油）和其他物质造成的。发电厂、许多工厂、家庭炉灶、小汽车、卡车、公共汽车和飞机都燃烧化石燃料。科学家估计，所有空气污染物中3/4来自化石燃料燃烧。此外，其余污染物大多为工业过程造成，如焚化固体垃圾、森林与农田起火和溶剂蒸发。图12.10描述了主要的空气污染源。表12.1总结了6种大量排放的污染物的主要来源。这些原生污染物一旦进入大气层，就有可能和其他原生污染物或水蒸气等正常大气成分发生反应，生成次生污染物。
图 12.10 美国原生空气污染物来源。原生空气污染物就是直接排入大气层的物质，其数量足以对人类健康或对环境造成不良影响。交通运输是人类造成空气污染最大的单项来源，其次是使用燃料的发电厂和工厂等固定源。
资料来源：Redrawn from Biosphere 2000, by Donald G. Kaufman and Cecilia M. Franz (NY: HarperCollins College Publishers, 1993, Fig. 14.3, p. 251) .
污染物类型
符号
主要来源
二氧化碳
CO2
化石燃料燃烧
一氧化碳
CO
大多为车辆化石燃料不完全燃烧
碳氢化合物
HC
化石燃料燃烧，石油化工厂
氮氧化物
NOx
运输车辆，发电厂
颗粒物
－
汽车尾气，炼油厂，燃煤发电厂，耕种与建筑作业
硫氧化物
SOx
含硫燃料（特别是煤炭）燃烧
空气污染是一个全球性问题。世界卫生组织新近一项研究断定，11亿以上居住在城市地区的人呼吸着不健康的空气。发展中国家中大约有6.25亿人生活在被认为不可接受的二氧化硫水平中，12.5亿人生活在不可接受的烟尘和其他颗粒物水平中。居住在墨西哥城、开罗、德里、首尔、北京和雅加达等特大城市的居民，处于呼吸特别恶劣空气的危险之中。
污浊的空气也和受污染的水一样致命。据世界卫生组织估计，每年至少有300万人因空气污染致病而死。
影响空气污染的因素
影响一地空气污染类型和程度的因素很多。相对而言，人类难以控制的因素有气候、天气、风的类型和地形等。这些因素决定着污染物是被吹往他方，还是就地积聚。总体来说，位于平原上的城市比谷地中的城市遭到污染物积聚的可能性要小。
不寻常的天气可能改变污染物扩散的正常模式。逆温现象加强了空气污染的效应。在正常状况下，空气温度从地表往上降低。但是，一层干暖空气稳定地覆盖在地表上空，将妨碍暖空气从下面正常上升和变冷。如第4章所述（图4.10和“多诺拉惨剧”专栏），逆温出现时空气变得停滞不动。污染物积聚在最下层而不是被吹走，空气污染变得越来越严重。逆温通常只持续几小时，尽管有些地方经常出现这种情况。洛杉矶秋季常出现逆温，丹佛则多在冬季。如果逆温徘徊时间足够长——超过几天，空气污染物就会积聚到严重影响人类健康的程度。
某地形成的空气污染物可能在几百千米以外产生最严重的影响，因为大气环流能无视政治界限让污染物自由迁移。因此，康涅狄格州和马萨诸塞州部分地区能够感受到纽约市最严重的空气污染带来的影响。产生烟雾的化学反应要历经几小时，这时，气流已把污染物携带到纽约以外。纽约也以同样方式接受产生自其他地方的污染物。影响新英格兰地区和加拿大东部的酸雨，大多来源于五大湖地区和俄亥俄河谷的极高烟囱中飘散过来的硫化物。而俄罗斯和欧洲基于燃煤的工业产生的硫、碳和其他污染物，被气流传输到北极圈地面，在那里造成被称为“北极霾” （Arctic haze）的污染。
某一地区影响空气污染类型和程度的其他因素是当地城市化和工业化的水平。人口密度、交通密度、工业类型与密度和家庭供暖方式共同决定着一个地区所排放到空气中的物质的类型。一般而言，一个地区城市化和工业化程度越高，其就越应对污染负责。为改良或扩大耕地而烧荒，加上城市与工业迅速发展——这是发展中国家广大地区日益普遍的现象——造成广泛的大气污染。例如，全彩卫星照相机定期地揭示一条近乎连续的烟雾带——由煤烟、有机化合物、灰尘和其他空气垃圾组成，厚达3.2千米，绵延于印度、孟加拉国和东南亚的大部分地区。
污染源如此多样而多变，我们不能在本章中全都讨论。鉴于此，我们先来研究3种空气污染类型及其有关的效应。
酸雨
虽然酸沉降是更精确的描述，但更普遍使用的是酸雨 （acid rain）一词，用以描述化石燃料燃烧产生的污染物，主要为硫和氮的氧化物。它们在大气层中传输时发生化学变化，最后成为酸雨、酸雪、酸雾或酸尘降落到地面。这些污染物的主要来源是车辆、各种工厂、发电厂和矿冶设施。二氧化硫被大气层中的水蒸气吸收，变成具高度腐蚀性的硫酸。二氧化硫对雨水中酸的“贡献”占2/3。大约有1/3的酸来自在大气层中转化为硝酸的氮氧化物。
一旦污染物在空气中产生，就能被风携带到几百千米之外，沉降到远离其源头的地方。在北美，最盛行的风是西风，这意味着降落到东海岸和加拿大东部的大多数酸雨来源于中部和中西部以北的10个州（图12.11）。同样，产生于英国、法国和德国空气中的污染物造成了斯堪的纳维亚半岛的酸化问题。
图 12.11 酸沉降的源地和当前有问题的地区。盛行风能把酸沉降带到远离其源地的地方。降水中的酸损害土壤、植被、水生生物和建筑物。
资料来源：Student Atlas of World Geography, 3d ed., John Allen, Map 46, p. 59. McGraw-Hill / Dushkin, 2003 .
酸雨有3种效应：陆地的、水体的和物质的。酸改变土壤和水的pH值 （pH factor，一种0—14的酸碱性等级），引起一系列化学反应和相关的生物链反应（图12.12）。要注意pH值是一种对数尺度，即尺度上的每一级都代表10倍。因此，4.0就比5.0酸10倍，比6.0酸100倍。正常雨水的平均pH值为5.6，归为微酸性一类，不过曾经记录到pH值为1.5的酸雨（远比食醋和柠檬汁酸性强）。
图 12.12 酸雨的形成。化石燃料燃烧产生的二氧化硫和氮氧化物转化为硫酸盐和硝酸盐颗粒，这些颗粒和水蒸气发生反应，形成硫酸和硝酸，然后降落到地表。
资料来源：Redrawn from Biosphere 2000 , by Donald G. Kaufman and Cecilia M. Franz (NY: HarperCollins College Publishers, 1993, Fig. 14.5, p. 259) .
酸沉降通过对土壤的酸化以及将铝和有毒重金属镉与铅等颗粒覆盖在地面上而危害土壤和植被。酸沉降杀死土壤中分解有机质和使营养物质通过生态系统再循环的微生物。美国东部、北欧和西欧、俄罗斯和中国的森林已经遭到严重伤害。
酸雨对水生生态系统的影响是多方面的。湖泊或河流的酸度无需增加很多就会开始干扰鱼类繁殖的早期阶段。同样，由于酸化杀死鱼类赖以为食的植物和昆虫，食物链也被中断。美国、加拿大和斯堪的纳维亚半岛成千上万的湖泊和河流中鱼类的消失以及其他地方鱼类减少被认为同酸雨有关。内华达山脉、喀斯喀特山脉、落基山脉和阿迪朗达克山脉等地的高海拔河流、湖泊和池沼也面临高酸度的慢性伤害。
建筑物和纪念碑见证了大气中酸的实质性影响。酸腐蚀着许多建筑材料，包括大理石、石灰石、钢铁和青铜（图12.13）。世界范围内，成千上万的建筑物正在被酸沉降缓慢地溶蚀。
图 12.13 法国兰斯市（Reims）教堂这座石灰岩雕塑见证了酸雨的破坏作用。硫酸把石灰岩转化为石膏，使其在多年同雨水接触中被冲刷掉。（© William E. Ferguson ）
光化学烟雾
二氧化硫是酸雨的罪魁，而氮的氧化物则是形成光化学烟雾 （photochemical smog）的祸首。这种空气污染类型的形成，是由于氮氧化物和空气中水蒸气里的氧气发生反应，生成二氧化氮。后者在日光下同汽车尾气与工业废气中的碳氢化合物反应，生成像臭氧 （ozone）之类的新化合物。光化学烟雾的主要成分——臭氧分子由3个而不是2个氧原子组成。天气干暖而环流微弱有利于臭氧形成。天气越热，日光越强，臭氧与烟雾形成越多。因此一般说来，夏季臭氧产生多于其他季节。
由于氮氧化物和碳氢化合物主要来源于机动车辆和工业，所以光化学烟雾多属城市问题。任何地方，光化学烟雾问题的严重程度都取决于气候、地形和交通状况。此类烟雾世界各地均有发生，影响着许多城市，如土耳其的安卡拉、印度的新德里、墨西哥的墨西哥城和智利的圣地亚哥。据世界银行报道，亚洲烟雾最严重的16座城市都在中国。
大约有1.6亿美国人，即一半以上美国人口，居住在不符合2004年6月生效的联邦地面臭氧标准的地方。加利福尼亚州温暖阳光的气候和地形特别有利于臭氧的生成（图12.14）。加利福尼亚州的河谷被山地环绕，空气污染保留在盆地中。出现逆温时，污染物被有效地截留而不能逃逸到大气层中去。一半以上的加拿大人也和对面的美国人一样，居住在臭氧污染水平超标的地方。从温莎到魁北克之间的区域空气质量最差（图12.15）。近一半臭氧是就地产生的，另一半来自俄亥俄河谷、克里夫兰和底特律地区。
图 12.14 洛杉矶（a）晴天；（b）被光化学烟雾掩盖。空气停滞在城市上空时，汽车与工业废气越积越多，减弱下午的阳光，变成阴暗的霾，使臭氧水平剧增。《清洁空气法》的要求和对汽车排气更严格的规定已令臭氧峰值降低到1955年水平的1/4。（［a ］© Gregory Mancuso / Stock Boston; ［b ］© Robert Landau / Corbis Images ）
图 12.15 美国和加拿大受烟雾污染最严重的城市。本图仅标示两国臭氧污染水平最高的20座城市。尽管近年来有害的排放明显减少，但就每年“坏空气”天数而言，洛杉矶仍然是美国臭氧污染最重的城市。而且，有些烟雾污染最严重的情况也出现在美国得克萨斯州休斯敦和达拉斯-沃斯堡。在加拿大的20座城市中，有10座位于温莎至魁北克廊道上，受到来自美国的越境污染。
资料来源：American Lung Association, Environment Canada .
光化学烟雾既伤害人类健康又伤害植被。长期暴露于烟雾中会对人的肺部造成永久性伤害，使之过早老化，而且据信会增加哮喘、支气管炎、肺炎和肺气肿之类的发病率。由于儿童呼吸道较短小，而且免疫系统不如成人发育成熟，所以他们尤其容易受到空气污染的伤害。
臭氧除了对人类有影响以外，也伤害植被。即使是百万分之一的低浓度也会对树木、植物和农作物造成伤害。虽然烟雾是城市工业中心产生的，但是对其下风向地区也有影响。日本东京和大阪、中国北京、巴基斯坦卡拉奇和美国加利福尼亚州洛杉矶等城市下风向的森林就受到与光化学烟雾有关的伤害。
臭氧层损耗
虽然臭氧在近地层是一种有害污染物，但对大气层却至关重要。在地面以上大约10—24千米的高度上，臭氧形成一个叫作臭氧层 （ozone layer）的保护层，它护卫着地球上所有生命免遭来自太阳的致命紫外线（ultraviolet，UV）的过度辐射。越来越多的证据显示，各种化学品的排放正在破坏臭氧层。其中最重要的一类合成化学物质是1931年开发的氯氟碳 （chlorofluorocarbons，CFCs）。成百种产品中含有氯氟碳。它被用作冰箱和空调器中的冷却剂，用作气溶胶喷雾剂，用作塑料泡沫包装、家居绝缘和室内装潢材料等。它还以液化形式用于外科手术工具的消毒，清洗电脑芯片和其他微电子设备。
另一些与臭氧层损耗有关的是用于灭火器中的哈龙（halon），用作溶剂和清洁剂的四氯化碳和甲基氯仿，以及用于土壤和谷仓消毒以及熏蒸易腐货物的杀虫剂溴化甲烷。不过，氯氟碳远比这些都重要。
这些气体释放到空气中后，穿过低层大气，在7—15年内上升到平流层（图12.16）。在那里，这些气体分子被紫外线辐射破坏，产生游离的氯原子和溴原子。经过一定时间，一个这样的原子就能破坏成千上万个（如果不是无限多个）臭氧分子。
图 12.16 臭氧层如何消失。释放到空气中的氯氟碳和哈龙通过对流层时（如同大多数污染物那样）并不分解并最终进入平流层。一旦到达臭氧层，氯氟碳和哈龙就被紫外线分解，释放出氯（来自氯氟碳）和溴。这些元素随后破坏臭氧分子，将其分解为氧分子，由此破坏臭氧层。
每年7月开始，南极上空大气层的臭氧损失就增多。1985年研究人员发现南极上空臭氧层中今天人所共知的“空洞”（实际上是一个低浓度臭氧区），其大小和美国大陆相当，并向北延伸，远达南美洲有人居住的地区（图12.17）。臭氧损耗在8—9月加强，直至10月温度上升，风向改变，臭氧亏缺的空气与周围大气相混合使损耗逐渐停止。北极上空臭氧层的损耗虽然较不令人注目，但也很严重，而1978年以来中纬度上空的臭氧层也显著变薄。
图 12.17 2003年9月16日南半球上空臭氧层损耗情况。影像下面的色阶表示臭氧总水平。重大损耗区域面积大小逐年不同。2003年记录的臭氧空洞近于2900万平方千米。虽然南极洲上空的臭氧层损耗特别严重，但在世界上其他地方也已观察到平流层中臭氧浓度下降的现象。（© National Centers for Environmental Prediction, NOAA ）
臭氧层的损耗让更多的紫外辐射抵达地表。人类接受的紫外线辐射增多，提高了皮肤癌的发病率，同时由于紫外线辐射抑制了身体的防御机制，也增加了罹患各种传染病的风险。由于紫外线辐射还对植物细胞和组织造成伤害，因此其还可能造成农业减产。最严重的损害可能出现在海洋中。紫外线辐射量的增加，影响光合作用和被称为浮游植物的微小植物的代谢作用。这些浮游植物就繁衍在南大洋海面之下，构成海洋食物链的基础，而且在地球二氧化碳循环中起核心作用。
根据1987年由160国签署的一项国际协议——《关于消耗臭氧层物质的蒙特利尔议定书》（Montreal Protocol on the Depletion of the Ozone Layer，以下简称《蒙特利尔议定书》），氯氟碳和其他臭氧层损耗物的生产正在被逐步淘汰。该协议要求发达国家在1996年1月1日之前停止生产和消费氯氟碳、四氯化碳、哈龙和甲基氯仿，发展中国家在2010年之前停止生产。《蒙特利尔议定书》使氯氟碳的产量急剧下降。到1998年其产量已比10年前的峰值减少了90%。下层大气中溴的浓度从1998年到2003年下降了5%。
即使所有国家最后都执行了《蒙特利尔议定书》，但由于过去的排放，未来若干年内这些物质仍将继续造成臭氧降解。两种使用最广泛的氯氟碳仍停留在平流层中，且会在漫长的120年时间里继续分解臭氧分子。所以，无法期待到21世纪末时臭氧层能够完全恢复。
控制空气污染
近年来，多方面的进展给人们带来了逆转空气质量下降局面的希望。1970年以来，汽油中铅的总量减少了75%。若干国家，包括发达国家和发展中国家在内，从市场上取缔了加铅汽油。其他许多国家也减少了汽油中的含铅量和（或）引进了不含铅汽油。这种进展意义重大，因为，接触含铅汽油燃烧释放到大气层的微粒状铅，会导致智力缺陷、高血压，并增加心脏病发作和中风的风险。
如前所述，1987年《蒙特利尔议定书》提倡全球努力淘汰氯氟碳生产，以保护臭氧层。此协议曾经引起重大分歧。该议定书及其修正案禁止工业化国家生产氯氟碳。到1999年，世界氯氟碳生产总量已从1988年的峰值下降了88%。下降最显著的是欧盟和美国，而实际上，截至2005年，氯氟碳的消费在中国、印度和其他发展中国家仍在上升。
另一项成功的协议是1979年《长程跨界空气污染公约》（Convention on Long-Range Trans-boundary Air Pollution），由33个欧洲和北美国家签署，旨在减少氮氧化物和二氧化硫的排放。例如，由于奥地利、西德、瑞典和挪威等国已将他们的二氧化硫排放减少了50%以上，所以20世纪80年代欧洲的空气污染已经减少。氮氧化物的排放则被证明比较难控制。
美国近几十年来在净化空气方面取得了明显进步。一系列“清洁空气法”（1963、1965、1970、1977）和修正案确定了主要污染物，并建立了全国空气质量标准。国会经过多年辩论之后，于1990年通过了迄今最彻底的《清洁空气法》。该法案宣布要通过减少可能排放的空气污染物量来保护人体健康和环境，并制定了达到那些目标的时间表。主要条款要求：
通过设立空气中颗粒物和臭氧浓度允许标准以减少城市烟雾；
在污染最严重的城市使用清洁燃料；
降低机动车辆氮氧化物和碳氢化合物的排放；
要求公共部门减少氮氧化物和二氧化硫的排放。
尽管美国人口、经济和机动车数量有所增加，但全国空气比第一个“清洁空气法”颁布时更干净了。1985年以来，铅的排放量降低了98%，二氧化硫降低了50%，一氧化碳降低了32%。不过，美国许多地方的空气仍然不符合公共卫生标准。
要达到《清洁空气法》的目标，需要从固定污染源和非固定污染源中减少空气污染物的种类和数量。清洁固定污染源可以采取的策略很多。技术选项包括改用清洁燃料，煤炭燃烧前进行洗煤以去除大部分的硫，使用洗涤器、吸尘器和过滤器去除烟道气体中的污染物等。另外还可使用更高效器械以降低能耗、安装密封条和绝热材料、在建筑法规中加强新建筑物的能量消费标准等。
减少非固定源——主要是各种机动车辆——的排放，可以采取许多方法，包括按照更严格的尾气排放标准淘汰旧汽车、驾驶燃油高效汽车、逐步淘汰含铅汽油和实行严格的汽车年检制度等。催化式排气净化器能大幅度减少机动车产生的烟雾。汽油价格上涨会减少汽油消费。如果社会承诺奖励合伙用车、使用自行车或公交等替代交通方式，出行就会更加节能。
12.4 对地貌的影响
人类无论住在什么地方都会对地表产生影响。我们为了满足自己的基本需求进行过很多活动，但无论做过什么，这些行为都已经对景观造成了影响（图12.18）。为了衣食住行和防御，我们清理土地，改种植物，改造河流，建设道路、要塞和城市。我们开采地球资源、砍伐整片森林、修筑梯田，甚至填海造地。对任何一个地区所做改变的性质取决于那里的起始状态和人们利用土地的方式。
图 12.18 人类改变土地。人类用某种方式改变了许多地方的地貌。覆盖着原始植被的“近于原始”的地区往往是高寒干燥和不适合大量人口居住的地方。这些地方人口密度非常低。“部分改变”的地区是描述那些原始植被去除后生长着次生植被的地区。这种地方大多用于农业或放牧牲畜。“近于完全改变”的地区就是那些有永久性和集约性农业与城市聚落的地区，只有很少或没有原始植被保留下来。
资料来源：Student Atlas of World Geography, 3d ed., John Allen, Map 61, p. 74. McGraw-Hill / Dushkin, 2003 .
挖掘作业产生的地貌
虽然我们一般认为地貌是“天赐”的，是千百万年的自然过程创造的，但是人类在改造局部自然景观方面已经扮演过、而且继续扮演着重要角色。有些面貌是刻意创造的，有些则是无意或间接造就的。挖掘作业造成的主要地貌景观有坑、塘、垄脊与壕沟、凹陷、运河和水库等。其中有些可追溯到新石器时代，那时人们挖进白垩系土坑中掘取用于制作工具的燧石。但是，最近两个世纪的挖掘作业影响最大，为了采矿、建造构筑物和发展农业，为了建造交通设施，诸如铁路、通航运河和公路等，都需要进行挖土作业。
露天采矿需要去除地表植被、表土和岩石以获取地下资源，这也许是对环境影响最大的方式。深坑露天开采和带状露天开采是地表采矿最常用的两种方法。深坑露天开采（open-pit mining）主要用于获取铁、铜、沙、砾和石料。如图12.19（a）所示，由于大部分物料被移取处理，所以采掘完毕以后留下了巨大的深坑。
图 12.19 （a）犹他州宾厄姆坎宁露天铜矿坑鸟瞰图，据称这是世界上最大的人造大坑。该地自开始采矿以来，已移去近150亿吨土石料，形成一个深逾800米、顶部直径达4000米的大坑。该矿生产了海量的铜、金、银和钼。（b）美国每年因露天开采煤炭和其他资源而损失大约400平方千米地面，全世界遭此破坏的土地远高于此数。在平坦或波状起伏的地面上，带状露天开采留下了平行的垄沟相间的景观，这是因剥离或者堆填土石料造成的。为了取得下伏的矿物，从一条堑壕里挖掘土石而后将其放置于相邻的堑壕里，留下了照片中的波浪状地面。除改变地形以外，带状露天开采还干扰地面和地下的排水格局、破坏植被、使土地贫瘠，并且常常把强酸性底土和岩石堆置于新地表上面。（［a ］© Bettmann/Corbis Images; ［b ］© Jim Richardson / Corbis Images ）
美国煤矿采用带状露天开采（strip mining）的方式日益增多，现在每年用带状露天开采的煤炭超过了地下开采。磷酸盐矿的开采也是用这种方式。先挖掘一条壕沟，采出矿物，然后挖掘另一条壕沟，把废石填回第一条沟里，依此类推。除非工人回填熟练，否则就会留下一种垄状景观（图12.19［b］）。带状露天开采的一种变化叫作“移山填谷”（mountaintop removal and valley fill），即用炸药把山顶炸掉，留下平顶山状的顶部并暴露出煤矿脉，再用20层楼高的推土机把山顶连同废石渣推到下面的山谷和河道中。弗吉尼亚、西弗吉尼亚和肯塔基等州均受到这种作业的影响。
被广大的露天矿坑或起伏不平的壕沟损毁的景观是地表采矿最明显的结果。成千上万平方千米的土地受到影响，而且其随着地表采矿的增长还会继续增加。露天采矿所造成的影响不只是一个地区美学价值受损，如果涉及的地区很大，还会造成野生动物栖息地的破坏，地表和亚表层的排水格局也会被扰乱。近年来美国对带状露天开采的关切促使联邦与州立法增加法令，以制止最严重的滥用。现在人们期望露天开采公司平整那些土岗，提升地区的等级，修复土壤，重新种草或其他植被。
倾倒产生的地貌
一个地区的挖掘作业通过倾倒常常导致在附近地区产生某些地形。地表和亚地表露天采矿都产生大量废物和巨量的废料堆。事实上，按吨位来说，采矿是固体废物 （solid waste）最大的单项“贡献者”，仅在美国每年留下的需要处置的固体废物大约有20亿吨。一般习惯是把废石和尾矿在矿点附近倾倒成巨大的废渣堆。不幸的是，这种做法为环境带来了次生的环境效应。
废弃物中的灰尘被风和水携带，污染了空气，溶解的矿物质污染附近的水源。有时候废弃物造成更大的伤害，如1966年威尔士所发生的那样。当时煤矿的矿渣堆滑塌到阿伯凡（Aberfan）村，掩埋了140多名学童。这样的悲剧唤起人们的注意——要以潜在破坏力较小的方式处置采矿废弃物。
挖掘和填埋对景观起联合作用的另一例子是亚洲部分地区特有的农业梯田。为了留住水分和增加可耕地面积，把山地和丘陵的坡地开垦成梯田，用矮墙保护小片平整的土地。
在水土交界的地方，人类对土地的影响尤其强烈。为了治水，人们进行挖掘和填土作业，建造了堤坝之类的地景。许多地方海岸线的真实形状已被改变，施工人员为了增加土地而把固体废弃物倾倒到填埋地上。在荷兰，筑堤围垦加上开沟排水开垦了百万平方千米土地。河谷中的农耕作业对三角洲产生了重大影响。例如，增多的泥沙常常使陆地向海洋延伸。
地面沉陷的形成
从地下挖掘物料能导致地面沉陷 （subsidence），即部分地面下陷。世界上许多大城市由于从地下抽取流体（地下水、石油和天然气）而沉陷。受此类沉陷威胁的城市常位于松散沉积物（新奥尔良和曼谷）、海岸沼泽（威尼斯和东京）或湖床（墨西哥城）上。当地下液体被抽走后，沉积物被压实，地面随之下沉。由于许多城市坐落在海岸或河口湾，而且海拔只有几米，所以地面沉陷使这些城市更易遭受海水泛滥之害。
因地下采矿而取走固体矿藏（如煤、盐和金）可能造成矿山上面的地面塌陷。落水洞 （sinkhole）或陷坑（pit，圆形陡壁的坑洞）和凹陷（sag，较大较浅的洼地）是此类塌陷造成的地景。如果地面排水格局遭到破坏，低洼处可能形成沉陷湖。因不少城镇扩展到采矿区上方，现地面沉陷已变成较严重的问题。
可以预料，地面沉陷会损害地面构筑物，包括房舍、道路和下水道管线。1963年洛杉矶出现一个戏剧性例子，地面沉陷造成鲍德温山水库（Baldwin Hills Reservoir）大坝破裂，库水在不到两小时内倾注到市区，造成几百万美元的财产损失。墨西哥城抽取地下水导致了地面严重的不均衡沉陷（图12.20）。1985年地震使该城受害如此严重的原因之一就是沉陷使建筑物的结构变得脆弱。
图 12.20 墨西哥城沉陷是由为城市供水而抽取城市下面的含水层所致。照片中所示为该城地下铁系统2号线的一段，在20世纪60年代建成时曾是水平的。城市的一些区域已经下沉多达9.15米。沉陷使成百座建筑物受损或毁坏，建于殖民时期的市中心尤甚。自来水管道、下水道和地铁隧道仍在不断破裂。（© Gerardo Magallón ）
12.5 对动植物的影响
人类以种种方式影响动植物生活。当这种影响足够严重的时候，一个物种就会灭绝，即不再存在。虽然化石记录表明灭绝是地球生命的正常现象，但科学家判断近代历史上灭绝速率呈指数增长——因人类活动造成。濒危物种个体数量太少，如果危害原因继续存在，它们就将在野生状态下灭绝；而渐危物种 （vulnerable species）是种群数量减少，在可预见的未来有可能变成濒危的物种。濒危物种和渐危物种合称受胁物种 （threatened species）。
某些类型的物种比其他物种灭绝的几率高。这些物种通常具有以下一种或多种特性：或以分散个体的小种群存在；或繁殖率低，尤其是比捕食它们的物种低；或生存在一个小的地理区域内；或为特化生物，其生存依赖环境中少数几种关键因素。
世界自然保护联盟（International Union for Con-servation of Nature，IUCN）对各大陆野生动物的状况做了估计，2000年发表的报告称，所有已知哺乳类物种中24%被认为属于受胁物种，其中4%属于紧急濒危物种。各哺乳动物纲中受胁的名单如下：
奇蹄类动物（犀牛、斑马等）11种；
食肉动物（野猫和野狗、熊等）65种；
偶蹄类动物（河马、鹿、羊等）70种；
灵长类动物（猴和猿）96种。
拥有受胁哺乳类动物数目最多的国家是中国、印度、印度尼西亚和巴西。这些国家总人口占世界人口的40%，这对危急的生境施加了日益增加的压力。
2000年对鸟类物种的评估断定，全世界大约有9900种鸟类，其中1/8有灭绝的危险。含受胁鸟类物种数量最多的国家是印度尼西亚、中国、巴西和哥伦比亚。
尽管濒危哺乳类和鸟类已经引起公众注意，但是许多植物也处在危险之中。据世界观察研究所（Worldwatch Institute）2000年发表的报告，世界已知27万种植物中，有3万多种面临灭绝的危险。在处境危险植物物种的数量上，美国居于首位（16,108种植物中有4669种，即29%处于危险之中），其次为澳大利亚和南非，但是产生这种统计结果的部分原因可能是这些国家的植物调查做得比其他国家好。
本节中，我们将分析人类改变动植物生活的某些途径。
生境破坏
物种灭绝的主要原因之一是野生动植物生境的损失或改变。所有受胁物种中大约2/3受生境退化或丧失的影响。农业活动（种植和畜牧业）、采掘活动（伐木和采矿）以及各种开发（例如房舍、道路、水坝和水渠）都改变或毁坏动植物的生境（图12.21）。据某些人士估计，地球上生物多样性最丰富的地方——全世界热带雨林——的破坏，正在造成每年上百个动植物物种的灭绝。
图 12.21 生境破坏的受害者和人口增加对土地的需求。面临灭绝的野生动物中有：（a）银白长臂猿；（b）猩猩。银白长臂猿仅存在于印度尼西亚的爪哇岛，岛上大部分森林已遭砍伐。专家估计自1975年以来，银白长臂猿的数量已从约2万只骤降至400—2000只。伐木也是印度尼西亚猩猩数量下降的主要原因。据信，20世纪90年代其种群已减少一半。现已宣布银白长臂猿和猩猩均属濒危物种。（［a ］© Gerard Lacz / Animals Animals; ［b ］© R. Lynn / Photo Researchers ）
许多人担心，随着非洲和南美洲国家变得更加工业化和城市化，扩大的耕种面积，将为野生动植物带来越来越大的负面影响。现在已经了解的是，非洲野生动物正在迅速消失，部分原因是生境的破坏。例如，在博茨瓦纳，人们竖立围栏以保护家畜，导致10年之内25万只羚羊和斑马因迷途而死亡。某个物种数量下降，就会扰乱物种之间的平衡，使整个生态系统被破坏。
生境破坏既是发达国家也是发展中国家的特征。例如，美国海边的潮滩就因住宅和工业开发而被疏浚和填方。这种地区的损失减少了鱼类、甲壳类和软体类动物的重要生境。美国的高鸣鹤实质上已消灭殆尽，因为其筑巢的沼泽被疏干，道路和沟渠又使侵入者进入其栖息地。美国和加拿大试图通过繁殖计划令其回归，但前途未卜。
捕猎与商业性开发
人们影响动植物的另一种方式是蓄意地破坏。为了取得食物、毛皮、皮革、珠宝和战利品，我们过度捕猎和捕捞。过去无节制的捕猎伤害了全世界的野生动物，并造成许多种群和物种的破坏。美国轻率的开发把海狸、海獭、美洲鳄和美洲野牛等物种带向灭绝的边缘。目前在立法保护下这些种群数量正在增长，但是发展中国家的捕猎活动仍然对许多物种造成威胁。
非洲有3个物种——象、犀牛和山地大猩猩，其生存因捕猎（多属非法）而受到威胁。为了获取象牙，非洲象被残酷屠杀。据估计，20世纪30年代存活的象有500万—1000万头，到1979年降至130万头。而现在仅存30万—50万头。为取其角而被猎杀的黑犀牛，现在是一个濒危物种。一个世纪前在撒哈拉以南的非洲，该种群有近100万头，现在降至约2500头。大猩猩所有亚种均属濒危物种，其中最稀有的是山地大猩猩。据信现在山地大猩猩仅存650只，其中多数在刚果民主共和国、乌干达和卢旺达的国家公园中（图12.22）。
图 12.22 山地大猩猩是世界上最濒危的灵长类动物之一。虽然大猩猩生活在国家公园，但它们的存活前景毫无保障。生境破坏——砍伐薪柴和木料——和非法偷猎使其数量减少。（© Digital Vision / Getty Images ）
第10章所讨论的海洋渔业产量下降，主要原因是现代捕鱼技术的广泛应用，其使捕捞变得更容易、更高效。现代捕鱼技术包括使用声呐、雷达、直升机和全球定位系统测定鱼群，使用更高效的渔网和滑车，以及应用拖网加工船跟随捕鱼船队加工和冷冻捕获物。
据联合国粮食与农业组织的资料，现在世界17个主要海洋渔场的捕获量等于或超过可持续水平，13个渔场捕获量下降。美国沿岸水体掠夺式捕鱼已经危及大多数最值得捕捞的鱼类物种，包括新英格兰水体中的黑线鳕、黄尾比目鱼和鳕鱼，墨西哥湾的马鲛鱼、石斑鱼和红甲鱼，加利福尼亚沿岸的大比目鱼和条纹石，太平洋西北部的鲑鱼和虹鳟等。
日本、韩国和其他国家的商业渔民使用漂网捕捞乌贼、金枪鱼和鲑鱼。这种延伸达65千米的漂网因其极具破坏性的效应而被称为“死亡之帘”，所到之处把一切生命一网打尽——不仅捕捞其目标物种，而且殃及成百万的非目标鱼类、海鸟、海龟和海洋哺乳类。世界野生动植物基金会（World Wildlife Fund）⑤ 估计，每年至少有6万头海豚、鼠海豚和鲸因被卷入渔网和其他设备而溺毙。这些被船员捕捞其他物种时意外捕获的物种叫作间接渔获（bycatch），他们使80个海洋鲸目（似鱼的）哺乳类中的许多种群大量减少，其中有些近于濒危。
外来物种
一种植物、动物或其他生物（例如微生物）被投放到一个它未曾在其中进化的生态系统中，这种生物就是非本土（非本地）种——外来物种 （exotic species）。一个造成经济或环境伤害的外来物种叫作“入侵种”（invasive species）。人类活动是入侵种传入的主要方式。
有意或无意将一个物种引进到它从前不存在的地区，可能产生有害和不可预见的后果。被引进的物种常常把它们的天敌——捕食者和疾病——留在源地，使它们获得比本土物种更大的优势，因为本地物种受到当地生物调节的抑制。例如，1859年兔子被有意地引进澳大利亚。最先的十几兔子对在几年内繁殖到几千只，尽管采取了多项控制计划，但到1950年还是达到了约10亿只。由于5只兔子的食量就等于一只羊的食量，由此产生了一个全国性问题——兔子成了经济负担和环境威胁：兔子同羊竞争牧草地并加速土壤侵蚀。
由于世界贸易与旅游的速度和范围的增大，外来（又称非原生）物种的入侵也在增加。仅就美国而言，近年来已发现上百种有害入侵者——之所以有害是因为它们消灭了或在竞争中击败了本土物种（见“贻贝之祸”专栏）。这些物种包括：
非洲化的蜜蜂⑥ ，比欧洲蜜蜂更好斗，毒性更强，这些蜜蜂于1957年从巴西一个试验站逃逸后，在20世纪90年代到达美国西南部；
亚洲舞毒蛾，是树木和某些作物的贪婪采食者，1991年到达俄勒冈州、华盛顿州和加拿大不列颠哥伦比亚省；
亚洲天牛，可能是在1996年由中国的木制运货架带到纽约州布鲁克林的，而后他们出现在芝加哥地区，威胁着枫树、榆树、柳树和桦树；
亚洲虎蚊，1985年在运往得克萨斯州一家轮胎翻新工厂的一艘日本装轮胎的集装箱中被发现，后来蔓延到25个州，它们携带许多热带病毒，包括黄热病、登革热和各种脑炎；
虾虎鱼，一种好斗的鱼，1990年随来自黑海和里海的船只压仓货到达美国，成为五大湖生态系统的威胁。
专栏 12-2 贻贝之祸
带有小巧条纹外壳的斑纹贻贝看起来似乎是无害的生物，但是生态学家认为它们近年来进入北美洲无异于一场灾难。1988年北美首次发现原产里海和黑海的斑纹贻贝。据信，它们是在东欧货船在底特律附近的圣克莱尔湖倾泻压舱水时逃逸出来的。
几年之内贻贝就蔓延到五大湖和许多内陆湖泊中。驳船把它们传播到密西西比河、俄亥俄河和阿肯色河等通航水道中。贻贝的迅速增殖是由于缺乏潜水鸭和小龙虾之类的天敌，也因为贻贝惊人的繁殖力。成年雌贻贝每年产卵3万—10万粒，雄贻贝也能贡献相应数量的精子。
贻贝对经济和生态系统都有负面影响。它们附着在硬质表面上，拓殖到本土贝类上、船坞中、船只上、渔网上、水中阀门和管道中。美国每年要花费几百万美元去控制贻贝群落，它们现在阻塞着水下取水管和发电厂、自来水厂以及各种工业设施的水下格栅。在一处公用事业设备1平方米的墙上找到了70多万只贻贝，安大略一家水厂的一支进水管被30吨贻贝阻塞。