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中国学科发展战略·环境科学

中国学科发展战略·环境科学

环境化学是从微观的原子、分子水平研究宏观环境现象与变化的化学机 制及其防治途径,其核心是研究环境中化学污染物的迁移转化行为和生物生 态效应。环境化学强调从化学的角度阐述和解释环境的结构、功能、状态和 演化过程及其与人类行为的关系。作为经济高速增长的发展中国家,我国目 前正面临比工业发达国家更加复杂的环境问题。发达国家上百年工业化过程 中分阶段出现的环境问题在我国已经集中出现。重大污染事故及潜在的环境 安全隐患对国家安全构成挑战,环境化学必须研究建立生化和化学毒品的快 速灵敏的分析方法与预警系统。环境污染不仅造成了巨大的经济损失,而且 给生态安全、食品安全和人群健康带来严重的威胁。环境化学在提高资源利 用效率、降低污染排放强度、修复污染环境、突破发达国家设置的贸易壁垒、 改善生态环境和保障人类健康等方面都起着不可替代的作用。
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专 家 组
负责人:陶 澍
成 员:傅家谟 孙鸿烈 周卫健 姚檀栋 傅伯杰
工 作 组
负责人:丁永建 王仰麟
成 员:陈建民 崔 鹏 冯新斌 李本纲
       李新荣 骆永明 朴世龙 秦伯强
       田立德 王子健 吴丰昌 曾永平
       张 干 朱利中 成天涛 许宜平
       周 丰 朱 波

产业革命以来,人类在社会文明和经济发展方面取得巨大的成就,导致自然环境发生重大改变。改革开放 30 多年来,中国社会经济发展进步巨大,对环境的压力日渐增大,由此导致的灾害、污染、生态、资源、能源问题已成为中国社会经济可持续发展的障碍。

环境科学研究是人类认识环境问题的成因、效应及发展趋势的重要途径。环境科学从局部地区的局部问题研究拓展到区域乃至全球问题探讨,从分别关注环境问题的不同侧面延伸到从地球系统整体角度探讨各类环境问题的内在联系,从侧重研究环境问题发生和发展的自然过程扩展到全面认识自然环境问题与人类社会经济活动之间的相互关系和相互作用。进入 21 世纪,环境科学研究已覆盖人类活动的各个方面,涉及自然、技术、社会和人文科学等多个方面,逐渐成为一门新兴交叉学科。

然而,与传统学科相比,对环境科学的研究范畴、理论体系,特别是今后研究的战略重点等,仍然存在着不同的学术观点和认识。因此,当前开展环境科学发展的战略研究,具有特别重要的科学意义。经中国科学院地学部第十四届常务委员会第十七次会议批准,由陶澍院士牵头,开展“环境科学发展战略研究”(2012 年 7 月至2014 年 7 月)。该战略研究旨在系统梳理近半个世纪以来环境科学的发展轨迹,了解国内外环境科学发展动态和趋势,认识中国社会经济发展对环境科学的主要需求,在此基础上分析环境科学未来若干年内发展的主导方向,提炼出符合中国环境科学发展的主要优势和特点、未来若干年内的重大战略研究方向、面临的核心科学问题、学科队伍和平台建设方面的重大需求。

2012 年 9 月,“环境科学发展战略研讨会”第一次会议(无锡)拟定《环境科学发展战略报告》的 15 个主题。2013 年 7 月,“环境科学发展战略研讨会”第二次会议(都江堰)拟定各主题报告的内容。2014 年 5 月,“环境科学发展战略研讨会”第三次会议(北京)初步审议各主题报告,并讨论总报告的框架。2014 年 5~7 月,完成各主题报告的专家评审。2014 年 8 月,“环境科学发展战略研讨会”第四次会议(北京)进一步明确各主题报告的修改意见,完成总报告初稿。2014 年 12 月,环境科学发展战略研究的总报告及主题报告定稿。

本报告包括学科基础、环境过程、环境效应、相关学科四部分,共 15 个主题报告。第一部分:环境化学研究发展战略由朱利中教授完成,环境地球化学研究发展战略由冯新斌研究员完成,区域环境污染研究发展战略由张干研究员完成。第二部分:大气环境研究发展战略由陈建民教授和成天涛教授完成,水环境研究发展战略由曾永平教授和周丰副教授完成,土壤环境研究发展战略由骆永明研究员完成,水体富营养化研究发展战略由秦伯强研究员和朱波研究员完成。第三部分:环境与健康研究发展战略由曾永平教授完成,环境毒理与环境基准研究发展战略由吴丰昌研究员完成,生态风险研究发展战略由王子健研究员和许宜平研究员完成。第四部分:水文水资源研究发展战略由丁永建、张世强、韩添丁研究员完成,全球变化生态学发展战略由朴世龙教授完成,恢复生态学研究发展战略由李新荣研究员完成,环境山地灾害研究发展战略由崔鹏院士完成,近代环境变化研究发展战略由田立德研究员完成。

本报告在完成过程中,得到中国科学院学部工作局申倚敏处长,国家自然科学基金委员会地球科学部宋长青研究员、冷疏影研究员的指导和支持。在此,表示衷心感谢!

总序

前言

绪论 环境科学发展战略报告 ······················· 1 

第一节 国家需求与国际背景 ······················· 1

一、国家需求 ····························· 1

二、国际背景 ····························· 4

第二节 环境科学研究现状与趋势 ····················· 6

一、学科基础 ····························· 8

二、环境过程 ····························· 11

三、环境效应 ····························· 17

四、相关学科 ····························· 22

第三节 前沿科学问题与研究热点 ···················· 26

一、环境学科基础 ·························· 26

二、大气、水、土壤环境科学问题与研究重点 ··············· 26

三、人体暴露、环境毒理学、生态风险等环境效应是未来

研究重点 ································ 28

四、相关学科领域的未来发展重点 ····················· 30

第四节 建议与展望 ·························· 32

一、复杂环境系统所带来的挑战 ··················· 32

二、复杂环境系统下环境科学未来发展方向 ·············· 33

三、环境科学研究的组织与管理 ··················· 33

参考文献 ····························· 34

第一部分 学 科 基 础

第一章 环境化学 ························· 37 

第一节 引言··························· 37

第二节 研究进展 ························ 40

一、环境分析化学 ························ 41

二、环境污染化学 ························ 42

三、污染控制化学 ························ 42

四、污染生态化学 ························ 43

五、理论环境化学 ························ 43

第三节 前沿科学问题 ······················· 44

一、环境分析化学 ························ 44

二、大气污染与控制 ··························· 50

三、水体污染与控制 ······························ 58

四、土壤污染与控制 ······························ 63

五、污染生态化学 ······························· 66

六、生态毒理与健康 ······························ 67

七、理论环境化学 ······························· 69

第四节 未来发展方向 ···························· 70

一、污染物多介质界面行为、区域环境过程与调控 ·············· 70

二、纳米颗粒物的环境行为与生物效应 ·············· 70

三、环境友好和功能材料在污染控制中的应用 ··········· 73

四、化学污染物暴露与食品安全 ················· 74

五、化学品的风险评估与管理的理论与方法 ············ 77

参考文献 ··························· 77

第二章 环境地球化学 ······················ 92 

第一节 引言·························· 92

一、环境地球化学与健康研究 ·················· 92

二、环境地球化学与污染研究 ·················· 93

三、环境地球化学与全球环境变化研究 ·············· 94

第二节 研究进展 ························ 95

一、有害元素汞的环境地球化学研究进展 ·············· 95

二、过去全球气候变化的环境地球化学研究进展 ··········· 98

三、非传统稳定同位素环境地球化学研究进展 ······· 100

第三节 前沿科学问题 ················ 104

一、重金属污染物的大尺度长距离跨境传输研究 ········· 104

二、传统稳定同位素体系的新发展 ··············· 105

三、非传统稳定同位素理论框架建立及运用 ··········· 109

四、环境微生物对有害元素迁移转化影响 ············ 109

第四节 未来发展方向 ··················· 115

一、Clumped 同位素体系发展 ·················· 115

二、微小非质量依赖分馏的研究 ················· 116

三、重金属元素的非传统稳定同位素的运用 ············ 116

四、环境地球化学与微生物学的交叉与融合 ············ 116

五、重金属污染物的大尺度迁移与微观过程研究相结合 ······· 116

参考文献 ····························· 117

第三章 区域环境污染 ························ 134 

第一节 引言 ···························· 134

一、环境污染问题的区域性 ····················· 136

二、区域环境污染研究的特点和方法 ················· 137

三、我国和全球区域环境污染研究 ·················· 138

第二节 研究进展 ·························· 139

一、区域环境污染来源与大气污染排放清单 ·············· 139

二、区域环境污染观测 ······················· 141

三、区域环境污染物的界面交换 ··················· 144

四、区域环境有机污染的长距离迁移 ················· 148

五、区域污染历史与区域循环 ···················· 150

六、区域环境污染数值模拟 ····················· 151

七、区域环境污染暴露与健康风险 ·················· 153

第三节 前沿科学问题 ······················· 156

一、区域生物质与化石燃料燃烧过程中的污染物质排放与

环境效应 ····························· 156

二、区域环境污染物的大气跨界迁移 ················· 157

三、全球变化背景下的区域污染物质归趋与二次排放 ·········· 157

四、城市群污染暴露与人体健康 ···················157

五、矿产资源开采密集区的环境污染 ················· 158

第四节 未来发展趋势 ······················· 158

参考文献 ····························· 159

第二部分 环 境 过 程

第四章 大气环境 ························· 175 

第一节 引言···························· 175

第二节 研究进展 ·························· 177

一、大气成分排放及变化 ······················ 177

二、大气污染物形成及大气演变过程 ················· 179

三、大气污染研究新理论与技术 ··················· 195

四、大气污染物区域输送及其区域影响 ················ 201

五、大气空气质量卫星遥感及数值模式 ················ 204

第三节 研究方向与前沿科学问题 ··················· 207

一、大气污染物排放 ························· 207

二、大气污染形成的关键过程 ····················· 207

三、气溶胶大气污染物跨境输送 ···················· 207

四、不同混合态气溶胶的天气气候效应与生态效应 ············ 207

五、大气污染物的环境影响 ······················ 208

六、大气污染在线立体监测技术 ···················· 208

七、动态污染源清单技术 ······················· 208

八、区域大气复合污染预测预警技术 ·················· 208

九、关键区域污染源控制技术及设备 ·················· 208

十、区域大气复合污染控制的决策技术 ················· 208

十一、大气环境保护标准的关键技术 ·················· 209

十二、大气污染防治的关键技术 ···················· 209

参考文献 ······························ 209

第五章 水环境 ··························· 213 

第一节 引言 ···························· 213

第二节 主要研究进展 ························ 217

一、水体有机质的发生、过程和效应研究 ··············· 217

二、水体重金属的发生、过程和效应研究 ··············· 227

三、水体持久性毒害有机污染物的发生、过程和效应研究 ···· 239

第三节 前沿科学问题 ······················ 247

一、全球环境变化对水环境质量的影响 ·············· 247

二、水环境质量变化的全球气候、生态系统和健康效应 ······· 250

三、重金属在水-沉积物-水生生物界面的地球化学循环机制 ···· 252

四、持久性毒害有机污染物的沉积物-水、大气-水界面

过程 ····························· 253

五、有机污染物的生物可利用性 ················· 256

第四节 未来发展方向 ····················· 257

一、全面推进水污染综合控制和生态修复 ············ 257

二、加强饮用水安全保障关键技术研发 ············· 259

三、尽快形成流域水污染防治综合管理技术与水环境监控

预警体系 ··························· 259

参考文献 ··························· 260

第六章 土壤环境 ······················· 284 

第一节 引言 ························· 284

第二节 研究进展 ······················· 288

一、土壤污染的多尺度调查与长期定位观测 ············ 289

二、土壤污染物的界面过程及其模拟预测 ············· 292

三、土壤污染的生态效应及其诊断 ················ 297

四、土壤污染控制与修复的技术研发与工程示范 ·········· 299

第三节 前沿科学问题 ······················ 304

一、土壤复合污染的成因与作用机制 ················· 304

二、土壤-植物-微生物系统中污染物的形态与微界面过程 ····· 305

三、地下食物网营养层间污染物传递与代谢过程 ············ 306

四、土壤污染物低剂量长期暴露的风险评估 ·············· 306

五、土壤环境基准/标准与风险管理 ················· 307

第四节 未来发展方向 ······················· 308

一、土壤环境多尺度效应及其转化的新方法、新技术 ·········· 308

二、土壤环境系统界面耦合过程与动力学机制 ············· 308

三、土壤污染的生态系统演变与健康指示 ··············· 309

四、土壤-植物-微生物体系自修复和强化修复机制及其

应用 ······························· 309

参考文献 ····························· 310

第七章 水体富营养化 ························ 314 

第一节 引言···························· 314

第二节 主要研究进展 ························ 318

一、水体营养盐富集及其生态系统响应 ·················318

二、地理环境对氮磷迁移转化的影响 ·················· 324

三、全球变化对水体富营养化及其蓝藻水华的影响 ············ 330

四、饮用水安全保障——快速监测技术、去除技术、预测

预警等 ······························· 336

第三节 未来展望 ··························· 360

一、水体营养盐元素富集对水体生态系统的影响 ·············· 360

二、陆地环境对氮磷污染物的输移影响及其生态效应 ·········· 361

三、全球变化对水体生态系统的影响 ·················· 362

四、水环境科学监测技术的发展 ···················· 363

五、面源污染的多尺度特征研究 ···················· 365

六、水文模型与生物地球化学模型的耦合 ················ 365

参考文献 ······························ 366

第三部分 环 境 效 应

第八章 环境与健康 ·························· 387 

第一节 引言 ····························· 387

一、环境污染物质导致人体健康问题的提出 ················ 389

二、环境污染物质导致人体健康问题的概念与内涵 ············· 390

三、环境污染物质导致人体健康问题的特征 ················ 390

四、环境污染物质导致人体健康问题研究的必要性与紧迫性 ··· 392

五、环境污染物质导致人体健康问题研究的局限性 ············· 393

第二节 研究进展 ·························· 395

一、人体暴露的监测 ·························· 395

二、人体流行病调查方案设计 ······················ 401

三、实验模拟 ····························· 403

四、数值模拟 ····························· 404

五、人体暴露检测技术的研发 ······················ 408

第三节 前沿科学问题 ························· 412

一、环境污染物质的作用与暴露(作用、累积/放大、

暴露等) ······························· 412

二、应对策略(风险、预警、技术、政策等) ··············· 415

第四节 未来发展方向 ························· 416

一、环境污染物质与社会因素共同影响人体健康的机制 ······· 416

二、利用基因组学和代谢组学技术研究环境污染物质对

人体健康的影响 ··························· 417

三、复合环境污染物质的人体健康效应 ················· 418

四、环境污染物质对人体健康影响的长期效应 ·············· 418

参考文献 ······························ 420

第九章 环境毒理与环境基准 ······················ 432 

第一节 引言 ····························· 432

一、环境基准 ····························· 434

二、水环境基准 ···························· 435

三、水质基准发展历程 ························· 436

四、水质基准的运用与实践 ······················· 437

第二节 主要研究进展 ························ 439

一、特征污染物的环境暴露研究 ··················· 440

二、水环境生物区系研究 ······················· 441

三、污染物的毒性效应研究 ····················· 444

四、水环境要素与污染物毒性效应 ·················· 448

五、水质基准理论方法学研究 ················· 450

第三节 前沿科学问题 ······················ 457

一、污染物的生物有效性研究 ·················· 458

二、生物富集机理研究 ····················· 461

三、毒性效应机理和毒性预测模型 ················ 462

四、新型污染物水质基准理论方法学 ··············· 464

第四节 未来发展方向 ····················· 465

一、新型污染物的毒性效应机理研究 ··············· 467

二、污染物的构效关系和毒性预测方法研究 ············ 467

三、人体暴露评价与健康基准研究 ················ 468

四、环境基准理论方法学 ···················· 469

参考文献 ··························· 470

第十章 生态风险 ························ 479 

第一节 引言·························· 479

一、生态风险评估的概念 ···················· 480

二、生态风险评估的发展历程 ·················· 482

三、生态风险评估与风险管理 ·················· 484

第二节 主要研究进展 ······················ 485

一、生态风险评估基本框架 ···················· 485

二、风险胁迫因子 ························ 491

三、暴露评估与效应评估 ····················· 496

四、生态风险模型 ························ 500

五、多层次生态风险评估 ····················· 503

六、不同生态组织水平的生态风险评估 ··············· 504

第三节 前沿科学问题 ······················· 506

一、聚焦生态毒理学和系统生物学:21 世纪的生态风险

评估 ······························· 506

二、生态风险系统建模:模型工具与耦合平台 ············· 507

三、暴露科学:生态暴露组与暴露信息的全面采集 ··········· 508

四、适应风险管理需求:高通量风险筛查与优先排序 ·········· 510

五、累积/高层次生态风险评估:生态终点与不确定性 ········· 511

六、大尺度/非化学胁迫生态风险评估:生态系统服务的

应用 ······························· 512

参考文献 ····························· 513

第四部分 相 关 学 科

第十一章 水文水资源 ························ 529 

第一节 引言 ···························· 529

一、水文水资源研究概述 ··················· 529

二、水文水资源研究当前面临的国际科学背景 ·········· 530

三、水文水资源战略研究的总体思路 ·············· 531

第二节 研究进展 ······················· 532

一、地面观测与卫星遥感监测 ·················· 532

二、水循环与流域水文过程 ··················· 537

三、水文模型 ························· 540

四、气候变化的影响研究 ···················· 543

五、流域科学与决策支持系统 ·················· 553

第三节 未来研究方向与前沿科学问题 ··············· 554

一、未来研究方向 ························ 554

二、前沿科学问题 ························ 556

参考文献 ···························· 577

第十二章 全球变化生态学 ····················· 591 

第一节 引言··························· 591

第二节 研究进展 ························· 593

一、主要研究方法进展 ······················· 593

二、前沿科学问题研究进展 ····················· 603

第三节 未来发展方向 ························ 626

一、了解生态系统的稳定性和可持续的系统动力学机制

研究,制定适应和减缓对策 ······················ 627

二、运用地球系统科学理论,综合考虑自然因素和人为

因素的影响及其反馈 ························· 627

三、基于多数据、多方法的多尺度集成研究 ··············· 629

四、关键区域(如山地、极地、热带雨林分布区)与全球

变化的关系 ··························· 630

参考文献 ···························· 631

第十三章 恢复生态学 ······················ 661 

第一节 引言··························· 661

第二节 研究进展 ························ 665

一、恢复生态学理论体系研究 ··················· 665

二、生态系统退化原因与机理的研究 ················ 666

三、生态系统主要组分(生态系统整体性)的恢复研究 ······· 669

第三节 研究前沿 ························· 676

一、濒危物种保护及其生存环境恢复 ················ 676

二、土壤种子库与生态系统稳定性、物种多样性 ··········· 677

三、土壤生物与生态恢复 ····················· 678

四、生态水文学与生态恢复 ···················· 678

五、污染和退化土壤的修复 ···················· 679

六、生物入侵与生态系统的恢复 ·················· 679

七、生态系统恢复的预测及模拟 ·················· 680

八、生态系统恢复评估体系的构建 ················· 681

第四节 未来发展方向 ······················· 682

一、分子生态学在生态恢复中的应用 ················ 682

二、新技术的开发与应用 ····················· 682

三、生态恢复目标多元化 ····················· 684

四、全球变化与生态恢复研究 ··················· 685

五、生态恢复综合阈值研究 ···················· 686

参考文献 ···························· 686

第十四章 环境山地灾害 ······················ 702 

第一节 引言 ··························· 702

一、环境山地灾害的基本认识 ···················· 704

二、我国灾害现状与学科发展需求 ·················· 705

第二节 研究进展 ························· 709

一、区域规律 ··························· 709

二、观测与物理实验 ························ 715

三、动力学过程与数值模拟 ····················· 721

四、灾害监测与预测、预报和预警 ·················· 727

五、灾害防治技术 ·························· 735

六、风险分析 ···························· 739

第三节 山地灾害前沿科学问题 ····················· 742

一、水土耦合动力过程与灾害形成机理 ·················· 742

二、山洪、泥石流规模放大效应与灾害链生机制 ·············· 744

三、基于形成机理的灾害预测预报模型 ··················746

四、气候变化对灾害的影响与巨灾预测 ·················· 747

五、基于动力过程的灾害风险分析 ···················· 748

六、灾害与生态的互馈机制及植物措施-岩土措施综合减灾

原理 ································· 749

第四节 未来发展方向 ·························· 751

一、灾害机理预报理论与新技术的协同发展 ·············· 751

二、复杂介质物质运移规律与数值模拟 ·················752

三、潜在风险判识与风险管理 ······················753

参考文献 ································ 756

第十五章 近代环境变化 ························· 775 

第一节 引言······························· 775

第二节 研究进展 ····························777

一、近代的气候变化与环境 ······················780

二、近代氮硫记录与人类活动 ··················· 782

三、近代大气温室气体变化 ···················· 783

四、近代重金属污染过程 ·······················789

五、黑炭记录与自然、人类活动的关系 ················ 791

六、持久性有机污染物 ······················· 793

第三节 前沿科学问题 ·························· 795

一、冰芯气候环境记录与大气环流的关系 ················· 795

二、环境指标的源 ··························· 795

三、污染物多圈层迁移过程及转化 ·····················796

第四节 未来发展方向与趋势 ····················· 797

一、冰芯钻取技术与冰芯定年技术的发展是冰芯研究亟须

突破的核心技术 ··························· 797

二、冰芯物质的稳定同位素与冰川积累量记录仍然是

最主要的指标 ···························· 797

三、更多环境指标的挖掘为冰芯环境科学发展注入新的

活力 ································ 798

四、冰芯中的人类活动记录是重要的研究内容 ·············· 799

参考文献 ······························799

关键词索引 ····························· 805

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陈洪凯,唐红梅,马永泰,等. 2004.  公路泥石流研究及治理.  北京:人民交通出版社.   陈景武. 1985.  云南东川蒋家沟泥石流暴发与暴雨关系的初步分析.  中国科学院兰州冰川冻土研究所集刊(4).  北京:科学出版社.   

陈明东,王兰生.  1988.  边坡变形破坏的灰色预测方法.  第三届全国工程地质大会论文集. 成都:成都科技大学出版社.   

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