环境科学理论问题分析

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1环境科学研究对象的内涵和外延辨析

美国科学基金会的国家科学局［3］认为，环境科学是研究围绕着人的空气、陆地、水、能源和生命等所有系统的科学；斯特拉勒（StrahlerA．N．）等［3］认为，环境科学是研究地球的各种自然系统和各种过程及其对人类的意义和影响的科学；Bouwer等［4］认为，环境科学是研究人与环境关系，解决环境问题的跨领域科学；Nebel等［5］认为，环境科学是研究与人类环境关系最密切的问题的科学；Smith等［6］认为，环境科学是研究人类对环境影响的科学；Boersema等［7］认为，环境科学是研究人为环境问题的科学；刘培桐等［8］认为，环境科学以“人类－环境”系统为研究对象，是研究该系统发生和发展、调节和控制以及改造和利用的科学；左玉辉等［9］认为，环境科学是研究人与环境相互作用规律的科学；何强等［10］认为，环境科学是研究人类活动与其环境质量关系的科学；莫祥银［11］等认为，环境科学是研究人类在认识自然和改造自然中的人和环境之间相互关系的科学；窦贻俭等［12］认为，环境科学是主要研究环境结构与状态的运行变化规律及其与人类社会活动之间关系，研究人类社会与环境之间协同演化、持续发展的规律和具体途径的科学；卢昌义等［13］认为，环境科学是研究人类活动所引起的环境质量变化和保护与改善环境的科学；王越飞等［14］认为，人类生态系统是环境科学的研究对象．

可以看出，国内外学者对环境科学研究对象的认识大致可归纳为三类：一是人与环境相互作用而形成的复杂系统［3－6，8－12］，二是由人类活动引起的环境问题［7，13］，三是人类生态系统［14］．笔者认为，将环境科学的研究对象定义为“人类－环境”系统和人类生态系统值得商榷，因为这两者都不是环境科学特有的研究对象，如地理学就将“人（类）地（地理环境）关系”或“人地关系地域系统”作为研究对象［25－26］，人类生态系统是人类生态学的研究对象［27］．“环境问题”有狭义和广义之分．广义的环境问题是指任何不利于人类生存和发展的自然环境结构和状态的变化，广义环境问题中的一些自然现象（如地震、泥石流、滑坡、森林火灾、病虫害、洪涝和干旱灾害）虽然也对人类生存和发展构成威胁，但主要诱因不是人类活动，也不是近几十年来才出现的问题，同时人类也不能改变这些自然现象的发生与发展，不应包括在环境科学研究内容之中．狭义的环境问题是指由于人为因素引起的任何不利于人类生存和发展的自然环境结构和状态的变化．主要包括环境污染和环境破坏两大类．如生产和生活引起的大气、水体、土壤等环境介质的污染，乱砍滥伐引起的森林破坏和生物多样性下降，过度放牧引起的草原退化，大面积开垦草原引起的沙漠化和土地沙化等等．从环境科学的发展过程可以看出，它是随着狭义的环境问题的出现而出现的，也是随着狭义环境问题的日益严重而发展的．故判断某一研究领域是否属于环境科学的范畴，要看其是否解决狭义环境问题为准绳．例如，纯粹的生态系统的结构和功能的研究属于生态学范畴，而不应属于环境科学的范畴；若进行人致的生态问题的形成、发展与防治的研究，则属于环境科学的范畴．进行自然环境的结构和功能的研究属于自然地理学的范畴，而不属于环境科学的范畴；若进行人为源污染物在自然环境的迁移、转化、危害、区域差异及其防治的研究，则属于环境科学的范畴．根据系统论观点，狭义环境问题所涉及到的自然要素众多（大气、水体、土壤、生物等），彼此相互联系、相互制约，共同构成一个复杂巨系统．为了维持“环境科学”的传统名称，笔者将该系统称为环境系统．

将环境系统作为环境科学的研究对象的优点在于：（1）明晰了环境科学探究对象的“系统”与“环境”的界限，此处的“系统”即由自然要素组成的环境系统，此处的“环境”是独立于环境系统的人类活动．（2）有利于认识环境问题的本质和构建环境系统数值模型．制约环境系统运动变化的终极驱动力有两个，一是来自于“环境”的太阳辐射，它是该系统一切运动变化过程的能量源泉，也是其存在和发展的前提［28］；另一个也来自于“环境”，就是人类活动．太阳辐射对环境系统演化是正向（功能提高）的，人类活动对系统演化可以是正向的，也可以是负向（功能退化）的，关键依赖于人类活动的性质（是否有利于系统功能的提高）［29］．在深入研究环境系统组成、结构、功能和发展变化的基础上，构建其仿真性的系统动力学模型是环境科学的基本任务．环境系统动力学模型不仅要包括系统内部的各个状态变量，还要包括来自于“环境”的控制参量．对于狭义环境问题来说，控制参量就是人类活动．

2环境科学基本原理

环境科学研究者大多是从其他相关学科转变过来，按照原有的学科背景进行环境问题研究，形成众多环境科学的分支学科，分支学科是相关学科的理论、方法与环境问题的结合．相关学科的理论是比较完善，故分支学科的理论也相对比较完善．但是，环境科学作为一门独立的学科，是否有自身独特的基本理论，或者其基本原理究竟是什么尚未达成普遍共识．不少学者认为，环境科学没有独特的基本原理，只是借助其他学科的基本原理研究环境问题而已．与此相反，有些学者认为环境科学有其独特的基本原理．例如Boersema等［7］把环境科学原理分为普适性原理和特殊原理，普适性原理包括可持续发展原理、能量守恒定律、质能守恒定律、物质守恒原理、熵原理、进化原理、系统观念、生态学原理、人口学原理和恶性循环原理，特殊原理包括独立分析法、非独立分析法、经济思想起源指导原则、法学及其原理的指导原则、社会科学起源的指导原则、未来重要性原则、全球变化原则．昝廷全等［15］认为，极限协同原理是环境科学的一条基本原理，只有当环境变化速度超过人体结构的适应调节速度最大极限，或人体结构的适应调节过程超出人体结构的最大正常范围时，环境的变化才对人体产生显著的影响．李长生［16］认为，环境科学基础理论研究就是要揭示蕴藏在环境系统内部的客观规律，即环境系统内部结构及其运动变化规律．杨志峰等［22］认为环境各个分支学科（如环境物理、环境化学、环境生态、环境地学、环境经济学、环境伦理学等等）的基本理论即组成环境科学的基本理论．左玉辉［17］认为，环境多样性原理、人与环境协调原理、规律规则原理和五律协同原理构成了环境学的基本原理．笔者认为，既然环境科学具有独特的研究对象，是人类知识（文明）体系中不可或缺的独立科学，那么必然有基本原理．环境科学的基本原理是整个学科的基础理论，是解决环境问题应该遵循的一般规律．根据前人研究的工作基础，综合分析环境各个分支学科的理论，作者提出如下四条环境科学基本原理．

2．1环境系统性原理

环境系统内部包括众多的子系统，不论什么级别的环境系统，都具有的相同性质和原理，此即环境系统性原理．环境系统性原理主要包括以下几个方面．第一，环境系统的整体性．环境系统的整体性是指该系统内部各要素之间通过物质流、能量流和信息流相互发生联系，某种要素的变化会引起其他要素乃至整个系统变化的性质．环境系统包括水体、大气、土壤、生物四个圈层．这四个圈层相互联系、相互制约，缺少任何圈层都不能构成一个完整的环境系统．同时，任一圈层发生变化，都会影响其他圈层的改变，从而导致整个系统的变化．例如水质发生变化，必然影响土壤环境质量，继而影响生物的生存环境和生物量，同时水和大气之间发生物质交换，对大气环境质量产生不利影响．第二，环境系统的多样性．环境系统的多样性首先表现为物质组成的多样性，环境系统由生物和非生物组成，生物又有植物、动物、微生物等不同类型；非生物的物质又有各种天然物质（大气、水体、土壤和岩石等）和人工合成物质等等．其次表现为环境系统结构多样性，例如，环境系统中有高山、河谷、平原等不同的地貌结构，也有森林、草原、荒漠等都不同的生物结构，还有城市、乡村、郊区等不同的人居结构．再次表现为环境系统功能的多样性，由于系统结构决定功能，所以环境系统结构的多样性必然伴随着功能的多样性．第三，环境系统的开放性．人类不停地从环境系统中取得有用物质和能量，同时又将人类生产和生活过程中的废弃物质和多余能量不停地向环境排放，故环境系统是人类生存与发展的原料库，同时也是人类生产和生活的废物排放库．例如，人类从环境系统的河流等水体获得水资源，经过净化后，通过城市的配水系统供给居民的生活和工业用水等；人类生产和生活排放的废（污）水又通过城市的排水系统进入河流．再如，人类在利用环境系统中的煤炭资源作为人类生活和生产的能量来源，在煤炭燃烧过程中，不断向环境系统排放废气和固体废弃物．第四，环境系统的动态性．环境系统的动态性是指环境系统状态随着时间不断变化的性质．环境系统的变化是绝对，不变是相对的．环境系统的变化多种多样，有周期性变化也有随机性变化，有非线性变化也有线性变化，有渐进型变化也有是突变型变化．例如，在某地区的工业化过程中，最初工业化水平低，人类活动向环境系统排放的废水较少，且主要是生活污水，水环境质量较好；随着工业化进程的加快，工业废水排放量增加，生活污水量增加，水环境质量开始出现恶化．当排放的废（污）水量在某个临界值之内的时候，环境系统的变化是渐变（量变）过程，水环境质量不会发生明显下降；一旦废（污）水量达到临界值以后，水环境质量就会急剧恶化，发生突变（质变）．环境系统性原理的整体性、多样性、开放性和动态性是相互联系，从不同方面刻画了环境系统特征．一般来说，多样性明显的环境系统，由于系统内部各要素之间，以及系统与环境之间的物质、能量和信息联系广泛，抗干扰能力强大，所以系统就表现出明显的整体性和开放性，而其动态性则不明显．

2．2环境容量原理

狭义环境问题的实质，是人类活动的干扰使环境系统结构或功能发生改变，当改变量超出了环境系统所能承受的界限，环境系统发生突变，最终对人类造成了危害．即环境问题的出现都是由于人类活动使环境系统的改变突破了环境容量造成的．环境系统在不发生质变（突变）的前提下，接纳外来物质（污染物）的最大能力或者为外界供应物质或能量（资源）的最大能力定义为环境容量；即环境容量是指在不改变环境质量的前提下，人类活动向环境系统排放外来物质或者从环境中开发某种物质的最大量．环境容量的大小是由该环境系统的组成和结构决定的，是环境系统功能的一个表现形式，环境系统组成和结构越复杂、多样性越大、开放度越大，那么其容量就越大．环境容量具有有限性、变化性、可调控性等特点．第一，环境容量是有限的．任何环境系统的容量都是有限的，在这个上限之下，人类活动对环境系统的干扰（向环境排放某种物质或从环境提取某种物质）是不会导致环境系统的质量改变的．环境容量的有限性是我们进行环境立法、环境评价、环境管理的基础．第二，环境容量是变化的．环境系统的容量在特定条件下是一个定值，但随着时空的变化，环境容量是变化的．环境容量不仅随着环境系统周围条件的变化而变化，而且还随着环境系统内部组成和结构的变化而变化．环境容量的变化性，要求我们进行环境管理工作时，在借鉴别人经验的同时，要有“变化”理念，不能形而上学、死搬硬套，要随着时间和空间的变化而对环境法规和环境评价的标准进行相应的修正，以适应环境容量的变化．第三，环境容量是可调控的．环境容量的可调控性是人们在研究环境容量的影响因素（环境系统内部结构和功能，外部条件等）、变化规律基础上，通过改变某一（些）环境因素，对环境容量进行调控，让环境系统向着有利于人类的方向转变．例如，水污染控制技术就是在水环境容量研究的基础上，通过改变水温、pH、溶解氧、氧化还原电位、生物量、搅拌程度等影响因素，增加水环境容量，提高水环境质量，达到水污染控制目的．水污染的微生物处理单元（活性污泥处理系统）是通过人工充氧、强化搅拌、加大生物量等工程措施，来实现有机污染物的净化，实质也就是增大了人工环境系统（生物处理单元）的环境容量．

2．3人与环境共生原理

“共生”概念最早由德国真菌学家AntondeBary提出，指两个或者多个生物在生理上相互依存度达到平衡的状态．后来这一概念被引申到其他的自然学科和社会学科中．自然界是一个共生体，动物、植物、人类之间需要相互和谐，才能共生共荣．共生理论的哲学含义就是双方共存、互利共赢［30］．按照马克思唯物主义世界观，人类本身就是自然界的一部分，人类与环境之间的物质与能量交换是不可避免．人类是自然环境发展的产物，环境是人类发展的物质基础，人类发展又对环境系统造成影响．左玉辉［17］提出的人与环境和谐原理只是人与环境共生的一个方面，人与环境的和谐的判断标准是人类的可持续发展，带有很大的主观性，人与环境共生是把人与环境平等对待，双方共存，互利共赢．人类与环境的共生理论要求人类在决策的时候，不但要追求人类利益的最大化，同时还要使环境系统可持续发展，也就是最后追求人类的发展与环境可持续的双方共存、互利共赢．人类与环境的共生理论包括以下两个方面．第一，人类和环境系统的共同发展是以人与环境系统的共生为前提．人类的发展规划不但要考虑人类自身的利益，还要考虑环境系统的可持续性，要慎重审视人类的发展规划是否改变了环境系统的稳定性和多样性，是否突破了环境容量，是否有利于环境系统的可持续发展，是否对环境系统造成危害等等．如果人类活动对环境系统造成了危害，那么通过环境系统的一系列的反馈机制，最后一定会反作用人类，对人类的健康与发展造成危害．第二，人类与环境系统的共生是以人类和环境系统的共同发展为目的的．人与环境系统的共生是人类在环境问题发生、发展与治理的过程中逐渐认识到的一条基本规律，人与环境的共生最终目的就是达到人类和环境系统的共同发展．

2．4熵原理

熵是表征系统无序度大小的物理量，与其功能呈反相关．高熵对应系统无序，功能弱小；低熵对应系统有序，功能强大［31］．对于环境系统来说，高熵对应环境污染和破坏，质量下降；低熵对应环境质量提高．按照耗散结构理论［31－32］，环境系统无疑是一个耗散结构系统．耗散结构系统的熵变化（ΔS）有两部分组成，一是系统内部不可逆过程导致的熵产生（diS），二是系统与环境之间的熵交换（deS），即：ΔS＜0，表示环境质量不断提高；ΔS＞0，表示环境质量恶化．热力学第二定律表明，永远有diS＞0，所以要想使ΔS＜0，必须要求deS＜0，且其绝对值大于diS，即在负熵流存在的情况下环境质量才能提高，否则环境质量将下降．对于环境系统来说，影响deS大小和正负号的因素是太阳辐射和人类活动．太阳活动输入到系统的deS总是负的，有利于环境系统的存在和发展；而人类活动向系统输入的deS可正可负．当人类向环境系统输入的物质和能量有利于系统的熵值降低（环境治理投入），则deS的符号是负的；反之，人类向环境系统输入的物质和能量非但不能降低系统的熵值，而且使系统熵值进一步增大（人类从环境系统大量开发利用自然资源或向环境输入有害物质和能量），那么deS的符号则是正的．在人类社会出现以前，太阳辐射向环境系统输入的负熵大于diS，因此系统的总熵在不断减小，环境系统的组成、结构和功能逐渐有序化，环境质量出现正向演替．自从人类社会出现之后，人类开始从环境系统中开发利用自然资源，以求得经济发展和生活水平的提高．人类开发利用自然资源、产品生产、运输和消费各个环节的能量转化都受热力学第二定律的制约，不可能百分之百地利用有用物质和能量，必然以不同的技术水平伴随着或多或少的无用物质和能量产出（熵产生，deS＞0），从而使环境系统的熵增加．在农业社会之前，由于人口规模小、技术水平低、开发利用自然资源的规模和强度较小，向环境系统排放的正熵有限，连同系统内部的diS仍不足以抵消太阳辐射的负熵输入，所以系统的总熵依然小于零，环境系统没有遭到污染和破坏．自从进入工业化社会以后，随着人口急剧膨胀和技术水平的提高，自然资源遭到大规模开发利用，向环境系统排放的正熵越来越多，连同系统内部的diS已超过了太阳辐射的负熵输入，使总熵开始大于零，从而出现了各种环境问题．通过资源开发、经济发展和环境污染的熵分析，可以得出如下结论：当前环境问题出现的实质是由于经济发展的速度太快、规模太大，人类活动导致的熵产生连同系统内部不可逆熵产生超过了太阳辐射的负熵输入，使环境系统的总熵大于零，自然环境的熵平衡被打破造成的．因此，熵原理是环境科学的基本原理之一．

3环境科学体系

20世纪80年代以来，很多学者对环境科学体系进行了探讨．不同学者对环境科学体系的划分原则和划分方案各不相同，直到目前为止尚未取得一致意见．刘培桐［8］、杨志峰［22］、徐国林［18］等学者根据环境科学研究对象的性质和内容不同，将环境科学体系划分为理论环境学、部分环境学和综合环境学三个一级分支科学，每个一级分支学科又划分为若干二级分支学科．何强［10］、陈英旭［19］等把环境科学看作是自然科学、社会科学和技术科学的边缘交叉科学，将环境科学体系划分为环境基础科学、环境社会科学和环境技术科学三个一级分支学科，每个一级分支学科又划分出若干的二级分支学科．王飞越［14］、李焰［20］等学者以环境问题的研究程序、空间组织水平、研究对象特征和时间特征为轴支撑起多维环境科学体系，如按照研究程序划分为一般理论环境学和应用环境学，按照组织水平划分为全球环境学、区域环境学和聚落环境学等，按照研究对象特征划分为自然环境学、技术环境学和社会环境学等，按照时间特征划分为环境历史研究、环境现状分析和环境预测等．李春景等［21］根据现代学科的聚散共生规律将环境科学划分为伦理环境学、基础环境学、部门环境学和工程环境学等．钱学森［33］站在人类认知事物的一般规律和科学技术发展轨迹的高度，提出任何一门发展完善的科学都应该包括哲学、基础理论、技术（应用）理论和工程技术四个学科层次，彼此联系一个完整的学科体系．马建华等［23］曾根据这种学科层次划分的思想，把环境科学体系划分为环境哲学、环境学、环境技术学和环境工程四个层次，每个层次又划分为若干级别的分支学科（图1）．根据环境科学体系划分方案和当前出现的分支学科现状，发现未来科学发展方向和重点研究领域，以完善环境科学体系．环境哲学层次主要从认识论和方法论上探讨人与环境系统相互作用的本质．环境基础理论层次主要探讨环境系统的组成、结构、功能及形成发育（演化）规律，以及人与环境相互关系的机制，将其概括为环境学．环境技术理论层次是介于环境基础理论和环境工程之间的过渡性层次，主要任务是解决环境工程技术有关的应用理论问题．环境工程层次利用工程技术的方法和手段来控制环境污染、改善环境质量的学科，它不仅要提供合理利用、保护自然资源的一整套技术途径和措施，而且还要研究开发废物资源化技术、改革生产工艺、发展无废或少废闭路生产系统．环境哲学是在其他三个学科层次基础上经过科学归纳和概括而形成的，没有深入的理论研究和工程技术实践，就不可能出现科学的环境哲学．环境哲学可为环境科学其他三个层次的研究提供认识论和方法论指导．环境基础理论和技术理论是工程技术的理论基础，离开基础理论和技术理论，必然导致工程技术实践上的盲目性，不可能达到治理环境的目的．环境工程技术实践反过来又可以验证和促进基础理论和技术理论研究．所以，这四个层次的研究相互联系、促进，共同构成了完整的环境科学体系．根据上述环境科学体系划分，结合当前环境科学的研究现状可以发现，当前的环境科学研究主要集中于基础理论层次的自然环境学、技术理论层次和工程技术层次，完整的环境科学研究体系尚不健全，在很多方面还未涉及或者缺乏深入研究．今后应在进一步推进原有环境科学分支研究的基础上，重点开展下列领域的研究．

（1）尽快开展综合环境学研究．以往的环境科学研究大都是研究者根据自己的学术背景对某一（些）环境要素的研究，大大促进了分支学科的发展．对于环境系统的综合基础理论研究还很欠缺，迄今为止综合环境学尚未诞生．前已述及，环境系统是一个复杂巨系统，有其独特的运动变化规律，单独从某一要素进行研究不可能从总体上揭示环境系统的运动变化规律，所以今后必须加强综合环境学研究．系统科学的出现与发展为我们开展综合环境学研究提供了契机，可借助系统科学的理论与方法，建立区域性或全球性的环境系统动力学模型，通过稳定性分析、分叉与突变理论、混沌与分形理论、耗散结构理论以及协同进化理论开展综合环境学研究．

（2）加强环境哲学研究．随着环境科学基础理论和工程技术的研究的推进，必然要求在哲学层面上归纳和提升，作为人类文明成果的一部分固化下来，为环境科学的进一步研究提供普遍指导．从目前情况看，环境哲学还比较贫困，所以今后要以马克思辩证唯物主义为指导，对环境科学各分支学科的理论研究成果以其实践上的经验教训进行哲学概括和总结，以揭示环境问题的本质．

（3）进一步促进其他新兴和交叉科学发展．随着环境科学研究的深入，研究领域必将逐渐拓展，新的分支学科会不断涌现，这不仅是综合环境学研究的必要，也是环境哲学研究的必要．

4结论

1）环境科学应以研究人类活动引起的任何不利于人类生存和发展的自然环境结构和状态的变化为己任，研究对象是与人类活动密切相关的、由近地面自然成分组成的“环境系统”．

2）根据环境系统运动变化特点，以及人与环境系统之间的关系，将环境系统的基本原理概括为环境系统性原理、环境容量原理、人与环境共生原理和熵原理等四个方面．

3）根据钱学森关于科学体系划分思想，将环境科学体系划分为环境哲学、环境学、环境技术学和环境工程四个基本层次，每个基本层次下又包括不同等级层次的分支学科，构成一个相互联系、相互制约的分科体系．在该体系中，综合环境学尚未形成，环境哲学比较贫困，是今后环境科学理论研究的重点方向．

4）随着环境科学研究的不断深入，对其研究对象、基本原理和学科体系等理论问题的认识会更加明晰．