１環境科學研究對象的內涵和外延辨析

美國科學基金會的國家科學局［３］認為，環境科學是研究圍繞著人的空氣、陸地、水、能源和生命等所有系統的科學；斯特拉勒（ＳｔｒａｈｌｅｒＡ．Ｎ．）等［３］認為，環境科學是研究地球的各種自然系統和各種過程及其對人類的意義和影響的科學；Ｂｏｕｗｅｒ等［４］認為，環境科學是研究人與環境關系，解決環境問題的跨領域科學；Ｎｅｂｅｌ等［５］認為，環境科學是研究與人類環境關系最密切的問題的科學；Ｓｍｉｔｈ等［６］認為，環境科學是研究人類對環境影響的科學；Ｂｏｅｒｓｅｍａ等［７］認為，環境科學是研究人為環境問題的科學；劉培桐等［８］認為，環境科學以“人類－環境”系統為研究對象，是研究該系統發生和發展、調節和控制以及改造和利用的科學；左玉輝等［９］認為，環境科學是研究人與環境相互作用規律的科學；何強等［１０］認為，環境科學是研究人類活動與其環境質量關系的科學；莫祥銀［１１］等認為，環境科學是研究人類在認識自然和改造自然中的人和環境之間相互關系的科學；竇貽儉等［１２］認為，環境科學是主要研究環境結構與狀態的運行變化規律及其與人類社會活動之間關系，研究人類社會與環境之間協同演化、持續發展的規律和具體途徑的科學；盧昌義等［１３］認為，環境科學是研究人類活動所引起的環境質量變化和保護與改善環境的科學；王越飛等［１４］認為，人類生態系統是環境科學的研究對象．

可以看出，國內外學者對環境科學研究對象的認識大致可歸納為三類：一是人與環境相互作用而形成的復雜系統［３－６，８－１２］，二是由人類活動引起的環境問題［７，１３］，三是人類生態系統［１４］．筆者認為，將環境科學的研究對象定義為“人類－環境”系統和人類生態系統值得商榷，因為這兩者都不是環境科學特有的研究對象，如地理學就將“人（類）地（地理環境）關系”或“人地關系地域系統”作為研究對象［２５－２６］，人類生態系統是人類生態學的研究對象［２７］．“環境問題”有狹義和廣義之分．廣義的環境問題是指任何不利于人類生存和發展的自然環境結構和狀態的變化，廣義環境問題中的一些自然現象（如地震、泥石流、滑坡、森林火災、病蟲害、洪澇和干旱災害）雖然也對人類生存和發展構成威脅，但主要誘因不是人類活動，也不是近幾十年來才出現的問題，同時人類也不能改變這些自然現象的發生與發展，不應包括在環境科學研究內容之中．狹義的環境問題是指由于人為因素引起的任何不利于人類生存和發展的自然環境結構和狀態的變化．主要包括環境污染和環境破壞兩大類．如生產和生活引起的大氣、水體、土壤等環境介質的污染，亂砍濫伐引起的森林破壞和生物多樣性下降，過度放牧引起的草原退化，大面積開墾草原引起的沙漠化和土地沙化等等．從環境科學的發展過程可以看出，它是隨著狹義的環境問題的出現而出現的，也是隨著狹義環境問題的日益嚴重而發展的．故判斷某一研究領域是否屬于環境科學的范疇，要看其是否解決狹義環境問題為準繩．例如，純粹的生態系統的結構和功能的研究屬于生態學范疇，而不應屬于環境科學的范疇；若進行人致的生態問題的形成、發展與防治的研究，則屬于環境科學的范疇．進行自然環境的結構和功能的研究屬于自然地理學的范疇，而不屬于環境科學的范疇；若進行人為源污染物在自然環境的遷移、轉化、危害、區域差異及其防治的研究，則屬于環境科學的范疇．根據系統論觀點，狹義環境問題所涉及到的自然要素眾多（大氣、水體、土壤、生物等），彼此相互聯系、相互制約，共同構成一個復雜巨系統．為了維持“環境科學”的傳統名稱，筆者將該系統稱為環境系統．

將環境系統作為環境科學的研究對象的優點在于：（１）明晰了環境科學探究對象的“系統”與“環境”的界限，此處的“系統”即由自然要素組成的環境系統，此處的“環境”是獨立于環境系統的人類活動．（２）有利于認識環境問題的本質和構建環境系統數值模型．制約環境系統運動變化的終極驅動力有兩個，一是來自于“環境”的太陽輻射，它是該系統一切運動變化過程的能量源泉，也是其存在和發展的前提［２８］；另一個也來自于“環境”，就是人類活動．太陽輻射對環境系統演化是正向（功能提高）的，人類活動對系統演化可以是正向的，也可以是負向（功能退化）的，關鍵依賴于人類活動的性質（是否有利于系統功能的提高）［２９］．在深入研究環境系統組成、結構、功能和發展變化的基礎上，構建其仿真性的系統動力學模型是環境科學的基本任務．環境系統動力學模型不僅要包括系統內部的各個狀態變量，還要包括來自于“環境”的控制參量．對于狹義環境問題來說，控制參量就是人類活動．

２環境科學基本原理

環境科學研究者大多是從其他相關學科轉變過來，按照原有的學科背景進行環境問題研究，形成眾多環境科學的分支學科，分支學科是相關學科的理論、方法與環境問題的結合．相關學科的理論是比較完善，故分支學科的理論也相對比較完善．但是，環境科學作為一門獨立的學科，是否有自身獨特的基本理論，或者其基本原理究竟是什么尚未達成普遍共識．不少學者認為，環境科學沒有獨特的基本原理，只是借助其他學科的基本原理研究環境問題而已．與此相反，有些學者認為環境科學有其獨特的基本原理．例如Ｂｏｅｒｓｅｍａ等［７］把環境科學原理分為普適性原理和特殊原理，普適性原理包括可持續發展原理、能量守恒定律、質能守恒定律、物質守恒原理、熵原理、進化原理、系統觀念、生態學原理、人口學原理和惡性循環原理，特殊原理包括獨立分析法、非獨立分析法、經濟思想起源指導原則、法學及其原理的指導原則、社會科學起源的指導原則、未來重要性原則、全球變化原則．昝廷全等［１５］認為，極限協同原理是環境科學的一條基本原理，只有當環境變化速度超過人體結構的適應調節速度最大極限，或人體結構的適應調節過程超出人體結構的最大正常范圍時，環境的變化才對人體產生顯著的影響．李長生［１６］認為，環境科學基礎理論研究就是要揭示蘊藏在環境系統內部的客觀規律，即環境系統內部結構及其運動變化規律．楊志峰等［２２］認為環境各個分支學科（如環境物理、環境化學、環境生態、環境地學、環境經濟學、環境倫理學等等）的基本理論即組成環境科學的基本理論．左玉輝［１７］認為，環境多樣性原理、人與環境協調原理、規律規則原理和五律協同原理構成了環境學的基本原理．筆者認為，既然環境科學具有獨特的研究對象，是人類知識（文明）體系中不可或缺的獨立科學，那么必然有基本原理．環境科學的基本原理是整個學科的基礎理論，是解決環境問題應該遵循的一般規律．根據前人研究的工作基礎，綜合分析環境各個分支學科的理論，作者提出如下四條環境科學基本原理．

２．１環境系統性原理

環境系統內部包括眾多的子系統，不論什么級別的環境系統，都具有的相同性質和原理，此即環境系統性原理．環境系統性原理主要包括以下幾個方面．第一，環境系統的整體性．環境系統的整體性是指該系統內部各要素之間通過物質流、能量流和信息流相互發生聯系，某種要素的變化會引起其他要素乃至整個系統變化的性質．環境系統包括水體、大氣、土壤、生物四個圈層．這四個圈層相互聯系、相互制約，缺少任何圈層都不能構成一個完整的環境系統．同時，任一圈層發生變化，都會影響其他圈層的改變，從而導致整個系統的變化．例如水質發生變化，必然影響土壤環境質量，繼而影響生物的生存環境和生物量，同時水和大氣之間發生物質交換，對大氣環境質量產生不利影響．第二，環境系統的多樣性．環境系統的多樣性首先表現為物質組成的多樣性，環境系統由生物和非生物組成，生物又有植物、動物、微生物等不同類型；非生物的物質又有各種天然物質（大氣、水體、土壤和巖石等）和人工合成物質等等．其次表現為環境系統結構多樣性，例如，環境系統中有高山、河谷、平原等不同的地貌結構，也有森林、草原、荒漠等都不同的生物結構，還有城市、鄉村、郊區等不同的人居結構．再次表現為環境系統功能的多樣性，由于系統結構決定功能，所以環境系統結構的多樣性必然伴隨著功能的多樣性．第三，環境系統的開放性．人類不停地從環境系統中取得有用物質和能量，同時又將人類生產和生活過程中的廢棄物質和多余能量不停地向環境排放，故環境系統是人類生存與發展的原料庫，同時也是人類生產和生活的廢物排放庫．例如，人類從環境系統的河流等水體獲得水資源，經過凈化后，通過城市的配水系統供給居民的生活和工業用水等；人類生產和生活排放的廢（污）水又通過城市的排水系統進入河流．再如，人類在利用環境系統中的煤炭資源作為人類生活和生產的能量來源，在煤炭燃燒過程中，不斷向環境系統排放廢氣和固體廢棄物．第四，環境系統的動態性．環境系統的動態性是指環境系統狀態隨著時間不斷變化的性質．環境系統的變化是絕對，不變是相對的．環境系統的變化多種多樣，有周期性變化也有隨機性變化，有非線性變化也有線性變化，有漸進型變化也有是突變型變化．例如，在某地區的工業化過程中，最初工業化水平低，人類活動向環境系統排放的廢水較少，且主要是生活污水，水環境質量較好；隨著工業化進程的加快，工業廢水排放量增加，生活污水量增加，水環境質量開始出現惡化．當排放的廢（污）水量在某個臨界值之內的時候，環境系統的變化是漸變（量變）過程，水環境質量不會發生明顯下降；一旦廢（污）水量達到臨界值以后，水環境質量就會急劇惡化，發生突變（質變）．環境系統性原理的整體性、多樣性、開放性和動態性是相互聯系，從不同方面刻畫了環境系統特征．一般來說，多樣性明顯的環境系統，由于系統內部各要素之間，以及系統與環境之間的物質、能量和信息聯系廣泛，抗干擾能力強大，所以系統就表現出明顯的整體性和開放性，而其動態性則不明顯．

２．２環境容量原理

狹義環境問題的實質，是人類活動的干擾使環境系統結構或功能發生改變，當改變量超出了環境系統所能承受的界限，環境系統發生突變，最終對人類造成了危害．即環境問題的出現都是由于人類活動使環境系統的改變突破了環境容量造成的．環境系統在不發生質變（突變）的前提下，接納外來物質（污染物）的最大能力或者為外界供應物質或能量（資源）的最大能力定義為環境容量；即環境容量是指在不改變環境質量的前提下，人類活動向環境系統排放外來物質或者從環境中開發某種物質的最大量．環境容量的大小是由該環境系統的組成和結構決定的，是環境系統功能的一個表現形式，環境系統組成和結構越復雜、多樣性越大、開放度越大，那么其容量就越大．環境容量具有有限性、變化性、可調控性等特點．第一，環境容量是有限的．任何環境系統的容量都是有限的，在這個上限之下，人類活動對環境系統的干擾（向環境排放某種物質或從環境提取某種物質）是不會導致環境系統的質量改變的．環境容量的有限性是我們進行環境立法、環境評價、環境管理的基礎．第二，環境容量是變化的．環境系統的容量在特定條件下是一個定值，但隨著時空的變化，環境容量是變化的．環境容量不僅隨著環境系統周圍條件的變化而變化，而且還隨著環境系統內部組成和結構的變化而變化．環境容量的變化性，要求我們進行環境管理工作時，在借鑒別人經驗的同時，要有“變化”理念，不能形而上學、死搬硬套，要隨著時間和空間的變化而對環境法規和環境評價的標準進行相應的修正，以適應環境容量的變化．第三，環境容量是可調控的．環境容量的可調控性是人們在研究環境容量的影響因素（環境系統內部結構和功能，外部條件等）、變化規律基礎上，通過改變某一（些）環境因素，對環境容量進行調控，讓環境系統向著有利于人類的方向轉變．例如，水污染控制技術就是在水環境容量研究的基礎上，通過改變水溫、ｐＨ、溶解氧、氧化還原電位、生物量、攪拌程度等影響因素，增加水環境容量，提高水環境質量，達到水污染控制目的．水污染的微生物處理單元（活性污泥處理系統）是通過人工充氧、強化攪拌、加大生物量等工程措施，來實現有機污染物的凈化，實質也就是增大了人工環境系統（生物處理單元）的環境容量．

２．３人與環境共生原理

“共生”概念最早由德國真菌學家ＡｎｔｏｎｄｅＢａｒｙ提出，指兩個或者多個生物在生理上相互依存度達到平衡的狀態．后來這一概念被引申到其他的自然學科和社會學科中．自然界是一個共生體，動物、植物、人類之間需要相互和諧，才能共生共榮．共生理論的哲學含義就是雙方共存、互利共贏［３０］．按照馬克思唯物主義世界觀，人類本身就是自然界的一部分，人類與環境之間的物質與能量交換是不可避免．人類是自然環境發展的產物，環境是人類發展的物質基礎，人類發展又對環境系統造成影響．左玉輝［１７］提出的人與環境和諧原理只是人與環境共生的一個方面，人與環境的和諧的判斷標準是人類的可持續發展，帶有很大的主觀性，人與環境共生是把人與環境平等對待，雙方共存，互利共贏．人類與環境的共生理論要求人類在決策的時候，不但要追求人類利益的最大化，同時還要使環境系統可持續發展，也就是最后追求人類的發展與環境可持續的雙方共存、互利共贏．人類與環境的共生理論包括以下兩個方面．第一，人類和環境系統的共同發展是以人與環境系統的共生為前提．人類的發展規劃不但要考慮人類自身的利益，還要考慮環境系統的可持續性，要慎重審視人類的發展規劃是否改變了環境系統的穩定性和多樣性，是否突破了環境容量，是否有利于環境系統的可持續發展，是否對環境系統造成危害等等．如果人類活動對環境系統造成了危害，那么通過環境系統的一系列的反饋機制，最后一定會反作用人類，對人類的健康與發展造成危害．第二，人類與環境系統的共生是以人類和環境系統的共同發展為目的的．人與環境系統的共生是人類在環境問題發生、發展與治理的過程中逐漸認識到的一條基本規律，人與環境的共生最終目的就是達到人類和環境系統的共同發展．

２．４熵原理

熵是表征系統無序度大小的物理量，與其功能呈反相關．高熵對應系統無序，功能弱小；低熵對應系統有序，功能強大［３１］．對于環境系統來說，高熵對應環境污染和破壞，質量下降；低熵對應環境質量提高．按照耗散結構理論［３１－３２］，環境系統無疑是一個耗散結構系統．耗散結構系統的熵變化（ΔＳ）有兩部分組成，一是系統內部不可逆過程導致的熵產生（ｄｉＳ），二是系統與環境之間的熵交換（ｄｅＳ），即：ΔＳ＜０，表示環境質量不斷提高；ΔＳ＞０，表示環境質量惡化．熱力學第二定律表明，永遠有ｄｉＳ＞０，所以要想使ΔＳ＜０，必須要求ｄｅＳ＜０，且其絕對值大于ｄｉＳ，即在負熵流存在的情況下環境質量才能提高，否則環境質量將下降．對于環境系統來說，影響ｄｅＳ大小和正負號的因素是太陽輻射和人類活動．太陽活動輸入到系統的ｄｅＳ總是負的，有利于環境系統的存在和發展；而人類活動向系統輸入的ｄｅＳ可正可負．當人類向環境系統輸入的物質和能量有利于系統的熵值降低（環境治理投入），則ｄｅＳ的符號是負的；反之，人類向環境系統輸入的物質和能量非但不能降低系統的熵值，而且使系統熵值進一步增大（人類從環境系統大量開發利用自然資源或向環境輸入有害物質和能量），那么ｄｅＳ的符號則是正的．在人類社會出現以前，太陽輻射向環境系統輸入的負熵大于ｄｉＳ，因此系統的總熵在不斷減小，環境系統的組成、結構和功能逐漸有序化，環境質量出現正向演替．自從人類社會出現之后，人類開始從環境系統中開發利用自然資源，以求得經濟發展和生活水平的提高．人類開發利用自然資源、產品生產、運輸和消費各個環節的能量轉化都受熱力學第二定律的制約，不可能百分之百地利用有用物質和能量，必然以不同的技術水平伴隨著或多或少的無用物質和能量產出（熵產生，ｄｅＳ＞０），從而使環境系統的熵增加．在農業社會之前，由于人口規模小、技術水平低、開發利用自然資源的規模和強度較小，向環境系統排放的正熵有限，連同系統內部的ｄｉＳ仍不足以抵消太陽輻射的負熵輸入，所以系統的總熵依然小于零，環境系統沒有遭到污染和破壞．自從進入工業化社會以后，隨著人口急劇膨脹和技術水平的提高，自然資源遭到大規模開發利用，向環境系統排放的正熵越來越多，連同系統內部的ｄｉＳ已超過了太陽輻射的負熵輸入，使總熵開始大于零，從而出現了各種環境問題．通過資源開發、經濟發展和環境污染的熵分析，可以得出如下結論：當前環境問題出現的實質是由于經濟發展的速度太快、規模太大，人類活動導致的熵產生連同系統內部不可逆熵產生超過了太陽輻射的負熵輸入，使環境系統的總熵大于零，自然環境的熵平衡被打破造成的．因此，熵原理是環境科學的基本原理之一．

３環境科學體系

２０世紀８０年代以來，很多學者對環境科學體系進行了探討．不同學者對環境科學體系的劃分原則和劃分方案各不相同，直到目前為止尚未取得一致意見．劉培桐［８］、楊志峰［２２］、徐國林［１８］等學者根據環境科學研究對象的性質和內容不同，將環境科學體系劃分為理論環境學、部分環境學和綜合環境學三個一級分支科學，每個一級分支學科又劃分為若干二級分支學科．何強［１０］、陳英旭［１９］等把環境科學看作是自然科學、社會科學和技術科學的邊緣交叉科學，將環境科學體系劃分為環境基礎科學、環境社會科學和環境技術科學三個一級分支學科，每個一級分支學科又劃分出若干的二級分支學科．王飛越［１４］、李焰［２０］等學者以環境問題的研究程序、空間組織水平、研究對象特征和時間特征為軸支撐起多維環境科學體系，如按照研究程序劃分為一般理論環境學和應用環境學，按照組織水平劃分為全球環境學、區域環境學和聚落環境學等，按照研究對象特征劃分為自然環境學、技術環境學和社會環境學等，按照時間特征劃分為環境歷史研究、環境現狀分析和環境預測等．李春景等［２１］根據現代學科的聚散共生規律將環境科學劃分為倫理環境學、基礎環境學、部門環境學和工程環境學等．錢學森［３３］站在人類認知事物的一般規律和科學技術發展軌跡的高度，提出任何一門發展完善的科學都應該包括哲學、基礎理論、技術（應用）理論和工程技術四個學科層次，彼此聯系一個完整的學科體系．馬建華等［２３］曾根據這種學科層次劃分的思想，把環境科學體系劃分為環境哲學、環境學、環境技術學和環境工程四個層次，每個層次又劃分為若干級別的分支學科（圖１）．根據環境科學體系劃分方案和當前出現的分支學科現狀，發現未來科學發展方向和重點研究領域，以完善環境科學體系．環境哲學層次主要從認識論和方法論上探討人與環境系統相互作用的本質．環境基礎理論層次主要探討環境系統的組成、結構、功能及形成發育（演化）規律，以及人與環境相互關系的機制，將其概括為環境學．環境技術理論層次是介于環境基礎理論和環境工程之間的過渡性層次，主要任務是解決環境工程技術有關的應用理論問題．環境工程層次利用工程技術的方法和手段來控制環境污染、改善環境質量的學科，它不僅要提供合理利用、保護自然資源的一整套技術途徑和措施，而且還要研究開發廢物資源化技術、改革生產工藝、發展無廢或少廢閉路生產系統．環境哲學是在其他三個學科層次基礎上經過科學歸納和概括而形成的，沒有深入的理論研究和工程技術實踐，就不可能出現科學的環境哲學．環境哲學可為環境科學其他三個層次的研究提供認識論和方法論指導．環境基礎理論和技術理論是工程技術的理論基礎，離開基礎理論和技術理論，必然導致工程技術實踐上的盲目性，不可能達到治理環境的目的．環境工程技術實踐反過來又可以驗證和促進基礎理論和技術理論研究．所以，這四個層次的研究相互聯系、促進，共同構成了完整的環境科學體系．根據上述環境科學體系劃分，結合當前環境科學的研究現狀可以發現，當前的環境科學研究主要集中于基礎理論層次的自然環境學、技術理論層次和工程技術層次，完整的環境科學研究體系尚不健全，在很多方面還未涉及或者缺乏深入研究．今后應在進一步推進原有環境科學分支研究的基礎上，重點開展下列領域的研究．

（１）盡快開展綜合環境學研究．以往的環境科學研究大都是研究者根據自己的學術背景對某一（些）環境要素的研究，大大促進了分支學科的發展．對于環境系統的綜合基礎理論研究還很欠缺，迄今為止綜合環境學尚未誕生．前已述及，環境系統是一個復雜巨系統，有其獨特的運動變化規律，單獨從某一要素進行研究不可能從總體上揭示環境系統的運動變化規律，所以今后必須加強綜合環境學研究．系統科學的出現與發展為我們開展綜合環境學研究提供了契機，可借助系統科學的理論與方法，建立區域性或全球性的環境系統動力學模型，通過穩定性分析、分叉與突變理論、混沌與分形理論、耗散結構理論以及協同進化理論開展綜合環境學研究．

（２）加強環境哲學研究．隨著環境科學基礎理論和工程技術的研究的推進，必然要求在哲學層面上歸納和提升，作為人類文明成果的一部分固化下來，為環境科學的進一步研究提供普遍指導．從目前情況看，環境哲學還比較貧困，所以今后要以馬克思辯證唯物主義為指導，對環境科學各分支學科的理論研究成果以其實踐上的經驗教訓進行哲學概括和總結，以揭示環境問題的本質．

（３）進一步促進其他新興和交叉科學發展．隨著環境科學研究的深入，研究領域必將逐漸拓展，新的分支學科會不斷涌現，這不僅是綜合環境學研究的必要，也是環境哲學研究的必要．

４結論

１）環境科學應以研究人類活動引起的任何不利于人類生存和發展的自然環境結構和狀態的變化為己任，研究對象是與人類活動密切相關的、由近地面自然成分組成的“環境系統”．

２）根據環境系統運動變化特點，以及人與環境系統之間的關系，將環境系統的基本原理概括為環境系統性原理、環境容量原理、人與環境共生原理和熵原理等四個方面．

３）根據錢學森關于科學體系劃分思想，將環境科學體系劃分為環境哲學、環境學、環境技術學和環境工程四個基本層次，每個基本層次下又包括不同等級層次的分支學科，構成一個相互聯系、相互制約的分科體系．在該體系中，綜合環境學尚未形成，環境哲學比較貧困，是今后環境科學理論研究的重點方向．

４）隨著環境科學研究的不斷深入，對其研究對象、基本原理和學科體系等理論問題的認識會更加明晰．