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1、第八章地球表层生态系统对全球变化的响应yuangao修改第八章 地球表层生态系统对全球变化的响应第一节 全球变化概述一、全球变化的概念全球变化（Global Change）一词首先出现于20世纪70年代，为人类学家所使用。当时国际上使用全球变化主要是来表达人类社会、经济和政治系统愈来愈不稳定，特别是国际安全和生存环境质量逐渐降低这一特定涵义。后来，全球气候变化成为人们关注的焦点，全球变化一词被借用到气候变化的研究领域，包括全球变暖或温室效应、海平面升高和臭氧层破坏等方面。到了80年代，自然科学家借用并拓展了全球变化的概念，将其延伸至全球环境，即将地球的大气圈、水圈、生物圈、土壤圈、岩石圈的变化

2、纳入全球变化的范畴，并突出地强调地球环境系统及其变化。90年代初，随着世界人口的激增和工业化及城市化的高速发展，人类活动使地球大气、陆地、淡水及海洋环境等发生了前所未有的变化，许多有害气体和污染物的排放改变了生态系统的生产力和物种多样性，同时严重威胁着人类的生存和发展。在这一时期，提出了许多全球变化的概念，如美国的全球变化研究议案中，将全球变化定义为：“可能改变地球承载生物能力的全球环境变化（包括气候、土地生产力、海洋及其它水资源、大气化学以及生态系统的改变）”。近几年，全球变化引起人们极大地关注，并对全球变化问题的认识提高到了一个新的高度。目前，比较公认的定义是：全球变化是由于人类活动直接或

3、间接造成的，出现在全球范围内的，异乎寻常的人类生态环境的变化，是全球环境变化简称。二、全球变化的内涵全球变化研究是20世纪80年代以来国际科学界所组织的意义深远、规模最大的一项合作研究计划，涉及到地球科学、宏观生物学、天体科学、遥感技术等众多的自然科学和社会科学等领域。按照研究内容、手段等方面的不同可将全球变化研究分为近现代全球变化和未来全球变化。（一）近现代全球变化起初，在相当一段时间内全球变化研究是以气候变化为核心展开的。概括地说，全球变化研究主要是关于区域及全球气候变化趋势、原因、机制和效应的研究。根据历史记录数据来寻求气候系统的运行规律，并通过这些规律来预测未来气候变化的趋势和特征。近

4、年来，随着全球变化研究的深入，全球变化已打破全球气候变化的界限，内容已扩展到全球人口增长、全球气候变化、大气成分变化、养分生物地球化学循环变化、及生物多样性的丧失等诸多方面。下面我们就近现代全球变化的主要研究领域作简单介绍。1.人口增长在所有全球变化中，人口增长（Human Population Growth）是最重要的一个方面。人口剧增是全球变化的一个主要原因，因为人类的工农业活动及对自然资源的消耗决定着其它所有的全球环境变化。从地球上出现人类直到1650年，人口增加到5.45亿，1950年为25.2亿，1999年突破60亿大关，预计到2032年，将达到90亿（如图8-1）。而人类的生存空间

5、是有限的，这一空间内的一切物质和能量也是有限的，而这些正是人类根本的衣食之源。人可以创造财富，但不能创造物质，而且也无法离开自然界提供的基础去任意创造财富。自古以来，人类就不断地向自然界索取资源，随着人口的增多和消费水平的提高，索取的数量和范围越来越大，自然界可供养人类的资源是有限的，众多的人口给地球生态系统施加了巨大压力。人类活动正在改变着世界的运转方式，并正在改变着地球。2.全球气候变化气候是与人们每天的生活息息相关的一个重要的自然因素。气候实际上是指包括温度、湿度和降水等在内的综合信息。因此，地球气候系统是一个涉及阳光、大气、陆地和海洋等内容十分丰富的系统。据研究资料表明，地质史上或人类

6、历史上的气候变化，一般是呈周期性的，其中最明显的是冰期和间冰期的交替出现。这说明地球气候的变暖与变冷在未受人类活动干扰或干扰不大的时期，变化是上下波动的，有自身规律的，成周期性的。到了近现代，也就是19世纪末以来，全球地表平均气温明显有增加的趋势。其中，大幅度增温集中在20世纪2040年代之间，增温约0.4；20世纪5070年代期间，全球气温在正常值附近摆动；从1975年开始至今，气温明显升高，其中90年代是20世纪最暖的10年。全球变暖（Global Warming）是最早引起人们对气候变化广泛关注的一个重要方面。全球变暖是指地球表层大气、土壤、水体及植被温度年际间缓慢上升。为了提供国际公认

7、的和权威性的有关全球气候变化、气候变化对环境的可能影响的科学信息，国际上于1988年成立了政府间气候变化委员会（IPCC）。IPCC研究成果表明，全球变暖是由于人类活动使大气中CO2、CH4和N2O等温室气体的含量大幅度上升造成的。全球变暖造成的最直接的变化就是使得极地、高山冰川融化及海平面上升，进一步导致一些沿海城市和生态系统会随之消失，地球淡水资源进一步减少。全球气候变化在我国也有明显反映。中国大陆年平均和季节平均温度自19世纪末以来总体呈现上升趋势（叶笃正等，1992）。曾带来极其严重的后果，如1998年中国长江流域、松花江、嫩江流域的特大洪水灾害就与厄尔尼诺及拉尼娜现象有关。 3.大气

8、成分变化在地球形成之初，地球表面大气主要由水蒸气、H2S、N2、CH4、NH3及H2等还原性气体组成，缺少氧气和臭氧层，由于时间久远，没有引起人们过多的关注。后来大气成分发生了巨大变化，逐渐演变成近现代的状况。目前，地球大气是以氮、氧和氩三种主要气体和一些微量气体组成的，其中氮气占78.08%，氧气占20.95%，氩气占0.93%，这三种气体约占大气总体积的99.9%，其它微量气体含量仅占0.1%。地球大气是处于非平衡状态的，受全球生物多样性和人类活动的影响其成分在发生变化。自工业革命兴起以来的200多年间，CO2、CH4和N2O在大气中的含量分别增加了约30%、145%和15%（IPCC研究

9、成果数据）。而氟氯烃（CFCs）在工业革命前浓度为0，在工业革命后到1990年期间，浓度增加到0.29ppbv，其中CFC-11和CFC-12的浓度分别由0增加到280pptv 和484pptv(见表8-1，图8-2)。在这些变化较大的成分中，CO2和N2O主要来源于工业燃烧和汽车尾气；CH4主要来源于稻田、家畜、燃煤和海洋释放等；氟氯烃属于人工合成物质，主要来源于制冷剂、灭火剂、火箭发射助燃剂等。表8-1人类活动影响下温室气体的增长CO2CH4N2OCFC-11CFC-12大气含量单位ppmvppbvppbvpptvpptv工业革命前28080028800现在3531320310280484

10、注：ppmv， ppbv， pptv指单位体积内含有10-6、10-9、10-12的气体。（引自蔡晓明，2002） 图8-2 工业革命以来温室气体增加趋势4.养分生物地球化学循环变化作为生物体的必须元素，C、N、S和P不仅为生物体和生命过程所不可缺少，在全球生物地球化学循环中同样占有重要地位。过去100多年来，这些养分的生物地球化学循环由于人类干扰和气候变化产生了显著变化（Vitousek,1994）。关于C元素的变化，目前主要集中在CO2和CH4两个方面，对CO研究相对较少。通过有关计算，人类活动每年释放到大气中的CO2达7.0PgC，其中2.0 PgC被海洋吸收，3.4PgC用于增加大气中

11、的CO2浓度，剩下的1.6PgC去向不明（碳失汇）。CH4在大气中的浓度目前还很低，但它的增长速度却很快，每年以1%的速率增长。由于CH4是一种化学活性物质，它能引起许多大气化学过程的变化，已引起人们的高度关注。N元素方面，据统计，全球陆地生态系统的生物固氮量约为100Tg/年（1Tg=1012g）；海洋生态系统固氮量为520Tg；闪电引起的固氮量只有10Tg或更少；与此相比，工业化生产化肥固定的氮每年可达到80Tg，大豆类作物固氮达30Tg/年。从这些数据中可以看出，人为固氮已达到天然固氮水平。此外，人类活动，如植物秸秆燃烧、土地利用和湿地排水等都已加速了氮库的游离。游离的氮均可回到大气和水

12、域中，从而改变了局部地区氮循环。同样，人类活动也巨大地改变了硫、磷等元素的生物地球化学循环。估计从化石燃料中释放的SO2比已知自然释放的SO2多得多，SO2释放已造成严重的全球环境问题酸雨。磷是地球上的第十大元素，它的一个显著特点是几乎没有气体成分参与其循环。有关研究表明，磷元素主要是通过土壤流失由陆地到达海洋，它的流失直接影响到生物的生长，并直接影响到碳、氮、硫的循环。因此，磷元素的循环同样不可忽视（Wollast,1993）。5. 土地利用/土地覆被变化自从人类产生以来，就开始了土地利用的历史，尤其是近一个世纪以来，随着人口的增长和技术的进步，人类对土地利用的范围不断扩大、强度不断加剧。目

13、前，地球上1/3到1/2的土地已被人类的开发和利用所改变，造成了全球气候的显著变化和生物物种不可逆转的减少，从而对整个生态系统的结构和机能造成了实质性的影响。进入20世纪90年代以来，全球环境变化研究领域逐渐加强了对土地利用/土地覆被变化（LUCC）的研究。土地利用变化是指人为土地利用方式的改变，以及反映土地利用目的的土地管理意图；土地覆被变化是指土地物理或生物覆盖物发生的变化，主要表现在生物多样性、土壤质量、地表径流和侵蚀沉积及实际和潜在的土地第一性生产力等方面。两者既有密切联系又有本质区别，土地利用偏重人类对土地自然属性的利用方式和利用状况，是一种人类活动；而土地覆被反映的是地球表层的自然

14、状况。在很多情况下，土地利用和土地覆被所指的对象是相同的，因而这两个概念又很容易混淆。例如，对于同一片草地或作物，当不考虑其目的和用途而仅将其看作植被时，它就是土地覆被；若考虑其用于放牧或生产粮食等用途时，它就是相应的土地利用类型。土地利用变化通常会导致土地覆被状况的变化，土地覆被的变化反过来又作用于土地利用。目前，全球土地利用格局变化主要表现在两个方面，一是全球的森林面积急剧减少，二是全球沙漠化扩大。全球森林面积的急剧减少，主要以热带森林（热带雨林）最为严重。森林生态系统是最重要的陆地生态系统，森林是地球的肺，能够吸收CO2和放出O2，此外，森林还具有调节气候水文、涵养水源、控制水土流失等功

15、能。有专家估计，有50%左右的物种存在于热带雨林中。目前全世界的热带森林每年正以2%的速度从地球上消失，将对全球环境造成巨大的破坏。最近几十年，由于沙漠边缘区过度放牧等原因，导致沙漠化的扩大速率不断加大。目前，全世界每年正以51047104km2的惊人速度沙漠化。世界最大的撒哈拉沙漠已经前进到了欧洲，中国西北的沙漠也正在威胁着首都北京的安全。众所周知，人类文明起源于河流，沙漠埋葬人类文明，这是极其严峻的事实。所以，荒漠化已成为各国最为关注的事态之一。6.生物多样性的丧失地球上的生物资源丰富，全世界大约有1300万至1400万个物种，但科学描述过的仅约有175万种（Heheywood等，1995

16、）。实际上，科学描述过的物种和被认为是有效的物种的准确数目对大多数类群来说是不清楚的（May,1992）。由于人口的急剧增加和不合理的资源开发活动以及环境污染和生态破坏，对各种生物及其生态系统产生了极大的冲击，使生物多样性损失严重。现在地球上的动植物物种消失的速率，比过去6500万年之中的任何时期都要快1000倍以上，世界上每年至少有50000种物种灭绝，平均每天140个（Wilson,1987）。20世纪以来，全世界3800多种哺乳动物中，已有110种和亚种消失，9000多种鸟类中已有139个种和39个亚种消失。目前，地球上还有3400多种脊椎动物和近2万多种植物正面临绝灭的危险（见表8-2

17、），而且灭绝的速度还在继续增加。此外，生物栖息地的丧失和生物种内遗传多样性的丧失情况同样相当严重。由于生物栖息地面积不断缩小和破碎化，导致了野生生物种内遗传多样性严重丧失，使野生物种对疾病、气候变化、栖息地改变、杂交等的抵抗力降低，进而导致种群萎缩、近亲交配和种群遗传纯化，遗传多样性降低，最终导致物种崩溃灭亡。有的学者指出，迄今为止人类对生物多样性的损害，其恢复至少需要1亿年以上。表8-2 濒危物种的现状灭绝种濒危种受危物种稀有种未定种地球上总濒危类群数目植物384332530226749558919078鱼类23811358321343两栖类299201050爬行类2137394132170

18、无脊椎动物982212341886141355鸟类113111671226241037哺乳类831721413764497引自：Reid和Miller,1989年；WCMC，1989年未发表的数据。中国幅员辽阔，海域宽广，地形、气候复杂，南北跨越寒、温、热三个气候带，高原、山地、盆地、平原兼有，地质历史古老，孕育了极其丰富的动物、植物和微生物资源。可以说，中国是世界上生物多样性最丰富的国家之一，拥有的物种数量约占世界总数的10%。同时，中国也是生物多样性受威胁最严重的国家之一，据统计，生物多样性总量的1/4将濒临灭绝。据研究表明，生物多样性的丧失不是孤立的。土地利用、人口增长、生物地化循环等都

19、能影响到生物多样性的存在和丧失；同样，生物多样性的变化也会反过来影响全球环境变化。（二）未来全球变化前面提到的全球变化内容，主要是以纯基础理论研究为主，偏重人类活动对全球环境变化的影响，而对人类如何去适应和改造全球变化和实现全球的可持续发展研究较少。全球变化已是不容争辩的事实，在未来还将以更快的速度发生。随着人类步入21世纪，科学技术的发展、社会文明的进步和经济的繁荣，为未来全球变化科学研究提供了坚实的物质基础。未来全球到底如何变化，这些变化导致的影响等仍有待于进一步探索。现在的当务之急应该是明确未来全球变化研究的重点，从而提高对未来环境变化预测的准确度。纵观国内外研究现状和计划，现将未来全球

20、变化可能研究的重点领域作以简单介绍。1.全球气候变化全球气候变化一直是全球变化研究中的重点。今后，关于全球气候变化的研究主要集中在大气质量、臭氧层含量、厄尔尼诺的变化等方面。随着人口的增加和发展中国家工业化的进一步快速发展，空气质量在多数地区将明显下降。现有监测实例证实，大气污染物具有长距离输送特征，这样，污染气团可以到达无污染的地区，从而改变当地的大气质量。比如东亚和南亚的大气污染物可以到达美国的西海岸，使美国西海岸地区的大气受到污染。类似实例很多，这里不再罗列。早在1974年，美国化学家就已向世界发出了氟利昂正在吞噬臭氧层的警告，但并未引起世人的注意。直到1984年，英国科学家在南极上空发

21、现臭氧空洞，并发现臭氧空洞有一年比一年扩大的趋势，这一发现立刻引起了世人的极大恐惧和关注。今后在臭氧层研究方面，首先要确定臭氧生成之前物质形式的全过程、对流层臭氧以及大气的氧化能力，并确定现在和未来哪些因素可决定大气的净化能力；其次，研究平流层中臭氧的分布与UV辐射通量、可破坏臭氧的物质、决定平流层物理状况的气象条件的变化形式等；最后，通过观测和模型模拟来研究臭氧层是否可以恢复。最近几年经常出现气候异常问题，这些问题大多与厄尔尼诺现象有直接关系，并给社会带来了巨大经济损失。在19971998年间，全世界各地发生了很多气候异常现象，如中国发生的洪水等，造成了全世界600亿美元的经济损失。如何减少

22、并预防厄尔尼诺现象发生，成为各国科学家不得不重视的一个实际问题。2. 淡水资源利用问题 众所周知，水是生命之源，是人类生产和生活中必不可少的重要资源，尤其淡水资源。现有研究资料一致表明，在未来一段时期内，全球气温升高将是无法避免的事实。全球气候变暖将直接导致冰川融化，使本不充足的淡水资源又进一步减少。美国J.H.默里尔（1989）曾提出“灾难性威胁”假说，他认为气温增高，南极西部的冰块将在今后50-200年内全部融化，地球的生态环境将产生惊人的变化。还有人预言，下一次世界大战，可能是由于淡水资源缺乏和海平面上升导致的。这些预言不一定完全正确，但却应该引起我们的高度重视。随着南极冰川的融化，潜在

23、的淡水资源将进一步减少，再加上工农业的污染，可利用的淡水资源变的越来越珍贵。3.碳循环研究全球碳循环和碳收支是当前和未来一段时期内气候变化和区域可持续发展研究的核心之一。为了减缓全球环境变化的不确定性，同时也为了地球系统的可持续管理和区域社会经济的可持续发展，全世界很多国家（美国、中国等）都在积极进行碳循环的研究。碳循环是碳在大气、海洋及陆地生态系统3个主要贮存库之间的流动。其中最大的碳库是海洋，其次是陆地生态系统，碳存量最小的是大气，碳在这3个库间不断的进行着流通。在人类活动之前，各个碳库之间的交换相当稳定，并维持着动态平衡，但工业革命打破了这一平衡。人类的许多活动都在改变着碳循环，如化石燃

24、料的燃烧、土地利用方式的改变（森林变为耕地）等，使碳的含量不断增加。在未来一段时间内，碳循环研究主要集中在以下几个方面：在大陆和近海洋盆地中进行大气与海洋地理试验取样，并与大气运移模型相结合，对大陆、次大陆尺度与地区的碳汇进行合理的评价；通过增加实验观测和获得全球的土地利用、气候、植被、土壤碳氮动态详细资料，运用多种方法，研究碳失汇发生的机理，为预测全球气候变化提供科学依据；利用高新技术来测量、监测、观察和模拟碳循环，以便能够对碳循环进行多种检测、模拟和分析；使建模、观测和过程一体化，以便对CO2及其他温室气体的区域及全球尺度的源和汇进行定量确定。4.全球变化集成研究全球变化问题是一个复杂问题

25、，因而对它的研究不能再局限于以往单个学科或多个学科各自为政的独立运作方式，而应将不同学科的相同命题以新的方式重新组合，旨在实时、敏感地捕获各种尺度的全球变化问题，并探析这些变化的驱动力。今后，全球变化集成研究方向应重点放在以下几个方面：重视人的作用及其组织。在某种程度上说，只有先将不同研究个体、不同科学团体的研究成果进行集成，才有可能得出大量科学问题的科学结论；寻求不同研究者、不同研究手段切入集成的交叉研究主题或共同命题。这些主题不是研究这些科学团体的自然切入点，而是许多亟待解决的一系列复杂的全球变化问题；各种手段、研究方法、研究结论的比较和提炼。这是集成的重中之重，它既是集成的关键所在，也是

26、集成的目的，更是集成的手段；区域集成研究。目前，在全球变化研究领域有一个共识，即全球环境变化的重大问题应主要通过区域研究来解决。作为全球与局部尺度问题相关联的通道，区域研究可避免与区内国家问题和相关政治问题发生正面冲突。（三）全球变化的生态后果全球变化是一种过程缓慢，范围广泛，且影响深远的全球环境变化。目前进行的全球变化研究，大多是从某一个（或某一些）角度出发进行论证的，缺乏高度、有效的全球变化集成研究。目前，对全球变化造成的生态后果的研究尚处在初级阶段，不但对未来的趋势难以做出准确预测，而且在对已发生的影响进行评价时亦缺乏统一的方法和指标，造成不同研究成果很难做出正确的比较和评价。鉴于全球变

27、化和生态系统均存在很大的复杂性，目前还很难分析和归纳环境变化对生物圈及生态系统造成的影响。在此，笔者仅就全球变化造成的一些具体的生态破坏领域作一总结，以期为防止类似后果发生寻找一些切实可行的途径。1.温室效应造成的生态后果温室效应指大气中的CO2、CH4等气体，吸收太阳能在近地表的长波热辐射，使大气产生增温的效果。具有这种效应的气体称为温室气体，主要包括CO2、N2O、O3、CFCs、CH4及水蒸气等。温室效应具有影响范围广，制约因素复杂，后果严重等显著特点。由于温室效应直接导致全球气候变暖，据预测，到2020年地球气温将上升4，这将在生态平衡方面给人类带来严重的后果。（1）对海平面的影响全球

28、变暖在未来一段时期内将是不可改变的事实。全球变暖对海洋有两个影响，一是使海水增温发生膨胀，造成海平面上升；二是造成极地冰川大量溶化，溶化的冰水进入海洋，促进海平面上升。按IPCC预测，本世纪全球海平面上升的平均速度约为6cm/10a，预计到2030年，海平面将上升20cm，到本世纪末，海平面还将上升65cm。如果出现这种情况，很多岛屿国家，如马尔代夫、图瓦卢、汤加、基里巴斯、马绍尔群岛等将面临灭顶之灾；恒河、尼罗河及密西西比河的几个大三角洲将被淹没；濒临北海的荷兰将从地球上消失，日本东京30%的陆地将变成海洋。从人口方面来说，世界人口的60%，也就是30亿左右的人口住在离海岸线100km的范围

29、内。海平面上升将会对这些人产生巨大的影响。到那时世界上的环境难民将空前的增多。我国是一个海洋大国，大陆海岸线长18000多km，有6000多个岛屿。沿海地区长期以来一直是中国经济发达地区。这些地区大多为平原低地，海拔高程一般都在5m以下，且大多在1-3m之间，再加上其组成物质大多为疏松的沉积物，很容易被海水侵蚀。目前，我国研究海平面上升的区域主要集中在渤海湾西岸、长江三角洲和珠江三角洲等河口三角洲平原地区，这些地区是海平面上升最先影响的地区。关于海平面上升造成的淹没地区和面积主要是通过高程-面积法粗估出来的。比较有代表性的主要有：任美锷（1989）估计海平面上升100cm，长江三角洲海拔2m以

30、下的1500km2低洼地将受到严重影响或淹没；李平日等（1993）估算海平面上升70cm，珠江三角洲海拔低于0.4m的1500km2低洼地将全部淹没；夏东兴等（1994）估算海平面上升30cm而不加以有效防护情况下，渤海湾西岸可能有将近10000km2的面积被淹没；韩慕康等（1994）估算出海平面上升30cm，天津市泛滥面积将占全市总面积的44%，其中塘沽、汉沽将被全部淹没；从以上研究中可以看出，海平面上升对我国造成的影响是极其严峻的。海平面上升除了淹没大片陆地外，它同时还带来很多其它不利影响。如风暴潮灾害是沿海地区导致人员伤亡和财产损失最严重的自然灾害；海水倒灌与地下水位上升，导致土壤盐渍化

31、；损坏港口设备和海岸建筑物，影响航运；沿海水产养殖将受到巨大影响等等。（2）对农林牧业的影响温室效应主要是通过CO2含量增多和气候变暖两个方面对农林牧业产生影响。有利的一面，当CO2含量增加时，自然植被的光合作用增强，生长期延长，生产能力会有一定程度提高。不利的一面，全球气候变暖，可以引发病虫害增多和干旱加剧，从而威胁农业生产；此外，由于温度增高，降水未必相应增多，空气湿度有可能下降，这样可增大森林和草原发生火灾的可能性。（3）对人类和物种的影响全球气候变暖后，对人类的健康有一定程度的影响。据统计，气温升高2-4，如无其它环境变化，人口死亡率会升高（王汉臣，1992）。除此之外，为了适应气候的

32、变化，动植物会出现迁移现象，一些动植物因不适应环境变化而被毁灭，导致生物多样性丧失。2.臭氧层破坏造成的生态后果如前所述，自从南极上空发现“臭氧洞”以来，已经引起了各国政府、公众和科学家的普遍关注和担忧。已有的研究成果表明，臭氧层变薄引起的气候效应和大气臭氧总量引起的生物学效应已经很明显。如果大气臭氧层继续遭到破坏，将给地球气候带来重要影响，并将给地球的生态平衡带来灾难性后果。(1)对人类健康影响据有关专家预测，大气圈中的臭氧每减少1%，达到地球表面的紫外线UV-B将增加2%。而人类的皮肤癌患者将增加4%，即每年多增加8万名皮肤癌患者。紫外线可从多方面影响人类的健康，例如，可导致晒斑、免疫系统变化、皮肤病、皮肤癌及白内障等。据预测，在今后几十年内，中纬度地区人们患皮肤癌的机会约增