21世纪生态学挑战讲座-北京师范大学生命科学学院

21世纪 生态学挑战 孙 XX 北京师范大学 生命科学学院 21世纪人类面临的最大生态学挑战 : 工业革命以来，人类的社会、经济、科学技术和人口都在迅猛地发展，人类活动的空间不断扩大，需求日益增加，为人类创造了巨大的财富。但是就在同时，人类对地球资源的消耗、环境的破坏也越来越大，即人类对地区上各种生态系统的影响越来越大 。 人们发现： 地球环境正在全面恶化中，甚至于威胁人类自身的生存。 当今， 人类活动对于环境或地球生态系统的影响问题已经上升为现代生态学的焦点 ，而全面、充分了解各种生态系统的生态过程是科学确定环境对策的关键。 下面说几个事实： 1972年 6月联合国在瑞典斯德哥尔摩召开了第一次世界性人类环境会议 ，通过了 人类环境宣言 和 人类环境行动计划 。 1992年，联合国在巴西召开了 环境与发展政府首脑会议 ，通过了 21世纪议程 ，签署了 生物多样性公约 、 气候变化框架条约 等， 并且达成了共识 走可持续发展的道路。 我国政府已经签署了 生物多样性公约 和 气候变化框架条约 ，并且最早制定了 中国 21世纪议程 。 1996年 3月，八届全国人大第四次会议通过的 国民经济和社会发展“九五”计划和2010年远景目标纲要 ，把 可持续发展 作为重要 战略 。 2002年 8月 26日 -9月 4日 在南非约翰内斯堡举行 的可持续发展世界首脑会议就可持续发展 通过目标明确 的 行动 执行计划 并发表了 政治宣言 ，推动 了 全球 可持续发展 事业进入一个新阶段 。 月日中国国务院总理朱镕基在会议上讲话时宣布，中国已核准 联合国气候变化框架公约 京都议定书 。 美国是世界头号排污大国， 它只顾自己国家的发展，不想承担相应的义务，不执行 京都议定书 是极不负责任的。在可持续发展世界首脑会议（地球峰会）上，到处可以听见批评美国的声音。很多国家的政府代表、非政府组织和媒体指出，美国是世界上经济最发达的国家，却也是最大的污染国。 一、地球环境变化的主要表现 1998年美国 科学 279 (5350） :491-497刊登了美国生态学会秘书长 J. Lubchenco 进入环境世纪 的文章介绍， 提出了下列 6 结论： 从工业革命以来大气的二氧化碳浓度提高了 30%； 人工固氮的总量已经超过了天然固氮总量； 人类利用的地表淡水，已经超过可用总量的二分之一； 近二千年来，地球上大概有四分之一的鸟类物种已经 灭绝； 有三分之一到二分之一的陆地面积已经被人类活动所改变； 接近三分之二的海洋渔业资源已经过捕或耗尽。 根据南极冰芯中所含气泡组成测定的 16万年间大气二氧化碳和温度变化的同步。（ http：/www.epa,gov/globalwarming/climate/index.html ) （一）大气的二氧化碳浓度与全球气候变暖 温室效应 是指大气中二氧化碳和甲烷等污染物导致全球气温上升的理论。 上面两图所描述的事实就支持了这个理论。因为大气中的温室气体能够吸收入射的太阳热量，但是又阻止地球热量的全部散失，从而能使地球的气温上升。 大气中二氧化碳含量上升的主要原因是化石燃料的燃烧和地球表面植被的破坏。 空气中二氧化碳浓度的准确测量和记录已持续近 120年，这段时间里，二氧化碳水平增加，同时全球温度上升 0.4-0.7 。根据模型的预测，如果将大气中的二氧化碳浓度在现有水平上翻倍，气温将继续上升 3.5 左右。 温室效应引起的影响将是深远的，如极地的冰会融化，海洋会因热而膨胀，海平面上升，最终导致全球气候的大规模变化。另外，全球变暖会引起生物的迁移，这种迁移或者是为寻求适宜的温度，或者是为适应变化的环境，或者是面临灭绝的反应。生物的这种迁移会引发热带病，生境由温带气候变成热带气候就有可能导致这类病（如疟疾）的流行 (C.Harvell et al, 2002,SCIENCE,296(5576):2158-2162)（鸟疟疾传染媒介 Culex mosquitoes图） 。 (C.Harvell et al, 2002,see SCIENCE,296(5576):2158-2162) 鸟疟疾传染媒介 Culex mosquitoes图。 ， CO2释放量地理分布 1992年联合国政府间拟订的“ 气候变化框架公约 ”，就是第一个全面控制导致全球变暖的二氧化碳等温室气体排放的协议（蒙特利尔公约，后来的东京公约）。 彩图是 NOAA (/ ) 公布的 ENSO对北半球冬季和夏季气候的影响图，影响所达的地区包括南北美洲、欧洲、澳洲和非洲的不同地区。我国东南部的周期性暖冬，还有冬夏季干旱可能与 ENSO有关。 ENSO 周期平均是四年，变动于二到七年之间。El Nino 出现的记录是 1982-1983， 1986-1987， 1991-1992， 1993-1994， 1995？， 1997-1998。 厄尔尼诺 -南方涛动，其缩写为 ENSO, 是大尺度的大气 -海洋现象，它在全球尺度上影响生态学系统，是当今世界关注的重大问题。 厄尔尼诺 （ El Nino ，原含义是“基督的孩子”，因为它出现在圣诞节季节而得此名） 现象是当今人类最具挑战性问题，它对于海洋生物种群造成了巨大的生态后果 ，例如曾经是世界海洋鱼类产量最高的秘鲁鯷鱼，其产量曾在 1982-1983年由特大 El Nino 而崩溃。在常年中，南美西海岸海洋表面温度较低，上升流将营养物质从海底带到海洋上层。但在 El Nino 出现时，它阻挡了上升流，上层的营养物质供应大量减少，其影响达到大部分食物链。浮游植物初级生产力剧烈下降，上层吃浮游植物的鯷鱼及其捕食者种群生物量就大为降低。 对于 厄尔尼诺 的预报，最初也开始于秘鲁，根据预报不仅能够减少损失，而且从调整种植水稻 -棉花的面积获得好处，现在有澳大利亚，巴西 , Ethiopia，印度等国家也已经从实施预报中收到利益。 （二）人工固氮的总量已经超过了天然固氮总量 1960-1997年世界氮肥消费（百万吨） Colorado灌溉和旱作的小麦、玉米年产量的变化 大量有活性的含氮化合物进入土壤和各种水体以后对于环境产生的后果，其影响范围可能从局域卫生到全球变化，深至地下水、高达同温层。 (1) 水体硝酸盐（ NO3）浓度对于生物是危险的，例如，它可以引起婴儿的“蓝婴病 ” 。硝酸盐在消化道中可以转化为亚硝酸盐，当亚硝酸盐与血红蛋白相结合形成正铁血红脘 , 它导致红血细胞输氧功能的损失，婴儿皮肤因缺氧而呈蓝色，尤其是在眼和口部，蓝婴病即由此而得名。这种病还可能与皮肤病和一些癌有联系。硝酸盐是高溶解性的，容易从土壤淋洗出来，污染地下水和地表水，在使用化肥过多的农田区是一个严重问题，至少已经有了 30余年历史。 (2) 流入池塘、湖泊、河流、海湾的化肥氮造成水体富氧化，藻类和蓝细菌种群大暴发 ，死体分解过程中大量掠夺氧，造成鱼类、贝类大规模死亡。海洋和海湾的富氧化称为赤潮，某些赤潮藻类还形成毒素，引起记忆缺失、肾脏和肝脏的疾病。造成水体富氧化和赤潮的原因，除过多的氮以外，还有磷，两者经常是共同起作用的。 （三）臭氧层和紫外辐射 臭氧存在于大气上层，它吸收短波太阳辐射（特别是 200-300 nm范围）形成了保护地球表面免受紫外辐射的护罩。不幸的是某些物质，特别是用作喷雾器中的推进剂和空调、冰箱中的制冷剂 氯氟烃（ CFCs）即 氟里昂 ，其中的氯原子，破坏臭氧分子 。 同温层臭氧降低 50%以上，就形成所谓的臭氧空洞，它已经在两个半球的高纬度地区观察到了。 紫外辐射对于人的健康、作物和自然植被是有害的。 因为 DNA也吸收 280-320nm波长的紫外辐射，危害 DNA分子，所以地球表面紫外辐射的提高将使皮肤癌病例上升。紫外辐射还危害植物的光合作用，能导致初级生产力下降 。 臭氧空洞威胁很大，国际社会已经通过维也纳臭氧层保护协定（ 1985）和蒙特利尔协议（ 1987），同意在 20世纪末停止使用 CFCs, 欧洲社会则在 1997年。 近来也有报道预期，这个行动将使我们已经制造的危害逆转，或许在一个世纪之内，使大气臭氧回到它自然平衡水平。 南极臭氧空洞 （根据NASA提供的1999年10月3日的假彩色卫星象） （四）酸雨问题 煤和石油在燃烧中产生二氧化碳和水蒸气，喷涌出氧化氮和二氧化硫到大气中。当这些气体溶于雨滴中时转变为酸，导致酸雨。 酸雨的分布比较广泛。在工业化很高的地区，雨的 pH可能下降到 3到 4 之间，这相当于自然雨水酸度的 100 到 1000倍。酸雨在某些地区的后果十分严重，例如美国东北部和加拿大，北欧的斯堪的纳维亚。这些区域的河流湖泊是贫养的，因此没有溶解的盐来缓冲酸的输入，所以其 pH