海洋污染、生境破坏与全球气候变化幻灯片.ppt

第十三章海洋污染 生境破坏与全球气候变化 1 第一节海洋污染 2 一 海洋污染和环境自净作用 海洋污染的定义由于人类活动 直接或间接地把物质或能量引入海洋环境 造成或可能造成损害海洋生物资源 危害人类健康 妨碍海洋活动 包括渔业 损坏海水和海洋环境质量等有害影响 称为海洋污染 marinepollution 海洋污染的特点污染源广持续性强 危害大扩散范围广防治困难 3 海洋污染主要类型及来源 4 海洋污染主要类型及来源 续 5 海洋污染物的迁移与转化 以Hg为例 物理过程化学过程生物过程 6 海洋的自净能力和环境容量 海洋自净能力海洋通过它本身的物理 化学和生物的作用 使污染物质的浓度自然地逐渐降低乃至消失的能力称为海洋自净能力 当进入海洋环境的污染物负荷高于海洋自净能力时 便发生海洋污染现象 物理净化稀释 扩散 沉降 吸附 气化化学净化氧化还原 化合分解 交换和络合生物净化降解 吸收 转移 储存 代谢 7 海洋环境容量 环境容量 environmentalcapacity 在人类生存和自然生态不致受害的前提下 某一环境所能容纳的污染物的最大负荷量 包括绝对容量和年容量 绝对容量 绝对容量 WQ 由规定的环境标准值 WS 如各种水质标准 和环境背景值 B 所决定 可由下式计算 WQ WS B 以浓度单位表示 或WQ M WS B 以重量单位表示 M为某环境介质的重量 年容量 年容量 WA 是某一环境在污染物的积累浓度不超过环境标准规定的最大容许值的情况下 每年所能容纳的某污染物的最大负荷量 年容量与绝对容量的关系为 WA K WQ 8 二 近岸海洋的富营养化及其生态效应 一 富营养化 eutrophication 富营养化是指氮 磷等植物所需的营养物质大量进入湖泊 水库 河口 海湾等水体 引起藻类大量繁殖 水体透明度和溶解氧含量下降 水质恶化的污染现象 近岸海域氮 磷等营养盐的主要来源 化肥厂和农业施肥等面源污染由径流携带入海的营养盐类 可能是最大的来源 城镇生活污水海水养殖 自身污染 海底沉积物中有机质的分解释放大气沉降输入 如沙尘暴 工业尘埃等 9 二 海域富营养化的主要生态效应 1 赤潮和大型海藻藻华赤潮 redtide 指海洋中某些微小的浮游生物在一定条件下暴发性增殖或聚集而引起海水变色的一种有害的生态异常现象 一次赤潮过程通常为期不长 几天到数周 多数赤潮是由一种或两种浮游生物爆发性增殖所形成 海洋中的赤潮生物种类繁多 包括硅藻 甲藻 绿藻 定鞭藻 隐藻 蓝藻和原生动物 已报道的就有200余种 赤潮是各种有色潮的统称 10 1980年以来我国沿海赤潮发生趋势 11 赤潮产生危害的主要方式 高密度的赤潮生物覆盖或粘附在海洋动物的呼吸器官上 造成海洋动物呼吸困难和窒息死亡 大量赤潮生物的呼吸代谢 尤其在夜间 无光合作用产生氧气 和死亡细胞分解过程中消耗海水中大量溶解氧 使水体严重缺氧 赤潮衰败过程中还会释放出大量有害气体 如H2S 和毒素 严重污染海洋环境 甚至导致海洋动物死亡 有的赤潮种类 如杀鱼费氏藻 Pfiesteriapiscicida 不但会释放毒素毒害鱼类 而且会直接接触鱼体噬食鱼肉 有些赤潮生物体内含有鱼毒或贝毒 虽然对摄食它们的鱼类或贝类无害 但会在摄食者体内累积 使取食这些鱼类或贝类的海洋捕食者和人类发生中毒 12 大型海藻藻华 macroalgalbloom 在河口和滩涂区域 由富营养化引发的底栖大型海藻的爆发性增殖现象 从20世纪70年代以来 大型海藻发生藻华的现象已在全球亚热带和温带的泻湖 河口和内湾滩涂普遍出现 近年来在热带珊瑚礁区也时有发生 通常发生藻华的大型海藻主要是大型绿藻 如浒苔 Enteromorphaspp 和石莼 Ulvaspp 这些海藻的大量繁殖将形成厚厚的藻垫覆盖在滩涂和水底 导致被覆盖的沉积物和藻垫内部严重缺氧 底栖生物难以生存 13 2 缺氧区 在海湾和河口区 富营养化和有机质污染互为因果 相互促进 导致海区赤潮现象频繁发生 海底沉积物和底层水体缺氧严重 产生H2S等有毒气体 使许多海洋生物死亡或逃离 即形成所谓的缺氧区 hypoxiczone 或 死亡区 deadzone DO 3mg L造成海洋生物生理紧张DO 2mg L致使海洋生物呼吸困难以至死亡 案例 黑海曾经以丰富的鱼类资源而闻名于世 但是近几十年来 由于多条河流把上游农田化肥及城市垃圾大量排入 破坏了黑海水体的自然生态平衡 如今 黑海80 的水体已经变成动植物无法生存的 死亡区 中部和南部水域的深层水中含有各种有毒物质 正从下向上逐渐扩展 一些科学家认为 黑海将在20年后变成 死海 14 近岸海域缺氧区的形成机理 有机质污染严重的海底沉积物中大量有机质的有氧分解导致底层水体的溶解氧被耗尽 频繁的赤潮发生 使大量的赤潮生物和其他海洋生物的尸体沉积海底 尸体分解增加了溶氧的消耗 富营养化引起浮游植物和细菌迅速繁殖 在水面形成厚而密集的漂浮层 阳光无法照射到海底 导致大型海藻和海草等底栖植物死亡 不但无法继续为底层水体补充氧气 而且死亡植物的分解也加重了水体耗氧 缺氧区通常出现在水动力弱或成层现象严重的海区 如河口区向海一侧通常在上层淡水和下层海水之间形成致密的密度跃层 阻碍了下层水体的溶氧补充 15 3 食物网结构简单化 16 4 重要海洋生境丧失 美国Waqueoit湾不同氮负荷的三个河口区浮游植物 大型海藻和海草的初级生产力净初级生产力的百分组成 图中S Q和C分别指代SageLot Quashnet和Childs河口 引自Valielaetal 1997 17 三 有机污染物 1 持久性有机污染物 persistentorganicpollutants POPs 定义 持久性有机污染物是指一类毒性高 难降解 易积累和生物富集 能经大气 水和生物等媒介实现长距离迁移 对生物乃至生态系统造成严重负面影响的天然或人工合成的有机物 POPs的种类 根据 关于持久性有机污染物的斯德哥尔摩公约 首批列入禁止使用或管理控制的有12种 类 包括 艾氏剂 氯丹 滴滴涕 狄氏剂 异狄氏剂 七氯 灭蚁灵 毒杀芬 多氯联苯 六氯苯 二噁英 和氯代联苯呋喃 前9种是农药 近期可能被列入POPs管理控制的还有多溴代二苯醚 多溴代联苯 氯化石蜡 有机汞 有机锡 三氯苯甲醚 聚氯乙烯类 五氯酚 三卤甲烷 等 18 POPs的四个重要特征 持久性 结构稳定 不易降解 如二噁英系列物质的半衰期在气相中为400d 在水相中为166d到21 9年 在沉积物中约17 273年 生物累积性 强亲脂性 易在脂肪中积累 生物累积 易随食物链关系发生生物放大 例如 美国长岛湾的河口区 大气颗粒中DDT的含量为3 10 6mg kg 水中浮游动物体内的DDT含量为0 04mg kg 小鱼体内为0 5mg kg 大鱼体内则增至2mg kg 远程迁移能力 全球蒸馏效应 globaldistillation 蚂蚱跳效应 Grasshoppereffects 例如 在南极企鹅体内检出滴滴涕及代谢物就是POPs远程迁移的典型事例 高毒性 三致 致癌 致畸 致突变 效应和内分泌干扰效应 例如科学家发现 生活在荷兰西部Wadden海地区的海豹生殖能力下降 主要是因为这些海豹猎食了受到了多氯联苯污染的鱼 进而影响了它们生殖系统的功能 19 2 石油和塑料污染 石油烃污染曾经被认为是最严重的海洋污染 由于油轮泄漏 船舶排放 海上石油生产和陆源排放等缘故 世界上每年进入海洋环境中的石油烃达600万t左右 对沿岸区的海鸟和底栖生物的生存造成极大威胁 塑料污染 又称 白色污染 是指用聚苯乙烯 聚丙烯 聚氯乙烯等高分子化合物制成的各类塑料制品使用后被随意弃置成为固体废物 造成环境污染的现象 将导致浮游动物 鱼类和海鸟因营养不良而死亡 20 四 其他污染 重金属污染汞 镉 铜 铅 锌和铬等金属元素砷 硒等非金属元素 水俣病 和 骨痛病 放射性污染239Pu 90Sr和137Cs等 易生物积累 辐射危害海洋已被放射能大约为2 000万居里的90Sr和137Cs及其同位素所污染热污染和噪声污染核电厂 热电厂的冷却水排放船舶噪声 21 五 生物入侵 生物入侵的概念所谓生物入侵 exoticinvasion 或称外来种入侵 是指由人类活动有意或无意引入历史上该区域尚未出现过的物种 从而造成或可能造成入侵地生物群落结构与生态功能的巨大变化 无意引入海上交通 运输 船舶的压舱水是主要渠道 在不同海区间开通运河造成大量的生物入侵 有意引入海水养殖引种 22 入侵的四个阶段侵入定居适应扩展生物入侵对当地生物群落和生物多样性的影响对入侵地生物群落有明显不利影响 有时是毁灭性的灾难 没有明显的影响 对入侵地生态系统有积极意义 23 生物入侵 包括无意和有意的引入 对当地原有生物群落和生态系统的稳定性可能造成极大威胁 导致群落结构变化 生境退化 生物多样性下降 病害频发甚至导致原有生态系统崩溃的严重后果 这是因为 入侵物种比当地物种有更高的种群增殖力 生物群落的关键种具有控制群落种类组成 物种多样性等群落结构的功能 外来种可能携带各种病原体间接引起入侵地生物暴发新的病害 外来物种改变当地生物的遗传多样性 入侵种的迅速蔓延 使原有自然生物群落的生境退化或遭到严重破坏 生物入侵的生态学后果 24 第二节近岸海洋生境破坏 一 生境的概念与生境破坏的生态效应1 生境的概念生境 habitat 通常是指某类生物或生物群落的栖息地环境 生境具有栖息于其中的生物所必需的各种生存条件 食物 活动空间和生物适应的其他生态因素 如湿地生境 潮间带生境 河口生境 深海热液口生境等 代表着不同的理化环境特征 不同的生境栖息着不同的生物组合 生物 结构 性生境 如红树林 珊瑚礁 海藻场和海草床 生态学上的小生境概念既是群落中某种生物种群栖息空间的再划分单位 有具有种间竞争和生态位分化的内涵 从而有别于生境的概念 25 2 生境破坏及其影响 生境破坏 是指人类活动或自然灾害引起自然生境发生功能性改变 从而无法满足生活于该生境的原有物种生存的过程或现象 生境退化 生境破坏会导致生境质量和支持生物群落能力的下降的现象 生境丧失 持续的生境退化和直接的生境破坏会导致生境丧失 生境破碎化 当局部的生境丧失逐渐积累 导致原来成片的生境支离破碎 被分割成若干相互隔离 不连续的小生境时 就出现了生境破碎化 habitatfragmentation 的现象 26 生境破碎化是物种退化和灭绝的重要原因 破碎化的生境具有更长的边界与外界接壤 不仅导致边缘区生境的退化 还大大增加生境外胁迫因子对生境内部地区的侵扰 有些动物需要轮流利用不同区域的食物资源 如鱼类的索饵洄游 有些需要多种生境以满足不同生活史阶段的需要 如生殖洄游 但是当生境被隔离后 这些动物只能留在原地 不仅会因为过度利用当地有限的资源而导致生境进一步退化 还会因为资源匮乏而降低繁殖率或导致死亡 各个片断化的生境之间野生动物种群无法正常迁移和交流 将会出现小种群和近交衰退等问题 导致遗传多样性水平下降 最终引起地区性的种群灭绝 27 二 人类活动对近岸海洋生境的破坏 滨海湿地的生境破坏河口区生境的破坏红树林生境的破坏珊瑚礁的破坏海草床的破坏 28 第三节全球气候变化与温室效应 一 全球变化与全球气候变化全球变化 globalchange 指人类社会本身及其赖以生存和发展的地球环境正在发生的一系列变化 主要包括全球人口增长 土地利用和覆盖的变化 大气成分变化 全球气候变化 生源物质生物地球化学循环的变化和生物多样性丧失等方面 这些变化既相互独立 又相互影响 全球气候变化 globalclimatechange 指全球范围内气候平均状态的统计学意义上的显著改变或者持续较长一段时间 10年或更长 的气候变动 29 全球变暖 近100多年来 尽管全球平均气温也经历了 冷 暖 冷 暖 两次波动 但总体表现为上升趋势 据联合国政府间气候变化专门委员会 IPCC 2007年报告 在过去100年间地球表面温度已经上升了0 74 0 18 C 未来100年内全球气温估计还将上升1 4 5 8 C 总体特征表现为全球变暖 尤其是进入20世纪80年代后 全球气温明显上升 据世界气象组织 WMO 2008年的报道 1998年至2007年是有记载以来最暖和的十年 温室效应 greenhouseeffect 全球变暖已给人类及其赖以生存的生态环境带来了灾难性的后果 如极端天气 冰川消融 永久冻土层融化 珊瑚礁死亡 海平面上升 生态系统改变 旱涝灾害增加 致命热浪等等 30 二 全球气候变化对近岸海洋环境的影响 物理环境变化 31 化学环境变化温室气体浓度升高将对海洋生物地化循环产生重要影响 持续吸收大气CO2将会导致海水pH值在几个世纪后实质性降低 即出现海洋酸化 oceanacidification 现象 从而改变海洋中生物钙化所必需的文石和方解石的饱和浓度 模型预测未来100年 海水pH值将下降0 3 0 5 比过去2 3亿年来的变化幅度还大 将使许多海洋生物难以适应 最后 大气CO2含量增加被认为会消耗大气中的臭氧 可能导致地球表面紫外线辐射水平升高 32 其他复杂的环境变化由于海洋生物地化循环对温室气体增加的反馈十分复杂 涉及云层 紫外辐射 浮游生物生产力和海洋微藻释放二甲基硫 DMS 等过程和机制 目前还很难准确预测未来的温度和CO2浓度的实际变化及其对海洋环境的确切影响 但可以肯定的是气候变化还会带来其他更加复杂的环境变化 33 三 全球气候变化的海洋生态效应 1 水温升高的生态效应海洋环流和上升流发生改变 温室效应改变了地球表面热量分布类型 导致海洋环流系统的变化 水温升高可能对依靠海流传输热量的格局出现变化 海洋中生物的分布格局也会有很大改变 水温升高将使上升流区的海水垂直稳定度增大 影响底层水涌升 正如厄尔尼诺现象出现的状况 由于向上补充的营养盐减少或消失 上升流区的生产力就下降 并直接影响渔业产量 34 极区海冰生态系统迅速萎缩和能流主渠道转换 35 热带海区珊瑚白化 36 物种分布区极向移动 37 全球降水模式和风暴频率改变 温室效应引起气候的变化将使高纬度地区降水增加 河水入海量也随之增加 而低纬度自然河流水量减少 这两种情况对河口区生态系统都有重要影响 入海河水量减少意味着很多河口区营养物质含量下降 热带地区的飓风 台风频率和严重程度都会增加 风暴潮将对珊瑚礁 红树林等沿岸生态系统造成严重损害 例如加勒比海的珊瑚礁被风暴损伤后需要8年的时间才能恢复 但风暴频率升高将减小珊瑚礁在两次风暴间隙恢复的几率 38 2 海平面上升的生态效应 在十九世纪 全球海平面大约每年升高1 2mm 进入20世纪后 升高速率加快 据政府间气候变化专业组 IPCC 估计 现在每年上升速率比过去高出3 6倍 到2100年 每年上升速度将超过1 2cm 海岸生态系统向陆地后退 洪水和风暴潮增加 海岸被侵袭得更厉害 沿岸湿地的盐沼 红树林 珊瑚礁生境将受严重破坏 并且加剧对海岸的侵蚀 海岸受到侵袭也将改变三角洲沉积速率 盐水对河口湾的入侵也会增加 随着海平面上升 潮间带也将上升并变狭窄 失去潮间带稳定海岸线的作用 当海岸边缘及其保护带消失时 生活于其中的物种也将不存在 39 3 海水CO2浓度升高和海洋酸化的生态效应 对海洋生物的生理过程产生深远的影响影响蛋白合成和离子交换等亚细胞过程 使其能力下降 尤其是在无脊椎动物更加明显 新陈代谢速率和生长率显著降低 钙质生物的外壳形成速率下降 未来的海洋酸化可