环境地学 赵烨 第7章.ppt

7-生物圈子系统,1,7生物圈子系统目录,7.1生物圈的概况7.2生物圈的组成7.3生物圈的空间结构7.4生物圈中的物质和能量转化7.5人类活动对生物圈的影响7.6思考题与个案分析,7-生物圈子系统,2,7.1生物圈的概况,7.1.1生物圈的概念,生物圈(biosphere)是地表生命有机体及其生存环境的总称，是地球特有的圈层。著名学者Suess于1875年提出了生物圈的概念，并把相应的名词“生物圈”引用到自然科学研究之中。,7-生物圈子系统,3,从生物活动与影响范围来看，生物圈包括岩石圈表层(主要为风化层)、土壤圈、水圈和大气圈的对流层，其厚度约20km，但生物圈的核心部分是它们的接触带。,7-生物圈子系统,4,图7-1生物圈结构示意图,7-生物圈子系统,5,7.1.2生物圈的形成与演化,生命形成与演化经历了漫长的元素演化、化学演化和生命演化过程，到距今约15亿年前的太古代，原始细菌生命开始出现。无脊椎动物这种真正有形的生命则出现在距今30亿年前，脊椎动物或多细胞动物则出现在距今5.7亿年前，而真正的早期人类则出现在距今约300万年的第四纪初期。,7-生物圈子系统,6,图7-2生物起源过程示意图,7-生物圈子系统,7,图7-3生物圈发展演化过程示意图（据吴庆余，2002年资料改编）,34亿年前生命的起源,5.75亿年前,2.50亿年前,0.65亿年前,7-生物圈子系统,8,图7-4中国南极长城站地区生长的隐花植物藻类、地衣等（据赵烨，1999年资料）,7-生物圈子系统,9,图7-5中国南极长城站地区生长的显花植物禾本科南极发草（据赵烨，1999年资料）,7-生物圈子系统,10,7.2生物圈的组成7.2.1生物分类简介据统计，现今地球上已被人们发现、记载和定名的生物约有200万种。如此繁杂的生物种类是地球上一项极为宝贵的物质财富，人们为了识别它们，以便更好地进行研究、利用和保护它们，就需要对它们加以分类。,7-生物圈子系统,11,图7-6地球生物的五界分类系统（据吴庆余，2002年资料）,7-生物圈子系统,12,生物五界分类系统中各界生物表,7-生物圈子系统,13,7.2.2生物与环境在生命谱系中，从生理学、形态学和分类学出发，以个体到大分子水平为研究对象的属于生物科学领域，微观方向是其主要研究发展的趋势；从与环境的关系出发，以个体至生物圈的各级组织水平为对象的是现代生态学的内容，宏观方向是其主要研究发展的趋势，后者与环境科学和环境地学的研究更为密切。,7-生物圈子系统,14,每一种植物都需要一定种类和一定数量的营养物，如果其中有一种营养物完全缺失，植物就不能生存。如果这种营养物质数量极微，植物的生长就会受到不良影响。这就是Liebig的“最小因子定律(Lawoftheminimum)”。,7-生物圈子系统,15,美国生态学家V.E.Shelford在研究最小因子定律的基础上，提出了耐受性法则(Lawoftolerance)的概念，试图用这个法则来解释生物的自然分布，认为生物不仅受生态因子最低量的限制，还受生态因子最高量的限制，即生物对每个生态因子都有其耐受的上限和下限，上下限之间就是生物对这种生态因子的耐受范围。,7-生物圈子系统,16,图7-7生物对生态因子的耐受曲线及生物的生态幅示意图（据E.D.Enger，2006年资料）,7-生物圈子系统,17,7.2.3生态因素对生物的影响生物赖以生存的环境是由各种不同的环境要素综合在一起作用于生物的。要了解不同因素对生物的作用，有必要分别进行单因素分析，即光与生物、温度与生物、水与生物、空气与生物、土壤与生物、生物之间的关系。,7-生物圈子系统,18,7.2.4生物的适应性和指示现象生物对环境的适应性是指生物的形态结构、生理机能、个体发育和行为等与其生存环境条件相互统一、彼此适合的现象。生物与环境之间所表现出的这种协调与合理，在一定程度上保证了生物的生长、发育和传留后代。,7-生物圈子系统,19,生物能够指示环境或环境的某些组成成分，是由于环境的全部成分或要素处于紧密的相互依赖和相互联系之中，它们中每一个成分的发展都不是独立的而是共轭地进行的，即一个要素的改变会引起一系列其他要素的改变。,7-生物圈子系统,20,一般认为，生态幅比较狭窄的生物比生态幅宽广的指示意义大；生物群落的指示性要比一个种或其个体的指示性可靠些。植物对于气候的指示作用早已被人们所悉知。椰子(Cacaonucifera)正常开花结果是热带气候的标志；铁芒萁(Dicranopterisdichotoma)占优势的群落是中国亚热带气候的指示体。,7-生物圈子系统,21,中国华北地区流行的“枣发芽、种棉花”谚语是利用植物的物候现象指示暖温带气候区棉花的播种期。应该注意的是，作为指示气候带的植物群落必须是占据着显域生境的地带性植被。此外，还可利用树木的年轮宽窄、密度与成分推测过去气候、环境质量的变化特征。,7-生物圈子系统,22,生物能很好地指示水环境质量，如在未受污染的水域里，生物种类丰富，每个种的个体数量并不多；当水体纳污后，清水型生物就会很快逃离或死亡，污水生物保留下来或迁入，且个体数量很多，整个生物区系比较贫乏，藻类中以蓝藻和绿藻的污生种类占优势，鱼类极少而纤毛虫、颤蚓、红色摇蚊幼虫等很多。,7-生物圈子系统,23,根据植物或植被判断土壤类型、分布和土壤的酸碱度、机械组成等是有可能的。铁芒萁是中国热带和亚热带强酸性土壤(pH约45)的指示植物，而蜈蚣草是钙质土的指示体。盐角草、有叶盐爪爪等主要是硫酸盐-氯化物盐土(含盐量10以上)的典型标志。,7-生物圈子系统,24,7.3生物圈的空间结构7.3.1生态系统,生态系统是指在一定地域空间内共同栖居的所有生物（即生物群落）与其环境之间通过物质的循环和能量的流动互相作用、互相依存而构成的一个生态学功能单位。,7-生物圈子系统,25,生态系统一般包含4种主要组成成分：非生物环境(abioticenvironment)生产者（producer）消费者（consumer）分解者（decomposer）其中非生物环境、生产者、分解者是任何生态系统必不可少的组成成分。,7-生物圈子系统,26,图7-8生态系统组成结构的一般模式,7-生物圈子系统,27,在生态系统中生产者所固定的能量和物质，通过一系列取食和被食的关系而在生态系统中传递，各种生物按其取食和被食的关系而排列的链状顺序称为食物链(foodchain)。水体生态系统的食物链如：浮游植物浮游动物小型鱼类大型食肉鱼类；草地生态系统的食物链则较长，如绿色植物蝴蝶蜻蜓蛙蛇鹰。,7-生物圈子系统,28,某些污染物如重(类)金属元素、持久性有机污染物(DDT)进入生态系统之后，一般都具有沿食物链逐级浓缩的现象，这说明研究食物链具有重要的理论意义和实践价值。,7-生物圈子系统,29,能量流动、物质循环和信息传递是生态系统的三大功能，生态系统中的能量流动是单方向的，物质流动是循环式的，信息传递则包括营养信息、化学信息、物理信息和行为信息构成信息网。,7-生物圈子系统,30,7.3.2生态系统类型地球表层每一个地带或地区因其地理位置、气候、地形、土壤等因素的影响，都有一定的植被(即生态系统的生产者)类型，且任何植物群落都与它们生存的环境条件有密切联系，地球表面各地环境条件的差异是导致生态系统多种多样的重要原因。,7-生物圈子系统,31,7-生物圈子系统,32,由于植物群落是地球上生态系统中的主要生产者，而且其在陆地生态系统中的空间分布又遵循一定的规律，同时陆地生态系统比水生生态系统更为复杂多样。陆地生态系统一般分为荒漠、冻原、草原、稀树草原、温带森林和热带森林等类型。,7-生物圈子系统,33,图7-9寒温带针叶林生态系统景观（据M.J.Pidwirny，2002年资料）,7-生物圈子系统,34,图7-10温带草甸草原生态系统景观（据M.J.Pidwirny，2002年资料）,7-生物圈子系统,35,图7-11暖温带农业生态系统景观,7-生物圈子系统,36,图7-12热带农业（季节作物芒果）生态系统景观（据M.J.Pidwirny，2002年资料）,7-生物圈子系统,37,图7-13华北山地阔叶林生态系统景观,7-生物圈子系统,38,图7-14华北山地针阔叶混交林生态系统景观,7-生物圈子系统,39,图7-15荒漠与半荒漠生态系统景观（据M.J.Pidwirny，2002年资料）,7-生物圈子系统,40,图7-16热带亚热带稀树草原生态系统景观（据M.J.Pidwirny，2002年资料）,7-生物圈子系统,41,图7-17热带雨林生态系统景观（据M.J.Pidwirny，2002年资料）,7-生物圈子系统,42,7.3.3生态系统的空间分布规律全球植物群类的空间分布受地理位置、气候、地貌、土壤、地质、水文等因素的影响而表现出地带性或非地带性分布规律。德国著名植物地理学家洪堡(A.V.Humboldt)和俄国著名土壤地理学家道库恰耶夫(V.V.Dokuchaev)先后阐明了自然地带性原理。,7-生物圈子系统,43,由于生态系统类型的划分是以生产者即植物群落为主要依据的，因此全球生态系统也必然呈现出地带性和非地带性的分布规律，其地带性又可细分为水平地带性（纬度地带性、经度地带性）和垂直地带性。,7-生物圈子系统,44,图7-18植被与年均气温、降水量的相关模型示意图（据E.D.Enger，2006年）,7-生物圈子系统,45,图7-19生态系统纬度地带性与垂直地带性相关图(在实际上受土壤、昼夜温差、辐射、风力、气压等因素的影响，生态系统垂直地带性也有较大的变化）,7-生物圈子系统,46,图7-20北美大陆生态系统的经度地带性示意图（据G.T.Miller，1996年资料）,7-生物圈子系统,47,中国地域辽阔、自然环境复杂多变，故地表植被类型及其生态系统也极为丰富，几乎可见到北半球所有的植被类型。由大兴安岭阴山冈底斯山一线可将中国分为两个半部，其中东南部为季风性气候区，发育了各种中生性森林，西北部为大陆性气候区，为旱生性草原和荒漠。,7-生物圈子系统,48,图7-21中国植被及其生态系统分布示意图（据全国农业区划委员会，1987年资料）,7-生物圈子系统,49,7.4生物圈中的物质和能量转化,生物圈中的物质和能量转化遵循着不同的规则，即能量流经生态系统最终以热的形式消散，能量流动是单方向的，故生态系统必须不断从外界获得能量；物质的流动是循环式的，各种物质都能以可被植物利用的形式重返环境。,7-生物圈子系统,50,7.4.1生物圈的化学组成生命维持不仅依赖于能量的供应，还依赖于各种化学元素的供应。全球生物圈物种总数约为300万种，这些生物在生长发育与演化的过程中，依据其生理需要从环境中吸取各种营养元素，同时还从环境中被动地吸收其他元素。,7-生物圈子系统,51,7-生物圈子系统,52,7-生物圈子系统,53,实验观察表明，当生命体由于缺乏某一微量营养元素时，其生长发育就会停滞、异常或不能完成其生命循环，如甲状腺肥大与人体缺碘就密切相关；地方性心肌病(即克山病)与人体缺硒、钼也有相关性，这类问题便是所谓的第一环境问题。,7-生物圈子系统,54,Hamilton1974年研究了英国人血液与地壳的化学组成发现：人体血液的化学组成与海水成分相似，除去生物的主要结构元素(H、C、O、N)和地壳物质的主要结构元素(Si、Al)以外，其他元素的丰度分布趋势在它们两者之间也有较大的相关性。,7-生物圈子系统,55,7.4.2生物圈中化学循环的特征能量流动和物质循环是生态系统的两大基本功能。物质循环和能量流动总是相伴发生的；物质在生态系统的生物成员中却能被反复利用；能量一旦转化为热，它就不能再被有机体用于做功或作为合成生物量的燃料了，热耗散到大气中后就不能再循环。,7-生物圈子系统,56,7.4.3生物圈中的能量流过程能量是驱动生态系统物质运动的动力，是一切生命活动的基础。一切生命活动都伴随着能量的变化，没有能量的转化，也就没有生命和生态系统。能量在生态系统内的传递和转化服从热力学定律。,7-生物圈子系统,57,7.4.4生物圈的生产力及其空间分布生态系统中的能量流动开始于绿色植物的光合作用对于太阳能的固定，因为这是生态系统中第一次能量固定，所以植物所固定的太阳能或所制造的有机物质称为初级生产力或第一性生产力（primaryproduction）。,7-生物圈子系统,58,图7-22初级生产力的环境限制因素作用图解(据McNaughton,1973年资料),7-生物圈子系统,59,图7-23次级生产量的一般生产过程示意图,7-生物圈子系统,60,7.5人类活动对生物圈的影响7.5.1人类与生物圈的相互作用自从人类在距今300万年前出现之后就成为地球生物圈的一部分，除受自然规律制约外，人类还因有智慧、会劳动而不同于其他动物。,7-生物圈子系统,61,人类还扩大或缩小了生物原有的分布范围。栽培水稻原产于中国西南和印度等地，而现在种植却扩大到世界各大洲。人类在培育新生物种类的同时，也在有意或无意地消灭和减少原有生物种类和生物资源；由于狩猎、滥砍乱伐和对环境污染等原因，使地球上生物绝灭的速度大大加快，据估计人类已经消灭了四五万种动物。,7-生物圈子系统,62,建立并有效地管护自然保护区，对于保存和培育生物物种，研究自然生态系统的物质与能量转换，维护自然界的生态平衡以及对人类进行生物学、环境地学知识的宣传教育都有着重要意义。,7-生物圈子系统,63,7.5.2生物多样性变化生物多样性（biodiversity）反映了地球上包括植物、动物、微生物等在内的一切生命都各有不同的特征及生存环境，它们相互间存在着错综复杂的关系，生物多样性描述了一个真实又精彩的大自然。,7-生物圈子系统,64,7-生物圈子系统,65,生物圈演化的历史表明：物种的不断形成和消亡是自然生物界进化和发展的规律。在地球生物变迁过程中，许多生物因自然环境的变化从地球表层消亡，不过这只是一种缓慢的自然过程。,7-生物圈子系统,66,当代人类活动对全球生物多样性的影响及其评价指标可以归结为：大规模农业生产导致了陆地生物资源的单一化；人类活动破坏了野生动植物的栖息地，使多种生物的生存受到威胁；外来物种的入侵加速了生物多样性的减少。,7-生物圈子系统,67,7.5.3生物多样性保育从生命演化和人类社会发展的历史来看，人类是永远无法脱离自然环境及生态系统而生存的；生物圈及生物多样性是地球环境系统长期进化的结晶，它一旦遭受破坏就很难恢复，任何一个生物物种的灭绝都会消弱人类适应环境变化的能力，给人类社会发展带来无法弥补的损失。,7-生物圈子系统,68,7-生物圈子系统,69,7-生物圈子系统,70,7-生物圈子系统,71,当