第2章全球环境概述4-5.ppt

1、2.4 生物圈,生物圈是环绕地球的由活有机体组成的一个连续层，其范围是海平面上10km至海洋底部，是地球上一个厚度很薄而又十分特殊的圈层。,2.4.1 生物圈与生态系统,1、生物圈 定义： 地球上所有的活有机体以及与这些有机体相互作用的自然环境(岩石圈、水圈、大气圈)称为生物圈。 地球表面有生物居住空间范围内的各类有机体的总和称为生物圈。,2、生态系统,生态系统是在一定空间内，生命体和其生存环境构成的生态学功能单位。在其中，各种生物彼此间以及生物与非生物的环境因素之间相互作用，且不断发生物质和能量的流动。 任何生物体与其生活环境组成的系统都可以称为生态系统。 生物圈则是最大的生态系统全球生态系

2、统。,3、生物圈与其他三个自然圈层,生物圈的特点： 物种数多。存在的物种(包括对未描述物种的估计)的总数高达300万，生物多样性是其显著的特点。 质量小。生物圈的质量较其他圈层小，仅为1.81015 kg(DM,干物质)，每平方米有3.6kg干的生物物质。 生物圈元素的组成与三个无机圈层有非常紧密的联系(见表4.1)。,表4.1 生物圈、岩石圈、水圈和大气圈的原子百分组成,2.4.2 生物圈与生物地球化学循环,1、地球化学循环 地球上的化学元素通常以某种化学形态和较大的量贮 存在某一地方，称之为贮库(reservoir),所以储存物质 的质量称为贮存量，在其中保留的时间称为滞留时间 (resi

3、dence times)。 由于地质和化学作用，元素能够以某种形态从一个贮 库运动到另一贮库，单位时间内输送的量称为通量 (flux)。化学物质在贮库之间发生的周而复始运动称为 地球化学循环(geochemical cycle)。,2、生物地球化学循环, 传统的生物地球化学循环是指生态系统中，诸如碳、氮、硫、磷等生命必要元素以不同化学形态在生物和其生存的自然环境之间的循环运动。 现代意义上的生物地球化学循环是指化学元素以不同化学形态在生命和非生命系统之间通过大气圈、水圈、岩石圈和生物圈的贮存与交换。,3、生物圈在生物地球化学循环中的作用,生物圈是组成地球系统的重要圈层，它在推动元素的生物地球化

4、学循环中起着十分重要的作用，表现如下： 生物圈是生命重要元素C、H、O、N、S、P的贮库； 生物圈内发生的生物化学过程对这些元素的贮存或释放有决定性的影响； 生物圈与全球范围内的能量和物质的传输存在密切的关系，从而影响生物地球化学循环； 生物圈对地球化学和大气、陆地表面、大洋及沉积物等有重要影响，从而影响生物地球化学循环。,2.4.3 重要化学元素的生物地球化学循环,1、重要化学元素的生物地球化学循环 1）全球碳循环 碳是构成生命的重要元素，也对全球变暖有主要贡献，全球碳循环是重要的生物地球化学循环之一。 a碳流动的主要过程 碳循环是一个以“二氧化碳有机碳碳酸盐”为核心的运动，有三个主要过程：

5、陆地范围的碳流动过程、海洋范围的碳流动过程和人类活动范围内碳的流动过程。 b全球碳循环通量 碳在地球系统的主要贮库和全球流通量可见表4.2和4.3。,表4.2 碳的主要贮库 1015g,表4.3 碳的全球流动 1015g/a,2）全球氮循环,氮的循环过程中，涉及氮元素多种不同化学形态， 主要过程有： 固氮(N-fixation)。通过植物和人类活动，N2转化为 有机氮； 矿化(mineralization)。通过微生物(细菌和真菌)作 用，有机氮转化为NH4+ ； 硝化(nitrification)。通过细菌作用， NH4+ 转化为 NO3-，同时产生NO和N2O； 反硝化(denitrifi

6、cation)。通过细菌作用，NO3- 转化 为N2 ； 光合作用(photosynthesis)。通过植物吸收，NO3- 和 NH4+ 转化为有机氮。,表4.4 氮在全球各圈层的贮存,续表4.4 氮在全球各圈层的贮存,表4.5 氮的全球流动,3）全球磷循环 磷循环过程中涉及的形态有多种，如H2PO4- 、 HPO42- 、PO43- 、无机多磷酸盐、有机多磷酸盐、颗粒态磷等，全球磷循环见图4.2。 4）全球硫循环 与氮循环一样，需要微生物（细菌和真菌）活动的参与； 硫是有机体中氨基酸（半胱氨酸和甲硫氨酸）的一部分； 有机物被细菌降解用于组织合成，其余的矿化形成 气态硫化物(H2S)。,图4.

7、2 环境中磷的量及其年自然流动量(单位：百万吨),表4.6 硫在全球各圈层的质量,表4.7 环境中硫的年通量(Tg/a),5）其他元素的生物地球化学循环,（1）硅的全球循环 （2）汞的全球循环 汞的生物地球化学循环涉及多种物理、化学和生物过程（见图4.3）。,2、生物地球化学循环的数学模拟模型 生物地球化学循环数学模拟模型是指用数学方法，定量描述化学元素的碳循环过程及其与全球变化之间的相互关系，从而利用计算机模拟化学元素循环的动态。 研究通常把全球循环划分为陆地生物地球化学循环，海洋生物地球化学循环。另外还有它们之间耦合的各种模型。,图4.3 汞全球的收支示意图,3-4倍,3、全球水循环,表4

8、.8 全球水的贮存和流动,续表4.8 全球水的贮存和流动,2.5 全球系统的相互作用,人类生存环境地球系统是一个复杂的大系统，是各子系统相互作用过程的集合，而不是各个组成部分的堆积。,2.5.1 地球系统的组成及特点,1、地球系统的组成 由子系统和外部驱动系统、内部驱动系统构成： 子系统：大气圈、水圈、岩石圈、生物圈 外部驱动系统：太阳、人类活动 内部驱动系统：地核,地球系统的特点： 子系统之间以及与内部与外部驱动系统之间存在着复 杂的相互作用。 用地球系统的概念模型来表征这些相互作用，见图4.4。,2、子系统的特点,大气圈、水圈、岩石圈、生物圈等子系统的特点表现在以下几个方面： 1）微观结构

9、相同 大气圈、水圈、岩石圈、生物圈四个子系统都是由分子、原子构成。 这种微观结构决定了圈层的基本性质，并且当微观结构及成分发生变化后，在宏观上将对圈层内和圈层间产生不同程度的影响。,2）结构的有序程度相差大 对大气、水、岩石三个圈层而言，这种差异主要体现于物质存在状态不同。 大气圈有序程度最低，水圈的有序程度较大气圈高。 岩石圈由固体物质组成，具有稳定的结构，其有序程度高于水。 生物圈是由不同层次的生命体组成的，结构高度有序，并且与非生命体的有序程度有质的差别，另一根本差别还在于生命体具有自适应和自我复制的能力。,2.5.2 地球系统状态演变的控制因素,几十年至几百年时间尺度的全球变化，地球系

10、统状 态的演变受外部作用和系统内部作用的控制。 1、系统内部的相互作用 地球系统内部的相互作用是指各子系统的相互作用， 其相互作用和复杂性表现为以下几个方面： 系统内和系统之间有能量、物质的输入和输出，并且 能量和物质的输送跨越很宽的时间和空间尺度而发生 在全球范围内；,子系统对于外源的扰动和它们之间的相互作用的响应不同，大气圈最为灵敏，水圈次之，岩石圈最不灵敏；生物圈最为复杂； 地球系统是一高度非线性系统，任何系统一部分和任一时间状态的变化最终都会影响到其它部分，并且常表现在不同的时间尺度内； 不同层次、不同时间尺度和空间尺度的不同性质的过程(物理、化学、生物学过程)，其作用都相互耦合。,在

11、几十年至几百年的时间尺度内，影响全球变化的过程主要取决于物理气候系统和生物地球化学循环过程及它们之间的相互作用。因此，可以把复杂的地球子系统的相互作用简化为这两个子系统的相互作用。目前，这两个子系统的相互作用只建立了相应的概念模型(图4.5)。,图4.5 系统的相互作用：物理气候系统与生物地球化学循环之间的联系(示意图),2、外部作用,外部作用亦称外源作用，包括外部驱动器太阳的作用、内部驱动器地核的作用和人类活动。 1）太阳的作用 它对地球的作用主要体现在太阳变化、太阳活动和地 球运动轨道的变化三个方面。 太阳变化：是指太阳作为天体自身演化而引起的辐射能的改变。它用太阳常数来表征。目前一般认为

12、，在几十年至几百年的时间尺度上，太阳常数的变化不超过0.3%。 太阳活动：是指地球上可观测到的太阳的表面现象，如太阳黑子、耀斑等。 地球运动轨道的变化：是指地球运动轨道的变化使地表太阳辐射能随之变化。,2）地核的作用 地核作用是另一个主要的外源作用。地核对于地球系统作用的途径有两条，一是通过它所产生的地磁场作用于地球系统的其它部分；二是作用于地幔，引起地幔对流、板块运动等，这些作用的时间尺度在千万年以上。 对于几十年至几百年时间尺度范围内全球环境系统的变化来说，地核-地幔过程的作用集中体现于火山活动的影响。,3）人类活动的作用 远古时期，人类活动对自然环境造成的干扰、破坏与全球系统的自我调节作用相比是微不足道的，但从人类进入农业文明开始，这种干扰与破坏就不再是可以忽略的了，进入工业文明时代后，人类的活动对自然环境造成了严重的冲击，且现在正以空前的速度、幅度和空间规模改变着全球环境，对生物地球化学循环的扰动强度可能正趋于临界水平。,人类活动极其广泛，从环境化学的角度来研究人类活动对地球系统的扰动，可以认为这一外源作用主要体现于对化学物质全球循环的严重扰动，从而诱