第2講 生態(tài)環(huán)境組成及各圈層

2023/2/31《自然保護(hù)概論》第2篇自然保護(hù)基礎(chǔ)主講：張嘉超159731906532023/2/32

第2章自然保護(hù)基礎(chǔ)自然生態(tài)環(huán)境生態(tài)系統(tǒng)學(xué)2023/2/33自然保護(hù)基礎(chǔ)生態(tài)學(xué)中的“生態(tài)”含義是指生物與其生存環(huán)境的關(guān)系。我國《環(huán)境保護(hù)法》將環(huán)境分為生活環(huán)境和生態(tài)環(huán)境兩部分。

自然生態(tài)環(huán)境的組成及結(jié)構(gòu)2023/2/34生態(tài)環(huán)境主要包括自然生態(tài)環(huán)境、農(nóng)業(yè)環(huán)境、城市生態(tài)環(huán)境。

自然生態(tài)環(huán)境是基礎(chǔ)，是主要部分；農(nóng)業(yè)環(huán)境是半人工生態(tài)環(huán)境，是在自然環(huán)境的基礎(chǔ)上經(jīng)人工改造發(fā)展起來的；城市生態(tài)環(huán)境則主要是人類建設(shè)的產(chǎn)物。生態(tài)保護(hù)工作最主要是自然生態(tài)環(huán)境保護(hù)，其次是農(nóng)業(yè)環(huán)境和城市生態(tài)環(huán)境的保護(hù)。自然保護(hù)基礎(chǔ)自然生態(tài)環(huán)境的組成及結(jié)構(gòu)2023/2/35地球是迄今發(fā)現(xiàn)存在智能生物的唯一天體。近年來科學(xué)研究的進(jìn)展，一些科學(xué)家提出了地球的獨特性在于它是一個靠生命來捕獲、轉(zhuǎn)移和儲存太陽輻射能，靠生命活動來驅(qū)動地球表層的物質(zhì)元素循環(huán)，靠生命過程來調(diào)控并保持其遠(yuǎn)離天體物理學(xué)的開放系統(tǒng)。這就是說不是地球上的“優(yōu)越”的環(huán)境條件創(chuàng)造了生命，而是生命創(chuàng)造了今天地球的環(huán)境。這種觀點被稱為蓋婭（Gaia）假說或蓋婭理論。地球表層物質(zhì)和能量的循環(huán)、轉(zhuǎn)換是靠生命活動實現(xiàn)的。自然保護(hù)基礎(chǔ)自然生態(tài)環(huán)境的組成及結(jié)構(gòu)2023/2/36地球各圈層的發(fā)育

大約46億年前，是一個還原性的大氣圈，主要由H2、CH4、NH3和水蒸氣等組成。大約在38億年以前，地球上出現(xiàn)了水，產(chǎn)生了河流、湖泊和海洋，為地球生命的出現(xiàn)創(chuàng)造了最基本的條件。大約20億年前，出現(xiàn)了細(xì)菌和藍(lán)藻等生物，從而開始了一種新的生命過程——光合作用，大氣圈首次出現(xiàn)O2。自然保護(hù)基礎(chǔ)自然生態(tài)環(huán)境的組成及結(jié)構(gòu)2023/2/37地球環(huán)境的圈層構(gòu)造地球各圈層的發(fā)育到距今大約16億年以前，一個含氧的大氣圈終于形成。12億年前出現(xiàn)最早的真核細(xì)胞。5億年前出海洋無脊椎物，4.5億年以前，在溫暖濕潤的河口地帶，一種叫做頂囊蕨的植物開始登陸。

哺乳類動物出現(xiàn)在2億年前。今天，大約有500萬至5000萬種生物組成了五彩繽紛的生物界，構(gòu)成了包括人類在內(nèi)的生物圈。2023/2/38地球生命起源于外星系？最近，美國航空航天局馬歇爾飛行中心宇宙生物學(xué)家Richard

B.Hoover博士通過對地球僅存的9枚“CI1碳基球粒隕石”進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)隕石中竟然有微生物的化石痕跡。2023/2/39通過無菌條件下切碎隕石，進(jìn)行電子掃描顯微鏡和掃描隧道顯微鏡檢查切面，發(fā)現(xiàn)了與地球類似生物的微生物化石痕跡。地球生命起源于外星系？2023/2/310物種進(jìn)化譜圖2023/2/311人類與地球各圈層的關(guān)系人類與大氣圈大氣圈的總質(zhì)量估計為5.2×1015t，還不到地球的質(zhì)量（5.974×1021t）的百萬分之一。大氣質(zhì)量在垂直方向上分布極不均勻，在地心引力作用下，大氣質(zhì)量主要集中在大氣圈的下部，其中50％集中在距地表5km以下，75％在10km以下，90％在30km以下。按照其分子組成，大氣可分為兩個大的層次：均質(zhì)層和非均質(zhì)層（或稱同質(zhì)層和非同質(zhì)層）。2023/2/312

根據(jù)大氣的物理和化學(xué)性質(zhì)，大氣圈又可以分為光化層和離子層，這兩層大致以平流層頂為界。人類與大氣圈

大氣均質(zhì)層（從地表至90km高度的大氣）密度隨高度增加而減小非均質(zhì)層（均質(zhì)層以上）

氮層（距地表90~200km）原子氧層（距地表200~1000km）氦層（距地表1100~3200km）氫層（距地表3200~9600km）2023/2/313人類與大氣圈目前世界普遍采用的大氣圈分層方法是1962年世界氣象組織（WMO）執(zhí)行委員會正式通過的國際大地測量和地球物理聯(lián)合會（IUGG）建議的分層系統(tǒng)。即根據(jù)大氣溫度垂直變化特征，將大氣分為對流層、平流層、中間層、熱成層和逸散層。對流層位于大氣圈的最下層，平均厚度為12km，是大氣圈中最活躍的一層，存在強烈的垂直對流作用和水平運動。對流層中水汽和塵埃含量較高，雷電、雨雪云霧霜雹等天氣現(xiàn)象與過程都發(fā)生在這一層，對人類影響也很大。通常所指大氣污染就是對此層而言，尤其是在1~2km高度范圍內(nèi)，因地形、生物等影響，空氣運動更是復(fù)雜多變。對流層的另一重要性質(zhì)是大氣溫度隨高度升高而降低，平均每上升100米，氣溫約降低0.65℃。人類與大氣圈人類與大氣圈平流層平流層亦稱同溫層，是從對流層頂?shù)郊s50千米高度的大氣層。其下部有一明顯的穩(wěn)定層，溫度基本上不隨高度而變化，近似等溫狀態(tài)。穩(wěn)定層以上，溫度隨高度上升而增高，這主要是由于地表輻射影響的減少和氧及臭氧對太陽紫外輻射強烈的吸收加熱，使大氣溫度上升，這種溫度結(jié)構(gòu)抑制了大氣的垂直運動，大氣以水平運動為主。由于水汽和塵埃含量少，平流層沒有云雨等天氣現(xiàn)象。在大約50km的高度上氣溫達(dá)到最高值，這就是平流層頂。2023/2/316南極臭氧層30年變化人類與大氣圈中間層平流層以上，到離地球表面80km。溫度隨高度而下降，中間層頂部是地球大氣層溫度最低的地方。中間層的溫度如此之低，是因為本層的氧分子，氮分子等本可吸收的陽光短波波段，己在更高的氣層中被吸收了，因而氣溫低?？諝馑竭\動、重直運動速度都很大，特別是垂直混合十分強烈。雖然水汽濃度極底，但由于對流運動的發(fā)展，在某些條件下能出現(xiàn)夜光云，在約60km高度，大氣分子開始電離。因此，60~80km高度是均質(zhì)層向非均質(zhì)層的過渡層。人類與大氣圈熱成層熱成層位于中間層以上，又稱增熱層或電離層，溫度隨高度的增加而增高，熱層大氣由直接吸收太陽輻射而獲得能量，到約1000km高度時，白天溫度可達(dá)1000~1750K。該層空氣在各種射線的作用下大都發(fā)生電離，成為原子、離子和自由電子，電離層因此而得。逸散層逸散層位于熱成層以上，也稱為大氣層，是大氣圈的最外層，大約延伸至800km的高度?？諝鈽O為稀薄該層，地心引力極小大氣質(zhì)點之間鮮有碰撞。有些運動速度較快的質(zhì)點完全擺脫地球引力而逸入宇宙空間。地球大氣的精細(xì)平衡主要成分地球大氣的主要成分是氮和氧，這種組成在太陽系大行星中非常特殊。大氣組成成分穩(wěn)定組分（氮、氧、氬氦、氪、甲烷、氫、氙等）

不穩(wěn)定組分（二氧化碳、二氧化硫、臭氧和水汽等）固態(tài)和液態(tài)雜質(zhì)（火山、地震、巖石風(fēng)化、森林火災(zāi)和人為活動產(chǎn)生的煙塵、硫化物和氮氧化物等）2023/2/320再見，冥王星冥王星，1930年1月由克萊德·湯博根據(jù)美國天文學(xué)家洛韋爾的計算發(fā)現(xiàn)并命名。與太陽平均距離59億千米，直徑2300千米，比月球還要小，公轉(zhuǎn)周期約248年。冥王星剛被發(fā)現(xiàn)之時，它的體積被認(rèn)為有地球的數(shù)倍之大。很快，冥王星也作為太陽系第九大行星被寫入教科書。但是隨著時間的推移和天文觀測儀器的不斷升級，人們越來越發(fā)現(xiàn)當(dāng)時的估計是一個重大“失誤”，因為它的體積要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于當(dāng)初的估計。在2006年08月24日國際天文學(xué)聯(lián)合會大會上，以237票對157票通過決議將冥王星視為是太陽系的“矮行星”，不再被視為行星。地球大氣的精細(xì)平衡主要成分地球各圈層，尤其是生物圈各組分，與大氣圈保持著十分密切的物質(zhì)和能量的交換，使大氣各組分之間保持著極其精細(xì)的平衡。大氣圈各組分之間保持著精細(xì)的平衡，這是地球環(huán)境億萬年來發(fā)育的結(jié)果。保持這種平衡乃是維護(hù)生物圈所必須，破壞這種平衡就是破壞生命的基礎(chǔ)。然而，人類社會實現(xiàn)工業(yè)化以來，規(guī)模和強度日益加大的人類活動正在破壞這種平衡，這是人類面臨的重大環(huán)境問題之一。2023/2/322人類與水圈水圈海洋和陸地上的液態(tài)水和固態(tài)水構(gòu)成一個大體連續(xù)的圈層覆蓋在地球表面，稱為水圈。它包括江河湖海中一切淡水、咸水、土壤水、淺層和深層地下水以及南北兩極冰帽和各大陸高山冰川中的冰，還包括大氣圈中的水蒸氣和水滴。大氣中的水是全球水循環(huán)中的一個重要環(huán)節(jié)。2023/2/323人類與水圈水的自然性質(zhì)與意義無色透明。允許太陽光中的可見光和波長較長的紫外線部分可以透過，使光合作用所需的光能能夠到達(dá)水面以下的一定深度，而對生物體有害的短波紫外線則被阻擋在外。極好的溶劑。為生命過程中營養(yǎng)物和廢棄物的傳輸提供了最基本的媒介。水的介電常數(shù)在所有的液體中是最高的，大多數(shù)離子化合物能夠在其中溶解并發(fā)生最大程度的電離，這對營養(yǎng)物質(zhì)的吸收和生物體內(nèi)各類生化反應(yīng)的進(jìn)行具有重要意義。比熱是所有的液體和固體中最大的。地球上的海洋、湖泊、河流等水體，白天吸收到達(dá)地表的太陽光的熱量，夜晚又將熱量釋放到大氣中，避免了劇烈的溫度變化，使地表溫度長期保持在一個相對恒定的范圍內(nèi)。人類與水圈水的自然性質(zhì)與意義水在4℃密度最大。這一特性在控制水體溫度分布和垂直循環(huán)中起著重要作用。在氣溫急劇下降的夜晚，水面上較重的水層向水底沉降，與下部水層更換，這種循環(huán)過程使得溶解在水中的氧及其他營養(yǎng)物得以在整個水域分布均勻，當(dāng)水體趨于一種穩(wěn)定狀態(tài)，水底溫度是4℃，在這一層中水生物可以幸存。冰輕于水。為冰的密度比水小，只有0.92g/㎝3，可以浮在水面上。這一特性對水下生物具有十分重要的意義。否則，氣溫降低時水面結(jié)成的冰會沉入水底，從而導(dǎo)致整個水體完全凍結(jié)，給水下生物帶來滅頂之災(zāi)。2023/2/325人類與水圈地球的水量分布

地球上海洋占全球面積的71％，含鹽的海洋水占全部水資源的97.5％，人類難以直接利用；2.5％的淡水中，又有68.7％是以冰川和冰帽的形式存在于南北極和高山面積的地區(qū)，亦難以被人類直接利用。人類與水圈人類活動對水圈的影響興建大型水庫與堤壩。20世紀(jì)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，使人類有可能修建庫容以億立方米計的大型水庫，迄今全世界水庫的總庫容已達(dá)2000㎞3，成為一種穩(wěn)定可靠的水源。水庫也常常產(chǎn)生一些不良的生態(tài)效應(yīng)，甚至觸發(fā)地震。三峽大壩人類與土壤圈土壤圈土壤是地球陸地上能供植物生長與繁殖的疏松表層。各種土壤在地球表面形成一個斷續(xù)分布的圈層，覆蓋于巖石圈之上，其厚度由幾厘米至幾米不等。在炎熱濕潤的熱帶、亞熱帶地區(qū)，有些土壤的厚度可能達(dá)幾十米。O層：有機殘落物層；A層：淋溶層；B層：沉積層；C層：母質(zhì)層；最下面基巖。人類與土壤圈土壤圈土壤圈是與大氣圈、水圈同樣重要的第三大環(huán)境要素。土壤和巖石共同構(gòu)成了大地，但土壤和巖石是有區(qū)別的。土壤由巖石演化而來，并覆蓋在巖石的表面，土壤與巖石最大的不同在于它具有肥力，即提供和調(diào)節(jié)水、氣、熱和營養(yǎng)元素的能力，為植物的生長提供了必要的條件。人類活動影響土壤圈荒漠化。水土流失。鹽漬化。水澇。土壤污染。人類與巖石圈巖石圈巖石圈是人類生存環(huán)境中最下面的一個圈層，又是地球內(nèi)部各圈層的最外層，這里我們將巖石圈看作地球圈層的最外部分—地殼巖石圈對人類的發(fā)展也具有重要的價值，向人類提供了豐富的化石燃料和礦物原料，儲量巨大。傳統(tǒng)原料與燃料行將耗竭。如何迅速實現(xiàn)向新材料與新能源的轉(zhuǎn)變，已經(jīng)成關(guān)系到人類未來生存與發(fā)展的要務(wù)。2023/2/330人類與生物圈生物圈1875年奧地利地質(zhì)學(xué)家休斯(E．Suess1831—1914)提出了生物圈的概念。

1920年前蘇聯(lián)地球化學(xué)家韋爾納茨基(B.и.Bернадский1863—1945)明確給出了生物圈的定義。生物圈是指地球上有生命的部分，即地球上所有的生物，包括人類及其生存環(huán)境的總體。人類與生物圈生物圈它包括地球上一切生命有機體（植物、動物和微生物）及其賴以生存和發(fā)展的環(huán)境（空氣、水、巖石、土壤等）。生物圈是地球上最大的生態(tài)系統(tǒng)。物質(zhì)、能量和信息的交換與循環(huán)。2023/2/332生物圈的特征整體性

生物圈是由生物與非生物環(huán)境組成的具有一定結(jié)構(gòu)和功能的統(tǒng)一整體，是高度復(fù)雜而有序的