資源簡介 第十一章 地球環境及其變遷§1自然地理環境整體性與地域分異規律1.1 自然地理環境的整體性地球環境指人類在其中生存與發展的地球表層,即自然地理環境,又稱自然地理系統。地球環境是由地質、地貌、氣候、水文、植被、動物界和土壤等組成的一個整體,這些要素并非簡單地匯集在一起,或偶然地在空間上結合起來,而是在相互制約和相互聯系中形成一個特殊的自然綜合體或自然地理系統。各自然地理要素也不是孤立存在和發展,而是作為整體的一部分在發展變化。各自然地理要素在特定地理邊界約束下,通過能量流、物質流和信息流的交換和傳輸,形成具有一定有序結構、在空間分布上相互聯系、可完成一定功能的多等級動態開放系統,即自然地理系統。自然地理系統的整體結構“整體大于部分之和”,自然地理系統作為一個整體,除包含所有自然地理要素外,還具有各要素相互作用所產生的一些新屬性。系統可分為不同層次或組織水平,任何系統都既從屬于更高級的系統,同時其本身又包含若干低級的系統。系統各部分之間特殊的網絡關系,形成系統的結構。作為系統有機聯系的反映,系統還具有有序性。系統的上述基本特征,都是通過系統內部物質、能量和信息的運動得以表現的,因而動態性也是系統的基本特征之一。按照耗散結構理論的解釋,自然地理系統是一個遠離平衡態的開放系統,要素之間存在著非線性關系,它通過與外界不斷交換物質與能量,有可能在一定條件下形成新的穩定的有序結構,即地理耗散結構。它具有一定的抵抗外界干擾的能力,可吸收外界環境的一般性漲落。其結構水平愈高,漲落回歸能力即保持系統穩定性的能力愈強。但在發生巨漲落時,這一結構將崩潰或解體,并逐步形成新的耗散結構形式。自然地理環境作為一個整體,其發展演化是具有方向性特征的一個十分復雜的過程。這種復雜性主要表現在新的組成成分或要素的出現,以及由此導致的結構復雜化,沉積過程加強,巖石圈厚度增加,水圈含鹽量增加和離子成分發生有規律的變化,大氣成分發生質的變化,地貌復雜化和氣候多樣化,生物從低級形式向高級形式發展,新物種產生和一些舊物種滅絕,地域分異越來越顯著,等等。總結自然地理環境最重要的發展規律,首先要看到,自然地理環境所有組成成分的發展都是互相聯系的。因此,在組成成分發展的同時,成分間的物質和能量交換也得到了加強。其次,這種發展具有前進式發展的特點,表現為新組成成分的陸續出現,太陽能的逐漸積累和自然界的地域分異日益強化。第三,發展是突躍式的而非直線過程,周期現象并不決定主要發展方向。第四,緯度地帶性作為普通規律在整個發展過程中發揮了作用。最后,自然地理環境的發展是事物矛盾斗爭的結果。其中,有機體對環境的適應和改造起著特殊的作用。自然地理環境的發展還具有一定的節律性。節律性是指由自然地理過程的循環和振蕩引起的隨時間推移而有規律演替的現象。節律性亦可稱周期性。1.2自然地理環境的地域分異規律地域分異是指地球表層大小不等、內部具有一定相似性的地域單位的分化,以及由此而產生的各自然地理條件的差異。其中,帶有普遍性的地域分異現象和地域有序性就是地域分異規律。表征地域分異的最重要規律是自然地帶性。(1) 自然地帶性對自然地帶性存在廣義和狹義的兩種不同理解。廣義的理解認為,地帶性包括三個組成部分:緯度地帶性,經度地帶性(干濕度帶性),垂直地帶性。狹義的理解,主張地帶性主要是指緯度地帶性,也就是指熱量或溫度隨緯度而變更以及隨之而引起的其他方面的帶狀變化;而經度地帶性和垂直地帶性則屬非地帶性規律,前者指經度方向隨距海遠近所產主的變化,后者主要指隨海拔高度而產生的變化。自然地理地帶的形成以能量差異為基礎,太陽輻射能的空間-時間分布規律是制約自然地理地帶規律的基本因素,由此產生了地帶分異,增強了地帶對比,使地表地帶分布復雜化。此外,地球自轉造成地表流體,包括氣團、洋流等發生偏轉,同樣也增加了地帶性圖式的復雜性。又由于海陸地表組成物質的差異引起了能量收支狀況的改變,從而導致地帶性規律發生很大的變形或扭曲。所以地球表面某些地理地帶并不具有連續分布的形式,而往往是斷續的。某些類型集中在大陸邊緣,另一些又多見于內陸,這種大致沿經度方向的地帶分異被一些地理學家稱為“經度地帶性(干濕度帶性)”。實際上是在太陽能量到達地面之后的進一步改變和修正,因此,就其影響規模而言應該是影想緯度地帶分布的次一級形式,是能量重新分配的結果。地球表面存在著明顯的地勢起伏。當山地達到一定的高度后,自然環境及其各組成要素會出現垂直分帶的規律更迭現象,即通常所說的垂直地帶性分異。形成垂直分異的基礎是構造隆起的山體,而直接原因是溫度隨高度升高而迅速降低。由于地球表面并非所有的地方都有構造隆起的山地,所以垂直地帶的分布是不連續的、間斷的。它是在地帶性和非地帶性分異規律制約下形成的,是在太陽輻射能量達到地表以后,因高度位置變化而產生的能量和水分再分配的結果,是基本分異背景上派生的規律性地域分異。在20世紀中葉,提出了關于地球表面地理實體、景觀型和生態系統三度空間排列的比較地理學觀點,在高山研究中引入“三維地帶性”的概念,在山地自然地理研究中得到廣泛的應用。任何一個地方的垂直自然帶都是緯向、經向和高度變化因素對自然環境共同影響和作用的結果。因此,就一個山地或高原而言,“三維地帶性”的概念包含著兩層含義。一是“三維分異”,即任何一個地帶可以同時沿緯度、經度和垂直遞變方向分異,其空間分異是三維的,水平地帶和垂直地帶同處于一個三維空間中。二是“三位一體”,即一個地帶所處的帶譜,是緯度地帶性、經度地帶性(干濕度帶性)和垂直地帶性共同作用的產物。這種相互聯系和差別,是自然界對立與統一的反映。任何自然地理環境不僅占有三維空間,還延續于整個時間過程。僅靠“三維結構”來解釋是不夠的。如果兼顧空間和時間(歷史)因素來解釋,將更合乎事實,已越來越引起人們的關注。(2) 垂直自然帶在垂直地帶性規律支配下,具有一定高度的山體所產生的由下而上的帶狀更迭,稱之為垂直自然帶。垂直帶間相互配置的形式和次序稱為垂直帶帶譜結構。垂直帶的劃分通常以植被和土壤為主導標志。山地垂直自然帶結構從屬于一定的水平地帶,是第二性的。發育在不同地域山體的垂直自然帶具有各自特殊的帶譜性質、類型組合和結構特征,不同水平地帶的垂直自然帶的各類型之間,亦存在著一定的聯系,反映出它們在三度空間上的規律變化。任何垂直自然帶都是緯向、經向和高度變化因素對自然環境共同影響的結果。同一自然帶類型分布的海拔高度,因溫度、水分條件組合的不同而有顯著差異。垂直帶譜類型是極其復雜多樣的,它不完全重現緯度地帶的序列。垂直自然帶既有與水平地帶同源的成分,也有大量相似的成分和獨特的成分。因此,許多自然地帶在山地并沒有相似物;而一些山地垂直帶在平地也不出現。每一水平地帶都有自己的垂直帶譜系列,即垂直帶的結構類型是在水平地帶的基礎上發育和發展起來的。(3) 地方性、隱域性及微域分異① 地方性分異 地方性分異是中尺度的地域分異。它是在地方地形、地方氣候、較大范圍地面組成物質等差異影響下,自然環境各組成成分和自然綜合體沿一定地勢剖面發生變化的規律。地方性分異常常表現相互有序性和重復性規律。有序性指在地方地形影響下,自然環境各組成成分和自然綜合體沿一定梯度有規律地依次更迭。重復性是由于近期發育歷史相同,幾個小流域內各自然單元重復出現,組成多次重復的組合。② 隱域性分異 隱域性是疊加了地帶性影響的非地帶性表現,是復雜化了的地域分異規律。隱域性一般也表現為中尺度。例如沼澤是非地帶性的,是由長期或周期性積水生境下發育的濕生多年生草本植物所構成的自然環境。不少沼生植物,如蘆葦、苔草等具有很強的適應性,分布相當廣泛,但是,不同的水平地帶的沼澤卻具有不同的特征。溫帶平原(如東北三江平原)和高原山地(如川西若爾蓋)積水條件下的沼澤屬溫濕性沼澤,主要植物有蘆葦、拂子茅、禾草、苔草、鑣草等,土壤類型為草甸沼澤土;而屬于熱濕-暖濕型的熱帶、亞熱帶沼澤(如四川盆地中的河湖灘地沼澤)的建群種則是蘆葦、薹草、香蒲等,土壤類型為腐泥沼澤土。③ 微域分異 微域分異是最小范圍的地域分異,一般可以根據微域分異劃分出不同的類型,地貌部位差別是最重要的微域分異。不同的小地貌部位有不同的小氣候條件、地表水排水條件、潛水的埋藏深度和流動性,甚至潛水的化學性質等都直接或間接與地貌部位有關。再配合巖性土質的差異,則有不同的生物群落和土壤。地貌部位結合小氣候條件,決定了不同地貌部位的干濕狀況。§2 環境變遷與氣候變化2.1 氣候變化的史實和意義2.1.1地史中的大冰期地球歷史中曾多次出現大規模冰期和暖期的交替。最近三次全球規模大冰期出現于第四紀(2~3百萬年前)、石炭二疊紀(2.7~3.1億年前)和晚元古代后期(約7.0~7.5億年前),間隔分別為2.6~3.9億年。2.1.2第四紀的冰期旋回大冰期內部存在明顯的冰期和間冰期冷暖氣候交替旋回。1955~1959年意大利埃米利亞尼(C. Emiliani)根據太平洋深海鉆孔(V28284)沉積物中氧同位素δ18O含量測定,在代表90萬年時限的13m長巖芯中,發現了11個波動周期。由于海水中氧同位素的分餾與蒸發作用關系密切,蒸發作用優先分餾輕氧(16O),δ18O值越高代表古海水溫度越高,因此,這種波動周期可以反映地球表層的冷暖氣候旋回。另一種第四紀古氣候變化的重要研究成果,是中國學者在陸地上堆積的黃土剖面中完成的.劉東生(1982)在陜西洛川剖面布容期黃土中統計出8個古土壤層和頂部的黑壚土。由于黃土的成因與干冷的西北風關系密切,而土壤層發育于濕熱化環境,所以也能反映古氣候的冷暖旋回。黃土剖面和太平洋深海鉆孔中氣候事件之間的良好等時對比關系,有力地證明了第四紀布容期中發生過全球規模的冰川氣候旋回。已知的氣候旋回延續時間略有參差,總體上以10萬年周期最為明顯,可與米蘭科維奇軌道參數中的偏心率短周期相當。迄今為止,第四紀240萬年以來已經累計識別出至少24個氣候旋回,反映了冰期和間冰期的頻繁交替。不同階段內氣候旋回的時限長短并不一致,大體上距今60萬年前以10萬年周期為主,而更早階段則40萬年周期更為明顯。雖然都屬于米蘭科維奇軌道參數的偏心率周期范圍,其差異原因仍需進一步研究。2.2 氣候突變及其成因解釋冰期內部也存在氣候變化。每當大氣溫度進一步下降時,北極區冰蓋迅速擴張,周緣冰山大量南移至中緯度地區,帶來低溫淡水并使攜帶的巖屑降落海底。這種突發性的降溫事件后來被命名為海因里希事件。同時在格陵蘭冰芯、美國佛羅里達湖泊沉積和中國黃土沉積中也陸續發現類似的末次冰期內氣候振蕩事件。 冰期向間冰期過渡時,也容易發生一系列溫度劇烈振蕩,低溫期持續可達500~1000年。1.3萬年前末次冰期消退,氣候轉暖,溫帶動物群返回北歐和加拿大東北部。北美大陸冰蓋迅速融化,形成一個巨大的阿格茲湖,排水通道流向墨西哥灣。正是由于冰后期的增溫導致湖盆東側的冰原破裂崩塌,大量淡水突然涌入北大西洋,墨西哥灣的海水卻因淡水流入減少而鹽度、密度顯著增大,向北傳送熱量的灣流作用減弱,導致北大西洋的海水溫度下降。大量淡水比重輕又易于結冰,很快形成海上冰蓋,導致北大西洋地區重返冰期氣候,喜寒性動植物群重新折返。仙女木(Dryas)是一種適應冰原環境的花卉植物,所以稱為新仙女木事件。 即使在氣候溫暖的Eemian間冰期(距今12.5萬年前)中,同樣發現存在±5℃的氣候突變現象。在間冰期內發生事件的成因以及倒底是區域性抑全球事件尚在繼續研究,較流行的解釋是:間冰期增溫導致冰山大規模崩塌,大西洋海水溫度,鹽度降低,影響到海洋傳送帶環流模式突變,所以在總體變暖趨勢中出現突然變冷的插曲。§3地史中的生物滅絕與環境變遷3.1 物種的形成、壽命和數量3.1.1物種的形成英國博物學家達爾文(C.R.Darwin)發表的《物種起源》(1859)科學巨著,標志著進化論學說的創立。該學說認為生命的形成和發展是以自然選擇為動力,自然選擇通過遺傳變異,推動生命存在形式由低級向高級、由簡單向復雜進化。因此,“物竟天擇,適者生存”就成為生命進化的普遍原理。應當指出達爾文的物種演變、共同起源、適應和自然選擇等科學概念是人類自然科學研究史中的里程碑式光輝成就,迄今仍有重要科學價值。但一個多世紀后大量事實的發現和積累,也促使人們對達爾文學說重新評價,指出其中也存在一些需要發展或修改的方面。 其次,達爾文在生物進化的內因和外因關系方面,特別強調自然選擇(外因)的重要性?,F代生物學的研究已經提出:生命系統是由無窮多互為相似的子系統所組成,各系統內、系統之間、以及生命系統和自然界之間所進行的物質、能量和信息的交換,是推動進化的基本動力。在生命系統的各個層次都有相應的進化驅動機制存在。例如日本學者木村資生(Minato,1968)提出:分子水平的進化機制是遺傳漂變(genetic drift),而非自然選擇。由于生物變異(內因)具有很高的活動性,生物進化也相應擁有無限的可能性。就以基因重組合引起個體變異來說,假設兩個親本都是包括20對基因的異質體(實際上大多數高等動植物基因數遠大于20個),則其子代可能得到的基因型數達到420個天文數字。 由此可見,生物演化過程中自然選擇(外因)的因素果然十分重要,但生物變異的多樣性和種群結構的多態性(內因)也應當給予重視。實際上生物與自然環境之間并不是單向選擇,也是一種雙向選擇關系。從伊迪卡拉動物群到澄江動物群之間的生物絕滅和寒武紀生物大爆發事件,就是一個很好的實例。3.1.2物種的壽命 生物的物種和它的個體一樣,也有發生、發育和死亡的過程。古生物學的研究已經發現,不同物種的壽命長短變化很大。3.1.3物種的數量 生物的現存物種尚無公認的準確數據,迄今已鑒定的有150萬(Grant,1963)~200萬(楊昌鳳等,1994)個物種,其中2/3為昆蟲。全球物種約3/4分布在熱帶地區,尤其集中在熱帶雨林之中。 古生物學的研究已經證明地球歷史中存在過大量的物種,最可能的數量約為3億種左右。3.2 生物絕滅的類型與規模 生物的絕滅(extinciton)是指一個物種的個體完全消失而不留下后裔,也可稱終極絕滅,相當于日常所稱的完全絕種。如果某個物種經歷一定地質年代演化后,采用線系漸變的型式由祖先種演變為后裔種,那么祖先種是絕滅了,但物種的譜系仍繼續下去,稱為假絕滅或種系絕滅。人們通常所稱的絕滅,指的是終極絕滅。 地球歷史中新的物種不斷形成,老的物種相繼絕滅,本來是一種正常的現象。根據古生物學研究統計,最近2億年中每百萬年平均有90萬物種消失,即每100萬年平均絕滅0.1~1個物種,依門類不同而有區別,可視為正常的絕滅背景值。與之相對應,在某些地質時期,出現許多生物門類近乎同時地和全球性地大規模絕滅,使生物界絕滅率突然升高,稱為集群絕滅。 美國古生物學家紐危爾(N.Newell,1962,1967)統計了顯生宙海洋和陸地無脊椎動物化石的分布資料,根據科一級生物門類的新生與絕滅百分比,繪制出變化曲線圖,顯示出6個絕滅高峰。再加上元古宙末期伊迪卡拉動物群的突然消失,則一共有7次大規模絕滅事件。根據生物絕滅規模大小,顯生宙以來最重大的絕滅事件發生在二疊-三疊紀之交和白堊-第三紀之交,正好相當于古生代-中生代和中生代-新生代的地史發展重大轉折時期。 全球規模的大規模絕滅反映了地球表層生態環境的巨大變化,也是研究地質歷史中地球不同圈層間物質-能量交換型式和作用過程的良好突破口。這方面的研究可以彌補15萬年以來全球變化時間范圍過于短促和地球演化歷史類型單一的局限,在更全面地了解生物演化與自然環境之間的關系方面具有重要的借鑒意義。3.3 二疊紀末的集群絕滅3.3.2絕滅原因探討關于古、中生代之交大規模生物絕滅事件的原因,目前存在不同的解釋方案。根據粘土巖中存在火山爆發物質,有人提出當時全球規模的火山活動是生物絕滅的主要原因。有人曾強調全球規模的海退是主要原因。最近又發現在連續剖面上二疊紀最末期不是海退而是海侵,粘土巖是海侵產物。有人根據粘土巖形成于滯流的缺氧環境,提出生物絕滅與缺氧環境有關。也有人根據湖北黃石二疊-三疊紀之交的粘土層中發現有來自月球的濺射物以及南非近年已發現二疊-三疊紀之交的隕擊坑,提出可能與地外隕擊作用有關。迄今為止,多數國內外學者主張:古、中生代之交生物大規模絕滅的機制應從地球表層的災害群發原因中尋找,地外隕擊事件存在的可能性并不排除,但目前尚無充分的事實依據。在地內多種因素之間的關系方面,近年的趨勢是更多強調地史重大轉折時期地球不同圈層之間必定發生過異常的相互作用事件。例如二疊紀末期全球板塊運動導致聯合古大陸的形成,聯合 古大陸對于地球內部熱量的隔熱效應,大規?;鹕奖l的放熱效應,全球性海退事件和隨后缺氧盆地的出現,干旱氣候帶的迅速擴大和陸地森林的野火事件,頻繁的古地磁極性倒轉和保護生命的磁盾作用減弱以及地球內部質心偏轉等。根據現有地球歷史資料,上述地球不同圈層的多種重大事件在古、中生代之交的短暫時期內比較集中地涌現。對于地表海洋和陸地生物界來說,其效果必然是多種自然災害的頻發和生態環境的嚴重惡化,導致出現集群絕滅現象也就不難理解了。3.4 白堊紀末恐龍絕滅和地外隕擊事件 許多古生物學家并不欣賞白堊紀末期突然絕滅的論證,也不贊同一次撞擊殺死所有恐龍的簡單思考方法。他們傾向于強調地內因素(寒冷、缺氧、海退、火山等)的直接后果和生物滅絕的分階段特征,所以對地外隕擊事件的報道一般持質疑態度。白堊紀末期的地外隕擊事件自80年代初提出后,經過一系列的反復質疑和進一步查證,專門討論的論文數以千計,至20世紀末已經得到大多數地球科學家承認。但白堊紀末群發災害出現的先后順序和相互關系方面,倒底是偶然的地外事件打斷了地球的正常演化進程,還是地球自身演化也能導致災害群發,隕擊事件只不過是雪上加霜或偶然巧合也仍在繼續探討,恐龍絕滅的具體過程和確切機制,已提出有熱死、冷死、毒死、餓死、病死或卵殼發生畸變易碎而絕種等不同假說,21世紀中仍然是一個雅俗共賞的關注熱點。 任何一次集群絕滅事件都不可能消滅全部生物界,總有少量物種經歷這場浩劫后幸存下來,稱為殘留種。有的物種能逃離惡化的環境在某個避難所獲得喘息機會,待環境條件好轉后再回到先前分布的地區,稱為復活種。也有一些生物門類的物種原先并不顯眼,但由于優越的生理功能或生態習性具有更強的抗災變能力,能渡過這場浩劫而獲得輻射演化的機會,稱為先驅種。從整個生物界演化階段來說,可區分出絕滅前原先生物群的繁榮期—絕滅期(可分步驟實現)—殘存期(少量殘留種,有的種個體反而興盛)—復蘇期(少量新種出現)—輻射演化期(大量新種出現)。深入研究地球歷史中生物界不同門類的興衰演化史及其與環境的關系,對于人類今后開展環境保護、災害防治工作可以提供有價值的借鑒和啟迪信息。§4人類在環境變遷中的作用4.1 溫室氣體排放與全球變暖4.1.1溫室氣體集聚與溫室效應 氣候變化古已有之,現代全球氣候變化的證據也已出現。現在氣候變化的獨特之處在于,人類活動尤其是工業革命以來燃燒化石燃料、砍伐森林等致使大量二氧化碳、甲烷、氧化氮、臭氧、氟里昂氣體排放到大氣中,蓋住了地球表層,就象塑料薄模蓋住農田一樣,產生所謂溫室效應,所以把這些氣體稱為溫室氣體。溫室氣體的大量排放改變了大氣圈的組成和行為,致使全球平均溫度增加,而且變化速率前所未有。其它溫室氣體(如甲烷、氧化氮、臭氧、氟里昂)加起來對地球變暖的作用也與二氧化碳相當。 地表平均溫度已在過去100年來上升了約0.5~0.7℃,其間11個最暖年中有7個發生在最近10年,極端天氣事件的頻率和強度都在增加。如果目前溫室氣體的排放趨勢繼續下去,則地球表層將以每十年0.3℃的速率增溫。到21世紀中期,累積的變暖效應將使地表平均溫度比工業革命開始前的“自然背景溫度”提高1.5~4.5℃,地球將面臨突破任何歷史記錄的氣候沖擊。4.1.2溫室氣體增溫的可能效應略。4.2 土地利用與土地退化4.2.1不適當土地利用加速土壤侵蝕風蝕 以風力為動力的土壤侵蝕現象,是在地表缺乏植被覆蓋,在土質疏松和土層干燥的情況下,由風速達每秒4~5米的起沙風吹拂地面的結果。水蝕 (略)4.2.2土地沙漠化略。4.2.3灌溉與土壤次生鹽漬化 最早的人類文明發源于底格里斯河與幼發拉底河平原,即美索不達米亞,現在伊拉克境內。美索不達米亞可能是世界上最古老的灌溉農業區。但6千年前人類管理的最后結果,并沒有把這里變成最肥沃的土地。相反地,在缺少排水條件的情況下,美索不達米亞的地下水位開始升高,水渠滲漏和周期性的洪水也提高了地下水位。當地下水通過土壤毛管被蒸發時,就在地表留下一層薄薄的鹽。歷史最悠久的灌溉實踐徹底破壞了這里的土壤,至今沒有復原。作為世界四大古文明發源地的印度河平原曾是世界上最大的灌溉農業地區,但水澇和土壤次生鹽漬化問題造成重大損失,又一個燦爛的古代文明衰落了。4.3 生物多樣性的減少 世界自然資源保護聯合會的一項1600年以來動物絕滅分析發現,已知其原因的動物絕滅有39%是由于物種的引進,36%由于生境的破壞,23%由于狩獵和有意捕殺。盡管這項分析集中于島嶼的物種,這些原因尤其是物種引進和生境破壞,一般被認為是任何地區生物多樣性的主要威脅。 生物多樣性被破壞,特別是熱帶雨林植被的被大量破壞,除使人類失去寶貴的生物資源和生態功能外,還將大大改變碳、氮等營養元素和微量元素的源、匯分布,使營養元素和微量元素在地球系統中的循環遭到破壞,從而給自然生態系統和人類社會帶來巨大影響。4.4 環境污染 人們在生產生活過程中,向大氣、水、土壤等環境媒介排入大量廢氣、廢水、廢渣(稱為“三廢”),引起環境污染或導致環境破壞。當前主要的環境污染物及其來源有以下幾個方面: ① 生產性污染物② 生活性污染物③ 放射性污染物 展開更多...... 收起↑ 資源預覽 縮略圖、資源來源于二一教育資源庫