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1、人 与 生 物 圈,授课教师 高雪峰,综 述 人是生物圈中占统治地位的生物，能大规模地改变生物圈,使其为人类的需要服务。然而,人类毕竟是生物圈中的一个成员，必需依赖于生物圈提供一切生活资料。人类对生物圈的改造应有一定限度，超过限度就会破坏生物圈的动态平衡，造成严重后果。在地球上出现人类以后大约300万年的时期里,人类与其周围的生物和环境处于合理的平衡之中。人在生物圈中的地位，从对生物圈能施加的影响而言，并不明显地超过其他动物。食物缺乏以及疾病等因素限制着人口密度。,粮食问题 大约1万年以前,人类学会栽培植物。农业技术和贮存方法的改善，使人类生活不再局限于天天采集必需的食品，而能够从事更多的创造
2、性活动。随着生产力的提高，人口逐渐增加并向城市集中，制造商品的手工业日益发展，人类活动对环境的影响和冲击也日益增加。,尤其是产业革命以后的近几百年，开矿、挖煤、采油、伐林、垦荒、捕捞等规模迅速扩大，生物圈的面貌也发生了极大变化。这种变化不仅影响着其中的其他成员，也对人类自身产生巨大影响。20世纪60年代以来，人口的膨胀、世界资源的相对短缺和大范围的环境污染，迫使人们从生物圈的角度考虑问题和解决问题。70年代相继召开的一系列国际会议，如1971年联合国创议的“人与生物圈会议”、1972年的“人类环境会议”、1974年的“世界人口会议”等，便反映了上述认识。,世界人口正以大约35年翻一番的速度猛增
3、,但地球上可耕土地却是有限的，这必然造成全球范围的粮食问题。滥垦、滥牧、滥伐的日益严重，建设用地的高速扩展，都使全球植被减少。随之而来的后果是大范围的水土流失，耕地质量下降甚至发生荒漠化；失去了植被调节气候的作用，气温波动增大，水旱灾害增多；太阳辐射被反射散失的成分增加,绿色植物固定CO、产生O的能力随植被减少而等比地丧失。水域捕捞也已接近极限，某些鱼类多次大规模减产。化石燃料是现代工业的基石之一，但它的蕴藏量毕竟是有限的。随着使用速度的日益增长，燃料危机不断加剧。,环境污染,环境污染已成为世界性问题。因工业排放含硫氧化物和氮氧化物的烟雾而造成酸雨波及数百里之外；燃烧油、煤及翻耕土地排出的CO
4、弥散于全球大气中,有可能因向下反射地表的红外辐射而提高气温；喷气式飞行器排放的氮氧化物可能减少高空的臭氧，从而削弱对太阳紫外线的屏蔽作用；很多污染物随水流扩散到远处，造成明显为害。目前世界癌瘤发病率的升高，可能与环境污染有关。,总之，地球的资源是有限的，经不起日益膨胀的人口任意浪费；世界上现存的生态系统面对着工业倾吐出来的大量污染物，显得相当脆弱。自工业革命以来，都市不断扩大，自然保护的呼声也随之增高。然而只有到了生态学高度发展以后，人们才对自然保护有了比较正确的认识。自然保护并不是对自然资源弃置不用，任其自生自灭，而是积极地进行合理开发。,人类今天要处理的是“人与生物圈”系统中，人的物质要求
5、与环境的稳定供应之间的平衡。为此，某些自然系统一定要被生产效率更高的人工系统取代,原有的生态平衡要打破,而代之以人为干预下的新型平衡。例如在人为的农业生产系统中，取得最大产量所利用的并不是系统的成熟阶段，而往往是发展过程中的中间阶段。人类不仅要求生物圈能长期稳定地满足其不断增长的物质要求，而且要求环境质量不降低。造成这样的“人与生物圈”系统的总体平衡是人类的主要目标。,生物圈二号,生物圈2号（Biosphere 2）是美国建于亚利桑那州图森市以北沙漠中的一座微型人工生态循环系统，因把地球本身称作生物圈1号而得此名，它由美国前橄榄球运动员约翰艾伦发起，并与几家财团联手出资，委托空间生物圈风险投资
6、公司承建，历时8年，耗资1 .5亿美元。生物圈2号计划设计在密闭状态下进行生态与环境研究，帮助人类了解地球是如何运作，并研究在仿真地球生态环境的条件下，人类是否适合生存的问题。为了尽量贴近自然环境，该圈中的土壤、草皮、海水、淡水均取自外界的不同地理区间，通过 一定的人工处理再利用。例如，实验用的海水是将运进来的海水和淡水按照适当比例配制而成的。,1993年1月，8名科学家进入“生物圈2号”。科学家们原计划让工作人员在“生物圈2号”中生活两年，为今后人类登陆其他星球建立居住基地进行探索。然而，一年多以后，“生物圈2号”的生态状况急转直下，O2含量从21迅速下降到14，而CO2和NO2的含量却直线
7、上升，大气和海水变酸，很多物种死去，而用来吸收CO2的牵牛花却疯长。大部分脊椎动物死亡，所有的传粉昆虫的死亡造成靠花粉传播繁殖的植物也全部死亡。由于降雨失控，人造沙漠变成了丛林和草地。“生物圈2号”内空气的恶化直接危及了居民们的健康，科学家们被迫提前撤出这个“伊甸园”。“生物圈2号”的实验以失败告终,实验的目的是为了考察人类离升了地球是否能生存。在这个微型世界中，有海洋、平原、沼泽、雨林沙漠旅业区和人类居住区，是个自成体系的小生态系统。 “生物圈2号”虽然与外界隔绝，但可以通过电力传输、电信与计算机与外部取得联系。工作人员在“生物圈2号”内可以看电视，可以通过无线电通讯与亲友联系。,“生物圈2
8、号”的启示,“生物圈2号”的失败告诫我们：人类在茫茫宇宙中只有地球这一处家园，逃离和束手待毙都是与事无补的。地球不是实验室，我们输不起，只有善待和保护她才是我们真正的出路。,也许“生物圈2号”的失败有技术上的失误或设备上的欠缺，也许人们今后还会向“生物圈3号”、“生物圈4号”挑战。然而从“生物圈2号”失败的深层反映出来的信息远比其本身更冷酷无情。它向人们证明：地球环境是在经历了几十亿年的风风雨雨后形成的，对这种异常可靠的结构，人们渴望窥其脉络，望其项背，但却决不是简单的人工模仿再造能够完成的。 因此，谨慎地对待自然、保持与自然和谐共存的生态关系，是人类社会发展的重要条件。,生物圈二号,生物圈二
9、号外景 （国际环境影视集团中国项目提供）,地球环境的圈层构造 人类与地球各圈层的关系,第一章 地球环境的基本特征,第一节 地球环境的圈层构造,一 地球环境及其组成 1、人类所赖以生存的地球环境，地球上的其他 生物和非生物物质被视为环境要素，与人类 息息相关。 2、人类环境有别于其他生物的环境，它包括自 然环境和社会环境两部分。,自然环境：包括人类赖以生存的环境要素，例如空气、阳光、水、土壤、矿物、岩石和生物等，以及由这些要素构成的各圈层，如大气圈、水圈、土壤圈、生物圈和岩石圈。 社会环境：是指人类的社会制度等上层建筑条件，包括社会的经济基础、城乡结构以及同各种社会制度相适应的政治、经济、法律、
10、宗教、艺术、哲学的观念和机构等。,二 、地球环境的独特性 在茫茫宇宙中，地球是迄今发现存在智能生物的唯一天体。地球环境丰富多样，适合生物的生存和繁衍 1、地球上存在着大气、陆地和海洋； 2、地球有臭氧层保护不受紫外线侵袭（距地面1540km）； 3、大气中有一定数量的co2 , 使地表保持适中的温度，有利于 生物生长； 4、地表覆有土壤，为植物生长提供基地；,长期以来，人们一直认为，正是由于具备了这种“优越”条件，所以地球才拥有生命。地球的独特性就在于它具备其他天体所不具备的上述条件。,近年来，科学研究的进展，使一些科学家提出了不同的看法。他们反因为果，认为： 地球的独特性在于它是一个靠生命来
11、捕获、转移和储存太阳辐射能，靠生命活动来驱动地球表层的物质元素循环，靠生命过程来调控并保持其远离天体物理学平衡的开放系统。这种观点被称为盖娅（Gaia）假说或盖娅理论。 这就是说，不是地球上“优越”的环境条件创造了生命，而是生命活动创造了今天地球的环境。,1、46亿年前地球形成时是一个炙热的大火球，还没有圈层的分化。地球外面包围着原始大气，主要由H2、CH4、NH3和水蒸气等组成，是一个还原性的大气圈。我们今天所见的地球各圈层，是经历了亿万年的发育才形成的。,三 地球各圈层的发育,2、38亿年前在某种机制的作用下，地球上出现了水（地球发育史上第一个重大事件），水分的蒸发和降雨，降低了地表的温度
12、，产生了河流、湖泊、海洋，为生命的出现创造最基本条件。,3、生命的出现是地球史上第二个重大事件。尽管对生命起源的机制也有种种不同看法，但一般都认为生命起源于海洋，因为当时还原性的大气圈还不能向地球提供必要的保护，使之免遭强烈紫外线的袭击。频率高达1022Hz的太阳辐射足以毁灭一切生命，除非这些原始生命处于海洋水层的保护之下,4、早期的细菌通过发酵获取能量，放出CO2，逐渐改变原始大气组成。 20亿年前，进化的生物，如细菌、蓝藻，产生光合作用，放出O2。,5、16亿年前，含O2的大气圈形成，改变了原始大气组成， O2的积累逐渐形成了保护地球的O3层，为高等海洋生物进化和生命登陆创造条件。此后，生
13、物进化的过程加速： 12亿年前，最早的真核细胞； 5亿年前，海洋无脊椎动物； 2亿年前， 哺乳动物； 目前，5005000万种生物组成了五彩缤纷的生物界，构成了包括人类在内的生物圈。,四 生物圈的概念,生物圈（生态圈）：是由大气圈下层、水圈、 土壤岩石圈以及活动于其中的生物组成的地球表面最大的生态系统。, 地球上凡有生物分布的区域都属于生物圈 的范围。 生物圈是由生物与非生物的物理、化学环境 组成的统一体，是高度复杂的有序系统，而不是各种因素内松散聚集。 生物圈是地球上最大的多层次生态系统。 这个生态系统的结构及其能量流动、物质交换是不断地演变着的，并不断地趋向于稳定的平衡。,人类经过200万
14、年左右的进化和发展，现在已经达到60亿人口。成为地球占统治地位的物种。人类从诞生之日起，就和地球各圈层发生密切关系。,第二节 人类与地球各圈层的关系,一 、人类与大气圈,1、大气圈的构造: 1962年，WMO以气温垂直变化特点分为 a 对流层：最下层，厚度12Km，有强烈的垂直对流作用和水平运动；水汽和尘埃含量较高，雨、雪等发生在该层。人类对该层的影响最大。,b 平流层：1250Km高度，其下部有一明显稳定层，温 度基本不变，又称同温层；以上温度随高度而增加， 抑制了大气垂直运动，以水平运动为主，水汽和尘埃 含量少。,c 中间层：5080Km高度，温度随高度而减小，60Km分 子电离；80Km
15、最冷的一层，又有垂直对流运动。,d 热成层：80800Km，温度随高度而增加，大气分子在 各种射线作用下大都电离，又称增温层、电离层。,e 逸散层： 大气圈最外层，质点逃逸宇宙。,2、地球大气的组成 地球大气的主要成分是氮和氧，这种大气的化学组成在太阳系的九大行星中非常特殊。离地球最近的两颗行星金星和火星的大气化学组成就与地球大气完全不同，其主要成分是二氧化碳，氧含量极少，几乎不存在。在组成地球大气的多种气体中，包括稳定组分和可变的不稳定组分。 稳定组成 N、O 、CH4、H、氩、氦等，90Km 内稳定 不稳定组成- CO2 SO2 O3 H2O、固液杂质 ：（来源于火山、地震、人为活动 产生
16、的烟尘、硫化物等）,地球各圈层，尤其是生物圈各组分，与大气保持十分密切的物质和能量的交换，使大气各组分之间保持极其精细的平衡。如目前，下层大气中氧的浓度为21%，就是亿万年来生物圈进化与大气圈相互作用的结果。一定浓度的二氧化碳的存在，对地表温度的调节至为重要。,海洋和陆地上的固态水和液态水构成一个大体连续的圈层覆盖地球表面，称为水圈。它包括：江河湖海中一切淡水、咸水、土壤水、深、浅层的地下水以及南北两极冰帽和各大陆冰川上的冰，还包括大气圈中的水蒸气和水滴,二 、 人类与水圈,各种生命起源的假说都少不了水这个要素。生命的产生和进化都离不开水。,1、水对人类和环境的特殊意义,a 水的透明性允许可见光和长波紫外线透过，阻挡 有害的短波紫外线，对生命的产生和进化起了 关键作用。 b 水是生命过程中营养和废弃物运输媒介。 c 水比热是最大的，避免了强烈的温度变化，有 利于生命产生进化 d 水40C密度最大，在控制水体温度分布和垂直循 环中起重要作用。 e 冰轻于水，对水下生物重要。,2、人类活动对水圈的影响,a 兴建大型水
