地球环境与生物绝灭08春

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1、地球环境与 生物绝灭,中国地质大学地球科学学院 刘本培 2006.6,生物与环境的多样性 生态系统与食物链 地质环境与人类健康 生物绝灭与环境变迁,生物与环境,生物存在于地理环境之中，它们在个体发育的全部过程中始终进行新陈代谢作用，经常不断地与环境间进行着物质与能量的交换。 新：从环境中吸取能源和营养物质，建造躯体。 陈：把不需要的代谢产物排放到外界环境中， 才能维持正常的生命活动和后代繁殖。 因此，任何生物有机体都不能脱离环境而生存。环境控制和塑造着生物的生理过程、形态构造和地理分布。正是地球上的环境复杂多变，导致生物界面貌的多样性。 同时，生物（特别是群体）也对环境产生明显的改造作用。例如

2、，20亿年前元古宙原核生物（海生藻类）的繁盛导致还原大气圈演变为氧化大气圈。现代植树造林可以防治水土流失、改造沙漠。,生态因素： 在环境中对生物的生命活动起直接作用的那些环境要素，包括日光、热、水、风、矿物盐类和其他生物等。 地形、海拔高度等则属于间接起作用的因素，通过改变气候、土壤等条件而 对生物产生影响。 生境： 生物或其群体居住地段所有生态因素的总和。 限制因素： 地球上各种生态因素的变动幅度非常广阔，每种生物的适应范围却有一定限度。当一个或几个生态因素的量/质或生物的忍受临界值时，这种生态因素称为限制因素。,生物的适应性,定义：生物的形态结构、生理机能、个体发育和行为等与周围环境相适应

3、。 植物的根、茎、叶在不同气候条件下的变态。 枯叶蝶的拟态，鱼的颜色肚白背黑。 是在长期生存斗争中通过自然选择的结果。,生物的指示现象 (biological indicator),定义：根据生物种（种群）、或生物的某些特征，来确定地理环境中其他成分的现象。 固定生长的植物、珊瑚对环境的反映最为灵敏。 树木年轮能显示温度、降水量年际变化和太阳黑子周期。 地质指示现象：安徽铜官山的铜矿分布区盛长“铜草”（海州香糯）。 珊瑚礁生长在热带（水温20） 、清澈、浅海水域。,根劈,新疆温宿地震成因的神木园,不同水生生物对酸碱度的适应性 -谁是大灾变后 地球上的幸存者？,生物多样性,遗传多样性：一个物种内

4、个体之间、种群之间的差别。 物种多样性：一个区域内动植物和其他生物的不同类型。 生物群落或生态系统多样性：一个地区内（如草原 、 沼泽 、森林等）多种多样的生境。 热带雨林最为典型。 功能多样性：一个生态系统内生物的不同作用。如植物吸收 能量，草食动物则控制植物生长。 - 地球上基本的商品和服务，依赖于基因、物种、种群和生态系统的多样性和动态性。 联合国21世纪议程,种群,种群：占据一定环境空间的同种生物的个体群。 具有新属性：出生率、死亡率、年龄结构、分布格局和仅限某些动物种群的社群结构等。 种群是物种存在、进化和表达种内关系的基本单位，是生物群落、生态系统的基本组成部分，也是生物资源开发、

5、利用和保护的具体对象。 种群增长：理想情况下表现为指数式增长。 1个细菌经过36小时，完成106个世代后，将繁殖出2107个细菌，可以布满全球一尺厚。,达尔文曾估算，1头繁殖缓慢的大象自 由繁殖，750年后达到1.9107头。 实际上受到环境阻力，表现为S形曲线。,生物群落（biotic community),生物群落：在一定地段的自然环境条件下，由彼此在发展中有密切联系的动物、植物和微生物有规律地组合成的种群集合体。 地球上存在的各种自然群落，如森林、草原、荒漠、湖泊、沼泽等，是地质历史长期演化的产物，是通过长期自然选择在一定地区产生的最合理、最有效的生物群体。,湖泊沿岸植物群落分带 4-湿

6、生植物带：莎草科 3-挺水植物带：芦苇、茭白等 2-浮叶植物带：睡莲、眼子菜等 1-沉水植物带：苦草、金鱼草等,生物群落的演替,生物群落是动态系统：存在季相变化、年变化、群落演替和演化。 演替：由于自然或人为原因，一个群落被性质不同的另一个群落替代的现象。 顺行演替：荒地变森林 逆行演替：砍伐森林 、 草原退化,现今生物的多样性,生物多样性减少,与过去5亿年中的五次大灭绝相匹敌，目前世界正处于另一次重要物种灭绝的边缘！ 主要原因：与以往的各种自然原因不同，现在是人类引起的环境污染、热带森林锐减、珊瑚礁破坏、湿地消失、外来物种入侵、无节制消费等造成。 按热带生境破坏的趋势预测：19752015年

7、间， 每10年将灭绝1%11%。有一种中度的预测，今后25年内4%8%的热带森林物种将灭绝。将大大改变C、N 等营养元素和微量元素的源、汇分布，破坏它们在地球系统中的循环，给自然生态系统和人类社会带来巨大影响。 地史中每次集群绝灭事件后，需要1000万年时间物种才能恢复到有关事件前的多样化水平！,厄瓜多尔鱼船 对鲨鱼割鳍弃身,生物与环境的多样性 生态系统与食物链 地质环境与人类健康 生物绝灭与环境变迁,生态系统（ecosystem),定义：自然界中任何生物群落总是通过连续的能量-物质交换与其共存的自然环境形成相互作用和联系的统一整体，这样的生态功能单位就是生态系统。 空间范围：生态系统是地球表

8、层的基本组成单位，面积大小可以悬殊（整个生物圈到一滴水）。整个地球表层由大小不同的生态系统镶嵌而成。,开放系统：生态系统并非完全被动接受环境的影响，在一定条件下具有反馈机能，能自动调节、修复外界干扰造成的创伤，保持相对平衡状态。 意义：对生命自然界的认识提到更高一级水平，提供了观察分析复杂自然界的有力手段，成为解决人类可持续发展重大问题的理论基础之一。,生态系统的组成成分,食物链与食物网,生态系统的功能,通过生态系统的核心部分生物群落实现： 生物生产 能量流动 物质循环,生物生产,生物生产： 生物在新陈代谢过程中将能量、物质重新组合，形 成新的产物（碳水化合物、脂肪、蛋白质等）的过程。 初级生

9、产：绿色植物通过光合作用将无机物转化成有机物的生 产过程。 次级生产：消费者利用初级生产的产品进行新陈代谢，经过同 化作用形成异养生物自身物质的生产过程。 总初级生产量（GPP)：植物在单位面积、单位时间内，通过光合 作用固定的太阳能量。单位是Jm-2 a 1或gDW m-2 a 1 。 净初级生产量（NPP)： GPP减去植物因呼吸作用的消 耗（R), 剩下的有机物质。即 NPP=GPP-R。 生物量：植物在单位面积内的总重量, 单位是kgm-2 。,全地球NPP (干物质）= 172.5109 t a-1 生物量 (干物质）= 1841 109 t 不同生态系统差别明显,热带雨林,全球最高

10、生物量和净初级生产量分布区,生态系统的能量流动,太阳能植物光合作用生物化学能（生态系统的基本能源） 生态系统内部各成分之间流动为单向流，通过各营养级生物呼吸作用而散失 用于较高营养级生产量的能量只占很小比例,能量传递的 “十分之一”定律,DDT的富集 污染物通过食物链产生逐级富集现象（生物放大作用）。营养级越高的生物，体内残留的污染物越多，从而严重影响生长发育和肌体健康。 1968、1999年日本、比利时先后出现的二恶英污染事件即为实例。,(引自现代自然地理学，2001）,生物与环境关系 生态系统与食物链 地质环境与人类健康 生物绝灭与环境变迁,环境污染,人类在生产生活过程中，向大气、水、土壤

11、等环境媒介排入大量三废（废气、废水、废渣），引起环境污染或导致环境破坏。 生产性污染物：工业生产的三废（酸雨）、农药残留。 生活性污染物：垃圾、粪便、污水。 放射性污染物：核工业、核武器、医用放射源。 实例： 切尔诺贝利核电站核泄漏事件（1986年4月） 西欧二恶英事件（19992001） 淮河治理已经达标又遭废水重新污染（2001）,什麽是二恶英？ 对人有何危害？,食物链与化学污染物,二恶英（多氯二苯二氧） 事件：来源于化工生产副产 品、金属热加工、垃圾焚烧、 汽车尾气、造纸漂白等。污 染米油、畜禽产品。 1968年出现于日本。 1999.6比利时肉制品事件 带来 10亿欧元经济损失和 内阁

12、集体辞职。 1标准样品的浓度仅相当 标准游泳池（50m 20m 2m）内一滴水。,属于环境荷尔蒙物质，危险性在于会发出类似动物激素的信号，干扰生殖系统。主要集中于脂肪和乳汁，污染爆发有漫长的潜伏过程。和一般的污染物中毒不同，威胁的是未来。 日本母乳检测发现二恶英含量超标。 北极圈内挪威海岛上北极熊受到污染的食物链旅程：北美污染物-洋流-鱼-熊。,构成人体的三类元素,1，生命机体不可缺少的主要组成元素（营养元素）。如：H、 O、C、 N、Ca、P、K、S、Na、Cl、 Si、Mg、Al等25种元素，占人体内元素含量的99(前4种占生物体体重的96% )。 2，生命有机体必需，但稍过量或缺少就有害

13、的微量元素（必需元素）。如Fe、Cu、Zn、Mn、Co、Mo、V、Cr、Ni、Sn、Se、F、I等在体内含量0.01% 。 3，生命不需要，但易被人体吸收的有害元素。如：Cd、Hg、Pb、Ti、U、Th。它们一旦进入人体，就会产生生理异常。,Mg,地表元素组成与居民健康,研究表明，人体血 液、头发中的元素组成 与地表环境（岩石、土 壤、水体、食物）的平 均元素组成克拉克 值有显著的相关性。 反映生态环境的地 区性地球化学元素异常， 可以明显地影响居民的 健康状况，或与特定的 地方性疾病有关。,修水,脸面俊丑、身材苗条区分 按不同区域姑娘肌肤水色、 与人类健康 地质背景,江西修水老表民谣： 白岭

14、姑娘美如画，渣津妹子一朵花， 修水姑娘平平过，三都女伢豆腐渣。,三都,渣津,白岭,修水,白岭与三都地质环境,白岭地区是湘赣边境罗霄山脉的北端，出露大片中生代花岗岩岩基（几十平方公里），花岗岩风化后形成的高岭土吸附了大量有利于人体健康生长的微量元素。世世代代的当地居民不知不觉地享受着“麦饭石”治疗功能（浸溶有益元素、吸附有害杂质、增加溶解O2的作用）。,三都地区(修水、宁武交界）大片出露晚震旦早寒武世深水还原环境下沉积的碳质页岩、含碳硅质页岩。其中的粘土质、碳质吸附了大量U、Th、Pb、As等有害元素。在风化成土过程中它们通过溪水（泉水）植物人体的循环大量积累在体内，导致脸黄肌瘦、发育不良、甚至

15、肢体畸形，形成了当地的找矿标志。,地方病与环境,所谓地方病，即指生物地球化学性疾病。 中国地方病与环境图集汇集了20世纪60年代开始的环境地球化学调查资料。 从东北到西南以温带森林和森林草原土系为中心的低锶带，与克山病、大骨节病带的分布大体吻合。 分布于全国约半数县的地方性氟病病区浅层高氟地下水病区、深层高氟地下水病区、高氟泉水病区、富氟岩矿病区、生活燃煤（含高氟劣质煤）污染型病区，与地球化学场的相关性十分明显。,中英合作人体硒缺乏与过剩的地球化学环境特征、预测与防治研究项目（李家熙等，2000）对河北张家口、磁县和湖北恩施地区的研究指出，硒在土系中的分布既受表层地质的土岩关系也受地球内部动力学影响。 新疆塔城地区水源性疾病地方性氟中毒、砷中毒症与富（或低）氟地质环境、高砷地质环境、富汞地质环境有关，地甲病与低（或高）碘地质环境有关。,地质发病机理,定义：在生命机体内出现由地质、 地球物理、地球化学和其他自然条件造成的稳定病变。 与地表上可能出现这种特定地质-地球物理-地球化学条件现象的地区（段）有关。如克山病、大脖子病、癌病高发区等。 可视为大气圈、水圈、岩石圈和地球内部层圈的物理-化学性质出现异常的地区，