第五节 生物圈是生物的共同家园
一、生物圈
生物圈是指地球有生物存在的部分，地球表层由大气圈、水圈和岩石圈构成，三圈中适于生物生存的范围就是生物圈。它包括大气圈的下层、岩石圈的上层、整个土壤圈和水圈。生物圈是地球上最大的生态系统，水圈中几乎到处都有生物，但主要集中于表层和浅水的底层。世界大洋最深处超过11 000m，这里还能发现深海生物。限制生物在深海分布的主要因素有缺光、缺氧和随深度而增加的压力。大气圈中生物主要集中于下层，即与岩石圈的交界处。鸟类能高飞数千米，花粉、昆虫以及一些小动物可被气流带至高空，甚至在22 000m的平流层中还发现有细菌和真菌。限制生物向高空分布的主要因素有缺氧、缺水、低温和低气压。在岩石圈中，生物分布的最深记录是生存在地下2 500～3 000 m处石油中的石油细菌，但大多数生物生存于土壤上层几十厘米之内。限制生物向土壤深处分布的主要因素有缺氧和缺光。由此可知，虽然生物可见于由赤道至两极之间的广大地区，但就厚度来讲，生物圈在地球上只占据薄薄的一层。
二、人类对生物圈的影响
人是生物圈中占统治地位的生物，人类不像动物那样只是以自己的存在来影响环境，人具有主观能动作用，能以自己的劳动来改造环境。人类活动对环境的影响远远超过其他生物对环境的影响，人类能大规模地改变生物圈，使其为人类的需要服务。人类在诞生以后很长的岁月里，只是自然食物的采集者和捕食者，由于人口数量较少，人类活动对环境的影响很小。随着人类文明的进步和人口的增多，人类生产活动中出现种植业和畜牧业，人类的生产活动和消费活动领域扩大，改造环境的作用越来越明显，人类对环境的影响越来越大，这时人类向环境攫取的物质与能量数量巨大，排放废物日益增多，破坏了人类与环境之间的平衡，环境开始报复人类，惩罚人类，从而产生环境问题。比较严重的如大量砍伐森林、破坏草原引起水土流失、水旱灾害和沙漠化。现代工业的出现是人类与环境关系史上的又一次大的变革，现代工业生产和人类的消费活动对全球生态环境产生了重大的影响，环境和资源问题正威胁着人类的生存。人类对生物圈的消极影响主要表现在以下几个方面。
（一）全球气候变暖
1．近百年来全球变暖的趋势
气候学的纪录显示，近百年来，全球的平均地面气温呈现明显的上升趋势。总体上，20世纪80年代的全球平均气温比19世纪下半叶升高了约0．6℃。这种趋势很可能继续下去，除非采取有效的措施加以控制。坐落在维也纳附近的国际应用系统分析研究所于1991年所作的预测表明，到2050年，全球变暖的幅度可能在4．5～10℃，到21世纪末，则在12～15℃。这些预测还是初步的，因为其中没有考虑海洋热力学效应引起的时间滞后效应。比较合理的预测是，到2030年，全球平均气温将比现在上升0．5～2．5℃，到2050年，将上升3．6～4．5℃。
2．全球变暖可能产生的影响
初步研究显示，全球变暖会引起温度带的北移，进而导致大气运动发生相应的变化，全球降水也将随之发生变化。一般地，低纬度地区现有雨带的降水量会增加，高纬度地区冬季降雪量也会增多，而中纬度地区夏季降水量将会减少。对于大多数干旱、半干旱地区，降水量增多是有利的。而对于降水减少的地区，如北美洲中部、中国西北内陆地区，则会因为夏季雨量的减少变得更加干旱，水源更加紧张。
据估算，在综合考虑海水热胀、由于极地降水增加导致南极冰帽增大、北极和高山冰雪融化等因素的前提下，当全球气温升高1．5～4．5℃时，海平面将可能上升20～165 cm。海平面的上升无疑会改变海岸线，给沿海地区带来巨大影响，目前海拔较低的沿海地区将面临被淹没的危险。海平面上升还会导致海水倒灌、排洪不畅、土地盐渍化等其他后果。
尽管存在着许多的不确定性，但显而易见的是，全球气候变暖对气候带、降水量以及海平面的影响以及由此导致的对人类居住地及生态系统的影响是极其复杂的，必须给予应有的重视。认为这种影响从长远来看是无关紧要的看法是不负责任的。
3．全球变暖的原因
地球大气是多种气体的混合物，其中氮气和氧气占了总量的99%，但是起到温室效应的主要是一些微量气体，这些气体对太阳辐射的主体部分（短波和可见光）吸收很弱，而对地面发出的长波辐射吸收强烈。因此当它们在大气中的浓度增加时，大气的温室效应就会加剧，引起地球表面和大气层下部的温度升高。这些气体被称为“温室气体”。“温室气体”主要包括二氧化碳、臭氧、甲烷、氯氟烃、一氧化碳等。
引起温室气体增加的主要原因是人类活动。以二氧化碳为例，2009年全球大气中二氧化碳的浓度比工业革命前（1750年前）增加了38%。大气中二氧化碳浓度增加的原因主要有两个：首先，由于人口的剧增和工业化的发展，人类社会消耗的化石燃料急剧增加，燃烧产生大量的二氧化碳进入大气，使大气中的二氧化碳浓度增加；其次，森林毁坏使得被植物吸收利用的二氧化碳的量减少，造成二氧化碳被消耗的速度降低，同样造成大气中二氧化碳浓度升高。
（二）臭氧层破坏
大气臭氧层的损耗是当前世界上又一个普遍关注的全球性大气环境问题，它同样直接关系到生物圈的安危和人类的生存。
1．臭氧层损耗与“臭氧洞”
臭氧（O3）是氧元素的同素异形体，它的化学性质十分活泼，很容易跟其他物质发生化学反应。实际上，在臭氧层内，臭氧的形成是众多物质参与，经过一系列化学反应达到化学平衡的结果。臭氧在遇到H、OH、NO、Cl、Br时，就会被催化，加速分解为O2。氯氟烃之所以被认为是破坏臭氧层的物质，就是因为它们在太阳辐射下分解出Cl和Br原子。
1984年，英国科学家首次发现南极上空出现臭氧洞。1985年，美国的“雨云－7号”气象卫星观测到了这个臭氧洞。以后经过数年的连续观测，进一步得到证实。据NASA报道，NASA的“Nimbus－7”卫星上的总臭氧测定记录数据表明，近年来，南极上空的臭氧洞有恶化的趋势。目前不仅在南极，在北极上空也出现了臭氧减少现象。NASA和欧洲臭氧层联合调查组分别进行的测定都表明了这一点。
2．臭氧层破坏的原因
对于大气臭氧层破坏的原因，科学家中间有多种见解。但是大多数人认为，人类过多地使用氯氟烃类化学物质（用CFCs表示）是破坏臭氧层的主要原因。氯氟烃是一种人造化学物质，1930年由美国的杜邦公司投入生产。在第二次世界大战后，尤其是进入20世纪60年代以后，开始大量使用，主要用作气溶胶、制冷剂、发泡剂、化工溶剂等。另外，哈龙类物质（用于灭火器）、氮氧化物也会造成臭氧层的损耗。
在平流层内离地面20～30km的地方是臭氧的集中层带，在这个臭氧层中存在着氧原子（O）、氧分子（O2）和臭氧（O3）的动态平衡。但是氮氧化物、氯、溴等活性物质及其他活性基团会破坏这个平衡，使其向着臭氧分解的方向转移。而CFCs物质的非同寻常的稳定性使其在大气同温层中很容易聚集起来，其影响将持续一个世纪或更长的时间。在强烈的紫外辐射作用下它们光解出氯原子和溴原子，成为破坏臭氧的催化剂（一个氯原子可以破坏10万个臭氧分子）。
3．臭氧层破坏对生物圈的影响
由于臭氧层中臭氧的减少，照射到地面的太阳光紫外线增强，其中波长为240～329纳米（nm）的紫外线对生物细胞具有很强的杀伤作用，对生物圈中的生态系统和各种生物，包括人类，都会产生不利的影响。
臭氧层破坏以后，人体直接暴露于紫外辐射的机会大大增加，这将给人体健康带来不少麻烦。首先，紫外辐射增强使患呼吸系统传染病的人增加；受到过多的紫外线照射还会增加皮肤癌和白内障的发病率。此外，强烈的紫外辐射会促使皮肤老化。
臭氧层破坏对植物产生难以确定的影响。近十几年来，人们对200多个品种的植物进行了增加紫外照射的实验，其中三分之二的植物显示出敏感性。一般说来，紫外辐射增加使植物的叶片变小，因而减少俘获阳光的有效面积，对光合作用产生影响。对大豆的研究初步结果表明，紫外辐射会使其更易受杂草和病虫害的损害。臭氧层厚度减少25%，可使大豆减产20%～25%。
紫外辐射的增加对水生生态系统也有潜在的危险。紫外线的增强还会使城市内的烟雾加剧，使橡胶、塑料等有机材料加速老化，使油漆褪色等。
（三）酸雨
1．酸雨现象
酸雨是指pH值低于5．6的大气降水，包括雨、雪、雾、露、霜。由于空气中含有二氧化碳，而二氧化碳溶于水后使水变成弱酸性，因此大气降水通常情况下就具有一定的酸性。但是正常降水的pH值不会低于5．6，因为二氧化碳饱和溶液的pH值为5．6。
20世纪50年代后期，酸雨首先在欧洲被察觉，进入80年代以后，酸雨发生的频率更高，危害更大，并打破国界扩展到世界范围，欧洲、北美和东亚是酸雨危害严重的区域。我国对酸雨的监测起步较晚，1979年开始在北京、上海、南京、重庆、贵阳等地开展降水化学成分的测定。在1981年进行了一次全国性酸雨普查，监测结果是，全国有20多个省、市、自治区出现程度不同的酸雨，占普查数的87%。目前酸雨已成为我国严重的区域性环境问题。
2．酸雨的成因
降水的酸度来源于大气降水对大气中的二氧化碳和其他酸性物质的吸收。前面已经说过，二氧化碳引起的酸性是正常的。形成降水的不正常酸性的物质主要是含硫化合物、含氮化合物、HCl和氯化物等。通常形成酸雨的物质是二氧化硫（SO2）和氮氧化物（NOX），它们造成的酸雨占酸雨中总酸量的绝大部分。
目前大气中的硫和氮的化合物大部分是人类活动造成的，其中燃烧化石燃料（石油、天然气、煤炭）产生的二氧化硫和氮氧化物是造成酸雨的主要原因。近一个世纪以来，人类社会的二氧化硫排放量一直在上升，尤其是第二次世界大战后上升得更快，从1950年到1990年全球的二氧化硫排放量增加了约1倍，目前已超过1．5亿吨/年。全球氮氧化物的排放量也接近1亿吨/年。在各国中，美国的二氧化硫年排放量和氮氧化物排放量都是最多的，中国在二氧化硫排放量上次之。近年来世界的二氧化硫排放量上升趋缓，原因是各国大气污染防治法的实施，促使大气污染控制技术越来越多地被采用（如热电厂的烟气脱硫和除尘装置）。
中国是燃煤大国，煤炭在能源消耗中占了70%，因而我国的大气污染主要是燃煤造成的。我国生产的煤炭，平均含硫约为1．1%。由于一直未加以严格控制，致使我国在工业化水平还不算高的现在就形成了严重的大气污染状况。目前我国二氧化硫排放量已达1 800多万吨。二氧化硫排放引起的酸雨污染不断扩大，已从20世纪80年代初期的西南局部地区扩展到长江以南大部分城市和乡村，并向北方发展。
3．酸雨的危害
酸雨腐蚀材料，损害森林，破坏水生和陆生生态环境，并造成农作物减产。调查结果表明，我国仅两广、川、贵四省区由酸雨造成的直接和间接经济损失，每年就达160亿元。酸雨使湖泊变酸，水生生物死亡。酸雨对生态系统的危害还表现在浸渍土壤，使土壤变得贫瘠，降低生态系统的初级生产力。酸雨腐蚀岩石矿物，使水体中的重金属和铝的含量增加，影响水生生态系统的正常运转。当水中铝的含量达到0．2mg/L时，鱼类就会死亡。长期的酸雨侵蚀会造成森林死亡。酸雨对人体健康也造成直接影响，例如酸雨渗入地下可以使地下水中的金属含量增加，人们饮用这样的水会对人体造成危害；人们食用酸雨污染的水体中的鱼类，同样会受到身体的损害。
（四）淡水资源紧缺，水污染加剧
随着现代工业生产的发展和大城市的兴起，工业废水量和生活污水量急剧增加，造成水体的普遍污染，被人类排放到水体中的污染物包括以下8类：家庭污水，微生物病原菌，化学肥料，杀虫剂、除草剂和洗涤剂，其他矿物质和化学品，水土流失的冲积物，放射性物质和来自电厂的废热等。其中每一种都会带来不同的污染，使越来越多的江河湖海变质，使饮用水的质量越来越差。单化肥一项就常常造成水体富营养化，使很多湖泊变成了没有任何生物的死湖。
地球上一些著名的大河，如泰晤士河、密西西比河、莱茵河和我国的长江、黄河都曾受到过严重污染，虽然经过治理情况已有很大改善，但全球河流受到普遍污染的现状仍未根本改变。耗水量的增加和水污染的加剧，导致全球性的水资源危机，目前大约有20亿人饮用水紧缺。严重的水资源危机对人类的生存造成了很大的威胁。
由于水体污染造成了极严重的后果，人类必须依靠强大的技术手段保护水资源，开发水资源。所以很多国家已采取措施对江河湖海进行保护和治理，如严格控制污染源、生产工艺无害化、工业用水封闭化、采用无水造纸法与无水印染法和建立污水处理厂等。由于采取了这些措施，所以就全球来讲，部分地区的水质已经开始恢复，一度绝迹的生物又重新出现，有的地区甚至已变成了风景宜人的旅游区。这说明只要认真治理，水污染问题也是可以解决的，虽然目前距离这一目标还很遥远。
（五）海洋污染
海洋面积辽阔，储水量巨大，因而长期以来是地球上最稳定的生态系统。由陆地流入海洋的各种物质被海洋接纳，而海洋本身却没有发生显著的变化。然而近几十年，随着世界工业的发展，海洋的污染也日趋严重，使局部海域环境发生了很大变化，并有继续扩展的趋势。
海洋的污染主要是发生在靠近大陆的海湾。由于密集的人口和工业，大量的废水和固体废物被倾入海水，加上海岸曲折造成水流交换不畅，使得海水的温度、pH值、含盐量、透明度、生物种类和数量等性状发生改变，对海洋的生态平衡构成危害。目前，海洋污染突出表现为石油污染、赤潮、有毒物质累积、塑料污染和核污染等几个方面，污染最严重的海域有波罗的海、地中海、东京湾、纽约湾、墨西哥湾等。就国家来说，沿海污染严重的是日本、美国、西欧诸国和前苏联国家。我国的渤海湾、黄海、东海和南海的污染状况也相当严重，虽然汞、镉、铅的浓度总体上尚在标准允许范围之内，但已有局部的超标区；石油和化学需氧量（COD）在各海域中有超标现象。其中在污染最严重的渤海，污染已造成渔场外迁、鱼群死亡、赤潮泛滥、有些滩涂养殖场荒废、一些珍贵的海生资源正在丧失。
海洋污染的特点是，污染源多、持续性强，扩散范围广，难以控制。海洋污染造成的海水浑浊严重影响海洋植物（浮游植物和海藻）的光合作用，从而影响海域的生产力，对鱼类也有危害。重金属和有毒有机化合物等有毒物质在海域中累积，并通过海洋生物的富集作用，对海洋动物和以此为食的其他动物造成毒害。石油污染在海洋表面形成面积广大的油膜，阻止空气中的氧气向海水中溶解，同时石油的分解也消耗水中的溶解氧，造成海水缺氧，对海洋生物产生危害，并祸及海鸟和人类。好氧有机物污染引起赤潮（海水富营养化的结果），造成海水缺氧，导致海洋生物死亡。海洋污染还会破坏海滨旅游资源。因此，海洋污染已经引起国际社会越来越多的重视。
（六）森林植被破坏严重
目前世界上密闭林覆盖面积为28亿公顷，占地球陆地表面积的21%。另有13亿公顷的稀疏林。若再加上休耕地上重新长出来的林木、天然灌木林和退化的森林林地，则地球上森林总面积原来至少为52亿公顷，占总土地面积的40%。可是，人们为了发展农业或为其他目的砍伐森林，造成世界范围的森林面积骤减。根据联合国粮农组织和环境规划署的估计，全球每年约有1 110万公顷的森林被毁。在过去一万年流失的世界森林当中，有一半是在过去80年中毁坏的，而这80年中对世界森林的毁坏又有一半是发生在过去30年之中。在1997年，世界资源研究所的记录，全世界只有20%的森林仍然能保持着原始森林的原貌。根据2006年3月2日绿色和平发布的世界森林地图，用卫星图像对全球森林进行了评估，发现地球上只剩下10%的陆地面积是未受侵扰森林。148个森林带范围内的国家中，有82个国家完全失去了未受侵扰的原始森林。
（七）土地资源丧失
伴随着森林的砍伐，土地沙漠化和土壤侵蚀现象日趋严重。目前全球沙漠化面积已达40亿公顷，100多个国家受到影响。全球每年因沙漠化损失600多万公顷土地，其中包括草地320万公顷，靠雨水浇灌的农田250万公顷，人工浇灌的农田12．5万公顷。另外，据联合国粮农组织的估计，全世界有30%～80%的灌溉土地不同程度地受到盐碱化和水涝灾害的危害，由于侵蚀而流失的土壤每年高达240亿吨。而在自然力的作用下，形成1cm厚的土壤需要100～400年。因此，土壤侵蚀和土壤退化是一场无声无息的生态灾难。全球的草原约占陆地表面积的20%，一般分布在干旱和半干旱地区，各大洲均有分布。过度放牧和不适当的开垦，引起草场退化，发生土壤侵蚀、土壤盐渍化和沼泽化，并进一步荒漠化，严重损害了草原动物的生存环境。
（八）生物多样性锐减
具体内容见第七章。
三、保护我们的共同家园
（一）控制人口
人类社会的发展，特别是人口数量增多和科学技术的进步，使人对环境的影响和作用越来越大，而对环境的依赖性逐渐减少。人类改造环境的巨大成就，使人们错误地认为，人是大自然的主人，人可以主宰地球环境。
在一定生态环境条件下，一定区域资源所能养活的人口数量是有限的，地球上的陆地是有限的，地球上的生物生产量也是有限的，因此地球上居住和生存的人口数量也是有限的。地球是人类居住的场所，地球究竟能容纳多少人口，是全人类共同关心的问题，也是人们正研究的重大问题。从环境保护角度判断，当今世界人口与环境的主要矛盾是人口的高速增长，环境所受到的压力过大，人口与环境的关系已经相当紧张。所以除了努力发展生产之外，还要实行计划生育。控制人口增长对减弱资源的压力，对可持续发展全球经济和保护环境都具有重大意义。
（二）合理开发自然资源
合理开发利用自然资源，是环境保护的重要措施之一。自然资源可分为三大类：一是生态资源（恒定资源），如光、热、水、风力、潮汐等；二是生物资源（可再生资源或可更新资源），如动物、植物、微生物、土壤等；三是矿产资源（不可再生资源或不可更新资源），如天然气、煤炭、石油等。自然资源是人类生产和生活资料的基本来源，是社会文明发展的前提和基础。如果资源退化了，枯竭了，就要阻碍生产的发展。采矿工业如果实行盲目开采，就会带来矿产资源枯竭。人类的生存不能离开水、空气、阳光、土地等，这些资源一旦缺少，就会给人类的生存和发展带来威胁。
我国自然资源虽然总量较多，但人均占有量少。如矿产资源潜在价值居世界第三位，可是人均占有量低于很多国家。又如水资源，每人平均仅2 700m3，大大低于世界人均11 000m3的占有量。再如林地面积，人均只有1．7亩，而世界人均占有林地面积是15．5亩。
开发利用自然资源，势必影响和改变环境；同时，我国保护生态环境的能力较低，又影响了自然资源的开发利用。例如，人类对土地资源的开发利用，如果不符合当地的生态环境特点，生态平衡就会遭到破坏，出现严重的自然灾害。
对资源的合理开发利用，就是对环境的最好保护。对此，人们必须树立正确的观点，认识到自然资源的有限性。就某一种资源来说，在一定条件和一定时期内，并不是取之不尽、用之不竭的，所以珍惜各种自然资源是全人类的责任。
（三）坚持可持续发展理论，保护环境、建设环境
环境问题是伴随经济发展和社会进步而产生的，特别是与生产和消费活动，即人口增长、工业化、城市化和农业集约化，有十分密切的关系。环境问题是发展活动直接或间接的结果。像洪涝、干旱、滑坡、泥石流等自然灾害，主要是由自然力作用引起的，但乱砍滥伐森林和乱垦滥牧草原，造成植被破坏和退化等人为因素，也是这类自然灾害频发的重要原因。因此，环境问题实质上是国民经济和社会发展的问题，是环境与发展的对立统一和平衡问题。
环境与发展是当代世界面临的挑战，是国际社会普遍关注的问题。环境问题已经对人类的生存和发展构成严重威胁。保护环境，发展经济，实现可持续发展，已经成为世界人民的共识。发展经济既是人类持续生存和社会日益进步的前提，也是实现保护环境的物质保证。但经济发展不能脱离和超越环境的承载力，否则，就会发生环境问题，成为阻碍经济增长和社会进步的制约因素。因此，经济建设和环境保护必须协调发展，相辅相成，缺一不可。
环境问题具有广泛性、长期性、复杂性和综合性的特点。它在发展过程中产生，也必须在发展过程中解决。环境问题与人口、资源和发展密切相关，如果仅就环境问题论环境问题，无助于环境问题的彻底解决，甚至会治理了这种污染的环境问题，又出现另一种污染的环境问题，如燃煤电厂烟气脱硫，消除了大气二氧化硫，又出现了含硫固体废渣污染的难题。只有以防为主，统一规划，综合防治，强化管理，才能彻底解决环境问题。
污染防治是一项投资巨大、内容复杂、范围广泛的艰巨任务。生态破坏是一种不可逆转的过程。坚持可持续发展方式，是防治环境污染和生态破坏的基本对策。可持续发展是一种既满足当代人需要，又不对子孙后代构成危害的发展方式。只有对自然环境和自然资源适当地开发利用，才能保证自然景观不被破坏，自然资源不致枯竭，子孙后代的生存和发展才有选择和回旋的余地。
只有真正科学地解决“人与自然和谐共存”的问题，从长远利益去考虑，尊重自然、善待自然，利用自然的客观规律去科学地发展经济，同时能合理地开发、利用、保护环境资源，才能达到生态环境的保护与可持续发展的目的。
本章小结
生物与环境是互相影响、相互依存、不可分割的统一体。环境是指围绕着生物体或者群体的空间及其中一切事物的总和。生物群落是指在一定生活环境中的所有生物种群的总和。群落具有一定的结构、一定的种类构成和一定的种间相互关系。主要的陆地生物群落有热带雨林、温带落叶阔叶林、北方针叶林、草原、荒漠、苔原等。水生群落有淡水生物群落和海洋生物群落，各种类型的群落具有各自不同的特点。生态系统是指在一定的空间内生物成分和非生物成分通过物质循环和能量流动而互相作用、互相依存而构成的一个生态学功能单位。生态平衡包括生态系统结构上的稳定、功能上的稳定和能量输入输出上的稳定，它是一种动态平衡。生物圈是指地球有生物存在的部分，包括大气圈的下层、岩石圈的上层、整个土壤圈和水圈。生物圈是地球上最大的生态系统。
复习思考题
1．什么是环境？
2．什么是生态因子？
3．为什么说生物与环境是不可分割的统一体？
4．什么是种群？种群有哪些特征？
5．什么是出生率、死亡率和自然增长率？
6．种群有哪两种增长方式？其增长各有什么特点？
7．群落中物种之间有哪些主要的相互关系？各举一个实例说明。
8．地球上有哪些主要的陆地群落类型？其所处环境有什么特点？
9．什么是生态系统？生态系统包括哪些成分？
10．生态系统中的生产者、消费者和分解者各有什么功能？
11．什么是营养级和生态“金字塔”？
12．能量流动有什么特点？
13．人类活动对生物圈产生了什么影响？人类应如何保护自身的生存环境？
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