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地球环境与生命过程


周广胜1


(1. 中国科学院植物研究所植被数量生态学重点实验室,北京 100093;2.中国气象局沈阳大气环境研究所,辽宁 沈阳 110017)

摘 要:生物圈是地球系统中唯一具有生命活动的圈层,生物圈及其与各圈层之间的相互作用对地球环境变化起着巨大的推动作用。因此,有关生命过程与地球环境相互关系的知识对于人类理解地球系统以及利用地圈、水圈和大气圈资源至关重要。地球环境与生命过程研究的内涵就是研究地球环境与生命过程相互作用中的各种化学、物理、生物过程,以及其在地圈、水圈、大气圈、生物圈各子系统之间发生的相互作用,增进对地球系统的理解和认识,区分人类活动与自然过程在全球变化中的作用,评估气候与环境变化对生命过程的影响及其反馈作用,揭示生命过程对于地球环境的适应性及其调控机理,为科学地管理地球,确保地球系统的可持续发展提供依据。其核心目标就是通过理解生命过程与地球环境相互作用的过程,评估人类对自然平衡和自然循环造成的影响,进而实施地球管理,确保地球生命支持系统的可持续发展。基于当前地球系统科学研究前沿,提出了未来关于地球环境与生命过程研究需要重视的方面,尤其是关于生态系统对全球变化响应的阈值研究应引起高度重视。
关键词:地球系统科学;生命过程;地球环境

地球系统是一个由包括人类和人类活动在内的地球环境的各个部分及其相互作用构成的、处于不断变化之中的巨大的复杂系统。地球系统各部分在外界的自然驱动源和内在的人类活动作用下,通过物理、化学与生物过程的相互作用,加之以地质过程的作用,导致了以气候变暖为标志的全球变化的发生,已经并将继续影响人类赖以生存的环境,如全球范围的森林衰退、土地退化与荒漠化、生态系统退化、植被带迁移等。如何确保人类生存环境的可持续发展,减缓全球环境变化的不良影响,直接影响到人类的生活水平和生活质量,已经引起各国政府、科学家及公众的强烈关注,亦直接威胁到我国全面建设小康社会目标的实现。《联合国气候变化框架公约》(UNFCCC) 、《京都议定书》和《生物多样性保护公约》等国际公约的签订不仅反映了人类共同阻止全球变化、维护人类生存环境的决心,亦使环境问题与国家外交密切相关,直接关系到国家社会经济的可持续发展。2002 年我国政府在联合国举办的可持续发展世界首脑会议上,正式宣布了我国将批准《京都议定书》的决定,显示了中国参与国际环境合作,促进世界可持续发展的积极姿态。
解决人类面临的生存环境和发展问题的关键是实施可持续发展战略。要做到这一点首先应该了解人类生存的地球环境及其在自然和人类作用下的发展趋势。人类从诞生之日起就具有双重身分,既是地球生物圈的组成部分,受自然生态系统的约束,又能够为自身的生存创造条件,从而改变环境。在一定意义上,人类文明史也是人类力图使自身从地球环境的束缚中解脱出来而干扰、破坏地球环境的历史,并随着文明程度的提高对地球环境的干扰越强。因此,弄清地球环境与生命过程的相互关系是系统地认识人类的生存环境及其变化,确保人类社会可持续发展的关键。
1  地球环境与地球系统科学的产生
地球环境,亦称人类的生存环境,是由大气圈、水圈、冰冻圈、岩石圈和生物圈组成的地球系统,是一个各部分相互作用、受到人类活动影响的和处于变化之中的整体[1 ] 。地球系统各圈层的运动,由于制约因素不同,各有独立性,形成了各自的学科分支。尽管地球系统早就为人们所熟悉,但作为一个科学概念是在20 世纪80 年代初随着70 年代末期作为气候学研究的新里程碑“气候系统”概念的提出而被提出的。“气候系统”是由大气圈、水圈、岩石
圈、冰冻圈和生物圈组成的,这5个子系统的相互作用控制着气候变化。地球系统也包含上述5个圈层,不过气候系统对于岩石圈仅考虑了最上层部分,即土壤和山脉地形等,没有考虑深层的地壳和地幔等,也就是说在地球系统中还包含了地质过程。地球系统的概念是开展地球环境研究的新的指导思想,要求不仅注重地球环境各个部分及各个部分的运动规律本身,而且更加注重地球环境各部分之间的相互作用[2] 。
人类社会的发展,并且由于人类社会的发展改变和破坏着人类原有的生存环境,影响甚至威胁到人类社会的进一步发展和人类的生存。譬如,为满足快速增加的人口对粮食的需求,大片的森林被砍伐开垦成农田、大片的草原被开垦成农田;风蚀和水蚀、不合理的耕作、过度放牧等导致土地退化、土地荒漠化等问题日益严重,生物多样性日趋减少。特别是自工业革命以后,现代工业的迅速发展以及化石燃料利用使得地球大气中“温室气体”,特别是
CO2浓度以前所未有的速度增加,由此引起的全球气候变暖、生态系统退化、植被带迁移、生物多样性丧失、荒漠化扩展、海平面上升等,造成了20 世纪70 年代末期以来,人类社会面临的资源、环境和发展问题的严峻挑战。
环境恶化的全球性及其对世界经济发展的影响,使得人类迫切需要一个从全球观点出发的学科体系来开展地球科学研究,并纷纷呼吁要采取全球性的合作。同时,自然科学的各个分支,尤其地学、生态学的研究取得了快速发展,系统论、控制论、信息论、耗散结构、突变、混沌等学科理论和非线性科学理论开始向各个学科领域渗透,由地球科学、信息科学、系统科学和非线性科学等多种理论综合(integration) 和融合(fusion) 形成了地球系统的理论基础[3] ,加之以全球空间遥感和巨型计算机技术的高度发展,科学技术的进步,使人类有条件对地球进行全球性连续监测,有可能进行大跨度的学科交叉,综合研究地球系统[4 ] ;地球系统科学正是在这种背景下产生的。
地球系统科学脱胎于全球气候系统研究,主要着眼于全球,着眼于有全球意义的对象[5]。首先正式提出地球系统科学观点的是美国国家航空与航天局 ( NASA ) 地球系统科学委员会[6]。该委员会组织了大批优秀科学家于1988 年编写出版的《地球系统科学概观》( Earth System Science—A Closer View) ,强调从整体的高度出发,将大气圈、水圈、岩石圈、生物圈作为地球系统来看待,研究发生在该系统中主导全球变化的、相互作用的物理、化学和生物学过程,特别是人类活动诱发的全球变化,从而最终揭示全球变化的规律,提高人类认识并预测全球变化的能力。
地球系统科学用时空尺度的观点来研究全球变化,强调数千年至数百万年和数十年至数百年的全球变化。前者以揭示地球系统如何工作为目的,重建古环境;后者对人类活动极为重要,这也是进入20 世纪90 年代以来全球变化领域加强50~100 年时间尺度的区城性变化对地球系统变化累积影响的主要原因。地球系统科学以过程研究为重点,研究其间的相互作用,其基本思路是对全球变化进行描述、理解、模拟和预测,研究途径包括4个步骤:观测数据的采集、观测资料的分析和解释、概念和数值模式建立、模式验证并用于预测预报。地球系统科学的迅速发展,顺应了全球变化研究和未来21 世纪可持续发展的需求和趋势。
地球系统科学强调将地球的大气圈、水圈、岩石圈、生物圈作为一个互相联系的系统,研究作用于该系统内的物理、化学和生物的过程,着重探讨十年至几百年的变化及其与人类生活和活动的相互关系,提出制约、改变和适应这些变化措施的科学[5 ] 。它强调对地球系统整体行为的研究,在方法论上突破传统学科的界限,不仅强调地球系统中无生命世界各部分之间的相互作用,而且希望从有生命世界与无生命世界之间的联系上,揭示地球系统的变化规律,它十分强调人在环境变化中的作用,发展自然科学与社会科学之间的相互联系[4 ] 。
地球系统内部没有一个现象或过程完全孤立于系统内的其它因素,整个系统是一个相互关联的有机统一体。因此,单个人或部门不可能完成如此宽深的知识体系的研究,必须由不同领域研究者的通力合作,才能正确认识地球系统科学的多样性和复杂性。
2  地球环境与生命过程
生物圈是地球系统中唯一具有生命活动的圈层,生物圈及其与各圈层之间的相互作用对地球环境变化起着巨大的推动作用。地质学创立伊始,就与生物学结下了不解之缘,地质年代便是以生命演化为序的,所有涉及到固体地球表面、水圈和大气圈的过程,都是在生物圈参与下进行的。因此,有关生命过程与地球环境相互关系的知识对于人类理解地球系统以及利用地圈、水圈和大气圈资源至关重要[7] 。
近10 年来, “全球变化”和“大洋钻探”研究中最大进展之一在于地圈与生物圈相互关系认识的突破,从而将地学与生命科学的交叉提到一个空前的高度。原来所说的许多地学过程,其实是生物活动的结果;原来探索的生命演化,其实是地球环境变化的产物;原来分头研究无从理解的现象,地学与生命科学的结合提供了全新的答案。
生物圈是对地球上所有动物、植物和微生物等生物有机体及其能够活动的空间区域的总称。生物圈占据了包括大气圈对流层的下部、几乎整个水圈以及岩石圈表层的薄层范围。绝大部分生物集中在地表面以上100 m 至水下200 m 之间,是生物圈的核心部分。大约在2 个世纪前,奥地利科学家 Suess 于1875 年首次将生物圈这一概念引入自然科学,但在当时并没有引起人们的重视。直到20 世纪20 年代,前苏联科学家 Vernadsky 有关生物圈的2 篇论文发表后才得到公认。
生物圈是最大的生态系统,亦可以看作是全球生态系统,是指在一定的时间和空间范围内,由生物群落及其环境组成的一个整体,该整体具有一定的大小和结构,各成员借助能量流动、物质循环和信息传递而相互联系、相互影响、相互依存,并形成具有自组织和自调节功能的复合体[8] 。生态系统( ecosystem) 一词是英国植物学家 Tansley ( 1871—1955) 于1935 年首先提出的。经过半个多世纪,生态系统的概念和理论得到了发展与完善。当前,生态系统的定义有4 点基本含义:第一,生态系统是客观存在的实体,有时间和空间的概念;第二,由生物成分和非生物成分所组成;第三,以生物为主体;第四,各成员间有机地联系在一起,具有统一的整体功能。生态系统的范围可大可小,取决于研究的目的和对象。
生态系统,不论是陆地还是水域,都是由生物和非生物两大部分或非生物环境、生产者、消费者和分解者4 种基本成分组成。非生物环境包括光、热、气、水、土和营养成分等,是生物生活的场所和物质以及生物能量的源泉,可统称为生命支持系统。生产者指绿色植物等自养生物,包括树木、草和水域中的藻类等,可进行光合作用制造有机物质。消费者是指各种动物,它们不能直接利用太阳能来生产食物,只能直接或间接地以绿色植物为食,并从中获得能量。分解者主要是细菌和真菌等微生物,其主要功能是把动植物的有机残体分解成简单的无机物。这些简单的无机物在回归环境后可被生产者重新利用,因此分解者亦称还原者。3 种生物成分与非生物的环境联系在一起,共同组成一个生态学的功能单位——生态系统。作为组成生态系统的生物部分和非生物部分缺一不可。没有环境,生物就没有了生存的空间,得不到物质和能量,难以生存下去;但仅有环境,没有生物也谈不上生态系统。
植被是生物圈中最重要的部分,由覆盖在陆地表面的植物构成。通过植被的生长过程,土壤(包括较深层次的土壤) 、植被与大气通过物质和能量的交换密切地联系在一起。尤其重要的是,植物通过光合作用将太阳能转化成化学能,并吸收大气中的二氧化碳,固定在植物体内,为生物圈中的一切生命形式提供能量,并为人类提供植物产品,如食物、纤维、燃料、建筑材料等。
海洋浮游生物,特别是海洋浮游植物构成了生物圈中的另一个重要部分。海水中溶解着大量的CO2 气体,通过海洋浮游植物的光合作用,一部分CO2 被固定在浮游植物体内。浮游生物是其它海洋生物的主要食物来源。海洋浮游生物和其它海洋生物的死亡形成含碳物质的沉积,如碳酸钙。热带海洋中的珊瑚就是这样形成的。
地球系统是一个由包括人类和人类活动在内的地球环境的各个部分及其相互作用构成的、处于不断变化之中的巨大的复杂系统。对于地球系统的变化,太阳是外界的主要驱动力,人类活动则是内在的驱动源。
人类是地球生物圈的组成部分,受自然生态系统的约束,又能够为自身的生存创造条件,从而改变环境,是地球系统变化的内在驱动力。人类活动对地球环境的显著影响主要表现在3个方面:
(1) 化石燃料的燃烧、森林的破坏及其它工业活动使得地球大气中温室气体含量剧增,导致全球范围的气候变化,影响着全球植被类型和海洋生物物种分布的显著变化,而这些变化又将反过来影响全球气候。
(2) 天然植被大面积、高速度的毁灭导致了生态系统不可逆的、大规模的破坏和土地的退化、荒漠化。这不仅直接破坏了人类的生存环境,而且大大降低了人类生存环境系统的内在自我调节能力,使得人类生存环境变得更为脆弱,自然灾害明显增加。
(3) 人类活动导致的生物多样性严重破坏以及由于环境恶化引起的微生物生态系统的畸变,使得人类生存环境系统复杂性降低,由此造成的生物学效应及与此相关联的环境效应目前还无法预计。
地球环境与生命过程研究的内涵就是研究地球环境与生命过程相互作用中的各种化学、物理、生物过程,及其在地圈、水圈、大气圈、生物圈各子系统之间发生的相互作用,增进对地球系统的理解和认识,区分人类活动与自然过程在全球变化中的作用,评估气候与环境变化对生命过程的影响及其反馈作用,揭示生命过程对于地球环境的适应性及其调控机理,为科学地管理地球,确保地球系统的可持续发展提供依据。其核心目标就是通过理解生命过程与地球环境相互作用的过程,评估人类对自然平衡和自然循环造成的影响,进而实施地球管理,确保地球生命支持系统的可持续发展。
全球变化研究强调理论模式和数值模拟研究,建立全球变化模式,把气候、生态、化学以及人类活动过程耦合起来,以描写地球系统复杂的相互作用,发展具有预测能力的数值模式,预测未来数十年至数百年时间尺度上的全球环境变化,以减缓或适应全球变化的影响。全球变化研究具有明确的应用目标,它的研究成果将能直接用于自然资源的合理开发利用,水、土、气污染的控制,全球性环境问题重大决策的制定,为人类社会可持续发展提供依据,因此全球变化研究具有全局性战略意义[4 ] ,对地球系统中惟一具有生命活动的生物圈及其与各圈层之间的相互作用的研究将对地球系统科学的发展起到巨大的推动作用。
3  全球变化与生命过程研究展望
地球系统各圈层的运动,虽然由于制约运动的因素不同,有各自独立的一面,形成了学科分支,然而,地球作为一个整体,其各圈层的运动存在必然的内在联系,许多运动状态是在圈层之间相互作用下进行的。因此,以整体、系统的观念认识地球是地球科学发展的主要特征。把大气圈、水圈、生物圈、岩石圈、地慢和地核作为一个地球系统,综合考虑固体地球、流体与生物圈层的关系以及人文因素的影响,研究其相互作用下的运动形式和物质、能量交换,发展并完善地球系统科学是21 世纪初地球科学的主要方向[9 ] 。美国国家研究理事会[10 ]在总结20 世纪后30 年地球科学的进展时,也强调“我们对地球单一层圈的了解比较深入,但对不同层圈的相互作用了解较少”。2001 年8 月英、美地质学会在英国爱丁堡联合召开的“地球系统的过程( Earth system process) ”国际大会,将地球系统科学推向了新的发展阶段。会议确定的两大主题代表了地球系统科学的两大前沿: 一是“地球系统的联系( Earth system linkage) ”,探讨岩石圈、水圈、气圈、冰圈和生物圈之间是如何相互作用和相互联系的;二是“地球系统的演化( Earth system evolution) ”,探讨自45 亿年前地球形成以来,控制地球特征的过程是如何变化的。一些科学家认为,19 世纪地球科学的突破在于进化论,20 世纪地球科学的突破在于板块构造,2l 世纪地球科学的突破在于地球系统变化的理论。
我国作为地球系统的一个重要组成部分,其独特的地理位置和生存环境格局,以及我国悠久的历史、众多的人口和社会经济活动将对整个地球环境产生重要作用。同时,我国环境变化亦离不开全球环境的大背景。因此,我国生命过程与地球环境研究的指导原则应集中力量针对我国生存环境问题,特别是那些具有中国特点又有全球意义的生存环境问题,首先从具有一定研究基础又有可能较快地取得进一步突破的重要课题入手,从中拓展出较为全面的生存环境研究规划,在较高层次上为国家的资源开发、环境保护和土地利用等方面的宏观决策提供较全面的科学依据。
为在全球变化研究领域取得与我国国际地位相适应的成绩,考虑到我国的经济实力与已有的基础,未来我国应重视以下方面的研究:
(1) 陆地—人类—环境系统的脆弱性与恢复力。以我国东部季风系统、干旱区以及青藏高原为关键区域,围绕生命过程的适应性与环境影响这一核心科学问题开展研究,重点阐述陆地—人类—环境系统的变率和主导控制因子如何? 人类—环境系统将如何影响陆地系统的承载力? 陆地系统承载力的阈值如何? 在此基础上,揭示陆地—人类—环境系统的脆弱性与恢复力。
(2) 全球变化区域响应与适应。阐明气候变化、大气成分变化和土地利用变化对生态系统的影响,并预测这些影响及其对物理气候系统的反馈作用。从不同层次揭示不同类型生态系统对全球变化的适应过程,特别强调生态系统对气候变化及其变率的敏感性、适应性与脆弱性,阐明生态系统对全球变化响应的生物、物理与化学过程及其之间的相互作用,探讨全球变化对生态系统生产力及其稳定性的影响机制与调控对策,为制定适应与减缓全球变化不良影响的生态系统可持续发展模式提供科学依据。
(3) 生命过程中的生源要素与水分循环。围绕当前全球变化的核心科学问题:碳循环与水循环,研究各生源要素如何响应环境变化? 各生源要素之间及其与水循环之间如何相互作用? 生命过程对于生源要素的调控机理如何? 特别强调全球碳循环的微生物方面,阐明全球变化(CO2 、气候、土地利用) 与微生物种类组成和功能的相互作用机理及其对生态系统的功能与结构的影响,揭示地球环境变化的原因与规律。
(4) 生物界面动力学与模拟系统。研究地球环境与生命过程相互作用的核心在于科学地实施地球管理,为此必须实现对地球环境变化中的生命过程模拟,以为管理提供科学指导。其核心科学问题包括:如何定量理解以生命过程为核心的地球系统各组成部分之间的物质(水汽、碳等) 和能量交换的陆地—海洋交换过程、海洋—大气交换过程与陆地—大气交换过程? 以生命过程为核心的地球系统三大基本过程:物理过程、化学过程和生物过程之间的相
互作用? 陆地—海洋通量、海洋—大气通量和陆地—大气通量的时空变化及其对地球环境变化的敏感性如何? 人与环境及其相互作用对生命过程的影响程度和方式如何? 不同时空尺度过程的耦合技术与方法如何?
(5) 环境变化与人类健康。人类健康是人类社会可持续发展的前提。人类活动引起了地球环境的变化,而环境的变化又将对人类健康产生直接和间接的影响。因此,围绕着地球环境变化中的人这一核心问题,重点阐述什么类型的环境变化影响人类安全(食物安全、疾病传播、生存环境) ? 而人类对地球环境的适应性与脆弱性又如何?
(6) 生态系统管理对地球环境的影响与调控。实施地球管理是地球系统科学的目标,其核心在于通过对地球进行的各种比较中理解和认识地球系统,以保护环境友好地利用自然资源,评估气候与环境的发展趋势以及人类活动对其的影响,预防自然灾害和减少灾害后果。要实现生命过程对地球环境的调控,其核心科学问题包括: 不同生态系统管理(包括产业转型、城市化、植被恢复与环境重建等) 对地球环境的影响过程与机理如何? 生态系统管理的时空尺度变化如何影响地球环境? 影响植被恢复与环境重建的关键过程与关键要素(阈值、瓶颈、开关)是什么? 优化生态系统管理模式的评估标准是什么?

参考文献:
[1] 温刚,严中伟,叶笃正著. 全球环境变化——我国未来(20-50年)生存环境变化趋势的预测及研究. 长沙: 湖南科学技术出版社. 1997
[2] 周广胜,王玉辉.全球生态学. 北京: 气象出版社. 2003
[3] 陈述彭,何建邦,承继成. 地理信息系统的基础研究——地球信息科学[J].地球信息科学,1997,3:11-20.
[4] 林海.中国全球变化研究的战略思考. 地学前缘,1997,4(1):9-15.
[5] 黄秉维.论地球系统科学与可持续发展战略科学基础(I). 地理学报,1996 ,51(4):350-354.
[6] Earth System Sciences Committee NASA Advisory Council. Earth System Science A Closer View. Washington DC: National Aeronautics and Space Administration, 1988.
[7] 汪品先. 走向地球系统科学的必由之路[J]. 地球科学进展, 2003,18(5):795-796.
[8] 蔡晓明,尚玉昌编著. 普通生态学. 北京: 北京大学出版社. 1995
[9] 柴育成.浅谈学科交叉与地球系统科学. 地学前缘,2002,9(3). 2-4.
[10] National Research Council (USA). Earth Science Overview. 1998.

 



摘自:《地球系统科学发展战略研究》