生物圈

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生物圈(biosphere),是指地球上出现并受到生命活动影响的地区,是地表有机体包括微生物及其自下而上环境的总称,是行星地球特有的圈层,也是人类诞生和生存的空间。地球经过了漫长的演化过程,孕育了生命和适宜生命生存的环境,包括岩石圈、水圈和大气圈,并形成了种类丰富的生态系统,地球是其中最大的一个生态系统。在地球的生态系统中,存在着群落和种群等层级关系。 1875年,生物圈(biosphere)这个...

生物圈(biosphere),是指地球上出现并受到生命活动影响的地区,是地表有机体包括微生物及其自下而上环境的总称,是行星地球特有的圈层,也是人类诞生和生存的空间。地球经过了漫长的演化过程,孕育了生命和适宜生命生存的环境,包括岩石圈、水圈和大气圈,并形成了种类丰富的生态系统,地球是其中最大的一个生态系统。在地球的生态系统中,存在着群落和种群等层级关系。

词源与内涵

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词源

1875年,生物圈(biosphere)这个词最早由奥地利地质学家修斯(Eduard Suess),在介绍阿尔卑斯的地质结构研究成果时提出。

1926年,俄国矿物地球化学家维尔纳德斯基(Vladimir I. Vernadsky)提出了生物圈的概念,认为生物圈是由生命所占据底壳的一个特殊地带。

定义

生物圈集合了天文学、地球生物学、气象学、生物地理学、地质学、地球化学、地球系统科学等多种科学。对生物圈的理解与划分,存在两种概念:(1)生物圈是地球上所有活的有机体以及这些有机体相互作用的自然环境,包括生物与岩石圈、水圈和大气圈。(2)生物圈是地球表面由生物居住空间范围内的各类有机体的总称。

生物圈

维尔纳德斯基1926年在《生物圈》中描述的生物圈概念是广义的,既包含全部生命,也包含生命活动场所和生命活动产物,因此大气、水、岩石乃至整个地球表层部分都包含在内。德国地质生物学家克鲁宾(Krumbein)在20世纪80年代发展了维尔纳德斯基的这一定义,提出了“生物地球化学”概念。他认为,地球表层大多数元素的地球化学循环实质上是由生物参与的生物地球化学循环,并称地球为生物行星(bioplanet),认为地球是一个组织化的活体、一个活系统。

20世纪70年代初,英国地球物理学家拉维洛克(J. E. Lovelock)和美国生物学家马古丽斯(L.Margulis)提出了一个新学说——“盖娅假说”。“盖娅”是一个由地球生物圈、大气圈、海洋、土壤等各部分组成的反馈系统或控制系统,这个系统通过自身调节和控制而寻求并达到一个适合于大多数生物生存的最佳物理-化学环境条件。这个系统的关键是生物。地球表层的复杂性和多样性主要是由于生命和通过生命活动表现出来的,而地球表层系统的复杂性和多样性决定了它的可自我调节、自我控制的功能。假如地球上生物消失,那么盖娅也就消失,地球环境就要大变样,最终会变成类似其他无生命行星表面那样的不稳定状态。

组成部分

生物圈主要由生命物质、生物生成性物质和生物惰性物质三部分组成。生命物质又称活质,是生物有机体的总和;生物生成性物质是由生命物质所组成的有机矿物质相互作用的生成物,如煤、石油、泥炭和土壤腐殖质等;生物惰性物质是指大气底层的气体、沉积岩、粘土矿物和水。

范围

生物圈是环绕地球的由活有机体组成的一个连续层,是地球上生物生存和活动的范围,包括海平面上10km至海洋底部这一垂直范围,总厚度约为33km。

生物圈

现代生物圈(Tasche,1980)

地球表层由大气圈、水圈和岩石圈三部分组成。生物在生物圈中的分布可划为水生、陆生、气生和寄生四大类。其中,大气圈是包围地球表面并随地球旋转的空气层,大气的平均压力为一个大气压,大气的质量为5.1×10kg;水圈是地球表面水体的总称,包括海洋、河流、湖泊、沼泽、冰川和地下水;岩石圈是地球表层由各种体积巨大的岩石所构成的空间,包括地壳和上地幔的底部。

生物圈的总质量约114800×10t。在大气圈10km高空、地壳3km深处和深海底部都发现有生物存在,大量生物集中在地表层和水圈上层,包围着地球形成一个完整的封闭圈。

地球演化

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地质年代

太古代

太古代是地球的幼年时期,从大约45亿年前地球出现时开始,一直到距今25亿年前结束。太古代时期,地球上是一片广阔的海洋,大陆还没有形成,只有一些原始的陆地,被称为陆核。海洋里分散着一些火山岛,并且处于活跃状态。

在太古代时期,地球开始形成最初的永久地壳,地球的岩石圈、水圈、大气圈和生命也都在这一时期形成。太古代早期的海水中逐渐形成了一种类似蛋白质的有机质,并慢慢成为最原始的生命体。大约在距今约34亿年前,原始海洋里出现了能够进行光合作用的蓝藻。太古代是形成铁矿的重要时代,太古代铁矿石占世界总储量的60%。

元古代

元古代是地球在地质发展史中经历的第二个时期,从大约距今25亿年前开始,到5.7亿年前结束。

元古代的早期,火山活动相当频繁,生物界也处于缓慢的低水平进化阶段,生物主要是叠层石以及其中分离得到的生物成因有机碳和球状、丝状蓝藻化石。由于这些光合生物的发展,大气圈已有更多的氧气。太阳紫外线开始使氧气分解并生成臭氧,大量的臭氧形成了臭氧层。在臭氧层的保护下,地球上开始出现有细胞核的生物。

太古代时期形成的陆核,在元古代时期更进一步扩大,形成了规模较大的原地台,后又经过几次地壳运动,原地台发展为古地台,地壳也由单层结构发展成为了具有结晶基底和沉积盖层的双层结构。

古生代

古生代是紧接在元古代之后的第三个地质年代,大约距今5.7亿年至2.3亿年。这一时期形成的地层被称为古生界。古生代分为早古生代和晚古生代。早古生代包括寒武纪、奥陶纪和志留纪;晚古生代包括泥盆纪、石炭纪和二叠纪。

原始生命进化到古生代的时候已经发展到了一个新的阶段。古生代的生物以海生无脊椎动物中的三叶虫、软体动物和棘皮动物最为繁盛。在奥陶纪、志留纪、泥盆纪、石炭纪,相继出现了低等鱼类、古两栖类和古爬行类动物。鱼类在泥盆纪达到了全盛时期。石炭纪和二叠纪昆虫和两栖类生物比较繁盛。古植物在古生代早期以海生藻类为主。至志留纪末期,原始植物开始登上陆地。泥盆纪以裸蕨植物为主。石炭纪和二叠纪时,蕨类植物繁盛,形成了茂密的森林,是重要的成煤时期。

古生代时的地壳运动比较强烈。发生在早古生代的地壳运动,使早古生代及以前的地层发生了褶皱、断裂、变质并形成山系,被称为加里东运动;发生在晚古生代的地壳运动又使地层进一步发生了褶皱、断裂、变质,并上升或隆起成为山系,这被称为海西运动。古生代时,东亚地区大部分的陆地都为海水所淹没,并形成了分布广泛的海相地层。

中生代

中生代是地球经历的第四个地质年代,也是地球的青壮年时期,从距今约2.3亿年前开始,到6700万年前结束。这一时期形成的地层被称为中生界。中生代分三叠纪、侏罗纪和白垩纪三个纪。

进入中生代时,海百合类、腕足类、床板珊瑚类急速衰退,繁盛于古生代的三叶虫类、海林檎类、纺锤虫类、四射珊瑚类已经不复存在。中生代极盛的巨大的爬行类动物开始统治地球,因此中生代又被称为“爬行动物时代”。在侏罗纪末期出现了真正的鸟类和哺乳动物;植物界中,开花结果的被子植物出现,并逐渐取代裸子植物。

由于地壳运动的进一步加剧,全球大陆的构造和地理格局都发生了改变。三叠纪中期,联合在一起的大陆面积达到鼎盛时期。到了三叠纪末期,联合在一起的大陆就开始出现开裂的迹象。侏罗纪、白垩纪时期,联合在一起的大陆完全分裂解体,大西洋、印度洋等海洋开始出现。从晚侏罗纪开始,海洋板块与周围大陆板块的碰撞俯冲、挤压作用导致亚洲东部和美洲西部陆缘区发生了环太平洋构造运动,形成了规模宏大的环太平洋造山带。北部的大陆开始分为北美和欧亚大陆,南部大陆开始分为南美洲、非洲、澳洲和南极大陆,而大洋洲还没有和南极洲完全分裂。

中生代的末期,也就是白垩纪的晚期,地球上发生了规模巨大的生物灭绝事件,当时全球近一半的生物都灭绝了,其中包括所有的恐龙。

新生代

新生代是地球的近代史,从大约6700万年前开始,是哺乳动物统治大地的时代。新生代形成的地层被称新生界。

中生代的恐龙和许多海生无脊椎动物绝灭后,哺乳动物得到了空前发展,植物界的被子植物达到繁盛阶段,因此新生代又被称为“哺乳动物时代”或“被子植物时代”。哺乳动物中除了少数的种类在中生代就已经出现外,大部分种类都是在老第三纪出现的。生活于新第三纪的各种哺乳动物,很多都是现代尚未灭绝的种类。人类在新生代的第四纪出现。

新生代第三纪的气候比此前的白垩纪要冷,南极大陆在始新世和渐新世开始出现小型冰盖,在其后的几百万年间,地球曾有多次冰期,从而使地球上的许多大陆都出现了冰川。新生代时期的地壳运动使大地构造轮廓和古地貌逐步接近现代状况。喜马拉雅山、青藏高原、阿尔卑斯山、落基山都是在这一时期形成的。

生命起源和进化

关于生命起源,人们根据已有的一些地质资料提出了种种假说。一种是神创论,认为人是被上帝或女娲等创造的。另一种理论为外星生命说,认为地球生命起源于宇宙星空,是从别的星球带到地球上来的。还有一种海洋孕育说,认为地球上的海洋是生命起源的摇篮。

大多数人倾向于海洋孕育说的解释。在太古代的晚期,距今约34亿年前,原始的海洋中最早出现了一些无核细胞生物。随着地球环境的改变,这些无核细胞生物逐渐进化成为了有核细胞生物。这些有核细胞生物同时在改造着地球环境,它们通过光合作用放出大量的氧气,同时在进行着自身的分裂。南非发现的约30亿年前的原始细菌化石,已经具有了简单分裂作用。

单细胞动物又逐渐演变成了多细胞生物,细胞动物又进一步演化出了海洋植物和动物。公元前5~7亿年前,元古代结束,古生代开始之时,海洋中生物大量繁殖,此后,生命进化呈现加速趋势,海洋中相继出现了大量无脊椎动物和脊椎动物。随后,鱼类、两栖类、爬行动物依次出现,动植物登陆。到了2亿年前的中生代,爬行动物兴盛起来,恐龙灭绝后,大约距今6500万年前,新生代开始。被子植物繁茂,鸟类和哺乳类成为陆地上最具优势的动物类群。新生代第四纪后,人和猿开始分化,人逐渐从猿人、智人,进化到现代人类。

地层和化石

地壳是由一层一层的岩石沉积而成的,具有层理性。构成地壳的成层的岩石,叫做地层。一般来说,先沉积的地层在下面,后沉积的地层在上面,所以下层地层的年代比上层的古老。由于地壳总是处于不断地运动当中,地层也会因为褶皱、断裂等活动而随之上升、下降、扭曲等,从而使地层顺序发生某些变化。

地层在漫长的地质年代一层层沉积的过程当中,会将古代生物的遗体、遗物、生活遗迹或者印模等一起埋藏在地下,形成坚硬的石头,也就是化石。不同生物化石的出现和地层的形成,有着平行的关系。化石又分为标准化石和一般化石,标准化石指那些演化迅速、时限短、分布广、数量多、特征明显、保存完好及容易找到的化石,如三叶虫中的菜得利基虫,是下寒武纪的标准化石。另一类化石,像是腕足动物中的海豆芽,从寒武纪至现代均有生长,这些演化迟缓,生存期限长的化石为一般化石。

生物圈

化石

大气

大气成分是组成大气的各种气体和微粒,主要由定常成分(氮、氧、氩以及微量惰性气体)和可变成分(水汽、二氧化碳、臭氧以及碳、硫、氮化合物)组成。

大气层

大气的密度、温度、压力等都会随着高度的变化而变化,根据这个现象可把大气圈分成若干层次。按大气温度垂直变化的特点可分为对流层、平流层、中间层、热层和散逸层。

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大气层

  • 对流层是大气圈最下面的一层,它的厚度随纬度的变化而又有不同。赤道附近厚,两极地区薄。而且厚度还随季节变化,一般夏季对流层的范围较大,冬季范围较小。对流层很薄,质量却占大气圈总质量的近四分之三,并且集中了大气圈的几乎全部水汽和尘埃。对流层的温度会随高度的增加而降低,并且具有强烈的对流运动,这些运动引发了风、雪、雨、云等天气现象。
  • 平流层在对流层的上面,特点是气流以水平方向运动为主。在平流层的上部存在臭氧层,臭氧层能吸收来自太阳的99%以上的紫外线。是中间层。
  • 中间层是自平流层顶至85千米左右高空的大气层,有下热上冷的现象,会出现空气的垂直运动。
  • 热层又称电离层,为中间层顶到800千米的高空。该层的空气非常稀薄,并且由于紫外线及宇宙射线的作用,大气中的氧、氦分子被分解为了原子,处于电离状态。热层会出现随高度增加而气温升高的现象。
  • 散逸层位于800千米以上至2000~3000千米的高空,是大气圈与星际空间的过渡地带,其温度也随高度的增加而升高。因离地面太远,地球引力作用弱,空气粒子运动速度很快,所以气体质点不断向外扩散。

大气的热能

太阳辐射能主要是波长在0.4~0.76微米的可见光,约是总辐射能的50%;其次是波长大于0.76微米的红外辐射,约占43%;波长小于0.4微米的紫外辐射约占7%。单位时间内垂直投射在单位面积上的太阳辐射能被称为太阳辐射强度。

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太阳辐射

太阳辐射在宇宙空间的传播没有能量损失,但因其向外辐散,地球所拦截的太阳辐射能仅是太阳辐射能总量的22亿分之一。到达地面的太阳辐射,因经过大气的吸收、散射、反射等作用,各种波长的辐射受到不同程度的削弱,并在到达地面后分成两部分。一部分是直接辐射,另一部分是散射辐射,两者之和是到达地面的太阳辐射的总量,称为总辐射。

总辐射有明显的日变化和年变化。一般来说,纬度越低,总辐射越小。总辐射最大值出现在20°N附近。到达地面的总辐射,一部分被地面吸收,转化为热能,另一部分被反射。

生态系统

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生物群落与其所生活的环境之间,通过物质循环和能量流动所构成的互相依赖的自然综合体,称为生态系统。生态系统涉及的范围可大可小,小到一个池塘,大至整个地球。

类型

地球上的生态系统根据不同角度可以分成不同类型:

  • 根据生态系统的生物成分,可分为植物生态系统,如森林、草原等生态系统;动物生态系统,如鱼塘、畜牧等生态系统;微生物生态系统,如落叶层、活性污泥等生态系统;人类生态系统,如城市、乡村等生态系统。
  • 根据环境中的水体状况,可分为陆生生态系统和水生生态系统。陆生生态系统可进一步划分为荒漠生态系统、草原生态系统、稀树干草原生态系统和森林生态系统等。水生生态系统可进一步划分为淡水生态系统和海洋生态系统。淡水生态系统还可划分为江、河等流水生态系统和湖泊、水库等净水生态系统;海洋生态系统则包括滨海生态系统和大洋生态系统等。
  • 根据人为干预的程度划分,可将生态系统分为自然生态系统、半自然生态系统和人工生态系统。自然生态系统指没有受到人为干扰的生态系统,如原始森林、未经放牧的草原、自然湖泊等;半自然生态系统指虽然受到人为干预,但其环境仍保持一定自然状态,如人工抚育过的森林、经过放牧的草原、养殖的湖泊等;人工生态系统指完全按照人类意愿,有目的、有计划地建立起来的生态系统,如城市、农业生态系统等。

结构

生态系统一般包括4个基本组成部分:非生物的物质、生产者、消费者、分解者。

(1)非生物的物质,包括氧气、二氧化碳、水、盐和有机物质,以及能量。其中,无机物质包括氧、氮、二氧化碳、水和各种无机盐等;有机物质包括蛋白质、糖类、脂类和腐殖质等;能量包括来自太阳的直接辐射和散射辐射,也包括来自各种物体的热辐射和其他能源。

(2)生产者,即自养生物,主要是绿色植物、蓝绿藻和少数能进行化能合成作用的细菌。这些生物可以通过光合作用把水和二氧化碳等无机物合成为碳水化合物,再进一步合成蛋白质和脂肪等有机化合物,并把太阳辐射能转化为化学能,贮存在合成的有机物的分子键中。生产者制造的有机物质是消费者和分解者唯一的能量来源。

(3)消费者,即异养生物,主要指动物。消费者在生态系统中的作用,一是传递物质与能量,如野兔把青草中的有机物和能量传递给肉食动物;二是物质的再生产,如牛、羊可以把植物性蛋白质转变为动物性蛋白质。

(4)分解者,即可将动植物实体的复杂有机物分解为简单无机物。分解者也属于异养生物,它们在生态系统中把动植物的残体、粪便和各种复杂的有机化合物,分解成简单的化合物,最终分解成最简单的无机物并把它们释放到环境中去,供生产者重新吸收和利用。

其中,生产者、消费者和分解者又被称为生态系统的三大功能群。

食物链与食物网

生态系统中不同物种之间,通过食物而直接地或间接地把生态系统中各种生物联结成一个整体,这种食物联系称为食物链。食物链每个环节上的所有物种构成同一个营养级。例如,绿色植物为第一营养级,植食动物为第二营养级,捕食植食动物的肉食动物为第三营养级。

这种流转所联系的食物链事实上非常复杂,每一种生物都可能成为其他几种生物的食物,导致自然界中的食物链彼此交错联结,形成复杂的营养网络,称为食物网。复杂的食物网具有较强的抗干扰能力,是生态系统保持稳定的重要条件。

生物圈

一个简化的食物网

能量流转

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能量以光的形式到达地球表面,光可能多次被吸收和再循环,最后转变成热。当碳流经食物链时,获得的能量只有大约10%被贮存在生物体的组织里,其余的90%能量以热的形式散发到环境中。

生态系统中的能量流转

生物圈

生态系统中的物质循环

在生态系统中,食物链的营养级通常有4~5个,这是由生态系统能流的特性决定的。在生态系统能量流动过程中,从一个低营养级流向高一营养级,能量大约损失90%,能量转化的效率只有10%左右。食物链越长,消耗于营养级上的能量越多。因此,食物链的营养级很少有超过6个的。

生物圈

一个生态系统中的能流

地球上生态系统所需的能量均来自太阳能,由初级生产者(绿色植物)通过光合作用,把太阳能固定下来转化为化学能,所制造出的物质称为初级生产力。自然界内不同生态系统的初级生产力有很大差别,陆地生态系统的净初级生产力以森林为最高,荒漠最低,农田居间。

能量的递减使各营养级呈金字塔状,称为生态锥体。生态锥体就其所涉及的不同内容,分为数目锥体、能量锥体和生物量锥体。如果一个生态系统的积存和消耗相当,则该生态系统处于稳定态。如果光合作用的收入大于各营养水平的支出,则多余的能量必以生物量的形式储存于生态系统内,例如树木生长、生物数量增多、腐殖质即落叶层加厚等。

化学循环

自养型和异养型生物

在进化过程中,生物在获取原料和能量方面,产生了多种不同的方式。一些生物只需要二氧化碳、水、氨和某些矿物元素就能生存,依靠这些物质和阳光的能量制造细胞,也有某些细菌可以通过氧化某些化合物获取能量。这样的营养类型被称为自养型。

在地球的历史进程中,还演化出了以吞食别的生物为营养的生物,它们丧失了利用简单化合物的能力,而是需要混合的复杂有机化合物,这种营养类型被叫作异养型。这时能量来自于氧化由吞食其他生物获得的有机物质,生长所需原材料或结构单位也取自同一来源。

并非所有的异养型生物的结构都很复杂。人和动物是异养型生物,许多简单的细菌也是异养型生物,例如那些寄生或腐生在动物或植物身上才能生存的菌。如果将各种营养类型拼凑起来,就可以发现,生命的主要元素是反复循环的,一般通过食物链或食物网来进行。

在食物链底层的是自养型生物,有一些是光能自养生物,如利用光能的绿色植物和光合作用细菌,还有一些是化学能自养生物,它们通过氧化从环境中得来的简单化合物中获取能量,例如把亚硫酸盐氧化成硫酸盐。当生物死亡后,其组织开始受到微生物作用而分解为简单化合物,又可为其他生物所利用。

碳循环

生物圈

碳循环

碳地球上的重要元素,也是构成生命的重要元素。全球碳循环是重要的生物地球化学循环之一。碳循环是以“二氧化碳—有机碳—碳酸盐”为核心的运动。二氧化碳中的碳通过光合作用,被掺和到有机化合物中。当食草动物吃绿色植物时,碳元素就转移到了食草动物体内,当食肉动物吃食草动物时,碳元素又转移到了食肉动物体内,如此等等。在这些转移过程中,一个单一的碳原子通过代谢,可以经历多种不同的有机化合物形式。最后,这些有机化合物通过呼吸被氧化成二氧化碳,并释放除用以维持和延续的生命能量。

还有一些碳,会经过沉积固定后,成为煤或石油。当动物尚未分解就被埋葬时,就形成了碳的这种形式的贮存。大约三百万年后,就会以煤和石油的形式存在,燃烧后释放出二氧化碳,再次参与到碳循环中。

氧循环

氧在生物与非生物环境之间持续运转的过程,称为氧循环。氧来源于二氧化碳、水和一些矿质氧化物,大气圈、水圈和岩石圈,是氧的三大贮库,其中数量最多的是以水的形式存在于海洋中。

大气中的氧气通过光合作用不断更新。据推测,地球大气中本来不含氧气,大约在二十亿年前,光合作用生物开始发生光合作用,游离氧才出现在大气中。地球大气的上层有一层大约十公厘厚的臭氧。臭氧并不参与到生命的过程中,但可以吸收紫外线辐射,防止地球表面生物因紫外线过多而遭受损伤。氧气还可以与地壳中的很多元素化合,这些化合物在大气圈、水圈和岩石圈中迁移,加强了各个圈层的相互作用。

氮循环

生物圈

氮循环

大气中的氮含量很丰富,约占空气的78%。氮是氨基酸、蛋白质、核酸,以及其他多种生命的化合物的成分,因此所有生物都需要氮。大气中的氮不能直接为大多数生物所利用,必须先将大气中的氮,转变为可被利用的化合物,这个过程被称为固氮作用。一些固氮作用是由于放电而产生,如闪电。更常见的固氮作用是现代化肥工业上使用的工业固氮法。地球上每年增加的氮中,工业制造化肥固氮约占10%,其余都是由少数几种细菌和多种蓝绿藻固定的。这些生物有些是在土壤和水中自由生存,有些则是与绿色植物以根瘤形式共生。

磷和其他矿物质

生物圈

磷循环

磷元素在核酸形成中有重要作用,它和其他元素在某种程度上都进行循环。磷与氮一样,也是商业肥料的主要成分之一。不过,磷的天然贮存库是在岩石里,而不是在大气中。从岩石中浸泡出磷的过程十分缓慢,溶解的磷酸盐被植物利用,然后转入动物体内。

动物生态

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动物生态学是生态学的一个分支,是研究动物与其周围环境相互关系的科学。在自然界中,动物与其周围环境相互作用,动物从周围环境中获取生存和繁衍的基本条件,而周围环境也能够影响动物的各种生命活动。

生态因子

生态因子是对生物的生命活动和生活周期有直接或间接影响的环境因素,可分为非生物因子和生物因子。非生物因子主要包括气候因子、土壤因子、地形因子等;生物因子指动物、植物和微生物有机体。

在自然界中,各种生态因子互相联系、彼此制约,其中一些起着主导作用的被称为主导因子。动物对每一种生态因子具有一定的耐受限度,即对每一种生态因子的量都有其耐受的上限和下限,当某个生态因子的量接近或超过动物的耐受极限时,就会成为限制性因子。

非生物因子

温度

温度直接影响动物的体温和新陈代谢、行为活动、生长和发育等。温度也可以通过影响其他环境因子而对动物产生影响。变温动物对环境的依赖度彼恒温动物显著,各种动物都有其最适宜的环境温度,例如,一些原生动物的最适温度为24~28℃。一般来说,动物生命活动的低限是冰冻,高限为42℃。在行为上,动物对极端温度的适应方式有休眠、迁徙、穴居、昼伏夜出等。

湿度和降水

水是生命过程中代谢活动的介质,所有生物化学反应都需要在水溶液中进行,水生动物渗透压的调节也需要水。湿度会影响低等陆生动物的生长发育和繁殖。一般来说,低湿大气抑制新陈代谢和延滞发育,高湿大气加速发育。动物对栖息地的湿度条件具有一定的选择性,并因湿度大小的变化而发生迁徙、夏眠或滞育。

光照

生物所需的能量几乎全部直接或间接地来源于日光。光照影响植物的分布,对动物的热能代谢、行为、生活周期和地理分布等都有影响。不同波长的光对生物有不同的作用,不同动物对光的依赖程度也不同。例如,有些动物喜欢在白天活动,被称为日出性动物;一些动物喜欢在夜间活动,被称为夜出性动物。

生物因子

生物有机体之间存在着寄生、共生和捕食等关系。生物因子会影响动物有机体的存活和数量消长。食物不足会引起种内和种间激烈竞争,种群密度越高,个体间对食物和栖息地的竞争越激烈,可导致生殖力下降、死亡率增高以及动物的外迁。

种群

种群是占有一定地域的一群同种个体的自然组合。在一定的自然地理区域内,同种个体互相依赖、彼此制约,构成统一整体。同一种群内的成员栖于共同的生态环境中,并分享同一食物来源,彼此间可进行繁殖并产出有生殖力的后代。种群是物种在自然界中存在的基本单位,也是物种进化的基本单位。

种群也是一种自我调节系统,借以保持生态系统的稳定性。在不受到自然或人为的过度干扰时,种群可以保持相对平衡的状态。一个种群内的个体在单位时间和空间内,存在着增殖、死亡、移入和迁出,但作为种群整体确是相对稳定的。

群落

群落是一定地区内所栖息的各种生物的自然组合,包括动物、植物和微生物。每一群落内的各个生物互相联系,互为影响。地球上有各种各样的自然群落,如森林、草原、沼泽、荒漠等;地球上也有人工群落,如农田、人造次生林等。

物种多样性

物种多样性是指一定区域内所有生物物种及其变化,包括一定区域内生物区系的状况、形成、演化、分布格局及其维持机制。物种多样性既是遗传多样性分化的源泉,又是生态系统多样性形成的基础。

群落内生物物种的多少以及种群数量的大小,影响着群落的性质。生物多样性包含遗传多样性、物种多样性和生态系统多样性,其中物种多样性是基础。物种多样性可以用物种的数目或种群的丰富度、相对丰度等指数来表示。群落内物种的分布状况,影响着群落的性质,通常用均匀度表示。

生态优势

在典型的生物群落中,总有一种或数种动、植物占优势,它们的数量多、分布广,决定着局部地区的环境特征,这些成员称为优势种。群落中的其他成员,均适应或从属于优势种所创造的环境条件。

生态位与集团

在生物群落中的有机体,都有属于自己的生态位。生态位是有机体在生物群落中的功能作用及其在时间和空间上所占的特殊位置。生态位的概念与种间竞争排斥紧密结合,一般情况下,在一个稳定的群落内不可能有两个物种占据着同一生态位,并在同一时间内利用同样的资源。如果两个物种占有同一生态位,它们要么是通过生存斗争将其中的一个种消灭,要么是通过自然选择分化出不同的生态位。

通常情况下,一个群落内物种多样性的发展与以下因素有关:有较多的可利用资源;群落内的物种种类尚不多,还有一些生态位未被利用;各个物种的生态位均比较狭窄;有较多的生态位重叠。

群落中的一些物种会形成集聚,构成很多集团,不同集团之间存在着生态分隔。在同一集团内,种间竞争十分激烈。集团即是群落的结构单位,也是功能单位。

群落的分层

群落结构是三维的,可以描述为水平层和垂直层。群落成员因占据空间不同,呈现垂直和水平的分化。复杂的群落结构为生态进程提供了诸多空间场所,群落结构越复杂,其间有机物相互作用的机会也越多。例如,草原群落可分为地下层、地表层和草层。森林是陆地群落中分层最复杂的生物群落,可分为地下层、地表层、草被层、灌丛、低植物层、乔木的树冠层等。各层内均栖息着复杂的、具有典型生活习性的动物类群。

群落的水平结构,是指群落的种类组成和数量结构在水平方向上的不均匀分布。例如,它们在群落内部呈现为一种或若干种植物所构成的小斑块,即小群落。它们或多或少地分布于整个群落中,形成所谓的镶嵌现象。

群落演替

生物群落是相对稳定的,但同时又是一个不断运动的体系,会按照一定的规律演变,这一过程称为群落演替。常见的为生态的群落演替,例如,池塘经过一系列的演替而变为陆地群体。在群落演替的过程中,先出现的群落为先驱群落,经过过渡群落而达于最终的顶级群落。

群落演替又可分为原生演替和次生演替。原生演替是在以前没有生物栖居的环境中开始的演替,它发生的时候还没有土壤。原生演替的典型环境是裸露的岩石表面和沙丘,如刚形成的火山熔浆、冰川刮净的岩石。次生演替是早期群落全部或部分损毁后发生的环境生态更替,砍伐殆尽的森林、森林大火烧毁后的裸露地面、被遗弃的农田等,都是次生演替发生的常见地点。

生物圈稳态

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整体平衡

生物圈具有稳态反应的机制,即自我调节能力。由于生物圈囊括了众多层次的生态系统和环境因素,因此,生物圈的稳态反应也表现在很多方面。在整个生物圈范围内,各个大的物资储库的输出和输入,保持着动态平衡。全球的生物物种各以特有的生化功能互相补充,共同保证物质循环的畅通和稳定。当出现偏离和波动时,会有相反的作用把它拉回到平衡状态。

例如,对于CO2的平衡,假如大气中CO2含量显著增加,那么海洋吸收CO2的速度也会增加。同时,绿色植物将被提高光合作用水平,将更多CO2转化为有机物。这样就趋向于把大气中的CO2水平拉回正常水平。如果大气中的CO2显著减少,O2增加,绿色植物的光合作用将受到抑制,海洋将释放CO2,从而使大气中CO2含量增加。氮、氨、磷、硫等各种元素的循环运动,对微生物也有这样的作用,以尽力维持该元素输入和输出的大致平衡。

群落稳态

群落中也存在稳态。食物联系是生物群落中的基本联系,居住在一定生境里的物种通过食物联系的自然组合,使物种间维持相对稳定性和数量调节变化,保障了生物群落整体的相对平衡。判断生态系统是否处在平衡状态的重要标志,是生物群落的种类与数量是否发生改变。例如,向池塘中倾倒大量含氮、磷的生活污水和粪便肥料时,水环境形成富氧化现象,水中的浮游生物过度繁殖,大量消耗氧气,鱼类因缺氧而死亡,厌氧生物大量繁殖,水体发黑发臭,生态平衡被破坏。如果停止向池塘排放污水,水体将逐步恢复原来状态。

种群稳态

生物种群也有稳态反应,种群易发生变动,同时也受到控制,一些种群存在密度制约,具有内部调节机制。例如,旅鼠种群密度太大时,鼠的内分泌会发生变化,行为改变,繁殖能力下降,于是出生率降低,死亡率升高,种群密度下降。此外,生物种群的密度会受到食物资源的限制,当属物种群的物种数量达到环境的容量限度后,物种的生存条件恶化,食物短缺,死亡率上升,出生率下降,种群数量缩减。

种群稳态的另一个原因,是食物链制约关系的作用,主要表现在猎物与捕食者,寄主与寄生者种群间。猎物种群增加,则捕食者食物来源丰富,捕食者出生率升高,死亡率降低,种群数量增加。反之,则捕食者数量减少。这是一种反馈控制关系,可以使种群数量稳定在某种平衡状态附近。

生物圈

捕食者和猎物种群出现的周期性波动

破坏与失衡

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环境污染

环境污染是指有害物质或有害因子输入大气、水和土壤等环境介质,并在这些环境介质中扩散、迁移和转化,使生态系统的结构与功能发生变化,对人类或其他生物的正常生存和发展产生不利影响的现象。

环境污染可分为自然环境污染和人为环境污染。对人类生产和生活造成重大影响的,通常为人为污染源,包括化学污染物和生物类污染物。化学污染物分为有机污染物(化学农药、酚、多环芳烃、多氯联苯、石油烃等)和无机污染物(镉、汞、铅、砷、铬、镍、铜、锌等)两大类。

环境污染会造成如下危害:对人体健康产生危害,造成死亡、疾病、严重伤害、基因突变、先天性致残、肝脏功能紊乱、皮肤病、精神紊乱或分裂症等;对动植物生长发育和繁殖产生危害,导致家畜、野生动物、作物或其他生命体的死亡、疾病或其他物理损害;可能会对地表水和地下水造成污染;影响或危害生态系统及其他重要组分,使生态系统功能产生不可逆转的不良变化;对人类拥有的各种财产造成损害,如对建筑物结构的损害等。

温室效应

1824年,法国物理学家约瑟夫·傅立叶发现大气气体中某种组成可以吸收红外线辐射,使地球表面变暖,这一自然现象被称为温室效应。水蒸气、二氧化碳、甲烷和臭氧在温室效应中都起到了重要作用。

生物圈

大气中的温室气体

温室效应是地球上许多生命赖以生存的必要条件,正是温室效应的存在改变了地球表面-18℃左右的辐射平衡温度,使得地球表面的实际平均温度为15℃,适宜生物生存。地表平均温度变化在-50~40℃,即223~313K,按物理辐射定律E=σT4分析,可将地球视为该温度范围内的黑体,它的辐射绝大部分是长波的红外线(地面长波辐射)。这些红外线波长较长,能量较小,因此不像阳光那样容易穿过大气,向外散发。于是这部分热量就在低层大气中像个罩子一样覆盖在地球表面近空,使地球气温升高。

全球变暖

由于大气中温室气体进一步增多,地球表面平均温度持续上升。其中,最为显著的是燃烧化石燃料产生的二氧化碳和人类饲养牲畜产生的甲烷增多。

全球变暖可能会造成极端天气增加。2023年入夏以来,全球多地遭遇极端高温天气。北半球遭遇历史罕见高温,而正值南半球冬半年的南美地区也经历历史罕见的高温。与此同时,全球多地也受到了暴雨侵袭,区域极端强降水引发洪涝灾害,影响人们的正常生活。

粮食问题

粮食安全问题已成为当今时代的全球主要挑战之一。2023年的厄尔尼诺现象,使全球一些农业主产区遭遇灾害天气,农作物生产受到影响。据统计,西班牙有超过350万公顷的农作物,因极端干旱而遭受损失;美国春小麦产区累计降水量比近10年的平均水平低36%,是2008年以来的最低值。由于气候危机、经济冲击和持续冲突的风险和影响不断加大且相互关联,粮食不安全和营养不良的驱动因素变得更复杂。

联合国粮农组织、国际农业发展基金会、联合国儿童基金会、世界粮食计划署等机构在会前联合发布的《世界粮食安全和营养状况》报告指出,2022年全球估计有6.91亿至7.83亿人面临饥饿,比2019年增加1.22亿人,其中西亚、加勒比地区和非洲的饥饿状况正在加剧。报告警告说,到2030年,全球预计有近6亿人长期食物不足,非洲形势尤为严峻。

生物圈的修复

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生物修复

生物修复原指微生物修复,利用天然存在或人为培养的专性微生物对污染物进行吸收、代谢和降解等,将环境中有毒污染物转化为无毒物质的环境污染修复技术。生物修复之所以主要指微生物修复,是因为人类最早利用生物来修复污染环境的生命形式,主要是微生物。这一技术被应用于土壤和污水处理中,取得了较好的成果。

除了微生物,生物还包括植物、动物等生命形式。在环境科学中,植物修复也成为了研究热点,同时也为公众所接受。因此,广义的生物修复既包括微生物修复,也包括植物修复,以及植物与微生物的联合修复,还涉及土壤动物修复和细胞游离酶修复等方式。

植物修复包括利用植物净化空气,利用植物及其根际圈微生物体系净化水体,以及治理污染土壤。通常所说的植物修复,主要指利用重金属超积累植物的提取作用,去除污染土壤或水体中的重金属。一般情况下,植物对污染物质起作用的同时,其根际微生物体系也在起作用,如菌根、根瘤等。

物理修复

物理修复是根据物理学原理,采用一定的工程技术,使环境中污染物部分或彻底去除或转化为无害形式的一种污染环境治理方法。物理修复一般需要研制大中型修复设备,因此耗费也相对昂贵。

物理修复的方法有很多,如大气污染治理除尘中的重力除尘法、惯性力除尘法、离心力除尘法、过滤除尘法和静电除尘法;污水处理中的沉淀、过滤和气浮等;污染土壤修复的置土/换土法、物理分离、蒸汽浸提、固定/稳定化、玻璃化和低温冰冻等。

化学修复

化学修复是利用加入到环境介质中的化学修复剂与污染物发生的一定的化学反应,使污染物被降解和毒性被去除或降低的修复技术。通常情况下,会根据污染物类型和土壤性质,当生物修复法在速度和广度上不能满足需要时,才选择化学修复方法。

化学修复方法的应用十分广泛,如气体污染物治理的湿式除尘法、燃烧法、含硫、氮废弃的净化等;污水处理的氧化、还原、化学沉淀、萃取、絮凝等。化学技术的发展较早,目前主要有这几个方面的技术类型:化学淋洗技术、溶剂浸提技术、化学氧化修复技术、化学还原与还原脱氯修复技术、土壤性能改良修复技术等。

相关研究

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“生物圈2号”工程

1987年,美国的《发现》杂志曾刊载过一篇文章,介绍了一个“美国继肯尼迪总统启动登月计划后,最激动人心的科学工程”。这个工程便是“生物圈2号”,也就是在地球上建立一个封闭型的结构空间,作为未来以下一些行为的实验基地:人类移民火星之后的栖息地,世界爆发核大战后的庇护所,或者作为地球生态系统的研究室。

生物圈

生物圈2号

“生物圈2号”建立在亚利桑那州海拔1200米沙漠上,建筑主体由8000根白漆钢梁和6000块玻璃构成,是一个封闭环。它占地1.3万平方米,里面有5种地形形态:热带雨林、热带草原、沼泽、沙漠和海洋。此外,还有两个人工生物群落:集约农业区和居住区。为了充分模拟地球真实生态,需要在“生物圈2号”内投放3000种动植物以及1000种微生物。美国得克萨斯的艾德·巴斯是该计划的主要投资人,建成费用为2亿美元左右。

1991年9月26日,8名科研人员进入了“生物圈2号”。按照约定,“生物圈2号”里所有的生命(包括人类)必须坚持两年——8个人必须吃自己耕种的食物,喝循环的水,呼吸循环的氧气,此外再也没有什么其他系统的计划。舱门关闭的第十天,“生物圈人”简·波因英特,把手伸进了一台打谷机被削掉了一截中指,之后被送出“生物圈2号”几个小时处理伤口。1993年1月,“生物圈2号”里的氧气含量从原始的21%,下降到了14%,之后外界决定向圈内输入氧气。1993年6月26日,在生存了一年零九个月后,最初进去的8名科研人员,有7名选择了走出“生物圈2号”。1994年3月6日,由5男2女组成的“第二批居民”再次进入了“生物圈2号”。十个月之后,因大气里的二氧化氮浓度失控,第二批“居民”全部撤离。至此,“生物圈2号”就再也没有人住进去过。

联合国“人与生物圈计划”

人与生物圈计划(简称MAB)是一项国际性的、政府间合作研究和培训的计划,是联合国教科文组织在其他组织的配合下,从1971年起实施的一项着重对人和环境关系进行生态学研究的一项多学科的综合研究计划。

生物圈

联合国“人与生物圈计划”

人与生物圈计划的宗旨是:通过自然科学与社会科学的结合,基础理论与应用技术研究的结合,科技、生产管理人员与决策者的结合,对生物圈及其不同区域的结构、功能进行研究,预测人类活动对生物圈及其资源的变化,预测这种变化对人类本身的影响,为合理利用和保护生物圈的资源,保存遗传基因的多样性,改善人类与环境的关系提供科学依据。

这一计划从诞生的那天起就受到了世界各国的重视,截止到2010年,已有100多个国家参加,有的国家已成立了人与生物圈国家委员会。该计划设计了14个研究项目,在由30个理事国组成的“人与生物圈国际协调理事会”领导下,负责协调国际合作,促进世界生物圈保护区网的建立,组织研究成果和情报资料的交流活动,举办各种训练班等等。中国于1972年参加这一计划并当选为理事国,1978年成立了中华人民共和国人与生物圈国家委员会。截至2010年,中国有10个课题被纳入人与生物圈计划,有9个自然保护区加入了世界生物圈保护区。

地外生物圈

面对地球生物圈存在的失衡与污染问题,天体物理学家约瑟夫认为,解决的办法只有一个,那就是“星际扩张”。他认为,地球上的生物圈太小,而人类的潜力巨大,只有进入太空时代,才能从根本上解决能源、人口、污染等一系列全球问题。基于这种想法,天文学家在努力寻求地外生物圈。

注释

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展开[a]

动物长期地或短暂地在寄主(宿主)的体表或体内生活,以寄主的体液、组织或营养物质为食,常对寄主造成严重危害。

[b]

共生是两种动物彼此在一起生活,双方受益称为互利共生,火气重一方获利而另一方既不获利也不受损称为偏利共生。

[c]

组成地球外壳的一层坚硬岩石,称为岩石圈。岩石表面还有一层薄薄的土壤层,叫土壤圈。

[d]

地球表面及其附近的全部液态和固态水,包括海洋和各种大小的水体、地表水、两极冰盖和少量的大气水。

[e]

各种气体、浮尘和水蒸气所在的圈层。

[f]

该书英文译本为The Biosphere,于1986年出版。

[g]

盖娅(Gaia)一词源于古希腊,是大地女神之名,代表大地和大地上所有的生命(包括人类)所组成的大家庭。20世纪30年代,盖娅一词出现于科学文献之中,被用来描述生物对地球环境的影响与控制。70年代初,拉维洛克重新定义了盖娅,使之成为一个科学概念(Lovelock,1972)。

[h]

单位面积内种群的总质量,也就是储存于不同营养级中有机体内的能量。

[i]

真菌与植物共生体。

[j]

细菌与植物共生体。

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词条目录
  1. 词源与内涵
  2. 词源
  3. 定义
  4. 组成部分
  5. 范围
  6. 地球演化
  7. 地质年代
  8. 太古代
  9. 元古代
  10. 古生代
  11. 中生代
  12. 新生代
  13. 生命起源和进化
  14. 地层和化石
  15. 大气
  16. 大气层
  17. 大气的热能
  18. 生态系统
  19. 类型
  20. 结构
  21. 食物链与食物网
  22. 能量流转
  23. 生态系统中的能量流转
  24. 化学循环
  25. 自养型和异养型生物
  26. 碳循环
  27. 氧循环
  28. 氮循环
  29. 磷和其他矿物质
  30. 动物生态
  31. 生态因子
  32. 非生物因子
  33. 温度
  34. 湿度和降水
  35. 光照
  36. 生物因子
  37. 种群
  38. 群落
  39. 物种多样性
  40. 生态优势
  41. 生态位与集团
  42. 群落的分层
  43. 群落演替
  44. 生物圈稳态
  45. 整体平衡
  46. 群落稳态
  47. 种群稳态
  48. 破坏与失衡
  49. 环境污染
  50. 温室效应
  51. 全球变暖
  52. 粮食问题
  53. 生物圈的修复
  54. 生物修复
  55. 物理修复
  56. 化学修复
  57. 相关研究
  58. “生物圈2号”工程
  59. 联合国“人与生物圈计划”
  60. 地外生物圈
  61. 注释
  62. 参考资料

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