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第十一章 地球环境及其变迁
§1自然地理环境整体性与地域分异规律
1.1 自然地理环境的整体性
地球环境指人类在其中生存与发展的地球表层，即自然地理环境，又称自然地理系统。地球环境是由地质、地貌、气候、水文、植被、动物界和土壤等组成的一个整体，这些要素并非简单地汇集在一起，或偶然地在空间上结合起来，而是在相互制约和相互联系中形成一个特殊的自然综合体或自然地理系统。各自然地理要素也不是孤立存在和发展，而是作为整体的一部分在发展变化。各自然地理要素在特定地理边界约束下，通过能量流、物质流和信息流的交换和传输，形成具有一定有序结构、在空间分布上相互联系、可完成一定功能的多等级动态开放系统，即自然地理系统。
自然地理系统的整体结构
“整体大于部分之和”，自然地理系统作为一个整体，除包含所有自然地理要素外，还具有各要素相互作用所产生的一些新属性。系统可分为不同层次或组织水平，任何系统都既从属于更高级的系统，同时其本身又包含若干低级的系统。系统各部分之间特殊的网络关系，形成系统的结构。作为系统有机联系的反映，系统还具有有序性。系统的上述基本特征，都是通过系统内部物质、能量和信息的运动得以表现的，因而动态性也是系统的基本特征之一。
按照耗散结构理论的解释，自然地理系统是一个远离平衡态的开放系统，要素之间存在着非线性关系，它通过与外界不断交换物质与能量，有可能在一定条件下形成新的稳定的有序结构，即地理耗散结构。它具有一定的抵抗外界干扰的能力，可吸收外界环境的一般性涨落。其结构水平愈高，涨落回归能力即保持系统稳定性的能力愈强。但在发生巨涨落时，这一结构将崩溃或解体，并逐步形成新的耗散结构形式。
自然地理环境作为一个整体，其发展演化是具有方向性特征的一个十分复杂的过程。这种复杂性主要表现在新的组成成分或要素的出现，以及由此导致的结构复杂化，沉积过程加强，岩石圈厚度增加，水圈含盐量增加和离子成分发生有规律的变化，大气成分发生质的变化，地貌复杂化和气候多样化，生物从低级形式向高级形式发展，新物种产生和一些旧物种灭绝，地域分异越来越显著，等等。
总结自然地理环境最重要的发展规律，首先要看到，自然地理环境所有组成成分的发展都是互相联系的。因此，在组成成分发展的同时，成分间的物质和能量交换也得到了加强。其次，这种发展具有前进式发展的特点，表现为新组成成分的陆续出现，太阳能的逐渐积累和自然界的地域分异日益强化。第三，发展是突跃式的而非直线过程，周期现象并不决定主要发展方向。第四，纬度地带性作为普通规律在整个发展过程中发挥了作用。最后，自然地理环境的发展是事物矛盾斗争的结果。其中，有机体对环境的适应和改造起着特殊的作用。
自然地理环境的发展还具有一定的节律性。节律性是指由自然地理过程的循环和振荡引起的随时间推移而有规律演替的现象。节律性亦可称周期性。
1.2自然地理环境的地域分异规律
地域分异是指地球表层大小不等、内部具有一定相似性的地域单位的分化，以及由此而产生的各自然地理条件的差异。其中，带有普遍性的地域分异现象和地域有序性就是地域分异规律。表征地域分异的最重要规律是自然地带性。
(1) 自然地带性
对自然地带性存在广义和狭义的两种不同理解。广义的理解认为，地带性包括三个组成部分：纬度地带性，经度地带性（干湿度带性），垂直地带性。狭义的理解，主张地带性主要是指纬度地带性，也就是指热量或温度随纬度而变更以及随之而引起的其他方面的带状变化；而经度地带性和垂直地带性则属非地带性规律，前者指经度方向随距海远近所产主的变化，后者主要指随海拔高度而产生的变化。
自然地理地带的形成以能量差异为基础，太阳辐射能的空间－时间分布规律是制约自然地理地带规律的基本因素，由此产生了地带分异，增强了地带对比，使地表地带分布复杂化。此外，地球自转造成地表流体，包括气团、洋流等发生偏转，同样也增加了地带性图式的复杂性。又由于海陆地表组成物质的差异引起了能量收支状况的改变，从而导致地带性规律发生很大的变形或扭曲。所以地球表面某些地理地带并不具有连续分布的形式，而往往是断续的。某些类型集中在大陆边缘，另一些又多见于内陆，这种大致沿经度方向的地带分异被一些地理学家称为“经度地带性（干湿度带性）”。实际上是在太阳能量到达地面之后的进一步改变和修正，因此，就其影响规模而言应该是影想纬度地带分布的次一级形式，是能量重新分配的结果。
地球表面存在着明显的地势起伏。当山地达到一定的高度后，自然环境及其各组成要素会出现垂直分带的规律更迭现象，即通常所说的垂直地带性分异。形成垂直分异的基础是构造隆起的山体，而直接原因是温度随高度升高而迅速降低。由于地球表面并非所有的地方都有构造隆起的山地，所以垂直地带的分布是不连续的、间断的。它是在地带性和非地带性分异规律制约下形成的，是在太阳辐射能量达到地表以后，因高度位置变化而产生的能量和水分再分配的结果，是基本分异背景上派生的规律性地域分异。
在20世纪中叶，提出了关于地球表面地理实体、景观型和生态系统三度空间排列的比较地理学观点，在高山研究中引入“三维地带性”的概念，在山地自然地理研究中得到广泛的应用。
任何一个地方的垂直自然带都是纬向、经向和高度变化因素对自然环境共同影响和作用的结果。因此，就一个山地或高原而言，“三维地带性”的概念包含着两层含义。一是“三维分异”，即任何一个地带可以同时沿纬度、经度和垂直递变方向分异，其空间分异是三维的，水平地带和垂直地带同处于一个三维空间中。二是“三位一体”，即一个地带所处的带谱，是纬度地带性、经度地带性（干湿度带性）和垂直地带性共同作用的产物。这种相互联系和差别，是自然界对立与统一的反映。
任何自然地理环境不仅占有三维空间，还延续于整个时间过程。仅靠“三维结构”来解释是不够的。如果兼顾空间和时间（历史）因素来解释，将更合乎事实，已越来越引起人们的关注。
(2) 垂直自然带
在垂直地带性规律支配下，具有一定高度的山体所产生的由下而上的带状更迭，称之为垂直自然带。垂直带间相互配置的形式和次序称为垂直带带谱结构。垂直带的划分通常以植被和土壤为主导标志。
山地垂直自然带结构从属于一定的水平地带，是第二性的。发育在不同地域山体的垂直自然带具有各自特殊的带谱性质、类型组合和结构特征，不同水平地带的垂直自然带的各类型之间，亦存在着一定的联系，反映出它们在三度空间上的规律变化。任何垂直自然带都是纬向、经向和高度变化因素对自然环境共同影响的结果。同一自然带类型分布的海拔高度，因温度、水分条件组合的不同而有显著差异。垂直带谱类型是极其复杂多样的，它不完全重现纬度地带的序列。垂直自然带既有与水平地带同源的成分，也有大量相似的成分和独特的成分。因此，许多自然地带在山地并没有相似物；而一些山地垂直带在平地也不出现。每一水平地带都有自己的垂直带谱系列，即垂直带的结构类型是在水平地带的基础上发育和发展起来的。
(3) 地方性、隐域性及微域分异
① 地方性分异 地方性分异是中尺度的地域分异。它是在地方地形、地方气候、较大范围地面组成物质等差异影响下，自然环境各组成成分和自然综合体沿一定地势剖面发生变化的规律。地方性分异常常表现相互有序性和重复性规律。有序性指在地方地形影响下，自然环境各组成成分和自然综合体沿一定梯度有规律地依次更迭。重复性是由于近期发育历史相同，几个小流域内各自然单元重复出现，组成多次重复的组合。
② 隐域性分异 隐域性是叠加了地带性影响的非地带性表现，是复杂化了的地域分异规律。隐域性一般也表现为中尺度。例如沼泽是非地带性的，是由长期或周期性积水生境下发育的湿生多年生草本植物所构成的自然环境。不少沼生植物，如芦苇、苔草等具有很强的适应性，分布相当广泛，但是，不同的水平地带的沼泽却具有不同的特征。温带平原（如东北三江平原）和高原山地（如川西若尔盖）积水条件下的沼泽属温湿性沼泽，主要植物有芦苇、拂子茅、禾草、苔草、镳草等，土壤类型为草甸沼泽土；而属于热湿－暖湿型的热带、亚热带沼泽（如四川盆地中的河湖滩地沼泽）的建群种则是芦苇、薹草、香蒲等，土壤类型为腐泥沼泽土。
③ 微域分异 微域分异是最小范围的地域分异，一般可以根据微域分异划分出不同的类型，地貌部位差别是最重要的微域分异。不同的小地貌部位有不同的小气候条件、地表水排水条件、潜水的埋藏深度和流动性，甚至潜水的化学性质等都直接或间接与地貌部位有关。再配合岩性土质的差异，则有不同的生物群落和土壤。地貌部位结合小气候条件，决定了不同地貌部位的干湿状况。
§2 环境变迁与气候变化
2.1 气候变化的史实和意义
2.1.1地史中的大冰期
地球历史中曾多次出现大规模冰期和暖期的交替。最近三次全球规模大冰期出现于第四纪（2～3百万年前）、石炭二叠纪（2.7～3.1亿年前）和晚元古代后期（约7.0～7.5亿年前），间隔分别为2.6～3.9亿年。
2.1.2第四纪的冰期旋回
大冰期内部存在明显的冰期和间冰期冷暖气候交替旋回。
1955～1959年意大利埃米利亚尼（C. Emiliani）根据太平洋深海钻孔（V28284）沉积物中氧同位素δ18O含量测定，在代表90万年时限的13m长岩芯中，发现了11个波动周期。由于海水中氧同位素的分馏与蒸发作用关系密切，蒸发作用优先分馏轻氧（16O），δ18O值越高代表古海水温度越高，因此，这种波动周期可以反映地球表层的冷暖气候旋回。
另一种第四纪古气候变化的重要研究成果,是中国学者在陆地上堆积的黄土剖面中完成的.刘东生(1982)在陕西洛川剖面布容期黄土中统计出8个古土壤层和顶部的黑垆土。由于黄土的成因与干冷的西北风关系密切，而土壤层发育于湿热化环境，所以也能反映古气候的冷暖旋回。黄土剖面和太平洋深海钻孔中气候事件之间的良好等时对比关系，有力地证明了第四纪布容期中发生过全球规模的冰川气候旋回。已知的气候旋回延续时间略有参差，总体上以10万年周期最为明显，可与米兰科维奇轨道参数中的偏心率短周期相当。
迄今为止，第四纪240万年以来已经累计识别出至少24个气候旋回，反映了冰期和间冰期的频繁交替。不同阶段内气候旋回的时限长短并不一致，大体上距今60万年前以10万年周期为主，而更早阶段则40万年周期更为明显。虽然都属于米兰科维奇轨道参数的偏心率周期范围，其差异原因仍需进一步研究。
2.2 气候突变及其成因解释
冰期内部也存在气候变化。每当大气温度进一步下降时，北极区冰盖迅速扩张，周缘冰山大量南移至中纬度地区，带来低温淡水并使携带的岩屑降落海底。这种突发性的降温事件后来被命名为海因里希事件。同时在格陵兰冰芯、美国佛罗里达湖泊沉积和中国黄土沉积中也陆续发现类似的末次冰期内气候振荡事件。
　　冰期向间冰期过渡时，也容易发生一系列温度剧烈振荡，低温期持续可达500～1000年。1.3万年前末次冰期消退，气候转暖，温带动物群返回北欧和加拿大东北部。北美大陆冰盖迅速融化，形成一个巨大的阿格兹湖，排水通道流向墨西哥湾。正是由于冰后期的增温导致湖盆东侧的冰原破裂崩塌，大量淡水突然涌入北大西洋，墨西哥湾的海水却因淡水流入减少而盐度、密度显著增大，向北传送热量的湾流作用减弱，导致北大西洋的海水温度下降。大量淡水比重轻又易于结冰，很快形成海上冰盖，导致北大西洋地区重返冰期气候，喜寒性动植物群重新折返。仙女木（Dryas）是一种适应冰原环境的花卉植物，所以称为新仙女木事件。
　　即使在气候温暖的Eemian间冰期（距今12.5万年前）中，同样发现存在±5℃的气候突变现象。在间冰期内发生事件的成因以及倒底是区域性抑全球事件尚在继续研究，较流行的解释是：间冰期增温导致冰山大规模崩塌，大西洋海水温度，盐度降低，影响到海洋传送带环流模式突变，所以在总体变暖趋势中出现突然变冷的插曲。
§3地史中的生物灭绝与环境变迁
3.1 物种的形成、寿命和数量
3.1.1物种的形成
英国博物学家达尔文(C.R.Darwin)发表的《物种起源》(1859)科学巨著，标志着进化论学说的创立。该学说认为生命的形成和发展是以自然选择为动力，自然选择通过遗传变异，推动生命存在形式由低级向高级、由简单向复杂进化。因此，“物竟天择，适者生存”就成为生命进化的普遍原理。应当指出达尔文的物种演变、共同起源、适应和自然选择等科学概念是人类自然科学研究史中的里程碑式光辉成就，迄今仍有重要科学价值。但一个多世纪后大量事实的发现和积累，也促使人们对达尔文学说重新评价，指出其中也存在一些需要发展或修改的方面。
　　其次，达尔文在生物进化的内因和外因关系方面，特别强调自然选择(外因)的重要性。现代生物学的研究已经提出：生命系统是由无穷多互为相似的子系统所组成，各系统内、系统之间、以及生命系统和自然界之间所进行的物质、能量和信息的交换，是推动进化的基本动力。在生命系统的各个层次都有相应的进化驱动机制存在。例如日本学者木村资生(Minato,1968)提出：分子水平的进化机制是遗传漂变(genetic drift)，而非自然选择。由于生物变异(内因)具有很高的活动性，生物进化也相应拥有无限的可能性。就以基因重组合引起个体变异来说，假设两个亲本都是包括20对基因的异质体(实际上大多数高等动植物基因数远大于20个)，则其子代可能得到的基因型数达到420个天文数字。
　　由此可见，生物演化过程中自然选择(外因)的因素果然十分重要，但生物变异的多样性和种群结构的多态性(内因)也应当给予重视。实际上生物与自然环境之间并不是单向选择，也是一种双向选择关系。从伊迪卡拉动物群到澄江动物群之间的生物绝灭和寒武纪生物大爆发事件，就是一个很好的实例。
3.1.2物种的寿命
　　生物的物种和它的个体一样，也有发生、发育和死亡的过程。古生物学的研究已经发现，不同物种的寿命长短变化很大。
3.1.3物种的数量
　　生物的现存物种尚无公认的准确数据，迄今已鉴定的有150万(Grant,1963)～200万(杨昌凤等，1994)个物种，其中2/3为昆虫。全球物种约3/4分布在热带地区，尤其集中在热带雨林之中。
　　古生物学的研究已经证明地球历史中存在过大量的物种，最可能的数量约为3亿种左右。
3.2 生物绝灭的类型与规模
　　生物的绝灭(extinciton)是指一个物种的个体完全消失而不留下后裔，也可称终极绝灭，相当于日常所称的完全绝种。如果某个物种经历一定地质年代演化后，采用线系渐变的型式由祖先种演变为后裔种，那么祖先种是绝灭了，但物种的谱系仍继续下去，称为假绝灭或种系绝灭。人们通常所称的绝灭，指的是终极绝灭。 地球历史中新的物种不断形成，老的物种相继绝灭，本来是一种正常的现象。根据古生物学研究统计，最近2亿年中每百万年平均有90万物种消失，即每100万年平均绝灭0.1～1个物种，依门类不同而有区别，可视为正常的绝灭背景值。与之相对应，在某些地质时期，出现许多生物门类近乎同时地和全球性地大规模绝灭，使生物界绝灭率突然升高，称为集群绝灭。 美国古生物学家纽危尔(N.Newell,1962,1967)统计了显生宙海洋和陆地无脊椎动物化石的分布资料，根据科一级生物门类的新生与绝灭百分比，绘制出变化曲线图，显示出6个绝灭高峰。再加上元古宙末期伊迪卡拉动物群的突然消失，则一共有7次大规模绝灭事件。根据生物绝灭规模大小，显生宙以来最重大的绝灭事件发生在二叠－三叠纪之交和白垩－第三纪之交，正好相当于古生代－中生代和中生代－新生代的地史发展重大转折时期。 全球规模的大规模绝灭反映了地球表层生态环境的巨大变化，也是研究地质历史中地球不同圈层间物质－能量交换型式和作用过程的良好突破口。这方面的研究可以弥补15万年以来全球变化时间范围过于短促和地球演化历史类型单一的局限，在更全面地了解生物演化与自然环境之间的关系方面具有重要的借鉴意义。
3.3 二叠纪末的集群绝灭
3.3.2绝灭原因探讨
关于古、中生代之交大规模生物绝灭事件的原因，目前存在不同的解释方案。根据粘土岩中存在火山爆发物质，有人提出当时全球规模的火山活动是生物绝灭的主要原因。有人曾强调全球规模的海退是主要原因。最近又发现在连续剖面上二叠纪最末期不是海退而是海侵，粘土岩是海侵产物。有人根据粘土岩形成于滞流的缺氧环境，提出生物绝灭与缺氧环境有关。也有人根据湖北黄石二叠－三叠纪之交的粘土层中发现有来自月球的溅射物以及南非近年已发现二叠－三叠纪之交的陨击坑，提出可能与地外陨击作用有关。迄今为止，多数国内外学者主张：古、中生代之交生物大规模绝灭的机制应从地球表层的灾害群发原因中寻找，地外陨击事件存在的可能性并不排除，但目前尚无充分的事实依据。
在地内多种因素之间的关系方面，近年的趋势是更多强调地史重大转折时期地球不同圈层之间必定发生过异常的相互作用事件。例如二叠纪末期全球板块运动导致联合古大陆的形成，联合 古大陆对于地球内部热量的隔热效应，大规模火山爆发的放热效应，全球性海退事件和随后缺氧盆地的出现，干旱气候带的迅速扩大和陆地森林的野火事件，频繁的古地磁极性倒转和保护生命的磁盾作用减弱以及地球内部质心偏转等。根据现有地球历史资料，上述地球不同圈层的多种重大事件在古、中生代之交的短暂时期内比较集中地涌现。对于地表海洋和陆地生物界来说，其效果必然是多种自然灾害的频发和生态环境的严重恶化，导致出现集群绝灭现象也就不难理解了。
3.4 白垩纪末恐龙绝灭和地外陨击事件
　 许多古生物学家并不欣赏白垩纪末期突然绝灭的论证，也不赞同一次撞击杀死所有恐龙的简单思考方法。他们倾向于强调地内因素（寒冷、缺氧、海退、火山等）的直接后果和生物灭绝的分阶段特征，所以对地外陨击事件的报道一般持质疑态度。白垩纪末期的地外陨击事件自80年代初提出后，经过一系列的反复质疑和进一步查证，专门讨论的论文数以千计，至20世纪末已经得到大多数地球科学家承认。但白垩纪末群发灾害出现的先后顺序和相互关系方面，倒底是偶然的地外事件打断了地球的正常演化进程，还是地球自身演化也能导致灾害群发，陨击事件只不过是雪上加霜或偶然巧合也仍在继续探讨，恐龙绝灭的具体过程和确切机制，已提出有热死、冷死、毒死、饿死、病死或卵壳发生畸变易碎而绝种等不同假说，21世纪中仍然是一个雅俗共赏的关注热点。
　　任何一次集群绝灭事件都不可能消灭全部生物界，总有少量物种经历这场浩劫后幸存下来，称为残留种。有的物种能逃离恶化的环境在某个避难所获得喘息机会，待环境条件好转后再回到先前分布的地区，称为复活种。也有一些生物门类的物种原先并不显眼，但由于优越的生理功能或生态习性具有更强的抗灾变能力，能渡过这场浩劫而获得辐射演化的机会，称为先驱种。从整个生物界演化阶段来说，可区分出绝灭前原先生物群的繁荣期—绝灭期（可分步骤实现）—残存期（少量残留种,有的种个体反而兴盛）—复苏期（少量新种出现）—辐射演化期（大量新种出现）。深入研究地球历史中生物界不同门类的兴衰演化史及其与环境的关系，对于人类今后开展环境保护、灾害防治工作可以提供有价值的借鉴和启迪信息。
§4人类在环境变迁中的作用
4.1 温室气体排放与全球变暖
4.1.1温室气体集聚与温室效应
　　气候变化古已有之，现代全球气候变化的证据也已出现。现在气候变化的独特之处在于，人类活动尤其是工业革命以来燃烧化石燃料、砍伐森林等致使大量二氧化碳、甲烷、氧化氮、臭氧、氟里昂气体排放到大气中，盖住了地球表层，就象塑料薄模盖住农田一样，产生所谓温室效应，所以把这些气体称为温室气体。温室气体的大量排放改变了大气圈的组成和行为，致使全球平均温度增加，而且变化速率前所未有。其它温室气体（如甲烷、氧化氮、臭氧、氟里昂）加起来对地球变暖的作用也与二氧化碳相当。
　　地表平均温度已在过去100年来上升了约0.5～0.7℃，其间11个最暖年中有7个发生在最近10年，极端天气事件的频率和强度都在增加。如果目前温室气体的排放趋势继续下去，则地球表层将以每十年0.3℃的速率增温。到21世纪中期，累积的变暖效应将使地表平均温度比工业革命开始前的“自然背景温度”提高1.5～4.5℃，地球将面临突破任何历史记录的气候冲击。
4.1.2温室气体增温的可能效应
略。
4.2 土地利用与土地退化
4.2.1不适当土地利用加速土壤侵蚀
风蚀 以风力为动力的土壤侵蚀现象，是在地表缺乏植被覆盖，在土质疏松和土层干燥的情况下，由风速达每秒4～5米的起沙风吹拂地面的结果。
水蚀 （略）
4.2.2土地沙漠化
略。
4.2.3灌溉与土壤次生盐渍化
　　最早的人类文明发源于底格里斯河与幼发拉底河平原，即美索不达米亚，现在伊拉克境内。美索不达米亚可能是世界上最古老的灌溉农业区。但6千年前人类管理的最后结果，并没有把这里变成最肥沃的土地。相反地，在缺少排水条件的情况下，美索不达米亚的地下水位开始升高，水渠渗漏和周期性的洪水也提高了地下水位。当地下水通过土壤毛管被蒸发时，就在地表留下一层薄薄的盐。历史最悠久的灌溉实践彻底破坏了这里的土壤，至今没有复原。作为世界四大古文明发源地的印度河平原曾是世界上最大的灌溉农业地区，但水涝和土壤次生盐渍化问题造成重大损失，又一个灿烂的古代文明衰落了。
4.3 生物多样性的减少
　　世界自然资源保护联合会的一项1600年以来动物绝灭分析发现，已知其原因的动物绝灭有39％是由于物种的引进，36％由于生境的破坏，23％由于狩猎和有意捕杀。尽管这项分析集中于岛屿的物种，这些原因尤其是物种引进和生境破坏，一般被认为是任何地区生物多样性的主要威胁。
　　生物多样性被破坏，特别是热带雨林植被的被大量破坏，除使人类失去宝贵的生物资源和生态功能外，还将大大改变碳、氮等营养元素和微量元素的源、汇分布，使营养元素和微量元素在地球系统中的循环遭到破坏，从而给自然生态系统和人类社会带来巨大影响。
4.4 环境污染
　　人们在生产生活过程中，向大气、水、土壤等环境媒介排入大量废气、废水、废渣（称为“三废”），引起环境污染或导致环境破坏。
当前主要的环境污染物及其来源有以下几个方面：
　　① 生产性污染物② 生活性污染物③ 放射性污染物

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