地球圈层结构研究（5）
胡经国
㈢、生物圈
1、生物圈概述
生物圈（Biosphere），是指地球上凡是出现并且感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。它也是人类诞生和生存的空间。生物圈的范围是：大气圈的底部、水圈大部、岩石圈表面部分。
生物圈是地球表面有机体（包括细菌）及其生存环境的总称。在大气圈、水圈、土壤、地球内部，都有大量生物存在。生物所导致的、或以生物活动为中心的物质循环，不仅是地球各圈层物质循环的重要内容，而且还是各圈层相互联系的纽带。
生物圈是地球上最大的生态系统，也是最大的生命系统，是地球上所有生态系统的统合整体。它是地球的一个外部圈层，其范围大约为海平面上下垂直10公里。它包括地球上有生命存在和由生命过程变化和转变的空气、陆地、岩石圈和水。从地质学的广义角度上来看，生物圈是结合所有生物以及它们之间的关系的全球性的生态系统，包括生物圈与岩石圈、水圈和大气圈的相互作用。
生物圈是一个封闭并且能自我调控的系统。地球是整个宇宙中唯一已知有生物生存的星球。一般认为，生物圈是从35亿年前生命起源之后演化而来的。
生物圈是自然灾害主要发生地，它衍生出环境生态灾害。
2、生物圈词源与概念提出
地质学家爱德华·苏威斯于1875年最早使用生物圈这个词。它本来是一个地质学的词。它显示了查尔斯·罗伯特·达尔文和马修·方丹·莫里的理论对地球科学的影响。1920年代，生物圈这个词获得它的生态意义。1935年，生态系统这个词被引入。弗拉基米尔·沃纳德斯基将生态学定义为研究生物圈的科学。
当代生物圈这个概念集合了天文学、地球物理学、气象学、生物地理学、演化论、地质学、地球化学、水文学等多个科学，可以说它集合了所有与地球和生命有关的科学。
生物圈的概念、领域是由奥地利地质学家休斯（E.Suess）在1875年首次提出的，是指地球上有生命活动的领域及其居住环境的整体。它包括海平面以上大约10000米高处至海平面以下11000米深处。其中，包括大气圈的下层，岩石圈的上层，整个土壤圈和水圈。但是，绝大多数生物通常生存于地球陆地之上和海洋表面之下大约100米厚的范围内。如果把地球看作一个足球大小，那么生物圈就比一张纸还要薄。
3、生物圈范围
生物圈包括海平面以上大约10000米高处至海平面以下11000米深处，包括大气圈底部（可飞翔的鸟类、昆虫、细菌等），岩石圈表面部分（是一切生物的“立足点”），水圈的全部。生物圈为生物的生存提供了基本条件，即：营养物质、阳光、空气和水、适宜的温度和一定的生存空间。但是，大部分生物都集中在地面以上100米到水面以下100米的大气圈、水圈、岩石圈、土壤圈等圈层的交界处，这里是生物圈的核心。
4、生物圈物质组成
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。其中，生命物质又称活质，是指生物有机体的总和；生物生成性物质是指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低层的气体、沉积岩、粘土矿物和水。
5、生物圈结构
在地球大气圈、水圈和岩石圈这三个圈层中适宜于生物生存的范围就是生物圈。
在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22000米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。
在水圈中几乎到处都有生物，但是主要集中于表层和浅水的底层。世界大洋最深处超过11000米，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。
在岩石圈中，生物分布的最深记录是生存在地下2500～3000米处石油中的石油细菌。但是，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，但是就其分布厚度来讲，生物圈在地球上只占据薄薄的一层。
6、生物圈存在基本条件
由此可见，生物圈是一个复杂的、全球性的开放系统，是一个生命物质与非生命物质的自我调节系统。它的形成是生物界与水圈、大气圈及岩石圈长期相互作用的结果。生物圈存在的基本条件是：
⑴、必须获得来自太阳的充足光能
第一个基本条件是必须获得来自太阳的充足光能。因为，一切生命活动都需要能量，而其基本来源是太阳能；绿色植物吸收太阳能合成有机物而进入生物循环。
⑵、要存在可被生物利用的大量液态水
第二个基本条件是要存在可被生物利用的大量液态水。几乎所有的生物全都含有大量水分，没有水就没有生命。
⑶、要有适宜生命活动的温度条件
第三个基本条件是生物圈内要有适宜生命活动的温度条件，在此温度变化范围内的物质存在气态、液态和固态三种物态变化。
⑷、提供生命物质所需的各种营养元素
第四个基本条件是提供生命物质所需的各种营养元素，包括氧气O2、二氧化碳CO2、氮N、碳元素C、钾元素K、钙元素Ca、铁元素Fe、硫元素S等。它们是生命物质的组成成分或中介。
总之，地球上有生命存在的地方都属于生物圈。生物的生命活动促进了能量流动和物质循环，并且引起生物的生命活动发生变化。生物要从环境中取得必需的能量和物质，就得适应环境；环境发生了变化，又反过来增强生物对环境的适应性，这种反作用促进了整个生物界持续不断的变化。
7、生物圈生物按作用分类
生物圈中的各种生物按其在物质和能量流动中的作用，可分为：生产者、消费者和分解者三大类。
⑴、生产者
生物圈生产者主要是指绿色植物。它能通过光合作用将无机物合成为有机物。
⑵、消费者
生物圈消费者主要是指动物（人当然也包括在内）。有的动物直接以植物为生，叫做一级消费者，比如羚羊；而有的动物则以植食动物为生，叫做二级消费者；还有的动物捕食小型肉食动物，叫做三级消费者。而至于人则是杂食动物。
⑶、分解者
生物圈分解者（转化者）主要指微生物。它可将有机物分解为无机物。
8、生物圈与生态系统
以上三大类生物与其在其中生活的无机环境一起，构成了一个生态系统。其中，生产者从无机环境中摄取能量，合成有机物；生产者在被一级消费者吞食以后，将自身的能量传递给一级消费者。一级消费者在被捕食以后，再将能量传递给二级、三级……最后，在有机生命死亡以后，分解者将它们再分解为无机物，把来源于环境的物质和能量再复归于环境。这就是一个生态系统完整的物质和能量流动。只有当生态系统内生物与环境、各种生物之间长期的相互作用下生物的种类、数量及其生产能力都达到相对稳定的状态时，生态系统的能量输入与输出才能达到平衡；反过来，只有生态系统的能量达到平衡，生物的生命活动也才能相对稳定。所以，生态系统中的任何一部分都不能被破坏，否则就会打乱整个生态系统的秩序。因此，人类应当善待所有的动物。
生态系统的类型包括：森林生态系统、草原生态系统、湿地生态系统、淡水生态系统、农田生态系统、海洋生态系统、城市生态系统等。
生物圈是一个统一的整体，是地球上最大的生态系统，是所有生物共同的家园。我们必须明白，人也是生态系统中扮演消费者的一员，人的生存和发展离不开整个生物圈的繁荣。因此，保护生物圈就是保护我们自己。所以，从现在开始，关心爱护你身边的生态环境，共同营造我们的绿色家园吧！
9、生物圈起源与进化
地球是生物起源和进化的理想环境。已知的生命现象都离不开液态水，地球与太阳的距离以及地球的自转使地表温度足以维持液态水的存在。地球的引力保证了大部分气态分子不致逃逸到太空去。地球的磁场屏蔽了一部分高能射线，使地表生物免遭伤害。然而，这一切只是为生命提供了存在的可能性。现今地球上生存的各种生物都是几十亿年生物进化的结果，是生物与环境长期交互作用的产物。
当地球上刚出现生命时，在原始大气中还富含甲烷、氨、硫化氢和水汽等含氢化合物，属于还原性大气。现今的大部分生物都不能在其中生存。后来出现了蓝藻，它可以通过光合作用释放出游离氧，使大气含氧量逐渐增多，转变为氧化性大气。从而，为需氧生物的出现开辟了道路。随着氧气的增多，在高空出现了臭氧层，阻止住紫外线对生命的辐射伤害。于是，过去只能躲在海水深处才能存活的生物便有可能发展到陆地上来。
但是，生物在刚开始迁移到陆地上的时候，遇到的只是岩石和风化的岩石碎屑，大部分高等植物不能赖以生存。只是在低等植物和微生物的长期作用下才形成了肥沃的土壤。经过长期的生物进化，最后才出现了广布于世界各地的各种植物和栖息其间的各种动物，逐步形成了生物圈。
10、生物圈演化
生物圈演化是指地球生物圈在漫长地质年代中所发生的变化。生物圈是地球上有生命存在的特殊圈层。它的存在是从地球上生命的产生开始。它的演化是指生物进化和生物与环境相互作用的进化，以及由此引起的生物圈状况的进化。
生物圈进化可以用生态系统进化来描述。
⑴、单极生态系统形成
生命在地球上产生，单极生态系统形成。它是由原始异养生物和原生环境（原始海洋和原始大气）构成的自然生态系统。
⑵、二级生态系统形成
单极生态系统演化为二级生态系统。在20亿年以前，绿色藻类产生。这标志着自养生物的出现，单极生态系统演化为具有自养和异养两种生物的生态系统。它导致地球大气中氧的出现，氧化性大气的形成，原生生物圈发展为次生生物圈。
⑶、三级生态系统形成
二级生态系统演化为三级生态系统。在6亿多年以前，多细胞动物出现，完成了二级生态系统向三级生态系统的发展演化，形成了由生产者（植物）、消费者（动物）和转化者（即分解者，微生物）构成的的生物圈三级结构，奠定了生态系统演化的基本格局。
⑷、人类产生
人类产生是地球生物圈演化的质变。人类通过自己的活动把天然生态系统转化为人工生态系统。人类的智慧及智慧指导下的劳动，导致生物圈的根本变化，人成为生物圈演化的重要因素。这导致生物圈向智慧圈的发展。
11、生物圈能流与物流
地球与太空几乎没有物质交换，但是却接受大量太阳辐射能。太阳能是维持一切生命活动的原动力。能量在生物圈中逐级传送，最后以热能形式散发到太空。在地球内部也产生大量残骸（包括煤炭等），但是地球总体的能量收支大致平衡。到达地球外层空间（60公里高空）的太阳辐射量是恒定的，大约为2卡/(厘米·分)，称为太阳常数。但是，平均说来，其中只有一半（大约47%）能到达地面；而另一半（大约53%）于途中被反射或被吸收掉了。生物圈各部分实际接受的太阳辐射量差别很大。这是由于纬度、季节以及大气透明度（云层）的影响造成的。热带地区全年接受比较直射的阳光，因而辐射量最大。
随着纬度的增高，阳光入射角改变，通过的大气距离也加大，因而单位地表接受的辐射量降低。辐射量按千兰/年计算（1兰=1卡/厘米）。最高值（200千兰/年以上）出现于荒漠地区，例如在北非的撒哈拉沙漠和西亚的阿拉伯沙漠，80%以上的太阳常数能到达地面。其原因除了纬度低以外，主要是因为干燥少云。最低值（低于100千兰/年）出现于高纬度地区，包括高于50千兰/年的大陆地区和高于40千兰/年的海洋地区。太阳辐射量因季节变化而产生的差异在高纬度地区更为明显，因为那里的日照时间随季节变化很大。
太阳辐射在地球上的不均匀分布，造成了不同的气候类型，从而影响了地球上的生物分布；它也是地面气流（风）、水流和水汽循环的主要动因。
生物圈中的能流与物流是相伴随的。因为，太阳辐射能先通过光合作用被植物体固定下来；然后以化学能的形式沿食物链逐级传递。动物和微生物的取食活动就是传递能量的方式。一般说来，化学元素之进入生物体内是靠生物的主动摄取；而化学元素在自然界中的循环运动则是由气流和水流来完成的。陆地生物生存于大气之中，气态营养物和废物很容易在生物与环境间循环运动。一般可溶性物质是随水进出生物体的。就全球来讲，江河中所携带的可溶性物质，只能随水流由高向低处移动，最后归入湖泊和海洋。而当湖水和海水蒸发时，这些物质被留下，有的还可形成沉积物。能够以气溶胶等形式回到陆地的极少。因此液态的物质循环常常是不完全的。
12、生物圈稳态
作为地球上最大的生态系统，生物圈的结构和功能能够长期维持相对稳定状态，这一现象称为生物圈稳态。
⑴、能量基础
首先，从能量角度看，源源不断的太阳能是生物圈维持正常运转的动力。太阳能转变为生物能够利用的化学能是通过绿色植物的光合作用实现的。这是生物圈赖以存在的能量基础。
⑵、物质基础
第二，从物质方面看，大气圈、水圈和岩石圈为生物的生存提供了各种必需的物质。在生物圈内由生产者、消费者和分解者所形成的三极结构，接通了从无机物到有机物，经过各种生物的多级利用，再分解为无机物重新循环的完整回路。生物圈可以说是一个在物质上自给自足的生态系统。这是生物圈赖以存在的物质基础。
⑶、自我调节能力
第三，生物圈具有多层次的自我调节能力。例如，当大气中二氧化碳含量增加时，会使植物加强光合作用，增加对二氧化碳的吸收；在一种生物绝灭以后，生物圈中起相同作用的其他生物就会取代它的位置；当某种植食性动物数量增加时，有关植物种群和天敌种群的数量也随之变化，从而使这种动物种群的数量得到控制。
生物圈虽然具有自我维持稳态的能力，但是这种能力是有限度的。人类活动在许多方面对生物圈造成的影响已经超过这种限度，对生物圈的稳态构成严重威胁。
13、人类与生物圈
⑴、概述
人类是生物圈中占统治地位的生物，能够大规模地改变生物圈，使其为人类的需要服务。然而，人类毕竟是生物圈中的一个成员，必需依赖于生物圈提供一切生活资料。人类对生物圈的改造应有一定限度，超过限度就会破坏生物圈的动态平衡，造成严重后果。
在地球上出现人类以后大约300万年的时期里，人类与其周围的生物和环境处于合理的平衡之中。人类在生物圈中的地位，从对生物圈能施加的影响而言，并不明显地超过其他动物。食物缺乏以及疾病等因素限制着人口密度。
⑵、粮食问题
在大约1万年以前，人类学会栽培植物。农业技术和贮存方法的改善，使人类生活不再局限于天天采集必需的食品，而能够从事更多的创造性活动。随着生产力不断提高，人口逐渐增加并且向城市集中；制造商品的手工业日益发展，人类活动对环境的影响和冲击也日益增加。尤其是在产业革命以后的近几百年来，开矿、挖煤、采油、伐林、垦荒、捕捞等人类活动的规模迅速扩大，生物圈的面貌也发生了极大变化。这种变化不仅影响着其中的其他成员，而且也对人类自身产生了巨大影响。
自20世纪60年代以来，由于人口膨胀、世界资源相对短缺和大范围环境污染，迫使人们从生物圈的角度考虑问题和解决问题。在70年代相继召开的一系列国际会议，如1971年联合国创议的“人与生物圈会议”、1972年的“人类环境会议”、1974年的“世界人口会议”等，便反映了上述认识。
世界人口正以大约35年翻一番的速度猛增，但是地球上可耕土地却是有限的，这必然造成全球范围的粮食问题。滥垦、滥牧、滥伐的日益严重，建设用地的高速扩展，都使全球植被减少。随之而来的后果是大范围的水土流失，耕地质量下降甚至发生荒漠化；失去了植被调节气候的作用，气温波动增大，水旱灾害增多；太阳辐射被反射散失的成分增加，绿色植物固定CO、产生O的能力随植被减少而等比地丧失。水域捕捞也已接近极限，某些鱼类多次大规模减产。化石燃料是现代工业的基石之一，但是它的蕴藏量毕竟是有限的；随着使用速度的日益增长，能源危机不断加剧。
⑶、环境污染
环境污染现已成为世界性问题。因为，工业排放含硫氧化物和氮氧化物的烟雾而造成酸雨波及数百里之外；燃烧油、煤及翻耕土地排出的CO弥散于全球大气中，有可能因向下反射地表的红外辐射而提高气温；喷气式飞行器排放的氮氧化物可能减少高空的臭氧，从而削弱对太阳紫外线的屏蔽作用；很多污染物随水流扩散到远处，造成明显危害。现今世界癌瘤发病率的升高，可能与环境污染有关。
总之，地球的资源是有限的，经不起日益膨胀的人口任意浪费；世界上现存的生态系统面对着工业倾吐出来的大量污染物，显得相当脆弱。自工业革命以来，都市不断扩大，自然保护的呼声也随之增高。然而，只有到了生态学高度发展以后，人们才对自然保护有了比较正确的认识。自然保护并不是对自然资源弃置不用，任其自生自灭，而是积极地进行合理开发利用。
⑷、自然生态系统
当自然生态系统达到成熟阶段时，其能量和物质的输入、输出之间往往保持相对平衡，而系统中的生物种数以及各种群的数量比例也相对稳定。这种生态平衡状态给生态学家以很大的启发：人类不仅要力求增进能量利用的效率（生态效率），而且还要维持物质循环源源不断。这是问题的一个方面；另一方面，人类今天要处理的是“人与生物圈”系统中，人的物质要求与环境的稳定供应之间的平衡。为此，某些自然系统一定要被生产效率更高的人工系统取代，原有的生态平衡要打破，而代之以人为干预下的新型平衡。例如，在人为的农业生产系统中，取得最大产量所利用的并不是系统的成熟阶段，而往往是发展过程中的中间阶段。人类不仅要求生物圈能长期稳定地满足其不断增长的物质要求，而且还要求环境质量不降低。造成这样的“人与生物圈”系统的总体平衡是人类的主要目标。
2020年1月21日编写于重庆
2021年12月18日修改于重庆
7
|
|
