生物圈

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  生物圈汉语拼音:Shengwuquan;英语:Biosphere),地球表层中生物栖居的范围。包括生物本身及其赖以生存的自然环境,并可看作地球上最大的生态系统。有人认为生物圈仅指生物总体而不包括它周围的自然环境,而另以生态圈一词来概括两者。与生物圈词义相关但界线更难划明确的还有“人类圈”和“智慧圈”,前者强调人类活动对生物圈的巨大影响,后者指人类的智力所能影响的范围。

生物圈的范围

  地球表层由大气圈水圈岩石圈构成,三圈中适于生物生存的范围就是生物圈。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11,000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。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22,000米的平流层中还发现有细菌真菌。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米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。

生物圈的进化

  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的时候,原始大气还富含甲烷硫化氢和水汽等含氢化合物,属还原性。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放出游离,使大气含氧量逐渐增多,变为氧化性,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。但生物初到陆地上的时候,遇到的只是岩石风化的岩石碎屑,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,最后出现了广布世界的各种植物和栖息其间的各种动物,逐步形成了现在的生物圈。

生物圈的能流

  地球与太空几乎没有物质交换,但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。地球内部也产生大量地热,还有一定量的太阳能储藏在生物体或其遗骸(包括煤炭等)中,但地球总体的能量收支大致平衡。到达地球外层空间(60千米高空)的太阳辐射量是恒定的,称太阳常数,约为2卡/(厘米2·分)。但平均只有一半(约47%)到达地面,另一半(约53%)于途中被反射或吸收掉。

  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,单位地表接受的辐射量降低。按千卡/(厘米2·年),最高值〔200千卡/(厘米2·年)〕出现于荒漠地区,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,原因除纬度低外,主要是干燥少云。最低值〔低于100千卡/(厘米2·年)〕出现于高纬度地区,包括高于50°的大陆地区和高于40°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移动,最后归入湖泊和海洋。当湖水和海水蒸发时,这些物质被留下,有的还形成沉积物,能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(见生物地球化学循环)。

人与生物圈

  人是生物圈中占统治地位的生物,能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,必须依赖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。人在生物圈中的地位,从对生物圈施加的影响而言,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。

  大约1万年以前,人类学会栽培植物。农业技术和储存方法的改善,使人类生活不再局限于每天采集必需的食品,因而能够从事更多的创造性活动。随着生产力的提高,人口逐渐增加并向城市集中,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。尤其是工业革命以后的近几百年,开矿、挖煤、采油、伐林、垦荒、捕捞等规模迅速扩大,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,也对人类自身产生巨大影响。

  世界人口正以大约35年翻一番的速度猛增,但地球上可耕土地是有限的,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CO2、产生O2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,但它的蕴藏量毕竟是有限的。随着使用速度的日益增长,燃料危机不断加剧。

  环境污染已成为世界性问题。因工业排放含硫氧化物和氮氧化物的烟雾而造成的酸雨波及数百里之外;燃烧油、煤及翻耕土地排出的CO2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。

  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,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利用的效率(生态效率),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够长期稳定地满足其不断增长的物质要求,而且要求环境质量不降低,形成这样的“人与生物圈”系统的总体平衡是人类的主要目标。