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土地利用 / 土地覆盖变化与陆地生态系统变化

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土地利用 / 土地覆盖变化与陆地生态系统变化 - PowerPoint PPT Presentation


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土地利用 / 土地覆盖变化与陆地生态系统变化. LAND=LUCC (Land use/cover changes)+GCTE(Global Change and Terrestrial Ecosystem ). 土地利用和土地覆盖变化. ( Land Use and Cover Change, LUCC). 科学目标. 全球土地使用和覆盖变化的驱动因素 土地利用和土地覆盖的时空考察和论证 说明可持续发展和不同的土地使用方式间的联系 理解 LUCC 、生物地球化学和气候变化的相互关系。. 土地利用/土地覆盖变化( LUCC )研究计划.

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土地利用/土地覆盖变化与陆地生态系统变化

LAND=LUCC (Land use/cover changes)+GCTE(Global Change and Terrestrial Ecosystem )

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土地利用和土地覆盖变化

(Land Use and Cover Change, LUCC)

科学目标

  • 全球土地使用和覆盖变化的驱动因素
  • 土地利用和土地覆盖的时空考察和论证
  • 说明可持续发展和不同的土地使用方式间的联系
  • 理解LUCC、生物地球化学和气候变化的相互关系。
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土地利用/土地覆盖变化(LUCC)研究计划
  • 1995年IGBP与IHDP合作实施的土地利用/土地覆盖变化(LUCC)研究计划。它以四个中心问题为导向:
    • 第一,近300年来人类利用(human use)导致的土地覆盖的变化;
    • 第二,人类土地利用发生变化的主要原因;
    • 第三,土地利用的变化在今后50年如何改变土地覆盖;
    • 第四,全球变化对土地利用与土地覆盖的影响。
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支撑LUCC的重大科学问题包括:
    • 改进对引起人与环境关系发生正向或逆向变化(即一方面荒漠化、营养失调、缓慢的食物危机,另一方面植树造林与恢复环境)的土地利用/土地覆盖变化轨迹的认识;
    • 揭示土地利用/土地覆盖变化作为元素生物地球化学循环的源和汇的重要作用,辨识决定脆弱景观(易损的或弹性的)状态的驱动者(Coleen Vogel,1999)。
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全球变化与陆地生态系统

(Global Change and Terrestrial Ecosystem,GCTE)

  • 科学目标
  • 预测气候、大气组成、土地利用变化对陆地生态系统的影响,包括农业,森林,土壤,生物多样性,等。
  • 确定这些变化如何反作用于大气及物理气候系统。
  • 研究焦点
  • 焦点1: 生态系统生理学
  • 焦点2: 生态系统结构变化
  • 焦点3: 农业生态学和生产力系统
  • 焦点4: 生物多样性和生态系统功能
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国际上以陆地生态系统为研究核心的全球变化研究主要集中在3个方面:
    • (1)生物地球化学循环:研究生态系统生命元素(C、N、S和P等)的全球与区域循环,特别是陆地生态系统的净第一性生产力、碳及养分循环特征,以揭示陆地生态系统的源/汇对于全球变化的贡献及其反馈作用,探讨适应与减缓全球变化的对策;
    • (2)生物地球物理动力学:研究不同植被类型的土壤-植被-大气系统的能量、水分和动量平衡,以及不同气候条件下的植被结构特征,如叶面积指数等,探讨不同植被类型对于气候变化的反应及其反馈作用;
    • (3)生物地球社会驱动力:研究区域性的土地利用格局、产业结构转变、经济生活水平及自然资源开发决策机制等对于生态系统的生物、物理、化学过程的影响机制,以加深人类活动对于全球变化贡献及其反馈作用的理解。
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陆地计划(LAND Project)

目标

判断人类-环境系统的变化,以及局部、区域和全球尺度上该系统的承受限度

研究主题

主题1 陆地系统变化的原因和本质

主题2 陆地系统变化的后果

主题3 陆地可持续性的综合分析和模拟

biome300
“BIOME300”
  • PAGES与LUCC和GAIM等合作开展的综合研究项目“BIOME300”,国际上过去土地利用/土地覆盖变化研究的主要目标是改进对CE1700~1950期间全球和区域尺度上土地覆盖重建结果的认识,并且在对300年土地覆盖历史进行复原的同时研究与此相联系的全球C循环等生物地球化学循环过程(Jill Jger,1999)。
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PAGES: 生态系统/人的相互作用(Ecosystem/Human Interactions)

目标:

将过去人-环境相互作用和当前生态系统和流域研究成果和模型一体化。

三个子计划:

  • 人类影响和陆地系统(Hite: Human Impacts on Terrestrial Ecosystems)
  • 土地利用变化及其对河流生态系统的冲击(LUCIFS: Land Use Changes and Impacts on Fluvial Ecosystems)
  • 人类对湖泊生态系统的影响(LIMPACS: Human Impacts on Lake Ecosystems)
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土地利用/土地覆盖变化概念
  • 陆地表面是人类生存的一个最主要空间,人类社会在其自身的长期发展中适应、改造了自然,这种适应和改造自然的痕迹在很大程度上表现为对土地的各种利用形式及陆地表面的土地覆盖变化。
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土地覆盖
  • 概念:土地覆盖是指地球表面的生物物理状态,如森林、草地、湿地、作物用地、城市用地等,土地覆盖变化包括生物多样性、现实的和潜在的初级生产力、土壤质量以及径流和沉积速率中的种种变化。
  • 类型:
    • 土地覆盖换型:森林——耕地;
    • 土地覆盖渐变:土地退化
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土地利用
  • 概念:土地利用是指人类为获取一定的经济、环境或政治福利(利益),而对土地进行保护、改造并凭借土地的某些属性进行生产性或非生产性活动的方式、过程及结果(李平)
  • 类型:林地、草地、农田、工矿交通、城市、水体、裸地
    • 农田:水田、坡地、梯田、坝地
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土地利用与土地覆盖变化的关系
  • 从目前的自然界变化来看,无论是全球还是区域上的土地覆盖变化,在很大程度上是由人类的土地利用方式及其变化所引起的,因此,土地利用不是一个纯粹的自然现象。
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土地覆盖在全球环境变化中扮演一个极其重要的角色。
  • 从地球系统的物质循环系统来看,土地覆盖是那些支撑地圈-生物圈中物质流和能量流过程的一个重要的源与汇,其中包括温室气体以及陆面的水文循环,它在相当程度上影响了地圈、生物圈及大气圈之间的物质交换过程,也是影响陆地与海洋之间物质交换的一个重要影响因素。
  • 从陆地生态系统多样性来看,它的变化对地球生物多样性的变化产生极大的影响。
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从人类社会的可持续发展及其对全球变化的响应方面来看,土地利用和土地覆盖又是人类社会生存和适应、改造自然的一个活动面,具体体现了人类社会对环境变化的各种主动和被动的反应与响应。
  • 从预测全球变化未来趋势这个国家目标来看,它是全球或区域模型的重要参数,直接影响到模拟结果的可靠性和预测的准确性。
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与土地利用/土地覆盖变化相关的研究

全球变化的适应

生物地球化学/物理过程

社会经济发展

人类活动

驱动力

土地利用/土地覆盖变化

生物多样性

陆地表层过程

自然原因

累积性全球变化

碳吸收/排放

气候变化

碳循环

系统性全球变化

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如果从原始人类在狩猎中使用火驱赶猎物算起,人类社会开始影响土地覆盖的历史至少应该上推至中更新世;古人类的农业开发和农业技术的出现是人类利用土地的开始,从此以后人类便以其特有的力量逐渐地改变着全球陆地表面的土地覆盖。进入工业社会以后,人类活动更是以前所未有的速率和规模改变着全球的土地覆盖,成为驱动全球变化的重要驱动力。
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农业革命及其空间扩展
  • 俄罗斯植物遗传学家Nicolai Vavilov(1926)提出,世界农业可能有8个起源中心,它们大多在欧亚大陆亚热带以南,呈带状分布(图 第七章 -32)
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中美洲是玉米的驯化中心,其驯化的时间不晚于7kaBP。中美地区作物的驯化是一个缓慢的过程,农业取代采集—狩猎生产方式的过程至少经过了3500年的时间。只是到了约3800aBP以后,玉米穗的个体经过人工的不断选择而不断增大,产量到达200kg/ha,超过了任何野生植物产量,才因而出现了充分发育的农业和建立在玉米种植基础之上的农业聚落(图 第七章 -34)。
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以农业从近东向欧洲的扩展过程约从9kaBP以后开始,经历了约4000年的时间才扩展到欧洲的西北端。斯堪的那维亚人骨碳同位素的分析结果显示,农业达到该地区的时间大致在5kaBP前后。5kaBP以前的古斯堪的那维亚人象现代的格陵兰人一样,主要以海洋性食物为食,但5kaBP以来,斯堪的那维亚人突然改变为象许多欧洲人一样以农产品为食物(图 第七章 -38)。
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图7-22 爱尔兰Ballysullion史前农业时期的孢粉记录。A 实际的记录,B 推测的在长期的休耕轮作农业情况下的可能变化(据Roberts,1989)
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Land Cover 1700

土地利用变化

Biome300

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Land Cover 1970

10% land surface converted

40% land surface modified

100% impacted by humans

Biome300

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欧洲中部和北部的大规模开发主要发生在1000AD以后,特别是与1050~1250AD期间德国人东扩使大量的森林被破坏而成为农田有关。1500~1800AD欧洲殖民者为向外扩张而大量建造船只、以及工业化早期以薪材和木炭为主要能源的工业的发展,进一步加剧了对欧洲地区森林的破坏。欧洲炼铁用的木炭的短缺呈不断增长的趋势,15世纪末期英格兰一些主要铁的生产地的生产因木材供应不足而受到限制。18世纪的瑞典因其丰富的森林资源而成为铁的主要生产国。在法国甚至发生海军与工业生产者竞争木材的事件。俄罗斯的欧洲部分是欧洲地区森林遭受破坏的一个缩影。
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几个世纪以来,人类活动的影响给地球表面带来了剧烈的变化[61-63]。森林、湿地、稀树草原和草地,以及沙漠的面积和组成都发生了巨大变化。对全球过去300年土地利用变化的估算表明,全世界森林和林地面积比1700年减少了12×108 hm2 ,占1700年总面积的19 %[64];草地和牧场减少了5.6×108 hm2,占1700年估算总面积的8 %;农业用地面积净增加了12×108 hm2,3个世纪来增加了466 %。土地利用的剧烈变化与农业集约化生产永久地改变了包括其生物地球化学循环在内的整个陆地生物圈的结构和功能[65]。作为CO2的源,土地利用变化是仅次于化石燃料燃烧的造成大气CO2浓度升高的第二大原因[66-68]。另外,土地利用变化还会影响地球系统中的能量平衡并对区域或全球气候系统产生潜在影响[69]。
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在过去300年里,农田面积增加了1200万平方公里,约为美国和墨西哥面积的总和,新增的地区主要为欧洲人殖民的北美和澳大利亚、前苏联、近年来大规模开发的热带地区。大多数耕地的增加以森林破坏为代价,同时也开垦了一部分草地和湿地。同期,森林面积减少600万平方公里,略小于澳大利亚的面积;湿地的面积减少160万平方公里,相当于伊朗的面积。
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土地覆盖变化是人类活动导致全球变化的最直观的表现,目前已有近一半的地球表面被人类所扰动。如果除去冰盖、沙漠等人类无法居住的部分,在地球上约1.35亿km2的可居住地区中,只有近四分之一保持着自然状态;近四分之三的自然生境已遭人类改变,其中完全被改变和部分被改变的土地约各占一半。农田、城市、道路等人工景观替代自然景观是长期的人类活动所导致的大范围环境变化中最为直观的现象。
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土地利用/土地覆盖变化的驱动力
  • 社会经济因素驱动的土地利用/土地覆盖变化
  • 环境变化驱动的土地利用/土地覆盖变化
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土地利用变化驱动力的解释

土地利用是人与土地相互作用构成的动态系统,因而从本质上讲,土地利用的变化基本上源于三个方面的原因:

(1)在社会经济发展的不同时期,人们对土地产出(或服务)的种类或数量的需求发生改变,由此导致的土地利用变化,可称之为内生性变化或主动性变化;

(2)由于自然或人为原因导致土地的属性发生变化,或者社会群体目标发生变化,迫使人们不得不改变土地的利用方式,可称之为外生性变化或被动性变化;

(3)技术进步导致土地利用方式的改变,可称之为技术性变化。然而,无论哪种原因导致的变化,都源于土地所有者或使用者对于地用类型间边际效用的比较。

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土地利用变化驱动力的层次和类型
  • (1)个体行为驱动 或称经济福利驱动,主要有两种类型。
    • 1)生存型经济福利驱动;
    • 2)最优经济福利驱动:
  • (2)社会行为驱动 主要有两种类型。
    • 1)环境安全驱动,
    • 2)食物安全驱动:
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The expansion of cropped land and pasture is, by far, the leading proximate cause of tropical deforestation. It was found to lead to deforestation in 146 out of 152 cases (96%) – see Table 7. In next to all cases, agricultural expansion does not operate alone, but in combination with other proximate causes. Permanent cropping, pasture creation for cattle ranching, shifting cultivation and colonization (transmigration, resettlement) hold similarly high shares (40 to 48%). As a broad group, agricultural activities tend to be equally widespread among regional cases, but cattle ranching and colonization are important in certain regions, and only permanent cultivation and shifting cultivation are robust proximate causes.
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植被向气候顶极群落演替,与该地区的气候相适应

冰川退缩后裸地上的原生演替

弃耕农田上的次生演替

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不同气候有不同的植被的类型

苔原

温度降低

荒漠

森林

降水减少

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变暖

变冷

图 7-13 德国黑森地区全新世植被类型的演替

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Two reconstructions of what the world looked like during the height of the last glaciation (below) and around 6000 years ago

(above). Note that the extent of sea-ice is not shown (nor is Antartica). Work is continuing on refi ning these maps. There is a considerable debate over the former extent of ice cover (e.g. in North West Russia) and over the character of vegetation cover in many regions (e.g. Amazonia) during glacial times. On these maps greens represent vegetation requiring more moisture and browns and yellows are aridity tolerant biomes. Purples represent tundra, taiga and step vegetation and white is ice. Full documentation is available in the original publication.

source: Petit-Maire (1999) C.R. Acad Sci Paris, Earth + Planetary Sciences, 328, 273-279.

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生物地球化学过程变化
  • 过程机制
    • 生物量
    • 土壤化学性质
  • 结果
    • 碳循环——气候变化:土地覆盖和土地利用变化在温室气体的平衡中扮演了一个重要的角色。因为其是这些气体的重要的源和汇,直接影响到这些气体的富集 (Leemans 1995) ,因此,它的变化会改变大气温室气体的平衡,并因此改变全球和区域气候;
    • 营养元素循环——海洋生态系统(N富营养化)
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森林生态系统管理与碳循环
  • 全球森林生态系统的碳贮量约1 1 4.6PgC
  • 森林砍伐与碳循环 :热带地区种植园的森林地上生物量较自然森林低 2 0 %~ 50 % ;温带地区生产性森林的地上生物量较自然森林低 40 %~50 % 。次生森林和不定期砍伐森林的木本植物生物量较自然森林低 30 %~ 80 % (FAO ,1 981 )
  • 森林收获早亦将引起固碳量的降低。平均而言 ,经过几个“生长 收获”周期后 ,人工林的碳贮量仅是未干扰立地或原始林的 30 %。
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森林收获后土壤碳含量一直处于下降状态 ,一般需要经过 2 0~ 50年才可使土壤碳含量增加 ,但经过多个“生长 收获”长期经营森林的土壤碳贮量如何变化还不清楚
  • 森林转变成农田与碳循环 :至 1 998年已有约750× 1 0 6hm2 的森林被用作农田 ,占土地利用变化的 45% 。一般而言 ,1m深度土层内的土壤碳损失 2 5%~ 30 %,耕作层 (0~2 0cm)损失最大 ,可达 40 %。森林用作农田后 ,土壤碳含量一直处于下降状态 ,尤其在前 5年 ,与森林砍伐类似 ,一般需经过2 0~ 50年才可使土壤碳含量增加
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草地转换成农田与碳循环
  • 全球的草地面积 ,包括热带草原、温带草原、冻原及高寒草原 ,约为 44. 5亿hm2 ,碳贮量达 76 1PgC ,其中植被占 1 0 . 6 % ,土壤则占 89. 4%
  • 至 1 998年 ,全球已有约 6 6 0Mhm2的草地被开垦成农田 ,占土地利用变化的近 40 %。
  • 这些草地开垦成农田使得碳贮量由草地的 1 1 6tC·hm-2 减少到农田的 87tC·hm-2 ,亦即碳贮量损失了 1 9Gt(2 8.8tC·hm-2 );同时 ,地上生物量损失了 7.7Gt(2 8.8tC·hm-2 )。这些碳贮量的减少超过了热带森林转化为农田导致的土壤碳损失的全球平均值 2 4.5tC·hm-2
  • 就全球碳平均而言 ,草地开垦成农田导致 1m深度土层内的土壤碳损失 2 0 %~ 30 %,与森林被用作农田后 1m深度土层内的土壤碳损失 2 5%~ 30 %相当
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其它生物圈改变
  • Maltby(1992) 估计全球共有泥炭地面积3985万hm2,每年积累碳素的总量为9850万t,固定在泥炭中的碳的总储量达4600亿t。湿地开发后,由CO2的汇变成CO2的源,改变了湿地碳循环模式。从工业革命到1980年,因土地利用方式改变,造成66~81亿t碳从泥炭地中释放,平均每年转化1.820~2.720亿t。
  • 水稻田是人为甲烷气体排放的主要来源
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生物地球物理过程变化
  • 过程机制
    • 土壤物理性质
    • 土地覆盖物理特征
  • 结果
    • 土壤侵蚀—河湖沉积/大气尘埃——海洋沉积/生态系统:由于不适当的土地利用和由此形成的土地覆盖变化而引起表土层的质量退化以及土壤侵蚀的问题是许多地方面临的环境问题之一。

——大气尘埃物质——气候变化

    • 陆地水文过程变化
    • 地表水热交换——气候变化:土地覆盖和土地利用的方式在很大程度上决定了地表的反照率、粗糙程度以及水气通量,它们的变化可以改变区域或是全球水气和热量平衡,对区域气候及全球气候变化产生影响。
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农田

大洪水

草地牧场

森林

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生物多样性变化
  • 过程机制
    • 物种变化
    • 生境改变:生存空间压缩、破碎化
  • 结果:土地利用和土地覆盖变化对生物多样性的影响已经超过了任何其它全球变化的成分。
    • 脆弱性
    • 绝灭
    • 生物入侵
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各种类型的植被破坏均造成生态系统多样性的破坏。受到人类排挤与破坏的许多野生动植物因森林的破坏和土地利用而丧失其栖息地,丧失其物种和基因的多样性,正在以前所未有的速度绝灭着,已经有很多动物和植物种由于人类的活动而从地球上消失了,并且还有更多的物种正处于灭绝的边缘。
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长刺歌雀

草地云雀

海狸

丛林狼

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生态系统对土地利用变化的适应性
  • 放牧与围栏和割草不同,它不仅改变植物群落的结构与功能之间的线性关系,而且亦改变了植物群落各特征与环境之间的线性关系,从而为定量模拟放牧影响提供了依据。

围 栏

割 草

植物群落各特征关系对不同人为干扰方式的响应

放 牧

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草原植物群落特征与降水量关系对人为干扰方式的响应

割 草

放牧

围栏

物种数

地上

生物量

土壤

有机氮

土壤

有机碳

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 羊草对CO2倍增和水分胁迫的响应
  • CO2浓度倍增、水分胁迫以及CO2浓度倍增与水分胁迫协同作用均将导致羊草根冠比的增加,反映了羊草对于不同环境胁迫的适应对策
  • 水分胁迫将在一定程度上减弱“CO2施肥效应”

CO2浓度倍增与水分胁迫协同作用

施肥效应

水分胁迫

CO2浓度倍增

施肥效应+水分胁迫

水分胁迫

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生物多样性
  • 物种多样性
  • 基因多样性
  • 生态系统多样性
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生物多样性
  • 生物多样性的测定:最简单的定义就是一个群落现存的物种数量,一个只有5种昆虫的群落其多样性要比具有100种昆虫的群落低很多。
  • Simpson多样性指数是用来测定:同一群落中抽出两个个体,而这两个个体属于不同的物种的可能性,这一可能性的定量表述如下:
  • Simpson多样性=1-[(A物种比例)2+(B物种比例)2+……]
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相互作用的多样性 是我们理解生物群与自然世界之间的反馈机制的关键
  • 如果地球系统有其他途径完成光合作用、分解作用的重要职能,那么地球系统的恢复力会更好。如果其中的一种途径丧失了(比如物种灭绝?)另外的途径可以补偿。一个有10种相互作用,20个物种的生态系统的多样性当然与同样有这10种相互作用却有40个物种的生态系统不同。最后一个与系统多样性相关的内容是潜在多样性。现在并不是很繁盛的物种在经过一定干扰后会变成优势物种,由此过程我们可以确定,地球系统的基本功能不会因为一些小的变化或中断而停滞。
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多样性与稳定性:在这一领域里并没有做什么切实的工作
    • 稳定的环境可以产生高度的生物多样性 ,即时间稳定性假说。热带地区持续而均一的环境条件使得生物的进化能够持续发展没有中断,进而产生较好的生物多样性。
    • 中间扰动假说却坚持认为热带生态系统较好的生物多样性是频繁且剧烈的扰动造成的,这一假说与前面的稳定性假说恰恰相反。在生物多样性较好的热带雨林地区中有的物种的幼体数量很少甚至没有(即将灭亡)。而有的物种的幼体占很大的比例(处于繁盛期)有假设认为这种差异是由于近期自然界的一次扰动造成的。
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生物多样性在生态系统中的重要性
  • 对于一个系统而言,一部分的变化就会导致整个系统的变化。由于一个生态系统中的各物种之间相互依存,所以一个物种发生了变化,其它物种也会随之改变,改变的程度取决于首先发生改变的那个物种在这个生态系统中的作用。
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世界人口及资源利用

工业

农业

生物地球化学循环变化

CO2增加

有机物的生成

土地利用/土地覆盖变化

对自然种群的利用

生物入侵

全球气候变化

生物多样性丧失

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由ISCU下属的国际生物科学联合会和环境科学委员会(SCOPE)联合制定并于1991年开始实施的生物多样性计划(DIVERSITAS)被作为全球变化国际项目之一,该计划旨在研究地球上生物多样性,现包括三个计划:(1)生物多样性的生态系统功能;(2)生物多样性的产生、减少及其维护;(3)生物多样性的编目与监测。
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生命起源

真核细胞出现

生物登陆

光合作用起源

生命的进化经历了三个阶段

早期为化学进化阶段(40~38亿年前)

中期为细胞进化阶段(38~7亿年前)

晚期(7亿年前以后)为多细胞复杂生命进化

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生命的进化经历了三个阶段,早期为化学进化阶段(40~38亿年前),进化本质上是化学过程;中期为细胞进化阶段(38~7亿年前),进化革新发生在细胞内部结构和相关的生理过程上,细胞的生物化学组成和基本特征并无大的改变;在晚期(7亿年前以后)的多细胞复杂生命进化出现之后,进化革新主要表现在组织器官结构及其功能的适应改变上,而这时的生命在生物化学、代谢途径以及细胞结构等低层次的基本特征上则表现出相对的保守。从早期到晚期,进化的主要过程呈现从低层次向高层次转移的特征,即发生了“进化层次上移”。
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生物多样性的化石记录
  • 对多样性最简单的描述就是物种类型的数量,当有新物种通过基因突变产生,并且在机体组织、身体机能和行为上有所进化,多样性就随之增加,相反,当有物种灭绝的时候多样性也就随之降低。灭绝即一个物种的所有个体全部消失。所以,多样性是衡量生物群状况的一个重要思想。
  • 地球物种数量变化率=新生率---灭绝率
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化石表明在过去的几亿年里地球的生物多样性一直在增加,但是期间也有明显的波动。
  • 现在地球上的生物多样性至少有一部分是生物进化的结果,
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寒武纪生命爆发
  • 大量的多细胞动物化石在距今5.4亿年前的寒武纪岩层中的出现表明,地球上的生命在5.3亿年前发生过一次大规模的演化事件,古生物学家们称之为“寒武纪大爆发”。
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寒武纪生命爆发
  • 寒武记大爆发是生命爆发性发展的典型例子。早寒武世期间的动物化石有900种,有9个门的海洋生物是首次出现,它们是原始动物、腔肠动物(水母、海葵)、古杯类(海绵)、多孔动物、苔藓动物、软体动物(腹足类、斧足类、头足类)腕足动物、节肢动物(三叶虫)、棘皮动物(海林檎类)。至中奥陶世时,各门无脊椎动物都完善地演化出来了。同时藻类取代了叠层石而繁盛于海洋。
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“澄江动物群的地质时代正处于‘寒武纪大爆发’时期,
  • 各种各样的动物在‘寒武纪大爆发’时期迅速起源,立即出现,现在生活在地球上的各个动物门类几乎都已同时存在,而不是经过长时间的演化慢慢变来的。它将动物多样性的历史前推到寒武纪早期。”
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澄江动物群因1984年7月1日在云南省澄江县首次发现而得名,是寒武纪早期(距今约5.3亿年)的一个多门类动物化石群,不仅动物类型多,而且十分珍稀地保存了生物的软体构造,首次栩栩如生地再现了远古海洋生命的壮丽景观和现生动物的原始特征。
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Origin and Earliest Evolution of Animals

----Evidence from Early Cambrian of China

ZHU Mao-yan

Nanjing Institute of Geology and Paleontology

Chinese Academy of Sciences

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在过去的5亿年里有5次主要的全球生物多样性的低谷。这几次低谷发生得都很突然,至少化石资料的分析如此,而且均至少有40%的生物属灭绝,对于种这一级别的影响就更大了。在每一次过程中,生物灭绝事件之后都有一段生物多样性恢复的过程。
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最大的生物灭绝发生在二叠纪-三迭纪之交,海洋无脊椎动物受到重大影响,三叶虫、海蕾、蜓类有孔虫、板足鳖类、四射珊瑚、四分之三的苔藓虫和许多头足类、海绵、腕足类、棘皮类以及软体动物的许多科都绝灭了,有25%的两栖类的科和80%以上的爬行类的科消失了。
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白垩纪-第三纪大规模物种灭绝
  • 白垩纪末的绝灭包括菊石类、箭石类、某些植物、苔藓动物、双壳类软体动物、海胆、浮游有孔虫及大多数陆生、海生、飞行的爬行类(如恐龙、鱼龙、翼龙);在爬行类中只有鳄鱼、蛇、龟和蜥蜴残存到第三纪。
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白垩纪-第三纪大规模物种灭绝
  • K-T大规模生物灭绝的可能成因
  • 科学著作中出现的关于白垩纪末期大规模生物灭绝起因的假说有20余种,经过科学家对这一问题的详细研究,有四种说法被接受:(1)海平面的突变(2)气温的剧烈波动(3)火山爆发(4)陨石撞击(这里指的是广义上的陨石,包括彗星、小行星等撞击地球的天体,通常来说在它们撞击地球之前被称为流星体,撞击后的残余物质被称为陨石)。
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大气摩擦对地外天体的拦截作用

铱异常,植物种减少

陨体出现的时间间隔

K-T大规模生物灭绝被认为是直径10公里的小行星撞击地球的结果。

陨体直径

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3大的星体非常频繁地与地球相撞可以解释有关物种灭绝的记载。随后美国地质测量机构的EUGENE SHOEMAKER(Shoemaker-Levy彗星与木星相撞的发现者)论证在撞击的频率和撞击的程度有很好的相关关系(图10-6)。根据这样的相关关系,直径十公里的小行星撞击地球的几率为每一亿年一遇。这样的事件十分罕见,但是从生命起源时算起这样的事件已经发生过很多次了。
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在短的时间尺度上,这样的事件更为罕见。实际上在地质时期的其他阶段也没有发现铱数量相对异常的事件。根据证据3,应该还有岩石中存在有铱的异常富集层而我们还没有分析到,除非绝大部分的小行星的铱含量都不高(例如气态彗星)。
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9.在交界层的粘土中有证据表明在地球受到撞击时伴有高温。在这一交界期的粘土层中还发现有小球体状的硅酸盐矿物(图10-8)这些小球体被认为是在地球受到撞击时,熔岩滴喷发到大气中时形成的。在从新落回地表之前冷却、固化成玻璃状球体。
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10、在交界层的粘土中有证据表明在地球受到撞击时伴有高压。在交界期的粘土层中能够普遍的发现被震落的石英碎屑。这样的石英碎屑只有在高压的条件下才会产生,而小行星撞击地球时就可以产生这样的高压。在这种条件下,石英的晶体结构被改造成一种特有的性状,所以地质学家可以很容易地将这类石英碎屑与那些在地球内部高压环境下逐渐形成的石英区别开。这种石英碎屑经常可以在陨石坑或者发生地下核爆炸地区周围的岩石中发现。
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11、K-T事件中产生的磷火可能产生一些烧焦的物质保存在沉积物证据中。在K-T的粘土层中碳的确是十分普遍得存在的。最近NASA的科学家提出了一个关于K-T时期发生全球性磷火的自然的解释。撞击形成陨石坑的过程中掀起了大量的物质,这些物质以撞击点为中心,被冲击到四面八方。其中的一些物质被喷发到大气中去,和这些喷发物质同时进入大气的热量是太阳辐射量的50~100倍,整个世界被浓烟笼罩热气腾腾。因此,所有的大陆都植都迅速干枯燃烧。在云雾笼罩的地区,或者在湖泊海洋中,这些能量使得液态的水蒸发为云滴。
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12铱的富集层应该恰好出现在恐龙化石之上。根据意大利的GUBBIO,铱的富集层存在于发现白垩纪有孔虫的地层之上不到一毫米的地方。但是有孔虫毕竟不是恐龙,恐龙的化石是十分罕见的,所以我们不大可能发现最近的恐龙的化石恰好在铱富集层之下。古生物学家在K-T交界层之下大于2米的地方发现了关节相连的恐龙化石(化石的关节是完整的),与铱的富集层在同一位置。虽然由于在K-T地层之上的沉积岩中发现有不完整的恐龙化石而产生了许多混乱和争议,但是这些化石有可能从老的岩石中剥蚀出来,在新的岩石中重新沉积而成的。
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13 物种灭绝事件的模式表明,没有物种能够因为非常适应白垩纪的环境而具有优先生存权。如前所述,通常发生的大规模物种灭绝和较为特殊的K-T这一次均没有非常详细的资料。但是K-T物种灭绝事件的确给使大量的陆生动物造到了很大的打击;事实上,所有平均体重超过25公斤的的物种都灭绝了。相反哺乳动物那时体重较轻,发展地非常好。可能是由于小的动物的个体数量较多,所以发展地相对较好,所以从统计学意义上讲,其中的一部分能够在这一事件中幸存下来。也可能它们更能躲避小行星撞击地球后立即产生的影响。这次灭绝事件之后,哺乳动物不断进化,并且填补了所有恐龙灭绝后留下来的空白生境。
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*现存的生物种类有多少?我们还不确定。有据可查的大约有1400万种,并且发现新物种的速度要比登记造册快得多。
  • *还会有多少物种被发现呢,估计范围在1千万到一亿之间。
  • *每年有多少物种灭绝?我们也不知道。对它的估计是根据消失的物种所占的比例得出的,同样现存物种的数量也是通过比例估计的。
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根据一些估计,按现在的物种灭绝速度,将有四分之一的物种在50年之内消失。如果我们假定现存物种有一亿种,每年有50万种灭绝;如果有1000万种,那么每年有5万种灭绝。但是无论怎样,每天消失的物种都是人类活动的直接结果。
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晚期智人占据了大面积的生活范围,在那里他们或许进行了季节性的巡回开发,当食物变得匮乏时,他们就带上仅有的一点生活资料迁徙他处,随着猎物的迁徙或植物的生长进入旺季,他们年复一年地返回同一地区。对一个25人的人群来说,至少需要75km2的生存空间,如此低的人口密度意味着直到10kaBP前后,世界人口可能也没有到达1000万人,这样的人口数量可能维持了数千年。
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采集-狩猎者对环境的影响
  • 火的使用是人与环境关系上的一次重大革命。根据世界许多地区的考古发现,原始人类至少在0.5MaBP前后已能够控制火的使用,至于人类开始利用火的时间应该更早,可能会超过1MaBP。可能是火的使用促进了人类向欧亚大陆条件较恶劣地区的扩展。
  • 火对原始人类可能有多种用途,其中用火捕杀动物和烧烤食物可能是最重要的用途。人类也可能把火用于清除植被或促进植被的再生,因此火可能是人类最古老的环境管理工具。
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澳大利亚的孢粉和碳屑分析表明,在土著人到达澳大利亚后,碳屑所指示的火灾的频率明显增大,耐火的桉树树种有增多的趋势。另一项分析显示澳大利亚全新世期间火灾频率远远高于土著人尚未到达前的上一个间冰期。在英国和德国发现的220~200kaBP间冰期期间的一个温带森林阶段里出现的短期森林衰退现象也被怀疑与原始人类用火有关。
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更新世生物绝灭
  • 在更新世末期,曾出现过一次动物绝灭的浪潮。最主要的遇难者是体重超过44kg的大型哺乳动物,如猛犸象、乳齿象(Mammut americanum)、披毛犀(Coleodonta antiquitatis)、巨鹿(Megaloceros)、美国马(Equus occidentalis)等,小型哺乳动物和鸟类也受到影响。绝灭现象是全球性的,在北美和欧亚大陆北部最为显著;各地绝灭的时间不同,但主要发生在更新世结束之际(14~10kaBP)。
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上述动物绝灭发生在从冰期向间冰期转换的气候快速变化时期,因此有人认为这些大型哺乳动物的绝灭是它们不能适应变化后环境的结果
  • “更新世滥杀”导致动物绝灭的假说。他们认为,作为一种新的捕食者的人类,应对那些已因环境变化而数量减少、而又没有防御性适应行为的动物灭绝负责。
  • 人类对生态系统结构和稳定性的改变,使得其它大型哺乳动物更易于受到环境压力的危害。
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农业对生物多样性的影响
  • 破坏自然系统
  • 驯化
  • 伴生
  • 抑制分布
  • 经济分布
  • 观赏分布
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考古发现表明,10.3~9.5kaBP期间,变异的野生谷物出现于其自然分布区之外,特别是出现在高水位的冲积环境地区(如幼发拉底河的洪积平原),原始农业的迹象已显现出来。9.5~8.3kaBP期间,十分完善的村庄广泛地出现在所谓的新月地带地区,聚落规模很大,其人口数量可达数百甚至上千的规模,纯农业的生产方式已经出现。在同期的Abu Hureyra遗址中,羊和山羊(占所有动物骨骼遗存的70%)突然取代了9.5kaBP以前占绝对优势的瞪羚(占所有动物骨骼的80%以上),显示出以谷物栽培为基础并与动物驯养相结合的综合农业特征。
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欧洲向新大陆殖民的影响
  • 1500AD以后,大批欧洲殖民者向南部非洲、南美、北美、澳大利亚、新西兰等新大陆移民,仅1835~1935AD年的100年中,就有7500万欧洲人迁移到新大陆和其它海外领地,他们用强硬的手段征服或控制那里的人们,在实行殖民统治的同时,把那里的经济纳入欧洲的资本主义经济系统。在欧洲殖民者进入之前,上述地区中的许多地区仍存在采集-狩猎的生存方式(图 第七章 -36),当地的土著居民与环境之间维持着一定的平衡。随着欧洲殖民者的进入,这些地区的环境发生重大变化。
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首先是森林的破坏,
    • 定居农业;
    • 早期工业生产也造成森林破坏,
    • 美国西部内华达的尤里卡,1873年时有13座冶炼炉,冶炼金和银矿石的能力为每天595t,为此所消耗的大量木材导致尤里卡周围方圆80km范围内树木被砍伐殆尽。欧洲殖民者到来之前美国的森林面积估计为370×106hm2,但现在只有17.6×106hm2近似保持原始状态,另有288×106hm2森林已绝大多数是次生林或由人类高度经营的森林。
  • 森林被破坏地区的土壤侵蚀显著增加(图 第七章 -44)。
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除牛羊外,被引进澳大利亚的动物包括:干旱环境下的马、驴、骆驼等牲畜,狩猎用的兔子、野兔、狐狸、鹿等,作为宠物的狗、猫等,不小心带进的鼠类,以及用作食物的猪、山羊、水牛等,这些动物现都已野生化,因此形成新的动物群。兔子现泛滥于热带澳大利亚以外的地区,对草原的草本和灌木植被、树木的更新、以及土壤产生严重的影响。半干旱地区的山羊、沼泽地的猪、热带沼泽地的水牛、山地森林中的鹿、干旱区中的骆驼和驴都对植被和土壤产生不同程度的影响。除此之外,被引入澳大利亚的还有大量的鸟类和无脊椎动物,它们也直接或间接地对本土的植物产生影响。
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当人类于公元500年第一次达到马达加斯加的时候,当地有12种大型无飞行能力的鸟类和17种狐猴和其他无以记数的大型鸟类和哺乳动物。不能飞行的鸟类很快就灭亡了,还有7种狐、一种土豚、一种小河马和两种大型陆地龟类。
  • 人类于公元1000年到达新泽西。从那时起,20种大型陆地鸟类和22种无飞行能力的鸟类被猎杀灭绝。
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当人类占领西太平洋地区后,玻利尼西亚人杀死了当地一半以上的物种。某一地区本地或本土的物种被称为地方物种。
  • 夏威夷原住民杀死了35~55种陆生鸟类。1778年Cook船长到达这里时,还剩下50种鸟类,其中的三分之一现在已经灭绝了。
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在澳大利亚,殖民者所带进的植物除谷物以外有数百种以上,它们大多是在作物种子中混进来的、或作为观赏植物引进的,并且大多已经野生化,这些植物约占澳大利亚植物总数的10%以上,被带进来的植物在悉尼地区植物群中占五分之一(400余种),可作为澳大利亚东南部地区的代表,新的植物种群结构因此形成。
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1600年以来,有记录的高等植物和动物已灭绝724种。目前地球上濒危物种的数目,植物近2万种,脊椎动物3400多种。农业遗传多样性的丧失也十分严重,在印度尼西亚,在过去15年中有1500个水稻品种消失了;另一方面,74%的水稻品种来自同一母系。
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在中国,一些珍奇动物正濒于消失,如东北虎、 扬子鳄、大熊猫、金丝猴等。在非洲,猎豹、非洲象、犀牛等动物也处于危险之中。有报道说,世界各地的青蛙、蟾蜍、蝾螈等数量一度急速下降,这些两栖动物也有消失的可能。还有大量不引人注意的动植物种正处于不断减少之中,包括蕨类植物、灌木、昆虫、软体动物、鸟类等等。
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生物多样性丧失的原因:(1)栖息地的改变、丧失和破碎;(2)生物资源的孤独利用;(3)外来种引入;(4)环境污染;(5)农业、林业、渔业、畜牧业品种结构的单一化。在过去,狩猎是动物的生存和数量变化主要原因。但在今天,环境的污梁和动物野生环境的消失正在成为物种趋于灭绝的主要原因。
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现代生物绝灭
  • 现代:物种减少的主要原因由过度捕猎转为物种栖息地的破坏
  • 人类的活动包括土地利用的改变使得生物的栖息地遭到破坏,大量物种灭亡。一般来说,人类对土地的利用降低了生态系统的复杂性和生物多样性,
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如今最严重的物种灭绝发生在热带森林 。这些森林面积仅占陆地表面得6%,但是却包含地球上四分之三得生物,三分之二的动植物物种。
  • 热带雨林地区物种的数量与森林的覆盖度相关:森林覆盖面积增加10倍,物种数量增加一倍。将这一公式应用于大西洋巴西海岸,那里的原始森林缩减到不足原来的1%。意味着森林生物降低了75%。整个热带地区都存在这样的问题。美国哈佛大学的生物学家Edward O.Wilson归纳认为:每年因为热带雨林砍伐造成的物种灭绝每年大约有2700种,也就是每天74种,每天三种。
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现代濒危物种的栖息地
  • 牛津大学的Norman Myers列举了18个这样的地区,这些地区濒危物种的栖息地已经或在近几十年内减少为原来的10%以下(图15-11)。这些地区只占地球陆地面积的0.5%,但是它们是地球上20%的植物物种的家园。这些物种是当地所特有的,并且正濒临灭绝的边缘:
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生物入侵
  • 含义
    • 指生物种进入一个进化史从未曾分布过的新地区,不考虑以后该物种是否永久定居。
    • 指生物种向近代进化史不曾分布到的区域所进行的永久性扩展,物种在新的区域里可以自由繁衍。
    • 指非本地物种在一个生态系统中已达到某种程度的优势。换句话说,不仅定居,而且处于扩张趋势。
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6种入侵模式
    • 自然入侵
    • 人类辅助入侵
    • 屏障去除后的入侵
    • 人类运输引起的意外入侵
    • 逃跑
    • 引入
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生物入侵的规模
    • 美国国家公园的生物入侵
      • 维管植物:5%—25%为非本地种
      • 有蹄类动物:是最具危害性的引入种,野猪,野山羊
      • 水生和湿地生态系统:
      • 森林病虫害:
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生物入侵的后果
      • 人类健康
      • 人类经济与物质财富
      • 生态系统效应
      • 生物多样性效应
      • 生物入侵与物种绝灭
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“生物圈2号”实验的简要背景
  • “生物圈2号”是相对于地球生物圈而获名的。它位于美国亚利桑那州沃洛克镇。它建成于1991年5月,占地面积1.28hm2,工程建造经费2亿美元,运转费用每年约600万美元。由德克萨斯州年轻的石油富翁Bass出资建造。
  • 生物圈2号试验持续了2年半。
    • 第一阶段8名科学家持续了两年
    • 第二阶段换人后半年被迫停止
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生物圈2号的运转是基于地球系统中能量流动和物质循环的原理。在与外界隔离的情况下,绿色植物利用空气中的二氧化碳和水分在阳光作用下进行光合作用合成有机物质并供给氧气,动物食植物或其碎屑,微生物及浮游动物将死亡的动植物或排泄物分解后生成二氧化碳或矿物质开始新的循环。
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“生物圈2号”失败的原因
  • (1)元素化学循环平衡失调
    • 由于设计时土壤、大气、海洋的比例与“生物圈1号”的比例相差甚远,土壤及其微生物连同里面的动物和人呼吸释放的二氧化碳大大超过了植物所能利用的数量,而海洋又来不及将多余的碳通过无机盐的形式固定下来。
    • 植物制造的氧气又被呼吸和分解过程消耗甚多。
    • 氧气降低、氧化亚氮升高和二氧化碳升高超过了警戒水平。最后不得不人工注氧。
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(2)物种关系失调
    • 搬进生物圈2号的主要是植物,并位把动物、微生物、真菌等按比例搬进去。
    • 引进土壤时带进的蟑螂和蚂蚁大量繁殖
    • 大量枯落物不能分解
    • 引入的25种动物,19种消失
  • (3)水循环失调
    • 因内部水循环失调,荒漠区变成了草原区
    • 海洋面积减少,出现水危机
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(4)食物短缺
    • 第一批进住的人员中,缺少会种地的农民,尽管农田区很大,但种出的麦子、水稻不结籽,最后饿得里面的人食红薯根的地步。
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“生物圈2号”试验的启示
  • “生物圈2号”试验后,科学界达成的普遍共识是:即使使用最好的生态学知识,用最新的现代高新技术知识,用充足的资金做后盾,营造完全封闭的向地球那样完美的人工生态系统仍是十困难的,甚至是不可能的。
  • “生物圈2号”实验向世人昭示了,迄今为止,地球仍是人类惟一的家园,人类应当努力保护它,而不是破坏它。
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