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生物奥林匹克竞赛培训(生态学)5


第5章 人与环境

全球变化与环境污染
? 全球变化:是关于区域及全球变化趋势、原 因、机制和效应的研究 ? 全球变暖:指地球表层大气、土壤、水体及 植被温度年际间缓慢上升 ? 温室效应:大气中对长波辐射具有屏蔽作用 的温室气体浓度增加使较多的辐射能被截留 在地球表层而导致温度上升
2

一、温室效应
? 温室气体浓度增加 ? 全球气温升高
– 自19世纪后半叶以来,全球地表年均温升高0.3-0.6
度 – 新的分析表明,二十世纪(1900年开始)是过去的 1000年间最暖的世纪,90年代又是最暖的十年,1998 年是最暖的年份

3

工业 革命 以来, 地球 环境 发生 的变 化
4

?CO2 has increased from its pre-industrial level

? CO2 has increased from its pre-industrial level

5

工业 时代 以来, 大气 CO2 同人 口增 长的 比较
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1860-2000年全球温度的异常
20世纪是14世纪以来最暖的世纪
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南 美 毁 林 影 响

(1) 热带雨林

(2) 退化草地





(3)

(4)

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全球变暖的影响

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? 厄尔尼诺和拉尼娜现象(El Ni? o, La Ni? a) ? El Ni? o:东太平洋洋面在赤道处海水偶尔变暖的 现象,当这种现象较为严重时,导致明显的气候 变化:风力、方向异常,降雨量多,导致台风和 洪水灾害。影响北太平洋、北美大陆、大西洋乃 至全球地区 ? La Ni? a :东太平洋洋面在赤道处海水偶尔变冷的 现象,当这种现象较为严重时,同样影响到全球 的气候
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全球变暖的影响
? 影响我国

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– 温度升高可能导致气候帶北移,总降水量减少; 长江中下游、黄淮平原气候干热,缺水;地势 较低的沿海城市内迁;沿海平原盐碱沼泽化

? 生物圈植物分布
– 温度与植物分布关系

? 生物多样性变化
– 生物生存、农林灾害
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对策
? 控制温室气体排放
– 改进能源结构 – 提高能源效率

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? 发展绿地,提高森林覆盖率 ? 世界各国的协作

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二、臭氧层破坏
在大气污染以前,臭 氧水平分布状况变化 很小。近几十年来, 由于环境污染,臭氧 层的动态平衡遭到破 坏,同温层中臭氧浓 度呈减少趋势,地球 上空出现臭氧空洞, 且臭氧空洞还在逐年 扩大
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高空观测数据表明, 全球各地臭氧含量减少 平流层臭氧减少1%,地表紫外线辐射增加2%

南 极 臭 氧 空 洞
( 根 据

提 供 的 19 99 年 10 月 3 日 的 假 彩 色 卫 星 象 )

NASA

臭氧层破坏的后果

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? 估计2075年臭氧将比1985年减少40%,其后 果严重:
– 全球皮肤癌患者将大1.5亿 – 农作物减少7.5 % – 水产品损失25 %

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对策
? 控制氯氟烃排放
– 氯氟烃,CFCS:制冷剂、烟雾剂、杀虫剂 – 氯氟烃能上升到平流层,降解臭氧

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? 国际合作
– 《保护臭氧层行动世界计划》,1977 – 《保护臭氧层维也纳公约》,1985 – 《关于消耗臭氧层物质的蒙特利尔协定书》,1987通 过,1996年1月开始执行;发达国家停止氟氯碳工业化 学产品的生产;发展中国家逐步淘汰,10年后停止生 产

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三、水土流失
?水土流失已成为当今世界重大的环境 问题之一,对经济的持续发展构成了 严重威胁。
?据统计,全世界目前水土流失面积达

25亿公顷,占全球耕地、林地和草地 总面积的29%。
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水土流失的三大损失
⑴水分损失、洪涝灾害和旱灾交织
⑵土壤损失导致土壤薄层化和泥砂淤积,生 态灾难加剧。据联合国环境署(UNEP)的 统计,全球每年因水土流失而损失的土壤 量达600亿吨,如果以土层平均厚度1米计 算,只需809年,全球耕地土壤将侵蚀殆尽 ⑶土壤养分损失导致土壤贫瘠化和河流盐碱 化、湖泊富营养化

四、土地退化和沙漠化
? 土壤退化的根本原因是土壤侵蚀,常见的土壤侵 蚀除上述的水土流失、土壤沙漠化外,还有地力 衰退、土壤盐碱化和沼泽化等。 ? 目前,全球范围内的土壤退化已威胁到生物圈的 未来,对人类的生存构成威胁。 ? 据统计,全世界土地养分亏缺的面积为29.9亿ha, 占陆地总面积的23%。中国的地力衰退地很严重, 有2/3的耕地属于中低产水平。
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五、淡水资源短缺
? 我国水资源总量为2.8亿m3,居世界第六位,人均占 有量2340 m3,排世界第109位,仅为世界人均占有量 的1/4,被列为世界13个贫水国家之一。 ? 水利用率低下,以农业为例,生产一吨粮食耗水 1330 m3 ,高出发达国家300-400 m3 。

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七、化学污染威胁人类健康
?农药、化肥、 重金属等化学 污染,沿着食 物链进入人体, 使人类疑难杂 证增多,引发 癌症,影响人 类生存。
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生物富集bio-concentration
? 富集是有关污染的重要概念之一 ? 环境中某种元素或难于分解的化合物被生 物吸收并积累,导致在生物体内浓度超出 在环境中的浓度的现象称为生物富集 ? 相关术语
– 生物积累bio-accumulation:同一生物在生长发 育过程中生物富集系数不断增大的现象 – 生物放大bio-magnification:在一条食物链上, 生物富集系数逐渐增大的现象
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环境污染
? ? ? ? ? ? 1 空气污染 2 水污染 3 土壤污染 4 垃圾等固体污染 5 有毒物质与核污染 6 噪声污染

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1空气污染
? 空气污染给人类生活造成重大损害 ? 主要空气污染物 ? 空气污染的影响面
– 人类生活和健康 – 腐蚀文化遗产和现代建筑 – 改变土壤、水体化学性质 – 对生物多样性的作用

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烟尘和光化学污染
? 烟尘成因
– 污染物、有雾、无风

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? 光化学污染形成
– 工业、汽车排放废气中的氮氧化合物和碳氢化 合物在阳光作用下,发生光化学反应,产生臭 氧、醛类、二氧化氮和过氧乙酰基硝酸等,这 些光化学氧化剂+水蒸氣形成有刺激性的浅蓝 色烟雾

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控制对策
? ? ? ? 立法 发展替代燃料 推广无铅汽油 严格工业排放规定

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酸雨

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酸雨的危害
? 对人类健康和生物的危害 ? 对环境的危害
– 土壤酸化,水体酸化

? 对生态系统的危害
– 对水生生态系统 – 对陆地生态系统

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酸雨的防治
? 减少SO2等酸性物质的排放量 ? 筛选对酸雨敏感的指示植物和抗酸雨植物
– 指示植物 – 抗酸雨的植物

? 立法问题

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酸雨指示植物
裸子植物 水杉 池杉 落羽杉

被子植物 枫香 大叶桉 山玉兰

刺槐 紫穗 红豆树

马褂木 任豆 黄果树

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西南酸雨地区适宜发展的抗酸性乔灌木树种
乔木 城 镇 绿 化 用 材 林 经 济 林 抗性強树 种 抗性较强 树种 抗性強树 种 抗性较强 树种 抗性強树 种 抗性较强 树种 灌木

小叶榕、女貞、广玉兰、龙柏、 罗汉松、小叶冬青、 川柏、大叶榕、侧柏 山茶花 大头茶、珊瑚树、梓树、棕榈、 棕竹、海桐、夹竹 柿树 桃、栀子花 苦櫧、侧柏、桧柏、柏木、川 柏、火力楠、木麻黄 南岭黄檀、梓树、大头茶、小 叶桉、黑松 柑桔、桂花、橙、柿树、女真 茶叶、油茶 油橄榄、石榴、棕榈
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2 水污染

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? 人类行为导致的任何妨碍水资源利用的条 件下水体均可称为水污染 ? 生化试剂污染 ? 可溶性化学物质污染 ? 不溶性化学物质污染 ? 热污染

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水体富营养化eutrophication

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? 水体营养物质过剩,尤其是氮、磷过多导致水生 植物大量繁殖,影响了水体与大气的正常氧气交 换,死亡藻类分解消耗大量氧气,造成水体溶解 氧迅速下降,水质恶化,进而导致水生生物大量 死亡。富营养化是水体衰老的表现。其指标为
– – – – 溶解氧DO(dissolved oxygen) 生化耗氧量BOD(biochemical oxygen demand) 化学耗氧量COD(chemical oxygen demand) 总有机碳与总需氧量TOC & TOD(total oxygenic carbon, total oxygen demand)
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富营养化形成
? 1. 营养元素

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– 主要为磷,因为藻类生长繁殖的决定因子为磷,水体中有 15.5gP,就能生长1775g薻。

? 2. 光
– 水体透光度决定了植物的光合作用的深度,决定了水体溶 解氧的含量

? 3. 温度
– 温度变化导致水体上下层次的运动,夏、冬水体不易混合

? 以上的关键是磷
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我国江河污染现状
? 2005年1月份监测显示,长江、黄河、淮河等七大 江河水系劣Ⅴ类水质占28.4%。
? 水污染已出现由支流向主干延伸、由城市向农村 蔓延、由地表水向地下水渗透、由陆地向海域发 展的趋势。 ? 七大水系主要污染指标是高锰酸盐指数、氨氮和 石油类。按污染程度由轻到重的次序是:珠江、 长江、松花江、淮河、黄河、辽河和海河。

3 土壤污染
? 土壤是人类赖以生存的最重要的自然资源之 一。 ? 中国人口占世界月1/5,耕地为7%,土地资 源贫乏 ? 由于城市化,可耕地面积逐渐减少 ? 土地沙漠化、水土流失等加剧了耕地资源的 减少 ? 采矿业、各种废弃物堆放、其他污染源进入 土壤等进一步导致耕地资源减少
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土壤污染特点
? 土壤污染长期没有得到重视,认识不足
? 隐蔽性和潜伏性
– 感官不易感受,通过食物链积累

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? 不可逆性和长期性
– 土壤污染后难于恢复,常需长期处理

? 后果严重
– 对人类健康影响严重,如氟污染、有机氯污染 等
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土壤污染类型
? 水体污染型,农田污水灌溉所致

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? 大气污染型,SO2、核爆炸尘埃、重金属污 染

? 生物污染型,生活污水、医院污水
? 工业固体废物污染型

? 农业生产污染型,重金属、农药、化肥

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土壤污染的治理
? 土壤自净与土壤容量

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– 自净能力与土壤性质有关,但重金属和固体废弃物难于 自净

? 土壤重金属污染防治
– a.主要利用细菌降低毒性和b.利用植物吸收去除 – c.施加有机质、有机肥、石灰改良,d.土壤改良剂如粘土 – d.排土客土法,更换深层土,移入客土 ? 土壤农药、化肥污染防治 利用微生物、植物,土壤翻 耕,复合肥料技术,科学施肥

? 土壤固体废弃物污染治理
– 如何解决废弃物的再利用、农膜替代品开发利用
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人口与资源问题

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世界60亿人口日

1999年10月12日
1999年10月12日,世界人 口达60亿。因此联合国人口基 金会把10月12日定为“世 界60亿人口日”,旨在提醒 各国政府和全世界人民关注人 口问题。

人口数量大:1999年10月12日

60亿

人口增长特点:

缓慢增长

1800年

迅速增长
迅速

缓慢

加快

人口增长原因:生活和医疗水平的提高

生活水平提高

婴儿死亡减少

人的寿命延长 医疗水平提高

粮食危机

生物多样性及其保护

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一、什么是生物多样性?
联合国“生物多样性公约”定义: “生物多样性是指所有来源的形形色色的 生物体,这些来源包括陆地、海洋和其他水生 生态系统及其所构成的生态综合体;这包括物 种内部、物种之间和生态系统的多样性.”

1.生物多样性的层次
? 遗传多样性
? 物种多样性

? 生态系统多样性
? 景观多样性

? 遗传多样性指每个物种内基因和基因型的 多样性.任何物种的个体都保持着大量的遗 传类型,均是一个基因库. 遗传多样性包括 分子、细胞和个体三个方面的遗传变异的 多样性. ? 物种多样性指物种水平的多样性.一个地区 物种的多样化,可以从分类学、生物地理学 角度开展研究物种多样性的规模、形成、 演化,物种多样性受威胁的现状及保持物种 的永续性等.

生态系统多样性
? 生态系统多样性指生境类型与生物群落多样 性 和生态过程的多样性.
? 生境多样性主要指地形、地貌、气候、水文等无 机环境; ? 生物群落多样性是群落组成、结构和功能的多样 性;

? 生态过程指生态系统组成、结构和功能在时间、 空间上的变化,主要包括物种流、能量流、物质循 环、生物间的竞争、捕食、寄生等.

景观多样性
? 景观多样性指不同类型的景观在空间结构、功能 机制和时间动态方面的多样化与变异性. ? 景观是大尺度系统,要素有斑块patchness 廊道 corridor和基质matrix. ? 斑块是最小的均质单元,其大小、数量、形状和起 源对景观多样性有重要意义。

? 廊道是联系斑块成线形或带状的纽带。
? 基质是景观中面积较大连续性高的部分,往往形成 景观的背景。

2.全球物种数目 (Heywood et al. 1995)
类群 已描述数(万种)
病毒 细菌 0.4 0.4

估计数(万种)
40 100

真菌
原生动物 藻类

7.2
4.0 4.0

150
20 40

高等植物
线虫 甲壳动物 蜘蛛类

27.0
2.5 4.0 7.5

32
40 15 75

昆虫
软体动物 脊椎动物 其他

95.0
7.0 4.5 11.5

800
20 5 25

总计

175.0

1362

已发现和命名
植物

2,000,000 种
270,000 种

昆虫
脊椎动物

950,000 种
50,000 种

共有

5,000,000 - 30,000,000 种

?生物多样性的价值
? 直接利用价值 ? 生态功能价值

? 科学研究价值
? 文化美学价值

? 直接利用价值
“生物多样性公约”明确,生物多样性归

所在国所有.?Nature?(1997)估计,生物多
样性每年为人类创造了约33X104亿美元的

巨大价值,美国为3X104亿美元,中国约
4.6X104亿美元(据中国生物多样性国情研究

报告,1994).

生物多样性与人类活动的关系
Agriculture products, food Fuels, fibers, shelter, energy

Biodiversity
Industrial materials Medicine, drugs Ethical, aesthetic, religion

Ecological (weather, air)

?环境项目和评价指南? (经济合作与发展组织 OECD,1995)关于生物多样性价值估价框架

使用价值:
直接使用价值--指直接利用的资源,如 木材、粮食、药材、纤维、能源、野味、旅游 等,以及利用这些资源做成产品; 间接使用价值--指生态系统的服务功能 所带来的价值,如固定太阳能、净化空气、 涵养水源、保护土壤、调节气候、促进元素 循环、吸收分解污染物质等,还有文学、绘画 等艺术资源.

非使用价值:

选择价值:
指人类对生物多样性潜在用途的将来利用, 包括直接利用、间接利用、选择利用和潜在利 用.如在自然界寻找害虫天敌昆虫、抗生微生 物、抗癌植物等.

存在价值:
指潜在的教育、科学价值,如维持生物进化; 对未来人类的价值,以及人们对野生动物植物的 关注,愿意捐献大笔经费确保它们的存在.如 大熊猫、狮子、大象、野猪等.西方每年有几 十亿美元捐献给环境和野生动植物保护组织.

四.生物多样性的现状、危机和原因
1.现状和危机
? ? ? 野生动植物的物种、遗传及相关的生态系 统多样性下降; 物种的局部灭绝(哺乳动物和鸟类的比例 最高〕; 生境丧失和破碎化;

?

外来种入侵、环境污染、全球变化等.

2.物种濒危的自然原因
地质气候灾难 竞争和捕食 生物进化等

地质史上已发生过6次自然大灭绝 (Wilson,1989) 原因: 地质变化和大灾变 地球又一次进入大灭绝时期 原因:人类活动 当代物种灭绝速度比自然灭绝速度快100~ 1000倍.1个物种灭绝影响约50个物种的生存

3.物种濒危的人为原因
? ? ? ? ? 生态环境遭到侵犯和破坏 环境污染 外来物种的引入 病毒和虫害的流传 商业利益驱动下的滥捕、滥猎等

五、我国生物多样性特点
中国是生物多样性较高的国家,居世界第八 位,北半球的第一位。

1.物种多样性高度丰富
植物区系的种类数有30000种,仅次于马来西 亚(45000种)和巴西(40000种),居世界第 三。 陆栖脊椎动物约2340种,占世界的10%。

2.中国生物物种具高特有性
拥有大量特有珍稀的物种和孓遗物种,如 素有活化石之称的大熊猫、白鳍豚、水杉、 银杉等;还有许多特有科属,分布局限在很 小的特定生境中。

3.生物区系起源古老 中国古地理的优越环境成为古老物种 赖以生存的避难所,或是新生孤立类群 的发源地,许多古老物种都有明显的区 域特征。

4.经济物种异常丰富
重要的野生经济植物3000多种,纤维类植 物440余种,淀粉原料植物150余种, 蛋白质 和氨基酸植物260种,油脂植物370余种,芳 香油植物290余种. 药用植物5000余种. 用材树种300多种,还有树脂树胶类植物, 橡胶类植物,鞣料植物等.

4.中国生物多样性受威胁现状
61%的野生生境丧失. 40%的生态系统严重退化. 15-20%的物种处于濒危状态. 水体污染达80%以上,水生生态系统濒于 解体. 遗传多样性大量丧失. 我国植物物种处于濒危状态者占全国植物种 的15%--20%,即4000--50000种,估计在最近 数十年中有5%的植物种被灭绝. 大约398种脊椎动物濒危,占总数的7.7%.

野生稻

大熊猫

白暨豚(Bai-Ji)

藏羚羊

扬子鳄

Crested Ibis (Nipponia nippon)

凤头鹮

东 北 虎

银 杉 (Cathaya argyrophylla)

金花茶




马 哈



六、生物多样性保护
1978年国际保护生物学学会在美国加州成立 1992年在巴西里约热内卢举行的联合国环境 与发展大会上签署“生物多样性公约” 1994年“中国生物多样性保护行动计划”出 版 ? IUCN (International Union for Conservation of Nature国际自然保护联盟)关于濒危物种的分 类:

1.生物多样性的就地保护
保护区的规划和建立
保护区的面积 保护区的形状 破碎化影响

2.生物多样性的易地保护
(1)基因库 (2)种子库 (3)动物园 (4)人工繁殖 (5)生态旅游

拯救濒危的物种

收获理论
中心问题:了解收获后应保留多大种群和什么个体,以 使种群的长期持续产量最大。

最大持续产量
一种理论上预测最大持续产量的简单方法叫最大持续产 量—MSY(maximum sustainable yield) 法。 rK/4

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