全球环境变化的主要特征与过程

1、第3章 全球环境变化的主要特征与过程 重点及难点：重点及难点：（1 1）全球环境变化的时空尺度及其联系）全球环境变化的时空尺度及其联系（2 2）全球环境变化的驱动力）全球环境变化的驱动力（3 3）全球碳氮循环与水循环）全球碳氮循环与水循环 地球表层系统作为一个开放体系，太阳辐射、大气成分、大气过程、海陆关系、海洋环流、冰盖、陆地地形、地表组成物质和人类活动等的相互作用，在一个时间序列当中可表现为多层次时间序列当中可表现为多层次驱动、响应、反馈、放大等十分复杂的关系。 因此，全球环境变化既会表现出某种因此，全球环境变化既会表现出某种周期性变周期性变化化，又会表现为一些，又会表现为一些渐变渐变和和

2、突变突变。3.1 全球环境变化的时空谱特征全球环境变化的时空谱特征（ Space-time Spectrum characteristics global environmental change ）全球环境变化的时空尺度全球环境变化的时空尺度一、时间尺度 全球环境变化可划分为5个时间特征（陈效逑, 2001)几百万年至几十亿年（地质历史时期）几百万年至几十亿年（地质历史时期） 全球变化事件受地球行星演化规律与进程地球行星演化规律与进程的控制，如岩石圈板块的运动导致地球上沧海桑田的演变，陆地上的造山运动和造陆运动形成山脉、高原等大的地形单元，大气圈和水圈的形成与演变，以及生命起源与原始人类出现

3、。（不可逆事件）几千年至几十万年（最近的地质历史时期）几千年至几十万年（最近的地质历史时期） 第四纪第四纪冰期-间冰期的交替，海面的升降，伴随冷暖、干湿变化的大气成分改变，如尘埃含量的变化、古土壤层的发育、生物种的分布、迁移和灭绝，人类文明的诞生与发展。（可逆事件）几年至几百年（年际、年代际几年至几百年（年际、年代际- -世纪际）世纪际） 典型事件包括全球气温的趋势性上升，气温、海温、降水量、径流量、地表侵蚀、植物物候期及生长季节等的准周期性波动和突变，植物种群结构的变化和植被带的可能移动。 驱动力：太阳活动、火山活动、大气环流的长期变化，厄尔尼诺-南方涛动等自然因子自然因子和大气温室效应的增

4、强等人为因子人为因子。几天至几个季度几天至几个季度 典型事件：大气环流的季节震荡，气温、降水和地表经历的季节波动，植物群落季相与农事季节的更替，土壤-植物-大气之间生物地球化学循环的年际变化。 驱动力：太阳辐射量输入的年循环。 几秒至几小时几秒至几小时： 典型事件：气候要素的日变化，几分钟到几小时的天气现象，植物与土壤的温度日变化，土壤-植物-大气之间的物质与能量传递。 驱动力：太阳辐射能量输入的日周期。全球环境变化的时间尺度全球环境变化的时间尺度 全球尺度：全球尺度：空间范围20000km，大约相当于半球至全球尺度。特征事件太阳辐射能分布、大气环流和洋流、温室效应与全球气候变化、臭氧层破坏等

5、。（1a几十亿a) 区域尺度区域尺度：空间范围10020000km，地域单元有大陆、大洋陆地上的自然地带以及海区。特征事件季风和大型天气过程、海流、厄尔尼诺一南方涛动、岩石围板块构造运动与造山运动、冰期一间冰期交替、气候带与地带性植被一土壤的形成等。(1a十几亿a）二、空间尺度二、空间尺度 地方尺度地方尺度：空间范围10100km。特征事件地震、流域的水土流失、中尺度天气系统(如中气旋、雷暴等)、植物物候期的水平变化、城市气候与大气污染、河流与水域的污染、成矿作用等。(1d百万a） 局地尺度局地尺度：空间范围10km。特征事件事件有火山爆发、小流域地表侵蚀、小尺度天气系统(如龙卷风、山谷风、海

6、陆风)、植物物候期随地形的变化、植被冠层的微气象、土壤的养分循环、点源和线源污染事件等。(几s1a） 全球系统中各种事件和过程的时间尺度与空间尺度是相关联的。 一般说来，较大空间尺度的事件一般说来，较大空间尺度的事件和过程，其时间尺度的范围也较大；较小空间尺和过程，其时间尺度的范围也较大；较小空间尺度的事件和过程，其时间尺度的范围也较小。度的事件和过程，其时间尺度的范围也较小。全球气候变化的空间尺度可达20 000km以上，相应的时间尺度为几十年到百年，而植被冠层微气象变化的空间尺度仅为数厘米到数米，相应的时间尺度是几秒到几分钟。三、时空尺度的联系性 太阳辐射太阳辐射 太阳活动：黑子和光斑，谱

7、斑、耀斑，太阳活动：黑子和光斑，谱斑、耀斑，日珥等。日珥等。3.2 全球环境变化的驱动力全球环境变化的驱动力（Driving force of global environmental change ）一、外部因素一、外部因素 板块运动造成的系列变化：海陆分布变化、板块运动造成的系列变化：海陆分布变化、山地和高原的隆起、火山活动（降温作用山地和高原的隆起、火山活动（降温作用“阳伞效应阳伞效应”）、）、 地球内部物质分布导致的地球内部物质分布导致的地极漂移地极漂移。二、地球内部因素二、地球内部因素 阳伞效应： 强火山爆发能在平流层下部形成一个持久的含有硫酸盐粒子的气溶胶层硫酸盐粒子的气溶胶层，它

8、们存留在平流层中增加了大气的反射率，因而减少了到达地面的直接太阳辐射，进而导致温度下降，这个影响被称为“阳伞效应阳伞效应”。如1963年3月印度尼西亚巴厘岛的阿贡火山爆发约3个月后，澳大利亚墨尔本的直接太阳辐射减少23%，散射辐射增加1倍， 但散射辐射的绝对值小，所以总辐射减少达6。一般认为，一次较大火山爆发后一两年，半球或全球平均温度下降0.3左右，以后逐渐回升，四五年后恢复正常。北半球的火山喷发往往使全球温度在3个月后产生最大降温，并可影响南半球的气温，但影响时间短。而南半球的火山喷发要在1920个月之后才产生最大降温、但影响时间长，对北半球影响不大。 人类活动所引起的地球系统的状态和功能

9、的改变，在工业化以来的200多年里急剧加速，在几十至几百年的时间尺度上，人类活动对全球变化的影响与全球变化对人类的影响均极为显著，人类生态系统过程已成为全球变化过程的一个不可忽视的组成部分。 而人类生态系统、土地覆盖变化、污染物排放人类生态系统、土地覆盖变化、污染物排放影响全球生物地球化学循环过程、地球表层系统组成自然系统功能失调和变化自然系统功能失调和变化，并通过累积性变累积性变化或系统性变化化或系统性变化导致全球环境变化全球环境变化。（如全球最高温记录不断打破）三、人为因素三、人为因素 全球环境变化在太阳辐射与活动、地球内部因素与人类活动下，由地球系统中一系地球系统中一系列复杂的作用与反馈

10、过程列复杂的作用与反馈过程来实现的。三、地球系统内部的反馈作用三、地球系统内部的反馈作用 生物循环包括3.3 全球环境变化的三大循环过程全球环境变化的三大循环过程（Three cycle process of global environmental change ）一、生物循环一、生物循环陆地与海洋的陆地与海洋的C、N、P、S元素的循环元素的循环大气作用下的大气作用下的C、N、P、S元素的循环元素的循环地球表层生物的地球化学循环地球表层生物的地球化学循环土壤土壤1580Gt植被植被610Gt1、碳循环、碳循环全球碳循环全球碳循环 （全球碳库总量（全球碳库总量,38004188Gt）全球有机碳

11、与无机碳循环全球有机碳与无机碳循环 人类活动对碳循环的影响人类活动对碳循环的影响(p48):化石燃料燃烧、森林砍伐造成碳排放逐年增加(p48 图3-8），超过海洋对CO2的容纳极限，导致温室效应、全球变暖、海面上升。2、氮循环、氮循环全球氮循环全球氮循环大气圈、生大气圈、生物圈是氮的物圈是氮的主要贮存库。主要贮存库。 生物固氮：生物固氮：固氮微生物将大气中的氮还原为氨的过程。这些固氮微生物是与豆科植物有关具有共生关系的细菌与根瘤菌、自由生活的需氧细菌、蓝绿藻。 高能固氮高能固氮：闪电、宇宙射线、陨星和火山活动等能把少量的气态氮转变成氮化合物的过程。 工业固氮工业固氮：以气体和液体燃料为原料生产

12、合成氨的过程。 人类对氮循环的干扰：人类对氮循环的干扰： 工业固氮：氮肥生产和在农业生态系统中的使用，盈工业固氮：氮肥生产和在农业生态系统中的使用，盈余氮素进入水体，与磷酸盐结合，水体富营养化，形成余氮素进入水体，与磷酸盐结合，水体富营养化，形成水水华华或或赤潮赤潮。 工厂、汽车等燃料燃烧排放工厂、汽车等燃料燃烧排放NOxNOx进入大气圈，导致大气进入大气圈，导致大气中硝酸含量增加，与燃煤工业排放的中硝酸含量增加，与燃煤工业排放的SOSO2 2形成的硫酸结合，形成的硫酸结合，形成形成形成形成“温室效应温室效应”，以及，以及酸沉降酸沉降。美国弗洛里达州水华深圳大梅沙赤潮3、磷循环、磷循环全球磷循

13、环全球磷循环l 磷循环是一非闭磷循环是一非闭合的循环：大时间合的循环：大时间尺度内，磷素不断尺度内，磷素不断从生态系统流失，从生态系统流失，随动、植物残体长随动、植物残体长期沉积海底，脱离期沉积海底，脱离循环，重新返回到循环，重新返回到生物圈的磷不足以生物圈的磷不足以补偿损失，使生物补偿损失，使生物圈磷日益缺乏。圈磷日益缺乏。l人类活动对磷循环人类活动对磷循环的影响导致水体富的影响导致水体富营养化。营养化。也叫大地假说，基本观点：也叫大地假说，基本观点： 地球是由生物因子与非生物因子共同交互作用，地球是由生物因子与非生物因子共同交互作用，所紧密构成的恒定体系。所紧密构成的恒定体系。 地球上的生

14、物圈和它的环境构成一个地球上的生物圈和它的环境构成一个有机整体有机整体，地球大气的组成、气温、海水温度、海水地球大气的组成、气温、海水温度、海水pHpH等都等都是由生物圈积极调节，是是由生物圈积极调节，是生物圈通过自己的影响生物圈通过自己的影响使地球的气候环境长期保持在适合自己生存的使地球的气候环境长期保持在适合自己生存的“稳态稳态”。4、盖娅假说、盖娅假说(Gaia Hypothesis) P95二、能量循环二、能量循环 地球能量循地球能量循环过程主要是环过程主要是太阳辐射与地太阳辐射与地气系统相互作气系统相互作用的结果。用的结果。全球辐射差额全球辐射差额地球能量循环来源地球能量循环来源l

15、物质是能量的载体，沿着食物链（网）流动；能物质是能量的载体，沿着食物链（网）流动；能量是物质循环的动力，使物质能不断地在生物群落量是物质循环的动力，使物质能不断地在生物群落与无机环境见循环往返。与无机环境见循环往返。l 能量循环是单向的，在流经生态系统各级营养级能量循环是单向的，在流经生态系统各级营养级时逐级递减。时逐级递减。l人类活动对能量循环的影响人类活动对能量循环的影响：化石燃料燃烧释放温：化石燃料燃烧释放温室气体增加，温室效应增强室气体增加，温室效应增强；人为燃料燃烧释放的；人为燃料燃烧释放的热量改变局部热量平衡；大气热量改变局部热量平衡；大气尘埃增加，反射越多，尘埃增加，反射越多，地

16、表接受的热量越少，即大气尘埃增加引起的地表接受的热量越少，即大气尘埃增加引起的阳伞阳伞效应效应；土地利用；土地利用方式的改变影响下垫面性质，导致方式的改变影响下垫面性质，导致能量循环改变。能量循环改变。三、水循环三、水循环(P246-252) l 水循环是自然界水循环是自然界的水在水圈、大气的水在水圈、大气圈、岩石圈（含土圈、岩石圈（含土壤圈）、生物圈中壤圈）、生物圈中通过各个环节连续通过各个环节连续运动的过程。包括：运动的过程。包括：海陆大循环、内陆海陆大循环、内陆大循环、大循环、海上循环海上循环（小循环）小循环）。水循环类型水循环类型循环过程及环节循环过程及环节特点特点水循环的意义水循环的

17、意义海陆循环蒸发水汽输送降水地表径流下渗地下径流最重要的水循环类型，使陆地水得到补充，水资源得以再生维持了全球水的动态平衡，使全球各种水体处于不断更新状态海上循环蒸发降水携带水量最大的水循环，是海陆间大循环的近十倍使地表各圈层之间，海陆之间实现物质迁移和能量交换陆地循环蒸发植物蒸腾降水补充陆地水体的少量为数很少影响全球的气候和生态塑造者地表形态水循环类型水循环类型 l 水循环水循环的主要作用表现在：的主要作用表现在： 水是所有营养物质的介质，营养物质的循环和水是所有营养物质的介质，营养物质的循环和水循环不可分割地联系在一起；水循环不可分割地联系在一起； 水对物质是很好的溶剂，在水对物质是很好的

18、溶剂，在生态系统生态系统中起着能中起着能量传递和利用的作用；量传递和利用的作用； 水是地质变化的动因之一，一个地方矿质元素水是地质变化的动因之一，一个地方矿质元素的流失，而另一个地方矿质元素的沉积往往要通的流失，而另一个地方矿质元素的沉积往往要通过水循环来完成。过水循环来完成。l 水循环水循环的地理意义：的地理意义： 维持全球水体动态平衡、促进水资源不断得以维持全球水体动态平衡、促进水资源不断得以更新；更新； 促使自然界的物质循环和能量流动；促使自然界的物质循环和能量流动；造成侵蚀、搬运、堆积等外力作用，不断塑造造成侵蚀、搬运、堆积等外力作用，不断塑造地表；地表；影响全球气候变化；影响全球气候变化；影响土壤发育进程影响土壤发育进程 。l 人类活动人类活动对全球大气的水汽输送几乎无影对全球大气的水汽输送几乎无影响，但响，但对地表径流输送、特别是局部地区的影对地表径流输送、特别是局部地区的影响深远响深远