地球生態系統的理論創立*

楊東方,苗振清,徐煥志,高 鋒,孫靜亞

(1.浙江海洋學院海洋科技學院 舟山 316000;2.浙江海洋學院生物地球化學研究所 舟山 316000; 3.國家海洋局北海環境監測中心 青島 266033)

地球生態系統的理論創立*

楊東方1,2,3,苗振清1,徐煥志1,高 鋒1,孫靜亞1

(1.浙江海洋學院海洋科技學院 舟山 316000;2.浙江海洋學院生物地球化學研究所 舟山 316000; 3.國家海洋局北海環境監測中心 青島 266033)

文章通過對地球的許多自然現象的研究,首次提出 “地球生態系統”理論,闡述了地球生態系統的定義、結構、目標、內容和意義,說明了地球生態系統的特征,揭示了地球生態系統的變化過程和運行機制。通過 “地球生態系統”理論的應用,充分闡述了地球生態系統的三大補充機制和北太平洋的生態動力。借助于地球生態系統的3個生態子系統:陸地生態系統、海洋生態系統和大氣生態系統,展示了硅的運行軌跡。在地球生態系統的三大補充機制理論指導下,預測了地球未來的氣候模式。

定義;特征;理論;應用;地球生態系統

隨著人類活動的加劇,地球發生了巨大的變化。為了了解引起地球變化的成因、過程和機制,需要對地球有新的研究方向和內容。于是,作者提出了新的理論:“地球生態系統”理論,旨在從不同的角度來探討和研究地球的變化。

1 “地球生態系統”理論提出的重要性

近年來,全球變暖、沙塵暴、洪水、風暴潮和赤潮等災害頻繁發生,嚴重地威脅著人類社會的發展和生命財產的安全。出于防災減災的目的,人們對地球生態學領域的興趣一直在不斷增長著,強烈關注陸地生態系統、海洋生態系統、大氣生態系統,并進行了大量關于地球生態系統的變化和人類對地球生態系統的影響以及地球生態系統的發展趨勢[1-3]的研究。作者 “地球生態系統”理論體系的提出,意在揭示產生一系列自然災害的過程和機制[4-6],并且預測未來的氣候模式[7],為解決人類生存與可持續發展所面臨的資源供給、生態保護、環境優化、防災減災和國家安全等重大問題提供科學支持。

2 “地球生態系統”理論的建立

2.1 “地球生態系統”的定義、結構和目標

“地球生態系統”是指地球本身具有生命特征,能夠通過自身的調節和控制完成地球的可持續發展,使地球上一切物質都以不同的形式能夠延續存在。

“地球生態系統”由陸地生態系統、海洋生態系統和大氣生態系統3部分組成,陸地、海洋和大氣相互之間構成了3個界面。

“地球生態系統”的目標:就是為地球上一切物質都以不同的形式能夠延續存在,使地球能夠可持續發展,維持地球正常地、穩定地和長期地動態運行,并且具有穩定的、動態的生態系統。

2.2 地球生態系統的內容和意義

“地球生態系統”包含地球上一切的生命與環境。當出現生命之前或者如果有一天地球上沒有生命時,地球生態系統的內容則包含的只有環境。

“地球生態系統”將全球的生命與環境看做一個整體,從結構方面闡明了地球的運動軌跡,從功能方面分析了地球不同領域的生態系統的可持續發展。通過對地球生態系統的研究,展示了地球生態系統的變化過程;闡明了地球生態系統的演變規律;確定了地球生態系統的動力成因;揭示了地球生態系統的運行機制;建立地球生態系統的變化趨勢的預測理論,為人類的生存及可持續發展提供科學依據。

2.3 地球生態系統的特征

“地球生態系統”是將地球看做一個整體來研究,而生命僅僅是其中一部分。若進一步研究地球的內部、表層和外層,就可以研究陸地生態系統、海洋生態系統和大氣生態系統的3個生態系統領域,以及由他們構成的3個生態系統界面。

“地球生態系統”從全球來確定地球的可持續發展,通過地球生態系統來調節和控制全球的變化,尤其在人類對地球的作用下。“地球生態系統”展示了三大補充機制[4-6],修復人類活動造成地球生態系統的破壞,消除人類活動對地球生態系統的干擾,同時補充人類活動造成地球生態系統的動力缺少。

3 “地球生態系統”理論與前人的概念及假說不同

3.1 與前人的概念不同

1983年,美國國家航空航天局顧問委員會提出了 “地球系統科學”,于1988年出版了《地球系統科學》報告[8],系統地闡述了地球系統科學的觀點,通過對地球整體系統及其各子系統 (大氣圈、水圈、冰雪圈、生物圈、巖石圈、近地空間、人類圈)演化過程和相互作用的研究,認為發生在該系統中的各種時間尺度的全球變化是地球系統各子系統 (圈層)的物理、化學和生物學三大基本過程相互作用的結果。

筆者認為將地球研究劃分為大氣圈、水圈、冰雪圈、生物圈、巖石圈、近地空間、人類圈,缺少有機的整體結合,將環境之間的相互作用和緊密聯系也相互孤立和分離開了,這樣的研究只會得到片面的、局部的結果,甚至會得到錯誤的結論。只有 “地球生態系統”理論,才能對地球整體進行完整的和全面的研究。例如,在對北太平洋海洋生態系統的研究[9]中,就展示了在整個地球生態系統中硅的運行軌跡。

3.2 與前人的假說不同

20世紀60年代末和70年代初,英國地球物理學家Lovelock和美國生物學家Margulis提出“蓋婭(Gaia)假說”[10-14],蓋婭是一個由地球大氣圈、水圈、冰雪圈、生物圈、巖石圈、近地空間、人類圈等各部分組成的反饋系統或控制系統,這個系統通過自身調節和控制而尋求并達到一個適合于大多數生物生存的最佳物理—化學環境條件。地球表層系統的復雜性和多樣性通過生命和生命活動決定了可以自我調節、自我控制。“蓋婭假說”認為地球上所有生物對其環境是不斷地主動地起著調節作用。并且認為如果地球上生物消失,那么蓋婭也就消失了。

“地球生態系統”理論與 “蓋婭假說”有4個方面不同,“地球生態系統”理論認為:① 不能將地球研究劃分為大氣圈、水圈、冰雪圈、生物圈、巖石圈、近地空間、人類圈,即不能夠將環境各部分之間、環境與生物之間進行分割,它們是有機地、緊密地結合在一起的。② 不能以生物圈為中心,不能認為生命和生命活動決定地球表層系統,也不能認為地球上所有生物對其環境是不斷地、主動地起著調節作用。環境與生物在地球生態系統中具有平等的地位和相同的作用,他們是有機地、協調地結合在一起,使地球生態系統能夠可持續發展。③ 人類是地球上生物的一部分,而不能夠單獨從地球生物中分離出來。即使人類活動已經并且繼續影響地球的變化,人類的活動也只是地球生態系統中的一部分。④ 不能過于夸大生物對地球的作用和影響,在地球生態系統中,即使沒有生物,地球生態系統同樣具有控制和調節地球的變化,地球生態系統具有穩定狀態。

4 “地球生態系統”理論的應用

4.1 “地球生態系統”營養鹽硅補充機制

“地球生態系統”理論,根據營養鹽硅對浮游植物生長的影響過程和浮游植物的生理特征以及其集群結構的改變特點的研究結果,綜合分析硅的生物地球化學過程,探討人類對生態環境的影響、生態環境變化對地球生態系統的影響。“地球生態系統”理論提出營養鹽硅的補充機制[4]:近岸的洪水、大氣的沙塵暴和海底的沉積物向缺硅的水體輸入大量的硅,即由陸地、大氣、海底3種途徑將硅輸入海水水體中,滿足浮游植物的生長,保持海洋中浮游植物生長的動態平衡和海洋生態系統的可持續發展。

隨著海洋生態系統中硅的嚴重缺乏,“地球生態系統”啟動了補償機制。① 水流對硅的輸送能力加大,在海洋沿岸形成了多雨氣候,降雨次數頻繁、降雨時間延長、雨量增大,形成了沿岸河流向大海的泥石流和洪水;同時風暴潮也越來越頻繁和劇烈,進一步加大了洪水流量,向海洋輸送更多的硅量和更高的硅濃度。② 大氣的輸送增加。在內陸,氣候干燥、高溫,造成植物死亡、土地干裂,加速了土地的沙漠化。通過干燥、高溫的上升氣流,將地面所形成的沙塵帶起,逐步隨著風力加大變成猛烈的沙塵暴,并盡可能將這些沙塵送向大海的近岸水域,有時送到遠離近岸水域。③ 臺風或颶風發生頻率劇增,其強度在不斷增加,臺風或颶風掃過的面積也在增大,使海底通過沉積物向海洋水體輸入大量的硅。同時,臺風或颶風所帶的雨量也在增加,使近岸的洪水向海洋水體輸入大量的硅。

4.2 “地球生態系統”的氣溫和水溫補充機制

海水水溫的升高,會帶來災難性的后果。若要水溫下降并恢復到原來的平衡位置,就要使大氣中二氧化碳含量增長放緩,保持大氣中二氧化碳平衡。海洋是大氣中二氧化碳的最大吸附器,二氧化碳能夠溶解在海水中,被浮游植物吸收,沉降到海底并貯存。由于浮游植物的作用,使得大氣中溫室效應減弱,氣溫開始降溫,也使得海水溫度下降。

為了使氣溫和水溫下降或緩慢地增加,必須采取以下措施:① 減少向大氣排放二氧化碳。② 當大氣中二氧化碳含量增多時,應疏通河道增大流量、加強流速,向海洋輸送大量的硅,通過促使浮游植物的生長,使其吸收更多的二氧化碳,從而減少大氣中二氧化碳的含量。

當二氧化碳排放增多而河流的輸送減少時,“地球生態系統”的氣溫和水溫補充機制只有通過洪水、沙塵暴和風暴潮3種方式向大海水體輸送硅。

4.3 “地球生態系統”的碳補充機制

“地球生態系統”理論,首次提出碳補充機制[6],并且說明了補充機制在運行過程中的每個流程,闡明了無論硅的充足與缺乏,地球生態系統都要將碳從大氣中移動到海底,儲藏起來,完成碳的遷移過程。研究結果表明,人類大量排放二氧化碳引起氣溫和水溫上升,地球生態系統不惜損害陸地生態系統和海洋生態系統,也要啟動碳補充機制,完成碳的遷移,從而使氣溫和水溫恢復到動態的平衡。

大氣中二氧化碳的增多,導致氣溫呈上升趨勢,水溫呈上升趨勢,在海洋中氮和磷含量升高而硅含量降低。地球生態系統為了保持海洋中浮游植物生長的平衡和海洋生態系統的可持續發展,開始啟動碳補充機制,使大氣中的碳迅速遷移沉降到海底。在此過程中,會出現兩種情況:① 地球生態系統啟動硅補充機制,海水中的硅使浮游植物生長迅速、旺盛,形成硅藻為優勢種,易產生硅藻赤潮。② 地球生態系統無法啟動硅補充機制,海水中大量的氮和磷使浮游植物集群結構改變,從硅藻改變為甲藻等非硅藻。甲藻等非硅藻生長迅速、旺盛,形成優勢種,易產生甲藻等非硅藻赤潮。這兩種情況下大氣中的碳都被迅速遷移沉降到海底,氣溫和水溫恢復到動態平衡。通過地球生態系統的碳補充機制,未來氣候變化的趨勢:近岸和盆地流域地區成為多雨區,內陸成為干旱區,海上成為多風暴潮區。從全球生態系統和變異氣候的變化趨勢的角度來看,在全球氣候的變化趨勢有兩大顯著特點:氣溫趨向于升高;風暴趨向于增強[2]。在未來氣候變化的趨勢下,農作物的生長都趨向于耐高溫和抗倒伏,在內陸生長的農作物,具有抗干旱的特性,在近岸和盆地流域生長的農作物,具有抗洪澇性。海洋生物能夠適應水上風暴潮的攪動,也能夠適應甲藻等非硅藻赤潮以及赤潮帶來環境變化。

因此,人類需要提高生物技術來進行培養、改良陸地的農作物物種和水產品物種,以適應氣候和環境的變化,以便人類的食品資源可持續利用。

4.4 “地球生態系統”的硅軌跡

通過 “地球生態系統”的3個生態子系統:陸地生態系統、海洋生態系統和大氣生態系統,來研究硅的運行軌跡。

在北太平洋水域,無論是在近岸水域還是遠離近岸水域,從秋天的雨季結束 (11月)到春天的雨季開始 (5月)之前,浮游植物生長都受到硅的限制,由于長時間缺乏營養鹽硅,造成了浮游植物的細胞數量最低。這時正是系統的上升通道加大力度、提高運行能力的時候。在3—5月,沙塵暴次數多、強度大,尤其在雨季來臨之前的4月和5月,北太平洋水域極度缺乏硅,沙塵暴4月次數最多,5月強度最大,給北太平洋水域帶來最多的硅補充。這表明上升通道與硅在時間上缺乏緊密配合,其運行能力與硅缺乏的嚴重程度相一致。

在北太平洋水域,當5月雨季來臨后,有陸源通過洪水和河流向北太平洋提供了穩定的、持續的、大量的硅。在11月的雨季結束之前,北太平洋的季風已經成為冬季季風,在冬季,當沒有陸源向北太平洋提供硅時,通過大氣由冬季風向北太平洋提供了穩定的、持續的、大量的硅。在4—5月期間轉入夏季季風,這時,有陸源向北太平洋提供硅時,就不需要季風提供輸送了。于是,夏季季風就變得較弱、持續時間短、穩定性較差的季風。由此可見,北太平洋的季風與北太平洋邊緣的雨季在時間上密切相嵌,順利完成近岸洪水和河流的輸送與大氣的輸送之間的相互轉換,一直保持向大海的水體輸入大量的硅。通過北太平洋海洋生態系統的動力剖析,就知道陸地沙漠化的原因。

北太平洋水域營養鹽硅的提供系統必須要有充足的硅源和強大的上升動力,這樣才能充分保證這個系統的正常運行。① 要有充足的硅源,就是需要硅源的面積擴大。這樣,沙漠化逐年增強,沙化的面積逐年擴大。② 強大的上升動力,就是系統上升通道的運行能力增強。這樣,沙塵暴時間延長,空間變大。形成了遮天蔽日、持續數日的沙塵暴。由此導致內陸的氣候干旱,使陸地成為沙漠化,沙塵暴增強。

4.5 未來的氣候預測及證實

通過海洋生態變化,確定了海洋生態系統可持續發展的動力是營養鹽硅和水溫,營養鹽硅是主要發動機,水溫是次要發動機。“地球生態系統”理論揭示了未來地球氣候變化的模式:近岸地區和流域盆地的氣候模式、內陸的氣候模式和海洋的氣候模式。近岸地區和流域盆地成為多雨區,內陸成為干旱區,海洋成為風暴潮區。

根據未來地球氣候變化的模式,在不同的區域,建立不同的防災減災體系和基礎設施。在近岸地區和流域盆地,建設排水系統,做好城市、農田的排澇,注意連續遭受暴雨襲擊,防范可能引發的洪澇災害。在內陸區域,建設節水灌溉系統,做好城市、農田的防旱措施,注意高溫、強風和持續的干旱,防范可能引發的干旱災害。在海洋區域,建設預測、預報的設施,完善預測、預報的機制,注意風暴潮的面積、強度、速度等級別,防范臺風、颶風、熱帶風暴和寒潮等風暴潮可能引發的海上災害。

以洪水、沙塵暴和風暴潮3種方式向大海水體輸送硅,對人類生存來說是3種災害,但是這些災害與全球氣溫和水溫上升所帶來的災害相比是微不足道的。這是由于洪水、沙塵暴和風暴潮是局部的災難,然而全球氣溫和水溫上升所帶來的災害是全球性的災難。因此,通過未來地球氣候變化模式,對洪澇災害、干旱災害、風暴潮災害等災害進行時時監測,提高預報精度和準確率。人類要應對氣候變化給生態環境帶來的影響,積極采取應急措施,利用現代技術加強防災減災的系統建設,以便減少未來自然災害對人類的影響。

5 結論

通過對地球的許多自然現象的研究,筆者首次提出 “地球生態系統”理論,闡述了其定義、結構、目標、功能、內容和意義,說明了地球生態系統的特征,展示了地球生態系統的變化過程和運行機制。通過地球生態系統理論的應用,充分闡述了地球生態系統的三大補充機制和北太平洋的生態動力。借助于地球生態系統的3個生態子系統:陸地生態系統、海洋生態系統和大氣生態系統,揭示了硅的運行軌跡。在地球生態系統的三大補充機制理論指導下,預測了地球未來的氣候模式。

[1] 楊東方,高振會,王培剛,等.膠州灣浮游植物的生態變化過程與地球生態系統的補充機制[M].北京:海洋出版社,2005:1-182.

[2] 楊東方,高振會.膠州灣和長江口的生態[M].北京:海洋出版社,2007:1-366.

[3] 楊東方.浮游植物的生態與地球生態系統的機制[M].北京:海洋出版社,2009:1-322.

[4] 楊東方,高振會,秦潔,等.地球生態系統的Si補充機制[J].海洋科學進展,2006,24(4):407-412.

[5] 楊東方,吳建平,曲延峰,等.地球生態系統的氣溫和水溫補充機制[J].海洋科學進展,2007,25(1): 117-122.

[6] 楊東方,殷月芬,孫靜亞,等.地球生態系統的碳補充機制[J].海洋環境科學,2009,28(1):100-107.

[7] 楊東方,苗振清,石強,等.未來的地球氣候模式得到了初步印證[J].海洋開發與管理,2011,28(11): 38-41.

[8] NASA.Advisory council:earth system science[R]. Washington DC:NASA,1988.

[9] 楊東方,苗振清,石強,等.北太平洋的海洋生態動力[J].海洋環境科學,2012,31(2):201-207.

[10]LOVELOCK J E,MARGULIS L.Homeostatic tendencies of the earth atmosphere[J].Origins of Life,1974(5):93-103.

[11]MARGULIS L,LOVELOCK J E.Biological modulation of the earth's atmosphere[J].ICARUS, 1974,21:471-489.

[12]LOVELOCK J E.Gaia,a new look at life on earth [M].London:Oxford University Press,1979.

[13]LOVELOCK J E.The ages of Gaia:a biography of our living earth[M].New York:W.W.Norton, 1988.

[14]LOVELOCK J E.Hand up the Gaia hypothesis[J]. Nature,1990,344:100-102.

中國科學院知識創新工程重要方向項目——長江口及其附近海域的營養鹽的變化過程 (KZCX 2-207);舟山漁場漁業生態研究與污染控制技術開發項目(2007c23075);海洋漁業科學與技術 (浙江省 “重中之重”建設學科);國家海洋局北海環境監測中心主任科研基金資助項目——長江口、膠州灣、浮州灣及其附近海域的生態變化過程.