地球生态系统的理论创立*

杨东方,苗振清,徐焕志,高 锋,孙静亚

(1.浙江海洋学院海洋科技学院 舟山 316000;2.浙江海洋学院生物地球化学研究所 舟山 316000; 3.国家海洋局北海环境监测中心 青岛 266033)

地球生态系统的理论创立*

杨东方1,2,3,苗振清1,徐焕志1,高 锋1,孙静亚1

(1.浙江海洋学院海洋科技学院 舟山 316000;2.浙江海洋学院生物地球化学研究所 舟山 316000; 3.国家海洋局北海环境监测中心 青岛 266033)

文章通过对地球的许多自然现象的研究,首次提出 “地球生态系统”理论,阐述了地球生态系统的定义、结构、目标、内容和意义,说明了地球生态系统的特征,揭示了地球生态系统的变化过程和运行机制。通过 “地球生态系统”理论的应用,充分阐述了地球生态系统的三大补充机制和北太平洋的生态动力。借助于地球生态系统的3个生态子系统:陆地生态系统、海洋生态系统和大气生态系统,展示了硅的运行轨迹。在地球生态系统的三大补充机制理论指导下,预测了地球未来的气候模式。

定义;特征;理论;应用;地球生态系统

随着人类活动的加剧,地球发生了巨大的变化。为了了解引起地球变化的成因、过程和机制,需要对地球有新的研究方向和内容。于是,作者提出了新的理论:“地球生态系统”理论,旨在从不同的角度来探讨和研究地球的变化。

1 “地球生态系统”理论提出的重要性

近年来,全球变暖、沙尘暴、洪水、风暴潮和赤潮等灾害频繁发生,严重地威胁着人类社会的发展和生命财产的安全。出于防灾减灾的目的,人们对地球生态学领域的兴趣一直在不断增长着,强烈关注陆地生态系统、海洋生态系统、大气生态系统,并进行了大量关于地球生态系统的变化和人类对地球生态系统的影响以及地球生态系统的发展趋势[1-3]的研究。作者 “地球生态系统”理论体系的提出,意在揭示产生一系列自然灾害的过程和机制[4-6],并且预测未来的气候模式[7],为解决人类生存与可持续发展所面临的资源供给、生态保护、环境优化、防灾减灾和国家安全等重大问题提供科学支持。

2 “地球生态系统”理论的建立

2.1 “地球生态系统”的定义、结构和目标

“地球生态系统”是指地球本身具有生命特征,能够通过自身的调节和控制完成地球的可持续发展,使地球上一切物质都以不同的形式能够延续存在。

“地球生态系统”由陆地生态系统、海洋生态系统和大气生态系统3部分组成,陆地、海洋和大气相互之间构成了3个界面。

“地球生态系统”的目标:就是为地球上一切物质都以不同的形式能够延续存在,使地球能够可持续发展,维持地球正常地、稳定地和长期地动态运行,并且具有稳定的、动态的生态系统。

2.2 地球生态系统的内容和意义

“地球生态系统”包含地球上一切的生命与环境。当出现生命之前或者如果有一天地球上没有生命时,地球生态系统的内容则包含的只有环境。

“地球生态系统”将全球的生命与环境看做一个整体,从结构方面阐明了地球的运动轨迹,从功能方面分析了地球不同领域的生态系统的可持续发展。通过对地球生态系统的研究,展示了地球生态系统的变化过程;阐明了地球生态系统的演变规律;确定了地球生态系统的动力成因;揭示了地球生态系统的运行机制;建立地球生态系统的变化趋势的预测理论,为人类的生存及可持续发展提供科学依据。

2.3 地球生态系统的特征

“地球生态系统”是将地球看做一个整体来研究,而生命仅仅是其中一部分。若进一步研究地球的内部、表层和外层,就可以研究陆地生态系统、海洋生态系统和大气生态系统的3个生态系统领域,以及由他们构成的3个生态系统界面。

“地球生态系统”从全球来确定地球的可持续发展,通过地球生态系统来调节和控制全球的变化,尤其在人类对地球的作用下。“地球生态系统”展示了三大补充机制[4-6],修复人类活动造成地球生态系统的破坏,消除人类活动对地球生态系统的干扰,同时补充人类活动造成地球生态系统的动力缺少。

3 “地球生态系统”理论与前人的概念及假说不同

3.1 与前人的概念不同

1983年,美国国家航空航天局顾问委员会提出了 “地球系统科学”,于1988年出版了《地球系统科学》报告[8],系统地阐述了地球系统科学的观点,通过对地球整体系统及其各子系统 (大气圈、水圈、冰雪圈、生物圈、岩石圈、近地空间、人类圈)演化过程和相互作用的研究,认为发生在该系统中的各种时间尺度的全球变化是地球系统各子系统 (圈层)的物理、化学和生物学三大基本过程相互作用的结果。

笔者认为将地球研究划分为大气圈、水圈、冰雪圈、生物圈、岩石圈、近地空间、人类圈,缺少有机的整体结合,将环境之间的相互作用和紧密联系也相互孤立和分离开了,这样的研究只会得到片面的、局部的结果,甚至会得到错误的结论。只有 “地球生态系统”理论,才能对地球整体进行完整的和全面的研究。例如,在对北太平洋海洋生态系统的研究[9]中,就展示了在整个地球生态系统中硅的运行轨迹。

3.2 与前人的假说不同

20世纪60年代末和70年代初,英国地球物理学家Lovelock和美国生物学家Margulis提出“盖娅(Gaia)假说”[10-14],盖娅是一个由地球大气圈、水圈、冰雪圈、生物圈、岩石圈、近地空间、人类圈等各部分组成的反馈系统或控制系统,这个系统通过自身调节和控制而寻求并达到一个适合于大多数生物生存的最佳物理—化学环境条件。地球表层系统的复杂性和多样性通过生命和生命活动决定了可以自我调节、自我控制。“盖娅假说”认为地球上所有生物对其环境是不断地主动地起着调节作用。并且认为如果地球上生物消失,那么盖娅也就消失了。

“地球生态系统”理论与 “盖娅假说”有4个方面不同,“地球生态系统”理论认为:① 不能将地球研究划分为大气圈、水圈、冰雪圈、生物圈、岩石圈、近地空间、人类圈,即不能够将环境各部分之间、环境与生物之间进行分割,它们是有机地、紧密地结合在一起的。② 不能以生物圈为中心,不能认为生命和生命活动决定地球表层系统,也不能认为地球上所有生物对其环境是不断地、主动地起着调节作用。环境与生物在地球生态系统中具有平等的地位和相同的作用,他们是有机地、协调地结合在一起,使地球生态系统能够可持续发展。③ 人类是地球上生物的一部分,而不能够单独从地球生物中分离出来。即使人类活动已经并且继续影响地球的变化,人类的活动也只是地球生态系统中的一部分。④ 不能过于夸大生物对地球的作用和影响,在地球生态系统中,即使没有生物,地球生态系统同样具有控制和调节地球的变化,地球生态系统具有稳定状态。

4 “地球生态系统”理论的应用

4.1 “地球生态系统”营养盐硅补充机制

“地球生态系统”理论,根据营养盐硅对浮游植物生长的影响过程和浮游植物的生理特征以及其集群结构的改变特点的研究结果,综合分析硅的生物地球化学过程,探讨人类对生态环境的影响、生态环境变化对地球生态系统的影响。“地球生态系统”理论提出营养盐硅的补充机制[4]:近岸的洪水、大气的沙尘暴和海底的沉积物向缺硅的水体输入大量的硅,即由陆地、大气、海底3种途径将硅输入海水水体中,满足浮游植物的生长,保持海洋中浮游植物生长的动态平衡和海洋生态系统的可持续发展。

随着海洋生态系统中硅的严重缺乏,“地球生态系统”启动了补偿机制。① 水流对硅的输送能力加大,在海洋沿岸形成了多雨气候,降雨次数频繁、降雨时间延长、雨量增大,形成了沿岸河流向大海的泥石流和洪水;同时风暴潮也越来越频繁和剧烈,进一步加大了洪水流量,向海洋输送更多的硅量和更高的硅浓度。② 大气的输送增加。在内陆,气候干燥、高温,造成植物死亡、土地干裂,加速了土地的沙漠化。通过干燥、高温的上升气流,将地面所形成的沙尘带起,逐步随着风力加大变成猛烈的沙尘暴,并尽可能将这些沙尘送向大海的近岸水域,有时送到远离近岸水域。③ 台风或飓风发生频率剧增,其强度在不断增加,台风或飓风扫过的面积也在增大,使海底通过沉积物向海洋水体输入大量的硅。同时,台风或飓风所带的雨量也在增加,使近岸的洪水向海洋水体输入大量的硅。

4.2 “地球生态系统”的气温和水温补充机制

海水水温的升高,会带来灾难性的后果。若要水温下降并恢复到原来的平衡位置,就要使大气中二氧化碳含量增长放缓,保持大气中二氧化碳平衡。海洋是大气中二氧化碳的最大吸附器,二氧化碳能够溶解在海水中,被浮游植物吸收,沉降到海底并贮存。由于浮游植物的作用,使得大气中温室效应减弱,气温开始降温,也使得海水温度下降。

为了使气温和水温下降或缓慢地增加,必须采取以下措施:① 减少向大气排放二氧化碳。② 当大气中二氧化碳含量增多时,应疏通河道增大流量、加强流速,向海洋输送大量的硅,通过促使浮游植物的生长,使其吸收更多的二氧化碳,从而减少大气中二氧化碳的含量。

当二氧化碳排放增多而河流的输送减少时,“地球生态系统”的气温和水温补充机制只有通过洪水、沙尘暴和风暴潮3种方式向大海水体输送硅。

4.3 “地球生态系统”的碳补充机制

“地球生态系统”理论,首次提出碳补充机制[6],并且说明了补充机制在运行过程中的每个流程,阐明了无论硅的充足与缺乏,地球生态系统都要将碳从大气中移动到海底,储藏起来,完成碳的迁移过程。研究结果表明,人类大量排放二氧化碳引起气温和水温上升,地球生态系统不惜损害陆地生态系统和海洋生态系统,也要启动碳补充机制,完成碳的迁移,从而使气温和水温恢复到动态的平衡。

大气中二氧化碳的增多,导致气温呈上升趋势,水温呈上升趋势,在海洋中氮和磷含量升高而硅含量降低。地球生态系统为了保持海洋中浮游植物生长的平衡和海洋生态系统的可持续发展,开始启动碳补充机制,使大气中的碳迅速迁移沉降到海底。在此过程中,会出现两种情况:① 地球生态系统启动硅补充机制,海水中的硅使浮游植物生长迅速、旺盛,形成硅藻为优势种,易产生硅藻赤潮。② 地球生态系统无法启动硅补充机制,海水中大量的氮和磷使浮游植物集群结构改变,从硅藻改变为甲藻等非硅藻。甲藻等非硅藻生长迅速、旺盛,形成优势种,易产生甲藻等非硅藻赤潮。这两种情况下大气中的碳都被迅速迁移沉降到海底,气温和水温恢复到动态平衡。通过地球生态系统的碳补充机制,未来气候变化的趋势:近岸和盆地流域地区成为多雨区,内陆成为干旱区,海上成为多风暴潮区。从全球生态系统和变异气候的变化趋势的角度来看,在全球气候的变化趋势有两大显著特点:气温趋向于升高;风暴趋向于增强[2]。在未来气候变化的趋势下,农作物的生长都趋向于耐高温和抗倒伏,在内陆生长的农作物,具有抗干旱的特性,在近岸和盆地流域生长的农作物,具有抗洪涝性。海洋生物能够适应水上风暴潮的搅动,也能够适应甲藻等非硅藻赤潮以及赤潮带来环境变化。

因此,人类需要提高生物技术来进行培养、改良陆地的农作物物种和水产品物种,以适应气候和环境的变化,以便人类的食品资源可持续利用。

4.4 “地球生态系统”的硅轨迹

通过 “地球生态系统”的3个生态子系统:陆地生态系统、海洋生态系统和大气生态系统,来研究硅的运行轨迹。

在北太平洋水域,无论是在近岸水域还是远离近岸水域,从秋天的雨季结束 (11月)到春天的雨季开始 (5月)之前,浮游植物生长都受到硅的限制,由于长时间缺乏营养盐硅,造成了浮游植物的细胞数量最低。这时正是系统的上升通道加大力度、提高运行能力的时候。在3—5月,沙尘暴次数多、强度大,尤其在雨季来临之前的4月和5月,北太平洋水域极度缺乏硅,沙尘暴4月次数最多,5月强度最大,给北太平洋水域带来最多的硅补充。这表明上升通道与硅在时间上缺乏紧密配合,其运行能力与硅缺乏的严重程度相一致。

在北太平洋水域,当5月雨季来临后,有陆源通过洪水和河流向北太平洋提供了稳定的、持续的、大量的硅。在11月的雨季结束之前,北太平洋的季风已经成为冬季季风,在冬季,当没有陆源向北太平洋提供硅时,通过大气由冬季风向北太平洋提供了稳定的、持续的、大量的硅。在4—5月期间转入夏季季风,这时,有陆源向北太平洋提供硅时,就不需要季风提供输送了。于是,夏季季风就变得较弱、持续时间短、稳定性较差的季风。由此可见,北太平洋的季风与北太平洋边缘的雨季在时间上密切相嵌,顺利完成近岸洪水和河流的输送与大气的输送之间的相互转换,一直保持向大海的水体输入大量的硅。通过北太平洋海洋生态系统的动力剖析,就知道陆地沙漠化的原因。

北太平洋水域营养盐硅的提供系统必须要有充足的硅源和强大的上升动力,这样才能充分保证这个系统的正常运行。① 要有充足的硅源,就是需要硅源的面积扩大。这样,沙漠化逐年增强,沙化的面积逐年扩大。② 强大的上升动力,就是系统上升通道的运行能力增强。这样,沙尘暴时间延长,空间变大。形成了遮天蔽日、持续数日的沙尘暴。由此导致内陆的气候干旱,使陆地成为沙漠化,沙尘暴增强。

4.5 未来的气候预测及证实

通过海洋生态变化,确定了海洋生态系统可持续发展的动力是营养盐硅和水温,营养盐硅是主要发动机,水温是次要发动机。“地球生态系统”理论揭示了未来地球气候变化的模式:近岸地区和流域盆地的气候模式、内陆的气候模式和海洋的气候模式。近岸地区和流域盆地成为多雨区,内陆成为干旱区,海洋成为风暴潮区。

根据未来地球气候变化的模式,在不同的区域,建立不同的防灾减灾体系和基础设施。在近岸地区和流域盆地,建设排水系统,做好城市、农田的排涝,注意连续遭受暴雨袭击,防范可能引发的洪涝灾害。在内陆区域,建设节水灌溉系统,做好城市、农田的防旱措施,注意高温、强风和持续的干旱,防范可能引发的干旱灾害。在海洋区域,建设预测、预报的设施,完善预测、预报的机制,注意风暴潮的面积、强度、速度等级别,防范台风、飓风、热带风暴和寒潮等风暴潮可能引发的海上灾害。

以洪水、沙尘暴和风暴潮3种方式向大海水体输送硅,对人类生存来说是3种灾害,但是这些灾害与全球气温和水温上升所带来的灾害相比是微不足道的。这是由于洪水、沙尘暴和风暴潮是局部的灾难,然而全球气温和水温上升所带来的灾害是全球性的灾难。因此,通过未来地球气候变化模式,对洪涝灾害、干旱灾害、风暴潮灾害等灾害进行时时监测,提高预报精度和准确率。人类要应对气候变化给生态环境带来的影响,积极采取应急措施,利用现代技术加强防灾减灾的系统建设,以便减少未来自然灾害对人类的影响。

5 结论

通过对地球的许多自然现象的研究,笔者首次提出 “地球生态系统”理论,阐述了其定义、结构、目标、功能、内容和意义,说明了地球生态系统的特征,展示了地球生态系统的变化过程和运行机制。通过地球生态系统理论的应用,充分阐述了地球生态系统的三大补充机制和北太平洋的生态动力。借助于地球生态系统的3个生态子系统:陆地生态系统、海洋生态系统和大气生态系统,揭示了硅的运行轨迹。在地球生态系统的三大补充机制理论指导下,预测了地球未来的气候模式。

[1] 杨东方,高振会,王培刚,等.胶州湾浮游植物的生态变化过程与地球生态系统的补充机制[M].北京:海洋出版社,2005:1-182.

[2] 杨东方,高振会.胶州湾和长江口的生态[M].北京:海洋出版社,2007:1-366.

[3] 杨东方.浮游植物的生态与地球生态系统的机制[M].北京:海洋出版社,2009:1-322.

[4] 杨东方,高振会,秦洁,等.地球生态系统的Si补充机制[J].海洋科学进展,2006,24(4):407-412.

[5] 杨东方,吴建平,曲延峰,等.地球生态系统的气温和水温补充机制[J].海洋科学进展,2007,25(1): 117-122.

[6] 杨东方,殷月芬,孙静亚,等.地球生态系统的碳补充机制[J].海洋环境科学,2009,28(1):100-107.

[7] 杨东方,苗振清,石强,等.未来的地球气候模式得到了初步印证[J].海洋开发与管理,2011,28(11): 38-41.

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

[9] 杨东方,苗振清,石强,等.北太平洋的海洋生态动力[J].海洋环境科学,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.

中国科学院知识创新工程重要方向项目——长江口及其附近海域的营养盐的变化过程 (KZCX 2-207);舟山渔场渔业生态研究与污染控制技术开发项目(2007c23075);海洋渔业科学与技术 (浙江省 “重中之重”建设学科);国家海洋局北海环境监测中心主任科研基金资助项目——长江口、胶州湾、浮州湾及其附近海域的生态变化过程.