013地球环境及其变迁

地球环境及其变迁中国地质大学（武汉）•地球生物学系学习要点1.认识第四纪以来发生的重大环境事件①掌握环境变迁与气候变化过程中的重要事件及其特征②了解生物绝灭与环境变迁之间的事件关联2.运用所学知识进行尝试分析①尝试运用已有证据推断当今和今后的环境变迁②尝试思考人类在环境变迁中的重要作用§1研究气候变化的现实意义英国学者估计：平均气温如下降1~2°C，英国中北部农作物生长季节比现在缩短一个月；后果是粮食减产，冬季供暖时间加长，多耗燃料。相反，如升高1~2°C，会加剧冰盖融化和海平面上升，导致海水入侵和沿海地区地下水盐度增高，危及城市供水和农作物生长。地面气温升降在地理上是不均衡的，赤道带如增高1°C，高纬度区就要增加10~20°C。将造成全球大气环流和洋流的变化，也将引起生态失衡，给人类生存带来巨大冲击。§2大冰期及其成因假说地球历史中曾多次出现大规模冰期和暖期的交替。最近三次全球性大冰期出现于：第四纪（2-3百万年前）、石炭-二叠纪（2.7-3.1亿年前）和晚元古代（约7-7.5亿年前），间隔分别为2.6~3.9亿年（愈新愈短）。大冰期成因（不符合米兰科维奇学说）的两种常见解释：1.黄赤交角大波动（ε=0°~90°）周期大冰期时ε=90°，地球发生冰盖的一极正好背向太阳。2.太阳的银河年周期太阳从远银心点向近银心点运动速度加快，在惯性影响下，日地距离增大,地球上接受太阳热量减少。银河年并不是等速周期，有愈来愈快的趋势。§3第四纪的冰期旋回第四纪大冰期内部存在明显的万年级冰期和间冰期冷暖气候交替旋回（符合米兰科维奇学说）。20世纪初期以阿尔卑斯山冰川为模式建立的4次冰期模式，曾经获得广泛流传。但已证明由于后期冰川作用往往刨蚀破坏前期冰川遗迹，并不能代表第四纪完整的气候变化史。第四纪完整的古气候高分辨率变化记录(至少24个气候旋回)，已经在太平洋深海钻孔、陕北黄土-古土壤序列和极地冰岩心中获得深入研究，并称为第四纪全球(气候)变化研究的三大支柱。记录第四纪以来气候变化的陕北黄土柱黄土层与红色古土壤层相夹黄土与深海沉积中的冰川旋回陕北洛川黄土剖面的布容正向极性期（距今0-73万年）中，统计出8层古土壤（S8-S1）和顶部的全新世黑垆土(S0)。黄土的成因与干冷的西北风关系密切，代表冰期气候。红褐色古土壤（粘粒25%）仅发育于湿热化环境，黑垆土代表温湿期森林草原古土壤，代表间冰-冰后期气候。黄土-古土壤序列中的9个气候事件可以与太平洋深海钻孔中的9个氧同位素（δ18O）气候事件很好对比，都以10万年的短偏心率周期最为明显。布容期深海钻孔与黄土对比黄土剖面与深海沉积对比显示同步的冰期、间冰期气候变化注意不同阶段旋回结构特征的突变§4是否存在快速的气候突变？以往虽发现第四纪存在频繁的冰期、间冰期转换，但认为末次冰期结束后近1万年来的气候变化是相当稳定的，未感到气候突变带来的严峻挑战。最近得到的极地冰岩心和深海沉积高分辨率记录，显示出在长期的气候逐渐变化过程中，发生过一系列大幅度（±5°C）的突然变化，时间尺度仅有几十到几百年。这种气候突变不仅发生在最近的冰期（新仙女木事件），也可发生在冰期末次亚间冰期（海因里奇事件），甚至是典型的间冰期（Eemian间冰期）内部。全新世末次冰期冰后期的新仙女木事件1.3万年前末次冰期消退，气候转暖，温带动物群返回北欧和加拿大东北部。北美大陆冰盖迅速融化，形成一个巨大的阿格兹湖，排水通道流向墨西哥湾。冰后期增温导致湖盆东侧的冰原破裂崩塌，大量淡水突然涌入北大西洋。墨西哥湾却因淡水流入减少而盐度、密度显著增大，墨西哥湾流暖水未到北部就下沉，向高纬度输送的热量减少。北大西洋的大量淡水很快形成海上冰盖，导致重返冰期气候。因喜寒性花卉植物仙女木（Dryas)重新折返，称为新仙女木事件。新仙女木事件降温幅度总体变暖背景下产生一系列温度的激烈震荡，降温幅度达到5ºC±,低温持续期延续500~1000年。根据格林兰冰岩心和瑞士湖泊沉积物中氧同位素含量对比，证明两地发生的降温事件在时间上、幅度上都可以很好对比。全球洋流转送带模型大西洋深海洋流循环间冰期内的气候突然变化Eemian间冰期(距今12.5万年前)的全球气温比现在高约2ºC,海平面高约5m。就在间冰期的全盛期突然出现持续70年的恶劣天气，温度降幅达到5ºC。事件成因以及到底是区域性或全球性尚待研究。。较流行的解释：间冰期增温导致冰山大规模崩塌，大西洋海水的温度、盐度降低，影响到海洋传送带环流模式突变，所以在总体变暖趋势中出现突然变冷的插曲。海因里希事件：末次冰期内的气候快速波动H.Heinrich(1988)在北大西洋（47ºN/19ºW附近）3个钻孔的深海沉积物研究中，首先发现存在6个气候迅速变冷层。沉积特征：暖水型有孔虫含量减少，海水盐度降低和粗粒碳酸盐（150μm）碎屑快速堆积。发生时间：末次冰期之内（90年代测得6个事件层年龄为1.43万、2.1万、2.8万、4.1万、5.2万和6.9万年前，多数间隔在1.1万年左右），单层形成时间仅上千年或几百年。证明冰期内也存在气候快速波动。事件原因：冰期中北极区冰盖迅速扩张，周缘冰山大量南移至中纬度地区，带来低温淡水并使携带的岩屑降落海底。形成机制：海因里希事件（Heinrichevents)出现的间隔明显短于岁差旋回（1.9∽2.1万年），确切原因尚待研究。全球气候变暖历史的记录§5未来气候变化过去与今后的海平面变化太平洋岛国图瓦卢由9个环礁岛屿组成,面积26km2,最高点海拔4.5m。2001年11月15日正式宣布：无法对抗温室效应导致的海面上升，只能放弃自已的家园。全国1.1万国民从2002年起将全数移民到新西兰。澳大利亚则在2001年7月份拒绝接纳移民。有20多万人口的马尔代夫等类似岛国将来怎麽办？海面上升,岛国危机!§6生物绝灭与环境变迁物种的数量和寿命生物绝灭的类型与规模地史中生物绝灭实例物种的数量与寿命生物现存物种数量尚无公认的准确数据，迄今已鉴定的有150×104（Grant,1963)~200×104（杨昌凤等，1994）个物种，其中2/3为昆虫。全球3/4物种分布在热带地区（尤其集中于热带雨林内）。自寒武纪以来（5.4亿年）一共有过多少物种？Grant（1963)估计至少有16×108，Raup等（1971）推算有9.82×104。陈世壤（1978）估计在最低值85×106~最高值4.2×108之间，最可能是3×108。据此，Raup等（1971）推算出物种平均寿命为275万年。陈世壤（1978）认为物种增长速度有逐渐加快趋势，白垩纪以来(1.3亿年)的物种平均寿可能接近100~200万年。现生物种的数量植物低等无脊椎动物高等无脊椎动物脊椎动物藻类约26,900种原核生物约4,760种腔肠动物约9,800种鱼类约19,100种菌藻类约47,000种原生动物约30,800种棘皮动物约5,000种两栖类约4,200种高等植物约248,500种扁形动物约12,000种环节动物约12,000种爬行类约6,300种线虫动物约12,000种软体动物约50,000种鸟类约9,000种海绵动物约5,000种昆虫类约751,000种哺乳类约4,000种昆虫以外的节肢动物约423,000种生物绝灭类型与规模绝灭（extinction)：指一个物种的个体完全消失而不留下后裔（终极绝灭）。假绝灭：某个物种通过线系渐变型式由祖先种演变为后裔种，前者虽绝灭，但物种谱系仍继续。绝灭背景值：每百万年平均绝灭0.1~1个物种，仅有区域或局域意义，可视为正常情况。集群绝灭（massextinction)：地史中的某些特殊时期，出现许多生物门类全球性、近同时突然绝灭，物种级绝灭率高达90%。反映了地球表层生态环境的巨变。显生宙的五次大绝灭K/T界线黏土意大利古比奥剖面K/T界线黏土中的铱异常月面陨击坑冲击变质作用记录震裂锥冲击页理熔长石距今6000万年前灭绝发生时的大陆分布情况白垩纪末的生物集群绝灭陆地上：以恐龙为代表。海洋中：以浅海浮游生物（浮游有孔虫、超微化石颗石藻）最突出。墨西哥尤坦卡半岛，发现180km直径陨击坑，由直径10km小星体撞击形成，=8亿颗广岛原子弹爆炸！P/T界线与牙形石演化序列二叠纪的阶梯状生物绝灭地史中最大的生物绝灭事件长兴剖面162属333种海生生物的生存年代长兴煤山P/T界线剖面的碳同位素曲线P/T界线的铱异常P/T界线地外事件的证据深水P/T界线的He三异常§7生物的演化阶段繁荣期（绝灭前原先生物群）绝灭期（可分步骤实现）残存期（剩下少量残留种，有的种个体反而兴盛）复苏期（少量新种出现）辐射演化期（大量新种出现）残留种：少量物种经历集群绝灭浩劫后幸存下来。复活种：有的物种能逃离恶化的环境在某个避难所生存，待环境条件好转后再回到原先的分布区。先驱种：有些门类的物种原先并不显眼，但由于优越的生理功能或很强的抗灾变生态习性，能渡过浩劫而获得辐射演化的机会。辐射/复苏/残存/大绝灭§8人类在环境变迁中的作用温室气体排放与全球变暖土地利用与土地退化生物多样性的减少二氧化碳=55%；氧化氮6%+氟里昂15%+甲烷24%=45%温室气体类型大气圈中CO2含量的增加温室气体与全球变暖工业革命以来，燃烧化石燃料、砍伐森林等使大量温室气体排放到大气中，产生温室效应。大气中CO2浓度：由1870年的280×10-6(ppm)到1958年的315ppm（年平均增长率0.1%），再到1985年的345ppm（年平均增长率0.3%）。地表平均温度：过去100年上升0.5-0.7ºC,其间11个最暖年中有7个发生在最近10年，极端天气事件（厄尔尼诺、沙尘暴）的频率和强度都在增加。按此趋势：地球表层将以O.3ºC/每10年速率增温，到21世纪中期将比工业革命开始前的“自然背景温度”提高1.5-4.5ºC。气候变化的空间分异以我国50~80年代为例，既有全球趋势又有地区分异：逐步升温地区---东北、华北、新疆中部，升温率0.1~0.4ºC/10年。纬度更高的黑龙江北部和新疆北部可高达0.2~0.4ºC/10年。逐步降温地区---秦岭、淮河以南、南岭以北、四川盆地及长江中下游，降温率0.1ºC/10年。降温中心的四川盆地达到0.14~0.16ºC/10年。先降后升地区---青藏高原、岭南。70年代前降温，80年代起转为升温，升温率0.1ºC/10年。a-北半球气温变化;b-大气中CO2含量;c-太阳活动周期平均相对黑子数;d-巨行星地心汇聚时地球冬至日公转半径改变量;e-地球自转速度。气候波动与不确定性当前学术界对全球气候变暖趋势虽已有了共识，但还存在一些重大的不确定性。国内有人从天文气候学已知周期规律角度提出：21世纪早期地表温度可能转为下降，21世纪中期重新反弹回升。国外也有人提出：目前全球变暖的趋势可能重演地质历史中发生过的突然变冷事件----大西洋暖流传送带突然关闭，导致气候迅速变冷。土地利用与土地退化不适当土地利用的严重后果：美国（30年代）、前苏联（60年代）由于滥垦草原，引发过“黑风暴事件”。美索不达米亚平原（六千年前）因土壤次生盐渍化荒芜。中国北方土地荒漠化原因：过度樵柴占32.4%，过度放牧占29.4%，草原过度农垦（主要在沙漠边缘地区）占23.3%，其他人为因素占9.4%，人为因素共计占94.5%。自然风力引起的沙丘前移入侵仅占5.5%。许多沙漠是在当地不利气候条件下加上人类不适当活动而形成：罗布泊汉晋时期是著名的楼兰绿洲，60年代还有水面;毛乌素沙漠至少唐时仍水草丰满。按目前无节制截水趋势，塔里木河将在110年内干枯！居延海残存的胡杨林绿洲也将消失。沙漠侵蚀耕地生物多样性减少与过去5亿年中的五次大灭绝相匹敌，目前世界正处于另一次重要物种灭绝的边缘！主要原因：人为因素（人类引起的环境污染、热带森林锐减、珊瑚礁破坏、湿地消失等）造成。按热带生境破坏的趋势预测：1975~2015年间，世界物种每10年将灭绝1%~11%。有一种中度的预测，今后25年内4%~8%的热带森林物种将灭绝。热带雨林