1、(6)自然科学和社会科学的合作：如何加强自然科学和社会科学之间的合作，以提高我们对自然环境、社会经济和政治系统之间复杂关系的认识？ 为提高对全球变化效应的综合评估能力，这种紧密合作非常必要。第 5 章 水生生态系统与全球变化的相互作用水环境的性质水的热容量较大，温度变化有一定的缓冲性，为水生生物创造了一个比陆栖生物相对稳定的温度环境。正是这一特殊环境使水生生物具有温度适应范围较窄的特点。绝大多数水生生物是变温生物，缺乏体温调节机制，其体温的维持并不是靠代谢所获取之能量，对温度变化的适应能力较低，易受温度变化的影响。 1 全球变化对水生生态系统的影响海洋具有整体性和动态性特征。在风力和潮汐力的共
2、同作用下，产生诸如环流、上升流和表层风流等各种流动，使得营养物质、气体及生物在水体中扩散，形成相对均匀与分散的特点。淡水生态系统主要指江、河、湖泊。江河是单向流动的，这种单向流动决定了江河有所谓上、中和下游等不同段落的区别。这种区别无论是在理化性质还是在生物群落构成上都是十分明显的。湖泊由于边界的限制，水平和垂直流动和混合都相对较弱，不利于气体和营养物质的输运。 2 全球变化对海洋生态系统的影响诸多事实表明，自然和人类活动引起的全球变化对海洋生态系统均造成巨大的影响。气候变化、水体污染、臭氧层破坏以及过度捕捞等都对海洋生态系统的组成、结构和动态带来深刻的影响，进而威胁到海洋渔业。1.水体富营养
3、化主要指在人类活动的影响下，生物所需的氮、磷等营养物质大量进入湖泊、河口、海湾等缓流水体，引起藻类及其他浮游生物迅速繁殖，水体溶解氧量下降，水质恶化，导致鱼类及其他生物大量死亡的现象近 3040 年里，海洋里的氮含量增加了 23 倍，磷的增加也非常明显 2.营养物质的来源在人类活动对自然环境未产生明显影响之前，自然界中的营养盐收支经长期的演替总体上处于一种相对平衡状态。人类现在每年排放的工业废水及生活污水总量高达 2 亿多吨，除了一小部分残留于江、河、湖泊，其余的最后都汇入海洋。排到大气里的废气(包括温室气体在内 )通过降雨、降雪和空气对流等多种渠道，最终也大多汇入海洋。有机垃圾、家畜和家禽粪
4、便以及农施化肥的使用，最终导致水体富营养化。3.营养物质增加后果？氮、磷在近海水域的大量增加，大幅度地提高了近海水体中 N:Si 和 P:Si 的比率，使海洋生态系统从需要硅(Si)的硅藻主导群落向不需要硅的鞭毛藻、蓝藻和定鞭金藻等主导群落转移。赤潮: 海洋中一些微藻、原生动物或细菌在一定环境条件下爆发性增殖或聚集达到某一水平，引起水体变色或对海洋中其他生物产生危害的一种生态异常现象。赤潮是一个历史沿用名，它并不一定都是红色。赤潮是一种海洋灾害，可毒死鱼、贝、虾等海洋动物，甚至使人类中毒。赤潮污染期及其过后的一段时间内，受污染海域的海产品暂时不能吃。2006 年，赤潮发生次数较上年增加，累计面
5、积减少。有毒藻类引发赤潮的次数和面积与上年相当。东海为我国赤潮的高发区。大面积赤潮集中在渤海湾、长江口外和浙江中南部海域。赤潮主要影响到沿岸鱼类和贝类养殖。水体富营养化的影响水体富营养化会直接导致水中浮游植物数量的增加，提高水域的初级生产力，从而使一些渔业品种的产量增加但浮游植物，尤其是鞭毛藻、褐胞藻和定鞭金藻等数量的过度增加，往往造成有害有毒赤潮的频繁发生，对淡水和海洋渔业都具有严重的危害浮游植物的过量增殖还会使水体缺氧，直接杀死水生动物，或使生活在这些水域里的鱼类逃离 不少蓝藻在某种条件下能产生毒素。 澳大利亚、南非、美国等曾报道因藻毒引起家畜、家禽、水鸟等的大批死亡事件。赤潮藻类产生的贝
6、毒可直接危害人类生命。藻类的大量生长，使水的透明度下降，水色变差，有臭味等，从而使水体的旅游价值降低或消失。我国的一些有名的风景游览湖泊，如杭州西湖、武汉东湖、南京玄武湖、长春南湖等也都已面临这样一个问题。富营养化后、藻类、特别是大型群体藻类的大量生长，使水厂在过滤水时效率降低，影响供水。气候变化政府间气候变化专业委员会认为，在未来 50 或 100 年间，气候变化对世界渔业的影响可能超过过度捕捞。鱼是一种变温动物，它们适应温度变化的方法是改变栖息水域，如果其原有栖息水域水温升高，鱼类往往选择向水温较低的更高纬度或外海水域迁移。全球变暖对生活在中、低纬度鱼群的产量影响较小中、低纬度在全球变暖过
7、程中温度变化幅度相对较小中、低纬度的渔业产量的限制因子主要以营养盐、赤潮和病害为主相比而言，以光和温度作为主要限制因子的高纬地区的渔业生产受全球变暖的影响要大得多，这也与在全球变暖过程中高纬度水域的水温、风、海流、盐等物理因子变化的幅度较大密切相关。加拿大、日本、英国和美国的科学家分析了近 40 年北半球寒温带海水温度与红大马哈鱼栖息范围的动态关系(Williams, 1998)，发现未来海洋表层水温变暖的趋势将使极具经济价值的红大马哈鱼从北太平洋的绝大部分水域消失。 由于全球气温升高的影响，北海和大西洋 5258N 两个水域的浮游植物的丰度及高峰季节长度呈现逐年增加和变长的趋势。可是，大西洋
8、 59N 以北的浮游植物的丰度和季节长度却呈现相反的逐年下降的趋势。Southward et al. (1995) 综合了过去 70 年对英吉利海峡西部浮游动物和潮间带生物数量的时空变动的调查结果发现:全球气候变暖使得暖水种类的种群数量增加，栖息范围扩大气候变暖使冷水种类的种群数量下降，栖息范围缩小从 20 年代至今，暖水性浮游动物和潮间带生物栖息分布的北限已向北移动了 120 海里。臭氧层破坏1986 年英国科学家惊奇地发现在南极上空有一个臭氧空洞。自此，南极臭氧空洞的面积有增无减，至 1996 年已扩展至 2500 万 km2。在人类对氟里昂等直接破坏臭氧层物质的使用加以限制或取缔后，南极
9、臭氧空洞在 21 世纪初达到最大后可能慢慢缩小。最近科学家们发现北极的臭氧空洞已经形成，并呈不断扩大之势。最令人担心的是臭氧空洞的形成并不只是与氟里昂和氧化氮等的使用有关。温室气体在加热低空大气的同时将更多的热辐射反射回太空，改变了大气的热传导而使高空平流的大气变冷，也会导致臭氧层受到破坏。 许多研究已经表明紫外辐射对包括浮游植物在内的水生微小生物的生长和繁殖具有损伤作用，导致水域基础生产力下降。3 全球变化对淡水生态系统的影响温度变化及其影响全球变暖主要是通过增加平均水温，延长生长季节，使冬季变暖以缩短冰冻期和增加夏季最高温等方式直接影响淡水生态系统，并通过改变水、气和光等条件对生物造成间接
10、影响。但这些影响表现出明显的地域差异性。在流水量变化不大而主要靠生物作用控制生物丰度的湿润区域，气温对河流生态的影响最为强烈；在温度变化最显著的高纬度地区，气温对湖泊生物的直接影响最为明显。河流水温由气温、水源、河流的荫蔽状况及流水体积等决定。位于英国和北美的河流，其水温变化幅度为气温变化幅度的 0.9 倍。模型研究表明，气温上升 1.54.5，夏季河流水温会上升 2.44.7。湖水温度由太阳辐射、风速、空气温度、湿度、蒸发、湖泊面积、深度和透明度等控制。CO2 倍增会使夏季湖泊上层水温增加 17 ，而湖泊下层的变化在68 之间。水温变化最直接的影响就是使水域的生物产量改变。Smith(199
11、2)认为，温度每上升 10，水生生物的新陈代谢至少增加 1 倍，有的甚至高达6 倍。Regier(1990)的研究表明在 30以内，浮游植物和底栖无脊推动物的生产率按这一规律变化。Benke(1993)在对中、高纬度 1000 条河流的对比研究中发现，当平均温度升高 1，大型无脊椎动物的生产率提高 330，生产量增加 325。温度升高导致生产量增加，这同温度强烈影响生物的生理及整个生活史有关。 多数鱼类在持续 35的水温下无法生存。在中、高纬水域， 许多冷水种最适温度在 20以下，如果全球变暖引起的升温超过它们的忍受限度就会使其生产量降低，甚至死亡。鱼的产卵和孵化受温度影响非常明显。一些冷水性
12、鱼类，在其正常的性发育过程中需要较低的温度，冬季温度的升高无疑会降低繁殖率。不同生物对温度的耐受性和温度的要求不一样，水温升高势必使一些喜爱高温的生物数量增加，而适应低温生活的生物数量减少，以致群落优势种发生变化，从而改变了整个食物链和食物网结构。水中初级生产者的藻类，随温度升高优势种也不同。研究表明，在 20时，硅藻占优势；到 30时，绿藻取而代之；如果温度升至 35，则成了蓝藻的天下。硅藻是鱼类的优良饲料，篮藻和绿藻的增加降低了可食性浮游植物的营养品质，从而导致次级生产量的减少。水位和水量变化及其影响全球气候变化对水位和水量的影响是个综合复杂的过程。温室气体增加导致地面辐射增强，进而引起温
13、度、降雨、蒸发、海平面、地下水、地表径流和土壤湿度等发生改变。河流流量和湖泊水平面主要是由降水和蒸发来决定的。一般说来，在干热地区，气候变暖对蒸发的影响大于降雨，河流流量就会减少，湖泊水平面就会下降；反之，在湿润温暖的地区，特别是高纬度地区，气候变暖对降雨的影响大于蒸发，河流量就会增加，湖泊水域而积也会加大(IPCC, 1995b)。 根据模型预测表明，气温升高 1.5 4.5，将使全球平均降雨量增加 3 15%。由于降雨在时间、空间和量上分布的不均匀性，高纬度地区降雨量的增加会多一些，特别是冬季更明显(IPCC, 1995b)。我国大部分地区降水变化受季风影响，年间和年际的变化十分明显。一般
14、是夏秋多，冬春少，降雨量 60%集中在夏秋的 34 个月内，并常以暴雨形式出现。在地理分布上，则呈东南多，西北少的基本格局。近百年来，我国的年均降雨量从 30 年代起，开始呈下降趋势，50 年代最为明显。 世界上有许多湖泊水平面发生了下降。世界上海拔最高的青藏高原是环境变化的敏感区，人烟稀少，人类活动对湖泊的影响有限。湖泊的退缩再次证实了全球气候变暖的趋势。在藏北，一方面是随着气温增高，水面蒸发作用加强，另一方面是近几十年降水减少，在两者的作用下，湖泊水资源出现了“资不抵债”的现象。水体容积同生物体型大小也存在正相关关系。水体容积越大，出现大型生物的可能性越大。体型巨大的鲟和鳇鱼类等仅见于大江
15、，而豆螺和豌豆蚬在水泉、小沟和水洼也常见。即使是同一个种，体型也会因水体大小的不同而异(表) 。另外，水体越小，生物学组分在生态系统中所占比例越大，对生境影响也越大营养成分和 pH 值变化及其影响淡水生态系统与陆地和大气是紧密联系的。全球变暖通过改变降水和陆地生态系统成分等方式引起淡水水质的变化。这是因为雨水在空中凝结，洗脱大气及尘埃，降至地面淋溶枯枝败叶，冲刷表层土壤，将各种颗粒和溶质带入水体，使水体的化学成分发生变化。 大气 CO2 浓度增加和气温升高使陆地生态系统的初级生产量增加，同时也加大了淡水生态系统的营养来源，高温导致土壤有机氮(N)的矿化加强，干旱期的延长增加了土壤可溶性氮(N)
16、的积累，降雨的增加则为这些营养物注入河流湖泊创造了机会。 人类活动的影响，如大量使用化肥、农药和排放废水，导致大量营养物和污染物输入水体，使水体出现富营养化、酸化及毒物污染。气候变暖在许多方面会使这些问题更趋严重和复杂。 太湖富营养化严重，近 40 年来，总氮及总磷含量明显上升。1990 年 7 月, 在太湖湖区，邻近无锡的梅梁湖蓝藻暴发，使无锡自来水的产量日减 5 万吨，116 家工厂相继停产或减产，鱼死亡 4.5 万 kg，直接损失 13 亿元。滇池是我国西南高原的一颗明珠，在 5060 年代，为 12 类水质，湖水清澈见底，8090 年代末，湖水受污染，出现严重的富营养化问题。太湖富营养
17、化滇池在没有富营养化以前，物种丰富，大型水生植物 44 种，海菜花盛开。富营养化发生后，海菜花死亡，沉水植物只剩下一种，水葫芦疯长。因为底层缺氧，使池中 90的水草、鱼类和软体动物死亡。 水体富营养化促进了浮游生活的藻类和浅水中有根植物的密集生长。这种变化打断了正常的食物链，食植动物不能消费密集生长的藻类，藻类死体大量沉入水底，耗尽底层氧气，底层需氧生物被厌氧生物代替。其结果是腐生食物链不断变粗，而摄食食物链却持续变瘦。尽管生物产量很高，生物多样性却急剧下降。矿物原料的使用，使大量含硫废气排入大气，最后以酸雨或雪的形式在地面沉降，改变土壤和水体的酸性。辐射的变化及其影响光是淡水生态系统的主要控
18、制因子，云层和沿岸植被的遮蔽、水体的浊度、藻类数量以及水体中溶解有机质(DOM)的多少等都会影响到水中光照度的变化。光强和光在水中的穿透能力影响着水生生物的生长、发育、分布、行为和初级生产力等。光波长组成的变化对生物也能造成影响，特别是近年来随着臭氧层的破坏，紫外线辐射增强，对全球生态系统的影响日趋严重。紫外线辐射的影响研究表明，紫外线辐射的增强对淡水生态系统有普遍的影响。在淡水生物丰富的中纬度温暖区域，每 10 年紫外线辐射增加 l0-20(Kerr et al., 1993)。淡水水域深度远不及海洋，能为生物提供的生存空间有限，生物更易暴露在紫外线辐射下，因此，所受影响可能远大于海洋。不同
19、生物对紫外线辐射的反应不同(Xiong et al., 1996)。对于游泳生物来说，积极的躲避可能是最快的选择。如一些生物为了避免紫外线辐射的损害，能通过垂直移动逃到深的地方，因此，浅水区域生物更易受害。由于生境限制而无法躲避或固着生活不能移动，生物还能采取其他方法，如形成光保护色素。研究表明，丝状蓝藻由于可以形成光保护色素而不受紫外线影响，绿藻则受影响较大。一些生物有较强的 DNA 修复功能，可以修复紫外辐射造成的损伤。然而，缺乏这些适应机制的生物相对容易受到紫外辐射的伤害。紫外线辐射除了直接影响生物外，还可以通过改变竞争和捕食等影响生态系统。如草食者种群可能因为藻类的产量下降和不可食厚壁
20、种类所占比例的提高而得不到食物，致使种群数量下降。具有光保护色素饵料生物所占比例的增加则可能有利于视觉型捕食者的捕食。紫外线辐射影响与湖泊地理位置和水体中溶解有机质(DOM)也有关。在高山、极地等冷水型湖泊中，生物产量不高，生物调节不强；而高产湖中，生物调节可以减少紫外线辐射的直接作用。溶解有机质是弱化紫外线辐射的主要因素。干旱和人为酸化减少了溶解有机质水平，增加了紫外线辐射的穿透深度。气体溶解度变化及其影响与陆栖生物环境不同，水体中含氧量是大气氧含量的 1/251/30 ，一般只有 7mL/1000 mL。水中溶解氧的含量还与温度、盐度、深度、有机质浓度、水生植物和水体动态性等诸多因素有关，
21、变化幅度较大。因此，气候变化导致水环境条件的改变，必然引起水体中溶解氧含量的变化，进而影响水生生物的时空分布和群落组成。水温升高会使氧气溶解度降低(表) ，生物的新陈代谢加快，这两者都对水体溶解氧含量产生负面的影响。鱼是让水流过鳃而获得氧的，在低氧环境情况下，为了获得足够的氧气，鱼只有消耗更多的能量来增加鳃的过水量，因而就需要消耗更多的氧气。这种恶性循环，很容易导致在高温情况下鱼类因缺氧而死亡的现象。在热带地区，经常出现鱼浮头的现象，这就是由于温度高，溶氧量下降所致。大气中 CO2 的浓度虽然很低，却能大量溶解在水中，而且它还能从呼吸、土壤和地下来源得到大量补充。因此，水中 CO2 一般比较充
22、足。CO2 和水结合而成碳酸，能调节 pH。水中 CO2 适量增加能加速光合作用和许多生物的发育过程。在低碱性和(或)高初级生产力的河流湖泊中，CO2 的提高很有意义。但 CO2 过量增加对生物也有损害，这主要体现在过量的 CO2 对动物有麻醉作用甚至有毒。水生生态系统对全球变化的反馈人类活动每年向大气排放 CO2 约 71.5 Gt C/a，其中:化石燃料的燃烧: 5.40.5 Gt C/a森林采伐: 1.61.0 Gt C/a现在，大气 CO2 的浓度约为 365 ppm，比工业革命前的大气 CO2 浓度( 280 ppm)高约1/4，并正以每年 0.4的速度增加。水生生态系统，特别是海洋
23、生态系统在全球碳循环中发挥着重要作用，能有效地缓解 CO2 浓度增加引起的温室效应。海洋生态系统在全球碳平衡中的作用海洋持有的碳比大气多 50 倍，其中大部分是以碳酸盐(CO32-)和碳酸氢盐(HCO-3)离子的形式存在。海洋对大气 CO2 的吸收容量在很大程度上决定于混合层碳酸盐化学的平衡、水中溶解碳的平流传输、CO2 通过空气海水界面的扩散、海洋有机体生物的生产及所产生的碎屑碳的沉降等。海洋吸收 CO2 的能力取决于溶解的碳酸盐和硼酸盐的离子数量。在海洋表层，浮游植物通过光合作用将海水中溶解的无机碳转化为有机碳，水中 CO2 分压(PCO2)降低；在其初级生产过程中，还需从海水中吸收溶解的
24、无机盐，如硝酸盐和磷酸盐，这使得表层水的碱度升高，也将降低水中的 CO2 分压。这两个过程造成空气海洋交界面两侧的 CO2 分压差，促进大气 CO2 向海水的扩散。同时，由于向海底沉降的有机颗粒携带的营养盐经分解回到无机形式的速率非常缓慢，使得表面水的碳含量比深度超过 1000 m 处海水中的碳含量低 14。海洋表层的这一生物动力学过程，也被称之为“生物学泵” 。海洋生态系统碳循环淡水生态系统的碳循环及 CO2 汇淡水生态系统(湖泊，水库和河流 )中碳的主要形式包括溶解的无机碳 (DIC)、溶解态有机碳(DOC)和生物体有机碳(BOC)。这 3 种形式的碳在不同水体中所含比例各有差异，主要取决
25、于碳的沉积、代谢利用和无机碳化学等因素。溶解态无机碳主要来源于岩石的风化和大气 CO2 的溶解，溶解态有机碳主要来自于土壤和污水排放。生物有机碳的合成主要通过 3 大类群的生物及其代谢过程：水生植物(大型水生植物和藻类 )的光合作用光合细菌(如红螺菌科)、CO2 为碳源的合成代谢某些化能自养细菌以化合物化学反应释放的能量为能源，以 CO2 为碳源的合成代谢，这些细菌包括氢细菌、硫杆细菌、产甲烷细菌等(图 5.10)据 Downing 等(1993) 估算，贮存在湖泊的总 BOC 大约为 361012 g C/a，以 DOC 沉积率为 30计，另有 151012 g C/a 的 DOC 沉积在湖
26、泊中，故全球范围内有约 51l012 g C/a停滞在湖泊中。在湖泊中，碳酸钙的沉积具有很大的作用。世界范围内，位于碳酸盐地带的湖泊总面积约为 0.18105 km2。碳酸盐湖泊对 DIC 的平均滞留率为 100 gC/m2a，而非碳酸盐型湖泊只有 5 gC/m2a 左右。为此，世界湖泊对 DIC 的总汇估计可达到 261012 g C/a。其中至少70来源于大气 CO2。这样，包括有机碳和无机碳在内的湖泊总碳汇为 771012 g C/a，其中 53.21012 g C/a 来自于大气 CO2。另外水库在全球碳循环中的作用亦不容忽视。70 年代，全世界总的水库面积为 0.4106 km2。碳在水库的滞留率比湖泊大，约为 500 gC/m2a，其中 50%来自于土壤，贮存在水库的碳汇总量为 1001012 g C/a，估计到2050 年将可达到 200l012/a。有关碳在淡水生态系统的贮存及向海洋的输入，Meybeck (1993)对此进行过统计和估算。
