第五章全球變化及其對生物的影響
1全球變化及其研究進展
★全球變化（globalchange）：指在大氣圈、水圈、生物圈和岩石圈組成的地球環境系統發生了異常變化，對人類和生物的生存產生不良影響的環境變遷。
★全球變化包括：全球氣候變化及其效應和全球污染擴散及其效應。
人口增長
土地利用和覆蓋的變化
生態系統結構和功能變化
生物多樣性變化
土地沙漠化
臭氧層減薄及紫外線投射增加
氣候變化
大氣成分的變化
環境污染及其全球擴展
全球氣候變化與大氣成分的變化關係研究
土地利用和土地覆被變化的全球效應研究
全球變化對植物生產能力的影響研究
生物入侵與全球變化關聯分析
海洋生態系統與陸地生態系統的互動研究
氣候變化的對策研究
全球氣候變化及其效應
全球污染擴散及其效應
※最早主要集中在臭氧層變薄及其短波紫外輻射的生物學效應；
1993年，有美國LAAteRe-searchProgramme）
國際地圈生物圈計劃（IGBP，InternationalGeosphere-BiosphereProgramme——AStudyofGlobalChange）
全球環境變化人文因素計劃（IHDP，InternationalHumanDimensionofGlobalEnvironmentalChangeProgramme）
生物多樣性計劃（DIVERSITAS）
2溫室效應及其對生物的影響
一、溫室效應的概念
Green－houseeffect：大氣層中的CO2等氣體物質的大量聚集，可以吸收近地表的太陽長波輻射，並將其反射回地表，從而使地表增溫的現象。
自然溫室效應
地球保溫的一種自然現象，使目前地球平均溫度大約在15℃，從而使人類舒適的生存。人爲溫室效應
隨着工業的發展和化石染料的大量使用，排放到大氣中CO2等氣體物質的含量越來越多。按照目前的排放速度，到2030～2050年，大氣中CO2含量將比工業革命之前增加1倍，全球氣溫可能上升1.50～4.52℃
二、溫室效應的機理
大氣層中的溫室氣體能透過太陽輻射的短波光，同時能反射和吸收從地面反射的長波光，阻擋地面的熱量向宇宙擴散，從而使地表增溫。
CO2CH4N2OCFCl3CF2Cl2O3等
三、溫室效應的環境效應
溫度升高
海平面上升
降水量變化及災變性氣候的增多
海平面上升
全世界大約有1/3的人口生活在沿海岸線60公里的範圍內，經濟發達，城市密集。全球氣候變暖導致的海洋水體膨脹和兩極冰雪融化，可能在2100年使海平面上升50釐米，危及全球沿海地區，特別是那些人口稠密、經濟發達的河口和沿海低地。這些地區可能會遭受淹沒或海水人侵，海灘和海岸遭受侵蝕，土地惡化，海水倒灌和洪水加劇，港口受損，並影響沿海養殖業，破壞供排水系統。
加劇洪澇、乾旱及其他氣象災害
氣候變暖導致的氣候災害增多可能是一個更爲突出的問題。全球平均氣溫略有上升，就可能帶來頻繁的氣候災害--過多的降雨、大範圍的乾旱和持續的高溫，造成大規模的災害損失。有的科學家根據氣候變化的歷史數據，推測氣候變暖可能破壞海洋環流，引發新的冰河期，給高緯度地區造成可怕的氣候災難。
四、溫室效應對生物的影響
（一）溫室效應對作物的影響
（二）溫室效應對生態系統的影響
對農業的有利影響
隨着溫度的升高，熱帶、亞熱帶的經濟作物將北移，有利於一年多熟制。
據研究C3植物比C4植物對CO2濃度增加的反應更明顯。如CO2濃度增加一倍，C3植物的產量將提高10％～5％，而C4植物近增加0～10％。全世界20種主要作物中16種是
C3植物（玉米、高梁、小米、甘蔗除外），18種主要有害雜草中有14種是C4植物。這些C3作物，可能獲得更多的產量和更能免受雜草的危害。
隨着二氧化碳濃度增加和氣候變暖，可能會增加植物的光合作用，延長生長季節，使世界一些地區更加適合農業耕作。
對農業的不利影響
氣候變暖將減少作物分佈彈性而增加灌溉需要；
氣候變暖導致農業發展的地區不平衡顯著；
隨着CO2濃度增加，在農產品品質，病蟲害控制和肥料使用等方面都會帶來影響；氣候變暖導致農業成本、投資大幅度增加，農業結構和佈局都要做相應調整
全球氣溫和降雨形態的迅速變化，也可能使世界許多地區的農業和自然生態系統無法適應或不能很快適應這種變化，使其遭受很大的破壞性影響，造成大範圍的森林植被破壞和農業災害。
（二）對生態系統的影響
氣候變化極大改變了植被類型的地理分佈，從而使多樣性減少，生態系統效益下降。
例如：亞寒帶森林可能由目前的23％減少到1％以下，泰加林幾乎消失。當CO2濃度增加到1倍時，森林生物量將由現在的58.4%降到47.4%；草地生物量將由現在的17.7%增加到28.9%
全球升溫，植物種將會向北推移，遷移的速度超過植物每年的遷移能力，結構將導致森林生態系統崩潰
例：根據底層埋藏的花粉分析，冰期後到現在的'2萬年期間，移動最快的是赤揚、榿木，每年平均移動2000m，移動較慢的有楓樹、冷杉，每年約40m
（三）對人類健康的影響
氣候變暖有可能加大疾病危險和死亡率，增加傳染病。高溫會給人類的循環系統增加負擔，熱浪會引起死亡率的增加。由昆蟲傳播的瘧疾及其他傳染病與溫度有很大的關係，隨着溫度升高，可能使許多國家瘧疾、淋巴腺絲蟲病、血吸蟲病、黑熱病、登革熱、腦炎增加或再次發生。在高緯度地區，這些疾病傳播的危險性可能會更大。
氣候變化及其對我國的影響
﹡從中外專家的一些研究結果來看，總體上我國的變暖趨勢冬季將強於夏季；
﹡在北方和西部的溫暖地區以及沿海地區降雨量將會增加，長江、黃河等流域的洪水爆發頻率會更高；東南沿海地區颱風和暴雨也將更爲頻繁；
﹡春季和初夏許多地區乾旱加劇，乾熱風頻繁，土壤蒸發量上升。
﹡農業是受影響最嚴重的部門。溫度升高將延長生長期，減少霜凍，二氧化碳的“肥料效應”會增強光合作用，對農業產生有利影響；
﹡土壤蒸發量上升，洪澇災害增多和海水侵蝕等也將造成農業減產。
﹡對草原畜牧業和漁業的影響總體上是不利的。
﹡海平面上升最嚴重的影響是增加了風暴潮和颱風發生的頻率和強度，海水入侵和沿海侵蝕也將引起經濟和社會的巨大損失。
3臭氧層的減薄與地表紫外輻射增強
一、臭氧層的形成與損耗
臭氧層存在於的平流層中，主要分佈在距地面15-35km範圍內，濃度峯值在20-25km處。由於臭氧層能夠吸收99%以上來自太陽的紫外輻射，從而保護了地球上的生物不受其傷害。紫外線
UV-A（320～400nm）生物學作用較弱，具有色素沉積作用
UV-B（275～320nm）具有紅斑作用（曬傷），抗佝僂作用
UV-C（200～275nm）對細胞有強烈作用，具有明顯的殺菌作用
臭氧層的形成與損耗的化學反應
1、清潔大氣中：O3的形成
O2+hv→2O
O+O2+M→O3+M
總反應：3O2+hv→2O3
2、O3的猝滅
O3+hv→O+O2
O3+O→2O2
兩種反應動態平衡，維持臭氧層一定厚度。當大氣被污後，導致O3的猝滅，影響O3的厚度。
HOx、NOx、ClOx等是導致O3猝滅的直接原因，把他們叫做活性物質。它們導致O3猝滅的反應如下：
HOx破壞O3的反應
HO+O3→HO2+O2HO2+O→HO+O2
總反應：O3+O→2O2
NOx破壞O3的反應
NO+O3→NO2+ONO2+O→NO+O2
總反應：O3+O→2O2
ClOx破壞O3的反應
Cl+O3→ClO+O2ClO+O→Cl+O
總反應：O3+O→2O2
活性物質來源主要是：
(1)NO的來源：
(a)N2O氧化N2O+O→2NO
NO+O3→NO2+O2
(b)飛機排入NO
(2)HOx的來源：
H2O+O→2HO
CH4+O→CH3+HO
H2+O→H+HO
(3)ClOx的來源：
CH3Cl(海洋生物產生)→CH3+Cl
CFCl3+hv→CFCl2+Cl
CF2Cl2+hv→CF2Cl+Cl
＊近10年全球臭氧層平均減少了2％～3％，並且還在加劇。
＊臭氧層的變化趨勢在一年中的不同時間是不同的，不僅伴隨緯度而且伴隨經度的變化。＊臭氧層快速減薄已經通過衛星得到證實，最明顯的減薄發生在南極大陸上空，在春季，衰
減率高達71％。
＊從1993年的衛星資料看，臭氧總量在我國上空異常低，過去10年我國北京香河和昆明兩個監測站的監測結果表明，臭氧總量呈降低趨勢，分別降低了5％和3％。據估計，如不加任何控制，發展到2075年臭氧層將減少40％
二、紫外輻射增強對生物的影響
（一）紫外輻射增強對植物的影響
（二）紫外輻射增強對微生物的影響
（二）紫外輻射增強對生態系統的影響
1、紫外輻射增強對植物生長的影響
◆UV-B輻射降低葉面積，在溫室研究中，70多種作物品種，60％以上的作物在UV-B輻射下葉面積減少；
◆在敏感植物中，葉展開角度被UV-B縮小60％～70％。
◆UV-B輻射使葉片增厚，即在一定程度上增加了葉表皮與葉肉細胞之間的距離有助少減少DNA的損傷。
◆UV-B輻射使葉片產生傷害，如葉片捲曲、葉片變黃等
（一）紫外輻射增強對植物的影響
◆增強的UV-B輻射降低株高；
◆UV-B輻射降低植物的生物量；
◆UV-B輻射影響植物的根冠比
2、對植物生理生化的影響
UV-B引起葉綠體損傷，表現：失去完整性,基粒、基質類囊體的有序結構受到破壞，一些類囊體變得膨脹，大部分基質因水分脅迫而呈半透明狀。
UV-B引起葉綠素合成受阻，或者加速葉綠素的降解，從而降低葉綠素含量。
PSⅠ,PSⅡ，雖然二者都是光合作用的反應中心.但對UV-B的反應有所差別.其中PSⅠ受影響小.甚至不受影響，主要是PSⅡ受損.
RuBP羧化酶。RuBP羧化酶是植物中固定CO2的酶.活性隨着UV-B強度的增高而降低。UV-B使RuBP羧化酶失活。主要原因包括多肽發生變性、蛋白質降解、基因轉錄受抑制。UV-B輻射還降低作物的氣孔導度和蒸騰速率，影響植物對CO2的吸收和水分代謝。
UV-B輻射增加了植物體內類黃酮含量（類黃酮、花色素、丹寧、水楊酸、黃酮醇、葉酸、羥基肉桂酸）
3、傷害植物的靶
DNA是UV-B傷害的主要靶分子之一。當DNA吸收UV-B之後會產生嘧啶二聚體，對DNA複製、轉錄產生影響，因爲DNA、RNA酶不能識別它們。
由於芳香氨基酸的吸收作用.蛋白質在280nm及更短的波長處有強烈的吸收值.因此蛋白質可以成爲UV-B直接影響的對象。UV-B輻射不僅能使氨基酸發生變異、失活.而且能導致整個蛋白質或酶失活。
UV-B能夠誘使O2-,H2O2等自由基產生.使膜脂發生過氧化.導致膜結構變化.從而改變膜的透性。若環境脅迫過重.超氧歧化酶等酶系統被破壞.自由基大量產生.將導致丙二醛等有害物質的積累對細胞造成傷害。
激素對植物的生長、發育起着重要作用。紫外線能使激素濃度發生變化.從而對植物產生極大的影響-B使IAA發生降解.從而抑制植物生長.這己在向日葵幼苗中得到證實.脫落酸對UV-B有強烈的吸收作用也會發生光解失活.
