地球生態(tài)系統(tǒng)的精準(zhǔn)性研究＊

楊東方，崔文林，陳生濤，鄭 琳，卜志國(guó)

（1．國(guó)家海洋局北海環(huán)境監(jiān)測(cè)中心 青島 266033；2．浙江海洋學(xué)院海洋科學(xué)學(xué)院 舟山 316000；3．浙江海洋學(xué)院生物地球化學(xué)研究所 舟山 316000）

工業(yè)的迅速發(fā)展加大了向大氣排放二氧化碳，大氣中的二氧化碳含量不斷增加。隨著全球氣候變暖的趨勢(shì)不斷加強(qiáng)，溫室效應(yīng)的影響進(jìn)一步擴(kuò)大［1－2］。由于人類(lèi)的污染，導(dǎo)致海洋中氮、磷過(guò)剩。同時(shí)，由于建壩、建水庫(kù)、引流、種植等原因，入海河流流量大幅減少，從而造成河流對(duì)硅的輸送量降低，而輸入到海洋中的硅元素的減少，則嚴(yán)重限制了浮游植物的生長(zhǎng)［3－12］。由于人類(lèi)活動(dòng)的不斷增加，地球發(fā)生了巨大的變化。因此，從不同的角度來(lái)探討和研究地球的變化對(duì)地球生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展有著重要的作用。本文研究地球生態(tài)系統(tǒng)的精準(zhǔn)性，根據(jù)地球生態(tài)系統(tǒng)功能，剖析地球發(fā)生的現(xiàn)象，揭示地球生態(tài)系統(tǒng)具有難以想象的精準(zhǔn)性和其超強(qiáng)的控制能力，使地球生態(tài)系統(tǒng)能夠充分保持動(dòng)態(tài)平衡和可持續(xù)發(fā)展。

1 地球生態(tài)系統(tǒng)的功能

地球生態(tài)系統(tǒng)是指地球本身具有生命特征，能夠通過(guò)自身的調(diào)節(jié)和控制來(lái)完成地球的可持續(xù)發(fā)展，使地球上一切物質(zhì)都以不同的形式能夠延續(xù)存在。地球生態(tài)系統(tǒng)是一個(gè)地球可持續(xù)發(fā)展的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定系統(tǒng)［13］。地球大氣的碳平衡、地球的硅元素輸送和地球自轉(zhuǎn)的平衡都充分發(fā)揮了地球生態(tài)系統(tǒng)的功能，展示了地球生態(tài)系統(tǒng)的精準(zhǔn)性，保證了地球生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展。

2 地球大氣的碳平衡

2．1 初級(jí)生產(chǎn)力與大氣碳的平衡量

根據(jù)膠州灣1991年5月至1994年2月和夏威夷1958年3 月至2007 年12 月的觀測(cè)數(shù)據(jù)，將二氧化碳月平均濃度按月求算術(shù)平均值，得到各月平均值的時(shí)間序列，采用統(tǒng)計(jì)和微分方程分析研究北太平洋大氣的碳動(dòng)態(tài)周期變化、膠州灣水域浮游植物初級(jí)生產(chǎn)力季節(jié)變化以及他們之間的關(guān)系。

研究結(jié)果表明［1］，在一年中，初級(jí)生產(chǎn)力與大氣碳有兩個(gè)平衡點(diǎn)，分別在5月和10月。在這兩個(gè)平衡點(diǎn)之間，初級(jí)生產(chǎn)力與大氣碳的初級(jí)生產(chǎn)力平衡量為108 031．95～167 707．62 mg／m2，初級(jí)生產(chǎn)力與大氣碳的平衡量為346．78～1 633．47×10－6。在5—10 月，大 氣 碳 下 降 了5．59×10－6或者5．58×10－6，表明人類(lèi)碳排放量達(dá)到（341．19～1 627．89）×10－6。

2．2 地球生態(tài)系統(tǒng)的精準(zhǔn)性

由于人類(lèi)向大氣排放的碳在不斷地增加，地球生態(tài)系統(tǒng)為了保持每年5—10 月大氣中的碳含量下降5．59×10－6或者5．58×10－6，浮游植物初級(jí)生產(chǎn)力也要不斷地增加，這樣，地球生態(tài)系統(tǒng)通過(guò)浮游植物將大氣中的大量碳沉降到海底，以消除人類(lèi)不斷對(duì)大氣的碳排放，才能維持人類(lèi)向大氣的碳排放量與浮游植物對(duì)大氣碳的吸收量的動(dòng)態(tài)平衡，這說(shuō)明地球生態(tài)系統(tǒng)具有強(qiáng)大的控制能力。

人類(lèi)向大氣的碳排放量是在變化中，浮游植物對(duì)大氣碳的吸收量也在變化中。在這期間，地球生態(tài)系統(tǒng)不僅吸收人類(lèi)的碳排放量，而且還要進(jìn)一步吸收大氣中碳的量，這涉及海洋生態(tài)系統(tǒng)、大氣生態(tài)系統(tǒng)和生物地球化學(xué)過(guò)程，浮游植物每年5—10 月對(duì)大氣中碳的吸收量能夠保持在1．60%～0．34%，這說(shuō)明地球生態(tài)系統(tǒng)的確具有難以想象的精準(zhǔn)性和強(qiáng)大的控制能力。

3 地球硅的輸送

3．1 北太平洋水域硅的提供系統(tǒng)

根據(jù)作者提出地球生態(tài)系統(tǒng)的硅補(bǔ)充機(jī)制［14－15］，在北太平洋的近岸水域，當(dāng)海洋生態(tài)系統(tǒng)缺硅嚴(yán)重時(shí)，地球生態(tài)系統(tǒng)會(huì)讓北太平洋水域硅的提供系統(tǒng)發(fā)揮作用，為北太平洋水域提供了大量的硅，這個(gè)系統(tǒng)是由硅的來(lái)源地點(diǎn)、上升動(dòng)力、平移動(dòng)力和下降地點(diǎn)組成［16－17］，即由中國(guó)大陸沙漠、沙塵暴、北太平洋季風(fēng)和北太平洋組成。這個(gè)系統(tǒng)經(jīng)過(guò)的路徑：陸地→陸氣→大氣→氣水→北太平洋，于是形成了陸→氣→水的通道。這個(gè)通道借助于上升動(dòng)力和平移動(dòng)力將硅沿著這個(gè)通道從硅的來(lái)源地點(diǎn)中國(guó)大陸沙漠送到硅的目的地北太平洋。

這個(gè)系統(tǒng)的特征：①系統(tǒng)的通道起點(diǎn)：硅的來(lái)源地點(diǎn)是中國(guó)，有沙漠面積174萬(wàn)km2，每年沙化面積為3 500km2，為輸送大量的硅提供了充足的來(lái)源。②系統(tǒng)的上升通道：上升動(dòng)力是沙塵暴。在3—5月，沙塵暴發(fā)生的次數(shù)多且強(qiáng)度大，其中4 月次數(shù)最多，5 月強(qiáng)度最大。③系統(tǒng)的平移通道：平移動(dòng)力是北太平洋季風(fēng)。在10月至翌年3 月，季風(fēng)的輸送強(qiáng)勁且頻繁，北太平洋的季風(fēng)在4—5 月期間轉(zhuǎn)入夏季季風(fēng)。④系統(tǒng)的通道終點(diǎn)：硅的下降地點(diǎn)是北太平洋。沙塵暴的強(qiáng)度大，覆蓋面積廣，從天空到海面整個(gè)空間都有沙塵。因此，沙塵也覆蓋了整個(gè)太平洋，甚至吹過(guò)太平洋到美國(guó)西部。北太平洋水域的硅提供系統(tǒng)，為北太平洋海洋生態(tài)系統(tǒng)提供了動(dòng)力。

3．2 輸送方式

在整個(gè)北太平洋水域，從秋天的雨季結(jié)束（11月）到翌年春天的雨季開(kāi)始 （5 月）之前，浮游植物生長(zhǎng)都受到硅的限制。北太平洋水域的硅提供系統(tǒng)［16－17］，在沒(méi)有雨季期間，向整個(gè)北太平洋水域提供了大量的硅。當(dāng)5 月雨季來(lái)臨后，有陸源通過(guò)洪水和河流向北太平洋提供硅。在11月的雨季結(jié)束之前，北太平洋的季風(fēng)已經(jīng)成為冬季季風(fēng)。在冬季當(dāng)沒(méi)有陸源向北太平洋提供硅時(shí)，通過(guò)大氣由冬季季風(fēng)向北太平洋提供大量硅。

地球生態(tài)系統(tǒng)為了向整個(gè)北太平洋水域不間斷地提供大量的硅，將雨季的時(shí)間和冬季季風(fēng)的時(shí)間相銜接，使北太平洋的季風(fēng)與北太平洋邊緣的雨季在時(shí)間上密切相嵌，順利完成近岸洪水和河流的輸送與大氣輸送之間的相互轉(zhuǎn)換，以保持整個(gè)北太平洋水域具有穩(wěn)定的硅來(lái)源。

3．3 地球生態(tài)系統(tǒng)的精準(zhǔn)性

在北太平洋水域，從秋天的雨季結(jié)束 （11月）到翌年春天的雨季開(kāi)始 （5月）之前，硅都限制浮游植物生長(zhǎng)，這個(gè)時(shí)期大概有6～7個(gè)月都受到硅的限制。由于長(zhǎng)時(shí)間硅的缺乏，造成了浮游植物的細(xì)胞數(shù)量在3—5月是一年中的最低，即3—5月是硅缺乏最嚴(yán)重的時(shí)期，此時(shí)也正是系統(tǒng)的上升通道加大力度、提高運(yùn)行能力的時(shí)候。在3—5 月，沙塵暴次數(shù)多、強(qiáng)度大，尤其在雨季來(lái)臨之前的4—5月，北太平洋水域極度缺乏硅，沙塵暴4月次數(shù)最多，5月強(qiáng)度最大，給北太平洋水域給予最大的硅補(bǔ)充。這表明地球生態(tài)系統(tǒng)使沙塵暴與北太平洋硅的缺乏在時(shí)間上緊密配合，其強(qiáng)度大小與硅缺乏的嚴(yán)重程度相一致。因此，在時(shí)間上，發(fā)生在3—5月；在空間上，陸地的腹地和北太平洋水域；在程度上，北太平洋的缺硅程度和沙塵暴的暴發(fā)強(qiáng)度。這3 方面都展示了地球生態(tài)系統(tǒng)具有高度的精準(zhǔn)性。

4 地球自轉(zhuǎn)的平衡

4．1 南極環(huán)極海流

斯蒂芬．馬庫(kù)斯和他在美國(guó)航天局加利福尼亞噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室以及巴黎地球物理研究所的同事們注意到［18］，南極環(huán)極海流在2009年11月8日突然減速，2周后又加快速度。精確的日長(zhǎng)數(shù)據(jù)顯示，這種變化立刻導(dǎo)致地球加速旋轉(zhuǎn)，使每天減少0．1ms。與洋流一樣，日長(zhǎng)于11月20日恢復(fù)正常。

4．2 地球生態(tài)系統(tǒng)的精準(zhǔn)性

南極環(huán)極海流在2009 年11 月8 日突然減速，這種變化立刻導(dǎo)致地球加速旋轉(zhuǎn)，這說(shuō)明地球生態(tài)系統(tǒng)的控制能力對(duì)南極環(huán)極海流的變化是反應(yīng)迅速和力度強(qiáng)勁；2 周后又加快速度，恢復(fù)正常，這說(shuō)明地球生態(tài)系統(tǒng)具有強(qiáng)有力的控制能力，保持著南極環(huán)極海流的正常流速；地球加速旋轉(zhuǎn)與南極環(huán)極海流一樣，日長(zhǎng)于11月20日恢復(fù)正常，這說(shuō)明地球生態(tài)系統(tǒng)保持地球的一切動(dòng)態(tài)平衡。而且，當(dāng)南極環(huán)極海流恢復(fù)正常時(shí)，地球也停止加速旋轉(zhuǎn)，恢復(fù)到正常的旋轉(zhuǎn)速度，而且在同一天。這表明了地球生態(tài)系統(tǒng)的精準(zhǔn)性和其超強(qiáng)的控制能力。如果風(fēng)吹過(guò)，地球的速度減慢，地球就會(huì)加速自傳以保持角動(dòng)量［18］。這表明地球生態(tài)系統(tǒng)的超靈敏性，只要有微小的變化，就會(huì)做出快速反應(yīng)，可見(jiàn)地球就像一個(gè)精密的儀器，只要稍有風(fēng)吹草動(dòng)，地球就會(huì)聞風(fēng)而動(dòng)。

5 結(jié)論

在地球大氣碳的平衡方面，地球生態(tài)系統(tǒng)保持每年5—10 月大氣碳下降5．59×10－6或者5．58×10－6，這展示了地球生態(tài)系統(tǒng)的精準(zhǔn)性。由于人類(lèi)向大氣排放的碳在不斷地增加變化中，只有在浮游植物初級(jí)生產(chǎn)力也不斷地增加條件下，才能維持人類(lèi)向大氣的碳排放量與浮游植物對(duì)大氣碳的吸收量的動(dòng)態(tài)平衡，這展示了地球生態(tài)系統(tǒng)具有很高的精準(zhǔn)性。

在地球硅的輸送方面，地球生態(tài)系統(tǒng)為了向整個(gè)北太平洋水域不間斷地提供大量的硅，將雨季的時(shí)間和冬季季風(fēng)的時(shí)間密切相嵌，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(zhuǎn)換，以保持整個(gè)北太平洋水域具有穩(wěn)定的硅來(lái)源，這表明地球生態(tài)系統(tǒng)具有高度的精準(zhǔn)性。

在地球自轉(zhuǎn)的平衡方面，地球生態(tài)系統(tǒng)具有強(qiáng)有力的控制能力，保持著南極環(huán)極海流的正常流速，并且對(duì)南極環(huán)極海流的變化是反應(yīng)迅速和力度強(qiáng)勁。

地球生態(tài)系統(tǒng)是一個(gè)地球可持續(xù)發(fā)展的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定系統(tǒng)［13］。根據(jù)地球生態(tài)系統(tǒng)的控制能力［14］及精準(zhǔn)性，地球生態(tài)系統(tǒng)充分保持動(dòng)態(tài)平衡和可持續(xù)發(fā)展。

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