欢迎来到“人类对环境的影响”！

各位未来的生物学家你们好！这一章非常重要，因为它将我们学过的所有生态系统知识与我们身处的世界联系了起来。人类活动——包括工业与农业——对自然循环和生态系统产生了巨大的影响。

如果某些概念看起来很复杂，不用担心；我们会把它们拆解成简单、易懂的部分。学完这一章后，你将了解人类活动如何导致空气和水污染、森林砍伐引起的栖息地破坏，以及增强型温室效应。

学习目标： 掌握空气污染、水污染（污水与肥料富营养化）、增强型温室效应以及森林砍伐所带来的生物学后果。


第一节：空气污染

空气污染主要来自车辆、发电厂和工业中燃烧化石燃料（如煤、石油和汽油）。

1. 一氧化碳 (\(CO\))

  • 来源： 当化石燃料在氧气供应不足的情况下燃烧（不完全燃烧）时形成，特别是在车辆发动机和故障的锅炉内。
  • 生物学后果： 一氧化碳是一种有毒、无色且无味的气体。吸入后，它会不可逆地与红细胞中的血红蛋白结合，形成碳氧血红蛋白（carboxyhaemoglobin）。
  • 这会阻止血红蛋白携带氧气，大幅降低血液的携氧能力。这可能导致窒息、昏迷甚至死亡。

2. 二氧化硫 (\(SO_2\)) 与酸雨

  • 来源： 燃烧含有硫杂质的化石燃料（特别是煤和重油）时释放。
  • 酸雨的形成： 二氧化硫溶解在云层中的水蒸气中，形成稀硫酸 (\(H_2SO_4\))。降雨时，便会以酸雨的形式降落（pH 值低于 5.5）。
  • 生物学后果：
    • 水生生态系统： 使淡水湖泊和河流酸化，导致有毒的铝离子淋溶渗入水中，从而损害鱼鳃并杀死水生生物。
    • 森林和土壤： 直接损害树叶和根毛，并将土壤中必需的矿质离子（如镁和钙）淋溶冲走，阻碍植物生长。
    • 腐蚀作用： 腐蚀石灰岩建筑和金属结构。

第二节：水污染

1. 污水造成的水污染

  • 污水含有大量的有机废物和好氧细菌，以及溶解的清洁剂和矿质离子。
  • 如果未经处理的污水进入水体，分解者（好氧细菌）会迅速繁殖并以有机物为食，进行好氧呼吸。
  • 这种快速的好氧呼吸会消耗水中大量的溶解氧（高生化需氧量）。
  • 氧气水平的急剧下降会使鱼类和其他水生动物窒息，导致淡水生物大规模死亡。

2. 肥料淋溶引起的富营养化

富营养化是指农用肥料中过量的矿质离子（特别是硝酸盐和磷酸盐）被冲刷或淋溶进入河流和湖泊时所引发的现象。

富营养化的详细机制：
  1. 淋溶作用： 大雨将农田土壤中可溶性的硝酸盐和磷酸盐肥料冲刷进附近的溪流和湖泊中。
  2. 水华： 高浓度的养分导致水面的藻类迅速生长和繁殖（水华，algal bloom）。
  3. 遮蔽阳光： 稠密的藻类层阻挡了阳光穿透，使生长在水面下的水生植物无法接收光照。
  4. 植物死亡： 沉水植物无法再进行光合作用，因而死亡。
  5. 细菌分解： 分解者（好氧细菌）以死亡的植物残体和死藻类为食，数量大量繁殖。
  6. 氧气耗尽（缺氧）： 随着细菌进行好氧呼吸，它们几乎消耗了水中所有的溶解氧。
  7. 水生生物死亡： 鱼类和其他水生生物因缺氧而窒息死亡。

第三节：温室效应与全球变暖

温室效应是一个自然过程，地球大气层中的温室气体吸收并捕捉来自地球重新辐射的红外辐射，从而维持足以支持生命生存的温暖温度。

增强型温室效应

人类活动向大气中释放了过量的温室气体。这层更厚的气体层捕捉了过多的红外辐射，增强了自然的温室效应，导致全球平均表面温度上升（全球变暖）。

五种温室气体及其人为来源：
  • 水蒸气 (\(H_2O\))： 自然存在；随着气温升高导致海洋蒸发加剧，大气中的水蒸气含量随之增加。
  • 二氧化碳 (\(CO_2\))： 主要由交通和发电中化石燃料的燃烧，以及森林砍伐期间焚烧和清理森林所产生。
  • 甲烷 (\(CH_4\))： 来自牛和牲畜养殖（消化过程）、淹水稻田中的细菌，以及垃圾填埋场中有机废物的分解。
  • 一氧化二氮 (\(N_2O\))： 来自施用了过量氮肥的农业土壤、车辆尾气排放以及工业化学过程。
  • 氯氟烃（CFCs）： 以前用于气溶胶喷雾剂推进剂、冰箱／空调制冷剂以及泡沫塑料制造的合成化合物。
全球变暖的生物学后果：
  • 极地冰盖和冰川融化： 导致海平面上升和低洼沿海栖息地被淹没。
  • 气候变化与极端天气： 降水模式改变，导致某些地区出现严重干旱，而其他地区则发生洪水。
  • 栖息地丧失与物种灭绝： 生物无法适应转变的气候带或失去其栖息地（例如：极地物种、海水变暖导致的珊瑚礁白化）。
  • 物种分布改变： 害虫、疾病媒介（如携带疟疾的蚊子）和传粉媒介迁移到新的地区。

第四节：森林砍伐（卷二课程内容）

森林砍伐是指大规模、永久性地砍伐树木和森林，主要是为了开垦土地用于农业（养牛和种植作物）以及获取木材。

森林砍伐的生物学后果：

1. 矿物质淋溶

  • 树木能截留雨水，其根部能从土壤中吸收矿物质。
  • 当树木被移除后，大雨直接降落在土壤上，将可溶性矿质离子（硝酸盐、磷酸盐）冲刷到土壤深处并流入水体（淋溶作用），导致土壤贫瘠且缺乏养分。

2. 水土流失

  • 树根将土壤颗粒固着在一起，树冠则保护土壤免受暴雨的直接冲击。
  • 没有了树根，松散的表土会迅速被雨水冲入河流或被风吹走（水土流失），阻碍植被重新生长。

3. 破坏水循环

  • 树木通过根部吸收水分，并通过蒸腾作用将大量水蒸气释放到大气中，促进云层形成和降雨。
  • 移除树木会大幅减少蒸腾作用，导致降雨减少，使当地气候变得更干燥、更容易发生干旱（荒漠化）。

4. 破坏大气气体的平衡

  • 树木在光合作用过程中吸收 \(CO_2\) 并释放 \(O_2\)。
  • 森林砍伐意味着通过光合作用从大气中移除 \(CO_2\) 的树木减少。
  • 此外，砍伐的树木经常被焚烧（燃烧作用）或被分解者分解（好氧呼吸），将储存的碳以 \(CO_2\) 的形式释放出来。
  • 这种不平衡提高了大气中的 \(CO_2\) 水平并降低了 \(O_2\) 的产生，加剧了增强型温室效应。

本章总结与快速复习

必背重点：

  • \(CO\)： 与血红蛋白结合形成碳氧血红蛋白，降低血液运氧能力。
  • \(SO_2\)： 溶解在大气水蒸气中形成酸雨，损害水生生物、森林和土壤。
  • 富营养化： 肥料淋溶 -> 水华 -> 阳光被阻挡 -> 沉水植物死亡 -> 细菌分解有机物并进行呼吸 -> 氧气耗尽 -> 鱼类窒息死亡。
  • 温室气体： 水蒸气、\(CO_2\)、\(N_2O\)、\(CH_4\) 和 CFCs。
  • 森林砍伐的影响（卷二）： 淋溶作用、水土流失、破坏水循环（蒸腾作用减少）以及破坏大气气体平衡（\(CO_2\)/\(O_2\)）。