温室效应与全球气候变化

（1）温室效应及其产生原因

温室效应是大气保温效应的俗称，又称“花房效应”，主要是指透射阳光的空间缺乏与外界的热交换而形成的保温效应，就是太阳的短波辐射可以穿过大气射入地面，而地面增暖后放出的长波辐射却被大气中的二氧化碳等物质所吸收，从而产生大气变暖的效应。大气中的二氧化碳就像一层厚厚的玻璃，使地球变成一个大暖房，造成地表与低层大气的作用类似于栽培农作物的温室，因此被称为温室效应，其基本原理如图5.2所示。如果没有大气，地表平均温度就会下降到-23℃，而实际地表平均温度为15℃，这就是说温室效应使地表温度提高了38℃。

图5.2　温室效应原理示意图

无论地球表面和大气空间的物理过程如何复杂，进入与离开大气的辐射能量必须保持平衡。一旦这种平衡被破坏，温室气体就可以帮助地球升高表面温度来恢复平衡。而目前，温室气体成了造成这种辐射平衡的破坏因子，这主要是由于人类社会经济发展以及生产、生活引起大气中温室气体急剧增加，并由此造成地表温度进一步增加，这一现象被称为增强的温室效应。实际上，增强的温室效应是由人类活动引起的，是附加在自然温室效应基础上的增强温室效应，虽然这种效应量值比自然温室效应小得多，但其增温、增暖作用的意义却不容忽视。

温室气体是大气中起温室作用的气体的总称，占大气层不足1%。大气层中主要的温室气体有二氧化碳、氯氟碳化合物、甲烷、氮氧化合物及臭氧。虽然大气中的水气（H2O）是“天然温室效应”的主因，但一般认为水气的成分并不直接受人类社会经济活动的影响。

①二氧化碳（CO2）。大量燃烧煤、石油、天然气等石化能源，使全球CO2正以每年约60亿t的量在增加，它是温室效应的主要气体，主要吸收红外线辐射，并影响大气平流层中O3的浓度。

②氟氯碳化合物（CFCs）。以CFC-11、CFC-12、CFC-113为主。多用作冷气机和冰箱的冷媒、发泡剂和电子零件清洁剂，也是造成温室效应的气体。CFCs能吸收红外辐射，是影响O3浓度的主要气体。

③甲烷（CH4）。某些物质的不完全燃烧的过程及有机体发酵都会产生CH4，CH4的主要来源是天然湿地（沼泽、苔原等）、煤炭开采、水稻田、反刍动物、海洋湖泊和其他生物活动场所以及CH4水合物的失稳分解等。CH4能吸收红外线辐射，不仅能影响对流层中O3及羟自由基的浓度，还影响平流层中O3和H2O的浓度，且能产生CO2，其单位质量的温室效应比CO2强得多。

④氮氧化合物（N2O）。N2O主要来源于化石燃料的燃烧、化学肥料分解和微生物。N2O主要吸收红外辐射，并影响平流层O3的浓度。

⑤臭氧（O3）。O3主要来自汽车尾气排放的碳氢化合物和氮氧化物经光化学作用而产生的气体。它主要吸收紫外光及红外线辐射。

大气中并非每种气体都能强烈吸收地面长波辐射，实际上仅温室气体就能吸收地面所发出的几乎全部长波辐射，仅有一个很窄的“窗区”吸收很少，而地球表面主要通过这个“窗区”把地球从太阳获得的热量的70%又以长波辐射的形式返回到宇宙空间，借此来维持较为恒定的地面温度，现在常说的“温室效应”主要是由于人类社会经济活动增加了温室气体的种类和数量，使返回宇宙空间的长波辐射的数值（70%）有所下降，而多留下的热量使得地球变暖，并产生了温室效应。

（2）温室效应的影响

1）导致全球气候变暖

人类社会经济活动使温室效应日益加剧，导致气候随之变化。工业革命以来，资源与能源消耗加剧，特别是煤、石油和天然气等化石燃料燃烧排放的CO2量急剧上升，导致了气候的变化和全球变暖。温室气体如CO2、CH4和氮氧化合物等，可以让太阳光中的可见光透过，但却阻碍地球向宇宙释放长波辐射，如红外线部分，并将之吸收后转化为热量，促使地表温度上升，引发所谓的温室效应。

CO2是最主要的温室气体，约占60%。一般情况下，温室气体浓度越高，近地表的温度就越高。如果没有温室气体，地表温度会降到很低。亿万年来，温室效应为地球创造了一个适宜生物栖息的良好环境，使地球一直受益于温室效应。然而，随着人类社会经济活动的加剧，温室效应也在日益增强，对气候造成了影响。特别是自工业革命以来，随着越来越多的资源与能源被大量消耗，越来越多的化石燃料的燃烧使得排放的CO2也急剧增加。伴随温室气体浓度的急剧增加，红外辐射到达太空外的部分就会随之减少，从而使吸收和释放辐射的能量达到新的平衡，造成了地球气候因此转变。这种转变不仅包括“全球性”的地球表面变暖，还包括大气低层变暖。而地球表面温度的微小上升就可能引发其他诸如大气层云量变动，环流转变。某些转变可使气候变暖加剧（正反馈），某些转变则可使气候变暖过程减缓（负反馈）。

国际能源机构（International Energy Agency）公布的数据显示，碳排放量经过2014—2016年近3年发展没有增加之后，2017年全球二氧化碳的水平比2016年增加了1.4%，相当于32.5亿t。目前全球每年CO2的排放量超过300亿t。另外，根据联合国政府间气候变化专门委员会（Intergovernmental Panel Climate Change，IPCC）提供的2013年评估报告显示，全球目前的平均温度比1 000年前上升了0.3～0.6℃，而在此之前的一万年间，地球平均温度的变化不到2℃。联合国机构还预测，因为能源需求的不断增加，预计到2050年，全球CO2的排放量将增至700亿t，而全球的平均气温将继续上升1.5～4.5℃。

2）使地球上的病虫害增加

温室效应可造成史前致命病毒威胁人类。最近，美国科学家也发出警告，全球变暖，气温的上升使北极的冰层融化，已被冰封了十几万年的史前致命病毒可能会重见天日，致使全球陷入疫症恐慌，人类的生命和生存将会受到严重威胁。纽约锡拉丘兹大学的科学家指出，他们发现了早前的一种植物病毒TOMV（Tomato Masaic Virus番茄花叶病毒），TOMV病毒在大气中广泛扩散，由此推断在北极冰层也会有TOMV病毒的踪迹。于是他们从格陵兰抽取了4块年龄由14万～500万年的冰块，通过对这些冰块的检测发现，这些冰层中确实存在TOMV病毒，并指出该病毒的表层被坚固的蛋白质层所包围，可以在逆境中长期生存。这项研究的发现使得研究者相信，一系列流行性感冒病毒、小儿麻痹症病毒和天花疫症病毒都有可能藏在冰块深处，而人类对这些原始病毒尚无抵抗能力，若全球变暖、气温上升令冰层融化，这些藏于冰层千年甚至万年的病毒有可能会复活，造成疫症大规模暴发。科学家们表示，他们虽然不知道这些病毒是否还存活，或者是否能再次适应地面环境，但目前肯定不能忽视病毒卷土重来的可能性。

3）对生物多样性的影响

环境、气候是制约生物生长、繁衍和分布的主要因素。全球气候变暖、温度升高的加剧，将会对生物多样性造成严重威胁。主要是因为大多生命体根本无法承受快速相加的气候变化，导致某些物种会因此灭绝，也将导致某些物种的种群结构的变化，从而造成全球生物多样性的改变。

值得关注的是，人类活动改变环境的速度，已经远远超过了自然界的正常水平。如人为因素造成的全球气候变暖比以往的自然波动要迅速得多，这种温度变化对生物多样性的影响将是非常巨大的，生物灭绝的速度远远超过了人们的预期（见图5.3）。

毫无疑问，很多物种会在反复的冷暖变化中走向灭绝，现存的物种基本上是反复冷暖变化后生存下来的物种。虽然在过去的200万年中，地球曾经历10个暖、冷交替循环，全球气候变暖不只是地球气候变化的新现象。在暖期，处在两极的冰川融化，海平面比现在还要高，物种分布逐步向极地延伸，并向高海拔地区迁移。而在变冷过程中，冰帽、冰川扩大，海平面下降，物种朝着赤道方向和低海拔区域移动。

图5.3　现代生物灭绝的速度远超过人们的预期

①对温带生物多样性的影响

气温持续升高，致使北温带和南温带气候区正向两极扩展。全球的气候变化定会导致物种的迁移。但根据物种的自然扩散的速度，很多物种并不能实现高速迁移，或者说其迁移的速度难以跟上气候的变化速度。以北美东部的落叶阔叶林为例，当最近的冰期过后，气温迅速回升，树木也以每世纪10～40 km的速度向北美迁移。而据预测，21世纪气温将升高1.5～4.5℃，根据这个变化，树木则会向北迁移5 000～10 000 km。要使生物以自然迁移速度的数十倍进行迁移显然是不现实的。人类各类活动造成了一些生物环境片断，这些片断的存在只会造成物种的迁移率降低。一些分布上有局限和扩散能力差的物种在迁移过程中会面临灭绝的危险。只有分布广泛、易扩散的种类才能快速在新的生境里建立起自己的群落。

【实例5.1】白豚（见图5.4）是中国特有的淡水鲸类，被列为国家一级野生保护动物，被誉为“水中的大熊猫”，仅在长江中下游有活动踪迹，在世界上也是独一无二的。成熟个体背部呈浅青灰色，腹面呈洁白色，在长江游泳时就像是一位洁白的女神。20世纪80年代，人类为了农田灌溉，大规模建坝建闸，破坏了白豚生活的生态系统；人们开着电捕鱼船驶过长江水面，经过的地方大大小小的鱼都被电死；轮船的螺旋桨把白豚的头打得稀巴烂，一斩两段。白豚种群数量锐减。2007年8月8日，《皇家学会生物信笺》期刊发表报告，正式公布白豚功能性灭绝。

图5.4　长江里的白豚

②对热带雨林生物多样性的影响

一般情况下，具有最大物种多样性的热带雨林，在全球变暖、温度升高的环境下，其影响和变化远比温带小。但气候变暖、温度升高仍将导致热带雨林地区的降雨量及降雨时间的变化，另外，还会造成森林大火、飓风等自然灾害变得更加频繁。这些影响对物种组成、植物繁殖产生了较大影响，造成热带雨林中物种结构的改变。

③对沿海湿地和珊瑚礁生物多样性的影响

湿地和珊瑚礁是具有多样性最丰富的生物生态系统，气候变暖会对湿地和珊瑚礁造成严重威胁。温度升高将造成高山冰川的融化，南极冰层的收缩。在未来50～100年中，海平面至少会升高0.2～0.9 m。海平面的升高不仅会导致沿海地区的湿地群落被海水淹没，还会使许多种类根本来不及迁移而陷入物种灭绝的命运。此外，建造在湿地附近的道路、住房、防洪大坝等也会给物种的迁移造成直接障碍。

此外，海平面升高对珊瑚礁种类也有极大的危害，因为珊瑚的生存和生长对海水、光照、水流组合等有严格要求。若海水按预算的速度升高，即使生长最快的珊瑚也无法适应这种变化，造成物种的灭绝。更严重的是海水温度的升高对珊瑚的生存和生长会产生巨大危害，会导致珊瑚的大量沉没或死亡（见图5.5）。(www.xing528.com)

图5.5　由于气温升高，大堡礁蜥蜴岛北部的珊瑚有八成已白化

④对鸟类种群的影响

鸟类学家认为气候变暖、温度升高导致恶劣气候的频繁出现，会影响候鸟类的迁徙路线、迁徙时间、群落分布和组成。此外，气候的变化、温度的升高也会造成各种生态群落结构的改变，并间接影响鸟类种群。

【实例5.2】生活在夏威夷考艾岛的欧鸥鸟非常可爱，一生只有一个伴侣。一般雄鸟在鸣叫的时候雌鸟会应和，但当世界上最后一只雄性欧鸥鸟孤独鸣叫的时候，它并不知道，它永远也不可能等来那只雌鸟了……

⑤温室气体直接影响生物种群变化

CO2是一种重要的温室气体，又是植物光合作用的主要原料。随着CO2在大气中的浓度升高，植物光合作用的强度将随之上升。但每种植物都有自己的CO2饱和点，当CO2的浓度超过植物的饱和点时，无论CO2的浓度如何升高，光合作用的强度也不会随之增强。一般情况下，CO2饱和点高的植物容易适应大气中CO2浓度的升高，进而进行快速生长；CO2饱和点低的植物则很难适应高浓度的CO2，这会影响植物的正常生长，甚至会出现CO2中毒现象，严重时会导致种群衰退。种群变化会引起植食性昆虫种群结构的变化，而不可能预测的植物种群和昆虫种群的波动会导致许多稀有物种灭绝。

4）海平面升高

“全球变暖”的两种过程会造成海平面升高（见图5.6）：一是海水受热膨胀使海平面上升；二是冰川和南极冰块融化，海洋水量增加使海平面上升。最新研究结果显示，2100年地球的平均海平面将上升0.15～0.95 m。海水将淹没农业、畜牧业等生产的土地，盐水的入侵还将污染淡水资源，海平面上升还将引起洪涝和风暴潮灾害的增加，造成海岸线和海岸生态系统的变化，直接威胁沿海地区以及广大岛屿国家人民的生存环境及社会经济发展。

图5.6　美国艺术家尼科雷·拉姆通过概念图向人们展示海平面升高后被水淹没的美国

5）对人类生活的影响

①对经济的影响。超过一半的全球人口都居住在沿海100 km的范围内，且大部分聚集在海港附近的城市。海平面上升会引起沿岸低洼地区、海岛等严重的经济损害，如海平面的升高、海水的冲蚀会加速沿岸沙滩、地下淡水向更远的内陆方向迁移。

②对农业的影响。“全球变暖”会对大气环流产生影响，进而造成全球雨量分布的改变以及对各大洲表面土壤含水量造成影响。而对植物生态所造成的影响尚在研究和确定中。

③对水循环的影响。气候的变化对地区降雨量的改变仍无法准确预测。一般情况下，温度的升高会增加水分的蒸发，会给地面水源的利用带来压力。

④对人类健康的影响。研究表明，气温与人的死亡率之间呈“U”形关系，过冷和过热的气温都会使死亡率急剧增加，16～25℃的温度范围内死亡率最低。由此可以推测，人类为适应气候变化、全球变暖将会付出巨大代价。

（3）控制对策

毫无疑问，温室效应的恶化进程将对生物多样性造成巨大影响。控制温室效应、保护湿地、减缓全球气候变暖，是世界各国人民面临的重大课题。

1）控制CO2的排放量

控制CO2向大气的排放是减缓全球气候变暖的根本对策。目前，全球各国在国际上已达成共识，从政策上、技术上和方法上等控制CO2的排放量。

①政策上

通过制订各种政策和国际规定，签订各种国际公约来限制CO2排放。如1992年在巴西里约热内卢举行的联合国环境与发展大会上通过的《联合国气候变化框架公约》（United Nations Framework Convention on Climate Change，UNFCCC），是世界首个为全面控制CO2等温室气体排放，应对全球气候变暖给人类经济和社会带来不利影响的国际公约。1997年的《京都议定书》（全称《联合国气候变化框架公约的京都议定书》）是它的补充条款，主要内容是规定各个国家CO2的排放量及其他相关问题。2015年12月12日在巴黎气候变化大会上通过的《巴黎协定》，是继《京都议定书》后第二份有法律约束力的气候协议，为2020年后全球应对气候变化行动作出安排。

②技术上

第一，努力提高能源的生产和使用效率。采取有效措施刺激节能技术的开发及进一步普及，扩大新能源利用领域，推进物资的再循环、延长产品的寿命、完善公共体系等。第二，改善能源结构。通过扩大天然气、液化石油气使用比例，减缓甲烷、CO2等温室气体排放的增加。第三，鼓励加速研发、发展、使用清洁的可再生能源。发展利用高效价廉、应用性广的除尘、脱硫、洁净煤技术，大力发展水能、太阳能、风能及生物质能等可再生能源。第四，有步骤地停止使用并开发回收氟氯化碳（CFCs）的生产。对已投用的CFCs，允许生产企业依据现有技术、工艺和装备以及国际合作背景、产供销渠道等实际条件，选择采用不同替代方案。第五，植树造林，降低森林砍伐，改良农业生产方法。森林是生态环境的根本，森林对CO2的吸收能力很强。加强天然林的保护措施，实施退耕还林，着力发展生态农业。第六，人工处理CO2。在有些工业生产过程中，利用人工方法吸收处理CO2。例如，日本学者提出，用物理吸收技术将沸石加入吸收剂发电排出的CO2进行吸收，或者用氨化学溶剂对CO2进行化学吸收。第七，向海中施铁。该措施由美国学者提出，向海中施铁，可刺激海生植物大量繁殖，进而达到大量吸收CO2的目的。

③方法上

秉承从源头抓起，减少CO2的产生量。除海洋和土壤自然释放CO2等天然来源外，人为来源包括交通动力、电力生产、工业生产、住宅和商业能源4个方面。为减少CO2排放，根据人为产排CO2来源的不同，应从以下4个方面着手：a.对来自交通动力产生的CO2，主要应着眼于开发高动力、高效率能源的技术，以减少能源消耗和CO2的排放。例如，开发先进的发动机、复合车辆技术、燃料电池车辆等。另外，鼓励人们多乘用公共交通设施，减少私家车的使用等。b.对来自电力生产的CO2，主要应从开发新能源如核能、水能、风能、太阳能、生物质能等处着手，替代能源是解决能源危机和减少CO2及其他污染排放的有效途径。c.对来自工业生产的CO2，应以建构资源节约型社会和低能耗、清洁性生产要求下的现代制造业发展为主导，以先进性技术的引进和自主创新为支持，在工业生产的每个环节，通过改良生产设备和工艺技术，以提高能源利用效率，实现清洁化生产。d.对来自住宅和商业方面的CO2，应从改变用能结构、促进可再生能源利用着手。在生活用能结构方面，应加强城镇电力、天然气的保障供给和相应的炊事、取暖设施改进，以最大限度地减少燃煤的直接使用；对生活在农村的居民，应通过适当的财政补贴等措施，鼓励其施行炊事沼气化和积极开发利用可再生能源，促使清洁能源早日替代污染能源；在建筑方面，应树立全天候、全寿命、全方位、全过程、全系统的广义建筑节能观念和科学、适度的住房消费观，以最大限度地节约资源、能源和减少CO2等温室气体的排放，从技术方面可以通过提高材料绝缘性能，使用节能建材、节能照明、家用电器设备来实现。

2）加强湿地保护，减缓温室效应

湿地被誉为“地球之肾”，是人类最重要的环境资本之一，它与人类的生存、繁衍、发展等息息相关，是人类最重要的生存环境之一，也是自然界最富生物多样性的生态环境，它不仅为人类的生产、生活提供各种资源，同时还具有强大的环境功能和效益，在抵御洪水、蓄洪防旱、调节径流、调节气候、控制污染、除淤造陆、控制土壤侵蚀、美化环境等方面有不可替代的作用。保护湿地，就是保护生态环境，保护人类自己。

①加大保护的宣传力度，提高社会公众对湿地的保护意识。在保护湿地和合理利用湿地资源方面，社会公众对湿地重要性的认识起到了重要作用。在研究和保护湿地的基础上，加强对湿地保护意识、资源忧患意识的教育与宣传，加强在群众中开展湿地保护科普活动的力度，提高全社会的湿地保护意识。

②完善法制体系，把保护与利用湿地纳入法治轨道。完善有关湿地保护的法律法规、行政章程，健全执法体系，加强执法和监督，将保护和开发利用湿地纳入法制管理轨道。

③加强各部门协调合作，健全协调管理机制。湿地生态系统极其复杂，其管理涉及农林业、渔业、海洋、水利、环保等多个部门及相关企业，加强各部门的协调合作势在必行。总结历史经验，理顺当前湿地管理体制，建立适合我国湿地资源环境特点，具有宏观调控、统一监管、分工协作职能的湿地管理体制，实施统筹规划、整体综合开发，实现对我国湿地资源的生态保护。

④多方筹措资金，加大对湿地保护的资金投入。目前，保护和开发湿地的经费不足，成为湿地保护和利用的重大障碍。首先，以政府投资为主导，将湿地保护与开发纳入国民经济和社会发展规划；其次，加大资金投入和科学技术投入，加强对湿地生态环境保护管理；最后，筹措湿地生态环境保护基金，增加湿地保护的资金注入。

⑤加强研发，以科技为支撑保护湿地环境。加强开展有关湿地保护与利用服务的应用研究和应用基础研究，加深湿地认识，并为湿地保护和合理利用提供科学依据。

⑥加强环境监测，完善湿地生态监测体系。构建完善的全国湿地监测体系，全面、实时掌握全国湿地动态变化状况，不仅为湿地的管理、合理利用和科学研究提供及时、准确的参考资料，还有助于维持湿地生态功能。