第二节 人类在全球过程和区域过程中的作用日益上升

一、人类由系统中的一般因素上升为主导因素是一个指数式的渐进过程

人科（Hominoidea）的出现大约是在700万年前，人属（H omo）大约出现在250万年前。180万～100万年前，具有较大脑量（平均656ml）的化石种称为“能人”,150万～20万年前，脑量从800ml进化到1200ml，称为“直立人（Homo erectus）”，我们现代生物学人种——智人（Homo sapiens）的出现大约在20万年前，脑量从开始时的大约1175ml增加到现代人的大约1400ml。随着脑量的增加，人类改造环境的能力逐渐加强。但人类在诞生以后的前几百万年时间里，在地球上所起的作用与其他生物没有什么不同，只是自然食物的采集者和捕食者。当时由于人类获得食物的能力较差，人口数量较少，分布稀疏，人类从环境中得到的物质与能量较少。相应地，人类的生活活动以及生理代谢过程向环境排放的废物也较少，远远小于环境的自净能力，不会对环境造成污染。那时所谓的“环境问题”，与一般动物相似，主要是人口增长及滥杀乱捕所造成的食物匮乏和冻馁。为了生存，人类被迫吃一切能吃的东西，学会适应环境。这时人类对生物圈的影响很小，与其他动物没有什么两样。

在生存和进化过程中，人类自身的生存状况逐步改善。自250万年前进入石器时代以来，人类就不断设计、制造石器工具，开始是零星的，后来多样性越来越高。用马克思主义的理论分析，这时开始有了社会的人的生产器官。约在70万年前人类开始用火，50万年前开始广泛用火。这是对生物体外能运用的开始，是系统新型调控方式的起点。

大约从1.1万～1.3万年前开始的新石器时代和农业活动是人类大规模改变地球表面形态的开端。人类逐渐学会驯化植物和动物，逐渐在生产活动中分化出种植业和畜牧业。人类系统的复杂性第一次超过了相变临界点，于是产生了人类的第一次产业革命——农业文明开始了。中国是世界上最早驯化动植物和独立进入农业文明的三个中心之一。

人类的生产活动和消费活动领域显著扩大，人类改造环境的作用大大加强，打破了人类与环境之间的平衡。这时的“环境问题”是生物圈或全球生命系统的一些部分的结构受到人类强烈干扰和改变，如大量砍伐森林和破坏草原以用于农业种植和居住。生态过程和功能是由结构决定的，当结构被改变到一定程度，超过临界点后，生态过程也随之发生彻底的改变，如严重的水土流失、水旱灾害和沙漠化，中国的黄土高原和目前属于阿拉伯地区的小亚细亚都是典型的例子。这就是恩格斯所说的“大自然的报复”。据分析，人类的几个古老文明的衰落和灭绝主要是农业对环境的无节制的破坏引起的。这方面中国人的自我节制——系统负反馈使我们民族的文化避免了绝灭，成为从农业时代开始的唯一存留的古老文明。

进入工业时代之后，历经300年的发展，人类系统的复杂性又一次超过相变临界点。这是人类与环境关系史上又一次大的变革。工业生产主要是生产资料的生产，把大量深埋于地下的矿物资源开采出来，投入系统之中，许多工业产品在生产和消费过程中排放的“三废”大都是生物进化史上没有经历过的，还难以降解和同化。因而，现代化工业文明所造成的环境问题是以环境污染为主的，其规模之大、影响之深，是前所未有的，可以说，地球上很难找到一块未被污染的洁净“绿洲”，环境污染已成为全球性的问题。

但是，工业文明产生污染的同时并不表明农业对环境的破坏就结束了。相反，工业化使人类改造环境的能力大大加强，加速了人类对系统结构的改变，特别是资本主义带来的全球经济——全球资源和全球市场，以及全球信息的沟通，使农业对土地的改造成为全球性的问题。

20世纪后半叶，人类系统物质、能量和信息的积累再一次超过临界点，开始进入后工业化社会，最明显的标志就是经济和文化的全球化，对“现代”文明种种弊端的反思，以及开始对环境问题的重视。可以预计，全球环境问题会有所改善。

总之，人类逐渐由系统中的一般因素上升为主导因素，人类活动逐渐成为影响和控制地球表层系统中能量流、物质循环和系统演变方向的重要因素。人类活动已经并且继续改变着地球生物圈的性质。

如果人类能使城乡耦合系统完善，实现全球生命系统的合理调控，上述环境因子，也就是城乡耦合系统和全球生命系统的生态质的变化幅度应趋于变小。人类在技术上已经逐渐有这个能力，要实现这一目标在思想上还要达到共识。从马克思主义的观点出发，人类与自然关系的恶化是人与人关系不平等的延伸。人类不需要拯救地球，人类需要拯救的是人类自己。人类要时刻保持警醒，将其对自然的利用改进为良性过程。

二、从辩证唯物主义角度对工业文明进行批判：人类对全球生命系统的不利和有利影响

由于生产是个人需求驱动的，因此其发展迅速；而与生产对应的分解则成为公共资源，受社会需求驱动。过去人们一直认为分解是自然生态系统能给予人类的福祉，至今为止大量研究只计算自然生态系统能为人类提供多少分解功能。然而，当人们把单位时间、单位面积人类生产产品的量与自然生态系统分解物质的强度相比较，发现自然的分解功能已远不能完成已有生产出来物质的分解。发达国家的城乡耦合系统已建立了大量的分解生态器，如污水处理厂、垃圾焚烧厂等；在发展中国家，城市的分解生态器构建和运行还远少于其获得的生产产品。

事实上，发达国家也没有完全处理自己的废物。他们是通过生产输出、高污染企业的技术输出等种种方式外移，将足迹扩展到全球，将其自身的污染变成为全球性的公共品。20世纪60年代以来，日本已将60%以上的高污染产业转移到东南亚国家和拉美国家，美国也将39%以上的高污染、高消耗的产业转移到其他国家。尽管如此，环境风险依然存在。例如，据海峡网，2015年美国环境保护署员工施工不当导致科罗拉多州一座废弃矿山的废水外泄，阿尼马斯河、圣胡安河等多条河流变成色泽诡异的“毒河”。多州饮用水和灌溉用水告急，向联邦政府追究责任。这说明发达国家仍有很多遗留问题。

资料：奇怪的洋垃圾走私路线

最近更严重的是高炉灰走私案，发达国家（如英国）将炼钢过程中产生的高炉灰、高炉渣冒充铁矿粉出口到中国，由此处理本国产生的工业固废。2013年中国海关启动针对固体废弃物走私的“绿篱行动”以来，全国海关共监管各类固废1.04亿吨，退运10.4万吨。值得注意的是，退运也并非“英国的退到英国去”。海关会根据船舶的定位信息跟踪退运货物的流向，资料显示，某次查获的某大型钢厂进口的3万吨高炉灰被退运后，中途又去了东南亚某国。

（编自：《南方周末》,2015年5月15日）

在各种生态系统功能和结构耦合的基础上，人类产生的外信息（文化基因，即文因）使各种生态系统相互联系，形成了像真核细胞一样的城乡耦合系统，这些系统的联合构成国家和全球生命系统，把全球联为一体。各组分的相互联系是系统存在和正常运行的基本前提。也只有在信息沟通的情况下，各组分才能自组织升级，形成大系统。因此，没有人类文因的产生，生物圈就不能进化成结构和功能如此紧密的全球生命系统。没有人类对分解组分的合理认知和在系统调控中的逐渐加强，城乡耦合系统的发展就不是可持续的。与以往相比，全球生命系统的活力与效率及总生产力均有极大的提高，但分解系统的分解力还亟待加强，生态文明建设任重道远。

（一）“人造的”和“人造成的”负面影响

1．营养元素过剩

1960—2000年间粮食产量加倍是靠大量增加全球范围内氮肥和磷肥的施用及灌溉（见图1-5）实现的。如果过去的氮肥和磷肥使用、灌溉以及人口和GDP对这些行为的驱动趋势持续下去，那么到2020年全球的氮肥将增加1.6倍，而到2050年将会是现在的2.7倍。现在人类每年释放到陆地生态系统中的氮和磷元素已经是自然来源的两倍多。氮磷排放和灌溉的大量增加会有严重的环境影响。灌溉加速盐分和营养流动，导致下游水体富营养化。此外，氮和磷从农业系统中泄漏出来，只有大约一半的氮肥和磷肥为作物所捕获，在消费之后，进入人和家畜的食物链。在发达国家，大约70%收获的作物被喂给家畜（中国现在也超过一半了），但是极少的家畜废物是脱氮磷处理过的。所以，许多来自化肥和动物排泄物的氮和磷进入地表和地下水，氮也会以氨的形式挥发到大气中，或造成某些地区的氮沉降及空气污染。

磷的增加造成的主要环境问题是地表水的富营养化污染，特别是淡水的池塘和溪流，对于氮，其结果包括河口和沿海地带的富营养化污染，陆地和水生生态系统的生态平衡的破坏以及物种组成的改变，硝酸盐和亚硝酸盐对地下水的污染，增加了大气温室气体N2O，并且NOx增加导致对流层酸雾和臭氧增加、土壤和敏感的淡水水体酸化。在大部分的沿海地区，富营养化污染是最严重的污染问题，这其中水产养殖业的贡献比例很大。过度捕捞构成了对海洋生态平衡的最严重威胁。水产养殖业的合理发展其实可以缓解过度捕捞对海洋生物的过度利用，中国是水产养殖大国，但现阶段其对近海的污染问题还未得到解决。农业带来的富营养化污染沿着河流向海洋前进，已经导致了很多沿海生态系统中有毒藻类的过度繁殖，并导致了墨西哥湾出现了大面积的“死亡区”。总的来说，氮磷肥施用和灌溉的增加会导致生态系统的严重失调，并导致陆地和沿海生态系统成分和功能的显著改变。

作为营养物质，含氮和磷的化学制剂的使用的污染主要影响区域环境，这与碳排放的性质不同。氮和磷产生的污染，如硝酸根和磷酸根主要在当地的水体中和地下水中，氮产生的氨污染主要在区域的空气中，因此氮和磷的使用和调控需要通过城乡耦合系统物质流通综合调控模型，找到实现这些营养再循环的合理途径，从而减少为提高产量而增加的输入。例如，污水中的废氮和废磷处理与能源生产相耦联：人工湿地中的植物收集起来成为生物能源便可实现营养的再资源化。此外，重新耦联种植业和养殖业系统可以提高农业的氮利用率（Bleken et al., 2005）。养殖业集约化改变了传统的动物粪肥就近直接循环回到农田、草地的养殖模式，造成“解耦联”（Naylor et al., 2005 ; Galloway et al., 2007），重新将畜牧粪便就近还田，可以减少种植业氮肥的使用。

2．杀虫剂

杀虫剂是人类为消灭或遏制有害生物而生产的物质，主要是化学合成物质。所谓有害生物是针对人类而言的，指直接或间接地损害人类或人类劳动成果的生物。主要包括：细菌、病毒和其他引起人类或作物及家畜疾病的寄生虫；折磨人的昆虫或其他传播疾病的生物；以作物和家畜为食或与作物和家畜竞争的生物；引起人类有用物质腐烂变质的生物等。杀虫剂通常也叫农药，能防治植物病、虫、鼠害和草害，保证农作物增产。

据统计，由于使用了化学农药，全世界粮食总产量增加了15%。所以，近几十年来，化学农药发展很快。目前全世界农药原药品种在1000种以上，常用的有250多种，用量仍在不断增加。如果按这个模式继续下去，这个在过去已经增长了40年的全球杀虫剂产量，到2020年将是现在的1.7倍，到2050年将是现在的2.7倍。

尽管我们的社会已经从杀虫剂的使用中获得了很多好处，但是它们也导致环境退化并使人类的健康受影响。对于生态系统来说，有害生物是不存在的，所以我们在杀灭这些生物时要十分谨慎。现在，从高山到大洋，从赤道到极地，几乎到处都能发现杀虫剂的踪迹。一些具有稳定性和挥发性的杀虫剂已经散布到了全球，在食物链中富集，并影响多年后的、远离施用地的人类和其他物种的健康。卡尔森（Carson）的名著《寂静的春天》是民众反对杀虫剂危害的开始，此后成立的民间诉讼团体起诉美国农药化学工业，历时10年后（1971年）民众终于胜诉。美国已于1971年禁止使用高残留杀虫剂，我国也已于1980年禁止使用高残留杀虫剂。但是，杀虫剂是保障人类食物供应安全的必要条件。因此，如何科学合理地控制杀虫剂的大量使用，也成为保护环境健康与生态平衡的关键。

资料：人类与致病菌的进化博弈

人类与疾病的斗争贯穿着人类历史的始终。人体免疫系统在过去数百万年的漫长岁月中，经受了各种病原体和致病因子的艰难锤炼，不断进化。不过，与疾病的对抗中，这个免疫系统的进化效率看来并不够高，每适应一种疾病或病原体，往往需要成百上千年甚至更长的时间，这也是古代人类的平均寿命短的原因之一。

但是，人类是特殊物种，人类智力的发展取得了很多突破性的科技成果。在对付细菌方面，巴斯德发明疫苗，让人类首次可以通过调动免疫系统来预防疾病；弗莱明发现抗生素，等等。医学进步加上生活水平提升，使人类寿命大幅延长——19世纪前，全球人口平均寿命不到40岁；而今天，很多国家都已经超过70岁。除了人类之外，再也没有其他物种能在短期内如此大幅地延长寿命。人类可以骄傲地说，在进化博弈中，我们取得了优势。

可是，自然规律的无形之手，仍然强有力地操控着这场可能是永不休止的进化博弈。耐药菌就是大自然的悄然反击。从我们开始使用抗生素那天起，耐药性就开始进化。2014年4月，世界卫生组织发布了首份全球抗生素耐药性报告。在美国，每年因耐药菌导致的疾病而死亡的人数达到25000人；在印度，2013年超过58000名婴儿因感染耐药菌而死亡。在其他国家，形势同样严峻。除了致病菌，病毒（如艾滋）和朊蛋白（如疯牛病）还没有有效的药物。

（资料来源：《环球科学》,2015年第4期）

当然，比起积极方面，这些数字是很小的。但是，必须尽力用好科学技术，尽量不使其成为双刃剑。总之，人类与大自然的博弈将继续进行。

3．沙尘暴

强烈的沙尘也属于大范围区域性有害物质。荒漠化导致生态系统服务的持续下降，进一步引起人类福祉的丧失（MA荒漠化报告），以及沙尘暴的频起。进入农业文明后，由于过度放牧和土地农业开垦，全球土地正受到荒漠化的威胁，这主要发生在温带草原和荒漠草原，而在我国的内蒙古、青海、新疆等地尤为突出。

中国北方沙尘暴的年发生率从20世纪60年代的8次增加到80年代的14次，而2000—2002年仅仅三年间爆发了超过55次。每年沙尘暴对中国经济造成平均5.4亿美元的损失，1993年5月的巨大沙尘暴甚至使百余人丧生。中国的沙尘暴不仅源自中国北方，还有很多来自境外，如蒙古等地。由于大气环流的携带，东亚的沙尘暴甚至对远在太平洋对岸的美国造成了不利的影响，诱发了该地区人口的呼吸道疾病，同时也对加勒比地区的珊瑚礁造成了影响。2000年以后，沙尘暴明显减少了。

资料：美国的黑风暴

美国密西西比河流域的地势平坦，坡地较少，土壤主要受到风的侵蚀。在20世纪20—30年代，由于过度毁草开荒、破坏地表植被，水土流失严重，这个地区发生了破坏性极强的“黑风暴”。在美国，1934年的一场黑风暴就卷走3亿立方米黑土，当年小麦减产51亿公斤，举国震惊。在积极的治理下黑风暴已得到控制：为保护黑土地免受侵害，两大黑土区都投入了大量人力、物力和财力，围绕合理规划土地和建立科学耕作制度等开展研究，大举营造农田防护林，采取保土轮作、套种、少耕、免耕等办法，充分发挥耕作措施与林业措施相结合的群体防护作用，经过40年的治理，在20世纪60—70年代已见成效。

（资料来源：《青年文摘》,2006年第6期）

在人类农业文明之前，就已经有了沙尘暴天气。有研究通过黄土记录的粒度分析，发现在距今13万至7.5万年前的末次间冰期，甘肃地区发生约10次强沙尘暴事件。这意味着，人类根治沙尘暴的可能性不大。在局域尺度上，沙尘暴的控制可以通过对干旱区种植技术的改进来达成，例如覆盖型农业（如塑料大棚、地面、秸秆覆盖的免耕等）种植技术就在提高产量和质量的同时，有助于控制裸露土地产生的沙尘暴（Chang et al., 2013）。

（二）人类对地球的有利影响

迄今为止的生态学文献中当谈到人类对周围生态环境的影响时，几乎全部都论述其负面影响，环境保护相关、环保主义在负面影响方面的说法更甚。这显然是片面的，任何事物都是一分为二的，在人类对环境的影响中，也有许多有利的方面，并且如果人类的行为朝正确的方向改进，有利方面的作用会越来越强。人类对全球生命系统的有利影响主要有以下方面。

1．产生新型信息

生命的产生以生物大分子核酸和蛋白的产生为标志，通过写在DNA中的信息，代代繁衍，不断进化。历经35亿年的进化，随着人类的出现和发展，产生了新的独特事物——文字和文因。文因作为全新的生物体外的符号信息，记载了人类对自然适应、向自然学习、探索自然奥秘以及改造自然的所有信息，以作为对生物体内信息（DNA）的补充和发展。这种外信息比内信息的记录速度来得更快（后者往往需要千百万年才能记录环境变化的信息），并且由其产生的行为较内信息驱动的行为——本能来说更具有目的性和主动性。从系统维持平衡的机制看，人类的信息可使全球生命系统的信息反馈加快，从而调整回到平衡的时间也减少。从系统整体看，信息的密切联系使系统在维持动态平衡过程中涨落的幅度变小。在技术推动下，人类记录信息、交换信息速度迅速提高，这一代人关键的任务是构建合理的信息系统，通过信息调控规范人类利用和改造自然行为的合理性。

2．使生态系统发生破缺进而耦合成更高层次的系统

在人类大规模改造地球以前，绝大部分自然生态系统在结构和功能上都是完全的（对称的），即具有完整的生产者、流通者和分解者等功能群结构，可以自我完成初级生产—高级生产—流通—分解—再利用全过程，能量和物质在生态系统中畅通流动，系统对其自身状态进行有效调控。人类改变了这种格局，使一部分生态系统的功能变为单纯的初级生产生物产品（如农田），而另外一些生态系统则单纯消费（如城市）和分解（市郊的垃圾处理厂）生物产品；反过来，城市系统生产大量的生产工具和生产技术信息输出到其他生态系统中。这种分工的结果是产生了各种生态器，比原来生态系统的生产力大大提高，同时也打破了生态系统原有的对称状态，产生了结构和功能上的破缺。

构建生态器并使之相互发生耦合，各种生态系统在各自破缺的方面相互耦合（见图1-6）。也就是说，原来独立运行的生态系统之间出现了分工与合作。

根据生物多样性原理，子系统分工合作后的效率加和大于未分工合作前的各系统效率的加和（即一加一大于二），就是生态位分化与互补效应。由于分工，耦合后的大系统中会出现更多的新生态位。实际上，多细胞生物也是细胞间分工合作后产生的，相对于单细胞生物，其效率更高，对环境的适应范围也更大。各种系统功能和结构的耦合也为更大系统的建成提供了条件，是自组织升级的基础。

尽管人类已经取得巨大成功，但是人类对自然规律的认识十分有限，人类的自私因素还过强，因而改造生态系统造成的负面影响很大，往往只顾短期效应，而破坏环境和可持续发展。全球系统正常运行和进化的目标不仅仅是生产力的提高和生态过程的加强，还应包括系统内稳态能力的增强和生态美的加强。

人类在改造生态系统时还要注意两个方面：（1）人类改造的系统生产力很高，但维持环境良好状态的能力很差，甚至有害于环境，所以必须保留相当数量的自然生态系统作为“环境维持器”，或者人类也建立一些能够高强度改善环境的生态工程，如分解生态器、物质循环利用生态器等；为了提高维持环境良好状态的能力，人类还需要改进其生产系统的结构和功能，减少其产生的生态系统负服务。（2）全球生命系统的发育还需要保持一定数量的未被改造过的组分，类似植物体中的分生组织，以利于全球系统进一步发育和分化。这是可持续发展的基础条件。

三、工业文明：经济驱动下的生物地球化学循环

世界是物质的，世界上的能量都以物质为载体而存在。地球上的生命活动不仅需要能量也需要各种物质，因为物质既是生命中化学能的运载工具，又是有机体维持生命活动所进行的生物化学过程的结构基础。作为开放系统，地球系统中的各组分之间以及与系统外时刻保持着物质、能量和信息的交换。这种循环是维持系统稳定和正常运转的关键。能量流动为系统的活动提供支持，保持系统的活力；物质循环为系统生物体提供营养供给；信息流动使系统能够保持高效率的运行。全球物质流动和循环主要包括两方面：（1）各元素在各个生态系统间输入和输出的运转过程；（2）全球生命系统中生物与生物、生物与非生物成分之间的物质交换过程。在全球性地质大循环和地球化学背景下，由生物活动驱动的物质循环称为生物地球化学循环，即：

生物地球化学循环＝生态循环+地球化学循环+生物搬运

动物在生态系统间的迁移对于物质全球移动——生物搬运的作用随着进化而加强，到人类已达到前所未有的程度。随着社会经济发展特别是全球化，人类活动改变了地球上原有的物质循环流动过程，生物地球化学循环逐渐由人类活动所驱动变为经济生物地球化学循环。

经济生物地球化学循环＝生态循环+地球化学循环+生物搬运+经济驱动

全球物质的经济生物地球化学循环可分为三类：水循环、气体型循环和沉积型循环，而食物生产、国际贸易等人类活动强烈地改变了几乎所有类型循环的格局，这一方面为人类的发展和繁荣带来了便利，另一方面使全球生命系统的可持续发展遇到了极大的挑战。

资料：小国的大贸易

瑙鲁共和国是位于南太平洋密克罗尼西亚群岛的一个岛国。瑙鲁的国土面积仅为21.3平方公里，是世界上最小的岛国，也是世界上第三小的国家，仅大于梵蒂冈及摩纳哥。1900年英国磷矿公司的职员在该岛上的一块石头上，意外发现了全岛都有磷矿，此岛的命运自此改变。瑙鲁全岛覆盖着厚厚的鸟粪，日积月累成为富含磷酸盐的矿物质。这是一种优质的天然肥料，该国在20世纪因大规模出口这种自然资源而暴富。60—70年代，随着当时国际市场对磷酸盐需求的大幅增长，瑙鲁每年开采鸟粪化石100万吨以上，收入逾1.2亿美元，人均1.5万多美元，瑙鲁因此成为20世纪80年代世界上人均最富有的国家。然而到了80年代末90年代初，由于这种无序的开采，瑙鲁的磷酸盐矿物资源逐渐枯竭，国家背负了大量债务。不仅如此，对磷酸盐的开采破坏了礁石，导致了大量荒地出现。曾经的乐土不复存在，奢华生活也已成往事。不仅如此，磷酸盐的开采破坏了塔礁石，导致现在瑙鲁75%的土地不能居住，瑙鲁人已经在美国和澳大利亚购买土地，准备举国搬迁。

（资料来源：http://tech.ifeng.com/a/20150113/40941357＿0.shtml#p＝1）

全世界2004年产出的约1.8亿吨氮素中有约0.44亿吨氮素用于国际贸易，比十年前增长了两倍。氮素贸易通常是更集中地将活性氮输入到生态系统中。氮素在国际贸易中的增长带来了新的社会经济问题，如谁来为与活性氮损耗相关的环境损害买单。那些消耗含氮产品的地区，如生产肉和奶的地区，或许可以远离生产含氮商品的地区，从而不必承担生产的环境成本。

（一）人类活动改变全球水循环

由于人类对水资源的大量需要，自然水循环已经受到影响甚至产生了明显改变。局部地区水的管理计划可以影响整个地球，特别是目前全球贸易的情况下（例如，粮食生产是重要的耗水过程，因而粮食贸易相当于水的全球移动）。问题的产生不是由于降落到地球上的水量不足，而是水的分布不均衡，这尤其与人口的集中有关。人类强烈地参与水循环不仅导致自然界可用水资源减少，而且使得水质下降，影响可用性。

20世纪全球大气平均温度增长了0.6℃，因而增加了蒸发和降水量。预计在21世纪全球温度将会升高1.5～3.5℃，相应的降水量会增加3%～15%。以往，不同地区间降水量的差异很大，将来仍然会这样。降水量发生特定变化对不同生态系统所产生的生态影响也是各不相同的。例如，在降水量较小的干旱地区，降水变化所引起的生态后果可能比对降水量充足区域的生态后果更为严重。预计降水量未来的变化将影响河水的流量、地下水的补充、自然生态系统中水分关系及人工生态系统的可利用水量。

1．土地利用变化改变水循环

土地利用方式变化可能通过以下途径改变水循环：（1）地面能量吸收总量改变。例如，从热带雨林到草原牧场，由于反射率和以显热形式散失到大气中的能量增加，从而导致生态系统能量吸收逐渐减少，而温暖干旱的大气使得降水量减少。（2）能量损失的途径改变。（3）大气湿度和温度改变。例如，澳大利亚西部的荒地转变为农业用地后也使得降水量减少了30%。当土地利用方式发生非常大的变化时，还可能对温度和降水量产生大尺度（如跨大洲）的影响，因为大气循环产生的调节作用也可能发生在远离土地利用变化的区域。例如，东南亚土地覆盖方式的变化通过大气遥相关作用对全球范围的气候产生了巨大影响。

人类耕作和定居引起的土地覆盖和土地利用变化已造成了世界性的水资源浪费和污染。森林开采增加了下游洪水泛滥的频率和强度，一般会减少每年的流量，并使得降水的再分配不平均，草地的变化有类似的结果。在全球范围内，农业生产消耗掉大部分的水资源，还有相当一部分水资源用于工业生产和人类生活。同时，化学肥料和杀虫剂的使用、工业和生活废水的排放，损害了水生态系统并减少了淡水资源可利用量。流域的改变和利用以及人类造成的水污染对淡水生态系统造成了严重压力。

生态水文学把陆地上的水划分为“绿水”和“蓝水”。“绿水”是指降水储存在土壤中或从土壤中蒸发的气态水，是自然生态系统和旱作农业的主要水资源，生产世界60%的食物。“蓝水”是可再生的地表水径流和地下水回补，是人类汲取的主要资源，也是水资源管理的普遍关注点。在某一流域中，“绿水”的循环供给陆生生态系统，“蓝水”的循环供给水生生态系统和人类的用水需求。全球陆地上的水中“绿水”约占2/3, “蓝水”约占1/3，而可利用的“蓝水”仅占降水的10%。“蓝水”使用后分为两部分：一部分使用后成为水蒸气进入大气；另一部分成为携带污染物（如来自于家庭或酒店、各种场所）的废水，包括来自于水槽、淋浴、浴缸、洗衣机或洗碗机的废水，往往称为“灰水”。由于这部分水与污染有关，在计算水消耗时，将“灰水”足迹定义为以自然本底浓度和现有的环境水质标准为基准，将该类废水中污染物负荷稀释到可接受水质所需的淡水体积（Mekonnen & Hoekstra,2010）。厕所废水往往称为“黑水”。

水的再循环性并不意味着水资源的充足以及完全可重复利用。在农业种植不当和城市地区，降雨迅速流过板结的地表进入河道，地表径流迅速增加，丧失了森林植被高覆盖下的稳定性，而以暴落暴涨的形式出现，从而变得干旱时无水可用或暴雨时引发洪水而无法利用。森林植被不断地被耕地和人工建筑物取代，内陆的“蒸腾—降雨”水汽循环机制也就日趋衰微，海洋蒸发所形成的降雨带不断向近海岸收缩，许多河流下游已经干涸（见表1-3），许多地区地下水的抽取量远大于补给量，干旱化、荒漠化和盐渍化在蔓延。地下水的补充虽可缓解一时，但却不能持续长远。城市化对区域降水也有影响：城市建成区地表硬化形成的不透水层面积大，大规模地面干燥使地气系统的作用改变，许多地方的降水模式已经发生了改变。为了可持续发展，人类用水观念和用水方式需要发生根本性转变。

资料：江河断流

随着沿黄河地区人口的不断增长，工农业生产飞速发展，耗水量急剧增加。过量的水资源消耗，使得主要江河开始断流。黄河在20世纪70年代断流最长纪录21天，80年代36天，1997年断流竟达226天！原因是沿黄河地区的供水需求远远超过黄河本身可供水量。黄河断流是中国水利的标志性事件，进而引发了对新中国治河历史的反思。此后10年间，围绕解决断流问题，黄河水利委员会在沿黄各省区的大力支持下，实行了以省际断面下泄流量为主要内容的水量调度责任制，建立了现代化的黄河水量调度管理系统。通过统一调度、强化管理、科学配置，实现了自2000年以来黄河连续10年不断流。黄河不断流以及河道基流的增加、水质的改善，在一定程度上保证了河流生态系统功能的发挥，使黄河三角洲大面积的湿地生态系统及其生物多样性得到有效恢复。

淮河在1986年、1988年、1991年、1992年、1994年等大旱年份，淮河流域均严重缺水。特别是1999年淮河流域遭大旱，淮河在主汛期发生断流，上游断流100公里，下游流量只有3立方米/秒。

海河的状况更加严峻，海河水系复杂，流域广大，但水量很小。中国北方有1.2亿人依赖它而生存，但海河水系的年均径流量不到全国的1/115！海河大大小小300条支流，没有几条还能终年流淌。海河流域的干旱化，在极大程度上是人类活动造成的。

位于新疆的塔里木河，是中国最长的内流河。1960年前后，随着其上游孔雀河流域农垦的迅速发展，河上先后建起36座水坝，造成罗布泊彻底丧失了水源补给。而今，塔里木河断流正向中游进逼，1996年，中游破纪录地断流60天。

（资料来源：郑通汉，2006）

资料：地下水位下降

2000年，中国地下水的年开采总量已突破1000亿立方米，占全国供水总量的20%，造成普遍的地下水位下降。据有关部门的不完全统计，上海、北京、天津、西安等100多座城市和一些井灌区的地下水位都发生了不同程度的持续下降，有的地方地下水资源已濒临枯竭。以太原市为例，该市是中国北方严重缺水城市之一，地下水超采现象十分严重，自20世纪70年代以来，地下水水位以每年2～3米的速度下降，地下水水位降落漏斗面积不断扩大，漏斗中心地下水埋深已降至近百米；自1965年以来，北京市的地下水位已经下降了59米；华北平原地下水位正以平均每年1.5米的速度下降。在中国沿海地区，由于超采，地下水位急剧下降，辽宁省沈阳市地下水位已由20世纪四五十年代的3米多下降至2000年的20多米，最深达40米，形成一个面积约230平方公里的地下水位降落大漏斗。1994年到1999年温州一些地方地下水位平均每年下降2.2米。新疆塔里木河，由于河床干透，地下水得不到补给，从60年代到90年代，水位也从2米下降到16米。

美国宇航局（NASA）的重力恢复和气候实验（GRACE）卫星系统观测显示，美国科罗拉多河流域地下水资源正在以6倍于地面用水的速度枯竭（见表1-4）。据《地球物理研究快报》报道，从2004年12月到2013年11月的9年时间里，该流域每年地下水资源流失量达5.6km3（Castle et al., 2014）。美国蓄水层水位在2000年至2008年间的下降速度几乎是20世纪的三倍。农业灌溉对美国蓄水层的消耗最大。另外，包括石油和煤炭开采在内的能源业也是耗水大户。美国地质调查局研究了40个蓄水层从1900年到2008年的变化，发现地下水储量在历史上平均每年减少9.2km3。而从2000年到2008年，平均每年减少了25km3。

印度人均水资源是中国的4倍。但是，其大多数邦（包括有粮仓之称的谷物主产区旁遮普邦）都存在地下水位的下降问题。印度灌溉用水的一大半取自地下水，余下的使用河水，印度南部的泰米尔纳德邦有人口6200万，地下水位下降导致水井几近干涸。尽管地下水位下降，印度仍在借用油井钻探技术打井找水，在某些地区已打到上千米深；卫星遥感测绘数据表明，西起巴基斯坦横跨印度北部最终进入孟加拉国的一块长达2000公里的狭长地带，如今其地下水也正在以惊人的速度枯竭。

（资料来源：郑通汉，2006）

2．水资源争夺战

2009年瑞士达沃斯世界经济论坛年会发布了一个惊人报告，说全球正面临“水破产”危机，其后20年内，人类争夺水资源的竞赛将愈演愈烈。这一言论并不是言过其实，各国对水资源的需求量逐渐增大，水资源也变得稀缺及昂贵。据《2013年中国水资源公报》数据，中国水资源总量27958亿m3，人均水资源量2055m3，仅为世界人均的1/4左右。同时，中国的水资源在时间和空间上分布不均匀，夏秋多，冬春少；南多北少，东多西少。除了自然禀赋方面的原因外，环境污染正严重影响中国的水资源供给。水资源的紧张以及经济发展的需求使得各地不得不在水资源的分配问题上“斤斤计较”甚至激烈争夺。

资料：黄河水的争夺

黄河虽然为中国第二大河，但每年的径流量仅占全国河川径流量的2%。长期以来一直承担着全国12%的人口、15%的耕地和沿河50多座大中城市的供水任务。沿黄城市不断推进的工业化进程，又对黄河水的需求量提出更高的要求——争得更多的水量意味着更多工业项目的落地乃至整个城市GDP的增长。黄河已经超越国际公认的可允许开发利用的警戒率——按照国际惯例，一条河流可被允许开发利用的警戒率应为40%，而《中国水环境白皮书》显示，目前黄河流域内水资源的开发利用率已经高达70%以上。可供利用的黄河水在减少，但黄河沿河城市对水的渴求却比以往更加强烈。这其中，有以黄河为生产和生活水源的西宁、兰州、包头、郑州、济南等50多座城市，也有长庆油田、中原油田、胜利油田、齐鲁石化等传统的大中型企业，还包括正在发展的宁夏宁东能源基地、内蒙古呼包鄂“金三角”经济圈、乌海市及乌斯太工业能源基地、陕西陕北榆林能源工业基地以及山西离柳煤电基地等新型能源基地，而更多的工业项目，则因缺水无法落地。围绕着黄河的每年用水，黄河上下游之间、左右岸之间，乃至干支流之间，都被卷入这场“黄河水争夺战”。在实行黄河水统一调度之前的1997年，黄河便因干旱以及上游过度取水等原因，断流年度曾达227天。当年，位于下游山东东营市的中国第二大油田胜利油田，被迫因无水可用将旗下200口油井关闭，当年年度的直接和间接损失高达15亿元。水利部黄河水利委员会每年开分水会议商议各省区分水方案时，各方都会“打”得不可开交，方案定下来的时候，没有一方是满意的。

（资料来源：《第一财经日报》,2014年3月5日）

资料：世界第八大奇迹——红旗渠的存废之争

从1960年2月至1969年7月，河南林县人民耗10年苦工，在太行山腰的悬崖峭壁上凿成了全长1500多公里的“人造天河”——红旗渠。红旗渠通水至今近半个世纪，灌溉面积8000万亩，每年受益者达60万众。然而，就是这条泽被后世的红旗渠，在20世纪末期，却多次惨遭人为炸堤决口。1992年发生严重的“新中国成立以来最大的炸毁水利工程事件”，这次事件不过是山西、河北与河南三省争夺漳河水源最极端的表现形式。据了解，漳河上游位于太行山区，由于水土资源紧缺，生存环境一直恶劣。为了截留水源，数十年间，两岸三省县市竞相建渠、建坝，缺乏统一规划和统一管理的漳河水资源供需矛盾日益凸显出来。自1993年国家设立漳河上游管理局之后，漳河两岸的水事纠纷仍然以“大规模武装冲突”的形式爆发着，从未间断过。2000年，漳河沿岸两省再度因建水电站发生严重水事纠纷，漳河管理局派驻处置数度协调仍难见成效。2004年为了消除矛盾，在庆祝红旗渠通水40周年之际，漳河上游管理局颁布了《漳河上游水资源规划大纲》。

（资料来源：《新周报》,2014年10月26日）

3．水权交易

经济学家亚当·斯密（Adam Smith）在他1776年的著作《国富论》中提出了经济学中著名的观察结果：家庭和企业在市场上相互交易，他们仿佛被一只“看不见的手”所指引。这只“看不见的手”就是市场，市场通常是一种组织经济活动的好方法。“看不见的手”引导利己的买者和卖者，通常会使市场有效地配置资源，使从那种市场上产生的社会总收益最大化。水资源是公共品，如果环境保护部允许进行水资源的交易，它就创造了一种新的稀缺资源：水权。事实上，交易这种资源的市场已经形成了，“看不见的手”将保证这种新市场有效地配置水交易权。

资料：中国首例跨区水权交易

2000年11月24日，浙江省金华地区的东阳市和义乌市签订了有偿转让用水权的协议，义乌市拿出2亿元向毗邻的东阳市购买横锦水库5000万m3水资源的永久使用权。这是我国首例跨城市水权交易，引起了社会的广泛关注。所谓水权，可以简单地划分为水资源的所有权和使用权。通常所说的水权是指水资源的使用权。由于地形、污染等原因，义乌市水资源严重不足：义乌江污染严重，地下水含有害矿物质严重超标，甚至大街小巷上义乌人背矿泉水回家做饭的情形已司空见惯。水成为义乌发展尤其是近年在由小城市迅猛发展到中等城市，并正朝着大城市发展过程中的首要制约因素。而东阳市通过节水灌溉工程提高了正常蓄水位，增加了供水能力，全市最大灌区横锦水库在满足灌区农业灌溉及城市供水外，还有1.65亿m3水可以利用。通过水权交易市场，东阳将丰余的1/3水转让，另外2/3作为未来发展的储备，这不仅不会影响全市的灌溉和城镇供水，还可以利用转让金加快东阳市水利设施改造步伐。

（资料来源：沈满洪，2001）

东阳—义乌水权交易具有三大意义：一是打破了行政手段垄断水权分配的传统；二是标志着中国水权市场的正式诞生（见表1-5）；三是证明了市场机制是水资源配置的有效手段。这一案例中，最终达到了东阳—义乌的“双赢”结局，也为解决中国的“水危机”带来了一线曙光。但调查表明，水权交易虽然有利于东阳经济的整体发展，却损害了横锦灌区农民的利益，并且没有相应的利益补偿机制。

资料：美国的水资源经济管理缓解了缺水问题

美国水的短缺要归咎于东部的干旱，但对于大自然的指责是毫无意义的。干旱肯定是直接原因，但真正的罪魁祸首是不允许市场和价格使供求平衡的管制。管制者以控制和管制对短缺做出了反应，而不是让市场发挥作用。限制城市用水，在有些城市甚至发展到了除非顾客要一杯水，否则就禁止餐馆提供水的程度。然而，尽管一些城市最初出现了用水减少，但一些城市开始报告消费增加。这就促使一些警察局收集被怀疑浪费水的居民名单。有一种比派出所警察更好的回答。市场力量可以确保即使干旱的年份也能得到丰富的水，与普通的观念相反，水的供给并不比石油的供给更固定。与所有的资源一样，水的供给也会由于经济增长和价格而变动。在发展中国家，尽管人口增长，但可得到安全饮用水的人口百分比从1980年的44%上升到1994年的74%。收入增加使这些国家有供给饮用水的资金。当现在的使用者有在市场中储存自己剩余的激励时，供给也增加了。加州的干旱应急水银行说明了这一点。在干旱时期，该银行允许农民把水留给其他使用者。1991年，即水银行试营业的第一年，当价格是每英亩一英尺（灌溉用水单位，相当于32.6万加仑）水125美元时，供给大于需求1/2。这就是说，想售出水的人比想要买水的人多得多。

世界各地的数据表明，当城市把水价提高10%时，所使用的水减少12%。当农业用水的价格上升10%时，使用量减少20%。不幸的是，东部的水法没有为水支付一个现实的价格。根据美国水工作协会的说法，只有2%城市用水的供给按季度调整价格。甚至更糟的是，东部的水法禁止人们买卖水。正如根据《清洁空气法案》确立的可交易的污染许可证鼓励污染者寻求减少污染的有效方法一样，可交易的水权也会鼓励贮存并增加供给。跟着赋予水权的西部水法庭和允许交易的西部立法的引导才是至关重要的。通过使水成为商品并开放市场力量，决策者就可以保证让所有人都有丰富的水。新政策并不会使干旱消失，但可以通过装上看不见的水市场抽水机而减轻干旱带来的痛苦。

（资料来源：曼昆，2006）

4．南水北调

淡水需求和可利用淡水资源在地理上的不匹配是中国乃至世界在可持续水供应方面最大的威胁之一。众所周知，中国有温暖湿润的南方地区和干旱的北方地区。华北平原水资源短缺最严重，每年人均供水少于150m3。同时，这片地区是超过2亿人的居住地并且提供超过中国一半的小麦和三分之一的玉米。认识到这种不匹配，中国已经发展了20个主要的用水调水工程，总长度超过7200千米，其中包括世界上最大的调水工程——南水北调。南水北调工程的三条路线最终将每年从长江流域转移448亿m3水到黄河—淮海流域，其中东线每年148亿m3，中线每年130亿m3，西线每年170亿m3。在三条路线完成后，转移的水量达到黄河—淮海流域2012年总用水量的30.5%。南水北调工程因其对导入和导出河流生态系统的潜在影响和其巨大的资金成本（约370亿元），已经证明其极具争议性。

5．通过贸易的水资源转移

除了这些直接的水移动，还有另一种称之为虚拟水的办法来解决地区水资源短缺。虚拟水是指生产产品和服务所需要的水资源，即含在产品中的看不见的水。基于这一概念，缺水地区进口水密集型产品而不是本地生产，这样就节约了本地水资源。

在全球高耗水产品贸易不断增长的推动下，淡水资源快速转变为一种全球资源。除了地区市场外，高耗水产品如农产品、畜产品、天然纤维和生物能源等还存在一个全球市场。如果合适的农业土壤环境和充足可用的水资源环境不能在同一个地区发生，在国内地区之间的水转移可能比向国外的土地掠夺需要更昂贵的投资，同样的，掠夺国外土地的成本可能比国内低。一些企业和政府把投资农业用地作为食物和能源安全的长期战略，使得跟土地有关的交易自2005年起急剧增加，在2009年达到了一个峰值。跨国土地的收购前所未有地增加，经常被媒体称为“土地掠夺”。土地掠夺是由一些政府（和企业）通过收购国外的土地，来满足他们对食品和能源的需求而采取的一种措施。土地的掠夺不仅仅是一种对土地的争夺，同样也包括了可用的淡水资源。人类把大约86%的淡水用来维持农业生产，大约19%的全球灌溉农业生产了全球40%的食物。农业用水主要来自河流、湖泊和地下水。在最近一个世纪，全球的淡水使用量大约增长了7倍，从而导致水资源的竞争逐渐升级。最近研究表明（Rulli et al., 2013），除南极洲以外的各大洲，水和土地在以惊人的速度被掠夺。在掠夺国家，人均掠夺水量经常超过平衡饮食对水的需求，足以用来提高食物安全和减少营养不良。

全球经济下生产过程可以从本地转移到外地，不依靠“土地掠夺”，而是通过虚拟水贸易，直接进口高耗水产品，也可以在本国边界外满足本国的用水需求。全球贸易使得水资源的使用和消费者在空间上分割开来。以棉花为案例，从产地到最终产品，棉产品的生产要经历许多不同的阶段，这些阶段对水资源产生不同的影响。各种生产阶段通常发生在不同地区，而最终消费往往又发生在其他地区。例如，马来西亚不生产棉花，但从中国、印度和巴基斯坦进口原棉，然后在其纺织工厂内加工棉质服装，并出口到欧洲市场。而棉花的生长是整个生产供应链上水资源消耗最多的一环，农田种植以及工业生产和加工又会对水造成污染，欧洲消费棉质服装，实际是消费了原棉生产国的水资源，并对原棉生产国和马来西亚的淡水生态系统造成了污染。通过贸易转移水债是一种隐形的资源掠夺，出口国在水交易中获取了经济利益，但消耗了水资源，并留下了污染，进口国则节约了本国水资源。如果仅从国家角度，只考虑满足本国水需求，往往会忽略全球水资源消耗的可持续性而加剧全球水问题。淡水资源问题应放在全球背景下来认识其重要性。

2007年中国因为主要的调水工程而造成的用水流动占国家水供应的4.5%，虚拟水流动占35%（省级在11%～65%）。在中国，物理调水和虚拟水流动在减轻水接收地区的水胁迫方面并不扮演重要角色，却会加剧水出口地区的水胁迫。未来主要水出口省份的水胁迫可能会进一步增加。提高水利用效率是减轻水胁迫的关键所在，但效率的提高依然比不上持续的经济发展所带来的水需求增长。我们需要对水资源需求管理投入更大关注而不是着眼于当前面向供应的管理。

6．国际跨境水公约

全球水资源尤其是跨国水资源在分配使用上如果不能形成良性的国际机制，就可能因此爆发“水战争”。全世界有270条河流属两个或两个以上国家共同管理，类似雅鲁藏布江、印度河的争议并不鲜见。另外如巴以冲突也涉及定居犹太农民和巴勒斯坦农民直接水源分配的问题。特别是在一些经济发展迅速的地区、城市化进程快的地区，消费量增大也导致水源紧张。国际法没有明确关于水资源分配的规定。目前，有关跨国水资源保护问题的国际法律文件以水条约为主体，全球性水条约目前主要是《国际水道非航行使用法公约》。该公约虽然获得135个国家的签字支持，但仍有35国拒绝批准这一公约。在人们普遍对于水资源的稀缺、水资源治理的重要性有了一定认识的时代，如何实现协调处理地区水资源，以实现各方利益最大化，是有趣且关键的话题。

资料：中、印、巴三国的水资源纠纷

水威胁着亚洲的长期稳定。从中国西部沿着喜马拉雅山一直向中东以西延伸，构成了“不安全的水电大弧形”。膨胀的人口压力、水资源萎缩以及气候变化交织在一起，或如暴风骤雨般，引发一连串麻烦。印、巴、中三国为争夺河流水源，对抗加剧，或会威胁南亚和平。中国青藏高原是印度北部部分人口稠密地区的水流源头。印度最大的河流之一布拉马普特拉河（Brahmaputra）上游是中国的雅鲁藏布江（Yalu T sangpo）。印度学者一直宣称，中国在雅鲁藏布江修建水利工程会破坏印度北部和孟加拉东部的环境。作为印度的下游，巴基斯坦和印度之间争吵也不可避免。印度打算在北部修建的巴格里哈尔大坝成为巴基斯坦的愤懑之源。巴基斯坦认为，印度转移、截留甚至滥用本应属于巴基斯坦的宝贵水源，这是印度进一步威胁巴基斯坦生死存亡的典型做法。巴基斯坦的存亡完全系于印度河。巴基斯坦有2200万公顷耕地，其中80%依靠印度河水来灌溉，使用的是英国人修建的水渠。这些耕地占了巴基斯坦国内生产总值的21%，维系着全国1.8亿人口中大部分人的生计。巴基斯坦担心，印度由此左右了印度河的源头。美国参议院的一份较为客观的报告也认为，“大坝是印巴双边关系紧张加剧”的起因。

（资料来源：《经济学人》, https://www.douban.com/group/topic/23773927/?type＝like）

资料：喜马拉雅——地球水库

喜马拉雅冰川是极地冰盖外世界上最大的淡水库，其大量的浮冰为亚洲七条主要河流提供了水源，这七条河流又处于世界人口最稠密的地区之一，即中国和印度次大陆。根据1999年出版的《喜马拉雅山冰川资源图》统计，喜马拉雅山系发育有冰川18065条，冰川面积35110km2，冰储量3735km3。冰川在1990年之后加速退缩，尤其是西段、中段加速特征更为明显。喜马拉雅山冰川加速融化的影响在有些地区已经开始显现，如2003年尼泊尔水文和气象局一项研究指出，近年来洪水日数和持续时间越来越多。对珠峰地区绒布河水文过程一项连续6个多月的观测结果表明，对比该地区1959年和2005年的水文观测数据，2005年同期总径流量比1959年有较大幅度增加，6—8月的3个月月均流量2005年较1959年分别增加69%、35%、14%。

（资料来源：吕卉，2013）

中国对于亚洲甚至世界淡水的贡献是巨大的。为了保护青藏高原包括喜马拉雅冰川在内的宝贵淡水资源，中国西藏自治区建立了严格的水资源管理制度，主要开展取用水监控体系、水功能区域控制体系和水资源监控管理信息平台三项工程。与此同时，出台相关法令来监督保护工作的进行。2013年10月《西藏自治区环境保护考核办法（试行）》出台。该办法规定，环境保护考核结果等级分为优秀、良好、合格等。其中，评定为合格等级的条件，包括主要水体水质、县城建成区空气质量、林地或草地覆盖率、主要污染物减排、项目环评执行率、饮用水水源保护、污染防治、环境综合整治、城镇生活垃圾处理、产业政策执行、环保法律法规宣传贯彻等11个方面。2014年7月，西藏自治区人民政府再次出台《实行最严格水资源管理制度考核办法》，对以上各项指标完成情况、制度建设和措施落实情况进行考核。

7．污染造成结构性缺水

在一些水量丰富的区域，水量看起来还充足，但由于生产、生活方式的不科学，水质的破坏同样使人类可利用水减少，地面水景观变差，带来了巨大的经济损失、社会问题，并且严重威胁着人类健康。随着工农业生产的迅速发展，我国许多大的江河湖泊正面临着日趋严重的水源污染问题，工业废水、农田灌溉和生活污水的排放加快了水体的污染和富营养化水平，加剧了水资源的短缺。中国600多个城市中有2/3的城市面临水资源短缺问题，1/6的城市已经严重短缺。由于污染严重，不少地方居民守着水源无水喝、无水用。

资料：中国湖泊全面污染

2013年，水质为优良、轻度污染、中度污染和重度污染的国控重点湖泊（水库）比例分别为60.7%、26.2%、1.6%和11.5%。与上年相比，各级别水质的湖泊（水库）比例无明显变化。主要污染指标为总磷、化学需氧量和高锰酸盐指数。富营养、中营养和贫营养的湖泊（水库）比例分别为27.8%、57.4%和14.8%。31个重点湖泊当中，水质达到优的只有5个，只占16%。

（资料来源：《2014年中国环境状况公报》）

8．人类的工程设施对水循环的修饰

水文是在人类主导的生态系统中受人类调控的生物地球化学循环的重要因子。从人类文明的发源地，到现在世界各大洲经济中心，都是在水利资源丰富的区域。历史上很多区域的繁荣都与水管理有方密切相关：如大禹治水改善中国水环境；李冰治水，成都从此变为乐土，至今仍是中国休闲城市之一。现代化城市化地区依仗有动力取水的技术能力，任意开采和破坏防洪设施、港口、运河等，已经导致了原来自然水文系统改变。人类对水文学的修饰包括改变聚居地内水资源的供应和排泄途径以及建造不透水的路面和建筑物从而使城市中的水流方式发生改变。城市核心区域的不透水层面积比例可高达80%。不透水层最重要的影响是增加了地表径流的流失以及减少了水分向土壤的渗透。在大多数自然生态系统中，从高地向河道汇集的水分超过90%是通过地下流的形式。而在湿润的城市里，不透水层表面增加10%～20%就会使地表径流流失增加一倍，同时缩短降雨输入和排出的滞后时间，在暴雨期间容易造成强大的洪流。下渗流失比的改变对生物地球化学循环有很大的影响，包括土壤和植物对水化学的影响减弱，减少河流的底流，提高水流的温度并且降低河床，另外还会造成营养元素的流失（Kaye et al., 2006）。

在中国，城市绿化土地大约占城市建成区1/3的面积，能够在一定程度上缓解不透水层对水循环的不利影响。当然，在绿地设计上还需要改进。从相反的角度说，城市及道路绿地在为人类提供生态服务的同时增加水的消耗量，在干燥的气候下尤其如此。例如，在20世纪70年代中期到90年代中期的一些欧洲国家，使用饮用水灌溉草坪和花园的木本植物的比例已经增加了超过400%（Niinemets & Peñuelas,2008）。

人类建造了很多设施用来引入、移除和排泄水。在干旱的环境或季节里，引水灌溉量超过下渗量就会增加陆地的初级生产力，加快营养循环。人为设计的废水流动途径包括自然径流和市政废水管道连接处理废水系统，并将其重新排回表面径流或回收循环灌溉。在某些地方，这些措施能提高地下水位，同时增加营养浓度。然而，城市的供水系统和排水系统会发生泄漏或漫溢（洪水时），增加地表水中的病原体和富营养化；而且，管道将地表的水移到排水管道中会使河流等干涸。人为设计的雨水排泄系统会加速水流的循环，带走营养，导致原本具有营养保持力的河流和小溪变得高度机械化（降低营养保持力）。另外，因为人为地使不可渗透表面增加改变了水供应和水流方向（Grimm et al., 2008a）。

城市常常从周边地区引水，把由植被覆盖的土地变为被建筑物、人行道及其他不透水层覆盖。这些土地覆盖面的变化彻底改变了城市系统中的水、进出城市系统的水与污染流的流向与大小，所有这些都影响生物地球化学循环。有50%～90%的不透水层的城市景观会使40%～83%成为地表径流。相比之下，类似的降水在森林景观只有约13%的降水成了径流。地陷、抽水导致海水的倒灌、河道的侵蚀与退化、减少的土壤水分蒸发蒸腾带来的降温、来自于污染物的直接接触带来的水污染（及带有营养物和污染物）破坏溪流生物地球化学循环过程，这些都使得加快的城市径流流量对当地水循环、能源循环与生物地球化学循环产生不利影响。有些调节城市水循环和提高水质的方法基于生态系统服务，前者通过减少雨水的径流来实现，后者通过从径流中去除污染物来实现。在城市河流中，添加粗木质残体、河床上加砾石和增加植被缓冲带与树木覆盖面的宽度可以增加营养物的滞留。植被景观——如线状景观（生物沼泽）、屋顶绿化、雨水花园——被设计用来保水，既减少城市雨水径流又减少污染。例如，屋顶绿化可以保持25%～100%的降水，这取决于根深、屋顶坡度和降水量。屋顶绿化也可能可以推迟径流高峰，减轻排水管道系统的压力。同样，雨水花园和生物滞留过滤器可以减少地表径流的流量。然而，几乎没有研究表明这些可以改善水质。城市的各项设施不断修饰着城市的水循环（Pataki et al., 2011）。

用历史唯物主义观点分析，社会生产力是不断发展的，要求生产关系不断调整以适应生产力的发展。由于人类的生产大量耗水，因此现代人在沿用大禹治水方案时，需要有所改变。由于人类对水的需求量剧增，地表水普遍缺乏，因此如何能截留足够的水来维持人的各种生产和生活活动已变成人类是否可持续繁荣的重要条件。事实上，李冰父子在都江堰的治水中就考虑了排水与用水两者的结合。构建足够空间的储水设施，以应对水的时间分布不均匀势在必行。杭州建立了新中国第一个人工水库——千岛湖水库，不仅使杭州用水有保障，千岛湖也水产丰盈，民众生活富足，成为旅游胜地。

人类对水的影响实在太大了。其深远影响，可能超过碳氮等任何一个元素和物质。水循环对全球生命系统的格局和过程有重要影响。水是一切生命有机体的主要组成成分，各种生命活动都离不开水。水是生态系统中物质流动的介质，携带各种化学物质进行循环，是影响物种分布的主要因子。水的侵蚀、冲积和沉积等作用是地质和地形变化的主要动力。水对调节气候、净化环境等也具有重要影响。水资源的耗尽可能是除中国以外的许多农业文明绝灭的原因，并且极可能将成为未来人类生存和生态文明的终极限制因子，必须极早重视。

（二）经济驱动下碳的生物地球化学循环

自工业革命开始，人类活动对全球碳循环的影响迅速增加，目前已经改变了全球碳循环模式，形成了全球碳循环的现代特征。在经济驱动下，碳的生物地球化学循环变化加速了全球水循环并反馈作用于其他生物地球化学循环，也使全球气候有所改变。目前，人类活动引起的碳释放约占陆地或者海洋碳循环量的15%，成为继陆地生态系统和海洋生态系统异养呼吸之后由生物调控的进入大气的第三大碳释放源。人类驱动的碳释放活动主要有化石燃料的燃烧释放大量的CO2，水泥制造过程中也会因碳酸盐矿石的分解而释放CO2，土地利用转化通过增强分解作用和燃烧生物物质而释放碳元素。此外，采矿业和农业也改变了碳的有效性和迁移率。大气CO2浓度升高最直接的证据来自于夏威夷M auna Loa站对大气CO2浓度的观测数据。

尽管大气和陆地、大气和海洋之间的碳交换量很大，但是吸收和释放的量近似抵消，所以净通量相当小。在图1-7描述的碳循环中，陆地生态系统每年既不储存也不释放碳，海洋生态系统是净碳汇。虽然人类活动诸如化石燃料燃烧和土地利用排放的CO2总量小于自然通量，但和自然生态系统的净通量相比，人类活动导致的碳排放量还是很大的。

区域减少碳排放应关注碳排放的短路（未经充分利用就排放）问题，使城乡耦合系统中的碳在为人类提供能源或物质后再排放回大气中。例如，城市绿化垃圾的能源化可贡献于城乡耦合系统碳减排；在净化污水方面，人工湿地要比污水处理厂的碳排放更少，并且人工湿地中的植物能源化利用，也贡献于城乡耦合系统碳减排。还有很多农产品的副产物可以作为能源或食物再利用。如秸秆能源化技术或秸秆发酵转变为饲用产品，这些都增加了生物固碳的流通路径长度，合理优化了碳减排。

1．化石燃料燃烧的碳释放

19世纪初期工业革命是人类大规模利用化石燃料的开始。早期（从1860年开始）时主要是利用煤炭，19世纪末开始利用石油，20世纪开始利用天然气。大约在1860年时，碳释放量为0.1Pg（1Pg＝10亿吨）C a－1（见图1-8）。自1860年以来，碳释放量增加速度比较稳定，增长速率为每年4%，至第一次世界大战时已达到0.9 PgC a－1，其中90%来自煤炭燃烧。其后的30年内（1914—1945年），平均年增长率为1%，但第二次世界大战之后增长速度又恢复到4%。在1959—1978年期间，全世界化石燃料燃烧释放的碳总量为72.6Pg，年平均释放量为3.8PgC。1979—1989年期间全球释放速率在5.0～5.4PgC a－1之间波动，但整体呈逐步上升趋势，1980—1995年全球化石燃料燃烧的年均释放量约为5.7PgC。化石燃料燃烧碳释放量估计的准确度为± 10%。对未来化石燃料利用的CO2释放趋势并不能肯定，因为化石燃料的贮量（估计在5000～10000PgC之间）尚有待于进一步勘探。应用许多模型确定化石燃料碳释放量与时间关系的预测结果是，碳释放量在初始阶段呈指数增长，但当总消耗量与总碳贮量（5000PgC）相差很大时，增长速度开始下降，当一半贮量被消耗掉后不再增长。此外，制造水泥时的碳酸盐分解大约每年释放0.1PgC。

化石能源的合理利用可以提高人类对自然的利用能力，也可以减少人类对自然生态系统的破坏。充分使用化石能源是城乡耦合系统提高经济水平的途径之一。

2．土地利用变化的碳释放

土地利用变化导致的CO2释放量不是十分确定，特别是较早年代的数据，主要是由于缺乏早期全球土地利用变化格局的详细历史记录资料。一般来说，森林砍伐和农业应用是碳源，而森林恢复、森林种植、火灾控制、森林扩增往往是碳汇，农业管理的变化也可以是碳汇。森林开垦为农田或草地将向大气中释放大部分贮存在树木和土壤中的碳，每年排放1.7± 0.8PgC。1960年之前森林砍伐和土地利用变化的CO2释放量多于化石燃料燃烧，在过去100年间陆地生物圈是一个巨大的碳素释放源（见图1-8）。采用“记账模型”，目前已对全世界范围内土地利用变化的历史资料进行了广泛分析，1980年由于植被破坏释放的CO2在1.8～4.7PgC之间。采用全球碳循环模型推算出的全世界森林和土壤CO2释放的贡献量在1980年为1.5PgC。在1980—1989年期间，由于土地利用变化和森林砍伐平均每年有0.6～2.6PgC释放到大气中。据估计，由于全球土地利用变化，1850—1990年有124PgC被释放到大气中，相当于同期矿物燃料燃烧释放碳的一半。

与陆地植物生产力相关的碳循环也有一部分由农田生态系统决定，因为人类管理的农田生态系统占到约30%的陆地净初级生产力。其实土地利用中土壤碳的减少带来的主要问题是农业产量受到威胁。也就是土地的支持服务会因土壤碳减少而降低，从而使土地的供给服务也降低。例如，中国南方多雨的区域（如广州）因为降水冲击使土壤减少，需要补充有机碳，因而出现垃圾肥的事件。再如，污水处理厂传统方法专注于从废水中去除物质，但能耗较高，并产生废活性污泥和温室气体，能源使用会造成大量二氧化碳排放。大量污水处理厂产生的废活性污泥如果没有适当处理，不受控制地进行生物降解，会导致温室气体如甲烷逸出到大气中。优化的形式是将活性污泥进行厌氧发酵生产沼气用于当地电、热的生产，或出售给当地的天然气供应商或用于车辆。活性污泥再循环施入农田也已被证实既能分解废物又能进行营养循环（生产能源和用于农业种植），将会减少污水处理厂的二氧化碳释放。许多优化形式在发达国家和发展中国家的应用正逐渐变得普遍，发展中国家也在扩展应用。

更先进的农业技术，如设施农业在全球范围内逐渐发展起来。造价低的塑料大棚在中国更是得到了迅猛发展，从20世纪70年代末的零增长到80年代末已经占世界总大棚面积的85%,90年代后则达到90%以上。大棚种植可以通过延长作物生长季从而生产反季果蔬，提高土地利用效率，提高人们的福祉。合理的人工管理投入在提高了农产品产量的同时，还可以减少土壤净碳排放（Chang et al., 2011）。在干旱风大的区域大棚有利于保护土壤表层土。在其他区域通过改善农产品的质量和产量提高土地的供给服务及单位土地面积的固碳量。虽然不同气候条件的区域这种新生的农业生态系统表现出不同的碳储存能力，但整体而言中国设施农业生态系统表现为碳吸收能力远高于传统农业。即使考虑农业操作过程中的碳输入，温室种植系统的净碳流仍然为正值，这表明系统是大气CO2库的净碳汇。不仅如此，这种农业甚至可以在城市边缘发展，与城市建成区交错出现，其高产性能部分补偿城市建设对农业用地侵占造成的农业生产力损失。这种农业土地利用变化在时间和空间上，改变了原有的碳释放格局。

3．人类排放的碳在大气层中的积累

人类活动产生并释放到大气中的碳，大约有一半被陆地或者海洋吸收，另一半仍然存在于大气中。人类对全球碳循环的认识仍然不全面。目前生态学家估算全球每年总的人为排碳量约7.6PgC，由于海洋每年的净吸收量为2.1PgC，因此大气CO2每年将增加5.5PgC。然而全世界站点观测到的大气CO2浓度不支持这个结果，实际的增加仅为每年3.2PgC（见表1-6）。剩余的每年2.3PgC想必是通过生物活动从大气中吸收并储存在海洋和陆地生态系统中了，这就是碳的“失汇问题”。

现在即使人类活动向大气释放碳立即停止，过去大量释放的碳所引起的大气CO2浓度升高也将维持几十年至几百年。人类活动对大气CO2浓度的影响时间有赖于陆地和海洋以及大气碳库的周转时间。许多关键的碳库周转速度很慢。例如，土壤碳库的平均周转时间是25年，而某些土壤碳库的周转速度更为缓慢。大气的重新平衡时间通常比周转时间长1.5～3倍，这就解释了人为影响对大气作用的持续性。

发达国家在其过去200多年的发展过程中大量消费能源是造成全球大气CO2浓度升高的主要原因。在1751年到1860年这100多年里，人为CO2排放基本来自于发达国家。在1861年到1950年的90年间，发达国家的CO2排放占了全球CO2累计排放量的95%。直到1950年后发展中国家CO2排放比例才开始增长。1951年到2000年，占全球人口80%的发展中国家CO2累计排放量仅占这一时期全球排放总量的28%，而人口不到全球人口20%的发达国家仍然是全球主要CO2排放者，占70%以上。

4．甲烷

大气中的甲烷从工业革命到现在一直在增加。尽管大气中的甲烷浓度比CO2浓度小两个数量级（1.7ppm对390ppm），但甲烷是一种更重要的温室气体，因为1分子甲烷引起的增暖效应是1分子CO2的29倍。甲烷的最大排放源是湿地和反刍家畜（胃中的产甲烷菌、白蚁和其他昆虫体内有机物质通过厌氧菌分解向大气中排放甲烷）。每年人类活动排放的甲烷是自然排放量的2倍以上。目前对甲烷的产生和消耗的理论预测是以每年20T g的速率递增，但观测结果比预测大。

（三）经济驱动下氮的生物地球化学循环

1．人类额外输入生物圈的活性氮量

在过去一个世纪中，人类活动使得陆地生态系统和大气间的氮循环量增加了约一倍。人类固氮之前，陆地上的氮来源主要是闪电和生物固氮。作物系统中每年的固氮量大约是32～53T g，占陆地生物固氮总量的20%～40%（见图1-9）。人类活动通过工业固氮（哈勃固氮法）、化石燃料燃烧和种植固氮作物将氮转变为活性形式进入循环。在20世纪90年代，全球通过这两种来源（施肥及化石燃料燃烧）进入生物圈的氮的总量每年超过160T g（见图1-10）。在全球范围内，这已经超过了自然界陆地生物固氮总量（每年110T g）或海洋生物固氮总量（每年140T g）。这种人类介导输入的氮最终都将被释放到其他几个圈层（特别是水圈）中。

早期氮肥主要在发达国家施用，发展中国家逐渐增多。到2000年，约21%的氮肥是在发展中国家施用，其中40%用于热带和亚热带地区。按照目前人口、粮食需求、农业方式和能源使用的发展趋势，人为氮通量注定还要增加，也就是说，人类很可能要面对陆地系统乃至全球系统氮循环周转率加倍增长的局面。

资料：过度施氮肥

1910年，荷兰用1.3万吨氮肥为其600万人口生产粮食。1999年，在同样的农业区使用了40万吨氮肥，产量足以养活3200万人。余下的食物和包含的活性氮被出口，然而在食品生产过程中损失的氮素遗留在荷兰的环境中，加重了地下水污染、空气中氨污染，与颗粒物的排放及氮沉积。中国以9%的耕地养活了20%的世界人口，但也使用了世界30%左右的氮肥。2010年中国氮肥使用量大约是美国的3倍。中国大部分地区氮肥施用超过最佳推荐施肥量的50%以上，这些高氮投入促进中国水稻、小麦和玉米的单位面积产量在过去40年间分别增加了90%、150%和240%（Huang et al., 2007），但同时也增加了氮流失到环境中的通量。中国贡献了世界33%的氮盈余和28%的N2O释放（West et al., 2014）。氮氧化物和氨的释放显著影响PM2.5（直径小于2.5μm的细小颗粒物）的形成，2013年在中国190个主要城市中，大约85%的城市其PM 2.5浓度超过W HO建议的安全值（25μg m －3）。过度施氮肥也造成地表水富营养化和浅层地下水氮富集，威胁饮用水安全（Gu et al., 2015）。意识到过度施氮肥带来的后果，发达国家开始减少施肥，西欧和美国的氮肥总使用量在20世纪80年代达到最高后，基本平稳或者有下降趋势。从粮食总产量看，西欧基本不变，美国有所增长。瑞典也在农业生产转型中维持了环境和资源的可持续性，小麦年产量增加，同时排放到水体中的氮减少。

（资料来源：Cumming et al., 2014）

2．人类修饰的氮循环

目前人类活动是氮沉降的主要来源。欧洲、中国东部和北美的氮沉降是本底值的10到100倍。最高速率接近于植被所吸收的年总量以及通过凋落物循环的量。施用尿素或氮肥会导致氨的挥发，然后在大气中与水分子反应变为铵离子并随降水沉降。饲养家畜也会增加氨向大气的散发。从全球尺度来看，在化石燃料燃烧、生物物质燃烧过程中，散发大量氮氧化物，施肥的农业生态系统也会挥发许多氮氧化物。上述来源的氮在沉降前能顺风从工业区或农业区进行长距离运输，最终沉降下来。例如，北冰洋以及加拿大北极岛的氮氧化物主要是来自东欧产生的污染物。

过多的氮从陆地生态系统淋溶到地下水和地表水（江河湖）中。在过去的一个世纪中，以沉降、施肥、食物输入、固氮作物生长等形式大量输入到陆地生态系统的氮元素已经导致了地表和地下水中氮浓度的巨大改变。例如，密西西比河中硝酸盐浓度从20世纪60年代至今已经增加了1倍，美国其他一些主要河流中的硝酸盐浓度在过去一个世纪中增加了3～10倍。来自农田和城市系统的氮负荷使得密西西比河流域在河水流入墨西哥湾处形成了一片“死亡地带”。欧洲许多河流、湖泊和溪流中的硝酸盐浓度也有同样的上升趋势，大部分蓄水层也是如此。这些前车之鉴告诉中国，强加于大自然的一切不合理的物质，必然反过来再被人类以各种方式承受。控制氮合成和向农田、水体中输入已势在必行，加强氮循环，在不降低产量的同时控制氮输入是可持续氮利用的合理模式。

总之，人类活动已对氮循环产生重大影响，从陆地和水生系统的水体富营养化到全球酸化和造成平流层臭氧的损失。其影响主要有以下几个方面：（1）以各种氧化氮污染空气；（2）以硝酸盐等各种溶于水的含氮化合物污染水体，造成富营养化；（3）对森林、草原的过度利用，农田的不合理耕作，使土壤氮贮库因流失而减少，土壤流失的氮进入地下水、河流和湖泊，造成水体的污染。特别值得关注的是，环境中氮在流通转运途径中所发生的化学变化往往会产生一系列的影响。例如，排放的氮氧化物分子首先可能形成光化学烟雾，然后它又被空气中的氧气进一步氧化成硝酸再落在地面上，导致生态系统的酸化和富营养化。这些氮增加所引发的消极后果，是巨大和多方面的。虽然环境中氮积累的许多影响还有待进一步研究，但我们同样有必要更多关注氮与其他元素的生物地球化学循环的相互作用，以及这些相互作用是如何影响全球气候变化的。

3．碳氮循环的耦合

碳循环和氮循环的耦合在未受干扰的自然组分之间的联系要比人为干扰过的组分更为紧密。生物有机体为建立组织而对这些因素的需求，使碳、氮及其他元素的循环在分子水平上相互关联。这些联系以特定元素计量单位发生，其值和弹性变量不仅取决于不同耦合循环的相对速度，也取决于这些循环之间的耦合程度。在海洋中，影响整个海洋光合作用的自养型浮游植物中碳/氮比值的变化很小，而陆地植物的碳/氮比值则经常变化，且往往大于海洋浮游植物。

了解陆地和海洋自养生物控制碳/氮比值的过程对于研究全球氮循环和碳循环都是至关重要的。由于氮对全球初级生产的重要限制作用（其中大约一半发生在陆地，一半在海洋），对海洋或陆地自养生物碳/氮比值的改变可能会在生物活性氮总量不变的情况下使生物圈生产经历一场快速而巨大的变化。

人类活动所造成的全球氮循环和碳循环的扰动部分是相互关联的。在陆地生态系统中，人类能源和食品生产所排放的氮氧化物和氨在大气中非常容易传播，同时这些氮又会随着降水等过程以植物可吸收的形态沉降在地面上，这使得氮不再是一种限制性资源，因而刺激了植物生产从而提高对大气中CO2的吸收。除了自然森林与草地，活性氮的输入经常都是被人类积极调控的。如农田、城市绿地等，人类为了提高生产力，从来不惜使用更多一点的氮肥。由于大气中的CO2在气候控制中具有的核心作用，人类活动的干扰使得全球碳循环、氮循环和气候变化更加紧密地耦合在了一起。这个碳氮耦合可能意味着到可预见的未来，大气中CO2浓度的升高对植物生长的直接影响就是植物光合生产将继续增加。

沉降到海洋中的生物活性氮同样可能为海洋生物圈增肥，从而促进其中的生物吸收更多的CO2（Gruber & Galloway,2008）。在全球范围内，与固定成有机物质并进入生物圈深处的氮量相比，大气沉降相对只占很小的比例，但它却是仅次于自然发生的海洋固氮的第二重要的海洋外部活性氮来源。

在某些地区，氮需求中来源于大气活性氮的相对量要比其他地方大得多，特别是在北半球沿海的下风地带以及亚热带海洋地带。沿海海洋还通过河流收获了大量的氮。在一些地区，这导致了沿海富营养化事件，但人为增加的河源性氮并没有影响到公海。这说明氮影响具有局域性特征，以合适大小的空间单元的控制可能容易见到效果。

（四）经济驱动下磷的生物地球化学循环

人类活动通过加速侵蚀和磷在风、水中的运输增加了磷元素的移动速率，改变自然循环。由于磷回到陆地很困难，所以在没有人为干扰的情况下，陆地许多区域的磷供应不足。农作物几乎耗尽了土壤中的天然磷，为了提高农田的生产力人们便不得不施用磷肥。磷肥主要来自磷矿石、鱼粉和鸟粪。无机磷肥从19世纪中期就开始生产，但是生产和应用的数量在20世纪中期以后才迅速增长，这和绿色革命中农业集约化进程一致。每年农业系统应用的磷元素大约为通过所有陆地生态系统进行自然循环的总磷的20%～30%（见图1-11）。

人类土地利用变化也增加了生态系统中磷的损失。冲蚀和风蚀每年引起农田的磷流失，与每年肥料的输入值相似。过度放牧也增加了磷的流失，每年从牧场流失的磷元素量与农田相似。由于人类活动而从陆地生态系统流失的磷的量大约是每年施肥输入磷的量的2倍。

总体来说，这些变化增加了磷在世界范围的转运速度。因为磷元素通常会限制水生生态系统的生产量，所以向水生生态系统输入少量的磷，会造成巨大的生态后果。可能导致富营养化，并伴随对水生生物及社会的负面影响。甚至影响人体的身体健康，长期饮用含磷的水可使人的骨质疏松，发生下颌骨坏死等病变。空气颗粒中借助风运输的磷元素也可能影响下风区生态系统。

由于土壤中含有许多钙、铁和铵离子，大部分用作肥料的磷酸盐都变成了不溶性的盐而被固结在土壤中或池塘、湖泊及海洋的沉积物中。固结在土壤中的大部分化合物沉淀本质上不能被植物所利用。而池塘、湖泊及海洋的沉积物除非发生海陆变迁，才有可能因风化而释放出磷，否则将永远脱离循环。另外在土壤发育时，由于风化和侵蚀丧失，原生矿物逐渐消失。从较长的时间尺度来看，生态系统会从氮限制转变成磷限制。另外随着工业的发展而大量开采磷矿加速了这种损失，现存量越来越少。

可喜的是，中国是世界上磷矿丰富的国家之一。根据2015年《全国矿产资源储量通报》，全国磷矿矿产地约500处，富矿层位不少于24个。

截止到2014年年底，全国磷矿资源储量为214.5亿吨。目前可供利用资源储量动态可供开采35年左右。尽管这可能会变成中国控制磷富营养化更困难的原因之一，但这是中国安全，进而维持文明和促进文明发育的基础。

（五）人类促进有毒有害物质的扩散

人类对环境的不利影响广泛传播的信息极多。这里仅仅补充一个案例，即有毒有害物质的大尺度影响。许多物质（包括元素）在生命活动中是有用和必需的，然而太多了不但无益反而有害，特别是对生命活动所必需的微量元素更是如此。根据前面所述的系统对环境因子的响应和耐受性原理，任何系统只适应某一因子的一定范围，超过最高耐受范围即变为有毒有害物质。从生态系统物质循环的观点来看，自然资源与污染物之间并没有绝对不可逾越的鸿沟。当某种物质处于物流中某个合适的地位，而又处于适当的数量时，它就是有用的资源；而当其处于不适当的位置，且含量过高时，便成为污染物，甚至是有毒有害物质。

有毒物质通常指一组范围较窄的具有毒性的物质，通过影响正常的身体生理，引起人和其他生物死亡或受到严重伤害。全球产生的有毒废物，其准确数据很难获取。联合国环境规划署估计，全球危险废物产生量为每年3亿～5亿吨，其中大部分来自发达国家。美国环保局EPA的数据表明，美国每年产生3600万吨危险废物，欧盟大约产生4000万吨。在亚洲许多发展中国家里，危险废物的产生量正在不断增加，然而，其产生量却难以估计。另外，工业化国家将危险废物出口到发展中国家用于循环，会破坏发展中国家的环境，影响当地居民身心健康。

在中国，大面积的土地被用来不加控制地处置工业废物。目前生产的化学物质已超过3万类，每年大约产生6亿吨工业废物，其中50%～70%是危险废物。有预测表明，近年来总共有59亿吨、体积为5.4亿m3的工业废物受到不当处置或废弃。大部分废物存放在未加保护的区域，导致向地表和地下水的渗滤。危险化学物品在生产、运输、存放和使用过程中，排放和泄漏事故时有发生。

现在有经济基础的城乡耦合系统会选择污染较少的产业发展，以减小本城市及乡村的环境问题，增加可持续发展能力。然而，如何合理处置人类产生的有毒危险废物是人类可持续发展无法回避的问题。

1．重金属的循环

汞、镉、砷、铬、铜等重金属污染已成为全球面临的严重问题之一。而这一问题的产生是人类挖掘、运输、加工、使用含重金属的资源的过程中发生损失、泄漏和无序排放。当然，自然界也存在各种重金属元素含量高的“露头”地区，这些地区或生长一些耐性物种，或根本无生命存在。由于自然界中这样的环境并不多，所以大部分生物是在无重金属的环境中演化形成的，不具有耐受这些元素的能力。根据物质循环原理，重金属在生产过程中一定可以被控制在不伤害人的范围内，循环利用。关键是开发出回收成本低于回收后产品的价值的技术，同时要建立无污染的生产链条模式，政府及民众合理监管。

汞循环较早被人们注意，也是重金属在全球生命系统中循环的典型代表。汞是生物的非必需元素，很低的量就会对生物产生毒性。日本的水俣病和瑞典野鸭突然灭迹就是汞污染造成的惊人事件。汞被认为是有毒物质污染环境的“元凶”之一。汞在自然界分布很广，但一般丰度不高。岩石圈内汞的丰度为0.03ppm，森林土壤约为0.029～0.10ppm，耕作土壤约为0.03～0.07ppm。水体中的汞浓度约在ppb级的水平，河水中的汞浓度约为1.0ppb，海水中约为300ppb，雨水约为0.2ppb。但是，受污染的水中汞浓度往往很高，这些汞主要来自工业废水以及汞矿床的扩散。地壳中的汞经过两条途径进入全球生命系统：一是通过火山爆发、岩石风化、岩熔等自然运动进入大气、土壤、水体，每年约为2.7万吨；二是经人类活动，如开采、冶炼、杀虫剂喷洒等，每年约为1万吨。汞在土壤中的行为表现在土壤对汞的固定和释放上。土壤是汞的一个巨大的天然储存库。土壤汞的存在形态很多，在一定条件下，各种形态汞之间又可以相互转化。在土壤微生物作用下，可向甲基汞方向转化，土壤中固定态的汞又可释放出来，转变为易于被植物吸收的可给态汞，进入再循环。汞在水体中存在的形态与水中氧化还原特性密切相关，其可能存在的化学价态有元素汞、一价汞和二价汞。在一般情况下，水体中的汞主要是金属汞和氯化汞。水体中的无机汞可随着水的流动而运动，或沉降于水底并吸附在底泥中。在微生物的作用下，无机汞能转化为有机汞，主要转化为一甲基汞和二甲基汞，这就是汞的甲基化作用。一甲基汞是水溶性物质，易于被生物吸收而进入食物链，对生物毒性极大。总之，土壤中汞经淋溶作用可以进入水体，水体中的汞也可通过灌溉进入土壤。土壤中汞化合物可被植物吸收后进入食物链，在生态系统中流动。其中一部分存留在生态系统中，另一部分汞排出，进入生物地球化学再循环，有些进入沉积层，退出循环。汞在大气圈—土壤圈—生物圈以及水圈—生物圈—土壤圈中循环。这些主要的循环途径是彼此相连、相互影响的。类似汞的重金属在全球生命系统中存在的形态和转化，是生物地球化学循环研究的重要课题之一。

2．放射性核素的循环

自然界中存在放射性物质，生物对一定强度的辐射环境有适应能力。自然界中的某些地区放射性物质含量也很高，但总的来说其范围和影响很小。人类经科学研究认识并开发利用放射性物质，使其为人类提供能量并为人类观察世界提供很多手段，但工业化的核物质开发使局部地区的核辐射强度大大增加，特别是核废料的处理是一个相当令人忧虑的问题。

放射性核素可在多种介质中循环，并能被生物富集。不论裂变与否，进入大气层后，通过降水、尘埃和其他物质以原子状态回到地球上。陆地放射性核素主要来自大气颗粒的沉降以及液体和固体的废弃物。植物的叶子在大气中既可拦截污染颗粒，又可吸收放射性核素。植物还可以从土壤、落叶层中吸收放射性核素。从植物开始，放射性核素在食物链中迁移。

放射性90Sr和137Cs是生物地化循环中最为重要的两种放射性物质。放射性90Sr与稳定性元素Ca的化学性质类似，与Ca一起参与骨组织的生长代谢。90Sr和137Cs虽然在化学性质上分别与稳定性元素钙和钾类似，在生物体内也积累在同一部分，但它们很容易通过牧食动物进入食物链，特别是在那些降水量高并且有少量Ca或其他营养物质的地区。北极冻原地区有相当数量的放射性尘埃，该地区的主要植物——苔藓就已吸收了降落在它们上面的放射性颗粒。主要污染物质90Sr和137Cs从苔藓开始，在食物链中转移。白腰驯鹿整个冬季都取食苔藓，到春季时肉中Cs的含量要比秋季高3～6倍。白腰驯鹿是当地人的主要食物资源，食物链中90Sr和137Cs最终进入土壤中进行再循环。

放射性核素对水域的污染大都是来自核电站排出的废物。进入水中的放射性物质成为水底的沉积物，并在淤泥和水之间不断循环。但核电站排出的放射性物质一般放射活性很低。来自核电站水中的放射性污染使水中微量元素被激活，产生放射性同位素。大部分放射性同位素以废物形式被处理，遗留下来的很快分解，残存剂量多在检测水平以下。人们关于大量放射性物质对生物的危害已从核爆炸和核事故中有所了解，但少量放射性物质对生物的危害人们了解得还很少。人们已发现放射性照射可保鲜食品，但这种食品是否对人类产生危害还了解得不多。大理石等一些建筑材料中含有放射性物质，已有使人致癌的报道。放射性可改变遗传物质用于遗传学研究，可产生新的物种变异；利用放射性可检测物体的精细结构已广泛用于医学、工业等各个领域。

众多的生命种类中，有些是可以耐受高核（放射性）物质含量而生存的，有些会产生变异来适应。但越是高等的生物，适应能力往往越差。对于微小生物，变异容易产生新的物种；而大的生物局部的变异不是产生新种类，而是整体的不协调，导致病变，甚至有机体死亡。所以人在通过放射性物质获得益处的同时，要注意研究其危害并找出减少或解除危害的方法。否则在放射性物质在全球增加的过程中，可能使大型高等生物与人类共同灭亡，由微小的变异能力强的生物重新开始生命的演化过程，或在大型高等生物大量死亡的同时产生变异个体适应环境，继续维持生命系统。这是人类不愿意、也不应该接受的未来。

资料：切尔诺贝利核电站事故

切尔诺贝利核事故或简称“切尔诺贝利事件”，是一件发生在苏联统治下乌克兰境内切尔诺贝利核电站的核反应堆事故。该事故被认为是历史上最严重的核电事故，也是首例被国际核事件分级表评为第七级事件的特大事故。1986年4月26日凌晨1点23分，乌克兰普里皮亚季邻近的切尔诺贝利核电厂的第四号反应堆发生了爆炸。连续的爆炸引发了大火并散发出大量高能辐射物质到大气层中，这些辐射尘覆盖了大面积区域。

这次灾难所释放出的辐射线剂量是二战时期爆炸于广岛的原子弹的400倍以上。经济上，这场灾难总共损失大概2000亿美元（已计算通货膨胀），是近代历史中代价最“昂贵”的灾难事件；事故前后3个月内有31人死亡，之后15年内有6万～8万人死亡，13.4万人遭受各种程度的辐射疾病折磨，方圆30公里地区的11.5万多名民众被迫疏散，因事故而直接或间接死亡的人数难以估算，且事故后的长期影响到目前为止仍是个未知数。

（资料来源：百度百科词条“切尔诺贝利事故”）

切尔诺贝利核事故被称作历史上最严重的核电事故。切尔诺贝利城因此被废弃。2014年，英国电视制作人丹尼·库克（Danny Cooke）用无人机航拍了乌克兰切尔诺贝利核事故遗址，镜头中荒废的切尔诺贝利静谧而神秘。

资料：日本福岛核危机

2011年3月11日当地时间14时46分，日本发生里氏9级地震并引起东北部福岛核电设施事故。该事故是继切尔诺贝利事故之后第二例历史上最严重的核电事故。在那以后，几乎每天都会有一座机组传出危急消息，然后爆炸。3月15日，日本政府公布的遭受核辐射人数只有几十人，但福岛县政府认为“被曝”人数很可能不少于200人，并决定对县内所有避难所中的约12万人进行核辐射检测。在福岛核危机度过第100小时后，日本国内，以及中国、韩国乃至整个世界的人们，由于担心日本核泄漏污染海水、影响身体健康，仍对这些蓝白间色的核电工厂充满担忧。由于洋流的带动，一周后，在美国的太平洋海岸已经发现了核辐射的踪迹。

（资料来源：百度百科词条“福岛核危机”）

核电站的事故常常让民众对这一能源产生疑虑，但是核电仍然是最有效和安全的。总的来说，核电站具有以下优点：核能发电不会产生温室气体CO2；核能发电所使用的铀燃料，除了发电及制造原子弹外，基本没有其他的用途；核燃料能量密度比起化石燃料高几百万倍，故核能电厂所使用的燃料体积小，运输与储存都很方便，一座10亿瓦的核能电厂一年只需30吨的铀燃料，一航次的飞机就可以完成运送；核能发电的成本中，燃料费用所占的比例较低，核能发电的成本不易受到国际经济情势影响，故发电成本较其他发电方法更为稳定。虽然核电站确实存在风险，并且从已有的案例上看也造成了巨大的破坏，但是核能发电已经历30多年发展，到20世纪80年代全世界投入运行的核电站已超过400座。除了1979年美国的三英里岛核事故、1986年4月苏联的切尔诺贝利核事故和2011年日本福岛核电站事故外，核电站的安全运行记录一直很好。

资料：核事故对人体健康的影响

1979年3月28日凌晨，在美国宾夕法尼亚州哈里斯堡东南16千米处的三里岛核电站2号反应堆发生一次放射性物质外泄事故。事故导致电站周围80千米范围内生态环境受到污染。这是人类发展核电以后首次引起世人注目的核电站事故。三里岛核事故在经济上损失很大，对当时人们的心理也有很大影响，但事故本身并没有对居民造成危害。核电站周围的水、空气、牛奶中的放射性物质含量仍然大大低于国家规定的允许标准；受辐照最严重的几个维修人员只受到相当于做一次X光透视所受到的剂量，没有死亡一人。切尔诺贝利的核电站事故是最严重的，它的反应堆厂房被毁坏，有许多工作人员因受伤、烧伤和射线照射致死，大量放射性物质泄漏出来，严重污染了厂址周围大片土地，甚至还涉及欧洲许多国家的环境安全。

（资料来源：施仲齐、方栋、云桂春，1984）

如果把这个事故与近10年来发生的飞机失事、化工厂爆炸、水坝决口等这些死伤人数达几百、几千甚至上万人的事故相比，并不显得过于严重。每生产100万千瓦电能，平均发生的死亡人数对煤电、油电和核电分别为1.8、0.3和0.25。燃煤电厂的职业危险比核电站大6倍多。可以说核电是一种安全的能源。当然，仍必须从核电站事故中吸取教训，对核电站设计和运行操作进一步改进。随着科技进步，人们一定能采取更加有效的手段来控制核电站可能造成的放射性污染，使核电更好地为人类服务。

四、人造组分的循环

（一）不易分解的人造有害物质

塑料、建筑垃圾、废弃车及生活垃圾等，并不直接对人类构成危害。但这些垃圾不能循环使用，违背了生态系统物质循环的原则，从而造成危害。一方面垃圾占据人类活动空间，产生各种间接污染，或使其他生物受害；另一方面也使生产这些产品的资源逐渐匮乏。人类必须遵从生态规律，自己制造的垃圾自己负责分解掉或再利用，才能实现资源的永续利用和全球生命系统的可持续发展。很多长期存在的生命类型及完善的系统均有节约资源、再利用废物的本领或机制。垃圾焚烧及能源化势在必行，关键是其带来的负服务，如水污染、空气污染需要组合现在的技术，形成模式化的无污染的垃圾处理生态器。

这里仅以氮为例，分析工业生产的氮产品。人类制造了越来越多的合成产品以满足现代生活的衣、食、住、行。这些产品中大多都含氮，如合成纤维、塑料、合成橡胶、染料、涂料和树脂。这些产品中的氮通常在非储存情况下生命周期超过一年，被称为结构性工业氮，其周转率较低，长期积累在人类居住区（Gu et al., 2014）。结构性工业氮延迟了活性氮向环境的释放过程，这与森林生物量积累延迟活性氮释放的过程类似。尽管这种延迟减少了短期氮污染，但是经过几十到上百年后，最终积累在人类居住区的结构性氮仍会全部释放到环境中，延迟释放引起的滞留效应对人类和环境健康产生潜在威胁。结构性氮释放到不同环境媒介（水体、大气、土壤）中的比例主要受不同管理方式（填埋、焚烧等）的影响。虽然当前中国合成橡胶回收率高达90%，但是其他结构性工业氮的回收率不足30%，剩余部分主要被填埋、焚烧或者直接堆弃。填埋是目前中国最主要的垃圾处理方式，占垃圾总量的56.6%，主要在城市地区。结构性工业氮的填埋可能会释放多种有毒有害含氮中间化合物（如氢氰酸和三聚氰胺），污染土壤和水体，并进一步影响人类健康。除了填埋，垃圾焚烧是城市垃圾处理的另一种主要方式，中国2007年垃圾焚烧量占垃圾总量的12.9%，其处理过程可对环境和健康产生直接影响。除氰化氢（HCN）这种可以直接对人类健康产生影响的焚烧产物外，NOx和N2O也是结构性工业氮焚烧的产物，它们引起悬浮颗粒物的形成、近地面臭氧的生成和平流层臭氧的减少，以此影响大气质量和气候变化。人类居住区积累的结构性氮也可能经由突发事件而释放到环境中，这种不可预测的活性氮释放过程可能对人类健康造成致命的威胁。例如，2010年12月上海一起火灾致使58人死亡，其主要原因就是由于建筑物装修过程中使用了大量的聚丙烯腈和聚氨酯泡沫材料，火灾发生时释放大量HCN，使人中毒死亡。中国目前还有近1/3城市垃圾和大部分农村垃圾都简单堆放，由于缓慢的生物降解速率，这些结构性工业氮在环境中可以留存数十年到上百年，特别是在农村地区。这些结构性氮的长期存留会带来多重的环境影响，如塑料和橡胶的废弃堆放会带来占地、微生物疾病传播、生物入侵等问题。一些含有氮的人造染料具有色彩鲜艳的特点，一经生产即被广泛使用，然而，有些很快被发现具有毒性，或易分解并在分解后具有毒性，发现有毒性的含氮染料会停止生产，但已染过的物品流向去处则难以追溯。当然，不可因为污染就排除含氮物质的使用，因氮肥的使用地球可以多养活50亿人，并由于食物充足使所有人的身体更健康、幸福感提高。

（二）杀虫剂的辩证分析

目前已经知道的有机化合物至少有170万种，其中不少是有毒物质。据估计，人类已将7万多种化学产品投放市场。现在引起人们普遍注意的是DD T和六六六等有机氯杀虫剂，它们在环境中的循环较为复杂，主要途径有：（1）植物（农作物）—动物—人—土壤，或作物—人—土壤。直接喷洒到植物（农作物）上的杀虫剂约有10%附着在植物表面，然后渗入植物体内，沿着食物链向前流动。人和动物死后，杀虫剂又进入土壤。土壤中的杀虫剂又可被植物吸收，进入再循环。（2）土壤—作物或土壤—空气。喷洒的杀虫剂中大约有90%落入土壤或分散进大气中，飘浮在大气中的杀虫剂会随雨水沉降到土壤中。此外，植物、土壤和水中的残留杀虫剂不断挥发进入大气中，在风和气流的作用下，可飘移到数公里甚至数千公里远的地方。

在DDT的全球迁移和转化过程中，大气的输送起着重要的作用，海洋中的大部分DDT是由大气输入的。据测定，在1966—1967年的雨水中DDT的平均残留浓度为80×10－12ppt。假定全世界海洋降水总量为3.0×1014m3，那么可以推算，每年通过大气降水而进入海洋的DDT残留物将达到2.4×105t。这个数字相当于全世界DD T年产量的1/4。

在已有的各类杀虫剂中，有机氯农药污染最为严重，这是由其特性所决定的：化学性质稳定、脂溶性强、很容易在人和动物体内积累、扩散途径多、广谱性——对很多种害虫都有毒杀作用的同时对其他生物也有广泛的毒杀作用。有机氯农药的上述特性在各类杀虫剂中或多或少地存在，所以也可以看作是杀虫剂的共同特性。杀虫剂引起的环境污染造成了深远的影响，引起了全人类的关注。生态学家呼吁，必须加强从生态系统整体性出发，评价杀虫剂的研究。现代农业的措施，诸如大面积单一种植一种作物、高产品种重复连种以及过量的水肥等都有可能破坏原有生态系统的平衡。为保证农业增产需要使用杀虫剂，而杀虫剂使用后使害虫产生抗性，并由于杀虫剂杀伤天敌，使一些次要害虫上升为主要害虫，从而需要研制新的杀虫剂。为此，应从整体性出发，全面评价杀虫剂的作用和后果。

关于杀虫剂对生态环境造成的损失还必须从经济上做出评估。应该加强定量估计杀虫剂造成的经济损失。目前对杀虫剂的研究专注于对害虫的专一毒性及低残留等。另外努力开发作物本身的抗虫能力、天敌控制方法及轮作间作抗虫等方法。美国一年中使用了价值28亿美元的杀虫剂，获得了109亿美元的总收益。但是，给生态方面带来了不少损失：造成价值1200万美元家畜中毒损失；价值2870万美元的天敌的减少和害虫抗性的增加而造成的损失；价值13500万美元的蜜蜂中毒的损失；价值7000万美元的农作物和林业的损失；价值1100万美元的鱼及野生动物的损失，14000万美元的其他损失。损失总计为6.5亿美元。对人类开发的新物质的性质、对生物的影响的评估测定十分重要。

为了减少对有益昆虫的毒害以及人畜的危害，人类一直在寻找新型选择性杀虫剂。如蜕皮激素类杀虫剂（虫酰肼）使受处理的昆虫提早蜕皮，使害虫死亡；昆虫病毒杀虫剂能杀死害虫而不影响害虫天敌，持效期长不污染环境。但是，就目前来看这些努力，比起传统化学杀虫剂来说只不过是杯水车薪。生物杀虫剂的市场份额目前还很小，只能作为化学农药的补充。

尽管到处都是对杀虫剂的负面报道，但是如果没有杀虫剂，恐怕写报道的人都会少了很多。事实上，杀虫剂对人类的贡献巨大：如美国土豆产量自1945年的每公顷10.4吨提升到1966年的24.3吨，很大程度上得益于普遍使用杀虫剂；而著名的农药DDT则通过杀灭害虫和病毒，对控制全球范围内疟疾传播起到决定性作用。世界卫生组织的资料显示，自二战后至1972年，37个国家因普及DD T而消灭了疟疾，另80个国家疟疾发病率大幅下降。因此，必须以辩证唯物主义的思想方法来看待这些问题，才能正确地建设生态文明。