气候系统中的各种反馈机制往往是相互联系着的，某种过程或因子在不同的条件下可能会形成不同的反馈机制，例如冰雪反馈可造成反照率变化，形成正反馈，但冰雪也可能通过影响海洋深水的形成，进而引起海水上翻，从而导致一种负反馈过程。气候系统中的这些反馈机制的相互影响，使得总的反馈效应并不是这些单个反馈效应的简单叠加。气候系统中各种反馈机制的相互影响，在气候系统的某一部分发生异常时，会引起其他变量和过程的一系列变化。
（三）各圈层间的相互影响与制约
人-地环境复合系统的整体行为与地球各个无机圈层（大气、水、冰雪、岩石、土壤等圈层）以及有机圈层（生物、智慧等圈层）的相互作用紧密相关。各子系统之间保持着多重耦合和互动的关系，以及驱动与反馈、作用与响应等复杂过程。它们的组成、结构、状态、功能、物理和化学特性虽然各异，但都通过水分、生物和能量三大循环紧密地耦合在一起，互相影响，互相制约。
全球气候系统受制于纬度间和海-陆间的温度梯度以及大气环流和风系。海洋环流受盛行风、地球自转作用、海岸和岛屿的分布和形状、海水密度分布不均等的影响。大气环流和海洋环流紧密耦合在一起，一旦出现反常，全球环境就将发生变化。
历经几十亿年由简单到复杂的演化，尤其是生命产生后的生物过程，使愈来愈多的化学物质进入了地球大气。例如：高空的光化学过程形成了O3层；经土壤和水中的微生物作用，N进入大气并成为其中的主要成分。N进入大气后又引发一系列重要化学过程，使O3层的厚度得以保持稳定，有利于高级植物及其他生命形式的出现和进化。陆地生态系统产生的CO2、CH4和N2O 等多种温室气体浓度受大气化学过程的制约，其变化与气候变迁、粮食产量息息相关，从而影响着人类的生存与发展。因此，大气化学的控制和调节过程在人-地复合系统中至关重要。
海洋吸收了70%左右的到达地表的太阳辐射，对地-气系统的热量输送作出了重大贡献。大气中86%的水汽都来源于海洋，海洋是全球水循环的主要水汽源。海洋每年可吸收1／3～1／2的人类活动排向大气的CO2，还与大气间进行气体和物质的交换。海洋上暖下冷的热力学结构非常稳定，在温度和气压的共同作用下，大气层结构也是稳定的。海洋还是大气CO2变化的重要控制因子，CO2在海洋中的储量比在大气中约高55倍。海水与大气间的CO2交换主要取决于其间的浓度梯度，在中、高纬的绝大部分区域，大气中的CO2浓度高于海水；而在大约南北纬15度之间，海水则向大气释放CO2。此外，海-气间的CO2交换还取决于海水的上涌和下沉运动。在极地和高纬地区，溶解了许多CO2的表层海水冷却后下沉到深海，而在赤道和低纬地区，CO2随着深层海水的上翻被带到海面后释放到大气中。海洋对CO2的吸收、输送和释放是调控大气中CO2含量的一个关键因素，它与全球变暖问题紧密相关。
陆地生态系统的存在与阳光、空气、水分、土壤养分和热量等关系密切，一旦条件变化，系统的功能、结构等将随之改变。气候或大气成分若发生变化，水分和热量等要素必然发生相应的变化，生态系统的功能和结构也随之产生响应。但是，不同物种对这些变化的响应可能不同，某些物种的数量可能增加，某些物种因生长受到抑制而数量减少，某些稀有物种甚至会在局域乃至全球灭绝。
随着大气中CO2浓度的增高，C3作物的光合作用速率加快，有利于提高产量，大豆的固氮能量也将提高。植物在合成蛋白质的过程中需要少量的S，但如果大气中的S含量过高（人类活动常使一些地区的SO2和H2S浓度超标，甚至出现酸雨），则会使植物的光合作用能力明显降低，叶片受损。此外，自然植被破坏还将干扰当地的能量平衡过程。为了应对植被破坏、物种消失、土地退化，人们往往在人工生态系统中种植品种单一的作物，使得其功能和结构比自然生态系统简单。
1.3.2地球环境与生命的协同演化
地球是现今人类所知的唯一具有生命的天体。迄今，它已经经历了大约46亿年漫长而复杂的演化。关于地球上生命的起源尽管还存在外来说、内部生成说等各种不同的看法，但都认为地球生命现象的发生与发展绝不是偶然的，它受制于地球的特殊宇宙环境和自身环境条件。自生命出现后，地球便进入了与其协同进化的发展历程。
（一）地球原始环境与生命现象的出现
地球生命的出现，关键在于地球与太阳的距离正好使地面能保持适宜的温度，并能维持液态水供应。地球是由不同化学物质的星子堆积而成的。从诞生至今，地球因其内部的分异、调整而形成了内核、外核、下地幔、上地幔和岩石圈结构。早期，大面积的火山喷发、强烈的岩浆和构造活动，以及内部的脱气过程，形成了原始的大气圈、水圈和岩石圈。同时，由于地球自转和日-地系统相互作用而形成了磁层，这可能是地球环境系统最早出现的特殊圈层。
要回答环境和生命协同进化过程的细节，必须弄清以下问题：
（1）生命是怎样起源的？迈克尔·拉塞尔认为，生命起源不是一个生物学问题，而是地质学问题，它与早期的地球化学环境有关。早期地球有两个地方可能形成生命：①洋脊酸性喷泉边；②洋底碱性渗流旁的矿物沉积堆。碱性渗流可能孕育生命，因为在硫化铁小室内部，从地底脱出的H2、NO3、HCN 与CO2发生化学反应而产生糖、核酸、氨基酸。在复杂的化学反应中，核酸和氨基酸被合成为核糖核酸和肽。核糖核酸不仅传递信息，而且起到原始酶的作用。核糖核酸链有助于形成简单的蛋白质，从而逐步形成生命物质。
（2）突变是怎样导致进化的？安德鲁·波来安科斯基认为，基因内的突变和新基因的演变在进化过程中发挥了重要作用。
（3）新的物种是怎样形成的？乔治·特纳认为，目前对物种形成的原因了解还不够，不能通过它来判断物种形成的方式，最好是利用孟德尔式杂交试验来发现物种的形成是否由单个基因或一组基因造成的。
（4）进化是否可以预测？史蒂芬·杰伊·左尔德提出，进化是随机力量和选择力量不断相互作用的结果。随机因素和随机组成部分的存在，说明进化是不能重复的和不可预见的。但达尔文认为，在偶发事件和自然选择的共同作用下，有机体中能够提供更好生存机会的特性得以保留下来。根据自然选择理论，有机体将会适应它们的生存环境。
（二）地球环境与生命的协同进化
21世纪初，地质学家似乎解决了生命最早出现的时间问题，他们在格陵兰岛和澳大利亚西部分别发现了距今38亿年和35亿年的具有生命现象化石的岩层。
这些证据虽然遭到质疑，但地位学家仍然坚持认为，生命在地球历史的初期就出现了，因为生命出现的前提（包括液态水、天然有机物和足够的能源），在43亿年前就已经存在。
1.生命与大气圈和水圈的协同进化
原始大气圈层是以H2、CO、CO2、NO3、CH4和水汽为主要成分的还原性大气层。在与生命协同进化的漫长的演化历史过程中，其成分的改变可能经历了4个不同的阶段：①通过纯化学反应使CO2、N2增加阶段；②原始大气转变为CO2阶段；③CO2逐渐稀释阶段；④游离氧增多阶段。大气与生命协同进化过程的另一重要结果就是大气垂直圈层结构的形成，特别是高层大气O3层的形成，它为地球生命由海洋向陆地的大发展提供了前提。原始水圈的化学成分主要来源于火山喷出的可溶性气体CO2、NH3、Cl2、H2S、SO2等，以及少量来自于陆地岩石风化作用的Na＋、K＋、Ca2＋、Mg2＋ 等，但缺乏游离氧的还原性酸性水。海水与河水的差异此时并不大。关于这点，从地质历史早期主要为还原性铁质沉积岩即可资证明。随着生命的发展进化和大气成分的改变，海洋沉积岩的性质也随之变化，由硅质岩石逐渐变为石灰岩、生物石灰岩，同时海洋生物的骨骼角质也由硅质逐渐演化为石灰质。这从另一侧面反映了水圈的化学成分也在不断发生改变。直至显生宙期间，海水的盐度变化不大，说明海洋自身与海洋生物的调节作用自古生代以来已处于某种平衡状态。
2.土壤圈与生物圈、大气圈、岩石圈的协同进化
土壤圈是生物圈、大气圈和岩石圈共同作用的产物，生物圈更是土壤圈形成和发展的主导因素。没有生物作用就没有土壤层中存在的生物物质小循环、有机质在表层的形成积聚，以及土壤垂直层次的分异和形成。总之，土壤在一定意义上是在生物作用下创造的。土壤圈一旦形成，又为生物的发展进化和生物多样性提供了物质支撑和环境条件。当然，生物和土壤的发展进化是绝对离不开气候与岩石母质条件的，因此它们可说是地球环境与生命协同进化的典型例证。在地球历史演化过程中，土壤是随着生命由简单到复杂，由低级到高级，从单细胞生物→藻类、地衣、藓类→蕨类→裸子植物→被子植物→单子叶植物到双子叶植物，以及相应的动物进化，直到人类的出现而不断协同进化的。在这一历史长河中，土壤又必然受到气候变化、地质构造运动、海陆变化等因素巨大变化的影响而呈螺旋式发展。
植物群落（植被）进化阶段可以反映土壤系统发育的主要阶段：①原始土壤发育阶段；②森林土壤发育阶段；③森林草原与草原土壤发育阶段；④人类出现后的现阶段。植物的进化与发展又与气候变化密切相关，每次全球气候的波动，必然会影响到自然植被的分异与变化，出现新的植物群落，并影响植被带界限的移动、扩展或收缩。其结果也直接或间接影响着土壤，使其发生相应的变化，出现新的土壤类型，土壤分布界限也会发生相应的调整。显然，土壤的发展变化是滞后于气候和植被变化的。岩石圈中沉积岩类及其矿物组成和性质，都可看作是不同地球历史时期的古气候、古植被和古土壤经石化作用后的化石证据。据此，可研究和推测地球古环境中各环境因素彼此协同演化的历史过程。
迄今，地球环境与生命过程中的许多科学问题还待深入探索。例如，寒武纪以来地球环境和生命大爆发-大灭绝-复苏-快速辐射的过程，以及我国“澄江生物群”、“热河生物圈”和二叠纪-三叠纪之间的生物灭绝与复苏的原因；大气、水、土壤、岩石等圈层对生物演化的动力机制；各种地球环境事件（气候异常、大气CO2和O2的变化、板块的聚合和裂解、火山活动异常、海水化学条件变化、宇宙事件等）的生态效应；地球环境事件对生命演化的具体影响；生命起源、演化、灭绝、复苏、维持与地球环境的协同性；生物多样性与地球环境联系的细节；极端环境条件下的生命过程以及生命对极端环境条件的适应机理等。
（桂峰）