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在木星和火星轨道之间的广大天河区内,有几千个叫做小行星的石质天体围绕着太阳运行。
它们是众多星子(星子由岩石和冰块所组成)的遗骸。
在木星附近的天区,木星的强大引力阻止了星子大规模的碰撞、合并,原初的岩石仍作为小行星形式被保存了下来。
今天的小行星带可以视为整个太阳系在未产生行星以前曾经存在过的形式的化石,远在冥王星以外的广大天区,太阳引力最弱,温度较低,散布着几万亿个冰块。
在九大行星中,有一颗与太阳颇有渊源,那就是地球。
日心说:
通常认为完整的日心说宇宙模型是由波兰天文学家哥白尼在1543年发表的《天体运行论》中提出的,实际上在公元前300多年的赫拉克里特和阿里斯塔克就已经提到过太阳是宇宙的中心,地球围绕太阳运动。
坚实的大地是运动的这一点在古代是令人非常难以接受的,而另一方面托勒密的地心说体系可以很好的和当时的观测数据相吻合,因此即使在《天体运行论》出版以后的半个多世纪里,日心说仍然很少受到的关注,支持者更是非常稀少。
这里必须指出的一点是,近代以来关于罗马梵蒂冈的地心说和哥白尼的日心说的斗争是被严重夸大的。
布鲁诺1600年遭受的火刑,并非因为他支持日心说,而是因为他的泛神论等的宗教思想。
事实上,直到1609年伽利略发明了天文望远镜,并以此发现了一些可以支持日心说的新的天文现象后,日心说才开始引起人们的关注。
这些天文现象主要是指:
木卫体系的发现直接说明了地球不是宇宙的唯一中心,金星满盈的发现也暴露了托勒密体系的错误。
然而,由于哥白尼的日心说所得的数据和托勒密体系的数据都不能与第谷的观测相吻合,因此日心说此时仍不具优势。
直至开普勒以椭圆轨道取代圆形轨道修正了日心说之后,日心说在于地心说的竞争中才取得了真正的胜利。
哥白尼的日心说:
哥白尼为阐述自己关于天体运动学说的基本思想撰写题为《短论》的论文。
他规定地球有三种运动:
一种是在地轴上的周日自转运动
一种是环绕太阳的周年运动
一种是用以解释二分岁差的地轴的回转运动
哥白尼在他的《天体运行论》一书中认为天体运动必须满足以下七点:
不存在一个所有天体轨道或天体的共同的中心
地球只是引力中心和月球轨道的中心,并不是宇宙的中心
所有天体都绕太阳运转,宇宙的中心在太阳附近
地球到太阳的距离同天穹高度之比是微不足道的
在天空中看到的任何运动,都是地球运动引起的
在空中看到的太阳运动的一切现象,都不是它本身运动产生的,而是地球运动引起的,地球同时进行着几种运动人们看到的行星向前和向后运动,是由于地球运动引起的。
地球的运动足以解释人们在空中见到的各种现象
哥白尼用以支持他的学说的论据,主要属于数学性质。
他认为一个科学学说是从某些假说引伸出来的一组观念。
他认为真正的假说或者定理必须能够做到下面两件事情:
它们必须能够说明天体所观测到的运动。
它们必须不能违背毕达哥拉斯关于天体运动是圆周的和均匀的论断。
当时有许多反对的观点,但是用当时的知识进行了反驳。
反对理由:
如果地球在转动,空气就会落在后面,而形成一股持久的东风。
哥白尼答复:
空气含有土微粒,和土地是同一性质,因此逼得空气要跟着地球转动。
空气转动时没有阻力是因为空气和不断转动的地球是连接着的。
一块石子向上抛去,就会被地球的转动抛在后面,而落在抛掷点的西面。
由于受到本身重量压力的物体主要属于泥土性质,所以各个部分毫无疑问和它们的整体保持同样的性质。
如果地球转动,它就会因离心力的作用变得土崩瓦解。
如果地球不转动,那末恒星的那些更庞大的球就必须以极大的速度转动,这一来恒星就很容易被离心力拉得粉碎。
离心力只在非天然的人为运动中找得到,而在天然的运动中,如地球和天体的运动中,则是找不到的。
地心说:
地心说是长期盛行于古代欧洲的宇宙学说。
它最初由古希腊学者欧多克斯提出,后经亚里多德、托勒密进一步发展而逐渐建立和完善起来。
托勒密认为,地球处于宇宙中心静止不动。
从地球向外,依次有月球、水星、金星、太阳、火星、木星和土星,在各自的圆轨道上绕地球运转。
其中,行星的运动要比太阳、月球复杂些:
行星在本轮上运动,而本轮又沿均轮绕地运行。
在太阳、月球行星之外,是镶嵌着所有恒星的天球——恒星天。
再外面,是推动天体运动的原动天。
下面是这种学说的示意图:
地心说是世界上第一个行星体系模型。
尽管它把地球当作宇宙中心是错误的,然而它的历史功绩不应抹杀。
地心说承认地球是“球形”的,并把行星从恒星中区别出来,着眼于探索和揭示行星的运动规律,这标志着人类对宇宙认识的一大进步。
地心说最重要的成就是运用数学计算行星的运行,托勒密还第一次提出“运行轨道”的概念,设计出了一个本轮均轮模型。
按照这个模型,人们能够对行星的运动进行定量计算,推测行星所在的位置,这是一个了不起的创造。
在一定时期里,依据这个模型可以在一定程度上正确地预测天象,因而在生产实践中也起过一定的作用。
地心说中的本轮均轮模型,毕竟是托勒密根据有限的观察资料拼凑出来的,他是通过人为地规定本轮、均轮的大小及行星运行速度,才使这个模型和实测结果取得一致。
但是,到了中世纪后期,随着观察仪器的不断改进,行星位置和运动的测量越来越精确,观测到的行星实际位置同这个模型的计算结果的偏差,就逐渐显露出来了。
但是,信奉地心说的人们并没有认识到这是由于地心说本身的错误造成的,却用增加本轮的办法来补救地心说。
当初这种办法还能勉强应付,后来小本轮增加到80多个,但仍不能满意地计算出行星的准确位置。
这不能不使人怀疑地心说的正确性了。
到了16世纪,哥白尼在持日心地动观的古希腊先辈和同时代学者的基础上,终于创立了“日心说”。
从此,地心说便逐渐被淘汰了。
简单的说,“地心说”就是以地球为宇宙的中心,“日心说”是以太阳为宇宙的中心.
二、地球
一、地球的起源
地球起源问题是同太阳系的起源紧密相联系的,因此探讨地球的起源问题,首先了解目前太阳系的三个主要特征是必要的。
概括起来说,它们是:
1.太阳系中的九大行星,都按反时针方向绕太阳公转。
太阳本身也以同一方向自转,这个特征称为太阳系天体运动的同向性。
2.上述行星绕太阳公转的轨道面,非常接近于同一平面,并且这个平面与太阳自转赤道面的夹角也不到6°
,这个特征称为行星轨道运动的共面性。
3.除水星和冥王星外,其它所有行星的绕日公转轨道都很接近于圆轨道。
这个特征称为行星轨道运动的近圆性。
关于地球的起源问题,已有相当长的探讨历史了。
在古代,人们就曾探讨了包括地球在内的天地万物的形成问题,在此期间,逐渐形成了关于天地万物起源的"
创世说"
。
其中流传最广的要算是《圣经》中的创世说。
在人类历史上,创世说曾在相当长的一段时期内占据了统治地位。
自1543年波兰天文学家哥白尼提出了日心说以后,天体演化的讨论突破了宗教神学的桎梏,开始了对地球和太阳系起源问题的真正科学探讨。
1644年,笛卡儿(R.Descartes)在他的《哲学原理》一书中提出了第一个太阳系起源的学说,他认为太阳、行星和卫星是在宇宙物质涡流式的运动中形成的大小不同的旋涡里形成的。
一个世纪之后,布封(G.L.L.deBuffon)于1745年在《一般和特殊的自然史》中提出第二个学说,认为:
一个巨量的物体,假定是彗星,曾与太阳碰撞,使太阳的物质分裂为碎块而飞散到太空中,形成了地球和行星。
事实上由于彗星的质量一般都很小,不可能从太阳上撞出足以形成地球和行星的大量物质的。
在布封之后的200年间,人们又提出了许多学说,这些学说基本倾向于笛卡尔的"
一元论"
,即太阳和行星由同一原始气体云凝缩而成;
也有"
二元论"
观点,即认为行星物质是从太阳中分离出来的。
1755年,著名德国古典哲学创始人康德(I.Kant)提出"
星云假说"
1796年,法国著名数学和天文学家拉普拉斯(P.S.Laplace)在他的《宇宙体系论》一书中,独立地提出了另一种太阳系起源的星云假说。
由于拉普拉斯和康德的学说在基本论点上是一致的,所以后人称两者的学说为"
康德-拉普拉斯学说"
整个十九世纪,这种学说在天文学中一直占有统治的地位。
到本世纪初,由于康德-拉普拉斯学说不能对太阳系的越来越多的观测事实作出令人满意的解释,致使"
学说再度流行起来。
1900年,美国地质学家张伯伦(T.C.Chamberlain)提出了一种太阳系起源的学说,称为"
星子学说"
;
同年,摩耳顿(F.R.Moulton)发展了这个学说,他认为曾经有一颗恒星运动到离太阳很近的距离,使太阳的正面和背面产生了巨大的潮汐,从而抛出大量物质,逐渐凝聚成了许多固体团块或质点,称为星子,进一步聚合成为行星和卫星。
现代的研究表明,由于宇宙中恒星之间相距甚远,相互碰撞的可能性极小,因此,摩耳顿的学说不能使人信服。
由于所有灾变说的共同特点,就是把太阳系的起源问题归因于某种极其偶然的事件,因此缺少充分的科学依据。
著名的中国天文学家戴文赛先生于1979年提出了一种新的太阳系起源学说,他认为整个太阳系是由同一原始星云形成的。
这个星云的主要成份是气体及少量固体尘埃。
原始星云一开始就有自转,并同时因自引力而收缩,形成星云盘,中间部分演化为太阳,边缘部分形成星云并进一步吸积演化为行星。
总的来说,关于太阳系的起源的学说已有40多种。
本世纪初期迅速流行起来的灾变说,是对康德-拉普拉斯星云说的挑战;
本世纪中期兴起的新的星云说,是在康德-拉普拉斯学说基础上建立起来的更加完善的解释太阳系起源的学说。
人们对地球和太阳系起源的认识也是在这种曲折的发展过程中得以深化的。
至此,我们可以对形成原始地球的物质和方式给出如下可能的结论。
形成原始地球的物质主要是上述星云盘的原始物质,其组成主要是氢和氦,它们约占总质量的98%。
此外,还有固体尘埃和太阳早期收缩演化阶段抛出的物质。
在地球的形成过程中,由于物质的分化作用,不断有轻物质随氢和氦等挥发性物质分离出来,并被太阳光压和太阳抛出的物质带到太阳系的外部,因此,只有重物质或土物质凝聚起来逐渐形成了原始的地球,并演化为今天的地球。
水星、金星和火星与地球一样,由于距离太阳较近,可能有类似的形成方式,它们保留了较多的重物质;
而木星、土星等外行星,由于离太阳较远,至今还保留着较多的轻物质。
关于形成原始地球的方式,尽管还存在很大的推测性,但大部分研究者的看法与戴文赛先生的结论一致,即在上述星云盘形成之后,由于引力的作用和引力的不稳定性,星云盘内的物质,包括尘埃层,因碰撞吸积,形成许多原小行星或称为星子,又经过逐渐演化,聚成行星,地球亦就在其中诞生了。
根据估计,地球的形成所需时间约为1千万年至1亿年,离太阳较近的行星(类地行星),形成时间较短,离太阳越远的行星,形成时间越长,甚至可达数亿年。
至于原始的地球到底是高温的还是低温的,科学家们也有不同的说法。
从古老的地球起源学说出发,大多数人曾相信地球起初是一个熔融体,经过几十亿年的地质演化历程,至今地球仍保持着它的热量。
现代研究的结果比较倾向地球低温起源的学说。
地球的早期状态究竟是高温的还是低温的,目前还存在着争论。
然而无论是高温起源说还是低温起源说,地球总体上经历了一个由热变冷的阶段,由于地球内部又含有热源,因此这种变冷过程是极其缓慢的,直到今天地球仍处于继续变冷的过程中。
二、地球的演化
地表的基本轮廓可以明显地分为两大部分,即大陆和大洋盆地。
大陆是地球表面上的高地,大洋盆地是相对低洼的区域,它为巨量的海水所充填。
大陆和大洋盆地共同构成了地球岩石圈的基本组成部分。
因此,岩石圈的演化问题,也就是大陆和大洋盆地的构造演化问题。
有关地球内部的结构请参见地球各圈层结构一节。
现在,绝大部分地球科学家都确认大陆漂移现象,并一致认为地球上海洋与陆地的结构分布和变化与大陆漂移运动直接相关。
比较坚硬的地球岩石圈板块作为一个单元在其之下的地球软流圈上运动;
由于岩石圈板块的相对运动,导致了大陆漂移,并形成了今天地球上的海洋和陆地的分布。
地球岩石圈可分为大洋岩石圈和大陆岩石圈,总体上,前者的厚度是后者的一半,其中大洋岩石圈厚度很不均匀,最厚处可达80公里。
大部分大型的地球板块由大陆岩石圈和大洋岩石圈组成,但面积巨大的太平洋板块由单一的大洋岩石圈构成。
地球上陆地面积约占整个地球面积的30%,其中约70%的陆地分布在北半球,并且位于近赤道和北半球中纬度地区,这很可能与地球自转引起的大陆岩块的离极运动有关。
在全球范围内,分布在大陆附近的大陆壳岛屿几乎全部位于大陆的东海岸一侧,个别一些大陆东部边缘,则被一连串的大陆壳岛屿构成的花彩状岛群所环绕,形成了显著的向东凸出的岛弧。
这种全球大陆壳岛屿的分布特征,可以用岩石圈板块的普遍向西运动和边缘海底的扩张理论来加以解释。
长期以来,人们就注意到地表上的某些大陆构造能够拼合在一起,这就好像是一个拼板玩具,特别是非洲的西海岸与南美洲的东海岸之间的吻合性最为明显。
这种现象可以用大陆岩石圈的直接破裂和大陆岩块体的长期漂移得到解释。
这就是我们后面将要介绍的关于杜托特提出的现今的大陆是由北半球的劳亚古陆和南极洲附近的冈瓦纳古陆的破裂后漂移形成的。
1966年,梅纳德(H.W.Menard)等汇集了当时所有的有关海洋深度的探测资料,再度进行了世界海洋深度的统计,得到全球陆地在海平面以上的平均高程为0.875公里,大洋的平均深度为3.729公里。
大陆和大洋之间存在为海水所淹没的数拾公里宽的边缘地带,这个地带包括大陆架和大陆坡,两者共占地球表面积的10.9%。
大陆地壳和大洋地壳的差异非常明显,大陆地壳的化学成份主要是花岗岩质,而大洋盆地下的岩石主要是由玄武岩或辉长岩构成。
因此,整个地壳又可以分为大陆硅铝壳和大洋硅镁壳两大类型。
有关大陆的起源问题,地质和地球物理学家杜托特(A.L.DuToit)于1937年在他的《我们漂移的大陆》一书中提出了地球上曾存在两个原始大陆的模式。
如果这个模式成立,那么这两个原始大陆分别被称为劳亚古陆(Lanrasia)和冈瓦纳古陆(Gondwanaland);
这实际上就象以前魏格纳等人所主张的那样,把全球大陆只拼合为一个古大陆。
杜托特认为,两个原始大陆原来是在靠近地球两极处形成的,其中劳亚古陆在北,冈瓦纳古陆在南,在它们形成以后,便逐渐发生破裂,并漂移到今天大陆块体的位置。
早在19世纪末,地质家学休斯(E.Suess)已认识到地球南半球各大陆的地质构造非常相似,并将其合并成一个古大陆进行研究,并称其为冈瓦纳古陆,这个名称源于印度东中部的一个标准地层区名称(Gondwana)。
冈瓦纳古陆包括现今的南美洲、非洲、马达加斯加岛、阿拉伯半岛、印度半岛、斯里兰卡岛、南极洲、澳大利亚和新西兰。
它们均形成于相同的地质年代,岩层中都存在同种的植物化石,被称为冈瓦纳岩石。
杜托特用以证明劳亚古陆和冈瓦纳古陆的存在和漂移的主要证据,是来自地质学、古生物学和古气候学方面。
根据三十多年中积累起来的资料,有力地证明冈瓦纳古陆的理论基本上是正确的。
劳亚古陆是欧洲、亚洲和北美洲的结合体,这些陆块即使在现在还没有离散得很远。
劳亚古陆有着很复杂的形成和演化历史,它主要由几个古老的陆块合并而成,其中包括古北美陆块、古欧洲陆块、古西伯利亚陆块和古中国陆块。
在晚古生代(距今约3亿年前)这些古陆块逐步靠扰并碰撞,大致在石炭纪早中期至二叠纪(即2亿至2亿7千万年前)才逐步闭合。
古地质、古气候和古生物资料表明,劳亚古陆在石炭~二叠纪时期位于中、低纬度带。
在中生代以后(即最近的1-2亿年间)劳亚大陆又逐步破裂解体,从而导致北大西洋扩张形成。
研究表明,全球新的造山地带的形成和分布,都是劳亚古陆和冈瓦纳古陆破裂和漂移的构造结果。
在这过程中,大陆岩块的不均匀向西运动和离极运动的规律十分明显。
总的看来,劳亚古陆曾位于北半球的中高纬度带,冈瓦纳古陆则曾一度位于南半球的南极附近;
这两个大陆之间由被称为古地中海(也称为特提斯地槽)的区域所分隔开。
在杜托特(1937年)提出劳亚古陆与冈瓦纳古陆理论之前,魏格纳(A.L.Wegener)早在1912年曾提出了地球上曾只有一个原始大陆存在的理论,称为联合古陆。
魏格纳认为,它是在石炭纪时期(距今约2.2亿-2.7亿年前)形成的。
魏格纳把联合古陆作为他描述大陆漂移的出发点。
然而根据人们现在的认识,魏格纳所提出的联合古陆决不是一个原始的大陆。
虽然仍有很大一部分人赞同联合古陆观点,但他们所作出的古大陆复原图与魏格纳所提出的复原图相比,已存在很大的差别,相反倒有些接近杜托特的两个古大陆分布的理论。
最近2亿年以来的大陆漂移和板块运动,已得到了确切证明和广泛的承认。
然而有人推测,板块运动很可能早在30亿年前就已经开始了,而且不同地质时期的板块运动速度是不同的,大陆之间曾屡次碰撞和拼合,以及反复破裂和分离。
大陆岩块的多次碰撞形成了褶皱山脉,并连接在一起形成新的大陆,而由大洋底扩张形成新的大洋盆地。
因此,要准确复原出大陆在2亿多年前所谓的"
漂移前的漂移"
是十分困难的。
地球的年龄已有46亿年历史,目前已经知道地球上最古老的岩石年龄为37亿年,并且分布的面积相当小。
这样,从46亿年到37亿年间,约有9亿年的间隔完全缺失地质资料。
此外,地球上25亿年前的地质记录也非常有限,这对研究地球早期的历史状况带来不少困难,因此,直到现在我们还没有一个关于地球早期历史的统一的理论。
地球环境演化与生物进化
现代地球表面环境系由大气圈、水圈、土壤—岩石圈和生物圈所构成,是地球形成后在经历了漫长的演化历程中渐次发生、发展起来的。
一般认为,地球最初是由宇宙中的气体尘埃凝聚并加上对陨石的吸积形成的。
地球早期曾经受了地外物体频繁、猛烈的撞击。
刚形成的地球经历了原子演化的历程,内部大量的放射性物质不断裂变,放出巨大的能量,加上陨星对地面的猛烈撞击所造成的巨大热效应,很快就发生了地球的分异作用,并导致强烈的地壳、火山活动。
禁锢在地球内部的挥发性物质不断地喷发出来,形成了主要成分为水、二氧化碳、一氧化碳、氢气、氨、氮气、二氧化硫等的还原性大气。
同时地下的结构水也不断地随气体的喷发而被搬出来,于低洼处形成了原始海洋。
大气的形成是地球演化中的一项重要内容。
现代研究表明,80~85%的大气是在地球形成早期集中形成的;
其余的则是在以后漫长岁月中逐步形成的。
大气中最初没有氧气,所以也不可能形成臭氧层,所以造成各种宇宙射线,以及太阳辐射中的紫外线直射地面。
这些能量对当时的还原性大气中各成分间的化学反应,起着十分重要的作用,使之合成了多种结构简单的小分子有机物:
数种氨基酸、嘌呤、嘧啶、核苷等。
科学家们曾模拟原始大气成分,采用放电、紫外线、各种射线和热能,都能成功地合成多种氨基酸。
在20世纪50年代初,在一块坠于澳大利亚Murchison附近的陨石中,分析出含有米勒已证明过的许多相同的氨基酸和大致相同的相对数量值。
这些小分子有机物在原始海洋中汇聚,成为产生生命的基础材料,再经漫长的历程,逐渐形成了生命的前体。
奥巴林指出:
“前细胞结构是在原始海洋中经过比较简单的非生物途径起源的,由有机物组织起来的一种生成物,是导致生命体系诞生的出发点。
这种生成物在空间结构方面必然朝着结构复杂化和完善化的方向进化”。
现已发现的最古老的生物化石是原始的藻菌类,其年代大约在35亿年前。
它们在无氧条件下进行异养生活,以原始海洋中的有机物为养料,依靠发酵的方式获取能量。
这些原始的生物体不断地发展变化,约在27亿年前,出现了含有叶绿素,能进行光合作用,属于自养生活的原始藻类,如燧石藻、蓝绿藻等。
这些藻类进行光合作用所释放的氧,进入大气后开始改变大气的成分。
大气中游离氧的出现并逐步达到一定的浓度比例。
这是地球环境演化史上一次重大的发展,整个过程约在18~22亿年前完成。
大气中游离氧的出现和浓度不断增加,对于生物来讲有极重要的意义。
首先,生物的代谢方式开始发生根本性改变,从厌氧生活发展到有氧生活。
代谢方式的改变大大促进了生物的进化发展。
约在10~15亿年前出现了单细胞真核植物,以后逐渐形成多细胞生物,并开始出现了有性生殖方式。
约在6亿年前,海洋中出现了大量的无脊椎动物,如三叶虫等。
其次随着大气中氧气浓度不断提高,太阳紫外线将O2分解成不稳定的原子氧(O1),原子氧相互结合形成O3,即臭氧。
臭氧的产生并在大气层外围形成臭氧层,这对宇宙射线和太阳光中的紫外线有着屏障和过滤作用,对保护生命体有十分重要的作用。
最初时生物只能在水深5~10米处生存发展。
随着臭氧层的保护能力增加,生物发展到水体表面生活,并进而由水生开始向陆地生活发展。
约在4.2亿年前,原始的陆地植物,如裸蕨开始出现。
陆地上环境变化大,不似水中的环境因素单一。
生物登陆之后,在复杂多变的环境条件中加快了发展变化的速度。
生物的变异和分化使得生物的数量和种类增加,在此基础上形成了生物体在种内和种间的相互依存、相互制约、相互竞争的关系。
由此建立起多种多样的生态系统,其结构也日趋复杂和稳定。
这一切又进一步促进了生物的发展和进化。
大量生物的出现并生存,对于地球环境的影响也越来越显著。
植物进行光合作用吸收二氧化碳释放氧气,同时吸收氨,并用其在体内合成蛋白质;
而微生物在分解动植物遗体时又将蛋白质转化成氮气进入大气。
这样使得原以二氧化碳、一氧化碳为主的还原性大气,转化成为以氧气、氮气为主的氧化性大气。
生物的生命活动对地球物质的循环有着十分巨大的作用。
由于生物的呼吸作用和植物的光合作用,大气中的二氧化碳大约每300年可循环一次;
氧大约每2000年循环一次。
生物对铁、钙、氮、磷等的循环也有很大的影响。
地球森林植被中约含有碳素4000~5000亿吨。
石炭纪是蕨类植物繁茂的时代,大量的植物残体在沼泽环境中转化为煤层。
这样大量的碳素被掩埋地下,导致大气中二氧化碳含量的减少,并由此削弱了温室效应,引起了全球性的气候变化。
也许,古生代晚期的冰川就可能与此有关。
植物登陆之后,和地表的岩石层相互作用,开始形成土壤。
土壤是陆地表面的疏松多孔体,又是一个胶体系统,对于植物生活所需要的水分和养分有强大的吸附和释放作用。
土壤的形成使得易于流失的水和养分,能在地表富集起来。
土壤既是植物生活的物质基础,又是植物生活的产物。
土壤肥力的提高促进了
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