第五章 生态系统对全球变化响应

第五章生态系统对全球变化的响应学习的目的与任务弄清全球变化背景下MODS的特征与规律；了解SPAC的理论与意义；弄清流域生态系统对全球变化的响应机制与特征；了解塔里木河流域生态系统的反馈机制；弄清生物资源的概念及分类；了解生物多样性与资源利用的关系；初步了解不同生态系统生物多样性的结构与组成；了解生物多样性现状及生物资源保护的意义。一、水—气耦合研究的借鉴与启示水—气耦台强调的是水文要素与大气要素之间复杂的联系，从系统论的角度而言，宏观上更侧重于海洋系统与大气系统之间的联系，在微观上即使在陆地系统内部亦存在诸多水一气耦台的实例，土壤孔隙及土壤水分组成的微系统正是这种关系的反映。

第一节全球变化背景下MODS的特征与规律

气候作为人类生存环境和重要的生产资源，其中光、温、水、气等气象要素是物种进化，种群演替、景观与植被形成和迁移等生态系统变化的重要驱动力生态系统与气候系统通过地面与大气之间能量平衡、水汽交换和生物地球化学循环相互作用、相互影响．二、SPAC研究的作用与意义SPAC（Soil-Plant-AtmosphereContinum）即土壤－植物－大气连续体水分经由土壤到达植物根系，被根系吸收，通过细胞传输，进入植物茎，由植物木质部分到达叶片，再由叶片气孔扩散到静空气层，最后参与大气的湍流变换，形成一个统一的、动态的、互相反馈的连续系统，即SAPC系统。SPAC系统1.SPAC系统的提出及原理分析水分是生态系统中最为活跃的因子，水分持续不断地循环和运动，维系着生命体的生存和发展。SPAC是有几个系统组成的不同制度上的耦合系统，系统耦合过程中存在着一系列的系统界面，植物与大气、土壤与大气、土壤与根系、潜水层与土壤层等之间的多个界面，水分在SPAC中运行时往往通过系统的界面来实现其过程。2.影响植物根系吸水土壤水分的主要因素2.1土壤因素的影响土壤对植物根系吸水的影响主要包括不同土壤水力特性对于水分在土壤、土壤-根系间传输的影响，以及不同的土壤物理特性对于植物根系生长发育的影响2.2植物因素的影响在SPAC系统的水流运移中，植物是联系土壤中优先的水源和周围大气内具有无限容量的水分的主要环节2.3气象因子的影响不断变化的气候条件，决定着植物对水分的需求，并由此而调节了SPAC系统内部的水势梯度三、SPAC理论与实践研究根系吸水微观模型又称单根径向流模型，研究流向和进入典型单根的径流量，假定此单根可以看成无限长、半径均匀、具有均匀吸水特性的圆柱体，作为整体的根系用一系列这样的单根来描述根系吸水宏观模型又叫根系模型，它把整个植物根系看成是每一深度的土层中均匀分布而整个根区的根密度随深度而变化的扩散吸水器，整个根系统以速率S从不同深度的土壤中吸收水分。1.植物根系吸水模型经验模型以假定植物根系分布均匀，土壤水势均一为基础，物理学与生物学意义正确，但是参数南移测定，不便于实际应用理论模型以电流的产生与电压差成正比的相似原理为基础，利用根系吸水速率与土壤和根系水势的差的关系进行建模半经验半理论模型则较好地考虑植物生长对水分吸收的影响，以及植物根系阻力与水流推动力和水流速度的关系。2.水热交换与蒸散特征土壤-植物-大气中的水热传输（SVAT）是一个相互关联、相互作用的整体。水分循环和热量输运是在土壤、植被、大气统一体内的两个基本交换过程将SPAC分为三个层次，即土壤层、植被层和位于一定参考高度的大气层，水分和热量在SPAC中的传输就可以分为以下几个过程：土壤中的水热迁徙（遵循土壤水动力学的原理）；土壤表面和植物冠层大气间的水热交换（即地表蒸发和湿热交换）；植物冠层中的水热迁移（叶面向植物冠层大气的蒸腾和显热交换）；冠层大气和参考高度大气层之间的水热交换。3.SPAC系统的研究展望SPAC系统的研究已达30余年，但依然是方兴未艾SPAC系统的复杂性不仅在于自身，而且在于由点到面的尺度扩展四、MODS特征及规律1.1MODS的一般特征土地利用与覆盖变化的状况直接反映了区域性的响应特征，LUCC的过程及特征，与景观格局密切关联，指示区域性的环境变化特征。1.LUCC及其对全球变化的响应LUCC直接引起了植被外貌的变化，人类活动也自然成为影响干旱区MODS耦合类型的重要因素。区域气候类型、土壤状况、下垫面性状以及自然与人为因素的组合，都对MODS关系具有重要影响。①水热状况在中国西部干旱区，特别是以天山、昆仑山、阿勒泰山和祁连山等为依托的地貌构架，直接影响着干旱区的水热状况。②景观带谱在干旱的背景下，气候条件和地貌格局的特异性，形成了干旱区植被与土壤的地带性分布规律，分布规律在MODS的山地系统中表现得尤为突出，构成了山地丰富多彩的垂直景观带谱③气候效应干旱区的气候因子的差异必然导致植被类型和水文特征等的差异，了解区域气候的特征和变化规律，总体上可以把握MODS耦合特征在中亚干旱区，气候效应与植被覆盖变化有直接联系，下垫面生物和环境物理属性差异，在一定程度上也将影响局地或区域性气候，建立气候系统和生物系统之间的相互依存和相互作用过程的模式，可以更直接地了解区域NPP的变化以及生态系统的耦合关系1.2MODS的变化规律①MODS耦合关系的一般特征在地球特定的区域上，由基本要素所蕴涵的地质、地貌、气候、水文、土壤、植被以及人为活动状况，是区分和判定耦合关系及其类型的重要因素。表1MODS中各系统的特征和耦合关系在MODS的耦合关系中，各系统之间有着十分密切的关系。一般而言，地貌类型与气候特征决定耦合类型的基础和框架，水文特征决定耦合类型的空间格局，植被类型反映耦合类型的外貌，土壤状况影响耦合类型的功能，人为活动制约耦合类型的演变过程。②MODS的界面过程在MODS中，系统之间存在着多种界面。以土壤与大气介质为代表的相互作用界面更具有特色。土壤是一种具有复杂孔隙系统的自然体，其中的孔隙为水和空气所充满，土一气界面具有重要的生态学意义。土一气界面上的水分通量向上传递表现为土壤水分的蒸发，向下则表现为水分的入渗。土气界面具有相对简单和物理属性相对稳定的特征，③若干规律及特征全球变化对于旱区资源环境的分布格局与时空变化造成了一定程度的影响，制约了LUCC的趋势与过程，并通过水热状况、景观带谱、气候效应、土地利用与人为活动表现出来；而上述特征又与MODS具有密切的耦合关系中亚干旱区气候具有暖湿化的特征，与我国北方地区气候干旱化的趋势具有一定的差异性，这种响应机制制约了MODS的特征与规律系统的界面特征与界面过程，特别是水资源的形成、转化与消耗规律直接反映了干旱区MODS对全球变化的响应过程MODS的空间格局、动态变化、时空特点以及尺度转换与耦合模式问题，反映了系统之间及其内部的生态学机制。2.MODS耦合关系研究的新进展MODS耦合关系是研究干旱、半干旱地区山盆体系一系列特征及其过程的重要桥梁2.1山盆体系生态流的特征一个景观过程往往伴随着许多种流的发生，各种流的特征、过程与变化规律就构成了生态流的内涵在MODS中，土壤、水分、大气中的物质转化、能量传输过程中伴随着信息的传递，山地、绿洲及荒漠系统中的信息传递过程有着十分复杂的机理。2.2干旱区绿洲空间结构特征绿洲是人类在干旱区从事各种生产经营活动的中心在绿洲系统中，人类就是利用自然界资源与环境的潜能，尽可能最大限度地转化为人类生存与发展的物质、能量及信息；同时，在社会经济活动的过程中，通过系统的反馈机制，维护系统的协调稳定性荒漠生态系统是一种相对脆弱的生态系统，它也是一种开放的、处于非平衡态的非线性系统。正是在不断交换能流、物流及信息流的过程中，输入了负熵流，才维持了系统的有序性。2.3荒漠生态系统的信息特征2.4水域生态系统的水盐耦合关系规律2.5MODS耦合关系的界面过程及其特征山地一绿洲系统界面的特征，绿洲一荒漠过渡带的生态过程以及MODS综合体的界面过程，都离不开水分、土壤、空气等介质，而水是干旱区自然环境综合体中最活跃的因素，是自然界物质循环和能量转化以及信息传递的主要媒介。3.MODS研究的理论创新性3.1首次提出山地一绿洲一荒漠系统(MODS)耦合概念及其理论与方法，拓展了地理信息科学、景观生态学等学科的研究领域3.2以水资源的形成、转化、消耗为主线，探索MODS界面过程与动力学机制，提出西部干旱区生态环境演变的基本过程3.3从耗散结构理论系统熵的变化以及生态脆弱性的角度分析绿洲稳定性机制4.MODS研究现实意义与研究展望4.1MODS耦合关系研究，强调了生态系统“三流”与界面过程，相关原理与规律，直接指导生态建设的宏观布局与人为调控4.2水盐平衡节点研究，直接指导绿洲可持续发展的客观实践4.3应用生态学的反馈机制，探讨一定土地利用与覆盖条件下的MODS调控模式，成为耦合关系研究的落脚点4.4关于MODS耦合关系的理论与方法，特别是要素之间，子系统之间的关系模拟与定量分析需要进一步研究与深化。第二节流域生态系统的特征流域生态学或者河流生态学的发展，为人们探讨流域生态系统的结构、功能与动态变化以及对全球变化的响应提供了重要的理论依据与方法论的指导一、流域生态系统的意义与作用生态系统管理作为生态学、环境学和资源科学的复合领域以及自然科学、人文科学和技术科学的交叉学科已经成为当代科学发展的热点。二、流域生态系统对全球变化的响应玛纳斯河流域是准噶尔盆地的重要内陆河，在干旱区具有重要的典型性。流域孕育的玛纳斯绿洲受人类活动影响较大，为新疆典型人工绿洲之一玛纳斯河流域生态系统变化具有一系列的特征，而绿洲演变过程主要有天然绿洲一人工绿洲，荒漠一人工绿洲，人工绿洲一荒漠，天然绿洲一荒漠等不同模式。1.玛纳斯河流域生态系统的演变伊犁河流域(国内部分)位于欧亚大陆腹地中心，属中温带大陆性气候伊犁河是亚洲中部的一条内陆河，又是中国和哈萨克斯坦的国际河流。2.伊犁河流域生态系统的特征在全球变化的背景下，伊犁河流域有较大的生态容量，但总体上还是属于生态脆弱的地区水土流失和农业污染(化肥淋溶、农药残留)、部分低坡土地盐渍化问题突出。图1伊犁河流域示意图三、塔里木河流域生态系统反馈机制1.生态系统反馈机制的原理和特点生态系统的反馈作用过程，是生态系统的固有属性。自1972年，塔里木河下游大西海子断流以来，生态环境发生了劣变。塔里木河流域的生态环境问题，是人类不合理地开发和利用水土资源，导致相关生态因子的耦合关系改变，生态系统结构紊乱、功能失调、稳定性失衡或降低的复杂过程。在生物生长过程中，个体越来越大；在种群增长的过程中，种群数量不断上升，这属于正反馈。正反馈虽然是有机体生长、发育所必需的，但它不能维持系统的稳定状态负反馈主要是指生态系统受到外界影响或干扰后，生态系统通过一系列的自动调节功能，来减轻这种干扰或影响的程度，并力图恢复到平衡或稳定状态的过程。图2人类活动影响下的生态系统反馈概念模式生态系统反馈机制的建立是与熵的原理分不开的。流域生态系统作为一个开放的系统，只要能够从外部环境得到足够的负熵流以抵消内部的熵增，生态系统将形成耗散结构系统，并朝着进化的方向发展。塔里木河下游大西海子自20世纪70年代初断流以来，生态环境发生了劣变，河道干涸、植被退化、风沙频繁、生物多样性减少、土壤有机质和养分丧失，地下水位也发生了明显的下降趋势表2塔里木河下游断面地下水埋深变化(输水工程前)2.生态输水工程对植被格局的影响水文状况影响生态系统的时空特征，制约复杂系统中要素之间的耦合关系以及反馈机制缺水是干旱区植被恢复的主要制约因素，缺水限制自然植被的繁荣，缺水影响生态的重建方式。表3塔里木河下游输水过程中植被覆被状况3.生态输水工程对生态环境的效应地下水位回升恢复河道通水加宽河流植被恢复在离河300m范围，地下水埋深<5m区域，两岸荒漠植被的种类有了明显的增加，且胡杨、柽柳等乔灌木植被重新恢复了开花结实的生殖能力，并存在沿河横向范围的开花时间梯度，表明植被生态系统已重新趋于活跃。胡杨与怪柳4.生态输水的景观格局变化分析采用2000年Landsat/TM影像和2005年CBERS一2/CCD影像，塔里木河下游1：100000地形图及其矢量化数据，研究区统计资料及野外考察资料和实地景观照片4.1数据来源与方法遥感图像处理软件ERDAS及ARC/INFO软件七种景观类型分别为：耕地景观，主要是旱地农田；林地景观，包括河岸林、灌木林、疏林地及各类园地；草地景观，包括覆盖度大于5％的各类天然草地、改良草地和割草地；水域景观，包括河渠、湖泊、水库、坑塘、沼泽、滩地等；建筑用地景观，指城乡居民点及其以外的工矿企业用地、共用设施用地及交通用地等；沙地景观，指地表以沙为主，植被覆盖度小于5％的土地；戈壁、裸土、裸岩石砾景观，主要包括戈壁、盐碱地、裸土地、裸岩石砾地等，研究范围共计4095.66km2。4.2计算结果与分析①景观类型面积变化分析图3塔里木河下游2000－2005年景观类型面积变化表4塔里木河下游2000-2005年景观类型面积变化②景观指数变化分析表5塔里木河下游2000-2005年景观格局指数变化通过理论研究和实践探索，分析生态系统的反馈机制，特别是负反馈机制，寻找系统正常运转的状态或结点，揭示生态系统生态安全的阈值范围或适宜界限，对于探索生态可持续的理论与模式，建立生态恢复与重建的实验示范，遵循生态规律和生态伦理，协调人与自然的关系，实现资源、环境、生态、社会、经济的协调发展，是使不同类型的生态系统成为能持久地为人类造福的系统，具有重大的科学价值。5.生态系统反馈的作用和意义第三节绿洲生态系统的特征一、绿洲生态系统研究的进展绿洲与荒漠相互却别又相互联系，即绿洲寓于荒漠、异于荒漠，两者又依一定条件互向其对立面转化。绿洲是干旱环境下一定时段内，生物过程频繁、生产量高于周围环境的镶嵌系统绿洲是在干旱气候条件下形成的、在荒漠背景基质上以天然径流为依托，并具有较高NPP，以中生或旱生植物为主要植被类型的中小尺度景观绿洲是存在于干旱区、以植被为主题的、具有明显高于其环境的NNP的，以来外源性水源存在的生态系统绿洲是存在于干旱区的特殊生态系统；绿洲的主体景观是繁茂的植被，它们形成了与周围环境成鲜明对比隐喻性植被群落，绿洲具有明显高于其环境的第一性生产力水是绿洲形成和维持的根本要素。绿洲的植被依赖于来自山区的地表和地下水生长，以此界定干旱区绿洲与非绿洲的界限。现代绿洲是干旱区人类生存最重要的的基地，密集的人类活动是现代绿洲的特征，因此从地理学的观点出发，绿洲是干旱区特殊的地理景观，同时也是干旱区最重要的人地关系地域系统。绿洲是干旱区人类赖以生存的基础，也是干旱区经济发展的承载体，是干旱区的核心，绿洲的可持续发展与干旱区的可持续发展在相当大的程度上具有相同的含义。干旱区的农业更多地体现出绿洲农业的特色，二、绿洲生态系统的一般特征1.绿洲生态系统的特征与规律①绿洲相对孤立，自然与人为环境封闭，不利于对外交流与联系②绿洲以来地表径流存在，依靠开发水资源而扩大，且有圈层结构特征，绿洲科分成内核和外圈两部分③各绿洲具有相似的自然条件和资源，导致了绿洲经济结构的一定水平的趋同性④现代绿洲最活跃的因素是人，人类活动决定着绿洲的演化方向2.绿洲稳定性的特征及规律2.1绿洲景观稳定性景观尺度的稳定性包括了恒定性、持久性、惯性、恢复性、抗性、变异性、变幅等概念的内涵。一个远离平衡的开放系统，在外界条件变化达到某一特定阈值时，量变可能引起质变，系统通过不断地与外界交换能量与物质，就可能从原来的无序状态转变为一种时间、空间或功能的有序状态，这种非平衡状态下的新的有序结构，就是耗散结构。2.2绿洲系统稳定性在绿洲生态系统的耗散结构中，也就是在系统与外界交换物质、能量与信息的开放系统中，熵的变化远远小于零，也就是远离平衡态，系统不断地从环境中获取能量与物质，给系统带来了负熵，使整个系统有序性的增加大于无序性的增加，新的结构及组织就能自发地形成。2.3绿洲稳定性的特征①绿洲稳定性与LUCC密切相关②绿洲稳定性有其复杂的过程③绿洲稳定性是相对的概念④绿洲稳定性是动态变化的状态三、绿洲土地利用与覆盖变化及绿洲稳定性分析1.LUCC与绿洲稳定性研究的一般情况LUCC引起绿洲景观格局的变化及其过程，LUCC和景观功能的关系，绿洲LUCC的人为和自然因素，LUCC和景观格局的时空变异规律，2.绿洲土地利用状况与稳定性分析2.1典型绿洲土地利用与土地覆盖变化以MODS中且末绿洲为例，利用遥感制图的方法，对且末绿洲1989年与1999年土地利用类型分析表明，20世纪90年代且末绿洲处于经济快速发展的新时期，土地利用与土地覆盖变化受政策与形势变化的影响，图51989年且末绿洲的土地利用类型图61999年且末绿洲的土地利用类型2.2绿洲生态系统服务价值评价对且末绿洲生态服务价值的评估采用以下途径进行：首先对单位面积上每一类生态系统的某种生态服务功能进行评价，估计该生态系统单位面积上所有生态功能的总服务价值，以此为单价计算某一生态系统的总生态系统服务价值，用以下公式表达：式中：V为研究区生态系统服务总价值，Pi为单位面积上土地利用类型i的生态系统服务总价值，Ai为研究区内土地利用类型i的分布面积。表6中国不同陆地生态系统单位面积生态服务价值表(元/a.hm2)2.3绿洲生态系统服务价值变化表71989和2004年且末绿洲生态系统服务价值估算3.维护绿洲稳定性的策略绿洲生态系统自身具有一定的自我调节和自我缓冲能力，处于临界状态或者生态临界的生态系统都具有一定的生态阈限；即只要对绿洲系统的扰动超越了其上限或者下限，绿洲生态系统就会失去自我调控能力，逐渐发生生态系统的退化与劣变，甚至崩溃或消亡。3.1探索绿洲稳定性阈值3.2进行绿洲生态规划3.3建设绿洲生态工程第四节农田生态系统的特征一、农田生态系统组成及其特点农田生态系统作为人为影响巨大的生态系统之一，全球气候变化势必对其造成巨大的影响农田生态系统是农业生态系统中的一个主要亚系统，也是陆地生态系统的一个重要组成部分农田生态系统受人类活动影响极大农田生态系统中的生物群落结构较简单，优势群落往往只有一种或数种作物，伴生生物为杂草、昆虫、土壤微生物、鼠、鸟及少量其他小动物，大部分经济产品随收获而输出系统，留给残渣食物链的较少，养分循环主要靠系统外投入而保持平衡。农田生态系统的稳定有赖于人为活动，如果不加强控制和管理，不断播种、施肥、灌溉、除草、治虫，农田生态系统将会很快退化，占优势地位的作物会被杂草和其他植物所取代。二、气候变化对农田生态系统的影响气候因子一般通过两个方面影响作物的产量：一方面，气候因子直接作用于农田生态系统作物，改变其营养生长和生殖生长；另外，异常的气候事件能降低植物对各种自然灾害和病虫害的抵抗力。1.气候变化对作物产量的影响大气中CO2的升高会影响农田生态系统凋落物的分解速度2.气候变化对微生物的影响3.气候变化对初级生产力的影响在CO2浓度增加的情况下，陆地生态系统的初级生产力有所提高4、全球变化与土壤退化逆境土壤通常是指存在着对植物生长有各种限制因素的土壤，即那些受干旱、盐碱、洪涝、污染、养分缺乏等因素胁迫，影响植物正常生长的土壤逆境土壤的形成是各种自然因素和人为因素综合作用的结果，而且不同类型的逆境土壤形成的机制不同红壤侵蚀景观中国土壤退化现状图水土流失对土壤的影响轻度中度重度正常氟斑牙氟骨病焚烧废弃物对环境的污染1.未来气候变暖对全球农业的影响

一些地区具有更加适宜作物生长的气候，而另一些地区对作物则有不良影响。如果不考虑其它因素，一般来说CO2的增加可提高作物产量

世界农产品生成的区域分布将发生变化，但全球的粮食供应将可能保持平衡仅通过高纬度地区潜在性粮食生产地区的增加，不足以补偿目前中纬度高产地区的减产土壤干旱，将对高产地区的农业生产产生重大影响

可能出现紫外线增加和病虫害加剧台风频度增加，也会造成很大损害三、全球变化对农业生产的影响2.气候变暖对中国农业的影响位于北半球中纬度地区中国的气候复杂多变、自然灾害频繁。随着人口的急剧增长及工业化和城市化的发展，农业正面临着全球变化额可能威胁2.1全球气候变化背景下中国变化趋势(1)温度和降水格局的重大变化与华北暖干趋势中国气候变暖尤以冬季和北方明显，华北地区与黄河中下游的降水可能进一步减少，而东北和西北的降水量可能增加华北平原农业用水越来越不足将是农业发展的主要障碍因素(2)影响气候带和农业气候界限的北移寒温带大部分变为中温带；中温带大部分变为暖温带；暖温带有一半变为北亚热带；北亚热带全部变为中亚热带；中亚热带小部分变为南亚热带；南亚热带全部变为边沿热带；边沿热带一部分变为中亚热带如果暖温带有一半变为亚热带，则北亚热带的北界将可能沿秦岭淮河一线被推至黄河沿线，黄河沿线成为北亚热带农业气候区与暖温带农业气候线；暖温带农业气候区与温带农业气候区界线北推至东北中部和内蒙古一带华北平原的大部分将变为北亚热带，原暖温带北部即从黄河流域到长城沿线温度条件也必将改善，成为北亚热带与暖温带之交错带，对喜温作物生长有利(3)气候变化的农业效应敏感区综合考虑自然因素与人文因素，即充分考虑人文因素的不利影响对气候变化的叠加效应，形成气候变化对农业影响最显著的地