全球生态学.docx

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全球生态学

全球生态学

1.对气候变化的敏感性、适应性与脆弱性

敏感性:

指一个系统对气候变化的响应程度。

适应性:

指系统在其运行、过程或结构中对预计或实际气候变化的可能调节程度。

脆弱性:

指气候变化对一个系统的破坏程度。

它既取决于一个系统对于特定气候变化的敏感性，又取决于此系统对于该变化的适应性。

2.全球变化

“全球变化”（GlobalChange）一词首先出现于20世纪70年代，为人类科学家所使用。

全球变化指由于自然和人为因素造成的全球性的环境变化，主要包括气候变化、大气组成变化，如CO2浓度及其它温室气体的变化，以及由于人口、经济、技术和社会的压力引起土地利用的变化。

3.土地利用与土地覆盖

土地利用（landuse）：

指人类依据土地的特点，根据一定的经济与社会目的，采取一系列的生物和技术手段对土地进行的长期性或周期性经营活动，把土地的自然生态系统变为人工生态系统的过程。

土地覆盖（landcover）：

指自然营造物和人工建筑物所覆盖的地表诸要素的综合体，包括地表植被、土壤、冰川、湖泊、沼泽湿地及各种建筑物（如道路等），具有特定的时间和空间属性，其形态和状态可在多种时空尺度上变化。

4.温室气体与温室效应

温室气体:

是指在10微米附近（8~10μm）的红外光谱波长上吸收辐射、对地表有一种遮挡作用的气体，并导致地球大气的增温，如CO2,CH4,N2O,O3和H2O等。

温室效应:

是指地球大气中高浓度的CO2等温室气体象温室的玻璃罩一样只允许太阳辐射到达地面，却吸收从地面反射的红外辐射，而导致地球大气温度升高的效应。

5.大气环流模式

指由流体力学方程组和热力学方程组组成的一组用于定量描述发生在大气、海洋、冰和陆地的各种过程的方程组。

该方程组可以综合地反映相耦合的大气－海洋－陆地－生物圈系统内的物理、化学、生物和社会过程的相互作用，预测大气运动的变化。

是进行天气和气候预测的基础，是对用于天气预报和气候预报的大气数值模式的总称。

6.植被、植被区划与植被类型

植被：

是植物生长着、繁殖着，为动物和人类提供食物与隐蔽所，并通过截留雨水与养分循环稳定土壤的植物群落。

植被区划:

是在一定地段上依植被类型及其地理分布的特征划分出高、中、低各级彼此有区别、但在内部具有相对一致性的植被类型及其有规律组合的植被地理区。

植被类型是植被区划的主要依据。

植被类型：

指在一定地带，由一定的植物种类组成的具有一定特征的植被型，其区系成分是植被区划的重要依据之一。

尤其重视植被的建群种、优势种以及一些“标志种”的地理－历史成分，它们对于植被区划具有标志性的意义，并可据以进行定量的统计。

7.气候－植被分类

研究气候与植被类型地理分布之间关系的科学。

8.遥感（remotesensing）

遥感是指在地面之上，根据地物在一定的电磁辐射波段内的反射或发射能量特征，对陆面和水面进行数字成像分析的实践活动。

9.植物生产力概念：

生物生产力、植物的总初级生产力、植物净第一性生产力、净生态系统生产力、净生物群区生产力

生物生产力：

指生物及其群体，甚至更大尺度（包括生态系统以至生物圈）生命有机体的物质生产能力，随环境的不同而发生变化。

第一性生产力：

指生态系统中绿色植物借助于太阳能同化CO2制造有机物的能力，亦即植物通过光合作用积累的能量是生态系统的初级能量，这种能量的积累过程为第一性生产或初级生产（Primaryproduction）。

植物的总初级生产力（GPP:

GrossPrimaryProductivity）：

指单位时间内生物（主要是绿色植物）通过光合作用途径所固定的有机碳量，又称总第一性生产力。

植物净第一性生产力（NPP:

NetPrimaryProductivity）：

表示植物所固定的有机碳中扣除其本身的呼吸消耗部分。

这一部分用于植被的生长和生殖，也称净初级生产力。

NPP＝GPP-RA

式中：

RA表示自养呼吸（autotrophicrespiration），为自养生物本身呼吸作用所消耗的同化产物。

净生态系统生产力（NEP：

NetEcosystemProductivity）指单位时间单位空间内，土壤、凋落物及植物量等整个生态系统的有机物或能量的变化，亦即生态系统净初级生产力与异氧呼吸（土壤及凋落物）之差。

它表征了陆地与大气间的净碳通量或碳储量的变化速率。

NEP=（GPP-RA）-RH=NPP-RH

式中:

RA表示自养呼吸，RH表示异养呼吸（heterotrophicrespiration），亦即异养生物呼吸消耗量（土壤呼吸作用）。

净生物群区生产力（NBP:

NetBiomeProductivity）是指从净生态系统生产力中减去各类自然和人为干扰（如火灾、病虫害、动物啃食、森林间伐以及农林产品收获等）等非生物呼吸消耗后所余下的部分。

NBP=GPP-RA-RH-NR=NPP-RH-NR=NEP-NR

式中：

NR为非呼吸代谢消耗的光合产物。

10.模型概念：

统计模型、遥感模型、过程模型；陆地表面模型、生物物理模型、生物地球化学模型

统计模型：

又称为气候相关模型，是利用气候因子估算植被NPP，大部分统计模型估算的结果是潜在植被生产力或称气候生产力。

代表模型：

Miami模型、ThornthwaiteMemorial模型、Chikugo模型和综合模型。

有些过程无法用理论分析方法导出其模型，经过数理统计法求得各变量之间的函数关系，称为统计模型。

遥感模型:

是根据卫星遥感资料推算生产力，是植物生物量和生产力动态监测的有效工具。

代表模型：

CASA模型，

不足：

还处于发展阶段，模型中许多参数的生态学意义还不清楚。

过程模型（Process-basedmodel）：

过程模型考虑生态生理和生物物理过程和这些过程确定的生产力的空间、时间特性,它根据植物生长规律，及该研究地点给定植被类型和土壤类型来模拟植被的净第一性生产力、碳及养分循环。

代表性模型：

BIOME模型。

陆地表面模型（landsurfacemodels）：

主要用于模拟土壤－植被－大气系统中能量、水分和动量平衡，且根据已给的植被地理分布以及土壤特征进行全球模拟。

代表性模型，如BATS模型,SiB模型,LSX模型,LSM模型

不足：

没有考虑对气候系统有影响的植被覆盖的潜在变化

生物地理模型（biogeographymodel）：

主要用于模拟全球植被的地理分布和植被的地理分布与气候之间的关系。

代表性模型，如DOLY模型，BIOME模型，MAPSS模型

不足：

没有反应植被结构与功能的综合作用。

生物地球化学模型（biogeochemistrymodel）：

主要用于模拟植被、枯枝落叶和土壤有机质各汇内部以及各汇之间的碳和养分循环

代表性模型：

如CENTURY模型，TEM模型和BIOME-BGC模型

不足：

不能预测植被类型的变化

11.全球变化陆地样带

定义：

由一系列沿着某种具有控制陆地生态系统结构、功能和组成、生物圈－大气圈痕量气体交换和水分循环的全球变化驱动力，一定温度、降水和土地利用梯度分布的生态研究站点、观测点和样地组成的，其长度应不小于1000公里以确保覆盖气候和大气模式以及决策尺度，并有足够宽度（数百公里）以涵盖遥感影像范围。

12.描述和模拟生物地球化学循环的一些概念：

库、通量、源、汇、收支、周转时间、循环

库（reservoir）：

物质在循环过程中被暂时的固定、贮存的场所称为库。

又称盒（box）或分室（compartment）指以某一物理、化学或生物特征定义的大量物质。

在特定条件下可被认为是均一的。

通量（flux）：

单位时间从一个库传输到另一个库的物质量，以F表示。

汇（Sink）：

进入库中的物质通量，通常以Q表示。

源（Source）：

从库中流出的物质通量，常以S表示。

收支（budget）：

是指一个库中的所有源和汇的总和。

周转时间（turnovertime）：

一个库的周转时间是指库的容量M与库所有汇S的和的比率或指库的容量M与库所有源Q之和的比率。

周转时间是指在汇保持不变且无源的条件下库被用空所需的时间。

循环（cycle）：

由2个或多个相关联的库组成的系统，物质以一种循环的方式在该系统内传输。

如果所有物质在该系统内循环，则该系统是封闭系统。

二、理解

1.描述地球系统及其组成特点，并指出气候系统与地球系统的异同

地球系统是由大气圈、水圈、岩石圈、冰冻圈和生物圈组成的，其中岩石圈不仅包括土壤和山脉地形等，还包括深层的地壳和地幔等。

组成特点：

地球系统是一个由若干个开放系统组成的准封闭系统。

其只与外界进行能量交换而基本上没有物质交换，而各个子系统则属于开放系统，彼此之间既有物质的交换又有能量的交换。

相同点：

（1）二者组成成分相同，都包括大气圈、水圈（含冰雪圈）、岩石圈和生物圈；

（2）二者都属于准封闭系统，与外界只有能量交换，没与物质交换；

（3）二者都是很复杂的而且是高度非线性的系统；

（4）二者的动力都主要来自太阳能。

不同点：

（1）地球系统范围更广，除了地质过程和气候系统，还有生态系统、海洋系统以及人类作用过程等；

（2）气候系统具有可预报性，地球系统没有；

（3）地球系统的关键过程是能量流动和生物地球化学循环，气候系统只包括与气候相关的能量和物质的交换。

2.阐述气候－植被分类定量研究的3个阶段及其特点

气候－植被分类定量研究的3个阶段：

①以植被类型与气候相关性为特征的气候－植被分类阶段

特点：

以现实自然植被类型与气候之间的相关性为特征,还没有将对植物生理活动具有明显限制作用的气候因子作为植被分类的指标，也没有考虑植物的生长过程，是非机理性的。

②以影响植物生理活动的气候因子为指标气候－植被分类阶段

特点：

以对植物生理生态活动具有明显限制作用的气候因子作为气候－植被分类的指标。

这类模型又称为生物地理模型（Biogeographymodel），主要描述了植被的结构特征，如叶面积指数等，不足的是这类模型关于植被类型与气候之间相互关系的描述是静态的，即植被与气候处于平衡状态，也没有反应植被的结构与功能的综合作用。

③以植被结构和功能变化为特征的气候－植被分类阶段

特点：

将植物的结构和功能的变化在植被的分类上得到综合体现。

3.遥感在现实陆地植被生产力监测中的作用及其缺限

作用：

（1）可用卫星资料来判别植被的疏密度、木材产量及森林类型。

（2）根据卫星遥感资料推算生产力，是植物生物量和生产力动态监测的有效工具，如CASA模型。

（3）遥感数据比气象台站观测的数据和土壤图提供的数据精度要高。

缺陷：

（1）不能协调遥感数据与其他来源的数据之间的精度。

（2）卫星资料提供的初始数据只反映土地覆盖在某一时刻的状态，并不等同于土地利用及植被分类图。

（3）分析或模拟的结果往往只适用于特定的研究区域，而不具备普适性。

（4）数据统计不能与基本的生态属性有机地联系在一起。

（5）卫星数据存在辐射误差和地理上的定位误差。

4.试述植物的总初级生产力、植物净第一性生产力、净生态系统生产力、净生物群区生产力之间的相互关系

NBP=GPP-RA-RH-NR=NPP-RH-NR=NEP-NR

NR为非呼吸代谢消耗的光合产物。

植被通过光合作用形成总初级生产力（GPP），即光合产物。

GPP是生态系统初始物质与能量，也是C循环的基础，随不同植被类型而异。

在植被GPP中，约有一半通过植被自身的呼吸作用重新回到大气中；另一部分成为植被净第一性生产力（NPP），植物利用来生长和繁殖。

植物生长形成的有机碳即植被净第一性生产力（NPP）流向主要有两种：

1.大部分以凋落物的形式进入地表，它们或成为土壤有机质的一部分或以凋落物分解形式回到大气；

2.其余部分则成为系统的净生态系统生产力（NEP），构成植物的生物量。

净生物群区生产力（NBP）：

指从NEP中减去自然和人为干扰（如火灾、病虫害、动物啃食、森林间伐以及农林产品收获等）等非生物呼吸消耗后所余下的部分。

5.试述模型的重要性及其生命力

重要性：

（1）是认识生态系统的关键：

许多生态现象和资源管理问题包含了许多相互作用，凭借目前关于生态系统的认识对于生态系统过程的预测还很困难。

（2）是理解自然的有效方法：

对了解很有限的复杂现象，试图凭借简单的假设或因果推理来进行解释是不可能的。

模型则是综合地研究这一复杂现象，建立反映这一复杂现象的综合模型，且利用该模型来预测这一复杂现象及其对于扰动的反应。

生命力：

（1）模型可以作为预测的工具。

在模型建立过程中所获得的新信息很少，模型的价值在于它们能做什么，而不在于模型怎样被建立。

（2）模型可被用作启发式的练习。

即一种研究和综合分析我们所想了解的系统的方法和确定我们还不了解但希望或需要了解的系统的方法。

一个已经建立的模型用途并不大，许多模型在其建立后从未用过。

这些模型的价值在于模型的发展而不在于这一完成的产品。

6.简述全球变化生物圈模型的分类及其特点

①陆地表面模型；②生物地理模型；③生物地球化学模型。

三类模型的特点

●平衡状态：

三类模型都是独立发展的，都只反映了生物圈的不同方面，主要模拟的是平衡时的生态系统状态，没有综合地考虑生物地球化学过程对植被分布的反馈作用和生物圈过程对气候的反馈作用，使得模拟生物圈的状态及其与气候系统的潜在作用显得有些力不从心。

●植被结构与功能的分离：

三类模型对陆地表面过程、植被生态学和生物地球化学之间的许多关键联系的描述也不够，没有将植被的结构与功能综合考虑。

●迫切需要建立一个更综合的模型：

以模拟陆地生物圈与大气之间的相互作用，特别是模拟陆地生态系统在不同时间和空间尺度上的动态。

7.试述“全球变化与陆地生态系统”核心项目的研究目标与核心科学问题

目标：

①预测气候、大气成分和土地利用的变化对陆地生态系统的影响，包括农业、森林、土壤和生态复杂性；

②确定这些影响对于大气和物理气候系统的反馈作用。

全球变化与陆地生态系统的研究就是要从生态系统的物质循环与能量平衡的角度，研究地圈—生物圈—大气圈的相互作用，探讨全球变化的成因与控制机制、空间格局变化规律、未来趋势的预测，以及生态系统变化对全球变化的响应与反馈，研究全球、大陆和流域尺度复杂生态系统的动态过程、系统内部各亚系统间的耦合关系，以及各种生态环境问题的相互作用等科学问题，其中以生态系统碳循环与全球变化、生态系统水循环与水资源、全球变化与生物多样性为其三大优先研究领域。

核心科学问题：

①驱动力：

气候、大气成分和土地利用；

②尺度问题：

时间尺度与空间尺度。

当前研究工作的重点集中在：

1生物圈代谢与水循环过程及其耦合机制和生态系统要素间的相互作用关系与作用机制。

2区域尺度的地圈—生物圈—大气圈之间的相互作用与全球变化的关系。

3陆地生态系统对全球变化的响应与反馈作用的机制，以及关键生态学过程对环境变化的适应机制。

4全球、大陆和流域尺度复杂生态系统的动态过程、系统内部亚系统间的耦合关系以及生态与环境问题间的相互作用。

8.简述全球变化陆地样带及其选择标准、特征及其全球分布区域

定义：

由一系列沿着某种具有控制陆地生态系统结构、功能和组成，生物圈－大气圈痕量气体交换和水分循环的全球变化驱动力、温度、降水和土地利用梯度分布的生态研究站点、观测点和样地组成的，其长度应不小于1000公里以确保覆盖气候和大气模式以及决策尺度，并有足够宽度（数百公里）以涵盖遥感影像范围。

选择标准:

●具有一系列连续的样点、生态实验站和观测点

●反映全球变化驱动力

●一定的空间范畴

●为若干IGBP的核心项目提供有用资源

●已经建成或随着研究样点的选择而积极发展的研究队伍

特征：

可比性、重复性、综合性、协作性、应用性。

1　可比性：

比较研究一直就是理解生态系统过程和格局的有效研究手段

2　重复性：

沿着某一环境梯度重复生态系统水平的实验，可用于分析环境因子及其与生态系统各组分之间的相互关系。

3　综合性：

样带是分散研究站点的观测研究与一定空间区域综合分析的桥梁以及不同时空尺度模型间耦合与转换的媒介，其研究成果可反映不同时空尺度及人类活动的现实

4　协作性：

可推动在同一地点开展研究的不同学科科学家，特别是IGBP各核心项目的协作研究，提高资源的有效利用

5　应用性：

可促进从较小尺度过程的研究应用到决策和地球系统科学的其它研究者感兴趣的区域和全球研究范畴

全球分布区域包括：

潮湿热带地区（卡拉哈里样带、稀树草原样带、北澳大利亚热带样带）。

中纬度半干旱地区（阿根廷样带、中国东北样带、北美中纬度样带）

高纬度地区（西伯利亚远东样带、西西伯利亚样带、欧洲样带、北方林样带、阿拉斯加纬向样带）。

半干旱热带地区（亚马逊样带、迈澳姆宝灌丛样带、亚洲东南样带）。

寒温带至热带森林区域（中国东部南北样带）

9.试述导致未来气候预测不确定性原因及未来全球变化与陆地生态系统研究需重视的方面。

不确定性因素:

⏹对气候变化的过程、反馈机制与原因的认识还非常有限；

⏹影响气候变化的因子很多。

目前的预测因子只考虑了太阳黑子与气候变化的联系以及人类排放温室气体和硫化物气溶胶浓度增加对气候变化的可能影响，并没有考虑多种因素的相互作用、相互反馈和影响。

⏹特别是，对于下述方面的描述还不完善：

（1）温室气体的源和汇。

它们影响着对未来浓度的预测；

（2）云。

云对气候变化的幅度有很大影响；

（3）海洋。

影响气候变化的发生时间和发展；

（4）极地冰盖。

它影响对海表面上升的预测。

为减少评估与预测全球变化影响的不确定性，未来拟加强以下研究:

（1）不同尺度比较研究：

从分子、细胞、器官、个体、种群、群落、生态系统研究各尺度间的内在关系，特别是相互协调的机制。

（2）不同区域间的研究及比较：

针对全球变化所引起的不同区域间的差异性进行研究，找出各自区域内的关键因子，揭示其适应机制。

（3）不同植被生态系统类型的研究与比较：

研究草原、森林和农业生态系统等对全球变化的反应,揭示各自的响应与适应机制的异同。

（4）多因子交互作用对陆地植被的影响及其机理研究：

用综合模拟的手段模拟未来气候变化的情景，整合研究植物的响应及其适应机理。

（5）陆地植物对未来环境的反馈作用研究：

气候变化影响陆地植物，而变化了的植物亦将对环境产生反馈作用。

这方面的研究还有待进一步加强。