生态学课件第六章2

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1、2.1 陆地生态系统与全球变化一、 研究手段1. 模拟实验:(1) 建立人工生态系统: 著名的“生物圈二号”计 划. 第二节 生态系统与全球变化的相互作用生物圈二号是1991年5月建在亚利桑那州的巨型人工生态系统，耗资2亿美 元，是人类历史上规模最大的生态学实验，原本甚至计划送上火星，90年 代由于无法封闭运转告失败，后哥伦比亚大学接受准备将其改造成生态系 统实验室。2004年，由于校内利益因素，哥伦比亚大学正式退出改造计划 ，石油富商Bass失望之余决定拆除主体结构，将中心改建成住宅区，一代 传奇至此尘埃落定。举世闻名的“生物圈二号”实验在遭遇到种种意想不到的困难后被迫宣告失败 。但是，作为

2、世界上首次进行的运用生态系统原理而维持时间最长的封闭住 人实验，它给我们带来了哪些经验与教训？对于在陆地上进行大规模的生态 环境建设工程，哪些经验与教训值得我们“生物圈一号”人引起高度重视？人 类能否建造一种完全脱离地球环境的生态系统？怎样才能使生态系统持续地 为人类造福？实验的简要背景:“生态球”: 里面有陆 地海洋淡水空气植 物节肢动物蜗牛浮游 动物与植物微生物. 这些生命及其所在的环境是与外 界完全隔绝的,其中的绿色植物利 用空气中的CO2和水分在太阳光下 进行光合作用, 动物食植物或其 碎屑,微生物及浮游动物将死亡的 动植物或排泄物分解后生成CO2和 矿物质开始新的循环.l“生物圈二号

3、”封闭住人实验令全世界震 惊:l“生物圈二号”在社会上招募“生物圈人”的消息刚一公 布，就有来自美、英、德、法等国的科学家前来应试；l进入“生物圈二号”之前，在一个模拟的小圈内单独实验 忍耐力；l经过严格筛选，由4男4女组成的科学家队伍形成了，包括 ：海洋学家、植物学家、气象学家、机械工程专家以及医学 专家等。l第一阶段的实验持续了2年，第二阶段换人后进行了半年 就被迫停止了。“生物圈二号”真的这样不堪一击了吗？事实上，对于 我们人类而言， “生物圈二号”所谓失败的教训正是我们值 得珍重的财富，而它的失败也正是对地球人类最好的警示。科学界和舆论界的批评：（1）作为一个生态系统 ，它与外界真正的

4、生态系统不能相比；（2）封闭不完全 ；（3）缺少重复，数据的科学性无法确定。“生物圈二号”的教训（1）元素化学循环平衡失调：O2、CO2、N2O （2）物种关系失调：所搬进的主要是植被 ，并未把相应的动物、真菌、微生物等群落 也按比例搬来。 （3）水循环失调： （4）食物短缺：“生物圈二号”的宝贵经验科学界达成的共识：即使用最好的生态学知识，用最新 的现代高新技术知识，用充足的资金做后盾，营造完全 封闭的像地球那样完美的人工生态系统仍是十分困难的 ，甚至是不可能的。 （1） “生物圈二号”设计的原理是正确的； （2） “生物圈二号”实验为以后太空探险提供了宝贵 的资料； （3）人类能够通过高科

5、技手段在任意恶劣的环境下创造 出适于生命生存的空间； （4） “生物圈二号”可作为地球的一个缩影。地球面 临的环境污染问题、全球变化问题，其后果可在“生物 圈二号”的实验中看到或体验到。l 哥伦比亚大学将“生物圈二号”变 成“研究不同类型的生物尤其是植物对全 球气候变化响应的独特场所”：主要利用 内部升高和可控CO2浓度的特点，研究若干 植物生理生态特性的变化，以及进行“生 物圈”内碳、氮、水循环研究。l给“生物圈一号”敲起警钟：l哥伦比亚大学“生物圈二号”教育与研究中心将公民的环 境意识教育与宣传放在重要位置。今天“生物圈二号” 存在的真正价值所在。l（1）营造一个类似于“生物圈一号”那样完

6、美的人造生 态系统是极其困难的；l（2）地球上即使最恶劣的环境也比完全脱离地球环境的 人工生态环境要更容易适应生物的生存；l（3）地球是唯一能够支持生命的地方；动植物与其生存 环境相依为命；l（4）任何大规模的生态环境工程与人类改变自然的活动 都要慎重。(2) 野外模拟实验:美国北卡罗来纳州吐克森林生态系统进行的FACE实验.吐克森林的FACE实验开始于1994年。样地选在11年龄 的次生松林(Pinus faedal)内。实验开始时树木高度已超 过10m,叶面积指数为3左右.实验样地上共有8个直径为30m 的CO2释放装置,其中4个只喷正常的空气作为对照;另外4个 不停地喷出CO2加浓的空气

7、使森林树冠层内的CO2浓度比对 照组高出200ppm.这个项目的主要目的是研究温带森林生态 系统的功能和结构对大气CO2增浓的反应.初步结果表明: 这种技术可以有效地控制处理组和对照组之间的CO2浓度差 异,又没有明显改变生态系统的其它环境条件;第一年的结 果也表明在大树上观察的结果和以往在小树苗上的研究结 果有很大的差异。封闭式生长室观察小树苗的生长和生理 过程对CO2浓度加倍的反应; 与FACE实验 结果存在很大的差异, 原因? 以往研究CO2增加对森林生态系统的影响都采用密闭式的生 长室观测小树苗的生长和生理过程对CO2浓度加倍的反应。1. 在小树苗上的观测结果并不能适用于推测大树和整个

8、森 林生态系统对CO2的反应;因为大树和小树苗有不同的生 理和形态特征,因而它们对环境的反应也不尽相同;2. 生态系统中复杂的相互作用也不能在生长室里的小树苗 丛中表现出来;3. 生长室处理不仅会提高温度, 还会限制植物的生长;4. FACE是一种最为先进的CO2增浓实验技术,它可以在不影 响其它环境条件或不限制植物正常生长的情况下研究CO2 增浓对陆地生态系统的影响.这一技术已经成功地应用 在作物生态系统、草地生态系统以及荒漠生态系统。2.定位观测与台站网络是获得全球变化与陆地生态系统相互作用数据的 重要手段.（1）美国从1976年开始酝酿LTER计划; 20世纪 80年代陆续启动17项LT

9、ER计划;涉及到美国各类陆 地生态系统和河口、湿地、农业生态系统。它的 启动基于这样一种认识:如果某一现象的动态是长 期的、偶发的、稀少的、复杂的和细微的，需要 长期的记录才能达到预报的目的。这一浪潮后来 波及了许多国家，除美国外，还有英国、法国、 澳大利亚和加拿大等国参加。国际上开展了多个 研究计划，涉及不同的生态类型。（2）除了美国的长期生态学研究计划（LTER） 以外，德国的陆地生态系统研究网络（TERN） 和英国的环境变化监测网络（ECN）均比较有名 .（3）中国生态系统研究网络自20世纪80年代开 始筹建,目前有29个生态观测站,覆盖了全国不 同的自然和人工生态系统类型.定位观测的趋

10、势是形成区域和全球定位观测站数 据的网络化共享。定位观测所获取的数据是建立模型 的基础。观测的内容涉及陆地生态系统内的环境条件 、生产者、消费者、分解者的组成及其动态变化等各 个方面。1992年，由萨赫勒和撒哈拉观测计划（OSS）， IGBP的全球变化与陆地生态系统（GCTE）核心项目 以及人与生物圈计划（MAB），就有关全球陆地观测 系统（GTOS）达成协议，其目的采用统一的观测手 段和观测项目对全球陆地生态系统进行监测，以便阐 明全球陆地生态系统结构和功能的变化并验证生态系 统模型。随着网络技术的发展，数据共享的硬件条件 也日趋成熟。3.样带研究:全球变化研究中非常重视样带研究. 在研究陆

11、地生态系统 对全球变化的响应及其对策以及全球变化驱动因素的梯度分 析方面, 样带研究是非常有效的途径.样带研究一般穿越在地理空间上具有连续性的环境梯度: 水分梯度、温度梯度.近年来，人为活动的梯度逐渐受到重视 。沿着一定的生态因子梯度设置样带有助于进一步探讨该因 子对生态系统过程的控制，从而达到预测未来全球变化背景 下该因子的变化引起的生态系统过程的相应变化。样带研究是对定位观测数据进行综合的有效手段 。样带要求有一定的长度和宽度，必须包括一定 的定位观测和野外实验地点，在宽度上必须满足 遥感影像幅宽的要求，同时保证在全球尺度模型 中包含若干个像元。中国境内的3条样带: (1) NECT（中国

12、东北温带森林草原样带）: 从吉林省的长 白山一直延伸到内蒙古的二连浩特，经度范围为112- 130 30E，纬度范围为42-46N，长度为1600km， 宽度为300km，是一条受降水驱动的水分梯度带。在这一 样带上有长白山生态系统研究站和锡林郭勒典型草原定位 研究站。 (2) CENT1（中国东部森林生态系统样带），由大兴安岭 北端经小兴安岭到长白山，再经华北平原、江淮平原、江 南丘陵越南岭而到海南岛，其经度范围为E10930-128 之间，纬度范围为N1844-53之间）；(3) CENT2（北温带森林-草原-荒漠生态系统样带，N40 ）。重要的IGBP陆地样带：a. 湿润热带:亚马逊河流

13、域（LBA）；中部非洲；东南亚。半干旱热带:热带稀树草地长期计划（SALT）：西非；卡拉哈里：南部非 洲；澳大利亚北部热带样带（NATT）中纬度:大平原：美国；阿根廷；中国东北样带（NECT）高纬度:阿拉斯加；北方森林样带（BFTCS）：加拿大；西 伯利亚中部；西伯利亚远东部分；斯堪的纳维亚-北欧（ SCANTRAN）4.模型模拟.林窗模型:是一种“多物种”和“多龄级”的随机样地模 拟器，用于模拟森林内部控制树木定居、生长、替换和死 亡的过程。模型通常建立在非常小的尺度上（1/12hm2）。 一些研究者对其进行了发展，把它用于大陆和区域尺度上 。林窗模型在预测未来陆地自然生态系统响应中的作用主

14、要 表现在以下方面:（1）模拟全球变化对森林种类组成的影 响；（2）模拟全球变化对森林第一性生产力的影响；（3 ）模拟全球变化对森林生物量的影响；（4）找出影响森林 对气候变化响应的重要因素；（5）通过多点模拟间接地推 断植被边界的变化。经验模型:又称“转换函数模型”，它基于植被-气候之 间的统计关系，这种统计关系包括:直接统计关系和间接统 计关系。在这种统计关系的基础上，对未来生态系统的响应 进行预测.经验模型通常建立在生物群区的尺度上，对生物 群区的推移进行预测。传统的经验模型通常建立在3个假设 的基础之上：（1）植被和物种在现在和将来都与气候处于 平衡状态；（2）气候变化以后，植被和气候

15、的关系不会发 生改变；（3）被选择的气候变量被认为对植被起着至关重 要的作用，其它的次要相互关系没有考虑进去。Box（1981 ）开发了全球尺度陆地植被定量模型，他将全球植被划分成 41个生活型，选择了8个可预测的气候变量（最热月均温、 最冷月均温、年均温、年降水量、年湿度指数、最高月平均 降水量、最低月平均降水量和最热月平均降水量）。过渡性模型: 是在传统的林窗模型的基础上，以植物 功能类型取代林窗模型中的具体物种，这样克服了林窗模 型地域性强、空间尺度小的特点，同时克服了经验模型在 机理分析方面的不足。它适合的时间尺度是几十年到几百 年，能满足区域尺度预测的需要。动态全球植被模型:可以比较合理地预测出陆地植被 在未来十年甚至百年时间尺度上的可能变化，因为该模型 考虑到各种全球变化和干扰对陆地生态系统产生的不同影 响以及这些影响在时间上的差异，及时滞效应。该模型还 能比较准确地预测植物物候变化，特别是叶面积指数的动 态。另外该模型还考虑到土地利用改变的未来趋势以及它 们对植被覆盖的影响。