第五章生態系統對全球變化的響應學習的目的與任務弄清全球變化背景下MODS的特征與規律；了解SPAC的理論與意義；弄清流域生態系統對全球變化的響應機制與特征；了解塔里木河流域生態系統的反饋機制；弄清生物資源的概念及分類；了解生物多樣性與資源利用的關系；初步了解不同生態系統生物多樣性的結構與組成；了解生物多樣性現狀及生物資源保護的意義。一、水—氣耦合研究的借鑒與啟示水—氣耦臺強調的是水文要素與大氣要素之間復雜的聯系，從系統論的角度而言，宏觀上更側重于海洋系統與大氣系統之間的聯系，在微觀上即使在陸地系統內部亦存在諸多水一氣耦臺的實例，土壤孔隙及土壤水分組成的微系統正是這種關系的反映。

第一節全球變化背景下MODS的特征與規律

氣候作為人類生存環境和重要的生產資源，其中光、溫、水、氣等氣象要素是物種進化，種群演替、景觀與植被形成和遷移等生態系統變化的重要驅動力生態系統與氣候系統通過地面與大氣之間能量平衡、水汽交換和生物地球化學循環相互作用、相互影響．二、SPAC研究的作用與意義SPAC（Soil-Plant-AtmosphereContinum）即土壤－植物－大氣連續體水分經由土壤到達植物根系，被根系吸收，通過細胞傳輸，進入植物莖，由植物木質部分到達葉片，再由葉片氣孔擴散到靜空氣層，最后參與大氣的湍流變換，形成一個統一的、動態的、互相反饋的連續系統，即SAPC系統。SPAC系統1.SPAC系統的提出及原理分析水分是生態系統中最為活躍的因子，水分持續不斷地循環和運動，維系著生命體的生存和發展。SPAC是有幾個系統組成的不同制度上的耦合系統，系統耦合過程中存在著一系列的系統界面，植物與大氣、土壤與大氣、土壤與根系、潛水層與土壤層等之間的多個界面，水分在SPAC中運行時往往通過系統的界面來實現其過程。2.影響植物根系吸水土壤水分的主要因素2.1土壤因素的影響土壤對植物根系吸水的影響主要包括不同土壤水力特性對于水分在土壤、土壤-根系間傳輸的影響，以及不同的土壤物理特性對于植物根系生長發育的影響2.2植物因素的影響在SPAC系統的水流運移中，植物是聯系土壤中優先的水源和周圍大氣內具有無限容量的水分的主要環節2.3氣象因子的影響不斷變化的氣候條件，決定著植物對水分的需求，并由此而調節了SPAC系統內部的水勢梯度三、SPAC理論與實踐研究根系吸水微觀模型又稱單根徑向流模型，研究流向和進入典型單根的徑流量，假定此單根可以看成無限長、半徑均勻、具有均勻吸水特性的圓柱體，作為整體的根系用一系列這樣的單根來描述根系吸水宏觀模型又叫根系模型，它把整個植物根系看成是每一深度的土層中均勻分布而整個根區的根密度隨深度而變化的擴散吸水器，整個根系統以速率S從不同深度的土壤中吸收水分。1.植物根系吸水模型經驗模型以假定植物根系分布均勻，土壤水勢均一為基礎，物理學與生物學意義正確，但是參數南移測定，不便于實際應用理論模型以電流的產生與電壓差成正比的相似原理為基礎，利用根系吸水速率與土壤和根系水勢的差的關系進行建模半經驗半理論模型則較好地考慮植物生長對水分吸收的影響，以及植物根系阻力與水流推動力和水流速度的關系。2.水熱交換與蒸散特征土壤-植物-大氣中的水熱傳輸（SVAT）是一個相互關聯、相互作用的整體。水分循環和熱量輸運是在土壤、植被、大氣統一體內的兩個基本交換過程將SPAC分為三個層次，即土壤層、植被層和位于一定參考高度的大氣層，水分和熱量在SPAC中的傳輸就可以分為以下幾個過程：土壤中的水熱遷徙（遵循土壤水動力學的原理）；土壤表面和植物冠層大氣間的水熱交換（即地表蒸發和濕熱交換）；植物冠層中的水熱遷移（葉面向植物冠層大氣的蒸騰和顯熱交換）；冠層大氣和參考高度大氣層之間的水熱交換。3.SPAC系統的研究展望SPAC系統的研究已達30余年，但依然是方興未艾SPAC系統的復雜性不僅在于自身，而且在于由點到面的尺度擴展四、MODS特征及規律1.1MODS的一般特征土地利用與覆蓋變化的狀況直接反映了區域性的響應特征，LUCC的過程及特征，與景觀格局密切關聯，指示區域性的環境變化特征。1.LUCC及其對全球變化的響應LUCC直接引起了植被外貌的變化，人類活動也自然成為影響干旱區MODS耦合類型的重要因素。區域氣候類型、土壤狀況、下墊面性狀以及自然與人為因素的組合，都對MODS關系具有重要影響。①水熱狀況在中國西部干旱區，特別是以天山、昆侖山、阿勒泰山和祁連山等為依托的地貌構架，直接影響著干旱區的水熱狀況。②景觀帶譜在干旱的背景下，氣候條件和地貌格局的特異性，形成了干旱區植被與土壤的地帶性分布規律，分布規律在MODS的山地系統中表現得尤為突出，構成了山地豐富多彩的垂直景觀帶譜③氣候效應干旱區的氣候因子的差異必然導致植被類型和水文特征等的差異，了解區域氣候的特征和變化規律，總體上可以把握MODS耦合特征在中亞干旱區，氣候效應與植被覆蓋變化有直接聯系，下墊面生物和環境物理屬性差異，在一定程度上也將影響局地或區域性氣候，建立氣候系統和生物系統之間的相互依存和相互作用過程的模式，可以更直接地了解區域NPP的變化以及生態系統的耦合關系1.2MODS的變化規律①MODS耦合關系的一般特征在地球特定的區域上，由基本要素所蘊涵的地質、地貌、氣候、水文、土壤、植被以及人為活動狀況，是區分和判定耦合關系及其類型的重要因素。表1MODS中各系統的特征和耦合關系在MODS的耦合關系中，各系統之間有著十分密切的關系。一般而言，地貌類型與氣候特征決定耦合類型的基礎和框架，水文特征決定耦合類型的空間格局，植被類型反映耦合類型的外貌，土壤狀況影響耦合類型的功能，人為活動制約耦合類型的演變過程。②MODS的界面過程在MODS中，系統之間存在著多種界面。以土壤與大氣介質為代表的相互作用界面更具有特色。土壤是一種具有復雜孔隙系統的自然體，其中的孔隙為水和空氣所充滿，土一氣界面具有重要的生態學意義。土一氣界面上的水分通量向上傳遞表現為土壤水分的蒸發，向下則表現為水分的入滲。土氣界面具有相對簡單和物理屬性相對穩定的特征，③若干規律及特征全球變化對于旱區資源環境的分布格局與時空變化造成了一定程度的影響，制約了LUCC的趨勢與過程，并通過水熱狀況、景觀帶譜、氣候效應、土地利用與人為活動表現出來；而上述特征又與MODS具有密切的耦合關系中亞干旱區氣候具有暖濕化的特征，與我國北方地區氣候干旱化的趨勢具有一定的差異性，這種響應機制制約了MODS的特征與規律系統的界面特征與界面過程，特別是水資源的形成、轉化與消耗規律直接反映了干旱區MODS對全球變化的響應過程MODS的空間格局、動態變化、時空特點以及尺度轉換與耦合模式問題，反映了系統之間及其內部的生態學機制。2.MODS耦合關系研究的新進展MODS耦合關系是研究干旱、半干旱地區山盆體系一系列特征及其過程的重要橋梁2.1山盆體系生態流的特征一個景觀過程往往伴隨著許多種流的發生，各種流的特征、過程與變化規律就構成了生態流的內涵在MODS中，土壤、水分、大氣中的物質轉化、能量傳輸過程中伴隨著信息的傳遞，山地、綠洲及荒漠系統中的信息傳遞過程有著十分復雜的機理。2.2干旱區綠洲空間結構特征綠洲是人類在干旱區從事各種生產經營活動的中心在綠洲系統中，人類就是利用自然界資源與環境的潛能，盡可能最大限度地轉化為人類生存與發展的物質、能量及信息；同時，在社會經濟活動的過程中，通過系統的反饋機制，維護系統的協調穩定性荒漠生態系統是一種相對脆弱的生態系統，它也是一種開放的、處于非平衡態的非線性系統。正是在不斷交換能流、物流及信息流的過程中，輸入了負熵流，才維持了系統的有序性。2.3荒漠生態系統的信息特征2.4水域生態系統的水鹽耦合關系規律2.5MODS耦合關系的界面過程及其特征山地一綠洲系統界面的特征，綠洲一荒漠過渡帶的生態過程以及MODS綜合體的界面過程，都離不開水分、土壤、空氣等介質，而水是干旱區自然環境綜合體中最活躍的因素，是自然界物質循環和能量轉化以及信息傳遞的主要媒介。3.MODS研究的理論創新性3.1首次提出山地一綠洲一荒漠系統(MODS)耦合概念及其理論與方法，拓展了地理信息科學、景觀生態學等學科的研究領域3.2以水資源的形成、轉化、消耗為主線，探索MODS界面過程與動力學機制，提出西部干旱區生態環境演變的基本過程3.3從耗散結構理論系統熵的變化以及生態脆弱性的角度分析綠洲穩定性機制4.MODS研究現實意義與研究展望4.1MODS耦合關系研究，強調了生態系統“三流”與界面過程，相關原理與規律，直接指導生態建設的宏觀布局與人為調控4.2水鹽平衡節點研究，直接指導綠洲可持續發展的客觀實踐4.3應用生態學的反饋機制，探討一定土地利用與覆蓋條件下的MODS調控模式，成為耦合關系研究的落腳點4.4關于MODS耦合關系的理論與方法，特別是要素之間，子系統之間的關系模擬與定量分析需要進一步研究與深化。第二節流域生態系統的特征流域生態學或者河流生態學的發展，為人們探討流域生態系統的結構、功能與動態變化以及對全球變化的響應提供了重要的理論依據與方法論的指導一、流域生態系統的意義與作用生態系統管理作為生態學、環境學和資源科學的復合領域以及自然科學、人文科學和技術科學的交叉學科已經成為當代科學發展的熱點。二、流域生態系統對全球變化的響應瑪納斯河流域是準噶爾盆地的重要內陸河，在干旱區具有重要的典型性。流域孕育的瑪納斯綠洲受人類活動影響較大，為新疆典型人工綠洲之一瑪納斯河流域生態系統變化具有一系列的特征，而綠洲演變過程主要有天然綠洲一人工綠洲，荒漠一人工綠洲，人工綠洲一荒漠，天然綠洲一荒漠等不同模式。1.瑪納斯河流域生態系統的演變伊犁河流域(國內部分)位于歐亞大陸腹地中心，屬中溫帶大陸性氣候伊犁河是亞洲中部的一條內陸河，又是中國和哈薩克斯坦的國際河流。2.伊犁河流域生態系統的特征在全球變化的背景下，伊犁河流域有較大的生態容量，但總體上還是屬于生態脆弱的地區水土流失和農業污染(化肥淋溶、農藥殘留)、部分低坡土地鹽漬化問題突出。圖1伊犁河流域示意圖三、塔里木河流域生態系統反饋機制1.生態系統反饋機制的原理和特點生態系統的反饋作用過程，是生態系統的固有屬性。自1972年，塔里木河下游大西海子斷流以來，生態環境發生了劣變。塔里木河流域的生態環境問題，是人類不合理地開發和利用水土資源，導致相關生態因子的耦合關系改變，生態系統結構紊亂、功能失調、穩定性失衡或降低的復雜過程。在生物生長過程中，個體越來越大；在種群增長的過程中，種群數量不斷上升，這屬于正反饋。正反饋雖然是有機體生長、發育所必需的，但它不能維持系統的穩定狀態負反饋主要是指生態系統受到外界影響或干擾后，生態系統通過一系列的自動調節功能，來減輕這種干擾或影響的程度，并力圖恢復到平衡或穩定狀態的過程。圖2人類活動影響下的生態系統反饋概念模式生態系統反饋機制的建立是與熵的原理分不開的。流域生態系統作為一個開放的系統，只要能夠從外部環境得到足夠的負熵流以抵消內部的熵增，生態系統將形成耗散結構系統，并朝著進化的方向發展。塔里木河下游大西海子自20世紀70年代初斷流以來，生態環境發生了劣變，河道干涸、植被退化、風沙頻繁、生物多樣性減少、土壤有機質和養分喪失，地下水位也發生了明顯的下降趨勢表2塔里木河下游斷面地下水埋深變化(輸水工程前)2.生態輸水工程對植被格局的影響水文狀況影響生態系統的時空特征，制約復雜系統中要素之間的耦合關系以及反饋機制缺水是干旱區植被恢復的主要制約因素，缺水限制自然植被的繁榮，缺水影響生態的重建方式。表3塔里木河下游輸水過程中植被覆被狀況3.生態輸水工程對生態環境的效應地下水位回升恢復河道通水加寬河流植被恢復在離河300m范圍，地下水埋深<5m區域，兩岸荒漠植被的種類有了明顯的增加，且胡楊、檉柳等喬灌木植被重新恢復了開花結實的生殖能力，并存在沿河橫向范圍的開花時間梯度，表明植被生態系統已重新趨于活躍。胡楊與怪柳4.生態輸水的景觀格局變化分析采用2000年Landsat/TM影像和2005年CBERS一2/CCD影像，塔里木河下游1：100000地形圖及其矢量化數據，研究區統計資料及野外考察資料和實地景觀照片4.1數據來源與方法遙感圖像處理軟件ERDAS及ARC/INFO軟件七種景觀類型分別為：耕地景觀，主要是旱地農田；林地景觀，包括河岸林、灌木林、疏林地及各類園地；草地景觀，包括覆蓋度大于5％的各類天然草地、改良草地和割草地；水域景觀，包括河渠、湖泊、水庫、坑塘、沼澤、灘地等；建筑用地景觀，指城鄉居民點及其以外的工礦企業用地、共用設施用地及交通用地等；沙地景觀，指地表以沙為主，植被覆蓋度小于5％的土地；戈壁、裸土、裸巖石礫景觀，主要包括戈壁、鹽堿地、裸土地、裸巖石礫地等，研究范圍共計4095.66km2。4.2計算結果與分析①景觀類型面積變化分析圖3塔里木河下游2000－2005年景觀類型面積變化表4塔里木河下游2000-2005年景觀類型面積變化②景觀指數變化分析表5塔里木河下游2000-2005年景觀格局指數變化通過理論研究和實踐探索，分析生態系統的反饋機制，特別是負反饋機制，尋找系統正常運轉的狀態或結點，揭示生態系統生態安全的閾值范圍或適宜界限，對于探索生態可持續的理論與模式，建立生態恢復與重建的實驗示范，遵循生態規律和生態倫理，協調人與自然的關系，實現資源、環境、生態、社會、經濟的協調發展，是使不同類型的生態系統成為能持久地為人類造福的系統，具有重大的科學價值。5.生態系統反饋的作用和意義第三節綠洲生態系統的特征一、綠洲生態系統研究的進展綠洲與荒漠相互卻別又相互聯系，即綠洲寓于荒漠、異于荒漠，兩者又依一定條件互向其對立面轉化。綠洲是干旱環境下一定時段內，生物過程頻繁、生產量高于周圍環境的鑲嵌系統綠洲是在干旱氣候條件下形成的、在荒漠背景基質上以天然徑流為依托，并具有較高NPP，以中生或旱生植物為主要植被類型的中小尺度景觀綠洲是存在于干旱區、以植被為主題的、具有明顯高于其環境的NNP的，以來外源性水源存在的生態系統綠洲是存在于干旱區的特殊生態系統；綠洲的主體景觀是繁茂的植被，它們形成了與周圍環境成鮮明對比隱喻性植被群落，綠洲具有明顯高于其環境的第一性生產力水是綠洲形成和維持的根本要素。綠洲的植被依賴于來自山區的地表和地下水生長，以此界定干旱區綠洲與非綠洲的界限?，F代綠洲是干旱區人類生存最重要的的基地，密集的人類活動是現代綠洲的特征，因此從地理學的觀點出發，綠洲是干旱區特殊的地理景觀，同時也是干旱區最重要的人地關系地域系統。綠洲是干旱區人類賴以生存的基礎，也是干旱區經濟發展的承載體，是干旱區的核心，綠洲的可持續發展與干旱區的可持續發展在相當大的程度上具有相同的含義。干旱區的農業更多地體現出綠洲農業的特色，二、綠洲生態系統的一般特征1.綠洲生態系統的特征與規律①綠洲相對孤立，自然與人為環境封閉，不利于對外交流與聯系②綠洲以來地表徑流存在，依靠開發水資源而擴大，且有圈層結構特征，綠洲科分成內核和外圈兩部分③各綠洲具有相似的自然條件和資源，導致了綠洲經濟結構的一定水平的趨同性④現代綠洲最活躍的因素是人，人類活動決定著綠洲的演化方向2.綠洲穩定性的特征及規律2.1綠洲景觀穩定性景觀尺度的穩定性包括了恒定性、持久性、慣性、恢復性、抗性、變異性、變幅等概念的內涵。一個遠離平衡的開放系統，在外界條件變化達到某一特定閾值時，量變可能引起質變，系統通過不斷地與外界交換能量與物質，就可能從原來的無序狀態轉變為一種時間、空間或功能的有序狀態，這種非平衡狀態下的新的有序結構，就是耗散結構。2.2綠洲系統穩定性在綠洲生態系統的耗散結構中，也就是在系統與外界交換物質、能量與信息的開放系統中，熵的變化遠遠小于零，也就是遠離平衡態，系統不斷地從環境中獲取能量與物質，給系統帶來了負熵，使整個系統有序性的增加大于無序性的增加，新的結構及組織就能自發地形成。2.3綠洲穩定性的特征①綠洲穩定性與LUCC密切相關②綠洲穩定性有其復雜的過程③綠洲穩定性是相對的概念④綠洲穩定性是動態變化的狀態三、綠洲土地利用與覆蓋變化及綠洲穩定性分析1.LUCC與綠洲穩定性研究的一般情況LUCC引起綠洲景觀格局的變化及其過程，LUCC和景觀功能的關系，綠洲LUCC的人為和自然因素，LUCC和景觀格局的時空變異規律，2.綠洲土地利用狀況與穩定性分析2.1典型綠洲土地利用與土地覆蓋變化以MODS中且末綠洲為例，利用遙感制圖的方法，對且末綠洲1989年與1999年土地利用類型分析表明，20世紀90年代且末綠洲處于經濟快速發展的新時期，土地利用與土地覆蓋變化受政策與形勢變化的影響，圖51989年且末綠洲的土地利用類型圖61999年且末綠洲的土地利用類型2.2綠洲生態系統服務價值評價對且末綠洲生態服務價值的評估采用以下途徑進行：首先對單位面積上每一類生態系統的某種生態服務功能進行評價，估計該生態系統單位面積上所有生態功能的總服務價值，以此為單價計算某一生態系統的總生態系統服務價值，用以下公式表達：式中：V為研究區生態系統服務總價值，Pi為單位面積上土地利用類型i的生態系統服務總價值，Ai為研究區內土地利用類型i的分布面積。表6中國不同陸地生態系統單位面積生態服務價值表(元/a.hm2)2.3綠洲生態系統服務價值變化表71989和2004年且末綠洲生態系統服務價值估算3.維護綠洲穩定性的策略綠洲生態系統自身具有一定的自我調節和自我緩沖能力，處于臨界狀態或者生態臨界的生態系統都具有一定的生態閾限；即只要對綠洲系統的擾動超越了其上限或者下限，綠洲生態系統就會失去自我調控能力，逐漸發生生態系統的退化與劣變，甚至崩潰或消亡。3.1探索綠洲穩定性閾值3.2進行綠洲生態規劃3.3建設綠洲生態工程第四節農田生態系統的特征一、農田生態系統組成及其特點農田生態系統作為人為影響巨大的生態系統之一，全球氣候變化勢必對其造成巨大的影響農田生態系統是農業生態系統中的一個主要亞系統，也是陸地生態系統的一個重要組成部分農田生態系統受人類活動影響極大農田生態系統中的生物群落結構較簡單，優勢群落往往只有一種或數種作物，伴生生物為雜草、昆蟲、土壤微生物、鼠、鳥及少量其他小動物，大部分經濟產品隨收獲而輸出系統，留給殘渣食物鏈的較少，養分循環主要靠系統外投入而保持平衡。農田生態系統的穩定有賴于人為活動，如果不加強控制和管理，不斷播種、施肥、灌溉、除草、治蟲，農田生態系統將會很快退化，占優勢地位的作物會被雜草和其他植物所取代。二、氣候變化對農田生態系統的影響氣候因子一般通過兩個方面影響作物的產量：一方面，氣候因子直接作用于農田生態系統作物，改變其營養生長和生殖生長；另外，異常的氣候事件能降低植物對各種自然災害和病蟲害的抵抗力。1.氣候變化對作物產量的影響大氣中CO2的升高會影響農田生態系統凋落物的分解速度2.氣候變化對微生物的影響3.氣候變化對初級生產力的影響在CO2濃度增加的情況下，陸地生態系統的初級生產力有所提高4、全球變化與土壤退化逆境土壤通常是指存在著對植物生長有各種限制因素的土壤，即那些受干旱、鹽堿、洪澇、污染、養分缺乏等因素脅迫，影響植物正常生長的土壤逆境土壤的形成是各種自然因素和人為因素綜合作用的結果，而且不同類型的逆境土壤形成的機制不同紅壤侵蝕景觀中國土壤退化現狀圖水土流失對土壤的影響輕度中度重度正常氟斑牙氟骨病焚燒廢棄物對環境的污染1.未來氣候變暖對全球農業的影響

一些地區具有更加適宜作物生長的氣候，而另一些地區對作物則有不良影響。如果不考慮其它因素，一般來說CO2的增加可提高作物產量

世界農產品生成的區域分布將發生變化，但全球的糧食供應將可能保持平衡僅通過高緯度地區潛在性糧食生產地區的增加，不足以補償目前中緯度高產地區的減產土壤干旱，將對高產地區的農業生產產生重大影響

可能出現紫外線增加和病蟲害加劇臺風頻度增加，也會造成很大損害三、全球變化對農業生產的影響2.氣候變暖對中國農業的影響位于北半球中緯度地區中國的氣候復雜多變、自然災害頻繁。隨著人口的急劇增長及工業化和城市化的發展，農業正面臨著全球變化額可能威脅2.1全球氣候變化背景下中國變化趨勢(1)溫度和降水格局的重大變化與華北暖干趨勢中國氣候變暖尤以冬季和北方明顯，華北地區與黃河中下游的降水可能進一步減少，而東北和西北的降水量可能增加華北平原農業用水越來越不足將是農業發展的主要障礙因素(2)影響氣候帶和農業氣候界限的北移寒溫帶大部分變為中溫帶；中溫帶大部分變為暖溫帶；暖溫帶有一半變為北亞熱帶；北亞熱帶全部變為中亞熱帶；中亞熱帶小部分變為南亞熱帶；南亞熱帶全部變為邊沿熱帶；邊沿熱帶一部分變為中亞熱帶如果暖溫帶有一半變為亞熱帶，則北亞熱帶的北界將可能沿秦嶺淮河一線被推至黃河沿線，黃河沿線成為北亞熱帶農業氣候區與暖溫帶農業氣候線；暖溫帶農業氣候區與溫帶農業氣候區界線北推至東北中部和內蒙古一帶華北平原的大部分將變為北亞熱帶，原暖溫帶北部即從黃河流域到長城沿線溫度條件也必將改善，成為北亞熱帶與暖溫帶之交錯帶，對喜溫作物生長有利(3)氣候變化的農業效應敏感區綜合考慮自然因素與人文因素，即充分考慮人文因素的不利影響對氣候變化的疊加效應，形成氣候變化對農業影響最顯著的地