生態(tài)學(xué)課件第六章

生態(tài)學(xué)課件第六章第一頁，共二十四頁，2022年，8月28日生物圈二號是1991年5月建在亞利桑那州的巨型人工生態(tài)系統(tǒng)，耗資2億美元，是人類歷史上規(guī)模最大的生態(tài)學(xué)實驗，原本甚至計劃送上火星，90年代由于無法封閉運轉(zhuǎn)告失敗，后哥倫比亞大學(xué)接受準備將其改造成生態(tài)系統(tǒng)實驗室。2004年，由于校內(nèi)利益因素，哥倫比亞大學(xué)正式退出改造計劃，石油富商Bass失望之余決定拆除主體結(jié)構(gòu)，將中心改建成住宅區(qū)，一代傳奇至此塵埃落定。第二頁，共二十四頁，2022年，8月28日舉世聞名的“生物圈二號”實驗在遭遇到種種意想不到的困難后被迫宣告失敗。但是，作為世界上首次進行的運用生態(tài)系統(tǒng)原理而維持時間最長的封閉住人實驗，它給我們帶來了哪些經(jīng)驗與教訓(xùn)？對于在陸地上進行大規(guī)模的生態(tài)環(huán)境建設(shè)工程，哪些經(jīng)驗與教訓(xùn)值得我們“生物圈一號”人引起高度重視？人類能否建造一種完全脫離地球環(huán)境的生態(tài)系統(tǒng)？怎樣才能使生態(tài)系統(tǒng)持續(xù)地為人類造福？實驗的簡要背景:“生態(tài)球”:里面有陸地\海洋\淡水\空氣\植物\節(jié)肢動物\蝸牛\浮游動物與植物\微生物.這些生命及其所在的環(huán)境是與外界完全隔絕的,其中的綠色植物利用空氣中的CO2和水分在太陽光下進行光合作用,動物食植物或其碎屑,微生物及浮游動物將死亡的動植物或排泄物分解后生成CO2和礦物質(zhì)開始新的循環(huán).第三頁，共二十四頁，2022年，8月28日“生物圈二號”封閉住人實驗令全世界震驚:“生物圈二號”在社會上招募“生物圈人”的消息剛一公布，就有來自美、英、德、法等國的科學(xué)家前來應(yīng)試；進入“生物圈二號”之前，在一個模擬的小圈內(nèi)單獨實驗忍耐力；經(jīng)過嚴格篩選，由4男4女組成的科學(xué)家隊伍形成了，包括：海洋學(xué)家、植物學(xué)家、氣象學(xué)家、機械工程專家以及醫(yī)學(xué)專家等。第一階段的實驗持續(xù)了2年，第二階段換人后進行了半年就被迫停止了。第四頁，共二十四頁，2022年，8月28日“生物圈二號”真的這樣不堪一擊了嗎？事實上，對于我們?nèi)祟惗?，“生物圈二號”所謂失敗的教訓(xùn)正是我們值得珍重的財富，而它的失敗也正是對地球人類最好的警示?？茖W(xué)界和輿論界的批評：（1）作為一個生態(tài)系統(tǒng)，它與外界真正的生態(tài)系統(tǒng)不能相比；（2）封閉不完全；（3）缺少重復(fù)，數(shù)據(jù)的科學(xué)性無法確定。第五頁，共二十四頁，2022年，8月28日“生物圈二號”的教訓(xùn)（1）元素化學(xué)循環(huán)平衡失調(diào)：O2、CO2、N2O（2）物種關(guān)系失調(diào)：所搬進的主要是植被，并未把相應(yīng)的動物、真菌、微生物等群落也按比例搬來。（3）水循環(huán)失調(diào)：（4）食物短缺：第六頁，共二十四頁，2022年，8月28日“生物圈二號”的寶貴經(jīng)驗科學(xué)界達成的共識：即使用最好的生態(tài)學(xué)知識，用最新的現(xiàn)代高新技術(shù)知識，用充足的資金做后盾，營造完全封閉的像地球那樣完美的人工生態(tài)系統(tǒng)仍是十分困難的，甚至是不可能的。（1）“生物圈二號”設(shè)計的原理是正確的；（2）“生物圈二號”實驗為以后太空探險提供了寶貴的資料；（3）人類能夠通過高科技手段在任意惡劣的環(huán)境下創(chuàng)造出適于生命生存的空間；（4）“生物圈二號”可作為地球的一個縮影。地球面臨的環(huán)境污染問題、全球變化問題，其后果可在“生物圈二號”的實驗中看到或體驗到。第七頁，共二十四頁，2022年，8月28日哥倫比亞大學(xué)將“生物圈二號”變成“研究不同類型的生物尤其是植物對全球氣候變化響應(yīng)的獨特場所”：主要利用內(nèi)部升高和可控CO2濃度的特點，研究若干植物生理生態(tài)特性的變化，以及進行“生物圈”內(nèi)碳、氮、水循環(huán)研究。第八頁，共二十四頁，2022年，8月28日給“生物圈一號”敲起警鐘：哥倫比亞大學(xué)“生物圈二號”教育與研究中心將公民的環(huán)境意識教育與宣傳放在重要位置?！裉臁吧锶Χ枴贝嬖诘恼嬲齼r值所在。（1）營造一個類似于“生物圈一號”那樣完美的人造生態(tài)系統(tǒng)是極其困難的；（2）地球上即使最惡劣的環(huán)境也比完全脫離地球環(huán)境的人工生態(tài)環(huán)境要更容易適應(yīng)生物的生存；（3）地球是唯一能夠支持生命的地方；動植物與其生存環(huán)境相依為命；（4）任何大規(guī)模的生態(tài)環(huán)境工程與人類改變自然的活動都要慎重。第九頁，共二十四頁，2022年，8月28日

(2)野外模擬實驗:美國北卡羅來納州吐克森林生態(tài)系統(tǒng)進行的FACE實驗.第十頁，共二十四頁，2022年，8月28日吐克森林的FACE實驗開始于1994年。樣地選在11年齡的次生松林(Pinusfaedal)內(nèi)。實驗開始時樹木高度已超過10m,葉面積指數(shù)為3左右.實驗樣地上共有8個直徑為30m的CO2釋放裝置,其中4個只噴正常的空氣作為對照;另外4個不停地噴出CO2加濃的空氣使森林樹冠層內(nèi)的CO2濃度比對照組高出200ppm.這個項目的主要目的是研究溫帶森林生態(tài)系統(tǒng)的功能和結(jié)構(gòu)對大氣CO2增濃的反應(yīng).初步結(jié)果表明:這種技術(shù)可以有效地控制處理組和對照組之間的CO2濃度差異,又沒有明顯改變生態(tài)系統(tǒng)的其它環(huán)境條件;第一年的結(jié)果也表明在大樹上觀察的結(jié)果和以往在小樹苗上的研究結(jié)果有很大的差異。第十一頁，共二十四頁，2022年，8月28日封閉式生長室觀察小樹苗的生長和生理過程對CO2濃度加倍的反應(yīng);與FACE實驗結(jié)果存在很大的差異,原因???以往研究CO2增加對森林生態(tài)系統(tǒng)的影響都采用密閉式的生長室觀測小樹苗的生長和生理過程對CO2濃度加倍的反應(yīng)。第十二頁，共二十四頁，2022年，8月28日在小樹苗上的觀測結(jié)果并不能適用于推測大樹和整個森林生態(tài)系統(tǒng)對CO2的反應(yīng);因為大樹和小樹苗有不同的生理和形態(tài)特征,因而它們對環(huán)境的反應(yīng)也不盡相同;生態(tài)系統(tǒng)中復(fù)雜的相互作用也不能在生長室里的小樹苗叢中表現(xiàn)出來;生長室處理不僅會提高溫度,還會限制植物的生長;FACE是一種最為先進的CO2增濃實驗技術(shù),它可以在不影響其它環(huán)境條件或不限制植物正常生長的情況下研究CO2增濃對陸地生態(tài)系統(tǒng)的影響.這一技術(shù)已經(jīng)成功地應(yīng)用在作物生態(tài)系統(tǒng)、草地生態(tài)系統(tǒng)以及荒漠生態(tài)系統(tǒng)。第十三頁，共二十四頁，2022年，8月28日2.定位觀測與臺站網(wǎng)絡(luò)是獲得全球變化與陸地生態(tài)系統(tǒng)相互作用數(shù)據(jù)的重要手段.（1）美國從1976年開始醞釀LTER計劃;20世紀80年代陸續(xù)啟動17項LTER計劃;涉及到美國各類陸地生態(tài)系統(tǒng)和河口、濕地、農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)。它的啟動基于這樣一種認識:如果某一現(xiàn)象的動態(tài)是長期的、偶發(fā)的、稀少的、復(fù)雜的和細微的，需要長期的記錄才能達到預(yù)報的目的。這一浪潮后來波及了許多國家，除美國外，還有英國、法國、澳大利亞和加拿大等國參加。國際上開展了多個研究計劃，涉及不同的生態(tài)類型。第十四頁，共二十四頁，2022年，8月28日（2）除了美國的長期生態(tài)學(xué)研究計劃（LTER）以外，德國的陸地生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡(luò)（TERN）和英國的環(huán)境變化監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)（ECN）均比較有名.（3）中國生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡(luò)自20世紀80年代開始籌建,目前有29個生態(tài)觀測站,覆蓋了全國不同的自然和人工生態(tài)系統(tǒng)類型.第十五頁，共二十四頁，2022年，8月28日第十六頁，共二十四頁，2022年，8月28日定位觀測的趨勢是形成區(qū)域和全球定位觀測站數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)化共享。定位觀測所獲取的數(shù)據(jù)是建立模型的基礎(chǔ)。觀測的內(nèi)容涉及陸地生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)的環(huán)境條件、生產(chǎn)者、消費者、分解者的組成及其動態(tài)變化等各個方面。1992年，由薩赫勒和撒哈拉觀測計劃（OSS），IGBP的全球變化與陸地生態(tài)系統(tǒng)（GCTE）核心項目以及人與生物圈計劃（MAB），就有關(guān)全球陸地觀測系統(tǒng)（GTOS）達成協(xié)議，其目的采用統(tǒng)一的觀測手段和觀測項目對全球陸地生態(tài)系統(tǒng)進行監(jiān)測，以便闡明全球陸地生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的變化并驗證生態(tài)系統(tǒng)模型。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)據(jù)共享的硬件條件也日趨成熟。第十七頁，共二十四頁，2022年，8月28日3.樣帶研究:

全球變化研究中非常重視樣帶研究.在研究陸地生態(tài)系統(tǒng)對全球變化的響應(yīng)及其對策以及全球變化驅(qū)動因素的梯度分析方面,樣帶研究是非常有效的途徑.

樣帶研究一般穿越在地理空間上具有連續(xù)性的環(huán)境梯度:水分梯度、溫度梯度.近年來，人為活動的梯度逐漸受到重視。沿著一定的生態(tài)因子梯度設(shè)置樣帶有助于進一步探討該因子對生態(tài)系統(tǒng)過程的控制，從而達到預(yù)測未來全球變化背景下該因子的變化引起的生態(tài)系統(tǒng)過程的相應(yīng)變化。第十八頁，共二十四頁，2022年，8月28日樣帶研究是對定位觀測數(shù)據(jù)進行綜合的有效手段。樣帶要求有一定的長度和寬度，必須包括一定的定位觀測和野外實驗地點，在寬度上必須滿足遙感影像幅寬的要求，同時保證在全球尺度模型中包含若干個像元。第十九頁，共二十四頁，2022年，8月28日中國境內(nèi)的3條樣帶:(1)NECT（中國東北溫帶森林草原樣帶）:從吉林省的長白山一直延伸到內(nèi)蒙古的二連浩特，經(jīng)度范圍為112°-130°30′E，緯度范圍為42°-46°N，長度為1600km，寬度為300km，是一條受降水驅(qū)動的水分梯度帶。在這一樣帶上有長白山生態(tài)系統(tǒng)研究站和錫林郭勒典型草原定位研究站。(2)CENT1（中國東部森林生態(tài)系統(tǒng)樣帶），由大興安嶺北端經(jīng)小興安嶺到長白山，再經(jīng)華北平原、江淮平原、江南丘陵越南嶺而到海南島，其經(jīng)度范圍為E109°30′-128°之間，緯度范圍為N18°44′-53°之間）；(3)CENT2（北溫帶森林-草原-荒漠生態(tài)系統(tǒng)樣帶，N40°）。第二十頁，共二十四頁，2022年，8月28日重要的IGBP陸地樣帶：濕潤熱帶:亞馬遜河流域（LBA）；中部非洲；東南亞。半干旱熱帶:熱帶稀樹草地長期計劃（SALT）：西非；卡拉哈里：南部非洲；澳大利亞北部熱帶樣帶（NATT）中緯度:大平原：美國；阿根廷；中國東北樣帶（NECT）高緯度:阿拉斯加；北方森林樣帶（BFTCS）：加拿大；西伯利亞中部；西伯利亞遠東部分；斯堪的納維亞-北歐（SCANTRAN）第二十一頁，共二十四頁，2022年，8月28日4.模型模擬.林窗模型:是一種“多物種”和“多齡級”的隨機樣地模擬器，用于模擬森林內(nèi)部控制樹木定居、生長、替換和死亡的過程。模型通常建立在非常小的尺度上（1/12hm2）。一些研究者對其進行了發(fā)展，把它用于大陸和區(qū)域尺度上。林窗模型在預(yù)測未來陸地自然生態(tài)系統(tǒng)響應(yīng)中的作用主要表現(xiàn)在以下方面:（1）模擬全球變化對森林種類組成的影響；（2）模擬全球變化對森林第一性生產(chǎn)力的影響；（3）模擬全球變化對森林生物量的影響；（4）找出影響森林對氣候變化響應(yīng)的重要因素；（5）通過多點模擬間接地推斷植被邊界的變化。第二十二頁，共二十四頁，2022年，8月28日經(jīng)驗?zāi)Ｐ?又稱“轉(zhuǎn)換函數(shù)模型”，它基于植被-氣候之間的統(tǒng)計關(guān)系，這種統(tǒng)計關(guān)系包括:直接統(tǒng)計關(guān)系和間接統(tǒng)計關(guān)系。在這種統(tǒng)計關(guān)系的基礎(chǔ)上，對未來生態(tài)系統(tǒng)的響應(yīng)進行預(yù)測.經(jīng)驗?zāi)Ｐ屯ǔ＝⒃谏锶簠^(qū)的尺度上，對生物群區(qū)的推移進行預(yù)測。傳統(tǒng)的經(jīng)驗?zāi)Ｐ屯ǔ＝⒃?個假設(shè)的基礎(chǔ)之上：（1）植被和物種在現(xiàn)在和將來都與氣候處于平衡狀態(tài)；（2）氣候變化以后，植被和氣候的關(guān)系不會發(fā)生改變；（3）被選擇的氣候變量被認為對植被起著至關(guān)重要的作用，其它的次要相互關(guān)系沒有考慮進去。Box（1981）開發(fā)了全球尺度陸地植被定量模型，他將全球植被劃分成41個生活型，選擇了8個可預(yù)測的氣候變量（最熱月均溫、最冷月均溫、年均溫、年降水量、年濕度指數(shù)、最高月平均降水量、最低月平均降水量和最熱月平均降水量）。第二十三頁，共二十四頁，2022年，8月28日過渡性模型:是在傳統(tǒng)的林窗模型的基礎(chǔ)上，以植物功能類型取代林窗模型中的具體物種，