生態(tài)學課件第六章

生態(tài)學課件第六章第一頁，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，耗資2億美元，是人類歷史上規(guī)模最大的生態(tài)學實驗，原本甚至計劃送上火星，90年代由于無法封閉運轉告失敗，后哥倫比亞大學接受準備將其改造成生態(tài)系統實驗室。2004年，由于校內利益因素，哥倫比亞大學正式退出改造計劃，石油富商Bass失望之余決定拆除主體結構，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驗與教訓？對于在陸地上進行大規(guī)模的生態(tài)環(huán)境建設工程，哪些經驗與教訓值得我們“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？怎樣才能使生態(tài)系統持續(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、法等國的科學家前來應試；進入“生物圈二號”之前，在一個模擬的小圈內單獨實驗忍耐力；經過嚴格篩選，由4男4女組成的科學家隊伍形成了，包括：海洋學家、植物學家、氣象學家、機械工程專家以及醫(yī)學專家等。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，對于我們人類而言，“生物圈二號”所謂失敗的教訓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界和輿論界的批評：（1）作為一個生態(tài)系統，它與外界真正的生態(tài)系統不能相比；（2）封閉不完全；（3）缺少重復，數據的科學性無法確定。第五頁，共二十四頁，2022年，8月28日“生物圈二號”的教訓（1）元素化學循環(huán)平衡失調：O2、CO2、N2O（2）物種關系失調：所搬進的主要是植被，并未把相應的動物、真菌、微生物等群落也按比例搬來。（3）水循環(huán)失調：（4）食物短缺：第六頁，共二十四頁，2022年，8月28日“生物圈二號”的寶貴經驗科學界達成的共識：即使用最好的生態(tài)學知識，用最新的現代高新技術知識，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)系統仍是十分困難的，甚至是不可能的。（1）“生物圈二號”設計的原理是正確的；（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的獨特場所”：主要利用內部升高和可控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“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。——今天“生物圈二號”存在的真正價值所在。（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。實驗開始時樹木高度已超過10m,葉面積指數為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)系統的功能和結構對大氣CO2增濃的反應.初步結果表明:這種技術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)系統的其它環(huán)境條件;第一年的結果也表明在大樹上觀察的結果和以往在小樹苗上的研究結果有很大的差異。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;與FACE實驗結果存在很大的差異,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。第十二頁，共二十四頁，2022年，8月28日在小樹苗上的觀測結果并不能適用于推測大樹和整個森林生態(tài)系統對CO2的反應;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)境的反應也不盡相同;生態(tài)系統中復雜的相互作用也不能在生長室里的小樹苗叢中表現出來;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,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)系統的影響.這一技術已經成功地應用在作物生態(tài)系統、草地生態(tài)系統以及荒漠生態(tài)系統。第十三頁，共二十四頁，2022年，8月28日2.定位觀測與臺站網絡是獲得全球變化與陸地生態(tài)系統相互作用數據的重要手段.（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)系統和河口、濕地、農業(yè)生態(tài)系統。它的啟動基于這樣一種認識:如果某一現象的動態(tài)是長期的、偶發(fā)的、稀少的、復雜的和細微的，需要長期的記錄才能達到預報的目的。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)學研究計劃（LTER）以外，德國的陸地生態(tài)系統研究網絡（TERN）和英國的環(huán)境變化監(jiān)測網絡（ECN）均比較有名.（3）中國生態(tài)系統研究網絡自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據的網絡化共享。定位觀測所獲取的數據是建立模型的基礎。觀測的內容涉及陸地生態(tài)系統內的環(huán)境條件、生產者、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（GCTE）核心項目以及人與生物圈計劃（MAB），就有關全球陸地觀測系統（GTOS）達成協議，其目的采用統一的觀測手段和觀測項目對全球陸地生態(tài)系統進行監(jiān)測，以便闡明全球陸地生態(tài)系統結構和功能的變化并驗證生態(tài)系統模型。隨著網絡技術的發(fā)展，數據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)系統對全球變化的響應及其對策以及全球變化驅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)因子梯度設置樣帶有助于進一步探討該因子對生態(tài)系統過程的控制，從而達到預測未來全球變化背景下該因子的變化引起的生態(tài)系統過程的相應變化。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據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蒙古的二連浩特，經度范圍為112°-130°30′E，緯度范圍為42°-46°N，長度為1600km，寬度為300km，是一條受降水驅動的水分梯度帶。在這一樣帶上有長白山生態(tài)系統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)系統樣帶），由大興安嶺北端經小興安嶺到長白山，再經華北平原、江淮平原、江南丘陵越南嶺而到海南島，其經度范圍為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。林窗模型在預測未來陸地自然生態(tài)系統響應中的作用主要表現在以下方面:（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日經驗模型:又稱“轉換函數模型”，它基于植被-氣候之間的統計關系，這種統計關系包括:直接統計關系和間接統計關系。在這種統計關系的基礎上，對未來生態(tài)系統的響應進行預測.經驗模型通常建立在生物群區(qū)的尺度上，對生物群區(qū)的推移進行預測。傳統的經驗模型通常建立在3個假設的基礎之上：（1）植被和物種在現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重要的作用，其它的次要相互關系沒有考慮進去。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、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:是在傳統的林窗模型的基礎上，以植物功能類型取代林窗模型中的具體物種，