我国陆地生态系统对全球变化的响应

内容一、研究意义二、气候－植被分类三、陆地生态系统模拟四、不确定性分析五、未来研究展望生物圈：1375年奥地利地质学家E.Suess首次提出，指地球上有生命活动的领域及其居住环境的整体，是人类诞生、生存和发展的基础。陆地生态系统是生物圈中最重要的部分，通过光合作用形成的有机物质是生物圈中一切生命形式赖以生存的基础。全球变化指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个方面。一、研究意义全球变化与陆地生态系统的相互作用主要表现在二方面：陆地生态系统对气候的适应性：主要的植被类型表现着植物界对主要气候类型的适应，每个气候类型或分区都有一套相应的植被类型(气候－植被分类)。陆地生态系统对气候的反馈作用：不同类型的生态系统通过影响生态系统与大气之间的物质(如水和CO2等)和能量(如太阳辐射，动量和热量等)交换来影响气候，改变的气候又通过大气与生态系统间的物质和能量交换作用对生态系统的生长发育产生影响，最终可能导致生态系统类型的变化(陆地生态系统模拟)。工业革命以来，剧烈人类活动引起的全球变化已经导致了一系列生态环境问题，严重威胁着生物圈的可持续发展。气候变暖20302030年我国部分地区或流域可能增加的缺水量年我国部分地区或流域可能增加的缺水量（（95%95%保证率）保证率）020406080100120140京津唐淮河黄河东江海滦河GISSLLNLUKMOH(亿立方米)干旱年份，将大干旱年份，将大大加剧华北、西大加剧华北、西北等地区的缺水北等地区的缺水我国水资源供需矛盾可能会加剧我国水资源供需矛盾可能会加剧水资源短缺荒漠有所减少荒漠有所减少草原东扩草原东扩东部森林北移东部森林北移根据根据SRESSRES--A2A2温室气体排温室气体排放情景给出的放情景给出的20702070年气候年气候情景下的植物功能型变化情景下的植物功能型变化基于基于CERESCERES模型模模型模拟的东北地区雨养拟的东北地区雨养春小麦产量变化春小麦产量变化气候情景：气候情景：A2A2温度：温度：3.03.0----4.54.5ooCC降水：降水：1010--20%20%东北地区东北地区灌溉小麦产量变化灌溉小麦产量变化粮食安全植被带迁移粮食安全我国位于地球环境变化速率最大的季风气候区，剧烈的气候变化与频发的自然灾害严重影响了陆地生态系统。国际社会对全球变化给予了高度关注，签定了一系列国际公约，如《联合国气候变化框架公约》、《京都议定书》和《联合国生物多样性保护公约》等。这些公约不仅反映了人类共同减缓气候变化、维护人类生存环境的决心，亦使环境问题与国家外交密切相关，直接影响到国家社会经济的可持续发展。IPCC第四次评估报告指出，世界气候系统变暖已毋庸置疑，气候变化导致的生态系统脆弱性正在不断加剧。针对气候变化采取稳健的适应政策已成为全球共识。但是，当前关于全球变化与陆地生态系统的相互作用认识的不足严重制约着气候的准确预测及气候变化影响下生态系统适应性与脆弱性的认识，影响着不同时空尺度生态系统脆弱性的气候因子检测及生态系统临界点/阈值的确认。这些知识是生态系统脆弱性评价与适应性管理的科学基础。正因为如此，全球变化与陆地生态系统的相互作用被列为国际全球变化研究计划的重要研究内容：世界气候研究计划(WCRP)国际地圈－生物圈计划(IGBP)植被类型地理分布模式物质交换能量传输植被－大气相互作用模型气候－植被分类植被－大气相互作用地表参数为此，迫切需要开展全球变化与陆地生态系统相互作用的观测与模拟研究，目标在于揭示全球变化影响下陆地生态系统的脆弱性与适应性；为可持续性科学理论体系发展及经济社会可持续发展和环境外交提供科技支撑。？植被分类：还没有统一的中国植物功能类型分类体系与模型模型：没有反映化学过程与生物、物理过程的耦合验证：缺乏观测与模型模拟的不确定性分析难点全球变化的陆地样带：线景观-区域模型模型模型模型异地模拟当地模拟生长箱生长室区域气候－植被分类：面区域典型生态系统定位监测：点叶片－生态系统优势种模拟试验：点叶片－个体植被/生态系统的动态模拟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。植被类型分布研究已有近200年历史了，可追逆到VonHumboldt&Bonpland于1805年所著的《植物地理学基础》。目前，关于气候－植被分类的代表性研究主要有三类：(1)Holdridge生命地带系统(2)植被区划(3)生物群区二、气候－植被分类(1)Holdridge生命地带系统Holdridge生命地带系统反映的是潜在自然植被与气候间的关系。该方案认为地球表面的植被类型及其分布基本上取决于3个要素：年降水、年生物温度与湿度，后者取决于前二者。植物群落组合可以用这3个气候变量来划定，这种植物群落组合就称为生命地带。该生命地带定义具有双重意义，既揭示了一定的植被类型，又反映了产生该类型的热量和降水的数值幅度，是气候的生物作用与植被相结合的产物。因此，既可以从气候要素来预测某一地区的潜在植被类型，也可根据野外观测的植物群落来确定该地区的气候要素。Holdridge(1967)根据前人对热带植被及有关植物气候因素分析的研究及实验数据得到的可能蒸散率(PER)与生物温度(BT,C)和降水(P,mm)的经验关系：PER＝BT58.93／P生物温度(BT)是植物营养生长的平均温度，一般在0C30C之间，日均温低于0C与高于30C者均排除在外，超过30C的平均温按30C计算，低于0℃的均按0C计算。可能蒸散（APE）是生物温度的函数，可能蒸散率（PER）则是可能蒸散与年降水量的比率。Holdridge生命地带系统(摘自张新时等,1993)Holdridge生命地带系统的纬度带与垂直带(摘自张新时等,1993)Holdridge生命地带系统指标纬度带高度带年生物温度（C）年可能蒸散量(mm)极地雪带1.5亚极地高山带1.53177北方带亚高山带36177353寒温带山地带612353707暖温带(含亚热带)低山带(含山前带)12247071414亚热带山前地带(1724)(10001414)热带山前地带241414Holdridge生命地带系统是在中美洲热带地区发展起来的，不能完全适应于季风气候下的中国亚热带地区。张新时(1993)对Holdridge生命地带系统进行了修正：水平地带上的暖温带与亚热带的热量界线Holdridge生命地带系统中该热量界线并没有完全划定，大致界线在生物温度为16C18C之间的“冰冻线或临界温度线”。Emanuel等(1985)认为水平地带暖温带与亚热带的热量界线是17C。按中国情况生物温度14℃等值线为暖温带与亚热带的热量界线：这是因为中国东部的亚热带受北部蒙古—西伯利亚高压和北极寒流在冬季南下的影响，造成了寒冷干旱的冬季，但夏季却十分炎热且多雨，使亚热带的界线向北推移到长江与淮河之间的生物温度14C线。Holdridge系统的雪线与系统的补充和修正张新时把该系统应用于青藏高原高寒地区时发现，该系统分类中上端的雪线界限的划定过于一致，实际情况是青藏高原高寒地区同一湿度区的植被类型在气候趋于干旱，即降水减少的环境梯度下趋于海拨升高或纬度偏高即温度偏低的生境的规律，反映在森林的高山界线与雪线上则为海拨界线在干旱地区升高。因此，Holdridge生命地带系统中的雪线应向趋干的梯度升高，从而对该系统进行了补充和修正。图中，除雪线在干旱地区升高外，还在高纬度或高海拨部分相应增加了三类生命地带类型：“寒漠”(冻荒漠)、冰缘带、高山裸岩风养带(Aeolianzone)Holdridge生命地带系统的补充修正(摘自张新时等,1993)Holdridge生命地带系统已在许多地区以至全球应用，但一个联系植被与气候的完全满意的方案还没有形成(SpurrandBarnes,1973)，其在全球应用的准确度仍小于40％。究其原因可能在于：(1)高度差异/区别没有得到反映，亦即在Holdridge生命地带系统中水平生命地带与山地垂直生命地带的定量量度相同，都是根据生物温度来划分，没有考虑到温度和日照长度等方面的差异；(2)该系统过渡区(形成菱形点的小三角)被考虑成生物气候镶嵌在同样的可能蒸散率边界，这样气候被定义在Holdridge三角中作为菱形而不是六角形；(3)年生物温度是根据月均温，而不是根据更短时间(如小时，天)计算；(4)Holdridge用30℃作为计算生物温度的上限，而月平均温度30℃和31℃的面积在可能蒸散值上不合理的差异使得温度上限无法使用。在全球45的网格点上很少有或没有这样高的月平均温度。因此，如果分辨率更高或考虑扰动气候的话，应用该生命地带系统时要谨慎；(5)用生物温度18℃作为副热带和暖温带的界线不是对任何地区都适用。张新时(1993)基于Holdridge生命地带系统，结合我国19501980年30年的平均气候资料，给出的中国植被地带的气候分类指标。类型编号类型代码类型中文名称可能蒸散率(PER)年均生物温度(BT)最小值最大值最小值最大值I11寒温带针叶林0.620.834.806.40IIia21温带北部针阔叶混交林亚地带0.670.986.308.70IIib22温带南部针阔叶混交林亚地带0.480.997.1010.1IIIia31暖温带北部落叶栎林亚地带0.651.569.013.50IIIib32暖温带南部落叶栎林亚地带0.781.4811.015.10IVAi41东部北部亚热带常绿落叶阔叶混交林地带0.641.1812.2016.40IVAiia42东部中亚热带常绿阔叶林北部地带0.501.0813.718.3IVAiib43东部中亚热带常绿阔叶林南部地带0.481.0014.720.80IVAiii44东部南亚热带季风常绿阔叶林地带0.661.1719.2022.30IVBi45西部北亚热带常绿阔叶林地带0.522.1110.5021.90IVBii46西部南亚热带常绿阔叶林地带0.601.3414.8018.60VA51东部季雨林、雨林亚地带0.471.1021.6023.80VB52西部季雨林、雨林亚地带0.5401.46022.4025.40VIia61温带北部草原亚地带0.713.525.709.50VIAib62温带南部草原亚地带0.873.206.7011.0VIB63西部草原亚地带2.342.906.708.80VIIA71西部荒漠亚地带2.947.938.2011.60VIIB72东部荒漠亚地带1.8217.065.5011.0VIIC73极端荒漠亚地带0.3920.832.606.90VIIIA81东南部山地寒温性针叶林地带0.190.731.606.90VIIIB82东部高寒灌丛、草甸亚地带0.270.761.204.40VIIICi83高寒草原地带0.941.326.908.30VIIICii84温性草原地带0.311.302.17.0VIIIDi85温性荒漠地带1.027.933.0310.43VIIIDii86高寒荒漠地带0.462.601.023.05基于Holdridge生命地带系统给出的中国植被地带的气候分类指标(张新时,1993a)(2)植被区划植被区划是在一定地段上依据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。植被类型分布和区划单位异同植被类型在空间上通常是分散的，同一类型单位在一地区内经常是重复出现的。植被区划所划分的单位具有空间连续性、完整性和不重复性。植被区划的依据(1)植被类型：进行植被区划的植被类型的主要依据。(2)组成植被的植物种类区系成分：植被类型是由一定的植物种类组成的，其区系成分也是