第四章-全球变化的区域特征

第四章全球变化的区域特征教学目的与要求弄清全球变化的一般特征；了解全球变化与生态系统的主要过程；熟悉生物多样性、景观多样性与全球变化的关系；了解土地利用/覆盖变化的研究现状；弄清绿洲LUCC的变化及其特征；了解LUCC与全球变化的关系及其研究的重要意义了解气候变化对中国水资源的影响；掌握生态用水的估算思路与方法；了解生态用水管理的重要性与环境演变的关系。几十至几百年的中等尺度变化是全球变化研究的重点第一节全球变化的过程分析一、全球变化的时间尺度1.全球变化的时间过程表1全球变化的时间过程2.十年到百年的全球变化在全球变化研究中，过去几十年到几百年以及未来几十年到上百年的全球变化问题与人类社会进程直接相关，更为直接地被当代人们所感悟。土地景观气候城镇化北京地区土地利用变化75年91年97年城镇农田灌草地水域林地草地二、气候系统的一般特征地球系统是一个具有由物理、化学、生物和人类要素共同组成为一个单一的自组织行为系统。气候系统与物理气候系统由大气、海洋、冰雪、陆地表面和生物圈所组成，太阳能是物理气候系统的驱动力气候形成和维持的物理过程主要与气候系统的加热率和输送过程有关在气候系统中，气候过程通过水、热、物质和动能的输送，控制着陆、海表面和大气的相互作用，在气候系统中引起一系列重要的反馈过程，表2气候系统中引起的主要反馈过程气候系统的加热率取决于地球气候系统能量的收支平衡。其影响可归结为以下三个方面的原因：太阳辐射强度及地球轨道要素相关联的到达地球的太阳辐射能的多少；地球的能量反射率决定了到达地球的太阳能量及直接反射回太空的份额的多少；进入到系统中的太阳能在地球系统中滞留的时间与地球温室效应相联系。大气圈的分层三、全球变化的主要过程水文循环过程与地球系统的诸多过程密切联系，使地球系统表现出丰富多彩的特征。1.水文循环过程水循环示意图水循环过程控制着地球的温度和云层的形成、输送和消散，以及其与太阳辐射的关系；气候过程则通过水、热、物质和动能的输送，控制着陆、海表面和大气的相互作用。2.海洋沉积过程板块运动决定大洋盆地的格局，侵蚀和沉积作用过程则对海底地貌产生改造作用大洋沉积的主要场所可分为浅海大陆架沉积、板块复合带的海沟或边缘海盆地沉积以及深海沉积大洋沉积的类型主要包括由通过河流、冰川、风力和海岸侵蚀等作用从陆地侵蚀搬运而来的板块运动决定大洋盆地的格局，侵蚀和沉积作用过程则对海底地貌产生改造作用大洋沉积的主要场所可分为浅海大陆架沉积、板块复合带的海沟或边缘海盆地沉积以及深海沉积岩石的堆积大洋沉积的类型主要包括由通过河流、冰川、风力和海岸侵蚀等作用从陆地侵蚀搬运而来的碎屑沉积和以石灰岩和蛋白石形式从海水中析出的CaCO3和SiO2的化学沉积，其中，部分化学沉积是海洋生物作用的结果海洋中也有一定数量的有机物沉积，相对富集在大洋的缺氧层中。如果不考虑洋底热液作用造成的海水成分变化，大洋中的可溶盐类处于一种动态的平衡中河流从陆地输入的溶解盐类不断地注入大洋，又通过沉积作用、成岩作用和板块运动返回到岩石圈，从而避免了海水盐度无限制地增长，维持了全球大洋的盐度平衡。海洋沉积物大洋沉积是岩石圈物质循环转换的重要环节物质循环示意图3.大气环流过程大气环流是大范围的大气运动，热量和水分通过大气环流进行传输，水分传输影响陆上降水的分布等大气环流的状况往往决定全球的或区域的天气和气候类型及其变化主要有3种相互关联的大气环流形式：赤道一极地之间的能量梯度作用和地球自转影响产生的大气平均经圈环流，赤道地区大洋东西两侧海水冷暖差异形成的大气纬圈环流及沃克环流，海陆分布及其物理性质不同所产生的热力差异而导致的季风环流。大气环流大气环流驱动大洋表层水体发生相应的运动，形成表层环流在表层水被从原地吹离的地区，下伏的次表层水将会上涌补充，形成上升流；相反，在表水汇聚地区，又会形成下降流。在有上升流和下降流的地区，其海洋表面温度低于或高于其他海区，赤道地区大洋两侧海水温度的差别导致了沃克环流的出现，海温的变异引起厄尔尼诺与拉尼娜现象的发生，并通过海气作用导致沃克环流异常，造成大尺度的环流异常与全球气候异常4.海洋环流过程海洋环流模式5.生物地球化学循环生物地球化学循环可分为水循环、气体型和沉积型等类型。气体型循环(gaseousiype)其贮存库是大气和海洋气相循环把大气和海洋相联系，具有明显的全球性。气相循环与全球性三个环境问题(温室效应，酸雨与酸雾，臭氧层破坏)密切相关沉积型循环(sedimentarytype)许多矿物元素其贮存库在地壳里，经过自然风化和人类的开采冶炼，从陆地岩石中释放出来，为植物所吸收，参与生命物质的形成，并沿食物链转移。循环示意图C和S的生物地球化学循环四、生态系统的主要过程物种流是指物种的种群在生态系统内或系统之间时空变化的状态物种流是生态系统一个重要过程，它扩大和加强了不同生态系统间的交流和联系。提高了生态系统的服务功能。1.生态系统的物种流物种流主要包括生物有机体与环境之间相互作用所产生的时间、空间变化的过程；物种种群在生态系统内或系统之间格局和数量的动态；以及生物群落中物种组成、配置，营养结构变化，外来种和本地种的相互作用，生态系统对物种增加和空缺的反应等物种流与物质循环具有密切的联系，物质循环过程的实现是通过处于不同生态位的生物种，在复杂的食物链与食物网结构中，通过生命物质的新陈代谢完成的2.生态系统中的能量流太阳辐射能是生态系统中的能量的最主要来源。能量以日光形式进入生态系统，以植物物质形式贮存起来的能量，沿着食物链和食物网流动通过生态系统，以动物、植物物质中的化学潜能形式贮存在系统中，或作为产品输出，离开生态系统，或经消费者和分解者生物有机体呼吸释放的热能自系统中丢失生态系统是开放的系统，某些物质还可通过系统的边界输入。能量的传递3.生态系统的信息传递信息是通过人类的感知、加工而成的，以一种能量形式存在的对客观世界的知识反馈生态环境信息是在生物及非生物环境仿真与控制中应用的经收集、处理而以特定形式存在的生态知识生态系统中的光、电、声、磁都属于物理信息；生态系统的各个层次都有生物代谢产生的化学物质参与传递信息、协调各种功能，这种传递信息的化学物质通称为信息素生态系统中各种生物通过营养信息关系联系成一个互相依存和互相制约的整体，生物的食物链就是一个生物的营养信息系统生态系统的各个组成成员之间及各个成员的内部都存在着信息交流，彼此间进行着信息传递，这种信息传递又称为信息流3.1信息传递的一般规律生物的信息传递、接受和感应特征是长期进化的结果信息传递的目的就是要使接受端获得一个与发送端相同的复现消息，包括全部内容与特征。可大体分为物理信息、化学信息、营养信息和行为信息4种。生态系统中能量流和物质流通过个体与个体之间，种群与种群之间，生物与环境之间的信息传递协调生态系统中信息传递的一般模式3.2生态系统的信息联系干旱生理、蒸发蒸腾、组织自适应、SPAC运移①生物与水分之间的信息关系水是荒漠生态系统的生命线，是干旱区自然环境综合体中最活跃的因素，是自然界物质和能量转化的主要介质，它不但能使干旱区光热资源优势得以充分发挥，为人们提供丰富的生活和生产物质，还可以其本身，改善和美化环境。水的利弊②植物与植物之间的信息联系同一环境中的生物有机体也不是偶然相处，而是经过漫长的进化过程互相适应的结果荒漠生态系统中的植物种类比较贫乏，生活型也比较单一，共同生长的植物，一方可能对另一方或互相有利，也可能对另一方或互相有害关系都以直接的或间接的方式在起作用，在物质、能量交换的过程中，伴随着极其复杂信息的传输。光、水、营养、能量、根际③植物与动物间的信息联系在荒漠生态系统中，植物与动物的信息联系首先表现为动物对荒漠植被生存环境的依存与适应。在植物与动物的信息传递过程中，荒漠植物并不是完全被动地被动物侵袭或吞食，而是通过形态、生理、生化等各个方面所发出的种种信息，抵御植食性动物的危害。植物与动物间所建立的信息传递关系，在一定程度上大大增加了生态系统信息传递中的多样性和复杂性。3.3生态系统信息传递的作用荒漠生态系统是一种相对脆弱的生态系统。它也是一种开放的、处于非平衡态的非线性系统在不断交换能流、物流及信息流的过程中，输入了负熵流，才维持了系统的有序性荒漠生态系统的信息流不仅包含着个体(物种)、种群和群落等不同水平的信息，而且所有的植物、动物、微生物及其各部分都有特殊的信息联系，从而赋予了荒漠生态系统丰富的特点信息传递在荒漠生态系统的发育、维持、演化等过程中，具有不可替代的作用水、干旱、植被第二节生物多样性变化生物多样性是指来源于包括陆地、海洋和其他水生生态系统及其所构成的生态综合体生物多样性强调生命有机体及其赖以生存的环境的多样化和变异性生物多样性是指生命形式之间及其与环境之间的多种相互作用以及各种生物群落、生态系统及其生境与生态过程的复杂性生物多样性包含了遗传多样性、物种多样性和生态系统多样性三个层次上的多样性，现在逐渐发展形成了第四个层次，即景观多样性。生物依存一、物种多样性物种多样性是指多样性的生物类型及种类，强调物种的变异性，物种多样性代表着物种演化的空间范围和对特定环境的生态适应性，是进化机制的最主要产物，所以物种被认为是最适合研究生物多样性的生命层次物种多样性的起源及其地理格局的物理及生物机制；种内多样性的研究；人类活动对物种多样性的影响；物种多样性对全球变化的响应；物种多样性的价值；生物多样性受胁迫的生境研究；物种保育及开发物种多样性。研究热点1.物种多样性的衡量指标根据研究中的尺度差异，即观察的视窗口不同，多样性可分为α，β，γ多样性α多样性是指同一地点或群落中的种的多样性，是由种间生态位的分异造成的；β多样性是指在不同地点或群落中物种的更替(replacement)和转换(turnover)，是由于各个种对一系列生境的不同反应造成的；γ多样性是指在相距更远地点或群落中种类的不同，它是α，β多样性的总和或用公式表示：γ＝α*β。在文献中，除非特别说明，一般指α多样性。表3不同类型生物多样性特征及相互根系中国是生物多样性较高的国家，居世界第八位，北半球第一位图4地球上已描述的物种群数量特征图5地球上可能存在的物种群数量特征2.物种多样性的时空格局地质历史时期物种多样性的变化是在进化时间尺度上进行的，原生演替和次生演替中物种多样性的变化是在演替时间尺度上资料纬度梯度海拔区域差异二、生态系统多样性生态系统各个物种之间相互依赖，彼此制约，且生物与其周围的各种环境因子也是相互作用的生态系统的功能是对地球上的各种化学元素进行循环和维持能量在各组分之间的正常流动生态系统的多样性主要是指地球上生态系统组成、功能的多样性以及各种生态过程的多样化，包括生境的多样性、生物群落和生态过程的多样化等多个方面生境的多样性是生态系统多样性形成的基础，生物群落的多样化可以反映生态系统类型的多样性。1.生态系统多样性特征生态系统内物种多样性和功能多样性的差别以及生态系统对生物多样性改变的响应研究现状可得出：人类对全球生物多样性的影响已非常巨大，在从基因多样性物种多样性到生态系统多样性各个尺度均造成了空前的损失，区域生物多样性的损失甚至比全球更为严重。表4我国几种生态系统类型的生活型组成(％)2.生态系统评价与管理生态系统评价涉及生态系统多样性评价、生态系统风险评价、生态系统脆弱性评价、生态功益评价、生态安全评价、生态可持续性评价、生态合理性评价、生态复杂性评价等一系列关键问题生态系统管理是在生态系统管理原则的指导下，在特定的时间与空间尺度内，采用切实有效方法与科学审慎的态度，实施维护生态系统的合理性与可持续性的策略，其内容涉及生态环境政策与立法，污染控制策略，生物关系调节，人类行为干预，社会、经济与生态效应协调等生态系统管理的目的是要规范生态系统人为干预的过程，实现生态系统结构与功能的正常发挥，为人与自然的和谐相处提供理论与实践支撑管理好的茶园生态系统三、景观多样性景观多样性是指由不同类型的景观要素或生态系统构成的景观在空间结构、功能机制和时间动