生态学第六章精品文稿.ppt

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1、生态学课件第六章第1页，本讲稿共24页生物圈二号是生物圈二号是19911991年年5 5月建在亚利桑那州的巨型人工生态系统，耗资月建在亚利桑那州的巨型人工生态系统，耗资2 2亿美元，亿美元，是人类历史上规模最大的生态学实验，原本甚至计划送上火星，是人类历史上规模最大的生态学实验，原本甚至计划送上火星，9090年代由于无年代由于无法封闭运转告失败，后哥伦比亚大学接受准备将其改造成生态系统实验室。法封闭运转告失败，后哥伦比亚大学接受准备将其改造成生态系统实验室。20042004年，由于校内利益因素，哥伦比亚大学正式退出改造计划，石油富商年，由于校内利益因素，哥伦比亚大学正式退出改造计划，石油富商B

2、assBass失望之余决定拆除主体结构，将中心改建成住宅区，一代传奇至此尘埃落定。失望之余决定拆除主体结构，将中心改建成住宅区，一代传奇至此尘埃落定。第2页，本讲稿共24页举举举举世世世世闻闻闻闻名名名名的的的的“生生生生物物物物圈圈圈圈二二二二号号号号”实实实实验验验验在在在在遭遭遭遭遇遇遇遇到到到到种种种种种种种种意意意意想想想想不不不不到到到到的的的的困困困困难难难难后后后后被被被被迫迫迫迫宣宣宣宣告告告告失失失失败败败败。但但但但是是是是，作作作作为为为为世世世世界界界界上上上上首首首首次次次次进进进进行行行行的的的的运运运运用用用用生生生生态态态态系系系系统统统统原原原原理理理理而而

3、而而维维维维持持持持时时时时间间间间最最最最长长长长的的的的封封封封闭闭闭闭住住住住人人人人实实实实验验验验，它它它它给给给给我我我我们们们们带带带带来来来来了了了了哪哪哪哪些些些些经经经经验验验验与与与与教教教教训训训训？对对对对于于于于在在在在陆陆陆陆地地地地上上上上进进进进行行行行大大大大规规规规模模模模的的的的生生生生态态态态环环环环境境境境建建建建设设设设工工工工程程程程，哪哪哪哪些些些些经经经经验验验验与与与与教教教教训训训训值值值值得得得得我我我我们们们们“生生生生物物物物圈圈圈圈一一一一号号号号”人人人人引引引引起起起起高高高高度度度度重重重重视视视视？人人人人类类类类能能能能

4、否否否否建建建建造造造造一一一一种种种种完完完完全全全全脱脱脱脱离离离离地地地地球球球球环环环环境境境境的生态系统？怎样才能使生态系统持续地为人类造福？的生态系统？怎样才能使生态系统持续地为人类造福？的生态系统？怎样才能使生态系统持续地为人类造福？的生态系统？怎样才能使生态系统持续地为人类造福？1.1.实验的简要背景实验的简要背景:“生态球生态球”:”:里面有陆地里面有陆地 海洋海洋 淡水淡水 空气空气 植物植物 节肢节肢动物动物 蜗牛蜗牛 浮游动物与植物浮游动物与植物 微生物微生物.这这些些生生命命及及其其所所在在的的环环境境是是与与外外界界完完全全隔隔绝绝的的,其其中中的的绿绿色色植植物物

5、利利用用空空气气中中的的COCO2 2和和水水分分在在太太阳阳光光下下进进行行光光合合作作用用,动动物物食食植植物物或或其其碎碎屑屑,微微生生物物及及浮浮游游动动物物将将死死亡亡的的动动植植物物或或排排泄泄物物分分解解后后生生成成COCO2 2和和矿矿物物质质开开始新的循环始新的循环.第3页，本讲稿共24页l“生物圈二号生物圈二号”封闭住人实验令全世界震封闭住人实验令全世界震惊惊:l“生物圈二号生物圈二号”在社会上招募在社会上招募“生物圈人生物圈人”的消息刚一公布，的消息刚一公布，就有来自美、英、德、法等国的科学家前来应试；就有来自美、英、德、法等国的科学家前来应试；l进入进入“生物圈二号生物

6、圈二号”之前，在一个模拟的小圈内单独实验忍之前，在一个模拟的小圈内单独实验忍耐力；耐力；l经过严格筛选，由经过严格筛选，由4 4男男4 4女组成的科学家队伍形成了，包括：海洋女组成的科学家队伍形成了，包括：海洋学家、植物学家、气象学家、机械工程专家以及医学专家等。学家、植物学家、气象学家、机械工程专家以及医学专家等。l第一阶段的实验持续了第一阶段的实验持续了2 2年，第二阶段换人后进行了半年就被迫年，第二阶段换人后进行了半年就被迫停止了。停止了。第4页，本讲稿共24页 “生生物物圈圈二二号号”真真的的这这样样不不堪堪一一击击了了吗吗？事事实实上上，对对于于我我们们人人类类而而言言，“生生物物圈

7、圈二二号号”所所谓谓失失败败的的教教训训正正是是我我们们值值得得珍珍重重的的财财富，而它的失败也正是对地球人类最好的警示。富，而它的失败也正是对地球人类最好的警示。科学界和舆论界的批评科学界和舆论界的批评：（：（1 1）作为一个生态系统，它与外）作为一个生态系统，它与外界真正的生态系统不能相比；（界真正的生态系统不能相比；（2 2）封闭不完全；（）封闭不完全；（3 3）缺少重）缺少重复，数据的科学性无法确定。复，数据的科学性无法确定。第5页，本讲稿共24页“生物圈二号生物圈二号”的教训的教训（1 1）元素化学循环平衡失调：）元素化学循环平衡失调：O O2 2、COCO2 2、N N2 2O O

8、（2 2）物种关系失调：所搬进的主要是植被，并）物种关系失调：所搬进的主要是植被，并未把相应的动物、真菌、微生物等群落也按未把相应的动物、真菌、微生物等群落也按比例搬来。比例搬来。（3 3）水循环失调：）水循环失调：（4 4）食物短缺：）食物短缺：第6页，本讲稿共24页“生物圈二号生物圈二号”的宝贵经验的宝贵经验科学界达成的共识：即使用最好的生态学知识，用最新的现代高新科学界达成的共识：即使用最好的生态学知识，用最新的现代高新技术知识，用充足的资金做后盾，营造完全封闭的像地球那样完美技术知识，用充足的资金做后盾，营造完全封闭的像地球那样完美的人工生态系统仍是十分困难的，甚至是不可能的。的人工生

9、态系统仍是十分困难的，甚至是不可能的。（1 1）“生物圈二号生物圈二号”设计的原理是正确的；设计的原理是正确的；（2 2）“生物圈二号生物圈二号”实验为以后太空探险提供了宝贵的资料；实验为以后太空探险提供了宝贵的资料；（3 3）人类能够通过高科技手段在任意恶劣的环境下创造出）人类能够通过高科技手段在任意恶劣的环境下创造出适于生命生存的空间；适于生命生存的空间；（4 4）“生物圈二号生物圈二号”可作为地球的一个缩影。地球面临的环可作为地球的一个缩影。地球面临的环境污染问题、全球变化问题，其后果可在境污染问题、全球变化问题，其后果可在“生物圈二号生物圈二号”的实的实验中看到或体验到。验中看到或体验

10、到。第7页，本讲稿共24页l 哥哥伦伦比比亚亚大大学学将将“生生物物圈圈二二号号”变变成成“研研究究不不同同类类型型的的生生物物尤尤其其是是植植物物对对全全球球气气候候变变化化响响应应的的独独特特场场所所”：主主要要利利用用内内部部升升高高和和可可控控COCO2 2浓浓度度的的特特点点，研研究究若若干干植植物物生生理理生生态态特特性性的的变变化化，以以及及进行进行“生物圈生物圈”内碳、氮、水循环研究。内碳、氮、水循环研究。第8页，本讲稿共24页l给给“生物圈一号生物圈一号”敲起警钟：敲起警钟：l哥伦比亚大学哥伦比亚大学“生物圈二号生物圈二号”教育与研究中心将公民的环境意教育与研究中心将公民的环

11、境意识教育与宣传放在重要位置。识教育与宣传放在重要位置。今天今天“生物圈二号生物圈二号”存在的存在的真正价值所在。真正价值所在。l（1 1）营造一个类似于）营造一个类似于“生物圈一号生物圈一号”那样完美的人造生态系统那样完美的人造生态系统是极其困难的；是极其困难的；l（2 2）地球上即使最恶劣的环境也比完全脱离地球环境的人工生）地球上即使最恶劣的环境也比完全脱离地球环境的人工生态环境要更容易适应生物的生存；态环境要更容易适应生物的生存；l（3 3）地球是唯一能够支持生命的地方；动植物与其生存环境相依为）地球是唯一能够支持生命的地方；动植物与其生存环境相依为命；命；l（4 4）任何大规模的生态环

12、境工程与人类改变自然的活动都要慎）任何大规模的生态环境工程与人类改变自然的活动都要慎重。重。第9页，本讲稿共24页(2)(2)野外模拟实验野外模拟实验:美国北卡罗来纳州吐克森林生态系统进行的美国北卡罗来纳州吐克森林生态系统进行的FACEFACE实验实验.第10页，本讲稿共24页 吐吐克克森森林林的的FACEFACE实实验验开开始始于于19941994年年。样样地地选选在在1111年年龄龄的的次次生生松松林林(Pinus Pinus faedalfaedal)内内。实实验验开开始始时时树树木木高高度度已已超超过过10m,10m,叶叶面面积积指指数数为为3 3左左右右.实实验验样样地地上上共共有有

13、8 8个个直直径径为为30m30m的的COCO2 2释释放放装装置置,其其中中4 4个个只只喷喷正正常常的的空空气气作作为为对对照照;另另外外4 4个个不不停停地地喷喷出出COCO2 2加加浓浓的的空空气气使使森森林林树树冠冠层层内内的的COCO2 2浓浓度度比比对对照照组组高高出出200ppm.200ppm.这这个个项项目目的的主主要要目目的的是是研研究究温温带带森森林林生生态态系系统统的的功功能能和和结结构构对对大大气气COCO2 2增增浓浓的的反反应应.初初步步结结果果表表明明:这这种种技技术术可可以以有有效效地地控控制制处处理理组组和和对对照照组组之之间间的的COCO2 2浓浓度度差差

14、异异,又又没没有有明明显显改改变变生生态态系系统统的的其其它它环环境境条条件件;第第一一年年的的结结果果也也表表明明在在大大树树上上观观察察的的结结果果和和以以往往在在小小树树苗苗上上的的研研究究结结果果有很大的差异。有很大的差异。第11页，本讲稿共24页封闭式生长室观察小树苗的生长和生理过封闭式生长室观察小树苗的生长和生理过程对程对COCO2 2浓度加倍的反应浓度加倍的反应;与与FACEFACE实验结果实验结果存在很大的差异存在很大的差异,原因原因?以往研究以往研究COCO2 2增加对森林生态系统的影响都采用密闭式的生增加对森林生态系统的影响都采用密闭式的生长室观测小树苗的生长和生理过程对长

15、室观测小树苗的生长和生理过程对COCO2 2浓度加倍的反应。浓度加倍的反应。第12页，本讲稿共24页1.1.在在小小树树苗苗上上的的观观测测结结果果并并不不能能适适用用于于推推测测大大树树和和整整个个森森林林生生态态系系统统对对COCO2 2的的反反应应;因因为为大大树树和和小小树树苗苗有有不不同同的的生生理和形态特征理和形态特征,因而它们对环境的反应也不尽相同因而它们对环境的反应也不尽相同;2.2.生生态态系系统统中中复复杂杂的的相相互互作作用用也也不不能能在在生生长长室室里里的的小小树树苗苗丛中表现出来丛中表现出来;3.3.生长室处理不仅会提高温度生长室处理不仅会提高温度,还会限制植物的生

16、长还会限制植物的生长;4.4.FACEFACE是是一一种种最最为为先先进进的的COCO2 2增增浓浓实实验验技技术术,它它可可以以在在不不影影响响其其它它环环境境条条件件或或不不限限制制植植物物正正常常生生长长的的情情况况下下研研究究COCO2 2增增浓浓对对陆陆地地生生态态系系统统的的影影响响.这这一一技技术术已已经经成成功功地地应应用用在作物生态系统、草地生态系统以及荒漠生态系统。在作物生态系统、草地生态系统以及荒漠生态系统。第13页，本讲稿共24页2.2.定位观测与台站网络定位观测与台站网络是获得全球变化与陆地生态系统相互作用数据的重要手是获得全球变化与陆地生态系统相互作用数据的重要手段

17、段.（1 1）美国从）美国从19761976年开始酝酿年开始酝酿LTERLTER计划计划;20;20世纪世纪8080年代年代陆续启动陆续启动1717项项LTERLTER计划计划;涉及到美国各类陆地生态系统和涉及到美国各类陆地生态系统和河口、湿地、农业生态系统。它的启动基于这样一种认河口、湿地、农业生态系统。它的启动基于这样一种认识识:如果某一现象的动态是长期的、偶发的、稀少的、复如果某一现象的动态是长期的、偶发的、稀少的、复杂的和细微的，需要长期的记录才能达到预报的目的。杂的和细微的，需要长期的记录才能达到预报的目的。这一浪潮后来波及了许多国家，除美国外，还有英国、这一浪潮后来波及了许多国家，

18、除美国外，还有英国、法国、澳大利亚和加拿大等国参加。国际上开展了多个法国、澳大利亚和加拿大等国参加。国际上开展了多个研究计划，涉及不同的生态类型。研究计划，涉及不同的生态类型。第14页，本讲稿共24页（2 2）除了美国的长期生态学研究计划（）除了美国的长期生态学研究计划（LTERLTER）以外，）以外，德国的陆地生态系统研究网络（德国的陆地生态系统研究网络（TERNTERN）和英国的环境变）和英国的环境变化监测网络（化监测网络（ECNECN）均比较有名）均比较有名.（3 3）中国生态系统研究网络自）中国生态系统研究网络自2020世纪世纪8080年代开始筹年代开始筹建建,目前有目前有2929个生

19、态观测站个生态观测站,覆盖了全国不同的自然覆盖了全国不同的自然和人工生态系统类型和人工生态系统类型.第15页，本讲稿共24页第16页，本讲稿共24页 定定位位观观测测的的趋趋势势是是形形成成区区域域和和全全球球定定位位观观测测站站数数据据的的网网络络化化共共享享。定定位位观观测测所所获获取取的的数数据据是是建建立立模模型型的的基基础础。观观测测的的内内容容涉涉及及陆陆地地生生态态系系统统内内的的环环境境条条件件、生生产产者者、消消费费者者、分分解解者者的组成及其动态变化等各个方面。的组成及其动态变化等各个方面。1992年年，由由萨萨赫赫勒勒和和撒撒哈哈拉拉观观测测计计划划（OSS），IGBP的

20、的全全球球变变化化与与陆陆地地生生态态系系统统（GCTE）核核心心项项目目以以及及人人与与生生物物圈圈计计划划（MAB），就就有有关关全全球球陆陆地地观观测测系系统统（GTOS）达达成成协协议议，其其目目的的采采用用统统一一的的观观测测手手段段和和观观测测项项目目对对全全球球陆陆地地生生态态系系统统进进行行监监测测，以以便便阐阐明明全全球球陆陆地地生生态态系系统统结结构构和和功功能能的的变变化化并并验验证证生生态态系系统统模模型型。随随着着网网络络技技术术的的发发展展，数数据据共共享享的的硬硬件件条条件也日趋成熟。件也日趋成熟。第17页，本讲稿共24页3.3.样带研究样带研究:全全球球变变化化

21、研研究究中中非非常常重重视视样样带带研研究究.在在研研究究陆陆地地生生态态系系统统对对全全球球变变化化的的响响应应及及其其对对策策以以及及全全球球变变化化驱驱动动因因素素的的梯梯度度分分析方面析方面,样带研究是非常有效的途径样带研究是非常有效的途径.样样带带研研究究一一般般穿穿越越在在地地理理空空间间上上具具有有连连续续性性的的环环境境梯梯度度:水水分分梯梯度度、温温度度梯梯度度.近近年年来来，人人为为活活动动的的梯梯度度逐逐渐渐受受到到重重视视。沿沿着着一一定定的的生生态态因因子子梯梯度度设设置置样样带带有有助助于于进进一一步步探探讨讨该该因因子子对对生生态态系系统统过过程程的的控控制制，从

22、从而而达达到到预预测测未未来来全全球球变变化化背背景景下下该因子的变化引起的生态系统过程的相应变化。该因子的变化引起的生态系统过程的相应变化。第18页，本讲稿共24页样样带带研研究究是是对对定定位位观观测测数数据据进进行行综综合合的的有有效效手手段段。样样带带要要求求有有一一定定的的长长度度和和宽宽度度，必必须须包包括括一一定定的的定定位位观观测测和和野野外外实实验验地地点点，在在宽宽度度上上必必须须满满足足遥遥感感影影像像幅幅宽宽的的要要求求，同时保证在全球尺度模型中包含若干个像元。同时保证在全球尺度模型中包含若干个像元。第19页，本讲稿共24页中国境内的中国境内的3 3条样带条样带:(1)

23、(1)NECTNECT（中中国国东东北北温温带带森森林林草草原原样样带带）:从从吉吉林林省省的的长长白白山山一一直直延延伸伸到到内内蒙蒙古古的的二二连连浩浩特特，经经度度范范围围为为112-112-130 130 30E30E，纬纬度度范范围围为为42-46N42-46N，长长度度为为1600km1600km，宽宽度度为为300km300km，是是一一条条受受降降水水驱驱动动的的水水分分梯梯度度带带。在在这这一一样样带带上上有有长长白白山山生生态态系系统统研研究究站站和和锡锡林林郭郭勒勒典典型型草草原原定定位位研究站。研究站。(2)(2)CENT1CENT1（中中国国东东部部森森林林生生态态系

24、系统统样样带带），由由大大兴兴安安岭岭北北端端经经小小兴兴安安岭岭到到长长白白山山，再再经经华华北北平平原原、江江淮淮平平原原、江江南南丘丘陵陵越越南南岭岭而而到到海海南南岛岛，其其经经度度范范围围为为E10930-128 E10930-128 之间，纬度范围为之间，纬度范围为N1844-53N1844-53之间）；之间）；(3)(3)CENT2CENT2（北北温温带带森森林林-草草原原-荒荒漠漠生生态态系系统统样样带带，N40N40）。）。第20页，本讲稿共24页重要的重要的IGBP陆地样带：陆地样带：a.a.湿润热带湿润热带:b.b.亚马逊河流域（亚马逊河流域（LBALBA）；中部非洲；东

25、南亚。）；中部非洲；东南亚。c.c.半干旱热带半干旱热带:d.d.热带稀树草地长期计划（热带稀树草地长期计划（SALTSALT）：西非；卡拉哈里：南部）：西非；卡拉哈里：南部非洲；澳大利亚北部热带样带（非洲；澳大利亚北部热带样带（NATTNATT）e.e.中纬度中纬度:f.f.大平原：美国；阿根廷；中国东北样带（大平原：美国；阿根廷；中国东北样带（NECTNECT）g.g.高纬度高纬度:阿拉斯加；北方森林样带（阿拉斯加；北方森林样带（BFTCSBFTCS）：加拿大；西）：加拿大；西伯利亚中部；西伯利亚远东部分；斯堪的纳维亚伯利亚中部；西伯利亚远东部分；斯堪的纳维亚-北欧北欧（SCANTRANS

26、CANTRAN）第21页，本讲稿共24页4.4.模型模拟模型模拟.林林窗窗模模型型:是是一一种种“多多物物种种”和和“多多龄龄级级”的的随随机机样样地地模模拟拟器器，用用于于模模拟拟森森林林内内部部控控制制树树木木定定居居、生生长长、替替换换和和死死亡亡的的过过程程。模模型型通通常常建建立立在在非非常常小小的的尺尺度度上上（1/12hm1/12hm2 2）。一一些研究者对其进行了发展，把它用于大陆和区域尺度上。些研究者对其进行了发展，把它用于大陆和区域尺度上。林林窗窗模模型型在在预预测测未未来来陆陆地地自自然然生生态态系系统统响响应应中中的的作作用用主主要要表表现现在在以以下下方方面面:（1

27、1）模模拟拟全全球球变变化化对对森森林林种种类类组组成成的的影影响响；（2 2）模模拟拟全全球球变变化化对对森森林林第第一一性性生生产产力力的的影影响响；（3 3）模模拟拟全全球球变变化化对对森森林林生生物物量量的的影影响响；（4 4）找找出出影影响响森森林林对对气气候候变变化化响响应应的的重重要要因因素素；（5 5）通通过过多多点点模模拟拟间间接接地推断植被边界的变化。地推断植被边界的变化。第22页，本讲稿共24页经经验验模模型型:又又称称“转转换换函函数数模模型型”，它它基基于于植植被被-气气候候之之间间的的统统计计关关系系，这这种种统统计计关关系系包包括括:直直接接统统计计关关系系和和间

28、间接接统统计计关关系系。在在这这种种统统计计关关系系的的基基础础上上，对对未未来来生生态态系系统统的的响响应应进进行行预预测测.经经验验模模型型通通常常建建立立在在生生物物群群区区的的尺尺度度上上，对对生生物物群群区区的的推推移移进进行行预预测测。传传统统的的经经验验模模型型通通常常建建立立在在3 3个个假假设设的的基基础础之之上上：（1 1）植植被被和和物物种种在在现现在在和和将将来来都都与与气气候候处处于于平平衡衡状状态态；（2 2）气气候候变变化化以以后后，植植被被和和气气候候的的关关系系不不会会发发生生改改变变；（3 3）被被选选择择的的气气候候变变量量被被认认为为对对植植被被起起着着

29、至至关关重重要要 的的 作作 用用，其其 它它 的的 次次 要要 相相 互互 关关 系系 没没 有有 考考 虑虑 进进 去去。BoxBox（19811981）开开发发了了全全球球尺尺度度陆陆地地植植被被定定量量模模型型，他他将将全全球球植植被被划划分分成成4141个个生生活活型型，选选择择了了8 8个个可可预预测测的的气气候候变变量量（最最热热月月均均温温、最最冷冷月月均均温温、年年均均温温、年年降降水水量量、年年湿湿度度指指数数、最最高高月月平平均均降降水水量量、最最低低月月平平均均降降水水量量和和最最热热月月平平均均降降水水量量）。第23页，本讲稿共24页过过渡渡性性模模型型:是是在在传传

30、统统的的林林窗窗模模型型的的基基础础上上，以以植植物物功功能能类类型型取取代代林林窗窗模模型型中中的的具具体体物物种种，这这样样克克服服了了林林窗窗模模型型地地域域性性强强、空空间间尺尺度度小小的的特特点点，同同时时克克服服了了经经验验模模型型在在机机理理分分析析方方面面的的不不足足。它它适适合合的的时时间间尺尺度度是是几几十十年年到到几几百百年年，能满足区域尺度预测的需要。能满足区域尺度预测的需要。动动态态全全球球植植被被模模型型:可可以以比比较较合合理理地地预预测测出出陆陆地地植植被被在在未未来来十十年年甚甚至至百百年年时时间间尺尺度度上上的的可可能能变变化化，因因为为该该模模型型考考虑虑到到各各种种全全球球变变化化和和干干扰扰对对陆陆地地生生态态系系统统产产生生的的不不同同影影响响以以及及这这些些影影响响在在时时间间上上的的差差异异，及及时时滞滞效效应应。该该模模型型还还能能比比较较准准确确地地预预测测植植物物物物候候变变化化，特特别别是是叶叶面面积积指指数数的的动动态态。另另外外该该模模型型还还考考虑虑到到土土地地利利用用改改变变的的未未来来趋趋势势以以及及它它们们对对植被覆盖的影响。植被覆盖的影响。第24页，本讲稿共24页