第五章 生态系统对全球变化的响应

三、 SPAC理论与实践研究
1. 植物根系吸水模型 根系吸水微观模型又称单根径向流模型，研究流向和进入典 型单根的径流量，假定此单根可以看成无限长、半径均匀、具有 均匀吸水特性的圆柱体，作为整体的根系用一系列这样的单根来 描述 根系吸水宏观模型又叫根系模型，它把整个植物根系看成是 每一深度的土层中均匀分布而整个根区的根密度随深度而变化的 扩散吸水器，整个根系统以速率S从不同深度的土壤中吸收水分 。
玛纳斯河流域是准噶尔盆地的重要内陆河，在干旱区具有重 要的典型性。流域孕育的玛纳斯绿洲受人类活动影响较大，为 新疆典型人工绿洲之一 玛纳斯河流域生态系统变化具有一系列的特征，而绿洲演变 过程主要有天然绿洲一人工绿洲，荒漠一人工绿洲，人工绿洲 一荒漠，天然绿洲一荒漠等不同模式。
2. 伊犁河流域生态系统的特征
经验模型以假定植物根系分布均匀，土壤水势均一为基础，物 理学与生物学意义正确，但是参数南移测定，不便于实际应用 理论模型以电流的产生与电压差成正比的相似原理为基础，利 用根系吸水速率与土壤和根系水势的差的关系进行建模 半经验半理论模型则较好地考虑植物生长对水分吸收的影响， 以及植物根系阻力与水流推动力和水流速度的关系。
3.2 以水资源的形成、转化、消耗为主线，探索MODS界面过 程与动力学机制，提出西部干旱区生态环境演变的基本过程 3.3 从耗散结构理论系统熵的变化以及生态脆弱性的角度分析 绿洲稳定性机制
4. MODS研究现实意义与研究展望
4.1 MODS耦合关系研究，强调了生态系统“三流”与界面过 程，相关原理与规律，直接指导生态建设的宏观布局与人为调控
2.5 MODS耦合关系的界面过程及其特征
山地一绿洲系统界面的特征，绿洲一荒漠过渡带的生态过程 以及MODS综合体的界面过程，都离不开水分、土壤、空气等介 质，而水是干旱区自然环境综合体中最活跃的因素，是自然界物 质循环和能量转化以及信息传递的主要媒介。 3. MODS研究的理论创新性
3.1 首次提出山地一绿洲一荒漠系统(MODS)耦合概念及其理 论与方法，拓展了地理信息科学、景观生态学等学科的研究领域
4.2 水盐平衡节点研究，直接指导绿洲可持续发展的客观实践
4.3 应用生态学的反馈机制，探讨一定土地利用与覆盖条件下 的MODS调控模式，成为耦合关系研究的落脚点 4.4 关于MODS耦合关系的理论与方法，特别是要素之间， 子系统之间的关系模拟与定量分析需要进一步研究与深化。
第二节 流域生态系统的特征
2. 生态输水工程对植被格局的影响
水文状况影响生态系统的时空特征，制约复杂系统中要素之 间的耦合关系以及反馈机制 缺水是干旱区植被恢复的主要制约因素，缺水限制自然植被 的繁荣，缺水影响生态的重建方式。 表3 塔里木河下游输水过程中植被覆被状况
二、SPAC研究的作用与意义
SPAC（Soil-Plant-Atmosphere Continum） 即土壤－植物－ 大气连续体 水分经由土壤到达植物根系，被根系吸收，通过细胞传输， 进入植物茎，由植物木质部分到达叶片，再由叶片气孔扩散到静 空气层，最后参与大气的湍流变换，形成一个统一的、动态的、 互相反馈的连续系统，即SAPC系统。 1. SPAC系统的提出及原理分析
2. MODS耦合关系研究的新进展
MODS耦合关系是研究干旱、半干旱地区山盆体系一系列特征 及其过程的重要桥梁
2.1 山盆体系生态流的特征
一个景观过程往往伴随着许多种流的发生，各种流的特征、 过程与变化规律就构成了生态流的内涵
在MODS中，土壤、水分、大气中的物质转化、能量传输 过程中伴随着信息的传递，山地、绿洲及荒漠系统中的信息传 递过程有着十分复杂的机理。
2.2 干旱区绿洲空间结构特征
绿洲是人类在干旱区从事各种生产经营活动的中心 在绿洲系统中，人类就是利用自然界资源与环境的潜能，尽可 能最大限度地转化为人类生存与发展的物质、能量及信息；同时 ，在社会经济活动的过程中，通过系统的反馈机制，维护系统的 协调稳定性 2.3 荒漠生态系统的信息特征 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。正是在不断交换能流、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。 2.4 水域生态系统的水盐耦合关系规律
伊犁河流域(国内部分)位于欧亚大陆腹地中心，属中温带大陆 性气候 伊犁河是亚洲中部的一条内陆河，又是中国和哈萨克斯坦的 国际河流。
在全球变化的背景下，伊犁河流域有较大的生态容量，但总体 上还是属于生态脆弱的地区 水土流失和农业污染(化肥淋溶、农药残留)、部分低坡土地盐 渍化问题突出。
图1 伊犁河流域示意图
2. 水热交换与蒸散特征
土壤-植物-大气中的水热传输（SVAT）是一个相互关联、相 互作用的整体。
水分循环和热量输运是在土壤、植被、大气统一体内的两个 基本交换过程 将SPAC分为三个层次，即土壤层、植被层和位于一定参考 高度的大气层，水分和热量在SPAC中的传输就可以分为以下几 个过程：土壤中的水热迁徙（遵循土壤水动力学的原理）；土 壤表面和植物冠层大气间的水热交换（即地表蒸发和湿热交换 ）；植物冠层中的水热迁移（叶百度文库向植物冠层大气的蒸腾和显 热交换）；冠层大气和参考高度大气层之间的水热交换。
1.2 MODS的变化规律 ① MODS耦合关系的一般特征 在地球特定的区域上，由基本要素所蕴涵的地质、地貌、气 候、水文、土壤、植被以及人为活动状况，是区分和判定耦合 关系及其类型的重要因素。 表1 MODS中各系统的特征和耦合关系
在MODS的耦合关系中，各系统之间有着十分密切的关系。 一般而言，地貌类型与气候特征决定耦合类型的基础和框架，水 文特征决定耦合类型的空间格局，植被类型反映耦合类型的外貌 ，土壤状况影响耦合类型的功能，人为活动制约耦合类型的演变 过程。 ② MODS的界面过程 在MODS中，系统之间存在着多种界面。以土壤与大气介 质为代表的相互作用界面更具有特色。土壤是一种具有复杂孔 隙系统的自然体，其中的孔隙为水和空气所充满，土一气界面 具有重要的生态学意义。土一气界面上的水分通量向上传递表 现为土壤水分的蒸发，向下则表现为水分的入渗。土气界面具 有相对简单和物理属性相对稳定的特征，
① 水热状况 在中国西部干旱区，特别是以天山、昆仑山、阿勒泰山和祁连 山等为依托的地貌构架，直接影响着干旱区的水热状况。 ②景观带谱 在干旱的背景下，气候条件和地貌格局的特异性，形成了干 旱区植被与土壤的地带性分布规律，分布规律在MODS的山地系 统中表现得尤为突出，构成了山地丰富多彩的垂直景观带谱 ③气候效应 干旱区的气候因子的差异必然导致植被类型和水文特征等的 差异，了解区域气候的特征和变化规律，总体上可以把握MODS 耦合特征 在中亚干旱区，气候效应与植被覆盖变化有直接联系，下垫 面生物和环境物理属性差异，在一定程度上也将影响局地或区域 性气候，建立气候系统和生物系统之间的相互依存和相互作用过 程的模式，可以更直接地了解区域NPP的变化以及生态系统的耦 合关系
第五章 生态系统对全球变化的响应
学习的目的与任务
弄清全球变化背景下MODS的特征与规律； 了解SPAC的理论与意义； 弄清流域生态系统对全球变化的响应机制与特征； 了解塔里木河流域生态系统的反馈机制；
弄清生物资源的概念及分类；
了解生物多样性与资源利用的关系； 初步了解不同生态系统生物多样性的结构与组成； 了解生物多样性现状及生物资源保护的意义。
③ 若干规律及特征 全球变化对于旱区资源环境的分布格局与时空变化造成了一 定程度的影响，制约了LUCC的趋势与过程，并通过水热状况、 景观带谱、气候效应、土地利用与人为活动表现出来；而上述特 征又与MODS具有密切的耦合关系 中亚干旱区气候具有暖湿化的特征，与我国北方地区气候干 旱化的趋势具有一定的差异性，这种响应机制制约了MODS的特 征与规律 系统的界面特征与界面过程，特别是水资源的形成、转化与 消耗规律直接反映了干旱区MODS对全球变化的响应过程 MODS的空间格局、动态变化、时空特点以及尺度转换与耦 合模式问题，反映了系统之间及其内部的生态学机制。
第一节 全球变化背景下MODS的特征与规律
一、水—气耦合研究的借鉴与启示
水—气耦台强调的是水文要素与大气要素之间复杂的联系， 从系统论的角度而言，宏观上更侧重于海洋系统与大气系统之 间的联系，在微观上即使在陆地系统内部亦存在诸多水一气耦 台的实例，土壤孔隙及土壤水分组成的微系统正是这种关系的 反映。 气候作为人类生存环境和重要的生产资源，其中光、温、 水、气等气象要素是物种进化，种群演替、景观与植被形成和 迁移等生态系统变化的重要驱动力 生态系统与气候系统通过地面与大气之间能量平衡、水汽 交换和生物地球化学循环相互作用、相互影响．
水分是生态系统中最为活跃的因 子，水分持续不断地循环和运动，维 系着生命体的生存和发展。
SPAC系统
SPAC是有几个系统组成的不同制度上的耦合系统，系统耦 合过程中存在着一系列的系统界面，植物与大气、土壤与大气 、土壤与根系、潜水层与土壤层等之间的多个界面，水分在 SPAC中运行时往往通过系统的界面来实现其过程。 2. 影响植物根系吸水土壤水分的主要因素 2.1 土壤因素的影响 土壤对植物根系吸水的影响主要包括不同土壤水力特性对于水 分在土壤、土壤-根系间传输的影响，以及不同的土壤物理特性对 于植物根系生长发育的影响 2.2 植物因素的影响 在SPAC系统的水流运移中，植物是联系土壤中优先的水源和 周围大气内具有无限容量的水分的主要环节 2.3 气象因子的影响 不断变化的气候条件，决定着植物对水分的需求，并由此而 调节了SPAC系统内部的水势梯度
3. SPAC系统的研究展望
SPAC系统的研究已达30余年，但依然是方兴未艾 SPAC系统的复杂性不仅在于自身，而且在于由点到面的尺度 扩展
四、MODS特征及规律
1. LUCC及其对全球变化的响应 1.1 MODS的一般特征 土地利用与覆盖变化的状况直接反映了区域性的响应特征， LUCC的过程及特征，与景观格局密切关联，指示区域性的环境 变化特征。 LUCC直接引起了植被外貌的变化，人类活动也自然成为影响 干旱区MODS耦合类型的重要因素。区域气候类型、土壤状况、 下垫面性状以及自然与人为因素的组合，都对MODS关系具有重 要影响。
一、流域生态系统的意义与作用
流域生态学或者河流生态学的发展，为人们探讨流域生态系统 的结构、功能与动态变化以及对全球变化的响应提供了重要的理 论依据与方法论的指导 生态系统管理作为生态学、环境学和资源科学的复合领域以 及自然科学、人文科学和技术科学的交叉学科已经成为当代科学 发展的热点。
二、流域生态系统对全球变化的响应 1. 玛纳斯河流域生态系统的演变
三、塔里木河流域生态系统反馈机制
1. 生态系统反馈机制的原理和特点
生态系统的反馈作用过程，是生态系统的固有属性。自1972 年，塔里木河下游大西海子断流以来，生态环境发生了劣变。塔 里木河流域的生态环境问题，是人类不合理地开发和利用水土资 源，导致相关生态因子的耦合关系改变，生态系统结构紊乱、功 能失调、稳定性失衡或降低的复杂过程。 在生物生长过程中，个体越来越大；在种群增长的过程中， 种群数量不断上升，这属于正反馈。正反馈虽然是有机体生长 、发育所必需的，但它不能维持系统的稳定状态 负反馈主要是指生态系统受到外界影响或干扰后，生态系统 通过一系列的自动调节功能，来减轻这种干扰或影响的程度， 并力图恢复到平衡或稳定状态的过程。
图2 人类活动影响下的生态系统反馈概念模式
生态系统反馈机制的建立是与熵的原理分不开的。流域生态 系统作为一个开放的系统，只要能够从外部环境得到足够的负熵 流以抵消内部的熵增，生态系统将形成耗散结构系统，并朝着进 化的方向发展。 塔里木河下游大西海子自20世纪70年代初断流以来，生态环 境发生了劣变，河道干涸、植被退化、风沙频繁、生物多样性减 少、土壤有机质和养分丧失，地下水位也发生了明显的下降趋势 表2 塔里木河下游断面地下水埋深变化 (输水工程前)