全球变化的植被——环境相关性：中国和东北样带（NECT）研究

全球变化与陆地生态系统(GCTE)的研究一直是国际地圈一生物圈计划(IGBP)．全球变化研究的焦点之一，其中植被与环境，尤其是气候的关系研究，虽然古老却又包含许多新的涵义，而陆地样带(Terrestrial Transect)则是近年来发起于GCTE，并拓展到IGBP其它核心项目的研究热点．博士后研究的主要工作有：将全球变化作为主线，以单个树种青冈(Cyclobalanopsisgtauco)为对象，研究其过去、现在和将来的地理分布与气候的关系;分别利用气温和降水指标，拓展Kira指标形成生物热量指数和干湿度指数，以及建立水热积指数，在宏观尺度上研究了中国植被与气候的关系;结合生物群区和植物功能型概念的发展以及生物多样性的研究，进行了以生物多样性保育为目的的我国生态地理区划;在熟悉IGBP陆地样带的科学计划并总结其最新发展动态的基础上，分析了中国东北样带的基本生态地理特征;最后，粗略分析r生物性多样保育与自然保护区建设和管理的关系问题。 1.植被一环境（气候）分类：指标、系统和模型 植被一气候关系是一个古老的命题，但在当今的全球变化研究中成为最基础和最具活力的工作。从单一因子的或多因子简单组合的分类指标，如Koppen，Box指标等，到以可能蒸散为基础的综合分类指标，如Penman，Thornthwaite, Holdridge，Budyko，Kira指标等，科学家们发展了众多的植被一气候分类系统和模型，如Koppen．Thornthwaite，Holdridge. Kira. Box. Neilson.Woodward, Budyko, Prentice系统，以及Holdridge，Uvardy，Matthews. Olson. Bailey．Woodward.Prentice. Box模型，为现今植被一气候关系的研究以及全球变化对陆地生态系统的影响，和大气C02增加对潜在植被变化的响应预测奠定了良好的基础。 2.基于物种的植被一气候关系研究：中国青冈的地理分布与气候的关系 在广泛收集青冈[Cyclobalanopsis glauca (Thunb.) Oerst.]地理分布资料的基础上，利用目前国际上比较流行的研究植被与气候相互关系的指标和方法，包括Kira的水热指标、Penman的公式、Thomthwaite的指标和气候分类、Holdridge的生命地带分类系统指标， 以及年平均气温(TEMP). 1月均温(Tl)、’7月均温(T7)、极端最高气温(TMAX)、极端最低气温(TMIN).≥10℃积温(AT)和年降水量(PREC)，研究了青冈在中国的地理分布与气候的关系，讨论了青冈垂直分布的上限、下限以及北界的Kira热量指标状况。根据孢粉资料和历史文献，探讨r历史时期青冈在中国大陆的分布与变迁及其与气候的关系，并利用Holdridge生命地带分类系统指标预测了C02浓度倍增条件下中国青冈分布区的可能变化。 3.宏观尺度上的中国植被一气候关系 1）用气温、降水指标研究中国植被一气候关系 能够在气象台站直接、方便地测试到的年平均气温、降水量指标，与其它水热气候因子有显著的相关性，用它们来研究中国植被与气候的关系是可行且有用的。利用全国689个气象站点的气象记录，计算得出了中国各植被地带、亚地带的年平均气温，年降水量指标和温雨系数，利用生态信息系统EIS作出了各气候指标在中国的分布，并将年平均气温和降水量作散点图，均较好地表现了中国各植被类型与气候指标的关系和格局。总结可得中国各植被地带的气候指标范围及界限。综合孢粉，古生物等资料信息，前人确定在全新世中期中国存在一个大暖期，其中稳定暖湿的鼎盛阶段在7.2—6,0 Ka．B.P.，其时中国境内大部分地区的年平均气温比现在高2℃左右，年降水平均高于现在100 mm，通过数学处理，利用生态信息系统恢复重建了全新世大暖期中国大陆的气温和降水分布状况．参考孢粉、古植物和他人研究资料及现代植被气候关系，恢复编制了大暖期鼎盛阶段中国大陆的植被区划图，与现代植被区划相比较，东部各个植被带在大暖期盛时表现出明显的北迁，温带植被的迁移幅度大于亚热带和热带植被;西部的植被带出现了经向西迁，西北部的草原范围扩张，荒漠缩小;青藏高原地区高寒半荒漠和荒漠植被的范围大大缩小，而且植被带仍有不同程度向北迁移的表现。这可为预测与阐明未来的气候变化和植被变迁提供有力的证据． 2）KIRA指标的拓展及其在中国植被与气候关系研究中的应用 根据Kira以月平均气温5℃为界的热量指数和干湿度指数概念，提出了以月平均气温10℃为界的生物热量指数，包括生物温暖指数BWI和生物寒冷指数BCI，并修正其干湿度指数为生物干湿度指数BK。利用中国689个标准气象台站的资料，分析我国主要植被类型分布与热量因子和干湿度因子的关系，得出两者之间有较好的相关性，生物温暖指数、寒冷指数和干湿度指数的散点图，较好地表现了中国各植被类型与气候指标的关系和格局。并得出中国各植被地带的气候指标范围及界限，以1 0℃为界的生物温暖指数不仅对我国森林植被的地理分布和温度气候带的划分具有较好的指示作用，而且对西南部高山、亚高山地区的植被与气候关系指示性较强;生物寒冷指数则对亚热带和热带的指示性很好，能够较好区分亚热带南部及热带地区;由热量指数和降水量综合得出的生物干湿度指数，对中国西北部干旱、半干旱区以至全国的植被分布与水分、热量因子的关系分析有较好的应用价值。 3）水热积指数的估算及其在中国植被与气候关系研究中的应用 试图利用大气年平均气温、年降水量、可能蒸散和土壤水分平衡之间的关系建立一个水热积指数，并应用年平均气温．水分盈亏值和水热积指数三个气候变量来限定植物群落组合，构成一个圆形的生命-气候图式．根据全国689个标准气象台站的气候资料，计算了中国8个植被地带和26个亚地带的年平均气温、年水分盈亏和水热积指数，绘制了各气候指标在中国的分布图及散点图，较好表现了中国各植被类型与气候指标的关系和格局，包括寒温带针叶林、冷温带针阔叶混交林、暖温带落叶阔叶林、亚热带常绿阔叶林、热带雨林和季雨林、温带草原、温带荒漠、青藏高原高寒植被，并得到了中国各植被地带的气候指标范围及界限。通过分析可以看出，年平均气温的等值线较好地反映了中国大陆的热量梯度，经度和纬度方向的区分均较明显;土壤水分盈亏曲线的等值线则比较零乱;综合了热量和水分差异的水热积指数，其等值线与热量梯度和水分梯度均有一定的对应性，与植被类型的对应也较好。这是在宏观尺度上进行的植被与气候关系研究的一种尝试，有待于增加机理性的内容，使其得到进一步的改进。 4.生物多样性保育和全球变化研究中的陆地生物群区类型 Biome(生物群区)是当今生物多样性保育和全球变化研究中的一个重要概念，根据此概念及植物功能型概念的发展，评述了9个重要的世界陆地生物群区分类系统，并根据中国的植被分类和区划，尝试划分了在中国的生物多样性保育和全球变化研究中所需要的陆地生物群区类型。 5.中国生物多样性的生态地理区划 利用各种生态地理因子，包括气候指标如与植物耐寒性有关的绝对最低温度(TMrN)，最冷月平均气温(TJAN)，最冷月日平均温度的最大值(MXT)和最小值(MIT);与需热性有关的植物生长季积温(AT);年降水量的季节分配，包括最冷月降水(PJAN)，最热月降水(PJUL)，年降水量，年降水的统计标准差(PSD)和变异系数(年变率PCV);植被指标如植被类型(VEGET)、，植被区划类型(VEGED)、植被的净第一性生产力(NPP)、植物区系类型(FLORA)、动物区系类型(FA UNA).植物特有属的丰富度(EDGENUS)以及度量植物多样性的植物种丰富度(属数GENUS、种数SPECIES);土壤指标如土壤类型(SOILT)，土壤理化性质如土壤酸碱度(SOILPH)、土壤表层阳离子交换量(SOILEXC)等;地形和地貌特征如经度(LONG)、纬度(LAT)和海拔高度(ALT)，利用模糊聚类的手段，综合进行了中国生物多样性的生态地理区划。采用四级区划，即：生物大区(biodomain) -生物亚区(subbiodomain) -生物群区(biome) -生物区(bioregion).全国划分为5个生物大区，7个生物亚区和1 8个生物群区。 I北方森林大区 I A欧亚北方森林亚区 I Al南泰加山地寒温针叶林 IA2北亚针阔叶混交林 II北方草原荒漠大区 II B欧亚草原亚区 II Bl内亚温带高草草原 II B2黄土高原森林草原（灌木草原） il C亚非荒漠亚区 II Cl中亚温带荒漠 ⅡC2蒙古／内亚温带荒漠 III东亚大区 III D东亚落叶阔叶林亚区 m DI东亚落叶阔叶林 III E东亚常绿阔叶林亚区 III El东亚落叶•常绿阔叶混交林 III E2东亚常绿阔叶林 ⅡI E3东亚季风常绿阔叶林 III E4西部山地常绿阔叶林 IV旧热带大区 IV F印度一马来热带森林亚区 IV Fl北热带雨林、季雨林 IV F2热带海岛植被 V亚洲高原大区 vG青藏高原亚区V Gl青藏高寒灌丛草甸V G2青藏高寒草原V G3青藏高寒荒漠V G4青藏温性草原V Gs青藏温性荒漠IGBP陆地样带：科学计划与最新进展 作为国际地圈一生物圈计划(IGBP)的交叉项目(Interproject)的陆地样带(Terrestrial Transect)，已成为IGBP的全球变化研究中最引人重视的发展和新研究方法之一。它以一系列综合性的全球变化研究计划为基础，是由沿着一个主要全球变化驱动因素（如温度、降水、土地利用强度等）的梯度上的一系列研究站点所构成研究区域，并配合以模型模拟和综合分析，其地理范围为1000 km或更大的长度，数百公里的宽度，以涵盖大气环流模型(GCM)运作的最小单元。本节论述了IGBP陆地样带的概念和研究的意义，样带的类型、一般设计和选择标准，国际上IGBP样带的初步设置，包括①经受土地利用变化的潮湿热带系统;②从北方森林到冻原的高纬度地区;③从干旱森林到灌丛的半干旱热带地区;④从森林或灌丛过渡到草地的中纬度半干旱地区，以及其它的一些样带和PAGES核心计划中的PEP样带，主要内容有样带设置的原因、研究内容和主要样带特点等，并总结了样带的最新研究进展和动态． 6.中国东北样带(N ECT)的生态地理特征分析 陆地样带研究已成为国际地圈-生物圈计划(IGBP):全球变化研究的重要手段与热点。中国东北森林-草原样带(NECT)已被列为IGBP国际全球变化陆地样带之一。该样带在东经1120与130030’之间沿北纬43030’设置，长约l 600 km，是一条中纬度温带以降水为驱动因素的梯度，具有由温带针阔叶混交林向温带草原的3个亚地带：草甸草原、典型草原与荒漠草原过渡的空间系列。本文给出了样带的基本生态地理特征及其梯度分析，包括其地理位置、设置意义、地形地貌、气候梯度、土壤类型、土地利用格局、植被类型、主要优势种和群落类型的生态地理特征以及全新世适宜期（大暖期）的植被分布格局。NECT将成为我国全球变化与陆地生态系统(GCTE)与其它IGBP核心项目研究的前沿阵地。 7.自然保护区的作用、建设和管理及其与生物多样性的关系 一般而言，“就地保护”是保护生物多样性的主要措施和最根本的途径，生境的“就地保护”是生物多样性保护最为有力和最为高效的保护方法，而就地保护的措施就是建立自然保护区，通过对自然保护区的建设和有效管理，使生物多样性得到切实有效的人为保护。从自然保护区定义和类型划分及生物多样性的定义本身可以看出，自然保护区的主要保护对象是世界上丰富多彩的生物多样性，自然保护区是生物多样性就地保护的重要基地，是物种多样性的基因库，是留给野生动植物的宝贵栖息地，应把保护区的建设和生物多样性的保护与持续利用密切结合起来，合理开发利用自然资源，促进生物多样性的可持续发展。