中国东北温带样带区域和景观尺度生态模型的研究

样带是沿全球变化某一驱动因素的主要梯度而设置的由一系列研究站点构成的区域，被认为是研究全球变化与陆地生态系统关系的最有效的途径。而模型研究是全球变化研究中不可或缺的手段。本文即采用模型研究方法研究中国东北温带样带(NECT)区域，试图揭示温带生态系统对于全球变化（尤其是降水）的反应机制。 中国东北温带样带（NECT)位于42°N - 46°N，108°E - 132°E，长约二千多公里，是最早被列入GCTE的四条样带之一，从东到西有明显的湿度梯度，被认为是温带区域研究水分梯度的代表性样带。本文研究主要集中在： 1．NECT中环境数据库的建立,本文采用EIS作为数据管理系统。由于EIS管理空间数据的特点是根据确定的地理坐标来提供空间定位，因而每一环境因子的属性值分布都有确定的地理坐标与其对应，特别适合于样带这种研究区域较大，同时又要求有精确空间定位的区域。NECT环境数据库包括地形、气候、植被、土壤、土地利用、水文、孢粉数据及社会经济等分库、本数据库力图提供各环境因子的各种属性值而代替仅仅提供类型值。 2．NECT中PFTs的划分PFTs的划分被认为是建立DGVM的前提。本文认为PFTs的划分是模型研究中一个尺度上升过程的结果，不同的尺度，不同的研究目标导致不同的PFTs的划分。在NECT区域中，考虑植被对全球变化中降水因子的不同反映机制，采用生活型、高度、耐旱特性、叶子大小、叶子季相、主根深度和木质化程度等指标根据- TWINSPAN和FCLUS进行划分，得到以下9种NECT区域中植被功能类型：常绿针叶树种、落叶针叶树种、落叶阔叶树种、落叶小叶灌木、落叶小叶半灌木、落叶强旱生半灌木、多年生中旱生草本、适应旱生环境的多年生草本和多年生强旱生草本。对NECT区域中PFTs的DCA分析表明降水是控制PFTs在NECT区域中分布的主要环境因子。在代表景观层次的长白山PFTs的划分中，则采用树种有记载的最大寿命、最大胸径、最大树高、各树种生长参数、树种自然分布区内>5℃的有效积温的最小值和最大值、耐阴、耐旱、喜肥特性、树种的扩散更新，就地下种更新和萌条更新能力参数及叶子大小和类型等指标采用上述软件得到的以下PFTs:即不耐荫阔叶树种、耐荫阔叶树种、耐荫针叶树种和不耐荫的阳生针叶树种。 3.NECT中BCM模型的建立和预测 本文认为土壤水是决定SPC系统水分状况的直接指标。而均衡土壤水分剖面代表了土壤水的多年平均状态，因而本文以Watershed模型为基础，模拟NECT区域中任意一点的均衡土壤水分剖面（精度为每经纬网格32×48个点）;然后根据这个均衡水分剖面用计算LAI子模型确定该水分剖面所能支持的LAI;进而根据这个LAI由Biome等模型划分出Biome在NECT中的分布。全球变化的结果将改变区域中任意一点的土壤水分状况，从而影响植被的LAI，进而导致Biome的改变。本模型成功的模拟了LAI和Biome在NECT区域中的分布，利用85-90生长季每月平均的NDVI作相关检验表明除5月份以外，相关系数都>0.7，而5月份也达到0,6457，都达到了极显著的程度。尤为重要的是，模型对于不同植被类型的NDVI与LAI的对应关系有良好的模拟，如针叶林的LAI在相同的NDVI值下明显比阔叶林小，因而模型模拟的LAI在NECT东部针叶林分布区LAI值比针阔混交林明显偏小，而与Spanmen等(1990)所提出的针叶林叶面积指数与NDVI关系非常一致。模型的预测显示：(1) T+20C (PET+15%)，Precipitation+20%，LAI总体上变化不大，且空间变化呈现复杂性，总体上表现出草原植被LAI减少，而森林的LAI增加;Biome层次表现出针阔混交林和矮草原面积扩大，针叶林和森林草原面积减少，其中对于该情形下变化最为明显的是针叶林和森林草原。NECT东部区域发育在沙性土上的植被的LAI明显增加，而科尔沁沙地植被的LAI则维持不变。(2)T+40C (PET+30%)，Precipitation+20%，LAI总体上将减小0.14，但空间分布不均。东部森林区域LA1将维持不变或增加（主要为针叶林），草原植被LAI仍表现出减少趋势;在Biome层次上则表现出草原面积的扩大。对于第一种情形下LAI有增有减的森林革原地区则表现出减小的一致性，总体来说，第二种情形比第一种情形表现出相当的干旱性。从对两种全球变化情形的反应来看，针叶林和森林草原是NECT中对全球变化驱动因子温度和降水的敏感植被类型;丽科尔沁沙地植被表现出相当的稳定性，表明该沙地的敏感性主要是由于人类活动这个因子造成的。 4.NECT中景观层次NPP模型的建立和预测 景观层次之所以成为模型研究中一个独特的层次，是由于地形效应的存在。地形效应对于水、热。营养物质的进行重新分配，从而进一步控制了生态系统的分布。本文选择NECT区域中森林生态系统的代表性分布小流域一二道白河小流域为研究区域。首先，应用Sunlight模型来模拟小流域任意一点所截取的能用于光合作用的太阳辐射能。Sunlight模型充分考虑了由于栅格的坡度、坡向和遮蔽度对可照时间和太阳直射辐射的影响以及坡度和可祝度对太阳散射辐射的影响，并提供了消除大气状况从站点观察数据推测的方法，即太阳直射辐射转换系数Rb和太阳散射辐射转换系数R，结合植被的分布特性，得到IPR在小流域中的分布。结果表明，IPR在小流域中相差不大，与高程呈正相关。进而利用温度修正模型得到温度修正系数，平均为0.446，表明温度对NPP的限制效应比较大;而水分修正系数则通过Topmodel模拟每一栅格的地下水位，由这个地下水位通过前述Waterbalance模型模拟均衡土壤水分剖面，进而求出水分修正系数，平均为0.86，表明该流域水分状况良好，水分状况对NPP的限制性不强。模拟结果显示：海拔1700m的岳桦林平均NPP为7.31t.ha-l年“两实测的NPP值分别为20.19 t.ha-l年 13.45 t.ha-l年‘1和5.15 t.ha-1年”。可见模型模拟的整个NPP的分布趋势与现实NPP分布一致。模型的预测表明：(1)．T+2℃( PET+15%)，P+20%时整个小流域的平均NPP将从14.60 t.ha-1年-1增加到16.65 t.ha_l年，且不同生态系统的增加幅度大致类似。以岳桦林生态系统稍高，增加幅度为15.3%，引起该小流域NPP增加的主要原因是温度状况的改善，而水分状况与变化前一致。(2)T+4℃( PET+30%)，P+20%的变化前景下NPP的增加幅度更大，整个小流域的平均NPP将达到18.63 t.ha-1年，且不同生态系统变化幅度不同．阔叶红松林、暗针叶林和岳桦林生态系统NPP增加幅度将分别达到25.8%，28.3%和32.8%.引起整个小流域NPP增加的主要原因仍旧是温度状况的大幅度提高，平均从变化前的0.477提高到0.610，而水分状况则仍保持相当的稳定性。

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。

中国东北样带孢粉-植被的定量关系及古生物群区的反演

基于中国东北样带（NECT）30个植被样方调查和表土孢粉资料，从个体、群落水平研究了孢粉－植被关系，结果表明，孢粉类型与植被关系密切，在 ＝ 0．05的显著性水平上，相关系数大于0．5;表土孢粉组合与植物群落间有较大的相似性，相似系数大于50％。采用定量描述花粉与植物关系的参数：联合指数（association）A、超代表性指数（over-representation）O、低代表性指数（under-representation）U、相关系数（correlation coefficient）C和代表性系数（representation coefficient）R等值，应用TWINSPAN分类、PCA排序和回归分析，把表土花粉类型划分为4类：具代表性类群组Group1，它们能正确反映植被;超代表性类群组Group2，它们常具有高花粉值与植被不成比例;低代表性类群组Group3，它们的花粉很难分离提取;以及低代表性类群的Group4，其花粉在土壤地层中较常见;指出一些常见花粉类型：松（Pinus）、桦（Betula）、栎（Quercus）、椴（Tilia）、槭（Acer）、榆（Ulmus）、蒿（Artemisia）、藜（Chenopodiaceae）、禾本科（Gramineae）和莎草科（Cyperaceae）的回归参数在东部森林区和西部草原区是有变化的，因此回归参数在应用于古植被恢复中要注意适用范围。 以Biomization模型为基础，根据植物的生理生态特性，定义了NECT孢粉类型的植物功能型（PETs）各种生物群区（Biome）的PFTs组合，构建了经表土孢粉检验的适用于NECT的以孢粉数据为驱动的模型框架，该模型模拟的生物群区与其化指标（气候、植物生理、土壤等）模拟划分的BIOME（Holdrige, BIOME3）是可比的，与植被类型有较好的对应性。 根据29剖面（986个样品）的孢粉数据，重建了NECT 6 kaB.P以来的生物群区。从时空二方面阐述了NECT6kaB.P以来生物群区的分布特点： （1）6ka B. P是一暖湿期，气温比现在高1～4℃，降水比现在多50％。落叶阔叶林分最广，面积最大。森林草原、落叶阔叶林、针阔混交林向西延伸最远。 （2）5ka B. P 是一降温期，气温比现在低2℃，降水多30％。有苔原、寒温带针叶林分布。 （3）4ka B. P是一暖湿期，气温比现在高1～2℃，降水比现在多50％。针阔光林和森林草原有最大分布面积。 （4）3Ka－2kaBP的气温与现代相似，降水比现在多20％左右。与4Ka B. P相比，森林和森林草原过渡带都向东移动。 （5）1Ka B. P的气温与现代相似，降水比现在多10％左右。草原向东大幅度扩张，森林分布面积减小。 （6）东部森林，中部森林草原，西部草原的分布格局的3Ka B. P基本确定，此后随着气候的不断变干冷，草原向东扩张。 （7）森林向扩张最大距离的时期发生在6Ka B. P，此时也是森林草原向西扩张最远时期。落叶阔叶林、针阔混交林、森林草原向西移动最大距离的时间是6Ka B. P，草原向西移动最远距离的时期发生在3Ka B. P。

全球气候变化条件下新疆天山云杉林生长的分析与模拟

气候变化对人类赖以生存的陆地生态系统尤其是森林会产生很大的影响。本论文选择新疆天山东部的伊吾、中部的天池和小渠子、西部的昭苏四个代表性样点，利用BIOME-BGC模型和树木年轮分析方法探讨1961 ~ 2000年间气候变化和大气CO2浓度增高对天山北坡地带性植被天山云杉林（Picea schrenkiana）生长的影响，并利用BIOME-BGC模型预测未来气候变化条件下天山云杉林生产力的可能变化。 利用BIOME-BGC模型模拟了当前气候和CO2浓度条件下四个研究样点净初级生产力（NPP）特征。比较BIOME-BGC模型模拟值与实测NPP、树木年轮指数，结果表明该模型适用于天山北坡天山云杉林的模拟研究。 以BIOME-BGC模型模拟的NPP和树木年轮宽度指数作为生长指标，分析了天山云杉林过去40年的生长特点和趋势。结果表明近40年来天山云杉林生长总体上呈现上升趋势，尤其是自1987年以后，变化幅度更大。天山云杉林的生长对气候变化的反应很敏感，年降水量与当年的NPP呈现显著正相关关系（R=0.774 ~ 0.882，P < 0.001）。年降水量与树木年轮宽度指数也呈现出相似的相关关系，但相关系数相对较小（0.305 ~ 0.544），其中只有昭苏和小渠子样点达到显著水平。在昭苏和伊吾，年平均温度与对应年份的NPP相关关系微弱，相关系数仅分别为0.036和0.159。而天山中部的小渠子和天池年平均温度与对应年份的NPP呈显著负相关关系（相关系数分别为-0.324和-0.322;P <0.05）,这可能是由于温度的升高加剧水分胁迫，导致NPP下降。年平均温度与树木年轮宽度指数的相关关系与NPP的基本一致。同时，年平均温度也表现出比较强的滞后效应,尤其是滞后两年的效应，这可能是由于温度的升高，加速养分循环产生施肥效应，从而间接促进天山云杉林的生长。近40年来，大气CO2浓度的增高对天山云杉林生长具有一定促进作用，NPP升高的幅度为1.85 ~ 4.51%,根据树木年轮估算大气CO2施肥效应β相对比较小,仅为0.133。进一步分析表明大气 CO2浓度主要是通过提高水分利用效率的途径促进天山云杉林生长。 利用RegCM2区域气候模式模拟的大气CO2倍增时（大约2070年）的气候变化情形作为输入参数，应用BIOME-BGC模型预测了在未来气候状况发生改变，而大气CO2浓度没有变化的情况下（C0T1P1），天山云杉林的NPP增长幅度为13.33 ~ 29.11%,其中对东部伊吾NPP的促进作用最大，其次是中部的小渠子和天池，而对西部昭苏NPP的影响最小;结合当前气候条件和大气CO2浓度加倍情形（C1T0P0），模拟结果表明NPP在比较温暖的天山中部和西部将会有所增加，增加幅度为1.17 ~ 8.62%，而在寒冷的东部伊吾，NPP则会下降2.50%, CO2的施肥效应表现出很大的温度依赖性;结合气候变化和大气CO2浓度加倍情形（C1T1P1），模拟结果表明NPP的增加幅度将会上升为26.43 ~ 37.24%，温度、降水和大气CO2浓度对NPP的影响存在较强的交互作用。 研究表明树木年轮真实记录了树木在自然条件下长期的生长特征，是验证生态系统模型比较理想的材料之一。生态系统模型可以从机理上对生态系统的生物物理过程以及影响因子进行分析和模拟。本研究利用生态系统模型与树木年轮方法相结合很好地揭示天山云杉林的生长与全球气候变化之间的相互关系。同时，研究表明未来气候变化有利于天山云杉林的生长，天山云杉林可能会成为一个重要的碳汇而在碳循环研究中倍受关注。

沿水分梯度草原群落NPP动态及对气候变化响应的模拟分析

水分条件不仅影响半干旱区群落的组成，而且在一定程度上决定了群落的功能。处于不同水分条件生境下群落的优势物种在水分利用和同化物利用效率方面的功能特征会存在差异，这些差异将导致群落对于气候变化产生不同的响应，进而影响到景观和区域尺度上对于全球变化下碳动态和格局的分析。本研究选取了锡林河流域典型草原区沿水分梯度的四个代表群落，在野外实验测定并结合长期定位研究成果基础上，利用BIOME-BGC模型对代表群落的长期净初级生产力(NPP)动态进行了模拟和模型验证。通过分析该地区1953~2005年气候变化趋势，推测了未来可能的气候变化情景，进而模拟了气候变化下四个群落长期NPP动态的响应。 野外实验分析表明，在四个群落中，净光合速率与光合有效辐射呈单峰曲线关系，与温度和蒸气压亏损(VPD)成反比，叶片氮含量和比叶面积也会影响到光合能力。四个群落由于水分与土壤条件的差别，净光合速率随VPD与温度的变化表现出不同的增减幅度。将日变化分为四个阶段，分别为大致在6:00~8:00左右的低温高湿阶段，10:00~16:00的高温低湿阶段，16:00以后的低温低湿阶段和低温高湿阶段变为高温低湿阶段过程中的适温适湿阶段。在每个阶段中，影响羊草光合速率的主导因子是不同的。在不同的水分与土壤状况下，羊草的光合特性表现出明显差异，但总体说来水分仍是光合作用的主导因子。 模型模拟结果表明，当前气候条件下，羊草群落NPP平均值为197.76 gC m-2 (SE=7.11)，大针茅群落NPP平均值为198.95 gC m-2 (SE=6.41)，贝加尔针茅群落NPP平均值为210.41 gC m-2 (SE=7.87)，克氏针茅群落NPP平均值为144.92 gC m-2 (SE=4.64)，四个群落NPP平均值为188.01 gC m-2 (SE=3.72)。 日最高温度与最低温度在1953~2005年间都明显增加，而降水变化很大。温度增加下(P0T1)NPP平均下降14.2%，降水增加下(P1T0)NPP平均增加13.2%，温度与降水都增加情景下(P1T1)NPP平均下降2.7%。在半干旱区，降水是NPP变化的主要限制因子，而温度通过影响了植物的呼吸与蒸散作用对NPP产生影响。 由于生境水分条件差别和优势物种功能特征差异，四个群落在气候变化中表现出对温度与降水不同的敏感程度，这与水分胁迫系数WSI、碳胁迫系数CSI变化密切相关。克氏针茅群落由于所处生境水分条件差，水分胁迫系数高，对降水的依赖程度最大;贝加尔针茅群落一方面处于较好的水分生境，具有相对较小的水分胁迫系数，另一方面，由于具有高碳氮比，维持呼吸消耗的光合产物比例低，碳胁迫系数远低于其它三个群落，未来气候变化下NPP较其它三个群落仍较高。

中国西部亚热带常绿阔叶林木本植物小枝功能生态学初步研究

常绿阔叶林以其富饶的生物资源、丰富的生物多样性和巨大的生态与环境效益引起了人们越来越大的重视，它的研究已成为国际植被科学界关注的主题之一。我国分布着世界上面积最大的亚热带常绿阔叶林，在世界植被中具有重要地位，它的分布表现出明显的地带性差异，存在着多样的植物群系及其对应的气候特征。但是在植物功能性状领域，与全球范围其它生物群系相比，常绿阔叶林物种的研究较少，其功能性状间、功能性状与环境间的关系尚不清晰。 本研究以常绿阔叶林木本植物的当年生小枝为对象，试图从小枝水平上的生物量分配格局、叶片大小与数量的权衡关系、小枝茎的构型效应、叶片元素化学计量学，以及小枝大小的成本与效益分析等方面，较为系统地揭示小枝水平上的植物功能性状间及其与气候间的关系。因此，在华西雨屏带内部的不同纬度设置峨眉－青城－雷波－平武的温度梯度进行比较，并对有降水差异的川西南偏湿性（雷波）与偏干性常绿阔叶林（西昌）进行对比研究，同时在不同山体进行不同海拔梯度的比较研究。 本文主要研究结果如下： （1）小枝生物量分配格局叶水平上，叶片重－叶柄重（Y轴vs.X轴,下同）呈斜率小于1的异速生长关系，表明叶柄对叶内部的生物量分配影响显著。小枝水平上，叶和茎的生物量以及它们与小枝总生物量间基本呈等速生长关系，表明大的小枝或大叶物种不一定在叶生物量的分配上占优势。不同生活型间，在小枝或者茎的生物量一定时，常绿物种叶片的生物量比例较落叶物种稍高。与温度和水分较优越（峨眉及其低海拔）的生境相比，在相对低湿（螺髻）与低温（平武）的生境中的植物会减少对叶的投入而增加对支撑部分的投资比例。 （2）小枝叶片大小与数量的权衡无论是不同气候带还是不同生活型以及不同海拔梯度，叶片大小与出叶强度基本都是呈负的等速生长关系，表明了叶片大小－数量在小枝水平上的权衡。在不同气候梯度的对比中，叶片数量（出叶强度）一定时，高温和高水分生境（峨眉）比低温（平武）和低湿（螺髻山）生境中的物种的叶片大小（质量和面积）更大，表明不同生境的比较中，小的叶片可能具有较高的出叶强度和更高的适合度收益。“出叶强度优势”（Leafingintensitypremium）假说可能不适宜解释不同生境物种叶片大小差异。 （3）小枝茎的构型效应虽然茎长和茎径与叶片大小都呈正相关关系，与出叶强度都呈负相关关系，但茎长/茎径比与叶/茎生物量之比呈负相关关系；与叶片的大小呈负相关关系，与出叶强度呈正相关关系。这说明小枝构型能影响小枝叶/茎生物量分配和叶大小－数量的权衡关系。其影响机制可能是小枝内部的顶端优势。另外，茎长/茎径比在低湿和低温等不利生境中的植物中较高，而在降水和温度较适宜环境中较低。 （4）叶片C、N、P化学计量学N含量和P含量，C/N比和比叶重（LMA,leafmassperarea）呈正的等速生长关系，而N和LMA，P和LMA呈负的等速生长关系。在LMA一定时，C/N比随着生境胁迫压力的增加而降低，N、P含量随着生境压力的增加而增加。在P含量一定时，N含量随着生境压力的增加而降低，即N/P比在生境条件较优（峨眉及其低海拔）时较高。常绿和落叶植物叶片的N/P比没有差异，在LMA一定时，常绿植物的N、P含量较高、C/N比较低。总之，植物的C、N、P化学计量学特征受叶片属性如LMA与气候，及其相互作用的影响。 （5）小枝大小的代价与效益分析、TLA与小枝总重总叶面积（TLA,totalleafarea，Y轴，下同）与总叶重（X轴）均呈斜率小于1的异速生长关系，TLA与小枝横切面积呈斜率为1的等速生长关系。表明叶片面积的增加总是小于叶重和小枝总重的增加，随着小枝的增大，它的叶面积支撑效率下降。在热量和降水优越的生境（峨眉及其低海拔）中，相同小枝重或者相同茎横切面积的小枝，其叶面积支撑效率较低湿与低温环境下（螺髻山、平武及高海拔）的高。 总体上，本文初步研究了小枝水平上可能存在的以下三种权衡关系：叶－茎生物量分配权衡；叶片大小－数量的权衡；小枝茎长－茎径的权衡关系，以及气候要素等对这三种权衡关系的影响。在此基础上，我们还讨论了这些权衡关系的可能形成机制，及其与物种生态适应的联系。本研究丰富了生活史对策中关于权衡关系的研究内容，为我国常绿阔叶林功能生态学研究积累了材料。 Evergreen broad-leaved forests are attracting much more attention from vegetation ecologists than ever before because of their abundant nature resource and biological diversity, and also great ecological benefits. China has the largest distribution of subtropical evergreen broad-leaved forests (temperate rainforests) that are typical and representative in the world. The forests span over more than ten degrees in latitude and more than 30 degrees in longitude, providing an ideal place to study plant functional ecology, i.e., the climatic effect on plant functional traits and the relationship between the traits. However, relative to the other biomes, there are few studies addressing functional ecology of the plant species from subtropical evergreen broad-leaved forests. In this study, I focused on the leaf size-twig size spectrum of the woody species of subtropical evergreen broad-leaved forests in southwestern china. I collected data on leaf size and number, twig size in terms of both mass and volume, and stem architecture from five temperate mountains, and then I analyzed the relationships between leaf and stem biomass and between leaf size and number, the effect of stem length/diameter ratio on biomass allocation and on the relationship between leaf size and number, leaf C:N:P stoichiometry, and the twig efficiency of supporting leaf area in relation to twig size. I also addressed the climate effect on the spectrum. The temperature gradient from warm to cool sites was represented by Emei Mountain, Qingchengshan, Leibo, and Pingwu, and the rainfall gradient was assumed to emerge from the comparison between Leibo (High) and Luojishan (Low). In addition, altitudinal effects were analyzed with comparisons between low and high altitudes for each mountains. My main results are as follows. Isometric relationships were found between leaf mass and twig mass and between lamina mass and twig mass, suggesting that the biomass allocation to leaves or laminas was independent of twig mass. Petiole mass disproportionably increase with respect to lamina mass and twig mass, indicating the importance of leaf petioles to the within-twig biomass allocation. In addition, the investigated species tended to have a larger leaf and lamina mass, but a smaller stem mass at a given twig mass at favorable environments including warm and humid sites or at low altitude than unfavorable habitats, which might be due to the large requirements in physical support and transporting safety for the species living at unfavorable conditions. Moreover, the evergreen species invested more in leaves and laminas than the deciduous at given stem or twig biomass within any specified habitats. Negative, isometric scaling relationships between leaf number and size broadly existed in the species regardless of climate, altitude, and life forms, suggesting a leaf size/number trade-off within twigs. Along the climatic gradients, at given leaf number or leafing intensity, the leaves were larger in the favorable environments than the poor habitats. This suggested that the fitness benefit gained by small leaves could be larger than that with high leafing intensity in the stressful sites. I concluded that the “leafing intensity premium” hypothesis was not appropriate to interpreting between-habitat variation in leaf size. Both stem length and diameter were positively correlated to leaf size but negatively correlated to leafing intensity. The ratio of stem length to diameter was negatively correlated to leaf mass fraction, and it was negatively correlated to leaf size but positively correlated to leafing intensity. This suggested that the stem architecture influenced twig biomass allocation and the relationship between leaf size and number. The mechanism underlying the architectural effect might lie in the apical dominance within twig. Moreover, the ratio was greater in unfavorable habitats but smaller in favorable environments. Positive, isometric relationships were found between N and P contents per leaf mass, and between C/N ratio and leaf mass per area (LMA), but N and P contents scaled negatively to LMA. C/N ratio decreased but N and P increased with increasing habitat stress at a given LMA. N content declined with increasing habitat stress at given P content. These indicated that N/P and C/N were higher but LMA was lower in favorable habitats than in the other circumstances. The evergreen and deciduous species were non-heterogeneous in N/P, but the evergreen species have higher N and P contents and lower C/N than the deciduous ones. In general, C:N:P stoichiometry were related to both climatic conditions and other important functional traits like LMA. Total leaf area (TLA) allometricly scaled to leaf mass with a slope shallower than 1, similar to the relationship between TLA and total twig mass (leaf mass plus stem mass), suggesting that TLA failed to keep pace with the increase of leaf mass and twig size. However, TLA scaled isometricly to twig cross-sectional area. Thus, it could be inferred that the twig efficiency of displaying leaf area decreased with increasing twig size. In addition, the efficiency at a given twig size was large in favorable than unfavorable habitats. In general, in this preliminary study, I studied three tradeoff relationships within twigs, i.e., between leaf and stem biomass, between leaf number and size, and between stem length and diameter, as well as the climatic effect on the relationships. I discussed the mechanisms underlying the tradeoff relationships in view of biophysics and eco-physiology of plants. I believe that this study can serve as important materials advancing plant functional ecology of subtropical forest and that it will improve the understanding of life history strategies of plants from this particular biome.

气候变化对森林演替的影响

森林演替是森林生态动力源驱动下森林再生的生态学过程 ,自 2 0世纪初建立群落演替理论以来 ,演替研究成为生态学研究中的热点 .客观准确地认识森林演替规律 ,研究森林演替动力学机理及其模型 ,是科学管理森林生态系统的需要 ;对于天然林保护工程与森林植被的恢复重建 ,具有重要的理论与实际意义 .干扰是森林循环的驱动力 ,导致森林生态系统时空异质性 ,是更新格局和生态学过程的主要影响因素 .它可改变资源的有效性 ,干扰导致的林隙是森林循环的起点 .回顾了目前演替研究的几种方法 ,即马尔科夫模型、林窗模型 (GAP)、陆地生物圈模型 (BIOME)和非线性演替模式 .介绍了气候变化对森林演替的影响 ;并在已有成果的基础上 ,提出了目前研究存在的问题及未来的发展方向 .

不同类型生态系统水热碳通量的监测与研究

亚太地区环境革新战略项目(APEIS)在中国5种主要生态系统类型区(草地:海北、耕地:禹城、稻田:桃源、林地:千烟洲、荒漠:阜康)建立了一个以连续观测能量、水分和碳素通量为中心,包括气象、水文、土壤、植被等各项生态要素的监测网络系统,被称之为APEIS-FLUX系统.作者首先对APEIS-FLUX系统的观测数据进行了初步分析,表明该系统稳定可靠,它可以实时地提供高质量、高精度、长期而连续的通量及生态要素的观测数据.对数据的比较清楚地反映出了不同生态系统类型区的水热碳通量的差异性.其次,利用APEIS-FLUX数据对美国航空航天局(NASA)的MODIS数据产品进行比较验证后发现,除部分产品如地表面温度(MOD11)等与观测数据较吻合以外,大部分数据产品如土地覆盖(MOD12),叶面积指数(MOD15)和光合速率与净第一性生产力(MOD17)等都与观测数据相差深远,有必要对其处理程序和模式进行修正.为此,我们利用APEIS-FLUX的数据作为MOD15和MOD17的生成模型(BIOME-BGC)的输入数据,并对该模型的有关参数进行了修订.结果表明,该模式在通过修正后,可以很好地模拟植被的生长过程及其相应的水热碳循环过程.