第四章全球变化的区域特征ppt课件.ppt

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,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(gaseous iype) 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(sedimentary type) 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, 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, 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,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，多样性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； 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； 多样性是指在相距更远地点或群落中种类的不同，它是，多样性的总和或用公式表示： * 。在文献中，除非特别说明，一般指多样性。,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、功能机制和时间动态方面的多样化程度从生态学研究的尺度而言，生态系统多样性构成了景观多样性的主要内涵，从多样性的原理而言，景观多样性包括了所有其他层次的多样性。,1. 景观多样性概念,景观多样性是景观要素丰富性及其分布特性的综合反映，它与景观中各种环境因子有密切关系各种景观要素斑块交错分布，有机地结合在一起就形成了景观镶嵌体，镶嵌结构是景观的最主要特征之一，景观镶嵌体的格局特征反映了各景观要素的特征，也反映了景观要素之间的相互关系，同时反映了景观本底空间差异,2. 景观多样性特征,四、生物多样性与全球变化,1. 生物多样性的主要成因,地质历史环境异质性与资源多样性 生物种间关系 种的生态位幅度,2. 生物多样性与全球变化,生物多样性首先提供给人类的基本服务是食物、净水、娱乐；其次是维持全球气候系统稳定的重要因素；第三亦是区域生态环境安全与否的标志从一定意义上讲，维护了生物多样性就是维护了生态安全。,第三节 MODS格局下干旱区典型区域LUCC特征,MODS是指：干旱区山地一绿洲一荒漠系统(MODS),一、土地利用/覆盖变化研究进展,二、干旱绿洲LUCC研究进展,干旱区MODS所蕴含的地貌、气候、水文、土壤、植被特征，直接影响着LUCC的特征,LUCC研究涉及到一系列的基础信息问题，在揭示LUCC变化的过程与机制等方面需要一定精度的LUCC基础数据，否则，难以揭示其发生的驱动力，也不可能深入研究LUCC及其影响,1. 绿洲LUCC信息提取与监测,2. LUCC的驱动力,LUCC的驱动力包括自然驱动力，也包括社会驱动力气候、土壤、水文被认为是主要的自然驱动力；社会经济因素可分为直接因素和间接因素，间接因素包括人口变化、技术发展、经济增长、政经政策、富裕程度和价值取向6个方面，它们通过直接因素作用于土地利用后者包括对土地产品的需求、土地的投入、城市化程度、土地利用的集约化程度、土地权属、土地利用政策及土地资源保护的态度等,3. LUCC的模型研究,LUCC模型研究有助于人们科学认识特定环境条件下土地利用与覆盖变化的内在规律及特征，延伸并拓展人的认识能力由于LUCC涉及因素繁多，过程错综复杂，因而以简化和抽象化为特征的各种模型对于理解和预测土地利用和土地覆被的格局和过程,可视化动态时、空、属性格局,4. 绿洲LUCC的效应,气候效应生态效应环境效应社会效应LUCC演变,绿洲代表生机,三、绿洲LUCC的变化及特征,1. 现代绿洲的LUCC特征,北屯绿洲系属于阿尔泰山北屯绿洲古尔班通古特沙漠一体的MODS系统之中，地处额尔齐斯河南岸，绿洲北部山区属阿尔泰地槽褶皱系中段，荒漠区属准噶尔地槽褶皱系的北准噶尔凹陷部分，地形总趋势为北高南低，呈阶梯递降 北屯绿洲位于阿尔泰山前平原区，是依额尔齐斯河发育而成的典型的人工绿洲,表5 现代绿洲北屯19722005年土地利用类型面积(hm2),图8 北屯绿洲1972-2005年土地利用类型面积变化,2. 古老绿洲的LUCC特征,且末绿洲作为塔里木盆地南缘的主要绿洲之一，又处在昆仑山一且末绿洲一塔克拉玛干沙漠系统的MODS体系之中。,且末绿洲是古丝绸之路上的重要绿洲，是典型的古老绿洲。处于昆仑山且末绿洲塔克拉玛干沙漠系统形成的MODS背景下，土地利用方式与格局具有历史的继承性,表6 且末绿洲区2004年各景观组景观格局指数,图9 北屯绿洲1972-2005年土地利用类型面积变化,四、 LUCC与全球变化的关系及其研究的意义,全球变化背景下，人类活动影响局部气候的方式主要是改变下垫面，即对土地利用覆盖变化产生的影响覆盖变化对于气候的反馈可能加快或减缓气候的变化LUCC的影响主要通过特定区域的反射率、植被覆盖率、下垫面粗糙度、叶面积指数(LAI)等发生变化，使得水分循环和热量循环发生改变，最终导致气候的变化。,1. 绿洲LUCC与全球变化互馈关系,在MODS宏观格局控制下，绿洲LUCC具有一定的特征与规律绿洲作为一种具有特殊意义的地理单元，其土地利用土地覆盖变化研究备受科学界的关注,2. 绿洲LUCC研究的现实作用,第四节 全球变化背景下的生态用水问题,一、气候变化对中国水资源的影响,全国有300多座城市缺水，其中100多座严重缺水；北方及沿海地区因地下水超采引起区域性地下水位下降，导致生态环境恶化，河流、湖泊水质恶化，在我国七大水系中，辽河、淮河、黄河、海河流域40%75%的水质已降至IV，V类水质标,干旱与富营养化,二、气候变化对生态用水的影响,1. 生态用水研究进展,黄奕龙等认为，生态需水是指维护生态系统健康运行必须的最小水量，增加生态用水固然是满足生态系统需水的有效途径，但对干旱和半干旱生态系统，采用合理的生态建设途径，可以在减少生态需水的条件下达到生态系统水分的相对平衡王珊琳对生态环境需水量及其理论进行了分析，并指出生态环境需水量是在现状和未来时空尺度上，一定的生态环境标准条件下，为维持流域或区域特定的天然生态环境功能必须保障蓄存和消耗的最小水量。中国的水资源问题专家将广义生态环境用水定义为“维持全球生物地理生态系统水分平衡所需用的水，包括水热平衡、水沙平衡、水盐平衡等，都是生态环境用水”；狭义的生态环境用水定义为“维护生态环境不再恶化并逐渐改善所需要消耗的水资源总量”,2. 绿洲生态用水的一般特征,在全球变化的背景下，干旱区以天然植被及其环境为核心的生态用水具有一系列的特点，具体体现在如下几个方面。,生态用水的机理比较复杂，GSPAC水分循环与转化的效率是其关键生态用水量的估算有诸多难度，许多参数与模型需要率定 生态用水的水质具有一定的可塑性，水质变幅有较大的阈值区间 生态用水的方式比较灵活，用水量有一定的幅度范围 生态用水与土壤理化性状密切相关，地形特征对其有一定制约作用 生态用水与植被的遗传性状相关，也与其生活型与生态型相关 水分的供给状况影响生物的生长量与生产力，生态用水与水资源利用和管理水平相关联 生态用水概念的提出对改变陈旧的用水观念具有重要意义 生态用水对于水资源的科学调度、分配、管理具有划时代的作用 生态用水对于走水资源节约型的绿洲生态产业可持续发展之路十分必要。,三、生态用水量的估算思路与方法,基于水热耦合关系的理论与模式，是估算生态用水的重要思路与途径。绿洲生态环境的改善以及绿洲经济的发展，与所供给的水资源量密切相关。生态用水量估算的依据主要是生态水文学、植物生理学以及生态学等相关学科的理论与方法。,农业用水在我国农业需水中占主导地位且对自然气候条件较为敏感，人们在研究中更多地关注灌溉需水量，而作为衡量灌溉耗水水平的主要指标，灌溉定额与气候条件关系密切,气候变化对城市生活需水量具有重要的影响,对于生态用水，其估算的难度是巨大的,以新疆塔里木河下游 为例：,四、生态用水的管理,生态用水对于指导生态规划与相关的生态实践具有重要理论与现实意义,以生态水文学以及生态用水的理论为依据，本着水资源的合理配置和节约的目的，全面进行区域性的水资源综合规划，制定生态用水的合理比例和分配方式。以流域总体规划以及生态区划和生态规划为指导，坚持源流与干流统筹考虑，生产、生活和生态用水协调分配的原则，兼顾生态效益与经济效益与社会效益，加强资源保护，全面实施节水；并根据近期、中期和长期的生态建设目标，以及社会经济发展的实际情况，及时调整生态用水的比例和规模，突出抓好流域水土资源统一管理调度，确保生态用水量，使流域生态环境普遍得以改善。,小结,