生态系统模拟模型的研究进展

从四个方面概述了生态系统模拟模型的发展现状：1)个体及种群,种群动态模型主要模拟在一个生境中单个种的动、植物个体出生或发芽、成长及其死亡过程,还有种内竞争和种间相互作用,主要分析生境中生物之间的相互作用。主要概述了林窗模型和土壤一植物一大气系统模型。2)群落与生态系统,概述了生态系统生产力模型、生物地球化学循环模型及演替模型。主要模拟植物种类在整个生态系统发展过程中的变化,以及植被类型的转变和相关的生物地球化学循环过程的改变,从而反映生物群落对气候变化的响应。3)景观生态系统,景观动态研究包含了时空两个方面的动态变化,一般可分为随机景观模型和基于过程的景观模型。随机模型用于模拟群落格局在演替过程中的动态变化等,基于过程的景观模型深入研究组成景观的各生态系统的空间结构。4)生物圈与地球生态系统,基于过程的陆地生物地球化学模式被用来研究自然生态系统中碳和其它矿物营养物质的潜在通量和蓄积量,较为流行的模式有陆地生态系统模式TEM、CENTURY、法兰克福生物圈模式FBM、Biome-BGC、卡内基-埃姆斯-斯坦福方法CASA等。这些模式己被用于估算自然生态系统对大气CO2加倍及相关气候变化在区域和全球尺度的平衡响应。最后,结合实际工作展望了生态系统模拟模型在各方面的发展方向。     

干旱半干旱草地生态系统与土壤水分关系研究进展

研究干旱半干旱草地生态系统与土壤水分关系和相互作用机理对于揭示草地生态系统稳定性及其水土关键要素的变化过程具有重要意义。从不同界面、不同尺度综述了草地生态系统对土壤水分的影响及草地生态系统的响应与适应机制,总结了草地生态系统与土壤水分关系模型研究的相关进展,并分析了气候变化对草地生态系统和土壤水分关系的影响。草地生态系统通过影响水文过程和生态过程来影响土壤水分,土壤水分在植物生长发育、形态、生理生态过程、种间关系、群落组成和结构以及草地生态系统功能等方面对草地生态系统产生影响;充分揭示草地生态系统-土壤水分相互作用机理是模型研究的关键;气候变化对草地生态系统植物与土壤水分关系具有重要影响。今后应加强以下研究:1)开展草地不同优势种和植物功能型与土壤水分关系的研究,找出能反映植物对土壤水分响应的性状指标,阈值响应点及适应机制;2)注重对不同时间和空间尺度上的转换和比较;3)加强个体、群体和生态系统尺度草地植物生长模型的研究及其与土壤-植被-大气水分传输模型的耦合;4)加强草地生态系统与土壤水分关系对气候变化响应的研究。     

植物对气候变化生理生态响应的不确定性分析

生态系统对全球气候变化的响应模式有利于人类预测与适应未来生态环境变化,植物作为陆地生态系统的重要组成部分,对全球气候变化的响应具有重要作用.本文通过对近年来植物对气候变化的生理生态响应研究中(包括定点控制实验,空间代替时间样带),植物响应模式的复杂性、多样性及可变性等诸多不确定性进行分析.以探讨预测未来气候情景下植物的动态变化及生理生态响应过程.分析结果认为.造成这些不确定性的主要原因包括:(1)利用空间代替时间的样带研究中,往往忽略了植物的非线性响应,存在明显的阈值;(2)样带及定点研究中,由于各种气候因子的耦合.很难确定各种气候因子对植物生理生态学特性影响的权重;(3)定点控制实验中往往忽略了植物对气候变化的适应性,使实验结果很难代表更长时间尺度上的反映模式;(4)在相同的气候变化条件下,不同植物的响应有可能存在明显差异.提出了今后植物对气候变化生理生态响应研究的建议.     

生态位模型的基本原理及其在生物多样性保护中的应用

生态位模型是利用物种已知的分布数据和相关环境变量,根据一定的算法来推算物种的生态需求,然后将运算结果投射至不同的空间和时间中来预测物种的实际分布和潜在分布.近年来,该类模型被越来越多地应用在入侵生物学、保护生物学、全球气候变化对物种分布影响以及传染病空间传播的研究中.然而,由于生态位模型的理论基础未被深入理解,导致得出入侵物种生态位迁移等不符合实际的结论.作者从生态位与物种分布的关系、生态位模型构建的基本原理以及生态位模型和生态位的关系等方面探讨了生态位模型的理论基础.非生物的气候因素、物种间的相互作用和物种的迁移能力是影响物种分布的3个主要因素,它们在不同的空间尺度下作用于物种的分布.生态位模型是利用物种分布点所关联的环境变量来模拟物种的分布,这些分布点本身关联着该物种和其他物种间的相互作用,因此生态位模型所模拟的是现实生态位(realized niche)或潜在生态位(potential niche),而不是基础生态位(fundamental niche).Grinnell生态位和Elton生态位均在生态位模型中得到反映,这取决于环境变量类型的选择、所采用环境变量的分辨率以及物种自身的迁移能力.生态位模型在生物多样性保护中的应用主要包括物种的生态需求分析、未知物种或种群的探索和发现、自然保护区的选择和设计、物种入侵风险评价、气候变化对物种分布的影响、近缘物种生态位保守性及基于生态位分化的物种界定等方面.     

蚯蚓在生态系统中的作用

蚯蚓能够对许多决定土壤肥力的过程产生重要影响, 被称为“生态系统工程师”。它通过取食、消化、排泄和掘穴等活动在其体内外形成众多的反应圈, 从而对生态系统的生物、化学和物理过程产生影响。蚯蚓在生态系统中既是消费者、分解者, 又是调节者, 它在生态系统中的功能具体表现在: (1) 对土壤中有机质分解和养分循环等关键过程的影响; (2) 对土壤理化性质的影响; (3) 与植物、微生物及其他动物的相互作用。蚯蚓活动及其在生态系统中的功能受蚯蚓生态类群、种群大小、植被、母岩、气候、时间尺度以及土地利用历史的综合控制。蚯蚓外来种入侵与生态系统的关系以及蚯蚓对全球变化的响应和影响是两个值得关注的问题。土壤本身的复杂性, 蚯蚓自然历史和生物地理学知识的缺乏, 野外控制蚯蚓群落方法的滞后等都限制了蚯蚓生态学的发展。其他新技术如研究养分循环的碳氮同位素分析和揭示土壤微结构的图像分析等技术的应用是蚯蚓生态功能研究的迫切需要。     

植物邻体间的正相互作用

植物间的正负相互作用是构建植被群落的重要因素,也是群落生态学研究的中心内容之一。近20a来,植物间正相互作用的研究得到快速发展。综述了正相互作用的定义,不同植物群落中的直接、间接正相互作用及其发生机制,正相互作用研究的实验和模型方法,正负相互作用随胁迫梯度的变化及正相互作用对群落构建的影响。探讨了正相互作用研究前景:(1)进一步理解正负相互作用的平衡及其对群落构建的影响;(2)加深对全球变暖背景下的正相互作用的认识;(3)需把正相互作用研究同进化联系起来;(4)充分发挥正相互作用在生态系统中的推动力作用,把正相互作用应用到生态恢复中,为恢复退化生态系统服务。     

利用大气二氧化碳和羰基硫浓度评估陆地生态系统模型碳通量模拟的不确定性

生态系统模型是模拟全球陆地生态系统碳循环的重要工具,但是其在全球不同区域的模拟存在很大的不确定性。如何评估陆地生态系统模型的不确定性是一项重要的研究。以北美地区为例,利用8个高塔观测站点同步获取的大气CO_2和羰基硫(OCS)浓度数据,结合WRF-STILT大气粒子扩散模型,评估了CASA-GFED3、SiB3和SiBCASA三种陆地生态系统模型模拟总初级生产力(GPP)和净生态系统CO_2交换(NEE)通量的不确定性。结果表明,SiB3模型能很好地模拟北美陆地生态系统GPP和NEE的季节变化时相和幅度,在3种模型中具有最佳的模拟能力;CASA-GFED3模型模拟的NEE季节变化较为理想、但对生长季GPP的模拟存在较大的误差,SiBCASA模型在模拟冬季晚期和春季早期的NEE和GPP时表现较不理想。研究证明了大气CO_2和OCS在评估陆地生态系统模型碳通量模拟的不确定性中的作用,为利用大气CO_2和OCS观测数据优化计算陆地生态系统光合和呼吸碳通量提供了理论支撑。     

植物物候对气候变化的响应

植物物候的变化可以直观地反映某些气候变化,尤其是气候变暖.植物生长节律的变化引起植物与环境关系的改变.生态系统的物质循环（如水和碳的循环）等过程将随物候而改变.不同种类植物物候对气候变化的响应的差异,会使植物间和动植物间的竞争与依赖关系也发生深刻的变化.目前欧洲、美洲、亚洲等许多地区均有关于春季植物物候提前,秋季物候推迟,使植物的生长季延长,从而提示气候变暖的趋势.植物物候的模拟模型构成生态系统生产力模型的重要部分.     

荒漠生态系统磷循环及其驱动机制研究进展

磷(P)循环在维持荒漠生态系统的生物多样性水平、结构和功能的稳定性、元素的动态平衡,以及荒漠自然资源的可持续利用方面有重要作用。通过查阅国内外有关P循环的文献资料,发现当前国内尚缺乏针对荒漠生态系统P循环的系统研究,特别是P循环的生物和非生物驱动机制。综述了荒漠生态系统P的输入-输出过程,植物对P的吸收转运机制以及对P循环的作用,生物土壤结皮(BSC)有机分泌物对P循环的贡献,以及荒漠生态系统P循环过程对气候变化的响应机制等。文末展望了荒漠生态系统P循环的一些重要研究方向和亟需解决的科学问题,包括(1)P在荒漠生态系统中的存在形态、分配及动态平衡;(2)土壤微生物对荒漠植物获取土壤有效P的驱动作用;(3)入侵植物对P循环的影响与潜在生态风险评估;(4)利用分子生物学和基因组学手段揭示真菌-荒漠植物根系系统P循环的基因调控机制;(5)微生物分泌物、土壤磷酸酶类(包括磷酸单酯酶、磷酸二酯酶和三磷酸单酯水解酶)和作用于含磷酸酐和N—P键的酶对土壤P循环的调控;(6)气候变化(干旱、高温和降水节律变化等)如何影响P的生物和非生物转化过程;(7)基于同位素示踪和生态化学计量学理论解释荒漠生态系统...     

关于生态场的几点评述

依据植物生态场的系统研究资料,对生态场的概念、场的特征函数、生态场的图形以及生态场对植物相互作用的解释进行了评述.阐明了生态场的最基本属性是物质性,目前的研究水平尚不能确定生态场是否是有别于一般物理场的特殊形式的场.对生态场的基本特征函数-生态势模型给予了形式与模型参数估测方面的评述,表明两种生态势模型各有一定的特点与优越性.作者强调,生态场更具生态学的方法论意义,应用生态场对植物相互作用形式与过程的分析描述,具有定量化、综合性与直观化特点.生态场的绘图为生态学研究开辟了新的途径,特别是应用生态场理论分析群体植物的动态变化过程(由互利共存到干涉竞争)会有合理的定量解释.     

Ecological potentials of biodiversity modelled from information entropies: Plant species diversity of North-Central European forests as an example

The paper deals with the hypothesis that ecosystems have well-defined potentials of biodiversity. These potentials can be quantified as information entropy of the corresponding ecosystem type. The hypothesis is verified for the diversity of plant species.

A vegetation database of North-Central European forests containing more than 12000 relevés is analyzed computationally. The samples are classified into ecosystem types that are homogeneous with respect to vegetation patterns, ecological site factors, and, implicitly, with respect to ecosystem processes. Growing numbers of relevés are selected randomly from the representatives of different ecosystem types and investigated mathematically.

Shannon information (product of logarithmic species number and evenness) obeys a hyperbolic saturation equation approaching a finite value on infinite area. This asymptotic limit defines the ecological potential of species diversity. Within a given plant-geographical region, it is determined by ecological site factors like climate and soil controlling interrelations between plants. Competition relationships and hence potentials of phytodiversity are altered by management significantly. The curve of evenness versus area size is hump-shaped. Maximum evenness is proportional to the ecological potential of species diversity. The area size where evenness attains its maximum can be interpreted as the minimum area of the respective forest type. The ecological potentials of plant species diversity modelled from information entropies correspond to vegetation patterns consisting of a limited number of plant species. These vegetation patterns are closely related to ecosystem processes like nutrient cycling, plant nutrition, evapotranspiration, microbial processes, or net-primary production. Revealing the relationships between vegetation patterns and ecosystem processes allows scaling functional information from local measurement scales up to regional scales.

It is suggested to explore genetic, proteomic, and species data in order to derive comprehensive ecological potentials of biodiversity on various levels from population to landscape. The expected results could improve the understanding of the relationship between biodiversity and ecosystem functioning as well as the sustainability of ecosystem management.     

Statistical models of invertebrate distribution on Macquarie Island: a tool to assess climate change and local human impacts

Sub-Antarctic islands are good model systems in which to study the ecological effects of human impacts, particularly global climate change and alien species. Invertebrates form a central component of these ecosystems. We conducted a stratified survey of 69 sites on sub-Antarctic Macquarie Island and used logistic regression models to describe the distribution of 14 abundant invertebrate species. We also developed a statistical model of windspeed based on topography. The distributions of individual species were described by different combinations of aspect, altitude and vegetation type. Ordination of sites based on species composition showed strong effects of altitude and vegetation on invertebrate assemblages. The species distribution models provide a tool for detecting, monitoring and predicting effects of climate change and alien species on biota and ecosystem processes. Accepted: 30 August 1998     

喀斯特脆弱生态系统复合退化控制与重建模式

以西南喀斯特地区为例,通过总结前人的研究成就和采集中国科学院亚热带农业生态研究所喀斯特生态实验站部分收集整理和试验数据,系统分析了喀斯特脆弱生态系统及其退化的机理,从"人-自然-经济复合生态系统"的观点出发,以干扰程度、群落类型、服务功能、土地退化和贫困状况为指标,创新性地提出了喀斯特脆弱生态系统的复合退化模式(含4个阶段),运用现代生态恢复学原理、方法和现代管理学创新理论,建立了喀斯特脆弱生态系统复合退化的控制模型.以此为基础,在喀斯特石山区、半石山区和土山丘陵区3个区域环境尺度范围内,针对性地建立了生态保护型、外向经济型和双三重螺旋3种生态恢复与重建模式,以促进喀斯特区域生态、经济、社会的全面协调与可持续发展.     

Phenomenological models of the forest plantations growth

Phenomenological models of the forest plantations growth are analyzed. Those derived from the Verhulst's model are shown to fail describing qualitative effects reflecting tree growth, phytomass withdrawals, and plantation restoration. The method of phase portraits is used for exploration of the forest ecosystem dynamics, which allows to describe regulatory mechanisms of the growth processes, regulation delay, and feedback types. A bistable phenomenological model is suggested herewith to characterize dynamic processes in the forest ecosystems. Principal patterns of formation of the forest plantations at different stages of the forest generation processes are considered on the basis of that model, and ecological effects responsible for the plantation dynamics are revealed.     

生态系统退化程度诊断：生态恢复的基础与前提

 生态系统退化程度诊断是进行生态恢复与重建的基础和前提。然而目前的生态系统化程度诊断大多停留在定性的水平,如何对退化生态系统的退化程度进行定量的诊断就成为恢复生态学与生态恢复实践所面临的一个迫切且十分关键的问题。在综述前人研究的基础上,比较系统地论述了生态系统退化程度诊断的一系列问题：绘制了描述生态系统退化程度的概念模型;认为在实践中退化程度诊断的参照系统可以选择相应的受人类或自然干扰程度比较轻的“自然生态系统”;归纳了生态系统退化程度诊断的生物途径、生境途径、生态过程途径、生态系统功能/服务途径、景观途径;把诊断方法分为单途径单因子诊断法、单途径多因子诊断法、多途径综合诊断法;分析了生态系统退化程度诊断的可能指标（体系）;给出了生态系统退化程度诊断的策略与流程,并对生态系统退化程度诊断及生态恢复过程中应注意的事项进行了讨论。建议我国加强典型生态系统退化程度的综合诊断研究。     

Effects of plant traits on ecosystem and regional processes: a conceptual framework for predicting the consequences of global change

Human activities are causing widespread changes in the species composition of natural and managed ecosystems, but the consequences of these changes are poorly understood. This paper presents a conceptual framework for predicting the ecosystem and regional consequences of changes in plant species composition. Changes in species composition have greatest ecological effects when they modify the ecological factors that directly control (and respond to) ecosystem processes. These interactive controls include: functional types of organisms present in the ecosystem; soil resources used by organisms to grow and reproduce; modulators such as microclimate that influence the activity of organisms; disturbance regime; and human activities. Plant traits related to size and growth rate are particularly important because they determine the productive capacity of vegetation and the rates of decomposition and nitrogen mineralization. Because the same plant traits affect most key processes in the cycling of carbon and nutrients, changes in plant traits tend to affect most biogeochemical cycling processes in parallel. Plant traits also have landscape and regional effects through their effects on water and energy exchange and disturbance regime.     

半干旱区生态恢复关键生态系统识别——以内蒙古自治区和林县为例

我国土地退化严重,且大部分发生在干旱半干旱地区.恢复为何种生态系统类型是生态学研究的重要课题.采用生态功能区划,根据各个生态功能区主体生态系统功能,推导发挥此功能的生态系统类型的方法,识别关键生态系统类型.以内蒙古自治区和林县为例,采用文献调研、实地调查、3S技术等方法,在评价该县生态敏感性、生态服务功能重要性的基础上,将该县划分为3个一级生态区,11个二级生态功能区.根据各个生态功能区的主体生态系统服务功能,分析发挥该功能的可能生态系统类型.再根据全国自然植被区划、气候变化趋势模型以及现状植被类型,识别各个生态功能区的关键生态系统类型.     

Plant functional types as predictors of transient responses of arctic vegetation to global change

Abstract. The plant functional types (growth forms) traditionally recognized by arctic ecologists provide a useful framework for predicting vegetation responses to, and effects on, ecosystem processes. These functional types are similar to those objectively defined by cluster analysis based on traits expected to influence ecosystem processes. Principal components analysis showed that two major suites of traits (related to growth rate and woodiness) explain the grouping of species into functional types. These plant functional types are useful because they (1) influence many ecological processes (e.g. productivity, transpiration, and nutrient cycling) in similar ways, (2) predict both responses to and effects on environment, including disturbance regime, and (3) show no strong relationship with traits determining migratory ability (so that no functional type will be eliminated by climatic change simply because it cannot migrate). Circumstantial evidence for the ecological importance of these functional types comes from the distribution of types along environmental gradients and the known ecological effects of traits (e.g., effects of litter quality on decomposition and of plant height on winter albedo) that characterize each functional type. The paleorecord provides independent evidence that some of these functional types have responded predictably to past climatic changes. Field experiments also show that plant functional types respond predictably to changes in soil resources (water and nutrients) but less predictably to temperature. We suggest that evidence for the validity of arctic plant functional types is strong enough to warrant their use in regional models seeking to predict the transient response of arctic ecosystems to global change.     

红树林湿地模型研究进展

红树林是位于海岸潮间带的森林湿地生态系统,具有抗风削浪、保护堤岸、封存CO2缓解全球气候变化等多种功能。然而,由于地理位置及生存环境特殊,红树林湿地模型的研究相对内陆湿地滞后。为了推动红树林湿地模型的研究,本文将目前常见红树林湿地模型按功能划分为植被生长生产模型、水文模型、物流能流模型三类,以阐述相关模型研究的进展,并对目前红树林湿地模型研究提出几点看法:(1)现有红树林湿地模型在不同区域、尺度下运行的有效性有待进一步验证;(2)国内对红树林生态系统服务及植被恢复工作相关模型研究较少,今后需加强该方面的研究。