温带森林生态系统研究方法最新进展.ppt

温带森林生态系统研究方法最新进展,主要内容,1.引言 2.温带森林生态系统的研究进展 2.1气候变化对温带森林生态系统的影响 2.2温带森林生态系统的碳循环研究 2.3温带森林生态系统的蒸腾耗水研究 3.小结与展望,1.引言,1.1森林生态系统 森林生态系统(forest ecosystem)主要指以乔木为建群种或优势种的生物群落与其所在生态环境相互作用，形成一个相对稳定的生态系统。 由于气候是影响森林分布的重要条件，而气候在地球表面有是有规律变化的，因而根据森林植被类型，将全球森林生态系统划分为具有一定地带性并与其气候条件相适应的地带性植被类型。,1.引言,1.1森林生态系统,1.引言,1.2温带森林生态系统 1.2.1针叶林生态系统 针叶林几乎全部分布于北半球高纬地区，占据温带到寒带广大的面积。气候特点是夏季温暖而短暂，冬季严寒而漫长，年降水量多为300600mm，以大陆性气候为特点，属于大陆型的针叶林。 针叶林树种组成简单，通常是以云杉、冷杉、落叶松或松等树种占优势，常组成大面积的纯林。针叶林的层次也较为简单，林下有灌木层和苔藓层。由于生境冷湿，残落物分解不良，林地上积累有很厚的死地被层。针叶林在欧亚大陆的北部和北美洲分布最为普遍。此外，中纬度和低纬度亚高山地带也常有针叶林的片段分布。,1.引言,1.2温带森林生态系统 1.2.2落叶阔叶林生态系统 这一类型分布于北纬30-50的温带地区。由于在该区域内冬季落叶、夏季生长，固又称夏绿林。落叶阔叶林分布区的气候特点是：一年四季分明，夏季炎热多雨，冬季寒冷。 这类森林中的乔木树种都具有较宽的叶片且质地较薄.落叶是对冬季严寒和生理干旱的一种适应，而粗厚的树皮和具有鳞片和树脂的冬芽则是对冬季低温的一种保护适应。在欧洲西部最为典型的是由山毛榉属组成的落叶阔叶林。在欧洲、亚洲和北美广泛分布的是由栎属、槭属、核桃属、山核桃属及鹅掌楸所组成的落叶阔叶林，其中亚洲东部是落叶阔叶林种类成分最丰富的地区。,1.引言,1.3寒温带、中温带和暖温带地区森林的地理分布 寒温带森林地区位于大兴安岭北部及其支脉伊勒呼里山地，包括东经12720黑河附近以西，北纬4920以北。一般海拔为700-1100m。高峰大多只有1400m 左右。这个地区的森林主要有寒温落叶针叶林和寒温常绿针叶林。 中温带森林地区位于东北平原以北、以东的广阔山地，南端以丹东至沈阳一线为界，北部延伸至小兴安岭山地，地理位置占东经126至13535之间北纬4015至5020。这一地区地形复杂主要山脉包括小兴安岭及长白山等山脉。 中国的暖温带森林地区主要指辽宁南部、河北、北京、天津、山东、山西东部至陕西秦岭北坡、河南伏牛山及淮河以北地区，占北纬3230-4230，东经10330-12410（吴征镒1980）落叶阔叶林为该气候带的地带性植被类型并有针叶林的分布。,2.温带森林生态系统的研究进展,2.1气候变化对温带森林生态系统的影响 2.1.1气候变化可能通过以下途径使森林物种组成和结构发生改变 （1）温度胁迫：温度是物种分布的主要限制因子之一，高温限制了北方物种分布的南界，而低温则是热带和亚热带物种向北分布的限制因素。在未来气候变化的预测中，全球平均温度将升高，尤其是冬季低温的升高，这对于一些嗜冷物种来说无疑是一个灾害，因为这种变化打破了它们原有的休眠节律，使其生长受到抑制；但对于嗜温性物种来说则非常有利，温度升高不仅使它们本身无需忍受漫长而寒冷的冬季，而且有利于其种子的萌发，使它们演替更新的速度加快，竞争能力提高。,2.温带森林生态系统的研究进展,2.1气候变化对温带森林生态系统的影响 2.1.1气候变化可能通过以下途径使森林物种组成和结构发生改变 （2）水分胁迫：现有大气环流模型预测全球降雨量将有所增加，但是由于地区和季节的不同而存在很大的差别。例如预测的结果还表明，在中纬度内陆地区其降雨会相对减少尤其是在夏季，在一些热带地区其干旱季节也将延长。此外，气温升高也将导致地面蒸散作用增加，使土壤含水量减少，植物在其生长季节中水分严重亏损，从而使其生长受到抑制，甚至出现落叶及顶梢枯死等现象而导致衰亡。但是对于一些耐旱能力强的物种（如一些旱性灌丛）来说，这种变化将会使它们在物种间的竞争中处于有利的地位，从而得以大量地繁殖和入侵。,2.温带森林生态系统的研究进展,2.1气候变化对温带森林生态系统的影响 2.1.1气候变化可能通过以下途径使森林物种组成和结构发生改变 （3）物候变化：冬季和早春温度的升高还会使春季提前到来，从而影响到植物的物候，使它们提前开花放叶，这将对那些在早春完成其生活史的林下植物产生不利的影响，甚至有可能使其无法完成生命周期而导致灭亡，从而导致森林生态系统的结构和物种组成的改变。,2.温带森林生态系统的研究进展,2.1气候变化对温带森林生态系统的影响 2.1.1气候变化可能通过以下途径使森林物种组成和结构发生改变 （4）日照和光强的变化：日照时数和光照强度的增加，将有利于阳性植物的生长和繁育，但对于耐阴性植物来说，其生长将受到严重的抑制，尤其是其后代的繁育和更新将受到强烈的影响。 （5）有害物种的入侵：有害物种往往有较强的适应能力，它们更能适应强烈变化的环境条件而处于有利地位。因此，气候变化的结果可能使它们更容易侵入到各个生态系统中，从而改变由于系统的种类组成和结构。此外，气候变化还将通过改变树木的生理生态特性（如气孔的大小和密度、叶面积指数等）和生物地球化学循环等途径对不同物种产生影响。,2.温带森林生态系统的研究进展,2.1气候变化对温带森林生态系统的影响 2.1.2全球气候变化对温带森林生态系统的影响 Smith 等人利用Holdridgee生命地带模型，根据大气环流模型（GCMs）对气候变化的估测结果来预测未来植被分布的变化，他们发现森林类型的分布将发生相当大的转移。 温带森林是受人类活动干扰最大的森林，地球上现存的温带森林几乎都成片断化分布，因此，未来气候变化对温带森林的影响是巨大的。一般认为，随着全球气候变暖，温带将向极地方向扩展,而温带森林也将侵入到当前北方森林地带，而在其南界则将被亚热带或热带森林所取代，同时由于温带内陆地区将受到频繁的夏季干旱的影响，从而导致温带森林景观向草原和荒漠景观的转变.因此，温带森林面积的扩张或缩小主要取决于其侵入到北方森林的所得和转化为热带或亚热带森林及草原的所失。目前大部分模拟预测都认为温带森林面积将减少。此外，由于温度的升高及夏季干旱频度和强度的增加，火干扰可能对未来气候变化下温带森林的变化起着决定作用。,2.温带森林生态系统的研究进展,2.1气候变化对温带森林生态系统的影响 2.1.3全球气候变化对温带森林系统生产力的影响 大气中 CO2 浓度上升及由此而引起的气候变化被认为将改变森林的生产力。这主要表现在 CO2浓度升高的直接作用和气候变化的间接作用两个方面。 直接作用：CO2浓度上升对植物将起着“肥效”作用。大部分在人工控制环境下的模拟实验结果也表明 CO2浓度上升将使植物生长的速度加快从而对植物生产力和生物量的增加起着促进作用 。 间接作用：CO2浓度升高对植物的影响根据其所在的生物群区、光合作用方式和生长形式的不同而存在着较大的差异。Wisley 分析了目前的有关研究发现：来自热带和温带生物群区的植物比来自极地生物群区的植物对 CO2升高的响应大；来自温带森林的物种比来自温带草原的物种对 CO2 的响应大；落叶树比常绿树对 CO2 的升高更为敏感。简言之，生长速率快的物种比生长速率慢的物种对CO2升高的响应更大。,2.温带森林生态系统的研究进展,2.2温带森林生态系统的碳循环研究 2.2.1森林生态系统的碳库 在物质循环和能量流动过程中，植物光合作用产物被重新分配到森林生态系统的4个碳库: 生物量碳库、土壤有机碳库、枯落物碳库和动物碳库 生物量碳库蕴含了大量的有机碳；土壤有机碳库是森林生态系统的最大碳库；枯落物碳库的碳储量在不同地区是不同的，干冷地区的枯落物分解慢，碳储量大，在湿热地区凋落物分解快，碳储量则小；动物碳库储量最小，约为0.1%,2.温带森林生态系统的研究进展,2.温带森林生态系统的研究进展,2.2温带森林生态系统的碳循环研究 2.2.2森林碳循环研究方法 森林生态系统碳循环动态变化的研究方法较多，主要包阔：生物量清单、微气象学与碳同位素技术等微观实验技术方法，遥感等地球信息科学方法以及模型方法。,2.温带森林生态系统的研究进展,2.2温带森林生态系统的碳循环研究 2.2.2森林碳循环研究方法 碳同位素技术：碳同位素技术方法是根据测定森林生态系统组成成分的碳同位素的比率来确定碳循环动态的方法。森林植被通过光合作用固定的碳含有一定量的碳同位素，由于碳同位素的衰变, 其含量的变化能反映森林生态系统中的碳元素的周转期，碳同位素的含量就越低表示周转期越长，反之越短；通过分析森林植被或土壤中碳同位素的丰度，还可确定森林植被或土壤中有机碳的年龄，由此可分析有机碳的动态变化。,2.温带森林生态系统的研究进展,2.2温带森林生态系统的碳循环研究 2.2.2森林碳循环研究方法 地球信息科学方法：地球信息科学(Geo-Information Science)是以遥感(Remote Sensing, RS)、全球定位系统(Global Positioning System, GPS)和地理信息系统(Geographic Information System, GIS) 等 3S 技术为基础的高度集成信息科学与地球环境科学的一门交叉科学技术，目前在全球变化与可持续发展研究方面得到了广泛的应用。地球信息科学在森林碳循环中主要用来研究森林碳时空信息的结构与动态，包括碳循环数据的获取、分类与标准化以及存贮、集成、处理、描绘和传播，该方法强调碳循环数据的动态分析、尺度转换与特征耦合。,2.温带森林生态系统的研究进展,2.温带森林生态系统的研究进展,2.温带森林生态系统的研究进展,2.3温带森林生态系统的蒸腾耗水研究 2.3.1影响树木蒸腾耗水的外部因子 一是土壤因子 二是气象因子,包括光照、温度及空气相对湿度等 影响规律：(1)在土壤水分含量超过日需求量平均值过多时,叶片气孔将在数小时内迅速关闭,导致树木蒸腾耗水量曲线呈下降趋势在土壤水分含量低于日需求量平均值过多时,不但气孔对此做出反应,且树木的生长受到限制,叶水势下降,最终也导致树木蒸腾耗水量曲线呈下降趋势。 (2)在一定范围内,树木蒸腾耗水量会随着光照强度、大气温度的增加而增加,随着空气相对湿度的增加而减少。同时因子间的互相作用也影响着树木的耗水。最后还需提出的是,不同树种对同一环境会做出不同的反应。树种的生长节律也会使耗水量及其对整体环境的反应有所不同。,2.温带森林生态系统的研究进展,2.3温带森林生态系统的蒸腾耗水研究 2.3.2树木蒸腾耗水的测定方法 快速称重法 整树容积法 稳态气孔计测定法 蒸渗仪法 盆栽称重法 示踪同位素法 光合系统测定仪法 热脉冲法及热扩散边材液流探针(Thermal dissipationsap flow velocity probe, TDP)法,2.温带森林生态系统的研究进展,2.3温带森林生态系统的蒸腾耗水研究 2.3.3温带森林生态系统的蒸腾耗水,2.温带森林生态系统的研究进展,2.3温带森林生态系统的蒸腾耗水研究 2.3.3温带森林生态系统的蒸腾耗水 叶片 个体 林分 3个尺度,2.温带森林生态系统的研究进展,2.3温带森林生态系统的蒸腾耗水研究 2.3.3温带森林生态系统的蒸腾耗水 (1) 叶片尺度上采用叶室法(包括光合系统测定仪和稳态气孔计)测得的蒸腾速率。 (2) 个体尺度上采用热技术(热脉冲、热平衡、热扩散)测得的蒸腾速率，标准化为单位时间单位边材面积液流通量和单株耗水量. (3) 林分尺度只搜集了直接给出林分蒸腾量的文献，其中林分日蒸腾量平均值和最大值均为生长季测定值。,2.温带森林生态系统的研究进展,2.3温带森林生态系统的蒸腾耗水研究 2.3.3温带森林生态系统的蒸腾耗水 结论： 相同生活型树木的蒸腾耗水量变异性较大，但针叶树的平均蒸腾耗水量在叶片和个体尺度上显著低于阔叶树，而在林分尺度上针叶林和阔叶林之间差异不显著. 3个尺度上的蒸腾作用均受太阳辐射、蒸汽压亏缺、土壤含水量等环境因子的影响，且存在因子间的交互作用，但主导控制因子因时空尺度而异。 单株树木蒸腾量与胸径、边材面积和树高均呈显著正相关；林分日蒸腾量最大值与叶面积指数相关显著，而生长季日蒸腾量平均值则与年降水量和年均温呈正相关.,3.小结与展望,温带森林植被和土壤对碳元素的固存能力与碳密度布局存在很大的区域差异性和时空变异性，而且不同环境因子在不同季节的影响程度也有所不同。因此，森林生态系统碳循环动态研究应以解决样带区域尺度的碳源/汇格局为核心，发展时空定量化、地球信息化与模型化为主流的方法论，即结合清查资料和典型样带森林数据，加强碳/源汇季节动态变化和区域分异的空间对比定位观测和生物过程的模拟性实验为基础的“自下而上”的研究途径和以土地利用/覆被变化对地观测数据和遥感反演为技术支撑的“自