02.第二章 森林(生物)与环境

1 第二章第二章 森林 生物 的环境森林 生物 的环境 第一节第一节 环境与气候环境与气候 一 有关环境的概念一 有关环境的概念 1 环境与环境科学 环境与环境科学 1 环境环境 环境是一个相对的概念 它首先假设以某一事物为中心 该中心事物周围的一切就是环境 自 从地球上有了生物之后 这个中心事物常常是指生物 尤其在人类诞生以来 这个中心事物又主要 指人类 不过人类也是生物的一部分 对于我们以森林为研究对象的人来说 森林周围的一切就是 环境 同时森林也是我们人类的生存环境 所以环境是生物生存和发展的场所 一切生物都不能脱 离环境而存在 每时每刻都生活在环境之中 并且不断受到各种外界环境的影响 森林是一个非常 重要的环境要素 森林的存在与否 森林的多少 分布状况等对其他生物和我们人类都有着深刻的 影响 森林和环境的关系十分密切 环境对森林来说 也具有十分重要的意义 简单地说 环境是生物栖息地 是由自然界的光 热 空气 水分及各种有机和无机元素相 互作用所共同构成的空间 尽管如此 环境仍然是一个相对的概念 通过上述介绍可以认为环境是 相对于生物而言的 或者说是相对于生物而存在的 如果没有生物也就无所谓什么环境 生物如果 从地球上灭绝了 环境也就不存在了 人从动物进化而来 我们人类在解剖和生理上与我们的近亲哺乳动物相似 也跟其它所有动物 一样 我们必须吃饭和呼吸空气才能维持生命 然而 我们又与其他动物不同 这个不同主要在于 人类的成就和行为 人类不仅具有决定自身动物特性的遗传继承性 而且还具有通过语言 符号传 递的知识和风俗习惯决定的文化继承性 我们也和其他动物一样 占据由一定空间和时间环境构成 的栖居地 虽然这是物理的 化学的和生物的环境 他同时也是具有社会 政治 经济和技术构成 的文化环境 White et al 1984 2 环境科学 环境科学 环境是一门科学 他是研究人类对世界发生作用的理论和应用的交叉关系学科 既然人类被分 为不同的群体 环境科学必然涉及到政治 社会组织 经济 伦理和哲学 因此 环境科学是经典 科学 社会价值和政治觉悟的综合 混合 环境科学作为一个研究领域也是逐渐形成的 很多古 代文化中 人们常常为植物 动物和其它地理特征提供食物 水或者工具 以表示敬畏之意 甚至 某些现代人也仍然保持着这样的习俗 Enger et al 2000 2 在人 环境系统中 自然科学研究自然环境 社会科学研究文化环境 实际上 上述两种环境 都是人类所必需的 离开了人和人类的作用 自然环境也很难被充分地理解和认识 但离开了人的 文化关系 自然环境也就成了一个表面的东西 那么我们如何理解和认识环境呢 是不是把环境看 成是一个个片断 然后看它是由什么组成的 它如何发挥功能的 就好像我们拆开一部机器一样 这个过程叫环境分析 这是一个传统的环境方法 同时不同的学科或者学科分支把环境拆出不同的 片断 然后去孤立的研究它们 因此 海洋学研究大海 气象学研究云 雾 天气 水文学研究水 地质学研究岩石 生物 学研究有机体 林学研究森林和树木 这些都是环境的具体成分 但是这些方面把环境要素再放到 一起 就会出现问题 就不是单独存在时的特征 即从分析到综合的过程 这个片面再聚集的过 程极其复杂 因为我们不再记得他们怎样匹配的 或者我们在对各个要素分析的时候并没有看到真 正的环境是什么 所以说缺乏真正的环境综合是无法彻底解决环境问题的 环境学的重要之处就在于 能把过去 现在和将来联系起来 回顾往事 发现某一事件的前因 后果 同时 更为重要的是能够看清各种事件的联系 看清一件事如何引起另外一件事情 就是能 从当前的趋势推断并洞察到未来的大概样子 比如 10 年 20 年 50 年以后的事情等 环境科学正 是在这种思考下被人们所逐步认识的 它研究自然环境本身规律的同时 还预测当前的经济活动 人类生活方式会对未来产生什么影响 我们现在有吃有穿 将来会不会有 质量如何 人类比动物 高明之处也在于着眼未来 可持续发展 森林生态学的研究必须从环境科学的角度看待各种问题 强调系统观念的同时 还要广泛的联系 综合地分析 做出科学的判断 所以说 学习森林生态学 必须了解一定的环境科学的知识 这是学科体系的基本特点 2 环境因子和生态因子 环境因子和生态因子 我们这里所说的环境主要是指自然环境 在人类出现之前就存在的 是人类赖以生存 生活 和生产所必需的自然条件和自然资源的总和 也可以称之为环境因子 比如物质方面的有空气 水 岩石 土壤 动植物等 能量有 阳光 气温 引力 地磁力等 其他各种自然现象有 太阳稳定 性 地震 火山 海啸 水循环等 其中我们把在有机体生长发育的某个过程中 对有机体生命活 动有影响的环境因子称为生态因子 Ecological factor 这是生态学中经常遇到的环境要素 此外 我们还可以说 生态因子是可以直接对生物发生作用的某一环境下的典型物理 化学或 生物特性 因此 在大陆环境下 温度和降水是生态因子 而海拔高度就不是 它可以被分解成一 系列生态因子 如温度 日照量 大气压等 海拔是通过这些生态因子而发生作用的 生态因子 还可以有不同的分类方法 首先可区分出非生物因子 气候 环境的物理化学成分 和生物因子 寄生 捕食 食物供应等 那么 有些生态因子是非密度限制因子 因为这些因子无论生物密 度如何 它们都起同样的作用 如温度 其它因子如可用的食物量或取食作用等是密度限制因子 3 表 1 1 生态因子分类 非 密 度 限 制 因 子 非 生 物 因 子 生 物 因 子 气候因子气候因子 温度 日照量 湿度 降水 其它 风 等 非气候的物理化学因子非气候的物理化学因子 水生环境 水压力 盐浓度 溶解氧浓度 土壤环境 颗粒大小 化学成分 营养 营养 Trophioc 因子 因子 无机养分浓度 可能的食物供应 生物因子生物因子 种内相互作用 种间相互作用 竞争 捕食 寄生 等等 密 度 限 制 因 子 引自 Ramade 1981 生态因子还可以按其性质分成气候因子 土壤因子 地形因子 生物因子和人为因子 对于森 林来说还应该有一个十分重要的因子 那就是火因子 3 基本生态因子概念 基本生态因子概念 Watt 1973 提出基本生态因子概念 它们分别是物质 能量 空间 时间和多样性 Ramade 1981 1 物质物质 所有生命有机体都由一系列必须化学元素组成的细胞 比方说人体元素含量较多的是 氧 碳 氢 氮 磷 硫等 人体内的元素含量与岩石圈 大气圈和水圈有很大的不同 有一些基本的原理 是生物利用物质的准则 a 最小量定律 最小量定律 人们经常要问 虽然森林受到各种生态因子的影响 他们之中有没有一个作用大小的差别呢 为此 人们提出限制因子的概念 任何接近或者超过忍耐限度的条件或因子 均可被称为限制条件 或者限制因子 德国化学家李比希 Liebig 1840 通过各种生态因子对作物生长影响的研究 得 到如下结论 植物生长取决于土壤中最小量状态的营养的含量 人们称此为最小因子定律 或者限 制因子定律 4 b 耐性定律 耐性定律 不过还有很多物质含量问题无法用最小因子定律说明 一是除了土壤以外的其它因子 如光照 温度等 二是最大量问题 因为除了植物生长受最小量因子影响外 还受到最大量因子的限制 比 方说水分过多 温度过高 光照过强等都会影响植物的生长发育 为此 美国动物学家谢福特 Shelford 1911 提出耐性定律 对于每一种环境因子 植物都受其最大和最小忍耐限度 在两 者之间是植物的耐性范围 包括最适条件 可以用一 钟 型曲线来表示 最小 最大 最适范围 临界范围 致死范围 上述最小和最适定律针对一些具体情况解释了植物生长发育对环境的反映 他给我们提供了正 确判断和合理分析各种环境因子作用的限度和条件 具体有如下几个方面 每种植物生长和繁殖只能在有限的环境范围之内 从重要性的次序考虑 气候 土壤 生物 地形 植物对一种环境因子的忍耐范围可能很宽 而对于另一些因子可能很窄 这要根据植物的形态 生理和生长发育阶段来考虑 植物的耐性分布不能通过考虑它的形态 特性来决定 而必须通过实践和调查来决定 因为植 物的耐性范围更大可能受其生理特性的影响 而后者是看不见的 植物的耐性范围是随着生长发育过程 随着进化过程而变化的 5 植物的分布范围对于具有相似耐性范围的物种来说 最后的分布是决定于物种的竞争 而可能 跟任何一种环境要素都不是正相关 c 物质不灭定律 物质不灭定律 生态系统内部物质永远不会变成 废物产物 物质永远是循环变化的 从有机物到无机形式 然后又从无机形式到有机物质 控制这个循环过程的三类不可缺少的成分是生态系统内自养生物 动物和微生物等等 2 能量能量 a 第一定律 能量守恒原理 第一定律 能量守恒原理 能量即不能创造也不能消灭 只能从一种形式变为另一种形式 用一个方程可以表示为 E H W 其中 E 是独立系统能量的增加 H 是该系统热量或焓的增加 W 是该系 统对周围环境所作的功 b 第二定律 能量耗散原理 第二定律 能量耗散原理 热量自发地从低温向高温物体传递而不引起任何其它影响是不可能的 克劳修斯表述 传导是 不可逆的 从单一热源吸收的热量在循环过程中全部转变为功 而不引起任何其它影响是不可能 的 开尔文表述 功转变成热量是不可逆的 用一公式可以表示为 G H T S 其中 G 为自由能 H 为周围环境的热交换 T 为绝对温度 S 为熵变 c 能量单向流动 能量单向流动 能量只能有一次通过某一给定的食物链营养级 而不能循环 生态系统中能量的最终来源是太 阳能 d 林德曼 林德曼 Lindmanns 定律 定律 能量从一个营养级到下一个营养级的转化效率小于 10 10 定律 实际上 动物的能量利 用效率差别很大 一般在其它条件都相同的情况下 质量越小的动物 每单位质量的能量消耗速率 越高 这是因为通过辐射损失的能量与动物体的表面积成正比 而表面积随质量的减少而增加 可 用公式表示为 S kl2 和 M Kl3 这里 S 是表面积 l 是线性体积 M 是质量 k 和 K 是常数 所以 S M k K l 所以 表面积与体积质量的比率随l 的减小而增加 因此 会产生高能耗 上面的公 式还可以表示成 M AE3 2 这里 A 是常数 M 代表质量 E 代表能量消耗的代谢速率 3 生境或者栖息地生境或者栖息地 上面讲的是影响植物生命活动的各个单独的因子 然而 植物生活并非只受一个或几个因子的 影响 而是受到所有生态因子的影响 因此 这里再介绍生境 Habitat 的概念 生物个体 种群 或群落等所在的具体空间内 对其所起作用的各种环境因子的总称 在林业上往往用 立地 Site 一词代替生境 在森林生态学研究中 涉及到动物和物种栖息环境的时候 我们经常用 栖息地 英文也是 Habitat 一词 它与生境具有同样的含义 但是 所考虑的内容更为具体 在做栖息地使用时 6 常常是指生物出现的环境空间范围 一般指生物居住的地方 或者生物生活的地理环境 Albes 1980 认为 野生动物的栖息地是指能为某种野生动物提供生活必须条件的空间单位 野 生动物的各种行为 种群动态及群落结构都与栖息地分不开 物种栖息地是被该物种或者种群所占 有的资源 食物 隐蔽物 水 环境条件 温度 雨量 捕食及竞争等 和使这个物种能够存活 与繁殖的空间 所以 某一特定物种或者种群为什么会生存于某一地区的某一范围之中 与生境之 间的关系和进化历史 区域气候变化历史 人类活动引起的土地利用性的改变等有关 栖息地重要的参数是质量或者适宜性 habitat suitability 栖息地适宜性是指栖息地满足特定 物种生存的潜在能力 在进行栖息地适宜性分析时 主要根据栖息地的结构特征和目标动物的数量 作为适宜度的标准 栖息地质量评价主要依据栖息地对目标动物的丰富或者密度的贡献 高质量的 栖息地应该能够满足物种长期生存和繁殖的需要 因此 栖息地质量与个体存活率和繁殖有关 与 他们后代的保存和占领适宜生境时间长短有关 栖息地质量与适宜性是分析和评价栖息地的基础 栖息地的结构是指物种需要的生境要素在空间的分布 栖息地结构是由物种所占据的环境及资 源的实际范围 食物 隐蔽条件和水在空间的排列方式 直接影响到栖息地的适宜性 动物对于栖 息地内环境要素的周期性的变化具有很强的适应能力 比如某些动物以季节迁徙来适应季节性的气 候变化和食物变化 最后 介绍一下栖息地选择 这是指某一动物个体或群体为了某一生存目的 如觅食 卧息 迁移 繁殖或者逃避敌害等 在可到达的生境之中 寻找某一相对适宜生境的过程 动物对栖息地 选择是其对栖息地生境要素与栖息地结构做出的反应 栖息地选择对动物的行为有很大的关系 环 境中有无数动物的食物资源 动物取食习惯与行为关系密切 野生动物选择栖息地的原因主要有进 化历史或遗传性和种间竞争各方面 从地质历史及其各种地质事件来看 每一次大的地质事件都造 成对环境的大破坏 只有具备特殊适应机制的种类才能够适应其生境 而这种适应性受到遗传物质 的控制 Rosenweig et al 1985 运用种间竞争理论研究并提出栖息地选择模型 认为动物对生境 选择是种间竞争的结果 是动物为避免或者缓冲竞争所表现出来的一种对环境的适应形式 在栖息 地选择的整个生态过程中 竞争是其中重要的或者决定性的作用 二 环境因子相互作用二 环境因子相互作用 对于自然环境条件下的动植物来说 生态因子的作用具有以下四个重要特点 1 综合性 生物生活在自然条件下 受到它周围空间一切物理的和生物的条件影响 在它 生命过程的每时每刻都受到所有生态因子的作用 同时生态因子之间也在相互影响 相互作用 每一个因子发生变化同时都会受到其它因子的干扰 或随之发生相应的变化 2 非等价性 生态因子的相互作用是非等价的 也就是说有的生态因子作用大些 有的作 用就小些 所以这里还要提出主导因子的概念 在生物生长发育过程中或某一阶段对其起决定 作用的因子可称之为主导因子 另外 那些能够导致其它因子随之发生变化的因子也是主导因 子 比如植物发芽阶段温度是主导因子 开花阶段光是主导因子 春季北方地区的大风天气导 7 致气温降低和土壤干旱 夏季降雨导致气温降低和光照减少等 3 互补性和不可代替性 生态因子之间具有一定的互补性 比如气温增高可补偿光照不足 的影响 养分可补偿土壤水分亏缺的影响 然而 生态因子之间又是不可代替的 温度再高也 决不能代替植物对光照的需求 土壤养分再丰富也绝对代替不了植物对水分的需求 4 限定性 不同生物之间 以及同一种生物在其生长发育的不同阶段会对不同生态因子有 特殊的需求 如杨树喜光 云冷杉耐阴 北极熊耐寒 热带鱼喜温 但是这里的喜光和耐寒等 都是在一定的范围之内 超过了生物的忍耐范围 就会造成危害 比如植物发芽需要温度条件 但温度必须在一定的范围内变化 不能太高也不能太低 环境各要素中 气候是对森林和森林生物影响最直接和最显著的环境条件 不同于其它环境要 素的是 气候条件同时在不断的变化 有日变化 季节变化和年度变化 因而它们对森林的影响就 成为森林生态学的一个研究重点 三 气候环境三 气候环境 1 大气环流与气候 大气环流与气候 大气循环和降水是影响森林分布和树木生长发育的最直接的环境条件 同时也是两个规律性变 化的因子 地球表面有的地方集聚了丰富多彩的生物多样性 有的地方确是没有任何生命的禁区 还有的地方是气候万变 风沙滚滚的戈壁 有的地方水草肥美 郁郁葱葱 造成地球表面这样复杂 地理环境差异的主要原因是大气环流和降水的影响 Molles 2001 由于地球的椭圆形状和围绕地轴自传的原因 太阳辐射导致地球表面非均匀增温 我们知道 地球是椭圆形的 太阳直接在正上方的地区辐射光线最密集 然而 直接正对太阳的地理纬度随季 节而变化 这个季节变化的产生完全是由于地球的旋转轴与它围绕太阳旋转的轨道平面不是垂直的 二者之间有一个接近 23 5 的倾角 图 2 1 由于在地球围绕太阳旋转轨道始终保持这样一个倾角 南北半球所接受到的太阳能量就会随季 节而变化 当北半球夏季 northern summer 的时候 北半球向太阳倾斜 因此比南半球获得更多 的太阳能量 当 6 月 21 日北半球夏至时 太阳直射在北纬 23 5 的北回归线 tropic of Cancer 12 月 21 日北半球冬至时 太阳直射在南纬 23 5 的南回归线 tropic of Capricorn 北半球冬季 时北半球背向太阳 南半球获得比北半球获得更多的太阳能 当 5 月 21 日和 9 月 23 日的春分 spring equinox 和秋分 autumal equinox 太阳直接照射在赤道 南北半球接受大致相似的太阳辐射 太阳直射纬度的季节变换导致季节的变化 南北半球高纬度地区太阳能输入的季节差异 造成冬天 低温 白昼缩短 夏季时高温 白昼延长 在很多地区 纬度随季节的降水变化也十分明显 其中 在南北回归线之间温度和日照长度的季节变化很小 而降水变化很大 那么 什么原因导致降水的 时空变化呢 8 图 2 1 南北半球的季节变化 引自 Molles 2001 地球表面和大气受到热辐射而导致增温 进而影响大气环流和降水格局 如图 2 1 所示 太阳 辐射使赤道带增温 受热空气膨胀 上升 这部分暖湿空气在上升过程中变冷 由于冷空气保持水 蒸气能力下降 由上升气体携带的这些水蒸气便凝结成云 在热带环境条件形成强烈降雨 图 2 2 太阳辐射和大气环流 引子 Molles 2001 北半球春分 赤道面对太阳 北半球冬季背向 太阳 南半球夏季 北半球夏季 朝向太阳 北半球秋分 赤道面向太阳 轨道平面倾角 23 5 暖空气 上升 暖空气 上升 赤道 0 强降雨区 下沉空气流向北方 下沉空气流向南方 空气增温 水气沉降 形成降雨 荒漠 30 干空气吸水 荒漠 30 干空气吸水 9 最后 赤道气团停止上升并分别向南北扩散 由于所保持的水气形成热带降雨 这些高海拔的 气体十分干燥 当它们向南北方向扩散的时候 逐渐冷却 密度增大 最后在大约南北纬度 30 左右下沉到地球表面 然后这部分空气从地面吸收水分 在这个大气环流过程中由于大气环流的作 用 导致中纬度地区的荒漠化 空气从纬度 30 向赤道流动 完成了一次低纬度地区的大气环流 空气从纬度 30 向两极流 动 是中纬度地区的环流过程 这部分温暖湿润的空气来自于南部地区 在其上升过程中便遇到了 来自于北方地区的的极地冷空气 因而在温带地区 产生大量降水 这股盘旋在温带高空的气体继 续向南 北两个方向扩散 并在中纬度和高纬度二个地区完成大气环流过程 上述大气环流的格局说明 空气流动是直接向南北两个方向发展的 不过这并不是我们实际观 测到的气体运动方向 由于地球由西向东自传 如果在热带地区 北半球的观测者发现空气从东北 方向赤道流动 而在南半球的观测者就会发现空气从东南方向向赤道流动 这就是东北信风和东南 信风 northeat and southeast trades 研究人员发现 在纬度 30 60 之间 风主要从西方刮来 这就是温带纬度区的西风带 westerlies 相反 在高纬度地区 风主要从东方刮来 这就是极地 的东风带 eaterlies 那么为什么风向不是直接从北向南刮呢 其原因就是由于复合向心 互补 效应 coriolis effect 使得主风不能够从北向南直线运动 在北半球复合向心效应导致主风表面上往右偏移 而 在南半球则向左偏移 这里所谓的 表面上偏移 是说我们所观察到的偏移只是在地球表面的结果 如果我们在空间上观察 就会发现风的运动几乎是一条直线 而地球在它的下面转动 然而 我们必须清楚 我们在地球表面所看到的一切现象都是在一定生态条件下发生的 这些 现象不但是大气运动和风云变幻的原因 同时也影响到一个地区光照 气温 降水和动 植物的分 布 以及生长发育 第二节第二节 环境变迁与全球变化环境变迁与全球变化 一 环境变迁一 环境变迁 1 环境变迁 环境变迁 1 1地球表层系统以外的影响地球表层系统以外的影响 1 1 1 太阳活动造成的太阳辐射量的变化太阳活动造成的太阳辐射量的变化 太阳常数为 1 95cal cm2 in 但是自 70 年代以来 发现太阳常数是波动变化的 变化幅度为 0 2 0 5 从理论上分析 如果太阳常数增加 2 地球表面平均气温会上生 3 C 若减小 2 地 表平均气温会下降 4 2 C 太阳黑子是太阳活动变化的表现 活动周期大约为 11 2 年 如果以 1755 年作为太阳黑子活动 的第一年 那么现在正处于第 2 周期的后期 我国农业气候变化的 12 相数记年法 是人们千百 10 年观测天气现象变化状况的总结 无疑与 11 2 年的周期相对应 太阳活动强时会出现低温 极地 盛行气旋活动 整个北半球气温下降 1 1 2 地球轨道参数变化地球轨道参数变化 即使太阳辐射量的输出不变 地球轨道参数变化引起日地距离和位置改变 从而使到达地球的 太阳辐射发生变化 地球轨道参数中最重要的有三项 即偏心率 地轴倾角和岁差现象 轨道偏心 率在 0 005 0 0607之间 当前为 0 0167 以 96 000 年周期变化 偏心率越大 冬夏季节的长短差异 越大 在北半球夏季越长 具推算 第四纪冰期多处在偏心率增大时期 间冰期多处在偏心率减少 时期 地轴倾角 黄赤交角 以大约 41 000 年的时间周期化 范围在 21 8 24 4 目前为 23 44 当地轴倾角增大时 高纬度地区接受太阳辐射量增加 若地轴倾角增加 1 时 极地年辐射量增加 4 02 赤道只减少 0 35 同时 地轴倾角越大 地球冬夏接受的辐射量差别就越明显 岁差现 象即地球在公转轨道上的近日点时间变化 周期为 21 000 年 当冬至位于近日点时 出现暖冬凉 夏现象 相反当夏至位于近日点时出现寒冬热夏现象 1 1 3 天文地质事件天文地质事件 陨星体撞击地球事件使全球变冷 造成地球高纬度地区大冰盖的形成 热带和亚热带范围缩小 荒漠和干草原扩张 形成所谓的 第四纪冰期 另外天文时间还会造成生物灭绝等 比如有人怀 疑恐龙的灭绝是由于陨星撞击地球所造成的 1 2 地球表层系统内部的影响地球表层系统内部的影响 1 2 1 地壳表层构造运动地壳表层构造运动 发生在第四纪时期的地壳构造运动是所谓的新构造运动 其中发生在全新世的地壳构造运动称 为现代构造运动 新构造运动是形成地形高差的主导因素 地形影响着区域气候状况 水文网的形 成和变化 以及动植物群的分布 植被和土壤的分布 甚至人类的活动等 所以新构造运动也是环 境变迁的重要原因 新构造运动包含着稳定地块垂直升降运动 差异性断块升降运动 断块平移和水平错动 火山 和地震活动等 第四纪时期的地壳生生运动形成了高山 高原地貌 成为大气运动的屏障 也成 为主要的流水侵蚀区域 分布着不同类型的植被和动物群落 地壳沉降运动则形成了平原 盆地 裂谷 成为水系汇集之处 形成河流 沼泽或者荒漠 接受各种碎屑物质的沉淀 第三纪开始的 地四纪大幅度差异性升降运动 使得青藏高原抬升成为地球中低纬度一个显著 的 冷极 它也使得我国西北内陆成为封闭的具有大陆性气候的内流区域 形成沙漠戈壁和盐湖 大量研究结果表明 东亚季风的形成也与青藏高原的隆升有着必然的联系 2 环境变迁的时空尺度和幅度环境变迁的时空尺度和幅度 2 1 尺度问题尺度问题 10 万年周期的气候变化 气温变化 10 C 冰期与间冰期的旋回 2 万年周期的气候变化 气温变化 2 C 在一个冰期里 千年尺度的气候变化 气温变化幅度 2 3 C 广泛存在在中纬度地区 11 百年尺度的气候变化 气温变化 1 2 C 所谓的小冰期 1555 1900就是一个小冰期 十年尺度 气温变化 0 3 0 5 C 影响粮食产量等 2 2 地貌形成地貌形成 在第四纪以十余万年为周期的气候变化旋回中 冰期时中国东部地区却实寒冷干旱 因而 较 大范围有风尘堆积形成黄土 间冰期时气候温暖湿润 该地区地表植被繁茂并有土壤发育 在亚洲 欧洲和北美的荒漠和冰碛物分布区外围的干旱 半干旱草原地区 第四纪风力活动形 成了黄土堆积 期间因为气候的波动形成古土壤层与黄土层交替 例如我国黄土高原地区黄土堆积 厚度达 100 500m 2 3 冰期冰期 在欧洲西部 源于斯堪的纳维亚半岛的大陆冰盖层几度扩张 留下大量冰川遗迹 在第四纪里 北美地区地层形成了巨大的冰盖 称之为劳伦泰冰盖 对于中国东部冰期的划分 李四光在二三十 年代通过对庐山 黄山 天目山和云南点苍山地貌和沉积物的研究认为 第四次冰期对中国东部山 地有冰川活动 但有人持否定态度 二 全球变化二 全球变化 全球变化通常都是在很大的尺度上发生 而且对于森林的分布 草原的退化和湖泊的变迁等 都有着巨大的影响 进而 影响到我们人类的生产和生活 所以 关注全球变化是探讨森林或者植 被动态的重要基础 根据方精云等 2000 的研究 全球变化包括大气成分变化 全球气候变化 土地利用和土地覆盖的变化和荒漠化等方面的变化 1 1 大气成分变化大气成分变化 地球外层的大气不是永恒不变的 在地球长期演化的工程中 一些大气成分不断发生着变化 尽管这种变化是非常缓慢的 但是对地球生物包括我们人类的影响都是不可忽视的 尤其是人类社 会进入工业化阶段以来 对大气成分的影响成为气候十分重要的因素 由全球定位观测和南北极地 区的冰芯研究发现 大气成分中的二氧化碳 CO2 甲烷 CH4 氧化亚氮 N2O 氟里昂 CFC 和臭氧 O3 变化最为显著 它们的增加速率分别为 0 5 1 0 0 2 4 0 和 0 5 a 1 贡献率分别为 60 15 30 5 12 和 8 大气成分变化对气候环境的影响十分明显 比如 CO2及其温室效应 大气气溶胶及其阳伞效 应 大气中悬浮着的固体微粒称为气溶胶 aerosol 气溶胶会反射和散射太阳辐射 减少到达地 表的热辐射 引起地表降温 俗称 阳伞效应 parasol effect 2 2 土地利用和土地覆盖变化土地利用和土地覆盖变化 在陆地生态系统的限度内 人类活动对土地利用和土地覆盖的影响是非常强烈的 这是由于人 12 口的增加以及人类主观地砍伐森林 过渡利用草原 并把森林和草原开发成农田 从而改变陆地土 地利用状况 也带来一定的环境灾难 在过去的几十万年里 陆地表面的一半都是在这一时期被开 垦出来的 就在最近 40 年里人类对地球和生物的破坏如下 1 破坏和损失了地球大约 1 3 的表土 2 使 1 8 的耕地荒漠化 沼泽化 盐渍化 3 使大气圈的温室气体增加了 1 3 以上 4 毁坏了 5 以上的平流层臭氧 5 砍掉了大约 1 3 的森林 6 消耗掉了陆地 48 的净光和生产量 3 3 全球气候变化 全球气候变化 气候变化是全球变化最重要的内容 由于 CO2等温室气体的增加 全球气候出现了有史以来最 剧烈的变化 具体表现在如下几个方面 1 全球变暖 过去 100 年来 全球地表温度平均升高了 0 6 陆地比海洋增温快 北半球高 纬度地区比低纬度地区增温快 我国在过去 40 年中 冬季平均每 10 年增加 0 42 1995 年我国冬季的温度温度较过去 40 年的平均值高 0 5 4 0 局部地区偏高 5 0 左右 进 入 21 世纪全球气温将以每 10 年 0 2 0 5 的速度增高 这将对我们未来的森林分布和人 类产生巨大的影响 2 降水格局改变 全球降水格局变化特点是中纬度地区降水量增大 北半球的亚热带地区的降 水量下降 南半球的降水量增大 3 海平面上升 在过去的 100 年中 全球海平面上升了 10 20cm 另外温室效应导致两极的冰 川融化 从而使海平面升高 一些临海和海拔较低的城市及国家面临被海水淹没的危险 4 气候灾害 极端气候现象频繁发生 比如极端干旱 洪涝灾害 强台风 龙卷风和沙尘暴等 常常导致财产和生命的损失 5 安索 ENSO 现象及其环境影响 安索 ENSO 是厄尔尼诺 南方涛动的简称 厄尔尼诺 El Nino 是指东太平洋沿赤道海域出现的异常增温现象 通常每隔 3 7 年发生一次 先是 在秘鲁和厄瓜多尔沿岸冷水海域出现暖水团 沿着赤道向西扩展 在赤道太平洋形成大面积 的增温区 使海洋表层水温升高 3 4 C 与厄尔尼诺遥相呼应 在南太平洋有南方涛动 south scillation 现象 它指的是南太平洋东部高压与西部低压环流的异常变化 ENSO严 重影响太平洋及其周围的气压和环流 造成气候异常和各种灾害 在东亚和澳洲甚至东非 使得夏季降水大大减少 造成高温 干旱和森林火灾 在东北亚形成夏季低温多雨天气 在 拉丁美洲造成飓风 暴雨和洪涝灾害 4 土地沙漠化和海陆变迁 土地沙漠化和海陆变迁 在中纬度干旱 半干旱地区 由于降水减少 蒸发强烈 风力作用活跃 形成荒漠 半荒漠环 境 那些半荒漠草原 稀树草原是环境敏感地带 生态环境十分脆弱 不论是自然或人为动力的干 13 扰 都会打破其生态平衡使之向荒漠化方向发展 根据王根绪和程国栋 1999 研究 黑河流域 位于河西走廊中部地理坐标为 98 101 30 E 38 42 N 土地沙漠化遍布中下游地区 其中高台 临泽及金塔 3 县境内 沙漠化土地 已达总土地面积的 54 90 64 30 反映出流域水系中下游地带现代沙漠化过程十分强烈 在这 些地区 沙漠化景观是绿洲景观的 1 20 2 50 倍 成为主导性土壤要素 在沙漠化土地构成方面 流域不同地区也显著不同 山丹 张掖及酒泉等处于流域水系中上部的地区 以风蚀戈壁为主 约 占沙漠化土地的 61 6 92 00 严重沙漠化土地如流动沙丘面积仅占 15 98 16 37 其中山 丹县境内现状不存在流动沙丘 地 在临泽县境内 固定与半固定沙丘面积较大 达到沙漠化面 积的 43 80 民乐 肃南 高台及金塔等县境内 现状严重沙漠化的流动沙丘 地 面积较大 约占沙漠化土地面积的 22 51 35 07 下游额济纳旗境内流动沙丘 地 占沙漠化面积的比率 达到 61 28 这些区域成为流域现代沙漠化十分活跃的地区 表 2 3 和 2 41 表 2 3 流域中游地区沙漠化土地分布 指 标民乐县张掖市临泽县高台县金塔县肃南县 沙漠化面积 hm2 15 65424 126122 874107 078435 73864 905 沙漠化比例 22 056 9240 3724 3223 1813 00 严重沙漠化 面积 hm2 15 65416 924100 46994 516327 00159 276 注 表中数据参考张掖与酒泉地区沙漠化普查报告 1995 以及 1997 年遥感数据 引子 王根绪 程国栋 1999 表 2 4 流域中游地区沙漠化土地分布特征 单位 指 标山丹 民乐 张掖 临泽 高台金塔肃南酒泉 流动沙丘 沙漠化土地 35 07 16 37 10 44 31 82 22 5130 8015 98 流动 半固定沙丘 沙漠化土地 65 30 20 47 5 24 39 06 27 0960 9422 46 流动沙丘 耕地 5323692519701241 沙漠化土地 耕地61151140664790431338261 引子 王根绪 程国栋 1999 三 人类活动的影响三 人类活动的影响 从自然演化的角度来说 气候的变化是干旱半干旱地区环境变化的动力 不过当全新世时人类 已经进化到了相当的程度 使用工具和改造自然的能力大大增强 比如全新世的地貌变化与人类活 动有着密切的关系 尤其对湖泊产生直接或间接影响 历史时期以来广泛的砍伐森林 开垦草原 耕种坡地 引起严重的水土流失 大量的泥沙随河流进入湖泊落淤 加速了平原地区湖泊的消亡 在华北平原上 全新始中期时有一巨大的湖泊 其西南端起于安阳 邯郸 东北端达唐山 蓟县 14 绵延 500km 其后由于人类耕垦 水土流失加剧 黄河改道和泥沙淤积 湖盆变浅 逐渐退缩成为 一些孤立分散的浅洼地 白洋淀就是这一古湖的残余 其余象晋泊 大陆泽 黄庄洼等 相继在历 史时期或因泥沙淤积而甘枯 或转变成季节性积水洼地 在黄淮平原上 历史时期湖泊星罗棋布 后来则因黄河多次改道 携来大量泥沙 使这些湖泊淤积而消亡 引自 黄春长 2000 1 人类活动与荒漠化 人类活动与荒漠化 下面我们仍然以黑河下游地区 额济纳 为例说明人类土地利用问题和人类活动导致荒漠化的 问题 内蒙古额济纳旗地处河西走廊的北缘 黑河流域的下游 额济纳绿洲连绵 800 km 的胡杨梭 梭林带和贺兰山次生水源涵养林 构成了阿拉善地区独特的生态系统 并成为河西走廊 宁夏平原 和内蒙古高原三道天然屏障 然而 近年来这里的生态环境急剧恶化 大风扬沙和沙尘暴天气频繁 发生 对本地 对华北和北京 乃至全国造成了严重的危害 恶济纳绿洲环境退化的原因是多方面的 其中以水资源锐减造成植被破坏最为严重 发源于祁 连山的黑河水是额济纳绿洲的生命泉 也是内蒙西部高原唯一的内陆河 滋养河西走廊的沃土 形 成了水草丰美的绿洲 绿洲的存在使额济纳这块 干旱 多砂 夏季高温 冬季大寒 的漠土出现 生机 可是近半个世纪以来 特别是近 10 年来 黑河下泄水量大幅度减少 从甘蒙交界处的狼心 山进入额济纳河的多年平均径流量由 8 10 亿 m3 减少到 3 05 亿 m3 1992 年最小 仅有 1 83 亿 m3 河道断流周期从 50 60 年代的 100 天左右延长到 90 年代的 200 多天 50 年代末黑河的终端 湖区 西居延海和东居延海分别保持水面积 267 km2和 35 5km2 上游来水减少后 西居延海于 1961 年干枯 成为草木不生的戈壁 盐漠 东居延海也于 1997 年完全干枯 湖底死鱼遍地 满目 凄凉 古人笔下 湍漭不息 的居延海从此成为历史 当地地下水也因得不到地表水补给 水位下 降 水质恶化 60 的水井供水不足 10 干枯 水资源的减少使额济纳绿洲急剧萎缩 荒漠化过程加剧 额济纳河沿岸原有的 7 26 万 hm2河 岸林正以每年 2 600 hm2的速度减少 与 50 年代相比 胡杨 沙枣林现已减少 54 6 柽柳林减少 33 洼地和湖畔边的芨芨草甸 芦苇沼泽如今已消失殆尽 荒漠化土地迅速扩大 额济纳东 西 河两岸的灌丛沙丘逐渐活化 相连成片并向南已与巴丹吉林沙漠相接 东 西居延海盐漠广布 湖 岸沙丘正向湖内逼近 古日乃湖与拐子湖周边已形成重盐土和斑状梭梭林沙地 额济纳河沿岸 10 200 hm2 灌溉耕地除免强维持灌溉 700 hm2 外 余者皆因沙化 盐化而弃耕 近 20 年来 额济 纳绿洲已新增沙质荒漠化土地 3 500km2 绿洲内外有 34 的草场严重退化 产量和载蓄量分别下降 了 43 和 46 羊和骆驼的平均体重普遍下降了 50 左右 生态环境遭到严重破坏 额济纳绿洲正 在向荒漠景观演变 额济纳绿洲生态环境急剧恶化的主要原因 是多年来人们对水土资源不合理开发 上下游缺乏 统一规划造成的 在迅速膨胀的人口压力下 黑河上 中 下游 特别是中游地区大量开垦荒地 引水筑坝 扩大灌溉面积 上 中游工农业用水资源普遍未得到科学合理的使用 有效利用率低 管理工作滞后等又加剧了水资源的供需矛盾 从而导致下游水环境劣变和生态环境恶化 同时 由 于人类不科学的利用 绿洲的植被受到破坏 尤其是过牧导致胡杨天然林难以更新 草场植被退化 15 等现象的发生 根据王根绪 程国栋 1998 1999 和龚家栋等 1998 的研究 黑河流域在中游走廊平原汇集 后向北穿越正义峡后进入下游地区 流域上 中 下游水分条件相差悬殊 上游祁连山区年降水量 300 500 mm 最大可达 700 mm 中游走廊区降水量为 100 250 mm 下游额济纳绿洲区为极端干 旱气候区 流域地表径流及与之密切联系的地下水资源是维系中下游经济发展和生态环境平衡的纽 带 从本世纪 40 年代开始 尤其在建国以来流域中游地区的大规模水土资源开发和经济 社会的 发展 流域水文状况变化剧烈 生态环境也不断恶化 1944 1950 年间 中游地区的陶赖河上修建鸳鸯池大型水库 后于 1951 1962 年进行了整修加 高 使总蓄水量达 1 1 亿 m3 在干流高台以下修建马尾湖平原水库 蓄水量约 380 万 m3 并在山 丹河 洪水河等支流上大规模截引河水 使水系有了明显改变 1949 年以后 尤其在 1950 1978 年的 28 年中 几乎在流域所有的河道上均修建了大小水库或引水工程 从 1949 年开始修建水库数 和蓄水量逐年增加 在 1954 1963 及 1968 1978 两个时期 水利工程建设达到高峰 分别建造大小 水库 33 座和 39 座 截至 1985 年 中游地区已建水库达 95 座 其中未包括蓄水量小于 10 万 m3小 塘坝和平原小水库 水库总蓄水量达到 3 6 亿 m3 比 1949 年增加 20 倍