全球气候变化对陆地生态系统的影响

全球变化课程论文PAGEPAGE5全球气候变化对陆地生态系统的影响摘要：人类活动无节制地消耗自然资源，使生态环境日益恶化。社会工业发展，化石燃料的使用，排放出大量的大气污染物和“温室气体”，已开始明显地改变了大气的成分，影响和改变着陆地生态系统的功能和结构。本文通过描述大气圈温室气体的变化趋势，全球气候变化对生态系统的功能与结构的影响，生态系统对全球气候变化的响应等方面说明气候改变与陆地生态系统的协同关系。全球气候变化过程影响着生态系统及与人类活动有关的各个方面，阻止、延缓这种改变，已刻不容缓。关键词：全球气候变化；温室气体；结构；功能；陆地生态系统陆地生态系统指地球表面生物与环境的协同的有机整体。在一个稳定的生态系统中，物质和能量的输入输出是平衡的，它具有稳定的重点或循环，很少存在人类的干扰。但随着近代工业的发展，人类活动改变了陆地表面，改变着物质能量的原有循环，人工增加了源量，造成全球尺度的气候变化如温室效应加剧、臭氧层空洞、酸雨、生物多样性减小，已反馈影响着人类的日常生活。全球气候变化是全球变化的一个重要方面，主要涉及温室效应、CO2浓度变化、大气降水格局等过程。近来很是受科学家的关注，也被普通民众所瞩目，全球气候变化与陆地生态系统((GCTE)的研究是国际地圈—生物圈计划(IGBP)特别委员会几个重要研究领域之一，也是全球生态学的一个重要主题。1世界几种温室气体的变化趋势1.1二氧化碳据预测21世纪末期CO2倍增会引起气候大幅度变暖[1]。CerardLambent报道在1800-1985的185年间大气中CO2浓度从275ppm增加至345ppm。有人统计1960-1984年间CO2年平均增长量为1.04ppm，而最近几年的年均增长量已达1.5ppm，即每年约增加10%，且还将持续增长，到下个世纪中叶，可能要增加1倍。1.2甲烷冰心中的气泡分析证明，20世纪初以前，浓度相对较稳，保持在700ppb左右、以后增加较快。近10年每年约增加1%以上，目前甲烷含量已超过1700ppb。1.3一氧化二氮(N2O)和氯氟烃(CFC)大气中的一氧化二氮含量，随着交通业的持续发展，近10年浓度已接近310ppb，每年约增加0.3%。而虽然在1996年用于冰箱制冷剂的氯氟烃已停止使用，但在其主要利用的30年间，最常见的氟里昂F11(CFCI2)和F12(CFCI2)已在大气中积累至0.22ppb和0.38ppb。由于这2种物质的寿命较长，在大气中循环反应，使同温层中的臭氧受到严重破坏。1.4水蒸气人类对地球下垫面的改造，改变了地球原有的蒸发量，和原有的大气循环途径，使大气中水蒸气的含量发生改变[1-3]。2全球气候变化对陆地生态系统的影响2.1气候变化对生态系统生理的影响气候变化改变生态系统能量与物质交换的有关途径和改变生物量和元素贮藏的过程[4]。如：①大气中CO2增加在小尺度范围影响植物的生理学过程。CO2的含量是生态系统和净植被功能的植物生理学上的反映；②陆生碳库的变化和流动，使碳、氮、磷、硫生物地球化学过程发生改变，以造成生态系统中碳、氮、磷、硫库存和流动，CO2量、气候和土地利用的改变；③气候和土地利用改变后，将影响生态系统水和能量交换及其对气候反馈的影响。2.2生态系统结构的改变全球气候变化，尤其在小尺度范围大气中CO2和气候的改变将影响种类功能类型，生物组成和生态系统结构，景观格局，生物分布及区域、大陆土地覆盖和土地利用，及此对气候可能的反馈。2.3对森林生态系统的影响全球气候环境的变化，必将对森林生态系统的结构、组成、功能和生产力产生深刻的影响[5,6]。2.3.1影响森林生态系统的物质循环气候变化将对物质循环产生直接的影响。以生态系统中C循环为例，森林凋落物主要是通过微生物、昆虫和土壤动物等分解者的降解作用，把CO2释放回大气，同时把养分归回林地，假如全球气候变暖，这势必影响森林凋落物的分解速度，如果分解速度变慢了，那么森林凋落物将积累，同时许多养分不能归回林地；反之，如果分解速度变快了，那么将大大加快森林凋落物的分解，无疑将加速CO2和养分的释放速率。2.3.2影响森林生态系统的格局与过程气候变化影响森林生态系统中乔木、灌木和草本植物的生活史、生理特征、分布和群落组成结构，尤其是森林生态系统中的建群种、优势种和指示种的种群动态、生理生态和分布格局的变化，在生理生态方面，气候变化对绿色植物光合作用、呼吸作用将产生影响，如土壤水分状态变化、气候变暖等对植物水势、气孔导度、细根吸取养分和植物对光能的利用效率发生变化。同时，全球气候变化通过影响植物的生境条件、光合作用等，势必影响林木的生长率、死亡率，甚至林木材质。森林具有水土保持的功能。全球气候变化，尤其是大气年均温度和降水的改变，不但将导致林木树种组成、叶表面积、根系特性等森林特征的变化，而且将改变森林的分布区，使有林地变成草原、荒地等无林地，这些都将影响林冠截流、林冠燕腾、地表径流和林分保持水土的功能。全球气候变暖，不但将影响森林类型的分布，而且势必影响林地森林凋落物的积累和干湿状况，显然这会对森林火灾发生频度和强度产生直接的影响。2.3.3森林生态系统的正向反馈森林生态系统是大气中许多微量气体如氮氧化合物、CH4的直接来源，而且它们又是加剧全球气候变暖的温室气体。全球气候的变化将直接影响森林生态系统微量气体的释放速率，例如全球降雨的增加，相应加剧了森林的沼泽化，而沼泽化的森林常常是CH4的重要来源。2.4全球气候变化对草原生态系统的影响2.4.1影响草原生态系统的初级生产力草原地区绝大多数植物为C3植物，温度升高对其生长将产生不利影响。观测表明，36a来祁连山海北州牧草的年净生产量普遍下降；20世纪90年代青藏高原牧草高度与80年代末期比较,生长高度普遍下降30%~50%；天然草地产鲜草量和干草量均呈减少趋势；在温度升高2℃，降水增加20%情况下，不考虑草地类型的空间迁移，各类草原减产幅度差别很大。其中以荒漠草原的减产最为剧烈，达到17.1%。若计入各类型空间分布的变化，各草地类型生产力减产约3成[7]。Century模型模拟表明，气候变化将导致羊草草原和大针茅草原初级生产力和土壤有机质含量的显著下降，羊草草原比大针茅草原对气候变化更为敏感。2.4.2改变牧草的分布与高度气候变化将改变牧草分布的高度，导致植物区成的变化，即草地类型在景观上的迁移。在中国内蒙古草原研究中，温度升高2℃，降水增加20%时草原总面积将减少近30%。气候变暖使内蒙古的草地植被由东南向西北压缩，界线北移[8]。北部，典型草原向大兴安岭推进；南部，典型草原和荒漠草原受到挤压，并向北退缩[9]。2.5气候变化对农田生态系统的影响2.5.1种植制度和作物品种布局及耕作方式的改变气候变暖将增加各地的热量资源，使作物潜在生长季延长，多熟种植北界北移[10]。在品种和生产水平不变前提下，仅考虑热量条件，气候变化后，各地农作物的种植时节，成熟时节将发生改变，造成一年三熟的地区面积增加，一年一熟的地区北移，面积减少。2.5.2作物品质和产量的改变CO2浓度倍增还将引起农作物品质的变化。如CO2浓度增加将使玉米蛋白质、赖氨酸和脂肪含量减少，淀粉含量略有增高，品质有所下降；与此同时，CO2浓度增加将使小麦籽粒的蛋白质、赖氨酸、脂肪含量增高，淀粉含量下降，品质得到提高[11]。CO2浓度倍增对不同作物的产量影响不同[12]。C3作物将因此提高产量30%左右，而C4作物仅提高10%左右。因此，C3作物，如水稻、小麦、油菜等的产量将有明显提高。CO2浓度倍增条件下，作物干物质平均增加40%,产量增加26%，且植株含碳量提高，但含氮量下降，从而将引起害虫采食量增大；同时，也将伴随杂草增多[13]。另外，如果土壤水分和营养物质得不到满足，这种增产效应将会大大减弱。气候变暖在加速农作物生长的同时，也使农作物的呼吸作用增强，生育期缩短，从而影响到农作物的产量。同时气候变暖导致土壤有机质的微生物分解加快，将造成土壤肥力下降，农田生产潜力降低[14,15]。2.5.3粮食问题尖锐化气候变暖在全球呈不均匀性，使得极端天气事件的发生频率、出现、延续时间和分布发生变化，导致气象灾害的频率和强度加大。温度升高将导致一些作物不同程度地受到高温热害的影响，尤以北方小麦为甚。与此同时，一些地区的低温冷害仍然比较严重。同时，随CO2浓度倍增、气候变暖，全球海平面上升，将会淹没沿海重要的粮食生产基地。在中国，华东和华南受洪水肆虐的程度和频率将可能提高，加上三角洲地区海水倒灌，大片良田将盐渍化，影响粮食总产量[13]。此外，气候变暖将使得病虫危害面积扩大。如①害虫的地理分布界限北移；②害虫种群的世代增加，农田多次受害的几率增高；③害虫迁移入侵的风险增高。研究表明气候变暖将使粘虫的越冬北界北移1°，稻飞虱的安全越冬北界由当前22°N推向23~24°N；分布在33°N以南地区的粘虫、23~25°N以南地区的稻飞虱以及江淮区以南的稻纵卷叶螟均可比当前多繁殖一个世代。④气候变暖，尤其暖湿气候将有利于一些病菌的发生、繁殖和蔓延，从而将使农田生态系统的稳定性降低[11]。2.6全球气候变化对动物群落的影响动物群落的空间分布、内部等级、群居性等与气候、地形、分布区的植物等生长因子有关。但随着全球气候变暖，北半球物候期提前，一些野生动物的分布区北移，动物的繁殖、种群变化都发生了不同程度的变化，有的物种甚至灭绝。2.6.1动物地理分布全球气候变化改变了区域的温度和降水格局，使动物的栖息生境发生改变，某些鸟类和两栖类，甚至丧失了栖息生境[16]，导致生物多样性减少，物种灭绝。当温度和降水格局发生变化时，物种的分布会随之发生变化，因为物种总是倾向于分布在气候条件最适宜的区域[17]。植被是野生动物赖以生存的栖息环境，也是野生动物的食物来源[18]。气候变化影响植被，尤其对植被的初级生产力产生较大影响。植被变化时，动物分布区相应地随之发生改变。2.6.2动物行为与生理及种群动态气候变化特别是降水变化对动物有较大的影响，如影响物种丰富度、存活率、产卵日期、繁殖成功率、生长速度和动物行为等，最后导致动物种群数量波动。3陆地生态系统对全球气候变化的反馈3.1气候反馈全球变化将对陆地生态系统产生严重影响,而陆地生态系统的改变又将反馈于全球变化。不同的植被类型通过改变地表反射率、蒸发散、地表粗糙度等影响植被与大气之间的物质(如水和CO2等)和能量(如太阳辐射，动量和热量等)交换来影响气候，改变的气候又通过大气与植被之间的物质和能量的交换作用对植被的生长产生影响，最终可能导致植被类型的变化。研究表明，森林砍伐将影响反射率和树冠截留，从而显著地减少当地的降水量，增加下游洪水泛滥的频率与强度。森林向牧场的转变将增加地表反射率和地表覆盖度，在小范围内使温度增加,湿度下降。植被的破坏还将导致土壤侵蚀和地表水的减少。3.2碳循环反馈陆地生态系统的变化不仅影响气候变化,而且亦将对全球碳循环产生影响,从而间接地影响气候。热带地区的大规模毁林活动早就引起了人们的重视，目前由于原始森林受毁导致的次生森林或林用种植园在热带至寒温带都有分布，由此造成的森林生物量的变化必将影响森林的碳贮量。与自然森林相比，热带地区种植园的森林地上生物量较自然森林低20%~50%；温带地区生产性森林的地上生物量较自然森林低40%~50%。次生森林和不定期砍伐森林的木本植物生物量较自然森林低30%~80%。因此，砍伐或开采自然森林后形成的次生林的固碳能力将降低。参考文献[1]周广胜,张新时,高素华,等.中国植被对全球变化反应的研究[J].植物学报,1997,39(9):879-88.[2]黄银晓.全球气候变化对陆地生态系统的影响[J].环境科学,1993,14(6):79-81.[3]江学顶,刘育,夏北成.全球气候变化及其对生态系统的影响[J].中山大学学报论丛,2003,23(5);257-262.[4]郑凤英,彭少麟.植物生理生态指标对大气CO2浓度倍增响应的整合分析[J].植物学报,2001,43(11):1101-1109.[5]周广胜,王玉辉,白莉萍,许振柱.陆地生态系统与全球变化相互作用的研究进展[J].气象学报,2004,5(10):692-707.[6]曾小平,赵平,孙谷畴.气候变暖对陆生植物的影响[J].应用生态学报,2006,17(12):2445-2450[7]李晓兵,陈云浩,等.气候变化对中国北方荒漠草原植被的影响[J].地球科学进展,2002,17(2):254-262.[8]邓慧平,刘厚风.全球气候变化对松嫩草原水热生态因子的影响[J].生态学报,2001,20(6):958-963.[9]王昱生,赵妮珊,徐中儒,等.中国东北部贝加尔针茅(Stipabaicalensis)草原生产量与生态因素的关系及其预测模型[J].植物生态学与地植物学学报,1991,15(3):286-295.[10]张厚,张翼.中国活动积温对气候变暖的响应[J].地理学报,1994,49(1):27-35.[11]王春乙,潘亚茹,白月明,等.CO2浓度倍增对中国主要作物影响的试验研究[J].气象学报,1997,55(1):8694-8698.[12]高素华,王春乙,郭建平.CO2浓度对我国主要作物影响的试验研究[M].见:符淙斌,严中伟主编.全球变化与我国未来生存环境.北京:气象出版社,1996.[13]王石立,娄秀荣.气候变化对华北地区冬小麦水分亏缺状况及生长的影响[J].应用气象学报,1996,7(3):308-315.[14]李伏生,康绍忠,张富仓.大气CO2浓度和温度升高对作物生理生态的影响[J].应用生态学报,2002,13(9):1169-1173.[15]李伏生,康绍忠,张富仓.CO2浓度、氮和水分对春小麦光合、蒸散及水分利用效率的影响[J].应用生态学报,2003,14(3):387-393.[16]孙全辉,张正旺.气候变暖对我国鸟类分布的影响[J].动物学杂志,2000,14:45-48.[17]刘伯文.某些鸟类冬季留居与北方一些地区生态原因探讨[J].动物学杂志,1992,27(5):32-33.[18]马瑞俊,蒋志刚.全球气候变化对野生动物的影响[J].生态学报,2005,25(11):3061-3066.EffectsofGlobalChangeonTerrestrialEcosystemYangXiaodong（DepartmentofEnvironmentalscienceandTechnology,CollegeofResourcesandEnvironmentalSciences,EastChinaNormalUniversity,Shanghai,200062）Abstract:Theecological

environment

isdeterioratingalongwithuncontrolledconsumptionofnaturalresourcesfor

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