中科院《全球生态学》期末考试复习整理.docx
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中科院《全球生态学》期末考试复习整理
《全球生态学》复习整理
一、概念
1.对气候变化的敏感性、适应性与脆弱性
敏感性:
指一个系统对气候变化的响应程度。
适应性:
指系统在其运行、过程或结构中对预计或实际气候变化的可能调节程度。
脆弱性:
指气候变化对一个系统的破坏程度。
它既取决于一个系统对于特定气候变化的敏感性，又取决于此系统对于该变化的适应性（Houghton,2001）。
2.全球变化
“全球变化”（GlobalChange）一词首先出现于20世纪70年代，为人类科学家所使用。
全球变化指由于自然和人为因素造成的全球性的环境变化，主要包括气候变化、大气组成变化，如CO2浓度及其它温室气体的变化，以及由于人口、经济、技术和社会的压力引起土地利用的变化。
3.土地利用与土地覆盖
土地利用（landuse）：
指人类依据土地的特点，根据一定的经济与社会目的，采取一系列的生物和技术手段对土地进行的长期性或周期性经营活动，把土地的自然生态系统变为人工生态系统的过程。
土地覆盖（landcover）：
指自然营造物和人工建筑物所覆盖的地表诸要素的综合体，包括地表植被、土壤、冰川、湖泊、沼泽湿地及各种建筑物（如道路等），具有特定的时间和空间属性，其形态和状态可在多种时空尺度上变化。
4.温室气体与温室效应
温室气体:
是指在10微米附近（810m）的红外光谱波长上吸收辐射、对地表有一种遮挡作用的气体，并导致地球大气的增温，如CO2,CH4,N2O,O3和H2O等。
温室效应:
是指地球大气中高浓度的CO2等温室气体象温室的玻璃罩一样只允许太阳辐射到达地面，却吸收从地面反射的红外辐射，而导致地球大气温度升高的效应。
5.大气环流模式
大气环流模式（GCMs:
GeneralCirculationModels）
－大气环流模式是进行天气和气候预测的基础，是对用于天气预报和气候预报的大气数值模式的总称。
－是由流体力学方程组和热力学方程组组成的一组用于定量描述发生在大气、海洋、冰和陆地的各种过程的方程组。
该方程组可以综合地反映相耦合的大气－海洋－陆地－生物圈系统内的物理、化学、生物和社会过程的相互作用，预测大气运动的变化。
6.植被、植被区划与植被类型
植被：
是植物生长着、繁殖着，为动物和人类提供食物与隐蔽所，并通过截留雨水与养分循环稳定土壤的植物群落。
植被区划:
是在一定地段上依植被类型及其地理分布的特征划分出高、中、低各级彼此有区别、但在内部具有相对一致性的植被类型及其有规律组合的植被地理区。
植被类型是植被区划的主要依据。
植被类型：
（自己写的，仅供参考，希望大家能找到更好的答案）：
指在一定地带，由一定的植物种类组成的具有一定特征的植被型，其区系成分是植被区划的重要依据之一。
（课件提到点）是由一定的植物种类组成的，它们的区系成分也是植被区划的重要依据之一，尤其重视植被的建群种、优势种以及一些“标志种”的地理－历史成分，它们对于植被区划具有标志性的意义，并可据以进行定量的统计。
7.气候－植被分类
研究气候与植被类型地理分布之间关系的科学。
8.遥感（remotesensing）
根据Campell（1996）的定义，遥感“是在地面之上，根据地物在一定的电磁辐射波段内的反射或发射能量特征，对陆面和水面进行数字成像分析的实践活动”。
9.植物生产力概念：
生物生产力、植物的总初级生产力、植物净第一性生产力、净生态系统生产力、净生物群区生产力
生物生产力：
指生物及其群体，甚至更大尺度（包括生态系统以至生物圈）生命有机体的物质生产能力，随环境的不同而发生变化。
第一性生产力：
指生态系统中绿色植物借助于太阳能同化CO2制造有机物的能力，亦即植物通过光合作用积累的能量是生态系统的初级能量，这种能量的积累过程为第一性生产或初级生产（Primaryproduction）。
植物的总初级生产力（GPP:
GrossPrimaryProductivity）：
指单位时间内生物（主要是绿色植物）通过光合作用途径所固定的有机碳量，又称总第一性生产力（方精云等，2001）。
植物净第一性生产力（NPP:
NetPrimaryProductivity）：
表示植物所固定的有机碳中扣除其本身的呼吸消耗部分。
这一部分用于植被的生长和生殖，也称净初级生产力。
NPP＝GPP-RA
式中：
RA表示自养呼吸（autotrophicrespiration），为自养生物本身呼吸作用所消耗的同化产物。
净生态系统生产力（NEP：
NetEcosystemProductivity）指单位时间单位空间内，土壤、凋落物及植物量等整个生态系统的有机物或能量的变化，亦即生态系统净初级生产力与异氧呼吸（土壤及凋落物）之差。
它表征了陆地与大气间的净碳通量或碳储量的变化速率。
NEP=（GPP-RA）-RH=NPP-RH
式中:
RA表示自养呼吸，RH表示异养呼吸（heterotrophicrespiration），亦即异养生物呼吸消耗量（土壤呼吸作用）。
净生物群区生产力（NBP:
NetBiomeProductivity）是指从净生态系统生产力中减去各类自然和人为干扰（如火灾、病虫害、动物啃食、森林间伐以及农林产品收获等）等非生物呼吸消耗后所余下的部分。
NBP=GPP-RA-RH-NR=NPP-RH-NR=NEP-NR
式中：
NR为非呼吸代谢消耗的光合产物。
10.模型概念：
统计模型、遥感模型、过程模型；陆地表面模型、生物物理模型、生物地球化学模型
统计模型：
又称为气候相关模型，以Miami模型、ThornthwaiteMemorial模型、Chikugo模型和综合模型等为代表。
统计模型是利用气候因子估算植被NPP，因此大部分统计模型估算的结果是潜在植被生产力或称气候生产力。
气候生产力指某一地区植物群体在气候处于最佳状态下所能达到的最大第一性生产力。
遥感模型:
是根据卫星遥感资料推算生产力，是植物生物量和生产力动态监测的有效工具，如CASA模型，但该类模型还处于发展阶段，且模型中许多参数的生态学意义还不清楚。
过程模型：
又称机理模型，是通常所说的生物地球化学模型。
过程模型考虑生理生态和生物物理过程及这些过程确定的生产力空间、时间特性，它根据植物的生长规律以及该研究地点的给定植被类型和土壤类型来模拟植被的净第一性生产力、碳及养分循环。
陆地表面模型（landsurfacemodels）：
主要用于模拟土壤－植被－大气系统中能量、水分和动量平衡，且根据已经的植被地理分布以及土壤特征进行全球模拟。
代表性模型，如BATS模型,SiB模型,LSX模型,LSM模型
不足：
没有考虑对气候系统有重要影响的植被覆盖的潜在变化
生物地理模型（biogeographymodel）：
主要用于模拟全球植被的地理分布和植被的地理分布与气候之间的关系
代表性模型，如DOLY模型，BIOME模型，MAPSS模型
不足：
主要描述植被结构与气候、土壤间的相互关系，且是静态描述，即假定植被与环境处于平衡状态，没有反应植被结构与功能的综合作用
生物地球化学模型（biogeochemistrymodel）：
主要用于模拟植被、枯枝落叶和土壤有机质各汇内部以及各汇之间的碳和养分循环
代表性模型：
如CENTURY模型，TEM模型和BIOME-BGC模型
不足：
尽管将植被过程与水分循环有机联系在一起，可模拟NPP、碳及养分循环，但它们是以给定植被类型和土壤类型为基础的，不能预测植被类型的变化
11.全球变化陆地样带
定义：
由一系列沿着某种具有控制陆地生态系统结构、功能和组成，生物圈－大气圈痕量气体交换和水分循环的全球变化驱动力：
温度、降水和土地利用梯度分布的生态研究站点、观测点和样地组成的，其长度应不小于1000公里以确保覆盖气候和大气模式以及决策尺度，并有足够宽度（数百公里）以涵盖遥感影像范围。
12.描述和模拟生物地球化学循环的一些概念：
库、通量、源、汇、收支、周转时间、循环
库（reservoir）：
又称盒（box）或分室（compartment）指以某一物理、化学或生物特征定义的大量物质。
在特定条件下可被认为是均一的。
通量（flux）：
单位时间从一个库传输到另一个库的物质量，以F表示。
汇（Sink）：
进入库中的物质通量，通常以Q表示。
源（Source）：
从库中流出的物质通量，常以S表示。
收支（budget）：
是指一个库中的所有源和汇的总和。
周转时间（turnovertime）：
一个库的周转时间是指库的容量M与库所有汇S的和的比率或指库的容量M与库所有源Q之和的比率。
周转时间是指在汇保持不变且无源的条件下库被用空所需的时间。
循环（cycle）：
由2个或多个相关联的库组成的系统，物质以一种循环的方式在该系统内传输。
如果所有物质在该系统内循环，则该系统是封闭系统。
二、理解
1.描述地球系统及其组成特点，并指出气候系统与地球系统的异同
地球系统是一个由包括人类和人类活动在内的地球环境的各个部分及其相互作用构成的、处于不断变化之中的巨大的复杂系统。
对于地球系统的变化，太阳是外界的主要驱动力，人类活动则是内在的驱动源。
组成特点：
地球是一个由若干个开放系统组成的准封闭系统。
除从宇宙中坠落的陨石外，其只与外界进行能量交换而基本上没有物质交换；而地球系统的各个子系统则属于开放系统，彼此之间既有物质的交换又有能量的交换。
“气候系统”是由大气圈、水圈、岩石圈、冰冻圈和生物圈组成的，这五个子系统的相互作用控制着气候变化。
地球系统也包含上述五个圈层，不过气候系统对岩石圈仅考虑了最上层部分，即土壤和山脉地形等，没有考虑深层的地壳和地幔等，也就是说在地球系统中还包含了地质过程。
气候系统与地球系统的异同（网络版本）：
相同点：
（1）二者组成成分相同，都包括大气圈、水圈（含冰雪圈）、岩石圈和生物圈；
（2）二者都属于准封闭系统，与外界只有能量交换，没与物质交换；（3）二者都是很复杂的而且是高度非线性的系统；（4）二者的动力都主要来自太阳能。
不同点：
（1）地球系统范围更广，不仅包括气候系统，还有生态系统、海洋系统以及人类作用过程等；
（2）气候系统具有可预报性，地球系统却不能；（3）地球系统的关键过程是能量流动和生物地球化学循环，气候系统只包括与气候相关的能量和物质的交换。
2.阐述气候－植被分类定量研究的3个阶段及其特点
气候－植被分类定量研究的3个阶段：
①基于相关性的气候－植被分类阶段
基于相关性的气候－植被分类特点：
以现实自然植被类型与气候之间的相关性为特征,还没有将对植物生理活动具有明显限制作用的气候因子作为植被分类的指标，也没有考虑植物的生长过程，是非机理性的。
包括简单指标的气候－植被分类和综合指标的气候－植被分类。
简单指标的气候－植被分类：
主要是指利用一些观测的单一环境因子来进行植被类型分区的研究方法，以Koppen的生物气候方案为代表。
②基于植物生理生态限制作用的气候－植被分类阶段
基于植物生理生态限制的气候－植被分类特点：
以对植物生理生态活动具有明显限制作用的气候因子作为气候－植被分类的指标。
这类模型又称为生物地理模型（Biogeographymodel），主要描述了植被的结构特征，如叶面积指数等，不足的是这类模型关于植被类型与气候之间相互关系的描述是静态的，即植被与气候处于平衡状态，也没有反应植被的结构与功能的综合作用。
③基于植被结构和功能变化的气候－植被分类阶段
基于植被结构和功能变化的气候－植被分类特点：
将植物的结构和功能的变化在植被的分类上得到综合体现。
3.遥感在现实陆地植被生产力监测中的作用及其缺限
遥感模型是根据卫星遥感资料推算生产力，是植物生物量和生产力动态监测的有效工具，如CASA模型，但该类模型还处于发展阶段，且模型中许多参数的生态学意义还不清楚。
遥感技术系统分为主动式和被动式两种。
前者是从传感器本身发出电磁波，然后测定地物的放射量（如雷达）。
这种遥感的主要优点是全天候，在夜晚和多云天气也可正常工作。
后者可分为两种：
①是记录地物对太阳光的反射率，主要测量波段集中在可见光和近红外波段；②是记录地物本身的能量，测量波段集中在远红外线波段和微波波段。
遥感的工作过程大致包括以下4个方面：
①地物自然属性的研究，如土壤、植被、水体及人造建筑工程等；
②对地观测，即运用照相机、雷达、多光谱扫描等仪器记录地物反射的电子辐射能量并使其定量化；
③信息提取，也就是把观测到的资料根据研究目的作进一步的系统分析，以获取有用信息；
④应用卫星资料结合其它数据解决某一特定问题，如土地利用、地质勘探、水文学、植被及土壤研究。
遥感资料应用的若干问题
遥感资料的地面分辨率可从1m到1km，使用哪一种遥感资料应视研究的大小和研究目的而定。
例如，在大区域内用高分辨率的遥感资料并一定能得出好结果，反而在计算上浪费了许多时间。
相反，在小区域用低分辨率的遥感数据又往往需要达到不到精度的要求，损失掉很多有用信息。
再如，在同样大小的区域内水文研究往往需要高分辨率的数据，而气候分析则可以用低分辨率的资料。
对卫星数据进行预处理是分析结果可靠性的重要保证。
在卫星资料的获取过程中，许多因素会影响到数据的质量和精度。
需注意以下两个方面：
①数据的辐射误差。
造成这种误差的原因：
－由传感器本身
－大气散射造成（地形与入射角的影响不予讨论）
例如，测到的物体亮度读数是60，可能其中的50是物体本身实际亮度，而10则是大气折射产生的。
②地理上的定位误差。
这包括:
－两幅遥感图像的拼接误差
－用二维平面表达三维空间引起的误差。
在分析处理过程中，关键问题是如何把这种误差保持在最小范围内。
这就需要根据地形图上的已知控制点来进行几何纠正，以保证相邻两幅图像拼接的精度。
尽管目前已有许多数据处理软件可供选择，但应根据特定研究目的，选择最合适的方法在建立大区域系统模拟时，遥感数据只是许多数据源之一，因此协调遥感数据与其他来源的数据（如气候、土壤及地形）之间的精度是值得注意的。
一般来说，遥感数据比气象台站观测的数据和土壤图提供的数据精度要高，但卫星资料提供的初始数据只反映了土地覆盖在某一时刻的状态，并不等同于土地利用及植被分类图。
某一地区的卫星影像必须和其他地面实测数据相结合，才能得实际的土地利用或植被分类图。
●虽然可用卫星资料来判别植被的疏密度、木材产量及森林类型，但这种分类法大都根据统计学方法得到，而不是基于生物物理学的原则进行的。
●因此，分析或模拟的结果往往只适用于特定的研究区域，而不具备普适性。
●我们面临的挑战之一就是把数据统计与基本的生态属性更有机地联系在一起。
4.试述植物的总初级生产力、植物净第一性生产力、净生态系统生产力、净生物群区生产力之间的相互关系
植被通过光合作用形成总初级生产力（GPP），即光合产物。
植被总初级生产力是生态系统初始物质与能量，也是碳循环的基础，随不同植被类型而异。
在植被总初级生产力中，约有一半通过植被自身的呼吸作用（自养呼吸作用）重新释放到大气中；另一部分成为植被净第一性生产力（NPP），即形成植被的生长量（Wholeplantgrowth），表示单位面积中用于植被净生产的有机体量，即总生长量。
植物生长形成的有机碳即植被净第一性生产力（NPP）流向主要有两种：
1.大部分以凋落物（Litterfall）的形式进入地表，它们或成为土壤有机质的一部分（从较长时间尺度而言，这些土壤有机质又通过土壤呼吸作用而释放到大气中）或以凋落物分解形式回到大气；
2.其余部分则成为系统的净生态系统生产力，构成植物的生物量（Biomass）。
而净生物群区生产力（NBP）：
指从净生态系统生产力中减去自然和人为干扰（如火灾、病虫害、动物啃食、森林间伐以及农林产品收获等）等非生物呼吸消耗后所余下的部分。
5.试述模型的重要性及其生命力
人们为什么要建立模型，模型的生命力又在哪里呢？
生态系统是一个复杂的系统，生态系统内发生的事件及其状况很难进行预测。
尽管对于生态系统的结构和功能的详细理解有助于增进对生态系统过程的预测能力，但是目前对于生态系统的结构与功能的认识还远远不够。
许多生态现象和资源管理问题包含了许多的相互作用以至于凭借目前关于生态系统的认识对于生态系统过程的预测还很困难。
自然现象的复杂性早就是一个科学问题。
科学推理，即根据简单的假设或因果推理来描述现象的方法，通常被用于描述、定义和解释这一世界。
在许多情况下，这是增进对我们已经相当了解的系统过程理解的唯一方法，但是对于哪些了解很有限的复杂现象，试图凭借简单的假设或因果推理来进行解释是不可能的。
一个有效的方法就是综合地研究这一复杂现象，建立反映这一复杂现象的综合模型，且利用该模型来预测这一复杂现象及其对于扰动的反应。
模型有许多不同的表达方式，但模型最基本的特征就是一个抽象或是一个物理实体的表达，以某一方式反映真实世界的结构和/或功能及其过程。
譬如，综合反映某一生理过程的数学方程就是反映这一过程的模型，图像和雕像也是一类模型。
许多不同类型的模型已经并将继续在生态学和资源管理方面起着十分重要的作用。
但是，模型与计算机的结合则是近三十年来的事，这类模型的建立和发展大大促进了对复杂系统的特性和行为的理解。
一个模型在其建立之初通常并不能很精确地描述真实物体或过程，可是模型可以不断改进。
一些模型在改进后能够很好地反映现实以至于不再是一个模型而是模型试图反映的现实。
然而，模型毕竟是模型，所有的模型在一定程度都不正确。
一个模型的好与不好取决于该模型提供的它所描述的现实可否被接受，而不是取决于模型的对与错。
人们为什么要建立模型，从模型可得到什么，一个建立的模型的价值是什么？
首先，模型可以作为预测的工具。
在模型建立过程中所获得的新信息很少，模型的价值在于它们能做什么，而不在于模型怎样被建立。
另外，模型可被用作启发式的练习，即一种研究和综合分析我们所想了解的系统的方法和确定我们还不了解但希望或需要了解的系统的方法。
一个已经建立的模型用途并不大，许多模型在其建立后从未用过。
这些模型的价值在于模型的发展而不在于这一完成的产品。
生态学家和可更新资源的管理者已经建立了大量的不同类型的模型。
这些模型在类型（文字，图形，物理、数学和计算机模型）、范围和分辨率方面（如生理过程模型、单株树木生长模型、森林生长模型、生态系统过程模型或整个生态系统模型）和目的方面（如描述自然现象，组织现存数据，确定信息不足或研究需要，教/学过程，或预测未来状况和系统对于自然扰动和/或管理的反应）变化很大。
每类模型都有其优点与不足，尽管从目前模型的发展趋势来看计算机模型会大幅度地增加，但没有一类模型可支配其它类型的模型。
计算机技术的发展，生态知识的增加和定向管理的发展将促进生态系统模型与计算机模型的结合，从而成为未来生态系统保护和管理的一个主要工具。
6.简述全球变化生物圈模型的分类及其特点
①陆地表面模型：
主要用于模拟土壤－植被－大气系统中的能量、水分和动量平衡，且根据已有的植被地理分布以及土壤特征进行全球模拟。
陆地表面模型主要被用于大气环流模型（AGMs:
atmosphericgeneralcirculationmodels）以模拟陆地表面和大气之间的生物物理相互作用
代表性模型，如BATS模型、SiB模型、LSX模型、LSM模型
模型不足：
没有考虑对气候系统有重要影响的植被覆盖的潜在变化
②生物地理模型：
又称生物群区（biome）模型，主要用于模拟全球植被的地理分布和植被的地理分布与气候之间的关系
代表性模型，如DOLY模型、BIOME模型、MAPSS模型
模型不足：
这些模型主要描述了植被的结构与气候、土壤之间的相互关系，而且是静态描述，即假定植被与环境处于平衡状态，没有反应植被的结构与功能的综合作用。
③生物地球化学模型：
主要用于模拟植被、枯枝落叶和土壤有机质内部及其之间的碳和养分循环
代表性模型：
如CENTURY模型、TEM模型和BIOME-BGC模型
模型不足：
尽管从机理上将植被的过程与水分循环有机地联系在一起，可模拟植被净第一性生产力、碳及养分循环，但它们是以给定植被类型的地理分布和土壤类型为基础的，不能预测植被类型的变化
三类模型的特点
●平衡状态：
三类模型都是独立发展的，都只反映了生物圈的不同方面，而且主要模拟的是平衡时的生态系统状态，没有综合地考虑生物地球化学过程对植被分布的反馈作用和生物圈过程对气候的反馈作用，因而使得模拟生物圈的状态及其与气候系统的潜在作用显得有些力不从心。
●植被结构与功能的分离：
三类模型对陆地表面过程、植被生态学和生物地球化学之间的许多关键联系的描述也不够，没有将植被的结构与功能综合考虑。
●迫切需要建立一个更综合的模型，以模拟陆地生物圈与大气之间的相互作用，特别是模拟陆地生态系统在不同时间和空间尺度上的动态。
7.试述“全球变化与陆地生态系统”核心项目的研究目标与核心科学问题
（课件版）
目标：
①预测气候、大气成分和土地利用的变化对陆地生态系统的影响，包括农业、森林、土壤和生态复杂性
②确定这些影响对于大气和物理气候系统的反馈作用
核心科学问题：
①驱动力：
气候、大气成分和土地利用
②尺度问题：
时间尺度与空间尺度
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GCTE计划的目标：
（1）预测气候、大气成分、土地利用的变化对陆地生态系统包括农业系统和经营性森林系统的影响。
（2）确定这些影响将如何对大气和物理气候系统产生反馈。
全球变化与陆地生态系统的研究就是要从生态系统的物质循环与能量平衡的角度，研究地圈—生物圈—大气圈的相互作用，探讨全球变化的成因与控制机制、空间格局变化规律、未来趋势的预测，以及生态系统变化对全球变化的响应与反馈，研究全球、大陆和流域尺度复杂生态系统的动态过程、系统内部各亚系统间的耦合关系，以及各种生态环境问题的相互作用等科学问题，其中以生态系统碳循环与全球变化、生态系统水循环与水资源、全球变化与生物多样性为其三大优先研究领域。
其主要科学问题包括：
全球大气化学成分是如何在生态系统中发生作用的？
在痕量气体的产生与消失过程中，生物过程起着什么作用？
全球变化是怎样影响陆地生态系统的？
陆地生态系统是怎样产生响应和反馈的？
自然和人为活动导致的环境变化是如何影响一定时空尺度范围的生态系统的结构、功能和服务，以及它们反过来是怎样影响区域和全球气候的功能的？
土地利用、海面升高和气候变化如何改变海岸生态系统，其后果是什么？
海洋生物地球化学过程是如何响应和影响气候变化的？
过去发生过什么重大的气候和环境变化？
其原因何在？
全球变化如何影响生物多样性？
生物多样性的生态环境功能、经济与生态价值如何评价？
以及生物多样性丧失、生物遗传资源流失和有害生物的迁移。
如何通过观测水平的提高，依靠气候、土地利用和经济活动未来的变化情景来预测生态系统和生态系统服务的状态，并提供与决策有关的信息？
在区域和全球环境变化背景下，为了确保有价值的生态系统提供产品和服务的可持续性应采取哪些政策？
当前研究工作的重点集中在：
生物圈代谢与水循环过程及其耦合机制和生态系统要素间的相互作用关系与作用机制。
区域尺度的地圈—生物圈—大气圈之间的相互作用与全球变化的关系。
陆地生态系统对全球变化的响应与反馈作用的机制，以及关键生态学过程对环境变化的适应机制。
全球、大陆和流域尺度复杂生态系统的动态过程、系统内部亚系统间的耦合关系以及生态与环境问题间的相互作用。
8.简述全球变化陆地样带及其选择标准、特征及其全球分布区域
定义：
由一系列沿着某种具有控制陆地生态系统结构、功能和组成
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