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第1章生態環境參數及其測量方法

1.1生態環境參數及其意義

1.1.1生態環境參數

生態環境是指影響人類生存與發展的水資源、土地資源、生物資源,以及氣候資源數 量與質量的總稱,關系到社會和經濟的可持續發展。近半個世紀以來,隨著人類社會的飛 速發展和人口數量的激增,人類對自然資源進行了大規模的不合理開發與利用`幾乎漠視 自然生態系統自身的生態功能。這些開發和利用在給人類社會帶來巨大物質財富的同 時,也給人類自身帶來了嚴重的生態災難與環境問題,使全球生態環境發生了急劇的變 化。環境污染、氣候變暖、森林雜被遭到破壞與退化、水土流失與荒漠化、生物多樣性減 少等生態問題不斷出現(吳炳方等,2005)。人類正受到某些資源短缺或耗竭的嚴重挑戰, 資源環境問題正威脅著人類的生存和發展(Daily,1995；李曉兵,1999)。

生態環境麵是用來刻畫地球表面生態與環境的生物、物理與化學麵,能夠反映區 域生態環境的狀況,其中最直接反映生態環境狀況的是植被特征、土壤特征與冰雪水體變 化。隨著全球變化研究的深入,人們酬地認識到研究地表生物物理化學參數是地球系 統科學的核心內容之-,通過釀這些錄或變量從而能更好地了解全球變化的趨勢及 其驅動因子。生態環境錄包括很多方面:反映植被覆蓋狀況的植被指數、植被覆蓋度、 葉面積指數、植被凈初級生產力和地上生物量等反映生態環境變化的地表物理環境屬性 的參量,如反照率、陸面溫度、亮度溫度、比輻射率和土壤水分等。一些常用的生態環境參

數及含義,見表11。

表1.1生態環境參數及其含義

參數名稱 含義

植被指數 由遙感傳感器獲取的多光譜數據,經線性或非線性組合而構成的對植被有一定指示意義的 各種數值(陳述彭等,1998)。常用的植被指數有歸一化差值植被指數(NDVI)、比值植被指 數(RVI)及增強型植被指數(EVI)等

反照率 從非發光體表面反射的輻射與人射到該表面的總輻射之比,它體現了物體反射太陽輻射能 力的強弱。它是許多遙感反演模型的輸人參量,也是全球輻射變化研究的-個重要變量 (Liu and Hete,1995

比輻射率 物體在溫度了、波長A處的輻射出射度Ms(A,T)與同溫度同波長下的黑體輻射出射度 muaj)的比值。比輻射率是衡量物體出射輻射度的參量,是計算陸面溫度的一個參數 (Qin and Karnieli, 2001

參數名稱 含義

陸面溫度 指陸地表面土壤、水體、建筑物和植被冠層表面的溫度,它是區域和全球尺度地球表層物理 過程的一個關鍵參量,它是地氣相互作用與能量交換的結果,單位為開爾文(K

植被覆蓋度(FVC) 植被(包括葉、莖、枝)在地面的垂直投影面積占統計區總面積的百分比。表征地表植物群 落覆蓋地表狀況的-個綜合量化指標和描述生態系統的重要基礎數據;是全球、區域變化 監測模型中所需的重要信息(劉廣峰等,2007

葉面積指數(LAI) LAI有多種不同的定義和解釋,但最常用的是指單位水平土地面積上的植物葉子單面的總 面積。它是研究植物冠層表面物質和能量交換的重要參數,被廣泛應用于植物生長模型、 能量平衡模型、氣候模型和冠層反射模型等諸多方面的研究(程武學,2010

凈初級生產力(NPP) 綠色植物在單位時間單位面積內總初級生產量(GPP)減去呼吸作用消耗掉的能量⑵,余 下的有機物質的量就是凈初級生產力

土壤水分 土壤水分是指土壤中含水的多少,可按重量含水量"和體積含水量來統計。大范圍的土壤 水分監測是農業過程研究和環境因子評價的基礎,在改善區域及全球氣候、預測區域干濕 狀況,以及干旱監測等研究中意義重大

植物生物量 植物生物量是指某-時刻單位面積或體積內實存生活的有機物質的質量(干重或鮮重)。 植物群落的生物量是植物生態系統生產力的好指標,是植物生態系統結構優劣和功能高 低最直接的表現。生物量還對碳、氮等物質循環研究、全球變化研究有重要意義

注："這里重量含水量嚴格來說應該稱為質量含水量,這里沿用習慣叫法。

1.1.2研究參數測量的意義

全球變化對陸地生態系統的強烈影響正在改變著陸地生態系統固有的自然過程,其 后果已經并將越來越嚴重地威脅人類的生存環境及社會經濟的可持續發展。因此,這一 問題不僅僅引起了全世界各國科學家的關注,也成為當前生態學釀的一個重點領域,同 時也已經成為政府和公眾高度關注的一個社會和經濟問題。為了較大限度地減少全球變 化可能引起的不良后果`人類必須科學地認知在全球自然變化和人為活動雙重影響下的 陸地生態環境變化的過程,進而實施對生態系統的有效管理,以維持對人類生存和持續發 展適宜的環境(傅伯杰等,2005)。葉篤正先生曾指出,"全球環境是一個不可分割的整體, 任何區域的環境變化都要受到整體環境變化的制約;反過來,整體環境的變化又是各區域 相互影響著的環境變化的綜合體"(葉篤正和陳伴勤,1992)。生態環境是社會經濟可持續 發展的物質基礎,生態環境狀況的定量評價是實施區域可持續發展戰略的重要雜(宋松 柏和蔡煥杰,2004)。生態環境參數的測量與定量化描述對全球變化研究、地球系統 釀,以及氣候變化監測都有著重要作用。

1.表征生態系統物質能量循環

生態系統中的物質循環和能量流動是緊密結合在一起的。物質是能量的載體,能量 是物質循環的動力,在能量的驅動下物質從一種形態變成另外一種形態,從一個物質載體 中進入到另外一個載體。植被是生態系統的重要組成部分,是地球上物質循環和能量流動的植。植被通過光合作用將自然環境中的無機物質合成為有機物質,把所吸收的太 陽能儲存起來,為其他生物直接或間接地提供物質和能量來源。同時,植物在食物鏈和食 物網的作用下與其他生物聯系起來,使有機界和無機界連接成一個整體`推動著地球生態 系統的進化和發展;其次,植物是環境中二氧化碳和氧氣的主要調節器。植物吸收二氧化 碳,釋放出氧氣,維持著大氣中二氧化碳和氧氣的平衡。二氧化碳和氧氣是生命活動的原 料,也是生命活動的產物,它們在大氣中的含量狀況影響著整個地球環境。因此,陸面溫 度、土壤水分和太陽輻射等生態因子不僅直接影響整個生態系統,而且通過影響生態系統 中最重要的因子——麵,從而間接影響地球表層系統的變化。

植物與環境的相互關系一直是生態學釀的核心問題。植物的生命活動需要從環境 中獲得光照、溫度、水分、無機鹽等基礎生態因子,與此同時也會影響環境境水分是植物生 長發育所必需`與其他因子相比,植物功能性狀對水分的響應更為顯著`如干旱地區植物 會有較高的氮、磷含量(Wright et al.,2001)。研究表明,常綠樹種的葉片滲透水含量、葉 綠素含量均會隨著干季到濕季的變化而降低,而比葉重、葉片密度會隨之增大(Prior et a",2004)。水分還影響著植物的光合速率,在區域尺度上植物光合作用也會隨著環境 濕度上升而減弱。一般來說,個體植物對環境的影響是有限的`隨著個體數量的增加`植 物對環境影響的范圍和強度也加大。不同的植物群體因組成和結構的區別而成為不同的 群落`每一個群落創造著自身的"植物環境",并不同程度地影響周圍的外界環境。這就是 說,植物群落的組成和結構及其規模,對環境影響的程度都是呈正比的。

通過地面測量或遙等手段對生態系統物質能量的組成要素及其變化進行定量化認 識,是了解生態系統物質能量循環的基本方法。因此,這些量化的"參數"可用來表征生態 系統物質能量循環的基本特征`如葉面積指數可以表征不同植物或同一植物在不同生長 階段的群體生長狀況。

1.制備陸面過程模型參數

當今生態學研究的熱門問題是全球變化的釀,全球變化是由于C02等溫室氣體的 濃度升高造成溫度與水分這兩大生態因子改變并將由此驅動的大范圍的生態系統改變的 現象。要研究在當前或預測未來全球氣候條件下,大氣組成、氮循環、人類土地利用/土地 覆蓋在全球或區域尺度上的變化,需要有一個對環境和植被、土壤、太陽輻射等生態環境 要素之間在更廣闊水平上相互關系的機理性的認識(廖海萍和蔣高明` 2000)。地球上每 一個生物化學反應都以某種形式與生物地球化學循環相聯系`因此要了解全球變化的原 因及其對生態環境的影響`需要研究全球的生物地球化學過程。數學和數鋪型的應用` 有助于對生物地球化學循環動態的定量理解`同時定量理解生物地球化學循環在過去和 未來中的作用。由于許多生態環境錄都是全球變化模型的輸入參數,因此生態環境參 數的測量在全球變化釀中起著非常重要的作用。

地球系統為開放性系統,受到外部的影響非常大,如受到太陽輻射變化的影響或另外 一些未知的影響,地球系統模型的運行有著不確定性。因此需要不斷對內部各個因子進 行校正,對各個生態環境錄進行及時的測量。在很大程度上生態環境參數的 測量直接決定了地球系統模型運行的精度。

生態環境問題是指由于生態平衡到破壞,導致生態系統的結構和功能嚴重失調,從 而威脅到人類的生存和發展的現象。目前,土地荒漠化是全球最嚴重的生態環境問題之 -,是全球變化釀中的-個重要內容。荒漠化在世界上造成了嚴重的環境惡化和經濟 貧困,被列入威脅人類生存的十大環境與發展問題之首。它不僅威脅到整個人類的生存 環境,而且是制約全球經濟發展和影響社會穩定的重要因素。荒漠化是指包括氣候變異 和人類活動在內的種種因素造成的干旱、半干旱和干燥的亞濕潤地區的土地退化。包括 三個方面的內容:①風蝕和水蝕致使土壤物質流失;②土壤的物理、化學和生物特性或經 濟特性退化;③自然植被長期喪失。

荒漠化監測對荒漠化防治對策的制定黯重要意義。荒漠化監測的主要內容是荒漠 化發生空間范圍及其分類分級。目前幾乎所有有關荒漠化的評價都是以包括干燥的亞濕 潤區在內的干旱土地退化為評價對象象荒漠化監測評價體系主要以氣候、土壤、植被、動 物和人類影響等因子為依據`提出了用于全球、地區(跨國家的)、國家和地方的評價指標 體系。然后`又把荒漠化指標進一步具體化,歸納為自然地理學、生物與農學、社會三個方 面,涉及土壤、植被、水、動物與人類活動等眾多指標。因此生態環境參數(尤其是植被和 土壤水分等參數)的測量是對生態環境狀況進行監測的重要手段。

2.1.3常見生態環境參數及其意義

1土壤水分和陸面溫度

在地球系統中,地表土壤水分和陸面溫度是重要的地球物理麵。其中,地表土壤水 分是陸地和大氣能量交換過程中的重要因子,是氣候、水文、生態、農業等領域繼土壤干 旱程度的重要指標`也是全球氣候變化的重要組成部分`并對陸地碳環等物質循環有很 強的控制作用(Seneviratne et ),2010)。在水文循環中,它是聯系地表水與地下水的紐 帶,在水資源的形成、轉化及消耗過程中有重要作用,同時土壤水分狀況對于降水產流、植 被蒸騰、土壤蒸發及生態環境下墊面植被生態系統的變化等具有重要影響。在氣候領域` 土壤水分決定太陽輻射能用于潛熱和顯熱的比例,影響土壤的蒸發和植被的蒸騰;在生態 釀領域,土壤水分是決定土地沙化、植被覆蓋、干旱的重要因素之一;在農業生產方面, 土壤水分是農作物發芽、生長發育的基本條件`它對降水和灌溉后的徑流、滲漏、重新分 布、排水的儲存等也是相當重要的。全球范圍的地表土壤水分反演又是陸面過程模式研 究的重要組成部分,在改善區域及全球氣候、預測區域干濕狀況研究中意義重大(Zhang et al.,2011; Zhao et al.,2011)。

陸面溫度則影響大氣、海、陸之間的顯熱和潛熱交換`是研究全球和區域地-氣之間能 量、物質交換、水分與碳環的關鍵指標。陸面溫度作為一個重要的水文、氣象麵`影響 著地氣之間的顯熱和潛熱交換,在氣象、水文、植被生態、環境監測中等方面有著重要的應 用價值(Qin et al.,2001)。

陸地生態系統碳環是全球碳環釀中最重要的組成部分"同時也是全球變化科 學研究的核心科學問題,在全球碳收支研究中占有重要地位。陸地生態系統凈初級生產 力(net primary productivity, NPP)是繼綠色植物通過光合作用固定太陽能和生產有 機物的效率指標,是計算生態系統中綠色植物物質循環的基礎數據。

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