淺論地理學(xué)與生態(tài)學(xué)研究在應(yīng)對(duì)全球變化中的作用與應(yīng)用

1、淺論地理學(xué)與生態(tài)學(xué)研究在應(yīng)對(duì)全球變化中的作用與應(yīng)用近代以來(lái)，各種全球變化受到人們的關(guān)注，例如人們最關(guān)心的全球氣候變化，以及人口增長(zhǎng)、地表覆被變化、水資源短缺、生物多樣性減少等等。這些問(wèn)題也引起地理學(xué)家和生態(tài)學(xué)家的廣泛關(guān)注和研究，并取得了一系列重大成果。本文就地理學(xué)和生態(tài)學(xué)在全球變化中的作用與應(yīng)用進(jìn)行一些探討，以促進(jìn)這兩門學(xué)科在全球變化研究中作出更大的貢獻(xiàn)。1 關(guān)于全球變化1.1 全球變化的內(nèi)容隨著對(duì)全球變化研究的深入，全球變化已不僅僅局限在全球氣候變化上，內(nèi)容已擴(kuò)展到全球人口增長(zhǎng)、大氣成分變化、養(yǎng)分生物地球化學(xué)循環(huán)變化、土地利用和覆蓋的改變及生物多樣性的喪失等方面。這些變化既相互獨(dú)立，又相互影

2、響。1.1.1人口增長(zhǎng)在所有全球變化中，人口增長(zhǎng)是最重要的一個(gè)方面，因?yàn)槿祟惖墓まr(nóng)業(yè)活動(dòng)及對(duì)自然資源的消耗決定著其它所有的全球環(huán)境變化。從1850年到現(xiàn)在的150年里，世界人口由10億增加到50多億，而且人均利用能量和資源也以相近的速度增長(zhǎng)。1.1.2大氣成分變化從地球出現(xiàn)的那一天起，大氣成分一直處于變化之中。然而，只有近代大氣成分的變化才引起我們的關(guān)注。在人類工業(yè)革命前，大氣中的一些溫室氣體或稀有氣體，如CO、CH、NO等一直處于較低水平；從1850年起，由于人類活動(dòng)的增加、工業(yè)化程度的提高和農(nóng)業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展，CO，CH,NO的濃度分別增長(zhǎng)了26%、100%、8%?，F(xiàn)在對(duì)化石燃燒產(chǎn)生的CO量

3、比較清楚，但對(duì)因森林砍伐造成的CO釋放量以及海洋和陸地植物對(duì)CO的吸收利用機(jī)制還不能確定。且對(duì)于CH,NO的來(lái)源，我們還了解得很不夠。雖然如此，我們可以很肯定地說(shuō)這些溫室氣體的增加一定會(huì)引起全球氣候的變化。大氣成分變化的另一方面是臭氧的變化。二十世紀(jì)70年代以來(lái)，南極上空平流層的臭氧急劇減少，形成了大家熟知的臭氧洞。大氣層的臭氧減少后更多的紫外光輻射到地球上，破壞地球的生態(tài)環(huán)境，這些變化也會(huì)影響到全球氣候的變化。1.1.3 全球氣候變化CO及其它溫室氣體的增加勢(shì)必會(huì)導(dǎo)致全球氣候變化。據(jù)預(yù)測(cè)，自20世紀(jì)全球氣溫將以每百年0.2 0. 5的速度遞增。而陸地表面將比海洋表面增溫快。另外，大氣成分的變

4、化也使全球降雨模式發(fā)生變化。在過(guò)去幾十年里, 北半球中緯度地區(qū)降雨量增大，亞熱帶地區(qū)降雨量卻下降；南半球降雨量均增加。另一重要的全球氣候變化是全球云層分布的變化。從上世紀(jì)初以來(lái)，全球的云層出現(xiàn)增加的現(xiàn)象。印度在近50年內(nèi)云層增加了7%，歐洲在近80 年內(nèi)增加了6%，澳大利亞在近80年內(nèi)增加了7%，北美洲在近90 年內(nèi)增加了近9%。目前還不能斷定全球云層是否因大氣成分的改變而增加。也許，氣候變化表現(xiàn)并不在平均值的變化上，而在于極端氣候條件(如高溫、水災(zāi)、風(fēng)暴)的出現(xiàn)頻率上。1.1.4 養(yǎng)分生物地球化學(xué)循環(huán)變化過(guò)去100多年來(lái)，一些養(yǎng)分N，P，S等的生物地球化學(xué)循環(huán)由于人類的干擾和氣候變化產(chǎn)生顯著

5、變化。以N為例，全球陸地自然固N(yùn)量約為100 Tg，海洋固N(yùn)量為520 Tg，而閃電引起的固N(yùn)量只有10Tg或更少。與此形成鮮明對(duì)比的是：工業(yè)為制造化肥每年的固N(yùn)量大于80Tg，大豆等農(nóng)作物每年固N(yùn)達(dá)30Tg?？梢?jiàn)，現(xiàn)在每年人為固N(yùn)量已達(dá)到和自然固N(yùn)量相當(dāng)?shù)乃?。而且，人類的活?dòng)，特別是生物質(zhì)的燃燒、土地利用和濕地排水等，已加快了一些長(zhǎng)期氮庫(kù)的游離。1.1.5 土地利用和覆蓋的改變土地覆蓋的變化是指某一土地物理或生物特性的改變。土地利用變化是最能影響生態(tài)系統(tǒng)的全球變化內(nèi)容。由于土地利用變化常發(fā)生在地球的每個(gè)角落，地球上有近一半的非水陸地已受到人類活動(dòng)的影響。因而土地利用變化一直未被認(rèn)為是全球現(xiàn)

6、象，土地利用改變是全球變化的重要組成部分。1.1.6 生物多樣性的喪失從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，生物多樣性的喪失將是全球變化的重要組成部分。這是因?yàn)殡S著人口的增長(zhǎng)，人類活動(dòng)的加劇，作為人類生存最重要基礎(chǔ)的生物多樣性受到了嚴(yán)重的威脅。尤其嚴(yán)重的是，生物多樣性的喪失是不可逆轉(zhuǎn)的。12 全球變化研究的新方向最近幾年, 全球變化研究由原來(lái)單一的氣候變化研究逐漸向其它方面發(fā)展, 研究的重點(diǎn)、方向和手段出現(xiàn)了一些變化。121 全球變化與生物多樣性全球變化的后果和生物多樣性的喪失是生態(tài)學(xué)界最關(guān)心的兩個(gè)論題。過(guò)去生物多樣性的研究集中在物種水平上生物多樣性的編目和保護(hù)，而現(xiàn)在發(fā)展到從基因到景觀各種水平上生物多樣性的狀況。生物

7、多樣性可能在生態(tài)系統(tǒng)過(guò)程中起著重要作用。122研究手段全球變化研究的另一重要內(nèi)容就是設(shè)置實(shí)驗(yàn)，特別是在生態(tài)系統(tǒng)水平上設(shè)置實(shí)驗(yàn)，以探討生物對(duì)全球變化因子的反應(yīng)和反饋。需要野外實(shí)驗(yàn)在景觀水平上測(cè)量氣體流動(dòng)，應(yīng)用GIS和模型來(lái)預(yù)測(cè)氣候變化和生物反應(yīng)，更需要在大尺度上研究來(lái)分析生物地球化學(xué)循環(huán)和土地利用變化的反應(yīng)。困難的是如何建立實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)預(yù)測(cè)生物對(duì)多種因子改變的反應(yīng)以及生態(tài)系統(tǒng)對(duì)海洋和大氣圈的反饋?zhàn)饔谩?23景觀水平上的生態(tài)學(xué)研究景觀過(guò)程的認(rèn)識(shí)對(duì)于陸地、海洋、淡水之間的連鎖關(guān)系的認(rèn)識(shí)極為重要，景觀生態(tài)學(xué)的研究是未來(lái)全球變化研究的前沿學(xué)科。1.24人類決定的生態(tài)學(xué)反饋在未來(lái)幾十年里，土地利用的改變將是全

8、球變化的主要因素。未來(lái)人口增長(zhǎng)和科技的迅猛發(fā)展，要求更多的食物、纖維和化石燃料，為滿足這些需要所要求的土地利用變化的程度和地理分布，我們?nèi)匀凰跎?。發(fā)展一種可以應(yīng)用于土地利用研究的方法是未來(lái)全球變化研究最為迫切的任務(wù)。2 地理學(xué)在全球變化中的作用與應(yīng)用21 地理學(xué)的內(nèi)涵地理學(xué)是一門研究地球表層的科學(xué)(學(xué)科體系)。其對(duì)象是研究地球表層地理環(huán)境的結(jié)構(gòu)、演化過(guò)程、區(qū)域分異及人類對(duì)地理環(huán)境的利用和適應(yīng)。地理學(xué)的方法論的精髓是在于把握區(qū)域的差異性及區(qū)域之間的相互依賴性，這也是地理學(xué)與其它研究資源、環(huán)境和生態(tài)的學(xué)科的重要不同點(diǎn)。地理學(xué)的研究對(duì)象都在于地球表層，而且地理學(xué)研究的著眼點(diǎn)不是個(gè)別事物的規(guī)律，而

9、是現(xiàn)象之間的聯(lián)系。在人類作用于自然環(huán)境的強(qiáng)度和范圍愈來(lái)愈大、因而愈來(lái)愈強(qiáng)烈地改變著自然結(jié)構(gòu)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)的時(shí)候，緊緊把握地球表層系統(tǒng)中的“人地”關(guān)系是更加重要了。22地理學(xué)在全球變化中的作用與應(yīng)用近10多年來(lái)，在全球變化研究浪潮帶動(dòng)下，廣大的地理學(xué)者將全球變化視為地理學(xué)的國(guó)際前沿和重大基礎(chǔ)研究領(lǐng)域而紛紛響應(yīng)。投入大量的研究力量和配置相當(dāng)多的教學(xué)資源在全球變化的影響、土地利用和土地覆被變化、碳循環(huán)和碳收支、碳收支的人為調(diào)控等方面。在這個(gè)階段，地理學(xué)家對(duì)于歷史時(shí)期氣候變化、生態(tài)系統(tǒng)及其結(jié)構(gòu)、功能等方面的研究作出了貢獻(xiàn)。在全球變化研究中，地理學(xué)應(yīng)該如何發(fā)揮自己的作用?2.2.1 研究地球系統(tǒng)是地理學(xué)

10、難以承擔(dān)的任務(wù)地理學(xué)家能不能統(tǒng)領(lǐng)、主導(dǎo)關(guān)于地球系統(tǒng)的研究，或者成為這一重要研究領(lǐng)域的主體力量。地球系統(tǒng)研究是將地球視為統(tǒng)一的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，研究地球系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、功能。地球系統(tǒng)是一個(gè)包括地圈、大氣圈、水圈和生物圈等圈層的統(tǒng)一的、各圈層相互作用的復(fù)雜動(dòng)態(tài)巨系統(tǒng)。地球系統(tǒng)研究強(qiáng)調(diào)全尺度，即從微米到行星軌道的空間尺度。地球系統(tǒng)是一個(gè)自適應(yīng)系統(tǒng)，地球系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)和地球系統(tǒng)變化是其最基本的科學(xué)問(wèn)題。主導(dǎo)地球系統(tǒng)科學(xué)問(wèn)題的研究，是地理學(xué)者的難為之事。當(dāng)然，地球系統(tǒng)研究中一系列具體問(wèn)題涉及面很廣，例如水循環(huán)水問(wèn)題，區(qū)域性碳循環(huán)、亞洲季風(fēng)、陸地生態(tài)系統(tǒng)土地覆被變化、人類活動(dòng)及大氣氣溶膠、 海岸帶及近海、地球內(nèi)部動(dòng)力學(xué)

11、等，在這些問(wèn)題中，水循環(huán)、水問(wèn)題長(zhǎng)期以來(lái)就是地理學(xué)的長(zhǎng)項(xiàng)，陸地生態(tài)系統(tǒng)土地覆被變化也是地理學(xué)應(yīng)該投入力量的， 但以碳收支作為主要研究目的就值得考慮了。2.2.2 土地利用土地覆被變化、碳循環(huán)和碳收支等領(lǐng)域的研究意義 近10年來(lái)，我們?cè)谕恋乩猛恋馗脖蛔兓?碳循環(huán)和碳收支等領(lǐng)域爭(zhēng)取得到了若干國(guó)家重大項(xiàng)目，大規(guī)模資金投入使得能夠聚集大量的研究學(xué)者。這其中地理學(xué)家是幾乎是主導(dǎo)力量。當(dāng)今，全球變化的社會(huì)和政治層面問(wèn)題基本上是化石能源燃燒及其排放的二氧化碳問(wèn)題。歐洲一些國(guó)家希望占領(lǐng)制高點(diǎn)，在政治上經(jīng)濟(jì)上獲得長(zhǎng)期的好處。因此，問(wèn)題集中在國(guó)家和各地區(qū)的能源生產(chǎn)、能源消費(fèi)、能源運(yùn)輸?shù)燃捌涮寂欧欧矫?。從解決全

12、球變暖角度，陸地生態(tài)系統(tǒng)對(duì)于調(diào)節(jié)全球碳收支及對(duì)大氣層增溫來(lái)說(shuō)，很可能是微不足道的。在美國(guó)，土地利用和土地覆被變化在全球氣候變化中的經(jīng)費(fèi)只占1%3%的比重。通過(guò)我們對(duì)中國(guó)生態(tài)系統(tǒng)碳收支的研究，揭示生態(tài)系統(tǒng)的碳循環(huán)的機(jī)理及提供碳收支的時(shí)空格局，可以得出如何調(diào)控溫室氣體排放的結(jié)論。但是，依據(jù)中國(guó)國(guó)情，實(shí)現(xiàn)碳循環(huán)的人為調(diào)節(jié)，很難具有實(shí)際應(yīng)用前景。也就是說(shuō)，不可能因?yàn)槲⒉蛔愕赖奶际罩ё饔枚{(diào)整土地利用結(jié)構(gòu)，無(wú)論是宏觀尺度還是中觀、微觀尺度都基本如此。2.2.3 研究方向和研究目標(biāo)轉(zhuǎn)向并聚焦于碳收支長(zhǎng)期以來(lái)，地理學(xué)涉及的基本自然要素是水、土、熱量、地形、植被等，基本社會(huì)經(jīng)濟(jì)要素是區(qū)位、產(chǎn)業(yè)、城鎮(zhèn)居民點(diǎn)、交

13、通通訊等，研究的是這些要素及其組合的地域結(jié)構(gòu)、區(qū)域分異、區(qū)域治理和區(qū)域可持續(xù)發(fā)展。這些研究客體是上述諸要素的基本載體?，F(xiàn)在，我們改變了長(zhǎng)期以來(lái)的目標(biāo)，將上述要素及其區(qū)域組合的研究，如農(nóng)田、草原、森林等在各種尺度區(qū)域內(nèi)的變化的研究，都聚焦到碳庫(kù)信息及其機(jī)理上來(lái)了。由于聚焦于碳循環(huán)和碳收支， 就將要素及其區(qū)域組合的研究載體拋棄了。2.2.4 一些工作不是地理學(xué)的長(zhǎng)項(xiàng) 一些學(xué)者為了在碳循環(huán)和碳收支研究中取得成果，將碳庫(kù)信息變化獲取技術(shù)、碳庫(kù)評(píng)價(jià)、陸地生態(tài)系統(tǒng)的碳庫(kù)源和匯的強(qiáng)度、時(shí)空格局及過(guò)程模擬，土地利用、農(nóng)田、流域管理、森林經(jīng)營(yíng)等對(duì)碳庫(kù)碳匯功能的影響，碳循環(huán)關(guān)鍵生物工程對(duì)氣候變化的響應(yīng)和適應(yīng)機(jī)制等

14、作為研究攻關(guān)的目標(biāo)。這些工作基本上屬于生物學(xué)和生態(tài)學(xué)研究的范疇。因此，由于學(xué)科和知識(shí)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，地理學(xué)家承擔(dān)這些任務(wù)受到了明顯的局限。3 生態(tài)學(xué)31 生態(tài)學(xué)的內(nèi)涵生態(tài)學(xué)是研究生物與環(huán)境之間相互關(guān)系及其作用機(jī)理的科學(xué)。當(dāng)前生態(tài)學(xué)研究的幾個(gè)熱點(diǎn)問(wèn)題：（1）生物多樣性保護(hù)與利用。隨著生物技術(shù)的迅速發(fā)展，生物多樣性和物種資源在社會(huì)與經(jīng)濟(jì)發(fā)展中的地位作用越來(lái)越重要，生物多樣性和物種資源的可持續(xù)利用與惠益分享也成為研究的熱點(diǎn)問(wèn)題，包括藥物生物資源的研究開(kāi)發(fā)與利用作物栽培、生物多樣性機(jī)制及其技術(shù)、防治作物病蟲(chóng)害的生物多樣性機(jī)制及其技術(shù)、民族植物學(xué)與少數(shù)民族傳統(tǒng)知識(shí)的挖掘與利用、農(nóng)業(yè)文化遺產(chǎn)的保護(hù)與現(xiàn)代利用以

15、及遺傳資源及相關(guān)傳統(tǒng)知識(shí)的惠益分享等。（2）生態(tài)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)與管理。全面認(rèn)識(shí)生態(tài)系統(tǒng)的現(xiàn)狀與變化趨勢(shì)，在對(duì)生態(tài)系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)和功能過(guò)程加以充分理解的基礎(chǔ)上，制定適應(yīng)性的管理策略，以維持生態(tài)系統(tǒng)整體性和可持續(xù)性，從而為國(guó)家生態(tài)保護(hù)戰(zhàn)略的落實(shí)提供科學(xué)依據(jù)生態(tài)系統(tǒng)分析與評(píng)估20世紀(jì)80年代以來(lái)，模型技術(shù)模擬與仿真技術(shù)以及景觀分析方法為生態(tài)系統(tǒng)研究提供了重要的技術(shù)手段和分析方法同時(shí)，隨著國(guó)家社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展以及社會(huì)的普遍關(guān)注，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值評(píng)估生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)估以及生態(tài)環(huán)境安全評(píng)估成為當(dāng)前生態(tài)學(xué)研究的熱點(diǎn)與重點(diǎn)問(wèn)題。（3）生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)。生態(tài)系統(tǒng)處于動(dòng)態(tài)變化之中，由于其抵抗力和恢復(fù)力，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能在一定范圍內(nèi)

16、波動(dòng)，不會(huì)因外部干擾而發(fā)生大的變化在自然或人工干擾下，如果生態(tài)系統(tǒng)的機(jī)構(gòu)和功能發(fā)生了位移，形成破壞性波動(dòng)或惡性循環(huán)，就需要進(jìn)行生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)退化生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)。由于自然條件的變化以及不合理的人類活動(dòng)，一些生態(tài)系統(tǒng)存在不同程度的退化現(xiàn)象， 而通過(guò)人工措施， 可以使受損生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)合理的結(jié)構(gòu)和功能， 使其達(dá)到能夠自我維持的狀態(tài)生態(tài)恢復(fù)。（4）可持續(xù)發(fā)展的生態(tài)學(xué)研究。隨著全球性問(wèn)題的日益激化，生態(tài)與環(huán)境問(wèn)題已經(jīng)成為制約社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的瓶頸。生態(tài)學(xué)所固有的非線性思維模式、系統(tǒng)觀點(diǎn)及其多學(xué)科研究的傳統(tǒng)和近代發(fā)展的監(jiān)測(cè)與模擬方法等，為區(qū)域可持續(xù)發(fā)展提供了科學(xué)基礎(chǔ)與框架。區(qū)域發(fā)展可持續(xù)性評(píng)價(jià)與資源環(huán)境約束。不斷加

17、劇的人地矛盾要求科學(xué)，客觀地評(píng)估區(qū)域經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的可持續(xù)性，并發(fā)展出一系列重要指標(biāo)，以便科學(xué)地決策和推動(dòng)生態(tài)產(chǎn)業(yè)發(fā)展。32 生態(tài)學(xué)在全球變化中作用與應(yīng)用321 全球氣候變化以減緩和適應(yīng)全球氣候變化為核心任務(wù)的全球變化科學(xué)研究一直是20世紀(jì)末以來(lái)生態(tài)學(xué)研究的重要領(lǐng)域和熱點(diǎn)科學(xué)問(wèn)題，我國(guó)生態(tài)學(xué)家也積極參與了全球變化的研究工作。322 生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)循環(huán)生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量循環(huán)過(guò)程機(jī)制及其碳收支的研究。很多學(xué)者利用土壤普查和森林清查資料對(duì)生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量，以及森林草地等生態(tài)系統(tǒng)的碳收支進(jìn)行了大量的評(píng)估工作，對(duì)于森林、草地、濕地、農(nóng)田、湖泊和近海生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的過(guò)程機(jī)制時(shí)空格局及其碳循環(huán)模型系統(tǒng)開(kāi)展了廣發(fā)而深入的研

18、究，同時(shí)對(duì)國(guó)家尺度的碳源/匯強(qiáng)度及其空間分布也作了大量的研究工作323 陸地生態(tài)系統(tǒng)碳氮循環(huán)過(guò)程陸地生態(tài)系統(tǒng)碳氮循環(huán)過(guò)程對(duì)氣候變化響應(yīng)野外控制試驗(yàn)。為了研究生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)過(guò)程對(duì)單一或多個(gè)環(huán)境要素變化的響應(yīng)，我國(guó)科學(xué)家開(kāi)展了增溫、降水CO濃度升高以及氮沉降增加等控制實(shí)驗(yàn)。2007年以來(lái)較為系統(tǒng)地開(kāi)展了生態(tài)系統(tǒng)碳氮過(guò)程、生物多樣性、生態(tài)系統(tǒng)格局等對(duì)氣候變化的適應(yīng)性的研究工作，并取得了一些重要研究結(jié)果324陸地生態(tài)系統(tǒng)碳、氮循環(huán)循環(huán)模擬模型研究 近年來(lái)我國(guó)先后從國(guó)外引進(jìn)和改良了多個(gè)陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)模型我國(guó)學(xué)者還以不同生態(tài)系統(tǒng)類型為對(duì)象， 自主開(kāi)發(fā)了基于個(gè)體的中國(guó)森林碳收支模型，基于生物物理過(guò)程的中國(guó)農(nóng)田碳收支模型，以 IBIS 模型為基礎(chǔ)的中國(guó)草地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)模型，以及基于土壤-植被-大氣系統(tǒng)能量、水和碳傳輸過(guò)程與植被動(dòng)態(tài)、土壤有機(jī)碳周轉(zhuǎn)相耦合的陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)動(dòng)力學(xué)模型。4 結(jié)語(yǔ)全球變化已經(jīng)成為全球性的問(wèn)題，也得到各界