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第1章生態(tài)環(huán)境參數(shù)及其測量方法

1.1生態(tài)環(huán)境參數(shù)及其意義

1.1.1生態(tài)環(huán)境參數(shù)

生態(tài)環(huán)境是指影響人類生存與發(fā)展的水資源、土地資源、生物資源,以及氣候資源數(shù) 量與質量的總稱,關系到社會和經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展。近半個世紀以來,隨著人類社會的飛 速發(fā)展和人口數(shù)量的激增,人類對自然資源進行了大規(guī)模的不合理開發(fā)與利用`幾乎漠視 自然生態(tài)系統(tǒng)自身的生態(tài)功能。這些開發(fā)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(tài)災難與環(huán)境問題,使全球生態(tài)環(huán)境發(fā)生了急劇的變 化。環(huán)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(tài)問題不斷出現(xiàn)(吳炳方等,2005)。人類正受到某些資源短缺或耗竭的嚴重挑戰(zhàn), 資源環(huán)境問題正威脅著人類的生存和發(fā)展(Daily,1995；李曉兵,1999)。

生態(tài)環(huán)境麵是用來刻畫地球表面生態(tài)與環(huán)境的生物、物理與化學麵,能夠反映區(qū) 域生態(tài)環(huán)境的狀況,其中最直接反映生態(tài)環(huán)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(shù)是地球系 統(tǒng)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(tài)環(huán)境錄包括很多方面:反映植被覆蓋狀況的植被指數(shù)、植被覆蓋度、 葉面積指數(shù)、植被凈初級生產(chǎn)力和地上生物量等反映生態(tài)環(huán)境變化的地表物理環(huán)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(tài)環(huán)境參

數(shù)及含義,見表11。

表1.1生態(tài)環(huán)境參數(shù)及其含義

參數(shù)名稱 含義

植被指數(shù) 由遙感傳感器獲取的多光譜數(shù)據(jù),經(jīng)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(shù)值(陳述彭等,1998)。常用的植被指數(shù)有歸一化差值植被指數(shù)(NDVI)、比值植被指 數(shù)(RVI)及增強型植被指數(shù)(EVI)等

反照率 從非發(fā)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(xiàn)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(shù) (Qin and Karnieli, 2001

參數(shù)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(qū)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(tǒng)計區(qū)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(tài)系統(tǒng)的重要基礎數(shù)據(jù);是全球、區(qū)域變化 監(jiān)測模型中所需的重要信息(劉廣峰等,2007

葉面積指數(shù)(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(shù),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(chǎn)力(NPP) 綠色植物在單位時間單位面積內總初級生產(chǎn)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(chǎn)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(tǒng)計。大范圍的土壤 水分監(jiān)測是農(nóng)業(yè)過程研究和環(huán)境因子評價的基礎,在改善區(qū)域及全球氣候、預測區(qū)域干濕 狀況,以及干旱監(jiān)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(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力的好指標,是植物生態(tài)系統(tǒng)結構優(yōu)劣和功能高 低最直接的表現(xiàn)。生物量還對碳、氮等物質循環(huán)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(shù)測量的意義

全球變化對陸地生態(tài)系統(tǒng)的強烈影響正在改變著陸地生態(tài)系統(tǒng)固有的自然過程,其 后果已經(jīng)并將越來越嚴重地威脅人類的生存環(huán)境及社會經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)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(tài)學釀的一個重點領域,同 時也已經(jīng)成為政府和公眾高度關注的一個社會和經(jīng)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(tài)環(huán)境變化的過程,進而實施對生態(tài)系統(tǒng)的有效管理,以維持對人類生存和持續(xù)發(fā) 展適宜的環(huán)境(傅伯杰等,2005)。葉篤正先生曾指出,"全球環(huán)境是一個不可分割的整體, 任何區(qū)域的環(huán)境變化都要受到整體環(huán)境變化的制約;反過來,整體環(huán)境的變化又是各區(qū)域 相互影響著的環(huán)境變化的綜合體"(葉篤正和陳伴勤,1992)。生態(tài)環(huán)境是社會經(jīng)濟可持續(xù) 發(fā)展的物質基礎,生態(tài)環(huán)境狀況的定量評價是實施區(qū)域可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的重要雜(宋松 柏和蔡煥杰,2004)。生態(tài)環(huán)境參數(shù)的測量與定量化描述對全球變化研究、地球系統(tǒng) 釀,以及氣候變化監(jiān)測都有著重要作用。

1.表征生態(tài)系統(tǒng)物質能量循環(huán)

生態(tài)系統(tǒng)中的物質循環(huán)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(huán)的動力,在能量的驅動下物質從一種形態(tài)變成另外一種形態(tài),從一個物質載體 中進入到另外一個載體。植被是生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分,是地球上物質循環(huán)和能量流動的植。植被通過光合作用將自然環(huán)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(wǎng)的作用下與其他生物聯(lián)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(tài) 系統(tǒng)的進化和發(fā)展;其次,植物是環(huán)境中二氧化碳和氧氣的主要調節(jié)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(chǎn)物,它們在大氣中的含量狀況影響著整個地球環(huán)境。因此,陸面溫 度、土壤水分和太陽輻射等生態(tài)因子不僅直接影響整個生態(tài)系統(tǒng),而且通過影響生態(tài)系統(tǒng) 中最重要的因子——麵,從而間接影響地球表層系統(tǒng)的變化。

植物與環(huán)境的相互關系一直是生態(tài)學釀的核心問題。植物的生命活動需要從環(huán)境 中獲得光照、溫度、水分、無機鹽等基礎生態(tài)因子,與此同時也會影響環(huán)境境水分是植物生 長發(fā)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(qū)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(qū)域尺度上植物光合作用也會隨著環(huán)境 濕度上升而減弱。一般來說,個體植物對環(huán)境的影響是有限的`隨著個體數(shù)量的增加`植 物對環(huán)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(qū)別而成為不同的 群落`每一個群落創(chuàng)造著自身的"植物環(huán)境",并不同程度地影響周圍的外界環(huán)境。這就是 說,植物群落的組成和結構及其規(guī)模,對環(huán)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(tài)系統(tǒng)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(tài)系統(tǒng)物質能量循環(huán)的基本方法。因此,這些量化的"參數(shù)"可用來表征生態(tài) 系統(tǒng)物質能量循環(huán)的基本特征`如葉面積指數(shù)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(shù)

當今生態(tài)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(tài)因子改變并將由此驅動的大范圍的生態(tài)系統(tǒng)改變的 現(xiàn)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(huán)、人類土地利用/土地 覆蓋在全球或區(qū)域尺度上的變化,需要有一個對環(huán)境和植被、土壤、太陽輻射等生態(tài)環(huán)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(huán)相聯(lián)系`因此要了解全球變化的原 因及其對生態(tài)環(huán)境的影響`需要研究全球的生物地球化學過程。數(shù)學和數(shù)鋪型的應用` 有助于對生物地球化學循環(huán)動態(tài)的定量理解`同時定量理解生物地球化學循環(huán)在過去和 未來中的作用。由于許多生態(tài)環(huán)境錄都是全球變化模型的輸入?yún)?shù),因此生態(tài)環(huán)境參 數(shù)的測量在全球變化釀中起著非常重要的作用。

地球系統(tǒng)為開放性系統(tǒng),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(tǒng)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(tài)環(huán)境錄進行及時的測量。在很大程度上生態(tài)環(huán)境參數(shù)的 測量直接決定了地球系統(tǒng)模型運行的精度。

生態(tài)環(huán)境問題是指由于生態(tài)平衡到破壞,導致生態(tài)系統(tǒng)的結構和功能嚴重失調,從 而威脅到人類的生存和發(fā)展的現(xiàn)象。目前,土地荒漠化是全球最嚴重的生態(tài)環(huán)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(huán)境惡化和經(jīng)濟 貧困,被列入威脅人類生存的十大環(huán)境與發(fā)展問題之首。它不僅威脅到整個人類的生存 環(huán)境,而且是制約全球經(jīng)濟發(fā)展和影響社會穩(wěn)定的重要因素?；哪侵赴夂蜃儺?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(qū)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(jīng) 濟特性退化;③自然植被長期喪失。

荒漠化監(jiān)測對荒漠化防治對策的制定黯重要意義?；哪O(jiān)測的主要內容是荒漠 化發(fā)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(qū)在內的干旱土地退化為評價對象象荒漠化監(jiān)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(jù)`提出了用于全球、地區(qū)(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(nóng)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(tài)環(huán)境參數(shù)(尤其是植被和 土壤水分等參數(shù))的測量是對生態(tài)環(huán)境狀況進行監(jiān)測的重要手段。

2.1.3常見生態(tài)環(huán)境參數(shù)及其意義

1土壤水分和陸面溫度

在地球系統(tǒng)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(tài)、農(nóng)業(yè)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(huán)等物質循環(huán)有很 強的控制作用(Seneviratne et ),2010)。在水文循環(huán)中,它是聯(lián)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(chǎn)流、植 被蒸騰、土壤蒸發(fā)及生態(tài)環(huán)境下墊面植被生態(tài)系統(tǒng)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(fā)和植被的蒸騰;在生態(tài) 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(nóng)業(yè)生產(chǎn)方面, 土壤水分是農(nóng)作物發(fā)芽、生長發(fā)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(qū)域及全球氣候、預測區(qū)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(qū)域地-氣之間能 量、物質交換、水分與碳環(huán)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(tài)、環(huán)境監(jiān)測中等方面有著重要的應 用價值(Qin et al.,2001)。

陸地生態(tài)系統(tǒng)碳環(huán)是全球碳環(huán)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(tài)系統(tǒng)凈初級生產(chǎn) 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(chǎn)有 機物的效率指標,是計算生態(tài)系統(tǒng)中綠色植物物質循環(huán)的基礎數(shù)據(jù)。

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