生态学：第十一章 生态系统与全球变化
全球变化生态学 教学大纲
全球变化生态学教学大纲
目录
一、导论
1. 全球变化生态学概述
2. 全球变化生态学的研究意义
3. 全球变化生态学的研究方法
二、全球气候变化
1. 气候变化的概念和特点
2. 气候变化的类型和原因
3. 气候变化对生物多样性的影响
三、全球环境变化
1. 环境变化的概述
2. 环境变化的类型和原因
3. 环境变化对生物多样性的影响
四、全球生物多样性保护
1. 生物多样性概述
2. 生物多样性保护的意义和重要性
3. 生物多样性保护的策略和措施
五、全球变化生态学的实践应用
1. 全球变化生态学在环境保护中的应用
2. 全球变化生态学在可持续发展中的应用
3. 全球变化生态学在生态系统管理中的应用
六、全球变化生态学的未来展望
1. 全球变化生态学的未来研究方向
2. 全球变化生态学的未来发展趋势
3. 全球变化生态学的未来挑战与机遇
附录：全球变化生态学相关的参考书籍、期刊杂志及网络资源等。
环境生态学与全球变化
环境生态学与全球变化第一章环境生态学概述环境生态学是一个跨学科的领域，它将生物学、地理学、化学、物理学、土地利用和城市规划等学科有机地结合在一起，以研究生态系统如何响应环境变化，并提供可持续地管理和保护生态系统的解决方案。
环境生态学研究的对象主要是生态系统，包括陆地生态系统、淡水生态系统和海洋生态系统等。
生态系统是由生物群落、环境和生物地球化学循环等因素组成的，在受到外部干扰时，系统内的各种生物和非生物因素都会进行相应的适应和调节，以克服干扰带来的影响。
环境生态学的另一个重要领域是环境污染和治理。
大气污染、水污染和土壤污染等都会严重影响到生态系统的健康和稳定，环境生态学的任务就是研究这些污染物的来源、传播规律和影响，提出相应的治理方案。
第二章全球变化的概念全球变化是指地球系统各方面发生的变化，包括气候变化、生态系统变化、大气化学成分的变化、海平面上升和自然资源的变化等。
这些全球变化的发生对人们的生存环境和经济社会发展会带来重大影响和挑战。
上世纪末期以来，全球变化的速度和规模不断加剧，人类对环境资源的过度利用和污染、能源和交通的快速发展、城市化和工业化的加速等因素，都是导致全球变化的主要原因之一。
第三章环境生态学与全球变化的关系环境生态学和全球变化是密不可分的，环境生态学本身就是为了更好地应对全球环境变化而产生的。
环境生态学的研究目的是研究生态系统在受到外部干扰时的应对机制和适应性，为应对全球变化提供科学依据和技术支持。
环境生态学对应对全球变化的挑战也提出了许多重要的解决方案。
环境污染治理、生态系统恢复和保护、可持续利用自然资源等都是环境生态学应对全球变化的重要手段。
而全球变化也对环境生态学提出了更高的要求。
在面对全球变化挑战的过程中，环境生态学需要更加深入地理解生态系统的本质和机制，提高对污染物的监测和评估能力，开发出更加有效的生态系统修复和保护技术，为全球变化提供更加全面的科学依据和技术支持。
生态学第十一到十二章
常用于边界明显的水生生态系统
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1. 银泉能流分析—— H.T. Odum （1957） （ 1 ）能量在营养级之间流动：数量急剧减少（呼吸 消耗+ 未利用分解） （2）第4营养级能量较少：仅维持少量鱼和龟，其能 量不足以再维持更高的第5营养级
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初级生产量的限制因素
（1）陆地生态系统
1 光：冠层下植被，C4植物 2 水分：降水量与净初级生产量线性正相关。 3 温度：驼背状曲线关系。
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（2）海洋生态系统
R P C 3 .7 K
表明：浮游植物的净初级生产量取决于日辐射量、水中叶绿素含 量、光强随水深衰减的系数
（3）淡水生态系统
C：N = 10：1 待分解的植物组织中，N含量低 C：N = 40-80：1
限制因素：N供应量
最适的C：N = 25-30：1
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理化环境与分解作用的关系
（ 1 ）温度高、湿度大的地带，土壤有机物的分解速率 高；低温、干燥的地带分解速率低，土壤易积累有机 物
举例：有机物含量比较（下图）
（2）水淹沼泽土微生物分解慢——缺氧
稳态
正反馈：系统中某一成分的变化所引起的其他一系列变化，反过来加速 最初发生变化的成分所发生的变化，使生态系统远离平衡状态或稳态。 eg. 湖泊污染，导致鱼的数量因死亡而减少， 由于鱼体腐烂，加重湖泊污染并引起更 多鱼类的死亡.
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负反馈
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生态平衡
生态平衡：生态系统通过发育和调节所达到的一种稳定状态，
各营养级同化率也不是100%，总有一部分排泄出去
各营养级生物要维持自身的活动，消耗一部分热量
so，
能流在通过各营养级时会急剧减少，食物链就不可能太长 生态系统中的营养级一般只有四、五级，很少超过六级
地球系统与全球变化
世界气候研究计划（WCRP）
世界气候研究计划（WCRP）成立于1980年，是由ICSU和世界气象组织（WMO） 共同发起的，同时也得到来自联合国教科文组织的政府间海洋委员会（IOC）的 资助。WCRP的目标是发展有关自然气候系统和气候过程的基础研究，以确定气 候在多大程度上可以预测，以及人类活动对气候影响的程度。WCRP开展针对全 球大气、海洋、地表、海冰和陆地冰等对理解地球自然气候系统有贡献的深入研 究，尤其关注可以为气候及其变率等热点问题提供科学的定量回答的研究，如建 立可以预测全球和区域的气候变率、极端时间发生频率和程度的变化等的研究基 地。目前WCRP的主要研究计划包括：全球能量与水循环试验（GEWEX）、气候 变率及其可预报性（CLIVAR）、气候与冰冻圈（CliC）、平流层过程及其在气候 中的作用（SPARC）、气候系统观测与预测试验计划（COPE）等。
科学方法论：归纳法和演绎法
现代基础学科的发展：数学、物理学、化学 牛顿发表的巨著《自然哲学的数学原理》 社会需求和发展的推动：矿藏、远程贸易、新产品开发 …… 战争的需要 探险活动 现代科学分支的产生：地质学、地理学、气象学、海洋学、植物学、天文学 …… 学科分支间的交叉：海洋地质学、海洋生物学、海洋物理学、海洋化学 …… 技术的对科学发展的支撑和相互促进：观测仪器、实 /试验仪器、通信设备和网络……
全球变化研究的一些国际、国内计划
国际地圈—生物圈计划（IGBP）
国际地圈生物圈计划（IGBP）是在1986年的国际科学联合会理事会第21 届大会上成立的。IGBP成立的目的是通过描述地球上相互作用的物理、 化学和生物学过程，了解地球上正在发生的环境变化，以及这些变化对 人类生活的影响，提出有效的解决方案，管理人类和其他生命所依赖的 复杂的地球系统。
《全球变化与生态系统生态学》课程简介
课程编号：课程名称（中文）：全球变化与生态系统生态学课程名称（英文）：Global Change and Ecosystem Ecology学分数/学时数：2/2开课单位/开课学期：生科院/第六学期课程类别：公共必修课面向专业：生态学课程负责人：彭少麟教授、李鸣光教授课程内容简介（中文）：本门课程是生命和环境科学领域的基础知识内容。
通过本课程的教学与一定的实践训练，使学生熟悉当前生态系统生态学和全球变化生态学的知识、发展趋势、研究方法与手段，为进行相关领域研究提供基础理论与方法。
本课程主要分为2部分，前半部分为生态系统生态学，主要讲述生态系统的概念、原理、结构、功能、类型和管理；后半部分为全球生态学，主要涉及全球变化的概念、形成原因与预测，全球变化对陆地生态系统的可能影响与预测的主要理论与研究方法，陆地生态系统对全球变化的响应与适应对策等。
主要内容：1. 生态系统生态学1.1 生态系统的概念1.2 生态系统的结构、原理1.3 生态系统的功能1.4 生态系统的类型1.5 生态系统的管理2. 全球变化生态学2.1 全球变化的特征2.2 全球变化的驱动力2.3 全球变化与植被－气候关系2.4 全球变化与陆地生态系统2.5 全球变化与水生生态系统2.6 全球变化的生物圈模型2.7 全球变化的适应对策2.8 全球变化的重要事件课程内容简介（英文）：The content of this course is the basis of theory for live science and environment science. After course teaching and course practical, the students know well the knowledge, developing tendency and research means in ecosystem ecology and global ecology. The course divides into two parts. The first is ecosystem ecology. It includes mainly the concept, elements, structure, function 功能、type and management of ecosystem. The second is global change ecology. It deals mostly with the concept and the driving factors of global change, the effect of global change on main ecosystems with varied types, the models and prognostication of global change, the response, feedback and adaptability of ecosystem on global change. The content is as follow:1. Ecosystem Ecology1.1 the concept of ecosystem1.2 the structure and principle of ecosystem1.3 the function of ecosystem1.4 the types of ecosystem1.5 ecosystem management2. Global Change Ecology2.1 the attribute of global change2.2 the driving factors of global change2.3 the relationships between vegetation, climate and global change 2.4 global change and terrestrial ecosystem2.5 global change and aquatic ecosystem2.6 modeling of global change2.7 the adaptability and countermeasure of global change2.8 the significant circumstance of global change课程名称（中文）：遗传学课程名称（英文）： genetics学分数/学时数：2/3开课单位/开课学期：生命科学学院/第六学期课程类别：必修课面向专业：生物科学及相关专业课程负责人：徐培林、吴玉萍课程内容简介（中文）：遗传学是生命科学主线.没有遗传学，生命的现象就无法解释。
全球变化
课程主要内容地球系统、全球气候变化、主要过程和驱动力、人类活动和全球变化、全球变化与生物反应、生物入侵与全球变化、陆地/水生生态系统与全球变化的相互作用、生物地球化学循环、陆地植被的遥感分析、气候变化的适应对策绪论全球变化的概念、生态学的概念、主要生态环境问题“全球变化”是指可能改变地球承载生物能力的全球环境(特别是人类生存环境)变化，涉及到岩石圈、大气圈、水圈和生物圈从狭义上来讲, 全球变化主要是指大气的变化导致全球气候环境的变化。
具体表征是大气臭氧层的损耗、全球气候变暖、酸雨等主要问题“全球变化科学”是20世纪80年代开始的一个新兴科学领域。
其目标是描述和理解人类赖以生存的地球环境系统运转的机制、变化规律以及人类活动对地球环境的影响，从而提高对未来环境变化及其对人类社会发展影响的预测和评估能力。
20世纪后几十年全球变化研究发展的趋势之一是走向全球范围内的国际合作。
选择地球圈层中范围广泛、难度高的科学问题开展多学科的合作研究和各地点的联动，统一测试技术和精度要求。
它的贡献是不仅初步解决了一些多年探索未果的科学问题，而且创造了全世界科学家共同进行深入科学研究的新起点。
全球变化的国际研究计划生物多样性计划、世界气候研究计划、全球变化人文因素计划、国际地圈生物圈计划“生态学”(oikologie)一词是1865年由勒特(Reiter)合并两个希腊字oikos(房屋、住所)和logs(研究) 构成，1866年德国动物学家赫克尔(Ernst Heinrich Haeckel)初次把生态学定义为“研究动物与其有机及无机环境之间相互关系的科学”，特别是动物与其他生物之间的有益和有害关系。
从此，揭开了生态学发展的序幕。
如今，由于生态与人类生存与发展的紧密相关而产生了多个生态学的研究热点，如生物多样性、全球气候变化、受损生态系统的恢复与重建以及可持续发展研究等。
“生态学”是研究生物与其环境(包括非生物环境和生物环境)之间的相互关系的科学。
现代生态学-森林生态系统与全球变化2
耦合过程 ⑤ 森林水资源 ⑥ 森林生态系统的服务
成熟森林生态系统的碳汇问题
成熟森林生态系统从理论上讲是碳中性的，因 此，在全球碳汇的可能去向中都没有考虑。但过去 10多年来，人们在全球陆续发现成熟森林生态系统 仍然在积累碳。这个发现当然具有重要意义。
Spatial distribution of planted forest in China and an example of a 40 ×40 km sample area. (A) Spatial distribution map of PF with mean annual precipitation background. (B) Land cover types; (C) daytime LST; and (D) nighttime LST for the example sample area. PF-planted forest; NF- natural foreste; GRgrasslands; CR-cropland Peng SS and Piao SL et al. PNAS, 2014
10年CO2浓度变化 2.66 ppmv 6.09 ppmv 15.50 ppmv
温 度 、 太 阳
温 室 气 体
活
则
动
为
均
持
为
续
波 动 性 变
性 增 加
化 增温曲线与太阳活动曲线的对比
作为全球变化生态学的任务可以不关注全球变 化的内涵和成因，但必须关注如下两件事：
1 全球变化环境下，生态系统的反应是什么？ -为人类和生物圈生物应对全球变化的生存对策服务
生态学：第十一章 生态系统与全球变化
重大节日
• 世界水日： 3月22日 • 世界气象日：3月23日 • 世界卫生日：4月7日 • 世界地球日：4月22日 • 国际无烟日：5月31日 • 世界环境日：6月5日 • 世界粮食日：10月16日
近400年的气溶胶变化
42万年以来的二氧化碳变化
二氧化碳升高与变暖的关系
• 1177%50,年O以3 3来6%，。CO2增加了31%，CH4 151%，NO
土地利用及其覆盖的变化
全球人口持续增长
第二节 气候变化后果
• 雪被和冰川：北半球的冰雪覆盖量自1960年减 少了大约10％，山脉冰川在20世纪期间明显退 缩，北极的冰雪厚度在过去的40年间已经丧失 了近40%。
以上所述，近百年来中国的气候也在变暖，以西北、华北、东 北变暖最明显，尤其华北地区出现了暖干化趋势。
6．极端气候事件和气候突变事件的历史演变与 未来预测。
7．我国未来气候变化对陆地生态系统和国民经 济影响的模式模拟研究。
8．中国沿海地区海平面变化趋势及其影响的预 测。
9．全球气候变化区域分异特点及其对世界各国 社会经济系统的影响。
10．我国能源结构调整和能源利用效率提高的政 策与技术问题。
11．全球气候变化问题的国内与国际对策研究
第四节 面对气候变化， 人类该如何做？
• 国家和政府协作 政府间气候变化专门委员会（IPCC） 《京都议定书》 • 重大研究计划 世界气候研究计划（WCRP） 国际地圈生物圈计划（IGBP） 全球环境变化的人为因素计划（IHDP） 生物多样性计划（Diversitas）
全球变化：地球生态系统在自然和人为影响下所 导致的全球问题及其相互作用下变化过程。
全球变化生态学：研究全球变化对物种、生态系 统过程和整个地球复杂网络相互作用的科学。
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国家环保总局在2003年3月6日公布了 16种外来入侵物种，
分别为紫茎泽兰、薇甘菊、空心莲子 草、豚草、毒麦、互花米草、飞机草、 凤眼莲（水葫芦）、假高粱、蔗扁蛾、 湿地松粉蚧、强大小蠹、美国白蛾、 非洲大蜗牛、福寿螺、牛蛙。
每年损失574亿元。
紫茎泽兰（解放草、破坏） 豚草
薇甘菊 毒麦
空心莲子草 （水花生、喜旱莲子草） 互花米草
飞机草（香泽兰）
凤眼莲（水葫芦）
假高梁（石茅、阿拉伯高粱）
美国白鹅(秋幕毛虫、秋幕蛾)
蔗扁蛾(香蕉蛾)
强大小蠧（红脂大小蠧）
湿地松粉蚧
福寿螺(大瓶螺)
牛蛙（美国青蛙）
非洲大蜗牛
• 美国康奈尔大学公布的数据表明， 美国目前每年要为“生物入侵”损 失1370亿美元。
• 印度、南非这两个国家每年因生物 入侵造成的经济损失分别为1300亿 美元和800亿美元。
重大节日
• 世界水日： 3月22日 • 世界气象日：3月23日 • 世界卫生日：4月7日 • 世界地球日：4月22日 • 国际无烟日：5月31日 • 世界环境日：6月5日 • 世界粮食日：10月16日
近400年的气溶胶变化
42万年以来的二氧化碳变化
二氧化碳升高与变暖的关系
• 1177%50,年O以3 3来6%，。CO2增加了31%，CH4 151%，NO
土地利用及其覆盖的变化
全球人口持续增长
第二节 气候变化后果
• 雪被和冰川：北半球的冰雪覆盖量自1960年减 少了大约10％，山脉冰川在20世纪期间明显退 缩，北极的冰雪厚度在过去的40年间已经丧失 了近40%。
气候变化与国民经济
l 农业生产的不稳定性增加，产量波动 大
l 农业生产布局和结构将出现变动 l 农业生产条件改变，农业成本和投资
大幅度增加
第三节 中国气候变化
（1） 近百年我国气候变化的趋势与全球变化的总趋势基本一 致。近百年来，我国气温上升了0.4－0.5C，略低于全球平均 的0.6C；我国20世纪90年代是近百年来最暖时期之一，但尚 未超过20－40年代最暖时期。
（2） 从地域分布看，我国气候变暖最明显的地区在西北、华 北、东北地区，其中西北变暖的强度高于全国平均值。长江 以南地区变暖趋势不显著。
（3） 从季节分布看，我国冬季增温最明显。1985年以来，我 国已连续出现了16个全国大范围的暖冬，1998年冬季最暖， 2001年次之。
（4） 我国降水以20世纪50年代最多，以后逐渐减少，华北地 区尤为如此。这意味着华北地区出现了暖干化趋势。
第十一章 生态系统与 全球变化
第一节 全球变化生态学概述
一、全球变化（global change）
20世纪70年代，主要表达人类社会、经济和政治 系统越来越不稳定，特别是国际安全和生活质 量逐渐降低这一特定意义；
20世纪80年代，强调全球环境系统及其变化（气 候、土地、海洋、大气及生态系统）；
20世纪90年代，可能改变地球生物承载能力全球 环境变化；
• 生物多样性：生物多样性开始在对全球气 候变化作出反应。
• 疾病：有可能发生与“热”相关的疾病和 死亡。由昆虫和啮齿动物携带的传染性疾 病会被更广泛地传播到以前没有这种疾病 的
• 荒漠化
生态入侵（ecologicalinvasion） ： 由于人类有意或无意地把某种生物带入 适宜于其栖息和繁衍的地区，种群不断 扩大，分布区逐步稳定扩展过程。
• 海平面：气候变化导致全球海平面在过去100 年中平均上升了0.1～0.2米。20世纪，平均每 年上升1～2毫米，预计1999-2100年，上升 0.09～0.88米，比20世纪高2～4倍。
• 灾害：世界大部分地区降雨明显增加，北 半球的中高海拔区每10年增加0.5％～1％， 严重降雨事件发生率增加了2％～4％。
全球变化：地球生态系统在自然和人为影响下所 导致的全球问题及其相互作用下变化过程。
全球变化生态学：研究全球变化对物种、生态系 统过程和整个地球复杂网络相互作用的科学。
二、全球变化的表现
• 温度升高
Hansen et al. 2006. PNAS
• 降水变化
全球降水变化趋势 (% /十年) 1900-1994, • 增加 • 减少, Watson 2001
以上所述，百年来中国的气候也在变暖，以西北、华北、东 北变暖最明显，尤其华北地区出现了暖干化趋势。
6．极端气候事件和气候突变事件的历史演变与 未来预测。
7．我国未来气候变化对陆地生态系统和国民经 济影响的模式模拟研究。
8．中国沿海地区海平面变化趋势及其影响的预 测。
9．全球气候变化区域分异特点及其对世界各国 社会经济系统的影响。
10．我国能源结构调整和能源利用效率提高的政 策与技术问题。
11．全球气候变化问题的国内与国际对策研究
第四节 面对气候变化， 人类该如何做？
• 国家和政府协作 政府间气候变化专门委员会（IPCC） 《京都议定书》 • 重大研究计划 世界气候研究计划（WCRP） 国际地圈生物圈计划（IGBP） 全球环境变化的人为因素计划（IHDP） 生物多样性计划（Diversitas）