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 学科前沿
生态系统管理学的基础生态学过程研究
研究项目1999年末开始以生态系统管理的基础生态学过程为主题开展了系列的研究工作,迄今已在国内外发表研究论文50余篇,参编专著2部。在研究小组成员及课题合作者的共同努力下,在以下几个方面取得了重大的学术创新和研究成果:
(1)提出了生态系统管理的理论框架。在对生态系统管理学产生的历史背景和发展进程进行全面评述的基础上,从生态系统的生态学完整性与边界和时空尺度,生态系统的结构、功能与生态系统整体性,生态系统演替与系统动力学特性,生态系统的干扰与系统稳定性,生态系统的复杂性与不确定性,生态系统多样性与可持续生态系统,生态模型与数据收集和监测,人类活动对环境影响的双重性等方面系统地论述了生态系统管理的生态学基础。并指出综合研究全球或区域尺度生态系统管理模式的重要性及其相关的重大科学问题,对生态系统管理学的发展起到一些积极的推动作用。
(2)开发了植物蒸腾-光合作用统合模型。近两年的研究工作,成功地把Farquhar(1980)的植物光合作用生理化学模型与 Ball et al. (1987) 的CO2同化速度-气孔导度关系和叶面蒸腾的水气输送方程相结合,创新性地开发了基于气孔行为的蒸腾-光合作用统合模型和水分利用率模型。该模型的构建为开展生态系统植被生产力形成的生理化学机制模型研究奠定了基础,为开展土壤/植被/大气系统的能量物质输移与植被生产力形成生态学过程的耦合解析,特别是水资源的生产力容量分析提供了一种新的思路和方法。
(3)阐述了环境胁迫条件下的植物生理反应及其反射光谱特征。研究工作以玉米和大豆为对象,探讨了它们在土壤水分和养分胁迫条件下,气孔导度、蒸腾和光合作用速度以及水分利用率的变异规律,建立了相应的估算模型。同时,我们还系统地观测了环境胁迫条件下的玉米,大豆和3种木本植物的反射和投射光谱,初步建立了利用反射光谱特征参数估算叶片水分状态的草本和木本植物通用经验模型,证明了采用遥感技术诊断植物的环境胁迫状态,评价植物生理参数的可能性。
(4)构建了基于非相似介质概念的土壤导水率模型。利用从文献收集的402个数据集构成的数据库和八个模型对土壤饱和导水率进行了标定,证明了基于非相似介质概念模型的优越性。进而我们又应用非相似介质概念,开发出了一种估算各种土壤非饱和导水率的模型。该模型将土壤物理异质性引入土壤水分模拟,为这方面的研究提供了一种新方法。模型的主要输入项是土壤容积密度、颗粒大小分布、土壤持水特性、土壤饱和导水率。与其它模型相比,该模型得出的结果更能准确地预测土壤非饱和导水率。
(5)提出了一种以生态生理为基础的植物根系分布与水分吸收模型。这种估算模型的输入变量为:叶片、土壤和大气的水势,太阳辐射,潜在蒸发散,根长,土壤容积密度、颗粒大小分布等土壤物理特性都较易获取。通过模型估计值与实测值的比较,我们认为模型在描述根系水分吸收上精度还是较高的。同时,我们还检验了模型对输入变量变化的反应,指出模型对叶水势和根长两项因子最为敏感。
(6)建立了一个反映碳循环和水循环过程的斑块尺度生产力模型。以已有的数据、理论和植被参数为基础,并借助GIS和RS技术,将斑块尺度的生产力过程模型扩展成为景观尺度的生产力过程模型(EPPML),并应用模型对长白山森林生态系统水循环和碳循环的时间变化特征、年总值的空间分布格局,净初级生产力的季节变化和空间分布格局特征。
(7)在农田生态系统管理方面,我们实现了稻田生态系统的优化调节、米麦间套作群体田间结构的优化配置,同时还得出了红壤丘陵地区双季稻光合特征,以及太行山前平原养分胁迫下的夏玉米生理反应与光谱特征。
(8)在水资源管理方面,对不同植被冠层类型、不同区域尺度的植被蒸发散模型的研究进展进行了综合评述,并考察了几种实际蒸散计算方法在土壤水分模拟中应用,同时模拟了长白山植被蒸腾量的空间变化特征。还在华北高产粮区研制了一种新的冬小麦节水增产灌溉模式,揭示了当地农田土壤水可利用量,首次提出2m―3 m土层土壤水被作物吸收利用的条件,并得出了可利用土壤水的数量指标。

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