生态气候学

学科

生态气候学是研究地表生态系统和气候环境相互作用关系的学科。

概念

生态气候学是生物气候学(Bioclimatology)的另一旁支，是研究地表生态系统和气候环境相互作用关系的学科。

生态气候学内容丰富，涉及多学科领域，从个体、种群、群落到生态系统、景观的不同层次，从微观到宏观角度，深刻阐述了天气、气候与生物间的相互影响、相互作用，揭示了不同尺度下生物对气候变化的响应及其适应对策，探讨了生态系统组成、结构和功能变化对气候、水资源和生物地球化学循环的影响。

内容

生态气候学是一个旨在理解陆地景观在气候系统中的功能的交叉学科领域。它把物理气候学、微气象学、水文学、土壤学、植物生理学、生物地球化学、生态系统生态学，生物地理学和植物动力学等学科结合在一起，以便认识景观影响气候的物理、化学和生物过程。这使得生态学和气候学之间的界限不再明显，因此气孔生理学也变得像云和对流一样与理解气候密切相关。生态气候学的其中一个中心主题是陆地生态系统如何通过能量、水分、化学元素和痕量气体的循环成为气候的一个决定因素。由自然的植被的动态变化和人类对土地的使用和土地管理引起陆地生态系统变化是气候系统内部的一个重要反馈。

发展历史

生态学是研究生物体之间和生物体与环境之间相互作用的一门学科。它着重理解自然界中的各种格局（例如：生物的空间和时间分布）以及调控这些格局的过程。气候学是研究大气物理状态的一门学科：气候的瞬时状态或者天气过程，气候的季节和年际变化即气候的长期平均状态，以及气候如何随时间发生变化。这两个独特的研究领域即生态学和气候学，他们一个是生物科学，另一个是地球物理科学。一个的基本法则是自然选择，另一个基本法则是物理学和流体动力学。但是，两者都有着共同的历史。

这两门学科的起源要归因于亚里士多德（大约公元前350年）和西奥佛雷特斯（大约公元前300年），以及他们的著作《气象学》（Lee 1962）和《植物探秘》（Host 1968，1980）。生态学和气候学的现代起源可以分别追溯到自然历史学和植被地理学。17~19世纪，探索地球的博物学家和地理学家在开拓新的区域时发现了植被的差异；为这些植被的地理分布格局寻找解释的过程也奠定了生态学和气候学发展的基础。

19世纪初，洪堡(Alexander yon Humboldt)，认识到植被群落的外貌和主要特征与气候相关。他注意到，如果气候相似的话，即使相隔遥远的区域也存在结构和功能上相似的植被。后来，德堪多(Alphonse de Candolle)在研究主要植被型时注意到基本上存在着纬度分布带，如热带、温带、极地植被。他认为这种带状分布是由温度引起的，并于1874年正式提出用温度界定植被分布带，这为划分气候区提供了一个客观基础。1884年柯本(Wladimir Kбppen)根据植被分布图做出气候图。他的五个主要气候区域与德堪多的植被类型有着共同的温度界限，且其主要气候带与主要植被带之间密切相关，许多气候带亚代，如热带草原、热带雨林、冻土地带也都是依植被命名的。虽然在现代气候制图中不再用植被命名，但是温度、降水量与树木年轮宽度，孢粉的丰度，叶子的形态等之间的关系仍是重建过去气候的一个主要方法。根据CO2浓度上升时气孔密度的下降可以用来推断出过去大气中的CO2浓度。植被地理经常可用来解释和检测气候模式的模拟结果。

尽管生态学和气候学的起源相同，但是他们还是以典型的学科发展模式发展成具有各自特色的研究领域。生态学可细分为动物生态学和植物生态学。植物生态学又进一步细分为生理生态学，种群生态学，群落生态学，生态系统生态学和景观生态学研究。天气和气候的研究则依据不同的空间尺度分为微气象学、中尺度气象学和全球气候学，及依据大气过程分为边界层气象学，水文气象学，大气辐射学，云物理学和全球动力学。

随着科学技术的发展，人们已经广泛地认识到陆地生态系统对气候有着重要的反馈作用，且自然和对土地覆盖的人为干扰将改变气候，即气候影响生态系统类型、覆盖度及功能和过程，生态系统同时也影响微气候、气候过程、区域气候和全球气候。一个地区生态气候格局的形成，与地形、土壤、纬度、海拔等无机条件也有关系，但是作用最大的却是植物群落对环境的反作用，森林等植被一旦消失，区域的生态气候便发生巨大变化。

2002年美国环境与气候学家GordonBonan出版了《生态气候学》（EcologicalClimatology）一书，正式提出“生态气候学”的概念。他认为生态气候学是理解气候系统内陆地生态系统功能的交叉学科，主要研究景观与气候之间相互影响的物理、化学和生物过程。

也有学者认为，生态气候(Eco-climate)就是一个生境所有气候因素的综合，生态气候学是研究动植物生理生态的气候适应性，以及气候条件对动植物的地理分布影响等的学科。简单地说，就是研究“气候影响生态和生态影响气候”的科学。

目前关于生态气象学(Ecometeorology)的定义虽未完全统一，但没有本质上的差异。按周广胜的定义，生态气象学(Ecometeorology)是生物气象学的分支，它以生态系统为中心，主要研究天气与气候过程对生态系统结构与功能的影响及其反馈作用的科学。按刘晶淼的定义，生态气象学是应用气象学、生态学的原理与方法研究天气气候条件与生态系统其他诸因子间相互作用关系及其规律的一门科学，是气象学、生态学、环境科学等学科交叉形成的一门边缘科学，也是一门新兴的专业气象科学。这里的其他生态因子是指一切对生物生长、发育、生殖、行为和分布有直接或间接影响的因子，一般包括大气条件因子、气候因子、土壤因子、水环境因子、地形因子、生物因子和人为因子等。

概念性框架

图1所示是生态气候学的概念性框架，他们可归类为5个核心领域：①以从分钟到小时尺度上调节与大气的能量、水分、动量及化学物质交换的生物地球物理和生物地球化学过程；②调节这些交换的流域和水文过程；③陆地生态系统与控制植物种类的丰度和分布以及其在群落和生态系统的地位的生态学过程；④植被动态与生态系统结构和功能的时间变化；⑤陆地生态系统影响天气和气候的生物地球物理学和生物地球化学过程以及调节这些构成过程关系的流域和水文过程。

这些核心领域既有本学科专业的独特性，又通过共同的物理、化学、和生物学过程相联系。

应用

①土地利用和土地覆盖的变化

植被对气候的影响的研究兴趣来自对陆地生态系统提供的产品和服务以及人类对土地的利用如何改变这种产品和服务的认识需求，其中的服务涉及气候调节，水资源，废弃物再利用，维护生物多样性，食品生产，医药和工业产品，娱乐和文化价值。人类的活动已经改变了这些服务。生态学家研究原始景观的兴趣变得愈来愈少，而对造成环境变化的人类活动，及其对气候、生物地球化学循环、水文循环和土地覆盖的影响的研究兴趣越来越增加。

农业的兴起带来了森林覆盖的显著破坏和生态系统功能的滥用。人类活动导致的土地利用和土地覆盖的变化对气候带来了显著的影响，这在行星尺度是非常引人关注的，在量级上并不比其他的气候动力因素(例如温室气体的增加)小。另外，大气、海洋和陆地中的碳、氮和水的循环已经被改变。在陆地和水生生态系统有效氮的增加被认为是土地、河流和湖泊的酸化，生物多样性加速丧失，和引起些生态系统组成和功能的变化的原因，尤其是河流输送到海洋的氮量已经比农业发展前大幅增加。全球区域内，人类活动挤占了54%可更新淡水资源，这些水一部分被再利用，但仍有18%在生产过程中被消耗。水的挪用可以在河流的流动中得到见证。139个占全球1/3的北方大河的年径流量中大约有77%用于大坝、水力调节、跨流域调度和灌溉(Dynesius和Nilsson，1994)。这些河流中只有39%能保持自由流动。

②土地利用规划

像全球气候变化一样，变化着的土地利用就像是一个会给社会和环境带来无法估量后果的大规模的无计划的实验。与全球气候变化不同的是，土地利用发生在我们身边。它使抽象的不同空间和时间尺度上的地球环境问题变成了我们能察觉和反应的具体实例。

人类通过对社区进行设计、建造和景观管理会对我们的物理和生物环境产生巨大影响。实际上，这种影响比所预估全球气候变化的影响还要大。

景观规划设计的传统方法，尤其是在家居、办公楼、公园设计中，强调的是景观的整齐和视觉美观而不是它们的环境价值。这在景观中树木的使用上尤其明显(Arnold 1993；Thomas1997)。城市规划要考虑到经济增长、社会需求和相邻区域的关切。当认为很可能是约束而不是机会时，自然景观与城市的分离就是典型的考虑方法。对生态系统的产品和服务日益增多的认识为景观在环境中的作用提供了另一视角：景观并不只是我们生活的地方，它还能调节气候，大气化学，水资源，及承载维持健康的生态系统功能的动植物和其他类生物。

在景观规划和设计领域中强调地球是一个系统，而生物圈通过能量，水，营养物和生物量的流动成为地球健康的关键调节者。生态设计倡导一种新的美学设计原则，强调通过生态功能和服务来实现，而不是依靠形状、组成、颜色和质地等传统的设计元素。生态系统带来的产品和服务提供了一个城市环境问题的自然解决方案。个性、形式和美观来自于土地的自然过程和特色。另外，生态设计认识到不同的生物气候区和不同的生态环境区域存在不同的环境问题，需要不同的环境解决办法。

③生态系统功能

长久以来，人们一直尝试用精神的和物质的手段改变天气以满足自身生理和精神的需求。随着对全球气候变化的关注，人们现在已经能通过有目的地调制地球物理过程来改变天气和气候，例如海水施铁被建议作为一种通过海洋生物增加碳吸收量的方法，来缓解大气中CO2的增加。这种在公海施铁已经开始在赤道太平洋和南极洲的南部海域实施。

技术固然能够用来解决问题，只是这些解决方法经常会带来预料不到的后果，又会引起新的问题。具有讽刺意味的是，在不断发展的技术世界，陆地生态系统和水生生态系统——自然的技术——在改进环境质量方面变得越来越重要。人们对生态系统提供的产品和服务的认识越来越清晰，植被能提供一个解决环境问题更自然的方法。人们日益意识到绿化带和树木在娱乐、精神和审美质量，以及遮阴、减轻城市热岛气候、洪水调节和保护栖息地方面的作用。森林和湿地正被用于自然过滤的来自城市污水和径流中的过量营养、污染物及沉积物(DeLaney 1995；Dickey 1997)。某些植物能够吸收和耐受像锌、镉、铅那样的有毒金属，由此兴起了通过称为植修复过程的方法来恢复受污染的土地。人们也逐渐认识到花园和公园的修复作用。医疗设施的户外花园提供治疗和精神康复，能使病人更快地痊愈(Marcus和Barnes 1995；C．Lewis 1996；Tyson 1998；Thompson1998a)。这显示了人类对待植被尤其是森林的认识上的深刻变化。森林既被认为是生存所需的无限的资源，同时也是需要被开化的蛮野荒地现在，公园和森林已经被提升为躲避现代生活的紧张和压力、存储碳、改进环境的方法。

④生物气候生态区

气候和植被密切对应是生物气候生态区划的核心原则之一，这就提供了一个更加自然的框架来处理环境问题，而不是依靠行政管理上的界限。行政单元如市，县，州，国家，他们有太多的社会经济方面的决策以此为依据，而未考虑与自然环境单元，例如土壤类型、气候区、生态系统和流域的统一。生物区域主义，即基于生物区域（而非政治或经济边界所确定的区域）把人类、商业和土地集成为一个区域单元，长期以来是土地利用规划中的焦点问题。

在20世纪早期，欧洲和美国的规划家们发动了一次大规模的运动来把土地利用和区域环境相统一。这些规划家们意识到由于不同的区域具有独特的气候、植被和土壤，它们会发展不同的工业和文化。自然资源以及人类对这些自然资源的响应将社会、文化和经济、建筑与物理景观联系到一起。这些规划家们以苏格兰的帕特里克盖迪斯(Patrick Geddes)和美国的刘易斯马姆福德(Lewis Mumford)最为著名，他们提倡基于生态平衡和恢复进行区域土地利用的规划。他们把区域设想为具有一致的气候、土壤、植被、工业、农业的地理地区。这些区域可通过与自然和谐一致的农业、工业、商业和建筑业达到自给自足。现在，生物区域主义又有了新的动向，其区域定义基础是生态系统或者流域而非行政边界，以此作为兼顾自然资源保护和促进环境友好型发展的规划管理战略。

影响

随着社会经济的快速发展和人口的不断增加，人类面临的生态环境问题日益突出：耕地减少且质量下降、水土流失严重、荒漠化加重、水域生态失衡、森林覆被率低、湿地破坏、草地退化、城市污染、海洋生物资源退化、酸雨增加、沙尘暴和地质灾害频发、生物多样性下降等。其次，在全球变暖背景下，气候灾害和极端气候事件(如洪涝、干旱、热浪、沙尘暴、暴风雪等)频繁发生，对生态安全、粮食安全、水安全、碳安全等造成了重大影响，直接威胁到人类生存与可持续发展，已经引起了各国政府和科学家的高度关注。气候、气候变化及其影响问题，不仅仅是科学问题，也是关系人类生存、资源与环境保护、可持续发展以及国际环境外交中的热点问题。可以预见，随着国民经济的进一步发展，人类社会面临的生态环境问题将会更加突出，生态与环境的保护、修复和改善任务将会更加繁重。这对现有农业气象观测网、研究内容与服务范围提出了更高的要求，传统的气象与农业气象业务服务需要进一步向生态环境领域拓展，生态气象研究与业务服务工作也就应运而生。

2004年，《中国气象事业发展战略》明确指出:“气象部门以国家粮食安全和生态安全气象保障服务为重点，积极拓展农业生态系统监测和信息服务领域，为我国农业防灾减灾，农业高产、高效和优质提供气象保障服务，为我国农业生态系统保护和建设提供科学支持”，由此提出了开展生态气象业务的要求。

在2005年中国气象局业务技术体制改革中，又明确将“生态与农业气象”作为一条气象业务轨道提出，拟通过对有关生态因子监测，研究气象条件与生态系统、环境之间的相互关系和作用机理，实时发布监测与评估报告，为生态建设与环境保护提供科学支撑。

生态气象学是一门刚刚诞生并正在迅速发展的学科，其科学研究与技术开发亟待加强，未来研究的重点将集中在以下几个方面:生态系统与气象条件相互作用的理论和方法基础性研究，生态气象卫星遥感反演技术研究，自然生态系统综合监测预测与评估技术研究，重大生态环境问题气象监测预测与评估技术研究，典型生态脆弱区、灾害气象监测预测与评估技术研究，生态气象观测标准体系研究等。在生态气象业务中，要重点研究生态气象观测技术、模拟技术、监测与评估技术、产品展示方法以及业务平台的开发等。

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