文摘
生态系统恢复过程中有着重要的作用,维持一个稳定的生态系统服务,使流动快速和灵活的应对气候变化,并维持或恢复森林生态系统的恢复力是必要的社会适应气候变化;然而,有一个伟大的缺乏空间显式生态系统复原能力评估。利用生态系统的弹性原则强调文献中,我们构建了耗散结构理论发展的概念模型森林生态系统的弹性。层次结构指标体系设计与森林生态系统恢复力的影响因素,包括站条件和生态记忆,进一步分解为具体的指标。此外,指标权重确定与层次分析法(AHP)和变异系数的方法。基于遥感数据和森林调查数据等等,森林的韧性指数计算。结果表明有明显的空间异质性森林生态系统的恢复力,表明它是可行的生成大规模生态系统弹性地图评估模型,结果可以提供科学依据森林的保护,这是减缓气候变化具有重要意义。
1。介绍
有充足的证据表明气候变化的生态影响,这可能对陆地生态系统构成相当大的挑战和改变所提供的生态系统服务在未来(1,2),森林生态系统恢复力起着重要的作用在维持理想的生态系统状态,允许这些生态系统服务交付,并允许快速和灵活的应对气候变化3]。例如,森林是陆地生物多样性的主要储层和含有约50%的全球陆地生物质碳储量、毁林和森林退化所致排放量仍然是一个重要来源的年度温室气体排放到大气中,因此保护,适当的管理和恢复森林将为缓解气候变化做出重要贡献4]。弹性是一个生态系统的能力承受外部压力和恢复其predisturbance状态随着时间的推移,生态系统弹性表明生态系统的损失很容易转移到不受欢迎的国家中人类可以不再需要的生态系统服务,并维持或恢复森林生态系统恢复力通常被视为一个必要的社会适应气候变化(5,6]。然而,森林生态系统恢复力不断下降的区域范围内,甚至全球范围内由于气候变化和人为干扰(7]。生态系统复原能力的定量评估可以为森林资源管理提供科学依据和保护,因此具有重要意义的维护至关重要的生态系统服务(8]。
弹性的概念已广泛应用,出现了一些生态理论试图解释弹性机制通过各种模型(9,10),例如,“物种richness-diversity”(11],“功能冗余”[12),“关键物种假说”(13),“resilience-productivity假说”(14]。然而,这些理论都是基于物种种群的基本功能单元的概念,因此不能捕获生物个体之间的交互的重要性在生态系统10]。在当前的理论,耗散结构的理论似乎特别适合调查生态系统的结构变化和弹性动力学(15,16]。它表明,开放和自组织系统维护他们的结构秩序通过保持他们的内部状态远离热力学平衡与环境(通过积极交流16]。那些原则上耗散结构是稳定的,只要交流环境维护和持续扰动被吸收的框架内给定的动态机制(15,16]。耗散结构理论提供了一个科学理论框架解释了生态系统恢复的机制;然而,很少有研究生态系统复原能力的定量测定的基础上,这一理论;进行更深入的研究应该如何更科学、准确地评估生态系统生态系统的弹性韧性合理的指标。
可以测量弹性变化的扰动后系统级属性和功能,和扰动可以模拟(10]。在先前的研究中,生态系统弹性的回报率通常是衡量生态系统状态扰动或生态系统的最大干扰后可以吸收前转向另一个状态(17]。目前,研究人员一般选择一个与生态系统相关的关键指标,例如,关键物种和生态系统的活力,然后模拟关键指标的时间从紧张状态返回到正常状态(Tr)和生态系统能够承受的最大应力(MS)和模型等研究课题模型和差距模型(18]。生态系统恢复力的值可以表示为MS, 1 / Tr,或女士/ Tr (19]。这种方法假定可以理解生态系统的动态分析几个关键变量,这称为“法治的手”(5]。然而,“法治”的概念是有限的和相对不典型的,因为它是不可能代表生态系统功能的完全恢复的复苏只有少数关键变量(20.]。此外,虽然原则上可以衡量生态系统弹性拟合时间序列的动态模型,这种方法带来非凡的数据需求。它通常是很难获得的数据可以满足这样的要求在实践中17]。
更合理的测量影响弹性韧性的因素。文献报道很多因素影响生态系统复原能力,例如,栖息地的多样性官能团和可变性21]。然而,这些因素不是以前被认为是全面的研究人员。操作弹性指标在文献中没有受到应有的重视,也没有一致同意的观点,如何衡量弹性甚至弹性的确切性质的22]。安全Oertli评估物种变暖的韧性和五个生态和生物地理学指标和解释他们的理论基础23];然而,这种方法可能会相对有偏见的,因为这些研究人员仅仅使用等于每个指标的权重。
本研究旨在开发一个概念性的框架的空间明确的评估森林生态系统弹性基于耗散结构理论,和本文的其余部分组织如下。第二部分提出了研究的简要概述,解释了指标体系构建,如何确定指标权重和韧性指数是如何计算的。此外,这一部分还显示了在这项研究中使用的数据和它们是如何处理。第三部分介绍了结果和讨论的空间异质性的潜在原因森林生态系统恢复力和最后一部分总结道。
2。数据和方法
2.1。研究区域
释永信县的代表亚热带混合针叶树和阔叶林面积在鄱阳湖流域,森林面积143980公顷,森林覆盖率为65.6%。它位于26°47′-27°之间14′N和113°50′-114°29′E, Heshui河上游和中游的鄱阳湖最大的二级支流(图1)。释永信县的北部和南部地区主要包括山和山,那里有很多森林,而中央县包括丘陵和平原的一部分,其中大多数是由耕地。这个地区的亚热带季风气候,年平均气温为18.2°C和年均降水量达到1530毫米,地带性植被常绿阔叶林是,但现有的森林主要由马尾松和杉木纯林(c .生长状况),森林的当前状态是由于长期的人为干扰和恢复和自然恢复的影响下区域自然背景(24]。
2.2。数据和处理
使用的数据主要包括森林库存数据、遥感数据、统计数据。2009年森林库存数据获得的释永信林业局,包括森林资源分布图,41603年数据为707样本块和数据样本树。我们获得了森林分布图通过集成森林形式与陆地卫星地图专题(TM)图像覆盖研究区。此外,我们数据内插样地数据和样本树到30 m×30 m网格数据的克里格方法获取数据内存的具体指标,如平均年龄,平均胸径增长,成熟的主导树密度(25]。外部记忆当时的基础上计算内存。此外,外部存储器的可用性影响因素与邻近指数表示,这是森林分布图的基础上计算。此外,站条件的指标数据与遥感数据准备,观察数据和统计数据。例如,气候数据来自观测站在江西和湖南维护和原始数据填充到30 m×30 m网格数据使用梯度加逆距离二乘法,然后提取释永信县的一部分。土壤数据从森林库存数据中提取第二次全国土壤普查,并填充到30 m×30 m网格数据与克里格方法(26]。的地形数据得到30 m×30 m数字高程模型(DEM)数据。距离最近的河从1:获得250000地形图的江西省。人口数据来自中国人口统计年鉴》2010,空间分解成30 m×30 m网格数据与空间分解法(27]。
2.3。模型开发
森林生态系统复原能力与其影响因素定量测量了耗散结构理论的基础上,在这项研究中。首先,明确了生态系统复原能力相关的一些定义,这对生态系统恢复力评估奠定基础。然后基于耗散结构理论,建立了分级指标体系根据因素影响森林生态系统的弹性,其中大部分有一些影响森林生态系统之间的能量和物质流和环境。此后,组合权重的指标权重确定方法,包括层次分析法(AHP)和变异系数(CV)方法(28]。最后,森林的韧性指数计算这些指标的加权和网格尺度。
2.3.1。生态系统弹性的定义、州和规模
有必要做一些相关定义生态系统复原能力,使结果具有可比性。首先,有必要澄清的定义生态系统弹性自文学提供了各种生态系统弹性的定义和包含一个争论的存在不同生态系统状态(16]。目前的观点可以概括为生态恢复和工程弹性和森林工程弹性在某种意义上,他们可能会回到他们predisturbance状态并保持大约原来的物种组成(3]。因此工程采用弹性的定义在这项研究中,指的是一个生态系统的能力来吸收障碍和扰动后恢复其predisturbance状态(29日]。
其次,它指定感兴趣的生态系统状态至关重要因为森林生态系统有多个状态下不同的生态系统服务可能被交付17]。本研究只关注当前状态下的弹性,与主要树种(定义3),假设没有状态转换在研究期间。此外,有必要指定以来规模弹性评估不同尺度可能导致不同的评价结果(30.,31日),在一个适当的时间跨度,有弹性的森林生态系统能够保持其“身份”的分类组成、结构、生态功能和流程率(3]。至于空间规模,本研究提出了测量的绝对和相对条件(如空间、环境特征和资源可用性)的补丁分析问题的规模和multipatch尺度方面的弹性(31日,30米分辨率补丁已经被用于分析弹性在这项研究。至于时间尺度,分析了森林生态系统恢复力在一年一度的规模,和假设没有生态系统状态转换发生在研究期间由于生态系统一般均衡附近波动,仍基本上稳定在给定的时期。
2.3.2。指标体系
层次模型是开发与森林生态系统恢复力影响因素根据耗散结构理论。耗散结构理论表明,森林生态系统作为一个系统耗散结构很快就会崩溃的条件是没有输入的能量和物质(15),生态系统复原能力取决于良好的立地条件下和生物和生态资源的生态系统,所有这些影响能源和材料的输入到森林生态系统。因此弹性指数评估森林生态系统恢复力分解成站条件和生态记忆,最后分解成简单的指标可测量和可观测到的领域。
站条件的指标包括地形、土壤、气候、水资源条件、人为干扰,相互作用,共同影响森林生态系统的恢复力(32]。地形有明显影响植物生长所需的因素,例如,水和土壤养分。例如,有丰富的土壤肥力和种子库在斜坡位置低于中间和上部边坡位置,和种子发芽率低坡度位置高(33),和地形指标在这项研究中包括的方面,斜坡,斜坡位置。此外,弹性在地方层面的能力取决于景观维持渗透,蓄水能力和养分循环,所有这些都受到土壤流失和结构变化的威胁(34]。在这项研究中,我们选择土壤深度、腐殖质层深度、数量和壤土用作土壤结构指数和腐殖质量使用,土壤氮(N)数量、土壤磷(P)数量、数量和土壤钾(K)作为土壤肥力的指标。此外,气候主要影响光合作用,呼吸作用,和其他生态系统过程通过中期和长期温度、辐射和湿润,从而产生伟大的对植物生长的影响4),和水通过影响植物的生长条件也有重大影响水的可用性(35]。气候指数用于这项研究包括年度积温10°C以上,年降水量、年小时的阳光,距离最近的河流被用作水的指标情况。更重要的是,仍然有争议的识别人类与自然生态系统的一个组成部分,但人类改变了生态系统的弹性36];因此与人类活动密切相关的人口密度已经作为人类干扰的指标。
生态记忆包括内部内存疫源地内森林补丁和外部内存的邻居补丁疫源地森林补丁(37,38),进一步用更具体的指标表示。内存包括在受干扰区(即物种生存。,the biological legacies) and the remaining dead organic structures that serve as foci for regeneration and allow species to colonize (i.e., the structural legacies) [38]。生物遗产包括种子、植物材料、和动物社区,而结构性遗产提供关键的防护罩,栖息地,食物和营养来源各种各样的生物和影响地貌过程如侵蚀和沉积的沉积物(38]。首先,种子银行是森林的自然再生的物质基础(37]。因为它是难以衡量土壤种子库在一个大区域,我们使用了土壤种子库的影响因素的具体指标,包括成熟的主要树木的密度和树冠站(39]。此外,生态系统弹性驻留在司机的多样性和那些潜在的司机,乘客的数量的不同意义的生态系统(40),所选指标的多样性司机包括主要树木的物种数量和下属音树和草和灌木的树冠。此外,植被的地步特性还有助于生态系统复原能力(3),包括指标的平均年龄和站的平均增长率胸径(DBH)在这项研究中。更重要的是,结构性遗产提供关键防护罩,允许物种殖民(21使用,垃圾深度指示器的结构遗产在这项研究中。更重要的是,从干扰的生态系统的恢复需要一个足够大的和丰富的内部内存来保证快速重组,和一个更大的和更少的支离破碎的森林生态系统是更有弹性3]。在这项研究中,补丁,perimeter-to-area比率是用来代表贴片形状、大小和补丁。
生态系统重组需要不安中的内存补丁和外部存储器内相邻的补丁,它提供了种子流在森林补丁和影响干扰的物种组成和促进弹性补丁(28]。因为很难测量长距离传播种子,我们测量的外部存储器的密度成熟主导相应补丁类型的树木在邻近的补丁在指定距离内的边缘焦补丁(1000在这项研究)。此外,许多植物物种传播有限,受到各种因素的影响,如距离种子来源和传播媒介的可用性(41),因此我们使用接近指数,结合相邻块的面积和距离的焦块的指标因素影响外部存储器的可用性(表1)。
2.3.3。计算弹性指数
有很多方法可以综合成一个基本指标指数,如模糊综合评价方法,德尔菲法和综合指数法42]。本研究使用了经典的综合指数法计算弹性指数的森林生态系统。首先,森林生态系统恢复力的评价指标被分配不同的权重;评估指标的加权和的空间叠加计算这些指标。森林生态系统的弹性计算使用以下公式: 在哪里的韧性指数吗th评估单元,的重量吗评价指标,的价值吗评价指标,具有极端值的归一化方法,评估指标的数量。
除此之外,有很多方法来确定指标权重,通常可分为主观称重法和客观的衡量方法,两者都有一些缺点43,44]。组合称重法来确定指标权重,以减少可能的错误。首次与AHP确定指标权重和变异系数方法,然后结合如下(见(2)为了充分利用专家知识和充分考虑研究区域的具体情况: 在哪里获得的权向量与变异系数方法,与层次分析法获得的权向量,然后呢评估指标的数量。最后的指数权重表中列出1。
3所示。结果与讨论
3.1。评估的结果弹性
才最终确立了指标体系和确定指标权重(表1),研究地区森林生态系统恢复力的计算,进一步分成五个层次(图2),弹性指数确定的阈值与自然休息方法(表2)。
最高的森林弹性主要是位于西南山区的中间。结果表明,森林生态系统的弹性释永信县范围从0.1803到0.6919,平均值为0.3821。只有40.4%的森林被弹性平均水平以上,和研究区森林生态系统恢复力不是很高。此外,森林生态系统恢复力普遍高于平均水平发生在西南山区,东南部山区,北部山区,而韧性通常低于平均水平在中部平原和山区域。森林生态系统恢复力水平的地图显示的空间异质性的弹性(图模式2)。森林达到高或非常高韧性水平通常发生在西南山区的中心和东南山区的东部,他们从东到西长在北部山区。森林的中等韧性通常发生在南部边界的面积,而较低或极低水平的森林韧性一般都位于中原和希尔区。森林在西南山区一般达到或超过一个中等水平的韧性,与大面积达到非常高的韧性水平。森林只达到中等或低水平的韧性山区除了东部和东南部地区行政边界附近的森林达到一个高水平的弹性。在北部山区,只有森林从东向西延伸,其类型的物种c .生长状况,达到一个中等或高水平的弹性。剩下的森林在北部山区只有达到较低或极低水平的弹性。相比之下,中心区域的森林几乎完全是在低或非常低水平的弹性。
森林总面积在每个弹性水平此外总结(表2)。总的来说,57.5%的森林在低或极低水平的韧性;21.9%达到中等水平的弹性。只有20.6%达到或超过了高水平的韧性,表明森林的弹性并不好。此外,只有五个森林类型达到了非常高的韧性水平,其中c .生长状况森林占最大的森林面积比例非常高的韧性,总面积为10381.2公顷的弹性非常高的水平。此外,许多森林类型达到了高韧性水平,但只有的面积c .生长状况、其他硬叶林和山茶科相对较大,达到16457。6公顷,1951 .02点哈,分别和12.42公顷。总之,大多数森林类型只达到中等程度的弹性,只有森林类型面积大,等c .生长状况,倾向于有大面积超过介质弹性水平。
关键影响因素的弹性森林生态系统不同的在不同的地区,这些空间的模式可以提供重要的信息制定适当的森林资源管理的措施。例如,在西南山区,站条件不利的主要原因是地形,使得这一地区容易受到土壤侵蚀。然而,在这个地区发现了丰富的生态记忆大大抵消这一缺点。补丁,重量为0.1744,是最重要的一个指标底部水平,和大多数森林类型的补丁区域通常很大,这个地区的分裂并不严重。相比之下,站条件非常有利的东南部山区,较高的温度和降水,有利的对森林的影响。然而,这一领域的内存只达到中等水平;只有很少部分被丰富的外部存储器。在北部山区,特别是在它的西部,站条件不是很好,和生态记忆只有丰富的一个c .生长状况森林从东向西延伸主要原因是丰富的内存。然而,其它森林类型的生态记忆在这个地区很穷,主要由于严重的分裂。在中部平原和山区域,那里主要是平原和低山,站条件非常有利于人类和森林。但人类干扰这一领域有着悠久的历史,和森林严重分散,导致非常贫穷的生态记忆。
当前森林生态系统恢复力的空间异质性是长期的累积效应的结果人工干预和自然条件的影响45]。人类干扰扮演着从属角色影响整个森林生态系统的弹性;然而,它仍然可能是当地的主导影响因素。例如,仍然有非常严重的人为干扰在平原地区,和人类活动仍然发挥主导作用,影响森林生态系统复原能力,特别是在中部平原区域研究的区域,人口密度高和大量的森林已经回收了农田。事实上,历史上人类活动的累计效应作出伟大贡献的当前空间格局森林的物种组成。例如,地带性植被常绿阔叶林,在历史时期已严重损坏,并逐渐恢复当地的森林是主要原因是自1980年代以来重建和保护。作为一个结果,c .生长状况,已广泛应用于绿化项目,已经占了最大的比例目前森林。总的来说,结果客观反映了空间格局研究区森林生态系统恢复力的,表明这是一个实用的方法空间测量生态系统复原能力及其影响因素。
3.2。讨论
这项研究表明,生态系统复原能力与其影响因素可以定量测量;然而,更多的应努力进一步探索如何更科学、准确地衡量生态系统弹性因为有各种挑战的空间显式评估生态系统的弹性及其应用。首先,更应努力探索的理论和评估生态系统的弹性。尽管先前的研究已经提供了一些方法来衡量生态系统复原能力,仍迫切需要一个操作工具,评估和生态系统弹性映射(46),有必要做出更大的努力选择和集成弹性指标根据研究对象和数据可用性基于坚实的理论基础。此外,空间的方法评估许多弹性因素尚未开发,和比较研究是至关重要的因为不能总是直接观察生态系统复原能力(46]。此外,因为可能有多个指标来衡量生态系统复原能力,具有十分重要的探索如何将这些指标。指标的加权和为代表的韧性是其影响因素的研究;结果可能不是很准确,因为可能会有一些非线性生态系统恢复力及其影响因素之间的关系,但它仍然提供了一个有用的方法来空间显式地评估生态系统复原能力。
还有一个巨大的挑战,实施生态系统管理的弹性概念在一个动态的世界;进步resilience-based管理的主要挑战之一在于成功应用。事实上,一般的弹性原则影响了生态系统的管理和保护,已经自觉不自觉地应用于生态系统管理。例如,生物圈保护区通常划分成核心区域(s),缓冲区(s)和过渡区(s)根据指导方针联合国教育、科学及文化组织(47]。生物圈保护区的划分为三个地区能促进生态系统恢复,虽然生态系统,管理人员没有意识到。例如,事实上Sanwan镇上有一个森林公园森林生态系统恢复力是最高的,也就是说,Sanwan国家森林公园,森林覆盖率为90.5%(图2)。这个森林公园最初建立以促进当地旅游业的发展,追求更多的经济利益,而不是改善生态系统弹性;然而,出人意料地增加当地森林的韧性。因此,建立森林公园可能是一个有效的方法保护生态系统和生态系统维持理想的状态。
4所示。结论
利用生态系统的弹性原则强调这项研究在文献中选择指标,捕获生态系统复原能力的影响因素和定量评估了森林生态系统弹性释永信县。结果表明,它是可行的生成与此评估模型和大规模生态系统复原能力地图空间明确识别必不可少的生态系统保护的地区。此外,结果表明,有明显的空间异质性的研究地区森林生态系统的弹性,可为当地的森林资源管理提供科学依据和保护维持至关重要的生态系统服务和适应气候变化。但它仍然需要进一步改善未来的研究仍存在一些争议以来的选择和集成生态系统复原能力的具体指标,可以更准确地测量生态系统弹性如果大面积高分辨率数据是可用的。尽管仍有一些不确定性,结果还可以提供科学依据森林的保护,这是减缓气候变化具有重要意义。
利益冲突
作者宣称没有利益冲突有关的出版。
确认
这项研究受到了中国国家自然科学基金项目(批准号41071343),中国的国家基础研究计划(973计划)(批准号2010 cb950900),和关键项目国家科技支柱项目中国没有。2013 bac03b00)。数据支持的项目由中国国家自然科学基金资助(批准号71225005,批准号40801231)也大大赞赏。