陆地生态系统

2025-01-16

陆地生态系统（通用5篇）

陆地生态系统篇1

工业革命以来,由于人类大量燃烧化石燃料(煤、石油、天然气等),无节制地砍伐森林和破坏草地,向大气中排放了大量温室气体(CO2、CH4、N2O等),大气中CO2的浓度从1750年的280±10ppmv增加到1999年的367ppmv;2005年CO2浓度接近380ppmv[1]。目前全球大气中的CO2浓度正以1.5—1.8ppmv/a的速度增长。据Houghton等人预测,2030年其浓度将会达到600ppmv,21世纪末将达到650—700ppmv[1]。根据IPCC公布的第四份气候变化评估报告,由于CO2浓度的增加,北半球20世纪后50年的平均气温比过去500年中的任何其它50年的气温都要高。2007年1月和4月的地表温度分别为历史同期最高,分别比历史平均记录高出1.89℃和1.37℃。20世纪的90年代是过去千年最暖的十年[2],1998年为最暖年[3]。这种变化趋势已经引起各国政府和科学界的极大关注和重视。

陆地是人类生存与发展的主要场所,人类活动已经极大地改变了陆地的本来面貌。陆地生态系统是全球碳循环的重要组成部分,并存在最大的不确定性。研究陆地生态系统碳收支/碳平衡的机制,可分析陆地碳源和碳汇以及在全球变化中的贡献,因此陆地碳循环已经成为国际地圈—生物圈计划(IGBP)、世界气候研究计划(WCRP)、全球变化与陆地生态系统(GCTE)等多个核心计划的重要内容[4,5,6]。分析陆地碳库的大小及碳收支/碳平衡状态,探讨主要陆地生态系统碳收支/碳平衡过程,剖析当前影响陆地生态系统碳收支/碳平衡因素,对预测未来全球变化具有重要的意义。

1 陆地碳库的收支与平衡

在全球碳循环中,陆地碳库起着重要的作用。陆地碳库主要以3种形式存在:植物碳库、土壤有机碳库和凋落物碳库。全球陆地植被碳库在420—830PgC之间,凋落物在70—150PgC之间,土壤碳库是最大的碳库,是植被碳库的1.5—3倍,因此土壤碳库在全球碳循环中起着更大的作用[7]。陆地生态系统碳蓄积大部分集中在森林生态系统,其余储存在耕地、苔原、湿地、草原和沙漠半沙漠中。从气候类型角度看,碳蓄积则主要发生在热带地区,全球50%的植被碳和近25%的土壤碳集中在热带森林和热带草原,这是由于热带地区提供碳蓄积所需大量热量和水分。植被碳蓄积和有机土壤碳蓄积主要分布在温带森林和草地,剩余部分碳蓄积则分布在北方森林、苔原、湿地及沙漠半沙漠地区[5,8]。

在陆地生态系统碳收支/碳平衡过程中,全球植物通过光合作用所固定的总碳量(GPP)约为120PgC/a,植物通过自身的呼吸作用(RA)消耗一部分能量,约为GPP的1/2,剩下部分则为净初级生产力(NPP),即60PgC/a。微生物的呼吸作用(RH)对有机残体的分解得到净生态系统生产力,约为10PgC/a。除了异养呼吸外,还包括导致现存有机物和有机残体的损失(收割、森林清理、火灾等),最终得到的净生物群系生产力的量很少,1989—1998年期间全球NBP估计约0.7±1.0PgC/a。从NBP的数值不难能看出,整个陆地生态系统循环得到的能量是很少的,约相当于1%的NPP和10%的NEP。而人为活动的干扰,特别是化石燃料的燃烧打破了陆地生态系统碳收支的平衡[7]。

化石燃料的燃烧对陆地碳库收支平衡产生重要影响。化石燃料燃烧排放的CO2约为6.0PgC/a[7],这部分CO2如果全部保留在大气中,能使大气中CO2的浓度每年以0.8%的速率增加,但是目前增加的速率仅为0.4%。仅考虑化石燃料的因素,每年化石燃料燃烧产生的CO2只有56%(3.36PgC)保留在大气中,其余33%(2PgC)被海洋吸收。这样两部分只有89%,其余的11%就是通常所说的“未知碳汇”。如果海洋的吸收量是准确的,那么“未知碳汇”只能存在陆地,而土壤和植被是可能的碳汇[7,9]。寻找“未知碳汇”有利于更好地研究全球的变化问题,应对全球变化采取更好的应对措施,将是今后碳收支/碳平衡研究的重点。

2 主要陆地生态系统碳收支/碳平衡过程

在自然状态下,陆地生态系统碳循环的基本过程为:大气中的CO2通过植物的光合作用形成的有机碳以化学能形式储存在植物体中,植物死亡后其残体经微生物分解向大气释放CO2,这样便形成了“大气—植被—土壤—大气”这样首尾闭合的循环系统,从而实现陆地生态系统的循环过程。

2.1 森林生态系统

森林作为陆地生态系统的主体,在调节陆地生态系统与大气碳库之间的碳交换中起着巨大的“生物泵”作用。森林在全球碳循环中具有重要意义,对陆地生态系统碳收支/碳平衡过程起着重要的调节作用。全球森林总面积约为4.11×109hm2,约占全球陆地总面积的31%;全球陆地总碳库为1800PgC,其中森林生态系统碳储量达77%。目前森林包含的碳储量约占陆地生物圈地上碳储量的80%和地下碳储量的40%,其中约有2/3存在于土壤有机质中,只有约1/3储存在植被中。从纬度分布状况看,高、中、低纬度分别占全球总面积的33%、25%、42%,碳储量分别为陆地碳库的49%、14%、37%[8,10,11]。

森林生态系统的GPP具有时空尺度的变化。从时间尺度上看,在森林生长的幼林期GPP随碳吸收率不断增加,但由于以前森林中死生物量的分解作用,使呼吸量高于NPP,此年龄段的森林不会起到碳汇作用。对成熟林而言,碳的蓄积量在不断增加;发育后期森林的GPP不再增加,碳收入大于支出,表现为碳源。从空间尺度上,不同地区的森林生物量也有区别,全世界热带雨林的净初级生产量最高(37.4PgC/a),其次为热带季雨林(12.0PgC/a)、北方针叶林(9.6PgC/a)、温带落叶阔叶林(8.4PgC/a)、亚热带常绿林(6.5PgC/a)、苔原及高山植被(1.1PgC/a)[10,12]。尽管大多数森林起到碳汇作用,但由于人类活动的干扰(砍伐、炼山等)已使个别森林地变为碳源。在全球气候变化的背景下,应注重对森林的保护和管理,发挥其碳汇作用,减缓全球气候变暖的趋势。

2.2 草地生态系统

草地作为世界陆地生态系统的主体类型之一,是目前受人为活动影响较严重的区域。草地生态系统对全球变化和环境变化更为敏感,对草地生态系统碳收支/碳平衡过程的研究是正确认识全球碳循环的关键之一[13]。世界草地面积为24×108hm2,约占全球陆地面积的1/5。其中热带草原约为15×108hm2,温带草原约占9×108hm2,是世界分布最广的植被类型之一。根据WBGU估算,全球草地生态系统的碳储量约为1200PgC。其中草地植被层碳储存量约为110PgC,土壤层中约1100PgC[14]。完整的草地生态系统碳循环应包括草食动物在内的草地—草食动物—土壤界面系统下的碳循环。然而,目前对整个循环系统的研究仍不全面,尚未形成完整的循环系统框架[7,10]。

草地上的植被和大气中的CO2通过同化作用形成GPP,再经过植物自身的呼吸作用、动物的呼吸作用、植物根部的呼吸作用消耗掉大部分能量,积累了少部分能量,并释放出CO2到大气,形成草地生态系统碳循环全过程。这个过程包含了草食动物的碳摄取、碳蓄积、碳排放的3个主要环节。由于人口增长及对粮食需求的增加,大量草地被开垦成农田。Lal等研究发现,到1998年全球约6.6×108hm2的草地被开垦成农田,约占土地利用变化的40%,占温带草原的2/3,造成了19PgC的损失[15],这个过程的碳损失量超过了热带森林转化为农田导致的有机土壤损失的全球平均值(2.45×104kgC/hm2)[16,17]。此外,过度放牧也会影响草地生态系统碳收支/碳平衡过程,全世界草地退化总面积的35%是由过度放牧造成的,导致土壤中的碳释放。过度放牧可促进草地土壤的呼吸作用,从而加速土壤中的碳向大气中释放。人类的活动已极大地影响到草地生态系统碳收支/碳平衡过程。

2.3 内陆水体生态系统

内陆水体生态系统是陆地生态系统的重要类型。内陆水体碳库的大小是由内陆水体的总量及其碳容量所决定的。除广阔的海洋水体外,其余水体即为内陆水体,又被称为“地表水”。内陆水体包括河流、湖泊、沼泽、冰川和永久积雪等。全球陆地地表水储量约为2.43×1016m3,河流、湖泊、沼泽储水量只占地表水的0.8%,为24×1014m3[10]。在水体生态系统中,碳主要为溶解性无机碳(DIC)、溶解态有机碳(DOC)、颗粒有机碳(POC)和生物有机碳(BOC)[18]。河流的碳收支受水流和流域河流体系地理相互作用程度的控制。MeybeckM研究发现,全球由河流输入海洋的碳中DIC为0.244Gt/a、DOC为0.199Gt/a、POC(包括BOC)为0.18Gt/a,分别占碳通量的45%、37.5%和18%,总共为0.623Gt/a[18]。据报道,对河流的碳汇功能的研究不多,其中对湖泊的碳汇功能看法不一致。Cole等对北美的湖泊研究发现,敞水带的生产和呼吸基本平衡,湖泊外源输入是碳释放的源[19]。然而Dowing等估算发现,湖泊的碳汇功能显著[20]。

在全球许多地区,随着人类经济活动对流域地表干扰程度的加剧,河流输送的有机碳在数量和性质等方面已经发生并且仍在发生着变化。全球陆地生态系统每年通过河流向海洋排放约0.45Gt的有机碳[21],约相当于全球陆地生态系统净初级生产量的1%—2%。而我国河流每年向海洋输运的有碳总量约为0.07Gt,占我国植被净初级生产量的3%左右。全球许多地区的植被遭到严重破坏,地表覆盖性质退化后的流域生态系统有机碳输出通量迅速提高,使近海水域陆源有机碳的沉积埋藏速率随之增加。研究和预测对水体生态系统产生重大影响的人类活动(水体富营养化等)对水体碳循环过程和功能的改变,有利于维持内陆水体生态系统的碳平衡,今后对此应加强研究[10]。

2.4 湿地生态系统

湿地是界于陆地和水体间的过渡生态类型[6]。根据《Ramsar公约》对湿地的定义,湿地指不论其为天然或人工、长久或暂时的沼泽地、泥炭地或水域地带,静止或流动,或为淡水、半咸水或咸水的水体者,包括低潮时水深不超过6m的水域。湿地植物的生长期内水位至少接近于地表,在土壤水处于饱和状态的嫌气性环境中,分解作用较缓慢,长时间积累形成泥炭。据加拿大1998年国家碳汇报告估计,湿地占了全球陆地面积的6%,全球泥炭地有机碳储量非常丰富。据估计,全球湿地的有机碳约为120—260Pg,占全球陆地总碳量的15%[6]。Birx等研究发现,湿地植物净化的碳仅有15%释放到大气中,表明湿地生态系统能作为一个抑制大气CO2升高的碳汇。然而,气候变暖引起湿地水温和土壤温度升高,使冰层覆盖变化、冻原融化、湿地水位下降影响湿地生态系统的生物群落演替及生物地球化学过程。人口的增加和人类活动的增强,全球湿地面积正日益减少,导致大气中CO2含量升高是不容忽视的重要因素[22]。湿地排水开垦和世界水稻种植面积的增加可能与大气中的CH4增加有关,CH4的排放量将会以每年1%的速度增加。由于这些开垦活动使湿地植被遭到破坏,土壤侵蚀作用加强,导致区域湿地生态系统碳收支/碳平衡格局发生变化[23,24]。

2.5 农田生态系统

农田生态系统是陆地生态系统的重要组成部分,而且是全球碳库中最活跃的部分。随着世界人口的增长,人类对粮食及其它农产品的需求量日益增大,大量土壤被开垦成农田。Houghton研究发现,1850—1950年全球约有8亿hm2森林被开垦为农田,该过程已释放大量的碳[25]。IPCC的报告估计,在未来的50—100年中农田土壤可固定碳40—80PgC[7,26,27,28]。由于土地利用变化,导致碳释放量为1.1PgC。它远小于农田的碳储量,因此农田土壤可截留足够的碳来补偿未来12—24年中因化石燃料燃烧等向大气排放的CO2[7]。

农田生态系统碳循环过程是在人类活动干扰下的生态系统物质转化过程。农作物通过光合作用固定大气中的CO2,一部分合成有机物质,以食物、饲料等形式存在植物体内,并通过人和动物的消耗排放到大气中,一部分成为工业原料储存起来,另一部分直接用于植物的呼吸消耗、残体腐烂分解释放CO2到大气中,形成农田生态系统碳平衡/碳收支过程。大量的人类活动(开垦农田)影响了农田生态系统碳平衡/碳收支过程。不合理的农田活动和土地利用变化造成的CO2和CH4的排放量占大气总的气体含量的20%和70%,这些活动改变了农田生态系统的碳收支状况。因此,有必要加强对农田的管理,维持农田生态系统的碳平衡[7,12]。

3 影响陆地生态系统碳收支/碳平衡因素

影响陆地生态系统碳收支/碳平衡的因素有很多,气候变化、土地利用/土地覆被变化(LUCC)、氮沉降、火灾等扰动的发生、CO2的施肥效应等。但目前关于各个因素对陆地碳循环的贡献大小还存在许多不同的看法[5]。

3.1 气候变化

气候变化的因素有很多,本文从全球气候变暖方面来综述它对陆地生态系统碳收支/碳平衡的影响。气候变暖既可通过光合作用直接影响生态系统净生产力,又可通过土壤水分影响陆地生态系统的NPP[25]。Cao等研究发现,20世纪80—90年代全球范围内的NPP变化表明,各大洲的NPP随气候的变暖均有所增加[30]。Melillo、Chen的研究结果表明,气候变暖使森林固定的碳增多[31,32,33]。相反的观点则认为,气候变暖并不能增加NPP,反而起到降低作用。虽然温度升高植被通过光合作用可固定更多的碳,但植物自身的自养呼吸和微生物的异养呼吸也增加,最终导致NPP降低[34]。

气候变暖对植物的呼吸作用随温度的升高呈指数增加,通常用温度系数Q10表示,即以温度每升高10℃其呼吸速率增加的倍数来描述温度对呼吸作用的影响。一般认为,Q10的数值为2.0[12]。Tjoelker等通过对北极冻原、北方森林、温带森林、热带森林等树种研究发现,Q10的数值随温度升高而呈线性降低,且CO2浓度的升高并不会改变该趋势[12,37]。一般认为,气候变暖可增加植被碳库,还可增加凋落物的量,影响陆地生态系统的碳源和碳汇,全球陆地生态系统表现为一个很弱的碳源,同时碳循环的速率加快。随着全球气候变暖,这种趋势变得更加明显[29]。

3.2 土地利用/覆被变化(LUCC)

随着碳循环研究的继续深入,土地利用/覆被变化(LUCC)对陆地生态系统碳收支/碳平衡的影响日益引起人们的关注。目前对森林转化为草地、农田的数据观测有很多不确定性,对森林转化为草地和农田到底是碳净吸收还是释放估测不一致。森林转化为草地后,这种方式可能使土壤成为碳源或碳汇。杨玉盛等对中亚热带山区土地利用变化研究发现,天然林转变为其它土地利用类型(杉木人工林、木荷人工林、经济林、坡耕地等)后,1m深土层土壤的有机碳储量从142.16t/hm2下降到69.42—105.66 t/hm2,下降幅度为25.6%—51.2%。转变为坡耕地的下降幅度最大,坡耕地因本身坡度大、夏季多暴雨及人为的严重干扰(火烧、炼山等),使土壤有机碳储量明显下降;表层土壤因土地利用方式变化有机碳储量下降幅度比深层土壤多[38]。Cerri等研究发现,在巴西亚马逊的玛瑙斯地区,良好的管理方式使土壤中碳储量有所增加;相反,没有良好的管理甚至不管理的土壤碳储量严重下降[39]。森林转化为草地后,如果不进行管理,土壤碳储量也会大幅度下降。Eden和Detwiler的研究也发现,管理对土壤碳储量的增加具有重要影响[40,41]。不管是森林还是草地转化为农田都会造成大量的碳释放[42]。

随着人口的急剧增加,大量湿地被转化为农田和城市建筑用地。在这个转化过程中,湿地将释放大量的碳。湿地尽管是CH4的主要排放源,但湿地生态系统可吸收大量的CO2,且吸收量远远大于CH4的排放量。IPCC指出,湿地生态系统是陆地生态系统的重要碳库,约占陆地生态系统总碳库的10%。Maltby和Immirzi研究发现,湿地转化为农田后将导致生态系统释放2.5—10Mg/Chm2·a,而热带湿地的旱化可能造成每年释放40MgC/hm2[45]。为此,我们应加强湿地保护,发挥其原有的碳汇功能。然而,旱地向湿地转化情况正好相反,它会使湿地吸收大量的碳,减缓大气中CO2浓度的上升。这种情况在我国这样一个人口众多的国家是很少发生的。由于人为因素的复杂性,土地利用/覆被变化(LUCC)对陆地生态系统碳收支/碳平衡的影响定量化研究是比较困难的。“3S”技术的发展为此研究提供了重要手段,土地利用/覆被变化(LUCC)对陆地生态系统碳收支/碳平衡的机制有待进一步研究。

3.3 氮沉降

人类活动极大地改变氮素从大气向陆地生态系统的输入方式,对陆地生态系统碳收支/碳平衡产生重要影响。氮素输入的增加会刺激植物的生长,提高其净初级生产力和碳蓄积量[46,47]。最早估算氮沉降引起碳蓄积量增加的方法是Melillo和Gosz提出的[48]。通过实验,他们得到氮输入引起森林碳蓄积为0.3Pg/Ca;Schindler和Bayley得到氮输入引起的陆地生态系统碳蓄积量为0.65—1.95PgC/a[49,50];Field等研究估算出北方针叶林和北半球温带森林因氮沉降引起的碳蓄积量为0.3—0.25PgC/a[51,52]。

长期的氮输入对土壤有机质分解也会产生影响。大量研究发现,长期的氮输入会提高氮的初期矿化速率,降低土壤的C/N,以及降低土壤有机质的分解和养分的释放[53]。莫江明等对广东鼎湖山的森林植物凋落物研究发现,氮输入的初期促进了马尾松(Pinus massoniana)凋落物的分解,对荷木(Schina superba)的影响明显不如马尾松显著[54]。Bowden等对美国Harvard森林长达13年的氮施肥(15g N/m)发现,在生长季节土壤的呼吸速率下降41%左右[55,56]。氮输入引起微生物活性降低也是土壤排放量减少的重要原因之一。通过一系列的研究发现,氮沉降对陆地生态系统碳收支/碳平衡产生影响,但在量上是如何影响的还有待继续研究。

3.4 火灾扰动的发生

火灾过程中释放大量含碳气体是火干扰碳循环的直接影响,也是陆地生态系统过程中碳的净损失过程。此过程释放碳,主要气体是CO2、CO、CH4,各自占总排放源的45%、21%、44%。估算发现,全球每年因火灾释放到大气的碳约4PgC,相当于每年人为化石燃料燃烧释放量的70%[57]。火灾改变了整个生态系统的年龄结构。在植物生长的初期,由于植被较少,生态系统的净初级生产力较低。随着年龄的增长,NPP增加,但达到一定的年龄便不再增长。火干扰后生态系统往往需要很长时间才能恢复。Hicke等对北美洲北方针叶林的研究发现,火干扰迹地NPP恢复到原来水平需要9a[58];Harden等在模拟北美洲地区火干扰对碳循环的影响时发现,NPP恢复到火干扰前的水平则需要10a[57,59]。

火灾的发生可使地上和地下的生物量严重减少,从而改变生态系统的原有格局和过程。火干扰还会改变土壤的理化性质,间接影响陆地生态系统的生产力,进而影响整个陆地生态系统碳收支/碳平衡的过程[57]。火干扰后,地表物质的消耗和树冠及植被的破坏影响到土壤、植被的蒸发和蒸散等水交换过程,进而对土壤的呼吸作用产生影响。Sawamoto等对西伯利亚地区的研究发现,火灾后土壤呼吸作用降低,而异养呼吸却升高。Richter、Hicke等均得到了一致的结论[60]。人类活动既可能增加一些地区的火灾发生几率,同时人类有目的的防火措施又有可能减少一些地区的火灾发生或控制火灾的蔓延,火灾次数的改变可影响到陆地生态系统的结构和功能,改变陆地生态碳收支与碳平衡[61]。火干扰是一个综合作用的过程,研究此过程应综合考虑气候变化、生产力之间的因素,定量研究火干扰对陆地生态系统碳收支/碳平衡过程的影响。

3.5 CO2的施肥效应

CO2的施肥效应通常认为是因为大气中CO2体积分数的增加直接影响植物的光合作用,进而提高NPP,这个过程是明显的碳汇过程[4]。随着大气CO2增加,温度也增高,生态系统的生物呼吸作用加快。但是,这个过程是否能导致生态系统代谢过程的加快,主要取决于光合作用与呼吸作用之间的平衡。

随着CO2浓度的不断升高,陆地生态系统将是人类活动引起碳排放的一个潜在碳汇,但不同类型的植物光合速率提高的幅度有所不同,如C3植物(小麦、水稻等)光合速率比C4植物(玉米、高粱等)高,引起光合速率上升的原因是增加Rubisco羧化酶活性、降低加氧酶活性,加速碳同化过程[62]。C4植物的光合速率对CO2浓度产生更强的光合作用,当光合能力超过了植物转移与储藏碳水化合物的能力时,植物就减少光合作用装置及酶系统来适应,陆地生态系统的碳汇能力将会由强变弱[63]。从长远的角度来看,所有NPP都将成为死生物量(残屑)并通过异养呼吸或自然及人为造成的火灾等扰动返回到大气碳库中[7]。CO2的施肥效应影响了陆地生态系统碳收支与碳平衡。随着工业经济的发展,CO2的施肥效应对陆地生态系统碳收支与碳平衡的影响力已经大大超越了工业革命前,并且呈持续上升的趋势。此外,废弃地和砍伐森林的再生、虫灾的扰动、土壤水分等因素都会使陆地生态系统的碳储量发生变化。但是,目前有关影响陆地碳储存的看法并不相同[64],有必要开展进一步的研究,可结合“3S”技术对陆地生态系统碳循环的影响过程进行模拟。

4 陆地生态系统碳收支/碳平衡研究展望

陆地生态系统碳收支和碳平衡是受人类活动影响最大的部分,存在着极大的不确定性。当前陆地生态系统碳收支和碳平衡应加强以下研究[65,66,67,68,69,70]:(1)用现有的研究手段和成果,加强碳收支/碳平衡的地面观测和数据采集,建立全球碳通量观测网络,为碳收支/碳平衡的全球预测奠定良好的数据基础。(2)在碳收支/碳平衡模型方面,应建立全球碳收支/碳平衡动态模型,探讨几年到几千年碳收支/碳平衡动态的控制与反馈机制,加强陆地碳收支/碳平衡模型与遥感、GIS技术相结合,模拟更大尺度的碳收支/碳平衡过程。(3)定量分析过去及当前的气候变化、土地利用/土地覆被变化(LUCC)对碳收支与碳平衡的影响。(4)进一步寻找“未知碳汇”。研究陆地生态系统碳收支/碳平衡过程中CO2源/汇强度的季节分布特征和年际间的变化特征。(5)加强对影响陆地生态系统的因素对碳收支/碳平衡研究,特别是从定量角度进行研究。

IPCC第四份气候变化评估报告指出:气候变暖已经是“毫无争议”的事实,人类活动“很可能”是导致气候变暖的主要原因,这种可能性已经达到90%。由于人类活动引起的陆地生态系统碳循环变化可能对人类生存和发展产生不利的因素,这些严峻的形势使碳循环不但成为全球变化复杂的学科,而且应得到各国政府关注的政治问题,加强对碳循环特别是陆地生态系统碳循环的研究。

陆地生态系统篇2

陆地生态系统和气候系统通过能量通量、水汽通量、物质交换相互影响、作用.作者对陆地生态系统模型及其与气候模式耦合的研究进行综述和讨论,总结了当代5类主要全球陆地生态系统模型,即生物地理模型、生物地球化学模型、森林林窗模型、陆面生物圈模型和动态全球植被模型,以及它们与气候模式耦合的.研究进展.阐述了动态全球植被模型及其与气候模式耦合研究在全球变化研究的重要作用.最后,对未来模拟研究的方向进行了分析.

作者：毛嘉富王斌戴永久 MAO Jia-Fu WANG Bin DAI Yong-Jiu 作者单位：毛嘉富,MAO Jia-Fu(中国科学院大气物理研究所地球流体力学数值模拟国家重点实验室,北京,100029;中国科学院研究生院,北京,100039)

王斌,WANG Bin(中国科学院大气物理研究所地球流体力学数值模拟国家重点实验室,北京,100029)

陆地生态系统篇3

1 陆地生活期

1.1 陆地生活期

陆地生活期分为上山期、森林生活、下山期, 林蛙的上山分两批进行。5月初到中下旬, 东北林蛙的成蛙经过短暂的生殖休眠, 与经过冬休眠的2龄生幼蛙一同进入山林。蝌蚪于6月上、中旬变态后, 当年的林蛙也登陆上山。林蛙多在夜间登陆, 沿小溪沟谷植物带上山, 有时繁殖地与山林间有大片农田, 遇到干旱无雨的天气, 幼蛙常有死亡。

5月中旬到9月初, 这段时间是林蛙最活跃的时期, 摄食旺盛, 生长迅速, 是林蛙一年中主要的生长发育期。当年生幼蛙到秋季可达3.5 cm, 个别可达4 cm以上, 2龄蛙 (即1周岁后) 生长速度最快, 到秋季可达6~7 cm。2龄以上的蛙生长速度减慢, 平均每年增长1 cm。人工养殖的2龄幼蛙可迅速长到25~35 g;而野生的2龄雄蛙平均体重为12 g, 雌蛙平均体重为26.5 g。气候条件对林蛙生长发育有明显影响, 林蛙特别怕旱。积温高, 雨量充足, 林下湿度大, 有利于林下各种昆虫滋生, 为林蛙提供充足的食物。林下湿度大, 形成林蛙良好的生活环境, 有利于林蛙的生长发育。环境适宜、食物丰富是林蛙种群数量多及生长发育良好的条件[2]。

林蛙在以水源为中心2 000 m的区域内活动, 大多在阔叶林、针阔混交林、糖椴和山胡桃为主的林地, 季节不同, 会选择不同的坡向。林蛙摄取足够的食物后基本停止活动, 一般不越顶, 但山势不陡, 食物也不充足, 山的对面还有河流, 有时也有一些成蛙越过山顶。

9月份开始, 因气温下降, 一天中大部分时间蛙都不进食, 气温高时才有进食的欲望, 并且此时食物也少, 林蛙开始从山上向山下移动。下山时, 幼蛙先下, 雄蛙随后, 最后为雌蛙。大约9月中旬, 大多数林蛙已经移到山下沟浴及河流边上的草从中, 当气温下降至10℃时, 蛙又登陆上岸, 在岸边潜伏, 当气温又降低时, 蛙又进入水中。

1.2 东北林蛙的排遗和排泄行为

东北林蛙采食量大, 所吃的食物通过消化系统形成粪便, 通过排泄系统形成尿液, 尿液经泄殖腔倒流到泄殖腔膀胱中暂时储存, 当膀胱充满尿液时由于膀胱受到压缩, 以及伴随排泄孔的张开, 尿液排出体外。受到惊吓会在跳跃时迅速排出体外, 这也许是林蛙对外界刺激的保护习性。皮肤也能排放水分, 在皮肤表面可以观察到一层亮晶晶的水珠。并且在一定情况下, 如林蛙在陆地上冬眠时, 外界大量的水分可以通过皮肤渗入作用吸收水分, 维持最低的生理需要。依据林蛙的个体不同, 2龄林蛙的粪便长度在1.5 cm左右, 呈灰黑色, 形状似老鼠的粪便。仔细观察林蛙皮肤颜色、皮肤上的水珠和林蛙粪便的情况, 能够判断林蛙是否健康。

2 冬眠期

我国北方地区冬季漫长, 天气寒冷, 从10月初到第2龄3月末 (4月初) , 林蛙进行长达5~6个月的冬眠。开始进入冬眠时, 不同地区、不同年份有所不同。林蛙冬眠时期主要取决于气温和水温, 开始冬眠时, 水温必须在10℃左右, 气温高于15℃时, 林蛙不能入水冬眠, 已入水的林蛙还要爬上岸。由于林蛙生活的地理环境条件不同, 林蛙冬眠的地点和方式也有所不同[3]。

冬眠期分为:入蛰期、散居冬眠期、群居冬眠期、冬眠活动阶段。

林蛙冬眠是林蛙在自然环境下正常的生理现象, 主要受温度控制。林蛙冬眠期主要利用肝脏储存的肝糖原, 而不是利用蛋白质作为能量物质。东北林蛙是变温动物, 其体温随环境温度的变化而变化。林蛙冬眠适宜0℃以上的低温, 安静、阴暗、水流较小的环境[4]。

林蛙幼蛙冬眠方式与成蛙不同, 幼蛙没有群集冬眠现象, 也没有冬眠活动阶段。绝大多数林蛙水下冬眠, 但少数林蛙在地下冬眠, 地下冬眠的环境为严寒、干燥、寒潮等。

2.1 入蛰期

东北地区林蛙从9月末 (10月初) 开始入蛰, 到10月上旬结束, 为期15 d左右。这段时间, 林蛙陆续从陆地进入水中, 此时水温约为10℃。一般情况下, 林蛙入蛰非常集中, 80%~90%林蛙在1~2 d内入蛰完毕。无降雨或降雨过早过晚时, 林蛙入蛰就比较分散。林蛙入蛰的时间大多在晚上和上半夜, 午夜以后入蛰的林蛙逐渐减少。林蛙在入蛰期生活是不稳定的, 当气温升高到15℃时, 入蛰的林蛙又登陆上岸取食, 或者隐蔽在河边石块下;当温度降低时, 又入蛰冬眠。这一时期营水陆两栖生活。

2.2 散居冬眠阶段

从入蛰开始到河水结冰为止, 大约1个月的时间, 这个时期林蛙的主要特点是广泛分散于河流各处, 分散冬眠, 小河浅水处多, 大河深水处少, 静水和急流也有少量林蛙冬眠。林蛙主要潜伏在河底沙、石、淤泥、水草、树根等隐蔽物下冬眠。散居冬眠期另一个特点是单独冬眠, 一般每个哈士蟆窝只有1只蛙, 偶尔也有2只蛙在一起冬眠。冬眠初期, 常在夜间出来活动, 不断变更冬眠场所。

2.3 群居冬眠阶段

在东北地区, 12月份气温降到-10~-5℃时, 河流已结冻, 散居冬眠的林蛙就向深水转移, 从而进入长达4~5个月的深度冬眠阶段。群居冬眠最适宜的场所是深水湾, 水深达1.5~2.0 m, 河面结冰, 冰面下有流水, 林蛙就在河底石砾、草根或树根下越冬。冬眠时许多林蛙挤在一起, 形成一个群居堆, 每堆少则几十只, 多则几百只。

群居冬眠时, 林蛙四肢蜷曲, 头部朝下, 不食不动。这种群居冬眠方式有利于保持体温, 新陈代谢强度降低, 减少物质和能量的消耗, 确保安全越冬。

2.4 冬眠活动阶段

3月末到4月初逐渐转暖, 冬眠的林蛙开始苏醒, 群居冬眠的林蛙开始分散, 在河里短距离游动, 但不上岸。这一时期, 雌蛙处于迭卵期, 卵细胞从卵巢迭入体腔, 经输孵管进入子宫。雄蛙精巢发育, 形成大量成熟精子, 为繁殖期做好准备[5]。

林蛙幼蛙冬眠方式与成蛙有所不同, 幼蛙没有群集冬眠现象, 也没有冬眠活动阶段。

参考文献

[1]田新民, 石兰英, 魏韬, 等.东北林蛙矿物质元素含量的营养分析[J].黑龙江畜牧兽医, 2013 (05上) :140-141.

[2]杨名赫, 佟庆, 高利, 等.增温对人工养殖东北林蛙生长曲线的影响[J].四川动物, 2011, 30 (4) :537-540, 543.

[3]柏永明, 田秀华, 余春胜, 等.养殖东北林蛙室内越冬技术初探[J].水产科技情报, 2009, 36 (4) :182-184.

[4]佟庆, 崔立勇, 刘志田, 等.半人工养殖东北林蛙的夏、秋和冬季管理[J].水产养殖, 2012 (8) :43-44.

陆地石油钻机大钩高度保护系统篇4

大钩是陆地石油钻机配套的设备,主要用于油田深、浅钻井作业中的提升和下放管柱的工具,是钻井作业中必不可少的起重设备。由于钻杆很重,即大钩的负荷很重,若不控制大钩的高度,向上可能会撞坏石油钻机天车,向下可能会砸坏转盘,造成不能生产。因此,确保大钩的高度在一定范围内的意义重大。之前的石油钻机会在绞车上装一个过卷阀,大钩向上保证不会碰天车,但不能保证下砸,功能不齐全,并且精度差,容易误动作。本次设计完全根据大钩的位置来准确控制,让大钩在上碰点和下砸点之间运动,避免事故的发生。

设计采用的编码器是倍加福的增量型编码器RHI90N-OIAK1R61N-1024,此为高精度的编码器,并且在大钩上下运行多次来回后仍然能保持零位。因此,不用经常去校核零位。而国内的同类产品其精度相对较低,且在大钩上下运行后不能归零,这样来回次数多了就会产生累计误差。

本系统使用的S7-300是模块化小型PLC系统,主要面向制造工程的系统解决方案[1]。各种单独的模块之间可进行广泛组合构成不同要求的系统。与S7-200PLC相比较,S7-300PLC采用模块化结构,具备高速(0.6～0.1us)的指令运算速度;集成了方便的人机界面(HMI)服务,使得人机对话的编程要求大大减少;具备强大的通信功能,S7-300PLC可通过编程软件Step 7的用户界面提供通信组态功能,这使得组态非常容易、简单。S7-300PLC具有多种不同的通信接口,如多点接口(MPI)集成在CPU中,用于同时连接编程器、PC机、人机界面系统及其他SIMATI C S7/M7/C7等自动化控制系统[2]。

1 总体设计

本系统通过对编码器数据的读取,将其转换为大钩的实际高度,实现对大钩高度的精确测量。并且根据测量的大钩实际高度与设定的大钩保护上行下行点进行对比,通过Siemens的PLC输出控制指令,控制司钻房气路电磁阀的动作从而控制盘式刹车做出相应的动作,达到保护大钩不超出设定范围的功能,其系统流程如图1所示。

本系统包括了硬件组态模块、逻辑判断模块等,如图2所示。

1) 硬件组态模块是指编辑人员根据项目实际情况编辑硬件组态。进行正确的编辑后,编译保存再执行下载。在线诊断可查看网络连接和设备的运行状态是否正确。另外在线时,如果编辑保存的组态与CPU中保存的内容不一致,则会给出提示。

2) 逻辑判断模块主要是判断经过转换后的大钩位置和设定的位置输出控制电磁阀,电磁阀动作盘刹刹车。

3) 设备控制模块的功能是满足输出条件,则由本系统给出指令控制相应的设备。如果通过反馈得知系统相关设备未执行输出,则重启输出或报警。

4) HMI(人机界面)显示则是通过触摸屏实时显示本系统所属各个设备的电气运行数据和状态,让操作人员随时掌握钻机设备的运行情况和数据,方便操作人员的操作和设备维护人员的诊断。

2 FM350计数模块

FM350-1是一款用于高速计数的单通道智能计数模板,可以连接源型、漏型以及推挽式接口的编码器,具有软件门和硬件门控制计数和测量,带比较值输出。可以在IMI53-1,IMI53-2,S7-300系统中使用。

2.1 硬件组态

在SIMATIC Manager中新建一个项目,双击“Hardware”进入硬件组态界面后按照所需模块进行硬件组态,如图3所示。插入FM350模块,进行FM350-1的参数配置,其参数配置图如图4所示。

其中Encoder是用来设置编码器类型的选择、最高计数频率等信息。确认完相关参数后,保存配置信息,在硬件组态窗口中下载系统的硬件组态到CPU。

2.2 程序编写

安装完组态包后,在Step7的库中添加库程序,在编程之前需要将库程序中的所有内容复制到项目中。对于FM350-1,使用UDT-2创建一个共享DB块。在DB1中,分别写入模块地址和通道地址。设置好OB1,FC2,DB1并下载到CPU中。创建一个背景数据块DB用于HMI显示用。

3 系统的组态与仿真

WinCC flexible 与 WinCC十分类似,都是组态软件,而前者基于触摸屏,后者基于工控机。本系统采用了WinCC flexible组态软件,它是一种前瞻性的面向机器的自动化概念的HMI软件,它具有舒适而高效的设计。WinCC flexible用于组态用户界面,建立的组态数据包括:1) 过程画面:用于显示过程。2) 变量:用于运行时在PLC和HMI设备之间传送数据。3) 报警:运行中发生故障时显示报警状态。4) 记录:用于保存过程值和报警[3]。图5为本系统的仿真图。

WinCC flexible支持多个不同自动化概念的组态。本次设计中HMI设备通过PROFIBUS总线与PLC连接[4]。在WinCC flexible中,与 SIMATIC Step 7 的集成,其过程标签提供了PLC和HMI系统之间的通讯链接。如果没有全集成自动化的优点,每个变量必须定义两次:一次用于PLC;一次用于HMI系统。SIMATIC Step 7 与组态用户界面中的集成将降低出错率并减少组态工作量。WinCC flexible通过变量和区域指针控制HMI和PLC之间的通迅。在WinCC flexible中,变量包括外部变量和内部变量。外部变量是HMI设备和PLC进行数据交换的媒介。在WinCC flexible中创建一个外部变量,必须为其指定与PLC程序中相同的地址,这样HMI设备和PLC可以访问同一映像寄存器,实现HMI设备与PLC之间的通信。

通常情况下,为了防止未经制授权的操作,需要通过用户管理设置安全系统。在WinCC flexible软件中,在运行系统管理里根据用户的需要定义包括操作、监视、管理等权限。

4 结语

本系统可对陆地石油钻机的大钩高度进行精确的测量,并且根据测量的大钩实际高度与设定的大钩保护的上碰下砸点进行对比,通过PLC输出控制指令,通过控制司钻房气路电磁阀的的动作控制盘式刹车达到保护大钩不超出设定范围的功能。从仿真的效果来看,达到了设计的目的。

摘要：大钩是钻井作业中必不可少的起重设备,它的安全运行至关重要。设计中将大钩的实际高度转换为编码器的计数再输入到PLC中,通过PLC的控制作用,使系统作出相应的动作,实现大钩运行在安全范围内,再采用WinCC flexible组态软件组态以及仿真。

关键词：可编程序控制器,保护系统,编码器,WinCC flexible

参考文献

[1]郁汉琪,等.电气控制与可编程序控制器应用技术[M].广州:华南大学出版社,2003.6.

[2]西门子(中国)自动化与驱动集团.深入浅出西门子S7-300PLC[M].北京:北京航空航天大学出版社,2004.8.

[3]刘华波,王雪,等.组态软件WinCC及其应用[M].北京:机械工业出版社,2009.7.

陆地生态系统篇5

1 二维显示的不足

目前, 陆地声纳数据的显示主要是二维显示, 主要有波形、变面积、波形加变面积等显示方式。数据显示不太直观、形象, 绘制出来的图像不够精细、准确, 不能完全反映地质构造的真实形态。因此, 随着三维显示技术在地震勘探的广泛应用, 将三维显示技术运用在陆地声纳系统上是大势所趋。本文主要讨论正交垂直和水平剖面联合三维立体显示。

2 三维立体显示

2.1 三维数据体

地震资料经过三维偏移处理后, 形成一个三维数据体, 如图1所示, 它可以用定义在 (x, y, t) 空间每个结点的数据 (振幅或频率或相位) A (xi, yj, tk) 来表示。在平面上按CDP网格排列分布, 在垂向上按深度换算的时间采样组成立体数据网格。

2.2 垂直剖面

这个数据体可以被垂直地或水平地切割出各种二维剖面来。垂直剖面 (如图2) 是铅垂方向的剖面, 它是用一个铅垂面切三维数据体得到的该垂直剖面内各道的信息。这类剖面根据切割方向的不同又分为多种, 当定义与x轴平行的垂直剖面为纵线剖面时, 则与x方向正交的y方向垂直剖面为横测线剖面。介于x和y方向之间的任意方位直线的垂直剖面也可以显示, 此外还有连接钻孔的折线形垂直剖面。

垂直剖面包含下列地质信息。

(1) 各反射界面的反射时间 (深度) ; (2) 地层厚度; (3) 铅垂面内断层的垂直落差; (4) 铅垂面内反射层的视倾角。

形式上这些垂直剖面与二维常规多次叠加剖面相同, 但它们是取自经过三维偏移的数据体, 没有绕射波、侧面波等干扰, 信噪比、可信度及分辨率都很高。

2.3 水平剖面

水平剖面是三维地震资料特有的成果, 水平剖面也称水平切片, 是用一个水平面去切三维数据体得到的某一时刻tk各道的信息。

水平切片上包含的地质信息如下。

(1) 反射层的走向 (水平切片上同向轴的延伸方向) ; (2) 反射界面的厚度; (3) 反射界面的倾角; (4) 断层和其它地质界线的交线。

每一张水平切片是地下不同层 (反射同向轴) 的信息在同一时间内的反映, 它相当于某一等时面的地质图, 即同一张切片里显示了不同层位的信息 (同向轴) , 同一层位的信息又连续清晰地反映到多张水平切片上, 因此利用连续的水平切片进行三维作图, 能大大提高构造图的精度。

2.4 联合显示

当选择好合适的垂直剖面 (纵测线剖面和横测线剖面) 以及水平剖面以后, 将垂直剖面和水平剖面真实地按坐标位置绘制在三维立体坐标系中, 从而方便对比解释地震数据。可使解释人员不仅能在三个正交面上分析任意一个深度处地下结构的特点, 而且还可增加各类复杂构造及地质现象的动态识别能力及立体感。

3 结语

目前陆地声纳系统数据三维显示还没有成熟的应用技术, 本文试图将深层地震勘探中较成熟的三维显示技术应用到陆地声纳上, 充分利用三维显示技术的巨大优势, 使陆地声纳系统不但可以预测简单地形构造而且对于复杂地形的预测也足够准确。