生态脆弱区资源环境承载力的形成机制及其对全球变化的响应是当前全球变化研究领域的重大科学问题，亦是我国应对全球变化和生态文明建设的重大科技需求。《全球变化对生态脆弱区资源环境承载力的影响研究》重点阐述国家重点研发计划“全球变化及应对”重点专项项目“全球变化对生态脆弱区资源环境承载力的影响研究”的研究成果。围绕“数据获取与融合、整合分析与理论突破、发展模型与评估及高精制图”4项具体任务，系统地阐述了生态系统属性的新概念与理论体系，提出了生态系统状态转变的新理论框架，发现了中国氮沉降总量及沉降模式变化的新趋势，为揭示脆弱区生态系统植物对环境或资源变化响应与适应策略提供了全新视角，也为进一步深入揭示全球变化对生态脆弱区资源环境承载力的影响机制奠定了坚实基础。

第1章 生态脆弱区资源环境承载力的生态学基础及科学研究技术途径①
　　摘要
　　全球气候变化对生态脆弱区域的资源环境承载力影响是全球变化生态学领域的重要命题，其相关理论和实践研究将成为生态脆弱区应对全球气候变化和维持区域可持续发展的重要科学依据。资源环境承载力虽然是一个古老的科学概念，但是随着全球变化及社会经济发展，其科学概念也在不断拓展，因而导致了其科学概念内涵和外延的模糊，资源环境承载力的生态学基础论述也不够充分。
　　从一般意义而言，资源环境承载力科学研究的核心空间尺度是区域或全球，重点从承载体（生态系统）、承载对象（生物种群、人口、社会发展）、承载力形成过程（生态学、经济学、社会学）的视角，来认知其概念内涵、度量方法、时空格局及演变规律。生态学原理启发我们，认识资源环境承载力的生态学机制是一个复杂的资源环境变化 –生态系统响应和适应 –生态系统功能应答–生物系统初级生产力 –承载直接消费者能力 –承载目标生物种群发展能力 –承载社会经济发展能力的生态学级联关系系统，需要基于“资源消耗及再生性”“资源要素有限性及有效性”“环境适宜性及动态性”“环境影响及适应性”等基础生态学、生态经济及技术经济学基本理论或学说来科学定义和度量资源环境系统的承载力，形成对区域资源环境承载力的科学认知，并发展出相应的评价理论和方法。
　　本章在讨论资源环境承载力科学概念及沿革基础上，阐述了基于生态学原理的资源环境承载力概念体系，资源环境承载力理论的生态学基础，以及区域社会经济发展的资源环境综合承载力及其演变的生态学基础；同时，概述了全球变化对资源环境承载力影响的研究进展；基于生态系统演变机理，系统介绍了生态系统脆弱性、生态系统适应性和生态系统状态转变的相关理论与生态学机制，以及生态脆弱区的
　　①本章作者：于贵瑞，王秋凤；本章审稿人：胡中民。
　　全球变化风险及其评估理论与方法。
　　迄今大多数承载力研究采用的仍是“黑箱模式”，还停留在直接建立资源要素、环境条件与生态系统承载力之间的简单数量关系上，缺乏对生态系统过程机制和生态学原理的理解及其影响的定量分析。为了解决这一问题，科技部启动了重点研发计划项目“全球变化对生态脆弱区资源环境承载力的影响研究”，本章昀后围绕该项目介绍了中国生态脆弱区资源环境承载力研究的科学问题、主要研究内容和技术途径。
　　1.1资源环境承载力的科学概念及生态学理论基础
　　资源环境是承载自然生态系统及人类社会发展的物质基础。不同的宏观生态系统不仅是资源环境要素的承载体和生态功能涌现的基础地理综合体，还是人类活动及管控的基本地理单元与科学研究空间尺度（于贵瑞等， 2021）。生物及人类对资源环境条件的适应导致了其特定的资源需求特征、利用效率和生态效应，并形成了生物种群的生态位及适宜性、自然界的资源供给总量和有效性。全球变化对区域生态系统及资源环境承载力的影响，是人类在应对全球变化风险实践中必需解决的重大问题（IPCC，2014）。资源环境的合理开发、生态保护及应对全球变化的本质是对宏观生态系统的动态管理，必需认知自然资源环境的适宜性、承载力的生态阈值及其适度有序的调控技术原理，理解宏观生态系统的自然资源环境承载力及其形成过程的生态学基础（王永杰和张雪萍， 2010）。
　　区域资源环境承载力（ regional resources and environmental carrying capacity）是理解生物–环境关系、人 –地关系以及广义的自然 –人文关系的重要科学概念，它定量表达了在一定环境条件和资源供给水平下可能支撑的生物种群增长及人类生存发展的自然潜力，是生物及人类发展的生态学约束，亦可以表达为多类型的自然资源利用的生态阈值（Andersen et al.，2009）。生物及人类可持续的生存、生产和发展对资源的利用和环境调节，必须遵循自然生态系统的生态学约束，依据区域生态系统的资源环境承载力变化规律，将人类活动限定在自然资源环境容量或生态阈值的范围内，即控制在自然环境变化的弹性空间及资源可再生能力范围之内。
　　1.1.1 资源环境承载力的概念及其沿革
　　1. 资源环境的概念
　　自然资源环境对生物和人类社会发展的适宜性和承载力，以及人类开发利用自然环境的生态阈值是资源经济学和生态学的重要概念，被广泛地应用于自然保护、应对全球变化及社会经济可持续发展的科学研究之中，并且随着应用领域的拓展，其科学概念及评估方法也在不断发展，导致其在不同学科领域之间的概念内涵差异很大，评估的理论、指标和方法也各不相同。因此，需要对自然资源环境及其适宜性、承载力和生态阈值的科学概念与历史沿革再度进行梳理，明确它们之间的逻辑关系。
　　资源环境是源自人类学的科学概念，通常将影响人类生存的自然因素统称为环境，将限制人类生产并且在生产利用过程中会被消耗的有限的自然要素统称为资源。在资源经济学中，资源被定义为由人类发现的有用途的和有价值的物质，主要包括土地、水、空气、矿藏、森林、作物、动物等；而其经济学概念，是指对人类的生产和消费等经济活动有用途、有价值并具有稀缺性的元素，既包括自然资源，也包括社会资源。Bergstrom等对自然资源概念的理解则更为宽泛，包括一般意义上的环境，如由污染等引起的环境问题将严重影响自然资源的供给质量和数量（伯格斯特罗姆和兰多尔，2015）。
　　**生物学和生态学对生物生存的环境条件、生产和生长消耗的资源要素做了严格的区分。其中，环境条件指某个特定生物主体周围一切事物及现象的总和，而资源要素指生物生存发展需要的各种物质或服务（张绅等， 1987）。由此可见，生态学中的自然资源环境指影响生物和人类的生存、生产活动的自然环境条件及资源要素的总称。对于生物种群而言，关键的资源要素包括栖息地、能源、水源、养分等，其关键的环境条件包括光照、温度、湿度、盐度、酸度、氧气浓度、污染物浓度等。生物生存的环境是对生物的生长发育、生殖、行为和分布有直接或间接影响的一切事物，可分为物理环境和生物环境。物理环境因子包括植被生长所必需的环境因子（如温度、湿度、酸碱度、盐度等），对植被有影响的环境因子（如干旱、热浪、风暴、火山爆发、洪涝、污染等），以及直接或间接影响植被的环境因子（如沙漠化、石漠化、土壤酸化、放牧、火烧等）。生物环境指有机体与有机体之间因获取资源而产生的相互影响，包括竞争、捕食、寄生和合作等（李博，2000）。
　　2. 资源环境承载力概念及其拓展应用
　　承载力的物理概念源于机械工程学领域，而社会经济学家及生态学家借用机械工程学的地基承载力概念，扩展应用至资源环境对人口、社会经济、生物种群发展的承载能力（封志明和李鹏， 2018）。这里的承载力可以理解为，在维持自然资源环境系统不被破坏的条件下，生态系统所能容纳的昀大人口、生物种群及社会经济等载荷容量。从认识论的角度来讲，资源学和生态学对资源环境承载力概念的认知可以被追溯至 18世纪末期，它起源于对土地资源养育人口能力的理解， Malthus于 1798年*次阐述了自然环境因素对人口规模的影响，强调食物供给对人口增长的约束，认为食物供给能力呈线性增长，而人口数量则呈指数增长，所以受土地资源制约的食物供给能力将成为制约人口发展规模的重要因素（马尔萨斯， 2009），从而建立了土地资源承载力研究的基本理念。
　　承载力在生态学中昀早出现在 1922年，Hadwen和 Palmer（1922）认为承载力是一个牧场在不被破坏的情况下，一定时期内所能承受的放牧量。 William（1948）认为，人类赖以生存的自然资源的供给能力决定着一个地区的承载能力，而这种供给能力又受到物理、生物和人为等环境的影响和制约。 1973年 Meadows等进一步扩展了资源环境承载力概念，强调随着不可再生资源的枯竭及环境恶化，全球人口增长将在未来的某个时期达到极限（ Meadows and Rome，1973）。1980年左右，联合国粮食及农业组织和联合国教育、科学及文化组织先后开展了一系列承载力研究工作，将资源环境承载力定义为：一个国家或地区在可以预见的时期内，利用本地能源及其他自然资源和智力、技术等条件，在保证符合其社会文化准则的物质生活水平下，该国家或地区所能持续供养的人口数量（ UNESCO，1985）。1996年 Arrow等又在《经济增长、承载力和环境》中进一步探讨了经济发展与环境质量的关系，从而引发了人们对资源环境承载力的关注（ Arrow et al.，1996）。承载力是客观存在的，无论早期人类能否意识到（封志明和李鹏， 2018），这种客观存在的资源环境及生态系统的自然属性，也在随着不同时代的人类生存发展需求、生产力提升、科学进步及人类对资源环境认知的变化而逐渐发展完善。
　　资源环境承载力是社会系统、资源系统和环境系统相互作用的结果（图 1.1）。在原始采猎社会，人们对承载力的认知局限在自然资源系统，因此，水、动物和植物资源的可获得性决定了区域的承载力。发展到农业社会，人们对承载力的理解逐渐地由资源系统扩展到了社会系统，更加注重技术的作用。到 18世纪的工业社会，人们除了关注基本的生存资源外，化石燃料等资源也成为影响承载力的重要因素之一，加之全球贸易大发展，承载力就变得更具有开放性和外部性。进入生态文明社会后，在全球气候变化和强烈人类活动影响下，自然资源环境、生态系统及全球环境变化科学研究之间的联系更为紧密，人们致力于研究生态系统对环境变化胁迫的承载力，重点关注环境变化与生态系统的稳定性、脆弱性、适应性、稳态转变等方面的生态学联系（Arani et al.，2021； Bastiaansen et al.，2020；Immerzeel，2020；Holling，1973），由此也将传统的资源环境承载力概念扩展到了全球变化胁迫的生态系统承载力领域。

目录
前言
第一篇中国生态脆弱区资源环境承载力概念及研究技术
第1章生态脆弱区资源环境承载力的生态学基础及科学研究技术途径 3
1.1 资源环境承载力的科学概念及生态学理论基础4
1.1.1 资源环境承载力的概念及其沿革 4
1.1.2 基于生态学原理的资源环境承载力概念体系 7
1.1.3 资源环境承载力理论的生态学基础 8
1.2全球变化对资源环境承载力的影响 11
1.2.1 资源和环境的演变与生态系统变化 11
1.2.2 生态系统对全球变化的响应14
1.3基于生态系统演变机理的生态系统脆弱性、适应性17
1.3.1 生态系统演变及多稳态特性17
1.3.2 生态系统脆弱性18
1.3.3 生态系统适应性19
1.3.4 基于生态系统演变机理的生态系统脆弱性的评估方法 20
1.4生态系统的状态转变 21
1.4.1 生态系统突变21
1.4.2 生态系统状态转变的相关理论 22
1.4.3 生态系统状态临界转换的生态学机制 24
1.5生态脆弱区的全球变化风险及人为适应26
1.5.1 基于生态系统脆弱性的风险评估理论与方法 27
1.5.2 基于生态系统生态风险的人为适应 28
1.6中国生态脆弱区资源环境承载力科学研究的问题及技术途径30
1.6.1 中国生态脆弱区资源环境承载力研究的主要科学问题 30
1.6.2 中国生态脆弱区资源环境承载力的主要研究内容 32
1.6.3 中国生态脆弱区资源环境承载力研究的技术途径 33
参考文献35
第2章生态脆弱区资源环境承载力的联网观测技术规范 40
2.1前言 40
2.2生态系统通量观测技术及其规范 41
2.2.1 通量联网观测的空间布局41
2.2.2 通量指标观测及其规范42
2.2.3 通量数据处理流程与方法43
2.2.4 植被与土壤相关指标观测及其规范 47
2.3无人机航拍生态观测技术及其规范 49
2.3.1 FragMAP系统 50
2.3.2 协同航拍与分析规范52
2.3.3 脆弱生态区生态研究的应用分析 54
参考文献55
第3章生态脆弱区资源环境承载力的联网实验技术规范 58
3.1联网实验设计原则 58
3.2营养网络实验技术及其规范 60
3.2.1 实验样地选择60
3.2.2 实验设计60
3.2.3 调查指标61
3.2.4 时间安排63
3.3干旱联网实验技术及其规范 63
3.3.1 实验样地选择63
3.3.2 实验设计63
3.3.3 调查指标64
3.4全球变化联网实验技术及其规范 66
3.4.1 实验设计66
3.4.2 基于空间基准点的站点设计理念 66
3.4.3 调查指标69
3.5极端干旱联网实验技术及其规范 70
3.5.1 实验样地选择70
3.5.2 实验设计70
3.5.3 调查指标70
参考文献71
第4章生态脆弱区环境承载力区域调查技术规范 73
4.1生态脆弱区资源环境承载力区域调查技术规范概述73
4.1.1 调查区域适用范围73
4.1.2 调查任务与研究内容74
4.1.3 调查对象75
4.2生态脆弱区资源环境承载力的野外采样点布设75
4.2.1 样点布设的基本原则与方法75
4.2.2 网格化调查的野外调查样地设置 76
4.2.3 样带法的野外调查样地设置77
4.2.4 样带调查的具体时间77
4.2.5 调查前的准备工作78
4.3生态脆弱区调查样地设置 78
4.3.1 森林样地设置78
4.3.2 灌丛样地设置80
4.3.3 草地样地设置80
4.3.4 湿地草地样地设置81
4.4生态脆弱区野外调查 81
4.4.1 植被群落结构调查和地上生产力测定 81
4.4.2 根系调查方法83
4.4.3 土壤野外调查取样与物理结构测定 85
4.4.4 土壤碳组分测定87
4.4.5 植物/土壤碳氮磷含量测定 88
参考文献89
第5章全球变化背景下的资源环境脆弱性评价理论和方法 91
5.1资源环境脆弱性评价理论及方法研究进展91
5.1.1 定性评价法93
5.1.2 定量评价法93
5.1.3 脆弱性评价99
5.2资源环境脆弱性评价理论与方法研究展望101
5.2.1 脆弱性评价方法完善与创新101
5.2.2 人为活动影响下的脆弱性时空分析与评价 102
5.2.3 脆弱性评价尺度与区域划分102
5.3全球变化背景下中国典型区资源环境脆弱性评价方法104
5.3.1 典型地区资源环境脆弱性评价指标体系构建 104
5.3.2 资源环境脆弱性评价指标权重确定 110
5.3.3 资源环境脆弱性评价方法113
参考文献115
第二篇生态脆弱区的资源环境及生态系统功能时空格局
第6章中国自然地理区划与生态脆弱区划分 123
6.1中国自然地理区划方案 123
6.2中国六大生态脆弱区的划分 125
6.2.1 干旱半干旱生态脆弱区126
6.2.2 青藏高原生态脆弱区128
6.2.3 农牧交错带生态脆弱区130
6.2.4 林草交错带生态脆弱区132
6.2.5 黄土高原生态脆弱区134
6.2.6 西南岩溶石漠化生态脆弱区136
参考文献138
第7章生态脆弱区的古气候及古植被演化139
7.1引言 140
7.2 C3、C4植物特征 141
7.2.1 C3、C4植物的定义141
7.2.2 C3、C4植物有机碳同位素特征142
7.3青藏高原全新世以来植被和气候演化特征143
7.3.1 青藏高原现代 C3、C4植物分布特征 143
7.3.2 青藏高原全新世 C3、C4植物演化历史 145
7.3.3 青藏高原全新世气候演化特征 147
7.4内蒙古高原全新世以来植被和气候演化特征151
7.4.1 内蒙古高原现代 C3、C4植物分布特征 151
7.4.2 内蒙古高原全新世 C3、C4植物演化特征 152
7.4.3 内蒙古高原全新世气候演化特征 154
7.5黄土高原全新世以来植被和气候演化156
7.5.1 黄土高原现代 C3、C4植物分布特征 156
7.5.2 黄土高原全新世 C3、C4植物演化特征 158
7.5.3 黄土高原全新世古气候演化特征 160
7.6三大高原古植被及古气候演化特征 165
7.6.1 三大高原现代 C3、C4植物分布特征 165
7.6.2 三大高原全新世 C3、C4植物演化特征 165
7.6.3 三大高原全新世气候演化特征 166
7.6.4 三大高原古植被及古气候研究存在的问题 167
参考文献168
第8章生态脆弱区的现代气候和资源环境系统状态及时空演变 175
8.1生态脆弱区 1960～2016年气温和降水时空演变176
8.1.1 生态脆弱区气温时空演变176
8.1.2 生态脆弱区降水时空演变176
8.1.3 基于气候变化的生态脆弱性评价 178
8.2生态脆弱区 1960～2016年极端气候时空演变180
8.2.1 极端气温事件时空演变180
8.2.2 极端气温事件与大气环流之间的关系 181
8.2.3 极端降水事件时空演变183
8.2.4 极端降水事件与大气环流之间的关系 185
8.3生态脆弱区生态系统 NPP对气候变化和人类活动的响应188
8.3.1 1982～2018年生态脆弱区 NPP的时空动态分析188
8.3.2 NPP变化的驱动因素分析191
8.4生态脆弱区土壤属性时空演变 196
8.4.1 生态脆弱区表层（淋溶层）土壤属性空间格局特征 196
8.4.2 北方农牧交错带生态脆弱区 SOC空间格局、储量变化及影响机制198
8.5典型生态脆弱区土壤微生物及土壤 C、N、P生态化学计量特征204
8.5.1 典型生态脆弱区土壤微生物多样性特征 204
8.5.2 典型生态脆弱区土壤碳氮磷生态化学计量特征 215
8.6生态脆弱区土地沙漠化时空演变 221
参考文献224
第9章生态脆弱区的现代植被、生态系统结构状态及时空演变 226
9.1前言 226
9.2植被覆盖度监测与反演 227
9.2.1 不同植被覆盖度反演方法精度评价 227
9.2.2 不同植被覆盖度反演方法精度评价 228
9.2.3 三种 FVC产品精度评价 230
9.2.4 青藏高原高寒草地植被覆盖度变化趋势 231
9.3地上生物量监测与反演 232
9.3.1 基于植被高度的样方尺度无人机草地地上生物量估算模型 232
9.3.2 基于植被高度和水平信息的草地样方尺度的生物量估算模型 233
9.3.3 基于无人机和 MODIS卫星数据的青藏高原草地地上生物量反演235
9.4脆弱区草地斑块空间分异特征 244
9.4.1 内蒙古高原不同类型草地斑块空间分异特征 246
9.4.2 青藏高原不同类型草地斑块空间分异特征 250
9.5植物群落高度的区域变异及响应规律254
9.5.1 不同区域和不同类型草地的植物高度特征 254
9.5.2 草地群落及种群高度特征的区域差异与共性规律 254
9.5.3 植物群落高度特征随环境变化的区域响应 256
9.5.4 环境因素对植物群落高度的整体效应 256
参考文献259
第10章生态脆弱区的生物多样性状态及时空演变262
10.1 前言 262
10.2 生物多样性（物种）调查方法 263
10.2.1 草地植物物种多样性的调查方法 263
10.2.2 草地植物物种多样性的计算方法 264
10.3 样带法测定典型生态脆弱区草地植物物种多样性267
10.3.1 研究概况267
10.3.2 植物群落物种多样性的区域差异 269
10.3.3 植物群落α多样性的内在规律 270
10.3.4 多维度植物多样性对水热和养分的响应 271
10.4 无人机方法测定典型高寒草地植物物种多样性272
10.4.1 沿放牧强度梯度的物种多样性 273
10.4.2 乌鲁木齐一号冰川退缩区植物物种多样性 278
10.4.3 疏勒河源区植物物种多样性 280
参考文献286
第11章生态脆弱区生态系统生产力及其时空格局 290
11.1引言 290
11.2生态脆弱区生态系统生产力现状、空间格局及其影响因素292
11.2.1 欧亚草原区 ANPP现状、空间