概念\o"編輯本段"編輯森林生態(tài)系統(tǒng)（ForestEcosystem）是以喬木為主體的生物群落（包括植物、動(dòng)物和\o"查看圖片"

熱帶雨林生態(tài)系統(tǒng)微生物）及其非生物環(huán)境（光、熱、水、氣、土壤等）綜合組成的生態(tài)系統(tǒng)。是生物與環(huán)境、生物與生物之間進(jìn)行物質(zhì)交換、能量流動(dòng)的自然生態(tài)科學(xué)。2內(nèi)容\o"編輯本段"編輯森林生態(tài)系統(tǒng)分布在濕潤(rùn)或較濕潤(rùn)的地區(qū)，其主要特點(diǎn)是動(dòng)物種類繁多，群落的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，種群的密度和群落的結(jié)構(gòu)能夠長(zhǎng)期處于穩(wěn)定的狀態(tài)。森林中的植物以喬木為主，也有少量灌木和草本植物。森林中還有種類繁多的動(dòng)物。森林中的動(dòng)物由于在樹(shù)上容易找到豐富的食物和棲息產(chǎn)所，因而營(yíng)樹(shù)棲和攀緣生\o"查看圖片"

常綠闊葉林生態(tài)系統(tǒng)活的種類特別多，如犀鳥(niǎo)、避役、樹(shù)蛙、松鼠、貂、蜂猴、眼鏡猴和長(zhǎng)臂猿等。森林不僅能夠?yàn)槿祟愄峁┐罅康哪静暮投贾辛指睒I(yè)產(chǎn)品，而且在維持生物圈的穩(wěn)定、改善生態(tài)環(huán)境等方面起著重要的作用。例如，森林植物通過(guò)光合作用，每天都消耗大量的二氧化碳，釋放出大量的氧，這對(duì)于維持大氣中二氧化碳和氧含量的平衡具有重要意義。又如，在降雨時(shí)，喬木層、灌木層和草本植物層都能夠截留一部分雨水，大大減緩雨水對(duì)地面的沖刷，最大限度地減少地表徑流?？葜β淙~層就像一層厚厚的海綿，能夠大量地吸收和貯存雨水。因此，森林在涵養(yǎng)水源、保持水土方面起著重要作用，有“綠色水庫(kù)”之稱。3組成\o"編輯本段"編輯地球上森林生態(tài)系統(tǒng)的主要類型有四種，即熱帶雨林、亞熱帶常綠闊葉林、溫帶落葉闊葉林和北方針葉林。是陸地上生物總量最高的生態(tài)系統(tǒng)，對(duì)陸地生態(tài)環(huán)境有決定性的影響。4格局過(guò)程\o"編輯本段"編輯生態(tài)系統(tǒng)是典型的復(fù)雜系統(tǒng)，森林生態(tài)系統(tǒng)更是一個(gè)復(fù)雜的巨系統(tǒng)。森林生態(tài)系統(tǒng)具有豐富的物種多樣性、結(jié)構(gòu)多樣性、食物鏈、食物網(wǎng)以及功能過(guò)程多樣性等，形成了分化、分層、分支和交匯的復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)特征。認(rèn)識(shí)和揭示復(fù)雜的森林生態(tài)系統(tǒng)的自組織、穩(wěn)定性、動(dòng)態(tài)演替與演化、生物多樣性的發(fā)生與維持機(jī)制、多功能協(xié)調(diào)機(jī)制以及森林生態(tài)系統(tǒng)的經(jīng)營(yíng)管理與調(diào)控，需要以對(duì)生態(tài)過(guò)程、機(jī)制及其與格局的關(guān)系的深入研究為基礎(chǔ)，生態(tài)系統(tǒng)的格局和過(guò)程一直是研究的重點(diǎn)，是了解森林生態(tài)系統(tǒng)這一復(fù)雜的巨系統(tǒng)的根本，不僅需要長(zhǎng)期的實(shí)驗(yàn)生態(tài)學(xué)方法，更需要借助復(fù)雜性科學(xué)的理論與方法。森林生態(tài)系統(tǒng)的組成與結(jié)構(gòu)的多樣性及其變化，涉及從個(gè)體、種群、群落、生態(tài)系統(tǒng)、景觀、區(qū)域等不同的時(shí)空尺度，其中交織著相當(dāng)復(fù)雜的生態(tài)學(xué)過(guò)程。在不同的時(shí)間和空間尺度上的格局與過(guò)程不同，即在單一尺度上的觀測(cè)結(jié)果只能反映該觀測(cè)尺度上的格局與過(guò)程，定義具體\o"查看圖片"

原始森林的生態(tài)系統(tǒng)應(yīng)該依賴于時(shí)空尺度及相對(duì)應(yīng)的過(guò)程速率，在一個(gè)尺度上得到的結(jié)果，應(yīng)用于另一個(gè)尺度上時(shí)，往往是不合適的。森林資源與環(huán)境的保護(hù)、管理與可持續(xù)經(jīng)營(yíng)問(wèn)題主要發(fā)生在大、中尺度上，因此必須遵循格局－過(guò)程－尺度的理論模式，將以往比較熟知的小尺度格局與過(guò)程與所要研究的中、大尺度的格局與過(guò)程建立聯(lián)系，實(shí)現(xiàn)不同時(shí)空尺度的信息推繹與轉(zhuǎn)換。因此，進(jìn)入20世紀(jì)90年代以來(lái)，生態(tài)學(xué)研究已從面向結(jié)構(gòu)、功能和生物生產(chǎn)力轉(zhuǎn)變到更加注重過(guò)程、格局和尺度相關(guān)性。相關(guān)概念格局在生態(tài)學(xué)中，格局一詞早期多用于種群生態(tài)學(xué)，主要是對(duì)種群分布格局的描述，如聚集分布、隨機(jī)分布、離散分布、均勻分布等。隨著景觀生態(tài)學(xué)的誕生與發(fā)展，格局一詞在景觀生態(tài)學(xué)中被廣泛應(yīng)用。景觀生態(tài)學(xué)中的格局是指空間格局，包括景觀組成單元的類型、數(shù)目以及空間分布與配置，不同類型的綴塊可在空間上呈聚集分布、隨機(jī)分布、均勻分布等。對(duì)于森林生態(tài)系統(tǒng)而言，除水平格局之外，還包括垂直格局，即植物體的垂直配置。格局在生態(tài)系統(tǒng)中的生物學(xué)組織層次上已被廣泛應(yīng)用，但對(duì)生態(tài)系統(tǒng)中的環(huán)境部分，其格局的描述及研究尚涉及很少，事實(shí)上各環(huán)境因子在時(shí)空上的配置，對(duì)生態(tài)過(guò)程同樣有很大影響。過(guò)程“生態(tài)系統(tǒng)行為”、“生態(tài)系統(tǒng)功能”、“生態(tài)系統(tǒng)過(guò)程”是相同的術(shù)語(yǔ)，為了避免同擬人論的含義相混淆，一般不使用“生態(tài)系統(tǒng)功能”這個(gè)詞，多采用“生態(tài)系統(tǒng)過(guò)程”的說(shuō)法。與格局不同，過(guò)程強(qiáng)調(diào)事件或現(xiàn)象的發(fā)生、發(fā)展的動(dòng)態(tài)特征。生態(tài)學(xué)過(guò)程包括生物過(guò)程與非生物過(guò)程，生物過(guò)程包括：種群動(dòng)態(tài)、種子或生物體的傳播、捕食者-獵物相互作用、群落演替、干擾傳播等等；非生物過(guò)程包括：水循環(huán)、物質(zhì)循環(huán)、能量流動(dòng)、干擾等等。尺度尺度是指研究某一物體或現(xiàn)象時(shí)所采用的空間或時(shí)間單位，同時(shí)又可指某一現(xiàn)象或者過(guò)程在空間和時(shí)間上所涉及到的范圍和發(fā)生的頻率。前者是從研究的角度來(lái)定義的，而后者則是根據(jù)所研究的過(guò)程或現(xiàn)象的特征來(lái)定義的。尺度包括空間尺度和時(shí)間尺度。在生態(tài)學(xué)組織層次上還有組織尺度，如：個(gè)體、種群、群落、生態(tài)系統(tǒng)、景觀等。尺度常常用粒度和幅度來(lái)表達(dá)。景觀的空間粒度指最小可辨識(shí)單元所代表的特征；時(shí)間粒度指某一現(xiàn)象或事件發(fā)生的（或取樣的）頻率或時(shí)間間隔。幅度是指研究對(duì)象在空間或時(shí)間上持續(xù)的范圍或長(zhǎng)度。具體地說(shuō)，所研究區(qū)域的總面積決定該研究的空間幅度；而研究項(xiàng)目持續(xù)多久，則取決于其時(shí)間長(zhǎng)度。與尺度相關(guān)的另一個(gè)重要概念是尺度推繹，尺度推繹是指把某一尺度上獲得的信息和知識(shí)擴(kuò)展到其它尺度上，或者通過(guò)在多尺度上的研究而探討生態(tài)學(xué)結(jié)構(gòu)和功能跨尺度特征的過(guò)程，尺度推繹也就是跨尺度信息轉(zhuǎn)換，包括上推和下推。格局生物格局物種多樣性的空間分布格局是物種多樣性的自然屬性，主要分兩大類：一是自然界中的基本且具體的形式，如面積、緯度和棲息地等；另一類是特殊抽象的形式，如干擾、生產(chǎn)率、活躍地點(diǎn)等。面積對(duì)物種多樣性的影響顯而易見(jiàn)?！凹偃鐦拥孛娣e更大，就會(huì)發(fā)現(xiàn)更多的物種”這一假說(shuō)已經(jīng)得到廣泛的證實(shí)，體現(xiàn)了物種存活數(shù)目與所占據(jù)面積之間的密切關(guān)系。面積對(duì)物種多樣性的影響涉及面很廣，但物種-面積曲線和大陸與島嶼上不同物種多樣性模式，一直是物種多樣性空間格局研究的熱點(diǎn)。緯度梯度、海拔梯度、棲息地及小生境與物種多樣性分布格局，一直以來(lái)也倍受關(guān)注。除上述具體的表現(xiàn)形式外，干擾、生產(chǎn)率、活躍地點(diǎn)等與物種多樣性的關(guān)系，作為物種多樣性空間格局的特殊變化形式，也是研究的熱點(diǎn)。非生物的或生物的干擾，對(duì)物種多樣性分布有很大影響，干擾并非只能削弱物種多樣性，小規(guī)模的中等程度頻率干擾，可能大大豐富物種多樣性，這一現(xiàn)象已在許多地區(qū)得到了證實(shí)?？偟某跫?jí)生產(chǎn)率與物種多樣性分布密切相關(guān)，早期生態(tài)學(xué)家一直認(rèn)為，生產(chǎn)率越高越能提高物種多樣性，但研究表明，生產(chǎn)率高不一定代表高的多樣性，相反，不斷增長(zhǎng)的生產(chǎn)率可能會(huì)降低物種的多樣性。不同生物類群在森林中的分布格局，如樹(shù)木、灌木及草本植物等的分布，都會(huì)影響到系統(tǒng)的生物及非生物過(guò)程，種群分布格局是系統(tǒng)水平格局研究的經(jīng)典內(nèi)容，相對(duì)于種群而言，其它方面的研究如不同種群或不同生物類群間分布格局的相互關(guān)系及其影響等，研究尚少。環(huán)境格局環(huán)境因子在大的尺度上隨緯度、海拔、地形、地貌等會(huì)有很大差異。大尺度的環(huán)境要素控制森林的區(qū)域分布，形成了區(qū)域性的森林植被類型；中小尺度的環(huán)境變化影響森林結(jié)構(gòu)組成，進(jìn)一步影響系統(tǒng)中物種的分布格局。大尺度環(huán)境要素與森林分布格局的關(guān)系是經(jīng)典的生態(tài)學(xué)研究?jī)?nèi)容，研究工作也非常深泛。而系統(tǒng)水平上微生境的格局，近年來(lái)也受到關(guān)注，特別是林隙、邊緣效應(yīng)等研究的深入，使森林中微生境的差異及格局方面的研究向較微觀方向發(fā)展，事實(shí)上，森林內(nèi)部微環(huán)境的差異對(duì)系統(tǒng)生態(tài)過(guò)程的影響是不容忽視的。景觀格局隨著景觀生態(tài)學(xué)的誕生與發(fā)展，為生物的格局研究提供了新的理念與方法，大大促進(jìn)了生物格局方面的研究。景觀生態(tài)學(xué)中的斑塊、廊道、破碎化等概念，都與生物格局密切相關(guān)。斑塊大小對(duì)生物多樣性的影響是源自環(huán)境異質(zhì)性和多樣性?；贛acArthur和Wilson在1967年所創(chuàng)立的島嶼生物地理學(xué)（islandbiogeograhpy）理論所建立的斑塊大小與斑塊中物種數(shù)目間的關(guān)系，不僅揭示了種－面積關(guān)系，而且從動(dòng)態(tài)方面闡述了物種豐富度與面積及隔離程度之間的關(guān)系。斑塊形狀同樣重要，斑塊形狀的重要生態(tài)學(xué)特征是景觀邊界的邊緣效應(yīng)，它通過(guò)影響斑塊間的物質(zhì)和能量交換而影響斑塊內(nèi)的物種多樣性。一般說(shuō)來(lái)，許多典型物種被限制在邊緣環(huán)境或者內(nèi)部環(huán)境之中，導(dǎo)致斑塊的邊緣部分有不同于斑塊內(nèi)部的物種組成和豐富度。傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為，邊緣效應(yīng)提高了生物多樣性。但也有研究認(rèn)為創(chuàng)造林緣增加物種豐富度的做法，只是暫時(shí)增加了適于邊緣生境的物種多樣性，邊緣物種的增加會(huì)導(dǎo)致其它物質(zhì)的絕滅。因此，林緣作為保護(hù)生物生境的價(jià)值受到質(zhì)疑，有時(shí)甚至是“生態(tài)陷阱”。廊道是聯(lián)系斑塊的橋梁和紐帶，具有通道和屏障功能的雙重特性。廊道影響著斑塊間的連接度，因此在很大程度上決定了斑塊間物種、物質(zhì)和能量的交流。對(duì)于生物而言，廊道主要起到五種作用：通道（conduit）、隔離帶（barrier）、源（source）、匯（sink）和棲息地（habitat）。廊道的有效性依賴于許多因素，包括廊道內(nèi)生境結(jié)構(gòu)、廊道的寬度和長(zhǎng)度、目標(biāo)種的生物習(xí)性等。只有正確設(shè)計(jì)和運(yùn)用廊道，才能在破碎化景觀中進(jìn)行有效的物種保護(hù)。景觀破碎化的生態(tài)影響是焦點(diǎn)，特別是景觀破碎化對(duì)異質(zhì)種群動(dòng)態(tài)的影響。景觀破碎化（landscapefragmentation）是指一個(gè)大面積連續(xù)的生境在干擾下被分割成很多面積較小的斑塊，斑塊之間被與過(guò)去性質(zhì)不同的斑塊所隔離，殘存的斑塊可以看作“生境的島嶼”。景觀破碎化既可定義為一種過(guò)程：即棲息地不斷變成碎片的過(guò)程；也可理解為一種格局：即破碎化過(guò)程的結(jié)果。顯然，兩種不同角度的理解生態(tài)上差異很大。景觀破碎化縮小了某一類型生境的總面積和每一斑塊的面積，影響到種群的大小和滅絕速率；在不連續(xù)的片斷中，殘留面積的再分配影響物種散布和遷移的速率。Levins在1969年首次提出了異質(zhì)種群（Meta-population）的概念，并給出一個(gè)預(yù)測(cè)異質(zhì)種群動(dòng)態(tài)的模型。異質(zhì)種群是指斑塊生境中一組同種局部種群（localpopulation）的集合體。這些小的局部種群在空間上存在隔離，彼此間通過(guò)個(gè)體擴(kuò)散而相互聯(lián)系，各局部種群不斷的滅絕又不斷的遷入重建，當(dāng)遷入重建率大于滅絕率時(shí)，這種斑塊狀分布的種群就能長(zhǎng)期生存。異質(zhì)種群理論的內(nèi)容豐富，為景觀破碎化對(duì)生物多樣性的影響研究提供了有力工具。生態(tài)過(guò)程碳循環(huán)過(guò)程全球氣候變化與森林生態(tài)系統(tǒng)一直是國(guó)內(nèi)外全球變化研究的熱點(diǎn)領(lǐng)域，內(nèi)容主要涉及氣候變化對(duì)森林群落和樹(shù)種的空間分布影響、組成結(jié)構(gòu)的變化、林木的生理生態(tài)響應(yīng)和生物生產(chǎn)力的變化、森林的碳匯作用和碳平衡等。大氣CO2濃度升高的直接作用和氣候變化的間接作用表現(xiàn)在兩個(gè)方面。一般認(rèn)為，CO2濃度上升對(duì)植物起著“施肥效應(yīng)”作用。因?yàn)樵谥参锏墓夂献饔眠^(guò)程中，CO2作為植物生長(zhǎng)所必須的資源，其濃度的增加有利于植物光合作用的增強(qiáng)，從而促進(jìn)植物和生態(tài)系統(tǒng)的生長(zhǎng)和發(fā)育。目前，大部分在人工控制環(huán)境下的模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果也表明，CO2濃度上升將使植物生長(zhǎng)的速度加快，從而對(duì)植物生長(zhǎng)和生物量的增加起著促進(jìn)作用，增益變幅為10-70%，尤其是對(duì)C3類植物，其增加的程度可能更大。但是，CO2濃度升高對(duì)植物的影響根據(jù)其所在的生物群區(qū)、光合作用和生長(zhǎng)方式的不同而存在著較大的差異。一般認(rèn)為，CO2濃度升高對(duì)森林生長(zhǎng)和生物量的增加在短期內(nèi)能起到促進(jìn)作用，但是不能保證其長(zhǎng)期持續(xù)地增加。森林生產(chǎn)力是評(píng)價(jià)森林生長(zhǎng)狀況和森林生態(tài)系統(tǒng)功能的主要指標(biāo)之一。大氣中CO2濃度上升及由此而引起的氣候變化將影響森林的生產(chǎn)力。由于生產(chǎn)力與氣候（水熱因子）間存在著一定的關(guān)系，因此人們常用氣候模型（如Miami模型等）估算大尺度生產(chǎn)力。對(duì)于未來(lái)氣候變化對(duì)生產(chǎn)力的影響也常利用GCM模型對(duì)未來(lái)氣候情景進(jìn)行預(yù)測(cè)，再根據(jù)預(yù)測(cè)結(jié)果估算生產(chǎn)力，最后與當(dāng)前氣候情形下所模擬的結(jié)果相比較?；谌蜃兓念A(yù)測(cè)情景，中國(guó)森林生產(chǎn)力將有所增加，增加的幅度因地區(qū)而異，變化在12%~35%。由于不同的GCM模型對(duì)未來(lái)氣候模擬預(yù)測(cè)的結(jié)果不同，因此對(duì)生產(chǎn)力變化的預(yù)測(cè)也表現(xiàn)出一定的差異。此外，氣候變化對(duì)森林生產(chǎn)力影響的預(yù)測(cè)目前僅僅考慮氣候與生產(chǎn)力的線性平衡關(guān)系，而沒(méi)有考慮其它自然和人為因素的影響；在預(yù)測(cè)過(guò)程中假定森林植被的分布不隨氣候的變化而發(fā)生改變；預(yù)測(cè)中所選用的氣候因子是其年平均值，而沒(méi)有考慮其季節(jié)變化和森林的適應(yīng)性變化。所以，預(yù)測(cè)的結(jié)果并不能準(zhǔn)確地反映出未來(lái)的實(shí)際情況。關(guān)于森林在陸地碳匯中所起的作用，至今沒(méi)有形成一致的觀點(diǎn)。北美的實(shí)測(cè)和模型研究表明，北半球中高緯度森林植被是一個(gè)重要的匯，它在減小碳收支不平衡中起著關(guān)鍵作用。然而，根據(jù)加拿大、美國(guó)、歐洲、俄羅斯和中國(guó)的森林清查數(shù)據(jù)計(jì)算結(jié)果表明，北半球森林對(duì)碳的凈吸收量有限，20世紀(jì)90年代初期年吸收量為0.6-0.7Pg，其中80%以上發(fā)生在溫帶地區(qū)，且受林火、棄耕和造林的影響，寒帶地區(qū)的生長(zhǎng)則被火和其它干擾抵消了；與大氣碳量變化相比較，森林以外可能存在有其它重要的陸地碳匯。方精云等利用1949年至1998年間7次森林資源清查資料，結(jié)合使\o"查看圖片"

森林動(dòng)物用森林生物量實(shí)測(cè)資料，采用改良的生物量換算因子法，推算了中國(guó)50年來(lái)森林碳庫(kù)和平均碳密度的變化，分析了中國(guó)森林植被的CO2源匯功能。結(jié)果表明，70年代中期以前，中國(guó)森林碳庫(kù)和碳密度年均減少約0.024Pg；之后呈增加趨勢(shì)，在最近的20多年中，森林碳庫(kù)年平均增加0.022Pg。這種增加主要由人工造林增加所致，自20世紀(jì)70年代中期以來(lái)，人工造林累計(jì)吸收固定0.45Pg的碳。另外，氣溫上升和CO2濃度施肥效應(yīng)也可能是促進(jìn)森林生長(zhǎng)增加固碳能力的重要原因。目前，國(guó)際上普遍采用微氣象技術(shù)測(cè)定方法開(kāi)展森林植被的CO2通量觀測(cè)或稱渦動(dòng)相關(guān)法研究森林的大空間尺度碳平衡規(guī)律。國(guó)際上已經(jīng)建立的CO2通量觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)站點(diǎn)有100多個(gè)，分別隸屬于歐洲通量網(wǎng)（EUROFLUX）、美洲通量網(wǎng)（AmeriFlux）、加拿大北方森林通量網(wǎng)（BOREALS）、地中海通量網(wǎng)（MedeFlux）、澳洲通量網(wǎng)（Oznet）和亞洲通量觀測(cè)網(wǎng)（ASIAFLUX）。從全年的CO2通量觀測(cè)結(jié)果分析，無(wú)論是北方森林、溫帶森林還是熱帶森林均表現(xiàn)為碳匯，但是碳匯強(qiáng)度大小受森林類型、氣候環(huán)境變化、自然與人為干擾的影響。中國(guó)于2001底開(kāi)始構(gòu)建了CO2通量觀測(cè)網(wǎng)，其中大部分是開(kāi)展森林生態(tài)系統(tǒng)CO2通量觀測(cè)研究。全球變化相關(guān)的森林研究的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)：加強(qiáng)森林土壤碳儲(chǔ)量、土壤有機(jī)碳組分與周轉(zhuǎn)、土壤呼吸及碳釋放動(dòng)態(tài)變化規(guī)律研究；土地利用變化對(duì)森林碳儲(chǔ)量、組分、動(dòng)態(tài)和殘留的影響以及不同土地利用方式下碳的源、匯分析評(píng)價(jià)；開(kāi)展不同經(jīng)營(yíng)措施和管理方法對(duì)森林碳儲(chǔ)量、碳平衡過(guò)程與變化規(guī)律的研究。森林生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分循環(huán)過(guò)程在生態(tài)系統(tǒng)中，養(yǎng)分的數(shù)量并非是固定不變的，因?yàn)樯鷳B(tài)系統(tǒng)在不斷地獲得養(yǎng)分，同時(shí)也在不斷地輸出養(yǎng)分。森林生態(tài)系統(tǒng)的養(yǎng)分在系統(tǒng)內(nèi)部和系統(tǒng)之間不斷進(jìn)行著交換。每年都有一定的養(yǎng)分隨降雨、降雪和灰塵進(jìn)入到生態(tài)系統(tǒng)中。森林中的大量葉片有助于養(yǎng)分的吸取，巖石的化學(xué)風(fēng)化也能增加生態(tài)系統(tǒng)的養(yǎng)分?jǐn)?shù)量。活的植物體能夠產(chǎn)生酸，而死的植物體的分解過(guò)程中也能產(chǎn)生酸，這些酸性物質(zhì)能溶解土壤的小石子以及下層的巖石。當(dāng)巖石被溶化時(shí)，各種各樣的養(yǎng)分元素得到了釋放并有可能被植物吸收。這些酸性物質(zhì)在土壤的形成過(guò)程中起到了關(guān)鍵的作用。山體上坡的雨水通過(guò)土壤滲漏也可以為下坡的生態(tài)系統(tǒng)帶來(lái)養(yǎng)分。多種微生物依靠自身或與固氮植物結(jié)合可獲取空氣中的游離氮（這種氮不能被植物直接吸收利用），并把它轉(zhuǎn)化成有機(jī)氮為植物所利用。一般地說(shuō)，在一個(gè)充滿活力的森林生態(tài)系統(tǒng)中，地球化學(xué)物質(zhì)的輸出量小于輸入量，生態(tài)系統(tǒng)隨時(shí)間而積聚養(yǎng)分。當(dāng)生態(tài)系統(tǒng)受到火災(zāi)、蟲(chóng)害、病害、風(fēng)害或采伐等干擾后，其形勢(shì)發(fā)生了逆向變化，地球化學(xué)物質(zhì)的輸出量大大超過(guò)了其輸入量，減少了生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)的養(yǎng)分積累，但這種情況往往只能持續(xù)一、兩年，因?yàn)楦蓴_后其再生植被可重建生態(tài)系統(tǒng)保存和積累養(yǎng)分的能力。當(dāng)然，如果再生植被的生長(zhǎng)受到抑制，那么養(yǎng)分丟失的時(shí)間和數(shù)量將進(jìn)一步加劇。如果森林在足夠長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)未受干擾，使得樹(shù)木、小型植物及土壤中的有機(jī)物質(zhì)停止了積累，養(yǎng)分貯存也隨之結(jié)束，那么此時(shí)地球化學(xué)物質(zhì)的輸入量與輸出量達(dá)到了一個(gè)平衡。在老齡林中，不存在有機(jī)物質(zhì)的凈積累，因此它與幼齡林及生長(zhǎng)旺盛的森林相比貯存的地球化學(xué)物質(zhì)要少。地球化學(xué)物質(zhì)的輸出與輸入平衡在維持生態(tài)系統(tǒng)長(zhǎng)期持續(xù)穩(wěn)定方面起到了很重要的作用。森林水文過(guò)程森林水文學(xué)，包括森林植被對(duì)水量和水分循環(huán)的影響及其環(huán)境效應(yīng)，以及對(duì)土壤侵蝕、水質(zhì)和小氣候的影響。森林能否增加降水量，是森林水文學(xué)領(lǐng)域長(zhǎng)期爭(zhēng)論的焦點(diǎn)問(wèn)題之一。迄今為止，關(guān)于森林與降水量的關(guān)系存在著截然相反的觀點(diǎn)和結(jié)果。一種觀點(diǎn)認(rèn)為森林對(duì)垂直降水無(wú)明顯影響，而另一種觀點(diǎn)認(rèn)為森林可以增加降水量。森林植被對(duì)流域產(chǎn)水量的影響，也存在著同樣的爭(zhēng)論。這些爭(zhēng)議的存在引起了對(duì)森林植被特征與水文關(guān)系機(jī)制研究的重視。國(guó)內(nèi)外已有較多的冠層水文影響研究。森林地被物的水文作用正逐漸得到重視，除攔截降水和消除侵蝕動(dòng)能外，還能增加糙率、阻延流速、減少?gòu)搅髋c沖刷量，今后需要深入開(kāi)展地被物對(duì)產(chǎn)流和匯流過(guò)程的調(diào)控機(jī)制研究。根系層土壤是形成森林植被水文功能的核心地帶，根系層水文過(guò)程是森林植被水文功能形成機(jī)制的關(guān)鍵，也是國(guó)內(nèi)外研究的前沿問(wèn)題。蒸散一般是森林生態(tài)系統(tǒng)的最大水分支出，蒸散研究目前已進(jìn)入水分能態(tài)學(xué)和SPAC或SVAT階段。森林蒸發(fā)散受樹(shù)種、林齡、海拔、降水量等生物和非生物因子的共同作用。隨緯度降低，降水量增加，森林的實(shí)際蒸散值呈現(xiàn)略有增加的趨勢(shì)，但相對(duì)蒸散率（蒸發(fā)散占同期降水量之比）隨降水量的增加而減少，其變化在40~90%之間。森林對(duì)水質(zhì)的影響在歐美研究較多，主要包括兩個(gè)方面：一是森林本身對(duì)天然降水中某些化學(xué)成分的吸收和溶濾作用，使天然降水中化學(xué)成分的組成和含量發(fā)生變化；二是森林變化對(duì)河流水質(zhì)的影響。20世紀(jì)70~80年代，酸雨成為影響河流水質(zhì)和森林生態(tài)系統(tǒng)健康的主要環(huán)境問(wèn)題。為了定量評(píng)價(jià)大氣污染對(duì)森林生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)的影響，森林水質(zhì)研究受到了廣泛的重視。隨著點(diǎn)源和非點(diǎn)源污染引起水質(zhì)退化成為影響社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的重大環(huán)境問(wèn)題，建立不同時(shí)間和空間尺度上化學(xué)物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的模擬模型，成為當(dāng)前評(píng)價(jià)森林水質(zhì)影響研究的主要任務(wù)，當(dāng)然需要首先合理布設(shè)水化學(xué)剖面來(lái)確定化學(xué)物質(zhì)循環(huán)的路徑。80年代以來(lái)，地理要素的空間異質(zhì)性對(duì)水文過(guò)程的影響逐漸得到重視，并開(kāi)展了以此為基礎(chǔ)的分布式水文模型的研究?，F(xiàn)有的分布式水文模型主要有短時(shí)間尺度模型（ANSWERS）和長(zhǎng)時(shí)間尺度模型（RHESSys、FLATWOODS、Ythan等）兩大類型。這些模型的模擬結(jié)果表明，預(yù)測(cè)值與觀測(cè)值吻合較好。分布式模型考慮了空間異質(zhì)性，但是沒(méi)有對(duì)空間異質(zhì)性本身的內(nèi)在規(guī)律進(jìn)行探討，在實(shí)際操作中存在著主觀性?；究臻g單元的大小是研究中首先解決的問(wèn)題，然而，研究者多根據(jù)研究區(qū)域的大小和資料的空間分辨率來(lái)確定其大小，這就給模擬結(jié)果帶來(lái)了不準(zhǔn)確性。目前，隨著3S技術(shù)的發(fā)展，分布式模型正逐步成為流域和水資源管理的重要手段。在此基礎(chǔ)上，分布式水文模型有望解決森林水文學(xué)中長(zhǎng)期面臨的尺度轉(zhuǎn)換問(wèn)題。森林生態(tài)水文學(xué)未來(lái)研究的重點(diǎn)：需要突出森林植被作為水文景觀的動(dòng)態(tài)要素，將森林植被的結(jié)構(gòu)、生長(zhǎng)過(guò)程、物候的季相變化（植被冠層葉面積指數(shù)和植被根系生長(zhǎng)動(dòng)態(tài)）耦合到分布式生態(tài)水文模型中，全面客觀地闡明森林植被與水分相互作用以及參與流域水文調(diào)節(jié)過(guò)程與機(jī)制；在森林大流域水文過(guò)程研究方面，從流域集總式水文模型向分布式水文模型研究發(fā)展，同時(shí)強(qiáng)調(diào)森林植被的生態(tài)水文過(guò)程與自然地質(zhì)水文過(guò)程有機(jī)結(jié)合，既考慮森林植被參與的生態(tài)水文過(guò)程又考慮流域內(nèi)的時(shí)空異質(zhì)性變化和水文的物理傳輸過(guò)程，藉以更有效地預(yù)測(cè)和評(píng)價(jià)流域內(nèi)的自然、人為因素對(duì)水文過(guò)程的影響，從而科學(xué)指導(dǎo)森林植被的建設(shè)和可持續(xù)經(jīng)營(yíng)。森林能量過(guò)程能量流動(dòng)是生態(tài)系統(tǒng)的主要功能之一。能量在系統(tǒng)中具有轉(zhuǎn)化、做功、消耗等動(dòng)態(tài)規(guī)律，其流動(dòng)主要通過(guò)兩個(gè)途徑實(shí)現(xiàn)：其一是光合作用和有機(jī)成分的輸入；其二是呼吸的熱消耗和有機(jī)物的輸出。在生態(tài)系統(tǒng)中，沒(méi)有能量流動(dòng)就沒(méi)有生命，就沒(méi)有生態(tài)系統(tǒng)；能量是生態(tài)系統(tǒng)的動(dòng)力，是一切生命活動(dòng)的基礎(chǔ)。生態(tài)系統(tǒng)最初的能量來(lái)源于太陽(yáng)，綠色植物通過(guò)光合作用吸收和固定太陽(yáng)能，將太陽(yáng)能變?yōu)榛瘜W(xué)能，一方面滿足自身生命活動(dòng)的需要，另一方面供給異養(yǎng)生物生命活動(dòng)的需要。太陽(yáng)能進(jìn)入生態(tài)系統(tǒng)，并作為化學(xué)能，沿著生態(tài)系統(tǒng)中生產(chǎn)者（producers）、消費(fèi)者（consumers）、分解者（decomposers）流動(dòng)，這種生物與生物間、生物與環(huán)境間能量傳遞和轉(zhuǎn)換的過(guò)程，稱為生態(tài)系統(tǒng)的能量流動(dòng)。在生態(tài)系統(tǒng)中，能量流動(dòng)服從于熱力學(xué)第一定律和第二定律。生態(tài)系統(tǒng)中能量流動(dòng)特征，可歸納為兩個(gè)方面，一是能量流動(dòng)沿生產(chǎn)者和各級(jí)消費(fèi)者順序逐步被減少，二是能量流動(dòng)是單一方向，不可逆的。能量在流動(dòng)過(guò)程中，一部分用于維持新陳代謝活動(dòng)而被消耗，一部分在呼吸中以熱的形式散發(fā)到環(huán)境中，只有一小部分做功，用于形成新組織或作為潛能貯存。由此可見(jiàn)，在生態(tài)系統(tǒng)中能量傳遞效率是較低的，能量愈流愈細(xì)。一般來(lái)說(shuō)，能量沿綠色植物向草食動(dòng)物再向肉食動(dòng)物逐級(jí)流動(dòng)，通常后者獲得的能量大約只為前者所含能量的10%，即1/10，故稱為“十分之一定律”。這種能量的逐級(jí)遞減是生態(tài)系統(tǒng)中能量流動(dòng)的一個(gè)顯著特點(diǎn)。目前森林能量過(guò)程的研究多以干物質(zhì)量作為指標(biāo)，這對(duì)深入了解生態(tài)系統(tǒng)的功能、生態(tài)效率等具有一定的局限性。研究生態(tài)系統(tǒng)中的能量過(guò)程最好是測(cè)定組成群落主要種類的熱值或者是構(gòu)成群落各成分的熱值。能量值的測(cè)定比干物質(zhì)測(cè)定能更好地評(píng)價(jià)物質(zhì)在生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)各組分間轉(zhuǎn)移過(guò)程中質(zhì)和量的變化規(guī)律；同時(shí)，熱值測(cè)定對(duì)計(jì)算生態(tài)系統(tǒng)中的生態(tài)效率是必需的。能量現(xiàn)存量（standingcropofenergy，SCE）指單位時(shí)間內(nèi)群落所積累的總能量。包括生態(tài)系統(tǒng)中活植物體與死植物體的總能量，是根據(jù)系統(tǒng)各組分樣品的熱值和對(duì)應(yīng)的生物量或枯死量所推算的。由于能量貯量與生物量正相關(guān)，生物量大，能量現(xiàn)存量也愈大。生物量主要取決于年生產(chǎn)量和生物量?jī)粼隽浚瑔棠緦硬坏晌镔|(zhì)生產(chǎn)量較大，而且每年絕大部分生產(chǎn)量用于自身生物量的凈增長(zhǎng)，年凋落物量很小，其現(xiàn)存量較大。下木層和草本層年生產(chǎn)量小，特別是林冠層郁閉度過(guò)大的林分，加之大部分能量以枯落物形式存在，其現(xiàn)存量較低。對(duì)于整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)，要獲得最大的能量積累，必須合理調(diào)配喬、灌、草的空間結(jié)構(gòu)，提高系統(tǒng)對(duì)能量的吸收和固定。森林生物過(guò)程在生物多樣性與生態(tài)系統(tǒng)功能方面，張全國(guó)等將多樣性對(duì)生態(tài)系統(tǒng)功能作用機(jī)制的有關(guān)假說(shuō)分為統(tǒng)計(jì)學(xué)與生物學(xué)兩大類：前者從統(tǒng)計(jì)學(xué)角度來(lái)解釋觀察到的多樣性-系統(tǒng)功能模式，包括抽樣效應(yīng)、統(tǒng)計(jì)均衡效應(yīng)等；而后者是基于多樣性的生物學(xué)效應(yīng)給出的，包括生態(tài)位互補(bǔ)、種間正相互作用、保險(xiǎn)效應(yīng)等。這方面還需要深入研究的關(guān)鍵問(wèn)題包括：生物多樣性怎樣影響生態(tài)系統(tǒng)抵御不利環(huán)境的能力，或者說(shuō)生物多樣性與生態(tài)系統(tǒng)維持或穩(wěn)定的關(guān)系如何？景觀的改變?nèi)绾瓮ㄟ^(guò)影響不同水平生物多樣性的變化而影響生態(tài)系統(tǒng)功能？物種之間相互關(guān)系怎樣影響生態(tài)過(guò)程，繼而影響生態(tài)系統(tǒng)功能？生態(tài)系統(tǒng)的關(guān)鍵種及其作用如何？生態(tài)系統(tǒng)中是否存在物種冗余？不同類群的生物怎樣影響生態(tài)系統(tǒng)功能等。植物多樣性的測(cè)度與取樣尺度密切相關(guān)，植物多樣性隨不同取樣尺度的明顯變化存在著復(fù)雜的作用機(jī)制。不是某一種過(guò)程決定各種不同尺度上物種豐富度變化，而可能是不同的過(guò)程決定著不同的空間尺度下的植物多樣性，這需要深入地了解在小尺度上的物種共存機(jī)制和景觀大尺度上依距離變化的物種組成的替代機(jī)制。森林生物多樣性形成機(jī)制與古植物區(qū)系的形成與演變、地球變遷與古環(huán)境演化有密切關(guān)系；現(xiàn)代生境條件包括地形、地貌、坡向和海拔高度所引起的水、熱、養(yǎng)分資源與環(huán)境梯度變化對(duì)森林群落多樣性的景觀結(jié)構(gòu)與格局產(chǎn)生影響，從而形成異質(zhì)性的森林群落空間格局與物種多樣性變化；自然和人為干擾體系與森林植物生活史特性相互作用是熱帶森林多物種長(zhǎng)期共存、森林生物多樣性維持及森林動(dòng)態(tài)穩(wěn)定的重要機(jī)制。森林采伐一般對(duì)生物多樣性產(chǎn)生影響。森林采伐后樹(shù)種多樣性隨不同時(shí)空尺度的變化及其生態(tài)保護(hù)的意義目前國(guó)際上存在爭(zhēng)議。人類活動(dòng)引起的全球環(huán)境變化正在導(dǎo)致全球生物多樣性以空前的速度和規(guī)模產(chǎn)生巨大的變化，而且生物多樣性的變化被認(rèn)為是全球變化的一個(gè)重要方面。在全球尺度上影響生物多樣性的主要因素包括土地利用變化、大氣二氧化碳濃度、氮沉降、酸雨、氣候變化和生物交換（有意或無(wú)意地向生態(tài)系統(tǒng)引入外來(lái)動(dòng)植物種）。對(duì)于陸地生態(tài)系統(tǒng)而言，土地利用變化可能對(duì)生物多樣性產(chǎn)生最大的影響，其次是氣候變化、氮沉降、生物交換和大氣二氧化碳濃度增加。其中，熱帶森林區(qū)和南部的溫帶森林區(qū)生物多樣性將產(chǎn)生較大的變化；而北方的溫帶森林區(qū)由于已經(jīng)經(jīng)歷了較大的土地利用變化，所以其生物多樣性產(chǎn)生的變化不大。群落中的物種如何共存是群落生態(tài)學(xué)研究的重要問(wèn)題之一，目前已經(jīng)有多種理論或假說(shuō)，如種庫(kù)理論（speciespooltheory）、更新生態(tài)位理論（regenerationnichetheory）、資源比率/異質(zhì)性假說(shuō)（resourceratio/heterogeneityhypothesis）、競(jìng)爭(zhēng)共存理論（competitivecoexistencetheory）、生態(tài)漂變理論（unifiedneutraltheory）干擾假說(shuō)（disturbancehypothesis）等，它們從進(jìn)化、歷史、資源共享、空間異質(zhì)性以及生態(tài)尺度等方面來(lái)解釋群落物種共存的機(jī)制。建立關(guān)于種群的數(shù)學(xué)模型是定量描述種群動(dòng)態(tài)、種間關(guān)系等的重要手段。如單種群模型、多種群動(dòng)力學(xué)模型以及變維矩陣模型、灰色系統(tǒng)模型、模糊數(shù)學(xué)模型、突變論模型等常被應(yīng)用于種群的動(dòng)態(tài)分析。在種間作用關(guān)系方面，涉及寄生－寄生者模型、捕食者－獵物模型、功能反應(yīng)模型、多物種共存模型以及種間偏利模型、種間偏害模型等。過(guò)程研究研究植物群落空間格局的推動(dòng)力來(lái)自于為了了解植物群落的特點(diǎn)，描述并量化它們時(shí)空上的特征，然后把觀察到的特征與植物的位置、生長(zhǎng)、競(jìng)爭(zhēng)、繁殖、衰老、死亡率等基本過(guò)程聯(lián)系起來(lái)。鑲嵌的空間格局能被用來(lái)進(jìn)行基本過(guò)程的假設(shè)，也可以用來(lái)提出引起這種基本過(guò)程產(chǎn)生的機(jī)制。討論的一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)是生長(zhǎng)、競(jìng)爭(zhēng)、衰老等發(fā)生在植物內(nèi)部的過(guò)程與所觀察到的空間格局的聯(lián)系。植物群落的研究是建立在過(guò)去的過(guò)程可以從格局中推出的基礎(chǔ)之上的，空間格局是過(guò)去過(guò)程的結(jié)果，即使它不能提供全部的信息，至少能被用來(lái)檢驗(yàn)一些關(guān)于過(guò)程的假設(shè)。此外，對(duì)空間格局清晰客觀地描述，是如何控制生物和環(huán)境過(guò)程工作的一個(gè)重要的部分?？臻g格局是自然植物一個(gè)至關(guān)重要的方面，它影響植物本身及與其相互聯(lián)系的其它生物體將來(lái)的過(guò)程。格局與過(guò)程相互作用的空間尺度從個(gè)體植物臨近幾厘米或更小的范圍到景觀尺度。自然植物有時(shí)被看成不同種類的綴塊鑲嵌，并且這些綴塊的大小和間距是植物重要的特征。對(duì)格局與過(guò)程的研究雖然已比較深泛，但對(duì)格局與過(guò)程之間的關(guān)系，盡管在景觀水平已有許多理論性探討，但具體的研究實(shí)例并不多見(jiàn)，特別是在系統(tǒng)水平上，對(duì)森林生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部格局與過(guò)程關(guān)系間的具體研究還很缺乏。格局決定過(guò)程，過(guò)程也會(huì)反過(guò)來(lái)影響格局。未來(lái)研究展望森林生態(tài)系統(tǒng)存在廣泛的時(shí)空異質(zhì)性和尺度的復(fù)雜性，因此研究森林生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能的變化規(guī)律，需要借助多學(xué)科、交叉學(xué)科的研究方法。采用實(shí)驗(yàn)觀測(cè)、虛擬現(xiàn)實(shí)、數(shù)值模擬和決策支持系統(tǒng)等手段，以及結(jié)合空間遙感、GPS、GIS和建模等手段，是實(shí)現(xiàn)森林植被格局－生態(tài)過(guò)程耦合－時(shí)空尺度轉(zhuǎn)換有機(jī)結(jié)合的重要研究方法。采用多尺度（地面觀測(cè)、實(shí)驗(yàn)室模擬測(cè)試、數(shù)值模擬、結(jié)合3S技術(shù)的空間對(duì)地觀測(cè)）實(shí)測(cè)分析和分布式數(shù)值模擬技術(shù)，實(shí)現(xiàn)森林生態(tài)過(guò)程耦合和尺度轉(zhuǎn)換，也為解決未來(lái)全球面臨的重大森林資源與環(huán)境問(wèn)題展示了希望。森林生態(tài)系統(tǒng)發(fā)生、演化過(guò)程的長(zhǎng)期性和人類干擾不斷引起全球環(huán)境的變化，需要繼續(xù)加強(qiáng)森林生態(tài)系統(tǒng)的長(zhǎng)期定位研究，藉以積累長(zhǎng)期的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和了解森林對(duì)全球變化的長(zhǎng)期響應(yīng)規(guī)律。采用多學(xué)科協(xié)同研究，仍是森林生態(tài)系統(tǒng)定位研究的重要途徑。森林生態(tài)學(xué)與土壤學(xué)、水文學(xué)、大氣科學(xué)等學(xué)科的合作將