環(huán)境生態(tài)學導論15課件

第十五章受損生態(tài)系統(tǒng)的修復第一節(jié)受損生態(tài)系統(tǒng)的特征一、生態(tài)系統(tǒng)受損的主要形式正向演替：就是在無強干擾的條件下能不斷地自我完善，即進展演替（progressivesuccession）。動態(tài)平衡：就是指正常的生態(tài)群落和自然環(huán)境能實現(xiàn)動態(tài)平衡的自我維持系統(tǒng)，各種組分的發(fā)展變化是按照一定的規(guī)律、在某一平衡點表現(xiàn)一定范圍的波動，呈現(xiàn)動態(tài)上的平衡。受損生態(tài)系統(tǒng)：就是指生態(tài)系統(tǒng)的結構和功能在自然干擾、人為干擾（或兩者的共同作用）下發(fā)生了位移（即改變），打破了生態(tài)系統(tǒng)原有的平衡狀態(tài)，使系統(tǒng)的結構和功能發(fā)生變化和障礙，并發(fā)生了生態(tài)系統(tǒng)的逆向演替（retrogressivesuccession）。根據(jù)生態(tài)系統(tǒng)受損過程中發(fā)生的變化，可以劃分為以下幾種形式：1．突發(fā)性受損生態(tài)系統(tǒng)受到特別強烈的干擾，受害時間短，速度快，局部受損程度嚴重，受損后系統(tǒng)恢復能力弱，系統(tǒng)靠自然恢復的時間長。2．躍變式受損躍變式受損：是指生態(tài)系統(tǒng)受到持續(xù)干擾作用下，最初并未表現(xiàn)出明顯的損傷，隨著干擾的持續(xù)，破壞性進一步累積，達到一定程度后突然劇烈變化的一種形式。二、受損生態(tài)系統(tǒng)的基本特征生態(tài)系統(tǒng)受損后，原有的平衡狀態(tài)被打破，系統(tǒng)的結構、組分和功能都會發(fā)生變化，隨之而來的是系統(tǒng)穩(wěn)定性減弱，生產(chǎn)能力降低，服務功能弱化。從生態(tài)學角度分析，受損生態(tài)系統(tǒng)的共同變化特征主要有八個方面：1．物種多樣性的變化當一個穩(wěn)定的生態(tài)系統(tǒng)受損后，系統(tǒng)中的關鍵種類首先消失，從而引起與之共生種類和從屬物種的相繼消失，物種多樣性明顯減少。另一方面，系統(tǒng)中適應生境變化的某些種類會迅速發(fā)展，數(shù)量增加。2．系統(tǒng)結構簡單化系統(tǒng)受損后，反映在生物群落中的種群特征上，常表現(xiàn)為種類組成發(fā)生變化，優(yōu)勢種群結構異常；在群落層次上，受損后則是群落結構的矮化，整體景觀的破碎。3．食物網(wǎng)破裂定義：受損的生態(tài)系統(tǒng)，在食物網(wǎng)的表現(xiàn)上，主要是食物鏈的縮短或營養(yǎng)鏈的斷裂，單鏈營養(yǎng)關系增多，種間共生、附生關系減弱，這種現(xiàn)象被稱為食物網(wǎng)破裂。食物網(wǎng)的破裂，會使生態(tài)系統(tǒng)各物種之間的自我調節(jié)能力下降，極易受到外來物種的影響。4．能量流動效率降低由于受損生態(tài)系統(tǒng)食物關系的破壞，能量的轉化及傳遞效率會隨之降低，主要表現(xiàn)為對光能固定作用的減弱，能量流規(guī)?？s小或過程發(fā)生變化；系統(tǒng)中的捕食過程和腐化過程弱化，因而能流損失增多，能流效率降低。5．物質循環(huán)不暢或受阻由于生態(tài)系統(tǒng)結構受到損害，層次結構簡單化以及食物網(wǎng)的破裂，營養(yǎng)物質和元素在生態(tài)系統(tǒng)中的周圍時間變短，周轉率降低，生物的生態(tài)學功能減弱。由于生物多樣性及其組成結構的變化，使生態(tài)系統(tǒng)中物質循環(huán)的途徑不暢通無阻或受阻，包括生態(tài)系統(tǒng)中的水循環(huán)、氮循環(huán)和磷循環(huán)均會發(fā)生改變。6．生產(chǎn)力下降正常的生態(tài)系統(tǒng)具有較高的生產(chǎn)力，能利用光能生產(chǎn)很多生物產(chǎn)品，但是，系統(tǒng)受損后，其生產(chǎn)力會大大下降，其原因在于：（1）光能利用率減弱；（2）由于競爭和對資源利用的不充分，光效率降低，而植物為正常生長消耗在克服不利影響上的能量（以呼吸作用的形式釋放）增多，凈初級生產(chǎn)力下降；（3）初級生產(chǎn)者結構和數(shù)量的改變又常導致次級生產(chǎn)力的降低。7．其他服務功能減弱生態(tài)系統(tǒng)除了具有生物生產(chǎn)和維持生物多樣性等功能外，還具有調節(jié)氣候、減緩旱澇洪災害、保持養(yǎng)分和改良土壤、傳媒受粉和擴散種子、有害生物控制，凈化環(huán)境、防風固沙、為人類提供旅游休閑地等服務功能，當生態(tài)系統(tǒng)受損后，這些功能也都隨之下降，某些功能甚至全部喪失。于植物及其種群屬于生態(tài)系統(tǒng)的第一性生產(chǎn)者，是生態(tài)系統(tǒng)有機物質最初來源和能量流動的基礎。所以，植物群落的外貌形態(tài)和結構狀況又通過對系統(tǒng)中次級消費者、分解者的影響而決定著系統(tǒng)的動態(tài)，制約著系統(tǒng)的整體功能。因此，在受損生態(tài)系統(tǒng)中，結構與功能也是統(tǒng)一的，通過結構的變化，也可以推測出功能的改變。

第二節(jié)受損生態(tài)系統(tǒng)的修復

“恢復”與“修復”的區(qū)別：“恢復”是指使一個受損的生態(tài)系統(tǒng)的結構和功能回復到接近或達到其受干擾前的狀態(tài)，它是強調主體（生態(tài)系統(tǒng)）的一種狀態(tài)。而“修復”與前者的意義基本相同，但它更強調人類對受損生態(tài)系統(tǒng)的重建與改進，強調人的主觀能動性。受損生態(tài)系統(tǒng)的修復：指人類根據(jù)生態(tài)學原理，有目的地采取某些措施，使受到損害的生態(tài)系統(tǒng)的結構和功能得以恢復和完善，實現(xiàn)生產(chǎn)力高、生物多性豐富、系統(tǒng)趨于穩(wěn)定的目的，這個過程就稱之為“受損生態(tài)系統(tǒng)的修復”。1.受損生態(tài)系統(tǒng)的修復方法有：（1）封山育林：這是最簡便易行、經(jīng)濟有效的方法。因為封山可達到最大限度地減少人為干擾，為原生植物群落的恢復提供了適宜的生態(tài)條件，使生物群落由逆向演替向正向演替發(fā)展，使被破壞的森林生態(tài)系統(tǒng)能逐漸恢復到頂極狀態(tài)。（2）林分改造：為了促進森林的快速演替，可對受損后處于演替早期階段的群落進行林分改造，引種當?shù)刂脖恢械膬?yōu)勢種、關鍵種和因受損而消失的重要生物種類，以加速生態(tài)系統(tǒng)正向演替的速度。（3）透光撫育或遮光撫育：這種方法主要是通過改善林地環(huán)境條件來促進群落正向演替而實現(xiàn)。（4）林業(yè)生態(tài)工程技術：根據(jù)生態(tài)學、業(yè)學及生態(tài)控制論原理，設計、建造與調控以木本植物為主的人為復合生態(tài)系統(tǒng)的工程技術，其目的在于保護、改善與持續(xù)利用自然資源與環(huán)境。林業(yè)生態(tài)工程技術是受損生態(tài)系統(tǒng)恢復與重建的重要手段。它主要是通過人工設計，在一個區(qū)域或流域內建造以木本植物群落為主體的優(yōu)質、高效、穩(wěn)定的多種生態(tài)系統(tǒng)的復合體，形成區(qū)域復合生態(tài)系統(tǒng)，以達到自然資源的可持續(xù)利用及環(huán)境的保護和改良。具體內容包括四個方面：一、區(qū)域的總體方案：即在一個平面上對一個區(qū)域的自然環(huán)境、經(jīng)濟、社會和技術因素進行綜合分析，根據(jù)生態(tài)系統(tǒng)受損狀況，合理規(guī)劃布局區(qū)域內各種不同類型的生態(tài)系統(tǒng)，形成合理的鑲嵌結構配置，構筑以森林為主體的或森林參與的區(qū)域復合生態(tài)系統(tǒng)的框架；二、時空結構設計：在空間上，分析組成生態(tài)系統(tǒng)的物種與環(huán)境、物種與物種、物種內部關系的基礎上，構建群落內物種間共生互利互惠、能夠充分利用環(huán)境資源的穩(wěn)定高效生態(tài)系統(tǒng)；在時間上，就是利用生態(tài)系統(tǒng)內物種生長發(fā)育的時間差別，調整物種的組成結構，實現(xiàn)對資源的充分利用。三、食物鏈設計：目標是使森林生態(tài)系統(tǒng)的產(chǎn)品得到再轉化和再利用。四、特殊生態(tài)工程的設計：主要是一些針對特殊環(huán)境條件的林業(yè)生態(tài)工程，如工礦區(qū)林業(yè)生態(tài)工程、嚴重退化的鹽漬地等生態(tài)恢復工程。（4）在修復受損生態(tài)系統(tǒng)的優(yōu)勢種或關鍵種的同時，還要注意互惠共生種?；セ莨采P系是生物群落中物種存在的條件，也是物種間最基本的生態(tài)關系之一。（5）注意不要因為經(jīng)濟條件、速生豐產(chǎn)、適應性等問題的限制，在受損生態(tài)系統(tǒng)地區(qū)栽種不是當?shù)卦兄脖恢械姆N類。因為這些外來種的結構和功能都不適應當?shù)氐纳鷳B(tài)系統(tǒng)，不僅穩(wěn)定性差，生態(tài)效益不高，而且還會帶來一些新的生態(tài)問題。二、受損草地生態(tài)系統(tǒng)的修復1．草地生態(tài)系統(tǒng)受損的原因及特點我國是草地生態(tài)系統(tǒng)受損較為嚴重的國家之一。人類干擾的原因中，主要是過度放牧、墾殖和污染等。此外，農(nóng)牧民為獲得生活所需能源，對草原植被的割刈、摟草等干擾，也會加速草地的退化。另一方面，我國草原區(qū)所處的自然條件都比較惡劣，春季干旱，夏季少雨、冬季嚴寒，自然災害頻繁，這就是造成草原退化的自然因素。2．受損草地生態(tài)系統(tǒng)的評估指標受損生態(tài)系統(tǒng)的評估指標包括：主要評價標準、相關生態(tài)指標。3．受損草地生態(tài)系統(tǒng)的修復方法與技術我國研究的受損草地修復方法與技術主要有三種：一是圍欄養(yǎng)護現(xiàn)存的受損草地，使其自然恢復；二是重建新草地；三是實施合理的牧畜育肥方式。（1）圍欄養(yǎng)護，輪草輪牧這種方法的實質：消除外來的干擾，主要依靠生態(tài)系統(tǒng)具有的自我修復能力，適當輔之以人工措施來加快其恢復。（2）重建人工草地這是受損生態(tài)系統(tǒng)重建的典型模式，是減緩天然草地的壓力，改進畜牧業(yè)生產(chǎn)方式而采用的修復方法，常用于已完全英文荒棄的退化草地。三、受損河流生態(tài)系統(tǒng)的修復1．河流生態(tài)系統(tǒng)受損的主要方式及影響人為干擾因素：對沿岸植被的破壞；點源和非點源的各種污染物對水域的污染；對水域中生物資源的過度利用；各種水利建設對河流自然生態(tài)功能和生態(tài)過程的改變等。其中人類社會的影響主要分為以下幾種：(1)水利工程建設對河流生態(tài)系統(tǒng)的影響；(2)農(nóng)業(yè)活動對河流生態(tài)系統(tǒng)的影響；(3)城市化對河流生態(tài)系統(tǒng)的影響；2．受損河流生態(tài)系統(tǒng)的修復受損河流生態(tài)系統(tǒng)的修復方法，應當根據(jù)人類活動對其環(huán)境影響的方式、內容和程度不同。要充分掌握各種影響的危害機制，根據(jù)現(xiàn)場的具體情況提出合適的生態(tài)修復方案。根據(jù)河流環(huán)境條件及受損原因的不同，對其修復的方法和技術有一定的差異，但有許多共性，通常采用的方法有：(1)建立沿岸綠化帶，加強植被的生態(tài)功能(2)人工清淤(3)控制污染源(4)科學調控河水流量和流速(5)加強漁業(yè)管理四、受損湖泊生態(tài)系統(tǒng)的修復湖泊生態(tài)系統(tǒng)在人類生活環(huán)境中的重要作用：一方面，在維持全球物質循環(huán)和水分循環(huán)中具有重要的作用；另一方面，可凈化水源、抵御洪水、提供生活和工農(nóng)業(yè)用水、旅游景觀、交通通道和野生生物棲息地等。1．湖泊生態(tài)系統(tǒng)的受損及原因大致可分為：（1）環(huán)境污染；（2）水利建設；（3）過度放養(yǎng)；（4）湖泊的富營養(yǎng)化；（5）外來種的侵入。對于修復富營養(yǎng)化湖泊的方法有：用工程方法分流或切段進入湖泊的點源污染，減少向湖泊中輸入污染物和過多營養(yǎng)物質；以改進農(nóng)業(yè)耕作方式，減少化肥和農(nóng)藥施用量為基礎的面源控制，減少湖泊營養(yǎng)物質的進入等。對于修復富營養(yǎng)化湖泊，生物學和生態(tài)學也有了新發(fā)展，在20世紀70年代中期，美國的Shapiro就提出了生物操縱（biomanipulation）。至90年代初，利用生物操縱控制富營養(yǎng)化的技術正在歐洲及北美多個湖泊獲得不同程度的成功。Welch等（1987）提出了由下而上和由上而下的方法（Jordan,1987）。涉及的名詞定義：A、生物操縱的定義：它是通過調整生物群落結構（主要是魚類種群組成）的方法，來調節(jié)浮游植物群落結構，以改善水質。B、由下而上的定義：是指從食物鏈的最底層即營養(yǎng)物的輸入開始控制，進而實現(xiàn)整個生態(tài)系統(tǒng)的恢復。五、礦區(qū)廢棄地的修復礦產(chǎn)的開采造成土壤及植被的破壞，無論是表層開采還是深層開采都造成土壤被大量遷移或被礦物垃圾堆埋，造成了整個生態(tài)系統(tǒng)的破壞。近年來世界各地的研究表明，礦區(qū)廢棄地的生態(tài)修復研究有了長足的進展，大部分的問題得到了令人滿意的答案，其主要的修復方法有：1．尾礦的綜合利用（1）從廢棄物中進一步回收有價元素；（2）作為二次資源制取新形態(tài)物質；（3）用做井下采空區(qū)的填充材料；第三節(jié)生態(tài)工程與修復技術一、生態(tài)工程的內涵1．生態(tài)工程的定義生態(tài)工程是應用生態(tài)學中的一門多學科滲透的新的分支學科。20世紀60年代誕生以來，得到了迅速發(fā)展，在環(huán)境保護、污染治理、區(qū)域生態(tài)環(huán)境綜合整治以及廢棄物資源化等方面都得到廣泛應用。根據(jù)我國著名生態(tài)學家馬世駿（1984）為生態(tài)工程下的定義為“生態(tài)工程是應用生態(tài)系統(tǒng)中物種共生與物質循環(huán)再生原理、結構與功能協(xié)調原則，綜合系統(tǒng)分析的最優(yōu)化方法，設計的促進分層多級利用物質的生產(chǎn)工藝系統(tǒng)”。生態(tài)工程的目標：在促進自然界良好循環(huán)的前提下，充分發(fā)揮資源的的生產(chǎn)潛力，防治環(huán)境污染，達到經(jīng)濟效益與生產(chǎn)效益同步發(fā)展。2．生態(tài)工程設計的生態(tài)學理論依據(jù)（1）物種共生原理自然界中任何一種生物都不能離開其他生物而單獨生存和繁衍，這種關系是自然界生物之間長期進化的結果，包括互惠共生與競爭抗生兩大類，亦稱為“相生相克”關系。在功能正常的生態(tài)系統(tǒng)，這種關系構成了生態(tài)系統(tǒng)的自我調節(jié)和負反饋機制。（2）生態(tài)位原理生態(tài)位的定義：是指某一生物在生態(tài)系統(tǒng)中的地位和作用。實際上它是指“生態(tài)系統(tǒng)中各種生態(tài)因子都具有明顯的變化梯度，這種變化梯度中能被某種生物占據(jù)利用或適應的部分稱之生態(tài)位”。（3）食物鏈原理食物鏈和食物網(wǎng)是生態(tài)系統(tǒng)中物種關系的另一種表現(xiàn)形式，也是重要的生態(tài)學原理。在自然界中食物鏈關系是極其復雜的，而且正是這種復雜的食物關系使得生態(tài)系統(tǒng)維持著動態(tài)平衡，實現(xiàn)著生態(tài)系統(tǒng)的功能，即物質的循環(huán)和能量的轉化及傳遞。（4）物種多樣性原理這是生物多樣性促進系統(tǒng)穩(wěn)定性的觀點，即生態(tài)系統(tǒng)中生物多樣性越高，生態(tài)系統(tǒng)就越是穩(wěn)定。（5）物種耐性原理每種生物都有一個生態(tài)需求上的最大值和最小值，兩者之間的幅度，就是該種生物的耐性限度。由于環(huán)境因子的相互補償作用，一個種的耐性限度是變動的，當一個環(huán)境因子處于適宜范圍時，物種對其他因子的耐性限度將會增大，反之，下降。（6）景觀生態(tài)學原理景觀生態(tài)學是近年來發(fā)展起來的一個新的生態(tài)學分支。景觀是指由相互作用的斑塊或生態(tài)系統(tǒng)組成的、并以相似形式重復出現(xiàn)的、具有高度空間異質性的區(qū)域。它的基本內容：景觀結構與功能、景觀異質性、生物多樣性、物種流動、養(yǎng)分再分布、能量流動、景觀變化與景觀穩(wěn)定等。（7）耗散結構原理耗散結構原理是指一個開放系統(tǒng)的有序性來自非平衡態(tài)，也就是說，系統(tǒng)的有序性因系統(tǒng)向外界輸出熵值的增加而趨于無序，要維持系統(tǒng)的有序性，必須有來自于系統(tǒng)之外的負熵流的輸入，即有來自外界的能量補充和物質輸入。（8）限制因子原理生態(tài)因子中使生物的耐受性接近或達到極限時，生物的生長發(fā)育、生殖、活動以及分布等受到其直接限制、甚至造成死亡的因子稱為限制因子（

limitingfactors）。在生態(tài)工程中注意限制因子原理的意義：一是若能正確運用生態(tài)因子規(guī)律，可建立系統(tǒng)的反饋調節(jié)，使某些不希望出現(xiàn)的生態(tài)現(xiàn)象得到抑制；二是消除控制限制因子的作用，因為限制因子的限制作用是有條件的，是相對的。（9）生態(tài)因子綜合性原理自然界中眾多生態(tài)因子會對生物產(chǎn)生重要影響，它們也都有自己的特殊作用，而且環(huán)境中每個生態(tài)因子的作用又不是孤立的，而是相互聯(lián)系、相互促進和相互制約的，任何一個因子的變化都能引起其他因子作用強度甚至作用性質的改變。因此，生態(tài)工程的設計中，要充分注意生態(tài)因子對生物的綜合作用，尤其是主要因子的動態(tài)變化對其他因子的影響。二、生態(tài)工程的設計與