第六章人类对自然生态系统的干扰与生态恢复.ppt

第六章 人类对自然生态系统的干扰与生态恢复第一节第一节 干扰与干扰生态学干扰与干扰生态学一、干扰及其定义 1、干扰的定义 在经典生态学中，干扰被认为是影响群落结构和演替的重要因素。干扰较普遍和典型的定义是：群落外部不连续存在、间断发生的因子的突然作用或连续存在因子超“正常”范围的波动，这种作用 或波动能引起有机体、种群或群落发生全部或部分明显变化，使其结构和功能受到损害或发生改变。2、干扰的特性（1）干扰范围干扰范围是指干扰体作用的空间范围的分布特点。（2）频率和周期干扰频率和周期是指同一空间范围或同一组织水平内，单位时间某一干扰发生的次数。其倒数称为干扰周期，即某一干扰两次发生的的时间间隔。（3）干扰强度干扰强度是指干扰发生时，干扰因素所表达出的能力值。如草原火烧强度是指单位时间每增大1m火烧所释放出的能量。在实际研究工作中，常把干扰强度分为轻度干扰、中度干扰和重度干扰。（4）时间尺度时间尺度是指干扰发生的具体时刻及其持续的时间跨度描述干扰特征的一个重要概念是干扰状况表6-1 干扰状况常用的概念及其含义 主要项目定 义1、分布空间分布，包括与地理的、地形的、环境的以及群落梯度的关系2、频度在一个时间段内事件发生的平均次数3、重发间隔频度的倒数，两次扰动之间的平均时间4、周转期限将整个研究区域扰动一遍所需的平均时间 5、预测性重发间隔方差的反函数6、面积或大小被扰动的面积。该面积可以表示为每次事件的面积，每个时间段中的面积，每个时间段，每次干扰类型的总面积，通常以总有效面积的百分数给出。7、强度值每次每单位面积上该事件的物理力（对火因素来说，每个时间段、每单位面积所释放的热量）8、严重程度对有机体、群落或生态系统的影响（例如被移走植物的基面积）9、协同效应其他扰动对该事件的效应（如干旱会提高火的作用强度，昆虫损害会提高植物对风暴的敏感性）（2）按干扰来源划分为内源干扰和外源干扰 内源干扰是指由内源因子对系统发生的作用。如森林生态系统中，内源干扰主要包括树木的倾倒、机械摩擦、种间竞争和生物相克作用等。外源干扰的动因源于系统外部。强烈的火灾、风暴、沙暴、霜冰、洪水、雪压、干旱和人为砍伐、放牧等等都属于生态系统的外源干扰。（3）按干扰性质划分为破坏性干扰和增益性干扰。多数自然干扰和人为干扰会导致生态系统正常结构的破坏、生态平衡的失调和生态功能的退化，有时候甚至是毁灭性的，如各种地质、气候灾害、森林的采伐和长期的过度放牧等掠夺式经营。干扰并不总是对生态系统的一种破坏行为。例如对森林生态系统来说，人类经营利用森林，如合理采伐、修枝、人工更新和低产、低效林份改造等一些人为干扰，就可以促进森林的发育和繁衍、提高森林生态系统服务功能的效率。适度的干扰可以增加生态系统的生物多样性，而生物多样性的增加往往又有益于生态系统稳定性的提高。二、人为干扰的主要形式 人类对生态系统的干扰主要有以下几种方式：1、对森林和对草原植被的砍伐与开垦 人类的这种干扰并对自然环境构成危害，始于大约10000多年前的早期农业并持续到现在。这种干扰导致一系列生态环境问题的发生，如森林大量被砍伐后，不仅导致森林植被的退化，加剧水土流失，区域环境的变化，而且还会因造成许多生物生境的破坏，生物多样性的丧失等。2、污染 人类向自然环境排放了大量的生活垃圾、工业垃圾、农药以及各种对环境有毒害性的污染物。工业废水直接排放使许多水域被污染，水质下降甚至丧失饮用水的价值；大量化石燃料的使用以及向大气排放的各种污染物，不仅使空气受到污染，而且进入大气的硫氧化物、氮氧化物，与水蒸气结合后形成极易电离的硫酸和硝酸，导致大气酸度增加，许多地区甚至酸雨成灾，对生态系统和土壤等带来了灾难性的影响。3、采集 全球80%的人口口于传统医药，传统医药的85%与野生动植物有关。一些经济、药用及珍稀野生物资源自古以来就被人们大肆掠夺式的采集，甚至造成一些物种的灭绝。4、采樵 在这种干扰中，人们的重要目的是为满足对能源的需求，对生态系统造成的影响则是破坏了物质循环的正常进行。如对林下枯落物的利用，不单单意味着生态系统能量和养分的减少，而且还破坏了地被层及其土壤动物的生存环境。5、狩猎和捕捞 狩猎是一种特殊的干扰方式，森林中生存着大量的野生动物，有大象、昆虫和线虫等植食动物，有田鼠、蝙蝠、鸟类、蛙类、狼、狐、蜘蛛和捕食性昆虫等肉食动物，有狮、虎、豹和鹰等凶禽猛兽。人类以经济和食用为目的的非计划性狩猎，尤其是对种群数量很少的濒危动物的捕杀，将会严重破坏动物种群的生殖和繁衍，甚至造成物种的灭绝；人类对水生生物资源的适度捕捞，可保持水产品的持续利用。但是，在种群繁殖前的大量捕捞，则会使种群生殖年龄提前，个体小型化，种群数量急剧下降等。人类对生态系统的直接干扰还会产生许多间接地影响，如森林的砍伐不仅使本区域的生态环境发生变化，而且还对河流整个流域的径流造成影响，使河流的水文特征改变；采樵不仅直接对草原植被的再生造成危害，同时还因植被状况的改变而间接影响着土壤盐分和地下水资源分布的变化；水域的污染不仅直接危害了水生生物的生存安全，而且还能通过生物对有害物质的富集而对人们的身休健康构成威胁。所以，人为干扰具有广泛性、多变性、潜在性、协同性、累积和放大性等特征和性质。三、干扰的生态学意义从积极的角度看，干扰的生态学意义主要有以下三点：1、干扰有利于促进系统的演化。2、干扰是维持生态系统平衡和稳定的因子。一般来说，经常处于变化环境中物种要比稳定环境中生存的物种更可能忍受环境压力。3、干扰能调节生态关系。四、干扰生态学及学科任务干扰生态学是研究各类干扰对生命系统作用规律的科学，干扰生态学的基本研究内容可概括为：1、研究特定生态系统的干扰因子类型、干扰状况和干扰体系，即干扰因子及其存在规律和发生行为。2、研究生物个体对干扰的适应行为及其机制。3、研究生态系统各组分对干扰的反应。4、研究干扰与生态系统的发展进化。5、研究干扰的生态学意义在生态管理中的应用。第二节 退化生态系统的类型及其成因一、退化生态系统的定义及成因 退化生态系统是一类“病态”生态系统，它是指在一定的时空背景下，生态系统受自然因素、人为因素或二者的共同干扰下，使生态系统的某些要素或系统整体发生不利于生物和人类生存要求的量变和质变，系统的结构和功能发生与其原有的平衡状态或进化方向相反的位移。具体表现为生态系统的基本结构和固有功能的破坏或丧失、生物多样性下降、稳定性和抗逆能力减弱及生产力下降，故又称为“受害或受损”生态系统。生态系统退化的原因是多方面的，自然干扰和人为干扰是生态系统退化的两大触发因子。自然干扰总是使生态系统返回到生态演替的早期状态。在某些地区，人为干扰对生态退化起着主要作用，并常造成生态系统的逆向演替，以及不可逆变化和不可预料的生态后果，如土地荒漠化、生物多样性丧失和全球气候变化等。二、退化生态系统的类型常见的退化生态系统类型有以下七种：1、裸地2、森林采伐迹地 七个森林大国中，巴西、中国、印尼和刚果（金）的森林面积每年以0.1%1%的速度递减。俄罗斯、加拿大和美国以每年0.1%0.3%递增。中国现有林用地2.6亿hm2，森林覆盖率仅为13.92%，在十大自然资源中，森林资源最为短缺，人均占有森林面积仅相当于世界平均水平的11.7%。20世纪50年代初期，海南岛森林面积为25.7%，现在只有7.25%；西双版纳为55.5%，现在只有28%。50年来，长江上游的森林已损毁过半。3、弃耕地弃耕地是人类原始农耕方式而造成的一种退化类型。4、沙漠及荒漠化沙漠可由自然干扰或人为干扰而形成。这里讲的沙漠，是指在人为干扰下，原来非沙漠的土地沙漠化的现象，主要是指一些干旱地区，由于人为干扰所出现的沙漠化或原沙漠区向非沙漠区的推进。所谓荒漠化，则是指在干旱、半干旱地区和一些半湿润地区，生态环境遭到破坏，造成土地生产力衰退或丧失而形成荒漠的过程。我国已成为世界荒漠化面积最大、分布最广、受害最严重的国家之一。荒漠化土地面积超过10亿hm2，占国土地总面积近1/3。5、采矿废弃地采矿废弃地是指因采矿活动被破坏、不经治理而无法使用的土地。主要分为四种类型：（1）由剥离表土、开采的废石及低品位矿石堆积所形成的废石堆废弃地；（2）随着矿物的开采而形成的大量采空区域，即开采坑形式的废弃地；（3）由各种分选方法选出精矿后的剩余物的排放而形成的尾矿渣废弃地；（4）开采石料而形成的采石矿废弃地。6、垃圾堆放场 垃圾堆放场或堆埋场，主要是家庭、城市、工业等垃圾或遗弃废物堆积的地方，对生态环境的影响不仅仅是对耕地的占用，更为严重的是对生活环境的污染，包括对大气、地下水等的污染。7、污染的水域 主要是来自未经处理的生活和工业污水，直接排放到自然水域的人为干扰。其结果是使水源的质量下降，水域的功能降低，包括对水中生物生长、发育和繁殖的危害，甚至使水域丧失饮用水的功能。三、退化生态系统的特征1、种类组成变化2、结构变化3、生物生产力的变化。受损生态系统物种组成和群落结构的变化，必然会导致能流与物流的改变。4、土壤和小环境的变化。5、生物之间生态关系的变化。如退化的草地，常出现大量的蒿类植物，与优良牧草的生长形成竞争。四、中国退化生态系统的现状 中国从农业生产和资源的角度看，表现为东部适农西部宜牧，南方水丰北方干旱，山地平川农林互补。据1995年统计，在全国960万km2土地中，农用占14.6%，果园占0.5%，草地占41.6%，林地占17.2%，工业交通和城镇用地占2.6%，水体占3.5%，荒漠和永久雪地占27.2%。中国各类资源的人均值都低于世界平均水平，如人均土地面积为世界的1/3，森林资源为1/6，草地资源为1/3，特别是耕地资源中有世界人均的1/3。如我国水土流失面积约主180万km2，占国土总面积的18.8%，其中黄土高原地区约有80%地区有水土流失问题；北方沙漠、戈壁、沙漠化土地面积为149万km2，占国土总面积的15.5%。1987年我国已沙漠化的土地面积为20.12万km2，潜在沙漠化土地13.28万km2。目前，尚有393万hm2农田和493万hm2草场受到沙漠化威胁。草原退化面积0.87亿hm2。每年还以133万hm2的速度在增加。每年使用农药防治面积为1.53亿hm2次，劣质化肥污染农田167万hm2。脆弱生态系统是指自身稳定性差、对外界干扰抵抗能力低的生态系统。脆弱生态系统受到干扰后极易成为退化的生态系统。脆弱生态系统有三种内涵；其一是这类生态系统的正常功能一旦被打乱，系统常发生不可逆变化而失去恢复的能力；其二是生态系统发生的变化常常是深刻和全面的，它不仅能影响当前或近期人类的社会生产、生活和对自然资源的利用，甚至能长期改变一个区域的生产结构、生产和生活方式；其三是生态系统退化后的恢复是比较困难的。脆弱生态系统形成的原因有自然因素，如地质脆弱因子、地貌脆弱因子、生物群体结构和气候脆弱因子等。也有人为因素，如过度垦殖土地、过度放牧、过度樵采、过度采集、长期不合理的灌溉、矿山开发和工农业污染等。我国脆弱生态系统的面积为194万km2，超过国土总面积的1/5。它们又可分为北方半干旱半湿润区、西北干旱脆弱区、华北平原区、南方丘陵区、西南石灰岩山地、西南山地和青藏高原区。第三节 恢复生态学及其基本理论一、恢复生态学1、恢复生态学的学科任务及与其他学科的关系 恢复生态学是一门实践性很强的学科，理论研究的内容包括：生态系统结构、功能，以及生态系统内在的生态学过程与相互作用机制。生态系统的稳定性、多样性、抗逆力、生产力、恢复力与可持续性研究。先锋群落的发生、发展机理与演替规律研究；不同干扰条件下生态系统的受损过程及其响应机制研究；生态系统退化的诊断及其评价指标体系研究；生态系统退化过程的动态监测、模拟、预警及预测研究。应用技术研究的内容主要包括：退化生态系统的恢复与重建的关键技术体系研究；生态系统结构与功能的优化配置及其调控技术研究；物种与生物多样性的恢复与维持技术；生态工程设计与实施技术；环境规划与景观生态规划技术；典型退化系统恢复的优化模式试验示范与推广研究。2、恢复生态学的研究进展 1973年3月，在美国弗吉尼亚多种技术研究所和州立大学召开了题为“受损生态系统的恢复”的国际会议，这是第一次专门系统讨论受损生态系统恢复和重建等许多重要生态学问题的学术会议。1985年，Aber和Jordan首次提出了“恢复生态学”这个科学概念。防治农田生态系统的退化与恢复，我国是全世界工作最早和最好的国家之一。农田生态系统的退化实质是土壤退化的问题，这个领域的许多研究主要就是集中在退化土壤及恢复措施上，如栽培技术的革新，土壤培肥、中低产田改造、生态农业和确定农业保护地等。在北方干旱、半干旱区及沙漠地区，主要是以水分的科学利用为主，如地膜栽培技术、沙地衬膜栽培水稻等技术的研究和推广。综合我国多年来的研究，从生态系统层次上，有森林、草地、农田和水域等领域的工作，也有地带或区域性生态退化及恢复方面的研究，如干旱、半干旱区、荒漠化及水土流失地区生态恢复的理论、工程技术方面的成果。从整体上看，我国恢复生态学的研究在国际学术界是有地位的，就范围和广度而言是其他国家所不能比拟的，在某些领域还处于领先水平。3、恢复生态学中涉及的几个重要概念（1）生态恢复我国学者余作岳等（1996）关于生态恢复的定义是，研究生态系统退化的原因、退化生态系统恢复与重建的技术与方法、生态学过程与机理的科学。（2）与生态恢复相关的术语重建，即去除干扰并使生态系统恢复原有的利用方式；改良，即改善环境条件以便使原有的生物生存，一般指原有景观彻底破坏后的恢复；改进，即对原有的受损系统进行重新的修复，以使系统某些结构与功能得以提高；修补，即修复部分受损的结构；更新，指生态系统发育即向新的水平或层次的演替；再植，即恢复生态系统的部分结构和功能，或恢复当地先前土地利用方式。二、恢复生态学的基本理论1、自我与人为设计理论2、生态学理论3、生态恢复理论（1）生态恢复的原则生态恢复与重建的原则 自然法则 地理学原则区域性、差异性、地带性原则生态学原则主导生态因子原理限制性与耐性定律能量流动与物质循环原则种群密度制约与物种相互作用原则生态位与生物互补原则边缘效应与干扰原理生态演替原则生物多样性原则食物链与食物网原则缀块廊道基底的景观格局原则空间异质性原理时空尺度与等级理论系统学原则整体原则协同恢复重建原则耗散结构与开放性原则可控性原则生态恢复与重建的原则社会技术经济原则经济可行性与可承受性原则技术可操作性原则社会可接受性原则无害化原则最小风险原则生物、生态与工程技术相结合原则效益原则可持续发展原则美学原则景观美学原则健康原则精神文化愉悦原则（2）生态恢复的机理 退化生态系统恢复和重建，实际上是依据生态学原理，通过一定的生物、生态以及工程的技术和方法，人为地改变和消除生态系统退化的主导因子或过程，调整、配置和优化系统内部及其与外界的物质、能量和信息的流动过程及其时空秩序，使生态系统的结构、功能和生态学潜力成功地恢复乃至得以提高。在退化生态系统的恢复和重建过程中，首先是建立和完善生产者亚系统（主要指植被）。在恢复和重建生产亚系统同时或稍后，就应设计和建立消费者亚系统、分解者亚系统，进而要考虑小生境的多样性，正是多样性导致了群落的稳定性。（3）生态恢复的标准一是可持续性；二是不可入侵性；三是生产力；四是营养保持力；五是具有生物间的相互作用。思考题：1、何为人为干扰？适度干扰在生态学上有哪些积极作用？2、何为退化生态系统？以森林为例，退化生态系统有哪些变化特征？3、何为生态恢复？简述生态恢复的基本理论。4、生态恢复的标准有哪些？你有哪些新的看法？