环境保护与可持续发展-2.ppt

第二章 生态系统退化,第一节 生态系统的基本概念,生态系统 是一定空间内由生物成分和非生物成分组成的一个生态学功能单位。 从人类的角度理解，生态系统包括人类本身和人类的生命支持系统大气、水、生物、土壤和岩石，这些要素也在相互作用构成一个整体，即人类的自然环境。除了上述自然生态系统以外，还存在许多人工生态系统，例如，农田、果园等以及宇宙飞船和用于生态学试验的各种封闭的微宇宙（亦称微生态系统，例如美国的生物圈一号）。,第一节 生态系统的基本概念,任何生态系统都具有以下共同特性： 具有能量流动、物质循环和信息传递三大功能。生态系统内能量的流动通常是单向的，不可逆转。但物质的流动是循环式的。信息传递包括物信息、化学信息、营养信息和行为信息，构成一个复杂的信息网。 具有自我调节的能力。生态系统受到外力的胁迫或破坏，在一定范围内可以自行调节和恢复。系统内物种数目越多，结构越复杂，则自我调节能力越强。 是一种动态系统。任何生态系统都有其发生和发展的过程，经历着由简单到复杂，从幼年到成熟的过程。,一、生态系统的组成和类型,首次将能量和物质输入生态系统的同化过程称为初级生产，以简单无机物为原料制造有机物的自养者称为初级生产者。,第一节 生态系统的基本概念,消费者和分解者都依赖初级生产提供的能量和养分通过代谢作用构成自身和其生物量形成的生产称为次级生产，作为异养生物被统称为次级生产者。在健康的生态系统中，物质在各组分之间有序循环，能量在各组分之间迅速流动。,第一节 生态系统的基本概念,生态系统类型： 生态系统可根据地理条件的不同而分为两大类：水生生态系统和陆地生态系统。 水生生态系统：海洋生态系统和淡水生态系统。 淡水生态系统：流水生态系统和静水生态系统等。 陆地生态系统：森林、草原、荒漠、高山、冻原等生态系统。 森林生态系统：热带、亚热带、温带和寒温带森林等生态系统。,第一节 生态系统的基本概念,二、食物链和食物网 食物链：各种生物之间存在着取食和被取食的关系。 食物网：许多食物链经常互相交叉，形成一张无形的网络，把许多生物包括在内，这种复杂的捕食关系就是食物网。,第一节 生态系统的基本概念,二、食物链和食物网 食物网越复杂，生态系统就越稳定。因为食物网中某个环节（物种）缺失时，其他相应环节能起补偿作用。相反，食物网越简单，则生态系统越不稳定。 例如，某个生态系统中只有一条食物链：林草鹿狼。如果狼被消灭，没有天敌的鹿大量繁殖，超过林草的承载力，草地和森林遭到破坏，鹿群也被饿死，结果是整个生态系统的破坏。这正是美国亚利桑那州一个林区曾经发生的情况。如果当地还存在另一种食肉动物，鹿群的大量增长就能刺激这种食肉动物的繁殖，从而减少鹿群的数量，使健康的生态系统得以维持。,第一节 生态系统的基本概念,二、食物链和食物网 捕食食物链：以活的动植物为起点 碎屑食物链：以死的生物或腐屑为起点 陆地生态系统和许多水生生态系统中，能量流动主要通过碎屑食物链，净初级生产量中只有很少一部分通向捕食食物链。只有在某些水生生态系统中，例如在一些由浮游藻类和滤食性原生动物组成食物链的湖泊中，捕食食物链才成为能量流动的主要渠道。,第一节 生态系统的基本概念,三、营养级和生态金字塔 某个营养级就是食物链某个环节上一切生物种的总和，是处在某一营养层次上一类生物和另一营养层次上另一类生物的关系。,第一节 生态系统的基本概念,三、营养级和生态金字塔 当能量在食物网中流动时，其转移效率是很低的。下面营养级所储存的能量只有大约10能够被其上一营养级所利用。其余大部分能量被消耗在该营养级的呼吸作用上，以热量的形式释放到大气中去。这在生态学上被称为10定律或1/10律。,第一节 生态系统的基本概念,四、生态系统的功能 能量流动 地球是一个开放系统，存在着能量的输入和输出。能量输入的根本来源是太阳能，食物是光合作用新近固定和储存的太阳能，化石燃料则是过去地质年代固定和储存的太阳能。 光合作用是植物固定太阳能的惟一有效途径，其总反应式： 6CO212H2OC6H12O6+6O26H2O,第一节 生态系统的基本概念,四、生态系统的功能 能量流动 生态系统中的能量流动都是按照热力学第一定律和第二定律进行的。 热力学第一定律：能量可以从一种形式转化为另一种形式，在转化过程中，能量既不会消失，也不会增加，这就是能量守恒原理。 热力学第二定律：能量的流动总是从集中到分散，从能量高向能量低的方向传递。在传递过程中总会有一部分能量成为无用能被释放出去。,第一节 生态系统的基本概念,四、生态系统的功能 能量流动 太阳能约30被反射回去，19被大气吸收，其余的51到达地面地球表面上大部分地区没有植物，到达绿色植物上的太阳辐射只有10左右植物叶面又反射一部分，能被植物利用太阳能的只有1左右草食性动物肉食性动物 微生物分解把复杂的有机物转化为简单的无机物，同时把有机物中储存的能量释放到环境中去。生产者、消费者和分解者的呼吸作用也要消耗部分能量，被消耗的能量也以热量的形式释放到环境中。,第一节 生态系统的基本概念,四、生态系统的功能 物质循环 有机体中几乎可以找到地壳中存在的全部90多种天然元素。但是，生物学研究表明，对生命必须的元素只有大约24种，即碳、氧、氮、氢、钙、硫、磷、钠、钾、氯、镁、铁、碘、铜、锰、锌、钴、铬、锡、钼、氟、硅、硒、钒，可能还有镍、溴、铝和硼。上述元素中的四种，即碳、氢、氧和氮，占生物有机体组成的99以上，在生命中起着最关键的作用，被称为“关键元素”或“能量元素”。,能量流动碳循环 碳是构成生物体的基本元素，占生物总质量约25。在无机环境中，以二氧化碳和碳酸盐的形式存在。 生态系统中碳循环的基本形式是大气中的CO2通过生产者的光合作用生成碳水化合物，其中一部分作为能量为植物本身所消耗，植物呼吸作用或发酵过程中产生的CO2通过叶面和根部释放回到大气圈，然后再被植物利用。 碳水化合物的另一部分被动物消耗，食物氧化产生的CO2通过动物的呼吸作用回到大气圈。动物死亡后，经微生物分解产生CO2也回到大气中，再被植物利用。这是碳循环的第二种形式。 生物残体埋藏在地层中，经漫长的地质作用形成煤、石油和天然气等化石燃料。它们通过燃烧和火山活动放出大量CO2，进入生态系统的碳循环。这是碳循环的第三种形式。,第一节 生态系统的基本概念,能量流动氮循环 氮是形成蛋白质、氨基酸和核酸的主要成分，是生命的基本元素。 大气中含量丰富的氮绝大部分不能被生物直接利用。大气氮进入生物有机体的主要途径有四：生物固氮（豆科植物、细菌、藻类等）；工业固氮（合成氨）；岩浆固氮（火山活动）；大气固氮（闪电、宇宙线作用）。其中第一种能使大气氮直接进入生物有机体，其他则以氮肥的形式或随雨水间接地进入生物有机体。,能量流动硫循环 地球中的硫大部分储存在岩石、矿物和海底沉积物中，以黄铁矿、石膏和水合硫酸钙的形式存在。 大气圈中天然源的硫包括H2S、SO2和硫酸盐。H2S来自火山活动、沼泽、稻田和潮滩中有机物的嫌气（缺氧）分解等途径；SO2来自火山喷发的气体；大气圈中硫酸盐（如硫酸铵）则来自海浪花的蒸发。 大气圈中硫的1/3（包括硫酸盐的99）来自人类活动，其中的2/3来自含硫化石燃料（煤和石油）的燃烧，其余来自炼油和冶金工业和其他工业过程。 进入大气圈的H2S和SO2均可氧化成SO3，进一步与水汽反应生成硫酸。SO2和SO3也可与大气圈中的其他化学品反应生成亚硫酸盐和硫酸盐。这些硫酸和硫酸盐都是酸沉降的组成部分。,能量流动磷循环 生态系统中的磷具有不同于上述元素的特点。 第一，它全部来源于岩石的风化作用，经破碎、溶解在土壤水中，被植物吸收。但生态系统中可利用的磷很少，因为磷酸盐难溶于水，地球上含磷的岩石也不多。因此，在许多土壤和水体中，缺磷常常是植物生长的限制性因素。另一方面，水体中磷的过度增加又可能引起富营养化。 第二，它在循环过程中和微生物的关系不像碳和氮那样大。生物死亡后，躯体中的磷酸盐逐渐释放出来，回到土壤和海洋中去。 第三，磷不进行大气迁移，因为在地表的温度和压力下，磷及其化合物不以气态存在。,第一节 生态系统的基本概念,四、生态系统的功能 信息传递 物理信息：物理信息由声、光和颜色等构成。 化学信息：化学信息由生物代谢作用产物（尤其是分泌物）组成的化学物质。 营养信息：营养信息由食物和养分构成。通过营养交换的形式，可以将信息从一个种群传递给另一个种群。食物网和食物链就是一个营养信息系统。 行为信息:无论是同一种群还是不同种群，它们的个体之间都存在行为信息的表现。不同的行为动作传递不同的信息。例如，某些动物以飞行姿势和舞蹈动作传递觅食和求偶信息，以鸣叫和动作传递警戒信息等。,第一节 生态系统的基本概念,五、生态平衡 任何一个正常、成熟的生态系统，其结构与功能，包括其物种组成，各种群的数量和比例，以及物质与能量的输出、输入等方面，都处于相对稳定状态。就是说，在一定时期内，系统内生产者、消费者和分解者之间保持着一种动态平衡，系统内的能量流动和物质平衡在较长时期内保持稳定。这种状态就是生态平衡，又称自然平衡。,第一节 生态系统的基本概念,五、生态平衡 如果生态系统中物质与能量的输入大于输出，其总生物量增加，反之则生物量减少。在自然状态下，生态系统的演替总是自动地向着物种多样化、结构复杂化、功能完善化的方向发展。如果没有外来因素的干扰，生态系统最终必将达到成熟的稳定阶段。那时生物种类最多，种群比例最适宜，总生物量最大，系统的内稳性最强。,第一节 生态系统的基本概念,五、生态平衡 影响生态平衡的因素既有自然的，也有人为的。 自然因素如火山、地震、海啸、林火、台风、泥石流和水旱灾害等常常在短期内使生态系统破坏或毁灭。受破坏的生态系统在一定时期内有可能自然恢复或更新。 人为因素包括人类有意识“改造自然”的行动和无意识造成对生态系统的破坏。例如，砍伐森林、疏于沼泽、围湖围海（垦殖）和环境污染等。这些人为因素都能破坏生态系统的结构与功能，引起生态失调，直接或间接地危害人类本身。所谓的“生态危机”大多是指人类活动引起的此类生态失调。,第二节 自然生态系统的退化,一、海岸带生态系统的退化 海岸带生态系统：海岸线向海陆两侧扩展一定距离的海岸带状区域和附近的海域，地处水圈、岩石圈、大气圈和生物圈交汇的生态过度带，兼备海洋生态系统和陆地生态系统两者的特征。 子系统：包括海岸生态系统、近海海洋生态系统、陆地生态系统和海洋湿地系统。 我国研究人员常把海岸带生态系统划分为9个生态类型：海湾、河口、草滩湿地、海藻（草）床、红树林、珊瑚礁、海岛、一般浅海和养殖生态系。,第二节 自然生态系统的退化,全球沿海地区的平均人口密度是全球平均人口密度的2倍。其中1亿多人口生活在海拔高度不超过1m的地方。世界上33个大都市中有21个位于沿海地区。,第二节 自然生态系统的退化,一、海岸带生态系统的退化 海岸带地区的高度城市化进程，引起了海岸线退化，红树林珊瑚礁等面积减退，对近海岸生态系统健康造成巨大的胁迫。对海岸线的开发，使海滨、沙丘、湿地、红树林、礁岛和暗礁等能减弱自然灾害的缓冲地带激剧减少。,第二节 自然生态系统的退化,一、海岸带生态系统的退化 人类活动带来的海岸带生态系统结构的剧烈变化，使该系统提供自然资源和支持环境的能力严重退化，系统脆弱性和敏感性进一步加剧。 近岸海域污染导致赤潮频繁爆发，生物多样性减少，引起渔业资源衰退，海岸侵蚀与淤积导致海岸线后退，严重干扰了海岸地区的生态安全。,第二节 自然生态系统的退化,一、海岸带生态系统的退化 我国海岸带生态系统退化主要体现在海岸线后退，红树林和珊瑚礁生态系统局部退化，海岸带防护林破碎化，海岸带土地局部出现沙化和贫瘠化等方面。 组成海岸带生态系统的近海海域，也出现了退化状态。 生物多样性下降，1970-2000海洋生物种减少了30%。 商业鱼种在个体大小和总群数量上，已经受到了严重威胁。,第二节 自然生态系统的退化,二、淡水生态系统的退化 水资源减少和用水量的增加： 全球可利用的淡水资源有限，且分布不均。不同区域自然地理条件的差异，导致不同的降水、径流和水文状况，从而形成水资源量在空间上的不同分布。 水资源量不仅仅取决于河流径流量，以及与河流径流量相关的大气降水量和蒸发量，还和人类用水量息息相关。从工业革命到现在，世界农业用水量增加了7倍，工业用水量增加了20倍，且将以每年4%-8%的速度持续增加。 自然水量的减少和人类用水量的不断增加，在两个方面减少着淡水生态系统的基质，成为淡水生态系统维持系统的健康、保持系统服务功能的巨大压力。,第二节 自然生态系统的退化,二、淡水生态系统的退化 水质下降：农业施肥、城市废水和城区径流等污染物，加剧了水质下降。目前，全世界每年排放污水约4260亿吨，造成55000亿立方米的水体受到污染，约占全球径流量的14%以上。 淡水资源的过度开发和水质不断下降，给淡水生物种群带来了巨大的压力。 许多水生的珍稀和濒危物种，也面临灭绝的威胁。,第二节 自然生态系统的退化,三、农业生态系统的退化 农业生态系统是基于人类满足自身生存需要，通过积极干预自然所形成的具有自然、社会双重属性，生态、经济、社会多种功能的半自然复合生态系统。它包括人类生产的农田系统和生活的村落环境。 农田面积减少：工业化和城市化的加快 沙漠化和荒漠化 土壤退化：指在各种自然和认为因素影响下所发生的导致土壤自然生产力和环境调控潜力持续下降甚至完全丧失的物理、化学和生物学过程。 高度集约经营的现代农业，在加大农药化肥地膜投入的基础上，增加了农业产出，但导致了农田土壤退化，土地自然生产力衰竭，农业生态系统功能降低。,第二节 自然生态系统的退化,三、农业生态系统的退化 种植物种单一化：现代农业都是以特定物种为主导的单元化经营，增加了受天敌侵害的可能性。 外来物种入侵： 由于高产品种的推广，使很多地方种消失。 生物入侵是在农田生态系统中引进新物种的一个生态风险。由于入侵物种缺乏必要的制约因素，容易大量繁殖，迅速扩散，对农业生产和环境保护造成巨大危害。,第二节 自然生态系统的退化,三、农业生态系统的退化 种植物种单一化： 外来物种入侵,第二节 自然生态系统的退化,四、草原生态系统的退化 草原生态系统是以多年生草本植物为主要生产者的陆地生态系统。全球气候变暖和不合适的草地开发利用，使全球约50%的草地退化和处于退化状态，威胁着草地生态系统健康。 植被结构改变：气候变暖，气温升高造成 能量不平衡：过度放牧干扰了草地生态系统内的植被关系和能量平衡，减少了群落的物种多样性。 自我调节功能减弱 草场退化：草原开垦，发展农业生产,第二节 自然生态系统的退化,五、森林生态系统的退化 森林生态系统是以乔木为主体的生物群落（包括植物、动物和微生物）及其非生物环境(光、热、水、气、土壤等）综合组成的动态系统，是陆地生态系统中组成结构最复杂，生物种类最丰富，生物量最大，生产力最高，自我调节能力最强，稳定性最大以及功能最完善的有机部分。 森林面积减少：大量砍伐森林，用于出口木材，或者改造为农业用地。 森林结构简单：森林破坏后，常常自然形成次生林，或者通过人工种植形成人工林。 次生林中幼林比例升高，种类成分单纯，群落层次结构简单，稳定性差，生态系统结构和功能趋于简单。 人工林种类组成单一，结构简单，易受干扰，自我调节能力差。,第三节 城市生态系统的脆弱化,一、全球和中国的城市化进程 二、城市生态系统 概念：城市生态系统是城市居民与周围环境相互作用形成的网络结构，是人类在改造和适应自然环境的基础上，建立的特殊人工生态系统。在时空分布上，城市是人类生产和生活活动集中的较大场所。在功能上，城市是经济实体、社会实体、科学文化实体和自然实体的有机统一。,自然及物理子系统是城市赖以生存的基础，各部门经济活动和代谢过程子系统是城市生存和发展的活力和命脉，人的社会行为及文化观念子系统是城市演替与进化的动力泵。他们互为环境，相辅相成，相克相生，导致了城市这个高度人工化生态系统的矛盾运动。,第三节 城市生态系统的脆弱化,第三节 城市生态系统的脆弱化,二、城市生态系统 城市生态系统的组成： 自然系统：城市居民赖以生存的基本物质环境，如太阳、空气、森林、气候、岩石、土壤、动物、植物、微生物、矿藏以及自然景观等。 经济系统：设计生产、分配、流通与消费的各个环节，它以物资从分散向集中的高密度运转，能量从低质向高质的高强度集聚，信息从低序向高序的连续积累为特征。 社会系统：城市居民及其物质生活和精神生活诸方面。社会系统产生于人类的自身活动，主要存在于人于人之间的关系上，存在于意识型态领域中。,第三节 城市生态系统的脆弱化,二、城市生态系统 城市生态系统的结构： 空间结构：城市由各类建筑群、街道、绿地等构成，形成一定的空间结构。城市空间结构往往取决于城市的地理条件、社会制度、经济状况、种族组成等因素。,第三节 城市生态系统的脆弱化,社会结构：包括人口、劳动力和智力结构。城市人口是城市的主体，其数量往往决定着城市的规模和等级。 经济结构：由生产系统、消费系统、流通系统几部分组成。各部分的比例因城市不同而已，主要取决于城市的性质和职能。,第三节 城市生态系统的脆弱化,城市生态系统的结构： 营养结构：城市生态系统是以人类为中心成分的复合生态系统，系统中生产者绿色植物的量很少，主要消费者是人，而不是其他动物；分解者微生物也少。因此城市生态系统不能维持自给自足的状态，需要从外界供给物质和能量，从而形成不同于自然生态系统的倒三角营养结构。,第三节 城市生态系统的脆弱化,三、城市生态系统的脆弱现状 （一）城市小气候 城市热岛效应：由于空气组成成分和下垫面改变等原因，导致太阳短波反射、反射率、长波辐射、大气温度等不同于乡村自然生态系统，出现城市“热岛”现象，即随着人口密度、建筑物密度等由城市内向外逐渐降低，城市气温呈现由中心向外递减的现象。,第三节 城市生态系统的脆弱化,城市冠层：指直接受到下垫面建筑物和人类活动的影响，内部流场结构被改变的地面至建筑物顶层的大气层。城市冠层作为城市边界层的最底层部分，表现为内部风温特征复杂，湍流运动紊乱，风速降低。 城市化使市区由过去的城郊非均匀下垫面转变成城市粗糙下垫面，市区建筑群相应增多、增密和增高，使得下垫面的动力学粗糙程度相应增大，当地的流场结构发生了根本的改变。,第三节 城市生态系统的脆弱化,（二）城市水循环 1.总降水减少，水循环改变 城市建设中大量兴建的房屋和道路，扩大了不透水的地面面积，使大部分天然植被消失，形成生态学上的城市沙漠。城市沙漠的干旱化，使降水的云下蒸发过程加强，从而减少降水量。,第三节 城市生态系统的脆弱化,降落到地面的水，因为城市地表透水性的改变，无法渗入地下补充地下水，绝大部分成为地表水，携带着地表污染物，沿城市下水管网直接排入城市附近水域，污染城市流域地表水。 城市水渠和下水管道，还缩短了汇流时间，增大了径流曲线的峰值，弱化了城市抵御洪水的能力，增加了城市生态系统的脆弱性。,第三节 城市生态系统的脆弱化,到武汉看海,第三节 城市生态系统的脆弱化,2、淡水资源短缺，地下水过度开采 城市水资源是指一切可以被城市的居民生活和工农业生产利用的水源，包括当地的天然淡水资源、外来饮水资源和经处理过的污水。 为了满足城市经济活动过程中的大量需水，地下水成为城市的主要补充水源。地下水的过度开采，将导致地下水位下降，在城市形成地下水区域性降落漏斗。,第三节 城市生态系统的脆弱化,3、城市流域水体污染 城市生产和生活排放的污水，导致了城市流域的水污染。城市区域内云集着工矿企业，工业生产的高度发展，推动着城市经济。而工业生产产生的大量污水，污染着城市内和城市周边的水域。 随着城市人口的不断增加，人们生活水平不断提高，城市生活污水排放量逐渐增加。,第三节 城市生态系统的脆弱化,3、城市流域水体污染 城市面源污染就是指在降水的条件下，雨水和径流冲刷城市地面，使污染物进入受纳水体引起的环境问题。 城市污水排放量和面源污染量的不断增加，使城市供水系统处于脆弱状态。,太湖蓝藻爆发导致水危机,第三节 城市生态系统的脆弱化,（三）城市土壤环境 人类活动对土壤的践踏或重物积压，改变土壤团粒结构，减弱土壤透水性，破坏了城市自然水系。 酸雨造成城市土壤的pH比自然生态系统的pH低； 土壤由于尘埃、垃圾和废水的污染，出现富营养化和碱化。 城市生活垃圾的增加，尤其有毒有害固体废弃物的增加，加速了城市生态系统土壤质量的恶化。,食品安全？,第三节 城市生态系统的脆弱化,（四）城市中的人工生物环境 植物：