恢复生态学.ppt

,DepartmentofEnvironmentalScienceandEngineering,回顾,1、污染生态学的概念2、环境污染概述3、污染物在环境中的迁移及转化4、污染物在生物体内的生物转运和生物转化5、污染物在生物体内的浓缩、积累和放大6、生物对污染物在环境中行为的影响7、污染生态效应及其评价,DepartmentofEnvironmentalScienceandEngineering,中篇：污染与恢复生态学,1、恢复生态学的概念2、恢复生态学的学科任务3、恢复生态学的理论框架4、生态退化5、生物入侵6、生态恢复的技术方法7、生态恢复的案例8、恢复生态学与污染生态学的关系,二、恢复生态学,1、恢复生态学的概念,Jordan等（1987）和Brawshaw（1987）等对恢复生态学定义可理解为：以生态学的基本理论为指导，在重建和恢复生态系统的过程中，通过简单到复杂、片面到全面的综合过程与理解、检验和发展生态学理论的一门科学。余作岳等（1996）提出，恢复生态学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。,1、恢复生态学的概念,国际生态恢复学会（SER,2002)的定义是：生态恢复是帮助退化、受损或毁坏生态系统恢复的过程。因而恢复生态学则是生态恢复这一实践活动的理论、模式、方法与工具，同时也是检验和发展生态学理论的平台。,2、恢复生态学的学科任务,恢复生态学是80年代迅速发展起来的现代应用生态学的一个分支，主要致力于那些在自然灾变和人类活动压力下受到破坏的自然生态系统的恢复与重建，它是最终检验生态学理论的判决性试验。它所应用的是生态学的基本原理，尤其是生态系统演替理论。恢复生态学在加强生态系统建设和优化管理以及生物多样性的保护具有重要的理论和实践意义。学科任务是：致力于研究自然灾变和人类活动压力条件下，受到破坏的自然生态系统的恢复和重建问题。,2、恢复生态学的学科任务,理论研究内容：生态系统的结构、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与顶极群落的发生、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,2、恢复生态学的学科任务,应用技术研究内容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生态系统恢复的优化模式试验示范与推广研究,3、恢复生态学的理论框架,3.1恢复生态学中涉及的几个重要概念,重建（rehabilitation），即去除干扰并使生态系统恢复原有的利用方式；改良（reclamation），即改善环境条件以便使原有的生物生存；改进（enhancemen），即对原有的受损系统进行重新修复，以使系统某些结构与功能得以提高；修补（remedy），即修复部分受损的结构；更新（renewal），指生态系统发育即向新的水平或层次的演替；再植（revegtation），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。,3、恢复生态学的理论框架,3.2.1恢复生态学的理论框架1、自我设计与人为设计理论自我设计理论认为：只要有足够的时间，随着时间的进程，退化生态系统将根据环境条件合理地组织自己并最终改变其组分。人为设计理论认为：通过工程方法和植物重建可直接恢复退化生态系统，但恢复的类型是多样的。这一理论把物种的生活史作为植被恢复的重要因子，并认为通过调整物种生活史的方法就可加快植被的恢复。两种理论不同点：自我设计理论把恢复放在生态系统层次考虑，未考虑缺乏种子库的情况，其恢复的只能是环境决定的群落；人为设计理论把恢复放在个体或种群层次上考虑，恢复的可能是多种结果。,3、恢复生态学的理论框架,2、生态学理论恢复生态学应用了很多学科的理论，但最主要的还是生态学理论，包括：（1）限制性因子原理（寻找生态系统恢复的关键因子）；（2）热力学定律（确定生态系统能量流动特征）；（3）种群密度制约及分布格局原理（确定物种的空间配置）；（4）生态适应性理论（尽量采用乡土种进行生态恢复）；（5）生态位原理（合理安排生态系统中物种及其位置）；（6）演替理论（缩短恢复时间，极端退化的生态系统恢复时，演替理论不适用，但具指导作用）；（7）植物入侵理论；（8）生物多样性原理（引进物种时强调生物多样性，生物多样性可能导致恢复的生态系统稳定）；（9）缀块廊道基底理论（从景观层次考虑生境破碎化和整体土地利用方式）。,3、恢复生态学的理论框架,3、生态恢复理论恢复生态学的研究对象是退化生态系统，其恢复涉及许多方面，但生态恢复的最本质问题是恢复生态系统的必要功能并使之具有系统自我维持能力。生态恢复与重建的原则一般包括自然法则、社会经济技术原则、美学原则三方面。,4、生态退化,4.1概念退化生态系统是一类病态的生态系统，是指在一定的时空背景下，在自然因素、人为因素、或两者的共同干扰下，导致生态要素（包括大气、水、土壤、动植物）和生态系统整体发生的不利于生物和人类生存的量变和质变，生态系统的结构和功能发生与其原有的平衡状态或正常的演替方向相反的变化过程。,4、生态退化,4.2生态退化的表现生态系统的基本结构和固有功能的破坏、紊乱或丧失、生物多样性下降、系统稳定性和抗逆能力减弱，系统生产力下降。,4、生态退化,4.2生态退化的分类退化的生态系统根据其“病因”及退化症状，可分为不同的类型。（1）对于陆地生态系统而言，可分为裸荒地、森林采伐或火烧迹地、弃耕荒地、石质化地、沙漠化地，退化草场、采矿废弃地和垃圾堆放场地等几种类型。（2）水生生态系统的退化也表现出不同的类型，如水体富营养化、赤潮、湖泊萎缩、水体沼泽化、河流断流、水体酸化等。,4、生态退化,（3）大气生态系统的退化主要有大气污染、全球气候变化、酸雨、臭氧层破坏等几种类型。（4）对于人类自然复合生态系统而言，环境恶化、生物多样性丧失、资源匮乏、经济贫困、社会动荡、文化落后等都是典型的退化现象。根据生态系统“病情”的轻重，又分为轻度退化、中度退化和强度退化。不同的退化情况，人们对其进行恢复与重建所采取的技术以及付出的代价也是不一样的。,4、生态退化,4.3生态退化的原因生态系统退化的原因是多方面的，自然因素和人为干扰是生态系统退化的两大驱动力和触发因子。4.3.1生态退化的自然原因（1）地质地貌与生态退化地质地貌是生态系统得以存在和发展的载体和物质基础，并在形态上反映其环境的某些外部特征。不稳定的地质地貌结构，偶发性的或突发性的地质灾害可诱发生态退化。常见的地质灾害包括地震、火山、滑坡、崩塌、泥石流等，它们可在短时间内由纯粹的一种地质作用转化为一种生态灾害。,汶川地震灾后恢复重建生态修复专项规划,规划提出，用3年左右时间，基本恢复灾区森林植被和野生动物栖息地，恢复重建受损的自然保护区，林木种苗生产和牧草种子基地生产能力恢复到灾前水平，使水土流失得到一定控制，森林、草地等生态功能初步恢复，恢复重建灾区受损的生态保护、环境保护基础设施，使生态环境监管能力得到恢复。,4、生态退化,（2）气候水文因素与生态退化气候和水文因素的异常变化主要包括温度、降雨、风的波动或巨变等。例如，暴雨洪水对环境和生物的破坏而言，当雨量超过土壤保持稳定指标的时候，就会形成地面冲刷，造成水土流失。,4、生态退化,4.3.2生态退化的社会原因（1）人口增长与生态退化全球人口数量的超常增长与地球资源的有限与匮乏之间的矛盾是导致生态退化的重要原因。人类-自然复合生态系统各组分之间具有相互协调的发展比例，人口的增长速度及其对资源的需求量不能超过全球生态系统生产者的供给速度和总量。地球具有一定的环境容纳量和人口承载能力，因此一旦人口数量超过区域和全球的生态承载能力，势必引起人地关系的失调和人均占有资源的减少，结果导致土地过耕、过牧、过渔、过猎及对资源的掠夺性开发利用和环境的破坏，出现生态危机和生态灾难。当今世界面临的人口、粮食、资源、能源、环境五大社会问题，其核心实质上就是人口问题。,4、生态退化,（2）农业活动与生态退化人类对生态环境的作用和破坏首先是从农业活动开始的。土地的农业利用使大范围的自然生态系统被人工生态系统所代替，森林变为农田、牧场和荒地，自然植被被作物和人工经济林、裸荒地所取代，从而改变了地球的被覆情况和下垫面性质，导致区域水热循环模式和气候的异常变化。同时，人类不合理的土地利用方式直接地、深刻地影响着环境。,人类的栽培管理筛选和驯化了物种，引进了新品种，改变了原有生物群落的组成和多度。大量的野生物种和基因流失，降低了生物多样性。农业生态系统结构变得简化，物种单一贫乏，而且农作物的特化性较强，适应环境能力弱，因此，农业生态系统是一个较为脆弱的易退化的生态系统。农业现代化和科学技术的广泛应用对环境也起着不可忽视的负面影响。农药、化肥和广泛使用严重威胁着人类健康。,4、生态退化,（3）工业化与生态退化工业通过其产品、现代生活与交通工具的生产和投入使用，彻底地改变了人类的生活和生产方式，直接或间接地冲击自然环境，扰乱着生物和人类的生存环境和秩序。工业本身是一个重要的污染源，它通过“三废”物质的排放给环境带来沉重的压力和负荷。当今世界面临的全球变化与环境污染问题在很大程度上要归罪于人类的工业活动。,4、生态退化,（4）城市化与生态退化城市“钢筋水泥化”的人工环境，改变了区域地貌、气候、水文等景观生态背景，改变了生物原有的生存环境。城市生态系统是一个较为脆弱的高度人工化生态系统。城市也不仅是一个重污染源，同时在很大程度上依赖于外界环境。,4、生态退化,（5）政治、战争与生态退化不合理的政治经济政策会导致生态退化。战争是人类对自然生态系统和人类生态系统最无情最具有毁灭性的一种政治行为。战争的直接生态后果是对生物和人的生命的无情掠夺及对土地的破坏和对环境的严重污染。,4、生态退化,（6）贫困与生态退化贫困通常是自然、社会、文化以及历史和现实等多种因素交织作用的综合产物，贫困常常与较高的人口增长率及较低的人口素质相伴随。在一些贫困地区，通常形成“贫困人口增长资源环境破坏贫困加剧”的恶性循环。因此，发展经济，消除贫困是防止生态环境恶化以及维护区域可持续发展的一个必不可少的战略措施。,4、生态退化,（7）文化、旅游活动与生态退化文化会对环境产生间接与潜移默化的影响。人类经历了原始的自然与农业文化、工业与城市文化及当今提倡的“生态文化”三个阶段。在原始的自然与农业文化阶段中，人类将自身融于自然之中，对自然生态环境的影响很小。到了工业与城市文化阶段，人类对对自然的肆意的、掠夺性的索取，导致了人地关系的严重失调和环境危机。直到目前，人类仍未摆脱这种文化带来的生态阴影。近年来，越来越多的有识之士提倡生态文明，主张人类应与自然协调地持续发展，但要达到这种生态文明阶段还要一段相当长的时间。在开发旅游的过程中对大量原始生态环境的破坏及旅游造成的环境污染都扰乱和破坏了原有的动植物生活和生存环境，导致一些物种的迁徙与灭绝，从而引起生态退化。,5、生物入侵,5.1生物入侵的概念生物入侵是指某种生物从外地自然传入或人为引种后成为野生状态，并对本地生态系统造成一定危害的现象。这些生物被叫做外来物种。外来入侵物种具有生态适应能力强，繁殖能力强，传播能力强等特点；被入侵生态系统具有足够的可利用资源，缺乏自然控制机制，人类进入的频率高等特点。,5、生物入侵,5.2生物入侵的渠道（1）自然入侵这种入侵不是人为原因引起的，而是通过风媒、水体流动或由昆虫、鸟类的传带，使得植物种子或动物幼虫、卵或微生物发生自然迁移而造成生物危害所引起的外来物种的入侵。如紫茎泽兰，微甘菊以及美洲斑潜蝇都是靠自然因素而入侵我国的。,5、生物入侵,（2）无意引进这种引进方式虽然是人为引进的，但在主观上并没有引进的意图，而是伴随着进出口贸易，海轮或入境旅游在无意间被引入的。如“松材线虫”就是我国贸易商在进口设备时随着木材制的包装箱带进来的。航行在世界海域的海轮，其数百万吨的压舱水的释放也成为水生生物无意引进的一种主要渠道。此外，入境旅客携带的果蔬肉类甚至旅客的鞋底，可能都会成为外来生物无意入侵的渠道。,德国小蠊，原产于德国，故称“德国小蠊”。因国际间的贸易往来，在商品流通运输的过程中输入我国，由于其体态与蟑螂极为相似，个体的大小如一般蟑螂成虫的四分之一，属蟑螂的一个品种。德国小蠊正式大规模入驻中国有近二十年的时间，已经从开始的少数大城市蔓延到几乎中小城市甚至小集镇和农村地区，据国家疾控中心相关资料显示，一只雌性德国小蠊一年最多可以繁殖出一百万只后代。随着防治用杀虫剂的大量使用，德国小蠊已经具备了极强的抗药性，多数杀虫剂对其无效。因德国小蠊的存在和难以防治，导致目前蟑螂已取代老鼠成为四害之首！,5、生物入侵,（3）有意引进应当说，这是外来生物入侵的最主要的渠道，世界各国出于发展农业、林业和渔业的需要，往往会有意识引进优良的动植物品种。如20世纪初，新西兰从我国引种猕猴桃，美国从我国引种大豆等。但由于缺乏全面综合的风险评估制度，世界各国在引进优良品种的同时也引进了大量的有害生物，如大米草、水花生、福寿螺等。这些入侵种由于被改变了物种的生存环境和食物链，在缺乏天敌制约的情况下泛滥成灾。全世界大多数的有害生物都是通过这种渠道而被引入世界各国的。,5、生物入侵,5.3生物入侵的后果（1）外来物种入侵会严重破坏生物的多样性，并加速物种的灭绝外来物种入侵是威胁生物多样性的头号敌人，入侵种被引入异地后，由于其新生环境缺乏能制约其繁殖的自然天敌及其他制约因素，其后果便是迅速蔓延，大量扩张，形成优势种群，并与当地物种竞争有限的食物资源和空间资源，直接导致当地物种的退化，甚至被灭绝。,5、生物入侵,（2）外来物种入侵会严重破坏生态平衡外来物种入侵，会对植物土壤的水分及其他营养成份，以及生物群落的结构稳定性及遗传多样性等方面造成影响，从而破坏当地的生态平衡。如引自澳大利亚而入侵我国海南岛和雷州半岛许多林场的外来物种薇甘菊，由于这种植物能大量吸收土壤水分从而造成土壤极其干燥，对水土保持十分不利。此外，薇甘菊还能分泌化学物质抑制其他植物的生长，曾一度严重影响整个林场的生产与发展。,5、生物入侵,（3）外来物种入侵会因其可能携带的病原微生物而对其他生物的生存甚至对人类健康构成直接威胁如起源于东亚的“荷兰榆树病”曾入侵欧洲，并于1910年和1970年两次引起大多数欧洲国家的榆树死亡。又如40年前传入我国的豚草，其花粉导致的“枯草热”会对人体健康造成极大的危害。每到花粉飘散的79月，体质过敏者便会发生哮喘，打喷嚏，流鼻涕等症状，甚至由于导致其它并发症的产生而死亡。,5、生物入侵,（4）外来物种入侵还会给受害各国造成巨大的经济损失在英国，为了控制12种最具危险性的外来入侵物种，在19891992年，光除草剂就花费了3.44亿美元，而美国每年为控制“凤眼莲”的繁殖蔓延就要花掉300万美元，同样，我国每年因打捞水葫芦的费用就多达510亿元，由于水葫芦造成的直接经济损失也接近100亿元。,5、生物入侵,5.4生物入侵的策略（1）策略一：吃得苦中苦，方为人上人,如果一种生物既能够在冰天雪地里生长，又能在炎炎烈日下定居；无论是面对盐碱的土壤还是干燥的沙漠都毫不介意；对于食物更是从不挑肥拣瘦，又特别能挨饿那么它在哪儿不能“出人头地”呢？,空心莲子草,5、生物入侵,空心莲子草正是凭借这一横练多年的“铁布衫”功夫，才能如此得意地作威作福：它抗逆性超强，不但不畏严寒酷暑，而且就算死亡了，只要植株没有完全腐烂，待到时机成熟，依然会复活为害；为了侵占尽可能大的地盘，它更是演化出水生、陆生两种生态型，入侵时可以由陆至水，顺水而下，再由水至陆，是地地道道的“水陆两栖江洋大盗”。,5、生物入侵,（2）策略二：多子多福水葫芦拥有极其强大的繁殖能力，甚至能以有性和无性两种方式繁衍后代，而在入侵的早期，无性生殖更是主要的：每逢春夏之际，水葫芦依靠匍匐枝与母株分离的方式，每5天就能克隆出一个新植株，用不了多少时间它就能铺满整个水域，在江南水域为祸不小。水葫芦手拉手、根连根，喜欢“聚众滋事”，形成绵延数十公里长的“绿岛”，淤塞河道、影响通航，所以是当之无愧的“河道杀手”。,5、生物入侵,5、生物入侵,（3）策略三：柿子要捡软的捏选择单调薄弱的生态系统作为入侵的目标同样是入侵者惯用的策略。天牛虫正是瞅准了三北地区大部分是树木品种单一的人工林、生态系统结构简单、很难抵抗疯狂虫害这个“命门”，才乘虚而入。据有关部门调查统计，在三北地区遭受天牛危害的面积达250万亩，造成的经济损失无法直接用数字衡量；甘肃的古浪县由于虫害而处于被沙漠吞噬的危险之中；天牛虫害也因此被形象地称作“不冒烟的森林火灾”。,5、生物入侵,（4）策略四：“联合国军”协同入侵在新环境中，土著种对外来病原体缺乏有力的免疫防御，常常导致该病原体的爆发，导致土著种的大规模覆灭。一个比较典型的例子就是松材线虫，光靠它自己是无法进行远征的，扩散速度会慢得多，所以它就选取了松墨天牛作为自己的运输机；而松墨天牛呢，它在松材线虫的帮助下，当然更容易在树林中泛滥成灾了。,黄山自然风景区的林业工作人员在黄山的松树里发现了一种虫子，虽然只有区区0.1毫米左右，但足以使他们为之色变了那就是大名鼎鼎的松材线虫，任何松树只要被它感染，无论大小，三个月内必定枯死！,5、生物入侵,（5）策略五：卑鄙的肉搏招术有时候，入侵种为了成功地在新殖民地安家落户，必须与土著种作直接的“武力对抗”。这时候就不能不提北美入侵性杂草铺散矢车菊（Centaureadiffusa）了。它采取的是“种间抑制”的手段来完成征服历程的。科学家们发现，这种杂草在原产地亚欧大陆不会造成大的影响，进入北美后却泛滥成灾，排挤了许多土著种。原因就在于在原产地，与C.diffusa共存的植物，其根系分泌物可以抑制C.diffusa根系对磷的吸收并抑制其生长；然而，新栖息地的类似植物，其生长反被C.diffusa根系的分泌物所抑制。,目前，我国的科学家们也发现，加拿大一支黄花的根系同样能分泌抑制其他植物生长的化学物质，通过这种卑劣的手段去挤占原属于土著种的领地。,5、生物入侵,（6）策略六：尽量避开天敌那些不远千里而来的入侵种在原产地的时候还能安分守己，而一旦进入新的环境，就能够称王称霸，这是什么原因呢？很简单，在这块新土地上没有它们的天敌。比如空心莲子草在南美算不上令人厌恶，但来到我国以及世界其他地区以后，一下就泛滥成灾了。而在南美大陆有一种专门对付它的莲草直胸跳甲，在它们的挟制下，空心莲子草不得不忍气吞声，做一根乖乖草了。,再如铜锤草，又名红花酢(cu)浆草，原产热带美洲，作为观赏植物引进我国，现已在我国的十余个省市逸为野生，成为“爆发型杂草”。,5、生物入侵,（7）策略七：化敌为“友”但是在所有的入侵策略中，最让人拍案叫绝的，同时也是最让科学家担心的，是许多入侵种会采取与土著近缘种“联姻”的策略来实现入侵。这种联姻策略，使得入侵种不费吹灰之力，占据了原先土著种的领地，并且入侵种与土著种的杂交后代也具备了两个祖先的全部遗传信息，所以可以在日后不断的繁殖过程中，挑选自己合适的基因型，产生新的表型变异，将大大增强它的入侵性。,互花米草把原先温顺的芦苇驱逐出境，跳跳鱼、泥虾类底栖动物也不得不“离乡背井”。这一切使得鸟类失去了柔软舒适的建巢材料，找不到可口丰盛的食物，它们当然无法再留恋这块土地了。,“绿色杀手”紫茎泽兰是一种有剧毒的毒草，外表很秀丽，是一种繁殖能力特强的外来恶性杂草。10年前，这种杂草通过飞花传播、鸟类助播等方式，经由缅甸、泰国至我国云南，后又到达贵州省，它与农作物争抢土地、水分及营养，抑制林木生长，导致农作物减产，且其茎叶有毒，有损人畜健康。马、羊食后引发气喘病，曾使四川凉山的羊减产6万多头，损失2100多万元.,原产欧洲，1954年从保加利亚进口的小麦中首次被发现。毒麦本身无毒，但由于一种真菌寄生在花穗上而产生毒麦碱，能麻痹神经系统，人误食含4%毒麦的面粉，就能引起中毒.,毒麦,福寿螺，又叫大瓶螺，原产南美洲亚马逊河流域，20世纪80年代作为食物引入我国广东等地，现已在广东、广西、浙江等地泛滥成灾。,湿地松粉蚧是1988年因引进湿地松优良无性系穗条时，未经检疫处理而不慎从美国佐治亚州传入我国而发生严重的一种松树害虫。主要以若虫危害湿地松梢、嫩枝及球果。,非洲大蜗牛,学名褐云玛瑙螺，也就是人们常说和常食用的东风螺、菜螺、花螺、法国螺。非洲大蜗牛是一种繁殖很快的大型陆生贝类，它们危害农作物、蔬菜，危害生态系统，而且还是许多人畜寄生虫和病原菌的中间宿主。,美国白蛾,美国白蛾Hlyphantriacunea（Drury）又名美国灯蛾、秋幕毛虫，属鳞翅目，灯蛾科。是举世瞩目的世界性检疫害虫。主要危害果树、行道树和观赏树木，尤其以阔叶树为重。对园林树木、经济林、农田防护林等造成严重的危害。目前已被列入我国首批外来入侵物种。,蔗扁蛾食性十分广泛，威胁巴西木、一口红和鹅掌柴的根部，棕竹的根茎部，香蕉、甘蔗、玉米、马铃薯等农作物及温室栽培的植物，特别是一些名贵花卉等。感染植物轻则局部受损；重则将整段干部的皮层全部蛀空。,6、生态恢复,6.1定义,“生态恢复”指通过人工方法，按照自然规律，恢复天然的生态系统。“生态恢复”的含义远远超出以稳定水土流失地域为目的种树，也不仅仅是种植多样的当地植物，“生态恢复”是试图重新创造、引导或加速自然演化过程。生态恢复的目标不是要种植尽可能多的物种，而是创造良好的条件，促进一个群落发展成为由当地物种组成的完整生态系统。或者说目标是为当地的各种动物提供相应的栖息环境。,6、生态恢复,6.2生态恢复的机理,恢复生态学中占主导的思想是通过排除干扰、加速生物组分的变化和启动演替过程使退化的生态系统恢复到某种理想的状态。在这一过程中，首先是建立生产者系统（主要是指植被），由生产者固定能量，并通过能量驱动水分循环，水分带动营养物质循环。在生产者系统建立的同时或稍后再建立消费者、分解者系统和微环境。,6、生态恢复,6.3生态恢复的方法,按性质划分：物理（非生物）方法、生物方法和管理手段。,6、生态恢复,（1）对于非生物因素，包括地形地貌、化学污染、水肥条件等引起的