生态恢复的基本原理.ppt

第二章生态恢复的基本原理,2.1生态恢复的概述,2.1.1生态恢复的意义,资源的需要：增加作物产量以满足人类需求环境变化的需要：人类活动已对地球、大气循环以及能量流动产生了严重影响。维持地球景观及物种多样性的需要。经济发展的需要：土地退化限制了国民经济的发展。,长期以来，生态恢复与恢复生态存在多种定义，区别不清，不同学者从不同的角度和理解中派生出了众多的概念。,2.1.2生态恢复的定义,（1）再造一个自然群落或再造一个自我维持并保持后代具有持续性的群落(Diamond,1987)。（2）Bradshaw(1987)：“生态恢复是生态学有关理论的一种严格检验，它研究生态系统自身的性质、受损机理及修复过程”。（3）研究生态系统自身的性质、受损机理及修复过程（Jordanetal.,1987）。（4）美国自然资源委员会(NaturalResourceDefenceCouncil)认为，使一个生态系统回复到较接近其受干扰前的状态即为生态恢复。,（5）Jordan(1995)：使生态系统回复到先前或历史上（自然或非自然）的状态即为生态恢复。（6）Cairns(1995)：恢复被损害生态系统到接近于它受干扰前的自然状况的管理和操作过程，即：重建该系统干扰前的结构与功能及有关物理、化学和生物学特征。（7）Egan(1996)：生态恢复是重建某区域历史上曾有的植物和动物群落，且保持生态系统和人类的传统文化功能的持续性过程。,不管怎样理解，以上概念都强调逆转退化生态系统的发展方向，强调受损的生态系统要恢复到理想的状态才为生态恢复。但是，现实中这种理想状想很难实现，原因在于：缺乏对生态系统历史的了解、恢复时间太长、生态系统中关键种的消失、费用太高等。这种理想状态不容易达到，于是有了下面的定义:生态恢复是帮助退化、受损或毁坏的生态系统恢复的过程，是一种旨在启动及加快对生态系统健康、完整性及可持续性进行恢复的主动行为。,恢复生态学是研究如何修复由于人类活动引起的原生生态系统生物多样性和动态损害的一门学科，其内涵包括帮助恢复和管理原生生态系统完整性的过程。生态恢复更多是指实践活动。恢复生态是指生态恢复实践所依赖的根本理论基础。,2.1.3生态恢复要恢复什么？,首先恢复它的生态功能，也就是恢复一个生态系统的健康。其次恢复它的生态结构，也就是恢复一个生态系统的完整性。再次恢复生态的可持续性，一方面是指生态的抵抗能力，另外一方面是生态的自我恢复能力。最后还要考虑恢复它的文化、人文特色。,2.1.4生态恢复的三个层次,（1）物种层次的恢复（2）种群层次的恢复（3）景观层次上恢复,（1）物种层次的恢复,1.恢复物种聚集地和种群，保持遗传多样性。需选取用乡土种并达到一定个体数量。2.50/500法则：Franklin（1980）提出小族群管理的50/500法则，其主要论点如下：为了防止族群在短期内出现近交衰退的情形，族群中至少必须维持50只个体。由于圈养动物每代会丧失2%-3%的遗传变异（由果蝇突变率的资料推论），因此，长期而言，族群中至少要有500只个体，才足以保持族群的遗传变异性。,（2）种群层次的恢复a.恢复最终的产物必须是能自我维持的种群或群落。在给定的运行规则下，恢复必须使栖息地能处于自我维持的半自然状态。b.栖息地的损失与破碎影响种群（斑块的数量和规模）对于栖息地的恢复，应该与栖息地斑块规模、空间组织有关的因素以及它们如何影响种群生存进行检验，保证其能支持栖息地恢复或重建。恢复多少栖息地、怎样安排才能最有益于目标种群，这些在决定物种达到自我维持的目标时应该认真考虑。,c小种群问题：容易失绝。由于种群统计的随机性、环境的随机性、杂合性的缺失、遗传上的变化趋势以及近亲繁殖等原因，小种群很容易灭绝。d物种对栖息地毁坏的反应。在一个可以栖息但不适于居住的方形地中放置两个竞争种，扩散能力弱的优势种合扩散能力强的劣势种。在这种搭配方式下，物种的扩散能力决定了它们对灭绝的抵制能力。,e恢复地点的确定：边缘与中心种群、地形。将目标放在具有历史分布的中心区域（最适宜的栖息地）还是放在周围的不规则栖息地上，可能会有不同的优点。分布于中心部分的种群和分布于边缘的种群有质的差异。分布于边缘的物种生存在异常的或不规则的环境中，最易于彼此分离，因此自然选择和遗传学上的变异会促进边缘种群的变异。边缘种群往往不那么密集并且比较不稳定，因此人们推断它们具有较高的灭绝可能性，因而从地理分布上看，一个正在退化的物种可能从分布的边缘向分布的中心退化。,（3）景观层次上的恢复,a.目前绝大多数生态恢复都集中在个别区域(如采矿点)，而一些利用过度、管理不当等原因造成的景观功能削弱、景观结构改变需要在更广的尺度上研究，即景观层次上。景观层次的生态恢复仍处于早期阶段，还需要时间来评估它们的有效性，时间和空间尺度问题也还需要新颖和完整的方法来解决。b.景观层次的恢复通常要考虑多种问题，如具体的生物物理、社会和经济现状等，同时要平衡保护和生产。为了使生态恢复成功进行，恢复活动不仅需要有效的生态原理和信息，还需要经济可行并符合实际。,2.2生态恢复的理论基础,（1）自我设计与人为设计理论（2）限制因子原理（3）生态系统结构理论（4）生态适宜性原理（5）生态位理论（6）生物群落演替理论（7）生物多样性理论（8）景观生态学理论,(1)自我设计与人为设计理论是惟一从恢复生态学中产生的理论，也在生态恢复实践中得到了广泛应用。自我设计理论：只要有足够时间，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：通过工程方法和植物重建可直接恢复退化生态系统，但恢复的类型可能是多样性。两种理论的区别：自我设计理论把恢复放在生态系统层次考虑，未考虑到缺乏种子库的情况，其恢复的只能是环境决定的群落；而人为设计理论把恢复放在个体或种群层次上考虑，恢复的结果可能有多种。这两种理论均未考虑人类干扰在整个恢复过程中的重要作用。,(2)限制因子原理a.任何一种生态因子只要接近或超过生物的耐受范围，它就会成为这种生物的限制因子。b.德国利比希1840年提出了“最小因子定律”，即在各种生长因子中，如有一个生长因子含量最少，其他生长因子即使很丰富，也难以提高作物产量。因此，作物产量是受最小养分所支配的。c.生态恢复是从多方面进行设计与改造生态环境和生物种群，但是在进行生态恢复时必须找出该系统的关键因子，找准切入点，才能进行恢复工作。,（3）生态系统的结构理论所谓生态系统的结构指生态系统中的组成成分及其在时间、空间上的分布和各组分间能量、物质、信息流的方式与特点。具体来说，生态系统的结构包括三个方面，即物种结构（又称为组分结构，是指生态系统由那些生物种群所组成，以及它们之间的量比关系。）、时空结构（生态系统中各生物种群在空间上的配置和时间上的分布，构成了生态系统结构上的特征。）、营养结构（生态系统中由生产者、消费者、分解者三大功能类群以食物营养关系所组成的食物链、食物网是生态系统的营养结构。,合理生态系统结构：从时空结构角度，应充分利用光、热、水、土资源，提高光能利用率；从营养结构角度，应实现生物物质和能量的多级利用与转化，形成一个高效的，无“废物”的系统；从物种结构上，提倡物种多样性，以利于系统的稳定和持续发展。根据生态系统结构理论，生态恢复中应采用多种生物物种，实行农业物种、林业物种、牧业物种、渔业物种的结合，实现物种之间的能量、物质和信息的流动。应在不同的地理位置上，安排不同的物种，如山区的生态恢复以林业为主、丘陵的生态恢复应以林、草相结合为主，平原地区的恢复以农、渔饲料、绿肥为主。,（4）生态适宜性原理：生物由于长期与环境的协同进化，对生态环境产生了生态上的依赖，其生长发育对环境产生了要求，如果生态环境发生变化，生物就不能较好地生长，因此生物产生了对光、热、温、水、土等的依赖性，这就是生态适宜性原理。植物中有一些是喜光植物，而另一些则是喜阴植物。同样一些植物只能在酸性土壤中才能生长，而有一些植物则不能在酸性土壤中生长。一些水生植物只能在水中才能生长，离开水体则不能成活。因此种植植物必须考虑其生态适宜性，让最适应的植物或动物生长在最适宜的环境中。根据生态适宜性原理，在生态恢复设计时要先调查恢复区的自然生态条件，如土壤性状、光照特性、温度等，根据生态环境因子来选择适当的生物种类，使得生物种类与环境生态条件相适宜。,（5）生态位理论生态位（Niche）：指在自然生态系统中一个种群在时间空间上的位置及其与相关种群之间的功能关系。根据生态位理论，要避免引进生态位相同的物种，要尽量使各物种生态位错开，使各种群在群落中具有各自的生态位，避免种群之间的直接竞争，保证群落的稳定；要组建由多个种群组成的生物群落，充分利用时间、空间和资源，更有效地利用环境资源，维持生态系统长期的生产力和稳定性。,Nichemetrics,（6）生物群落演替理论群落由一种表现形式转化为另一种表现形的过程，称为演替。群落演替可通过人为手段调控，改变演替速度或演替方向。在自然条件下，如果群落遭到干扰和破坏，它还是能够恢复(尽管恢复的时间有长短）。首先是被称为先锋植物的种类侵入遭到破坏的地方并定居和繁殖。先锋植物改善了被破坏的生态环境，使得更适宜的其他物种生存并被取代。如此渐进直到群落恢复到它原来的外貌和物种成分为止。遭到破坏的群落地点所发生的上述一系列变化就是演替。,由于近期活跃的自然地理过程，如冰川退缩，侵蚀发生的地区的演替称为原生演替。次生演替指发生在起因于火灾、污染、耕耘等而使原先存在的植被遭到破坏的地区的演替。在火烧或皆伐后的林地如云杉林上发生的次生演替过程一般经过：火烧迹地-杂草-桦树期-山杨期-云杉期（需几十年）。弃耕地上发生的次生演替顺序为：弃耕地-杂草期-优势草期-灌木期-乔木期。无论是原生演替还是次生演替，都可通过人为手段调控，从而改变演替速度或演替方向。例如在云杉林的火烧迹地上直接种植云杉，以缩短演替时间。在弃耕地上种植茶树亦能改变演替的方向。,杞木,云杉,水杨,紫苑,（7）生物多样性原理是指生命有机体及其赖以生存的生态综合体的多样化（Variety)和变异性(Variability)。遗传多样性、物种多样性、生态系统与景观多样性生物多样性高的生态系统的优势具有高生产力的种类出现的机会增加营养的相互关系更加多样化，能量流动可选择的途径多，各营养水平间的能量流动趋于稳定。被干扰后对来自系统外种类入侵的抵抗能力增强。某一个种所有个体间的距离增加，植物病体的扩散降低。各个种类充分占据已分化的生态位，系统对资源利用的效率有所提高。,（8）景观生态学原理景观生态学是研究景观单元的类型组成、空间格局及其与生态过程相互作用的综合性学科。生态恢复是以生态系统为基点，而在景观尺度上来进行实践、设计与表达。景观生态学的理论与方法与传统生态学有着本质的区别，它注重人类活动对景观格局与过程的影响。退化和破坏了的生态系统和景观的保护与重建也是景观生态学的研究重点之一。,景观生态学理论可以指导退化生态系统恢复实践，如重建所要恢复的各种要素，使其具有合适的空间构型，从而达到退化生态系统恢复的目的；通过景观空间格局配置构型来指导退化生态系统恢复，使得恢复工作获得成功。因此生态恢复是以生态系统为基点，而在景观尺度上来进行实践、设计与表达。许多土地利用和自然保护问题只在在景观尺度下才能有效解决。,2.3生态恢复的目标,总目标：虽然恢复生态系统强调对受损生态系统进行恢复，首要目标仍是保护自然的生态系统，因为保护在生态系统恢复中具有重要的参考作用；第二个目标是恢复现有的退化生态系统，尤其是与人类关系密切的生态系统；第三个目标是对现有的生态系统进行合理管理，避免其退化；第四个目标是保持区域文化的可持续发展；其他的目标包括实现景观层次的整合性，保持生物多样性及保持良好的生态环境。,退化生态系统的基本恢复目标与要求,实现生态系统的地表基底稳定性恢复植被和土壤，保证一定的植被覆盖率和土壤肥力增加种类组成和生物多样性实现生物群落的恢复，提高生态系统的生产力和自我维持能力减少或控制环境污染增加视觉和美学享受,2.4退化生态系统恢复与重建的基本原则,自然法则社会经济技术原则美学原则,自然法则,生态恢复与重建的基本原则（1）地理学原则(区域性、差异性、地带性原则）（2）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,自然法则,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斑块-廊道-基底的景观格局原则空间异质性原理时间尺度与等级理论,社会经济技术原则,社会经济技术条件是生态恢复重建的后盾和支柱，在一定程度上制约着恢复重建的可能性、水平与尺度。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,指退化生态系统的恢复重建应给人以美的享受景观美学原则健康原则精神文化愉悦原则,2.5生态恢复途径,自然恢复生态系统受损不超负荷并在可逆的情况下，压力和干扰被去除后，恢复可以在自然过程中发生。例，退化草场进行围栏封育恢复。,人为干扰恢复生态系统受损已超负荷，发生了不可逆的变化时。对已经退化为流动沙丘的沙质草地，由于生境条件的极端恶化，依靠自然力或围栏封育是不能使植被得到恢复的，只能人为地采取固沙和植树种草措施才能使其得到一定程度的恢复。,土壤恢复技术耕作制度和方式的改变施肥、土壤改良表土稳定控制水土侵蚀换土分解污染物,2.6生态恢复的基本技术,对于一般退化生态系统而言，大致需要或涉及以下几类基本的恢复技术体系：非生物环境因素（包括土壤、水体、大气）的恢复技术；生物因素（包括物种、种群和群落）的恢复技术；生态系统（包括结构功能）的总体规划、设计与组装技术。,2.6生态恢复的基本技术,水体恢复技术控制污染去除富营养化换水积水排涝和灌溉,空气恢复技术烟尘吸附生物吸附化学吸附,生物系统恢复技术植被、消费者和分解者的重建技术物种引进、品种改良、植物快速繁殖、植物搭配、植物的种植、林分改造等捕食者的引进、病虫害控制微生物的引种和控制生态规划技术GIS、GPS、RS,2.7生态恢复与重建的程序,退化生态系统恢复的基本过程可以简单地表示为：基本结构组分单元的恢复组分之间相互关系（生态功能）的恢复（第一生产力、食物网、土壤肥力、自我调控机能包括稳定性和恢复能力等）整个生态系统的恢复景观恢复。,2.7生态恢复与重建的程序,目前生态工作者普遍认为生态恢复的重要程序：（1)确定恢复对象的时空范围(2)评价样点并鉴定导致生态系统退化的原因及过程（尤其是关键因子）(3)找出控制和减缓退化的方法(4)根据生态、社会、经济和文化条件决定恢复与重建的生态系统的结构功能目标(5)制定易于测量的成功标准,发展在大尺度情况下完成有关目标的实践技术并推广恢复实践与土地规划、管理部门交流有关理论和方法监测恢复中的关键变量与过程，并根据出现的新情况做出适当的调整。,上述程序可列成如下操作过程：接受恢复项目明确被恢复对象、确定系统边界（生态系统层次与级别、时空尺度与规模、结构与功能）生态系统退化的诊断（退化原因、退化类型、退化过程、退化阶段、退化强度）退化生态系统的健康评估（历史上原生类型与现状评估）,2.7生态恢复与重建的程序,上述程序可列成如下操作过程：结合恢复目标和原则进行决策（是恢复、重建或改建，可行性分析，生态经济风险评估，优化方案）生态恢复与重建的实地实验、示范与推广生态恢复与重建过程中的调整与改进生态恢复与重建的后续监测、预测与评价。,2.7生态恢复与重建的程序,2.8生态恢复的时间,与生态恢复时间有关的因素生态系统类型退化程度恢复方向人为促进程