生态学-应用生态学.ppt

生态学第六章应用生态学,6-1,第六章应用生态学,第一节城市生态学第二节农业生态学第三节污染生态学第四节生物多样性保育第五节生态系统管理第六节可持续发展,生态学第六章应用生态学,6-2,第一节城市生态学,城市生态学概述城市生态系统城市生态系统的调控,生态学第六章应用生态学,6-3,1.1城市生态学概述,城市生态学（urbanecology）：研究城市生物与城市环境之间相互关系的学科；以生态学的概念、理论和方法研究城市的结构、功能和动态调控的学科；既是生态学的分支学科，又是城市科学的分支学科；研究对象是城市生态系统。,生态学第六章应用生态学,6-4,城市生态学的研究内容：城市人口：基本特征：数量、密度、年龄结构、动态、分布等行为特征：规模、增长、流动等社会特征：职业、文化、民族等,1.1城市生态学概述,生态学第六章应用生态学,6-5,城市环境：大气、水、噪声、土壤、气候、城市植被、城市动物,1.1城市生态学概述,生态学第六章应用生态学,6-6,城市灾害：地质灾害（地震、地面变形、海平面上升、水土流失等）洪涝灾害火灾传染病交通事故,1.1城市生态学概述,生态学第六章应用生态学,6-7,城市景观：景观要素：主要是街道、街区，各景观要素之间没有严格的界限景观规划：总体景观区域景观局部景观,1.1城市生态学概述,生态学第六章应用生态学,6-8,城市环境质量评价与可持续发展：环境质量评价：回顾评价（环境质量发展演变）、现状评价、影响评价（项目、计划、政策实施可能造成的影响）。可持续发展：建立城市可持续发展的评价方法和指标体系。生产方式、生活方式、价值观念、社会制度等方面需要根本性转变。,1.1城市生态学概述,生态学第六章应用生态学,6-9,1.2城市生态系统,城市生态系统（urbanecosystem）：城市空间范围内的居民与自然环境系统和社会环境系统相互作用而形成的复合体。受自然和社会规律双重制约。,生态学第六章应用生态学,6-10,1.2城市生态系统,社会学角度的城市生态系统组成,生态学第六章应用生态学,6-11,环境学角度的城市生态系统组成,1.2城市生态系统,生态学第六章应用生态学,6-12,生态学角度的城市生态系统组成,1.2城市生态系统,生态学第六章应用生态学,6-13,1.2城市生态系统,城市生态系统的功能：生产功能：生物生产：初级生产不占主导地位，植被的主要功能体现在景观、环保方面；次级生产主体是人。非生物生产：物质生产物质生活非物质生产精神需求,生态学第六章应用生态学,6-14,能源结构与能量流动：能源结构：指能源生产量和消费量的种类构成及比例关系，是反映区域生产技术发展水平的重要标志。,1.2城市生态系统,生态学第六章应用生态学,6-15,能量流动：能源在满足城市各种功能时在城市生态系统内外的传递、流通和耗散过程。,1.2城市生态系统,生态学第六章应用生态学,6-16,1.2城市生态系统,物质流动：人口流：人口在时间和空间上的变化；货物流：包括生产、消费、累积、废弃物排放等输入输出过程；废物流：废弃物的产生、运输、无害化或资源化处理等过程；资源流：自然推动的空气、水等的流动，对城市环境影响巨大。,生态学第六章应用生态学,6-17,信息流：城市是信息中心，信息的流量反映了城市的发展水平和现代化程度；城市信息流包括经营信息、生活信息、科技信息、社会信息等人是信息流的主要载体；城市的主要功能之一是输入分散的、无序的信息，输出经过加工的、集中的、有序的信息。,1.2城市生态系统,生态学第六章应用生态学,6-18,1.3城市生态系统的调控,城市生态系统的调控目标：高效：高经济效益和发展速度（正反馈）和谐：社会关系的和谐与稳定（负反馈）城市生态系统的调控途径：设计生态工艺：畅通能流、物流渠道，提高经济、生态效益；协调生态关系：为城市的规划、建设和管理提供决策支持；普及生态意识：从根本上克服决策、经营及管理的主观性。,生态学第六章应用生态学,6-19,第二节农业生态学,生态学第六章应用生态学,6-20,农业生态学（agroecology）：运用生态学和系统论的方法原理，研究农业系统中生物与非生物环境之间、生物与生物之间的关系及其规律的应用性学科。,2.1农业生态学概述,生态学第六章应用生态学,6-21,研究内容：系统的组分、结构；能流、物流；生产力；农业生态系统的调控与优化；生态农业建设；农业资源合理利用与农业生态环境保护。研究任务：分析研究农业领域的生态问题，协调农业生态系统结构与功能，促进农业生产持续高效发展。,2.1农业生态学概述,生态学第六章应用生态学,6-22,农业生态系统（agroecosystem）：人类利用农业生物和环境之间的相互关系，通过改善结构，优化功能，并按人类的意愿进行物质生产的综合体系。生物组分：农、林、牧、渔、虫、菌环境组分：自然环境、人工环境,2.2农业生态系统,生态学第六章应用生态学,6-23,受控系统净生产力高组成要素简化，稳定性差开放性系统受自然与社会双重规律的制约区域性明显,2.2.1农业生态系统的特点,生态学第六章应用生态学,6-24,能流：初级生产：光能利用率平均0.6%，陆地生态系统平均0.25%。次级生产：畜牧业和渔业生产。辅助能投入：有机能、无机能。物流：有机质在养分循环中具有重要作用；土壤的C/N维持在2025:1，无机N和有机N投入比例应为1:1。,2.2.2农业生态系统的功能,生态学第六章应用生态学,6-25,生态农业（ecologicalagriculture）：生态上能自我维持、低投入，经济上有生命力，在环境、美学及伦理道德上能够接受的小型农业系统。中国生态农业：运用农业生态学原理和系统科学的方法，把现代科技成果和传统农业精华结合起来而建立的具有高功能、高效益的综合农业生产体系。,2.3生态农业,生态学第六章应用生态学,6-26,中国生态农业的特点：整体性与可调控性稳定、高效、低消耗明显的地域性,2.3生态农业,中国生态农业的原理：基本原则：整体、协调、循环、再生基本原理：整体效应、生态位、食物链、物质循环再生、生物相生相克、生物与环境协同进化,生态学第六章应用生态学,6-27,中国生态农业的主要技术：立体种植与立体种养技术有机物质多层次利用技术再生能源的综合开发技术有害生物的综合防治技术水土流失的综合治理技术,2.3生态农业,生态学第六章应用生态学,6-28,生态农业的典型模式：“山区丘陵生态农业”模式“庭院生态系统”模式“桑基鱼塘系统”模式“种、养、加、能源一体化”模式,2.3生态农业,生态学第六章应用生态学,6-29,生态工程技术：应用生态系统中物种共生与物质循环再生原理，结构与功能协调原则，结合系统分析的最优化方法，设计的促进分层多级利用物质的生产工艺系统。加环技术：生产环、增益环、减耗环、复合环、加工环。,2.3生态农业,以沼气工程为核心的农业循环经济模式,生态学第六章应用生态学,6-30,生态学第六章应用生态学,6-31,第三节污染生态学,环境污染及其生态过程污染生态效应及其评价污染生态诊断与监测生态系统污染控制,生态学第六章应用生态学,6-32,环境污染（environmentalpollution）：是指排放到环境中的废弃物数量超过了环境的自净能力，使环境质量降低，危害人体健康和生物生命活动或破坏生态平衡的现象。,3.1环境污染及其生态过程,大气污染土壤污染水污染,生态学第六章应用生态学,6-33,污染生态学（pollutionecology）：研究生物与被污染的环境之间相互作用规律的科学。环境生物学（environmentalbiology）：研究异常环境与生物之间的相互关系，包括污染及环境因子的过量或不足。,3.1.1污染生态学与环境生物学,鬼城切尔诺贝利：1986.4.26,生态学第六章应用生态学,6-34,3.1.2污染物的迁移与转化,污染物的迁移：污染物在环境中空间位置的移动及其引起的富集、分散和消失的过程。迁移方式：机械迁移：水、风、重力；物理化学迁移：无机物，溶解沉淀、氧化还原、水解、络合螯合、吸附解吸；有机物，还包括化学分解、光化学分解、生物化学分解；生物迁移：吸收、代谢、生长、死亡等过程。,生态学第六章应用生态学,6-35,污染物的转化：污染物在环境中通过物理、化学或生物的作用改变形态或转变成另一种物质的过程。大气：光化学氧化、催化氧化为主；水体：氧化还原、络合、水解、生物降解；土壤：存在固液气三相，比较复杂；微生物起到重要作用；生物：生物的吸收和代谢，富集、残留。,3.1.2污染物的迁移与转化,生态学第六章应用生态学,6-36,3.2污染生态效应及其评价,污染生态效应：是指生态系统中由污染物引起的组分、结构和功能的响应。生态响应：抗性个体比例增加，遗传结构发生变化，经过不断积累，提高种群对污染的适应水平，并产生进化分化。,响应取决于作用强度和生物自身的特点,生态学第六章应用生态学,6-37,环境污染的短期效应：污染物对生物的毒害作用：生理、生化过程受阻，生长发育停滞、死亡。环境污染的长期效应：遗传多样性丧失、物种多样性丧失、生态系统结构简单化。,3.2污染生态效应及其评价,生态学第六章应用生态学,6-38,3.2污染生态效应及其评价,生态学第六章应用生态学,6-39,污染生态诊断：按照特定的程序和有效的方法，对一定区域内生态系统的质量进行说明、评价和预测的过程。生物监测：利用不同层次的生命系统对环境中污染物的反应，来判断环境污染状况，从生物学角度监测和评价环境质量。,3.3污染生态诊断与监测,生态学第六章应用生态学,6-40,污染的生物监测：大气污染生物监测：主要利用植物监测大气中有害物质的成分和含量；水体污染生物监测：一般利用生物群落的变化来推测水质污染的程度；土壤污染生物监测：目前较多地进行土壤重金属污染的监测。,3.3污染生态诊断与监测,生态学第六章应用生态学,6-41,紫花苜蓿,唐菖蒲,翠菊,地衣,金钱草,女贞,苔藓,郁金香,鸡冠花,SO2,氟化物,Cl2,生态学第六章应用生态学,6-42,3.4生态系统污染控制,生态系统对环境污染的净化：大气的净化功能：物理、化学过程，降低或消除浓度和毒性；水体的净化功能：水体的自净，物理、化学、生物过程；土壤的净化功能：物理、化学、物理化学、生物过程；生物的净化功能：植物、动物、微生物的活动。,生态学第六章应用生态学,6-43,废弃物的生物处理：活性污泥法（曝气法）：利用含有好氧微生物的活性污泥净化污水（生活污水、工业废水）。生物膜法：与活性污泥的原理类似，微生物在载体上形成生物膜。处理工业废水。,3.4生态系统污染控制,生态学第六章应用生态学,6-44,厌氧消化（发酵）法：处理高浓度的有机废水（农业和生活废弃物），将有机物转化为甲烷。,3.4生态系统污染控制,武汉市三金潭污水处理厂卵形污泥厌氧消化池,生态学第六章应用生态学,6-45,稳定塘（氧化塘、生物塘）法：藻菌共生系统，同时进行有机物的好氧分解、厌氧分解和光合作用。,3.4生态系统污染控制,生态学第六章应用生态学,6-46,生物多样性价值生物多样性研究全球生物多样性及其保护中国生物多样性及其保护,第四节生物多样性保育,生态学第六章应用生态学,6-47,4.1生物多样性的价值,生物多样性的层次：遗传多样性、物种多样性、生态系统多样性。直接使用价值：为人类提供食物、纤维、药物、燃料等；间接使用价值：调节功能、潜在价值净化环境、水土保持、旅游休闲、遗传资源等。,生态学第六章应用生态学,6-48,相关概念和理论：种群生存力分析与最小可存活种群；灭绝率与生境片段化的关系；岛屿生物地理学理论；保护区设计中的形状与大小。主要研究内容：在自然和人类干扰条件下生物多样性的现状和变化特征及规律；保护生物多样性的途径、措施和方法；可操作的生物多样性保护技术。,4.2生物多样性的研究内容,生态学第六章应用生态学,6-49,4.3全球生物多样性及其保护,生态学第六章应用生态学,6-50,4.3全球生物多样性及其保护,红字显示国家+马达加斯加占全球物种数的6070%,生态学第六章应用生态学,6-51,全球生物多样性危机：物种大灭绝事件：5亿年前的奥陶纪末期85%3.5亿年前的泥盆纪后期70%2.3亿年前的二叠纪末期96%1.85亿年前的三叠纪末期76%6500万年前的白垩纪末期7580%1万年前的更新世开始（人类活动）,气候天文地质,4.3全球生物多样性及其保护,生态学第六章应用生态学,6-52,人类造成的生物多样性危机：人类活动大大加快了生物多样性的消失速度，比自然灭绝快1000倍以上；中国学者最新研究认为灭绝的真实速率为过去发表速率除以2.5（Nature,2011.5.19）。危机原因：人口增加（最主要的原因）、生境破坏、环境污染、人类大规模迁移。,4.3全球生物多样性及其保护,生态学第六章应用生态学,6-53,全球生物多样性保护：国际保护组织：国际自然和自然资源保护同盟IUCN（1948）世界野生生物基金会WWF（1961）联合国环境规划署UNEP（1973）世界生物多样性保护计划：人与生物圈计划1970UNESCO世界自然资源保护大纲1980IUCN生物多样性科学国际计划DIVERSITAS生物多样性计划与实施战略1991UNEP,4.3全球生物多样性及其保护,生态学第六章应用生态学,6-54,国际保护生物多样性公约：濒危野生动植物物种国际贸易公约：1975.7.1保护世界文化和自然遗产公约：1975.12.17国际重要湿地公约：1975.12.21保护野生动物中迁徙物种公约：1983.11.1生物多样性公约：1992.6建立自然保护区：目前自然保护区面积占陆地面积的7%第一个国家公园黄石公园（美国1872）动物园、植物园（迁地保护）种子库、基因库（离体保护）,4.3全球生物多样性及其保护,生态学第六章应用生态学,6-55,4.4中国生物多样性及其保护,生态学第六章应用生态学,6-56,中国生物多样性的特点：生物区系起源古老、物种多样性高度丰富、物种的特有性高、经济种类异常丰富,4.4中国生物多样性及其保护,生态学第六章应用生态学,6-57,中国生物多样性受威胁的现状：生态系统受威胁现状：天然林大幅减少、退化，人工林增加；90%草地不同程度退化（2000）；荒漠化面积以2000km2/a速度增加；40%的重要湿地受到中等以上威胁，2/3的湖泊富营养化；海洋赤潮逐年增加，红树林破坏严重。,4.4中国生物多样性及其保护,生态学第六章应用生态学,6-58,4.4中国生物多样性及其保护,生态学第六章应用生态学,6-59,中国生物多样性受威胁的原因：生境破坏；掠夺式利用；环境污染；其他因素：开发建设、自然灾害、生物入侵等。,4.4中国生物多样性及其保护,生态学第六章应用生态学,6-60,中国生物多样性保护：保护法律和政策：中国自然保护纲要（1986）。生物多样性保护：生态系统多样性保护：2541个自然保护区，14775万ha，占国土面积的15.39%（截至2009年底）；,4.4中国生物多样性及其保护,生态学第六章应用生态学,6-61,物种多样性保护：物种就地保护：野生生物类自然保护区678个，占保护区总面积的30.69%（2009）；物种迁地保护：植物园234个（2007）；（野生）动物园200多个；野生动物人工繁殖场230多个；珍稀濒危动物繁育中心992个（2000）；珍稀动物驯养中心和救护中心10多处。,4.4中国生物多样性及其保护,生态学第六章应用生态学,6-62,遗传多样性保护：微生物菌种保存库；野生动物细胞库；药用植物种质保存库；作物种质资源保存库；果树资源保存圃；多年生作物种质资源圃；淡水鱼类种质资源综合库；,4.4中国生物多样性及其保护,生态学第六章应用生态学,6-63,生物多样性保护研究：生物资源调查和编目：专著、标本、植物志、动物志；保护技术和理论研究：保护生物学基础理论、物种人工繁育技术；监测与信息系统：生态系统监测站，生物多样性信息系统。,4.4中国生物多样性及其保护,生态学第六章应用生态学,6-64,第五节生态系统管理,自动调控与稳态机制生态平衡与人工调控生态系统健康与管理,生态学第六章应用生态学,6-65,5.1自动调控与稳态机制,生态系统的自动调控：自然生态系统是一个自动调控系统，系统各组分在结构和功能上的配合是在长期进化过程中逐步完善起来的。调控途径：程序调控（群落演替）、随动调控、最优调控（顶级群落）、稳态调控,生态学第六章应用生态学,6-66,5.1自动调控与稳态机制,生态系统的稳态机制：生态系统对环境干扰有自我调节、自我修复和自我延续的能力，这种抵抗变化和保持平衡状态的倾向称为生态系统的稳态机制。生态阈值（ecologicalthreshold）：在不降低和破坏自动调节能力的条件下生态系统所能忍受的最大外界压力。,生态学第六章应用生态学,6-67,生态系统不同层次的稳态机制：个体水平：通过生理与遗传途径适应环境变化，提高物种多样性和遗传异质性。种群水平：通过生存资源、生殖能力和行为变化协调种群密度与资源的关系。群落水平：通过相互作用调节种群数量和对比关系，同时受到环境容纳量的制约。系统水平：复杂的相互关系、食物链、生态位分化等，稳定系统。,5.1自动调控与稳态机制,生态学第六章应用生态学,6-68,5.1自动调控与稳态机制,反馈（feedback）：是指系统输出的结果又作为输入作用于系统，使系统的行为因而加强或减弱。正反馈：使系统的变化率加大，远离平衡态的反馈。负反馈：使系统的变化率减少，接近平衡态的反馈。,生态学第六章应用生态学,6-69,5.2生态平衡与人工调控,生态平衡（ecologicalbalance）：指生态系统内部，生物与生物之间、生物与环境之间，相互作用、相互制约、相互影响，从而保持相对稳定的和谐状态。,生态平衡的衡量：时空结构的有序性；能流、物流的收支平衡；系统自我修复、调节功能的保持。,生态学第六章应用生态学,6-70,生态失调：指外界压力超过系统的生态阈值，原来的平衡关系被打破，生态系统中各部分以及它们之间的关系所呈现的不协调甚至对立的状态。生态失调的表现：结构方面：组分缺损；组分数量变化，生物种类减少、种群数量下降。功能方面：光能利用率下降；土壤养分失衡；生物对环境的适应能力下降；能流受阻，物质循环中断；系统生态安全受到影响。,5.2生态平衡与人工调控,生态学第六章应用生态学,6-71,生态失调的原因：自然因素：系统内部原因：开放系统、演替；系统外部原因：重大的自然灾害。人为因素：人与自然策略不一致；滥用资源；经济与生态的分离。,5.2生态平衡与人工调控,生态学第六章应用生态学,6-72,生态系统的人工调控：生物调控：个体层次：选种、育种，提高目标生物对环境的适应性、抗逆性、高产性；群体层次：调节个体之间、种群之间的关系，包括密度、时空、种类组成等。,5.2生态平衡与人工调控,生态学第六章应用生态学,6-73,环境调控：改造、改善环境，为生物创建适宜的生存空间；包括对土壤、气候、水分等的调控（设施农业）。结构调控：协调系统的结构和功能，使能流、物流合理；确定系统组分的最优比例、组分在时空上的最优配置。,5.2生态平衡与人工调控,生态学第六章应用生态学,6-74,输入输出调控：输入的辅助能和物质的种类、数量及比例；增加产品的数量、种类、附加值以及控制非目标性输出。优化调控：应用系统分析方法、计算机模拟技术对生态系统的结构和功能进行优化设计。,5.2生态平衡与人工调控,生态学第六章应用生态学,6-75,生态系统健康（ecosystemhealth）：是生态系统的综合特性，具有活力、稳定和自我调节的能力；对干扰具有弹性，保持内稳定性。生态系统健康的度量：结构组织（生物多样性）功能活力（NPP、新陈代谢）适应力弹性（抗逆性、恢复力）生态系统健康指数（healthindex,HI）：HI=VORV-活力指标O-组织指数R-弹性指数,5.3生态系统健康与管理,生态学第六章应用生态学,6-76,生态系统健康的监测：植物防御性次生代谢物减少；物种生态对策改变、多样性下降；净初级生产力和生物量下降；植物根系互惠共生微生物减少，对生物生长不利的微生物增多；物种入侵造成系统波动及稳定性的变化；,5.3生态系统健康与管理,生态学第六章应用生态学,6-77,污染物排放，水体富营养化等；限制植物生长的营养物质的流失增加；生物的呼吸量明显增加；系统内产品转化率降低、分解速率增加，枯枝落叶层的积累明显下降；系统理化条件变劣、生态平衡失调，以非良性循环为主。,5.3生态系统健康与管理,生态学第六章应用生态学,6-78,生态系统管理（ecosystemmanagement）：主要是维持自然资源与社会经济系统之间的平衡，涉及生态系统内部的结构和功能，以及对输入和输出进行调控，从而达到理想的状态。生态系统管理的目标：合理利用和适度开发生态系统，保持生态系统的健康和服务，创建和谐、高效、永续的生态系统。,5.3生态系统健康与管理,生态学第六章应用生态学,6-79,生态系统管理的原理：动态性原理：生态系统具有时间动态，与周围环境及生态过程相联系；层级性原理：生态系统具有空间特性，有很多层级；创造性原理：系统的自动调节以内部生物群落为核心，具有创造性；,5.3生态系统健康与管理,生态学第六章应用生态学,6-80,5.3生态系统健康与管理,有限性原理：资源并非“取之不尽，用之不竭”，必须维持其再生能力；系统对污染物的接纳也有一定的限量；多样性原理：生物多样性是系统稳定和功能优化的基础；人类的两重性原理：人类是自然界的管理者也是自然界的成员，人的意识和素质非常关键。,生态学第六章应用生态学,6-81,5.3生态系统健康与管理,生态学第六章应用生态学,6-82,清洁生产（cleanproduction）：采用清洁的能源、生产过程无或少废物、产品对环境无害；垃圾资源化管理：转变将垃圾作为废物的传统观念，采取资源化管理：分类收集、直接回收、循环利用、综合利用；,5.3生态系统健康与管理,生态学第六章应用生态学,6-83,少量化、循环利用型管理：遵循经济生态规律，将工农业生产与生态工程技术结合，采用少量化和再循环等途径管理资源；实施绿色生态工程：抚育与更新结合、建立和完善自然保护区网络、治理荒漠化和水土流失。,5.3生态系统健康与管理,三北防护林体系工程,生态学第六章应用生态学,6-84,第六节可持续发展,人类生态问题关于发展的不同观点可持续发展的涵义可持续发展的实现途径,生态学第六章应用生态学,6-85,6.1人类生态问题,全球变暖：1981-1990年全球平均气温比1861-1880年上升0.48；100年来，海平面上升了14-25cm。主要原因：温室气体含量增加，温室效应增强。臭氧层损耗：1985年证实南极