河北师范大学第五部分 应用生态学课件

第五部分应用生态学15.应用生态学

15.1农业生态工程

15.2人口管理

15.3资源问题

15.4全球变暖

15.5环境污染15.

应用生态学2/90

应用生态学（AppliedEcology）就是利用生态学理论、方法和技术，解决自然、社会、经济发展中生态学问题的学科。应用生态学的分支学科很多，但核心是全球可持续发展(生态平衡、高效、低耗、低排、再循环…)。在环境变化、自然的宏观管理、产业发展等方面正发挥着越来越重要的作用。15.1农业生态工程

在任何行业的生态工程里，均需要以各系统的四大基本功能—能量流、物质流、信息流和价值流为依据，进行工程设计，其工程技术原理为“整体、协调、循环、再生”。3/80

如玉米地套种食用菌，充分利用下层光能，补充了土壤有机物质，提高了玉米产量。我国“四大家鱼”的混合养殖就是充分利用营养和空间生态位的典范。食虫鸟对农业害虫的控制也值得重视。15.1.2食物链原理的应用农业生态工程中，人为延长食物链，可充分利用能量和物质。如稻田养鱼、虾、蟹和鸭等，这些动物吃稻田害虫、水草，其粪便被浮游生物和微生物分解，再被水稻吸收利用。在工厂化水产养殖中，有益菌、藻类的合理使用，可以有效地利用鱼类排放的氨氮和亚硝酸盐等含氮废物，可减少换水量和能源消耗。15.1.3限制因子作用原理依据经济生物的耐受范围和最适水平开展工程设计和设施配套。如在设施渔业工程中，温水型水产动物养殖需要保温性很高的温室设施，而冷水性鱼类养殖需要遮阳设施，对溶氧要求较高的需要增氧设施的配套。对光照、水质（如pH值、氨氮、亚硝酸盐、硬度、盐度等）、水流等耐受范围或需求，以及动物的生态习性等都需要在设施和养殖管理中充分体现，确保水产动物生活在最适宜的养殖环境中。10加温装置炉子加热管道15.1.4自适应性和因子补偿原理生态系统在受到一定干扰后能够自我调整和恢复，这就是生态系统的自适应性。如春季蹲苗，提高作物抗倒、抗旱能力。个体、种群的适应更常见，如补偿生长、鱼类对饵料的沉降速度等适应。某一生态因子不足时，其他生态因子可以一定程度的补偿。如中华鳖有“晒背”的习性，采用黑暗加温温室，给足够的维生素D保证骨骼的正常发育，就能很好地适应。15.1.5群落演替原理在农业生态系统中，多年连作某种作物会使土壤中发生某些营养物质失调，病虫害及田间杂草增多，抗药性增强等，因此要采取轮作倒茬措施。15.1.6有害生物防治以生态学和种群数量变动检测为基础，依靠天敌和气候，综合运用农业、生物、遗传、化学、物理等防治措施，将有害生物控制在经济损害水平（Economicinjurylevel，EIL）之下。15/90经济损害水平（EIL）：作物的价值与防治花费之差最大时的有害生物密度。最大差值成本或价值EIL有害生物密度防治花费作物价值防治措施：农业：混合种植、优化收获次数、抗病和抗虫育种。生物：有益昆虫、微生物防治杂草、害虫。遗传：培育不育雄性害虫，筛选抗性作物品种。化学：杀虫剂、除莠剂物理：机械除草、灯光诱杀害虫。

总之，农业生态系统中还有大量的生态学原理被应用，例如有效积温法则、边缘效应、生物节律、共生、他感作用、多样性原理、协同进化、系统稳定性原理、生态系统的能流和物质转化等。18/90

根据种群生态学中种群增长率原理，可通过减少生育次数和推迟生育来控制数量过快增长。但人口毕竟是社会的生产力，人口控制也要适度，保证人口与经济的协调发展。人口问题除了数量和质量（基因、教育等）外，还有就业、性比、老龄化、城乡分布等问题。20/90

根据种群生态学中年龄结构、种群质量等原理，适时调整生育政策，预防人口结构老龄化，以及生育年龄过大等问题；适宜的生育年龄和优生手段（预防近亲婚配等）可保证母婴健康和人口质量。

由于全世界人口的急剧增长，对自然资源的需求量日益增加，因而自然资源短缺的矛盾将日趋尖锐，因此，资源问题受到全世界范围的严重关注。15.3资源问题如太阳能、风能、潮汐能、全球性水资源、大气和气候等。这类资源供给稳定、数量丰富，几乎不受人类活动的影响，一般不因利用而枯竭。1.非枯竭的自然资源2.可枯竭的自然资源这类资源是在地球演化过程中的不同时期形成的，数量有限，其中有的将会枯竭，如化石燃料；而有些则在不合理利用时才会枯竭，如能适当利用就可不断更新，例如生物资源。这类资源又可根据其是否能够自我更新分为两类。27/90（1）非更新自然资源

主要包括矿产和能源。有些可借助于再循环而被回收，得到重新利用，包括金属矿物和多数非金属矿物，如铁矿、铜矿、磷、钾肥料、石棉、云母，粘土等。

还有一些非金属矿物，如石英、石膏和盐类，以及一些消耗性金属如涂料中的铝、电镀中所用的锌等，仅供一次利用，无法回收。能源也是一次消耗性的，既不能再循环，也不能被回收，包括煤、石油等化石燃料。合理利用生物资源要遵循以下原则:

第一，最大可持续产量。根据资源生物种群的增长模型(如逻辑斯蒂增长模型)，计算出环境容纳量，找出曲线拐点（增长率最高）时的种群数量（一般在K/2附近），并计算出理论上的最大持续产量（rK/4）。结合气候、环境变化和种群稳定性，确定每年的适宜时期的生物资源利用量。15.3.2生物资源30/90

随着航海和捕捞技术的提高，海洋捕捞能力越来越强，海洋捕捞产量大幅度下降，成本上升。因此，要根据海洋渔业资源的种群结构、数量及其动态模型，适度捕捞，科学管理。如南极的蓝鳁鲸的环境容纳量是150000头，种群增长率是0.053，种群数量在75000头时最大持续产量MSY约为2000头。

林木采伐量也要适度，如过多会导致水土流失，生态系统恢复困难，采伐过少，大型林木自身生长缓慢，还限制其他林木的生长。林木采伐影响养分的循环过程，如杉木年龄越大，干、皮和心材比例越高，采伐单位杉木带走的养分越少，因此，采伐要确定适宜的主伐年龄和轮伐期。由于枝叶营养物质丰富，在伐桩周围要打枝，并留在原地。

要增加人工林的产量，根据生态系统的原理可采取加速能流和物质循环的措施，如针对土壤营养状况，适度施氮肥或磷肥等，缺少氮肥的土壤可引入豆科树种（如合欢、刺槐、胡枝子等）或固氮树种（如杨梅），对枯枝落叶过多的林区实施斑块型部分焚烧，对土壤的理化和生物性质进行管理等。

第二，多样性最大。任何一种生物资源都是生态系统的一部分，对生态系统中生物资源利用要以生物多样性最大为原则，这样可保持生态系统的稳定。在林业生态工程中，景观生态、干扰生态、空间尺度、时间尺度、物种多样性等大量生态学原理被应用。仅就林木砍伐利用来说，除了要遵循最大可持续产量原理、景观布局原理外，林木物种组成结构多样性原理也很重要。

第三，结构平衡。生物资源利用计划要根据群落和生态系统的结构来制定，以保持群落或生态系统结构比例平衡为原则，保持生态系统功能的稳定和较强的自我调节能力，确保资源的数量和质量。35/9015.3.3水土资源水资源和土壤资源都是人类和生物界生存所不可缺少的基本环境条件。但由于地球上水资源分配不均匀，人口激增、产业发展不均衡、自然资源开发不合理、森林植被破坏，部分地区水资源短缺、水土流失严重。1.地区性水资源缺乏远离海洋和一些干旱地带降雨量不足，人类利用的地表淡水已经超过可用总量的1/2，现在世界有1/3人口的淡水供应不足。我国西部和北方也很干旱，南水北调工程，缓解北方干旱缺水。2.水土流失

土壤侵蚀是指在风和水的作用下，土壤物质被破坏、带走的过程，主要原因是不适当的农业生产和布局。由于植被的破坏，含有养分的表土被冲刷而变得贫瘠，江河湖泊水库的泥沙淤积，河床抬高，影响交通运输和经济发展，旱涝灾害增加，生态环境恶化。

目前全世界平均每分钟有20公顷森林被破坏，有4.7万吨土壤被侵蚀。我国表土流失量每年约50亿吨，是世界上水土流失最严重的国家之一，年流失氮、磷、钾肥约4000万吨。我国水土流失最严重的地区是黄土高原，全区总面积约54万平方千米，水土流失面积占了90%。长江流域水土流失也正在加剧。我国每年注入海域的泥沙量为20亿吨左右，占世界总量的13.3%，其中黄河占60%，居世界河流之首。

综合治理水土流失的办法合理配制林地、草地、牧场和农田山区坡地退耕还林、植树种草，以增加植被农田周围最好有防护林、草，农田作物结构要多样、合理，避免雨季大面积作物同时收获的现象发生建立农林牧结合的生产体系，提高效益。40/903.沙漠化陆地的三分之一属于干旱、半干旱地带，受到沙漠化的威胁,全世界每分钟有10公顷土地沙化。我国也是受沙漠化危害较深的国家之一，北方地区沙漠、戈壁、沙漠化土地面积共有149万平方千米，占国土面积的15.5%。

治理沙漠化，最有效的措施是发展植被、改善生态环境，最根本的办法是培植固沙植物，育林封沙。我国制定了宏大的规划，建设“三北”防护林体系，其范围包括西北大部分，华北北部和东北西部，地跨12个省、市、自治区，面积达389万平方千米，全长7000多千米，对我国北方广大地区生态环境的改善和生产事业的发展起着巨大的促进作用。4.地面沉降（1）原因：地质因素：地表地层松散、地质结构作用、地震人为因素：过量开采地下资源（石油、天然气、煤、水、其他矿藏等）、重大工程建筑物使地基土地发生变性。（2）危害：毁坏建筑物和地下设施、海水倒灌、河床抬高等。

二氧化碳和悬浮粒子都是大气中的自然组分，是决定地球温度以至气候的关键因素。有相当多的证据说明，人们向大气层输送的二氧化碳和悬浮粒子已影响了气候，未来将更趋严重。15.4全球变暖1.温室效应

在大气层中，二氧化碳像温室的玻璃顶罩一样，对光辐射是透澈无阻的，到达地球的大部分光线被吸收并通过各种方式转化为热量，热量最后以热辐射形式从地球再辐射出去。二氧化碳能够阻挡热辐射的通过。大气中的二氧化碳越多，热外流越受阻，从而地球温度也升得更高，这种现象称为温室效应。45/90

除二氧化碳以外，大气中的甲烷、氮氧化合物等气体浓度的增加，都能引起类似的效应，但在全球增温作用中以二氧化碳为主，约占60%以上。2.气候变暖

自从工业革命开始，越来越多的CO2通过燃烧矿物燃料、从事农业开垦、砍伐并焚烧森林而进入大气，使大气中的二氧化碳浓度逐渐升高。据测算，目前，大气中二氧化碳浓度正以每年1.5ppm的速度增加。与此相关的是从19世纪80年代到20世纪40年代世界平均气温升高了约0.4℃。在南半球测量表明，早在40年代所观察到的变暖趋势至今未见减弱。

目前世界所排放的CO2一半以上被海洋吸收，但海洋吸收碳的容量是有限的，再加上气候变暖，海洋表层水的温度亦将增高，其吸收CO2的能力势必减弱，今后大气中CO2的浓度可能增加更快。50/90

很多国家以煤为主的能源结构在短期内不可能有重大改变，燃煤所排放的二氧化碳也不可能减少，随着这些国家工业化的发展，燃烧量还将逐渐增加。按目前的增加速度，估计到2030年，大气中二氧化碳的浓度将从现在的350ppm提高到570ppm，其增温作用将持续许多世纪。

因此，尽管目前对全球气候变化还有各种争论，但多数学者对全球变暖的总趋势是比较肯定的。

大气中二氧化碳增加一倍，全球平均气温将上升1.5～4.5℃。而地面温度的上升随着纬度的增加而增加，在纬度40度的地区接近全球的平均值，在赤道地区只升高平均值的一半左右，两极地区却比平均值高3倍左右。因此，气温升高不可避免地使南极冰层部分融解，引起海平面上升。3.全球气候变暖的危害

如果海平面上升1米，直接受影响的土地约500万平方公里，人口约10亿，耕地约占世界的1/3。一部分沿海城市可能要内迁，同时大部分沿海平原将发生盐碱化或沼泽化，不适于生产。由于全球气温升高，气候带北移，湿润区和干旱区将重新配制.

减少CO2排放，是降低温室效应，抑制全球变暖的直接措施。途径主要有两条，一是改进能源结构，二是提高能源效率。

除了化石燃料以外，非化石能源方面以水能资源和核能资源开发最为广泛。提高效能，不仅能减少CO2的排放量，也是生产发展的重要措施之一。提倡植树种草，保护和发展森林资源，提高森林覆盖面积，增强对CO2的吸收能力。4.预防措施

5.悬浮粒子

当太阳辐射射向大气层时，有一部分从云的上表面、烟雾层、尘埃粒子等物质上反射向太空，悬浮粒子越多，大气层反射越多，地球上获得能量越少，温度越低。气候学家指出，地球的正常反射率大约为37～38%，每增加l%就能使地球的平均温度下降约1.7℃。现实生活证明，异常火山的活动增加尘埃在大气层中停留的时间与较冷的温度相关。55/90

从20世纪40年代至60和70年代，在北半球悬浮粒子的增加，平均温度下降了，消除了二氧化碳增加的温室效应。悬浮粒子在到达南半球之前会在大气层中沉降下来，人们观察到变冷趋势只存在于北半球。

人类创造了丰富的物质文明和精神文明的同时，也对其赖以生存环境造成了一定程度的破坏，局部地区变得不适宜于人类的生存。当今的环境问题已构成对人类生存环境的严重威胁。15.5环境污染环境问题可以分为两类：1、生态环境的破坏：

由于对自然资源的不合理开发利用而引起，突出表现在植被破坏，水土流失，土壤侵蚀和沙漠化、地面沉降等方面，造成生态失调，生物生产量急剧下降。

2、环境污染：

是指人为排放的有害有毒物质，破坏了环境的生态平衡，改变了原来生态系统的正常结构和功能，恶化了工农业生产和人类生活环境。污染物质又沿着食物链转移，富集而后进人人体，危害人类健康。

在大气层的上部，臭氧层能阻止过量的紫外线到达地球表面，是地球的一个保护层。研究表明，平流层臭氧减少1%，紫外线对地球表面辐射量将增加2%，

1985年发现南极上空出现臭氧“空洞”。15.5.1臭氧层的破坏

臭氧的减少是人类活动造成的，已知从大气下层扩散到平流层的某些污染物，对臭氧有破坏作用，尤其是氯原子能催化臭氧的分解，一个氯原子能分解数百万臭氧分子，因而打破了臭氧的自然平衡。60/90

到达平流层的氯的重要来源是人们排放的氯氟烷烃(简称CFC)和含溴卤代烷烃(哈龙)。如氟利昂(CFCl3)，用于火箭发射、冷冻机、电冰箱及高级电子元件作清洁剂。除了上述两者以外，四氯化碳也是自由氯的另一个重要来源。此外，超音速飞机、汽车废气以及氮肥产生的氮氧化合物也能分解臭氧。

针对臭氧层的破坏问题，国际上开展了一系列的保护活动，成立了“国际臭氧层协调委员会”。决定每年的9月16日为“国际保护臭氧层日”，通过了《保护臭氧层维也纳公约》、《保护臭氧层行动世界计划》、《消耗臭氧层物质的蒙特利尔议定书》。我国签署了维也纳公约（1989），蒙特利尔议定书（1991）。

酸雨是pH值小于5.6的雨水。大气污染最严重的就是二氧化硫，二氧化硫和一氧化氮在强光照射下,进行光化学氧化作用，并和水汽结合而形成酸雨。15.5.2

酸雨

首先，水中pH值降至6以下时，湖泊中的鱼类、浮游生物及底栖动物的种类和数量就受到影响。pH5.8时某些小型鱼类和甲壳类就已消失。这是因为酸水可使水化学发生变化，使水体底部的有毒金属变成可溶性物质而释放出来，对水生生物产生毒害。1.酸雨的危害

其次，酸雨能直接伤害植物，1%浓度的二氧化硫能使棉花、小麦和豌豆等农作物明显减产。酸雨主要是使土壤酸化，影响微生物数量和群落结构，抑制硝化细菌、固氮细菌等的活动，使有机物的分解、固氮过程减弱，因而土壤肥力降低，生物生产力明显下降。长了麻子的西瓜

第三，酸雨对人体也常带来不利的影响，据分析，酸雨中含有少量的汞和镉等重金属，这些有毒的金属会通过水体和土壤进入动物和植物体内并逐步累积起来然后再随着食物链进入人体，对人类健康构成严重威胁。70/90在酸雨中生活！2.酸雨的防治控制和消除酸雨的危害，最根本的措施是限制二氧化硫和一氧化氮的排放量，改进能源结构，依法加强管理，净化大气以改善生态环境。15.5.3烟雾事件

由工厂和汽车排放的有害气体，在强太阳光作用下，碳氢化合物和氮氧化合物之间发生化学反应而形成烟雾，在这个反应过程中光提供了能量，故称光化学烟雾。烟雾一般发生在相对湿度较低的夏季晴天，高峰出现在中午，而夜间消失。对生物和人类造成毒害，称为烟雾事件。如果汽油用铅作为反爆添加剂的话，又可能产生铅污染。

在正常情况下，地面气温高，空中低，地面的暖空气上升，把污染物往上带，并把它们扩散到更高的高度。而在逆温时，冷空气流入暖空气之下方，城市上空形成暖逆温层，阻碍了下层冷空气的上升，污染物停留在靠近地面的冷空气中。这种逆温现象可因局部地形而加强、产生。这类公害事件不能归罪于气侯条件，关键还在于控制大气污染。1.有毒物质的污染有毒物质是指对自然生态系统和人类健康有毒害作用的物质，排放到环境之中而引起危害，这些物质都是社会生产和生活过程中的产物，如工业三废、农药化肥、放射性物质等。15.5.4水污染（1）水俣病

工业生产的废渣、废气和废水未加处理而排放，污染环境，排放三废最严重的是化工、冶金和轻工业等部门。发生在日本的水俣病，就是一家工厂把含汞的废水、废渣排入水俣湾，汞进入鱼虾体内，猫，鸟等动物和人因吃鱼虾而引起甲基汞的慢性中毒，因而得病。病人手脚麻木、听觉失灵，运动失调，严重时呈疯癫状态，直至死亡，人称水俣病。(2)杀虫剂和除草剂

人们为防治病虫害和消灭杂草，在农业生产上广泛应用杀虫剂和除草剂，同时又大量使用化肥来捉高土壤肥力，这在一定条件下能达到目的，但从长远利益看，却给人类自己带来危害。DDT是易于扩散的化学物质，在远离使用地点的南极，企鹅等动物体内也发现了它，这就证明DDT已进入了全球性的生物地化循环，散布到了全世界。当人们用喷雾方式使用DDT时，实际上只有5%落到植物体上，而有一半以上散布在大气之中，其余将落到土地上，而后流入江河、海洋。

由于DDT的化学性质与脂肪相似，很容易积累于生物体内，特别是在水域，通过食物链而逐级浓缩，因分解缓慢，常可积累到毒害的程度。如美国长岛海边盐沼地带，多年来喷撒DDT灭蚊，水生动物体内DDT的残留量逐级增高，直到食鱼的银鸥体内已高达75.5ppm，是海水含量的150万倍。根据对各大洲人体脂肪的抽样分析，发现人体脂肪组织中已普遍含有DDT。DDT在生物体内高度富集，常引起死亡或影响其生殖。2.水体的富营养化（eutrophication）

由于供藻类等水生生物生长的无机营养物质过剩导致藻类的大量繁殖，从而降低水中的溶氧量