第十一章、人与环境

1、第十一章 应用生态学,1 环境污染及其监测,环境污染 环境监测和风险评价,1.1 环境污染（environmental pollution） 指人类活动使环境要素或其状态发生了变化，从而使环境质量恶化，扰乱和破坏了生态系统的稳定性以及人类的正常生活条件的现象。常见的环境污染有： 空气污染(air pollution) 酸雨(acid rain) 水污染(water pollution) 土壤污染,空气污染(air pollution) 空气污染是由人类活动直接或间接引起天然与合成有害物质向大气的排放。污染物直接排放到大气中称初级污染物，在太阳电磁辐射的影响下，在空气中由其他污染物制造出来，称次

2、级污染物。主要的空气污染物有：二氧化硫、固体颗粒、二氧化氮、碳氢化合物、一氧化碳、臭氧、硫化氢、氟化物、一氧化氮、铅、汞。 空气污染物对人及整个自然界有重要的影响。造成环境不舒适，腐蚀雕塑，破坏公共设施；防碍人类和其他生物的健康，同时改变气候以及土壤、湖泊和河流的化学性质。,酸雨(acid rain) 指雨水中含有一定数量本性物质(硫酸、硝酸、盐酸等)的自然降水现象。（ 1972，英国化学家R. A. Smith提出） 大气中形成酸的物质以雨、雪、雹和雾等形式从空气中沉降下来，其pH值一般都小于5.6，这种现象称酸沉降(acid deposition) 。 酸沉降对动物、植物以及森林有明显的损

3、害；改变了土壤和湖泊的pH值，同时本酸化会导致有毒金属（汞和铝等）从土壤和沉积物中释放出来。,水污染(water pollution),水污染是指由于人类活动而排放的污染物进入水体，使水体及其底泥的物理、化学性质或生物化学性质发生了变化，从而防碍了对水体的利用，这种现象称水污染。 水体污染物可分为生物体、可溶性化学物质、不溶性化学物质和热四类。,水污染危害： 有毒物对生物的直接毒害，不溶性固体降低水质； 水中有害生物导致水传播疾病的流行； 水中有机质引起水体的富营养化 ，引起水体生物耗氧（BOD）和化学耗氧量（COD）增加； 水中有毒物质如重多属和多氯联苯等在食物链上的生物放大作用，使生物体的

4、酶活性受影响； 工业余热通过多种途径影响水生生物。,富营养化（eutrophication）,富营养化是指在人类活动的影响下，生物所需的氮、磷等营养物质大量进入湖泊、河口、海湾等缓流水体，引起藻类及其他浮游生物迅速繁殖，水体溶解氧量下降，水质恶化，鱼类及其他生物大量死亡的现象。水体出现富营养化情况下，浮游藻类大量繁殖，形成水华，因占优势的浮游藻类的颜色不同，水面出现各种颜色，这种现象在海洋中叫赤潮。 多数学者认为氮和磷等营养物质浓度升高是藻类大量繁殖的原因，由于磷通常是水生生物生长的限制性营养物，因此是引起水体富营养化的主要物质。,土壤污染,土壤污染是指人类活动所产生的物质通过多种途径进入土壤

5、，其数量特征和速度超过了土壤容纳的能力和土壤净化速度的现象。 常见的土壤污染物有：物理类、化学类、生物类等，其中以化学类最为普遍、严重和复杂。常见的化学污染物有：无机污染物包括：重金属、放射物质和营养物质等，有机污染物是化学农药，如有机氯类、有机磷类、氨基甲酸酯类、苯酰胺类等；石油、多环芳烃、多氯联苯、甲烷等；多聚物如尼龙、塑料和橡胶等。物理污染物有工业废渣、城市垃圾等；生物污染物有大肠肝菌、炭疽杆菌、蠕虫类。,1.2 环境监测和风险评价 生态监测的内容及特点 生态监测的原理和方法 风险评价,1.2.1 生态监测的内容及特点,环境监测(environmental monitoring): 研究

6、和监测环境质量。其手段有化学、物理学、生物学、生态学、地球物理、地球化学等，因此其内容有化学监测、物理监测、生物监测、生态监测、地球物理化学监测等。,生态监测(ecological monitoring): 利用生命系统各层次对自然或人为因素引起环境变化的反应来判定环境质量。 特点： 能综合地反映环境质量状况； 具有连续监测的功能； 具有多功能； 监测灵敏度高。,1.2.2 生态监测的原理和方法 生态监测的原理 生物与环境之间相互依存、相互影响、协同进化。 生物与环境相互补偿、协同发展是在自然界长期发展过程中形成的，生物的变化是某一区域内环境变化的一个组成部分，因此，生态学上个体、种群、群落和

7、生态系统各组织层次的生物变化可以作为环境改变的指示和象征。, 生态监测的方法 个体和种群水平 指示生物法（indicator organism） 群落和生态系统水平 污水生物系统法（saprobien system） PFU(聚氨酯泡沫塑料块)法(polyurethane foam unit) 生物指数法（biotic index） 生物测试（bioassay）,指示生物法(indicator organism) 用指示生物来监测环境状况的一种方法。指示生物是一些对环境中的某些物质，包括污染物的作用或环境条件的改变能较敏感和快速地产生明显反应的生物。通过其所作的反应可了解环境的现状和变化，起“

8、预警”功能。,指示生物的基本特征： 对干扰作用反应敏感且健康； 具有代表性； 对干扰作用的反应个体间的差异小、重现性高； 具有多功能。 常用的指示生物：紫花苜蓿（SO2），地衣和苔藓（SO2、氟化物），菜豆、烟草 （O3）等。,污水生物系统法 污水生物系统法是由Kolkwiz 和 Marsson 1909年提出，后经完善的一种用于河流污染、尤其是有机污染的一种监测方法。 由于河流受污染后，在污染源下游的一段流程里会发生自净过程，即随着河水污染程度的逐渐减轻，生物的种类组成也随之发生变化，在不同的河段将出现不同的物种。 根据生物种类组成将河流划分为多污带、-污染带、-污染带和寡污染带。各污染带都

9、有各自的物理、化学和生物的特征 。 亦可用群落中优势种群来划分污染带。,PFU法 PFU法是用取氨酯泡沫塑料块采集水域中微生物和测定其群集速度来监测和评价环境质量状况的一种方法。1969年由美国弗吉尼亚工程学院和弗吉尼亚州立大学环境研究中心的Cairns 等人1969年创立的。国内自80年代起将这种方法用于污染水体的监测和评价。 PFU法的原理是岛屿生物学原理，即原生动物集群过程实际上是集群速度随着种类上升而下降的过程，二者的交叉点就是种数的平衡点。达到平衡点的时间取决于环境条件。 PFU法的优点：使监测水平提高到了群落层次，使监测更符合客观事实和真实环境；简便易行。,生物指数法 生物指数法是

10、指用数学公式反映生物群落结构变化，以评价环境质量。常用的有： 生物指数（BI）2nA+nB, n为底栖大型无脊椎动物的种类数， A为敏感种类数，B为耐污染种类数。 污染生物指数颤蚓类的个体数量底栖动物个体数量100 硅藻指数（2AB2C）（ABC）100，A为不耐污染的种类数；B为对有机污染耐力强的种类数；C为在污染区内独有的种类数。,生物测试,生物测试又称生物测定或生物检试，是利用生物受到污染物质的毒害所产生的生理机能等变化测试污染状况的方法。 毒性试验 急性毒性试验 慢性毒性试验 致突变检测 微核技术：细胞分裂过程中染色体进行复制时，如果受到外界诱变因子作用，就会产生一些游离的染色体片断，

11、形成包膜，变成大小不等的小球体，这就是微核。利用细胞减数分裂四分体时期出现的微核来指示环境污染的方法称微核技术。,1.2.3 生态风险评估 生态风险评估是利用生态学、环境化学及毒理学的知识，定量地确定环境危害对人类的负效应的概率及其强度的过程。,生态风险评估的步骤,生态风险评估,问题的形成,分析过程,风险源评估,效应评估,风险特征化,风险管理,2 生物资源的管理,生物多样性及其保育 生物资源管理 人口管理,2.1 生物多样性及其保育,生物多样性 生物多样性的价值 生物多样性的现状 生物多样性丧失的原因 生物多样性的保育对策,2.1.1 生物多样性 是生物及其与环境形成的生态复合体以及与此相关的

12、各种生态过程的总和。包括数以百万计的动物、植物、微生物和它们所拥有的基因以及它们与生存环境形成的复杂生态系统。,遗传多样性（基因多样性） 物种多样性 生态系统多样性 景观多样性,遗传多样性,指种内基因的变化，包括种内显著不同的种群间和同一种群内的遗传变异。 其测度包括三个方面，即染色体多态性、蛋白质多态性和DNA多态性。,物种多样性,指物种水平的多样性，即一个地区内物种的多样化，主要是从分类学、系统学和生物地理学角度对一定区域内物种的状况进行研究。,生态系统多样性,指生物圈内生境、生物群落和生态过程的多样化以及生态系统内生境差异、生态过程变化的多样性。 生态多样性指数可分为: 多性指数 多样性

13、指数 多样性指数,景观多样性,指不同类型的景观要素或生态系统构成的景观在空间结构、功能机制和时间动态方面的多样化或变异性。,2.1.2 生物多样性的价值 直接价值：为人类提供了基本食物、纤维、药物和燃料和建材等 间接价值：表现在生态系统的服务，具体表现在以下几个方面。 能量固定； 调节气候； 调节水文； 保护土壤； 贮存必须的营养元素，促进元素循环； 维持进化过程； 对污染物质吸收和分解作用； 娱乐美学、社会文化、教育、精神及历史方面具有重要价值。,2.1.3 生物多样性的现状 生物多样性的丰富程度：世界上的物种估计有500万到3000万种，已定名的为140170万种。中国是世界上物种最丰富的

14、国这之一，中国的物种数约占世界物种总数的10。中国的特有种十分丰富，以维管植物、哺乳类和鸟类计算，仅次于印度尼西亚，居亚洲第二。 生物多样性的受威胁现状：Schopf认为生物物种的寿命是20万年，地球上有4000种哺乳动物，如果以4000个哺乳动物种作为平衡点，那么每50年就有一个物种灭绝。二十世纪内，每年灭绝0.27种哺乳动物，每4年有一个物种。灭绝速率为自然灭绝的近13倍。,2.1.4 生物多样性丧失的原因 栖息地丧失和片断化； 掠夺式的过度利用； 环境污染； 工业化的农业和林业； 外来种的引入； 全球气候变化。,2.1.5 生物多样性的保育对策 保护公约和立法 建立自然保护区和国家公园

15、迁地保护 种子库和基因资源库 退化生态系统的恢复 生物多样性的监测,保护公约,国际生物多样性保护公约：1992年6月在巴西首都里约热内卢召开了地球最高级会议，联合国环境与发展大会，通过了国际生物多样性公约，确立了生物多样性保护的重要地位，152个国家在公约上签字。5月22日世界生物多样性日。 保育对策应该包括全球、国家、地区和地方的一系列不同层次。 国际级对策保护全球受威胁生态系统，由IUCN (International Union for Conservation of Nature)牵头。成功的措施是濒危野生动植物物种国际贸易公约（CITES）以及南极协议（Antarctic Treat

16、y,1992）。 国家级对策由政府组织安排和通过立法执行，如保护区的建立。,2.2 生物资源管理 有益生物种群的产量 有害生物的防治与管理,2.2.1有益生物种群的产量 最大持续产量原理： dN/dt = rN(K-N)K 当NK2时， dN/dt 最大， d(K/2)/dt = rK/4 Graham(1935)认为： 在渔业生产中，dN/dt可以看成是可供捕捞而不影响资源种群大小的“剩余生产”。要使种群维持最大的产量（MSY） ，就应该使资源种群保持在N K2的水平。此时, MSY rK/4。 最大持续生产量在生产实践具有重要的意义,最大持续产量原理,K2,K2,B,A,b,a,N,K,N

17、,dNdt,MSY,MSY,dNdt,NMSY,最大持续生产量的生产实践意义,假如一个未受人类利用的资源种群数量是稳定的，那么在按最大持续产量的策略进行捕猎前，首先要将种群的数量降低，降低以后才能使种群增长率提高，才能有持续产量； 种群数量降低到每一水平，都有一个相应的持续产量，这个持续产量等于该数量水平（N）下的增加量dN/dt; 每一个持续产量都有相应的两个种群数量能提供这个持续产量； 只有在一个种群数量水平下，才能有最大持续产量，理论上讲，这个数量是N=K/2水平； 按逻辑斯谛增长数学模型的原理，最大持续产量MYS=rK/4,而能提供最大持续产量的种群数量N MYS K2。,2.2.2

18、有害生物的防治与管理 有害生物(pest) 与人类竞争食物或遮蔽所、传播病原体、以人类为食或用不同的方法威胁人类健康、舒适或安宁的生物。 防治的原理 防治有害生物的过程往往成为一个猎取“持续产量”的过程，因此，如果每年去除一个“最大待续产量”，那么既不能将危害动物种群消来掉，也不能把它的数量压到K2的水平以下，所以，只有当每年的去除数量大于“最大持续产量”，才能使种群趋向灭亡。,防治目标：降低有害生物到某一水平，在这个水平上进一步降低是无利可图的。 防治类型：化学防治、生物防治、基因防治、物理防治、综合防治。,有害生物防治的利益和代价模型,成 本 或 价 值,有害生物密度,防治成本,作物价值,

19、防治利益,2.3 人口管理 人口增长模型 人口控制对策和人口问题,2.3.1 人口增长模型 马尔萨斯的人口理论 Hale-Malthus增长典线 人口预测,马尔萨斯的人口理论,1824年，马尔萨斯认为，假如植物或动物不受营养不良、饥荒或疾病等自然力（环境阻力）的限制，它们则能充分地利用其生物潜能，而以不可想象的速度进行繁殖增长。 而这一点上人类与植物或动物将无任何区别。人口将按几何级数方式增长，而生活资料的生产将按算术方式增长。 因此，倘若人类不能自动限制其繁殖力的话，则将由外界以饥饿和战争来实现这种限制。 生物学家同意该理论的前半部分。,Hale-Malthus增长曲线,Hale 1677年

20、就指出人口增加有呈几何增长的趋势 Verhurst 1838年假设环境因素数量为一定时，种群在无限空间中世代连续的增长可成立一个方程式，dN/dt=rN（Malthusian eqation）, 那么，Nt=N0ert ,增长典线呈“J”型，称Hale-Malthus增长典线。,人口预测,人口加倍所需的时间 Nt=N0ert NtN0=ert ， NtN02 ert2 t=ln2/r, 我国19491978年的人口增长率为19.5%, t35年，即我国解放后人口加倍的时间为35年。 世界人口加倍的时间是34.7年，2010年世界人口将达到80亿。,人口控制对策和人口问题,人口的控制对策：计划生

21、育。由Nt=N0ert 可知，实行晚婚晚育，减少育龄妇女的生育次数。 人口增长带来的问题 人口和经济发展。由于粮食生产和人口分布不均匀，人口增长造成耕地、粮食等资源利用压力增加。 人口的老龄化。人口中，60岁以上的人占10，65岁以上人口占7以上即为老龄型人口。 我国控制人口增长中的两个重要问题： 控制人口决策 提高人口素质,3 生态环境规划与管理 可持续发展 环境规划 生态规划 生态环境治理,3.1 可持续发展 可持续发展(sustainable development)：既能满足当代的需求，又不对后代人满足其需求的能力构成危害的发展。,3.2 环境规划 环境规划也称环境保护规划，强调规划区

22、域内大气水体、噪声及固废等环境质量的监测、评价和调控管理。,3.3 生态规划 生态规划的概念 生态规划的原则 生态规划的内容 生态规划的步骤,3.3.1 生态规划的概念,强调运用生态系统整体优化观点，对规划区域内城乡生态系统的人工生态因子（如土地利用状况、产业布局状况、环境污染状况、人口密度和分布以及建筑、桥梁、道路、城市管线基础设施分布等）和自然生态因子（气候、水系、地形地貌、生物多样性、资源状况等）的动态变化过程和相互作用特征都应给予相当的重视，研究物质循环和能量流动的途径，进而提出资源合理开发利用，环境保护和生态建设的规划对策。,其目的在于区域与城市生态系统的良性循环，保持人与自然、人与

23、环境关系的持续共生，协调发展，追求社会的文明、经济的高效和生态环境的和谐。,中国古典哲学,3.3.2 生态规划的原则 整体优化原则 趋适开拓原则 协调共生原则 区域分异原则 生态平衡原则 高效和谐原则 可待续发展原则,3.3.3 生态规划的内容 生态要素的调查与评价 环境容量和生态适宜度分析 评价指标体系的建立及规划目标的研究 生态功能区划与土地利用布局 环境保护规划 人口适宜容量规划 产业结构与布局调整规划 园林绿地系统规划 资源利用与保护规划 生态规划管理对策,3.3.4 生态规划的步骤国外生态规划的技术路线 资源管理生态规划(F. Steiner,1960s) 确定规划目标 资源数据清单和分析 区域适宜度分析 方案选择 规划方案实施 规划执行 方案评价,Mc