第七章人类对自然生态系统的干扰与生态恢复.ppt

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1、第七章人类对自然生态系统的干扰与生态恢复 干扰与干扰生态学干扰与干扰生态学干扰干扰是自然界一个重要而又广泛存在的现象。从生态因子角度考虑，干扰的定义是：群落外部不连续存在、间断发生的因子的突然作用或连续存在因子超“正常”范围的波动，这种作用或波动能引起有机体、种群或群落发生全部或部分明显变化，使其结构和功能受到损害或发生改变。干扰的特性干扰的特性1.干扰范围：是指干扰体作用的空间范围的分布特点。2.频率和周期：是指同一空间范围或同一组织水平内，单位时间某一干扰发生的次数。倒数即周期。3.干扰强度：是指干扰发生时，干扰因素所表达出的能力值。4.时间尺度：是指干扰发生的具体时刻及其持续的时间跨度。

2、干扰的类型干扰的类型按干扰动因自然干扰和人为干扰按干扰来源内源干扰和外源干扰按干扰性质破坏性干扰和增益性干扰人为干扰的主要形式人为干扰的主要形式1.对森林和对草原植被的砍伐与开垦2.污染3.采集4.采樵5.狩猎和捕捞新的形式旅游、探险等人为干扰的特点人为干扰的特点广泛性、多变性、潜在性、协同性、累积性、放大性干扰的生态学意义干扰的生态学意义1.有利于促进系统的演化2.是维持生态系统平衡和稳定的因子3.能调节生态关系干扰生态学及学科任务干扰生态学及学科任务是研究各类干扰对生命系统作用规律的科学任务一：通过对干扰类型、方式、强度、频率、时间等特性的研究，揭示不同干扰对生物个体、种群、群落和生态系统

3、方式、机制及其退化的影响原因。任务二：对干扰的性质及发展趋势做出科学年预测，为受损生态系统修复、重建和科学管理提供理论依据。干扰生态学的基本研究内容干扰生态学的基本研究内容1.研究特定生态系统的干扰因子类型、干扰状况和干扰体系，即干扰因子及其存在规律和发生行为2.研究生物个体对干扰的适应行为及其机制3.研究生态系统各组分对干扰的反应4.研究干扰与生态系统的发展进化5.研究干扰的生态学意义在生态管理中的应用退化生态系统（退化生态系统（degraded ecosystem)的类型及其成因的类型及其成因定义：是相对于健康生态系统而言的。它是一类“病态”生态系统，是指在一定的时空背景下，生态系统受自然

4、因素、人为因素或二者的共同干扰下，使生态系统的某些要素或系统整体发生不利于生物和人类生存要求的量变和质变，系统的结构和功能发生与其原有的平衡状态或进化方向相反的位移（displacement）具体表现为生态系统的基本结构和固有功能的破坏或丧失、生物多样性下降、稳定性和抗逆能力减弱及生产力下降，故又称为“受损或受害”生态系统（damaged ecosystem)。原因：多方面，自然和人为干扰是两大触发因子退化生态系统的类型退化生态系统的类型1.裸地(barren)：分为原生和次生两种2.森林采伐迹地(logging slash)3.弃耕地(abandoned till,sidcard culti

5、vated)4.沙漠及荒漠化(desert)5.采矿废弃地(mine derelict)1)由剥离表土、开采的废石及低品位矿石堆积所形成的废石堆废弃地2)随着矿物的开采而形成的大量采空区域，即开采坑形式的废弃地3)由各种分选方法选出精矿后的剩余物的排放而形成的尾矿渣废弃地4)开采石料而形成的采石矿废弃地6.垃圾堆放场(wastes stack bank)7.污染的水域退化生态系统的特征退化生态系统的特征1.种类组成变化2.结构变化3.生物生产力的变化4.土壤和小环境的变化5.生物之间生态关系的变化中国退化生态系统的现状中国的脆弱生态系统脆弱生态系统是指自身稳定性差、对外界干扰抵抗能力低的生态系

6、统。内涵：1.这类系统的正常功能一旦被打乱，系统常发生不可逆变化而失去恢复的能力2.系统发生的变化常常是深刻和全面的，它不仅能影响当前或近期人类的社会生产、生活和对自然资源的利用，甚至能长期改变一个地区的生产结构、生产和生活方式；3.系统退化后的恢复是比较困难的。脆弱生态系统受到干扰后极易成为退化的生态系统。但二者不是一个概念。脆弱生态系统的形成原因脆弱生态系统的形成原因自然因素如地质脆弱因子、地貌脆弱因子、生物群体结构、气候脆弱因子人为因素如过度垦殖土地、过度放牧、长期不合理灌溉、工农业污染等我国脆弱生态系统的分布我国脆弱生态系统的分布范围广、面积大（194万平方公里）北方半干旱-半湿润区如

7、黄土高原西北干旱脆弱区如新疆华北平原区如河北南方丘陵区如湖南西南石灰岩山地如泉洲西南山地和青藏高原区如西藏恢复生态学及其基本理论恢复生态学及其基本理论恢复生态学的学科任务及与其他学科的关系恢复生态学的学科任务及与其他学科的关系恢复生态学（restoration ecology）诞生于20世纪70年代。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景观的恢复和重建问题。理论研究内容：1.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2.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3.先锋群落与顶极群落的发生、发展机理与演替规律研究4.不同

8、干扰条件下生态系统的受损过程及其响应机制研究5.生态系统退化的诊断及其评价指标体系研究6.生态系统退化过程的动态监测、模拟、预警及预测研究应用技术研究内容应用技术研究内容1.退化生态系统的恢复与重建的关键技术体系研究2.生态系统结构与功能的优化配置及其调控技术研究3.物种与生物多样性的恢复与维持技术4.生态工程设计与实施技术5.环境规划与景观生态规划技术6.典型退化生态系统恢复的优化模式试验示范与推广研究恢复生态学的研究进展恢复生态学的研究进展1.始于20世纪20年代2.1973年3月，在美国弗吉尼亚召开题为“受损生态系统的恢复”的国际会议3.1985年，Aber and Jordan 首次提

9、出了“恢复生态学”的科学概念4.1996年在美国召开了恢复生态学国际会议，标志着恢复生态学的研究和实践已步入新的阶段20世纪80年代以来，在生态恢复的研究基础上，有一系列的著作Gairns(1980)The recovery process in damaged ecosystemBradshaw and Chdwick(1980)The restoration of land,The ecology and reclamation of derelict and degraded landJordan(1987)Restoration ecologyA synthetic approach

10、to ecological research我国在这一方面的研究基本与国际同步，有些领域处于领先地位制约学科发展的理论和实践问题制约学科发展的理论和实践问题1.生态系统恢复的不可确定性生态系统恢复的不可确定性2.生态系统恢复要求综合考虑生态、经济和社会因素，生态系统恢复要求综合考虑生态、经济和社会因素，但对时间、空间上存在异质性的生态系统而言，很难但对时间、空间上存在异质性的生态系统而言，很难恢复到理想状态，在有持续干扰情况下尤其如此恢复到理想状态，在有持续干扰情况下尤其如此3.由于生态系统的复杂性，对生态系统退化程度和干扰由于生态系统的复杂性，对生态系统退化程度和干扰因子很难概括出一些易测定

11、、又能反映实质的具体指因子很难概括出一些易测定、又能反映实质的具体指标标4.生态系统恢复和群落的自然演替是一个动态的过程，生态系统恢复和群落的自然演替是一个动态的过程，在研究实践中，对两者的区分常常很困难在研究实践中，对两者的区分常常很困难5.生态系统恢复的时间到底要持续多长，这需要进行可生态系统恢复的时间到底要持续多长，这需要进行可重复和长期的试验及观测，短时间尺度的研究不能准重复和长期的试验及观测，短时间尺度的研究不能准确回答这个问题确回答这个问题6.生态系统恢复的机理还不清楚，尤其是重新引进当地生态系统恢复的机理还不清楚，尤其是重新引进当地消失的物种在恢复中的作用与角色还难以正确判断消失

12、的物种在恢复中的作用与角色还难以正确判断恢复生态学中涉及的几个重要概念恢复生态学中涉及的几个重要概念生态恢复生态恢复：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。重建重建（rehabilitation），即去除干扰并使生态系统恢复原有的利用方式；改良改良（reclamation），即改善环境条件以便使原有的生物生存，一般指原有景观彻底破坏后的恢复改进改进（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修补（remedy），即修复部分受损的结构更新更新（renewal），指生态系统发育即向新的水平或层次的演替再植

13、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。恢复生态学的基本理论1.自我与人为设计理论自我与人为设计理论2.生态学理论生态学理论3.生态恢复理论生态恢复理论（1）生态恢复原则生态恢复原则 自然法则 社会经济技术原则 美学原则（2）生态恢复机理）生态恢复机理 Hobbs and Mooney指出，退化生态系统恢复和重建的可能发展方向一般要包括：退化前状态、持续退化、保持原状、恢复到一定状态后退化、恢复到介于退化与人们可接受状态间的替代的状态或恢复到理想状态等几个阶段和过程。Hobbst and Norton 的临界阈值理论，该理论假设生态系统有4种

14、可选择的稳定状态，状态1是未退化的，状态2和3是部分退化的，状态4是高度退化的（3）生态恢复的标准）生态恢复的标准1.可持续性（可自然更新）可持续性（可自然更新）2.不可入侵性（象自然群落一样能抵制入不可入侵性（象自然群落一样能抵制入侵）侵）3.生产力（与自然群落一样高）生产力（与自然群落一样高）4.营养保持力营养保持力5.具有生物间的相互作用具有生物间的相互作用生态恢复的方法生态恢复的方法以天然植被恢复为例以天然植被恢复为例w大自然具有很强的恢复能力，大多数情况下，人类需要的是减少对生态系统的干扰，采取适当的措施控制火灾、虫灾和杂草，自然界所具有的顽强能力，将逐渐恢复并实现生态系统的各种功能

15、。不过除了自然恢复以外，我们还可以采用生态恢复的方法。生态恢复要以实现当地的原始天然植被覆盖为最终目标 w“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。人类没有能力去恢复出真的天然系统，但是我们可以帮助自然，把一个地区需要的基本植物和动物放到一起，提供基本的条件，然后让它自然演化，最后实现恢复。因此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

16、的栖息环境。w生态恢复的方法有物种框架方法和最大多样性方法。物种框架方法物种框架方法w是指建立一个或一群物种，作为恢复生态系统的基本框架。这些物种通常是植物群落中的演替早期阶段（或称先锋）物种或演替中期阶段物种。这个方法的优点是只涉及一个（或少数几个）物种的种植，生态系统的演替和维持依赖于当地的种源（或称“基因池”）来增加物种和生命，并实现生物多样性。因此这种方法最好是在距离现存天然生态系统不远的地方使用，例如保护区的局部退化地区恢复，或在现存天然斑块之间建立联系和通道时采用。应用物种框架方法的物种选择应用物种框架方法的物种选择标准：标准：w抗逆性强：这些物种能够适应退化环境的恶劣条件。能够吸

17、引野生动物：这些物种的叶、花或种子能够吸引多种无脊椎动物（传粉者、分解者）和脊椎动物（消费者、传播者）。再生能力强：这些物种具有“强大”的繁殖能力，能够帮助生态系统通过动物（特别是鸟类）的传播，扩展到更大的区域。能够提供快速和稳定的野生动物食物：这些物种能够在生长早期（2-5年）为野生动物提供花或果实作为食物，而且这种食物资源是比较稳定的和经常性的。物种框架方法种植的物种需要能够吸引多种传粉和传播动物最大多样性方法最大多样性方法w 是尽可能地按照该生态系统退化以前的物种组成及多样性水平种植物种进行恢复，需要大量种植演替成熟阶段的物种，先锋物种被忽略。这种方法适合于小区域高强度人工管理的地区，例

18、如城市地区和农业区的人口聚集区。这种方法要求高强度的人工管理和维护，因为很多演替成熟阶段的物种生长慢，而且经常需要补植大量植物，因此需要的人工比较多。w采用最大多样性方法，一般生长快的物种会形成树冠层，生长慢的耐荫物种则会等待树冠层出现缺口，有大量光线透射时，迅速生长达到树冠层。因此可以配种10%左右的先锋树种，这些树种会很快生长，为怕光直射的物种遮挡过强的阳光，等到成熟阶段的物种开始成长，需要阳光的时候，选择性地砍掉一些先锋树，砍掉的这些树需要保留在原地，为地表提供另一种覆盖。留出来的空间，下层的树木会很快补充上去，过大的空地还可以补种一些成熟阶段的物种。最大多样性方法是尽可能地按照该生态系

19、统退化以前的物种组成及多样性水平种植多样物种进行恢复 恢复地点的准备工作 w在进行恢复以前，需要对恢复地点进行考察，首先是要确定那些限制植被恢复的因素。这可能是土壤条件，植物或动物群，或物种之间互相限制的关系。w有些情况，改善退化生态系统土壤的理化性质对于生态系统的恢复是非常重要的。如土壤的pH值太高可以用有机物质或硫化废物进行改善；pH值太低就可用石灰进行改善；土壤的重金属含量太高，可以用有机肥通过吸附作用加以改良；土壤盐分太高，可以采取灌溉的方法对土壤进行改善。w各种生态系统需要不同的营养元素。在营养缺乏的情况下，恢复退化生态系统非常困难。最有效和最实际的方法是种植当地的豆类植物，通过它们

20、的固氮作用来增加营养。另一种方法是使用有机肥料，增加土壤微生物的活性，逐渐恢复退化土壤的含磷量。不得已的情况下可使用化肥来增加肥力，但这可能花费过高，而且依靠化学肥料也很难恢复健康的土壤。可以施用有机肥料和种植一些当地豆科植可以施用有机肥料和种植一些当地豆科植物改善土壤肥力物改善土壤肥力 种子采集和种苗培育 w最大多样性方法需要种植尽可能多的物种，但种植并不意味着我们需要培育所有这些物种的种子或种苗。最经济和有效的办法是发动大家到当地发育良好的植被中，采集野生种子。种子的采集工作需要了解当地物种的种子成熟的时节，例如青冈栎只能周期性结出饱满的“坚果”，如果错过这种机会，可能需要再等很长的时间才

21、能获得种子。除了采集大型树木的种子外，采集各种当地的草种和灌木种子也十分重要。有时可以发动志愿者，甚至学校的孩子也可以组织起来参加这样的种子采集工作。在天然植被已经不存在的地方，需要建立当地植物种源基地，为周围地区植被恢复的需要提供多样性的当地植物种源。应该注意的是，这样的种源基地和我们过去常常建立的提供外来树种或经济种苗的苗圃是有根本区别的。w没有人工协助不会建立或发芽的树种，尤其那些具有重要作用的物种，是主要栽培对象。然而苗圃培育必须要掌握好时机，需要培育一定数量的当年能采集到的树种幼苗。有些种类最好采集森林地面上的野生苗，而不是人工从种子培育幼苗。树苗应该栽培在混合有少量来自种子采集地的

22、森林土壤中，确保可以得到合适的菌根。培育越多种类的原始森林组成物种越好。w根据不同的土壤条件，实际工作中采取的播种措施也要改变。有时种子可以直接播种，有时需要首先改善土壤。改善种源条件也包括动物方面。一个健康的生态系统，应该包括各种动物区系。大部分动物可以移动，因此不需要人工帮助，但是有些动物种类，如蚯蚓，移动距离有限，引殖它们具有重要的生态学意义。种子采集工作非常重要，只有没有人工帮助不种子采集工作非常重要，只有没有人工帮助不能发芽的物种才是人工育苗的对象。否则应尽能发芽的物种才是人工育苗的对象。否则应尽量采用采集种子和播种的方法。量采用采集种子和播种的方法。种植和抚育 w森林恢复过程中常常

23、需要进行常规种植。在退化生态系统的自然恢复初期，人工培育可以促进再生和恢复。特别是在植物种类单一的地方，可以适当的伐去一些树木，间种一些当地其他树种。如天然应该是针阔混交林地区的单一阔叶林中间种当地针叶树，单一的针叶林中间种当地阔叶树。种树的时候应该间隔1.51.8米的距离，随机地种植，不要种成直线和等间距。一些树种需要在开阔地面，且阳光充足，树苗才能存活。另外一些树种在树苗存活以前需要一定的遮光层。可以先种植一些喜光的植物遮挡阳光，但耐荫植物的种植或抚育同样重要。w为了促进一些种类的健康生长、发育和为了促进一些种类的健康生长、发育和繁殖，可能需要抑制其他一些种类的生繁殖，可能需要抑制其他一些

24、种类的生长和发育。抑制措施在实践中可以时常长和发育。抑制措施在实践中可以时常使用。使用。w例如在温带竹林十分茂密的地区，有必要人工割除一些竹子，形成条带或空洞，间种幼树。在树木没有周围竹子高以前，要求人工清除树木周围的竹子，防止树木被窒息。密植树木可以控制杂草的发育。这意味着在把树苗栽植到野外以前，需要更长的培育时间。在热带地区，可以在雨季开始的时候，在土壤中扦插或栽植1-2米高的生长快速的树种树苗。w在温带地区，封山必须结合抚育，特别是对乔木萌生丛，如各种栎树萌生丛，通过封山，最易恢复成萌生林。但是由于乔木萌生丛常从树椿上生出多条萌芽，若把萌生茎全部留下，势必使养分分散，各茎干均生长不良，不

25、易发育成良好的森林。同时萌生丛是乔木与多种灌木混生，灌木之间以及灌木与乔木萌生丛之间发生剧烈竞争，致使封山后的萌生丛生长茂密，如果任其自然竞争，将需很长的时间才能恢复。因此对萌生丛的封山，必须结合抚育，有意识地每丛保留2-3株生长健壮的萌生茎，疏伐过密的乔木，使之逐渐恢复成林。这种方法在北京山区已取得良好的经验。w最好是在森林中建立母树管理区域，保留足够的母树作为植被恢复的种子来源。同样，在谷地口和沿山脊首先建立树木覆盖也是一种有用的方法，因为在沿山地带自然风力和地心引力将使其下面的土地得到自然播种。这样自然传播的植被覆盖会更符合自然规律，最后实现更多样化和健康的植被覆盖 加强利用自然力 w风

26、是自然界传播先锋植物和一些高大树种（例如针叶树、槭树Acer、杨树Populus等）种子的重要力量。风也是在裸露地区恢复森林的强大力量。在缺乏风力传播的树种的地区，可以有目的地沿风向上方种植这些物种来提高恢复能力。一些草和灌木种类能借助风力将其种子散播到1公里以外。大多数针叶树种仅能将其种子散播到大约100米远。在后一种情况下，通过条形种植，只需花整体种植费用的一小部分就能实现整个森林覆盖。有些种子可以随风传播很远，有的可以传播一定距离。我们可以考虑种植的树的种子可以被风传播的距离，来确定种植这些树的间距，充分利用风力，扩大自然覆盖。控制杂草 w杂草通常有以下特点：杂草通常有以下特点：杂草出现

27、在几乎所有植物群落中杂草常常在人类干扰后入侵人类干扰越厉害，杂草入侵越厉害天然系统中的多样性越高，杂草入侵的可能性越低大多数杂草不会在树冠层郁闭良好的森林中茂盛生长天然系统的恢复会降低杂草过度生长w进行植被恢复的初期，外来或土著杂草因为适应能力强，往往过度生长。周期性地进行杂草控制对加速天然植被的恢复是必要的。在开始种植树种进行恢复以前，可以深犁土表层，这样可以把杂草的种子埋到深层，阻止其种子发芽。但深犁方法不适合在高寒草原或干旱风沙地方使用，以免造成更严重的退化。w种树常常是控制杂草的好方法，因为树木的遮蔽将利于下层喜荫植物生长，可以起到一定程度的阻止杂草滋生的作用。控制杂草的最常用方法是覆

28、盖地表。地面上覆盖一层有机物质可以大大减少杂草生长，保持土壤湿润，并调节土壤温度，而且增加土壤肥力。覆盖物质可以是树叶、麦秆、干草、树皮、树枝、锯木屑、木片、各种种子壳等。在必要时候，可以使用黑色塑料膜，但使用后，需要想办法清除这些不能降解的制品。有时需要人工除草，严重时可以有限制地使用除草剂，但必须注意除草剂的使用不要影响所种植的植物的生长，而且只能使用不会残留的除草剂。植被恢复之前的杂草需要被去除，植被恢复过程中要监测杂草的发展，并及时控制，以免正常的演替进程被阻止。w使用有机质或黑色塑料薄膜覆盖，可以阻止杂草兹生 加强利用当地物种进行生态恢复加强利用当地物种进行生态恢复的教育和研究的教育

29、和研究 w国外的草种常被错误地用于我国的植被恢复 w我国的草种研究所从事的主要是试验外国公司提供的草种是否在中国能够良好生长，因为有国外公司提供经费开展这些研究，目的就是为将来能够向中国这个巨大市场销售他们的草种。美国俄勒冈州种子学会，目前正在我国推广其草种种子。他们在我国建立了许多草种试验基地，遍布我国的主要省份。w美国俄勒冈州种子学会在中国的草种实验基地分布图w下面的这张图是该学会画出的两个草种（黑麦草和苇状羊茅）适合在我国生长的地区，几乎半个中国都适合它们生长。如果我国真的大面积种植这少数几个草种，将给我国带来极大的生态灾难。一方面这些草种很可能引起入侵；即使不造成入侵，也会大面积占领空

30、间，导致我国特有生物多样性的丧失。w粉红色斜线代表适宜种植苇状羊茅（Festuca arundinacea）的地区，黑线包围的范围代表适宜种植多年生黑麦草（Lolium perenne）的地区。大面积种植这些外来物种，必将导致我国特有生物多样性的丧失。w天安门是中国的象征，可是天安门前草坪上的草种却是俄勒冈提供的。这不得不引起我们的深思和忧虑。福建地区有许多山头几乎全部被马樱丹所覆盖。马樱丹现在被列为世界外来入侵危害最严重的100个物种之一。它开的花很好看，覆盖也很茂密，常作为观赏植物种植。当地人误把它当成良好植被，还准备建立一个自然保护小区加以保护。缺乏研究的结果是我们对于我们所生活的环境中的生态组成及其功能的了解极其匮乏。w多了解我们自己周围的生物，了解它们多了解我们自己周围的生物，了解它们对生态系统的贡献和作用，我们才能够对生态系统的贡献和作用，我们才能够做到真正意义上的做到真正意义上的生态恢复生态恢复，恢复中，恢复中国天然植被的梦想也才不再遥远。国天然植被的梦想也才不再遥远。本章复习思考题w见课本197页复习思考题