受损生态系统的恢复.pptx
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1、第一节 受损生态系统的特征第1页/共141页一、受损生态系统的含义 自然生态系统的重要特点之一,就是在无强干扰的条件下能不断的自我完善,或称为进展(正向)演替,如物种的增加、生产力的提高、系统稳定性的增强等。所以,正常生态系统是生物群落与自然环境实现动态平衡的自我维持系统,系统内各种组分的发展是按照一定的规律、在某一平衡点表现一定范围的波动而呈现出一种动态平衡。第2页/共141页 受损生态系统,是指生态系统的接受和功能在自然干扰、人为干扰(或两者共同作用)下发生了移位,即改变、打破了生态系统原有的平衡状态,使系统的结构、功能发生变化或者出现故障,改变了生态系统的正常过程,并表现出逆向演替。生态
2、系统的完整性可以理解为系统结构的完整性和功能的健康。而生物多样性史生态系统完整性度量的重要指标。第3页/共141页 生态系统的受损害可以理解为生态系统完整性受到损伤。完整性是“未受损害的、良好的状态”,表示“全体、全部或健全”。生态系统的完整性是从“生命系统与非生命系统的完整”角度来考虑的,包括三个层次:一是组成系统的成分是否完整,即系统是否具有土著的全部物种;二是系统的组织结构是否完整;三是系统的功能是否健康。前两个层次是对系统组成完整的要求,第三个层次则是对系统成分间的作用和过程完整的要求。第4页/共141页 从系统结构上看,生态系统完整性强调生态系统的“全部”,包括物种、景观要素和过程,
3、或者表述为成分、组分和过程。生态系统的完整性就是生态系统具有其土著的成分(植物、动物和其他有机物)和完整的过程(如生长和再生)。就系统功能而言,完整性注重生态系统的整体特性。简言之,所谓受损生态系统是指 丧失了生态系统的完整性、不健康的病态生态系统。第5页/共141页二、受损生态系统的基本特征 生态系统受损后,原有的平衡状态被打破,系统的结构、组分和功能都会发生变化,随之而来的是系统稳定性的减弱,生产能力的降低,服务功能弱化等。从生态完整性的角度分析,受损生态系统的共同变化特征主要有以下八个方面第6页/共141页 物种多样性减少 当一个稳定的生态系统受损后,系统中的关键种类首先消失,从而引起与
4、之共生种类和从属物种的相继消失,物种多样性明显减少。另一方面,系统中适应生境变化的某些种类会迅速发生变化,数量增加。关键种的消失会改变生态系统中的种间关系。第7页/共141页 系统结构简单化 生态系统受损后,反应在种群水平上,常表现为种类组成发生变化,优势种群结构异常;在群落层次上则是群落结构的矮化和生境破碎化。食物网破裂 受损的生态系统,在食物网的表现上主要是食物链的缩短或营养链的断裂,单链营养关系增多,种间共生、附生关系减弱,这种现象被称为食物网破裂。第8页/共141页 能量流动效率降低 由于受损生态系统食物关系的破裂,能量的转化及传递效率会随之降低,主要表现为对光能固定作用的减弱,能量流
5、的规模缩小或过程发生变化;系统中的捕食过程和腐化过程弱化,因而能量流损失增多,能量利用和转化效率降低。第9页/共141页 物质循环不畅或受阻 生态系统结构受到损害后,层次性简化以及食物网的破裂,使营养物质和元素在生态系统中的周转渠道减少、时间缩短、周转率降低,生物的生态学功能减弱。由于生物多样性及其组成结构的变化,使系统中物质循环的途径不畅或受阻,包括系统中的水循环、氮循环和磷循环等会发生变化。第10页/共141页 系统稳定性降低 在外界干扰较小的情况下,正常的生态系统总是在某一平衡点附近摆动,轻度干扰所引起的偏离将被系统的负反馈作用调节,是系统逐步恢复到原来的水平并维持相对的稳定状态。而且,
6、对于某些生物系统而言,轻度的干扰甚至有利于稳定性的发展。但在受损的生态系统中,由于结构的不正常,系统的稳定性明显降低,系统在正反馈机制驱动下更远离平衡。第11页/共141页 生产力下降 正常的生态系统具有较高而相对稳定的生产力,能利用光能生产很多生物产品。但是系统受损后,其生产力会大大降低,其原因在于:光能利用率减弱由于竞争和对资源利用的不充分,光效率降低初级生产者结构和数量的改变又常导致次级生产力的降低。第12页/共141页 综上所述,生态系统的受损过程首先是其组成和结构发生了退化,导致其功能和生态学过程的弱化,进而引起自我维持能力减弱且不稳定。但系统成分与其结构的弱化,是系统受损的外在表现
7、,功能衰退才是受损的本质。因此,受损的生态系统功能的变化时判断生态系统损伤程度的重要标志。所以,植物群落的外貌形态和结构状况又通过对系统中次级消费者、分解者的影响而决定着系统的动态,制约着系统的整体功能。因此,在受损生态系统中,结构与功能也是统一的,通过分析系统结构的改变,也可以推测出其功能的变化。第13页/共141页三、受损生态系统功能衰退 的变化机制和基本规律根据目前的研究成果,受损生态系统功能变化的主要机制可概括为以下三点:1.结构损伤是导致功能衰退大的基本原因:在未受干扰的自然生态系统中,系统的结构决定其功能。在受损的生态系统中,其功能及生态过程发生的改变,与同样与系统结构组分的变化密
8、切相关。因此,受损生态系统的功能衰退或生态过程受阻,实质都是生态系统结构完整性被破坏的必然结果。第14页/共141页2.胁迫方式是影响生态过程变化的决定因素 生态系统受到胁迫而损伤后,其变化过程及生产的效应往往与系统受到的胁迫类型、方式和程度有关。3.干扰强度和频率是制约系统恢复能力的重要因素 生态系统发育的基本规律,决定这受损伤生态系统经过足够的时间能通过自身的发育和演替而恢复到受损前的状态。但是,受损伤生态系统的这种恢复能力及恢复速度,不仅取决于系统本身的组成结构是否完善,更与所受得干扰强度和频率有关。第15页/共141页受损伤的生态系统的演变具有一定的规率性,主要体现为:1.生态系统受损
9、伤的各种变化都始于结构的改变 在干扰因素的作用下,生态系统内部结构总是首先受到破坏,主要表现为生态系统组分的减少或消失,尤其是一些区域的特有种或关键物种的缺失,以及生态系统垂直结构、水平格局和营养结构的改变。这些都会引起生态系统的一系列变化。第16页/共141页2.生态系统过程受阻和功能衰退是受损伤生态系统的主要特征 虽然生态系统受损伤的程度会有所不同,其表现结果也各有差异,但其共同特征都反映在某些生态过程的受阻和生态功能衰减两个方面。3.关键组分和过程的状态决定着生态系统的恢复进程 一个具有自我维持能力的生态系统才是真正健康的生命系统。具有这种能力的关键是生态系统的完整性,它强调的是生态系统
10、的整体特性和健康状态。第17页/共141页 在生态修复过程中,不仅要注意诸如生物种类、数量、生物量的增加,更要注重物种间的竞争和协同关系,注重对土壤理化性状等环境条件的改善,才能更充分地利用系统自身的潜能,促进生态系统的回复进程,实现生态系统正常发育和演替。第18页/共141页恢复生态学与生态修复第19页/共141页一、恢复生态学及其学科任务 恢复生态学的定义 恢复生态学诞生于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,受破坏的自然生态景观的恢复和重建问题。基于这种恢复和重建在相当程度上离不开人的参与,所以一些生态学家曾根据其方法学和工艺特点又将其称为合成生态学。恢复生
11、态学理论的产生与发展为生态修复提供了科学依据。生态修复的技术与方法已成为全球环境变化的重要手段。第20页/共141页 恢复生态学理论研究内容包括:生态系统结构、功能,以及生态系统内在的生态学过程与相互作用机制生态系统的稳定性、多样性、抗逆性、生产力、恢复力与可持续性研究先锋群落与顶级群落的发生发展机制与演替规律研究不同干扰条件下生态系统的受损过程及其响应机制研究生态系统退化的诊断及其评价指标体系研究生态系统退化过程的动态监测、模拟、预警及预测研究。第21页/共141页 应用技术研究的主要内容包括:退化生态系统恢复与重建的关键技术体系研究生态系统结构与功能的优化配置及其调控技术研究物种与生物多样
12、性的研究与维持技术生态工程设计与实施技术环境规划与景观生态规划技术典型退化生态系统恢复的优化模式试验示范与推广研究(马世骏,1990;章家恩,等,1999)。第22页/共141页 恢复生态学不同于传统的应用生态学,它不是从单一的物种层次和种群层次,而是从群落或者更高的生态系统组织层次考虑来设计和解决生态破坏问题。鉴于此,恢复生态学又可概括为生态系统的恢复和重建。恢复是指原貌或原先功能的再现,重建则可以包括在不可能或不需要再现原貌的情况下,重新营造一个不完全雷同于过去的甚至是全新的自然生态系统。有必要进一步指出的是:将一个受损的生态系统恢复到原貌,在实践中往往是困难甚至不可能的,所以有的学者认为
13、,应把“restoration”译为“修复”可能更确切。第23页/共141页 恢复生态学的研究进展 恢复生态学的研究可追溯到20世纪20年代,当时的研究工作侧重于采矿业和地下水开采所造成的各种受损环境及其生态恢复方面,1973年3月,在美国弗吉尼亚多种技术研究所和州立大学召开了题为“受损生态系统的恢复”的国际会议,这是第一次专门系统地讨论受损生态系统恢复和重建等许多重要生态学问题的学术会议。1985年,Aber和Jordan提出“恢复生态学”这一科学概念后,恢复生态学的研究得到了迅速发展,国际社会及各国都相继开展了有关恢复生态学的研究。第24页/共141页 英国、美国等发达国家有着200多年的
14、工业 发展史,特别是矿产资源开采史,所以,恢复生态学最初的研究工作,自然地集中在开矿后废弃地植被的恢复方面。在生态恢复的实践基础上,通过总结不同受损生态系统恢复与重建的研究成果,形成的著作有Gairns(1980)的受损生态系统的恢复过程,Bradshaw和Chdwick(1980)的土地的恢复,退化土地和废弃地的改造与生态学和Jordan等(1987)的恢复生态学生态学研究的一种综合方法。第25页/共141页 我国对各种受损生态系统的整治与改良利用工作始于20世纪50年代末,一些学者在华南地区退化坡地上开展的恢复生态学研究和长期定位观测试验,可以视为我国热带亚热带地区植被恢复生态学研究的标志
15、性成果。综合我国多年来的研究,在生态系统层次上,有森林、草地、农田、水域等领域的工作,也有地带或区域性生态退化及恢复方面的研究。从整体上看,我国恢复生态学的研究就范围和广度而言是其他国家所不能比拟的,在某些领域还处于领先水平。第26页/共141页二、生态修复及其理论基础 概念 生态修复的概念应包括生态恢复、重建和改善,其内涵可以理解为通过外界力量使受损生态系统得到恢复、重建或改建,即应用生态系统自我组织和自调节能力对环境或生态完整性进行修复,最终恢复生态系统的服务功能。因此,生态修复可以从4个层次面来理解:第27页/共141页第一,污染环境的修复,即传统环境问题的生态修复工程;第二,大规模人为
16、扰动和被破坏生态系统(非污染生态系统)的修复,即开发建设项目的生态恢复;第三,大规模农林牧业生产活动破坏的森林和草地生态系统的修复,即人口密集农牧业区得生态修复或生态建设,相当于生态建设工程或区域生态工程;第四,小规模人类活动或完全由于自然原因(森林火灾、雪线下降等)造成的退化生态系统的修复,即人口分布稀少的生态自我修复。第28页/共141页生态修复的实质是在人为干预下,利用生态系统的自组织和自调节能力来修复、重建或改建受损生态系统。处于稳定状态时的生态系统抵抗干扰与自我调节能力的限度称为生态阈值。只有确定生态阈值,才能确定修复生态系统的两种类型、区域、难易程度、时间周期,并确定合理的修复指标
17、。在阈值点的前后,生态系统的特性、功能或过程发生迅速的改变;生态阈值带暗含生态系统从一种稳定状态到另一种稳定状态逐渐转换的过程,而不像阈值点那样发生突然的变化,这种类型的生态阈值在自然界中更为普遍。第29页/共141页图 8.1 生态系统功能变化的阈值带第30页/共141页 生态修复的理论基础 生态修复的理论基础,主要包括以下两个方面。1.自我设计与设计理论 自我设计理论是在生态系统层次上考虑的,未考虑到缺乏种子库的情况,其恢复的只能是靠环境条件来决定的生物群落;而设计理论是在个体或种群层次上考虑,修复后结果和方向可能是多种的。第31页/共141页 自我设计与设计两大理论是生态修复的基本理论。
18、自我设计理论认为,只要有足够的时间,随着时间的推移,退化生态系统将根据环境条件合理地实现自我组织并最终改变其组分,设计理论则认为,通过工程方法和植物重建,可直接恢复受损生态系统,但恢复的类型可能是多样的。这一理论把物种的生活史作为植被恢复的重要因子,并认为通过调整物种生活史的方法可加快植被的恢复。第32页/共141页 生态学理论 生态修复中所涉及的生态学理论主要有:限制性因子原理;热力学定律;种群密度制约及分布格局原理;生态适应理论;生态位原理;演替理论;植物入侵理论;生物多样性理论等。第33页/共141页 生态修复的原则 自然法则是生态修复必须遵循的原则,只有遵循自然规律的修复和重建才能获得
19、成功,也才是真正意义上的生态修复。第34页/共141页1.地域性原则 由于不同地域具有不同的生态环境背景,这种地域的差异性和特殊性正是原有生物群落形成的基础和条件。因此,在恢复与重建退化生态系统时,首先需要考虑和遵守的就是地域的生态环境本底和历史背景。物种的引进、生物群落的设计都要因地制宜,有的甚至需要经过长期的定位试验和不同模式的比较。第35页/共141页 生态学与系统学原则 所谓生态学原则,主要是遵循生态演替、食物链(网)、生态位等原理。根据生态系统自身的演替规律和结构与功能相统一规律,在恢复和重建过程中,分步骤分阶段,循序渐进。另一方面,在生态恢复与重建时,还要从生态系统的层次上展开,要
20、根据生物间及其与环境间的共生、互惠、竞争和颉颃关系,以及生态位和生物多样性原理,来构建生物群落,使生态系统的结构能实现物质循环和能量转化处于最大利用和优化状态,达到土壤,植被,生物同步演化。第36页/共141页 最小风险原则与效益最大原则 由于生态系统的复杂性以及某些环境要素德尔突变性,加之对生态过程及其内在运行机制认识的局限性,人们往往不可能对生态恢复与重建的后果以及生态最终演替方向进行准确地估计和把握。在进行修复时,要认真地透彻地研究被恢复对象的各种情况,要进行综合的分析评价和充分论证,将其风险降到最低限度。另外,生态修复往往需要高成本投入,在考虑经济承受能力的同时,又要特别重视生态修复的
21、经济效益和收益周期。第37页/共141页 生态修复的判定准则 Bradsaw(1987)提出了五项标准来判断生态修复的成功与否。1.可持续性(可自然更新)实际上,可持续性是指生物群落自身的代谢能力,新陈代谢是生命的本质特征之一。所以,可持续性也是生物群落生命力和演替发展能力的本质所在。第38页/共141页2.不可入侵性(像自然群落又要能抵制入侵)不可入侵是生物群落稳定性的重要标志,它反映的是生物群落内不同物种之间生态关系的和谐和稳定。不可入侵性强,表明生态恢复过程中群落结构设计的合理性和演替的正常进行。第39页/共141页 3.生产力(与自然群落一样高)从现象上看,这是人类的愿望要求,但从生态
22、学意义看,它既是系统健康的标志,也是生态系统发育阶段的标志。高的生产力又是生物群落与环境和谐的必然结果。4.营养保持力 营养保持力是衡量生态系统是否实现良性循环的重要指标。它的生态学意义是生物群落自身是否在结构和功能生具有维持能力。第40页/共141页5.具有生物间的互相作用 这里的生物包括植物、动物和微生物,相互作用包含着物种间的竞争、相互依存及协同进化。将这一条作为生态修复的标准,其生态学意义强调的是群落生态关系的整体性和生态功能的完整性。第41页/共141页三、生态修复的常用技术和方法 针对污染环境的植物修复技术 植物修复技术是以植物能忍耐和超量积累某种或某些污染物为理论基础,利用植物及
23、其共存微生物体系清楚环境中污染物的一种环境污染治理技术(唐世荣,等,1999)。植物修复技术包括利用植物固定或修复重金属污染土壤、净化水体和空气、清除放射性元素,或利用植物及其根际微生物共存体系净化环境中有机污染物等具体技术。利用植物对污染环境进行修复,是一种更经济更适于生态系统规律的修复技术。第42页/共141页1.植物萃取 植物萃取法士指金属积累植物或超积累物质将土壤中的金属“萃取”出来,富集并运送到植物根部可收割部分或植物地上枝条等部位,然后再对富集部分进行处理。适合于植物萃取的理想植物应该具有如下特点:植物可收割部位必须能忍耐和积累高浓度的污染物植物在野外条件下生长速度快、生长周期短、
24、生物量高、个体高大、向上垂直生长以利于机械化作业等植物对农业措施如施肥等能产生积极的反应,这种特性有利于反复种植和多次收割。第43页/共141页2.根际过滤 根际过滤法是利用超积累植物或耐重金属植物从污水中吸收、沉淀和富集有毒金属。适用于根际过滤技术的植物,必须有较大的根系生物量,最好是须根植物。第44页/共141页3.植物固化 植物固化法是利用超积累植物或耐重金属植物降低金属的活性,从而减少或防止重金属被淋洗到地下或通过空气载体扩散进一步污染环境。适用于固化污染土壤的理想植物,应是一种能忍耐高含量污染物、根系发达的多年生绿叶植物。第45页/共141页4.植物辅助生物修复 植物辅助生物修复时通
25、过根系范围内植物的活动刺激微生物,促进污染物的生物降解。根圈的植物修复可增加土壤中有机质含量、细菌数量和菌根真菌数量。反过来,这些因素又有利于土壤中有机化合物的降解。有的植物还能够向土壤环境释放出一种有助于刺激有机物降解的根际分泌物。第46页/共141页5.植物转化 植物转化是指通过植物新陈代谢作用降解环境污染物的过程。植物转化取决于污染物从土壤或水体中的直接吸收和植物器官中新陈代谢物的积累。第47页/共141页 针对非污染环境的生态修复技术 潜力评价法 潜力评价法就是利用遥感信息系统、全球定位系统和地理信息系统等先进的技术手段,对某一修复区域进行调查监测和评估。这种方法主要用于较宏观尺度的生
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