环境科学培训资料.ppt

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1、本文档相关内容参见 视频 9-11,第二篇环境科学的理论基础第八章 环境生态,刘静玲 教授北京师范大学环境学院,作业总结,问题与讨论,你认为生态学对环境科学与工程的重要性表现在那些方面？以上节课案例分析为主线，说明解决环境问题过程中应用了那些生态学思维？,北京师范大学环境学院,最新搜索,Google网上搜索1,35万项环 境 生态 网环境 生态 资源 环保 技术 可持续 绿色GDP 湿地 更多 生态环境 956万项生态环境研究中心 94.8万项生态环境网576万项生态环境建设164万项生态环境规划77.2万项生态环境期刊 128万项,金岚 环境生态学M.北京:高等教育出版社,1992,5.鲁明

2、中.中国环境生态学中国人口、经济与生态环境关系初探M.北京:气象出版社,1994葛剑雄.未来的生存空间M.上海:三联书店,1998.盛连喜.环境生态学.M.北京:高等教育出版社,2002（第二版2009）环境生态学-环境生态学的研究内容从学科体系上看，环境科学环境生态学现代生态学的学科划分，应用生态学环境生态学是个新兴的、综合性很强的学科，运用生态学理论，研究人为干扰下，生态系统内在的变化机制，规律和对人类的反效应，寻求受损生态系统恢复，重建和保护对策的科学,北京师范大学环境学院,环境生态学是一门新兴的边缘学科，其内容和体系尚在不断地发展之中，其研究内容主要包括以下几个方面：（1）自然资源的合

3、理利用与保护。（2）环境污染的生物效应。（3）环境污染的综合治理。（4）环境污染的监测与评价。（5）环境污染对生态系统的结构与功能的影响。,北京师范大学环境学院,主要内容,8.1 环境生态学的作用和地位 8.2 生态系统基本理论与原则 8.3 干扰对生态系统的影响 8.4 恢复生态学理论 8.5 生态系统管理 8.6 案例研究,8.1 环境生态学的作用和地位,8.1.1 环境生态学 为解决生态破坏和环境问题提供新思路；依据生态学原理，研究受损生态系统变化机制、规律、修复对策等问题。8.1.2 研究内容 生态系统内在变化机理规律对人类干扰的反馈效应，寻求受损生态系统恢复、重建和保护对策的科学。,

4、A,图8-1 人类干扰造成 生态环境退化,黄土高原水土流失约占国土陆地面积38%,原本秀美的科尔沁草原演变成我国面积最大沙地,太行山树木过度砍伐导致动植物物种加速灭绝,长江源头牦牛过渡放牧导致植被退化,8.2 生态系统理论,8.2.1 生态系统 英国生态学家A.G.Tansley于1935年首先提出。定义：一定空间栖居的所有生物与环境间由于不断进 行物质循环和能量流动形成的统一整体。功能：生物生产、物质循环、能量流动和信息传递。结构是功能的基础，结构功能相互依存制约转化。固有属性：反馈（如自我调控）。,概念演变 与扩展,R.L.Lindeman（1950）在研究湖泊生态系统时，受到我国“大鱼吃

5、小鱼，小鱼吃虾米，虾米吃泥巴”这一谚语的启发，提出了食物链的概念。他又受到“一山不能存二虎的启发，提出了生态金字塔的理论Fosberg(1963)有一个和或多个生物有机体与对其有影响的环境组成的有功能和相互作用的系统，包括它的空间关系，自然特征、栖息地和生态位，他的有机体和能量物质的存量、输入、输出和行为。Poluni和Woethington（1990）提出生态复合体（eco-complex）主要用于更大、整合性较差的系统。常杰，葛滢（2005）在统合生物学纲要（高等教育出版社，2005）中提出等级层次系统之间和相关学科的整合，自组织系统的概念。,北京师范大学环境学院,概念辨析,郝云龙;王林和

6、;张国盛（中国农学通报,Chinese Agricultural Science Bulletin,编辑部邮箱 2008年 02期 关键词：ecosystem;concept;level;题目：Discussion about Concept of Ecosystem生态系统已经成为生态学研究中最为重要的概念之一,但在应用中却因研究者、研究对象等的不同而定义出不同的内涵,在表述中又统一于Tansly的定义,使得同一个生态系统代表不同的概念。明确生态系统概念的内涵与外延,该文以形式逻辑学、集合论为基本思维工具,结合生态系统与一般系统的种属关系,总结生态学中的应用实例,并深入分析环境、边界等概念。

7、认为:Tansly提出的“生态系统”定义存在逻辑错误,不符合系统论中“系统存在于环境中”的判断,因而不能明确表述研究对象;在个体、种群、群落、景观、生物圈中不存在生态系统这一层次,它们都是生态系统的外延。,北京师范大学环境学院,生态系统的基本特点,生态系统有四个主要的组成成分。即非生物环境、生产者、消费者和分解者。（1）非生物环境 包括：气候因子；无机物质；有机物质。（2）生产者（producers）主要指绿色植物，在生态系统中起主导作用。（3）消费者（consumers）异养生物，主要指以其他生物为食的各种动物，包括植食动物、肉食动物、杂食动物和寄生动物等。（4）分解者（decomposer

8、s）异养生物，主要是细菌和真菌，也包括某些原生动物和蚯蚓、白蚁、秃鹫等大型腐食性动物。它们分解动植物的残体、粪便和各种复杂的有机化合物，吸收某些分解产物，最终能将有机物分解为简单的无机物，而这些无机物参与物质循环后可被自养生物重新利用。,生态系统结构与功能,结构（construction）：指形态结构（种群群落时间空间变化）与营养结构（食物链/网；生态位）功能（function）：能量平衡、物质平衡和 信息传递 类型(types)：自然生态系统分类、复合生态系统分类和针对环境问题的分类。,景观格局、过程与尺度,格局（pattern）：包括景观组成单元的类型、树木以及空间分布与配置。有均匀型、随

9、机型和聚集型。过程（process）：强调生态学过程的动态特征，如种群动态、群落演替、物质循环和能量流动等。尺度（scale）：研究时采用的时间和空间单位。,图8-2 生态系统的层级与行为（引自蔡晓明，2000）,8.2.2 复合生态系统理论,生态系统层级理论：研究生态系统时空分层结构，高低层次差别：时空、复杂性、分辨率和过程速率。,8.2.3 生物多样性,图8-3 生物多样性是人类宝贵的财富,北京师范大学环境学院,生物多样性,是指生物、生物赖以生存的生态复合体以及各种生态过程中多样性和变异性的总和。使环境多样性重要内容之一。生物多样性是生命系统的基本特征。生命系统包括多个层面，从微观到宏观，

10、每一层面都具有多样性。目前研究较多的集中在：,遗传多样性 物种多样性 生态系统多样性 景观多样性,生物多样性理论,从生物进化论、生物分布多样化的生物地理学概念发展而来。二者相关且有综合发展为一景观生态学理论的趋势。为环境科学与工程提供理论基础。反映地理空间分异的实质。如圈层、海陆、大陆与大洋地域分异等。地理学通常把地理分异分为地带性、地区性、区域性、地方性、局部性、微域性等若干级别。为解决环境问题提供理论基础和技术手段。,问题与思考,生物学多样性的价值？！生态学价值？环境价值？城市中生物多样性的价值？如何保护城市中的生物多样性？城市开发与保护？,图8-4 生物多样性为人类经济社会提供经济效益的

11、比例（引自蔡晓明）,两种价值：,直接价值：为人类利用的生物资源、工业原料 间接价值：调节气候、稳定水文、保护土壤，美学、文化价值，旅游资源重要成分,多样性导致稳定性 多样性与稳定性无关甚至负相关,铆钉假说：生态系统每一物种具同样重要功能冗余假说：物种作用不同，某些物种在生态功能上有很大重叠。,两种观点：,两种假说：,关于生物多样性的价值,绿色卡片：多样性指数及其测度,多样性指数：群落所含物种的多寡，即物种丰富度；群落中各个种的相对密度，即物种均匀度。如：物种丰富度指数、Simpson指数和Shannon-Wiener指数 多样性指数：沿环境梯度变化物种替代程度。不同群落共有种越少，多样性越大。

12、如：Whittaker指数和Cody指数 多样性指数：区域总物种多样性，以物种丰富度度量。,8.2.4生态系统演替,定义：生态系统结构功能随时间推移发生变化过程。群落规律性，方向性研究是争论焦点。发生原因：植物繁殖体迁移、散布和动物活动性，内外环境变化，种间种内关系改变，人类活动干扰。Tilman的资源比率学说解释生态系统演替中起到重要作用（1985）。生态系统演替理论：单元顶级理论、多元顶级理论和顶级格局假说。,Tilman的资源比率学说认为：资源比率的变化最终可导致群落物种组成成分变化，即资源比率决定生态系统演替过程，资源控制生物区系，生物反过来改变其赖以生存的环境条件。,包括：养分、水分

13、、光等被生物“消费”的生态因子。湿度、温度等不是资源。,多重演替理论：演替方向取决环境因子性质，演替过程存在多途径现象，即演替有趋同性和趋异性。,单元顶级理论：只有气候是演替决定因素，其它都是第二位。,多元顶级：除气候外其它因素都可决定顶级形成。,顶级格局：任何一区域内，环境因子都连续不断变化，随环境条件梯度变化，各种类型顶级群落也连续变化。,图8-5 自然条件下植被演替过程（引自Cunningham等,2002）,8.3.1 干扰（Disturbance，Perturbation 扰动and Stress胁迫）,8.3 干扰生态学理论,内涵：,景观尺度的干扰，指强烈改变景观结构和功能的事件。

14、,生态因子角度：群落外部不连续存在、间断发生的因子突然中断或连续存在因子超正常波动，引起有机体、种群或群落明显变化，使生态系统结构功能损害或改变现象。,干扰的类型,1.按干扰动因划分 自然干扰 人为干扰2.按干扰来源划分 内源干扰 外源干扰3.按干扰性质划分 破坏性干扰 增益性干扰,指来自不可抗拒的自然力的干扰作用。分为物理因素（火、冰雹、风暴、洪水）和生物因素（大型肉食动消失，草食动物压力减轻，植被动态变化）。地理区域不同，自然干扰因素不同,由于人类生产生活和其它社会活动形成的干扰体对自然环境和生态环境施加的各种影响。其作用范围、伤害强度、潜在危害、诱发性等远远超过自然干扰,内源因子对生态系

15、统发生的作用，如森林生态系统中树木的倾倒、种间竞争等。,源于系统外部如强烈的冰雹、洪水、风暴、干旱等。,如地质、气候灾害、森林的皆伐和长期过度放牧等掠夺式人为活动,如森林合理采伐、修枝，人工更新和低产低效林改造等。,干扰的生态学意义,有些干扰作用能降低一个或少数几个物种的优势度，为其他物种相对增加了资源，增加了物种多样性有利于系统自然演化规律。,调节生态系统,维持生态系统平衡和稳定的因子,经常处于变化环境中的物种比稳定环境中生存的物种更能忍受环境压力。由于不稳定群落常有对环境适应能力强的物种,适度放牧即轻度干扰能促进群落的多样性和生产力,有利于促进系统演化,干扰的内涵,干扰体作用空间范围的分布

16、特点,同一空间范围或组织水平内，单位时间某一干扰发生的次数,干扰范围,频率和周期,干扰强度,时间尺度,干扰发生时，干扰因素所表达出的能量值。其定量分析视具体干扰类型来确定强度衡量的具体单位。常分为：轻度、中度和重度干扰,干扰发生的具体时刻及持续的时间跨度，不同时间的干扰会产生不同的干扰效果。如渔业捕捞、森林砍伐等人为干扰时间不同，生态效果会有很大不同,干扰特点,多重性,相对性,尺度性,不协调,广泛性,对生态系统有多方面 影响,同样事件，某种条件下对生态系统形成干扰，其他条件下可能无影响,研究尺度差异，干扰定义也不同。对生态系统为干扰的事件，景观尺度上可能是正常扰动,干扰结果可能导致景观内部异质

17、性提高，无法与原有景观格局协调,存在于自然界各个尺度的各个空间,人为干扰的主要形式,对森林和草原植被的砍伐与开垦污染（农药、生活和工业垃圾等污染）采集（经济药用珍稀生物资源掠夺采集）狩猎和捕捞引入外来物种,水葫芦中名凤眼莲，原产南美，世界十大害草之一。广泛分布河流、湖泊中，无性繁殖极快，形成单一优势群落，堵塞河道和淤填湖泊。,因人类活动有意无意将外地生物引到本地后快速生长繁衍，危害本地生产和生活，改变当地生态环境，带来很大危害。,生物入侵,生态系统有自我调节恢复能力，但有限，一旦干扰超过调节能力，会遭到不可逆的破坏。,图8-6 反映生态系统结构和功能对干扰响应的概念框架,8.3.2 干扰与生态

18、系统调控,8.4.1 生态恢复的内涵和特征 内涵：,8.4 恢复生态学理论,改变生态系统退化的主要因子及过程，调整优化系统秩序，使其结构功能和生态学潜力恢复到一定或原有水平甚至上升到更高水平。,涵盖范围:,保护被严重干扰的局部区域,提高已退化土地生产力,提高景观保护地自然保护价值,恢复景观尺度和局部地区生态过程,表8-1 中国退化的生态系统类型及面积,主导生态因子原理限制性与耐性定律能量流动物质循环原则种群密度制约与物种作用原则生态位与生物互补原则边缘效应干扰原理生态演替原则生物多样性原则食物链与食物网原则缀块廊道基质景观格局原则空间异质性原理空间尺度与等级理论,整体原则协同恢复重建原则耗散结

19、构原则开放性原则可控性原则,经济可行性与可承受性原则技术可操作性原则社会可接受性原则无害化原则、最小风险原则生物、生态与工程技术相结合原则效益原则可持续发展原则,区域性差异性和地带性原则,生态学原则,地理学原则,系统学原则,自然法则,社会经济技术原则,生态恢复与重建原则,图8-7 生态恢复和重建的基本定律、原理和原则（修改自盛连喜，2002）,生态恢复原则,图8-8 黄土高原水土保持与生态恢复,B,C,D,特点：低消耗、多效益、可持续。涉及理论：系统理论、工程学理论和生态学理论。模型：概念、文字、物理和数学模型。应用：废污水资源化处理、林业保护、湖泊富营养化、水产养殖、土地改良、废弃地开发和资

20、源再生等方面。,8.4.2 生态工程,注：摘自钦佩，安树青，颜京松.生态工程学.南京：南京大学出版社，2002,表8-2 生态工程与环境工程、生物工程和传统工程的比较,生态系统服务：人类赖以生存的自然环境条件与效用。,8.5.1 生态系统价值评估,四个层次,四个类型,生态系统价值评估,1997年Costanza等生态学家对全球主要生态系统类型进行了生态服务价值评估,得出全球生态系统服务总价值为33.2万亿美元/年。2000年1期科学通报张新时院士发表中国生态系统效益的价值论文中，对中国生态系统服务功能的价值进行了估算，全中国生态系统总价值为77834.48亿元（人民币）/年，占全球的 2.71

21、%。,OCED生物多样性经济价值分类系统,图8-9 OCED生物多样性经济价值分类系统（引自盛连喜，2002）,生态系统管理:在充分认识生态系统整体性与复杂性的前提下，以持续获得期望的物质产品、生态和社会效益为目标，依据对关键生态过程和重要生态因子长期监测的结果而进行的管理活动（廖利平，赵士洞，1999）。基本原则：整体性；动态性；再生性；平衡性；多样性（环境生态学，盛连喜等，2002。pp268-274）管理难点：生态系统突变事件及对干扰不同响应缺少建立生态模型的生态学知识和原理 数据质量、取样偏差和分析错误。,8.5.2 生态系统管理理论,8.5.4 生境破碎化,生境破碎化形态（景观结构）

22、上的破碎化 栖息地面积减少，斑块形状复杂化，边缘效应增加，核心区面积减少。生态功能上的破碎化 栖息地内部生态环境质量下降，自然环境因子空间组合不匹配，生境适宜性降低，外部形态没有明显的变化，容易被忽略，现已引起生态学家的高度重视。,是指由于人为因素或环境变化而导致景观中面积较大的自然栖息地不断被分割破碎或生态功能降低。包括：,生境破碎化图,北京师范大学环境学院,8.6.1 自然保护区的环境管理（1）保护区地点的选择与面积 地点选择：保护区必须有足够复杂的生境类型，保护关键种，特别是关键互惠共生种的生存。面积确定：按生态系统的平衡假说，面积越大，对生物多样性保护越有利。关键是被保护目标物种生物学

23、特征。周围生态系统与保护区相似的面积可小点。,8.6 案例研究,保护区腹地内藏羚羊群正在迁徙,可可西里自然保护区,（3）保护区内部的功能分区,错那湖,错那湖是西藏林错黑颈鹤保护区的核心区，建设中的青藏铁路最近处与其只相差十几米，为保护其不受污染，实行严格施工监控措施。,（4）保护区之间的连接和廊道和景观保护,藏族牧民正在进行植被恢复与再造,青藏铁路野生动物通道模拟图,隧道上方通道：为高山山地动物设计，设置栅栏防止动物进入隧道，与桥梁组成桥隧复合通道，共有3处,桥梁下方隧道：为藏羚羊、藏原羚等中小型动物设计，桥下通道净高要求大于3米，共有13处,缓坡平交通道：铁路两侧路基坡度不大于35度，高度小于2.5米，并设置警示牌，共有7处。,