恢复生态学-课件

恢复生态学第十章恢复生态学

RestorationEcology2008-06-19主要内容恢复生态学相关的基本概念生态恢复的基本理论与基本方法不同退化生态系统的生态恢复技术与方法第一节恢复生态学的基本概念什么是生态退化？什么是退化生态系统？什么是生态恢复？什么是恢复生态学？一、什么是生态退化？一、什么是生态退化？一、什么是生态退化？一、什么是生态退化？生态系统是由生物有机体和无机环境组成的物质实体，它也具有一般物体的特征，也靠外部的各种力或能维持其正常运转和发展。也就是说，生态系统具有物体运动的特性，也会发生“位移”(displacement)，不同的是生态系统的位移不是空间位置的改变，而是系统状态或性质的变化。生态系统是在不断地演替和发展的。生态退化只是生态系统运动的一种形式，是生态系统由平衡状态向失衡状态的转化过程。二、生态退化的力学分析生态系统的任意时刻或时段的状态S可以表述为气候(cl)、地形地貌(r)、母质(p)、土壤(s)、植被(v)、动物(a)等的函数，即：S=F(cl,r,p,v,s,a.....)由于生态系统是处于动态的平衡和演化过程中，因此，生态系统的演替和发展过程实质上是生态系统在时间序列上的所有状态的集合。换言之，生态系统的运动是时间的函数，可用下列数学关系表述出来：St=S0+f(t)式中，S0为生态系统的T0时的初始状态，St为T时刻生态系统所处的状态，f(t)为时间t的函数。二、生态退化的力学分析所谓力——就是物体与物体之间的相互作用。生态系统作为一个整体，可抽象为一个具有三维结构的“生态胞体”，它也不断受到外界的各种力的作用，这些力包括由于地球吸引而形成的重力、以及地表对生态系统向上的支持力，热力、火力、风力、雨水的冲刷力等外营力，地壳活动的内营力，以及人类对生态系统的各种作用力。生态系统的运动就是由这些力的合力的大小和作用效应方向而决定的。施加于生态系统的各种作用力往往具有不同的作用效应方向。这里所谓的“作用效应方向”是指自然的和人为干扰力使生态系统发生变化的方向，而不是各种作用力本身的方向，这跟物理学上的力有所区别的。我们规定，凡是促进生态系统向进化方向运动的，该力的作用效应方向就为正方向，凡是推动生态系统向退化方向演替的，该力的作用效应方向就为负方向。一般而言，生态系统受到的重力总是垂直向下的，受到地表的支持力总是垂直于地表方向的。其中重力和支撑力是地球上任何生态系统均要受到的两个力；其它的各种力对不同的生态系统可能存在，可能不存在，而且，其作用效应方向通常也不固定，它们对生态系统作用效应方向随时间和空间位置的变化而变化。二、生态退化的力学分析二、生态退化的力学分析二、生态退化的力学分析GNFNFPGNFPFNG1G2平地生态系统与坡地生态系统的受力分析生态系统是由生命系统和环境系统复合而成的统一整体。任何生态系统在进化过程中都具有自我调节的能力。这种能力又称为自组织能力。也就是说，对于某一生态系统而言，它本身具有一种内聚的“生态阻抗”(ecologicalresistance)，抵抗着外界干扰对其产生的各种力的作用。“生态阻抗”表现在其反馈机制可以使系统内部各生物种群之间，生物种群与无机环境之间保持比较稳定的比例关系；并且，当来自系统外部的干扰时，生态系统可以自我调节并作出积极的反应，如果外部的干扰力小于生态系统的自我调节能力，那么，生态系统通过自我调节可以恢复和保持自身较稳定的状态。二、生态退化的力学分析因此，要使某一生态系统发生正向或逆向演替，其外部各种作用的合力必须超越或大于该系统状态下的生态阻抗，从力的角度来说，这个阈限值或临界值就是生态系统发生加速演替和运动的“最大的生态静摩擦力”。生态阻抗是生态系统在运动过程中的抵抗力，是生态系统发生运动或变化的临界值。二、生态退化的力学分析不同的生态系统往往具有不同的生态惯性，而且，同一生态系统在其发展的不同阶段，其生态惯性也在不断的发生变化。对于一个发育成熟的稳定的生态系统以及退化到极点的生态系统而言，它们通常具有较大的生态惯性，也就是说，外部的干扰作用不易使生态系统发生状态上的“位移”。森林生态系统和荒漠生态系统等往往具有较高的生态惯性。例如，在相同外力作用下，草原生态系统的破坏往往要比森林生态系统容易得多。但另一方面，具有较高生态惯性的生态系统往往表现出较低的可恢复性（resilience），退化森林的恢复往往比草原、农田的恢复要困难得多。荒漠要恢复成绿洲，往往要花费相当高的物质和能量投入，用以抵销其内在的水分限制、土壤限制、生物学限制等，超越其内在的“生态阻抗”，方能实现。二、生态退化的力学分析生态（系统）质量——是用以描述一个生态系统的物质实体大小（PM）、生产力大小(BP)、生物多样性大小(BI)、生态活力(EV)及其生态系统内部的自组织能力(IO)的一个综合度量指标。EMI=f(PM,BP,BI,EV,IO)生态质量越大，生态系统越稳定，生态惯性也越大。二、生态退化的力学分析只有当自然因素发生较高强度的不稳定的波动或无规则的异常变化时，才会打断生态系统正常的运行过程或节律，导致生态退化的发生，此时，自然因素就扮演着“干扰因子”的作用。因此，可以用地质地貌因素、气候因素和水文因素的异常变化特征等来表征自然环境因素对生态系统的扰动。即自然干扰指数（NDI）可用地质灾害指数（Gi）、风力灾害指数（Wi）、干旱灾害指数（Dri）、洪涝灾害指数（Fi）、低温冻害指数（TFi）等之和来表示，即：NDI=Gi＋Wi＋Dri＋Fi＋Tfi其中，Gi、Wi、Dri、Fi、Tfi分别用相应的灾害强度（Ii）乘以相应的灾害发生频率（fi）来表示。其通式为：Si=Ii×fi(式中Si科可相应代表Gi、Wi、Dri、Fi、Tfi几个指数)。二、生态退化的力学分析某一区域生态质量的好坏往往决定着该区域生态系统的潜在稳定性或脆弱性。而人类活动的干扰则往往加速着生态环境退化，使潜在的生态退化转变成为现实的生态退化，也就是说，实际的生态退化通常是自然环境因素与人为干扰叠加作用的结果。因此除了考虑对某一区域的自然生态环境背景（即生态质量）外，还应考察人为活动对生态系统的作用。采用人类活动强度指数来度量人为活动对生态环境的干扰程度。人为活动强度指数包括人口密度指数（Di）、工业与城市化发展水平（Ui）、环境污染综合指数（Pi）、农业土地利用强度（Ai）和区域旅游活动强度（Ti）五个方面的内容。人类活动强度指数（HAI）可用上述四者之和来表示，即：HAI=Di＋Ui＋Pi＋Ai＋Ti二、生态退化的力学分析生态退化潜势指数（EDPI）——用以说明生态系统退化的潜在趋势的大小因此，它可用下式加以描述（类似物理学中的加速度公式：a=F/M）：EDPI=（HAI+NDI）/EMI根据上式，可得如下几个推论：（1）人类活动强度指数（HAI）和自然干扰指数（NDI）越大或其之和越大，对生态系统的干扰也就越大，就越易导致生态系统退化，在这种情景下，生态系统具有越高的退化潜势与退化加速度，此时，EDPI就越大。（2）当生态质量指数（EMI）越大时，EDPI就越小，也就是说，生态系统具有较强的稳定性和抗逆能力，并阻止着生态系统的逆向演替或退化，此时生态系统具有较小的退化潜势和加速度。二、生态退化的力学分析（3）在相同的生态质量下，生态退化的方向和潜势取决于人类活动强度和自然干扰强度的大小。一般而言，人类活动的强烈干扰往往会加速生态退化的进程，它可将潜在的生态退化转化为现实的生态退化。人为活动对生态系统的影响往往是不断累加的，它可直接和间接地破坏生态系统。与自然因素相比，人为因素对生态系统作用的方向通常是不确定的，它既可加速生态退化，又可阻止逆向的生态演替。（4）在相同的人类活动强度条件下，生态质量指数小的生态系统越易发生退化。生态质量指数大的生态系统具有较强的生态阻抗及生态惯性，因而在一定限度内可以抵消人类活动和自然因素异常变化的干扰。二、生态退化的力学分析三、什么是退化生态系统？

与健康生态系统（healthyecosystem）相比，退化生态系统（degradedecosystem）是一类病态的生态系统，其运动状态发生与其原有的平衡状态或进化方向相反的位移（Displacement），系统结构和功能异化并劣化的一类生态系统。

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，系统生产力下降．这类系统也被称之为“受害或受损生态系统（damagedecosystem）”

。（一）退化生态系统的评价指标体系（一）退化生态系统的评价指标体系（一）退化生态系统的评价指标体系（一）退化生态系统的评价指标体系（一）退化生态系统的评价指标体系（二）退化生态系统评价的标准与评价空间代时间的方法退化标准剖面（参照系）综合评价（相关数学方法）单要素评价（诊断特征评价）四、什么是生态恢复？生态恢复（ecologicalrestoration）——使一个退化生态系统回复到或者接近其受干扰前的状态的过程。恢复已被用作一个概括性的术语，包含重建（reconstruction）、修复（rehabilitation,remediation）、改造（reclamation）、再植（revegetation）等含义，一般泛指改良和重建退化的自然生态系统，使其重新有益于利用，并恢复其生物学潜力，也称为生态恢复。生态恢复最关键的是系统功能的恢复和合理结构的构建。“生态恢复”——是指生态系统原貌或其原先功能的再现，“生态重建”——则指在不可能或不需要再现生态系统原貌的情况下营造一个不完全雷同于过去的甚至是全新的生态系统。

四、什么是生态恢复？五、什么是恢复生态学恢复生态学(RestorationEcology)——是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和方法及其生态学过程和机理的学科。恢复生态学是20世纪80年代迅速发展起来的现代应用生态学的一个分支，它主要致力于那些在自然灾变和人类活动压力下受到破坏的自然生态系统的恢复与重建，它是最终检验生态学理论的判决性试验。它所应用的是生态学的基本原理，尤其是生态系统演替理论。恢复生态学在加强生态系统建设和优化管理以及生物多样性的保护具有重要的理论和实践意义。恢复生态学的研究内容理论研究应用研究退化生态系统

不同生态系统退化的诊断特征与评价外界干扰与生态系统的受损过程与相应机制生态恢复的过程与机理生态恢复的基本理论生物多样性与系统稳定性的相互关系

生态退化的评价技术生态退化的预测技术生态退化的监测技术不同退化生态系统的关键恢复技术体系生态环境建设技术第二节生态恢复的基本理论生态恢复的基本层次生态恢复的基本目标生态恢复的基本原则生态恢复的基本程序生态恢复的基本理论生态恢复的基本技术方法一、生态恢复的层次生态恢复的层次物种层次种群层次群落层次生态系统与景观层次二、生态恢复的基本目标根据不同的社会、经济、文化与生活需要，人们往往会对不同的退化生态系统制定不同水平的恢复目标．但是无论对什么类型的退化生态系统，应该存在一些基本的恢复目标或要求。（1）实现生态系统的地表基底稳定性。（2）恢复植被和土壤，保证一定的植被覆盖率和土壤肥力。（3）增加种类组成和生物多样性。（4）实现生物群落的恢复，提高生态系统的生产力和自我维持能力。（5）减少或控制环境污染。（6）增加视觉和美学享受。三、生态恢复的基本原则退化生态系统的恢复与重建要求在遵循自然规律的基础上，通过人类的作用，根据技术上适当，经济上可行，社会能够接受的原则，使受害或退化生态系统重新获得健康并有益于人类生存与生活的生态系统重构或再生过程．生态恢复与重建的原则一般包括：自然法则、社会经济技术原则、美学原则三个方面。自然法则——是生态恢复与重建的基本原则，也就是说，只有遵循自然规律的恢复重建才是真正意义上的恢复与重建，否则只能是背道而驰，事倍功半．社会经济技术条件——是生态恢复重建的后盾和支柱，它在一定尺度上制约着恢复重建的可能性、水平与深度．美学原则——是指退化生态系统的恢复重建应给人以美的享受．四、生态恢复的基本程序五、生态恢复的基本理论限制因子理论生态系统的结构理论生态适宜性原理与生态位理论生物群落演替理论生物多样性理论景观生态学理论（格局与过程、异质性理论、干扰理论、尺度理论）六、生态恢复的基本技术非生物环境因素（土壤、大气、水）的恢复技术生物因素（包括物种、种群、群落）的恢复技术生态系统（包括结构、功能）的设计、组装与集成恢复技术第三节不同类型退化生态系统的恢复退化森林生态系统的恢复退化草地生态系统的恢复退化水域生态系统的恢复废弃地的生态恢复资料：各大洲土壤退化面积（km2）及百分比一、退化温带林地的生态恢复方法封山育林（简便易行、经济省事）林分改造（小面积伐木，“补丁”）透光抚育（择伐先锋树种）森林管理（禁止乱砍滥伐）扩大现存林地面积效应带、效应岛造林方法（混交，增加边缘效应）火烧迹地（择时火烧地被植物，改善立地条件）二、退化热带雨林的恢复种植本地种树苗（恢复地带性植物群落）种植非本地种树苗作为保护树（先锋物种、改善立地）残存树的作用和小面积植树（低成本、快速蔓延）种植灌木（先锋群落、改善立地环境）建造人工鸟栖结构（增加种子的扩散）适当去除现存植被（减少地被植物覆盖密度）三、退化草地的恢复石灰质草地的恢复温带草原牧场的恢复（一）石灰质草地的恢复通过移除生物量降低土壤营养水平平衡施肥（增加生产力）火烧和表土剥离（改变立地条件、降低种子密度）择时适度放牧收获（放牧替代法）（一）石灰质草地的恢复播种混合种子空位播种控制杂草和优势草类使用看护植物搬迁整块草皮（二）温带草原牧场的恢复改善土壤结构控制一年生杂草和多年生外来种植物浅翻耕、免耕火烧补播牧草草地围栏封育与畜群调控四、退化水体的生态恢复退化湖泊的生态恢复退化湿地的生态恢复（一）退化湖泊的生态恢复物理化学措施水位调控措施水流的调控措施生物操纵与鱼类管理大型水生植物的保护和移植适当控制大型沉水植物的生长蚌类的引入湿地补水增湿措施控制湿地营养物改善湿地酸化环境控制木本植物入侵和湿地演替恢复湿地乡土植被（二）退化淡水湿地的生态恢复（三）水体污染的植物修复技术

人工湿地技术土地垂直渗滤技术漂浮栽培技术1、人工湿地技术日本渡良濑蓄水池的人工湿地韩国良才川水质生物－生态修复设施平面图2、人工湿地修复水体污染的机制污水在流经人工湿地生态系统时，通过物理、化学及生化反应的三重作用得以净化。

(1)物理作用——污水进入湿地，经过基质层及密集的植物茎叶和根系，使污水中的悬浮物颗粒得到过滤，并沉积在基质层中，这一过程也称作物理沉积。(2)化学作用——污水流经人工湿地时，经化学反应(化学沉淀、离子交换、氧化还原等)将水中污染物质得到削减、去除。化学反应取决于所选择的基质类型，例如：含ＣａＣＯ3较多的石灰石有助于磷的去除；含有机物丰富的土壤有助于吸附各种污染物。

(3)生化作用——生化反应是去除有机污染物的主要作用过程。空气中的Ｏ2经过大型植物的叶、茎的传输到达根部，扩散到周围缺氧的底质中，形成了氧化的微环境，刺激好氧微生物，加快对有机物质的分解；有助于硝化细菌的生长，可降低废水中的ＢＯＤ，并将ＮＨ3-Ｎ转化为ＮＯ2

-、ＮＯ3

-。在缺氧的环境中，经过扩散和渗滤作用，受到反硝化茵的转化之后，以Ｎ2和Ｎ20的形式从系统中消失。3、漂浮栽培技术

水面漂浮栽培是一种充分利用水平，采用浮床等漂浮设施进行作物生产的一种无土栽培形式。漂浮栽培法能有效利用河沟、水塘、江河的自然水面，在水面上种植作物，能解决水质污染，扩大种植面积，增产增收，净化环境。

广州市流花湖上的漂浮栽培五、废弃地的生态恢复矿区废弃地城市工业废弃地垃圾处置场废弃地（一）工程恢复方法地形地貌整理（堆置、充填、平整等）积水坑疏排、建造人工湖客土、换土、深翻埋土土壤污染的电修复、热处理技术、淋滤法和洗土法酸化（添加炼铁矿渣或有机质）碱化（添加碱石灰）去除盐分（添加石膏）去除毒物（EDTA配合剂）营养添加物（合适化肥、有机质等）基本做法：向土壤投入改良剂，通过对重金属的吸附、氧化还原、沉淀作用，以降低重金属的生物有效性。（二）化学恢复方法微生物修复动物修复植物修复（超富集植物、低累积植物）（三）生物修复方法资料：耐性植物与超积累植物耐性植物——是指能够适应高含量的重金属土壤环境而生长的一类特殊植物。人们很早就发现某些植物能够生长在重金属含量异常高的土壤上，这些植物无一例外地对重金属具有一定的耐性。大量研究发现,很多耐性植物仅分布于某些重金属含量较高的土壤上，为地方性的物种。超富集植物（Hyperaccumulator）——指对重金属元素的积累量超过一般植物100倍以上的植物，即为超富集植物。超富集植物积累的Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｃｒ和Ｐｂ的含量一般在1mg/kg(ＤＷ)以上，而积累的Ｍｎ和Ｚｎ含量一般在10mg/kg(ＤＷ)以上。十字花科植物天蓝褐蓝菜（Thlaspicaerulescens）As超积累植物蜈蚣草（PterisvittataLinn.）Zn超积累植物东南景天（Sedu