恢复生态学课件

恢复生态学

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森林退化森林资源数量型增长，质量型下降；结构简单，生物多样性低；生态系统服务功能降低我国林分的每公顷蓄集量仅为78.06m3,人工林每公顷蓄集量只有35m3，远低于114m3/hm2的世界平均水平**草地退化目前，我国90％的草地存在不同程度的退化，其中中度退化以上的草地面积将近一半全国“三化”草地面积已达1.35亿hm2，并且每年还在以200万hm2的速度增加**荒漠化严重我国干旱、半干旱地区，即可能发生沙漠化的地区的总面积是256.6万km2，占国土总面积的26.7％90年代后期，我国沙漠化的扩展速度已达每年3436km2不仅沙漠化面积急剧增加，沙化的强度也在增强**水土流失一方治理多方破坏，点上治理面上破坏，部分地区破坏大于治理90年代末全国水土流失面积165万km2**湿地退化不合理的开发利用导致湿地面积锐减湿地生态环境恶化，生物多样性减少，污染日益严重湿地生态系统调蓄洪水、生物多样性维持、净化污染以及物质产出等各项生态服务功能日益下降**冰川退缩冰川和冰盖进一步退缩海平面升高0.09-0.88米**生物多样性锐减有害物种入侵，约有200余种，全国大多数自然保护区都有外来物种入侵联合国《国际濒危物种贸易公约》列出的740中世界性濒危物种中，我国占189种我国野生水稻、大豆等遗传资源保护不力，70％以上的野生稻已被破坏**森林破坏**草地超载**土地滥垦**工程干扰**环境污染**内容提要第一章恢复生态学的概念与原理第二章生态恢复的方法与应用第三章退化生态系统的生态恢复第四章生态恢复的生态工程技术第五章环境污染与生态恢复第六章全球变化与生态恢复第七章生态系统健康与生态恢复第八章生态系统的保育与管理第九章恢复生态学的案例分析**第一章恢复生态学的

概念与原理

第一节恢复生态学的定义与内容**一、恢复生态学研究生态系统自身的性质、受损机理及修复过程的科学（Jordanetal.,1987）。研究生态整合性的恢复和管理过程的科学。生态整合性包括生物多样性、生态过程和结构、区域及历史情况、可持续的社会实践等广泛的范围（国际恢复生态学会，1995）。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（余作岳，1996）。**

二、生态恢复(狭义概念）再造一个自然群落或再造一个自我维持并保持后代具有持续性的群落(Diamond,1987)。组装并试验群落和生态系统如何工作的过程(Jordanetal.1987)。使受损生态系统的结构和功能恢复到受干扰前的过程(Cairns,1987)。修复被人类损害的原生生态系统的多样性及动态的过程(国际恢复生态学会，1994)。**维持生态系统健康及更新的过程(国际恢复生态学会，1995)。使一个（受损/退化）生态系统回复到较接近其受干扰前的状态的过程(美国自然资源委员会，1995)。使（受损/退化）生态系统回复到先前或历史上（自然的或非自然的）的状态的过程(Jordan,1995)。重建某区域历史上有的植物和动物群落，而且保持生态系统和人类的传统文化功能的持续性的过程(Hobbs&Norton,1996)。**重建(Rehabilitation):去除干扰并使生态系统回复原有的利用方式。改良(Reclamation):改良立地条件以便使原有生物生存，一般指原有景观破坏后的恢复。修补(Remedy):修复部分受损的结构。更新(Renewal):生态系统维育与更新。再植(Revegetation):恢复生态系统的部分结构与功能，或恢复当地先前的土地利用方式。

三、相关概念（广义的生态恢复）**四、恢复生态学的研究内容基础理论研究：生态系统结构以及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、恢复力与可持续性先锋与定级生态系统发生、发展机理与演替规律**不同干扰条件下生态系统的受损过程及其影响机制生态系统退化的景观诊断及其评价指标体系生态系统退化过程的动态监测、模拟、预警及预测生态系统健康的维育机理、保护对策及持续管理**应用技术研究：退化生态系统的恢复与重建的关键技术体系生态系统结构与功能的优化配置与重构及其调控技术物种、生态系统与景观多样性的恢复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**第二节恢复生态学的发展过程一、恢复生态学的起源100年前：山地、草原等自然资源管理20世纪初：水土保持、森林砍伐后的恢复20世纪30年代：干旱农业生态系统的恢复20世纪50、60年代：矿山、水土流失治理20世纪70年代：水体恢复研究**1975年：在美国召开了“受损生态系统的恢复”国际研讨会，首次探讨了受损生态系统恢复的机理与方法。1980年：Cairns主编了《受损生态系统的恢复过程》一书，8位科学家共同探讨了受损生态系统恢复过程中重要生态学理论和应用问题。1984年：美国威斯康星大学召开了恢复生态学研讨会，强调了恢复生态学中理论与实践的统一。二、恢复生态学的发展**1985年：Aber和Jordan提出了恢复生态学的术语，并出版“恢复生态学”研究专集。1985年：国际恢复生态学会成立。1996年：在瑞士召开了第一届世界恢复生态学大会，强调恢复生态学在生态学中的地位，恢复技术与生态学的连结，恢复过程中经济与社会内容的重要性。目前：国际恢复生态学会每年召开一次国际研讨会；世界各国均有的恢复生态学文献，登载恢复生态学方面的文章，开展恢复生态学研究的学术交流。**三、我国恢复生态学研究进展1959年：余作岳等人在广东开展热带沿海台地退化生态系统的植被恢复技术与机理研究。20世纪60年代：仲崇信等人开展沿海滩涂种植大米草控制河岸带侵蚀研究。20世纪80年代：中科院兰州沙漠所开展沙漠治理与固沙研究；中科院水保所开展黄土高原水土流失区的治理与综合利用；中科院水生所开展湖泊生态系统恢复研究；中科院西北高生所开展高寒退化草甸生态系统的恢复与重建研究；中科院成都生物所开展岷江上游植被恢复研究；**

中科院南京土壤所开展红壤恢复与综合利用研究；广西科学院和中山大学开展红树林恢复重建研究；中科院植物所（内蒙古草原站）开展不同退化程度羊草草原恢复研究。20世纪90年代：东北林业大学开展黑龙江退化森林生态系统的恢复与重建研究；中国林业科学院开展海南热带林地的植被恢复研究；中国环科院、中山大学、中国矿业大学开展废弃矿地和垃圾场的恢复对策研究。20世纪90年代中期：先后出版《热带亚热带退化生态系统的植被恢复生态学研究》和《中国退化生态系统研究》等专著，提出了适合中国国情的恢复生态学研究理论和方法体系。**黄土高原自然恢复生长的草被黄土高原人工恢复林草植被人工种植的柠条护坡灌木林黄土高原水平沟隔坡造林**岷江上游水源涵养林的生态恢复**第三节恢复生态学的理论与原则一、恢复生态学的主要原理自我设计理论（Self-designtheory）：在足够的时间内，随着时间进程，退化生态系统将根据环境条件合理地组织并会最终改变其组分（自然恢复演替）。人为设计理论(Designtheory):通过工程和植被重建恢复退化生态系统，但恢复类型可能是多样的（人为恢复演替）。**二、恢复生态学的理论基础限制性因子理论：寻找生态恢复的关键因子。热力学定律:确定生态系统能量流动特征。种群密度制约及分布格局原理：确定物种的空间配置。生态适应性理论：尽量使用乡土种进行生态恢复。生态位理论：合理安排生态系统中物种及其位置。**演替理论：缩短恢复时间；极端退化的生态系统恢复时，演替理论不实用，但有指导作用。生物入侵理论：恢复退化生态系统时，应考虑引进物种对原有物种的竞争与干扰、进化与适应等问题。生物多样性理论:引进物种时应强调生物多样性，生物多样性可能导致恢复生态系统的稳定性。缀块-廊道-基底的景观格局理论：从景观层次考虑生境破碎化程度和整体土地利用/土地覆盖变化。**三、恢复生态学的基本原则地理学原则区域性原则差异性原则地带性原则自然法则生态学原则主导生态因子原则限制性与耐性定律能量流动与物质循环原则种群密度制约与物种相互作用原则生态位与生物互补原则边缘效应与干扰原则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-基底的景观格局原则空间异质性原则时空尺度与等级理论原则生态恢复与重建的原则一般包括自然法则、社会经济原则和美学原则等3个方面（见框图）。**自然法则系统学原则整体原则协同恢复重建原则耗散结构与开放性原则可控性原则社会经济技术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美学原则景观美学原则健康原则精神文化娱悦原则图1

恢复生态学的基本原则**第四节退化生态系统的恢复重建一、生态恢复的主要目标恢复生态学的目标：保护自然生态系统，发挥其在生态恢复中具有重要的参考价值；恢复现有的退化生态系统，尤其是与人类关系密切的生态系统；对现有的生态系统进行合理管理，避免退化；保持区域文化的可持续发展；实现景观层次的整合性，保持生物多样性及良好的生态环境。**开展生态恢复工程的目标：恢复诸如废弃矿地等极度退化的生境；提高退化土地的生产力；在被保护的景观内去除干扰以加强保护；对现有生态系统进行合理利用和保护，维护其服务功能。生态恢复的主要目标：实现生态系统的地表基底稳定性，保证生态系统的持续演替与发展；恢复植被和土壤，保证一定的植被覆盖率和土壤肥力；增加种类组成和生物多样性；实现生物群落的恢复，提高生态系统的生产力和自我维持力；减少或控制环境污染；增加视觉和美学效果。**二、生态恢复的机理持续退化中途退化替代状态可接受状态理想状态退化状态极度退化状态时间复杂性与功能水平图2

退化生态系统恢复的方向通过排除干扰、加速生物组分变化和启动演替过程使退化生态系统恢复到某种理想的状态。**状态1状态2状态3状态4阈值1234退化1234恢复图3

退化生态系统恢复的临界阈值**三、生态恢复与重建的程序确定恢复对象的时空范围；评价样点并鉴定导致生态系统退化的原因及过程；找出控制和缓解退化的方法；根据生态、社会、经济和文化条件决定恢复与重建的生态系统的结构、功能目标；制定易于测量的成功标准；发展在大尺度下完成有关目标的实践技术并进行推广实践；与土地规划、管理策略部门交流有关理论和方法；检测恢复过程中的关键变量，并根据实际情况作出适当调整。**生态恢复程序的操作过程（图4）：接受恢复目标明确恢复对象确定系统边界退化生态系统的诊断退化生态系统的健康评估生态恢复方案的决策恢复方案的可行性分析生态经济风险评估优化恢复方案实地示范推广恢复重建过程的调整与改进恢复重建项目的后续监测恢复重建效果的预测与评价图4

生态恢复程序的操作过程**四、恢复成功的标准Bradsaw提出的五个判断标准：可持续性（可自然更新）、不可侵入性（象自然群落一样能抵御入侵）、生产力（与自然群落一样高）、营养保持力（与自然群落相近）、生物间具有相互作用。Davis等认为：系统的结构与功能恢复到接近受干扰前的水平；结构恢复指标是乡土种的丰富度，功能恢复的指标包括初级和次级生产力、食物网结构、及其在物种组成与生态系统过程中的反馈。即能够获得所期望的物种丰富度，确认群落结构与功能间的联结已形成。**Bradsaw提出的五个判断标准：可持续性（可自然更新）、不可侵入性（象自然群落一样能抵御入侵）、生产力（与自然群落一样高）、营养保持力（与自然群落相近）、生物间具有相互作用。Davis等提出：系统的结构与功能恢复到接近受干扰前的水平；结构恢复指标是乡土种的丰富度，功能恢复的指标包括初级和次级生产力、食物网结构、及其在物种组成与生态系统过程中的反馈。恢复标准是能够获得所期望的物种丰富度，确认群落结构与功能间的联结已形成。**Careher和Knapp采用记分卡方法评价恢复度：选择生态系统中具有一定波动幅度的重要参数（如种类、空间层次、生产力等），分析生态恢复过程中各参数是否已达到正常波动范围。Constanza等认为：生态恢复的终极目标是恢复并维持生态系统的服务价值（Ecosystemservice）。包括产品生产，生物多样性，景观功能，花粉、种子传播，杀虫，净化水、空气，缓解旱涝灾害，土壤形成、保护与更新，废物的去毒和分解，营养循环和转移，保护海岸带，防止紫外线，调节气候等。**第二章生态恢复的方法与应用第一节生态恢复的技术体系**一、技术体系分类非生物或环境要素的恢复技术：包括土壤恢复技术、水体恢复技术和空气恢复技术。生物因素的恢复技术：包括物种、种群和群落的恢复技术。生态系统的恢复技术：包括生态系统结构与功能的总体规划、设计与组装技术。生态景观的恢复技术：包括生态系统链接与集成技术。**恢复类型恢复对象技术体系技术类型非生物因素土壤土壤肥力恢复技术少耕免耕、绿肥有机肥施用、生物培肥、化学改良、聚土改土、土壤结构熟化等技术水土流失控制与保持技术坡面水土保持林草、生物篱笆、土石工程、等高耕作、复合农林牧等技术土壤污染控制与恢复技术土壤生物自净、施加抑制剂、移土客土、深翻埋藏、废气场的资源化利用等技术大气大气污染控制与恢复技术新兴能源替代、生物吸附、烟尘控制等技术全球变化控制技术可再生能源、温室气体的固定转换、无公害产品生产开发、土地优化利用与覆盖等技术水体水体污染控制技术物理处理（如过滤、沉淀）、化学处理、生物处理、氧化塘、水体富营养化控制等技术节水技术地膜覆盖技术；集水技术；节水灌溉（滴灌）二、技术体系类型简介表1生态恢复的技术体系**恢复类型恢复对象技术体系技术类型生物因素物种物种选育与繁殖技术基因工程、种子库、野生物种的驯化等技术物种引入与恢复技术先锋种引入、土壤种子库引入、乡土种种苗库重建、天敌引入、林草植被再生等技术种群物种保护技术就地保护、迁地保护、自然保护区分类管理等技术种群动态调控技术种群规模、年龄结构、密度、性比等调控技术种群行为控制技术种群竞争、他感、捕食、寄生、共生、迁移等行为调控技术群落群落结构优化配置组建技术林灌草搭配、群落组建、生态位优化配置、林分改造、择伐、透光抚育等技术群落演替控制与恢复技术原生与次生快速演替、封山育林、水生与旱生演替、内生与外生演替等技术**恢复类型恢复对象技术体系技术类型生态系统结构功能生态评价与规划技术土地资源评价与规划、环境评价与规划、景观生态评价与规划、4S辅助技术(RS、GIS、GPS、ES)生态系统组装与集成技术生态工程设计、景观设计、生态系统构建与集成等技术景观结构功能生态系统链接技术生物保护区网络、城市农村规划、流域综合治理等技术**第二节生态恢复技术的选择原则一、因地因类制宜原则根据恢复类型即非生物因素（如大气、土壤、水体）、生物因素（物种、种群、群落）、生态系统、景观等选择相应的生态恢复技术。根据当地自然环境条件（温度、营养、土壤、光照、水分等）和社会经济条件（如管理水平、社会需求、资金状况、风险承受能力、经济效益等）选用合适的生态恢复技术。**二、生态学原则适当输入辅助能的原则：适当输入辅助能，可以改变生态系统的网络结构，提高生态系统能流途径的效率，加快生态恢复的进程。再生循环与商品生产原则：生态恢复的目标是同步取得生态、经济和社会三方面效益，通过再生循环，高效、低耗、高产地生产优质产品。生物多样性原则：生态恢复技术要求充分利用各生态位和多层次分级利用物质，因此在选择过程中要注重生物多样性的增加与保护。时间节律原则：生态技术的选择必须遵循环境因子和生物机能的周期性节律。**生物种群选择原则：根据生态恢复的目的和自然环境条件选择适生种群。种群匹配原则：根据生物互生共生、生态位等原理，选择匹配次要种群，建造复合群体。人工压缩演替周期原则：生态恢复技术的选择应尽量模拟自然生态系统形成演替规律，人工压缩更替周期，缩短生态系统恢复演替的时间。种群置换原则：采用人工种群代替自然种群的生态恢复技术时，应遵循环种群置换原则，选择习性相近的种群。经济效益原则：生态恢复技术的选择应尽量使其经济效益最大化。**第三节生态恢复技术的应用实践一、太行山林业生态工程工程背景：太行山地是一个经过多次连续的植被与生态环境破坏的山地，这一地区的生态系统严重退化。为使这一地区的植物群落和生态环境向良性转化，只能采取人工压缩植被更替（正向演替）的办法，逐步提高生态质量水平。植被恢复应通过建造人工群落来保证人工植被的高效与稳定。因此，提出了林业工程为主的综合生态恢复措施。**图5

太行山林业生态工程体系历史变迁验证、社会经济调查、国内外进展调查物种选择工程品种比较试验水土多梯度富集与保水工程高度水平沟梯田、台地穴状鱼鳞沟

树木

牧草、果树

牧草、果树

作物、植物

动物生物种群选择立地类型调查气象观测、地形地貌调查、动植物区系调查树木选择、果树经济植物选择、牧草引种选择品种改良试验、良种引种试验、生态果园建设、系列化造林技术环境辩识评价工程动物昆虫引种选择系列化造林技术研究种群匹配工程时间节律工程人工食物链工程生态综合防治生态综合防治林地养蜂、林地养鸡、林草-肉兔**二、农牧交错带林草植被重建工程背景介绍：北方农牧交错带是分隔我国东部农区与西北草地牧区的生态过渡带。它不仅是东部农区的自然生态屏障和水源涵养地，而且是东部农区所需畜产品原料的供应地和西北草地牧区所需农副产品及其他商品的销售市场，发挥东西部相互联系的桥梁与纽带作用。以往的土地过度利用（过伐、过垦、过牧、过采），致使本已脆弱的生态环境急剧恶化。农牧交错带的植被恢复与重建，不仅直接关系到区域内生态状况的逐步改善和当地百姓的脱贫致富；而且也有助于加强其作为东部的生态屏障，促进下游区域可持续发展的作用。因此，提出了林草植被恢复与重建工程。**物种选择的原则：生态保育优先的原则；有利于生产发展的原则；“适地适树”、“适地适草”的生态适宜性原则；参考行政区划确定区域界线的原则。物种选择的具体依据（重要生态因子）：温度条件（极端低温、

0C

年积温）、水分条件（降水量、降水变率——

湿润度）、土壤条件（地形特征、地表物质组成——

土壤类型的多样性）。物种选择的生态区划：生态区域划分；生态问题辩识；适生林草种甄别；林草种的生产—生态分析；植被组合方案选择。**图7农牧交错带适宜乔灌草种生态区划图恢复与重建生态分区主要特征一览表恢复与重建生态分区主要特征一览表第三章退化生态系统

的生态恢复

第一节退化生态系统的成因与类型**

一、退化生态系统(degraded

ecosystem)的概念生态系统在一定的时空背景下，由于自然因素、人为因素或二者的共同干扰，导致生态要素和生态系统整体发生的不利于生物和人类生存的量变和质变的过程(张金屯，2003)。生态系统的结构和功能发生与自然的平衡状态或进化方向相反的位移(displacement)，位移的结果打破了原有生态系统的平衡状态，使系统的结构、功能受损(王伯荪等，1997)。**自然因素：全球气候变化（如暖干化）、自然灾害（火灾、水灾等）、外来种入侵（包括人为引种后泛滥成灾的入侵）。人为因素：过度垦殖、过度放牧、过度樵采、过度采挖、长期不合理的灌溉、矿山开发、基础设施建设、工农业污染等。据Daily（1995）对人为因素造成的退化生态系统排序：过度开发占34%，毁林占30%，农业活动占28%，过度收获薪材占7%，生物工业占1%。

二、退化生态系统的成因**

三、退化生态系统的类型与面积表5全球陆地范围内人为引起的土地退化（106hm2）退化类型非洲亚洲拉丁美洲北美洲欧洲大洋洲全世界水蚀22744016960114831093风蚀18722247354216549养分衰退451472-3+134盐渍化15534+4177污染+2+-19-22酸化24-++-7压涝++9-1-11有机质降低-2--2-4总计495748305972181021965受影响的土地）17%18%15%5%23%12%15%**表61995年中国主要生态系统及其退化生态系统面积(106hm2)生态系统类型总面积退化面积比例(%)农田生态系统1402820草地生态系统40013233森林生态系统16531.225荒漠生态系统0.13--淡水生态系统0.740.2532废弃矿地2--退化程度：取决于生态系统的结构或受干扰的程度。一般分为轻度退化、中度退化、重度退化和极度退化。**第二节退化农田生态系统的恢复

一、农田退化的原因与类型原因：表土的损失是农田功能退化的主要原因。类型：侵蚀化、沙化、石质化、土壤贫瘠化、污染化等。问题：耕地面积锐减、土壤肥力下降、土壤次生盐渍化、易涝地面积增加、土地沙漠化、水稻土次生潜育化、土地污染。**

二、恢复措施与效果评估恢复措施：模仿自然生态系统，降低化肥投入；混种，间种，套种，增加固氮品种；深耕，使用农家肥，种植绿肥作物，改良土壤质地；轮作与休耕，增加地力；利用生物防治病虫害，建立农田防护林体系，降低自然灾害的危害程度；利用廊道、梯田等工程，控制水土流失；实行秸杆（过腹）还田，提高土地和作物的利用效率；采用滴灌、渗灌等技术，提高干旱农田的水分利用率。**效果评估：采用资源特征、水文地理特征、生物特征、生态系统层次特征、生态经济特征和社会文化特征进行评判。长期特征资源特征短期特征土壤深度（表层土及有机质层深度）表层土有机质含量与质量水分过滤及渗透率矿质营养水平及c:N比离子交换水平土壤盐度年侵蚀率营养吸收率作物必需营养的可获性作物所需养分的库源**水文地理特征农业水分利用率灌溉水和降雨的渗透率土壤持水量根系层含水量土壤湿度分布与植物需水的配合度地表水流水的持留农业化学水平运输表面侵蚀率农田保护系统的有效性地下水质水在土壤中的运移营养成分的淋溶杀虫剂及污染物的淋溶生物特征土壤生物土壤微生物灌总生物量土壤微生物生物多样性土壤生物量的流通率土壤微生物活动与营养循环生物营养量致病微生物的控制固氮根瘤的结构与功能地表生物害虫的多样性与多度抵御杀虫剂的能力天敌与益虫的多样性与多度植物生态位的多样性与重叠程度乡土动植物的多样性与多度病虫害及杂草控制的持续性**生态系统特征生产力、年产量生态系统组分生态系统多样性（结构、功能、垂直、水平、时间）生态系统稳定性生态系统抗逆性生态系统恢复力外部输入的强度及来源能源及利用效率营养循环效率种群生长力群落复杂性群落间相互作用生态经济特征单位农田产值投资效率盈利率社会文化环境特征农场主劳动力和消费者的平衡性自主性社会公平性生态伦理图8农业生态系统恢复的参考指标**

三、农田退化的防止：可持续农业光、热、水、气、土、肥、种农林植物林业产品农作产品有机物（秸杆、枝、叶、根、农林副产品）饲料畜禽沼气粪便鱼虾水生作物食用菌类沼气池塘泥肥料图9复合农业生态系统生产结构图**生态农业按空间尺度的分类系统微观水平生态系统水平景观水平区域水平三合一生态温室，庭院生态农业系统农田、森林、草地、湖泊、湿地生态系统小流域景观系统生态村、生态县、区域农业生态建设中国生态农业**复合农业系统的结构框图管理系统能量供应系统加工业系统农业牧业林业园艺渔业土地利用系统自然系统气候地理土壤水地形生物因子社会-经济系统人口文化教育市场政策**桑基鱼塘生态系统模式图大气鱼塘塘基桑树蚕蚕茧蚕沙桑叶剿丝厂废水蚕蛹无机养分浮游植物浮游动物废屑溶解有机物养分沉积养分**作物-养殖-加工庭院复合系统

作物鱼驴蚕土壤猪面粉车间鸡蚕沙茎秆桑叶粪便下脚料塘泥粪便粪便蚕豆下脚料粪便粪便**农业-工业复合系统模型农田果园林网鱼池农村土地居民点加工厂再生副产品车间沼气池混合肥料场畜禽饲养场释放太阳能物质沼气产品残渣饲料（加工）产品输出产品输出排泄物**第三节退化森林生态系统的恢复

一、森林退化的原因与恢复机理原因：过度砍伐、毁林开荒、病虫害、旱涝灾害等会导致森林的退化。问题：森林生态系统生产力下降、生物多样性减少、调节气候作用减弱、调节和涵养水分的作用减低、贮存生态系统营养物质的能力下降、土地沙漠化（石漠化）加剧。**森林严重破坏**常绿阔叶林（气候顶极）丛林针阔混交林选择灌草丛针叶林迹地退化恢复图10

热带森林生态系统的恢复机理**

二、退化森林的恢复方法次生林的恢复：封山育林，为乡土树种创造适宜的生态条件，促进林地植被的顺向演替；林分改造，引种地带植被中的优势种、关键种，加速顺向演替；透光或遮光抚育，改善林地生态条件，促进演替的顺利实现。天然林的保护：主要包括保护生态系统的生物多样性、生产力、健康和生命力、森林的功能，使森林生态系统有较高的郁闭度、较好的林分结构、较大的生产率和最大生产力、较高的水源涵养量、土壤肥力增加量和水土保持效益、较高的稳定性、抵抗力和承载力。**天然林保护工程**效果评估：判断森林生态系统的恢复程度，可以从结构、功能和动态等方面的指标进行评判。种类组成数量种类组成特征种类数量草本植物灌木植物乔木植物林间植物阳生性种类中生性种类耐阴性种类先锋种类建群种类顶极种类种类发展速度种类组成稳定态

三、林地恢复效果评估**群落结构特征水平空间结构密度发展相对多度（乔木、灌木、草本）层片分化垂直空间结构冠层分化径级分化高度级分化林间层分化生态优势度

组织结构物种多样性群落均匀度组织结构稳态种群特征分布格局群落发生种顶极先锋种顶极先锋种顶极一般种生态位宽度群落发生种顶极先锋种顶极先锋种顶极一般种数量动态群落发生种顶极先锋种顶极先锋种顶极一般种**种间关系特征内部共生种间关系的稳态食物链长度食物网结构种间关联阳生性—中生性种群阳生性—耐阴性种群中生性—耐阴性种群生态位重叠阳生性—中生性种群阳生性—耐阴性种群中生性—耐阴性种群生物量及生产力特征生物量各组分生物量总生物量根生物量茎生物量叶生物量叶面积指数空间分布乔木层灌木层草本层生产力总第一性生产力净第一性生产力生物量增量光能利用效率**环境特征环境效应径流量侵蚀临界雨量水土流失量地下水位土壤物理形状养分状况含水量pH小气候年均气温温度日较差极端温度温度年较差年均土温（日较差、年较差）林内湿度光辐射与总辐射比散射反射林内透光其他生物群落特征土壤动物发展趋势小型湿生动物生物量物种多样性昆虫、鸟类生物量物种多样性土壤微生物类群数生物量物种多样性（细菌、放线菌、真菌）呼吸强度、酶活性**稳定性综合特征熵信息景观结构景观特征景观斑块景观功能景观稳态经历时间时间特征演替速率线性程度演替方向图11森林生态系统恢复的评估指标**阳坡阴坡的立地差别**立地条件的空间分布格式及演变规律空间变化高度水平样线调查时间变化自然人为**第四节退化草地生态系统的恢复

一、草地退化的原因与机理原因：不合理放牧是导致大尺度范围内草地退化的首要原因，盲目垦荒是导致部分草地退化和沙化的主要原因，樵采、狩猎、开矿和旅游等也是导致局部草地退化的主要原因。此外，草地雪灾（白灾）、沙尘暴（黑灾）、火灾、鼠虫害等自然灾害与人工因素的结合极易造成草地生态系统的退化。**图12草地生态系统的退化机理草地资源不合理的经营管理草地沙漠化草地自然灾害植被衰退草地盐碱化草地退化系统生物量减少食物链缩短营养级降低土壤肥力下降生态系统退化野生动物减少能量利用率下降有毒有害动植物增加系统自我调节能力下降**高寒草甸退化演替过度放牧+鼠害未退化轻度中度重度极度>3700m2800-3700m毒草<15年>45年杂草**高寒草原退化演替过度放牧轻度中度重度极度<8年>12年沙化**

二、退化草地的恢复方法轻度退化草地：草地改良,即在认识草地发生与发展的基础上，控制草地的发展方向和速度，防止草地退化、改良已退化的草地，保持其良好的生产力。中度退化草地：草地封育，即将退化植被及其生境保护起来，禁止人为开垦、樵采、放牧等活动，并采取不同的人工辅助措施（植被培育、生物危害防止等措施），促进退化植被及生境土壤的恢复和发展。重度退化草地：人工草地建植，即以牧草（尤其是多年生牧草）为先锋植被，建植集约化人工草地，通过高效管理、利用，促进草地的恢复演替，同时缓解天然草地的载畜压力，提高天然草地的生态保育功能。****

表7草地改良措施对高寒草地产草量的影响(单位：g/m2)年份产量松耙灌溉松耙+灌溉松耙+灌溉+施肥松耙+灌溉+施肥+补播封育对照1962干重170.35-155.25218.99216.53149.67100.20为对照的%170.01-154.96218.55216.09149.37100.001963干重125.37135.52163.65139.77166.1984.8346.60为对照的%270.11290.81351.18299.94356.63181.18100.00表8高寒地区多年生禾草人工草地与天然草地植被状况比较草地类别草群盖度(%)草群高度(cm)草群产量(t/hm2)可食牧草比例粗蛋白产量(kg/hm2)混播草地95以上87.69.1499%1184.5封育天然草地9627.73.9376.7462.6放牧草地6914.42.9174.1342.5

三、恢复措施的作用效果**

四、草地恢复效果评估效果评估：草地生态系统的恢复程度，可以从植被、土壤和环境等方面的特征进行评判。种群特征分布格局群落发生种顶极先锋种顶极一般种生态位宽度群落发生种顶极先锋种顶极一般种数量动态群落发生种顶极先锋种顶极一般种群落特征数量特征多度盖度密度生物量组织结构生态优势度物种多样性群落均匀度组织结构稳态**土壤特征土壤动物发展趋势生物量物种多样性土壤微生物类群数生物量物种多样性（细菌、放线菌、真菌）呼吸强度、酶活性土壤理化性状物理性状养分状况含水量pH环境特征小气候年均气温年均土温土壤湿度地表反射率环境效应地表径流量侵蚀临界雨量水土流失量地下水位土壤侵蚀量土壤盐碱化率图13草地生态系统恢复的评估指标**第五节退化湿地生态系统的恢复

一、湿地的功能及其退化原因湿地生态系统的功能：调节区域内的水分循环及洪水、暴雨的影响；调节区域乃至全球C、N等元素的生物化学地球循环；过滤和分解污染物，改善水质；防止土壤侵蚀；提供食物、商品和旅游点；生物的栖息地及生物多样性的生境。**湿地退化的原因：湿地围垦；切断或改变湿地的水分循环过程；淹没湿地；过度砍伐、燃烧或啃食湿地植物；过度开发水生生物资源；废弃物的堆放；排放污染物。

二、湿地恢复的理论湿地恢复的理论：自我设计和设计理论；演替理论；入侵理论；河流理论；洪水脉冲理论；边缘效应理论和中度干扰理论。**种子幼苗成年植株种子散布演替生长f(E)f(G)f(A),f(D),f(H),f(P)凋落f(C),f(D),f(H),f(P)f(A),f(C),f(D),f(H),f(P)种子幼苗成年植株

播种演替生长f(E)f(G)f(A),f(D),f(H),f(P)凋落f(C),f(D),f(H),f(P)f(A),f(C),f(D),f(H),f(P)种植幼苗种子散布A年龄C竞争D干扰E环境条件G生长H啃食P疾病图14湿地恢复的自我设计理论和设计理论**

三、湿地恢复的机理与方法自然动态的湿地改变前的生态系统与结构退化的湿地乡土种减少、生产力降低、功能改变潜在的天然湿地生态系统类似于改变前的类型部分恢复持续表现出生态系统功能限制新的生态系统平衡生态系统的组成、结构、功能被持续的干扰人类干扰生态系统过程失败自然干扰（洪水、啃食、火、暴风）改变水文过程（洪水、水位、通道、筑坝、城市化、农业、火灾、放牧）积极恢复（通过调整设计）失败停止人类干扰重建成非原始湿地失败失败积极恢复通过再次工程恢复生态系统过程消极的恢复消极的恢复图15退化湿地生态系统的恢复机理**湿地恢复技术：废水处理技术，包括物理处理技术、化学处理技术、氧化糖技术；点源、非点源控制技术；土地处理（包括湿地处理）技术；沉淀物抽取技术；先锋种引入技术；土壤种子库引入技术；生物技术，包括生物操纵、生物控制和生物收获等技术；种群动态调控与行为控制技术；物种保护技术等。湿地恢复方法：工程与生物措施相结合；恢复湿地供水；停止洪水干扰；利用水文过程加快恢复速率；停止从湿地抽水；控制污染物的流入；修饰湿地的地形或景观；改良湿地土壤；重建湿地生物群落；减少人类干扰；建立缓冲带以保护自然或恢复的湿地。**

四、湿地恢复的合理性评价生态合理性：恢复退化的湿地到接近于受干扰前的自然状态，即重现系统干扰前的结构和共能及有关的物理、化学和生物学特征，直到发挥其应有的功效并健康发展。社会合理性：加强湿地保护宣传力度，尽快出台湿地立法，增强公众的参与意识，是社会合理性的具体体现。经济合理性：一方面指恢复项目的资金保障；另一方面指恢复后的经济效益，即遵循最小风险与效益最大原则。**第六节退化水生生态系统的恢复

一、水生生态系统退化的原因湖泊和水库退化的主要原因：点源污染和非点源污染。具体表现在：过多的有机质等营养输入与养殖导致水体富营养化；工程措施改变水体的水文及相关的物理条件，影响水生生物的生长发育；农业、采矿、水源林破坏导致水土流失加剧，进而引起水体的沉积和淤塞；外来种的引入引起水体生物群落的退化；酸性物质的排放导致水体酸化，进而导致水生生物群落结构简化和有机质分解率下降；有毒物质污染水体。**河流退化的主要原因：筑路和建坝、疏浚、水土侵蚀、充填、河岸放牧、农业开发、工业点源污染、伐木、采矿、过度捕鱼和生活污水的排放。产生的影响：河流坡、坝、堤的侵蚀；河道填塞，淤泥沉积，洪水泛滥，断流；水流速度和流量下降，水资源短缺；水中溶解氧浓度下降，浑浊度加大，悬浮质数量增加，营养（N和P）富集，水质变差；水体生境质量变差，生境异质性、河流与外界的通道、生境面积及河滨河道植物均减少，水温变幅加大；水生生物种类减少，死亡率增加，初级和次级生产力下降，群落结构和功能改变，物种多样性和丰富度下降。**

二、退化水生生态系统的恢复机理ABULt-t0t+理想状态状态变量（例如水温、鱼种类等）

1记录的趋势恢复项目持续时间e各种不同恢复方法产生的可能后果不采取恢复措施的预测趋势过去人类干扰开始时间现在将来时间

图16水生生态系统的恢复过程**

三、水生生态系统的恢复方法控制富营养化：分流点源污染，对点源污染进行过滤，用工程方法移走水体中的营养物质；改进农业耕作方式，减少化肥、农药的施用量；减少生活用品（如洗衣粉）中的含P量。清除水体污染：采用沉淀剂净化水体，用活性炭吸附污染物质，用微生物降解水中有机质，种植各种水生植物吸附营养物质。河流的恢复：除水质、水生生物的恢复外，还要实现河岸带的恢复。主要在于重建林草植被，恢复湿地景观和生境。**

四、水生生态系统恢复的效果评估水生生态系统恢复效果的评估标准主要包括生态系统结构、功能和整体特征的评估。结构特征水文特征水分循环过程水温水流速度水流流量、深度水质溶解氮盐分有毒物污染物悬浮物pH气味透明度**结构特征地形特征地形位置地理条件地表特征景观组成群落特征种类密度生长量群落稳定性生态系统特征形状承载量生产力指示种营养量食物网土壤条件物理性质化学性质侵蚀率有机碳稳定性**整体标准恢复力：生态系统受干扰后的可恢复能力持久力：生态系统维持演替状态或顶级的能力相似性：生态系统与未干扰的自然生态系统的相似程度图17水生生态系统恢复的评估指标功能特征排淤泻洪能力地表、地下水的贮存、补充与供应营养物质的沉积、运移及循环生态系统能量流动情况大气湿度和溶解氧的调节能力生物的正常活动、生产力、食物网的维持生态系统获取水、热、光的能力水的净化能力侵蚀的控制力**第七节矿业废弃地的生态恢复

一、矿业废弃地的类型与生态影响矿业废弃地的主要类型

-剥离表土堆积而成的排土场废弃地；

-开采低品位矿石堆积形成的废石堆废弃地；

-矿体采完后留下的采空区和塌陷区而形成的采矿坑废弃地；尾矿堆积形成的尾矿废弃地；

-采矿作业、机械设备、辅助建筑物和道路等占用后废弃的土地；

-受采矿影响而无法利用开发的土地。**矿业废弃地退化的生态影响

-破坏和占用大量土地资源，加剧人-地矛盾；

-重金属污染、极端pH和有害的选矿料等通过大气和水体等途径广为扩散，严重污染矿山周边地区；

-作物质量下降、严重减产甚至绝收；

-重金属或煤渣污染直接或间接通过食物链最终影响人体健康；

-未经处理的废石堆和尾堆矿，因其结构不稳定极易导致严重的水土流失，

-引起库塘淤积、河床抬高、农田被毁、环境污染扩大，并可能导致一系列地质灾害。**塌方滑坡废料堆积**

二、矿业废弃地生态恢复

的定义与目标定义：矿业废弃地的生态恢复，又称生态重建或土地复垦。是指对采矿区引发的结构缺损、功能失调的极度退化的生态系统，借助人工支持和诱导，对其组成、结构和功能进行超前性的计划、规划、安排和调控，同时对逐渐逼近最终目标这一逆向演替过程中可能出现的各种问题，进行跟踪评估并匹配相应的技术经济措施，最终重建一个符合代际（间）需求和价值的可持续的生态系统。

**目标

-环境污染控制，降低危害程度；

-改善景观，增加环境价值；

-改造为农林用地，创造经济效益；

-改造为旅游修闲用地；

-发展工业生产；

-开发房地产业；

-保护种质资源，维系生物多样性；

-生态系统复原，建立自维持的生态系统。

**

三、矿业废弃地生态恢复

的过程与措施生态恢复的过程确立恢复目标明确恢复对象矿业废弃物的资源化尾矿的处理监测与评价植被重建技术选择基质改良与物种选择种植与管理图18矿业废弃地的生态恢复过程**生态恢复的措施

-尾矿的处理：地面堆存；地下填充；再利用；作为建材；湖底、海底和河流排放。-废弃物的资源化：物理处理；化学处理和生物处理。-废弃物酸化的控制：物理隔离；人工中和；植被作用；其他措施（磷酸盐、净化剂与杀菌剂、湿地）。-基质改良：表土转换（表土的剥离、保存和复原）；污水污泥与生活垃圾的应用；填土造田；生物改良；灌溉与施肥。-物种选择：豆科植物的应用；经济植物的选择与搭配。-土壤种子库：土壤种子库的保存；土壤种子库的活化。

**护坡复垦种植作物种植观赏植物**

四、矿业废弃地生态恢复

的效果评估基质特征废弃物的特征质地大小重金属毒性酸性废弃地的特征肥力结构有害物质含量水分状况侵蚀率稳定性景观结构**植被特征数量特征多度盖度密度生物量组织结构生态优势度物种多样性群落均匀度组织结构稳态环境特征小气候年均气温年均土温土壤湿度地表反射率环境效应地表径流量侵蚀临界雨量水土流失量地下水位土壤侵蚀量土壤盐碱化率合理性评估生态合理性经济合理性社会合理性图19矿业废弃地生态恢复的评估指标**第四章生态恢复的生态工程技术第一节生态工程的概念与类型**

一、概念为了人类社会及其自然环境二者的利益，而对人类社会及其自然环境加以综合的而且能持续的生态系统设计。它包括开发、设计、建立和维持新的生态系统，以期达到诸如污水处理（水质改善）、地面矿渣及废弃物的回收、海岸带保护等。同时还包括生态恢复、生态更新、生物控制等目的（联合国，1993年）。**生态工程是利用生态系统中物种共生与物质循环再生原理及结构与功能协调原则，结合结构最优化方法设计的分层多级利用物质的生产工艺系统。生态工程的目标就是在促进自然界良性循环的前提下，充分发挥物质的生产潜力，防止环境污染，达到经济效益与生态效益的同步发展（马世骏，1987）应用生态学、经济学的有关理论和系统论的方法，以生态环境保护与社会经济协同发展为目的，对人工生态系统、人类社会生态环境和资源进行保护、改造、治理、调控、建设的综合工艺技术体系或综合工艺过程（云正明等，1998）**

二、类型种植业（农业）生态工程林业生态工程养殖业生态工程污染生态工程城市生态工程**图19间作、套作农业生态工程**图20林业－养殖业复合生态工程**图21人工湿地生态工程地表径流配水池浮游植物池闸门进水渠沉水植物池草滤带出水池排水灌溉回归水**第二节生态工程技术及其在生态恢复中的应用一、生态工程护坡技术

利用土工材料与植物的结合，在坡面构筑一个具有自生长能力的功能系统，在土工材料的辅助下，通过植物的根系固土，植物的叶茎和表皮蒸腾排水、防冲蚀和入渗，控制雨水和风对边坡的侵蚀，增加土体的抗剪强度，减小孔隙水压力和土体自重力，提高边坡的稳定性和抗冲刷能力，达到护坡的目的。**二、刚性护坡技术－工程技术刚性护坡也称为矿料防护或无机物防护，它采用砂石、水泥、石灰等矿质材料进行坡面防护，主要用于易风化的软质岩石或破碎岩石的路堑边坡防护。优点：具有较强的抗冲刷、抗风化能力，施工受季节限制小。缺点：防护层有时会坍塌；缺少绿色，在景观上显得单调。**框格防护－水泥骨架**护面墙－浆砌片石**柔性护坡也称植物防护或生物防护，它通过在坡面上种植的植物的根、茎、叶来保护坡面。柔性护坡主要适用于土质边坡，石质土边坡在进行土壤改良的基础上，配合一些工程上的措施，也可以开展植物护坡。三、柔性护坡技术－传统植被护坡技术**主要优点：施工简单经济、有绿化、美化、景观效果，容易与道路周边的生态环境相融合。缺点：养护工作量大，植被受外界环境变化影响大，一旦植被恢复没能达到要求，边坡防护效果要受到影响。要求：只适用于适宜植物生长的土质边坡；边坡的坡度要比较缓，直接种草或铺草皮的适用坡度要缓于或等于1:1.0，植树的适用坡度为1:1.5或更缓的坡度；树种应选择低矮灌木类，高速公路或一级公路的边坡严禁种植高大乔木。**图22传统植物护坡技术－种草**图23传统植物护坡技术－植树**四、生态工程护坡技术主要优点：吸取了刚性防护技术的抗冲刷、抗风化、防护效果直接的长处，和柔性防护技术绿化、美化效果好、容易与道路周边的生态环境相融合的长处，既有较好的防护效应，又有较好的生态效应；既解决了刚性防护没有绿色和防护体与下层坡体易分离的问题，又解决了传统植物防护在植被层没形成之前没有防护能力的问题。**混凝土网格+植草**水泥方砖+植草**植被+挂网+客土：在石质土或风化岩石的坡面上，铺设有一定硬度、强度和韧性的金属网或热塑性树脂（聚乙烯）网，然后再将经过改良的土壤（客土）喷射在网的表面（厚度在15～30cm），最后在客土的表面播撒植物种子。岩石边坡一般是挂金属网，土质边坡或石质土边坡一般是挂聚乙烯网。**挂金属网（三峡工地）**客土技术**挂网+客土**挂聚乙烯网**植被网护坡效果**喷播技术－液压喷播（湿法喷播）：湿法喷播是将植物种子（草种）、有机肥料（N、P、K）、土壤改良剂（腐殖质）、纤维（纸浆）、着色剂（绿色、分辨材料）、保水剂、粘合剂和水按一定比例用搅拌机混合到一起，再用高压泵将泥浆喷射到坡面上。－优点：施工简便，作业迅速、发芽均匀、造价低。－缺点：喷播的基质容易流失。－主要适用于坡度较缓的土质边坡，耐降雨强度为10mm/h。**液压喷播（湿法喷播）**

－客土喷播（干法喷播）：用高压泵将客土（砾石含量在5％以下，最大粒径在6mm以下的含有丰富有机质的土壤）喷射到坡面上，然后再在客土表面栽植植物；形成的土层要比湿法喷播为厚，一般要1～3cm，最厚可达10cm，甚至15cm。与挂网相结合。－优点：具有湿法喷播的优点，除此之外其长处还包括适用的坡面多（石质土边坡、岩石边坡），坡面陡（坡度不陡于1:0.8）－缺点：工序复杂，造价较高。－采用水泥作为粘结剂的客土喷播也称为生态水泥。**客土喷播（干法喷播）**纸质植生带技术纸质植生带是在将种子均匀地撒在两层纸之间，并用粘合剂将两层纸粘在一起，形成一种含有种子的带状物，也称其为种子带。优点：省去传统的播种工序，便于操作，容易运输。缺点：只能用于非常平缓的土质边坡，植生带在施工时容易扯坏。**纸质植生带**北京安定垃圾填埋场植生带护坡效果**植生袋技术带有网眼的、内部装有土壤和植物种子的袋子，其材料可以是麻袋、塑料编织袋、或无纺布袋。植生袋内装入的土壤要有一定的肥力，要具有一定的沙质。植生袋可用于种子直播，也可用于树苗移栽。适用于各种质地的边坡和较陡的坡度（1:0.8）**植生袋**植生袋效果***课堂讨论分组：按专业（研究方向）自由组合，分成不同的小组。任务：各组选择一个熟悉的生态退化案例（范围可小可大），描述案例点的背景，剖析生态问题和受损因子（退化的原因），提出可能的恢复措施及恢复技术，遴选恢复效果评价指标。结果展示：各组选一名代表，报告案例分析结果。**第五章环境污染与

生态恢复

第一节环境污染环境污染：由于人类活动特别是工农业生产和军事活动所引起，包括有毒物质的释放和废弃物的排放对生态系统的不良作用。污染源：对环境产生污染的物质即为污染物或污染因子，污染环境的物质发生源则成为污染源。按污染造成的原因，可以将污染源分为天然污染源和人为污染源。一、污染的概念与类型环境污染源自然污染源人为污染源生物污染源生活污染源非生物污染源生产性污染源鼠、蚊、蝇菌、病原体火山喷发地震泥石流有毒矿泉其他工业农业交通科研其他居住饮食医院商业其他图24主要环境污染源污染的类型

-

按污染原因分：天然污染、人为污染。

-按环境要素分：大气污染、水体污染、土壤污染、生物污染。

-污染物的形态：气态污染、液态污染、固态污染。

-按污染物的性质分：化学污染（有机、无机污染）、物理污染（噪声污染、微波辐射污染、放射性污染、热污染）、生物污染（病原体污染、变应原污染）。二、污染的成因及生态过程成因

-

人为污染主要是由于大规模工业生产造成的，资源开发消耗大量原料和能源，破坏资源和生态的自然状况，原料、能源的不完全转化最终形成废气、废水、灰尘和各种废弃物，进入环境，造成污染。

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自然污染主要是由于自然环境状况的变异引发的污染。如由火山喷发释放的SO2、尘埃等污染。生态过程

-

污染物的扩散-混合过程：大气湍流扩散过程、海洋湍流扩散过程、河流湍流-混合过程和土壤污染及扩散过程。

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污染物的吸附-解吸过程：包括静电吸附、化学吸附、分配、沉淀、络合及共沉淀等反应。

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污染物的溶解-沉淀过程：在生态介质、生态组分的作用下，会发生溶解-沉淀过程。

-

污染物的生物降解-合成过程：包括生物的降解过程、共代谢过程和生物的合成过程。

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污染物的动植物吸收-摄取过程：

-植物的吸收过程污染物从土壤及土壤水沿根系吸收进入植物体；植物还可以通过呼吸作用过程经由植物叶、茎、果实等吸收。

-动物的吸收-摄取过程主要通过表皮吸收、呼吸作用及摄食过程等途径发生。

-污染物的生物积累-放大过程浮游植物吸收-浮游动物吸收-鱼类吸收–

食鱼动物吸收–

顶极肉食动物吸收。第二节污染的生态效应一、污染的生态效应组织器官污染效应植物根、茎、叶等器官形态变异，功能减弱；动物肝脏、肾脏等器官受损，功能变差。生物个体污染效应植物株高、产量、生活力降低；动物体长、体重下降，体格畸形，寿命缩短等。生态系统污染效应污染对生态系统结构与功能的影响，包括组成成分、结构、物质循环、信息传递和系统动态进化的影响。生物群体污染效应对植物的分布、物种的形成、生态型的分化、植被的组成、结构的变化与植被的演替等产生影响。二、污染生态效应的生态类型组成变化类型

-非生物环境组分的变化：与非生物组分的化学反应；生物的新陈代谢产物发生改变。

-生物组成的变化：物种多样性变化。

-生物体内成分的变化：组织器官、营养物质变化。结构变化类型物种结构、营养结构和空间结构（垂直结构、水平结构）发生变化。功能变化类型污染物直接或间接（通过改变生态系统结构）改变生态系统的能流、物流和信息流。基因突变类型污染导致染色体数目的增加或减少，DNA分子中碱基对的增加、缺失或错配。个体毒害类型污染物与生物个体某些作用器官的特定部位（即受体）之间相互作用，产生一系列反应，生物体细胞发生变性，甚至坏死，生物个体遭受毒害。生理变化类型污染物对动植物的毒害在未表现出症状前，引起生理、生化过程的变化，导致生物体对营养元素吸收的异常。综合变化类型生理生化、个体、群体和生态系统的变化。第三节生态系统的污染效应一、农田生态系统的污染效应重金属污染：汞、铬、镉、铅和砷（类金属）进入农田后，对土壤、作物、地下水污染，从而影响生态系统结构和功能的稳定性。农药污染：农药的积累和浓缩，影响生态系统的健康，进而影响系统本身的物种组成和数量、结构和功能。二、森林生态系统的污染效应重金属污染：As、Ni、Cr、Cu、Pb等重金属对森林植物的生长、发育有重要影响，但不象农田生态系统严重。三、草地生态系统的污染效应对草本植物的影响：重金属对植物的危害顺序为根部>叶子>果实>种子。对食草动物的影响：重金属对肝、肾的影响较大。对食肉动物的影响：肾组织对金属重度有放大作用。对草地低等动物的影响：如镉在蚯蚓体内的累积。对鸟类的影响：污染物通过食物链从鼠类等小型哺乳动物向鸟类迁移。四、水生生态系统的污染效应富营养化：大量有机物的分解，引起水体生态生态系统发生变化，水生动植物因缺氧死亡，生态系统平衡破坏。重金属及无机化合物的生态效应：污染物的（微生物）强化和（生物）累积效应。有毒有机污染物的生态效应：酚污染（挥发）、多氯联苯污染（难以分解）、苯并芘污染（核酸分子结构改变）和农药污染（富集）。五、海洋生态系统的污染效应石油污染的生态效应：海洋动物窒息、海鸟丧失飞行能力、幼虫和海藻孢子失去栖息地。重金属污染的生态效应六、城市生态系统的污染效应空气污染的生态效应：诱发重病如癌症。饮用水污染的生态效应：人体中毒、诱发病变等。一、污染生态效应的发生机制物理机制:污染物在生态系统中发生渗透、蒸发、凝聚、吸附、解吸、扩散、沉降、放射性蜕变等物理过程，伴随着这些物理过程，生态系统的某些因子的物理性质发生改变，从而影响到生态系统的稳定性，导致各种生态效应的发生。第四节污染生态效应的发生机制与防治化学机制：化学污染物质与生态系统中的无机环境各要素之间发生化学作用，导致污染物的存在形式不断发生变化，其对生物的毒性及产生的生态效应也随之改变。如亚砷酸盐的毒性明显高于砷酸盐。生物学机制：污染物进入生物体后，对生物体的生长、新陈代谢、生理生化过程产生的各种影响。

-生物体的累积、富集机制

-生物吸收、代谢、降解与转化机制在各种酶的参与下发生氧化、还原、水解、络合等反应，增加或减少污染物的毒性。综合机制：综合多种物理、化学和生物学的过程并且往往是多种污染物共同作用，形成复合污染效应。

-协同效应（+）一种或两种以上污染物的毒性效应因另一种污染物的存在而增加的现象。

-加和效应（+）两种或两种以上的污染物共同作用产生的毒性或危害为其单独作用时的综合。

-拮抗效应（-）污染物的毒性或危害因其他污染物的存在而降低。-竞争效应（-）一种污染物与另一种污染物发生竞争，而使另一种污染物的危害或进入生态系统的几率降低。

-保护效应（-）一种污染物对另一种污染物的掩盖作用，使其危害或毒性不能表现。

-抑制效应（-）一种污染物对另一种污染物的作用，使其生物活性下降，不易进入生态系统产生毒害作用。

-独立作用效应（0）各种污染物间不存在相互作用。二、污染生态效应的防治物理方法:减少污染源，阻止污染物在生态系统中渗透、蒸发、凝聚、吸附、解吸、扩散、沉降、放射性蜕变等物理过程。化学方法：用化学方法降低污染物质对生态系统的毒性与危害。生物学方法：利用微生物或生物体的生理生化功能降解或固定污染物，降低其对个体、群体和生态系统的危害程度。污染物调控:减少污染物的协同效应、加和效应和独立作用效应，合理利用污染物的拮抗效应、竞争效应、保护效应和抑制效应。综合方法：物理、化学、生物、调控等方法的综合应用。一、土壤中重金属存在的方式(形态)土壤中的重金属土壤溶液自由态离子络合物土壤固体可交换态专性吸附态有机态沉淀物次生矿物中原生矿物中第五节土壤重金属污染及其生态恢复土壤溶液中自由态金属浓度离子交换和吸附氧化还原反应络合/螯合反应酸-碱反应沉淀和溶解反应物质转移(地表/下水,大气,生物)二土壤中重金属的多项间的平衡1234561络合/螯合反应金属在溶液中的形态:自由态金属离子(如:Cu2+,Cr3+).同有机或无机配位体结合的金属离子(如:Fe(H2O)62+,FeCN(H2O)5+). Fe(H2O)62++CN-FeCN(H2O)5++H2O+Ca2+

PPOOOOOOO4-PPOOOOOOO2-Ca无机配位体Cl-,OH-,CO32-,HCO3-,F-,S2-有机螯合剂自然发生的有机物:腐殖质,氨基酸等.合成螯合剂:EDTA,HEEDTA,EGTA,DTPA,CDTA,EDDHA等.络合/螯合反应对重金属命运和迁移的影响:络合/螯合反应能促进金属碳酸盐,硫化物,和氢氧化物的溶解.络合/螯合反应能促进吸附在土壤矿物表面的重金属离子的解吸.因而,络合/螯合反应增加了重金属迁移.络合/螯合反应一般增加了重金属的生物可用性.2沉淀/溶解反应控制沉淀发生的主要阴离子:CO32-,HCO3-,Cl-,SO42-,OH-,PO43-H2S,HS-,S2-(还原条件下)主要的沉淀物:金属硫化物,氢氧化物,碳酸盐,磷酸盐,硫酸盐.3氧化/还原反应重要方面:描述土壤中氧化/还原系统基本的概念和原理:pE,EH.使用pE-pH图解释主要成分/污染物(如S,N,Fe,Cr等.)在土壤环境中的化学形态.4吸附/解吸反应a吸附b,c表面沉降d凝聚金属元素在土壤／沉积物固体中的形态三、土壤污染(原位)修复土壤污染的影响人类和生态系统健康地下水地表水植被破坏原位修复的目标减少淋滤降低生物可用性植被恢复（金属）原位修复技术隔离（Isolation)固体/稳定玻璃化去除(Removal)电动力学修复土壤冲洗植物提取稳定(Stabilization)化学稳定植物稳定1固化/稳定向土壤中加入结合剂，使土壤中的金属污染物固化和稳定化．其基本原理为使金属污染物生成氢氧化物、碳酸岩、和硅酸盐等沉淀。处理深度可达100ft。

缺点：

（1）改变了土壤的物理化学特性。

（2）适用于污染面积较小的范围。

（3）结合剂需要与土壤充分混合。2污染土壤玻璃化技术

在土壤中插入电极通电，产生

1600-2000oC使土壤变成稳定的、类似玻璃的物质，其中的大部分无机污染空气被固定，有机污染物挥发或燃烧分解。

缺点：适合于小面积的被无机和有机污染物严重

污染的土壤；

处理费用高。

优点：处理深度可达到20ft。3电动修复技术

在土壤中插入电极通电,使帶正电之污染物向阴极移动,使帶負电之污染物向阳极移动而分离污染物.最后用沉淀法或抽水抽气法将集中于电极附近之污染物全部移除.4土壤淋洗技术使用水或适合的溶液提取土壤中的(金属)污染物.通常使用的溶液包括:EDTA,DPTA,Citrate,Oxalate5植物提取技术利用植物把土壤中的(金属)污染物转移到植物体地上部分,然后融解植物体,使金属恢复再生.植物修复是一种经济的土壤污染修复技术,实用于大面积的非严重污染的表层土壤,已成为目前研究的热点.研究主要分为两类:（1）超富集植物的筛选；（2）高生物量植物结合络合剂提取土壤中的污染物。

主要缺点：需要很长时间，植物体的再处置等。(Saltetal,1998)(Saltetal,1998)thlaspi-caerulescensZn,Cd98gCd/haybyaharvestof8.7t/ha(Felix,1997)遏蓝菜属AlyssumNi香芥菜属mustardsCr,Cd,Zn,Se,U芥菜属6化学稳定技术

化学稳定修复同固化/稳定修复类似，但加入土壤的稳定剂的量较少，因此通常不改变土壤的特性（如土壤结构，渗透性等）。7植物稳定技术

单独使用植物,或与化学添加剂联合使用，稳定金属污染的土壤，限制金属的移动性和生物可用性。除此之外，植被还能防止土壤侵蚀，减少污染土壤的裸露，减少水的渗透，因而减少金属的淋溶。修复同固化/稳定修复类似，但加入土壤的稳定剂的量较少，因此通常不改变土壤的特性（如土壤结构，渗透性等）。自由态金属浓度或活度的测定和计算污染物在矿物表