环境生态学导论15

第十五章 受损生态 系统的修复 第一节 受损生态系统的特征 o一、生态系统受损的主要形式 o正向演替：就是在无强干扰的条件下能不断地自我完善，即进 展演替（progressive succession）。 o动态平衡：就是指正常的生态群落和自然环境能实现动态平衡 的自我维持系统，各种组分的发展变化是按照一定的规律、在 某一平衡点表现一定范围的波动，呈现动态上的平衡。 o受损生态系统：就是指生态系统的结构和功能在自然干扰、人 为干扰（或两者的共同作用）下发生了位移（即改变），打破 了生态系统原有的平衡状态，使系统的结构和功能发生变化和 障碍，并发生了生态系统的逆向演替（retrogressive succession）。 o根据生态系统受损过程中发生的变化，可以划分为以下几种形 式： o1．突发性受损 o生态系统受到特别强烈的干扰，受害时间短，速度快，局部受 损程度严重，受损后系统恢复能力弱，系统靠自然恢复的时间 长。 o2．跃变式受损 o跃变式受损：是指生态系统受到持续干扰作用下，最初并未表 现出明显的损伤，随着干扰的持续，破坏性进一步累积，达到 一定程度后突然剧烈变化的一种形式。 o3．渐变式受损 o渐变式受损：是指生态系统受到干扰的强度较均衡，变化的速 度的缓慢、受损程度呈逐渐加重趋势，但系统本身的恢复基础 较好。 o4．间断式受损 o间断式受损：是指生态系统因周期性干扰而受到损害的一种形 式。 o5．复合式受损 o复合式受损：是指生态系统在受损过程中，经历了两种以上受 损形式。 o二、受损生态系统的基本特征 o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减弱，生产能 力降低，服务功能弱化。 o从生态学角度分析，受损生态系统的共同变化特征主要有八个 方面： o1．物种多样性的变化 o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 展，数量增加。 o2．系统结构简单化 o系统受损后，反映在生物群落中的种群特征上，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，受损后则 是群落结构的矮化，整体景观的破碎。 o3．食物网破裂 o定义：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。 o食物网的破裂，会使生态系统各物种之间的自我调节能力下降 ，极易受到外来物种的影响。 o4．能量流动效率降低 o由于受损生态系统食物关系的破坏，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 能流损失增多，能流效率降低。 o5．物质循环不畅或受阻 o由于生态系统结构受到损害，层次结构简单化以及食物网的破 裂，营养物质和元素在生态系统中的周围时间变短，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，使生态系统中物质循环的途径不畅通无阻或受阻，包括 生态系统中的水循环、氮循环和磷循环均会发生改变。 o6．生产力下降 o正常的生态系统具有较高的生产力，能利用光能生产很多生物产 品，但是，系统受损后，其生产力会大大下降，其原因在于：（ 1）光能利用率减弱；（2）由于竞争和对资源利用的不充分， 光效率降低，而植物为正常生长消耗在克服不利影响上的能量（ 以呼吸作用的形式释放）增多，净初级生产力下降；（3）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。 o7．其他服务功能减弱 o生态系统除了具有生物生产和维持生物多样性等功能外，还具有 调节气候、减缓旱涝洪灾害、保持养分和改良土壤、传媒受粉和 扩散种子、有害生物控制，净化环境、防风固沙、为人类提供旅 游休闲地等服务功能，当生态系统受损后，这些功能也都随之下 降，某些功能甚至全部丧失。 o8．系统稳定性降低 o在外界干扰较小的情况下，正常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所平衡 ，使系统很快回到原来的状态，系统仍维持稳定状态。但在受 损的生态系统中，由于结构的不正常，稳定性降低，系统在正 反馈机制驱动下会使系统更远离平衡。 o 综上所述，受损生态系统首先是其组成和结构发生了退化 ，导致其功能受损和生态学过程的弱化，引起系统自我维持能 力减弱且不稳定。但系统万分与其结构的改变，是系统受损的 外在表现，功能衰退才是受损的本质。因此，受损生态系统功 能的变化是生态系统操作程度判断的重要标志。但另一方面， 由 o于植物及其种群属于生态系统的第一性生产者，是生态系统有机 物质最初来源和能量流动的基础。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，通过结构的变化，也可以推测出功能的 改变。 第二节 受损生态系统的修复 o “恢复”与“修复”的区别：“恢复”是指使一个受损 的生态系统的结构和功能回复到接近或达到其受 干扰前的状态，它是强调主体（生态系统）的一 种状态。而“修复”与前者的意义基本相同，但它更 强调人类对受损生态系统的重建与改进，强调人 的主观能动性。 o受损生态系统的修复：指人类根据生态学原理， 有目的地采取某些措施，使受到损害的生态系统 的结构和功能得以恢复和完善，实现生产力高、 生物多性丰富、系统趋于稳定的目的，这个过程 就称之为“受损生态系统的修复”。 o关于一个受损生态系统修复的优先性： o（1）先以修复生态系统最基本的功能为优先前提； o（2）然后再进一步完善物种组成及结构。 o一、受损森林生态系统的修复 o第一阶段：应该找出森林生态系统受损的原因和特点； o第二阶段：根据原因与特点，定制出适合的修复方法。 o森林生态系统受损的原因主要有：（1）自然灾害：病虫害、 干旱、洪涝和地震等；（2）人类活动引起的破坏。 o森林生态系统受损的特点有：生产力减低、生物多样性减少、 调节气候、涵养水分、保育土壤、贮存营养元素能力等生态功 能明显降低。 o1.受损生态系统的修复方法有： o（1）封山育林：这是最简便易行、经济有效的方法。因为封山可达到最大 限度地减少人为干扰，为原生植物群落的恢复提供了适宜的生态条件，使生 物群落由逆向演替向正向演替发展，使被破坏的森林生态系统能逐渐恢复到 顶极状态。 o（2）林分改造：为了促进森林的快速演替，可对受损后处于演替早期阶段 的群落进行林分改造，引种当地植被中的优势种、关键种和因受损而消失的 重要生物种类，以加速生态系统正向演替的速度。 o（3）透光抚育或遮光抚育：这种方法主要是通过改善林地环境条件来促进 群落正向演替而实现。 o（4）林业生态工程技术：根据生态学、业学及生态控制论原理，设计、建 造与调控以木本植物为主的人为复合生态系统的工程技术，其目的在于保护 、改善与持续利用自然资源与环境。 o林业生态工程技术是受损生态系统恢复与重建的重要手段。 o它主要是通过人工设计，在一个区域或流域内建造以木本植物 群落为主体的优质、高效、稳定的多种生态系统的复合体，形 成区域复合生态系统，以达到自然资源的可持续利用及环境的 保护和改良。 o具体内容包括四个方面： o一、区域的总体方案：即在一个平面上对一个区域的自然环境 、经济、社会和技术因素进行综合分析，根据生态系统受损状 况，合理规划布局区域内各种不同类型的生态系统，形成合理 的镶嵌结构配置，构筑以森林为主体的或森林参与的区域复合 生态系统的框架； o二、时空结构设计：在空间上，分析组成生态系统的物种与环 境、物种与物种、物种内部关系的基础上，构建群落内物种间 共生互利互惠、能够充分利用环境资源的稳定高效生态系统； 在时间上，就是利用生态系统内物种生长发育的时间差别，调 整物种的组成结构，实现对资源的充分利用。 o三、食物链设计：目标是使森林生态系统的产品得到再转化和 再利用。 o四、特殊生态工程的设计：主要是一些针对特殊环境条件的林 业生态工程，如工矿区林业生态工程、严重退化的盐渍地等生 态恢复工程。 o2．受损森林生态系统修复中应注意的几个问题 o（1）对森林的修复，需要综合考虑群落发育过程中的主要因 子，包括种子传播、竞争、捕食和随机事件，环境变化的胁迫 ，遗传资源的退化以及外来种的入侵等问题。 o（2）在掌握本地区的生物群落演替的基础上，适应地施加人 工干预能够加快受损森林生态系统恢复。 o（3）受损生态系统修复应该参考的重要指标：以恢复森林最 低数量的成分和最小面积为前提，并且达到原有植物群落物种 数80%以上，能够维持其更新和演替的森林才能称得上符合 标准的恢复。 o（4）在修复受损生态系统的优势种或关键种 的同时，还要注意互惠共生种。互惠共生关系 是生物群落中物种存在的条件，也是物种间最 基本的生态关系之一。 o（5）注意不要因为经济条件、速生丰产、适 应性等问题的限制，在受损生态系统地区栽种 不是当地原有植被中的种类。因为这些外来种 的结构和功能都不适应当地的生态系统，不仅 稳定性差，生态效益不高，而且还会带来一些 新的生态问题。 二、受损草地生态系统的修复 o1．草地生态系统受损的原因及特点 o我国是草地生态系统受损较为严重的国家之一。人类 干扰的原因中，主要是过度放牧、垦殖和污染等。此 外，农牧民为获得生活所需能源，对草原植被的割刈 、搂草等干扰，也会加速草地的退化。另一方面，我 国草原区所处的自然条件都比较恶劣，春季干旱，夏 季少雨、冬季严寒，自然灾害频繁，这就是造成草原 退化的自然因素。 o2．受损草地生态系统的评估指标 o受损生态系统的评估指标包括：主要评价标准、相关 生态指标。 o3．受损草地生态系统的修复方法与技术 o我国研究的受损草地修复方法与技术主要有三种：一是围栏养 护现存的受损草地，使其自然恢复；二是重建新草地；三是实 施合理的牧畜育肥方式。 o（1）围栏养护，轮草轮牧 o这种方法的实质：消除外来的干扰，主要依靠生态系统具有的 自我修复能力，适当辅之以人工措施来加快其恢复。 o（2）重建人工草地 o这是受损生态系统重建的典型模式，是减缓天然草地的压力， 改进畜牧业生产方式而采用的修复方法，常用于已完全英文荒 弃的退化草地。 o（3）实施合理的牲畜育肥生产模式 o这种修复方法实行的是季节畜牧业。它是合理利用多 年生草地每年中不同生长期，进行幼畜放牧育肥的方 式。这种生产模式既可改变以精料为主高成本育肥方 式，又可解决长期困扰草地畜牧业畜群结构不易调整 的问题。 三、受损河流生态系统的修复 o1．河流生态系统受损的主要方式及影响 o人为干扰因素：对沿岸植被的破坏；点源和非点源的 各种污染物对水域的污染；对水域中生物资源的过度 利用；各种水利建设对河流自然生态功能和生态过程 的改变等。 o其中人类社会的影响主要分为以下几种： o(1)水利工程建设对河流生态系统的影响； o(2)农业活动对河流生态系统的影响； o(3)城市化对河流生态系统的影响； o2．受损河流生态系统的修复 o受损河流生态系统的修复方法，应当根据人类活动对其环境影 响的方式、内容和程度不同。要充分掌握各种影响的危害机制 ，根据现场的具体情况提出合适的生态修复方案。 o根据河流环境条件及受损原因的不同，对其修复的方法和技术 有一定的差异，但有许多共性，通常采用的方法有： o(1)建立沿岸绿化带，加强植被的生态功能 o(2)人工清淤 o(3)控制污染源 o(4)科学调控河水流量和流速 o(5)加强渔业管理 四、受损湖泊生态系统的修复 o湖泊生态系统在人类生活环境中的重要作用：一方面 ，在维持全球物质循环和水分循环中具有重要的作用 ；另一方面，可净化水源、抵御洪水、提供生活和工 农业用水、旅游景观、交通通道和野生生物栖息地等 。 o1．湖泊生态系统的受损及原因 o大致可分为：（1）环境污染；（2）水利建设；（3 ）过度放养；（4）湖泊的富营养化；（5）外来种的 侵入。 o2．受损湖泊生态系统的修复 o综合目前的研究成果，对受损湖泊生态系统修复的方法和技术 主要有以下几点： o(1)严禁围湖造田； o(2)营造林地，提高湖泊周围整个流域的植被覆盖率，减少面 源污染的危害，增强涵养水分的能力； o(3)加大人为调控湖泊水位的力度，尽量防止水位频繁地剧烈 变化，维持湖泊的最低水位，防止湖泊的干枯； o(4)对于已有大量淤积的湖泊，清淤是十分有效的修复措施， 这样既可恢复水体空间，又能使水质得以改善。 o对于修复富营养化湖泊的方法有：用工程方法分流或切段进入湖泊的 点源污染，减少向湖泊中输入污染物和过多营养物质；以改进农业耕 作方式，减少化肥和农药施用量为基础的面源控制，减少湖泊营养物 质的进入等。 o对于修复富营养化湖泊，生物学和生态学也有了新发展，在20世纪 70年代中期，美国的Shapiro就提出了生物操纵（ biomanipulation）。至90年代初，利用生物操纵控制富营养化的 技术正在欧洲及北美多个湖泊获得不同程度的成功。Welch等（ 1987）提出了由下而上和由上而下的方法（Jordan,1987）。 o涉及的名词定义： oA、生物操纵的定义：它是通过调整生物群落结构（主要是鱼类种群 组成）的方法，来调节浮游植物群落结构，以改善水质。 oB、由下而上的定义：是指从食物链的最底层即营养物的输入开始控 制，进而实现整个生态系统的恢复。 五、矿区废弃地的修复 o矿产的开采造成土壤及植被的破坏，无论是表层开采还是深层 开采都造成土壤被大量迁移或被矿物垃圾堆埋，造成了整个生 态系统的破坏。 o近年来世界各地的研究表明，矿区废弃地的生态修复研究有了 长足的进展，大部分的问题得到了令人满意的答案，其主要的 修复方法有： o1．尾矿的综合利用 o（1）从废弃物中进一步回收有价元素； o（2）作为二次资源制取新形态物质； o（3）用做井下采空区的填充材料； o2．污染土壤的修复 o污染土壤的修复包括：矿山周围地区土壤质量的改善 ；覆盖在土壤上的尾矿及废弃矿石堆性能的改良。 o3．植被修复 o矿山废弃物及尾矿经过长期的堆置会在其表面覆盖开 一层植被。人类可以利用人工种植植被的办法来改善 和恢复生态系统。首先对污染元素进行分析，再对土 壤的物化、生化性质进行分析，查明土壤的PH、地表 水、通气性、土壤氮素及土壤温度等，进而选择树种 。 o4．微生物修复法 o恢复一个受损矿山生态系统、只是土壤、植被的恢复是不够的 ，还需要恢复微生物群落。微生物的恢复不仅要恢复该地区的 原有生态，而且要接种其他微生物，以除去或减少污染物，因 此必须适当地选择生物进行接种。 o5．矿区废弃地综合修复 o对于任何一个生态系统的修复都不能把以上诸方法孤立地加以 利用，而应该综合分析与评估，只有综合利用上述方法才能取 得较大的成功。对于任何一个受损生态系统的修复，都应该找 出最好的方法，并辅以其他方法，进行生态系统多样性的恢复 ，重个体更应重视群落的恢复，使生态系统协调发展。 第三节 生态工程与修复技术 o一、生态工程的内涵 o1．生态工程的定义 o生态工程是应用生态学中的一门多学科渗透的新的分支学科。20世纪60年代 诞生以来，得到了迅速发展，在环境保护、污染治理、区域生态环境综合整 治以及废弃物资源化等方面都得到广泛应用。 o根据我国著名生态学家马世骏（1984）为生态工程下的定义为“生态工程是 应用生态系统中物种共生与物质循环再生原理、结构与功能协调原则，综合 系统分析的最优化方法，设计的促进分层多级利用物质的生产工艺系统”。 o生态工程的目标：在促进自然界良好循环的前提下，充分发挥资源的的生产 潜力，防治环境污染，达到经济效益与生产效益同步发展。 o2．生态工程设计的生态学理论依据 o（1）物种共生原理 o自然界中任何一种生物都不能离开其他生物而单独生存和繁衍 ，这种关系是自然界生物之间长期进化的结果，包括互惠共生 与竞争抗生两大类，亦称为“相生相克”关系。在功能正常的生 态系统，这种关系构成了生态系统的自我调节和负反馈机制。 o（2）生态位原理 o生态位的定义：是指某一生物在生态系统中的地位和作用。实 际上它是指“生态系统中各种生态因子都具有明显的变化梯度 ，这种变化梯度中能被某种生物占据利用或适应的部分称之生 态位”。 o（3）食物链原理 o食物链和食物网是生态系统中物种关系的另一种表现 形式，也是重要的生态学原理。在自然界中食物链关 系是极其复杂的，而且正是这种复杂的食物关系使得 生态系统维持着动态平衡，实现着生态系统的功能， 即物质的循环和能量的转化及传递。 o（4）物种多样性原理 o这是生物多样性促进系统稳定性的观点，即生态系统 中生物多样性越高，生态系统就越是稳定。 o（5）物种耐性原理 o每种生物都有一个生态需求上的最大值和最小值，两者之间的 幅度，就是该种生物的耐性限度。由于环境因子的相互补偿作 用，一个种的耐性限度是变动的，当一个环境因子处于适宜范 围时，物种对其他因子的耐性限度将会增大，反之，下降。 o（6）景观生态学原理 o景观生态学是近年来发展起来的一个新的生态学分支。景观是 指由相互作用的斑块或生态系统组成的、并以相似形式重复出 现的、具有高度空间异质性的区域。 o它的基本内容：景观结构与功能、景观异质性、生物多样性、 物种流动、养分再分布、能量流动、景观变化与景观稳定等。 o（7）耗散结构原理 o耗散结构原理是指一个开放系统的有序性来自非平衡态，也就 是说，系统的有序性因系统向外界输出熵值的增加而趋于无序 ，要维持系统的有序性，必须有来自于系统之外的负熵流的输 入，即有来自外界的能量补充和物质输入。 o（8）限制因子原理 o生态因子中使生物的耐受性接近或达到极限时，生物的生长发 育、生殖、活动以及分布等受到其直接限制、甚至造成死亡的 因子称为限制因子（ limiting factors）。在生态工程中注意 限制因子原理的意义：一是若能正确运用生态因子规律，可建 立系统的反馈调节，使某些不希望出现的生态现象得到抑制； 二是消除控制限制因子的作用，因为限制因子的限制作用是有 条件的，是相对的。 o（9）生态因子综合性原理 o自然界中众多生态因子会对生物产生重要影响，它们也都有自 己的特殊作用，而且环境中每个生态因子的作用又不是孤立的 ，而是相互联系、相互促进和相互制约的，任何一个因子的变 化都能引起其他因子作用强度甚至作用性质的改变。因此，生 态工程的设计中，要充分注意生态因子对生物的综合作用，尤 其是主要因子的动态变化对其他因子的影响。 o二、生态工程的设计与应用 o1．生态工程设计的具体步骤： o（1）拟定目标；（2）背景调查（自然资源条件、社会经济 条件、生态环境条件）；（3）模型分析与模拟；（4）工程 可行性评价。 o2．技术路线： o（1）建立互利共生网络；（2）延长食物链。 o3．生态工程设计的应用 o略：（见课本P262） o三、植物修复技术 o植物修复技术是以植物忍耐和超量积累某种或某些污染物的理论为基础 ，利用植物及其共存微生物体系清除环境中的污染物的一门环境污染治 理技术。 o植物修复技术包括：利用植物固定或修复重金属污染土壤、利用植物净 化水体和空气、利用植物清除放射性核素和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方面。 o1．植物修复技术的类型 o（1）植物萃取技术：是指金属积累植物或超积累植物将土壤中的金 属萃取出来，富集并搬运到植物根部可收割部分和植物地上枝条部位 的技术。 o（2）根际过滤技术：是指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的技术。 o（3）植物固定技术：是指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 染环境的可能性的技术。 o（4）植物刺激技术：是指通过根圈范围内植物的活动刺激微生物的 生物降解的植物修复过程。 o（5）植物转化技术：是指植物新陈代谢作用降解环境污染物的 过程。 o2．植物修复技术的应用 o（1）环境中重金属的去除； o（2）环境中有机物的去除； o（3）环境中放射性核素去除。 东南景天：Zn/Cd 共超积累及铅富集