第12章生物多样性原理与保护

第12章生物多样性原理与保护本章提要:1、生物多样性的基本概念和理论;2、自然保护区设计的理论和原则；3、外来物种入侵的途径、过程、危害和控制；5、生物多样性保护的途径和方法。4、森林生物多样性的意义、内容和保护措施等一、人口危机一、人口危机二、粮食危机二、粮食危机三、资源危机四、人类十大环境危机1、全球变暖四、人类十大环境危机2、臭氧层破坏四、人类十大环境危机3、生物多样性的减少四、人类十大环境危机4、酸雨蔓延四、人类十大环境危机5、森林锐减四、人类十大环境危机6、土地荒漠化四、人类十大环境危机7、大气污染四、人类十大环境危机8、水体污染碧水澄然遥远的梦想四、人类十大环境危机9、海洋污染四、人类十大环境危机10、固体废物五、能源危机当今世界面临的人口、粮食、资源、环境、能源五大生态危机，均与生物多样性锐减有关。因此，生物多样性保护已成为全球关注的热点之一。生物多样性明显下降，最终将影响人类的生存与经济社会可持续发展，已引起生态学界和社会的广泛关注。生物多样性(biodiversity)是指各种各样的生物及其与环境形成的生态复合体，以及与此相关的各种生态过程的总和。包括地球上所有的动物、植物、微生物和它们所拥有的基因、所形成的群落和所产生的各类生态现象。生物多样性是概括性的术语，一般来说，包括遗传多样性、物种多样性、生态系统多样性和景观多样性4个层次。一、生物多样性的概念景观多样性1、遗传多样性(geneticdiversity)遗传多样性又称基因多样性。它是指种内基因的变化，包括种内不同种群之间或同一种群不同个体之间的遗传变异，亦称为基因多样性。遗传多样性的表现形式是多层次的，包括分子、细胞和个体三个水平。分子水平，可表现为核酸、蛋白质、多糖等生物大分子的多样性；细胞水平，可体现在染色体结构的多样性以及细胞的结构与功能的多样性；个体水平，可表现为生理代谢差异、形态发育差异以及行为习性差异等。不同亚种的狗不同基因的玉米基因存在与脱氧核糖核酸2、物种多样性(speciesdiversity)物种多样性是一个地区内物种的多样性，系指有生命的有机体即动物、植物、微生物物种的多样性。3、生态系统多样性(ecosystemdiversity)生态系统多样性是指生物圈内生境、生物群落和生态过程的多样化，以及生态系统内生境差异、生态过程变化的多样性。陆地生态系统森林生态系统奈曼生态站草地景观鄂尔多斯高原草地景观（油蒿）亚热带人工林生态系统景观内蒙古草地生态系统景观青藏高原东缘山地森林生态系统荒漠生态系统草原生态系统水生生态系统湿地生态系统湿地生态系统湿地生态系统湿地生态系统4、景观多样性(1andscapediversity)景观多样性是指由不同类型的景观要素或生态系统构成的景观在空间结构、功能机制和时间动态方面的多样性或变异性。景观的基本要素可以分为斑块、廊道和基质三种类型。新疆天池景观东北三江平原自然湿地景观非洲稀树草原生态景观北京北海公园东部人工景观二、生物多样性的价值生物多样性价值可以分为直接价值和间接价值。直接价值是人们直接收获或使用的那些产品。直接价值又分为产品用于自用的消耗性使用价值和产品用于市场销售的生产使用价值。间接价值是指生物多样性的环境作用和生态系统服务。间接价值与生态系统功能有关，也即为人类所提供的生态系统服务。1、直接价值这些产品如薪炭、饲料、野味等并不出现在市场上的产品价值。居住在那些地方的人们常利用周围环境中的生物资源来维持生计，这些物品的价值并不反映在国民经济的总收入中。1．1消耗性使用价值１.2生产使用价值(1)粮食生产使用价值是赋予那些从自然界获得后，在国内外市场销售的产品的一种直接价值。(2)蛋白质来源(3)药物(4)工、农业原料庄稼给我们提供粮食家畜为我们提供肉食竹林给我们提供工业和建筑材料2、间接价值生物多样性的间接价值常常是与生态系统的服务功能有关，即与生态系统的生态过程有密切关系，如能量固定、调节气候、保持水土、吸收和分解污染物质，以及维持物种关系等，往往未经过市场流通而直接被消费，但远远超过其直接价值。森林、草原和湿地等生态环境，可以净化空气、涵养水源、调节气候、保护土壤四川九寨沟吉林长白山自然保护区３、美学、旅游、教研和伦理价值很多自然保护区具有丰富的生物资源，它们是开展科学研究的天然基地和宣传教育的理想课堂。自然界一草一木，一花一果都给旅游者以美的享受，无论是野炊、野营、徒步旅行、狩猎等户外娱乐活动都与生物资源分不开，享受大自然的情趣和生活的乐趣，为人们消除疲劳，身体健康起到了良好的促进作用。四川峨眉山风景区给我们提供旅游度假的地方雪山风景瀑布暮春烟雾缭绕另外，生物多样性还具有存在价值，即伦理或道德价值。生物多样性的存在价值是指每种生物都有它自己的生存权利，不管这些物种有无经济价值，它是客观存在的。人类没有权利伤害它们，使它们趋于灭绝。任何生物都有存在的价值，人类没有权力灭绝它三、生物多样性的测度为了定量描述某一群落物种的多样性，可以用多样性指数来测定。多样性指数主要有以下3类。α多样性β多样性γ多样性1、α多样性α多样性又称生境内多样性，是用来测度一个均质群落内物种组成状况的一个指标，包括物种总数及个体在物种上的分配状况。α多样性又可分为物种丰富度指数、物种多样性指数和物种均匀度指数。其中，物种多样性指数一般用Simpson多样性指数和Shannon—Wiener多样性指数计算。(1)物种丰富度指数(S)d=S／N式中S——物种数目；N——所有物种个体数之和。(2)物种多样性指数①Simpson多样性指数：②Shannon—Wiener多样性指数：式中Pi——第i个物种所占的比例；S——物种总数；Ni——第i个物种的个体数目；N——群落中所有种的个体总数。下面用一个假设的简单数据为例子，说明Shannon—Wiener指数的含义。假设有A，B，C三个群落，各有两个种组成，其中各种个体数组成如下：物种甲物种乙群落A群落B群落C100（1.0）50（0.5）99（0.99）0（0）50（0.5）1（0.01）括号内数字即Pi。因为群落A的所有个体均属于物种甲，没有任何不定性，从理论上说H应该为零，其Shannon—Wiener是H=－[（1.0log21.0）+0]=0由于在群落B中两个物种各有50个体，其分布是均匀的，它的Shannon—Wiener是H=－[（0.5log20.5）+(0.5log20.5)]=1群落C的两个物种分别具有99和个个体，则：H=－[（0.99log20.99）+(0.01log20.01)]=0.081Simpson指数：例如，前面所说的三个假设的群落：群落Ａ：Ｄ＝１－（12+02）＝０群落Ｂ：Ｄ＝１－[（0.5）2+（0.5）2]＝0.5群落Ｃ：Ｄ＝１－[（０.992）+（0.012）］＝0.02Simpson指数对稀有种的作用较小，而对普通种的作用较大，其变化范围自0到（1-1/S），S为种数。物种甲物种乙香农威纳辛普森群落A群落B群落C100（1.0）50（0.5）99（0.99）0（0）50（0.5）1（0.01）010.08100.50.02显然，H值的大小与我们的直觉是相符的：群落B的多样性较群落C的大，而群落A的多样性等于零。(3)物种均匀度指数群落多样性指数无论以何种形式表达，都是把群落物种丰富度和均匀度结合起来的一个单一的统计量。因此，均匀度是研究群落多样性非常重要的概念。均匀度是指生物群落中不同物种的多度分布的均匀程度。２、β多样性β多样性是用来测量群落的物种多样性沿着环境梯度变化的速率，它是说明森林群落物种组成及多样化程度对环境变化反映程度的量，是反映各物种对不同环境条件适应程度的一个特征。β多样性可以通过不同指数来计算，常见的指数有Whittaker指数、Cody指数、Wilson和Shmida指数以及Bray—Curtis指数。３、γ多样性γ多样性指不同地理区域的群落间物种的更新替代速率，主要表明群落间环境异质性大小对物种数的影响。γ多样性高的地区一般出现在地理上相互隔离但彼此相邻的生境中。它主要用来描述生物进化过程中的生物多样性。Wittaker认为γ多样性是地理区域尺度上的α多样性，而Cody则将γ多样性定义为地理区域尺度上的β多样性。四、生物多样性的消失原因与保护1、消失原因(1)栖息地的改变、丧失和破碎化(2)生境资源的过度开发利用(3)环境污染(4)农林业品种的单一化(5)外来物种的入侵乱砍滥伐森林乱砍滥伐森林土法冶炼.严重破坏环境淘金导致青藏高原水土流失破坏植被、水土流失严重森林被毁乱捕滥猎藏羚羊超量采伐树木工业用水和生活用水未加处理排放污染了河流工业生产没有防尘处理造成大气污染２、生物多样性的保护２.１濒危物种等级的确定划分物种濒危等级的标准兼顾科学性和实用性。确定物种濒危等级的主要定性指标：种群数、种群大小、种群特性、分布或发生范围、分布格局、栖息地类型、栖息地质量、栖息地面积、致危因素、灭绝危险等等。主要的定量指标：种群个体总数、亚种群数，亚种群个体数、分布或占有面积、分布地点数、栖息地面积、以及在一段时间内(年或代)以上各指标的上升或下降的比率和物种或种群灭绝机率。自20世纪60年代以来，国际自然保护联盟(IUCN)沿用的濒危物种等级系统主要包含了5个等级：灭绝种濒危种易危种稀有种未定种经过多年的不断修订，IUCN于1994年通过了新的濒危物种等级系统(图12—1)，并为各等级重新进行了界定，具体如下：２.２生物多样性保护的途径(3)回归引种(reintroduction)(1)就地保护(insituconservation)(2)迁地保护(exsituconservation)就地保护是生物多样性保护的最有效措施。以各种类型的自然保护区包括风景名胜区的方式将有价值的自然生态系统和野生生物生境保护起来，以保护生态系统内生物的繁衍与进化，维持系统内的物质能量流动与生态过程。就地保护的途径一般包括三个方面：建立保护区，在保护区之外采取附加保护措施以及恢复已经遭到破坏的生境或生物群落。(1)就地保护(insituconservation)西天目山自然保护区内的柳杉林扎龙自然保护区的丹顶鹤迁地保护是指将生物多样性的组成部分移到它们的自然生境之外进行保护。这与就地保护不脱离原来的自然生境有根本区别。主要保护方式为建立动植物园、水族馆、种子库和基因库。我国最早的植物园——庐山植物园是20世纪30年代建立的。(2)迁地保护(exsituconservation)华南植物园的水松北京动物园大熊猫馆由于自然或人为原因，导致生态系统退化，使得物种生存受到威胁甚至在原产地灭绝，种群范围缩小及数量减少，在这种情况下，可以通过回归引种的方法进行保护和增加生物多样性。所谓回归引种是指将一种植物释放到它以前曾生存过但现在已经灭绝的地方并加以管理。(3)回归引种(reintroduction)(4)就地保护和迁地保护的优缺点比较由此可见，就地保护和迁地保护是相辅相成、互为补充、互为后备，而不是互相排斥或可以互相替代的关系。植物的农庄保护、家庭园圃保护和回归引种在方法上介于迁地与就地保护之间，可见两者有时并无截然界限。人们有必要根据保护的对象、目的、经费、土地、设施、技术可行性等选择合适的保护措施，但从整体来讲，应采用包括就地物种、遗传水平上的综合保护以及不同物种(包括协同进化的微生物、植物、动物)的综合保护，这样才能最大程度地有效地保护生物多样性。五、岛屿生物地理学原理岛屿通常指历史上地质运动形成的，被海水包围和分隔开的小块陆地。对生物而言，岛屿意味着栖息地的片段化和隔离。物种在岛屿之间的迁移扩散很少。湖泊、间断的高山草甸、片段化森林和保护区等类似岛屿的地方，称为栖息地岛屿。1、岛屿物种数与面积的关系由于岛屿与大陆隔离，物种的迁人和迁出的强度低于周围连续的大陆。20世纪60年代，生态学家们就发现岛屿面积越大，其群落中可能包含的物种数越多。物种数与岛屿面积之间的关系可以用下列公式简单描述：式中S——物种数；A——岛屿面积；C，Z