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第五章自然资源生态过程自然资源从形成、演化到被利用的整个过程，都发生在地球生态系统中，经历着一系列生态过程。因此，了解自然资源生态过程是正确认识和合理利用自然资源的前提。第一节生态学基本概念第二节自然资源生态过程中的能量与物质第三节自然资源生态过程中的生物与种群限制稀缺立论基础生态学经济学第一节生态学基本概念指导自然资源利用开发保护的准则：经济学；生态学；经济学的理论基础是资源稀缺问题；生态学指出“生态系统使我们了解自然系统的动态和结构所决定的极限”一.生态系统自然资源学的“三E”基础Eco-logy[iˈkɒlədʒi]Eco-nomics[ˌi:kəˈnɒmɪksEquity[ˈɛkwɪti]生态学与人类生态学生态学？研究生物及其环境关系的学科自然资源是人与环境、经济与生态关系的中介环节，那么自然生态过程主要是人与环境相互作用的过程，既涉及普通生态学原理，也涉及人类生态学原理。人类生态学？研究人类及其环境关系的科学人类生态学基本原理：任何生态系统对其所能支持的生命物质总量都有一个自然极限；在这个自然极限范围内，人类文化的调整起着极大的作用自然资源生态过程研究必然要涉及各种成分之间的联系，尤其是生命物质与非生命物质、人与自然系统之间的相互作用。生态系统的概念为分析人类与环境之间的联系，并据此进而采取适当的行动提供了一个框架。生态系统？自然界任何范围，只要有生命有机体与非生命物质相互作用，并在其间产生能量转换与物质循环，就是生态系统（Tansley，1935）；生态系统是由植物，动物和微生物群落，与其无机环境相互作用而构成的一个动态、复合的功能单位。人类是生态系统中一个不可分割的组分。生态系统研究的主要内容包括生态系统的组成、结构、物质能量联系、生产力、动态及管理。生态系统的空间尺度变化很大，其间可以划分出无数的生态系统等级生态系统组分常于其他生态系统交迭，彼此重叠的范围称为生态交错区（ecotone）生态系统是生物群落（包括人类）与其周围环境的动态组合，并通过能量和物质联系而具有一定的结构和功能。指在自然界的一定的时间、空间范围内内，由生物与环境构成的，生物与生物之间、生物与环境之间，通过物质交换、能量流动和信息传递相互作用、相互联系、相互制约而形成的，具有一定的结构和功能的统一整体。生态系统的组成生态系统由各种生态因子组成，包括生物因子和非生物因子生态系统生态因子及其联系生态系统内的生态因子之间相互影响，相互作用，相互依存，相互制约，其中当把一个生态系统中的某一生态因子变化（或当作资源来开发利用时），会使其他因子也发生变化生态因子之间不可替代，只有各因子之间恰当的配合，才能对生物发挥有益作用利导因子与限制因子：在一定限度内，可以通过调节限制因子来有效地管理生态系统。生态系统的机理极为复杂，研究的基本途径是：从生态系统的结构和功能入手，着力于已限定生态系统中的营养联系、能量流和物质流生态系统的营养结构和物质、能量联系生产者、消费者、分解者与营养级食物链与食物网生物间通过取食和被食的关系相互结成了食物链，食物链之间相互交叉，连接形成食源复杂的网状营养结构称为食物网——植食食物链：以植食动物吃活植物为起点——分解者食物链：以死有机体为起点在营养结构中按生物在食物链上的位置将其分为不同的营养级，凡处于同一链环的生物都属于同一营养级。生产者环境分解者消费者■生产者、消费者和分解者与其周围环境之间相互作用，不断地进行着能量和物质交换■能量在生态系统中的传递服从于热力学第一、第二定律，即能量守恒和部分能量变为热能而散失■营养级间能量转化的效率大致服从“十分之一定律”(林德曼)生态系统的物质循环■生物地球化学循环：范围大，速度慢，周期长■生物化学循环：生态系统内土壤与动、植物之间营养元素的周期性循环，范围小，速度快，周期短■生态系统中的生物与环境之间，生物各个种群之间，通过能量流动、物质循环和信息传递，达到适应、协调和统一的动态平衡■生态系统的动态平衡依赖于系统的自我调节能力，但这种自我调节的能力是有一定限度的二.人类生态系统生物圈,智能圈与人类生态系统生态圈:地球及其所有生态系统的总称，人类赖以生存的环境生物圈：由生命形成的活的圈层,是由生命转化能量和驱动物质循环并由生命系统调节控制的开放系统智能圈：受人类控制和影响的生物圈(农业生态系统;工业生态系统)人类圈:现代生物圈的一部分,或生物圈发展的现阶段;(我国学者:人类圈的进化主要是信息库的进化)信息流人类生态系统：自然资源生态过程发生于其中的生态系统自然－生态系统经济－技术系统社会－政治系统人类生态系统自然资源生态过程不仅是自然-生态过程，还包括经济-技术过程和社会-政治过程生态系统服务功能与人类福利生态系统服务功能是指人类从生态系统中获得的各种效益;包括供给功能、调解功能、文化功能、支持功能人类福利具有多重成分,包括维持高质量生活所需的基本物质条件,自由权与选择权,健康,良好的社会关系等。福利的体验和表达与周围情况密切相关。生态系统的服务功能是人类福利不可或缺的在必要制度、组织、技术和手段支持下，通过与生态系统之间可持续的相互作用，人类可以提高自己的福利水平知识或人力资本的替代作用可以减缓由生态系统服务功能耗损和退化而产生的不利影响但是不可能无止境地对其进行替代，尤其是它的调节功能、文化功能和支持功能对某些服务功能（如控制侵蚀和调节气候）的替代，在经济上是不切实际的替代的机会差异很大：富裕人口与贫困人口合理的生态系统管理不仅应考虑生态系统与人类效益之间的联系而且还要把生态系统内在价值的考虑纳入决策过程当中。导致生态系统退化的原因很多（经济增长、人口变化、个人选择），如何保证生态系统服务功能得到有效保护？——市场机制？08金融危机-市场or计划——制度激励？——管理变革？——产权变革？第二节自然资源生态过程中的能量与物质一、自然资源生态过程中的能量流动（一）太阳能与光合作用在自然资源生态过程中的意义（二）食物链中的能量过程净第一性生产：食物链的第一环食物链的每一环都有能量损失：热力学第二定律第二性生产：食草动物所食植物转变生成的有机物数量食物链能量转换对资源利用的含义：离第一性生产越远，单位面积上所能获得的能量就越少结论1：净第一性生产是食物链的第一环结论2：食物链上每一环都有能量损失部分能量在新陈代谢过程中转换成热能而消耗每一营养级的生物组织并非全部为上一级所消耗食物链上每一环能量转换效率很低的资源意义？离第一性生产越远，单位面积上所能获得的能量就越少；人类对食物的利用若想达到最高效力，就必须作为食草动物，降低其营养水平。提高资源利用效率的方法是降低营养级结论3：在生态系统中的每一营养级上都有能量损失，这使通过物种网络的潜能数量减少。因此，第二性和第三性生产中的生物个体数量和活物质数量递减。这就形成生态系统中的“金字塔”现象。两个生态系统中的个体数金字塔（不包括微生物和土壤动物）（Odum,1971）(a)为夏季草原生态系统；(b)为夏季温带森林生态系统，其中第一性生产者是大树，个体数量较少佛罗里达银泉村生态系统能量金字塔（Odum,1971）（三）生态系统中的能量转换及其网络关系食物网与物种网络杂食性食物网各营养级上都有复杂的营养关系，所有这些关系连接起来，就形成食物网物种网络若考虑其他一些关系（空间的和其他的竞争关系），那么食物网就扩展为物种网络营养级关系结构复杂系统稳定从资源过程的角度看，复杂的物种网络给我们的启示：当人们把某一物种看作资源来使用时，必然会在生态系统中引起一系列变化。这种复杂的系列变化的后果很难预测，有些变化可能会损害未来人类的生存，甚至会损害生态系统本身的持续能力。因此，资源开发利用过程中，必须考虑物种网络间的能量关系。二、自然资源生态过程中的物质交换（一）几种重要无机物自然界90种天然化学元素中，碳、氢、氧、氮、磷、硫、钙、钠、钾、镁、铁、锰、硼等30-40种是生物有机体所必须的。任何生态系统只要缺乏这些必需元素，系统的组分、结构和功能就会受到限制。（二）几种重要无机物来源大气圈岩石水的作用（三）无机物循环及其中的重要环节在天然状态下，营养物质流大部分保存在生态系统内，少部分由径流带出系统外。生命物质对保存基本营养元素的重要作用。基本元素在陆地生态系统中的流动和储存（Simmons,1982）三、熵、耗散结构与自然资源对于宇宙而言，随着物质交换和能量流动的不断进行，按照热力学第二定律，系统内部越来越多的能量将不能再转化为有效能，而是转化为热能释放掉，最终一切运动过程都将终止，整个宇宙最终将走向“死寂”。然而地表自然界以及人类本身迄今为止，仍在由低级到高级、由简单到复杂、从混沌到有序地发展和和演化着。这难道不与热力学第二定律的推论相悖吗？因此，要进一步弄清生态系统的物质交换和能量流动，必须了解熵与耗散结构。（一）、热力学第二定律与熵热力学第二定律：所有正转变其形式的能量都倾向于转变成热能而消散。在更普遍的意义上可作如下陈述：在一个封闭系统中，当任何过程中所有的贡献因子均被考虑时，熵总是增加的，而且是一种单方向的不可逆过程。简单的说，熵是表示物质系统状态的一种度量，用它来表征系统的无序程度。熵（entropy）的外文原名意义是转变，指热量转变为功的本领。其量纲是能量被温度除，单位可用“焦/开”（J/K）。如果一个物体的绝对温度为T，当对其加进热量ΔQ时，该物体的熵（记为ΔS）：ΔS=ΔQ÷T热力学第二定律指出：热量总是由温度较高的物体向温度较低的物体流动，而不能自发的由低温物体向高温物体流动。在封闭系统中实际发生的过程，总是使整个系统熵增大，自发的由有序到无序，使系统由非均衡态趋于均衡态。均衡态的特征是熵最大、系统最无序。熵是物质系统的热力学态函数，其值与系统间以做工的方式传递的能量有关。能量固定的一个系统，当其熵等于零时，可以转化为功的能量等于他的全部能量；熵达最大时可以转化为功的能量等于零。因此，可以把熵看作有效能的测度，即熵越大，有效能越小，熵越小，有效能越大。同时熵也是有序程度的测度，熵越大，系统越是混乱无序，熵越小，系统越是有序。（二）、耗散结构按照热力学第二定律，宇宙的熵在不断增加，越来越多的能量不能再转化为有效能了，宇宙将走向死寂。然而生态系统是开放的，他不断与外界交换能量与物质，产生负熵流，使系统总熵不增长，这样开放系统就能够远离均衡态而产生有序稳定的结构，这就是耗散结构。耗散结构论认为，一个远离均衡态的开放系统，在外界条件变化达到某一特定阈值时，量变可以引起质变；系统通过与外界不断交换物质能量，可以从原来的无序状态变化为一种时间、空间或功能上的有序状态，这种非均衡状态下的新的有序结构，就叫做耗散结构。耗散的含义正在于这种结构的产生、维持和发展的根源是物质和能量的输入和输出。生态系统是耗散结构的典型例子，它有一定的功能、结构与自我调节能力。生态系统的生产者——绿色植物固定太阳能，为整个系统输入负熵流，负熵流经过消费者复杂的食物链和分解者的渠道流通转化、消耗散失，最终输出到环境中去，正是系统与外界的物质和能量输入和输出才使得系统内部形成稳定的有序的耗散结构。生态系统中的耗散结构熵变在一个开放系统中ds=dis＋des其中：ds为系统总熵变,dis为系统内部熵变des为系统与外界进行交换而产生的熵开放系统inputoutput(1)当dis=des，则ds=0意味着开放系统可通过外界输入的负熵抵销系统内部正熵的产生，使系统维持稳定。（2）当dis≤－des，则ds＜0意味着系统将进一步向有序化方向演化。（三）自然资源与熵、耗散结构自然资源的形成过程是负熵流形成的过程。自然资源开发利用是熵增过程，开发利用是消“耗”，开发利用后果（废物和环境影响）随之扩“散”；总之，自然资源的形成和开发利用过程也是系统不断地与外界交换物质和能量的过程，正是由于系统与外界存在物质交换和能量传递，自然资源系统才能形成稳定有序的耗散结构。自然资