第二章 恢复生态学理论基础

恢复生态学第二章恢复生态学的理论基础恢复生态学——研究生态退化的机理和过程以及生态恢复的技术与方法，为解决人类所面临的全球生态问题，实现可持续发展提供理论支持和技术保障的一门学科。是生态学的一个分支，是关于生态恢复的科学，具有理论性和实践性。回顾上一节课恢复生态学的内涵1.作为生态科学的一个分支，恢复生态学具有生态学的一般特性，与生态学的理论、方法密不可分。2.恢复生态学是研究人与自然关系的合成生态学。3.恢复生态学是农业技术、生物技术和工程技术综合的大尺度生态工程研究4.恢复生态学是生态系统生态价值和经济效益综合体现的研究。恢复生态学的基本内同干扰与致损受损机理与受损过程恢复措施与恢复途径恢复生态学的理论基础★恢复生态学的基本原理★自我设计和人为设计理论本节课内容一、自我设计和人为设计理论唯一从恢复生态学中产生的理论(valk,1999）。自我设计理论认为：只要有足够的时间，随着时间的进程，退化生态系统将根据环境条件合理地组织自己，并会最终改变其组分。人为设计理论认为：通过工程方法和植被重建，可以直接恢复退化的生态系统，恢复的类型可能是多样的。两种理论的区别自我设计理论：把恢复放在生态系统层次上考虑，未考虑到缺乏种子库的情况，其恢复的只能是由环境决定的群落；人为设计理论：把物种的生活史作为植被恢复的重要因子，认为通过调整物种生活史的方法→加快植被的恢复——即把恢复放在个体或种群层次上去考虑，恢复的可能是多种结果。恢复生态学——是生态学的一个极其重要的方面——恢复生态学的产生几乎完全基于生产实践——被称为是生态学理论的“判断性检验或严密性检验（acidtest）”。许多恢复实践表明：生态恢复如果缺乏生态学理论的正确指导，恢复往往是盲目的，成功率很低。70、80年代大面积种植的沙棘出现大面积退化死亡现象树种单一、密度过大的防护林体系干扰理论演替理论二、恢复生态学的理论基础一、干扰理论干扰——生态系统结构、动态和景观格局形成、发展的基本动力——不仅会影响到生态系统本身——而且还会改变生态系统所处的环境条件。根据干扰的来源自然干扰人为干扰自然干扰的特点和类型自然干扰的产生——具有一定的局域性和偶发性。自然干扰因子主要可归结为——火干扰气候性干扰土壤性干扰地因性干扰动物性干扰植物性干扰污染性干扰火干扰气候性干扰土壤性干扰地因性干扰动物性干扰植物性干扰污染性干扰人为干扰的类型与特点森林砍伐、过度放牧、樵采、垦荒、采矿、修路以及水体、大气和土壤污染等并往往体现为高频率、高强度、持续性的作用过程。火烧后的草地京张公路旁大面积采石造成的景观破坏旅游造成的严重土壤侵蚀污染河道干扰对生态系统的影响干扰是生物进化过程中重要的选择压力。干扰时间的长短：影响生境对物种的有效性。干扰的大小：影响景观环境条件的异质性。中度干扰理论中度干扰压力下生态系统中的物种丰富度最高。往往在实际生产中，表现为生产力达稳定最高。因此，中度干扰理论在生态系统恢复中具有重要的理论指导作用。二、演替理论生物群落演替：就是指某一地段上一种生物群落被另一种生物群落所取代的过程。成功的人工植被或生态系统在深入认识生态学原则和动态原则的基础上，模拟自然生态系统的产物是退化生态系统恢复与重建最有效的途径——顺应生态系统演替的发展规律。生物群落的演替的模式：一、二年生草木植物黄蒿羊草贝加尔针茅和当地气候想适宜的种类先锋植物二年生草本多年生根型禾草多年生禾草生物群落总是从极端环境演替到中生环境：水生湿生中生干旱。裸地一、二年生植物百里香群落本氏针茅群落侧柏林地羊草+大针茅羊草+糙隐子草糙隐子草+克氏针茅星毛萎陵菜＋冷蒿Clements的单元顶极学说Clements指出：任何一类演替都要经过迁移、定居、群聚、竞争、反应和稳定6个阶段。到达稳定阶段的群落，就是和当地气候条件保持协调的平衡群落——演替的终点，称为演替顶极。演替的顶极学说Tansley的多元顶极学说如果一个群落在某种生境中基本稳定，能自行繁殖并结束它的演替过程，就可以看作是顶极群落。在一个气候区域内，群落演替的最终结果，不一定都汇集于一个共同的气候顶极终点。除气候顶极外，还可有土壤顶极，地形顶极，火烧顶极，动物顶极等（Tansley，1954）。气候顶极多元定极学说生物群落干扰→群落的非平衡性由于干扰的作用，植被要达到稳定或平衡状态是不可能的。干扰在很大程度上决定了现代景观中绝大部分植被类型及其非平衡性。把干扰结合到演替过程中去认识，是当代演替理论的重大进展。自然干扰与人为干扰对演替的不同影响任何生态系统都在干扰状态下进行演替的。自然干扰成为生态演替不可缺少的动因。人为干扰与自然干扰的结果明显不同——生态演替在人为干预下可能加速、延缓、改变方向以至于向相反的方向进行。因此，作为生态恢复，人为干扰是必要的。限制性因子原理生态位原理主导生态因子原理生物多样性原理边缘效应原理三、恢复生态学遵循的基本生态学原理一、限制性因子原理生物的生存和繁殖依赖于各种生态因子的综合作用，限制生物生存和繁殖的关键性因子——限制因子。任何一种生态因子接近或超过生物的耐受范围→这种生物的限制性因子。Liebig（1840）最小因子定律。限制因子原理示意图Shelford耐性定律Shelford（1913）指出：生物的生存与繁殖，要依赖于某种综合环境因子的存在，只要其中一项因子的量（或质）不足或过多，超过了某种生物的耐性限度，则该物种就不能生存甚至灭绝。这一概念被称作Shelford耐性定律。两个定律对生态恢复的意义对退化生态系统恢复时物种的选择和生境的改良具有双重指导意义。极度退化生态系统恢复的初期均选择对生境忍耐区间很大的物种作为先锋种，并针对某些关键低量的生态因子或营养元素给予人工补偿。对于盐碱地、裸地、沙化土地的治理和改良时目标更加明确，重点更加突出。二、主导生态因子原理生态系统的动态发展受制于这个体系中的各个因子。在这些复杂的因子中，只有少数因子具有支配作用——主导生态因子，包括负向和正向两种——影响着生态系统演替、退化以及生态系统的恢复与重建。毛乌素沙地－基质的稳定内蒙古荒漠草原的恢复主导因子原理在生态恢复中的作用在生态系统恢复过程中，主导因子决定恢复的成败，也决定恢复的速度。例如：水土流失区极度退化生态系统的恢复与重建——第一步→控制水土流失（造成生态退化的主导因子）——第二步→恢复土壤的结构与肥力。在生态恢复进程中的各个阶段，主导因子不是一成不变的——生态恢复工作必须根据群落演替不同时期的特点，分阶段、有针对性地进行。黄土丘陵沟壑区三、生态位原理生态位主要指自然生态系统中一个种群在时间、空间上的位置及其与相关种群之间的功能关系。结合竞争排斥理论，将生态位的概念应用于自然生物群落，则有以下要点：（1）一个稳定的群落中占据了相同生态位的两个物种，其中一个种终究要灭亡；群落中不同植物根系分布图（2）一个稳定的群落中，由于各种群在群落中具有各自的生态位，种群间可避免直接的竞争，从而保证了群落的稳定；（3）由多个生态位分化的种群所组成的群落，要比单一种群组成的群落更能有效地利用环境资源，维持长期的、较高的生产力，因此具有更大的稳定性。生态位理论的实践意义生态恢复特别是构建高物种多样性的复合生态系统时，应该考虑各个物种在空间的生态位（水平方向、垂直方向和地下根系）分化及种间相互关系。生态位理论不仅是指导物种引种、配置的关键，而且，合理地运用生态位理论，可以构建出具有多样性种群的、稳定而高效的生态系统（如乔、灌、草的合理配置）。四、生物多样性原理生物多样性是“生命有机体及其赖以生存的生态综合体的多样性和变异性”。生物多样性可以从4个层次上去描述——遗传多样性、物种多样性、生态系统多样性和景观多样性。一般认为物种多样性是生态系统稳定与否的一个重要因子。物种多样性的作用复杂生态系统通常是最稳定的，它的主要特征之一就是生物组成种类繁多且均衡，食物网纵横交错。其中某个物种偶然增加或减少，其它种群就可以及时地抑制或补偿，从而保证系统具有很强的自组织能力。相反，退化生态系统恢复初期和人工生态系统生物种类比较单一，其稳定性往往很差。五、边缘效应原理(EdgeEffectPrinciple)边缘效应的定义为（王如松，1985）——在两个或多个不同性质的生态系统交互作用处，由于某些生态因子或系统属性的差异与协和作用，引起某些组分及行为的较大变化，称为边缘效应(EdgeEffect)。交错区或生态过度带（ecotone）就生物群落而言，在两个或多个群落的过渡区域（交错区或生态过度带，ecotone），每个群落都有向外扩散的趋势→交错区内的生物种类比与之相邻的群落要多，生产力也比较高。也就是说，与中心部分相比，生态系统的周界部分常常具有较高的物种丰富度和初极生产力。边缘种与内部种有些物种需要较稳定的生境条件，往往集中分布在系统或群落的中心部分——内部种；另一些物种则能适应多变的环境条件，生态幅较宽，主要分布在边缘部分——边缘种。边缘效应研究对自然保护区规划和设计的意义生态系统或群落的面积很小——内部与边缘的环境分异便不复存在——整个系统或群落就会全部被边缘种或对生境条件变化不敏感的物种所占据。边缘效应的研究——对于自然保护区中边缘区、缓冲区与核心区的规划建设具有重要意义。边缘效应对恢复生态学的实践意义一方面——以边缘效应的观测为参照→建立更加优化的生态系统类型；另一方面——交错区是生态系统与其“周边”联系的“通道”——恢复区可通过此通道与外界进行物种交换，以获取稳定的物种组成结构——提高生态系统的生物多样性和生产力。恢复生态学经常用到的生态学理论除了上述7个主要的生态学理论外，恢复生态学经常用到的生态学理论还包括——生态系统的热力学定律——通过能量生态学的研究来确定生态系统的能量流动特征；种群密度制约及分布格局原理——确定物种的空间配置型式和种植密度；生态适应性理论——乡土物种能更好地适应恢复区的环境→生态恢复的首选物种；物种共生原理——根据环境资源状况和物种的生物学、生态学特征→物种选择和时空配置。缀块—廊道—基底模式的景观生态学理论→生态系统空间结构、动态特征及配置模式。●●●●●●恢复生态学发展的新机遇：199910月1日，温家宝在甘肃民勤地区考察，指出“决不能让民勤绿洲成为罗布泊第二”。强调要进行生态重建。小结自我设计和人为设计理论恢复生态学的基础理论干扰理论演替理论恢复生态学的遵循的基本原理讨论的问题曾经在某所大学研究生中间进行过一场激烈的学术辩论。辩论题目是：环境学和生态学是不是科学？（因为，科学的基本特征是能通过某种手段可以被重复的事物规律）你有没有考虑过这样的问题？你持什么态度？你认为我们能有什么科学方法（或理念），解决好我们今天（或未来）面临的生态环境问题和生存发展的矛盾问题？成功运用生态学（环境学）原理的案例以及原因分析违背生态学（环境学）原理的人类活动造成的失败案例以及分析生态学（环境学）是伪科学的证据与原因分析基本要求每组为单元，按组完成组长召集全体成员，全体成员分工协作，集体完成PPT（15分钟）报告，纸质材料1份评分标准：内容充实度（认真度），撰写的水平（结构清晰、文字流畅），报告精彩度（图文、演说），分工协作合理度题目的确定（大家讨论）确定大纲（撰写报告的结构）数据收集（图片、表格、计算、实例）讨论编写PPT制作报告演说训练（大家改错）补充提交纸质作业（大家签名）