第六章：人类对自然生态系统的干扰与生态恢复

第六章人类对自然生态系统的干扰与生态恢复第一节干扰与干扰生态学第二节退化生态系统的类型及其成因第三节恢复生态学及其基本理论第六章人类对自然生态系统的干扰与生态恢复第一节干扰与干扰生态学一、干扰及其定义1．干扰的定义（1）“显著地改变系统正常格局的事件”Forman和Godron（1986）（2）“一个对个体或个体群产生的不连续的、间断的斩杀、位移或损害”Sousa(1984)（3）“景观基本表现单元的突然变化，并通过种群反映的明显改变而表述出来”。Bazzaz（4）“相对来说非连续的事件，它破坏生态系统、群落或种群的结构，改变资源、养分的有效性或者改变物理环境。”Pickett和White（1985）从生态因子角度考虑，干扰的定义是：群落外部不连续存在、间断发生的因子的突然作用或连续存在因子超“正常”范围的波动，这种作用或波动能引起有机体、种群或群落发生全部或部分明显变化，使其结构和功能受到损害或发生改变。干扰的定义2．干扰的特性及干扰体干扰体干扰的强度、作用频率、范围等特性在某一时间过程的总和被称为干扰体。(1)干扰范围指干扰体作用的空间范围的分布特点，它常与地理、地形和环境梯度有关系。(2)频率和周期指同一空间范围或同一组织水平内，单位时间某一干扰发生的次数。其倒数称为干扰周期，即某一干扰两次发生的时间间隔。(3)干扰强度干扰发生时，干扰因素所表达出的能力值。由于干扰因素的差异，这一特性的定量分析要视具体干扰类型来确定强度衡量的具体单位。时间尺度指干扰发生的具体时刻及其时间跨度，不同时间的干扰作用，会产生不同的干扰效果。干扰状况常用的概念及其含义（一）分布频度重发间隔周转期限预测性空间分布，包括与地理的、地形的、环境的以及群落梯度的关系。一个时间段内事件发生的平均次数。频度的倒数，两次扰动间的平均值。将整个研究区域扰动一遍所需的平均时间。重发间隔方差的反函数。干扰状况常用的概念及其含义（二）面积或大小强度值严重程度协同效应被扰动的面积。通常以有效面积的百分数给出。每次每单位面积上该事件的物理力。对有机体、群落或生态系统的影响。其他扰动对该事件的效应。3．干扰的类型不可抗拒的自然力的干扰作用，包括大气干扰、地质干扰和生物干扰等。区别于自然干扰的另一种主要干扰方式，是由于人类生产、生活和其他社会活动形成的干扰体对自然环境和生态系统施加的各种影响。自然干扰人为干扰人为干扰从伤害强度、作用范围、持续时间、发生频率、潜在危害、诱发性等都高于自然干扰。（1）按干扰动因划分为自然干扰和人为干扰（2）按干扰来源划分为内源干扰和外源干扰外源干扰的动因源于系统外部，它的影响与生态系统自身特点有关，干扰作用的利害也是多方面的。指由内源因子对系统发生的作用。如森林生态系统中，内源干扰主要包括树木的倾倒、机械摩擦、种间竞争和生物相克作用等。内源干扰外源干扰（3）按干扰性质划分为破坏性干扰和增益性干扰适度干扰可增加生态系统的生物多样性，而生物多样性的增加往往又有益于生态系统稳定性的提高。破坏性干扰增益性干扰多数自然干扰和人为干扰会导致生态系统正常结构的破坏、生态平衡的失调和生态功能的退化，有时侯甚至是毁灭的，如各种地质、气候灾害、森林的砍伐和长期的过度放牧等掠夺式经营。二、人为干扰的主要形式人为干扰具有广泛性、多变性、潜在性、协同性、累积和放大性等特征和性质1．对森林和对草原植被的砍伐与开垦2．污染3．采集4．采樵5．狩猎和捕捞三、干扰的生态学意义1．干扰有利于促进系统的演化2．干扰是维持生态系统平衡和稳定的因子干扰往往始于系统的局部，其作用是影响生态系统的时空异质性。环境异质性可增加物种的多样性，有利于系统的自然演化规律。经常处于变化环境中的物种要比稳定环境中生存的物种更可能忍受环境压力。不稳定生物群落常常具有较强的恢复力。3．干扰能调节生态关系干扰对生物群落中生物间各种生态关系的影响极其复杂的，也是多方面的。干扰斑块内种群遗传学上表现出差异，但这种差异与干扰发生的概率、种间相互作用的机制、作用结果的变化程度等存在的关系尚未弄清。四、干扰生态学及学科任务干扰生态学学科任务主要是：一方面通过对干扰类型、方式、强度、频率、时间等特性的研究，揭示不同干扰对生物个体、种群、群落和生态系统方式、机制及其退化的影响原因。另一方面是对干扰的性质及发展趋势做出科学预测，为受损生态系统修复、重建和科学管理提供理论依据。1.研究特定生态系统干扰因子类型、干扰状况和干扰体系，即干扰因子及其存在规律和发生行为。2.研究生物个体对干扰的适应行为及其机制。3.研究生态系统各组分对干扰的反映。4.研究干扰与生态系统的发展进化。5.研究干扰的生态学意义在生态管理中的应用。干扰生态学的基本研究内容可概括为：第二节退化生态系统的类型及其成因一、退化生态系统的定义及成因在一定的时空背景下，生态系统受自然因素、人为因素或二者共同干扰下，生态系统的某些要素或系统整体发生不利于生物和人类生存要求的量变和质变，系统的结构和功能发生与其原有的平衡状态或进化方向相反的位移。（一）退化生态系统的定义：包括自然干扰和人为干扰。人为干扰叠加在自然干扰之上，共同加速生态系统的退化。（二）生态系统退化的原因：自然干扰使生态系统返回到生态演替的早期状态。但火山爆发、洪水等剧变或突变会导致生态系统的彻底毁坏。人为干扰可直接或间接地加速、减缓和改变生态系统退化的方向与过程。某些干扰对生态系统或环境会形成静态或动态压力。可直接破坏或毁灭环境和生态系统中的某些组分，造成系统资源短缺和某些生态学过程或生态链的断裂，导致整个生态系统的崩溃。干扰的类型、强度和频度决定着生态系统退化的方向与程度。（三）生态系统退化的机理：二、退化生态系统的类型裸地或称为光板地，其成因通常是极端的环境条件。可分为原生裸地和次生裸地。1．裸地森林采伐迹地是人为干扰形成的退化类型，其退化状态随采伐强度和频度而异。2．森林采伐迹地弃耕地是人类原始农耕方式而造成的一种退化类型。3．弃耕地沙漠是指一些干旱地区，由于人为干扰所出现的沙漠化或原沙漠化区向非沙漠区的推进。荒漠化是指在干旱、半干旱地区和一些半湿润地区，生态环境遭到破坏，造成土地生产力衰退或丧失而形成荒漠或类似荒漠的过程。4．沙漠及荒漠化采矿废弃地是指因采矿活动被破坏、不经治理而无法使用的土地。5．采矿废弃地垃圾堆放场或堆埋场，主要是家庭、城市、工业等垃圾或遗弃废物堆积的地方。6．垃圾堆放场主要是来自未经处理的生活和工业污水，直接排放到自然水域中的人为干扰。7．污染的水域三、退化生态系统的特征较强因子干扰常使原有植物群落结构发生重大变化。1．种类组成变化2．结构变化3．生物生产力的变化退化生态系统中的植物物种组成常有很大变化。这种变化贯穿于群落演替的全过程。受损生态系统物种组成和群落结构变化，导致能流与物流的改变。生物生产力下降。5．生物之间生态关系的变化4．土壤和小环境的变化最本质和最深刻的变化是生态系统内部生物之间生态关系的变动，包括动物与动物，动物与植物，植物与植物以及与微生物之间的关系。植被的变化影响是多方面的，而最直接和最主要的就是对土壤和小环境的作用和改变。四、中国退化生态系统的现状我国退化生态系统占国土总面积的比例较大。中国地处中纬度地区，南北跨纬度49度，东西跨经度62度，地形多样，气候复杂，从农业生产和资源的角度看，表现为东部适农西部宜牧，南方水丰北方干旱，山地平川农林互补。中国各类资源的人均值低于世界平均水平，人均土地面积为世界1／3，森林资源为1／6，草地资源为1／3，耕地资源为1／3。我国是全世界人均资源缺乏的国家之一。生态系统类型总面积/106hm2退化面积/106hm2比例/%农田1402820草地40013233林地165.231.225荒漠0.130——淡水0.7430.24532废弃矿地2——1995年中国退化的主要生态系统类型及其面积五、中国脆弱生态系统脆弱生态系统是指自身稳定性差、对外界干扰抵抗能力低的生态系统。有三种内涵：其一：脆弱生态系统的正常功能一旦被打乱，常发生不可逆变化而失去恢复的能力；其二：生态系统发生的变化常常是深刻和全面的；其三：生态系统退化后的恢复是比较困难的。我国生态系统分布范围广、面积较大。据赵跃龙（1999）统计，我国脆弱生态系统的面积为194万km2，超过国土总面积的1/5。它们又可分为：西南山地和青藏高原区北方半干旱一半湿润区西北干旱脆弱区华北平原区南方丘陵区西南石灰岩山地北方半干旱一半湿润区（如黄土高原，其土壤风蚀沙化严重、水土流失严重、土壤盐渍化、自然灾害频繁）西北干旱脆弱区（如新疆等，干旱缺水、风沙化严重、土壤盐碱化、山地植被稀少、草原严重退化）华北平原区（如河北，冬春干旱、盐碱内涝严重、风沙和自然灾害频繁）南方丘陵区（如湖南等，水土流失较严重）西南石灰岩山地（如泉州，土层薄、肥力低、保水性能差）西南山地和青藏高原区（如西藏等，极端的气候条件）第三节恢复生态学及其基本理论一、恢复生态学1．恢复生态学的学科任务及与其他学科的关系致力于研究自然灾变和人类活动压力条件下，受到破坏的自然生态景观的恢复和重建问题。学科任务①生态系统结构、功能以及生态系统内在的生态学过程与相互作用机制；②生态系统的稳定性、多样性、抗逆力、生产力、恢复力与可持续性研究；③先锋群落与顶极群落的发生、发展机理与演替规律研究；④不同干扰条件下生态系统的受损过程及其响应机制研究；⑤生态系统退化诊断及其评价指标体系研究；⑥生态系统退化过程的动态监测、模拟、预警及预测研究。研究内容可以包括在不可能或不需要再现原貌的情况下营造一个不完全雷同于过去的甚至是全新的自然生态系统。恢复重建恢复生态学可概括为生态系统恢复和重建：指原貌或原先功能的再现。①退化生态系统恢复与重建的关键技术体系研究；②生态系统结构与功能的优化配置及其调控技术研究；③物种与生物多样性的恢复与维持技术；④生态工程设计与实施技术；⑤环境规划与景观生态规划技术；⑥典型退化生态系统恢复的优化模式试验示范与推广研究。应用技术研究的内容主要包括：生态遗传学、种群生态学、群落生态学、生态系统生态学、景观生态学等。相关学科生态学内的分支：生态学相关学科：地理学、地质学、土壤学、环境化学、工程学，经济学。2．恢复生态学的研究进展1996年在北京召开的生态恢复国际会议主题之一就是“退化生态系统的生态恢复”1985年，Aber和Jordan首次提出了“恢复生态学”这个科学概念后，恢复生态学的研究得到了迅速的发展，国际社会及各国都相继开展了有关恢复生态学的研究。1996年在美国召开了恢复生态学国际会议，标志着恢复生态学的研究和实践已步入了新的阶段。（1）生态系统恢复的不可确定性。（2）生态系统恢复要求综合考虑生态、经济和社会因素，但对时间、空间上存在异质性的生态系统而言，很难恢复到理想状态，在有持续干扰情况下尤其如此；（3）由于生态系统的复杂性，对生态系统退化程度和干扰因子很难概括出一些易测定、又能反映实质的具体指标；制约学科发展的重要理论和实践问题（一）（4）生态系统恢复和群落的自然演替是一个动态的过程，在研究实践中，对两者的区分常常很困难；（5）生态系统恢复的时间需要进行可重复的和长期的试验及观测，短时间尺度的研究不能准确回答这个问题；（6）生态系统恢复的机理还不清楚，尤其是重新引进当地消失的物种在恢复中的作用与角色还难以正确判断。制约学科发展的重要理论和实践问题（二）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。余作岳等（1996）3．恢复生态学中涉及的几个重要概念生态恢复重建改良去除干扰并使生态系统恢复原有的利用方式。改善环境条件使原有的生物生存，一般指原有景观彻底破坏后的恢复。改进修补更新再植重建改良改进修补更新再植指对原有的受损系统进行重新的修复，以使系统某些结构与功能得以提高。即修复部分受损的结构。指生态系统发育即向新的水平或层次的演替。即恢复生态系统的部分结构和功能，或恢复当地先前土地利用方式。二、恢复生态学的基本理论1．自我与人为设计理论只要有足够的时