资源过程的生态学原理.ppt

,一、地球表面圈层的组成大气圈水圈生物圈土壤圈岩石圈,大气圈的分层-热成层：热成层位于中间层顶以上，有称增温层或电离层，温度随高度增加急剧上升，直至100km高度。该层空气分子在各种射线作用下大都发生电离，成为原子、离子和自由电子，电离层之名因此而得。,大气圈的分层-逸散层：逸散层位于热成层之上，也称外大气层，是大气圈的最外层，大约延伸至800km的高度。这里大气极其稀薄，地心引力微弱，大气质点之间鲜有碰撞。有些运动速度较快的质点完全摆脱地球引力而逸入宇宙空间。,土壤圈,土壤是地球陆地上能供植物生长与繁殖的疏松表层。除了江河湖海等水体和两极冰盖与高山冰川覆盖的地区以外，几乎都有土壤存在。各种土壤在地球表面形成一个断续分布的圈层，覆盖于岩石圈之上，其厚度由几厘米至几米不等。,六、生物圈,生物圈是地球上最大的生态系统，包括从海平面以下10km到海平面以上9km的范围。生态系统内部不断进行着物质、能量和信息的交换和循环。历经30亿年的发展历程。,30亿年前出现原始细菌开始，20亿年前出现了能进行光合作用的固氮生物，约16亿年前形成了含氧气的大气圈。7亿年前出现了多细胞生物。5亿年前出现无脊椎动物。2亿年前出现哺乳类动物。在这漫长的历史长河中，由于地壳的变化、气候的变异和其他种种原因，有些物种消亡了，新的物种产生了，形成了今天五彩缤纷的生物圈。,二、生物圈与资源分布生物圈是地球上有生命的部分，即动物、植物、微生物以及他们所生存的环境。生物圈由大气圈、水圈、土壤圈、岩石圈几个圈层的交界界面组成。生物圈中分布着人类需要的各种自然资源。生物圈中的自然资源是发展农业生产的重要物质基础。生物圈中资源的地理分布具有地带性、区域性和不平衡性。,第二节 生态系统理论,一、生态学基础生态学（Ecology）是研究生物与其环境之间相互关系的科学。生态学是研究生物的形态、生理和行为上的适应性的科学（前苏联-克什卡洛夫（，1945）。生态学是研究有机体的分布和多度的科学。（澳大利亚-安德列沃斯（Andrewartha,1954）生态学是研究决定有机体的分布与多度的相互作用的科学。（加拿大克雷伯斯（Krebs,1972,1978,1985）生态学是研究生态系统的结构与功能的科学美国-奥德姆（Odum,E.,1959,1971）（生态学基础Fundamentals of Ecology,1971）生态学是研究生命系统和环境系统相互关系的科学（马世骏，1980）,二、生态系统,1、生态系统的基本概念 在一定的时空范围内，生物群落与其环境之间通过不断的物质循环与能量流动形成的相互依赖、相互作用、相互制约的统一整体，构成一个生态学的功能单位。1935年，英国植物学家坦斯利（Tansley）首先提出了生态系统的概念。1942年经过林德曼的继承和发展，奠定了稳定的基础。二十世纪六十年代得到进一步发展，目前已成为大家所普遍接受的理论。,2、生态系统的组成成分 生态系统由生命成分和非生命成分组成：,生态系统基本组成成分,生命成分(1）生产者：生产者是能以简单的无机物制造有机物的自养生物，并固定能量。(2）消费者：直接或间接依赖于生产者所制造的有机物质。属于异养生物。按营养方式，消费者可划分为：食草动物（一级消费者）：以植物体为营养的动物。食肉动物（二级消费者）：以食草动物为食者。大型/顶级食肉动物（三级消费者）：以食肉动物为食者。(3）分解者：异养生物，把复杂有机物分解为生产者能重新利用的简单化合物，并释放出能量。,(4）非生物环境：能量因素（热能、核能、机械能、风能、潮汐能、海浪能等）、物质因素（无机元素和化合物：C、N、K、CO2）、有机物（蛋白质，脂肪，碳水化合物、腐殖质）、气候因素（温度，水等）。,生态系统的结构：是指生态系统中生物和非生物的诸要素在时间、空间和功能上分化与配置而形成的各种有序的系统。生态系统的结构包括物种结构、营养结构、时空结构和层级结构。,3、生态系统的结构,（1）生态系统的物种结构 指根据各生物物种在生态系统中所起的作用和地位分化不同而划分的生物成员型结构。在生态系统中，优势种、建群种、伴生种、偶见种、关键种和冗余种对系统结构和功能的稳定性具有重要的意义。,(2)生态系统的营养结构 指生态系统中各种生物成分之间或生态系统中各生态功能群生产者、消费者和分解者之间通过吃与被吃的食物关系以营养为组带一次连接而成食物链网结构以及营养物质在食物链网中不同环节的组配结构。,营养级 把具有相同营养方式和食性的生物归为同一营养层次，并把食物链中的每一个营养层次称为营养级。营养级就是处于食物链某一环节上的所有生物的总和，可以反映处于某一营养层次上的一类生物和另一营养层次上的另一类生物之间的关系。,（3）生态系统的时空结构 指生态系统中组成要素或其亚系统在时间或空间上的分化与配置所形成的结构。（4）生态系统的层级结构 认为任何系统都处于一定的层级，并具有一定的时间和空间尺度。一个复杂的系统由相互关联的若干亚系统组成，各亚系统又是由各自的许多亚系统组成。,4、生态系统的功能物质循环能量流动信息传递,物质循环物质循环的相关概念 生物地化循环(biogeochemical cycle)：矿物元素在生态系统之间的输入和输出，它们在大气圈、水圈、岩圈之间以及生物间的流动和交换称生物地(球)化(学)循环，即物质循环(cycling of material)。物质循环就是生物地球化学循环。各种无机物从环境中被生产者吸收，再进入消费者，各种有机物最终经过分解或无机物返回环境中，无机物被生产者重新利用吸收又变成有机物，周而复始，无穷无尽的过程，成为物质循环。,生物地化循环的类型水循环：液态循环(以水的形式进行，这种循环具有局限性，但没有液态循环就没有生命）。气相型循环：气态循环（它把大气和海洋联系起来，具有全球性）。沉积型循环：固态循环（主要存在于岩石圈和土壤圈中，由于风化作用使岩石本身分解出物质参与生态系统循环）。,能量流动,1、生态系统能量流动规律-热力学定律第一定律：能量守恒定律，能量可由一种形式转化为其他形式的能量，能量既不能消灭，又不能凭空创造。第二定律：熵律，任何形式的能（除了热）转化到另一种形式能的自发转换中，不可能100被利用，总有一些能量作为热的形式被耗散出去，熵就增加了。,生态系统中能流特点：能流是单向流动，均态分散；能量在生态系统内流动的过程，是能量不断递减的过程，能量转化效率符合“百分之十”定律；能量在流动过程，是一个热的利用和耗损过程，符合热力学第一和第二定律。,能量流动的生态效率生态效率（ecological efficiencies）:是指各种能流参数中的任何一个参数在营养级之间或营养级内部的比值关系。同化效率(assimilation efficiency,AE):衡量生态系统中有机体或营养级利用能量和食物的效率。AE=An/In,An为植物固定的能量或动物吸收同化的食物，In为植物吸收的能或动物摄取的食物。生长效率(growth efficiency,GE):同一个营养级的净生产量（Pn）与同化量（An）的比值。GEPnAn。,生态系统中能量流动的途径沿牧食食物链进行传递：能量沿草牧链各营养级进行在分配，每一营养级将上一级转换来的能量分为固定（构成各级动物有机体组织）、耗损（生活代谢过程中所消耗的能量）和还原三大部分。沿腐食食物链传递：微生物等的分解。矿化和储存过程：粮食的储存，矿化化石燃料。牧食食物链和腐食食物链是生态系统能流的主要渠道。,信息传递物理信息：物理信息有两种作用：一是起着组分内与组分间及各种行为的调节作用，如鸟类的鸣叫、蝴蝶的飞舞、植物的颜色，某些动物的颜色和形态有吸引异性、种间识别、威吓和警告的作用；二是起着限制生命有机体行为的作用，如光强度、温度、湿度等物理信息都对生态系统中生物的生存产生或大或小的影响。,苔原生态系统,常绿落叶阔叶混交林生态系统,5、生态系统的类型,湿地生态系统的功能：天然的基因库；潜在资源；净化功能；气候和水文调节等功能。,重点！,6、生态平衡生态平衡的概念生态平衡：在任何一个正常的生态系统中，物质循环和能量流动总是不断地进行着，但在一定时期内，生产者、消费者、分解者以及环境之间保持着一种相对的平衡状态。在平衡的生态系统中，平衡还表现为生物的种类和数量的相对平衡稳定，系统的物质循环和能量流动在较长时间里保持稳定。生态平衡的三个基本要素是系统结构的优化与稳定性、能流和物流的收支平衡以及自我修复和自我调节能力的保持。,衡量一个生态系统是否处于生态平衡状态，其具体内容为：时空结构上的有序性。能流、物流的收支平衡。系统自我修复、调节功能的保持，抗逆、抗干扰、缓冲能力强。,生态平衡的调节机制反馈机制 当生态系统中某一成分发生变化时，必然会引起其他成分出现一系列相应的变化，这些变化反过来影响起初发生变化的成分。生态系统这种作用过程称为反馈。生态系统的反馈机制可分为正反馈与负反馈。负反馈是指生态系统中某一成分变化所引起的其他一系列变化，反过来抑制最初引发变化的那种成分发生变化的作用过程。,生态平衡的生态学规律 1、相互制约与相互依赖规律 2、物质循环转化与再生规律 3、物质的输入与输出平衡规律 4、相互适应与协同进化规律 5、环境资源的有效极限规律 以上五条生态学规律，也是生态平衡的基础。生态平衡以及生态系统的结构与功能，又与人类当前面临的人口、粮食、能源和环境五大问题密切相关，解决这些问题正是环境生态学的主要任务之一。,第三节 资源开发利用对生态系统的影响,一、退化生态系统类型及与资源开发利用的关系1、退化生态系统的定义及类型退化生态系统是一类“病态”生态系统，它是指在一定的时空背景下，生态系统受自然因素、人为因素或二者的共同干扰下，使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。具体表现为生态系统的基本结构和固有功能的破坏或丧失、生物多样性下降、稳定性和抗逆能力减弱及生产力下降，故又称为“受害或受损”生态系统。,常见的退化生态系统类型有以下六种：裸地森林采伐迹地弃耕地沙漠化地采矿废弃地垃圾堆放场,（1）裸地 概念：没有植物生长的裸露地面，是群落形成、发育和演替的最初条件和场所。裸地亦称芜原（barren），过去从未生长过植物的称为“原生芜原”；原来有植物生长，后经破坏而形成的称为“次生芜原”。,裸地的成因裸地形成的原因的多种多样：干旱、严寒、大风、暴雪等恶劣气候；洪水对土地的侵蚀和在另一个地却又使泥沙沉积，以及大风刮起沙土而后堆积，重力下塌（山坡滑塌）等等地形变迁。但是规模最大和方式最为多样的，是人为的活动。,裸地的类型：原生裸地：从来没有植被覆盖的地段（冰川移动，流水沉积等所形成的裸地），或者是原来存在过植被，但被彻底消灭了，包括原有植被下的土壤条件全部不存在了。次生裸地：原有群落虽然被消灭，但群落下的土壤条件还多少保留着，甚至土壤中还保存着原有群落中某些植物种类的繁殖体。,（2）森林采伐迹地 指森林中经采伐后尚未长起新林的土地。是人为干扰形成的退化类型。以东北地区面积最大，黑龙江省采伐迹地面积最多。其次是中南地区。据第五次(19941998年)森林资源清查数据显示，全国采伐迹地面积为25 060亿公顷，占林地总面积的4.39%；第七次（20042008年）全国森林资源清查结果显示，全国天然林采伐量下降，人工林采伐量上升，占全国森林采伐量的39.44%，上升12.27%。采伐后，对迹地要因地制宜地进行更新，以尽快恢复森林植被，防止因地表长期裸露造成水土流失而导致土地退化。,七个森林大国中，巴西、中国、印尼和刚果（金）的森林面积每年以0.1%1%的速度递减。俄罗斯、加拿大和美国以每年0.1%0.3%递增。中国现有林用地2.6亿hm2，森林覆盖率仅为13.92%，在十大自然资源中，森林资源最为短缺，人均占有森林面积仅相当于世界平均水平的11.7%。20世纪50年代初期，海南岛森林面积为25.7%，现在只有7.25%；西双版纳为55.5%，现在只有28%。50年来，长江上游的森林已损毁过半。,（3）弃耕地弃耕地是人类原始农耕方式而造成的一种退化类型。弃耕地就是放弃耕种的土地。当耕地被废弃后，农作物将逐渐消失，杂草等开始出现。最初出现的植物是该地区植物区系中典型的一年生杂草，不久二年生杂草加入，然后是多年生草本，特别是禾本科杂草。以后是阳性或旱生灌木型群落、乔木群落，以致耐阴的乔木群落重新侵占。弃耕地的演替最后阶段并不是都为森林，这要取决于地区的气候和破坏的周期性。,（4）沙漠及荒漠化沙漠由自然干扰或人为干扰而形成。沙漠，是指在人为干扰下，原来非沙漠的土地沙漠化的现象，主要是指一些干旱地区，由于人为干扰所出现的沙漠化或原沙漠区向非沙漠区的推进。所谓荒漠化，则是指在干旱、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的过程。我国已成为世界荒漠化面积最大、分布最广、受害最严重的国家之一。荒漠化土地面积超过10亿hm2，占国土地总面积近1/3。,（5）采矿废弃地 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。主要分为四种类型：（1）由剥离表土、开采的废石及低品位矿石堆积所形成的废石堆废弃地；（2）随着矿物的开采而形成的大量采空区域，即开采坑形式的废弃地；（3）由各种分选方法选出精矿后的剩余物的排放而形成的尾矿渣废弃地；（4）开采石料而形成的采石矿废弃地。,（6）垃圾堆放场 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，对生态环境的影响不仅仅是对耕地的占用，更为严重的是对生活环境的污染，包括对大气、地下水等的污染。,根据生态系统的层次与尺度，章家恩（1999）把退化生态系统划分为：局部退化生态系统中尺度退化生态系统全球退化生化系统,2、退化生态系统形成的原因生态系统退化的直接原因是干扰.自然因素人为类活动生态系统退化程度的根本原因是干扰的强度和频度。,二、退化生态系统的生态恢复1、裸地的生态恢复2、森林采伐迹地的生态恢复3、弃耕地的生态恢复4、荒漠化的生态恢复5、采矿废弃地和垃圾堆放场生态恢复,一、景观与景观生态学“景观”的三种理解：视觉美学：在欧洲，“景观”一词最早来源于圣经中，用来描述耶路撒冷城美丽的景画。与“风景”同意。例“黄山”、“泰山”、“苏州园林”。地理学：景观作为地球表面气候、土壤、地貌、生物各种成分的综合体，类似于生物群落。景观生态学：空间上相邻、功能上相关、发生上有一定特点的生态系统的聚合。,生态学通过两种途径使用景观这一概念：,直觉地将景观看作基于人类范畴基础之上的特定区域，景观的尺度是数平方公里到数百平方公里；将景观看作代表任一尺度空间异质性的抽象概念，这样的景观在空间上近似于生态系统。,生态学中景观的特征：,景观是由不同空间单元镶嵌组成，具有异质性；景观是具有明显形态特征与功能联系的地理实体，其结构与功能具有相关性和地域性；景观既是生物的栖息地，更是人类的生存环境；景观是处于生态系统之上，区域之下的中间尺度，具有尺度性；景观具有经济、生态和文化的多重价值，表现为综合性。,景观与土地的关系：景观是指土地的具体一部分，与土地不仅有着外延上的从属关系，而且景观更代表了一种较为精细的尺度涵义，强调景观供人类观赏的美学价值和景观作为复杂生命组织整体的生态价值及其带给人类的长期效益，具有更大的内涵；土地则侧重于社会经济属性，主要关注土地的肥力、土地的产权关系、土地的经济价值等。,景观与环境的关系：环境是指环绕人类周围的客观事物的整体，包括自然因素和社会因素，它们既可以实体形式存在，也可以非实体的形式存在；而景观则指构成我们周围环境的实体部分，它不是环境中所有要素的全部，也不是它们简单相加而组成的整体，而是它们综合作用的产物。,景观生态学,景观生态学：研究景观单元的类型组成、空间格局及其与生态学过程相互作用的一门综合性学科。其核心是空间格局、生态过程及其相互作用。景观生态学是一门新兴的多学科之间交叉的学科，其主体是地理学与生态学之间的交叉；它强调异质性，重视尺度性，高度综合性；具有景观综合、空间结构、宏观动态、区域建设、应用实践等几个主要的特点。,二、景观生态学在资源保护与管理中的应用1、自然生态保护自然保护区设计中景观生态学原理景观结构与功能原理景观异质性理论景观格局理论景观等级尺度理论干扰理论景观稳定性原理岛屿生物地理学理论,2、土地资源开发与保护3、自然资源管理4、全球变化,景观变化在全球气候变化中的作用,森林景观的变化对全球气候变化的影响森林景观的破坏森林植被中的碳直接释放到大气中。造成土壤碳库的大量损失而进入大气中。引起洪水泛滥，增加湿地景观，从而增加了甲烷的排放源。改变全球水循环及地表反射率等，直接引起气候变化。森林景观的重建,湿地景观的变化对全球气候变化的影响湿地的萎缩，减少了甲烷的排放源。湿地的减少，改变了土壤性质，加速了土壤有机碳的分解，使土壤中的有机碳以二氧化碳的形式大量释放到大气中。,农业景观的变化对全球气候变化的影响农业景观的增加，导致原景观中的碳库大量损失，并以CO2、CH4等形式排放到大气中。农业生产中大量使用化肥和有机肥，使大量CO2、CH4、N2O等温室气体排放到大气中。人工湿地的增加，也增加了温室气体的排放。种植园、草地和农业撂荒地等景观类型的增加，可减缓CO2等温室气体的排放。农业用水的增加，改变了陆地水循环模式，从而影响陆地水分的分布状况。农业景观的变化，改变了地表反射率而影响能量的分配,荒漠景观的变化对全球气候变化的影响荒漠景观的增加，使原有景观类型中的大量碳库丧失，并以CO2等形式排放到大气中。荒漠景观的扩展改变了地表反射率，导致大气中能量的重新分配。荒漠化的发展，增强了土壤蒸散作用，从而影响大气含水量和水循环。荒漠化的发展，使大气中尘埃等固体微粒的含量增加，减少了到达地面的太阳辐射。,城市景观的发展对全球气候变化的影响城市的发展不断侵吞周边的土地，使耕地资源不断减少。城市的道路和建筑物，增加了地表反射率，造成局地增温效应（城市热岛效应）。城市中大量化石燃料等能源的输入和使用，释放出大量温室气体和其他大气污染物，对局域和全球气候产生影响。城市景观中输出的固体废弃物不仅直接影响到景观，而且也是大气中CH4的主要来源之一。城市中大量污水的输出对周围景观产生影响，造成土壤退化；而且也向大气中释放出大量的CH4。,景观对全球气候变化的响应,气候变化对景观的影响海平面上升对海岸景观的影响影响或淹没沿海低地景观地下水位上升，导致土壤盐渍化而使土地退化海水倒灌与洪水加剧风暴加剧影响岛屿景观景观单元中物种流对全球气候变化的反应随着全球气候变暖的不断加剧，物种会向两极或高海拔地区迁移，在此过程中，将导致大量物种的灭绝。,海平面上升的原因及其后果,森林景观对森林生产力的影响一般认为，CO2浓度的升高对森林生产力和生物量的增加在短期内能起到促进作用，但不能保证其长期持续地增加。对森林生态系统结构和物种组成的影响通过温度胁迫、水分胁迫、物候的变化、日长和光强的变化等途径，使森林生态系统中的一些物种消失，一些物种侵入，导致森林生态系统结构和物种组成的变化。对物种和森林分布的影响随着全球气候的变化，森林类型的分布将发生大范围的转移。极端灾害的增加对森林景观将造成严重的威胁。,