生态系统恢复目标.ppt

第四章 退化生态系统的恢复,恢复生态学的研究对象是退化生态系统，退化生态系统的恢复涉及到许多方面，有恢复的目标、原则、方法、过程、机理等等。生态恢复的最本质问题是恢复生态系统的必要功能并使之具有系统自我维持能力。,生态恢复的主要目标是恢复生态系统的结构和功能,生态恢复重点强调生态系统结构和功能的恢复，也同时强调生态系统组分的所有生物因素。在生态系统中，生物有机体的配置既能从物种组成的格局和结构上加以确认，也能从生态系统的功能特征上加以识别，如：初级生产者、食草动物、食肉动物、分解者、固氮者、传粉者等。生物组分往往指食物网或营养级结构，食物网结构与生态系统稳定性的关系是决定生态系统是否稳定和平衡的基础，是生态系统研究中最核心的问题，也是恢复生态学需要了解的基本问题。,这是一只在黄河口地区极为少见的国家二级保护动物，学名为白腹山雕，双翼展开后约1米。该鸟在黄河口出现，说明湿地生态的恢复和猛禽食物链的形成已呈良好状态。,内蒙古野生动物生态链逐渐恢复,近年来，内蒙古实施围封转移、封山育林、禁牧还草等多项大型生态工程，随着生态状况日益好转，大批狼、鹿、狐狸、鹰等野生动物又出现在草原山地，野生动物自然形态的生态链逐渐开始恢复。,在内蒙古西部阿拉善盟草原上生活的的野生跳鼠,内蒙古呼伦贝尔草原上翩翩起舞的野鹤,蒙古锡林郭勒草原上的野鹰在捕捉老鼠(2004),内蒙古锡林郭勒草原上的野生狐狸,内蒙古锡林郭勒草原上的野生蜥蜴（2004年9月）,内蒙古西部阿拉善盟贺兰山下的野生马鹿,内蒙古呼伦贝尔草原上生活的野狼,杭州湿地保护显效“一曲溪流一曲烟”重现,4.1 生态恢复的目标与模式,广义的恢复目标是通过修复生态系统功能并补充生物组分，而使受损生态系统回到一个更自然的条件下，理想的恢复应同时满足区域和地方的目标。Hobbs和Norton(1996)认为恢复退化生态系统的目标包括：建立合理的内容组成(种类丰富度及多度)、结构(植被和土壤的垂直结构)、格局(生态系统成分的水平安排)、异质性(各组分由多个变量组成)、功能(诸如水、能量、物质流动等基本生态过程的表现)。,4.1.1 生态恢复的目标,开展生态恢复工程的目标（章家恩和徐琪，1999）：恢复诸如废弃矿地等极度退化的生境；提高退化土地的生产力；在被保护的景观内去除干扰以加强保护；对现有生态系统进行合理利用和保护，维护其服务功能。,4.1.1 生态恢复的目标,由于生态系统具有复杂性和动态性，虽然恢复生态学强调对受损生态系统进行恢复，但恢复生态学：首要目标：保护自然生态系统，发挥其在生态恢复中具有重要的参考价值；2.恢复现有的退化生态系统，尤其是与人类关系密切的生态系统；3.对现有的生态系统进行合理管理，避免退化；保持区域文化的可持续发展；4.实现景观层次的整合性，保持生物多样性及良好的生态环境。,总之，根据不同的社会、经济、文化与生活需要，人们往往会对不同的退化生态系统制定不同水平的恢复目标。,无论对什么类型的退化生态系统，都存在一些基本的恢复目标或要求：实现生态系统的地表基底稳定性，保证生态系统的持续演替与发展；恢复植被和土壤，保证一定的植被覆盖率和土壤肥力；增加种类组成和生物多样性；实现生物群落的恢复，提高生态系统的生产力和自我维持力；减少或控制环境污染；增加视觉和美学效果。,一般情况下，对于一个特殊的生态恢复项目来说，其目标包含两层含义，一是将其恢复到接近于受损前的结构和功能，另外，也可以重建一个在相应恢复地点以前没有存在过的生态系统。显然，由于人类干扰的极度破坏，目前的绝大多数恢复项目在制定目标时，要恢复当地原生的生态系统已经难上加难，且不现实，而重建接近于或类似于地带性的生态系统则更具有可操作性。例如：对于废弃的耕作地，在漫长的人类开发历史中，大量的施肥措施已经导致土壤养分含量大大升高，而如果要将其恢复为野生自然条件下的原生生态系统几乎是难以完成的。在目前的地球上，由于农业活动导致的土壤养分含量增加，大气中不断增加的氮沉降等影响，即使由于水土流失等原因而使地表土壤大量流失，但仍然导致了越来越多的高生产力生态系统，如富营养化的水体、氮沉降（氮施肥）的森林等。,因此，恢复生态学在考虑生态恢复的概念、方法和恢复目标时，必须考虑当代的时代和环境背景。Higgs(1997)强调，好的生态恢复应该扩大视野，要将历史、社会、文化、政治、美学和道德等因素都纳入生态恢复的考虑范围内。实际上，在确定生态恢复目标时，我们往往会利用历史资料来判断生态系统以前的状态(例如：历史记录、书籍、图片甚至古地质资料等)，但这种代价一般都非常大，体现在两个方面，第一，我们的祖先也和我们大多数一样，没有给我们留下比较完整的自然历史档案，我们要么只能从零散的文献片断中寻找到蛛丝马迹，要么只能借用先进的科学技术通过考古来获取信息；第二，即使我们找到了资料，确定了当地原生生态系统的类型和特征，但历史的长河早已将其面貌荡涤的无影无踪，虽然恢复其本来面目价值极高，但代价是巨大的。由此可见，生态恢复科学家在研究生态恢复过程中，应该尽可能收集所研究景观内的历史、社会和人类的发展过程资料，这些资料对制定恰当合理的恢复目标，以及制定合理有效的恢复路径，以及相应的技术措施等均是必要的。,Ehrenfeld(2000)从物种、生态系统功能和生态系统服务三个方面对生态恢复目标的相对优缺点进行了归纳整理，这三个方面的主要内容如下：（1）物种 当利用物种水平作为恢复目标来设计恢复方案时，通常会运用以下几个指标：关键种(keystone species)：这些种类往往与生态系统的特殊功能有关，如光合能力，提供土壤动物和相关植物的栖息地；濒危种(endangered species)：虽然对这些种类的功能有些泛化，但最为恢复目标仍然是必要的；功能团(assemblages)：与生态系统的总体功能相联系。以物种作为恢复目标的优点在于，能够在当地或全球尺度上挽救那些特殊的濒临灭绝的物种，但其缺点也显而易见，即：由于忽视了景观和生态系统总体，因此会产生长期的不利后果，如过分强调某一个物种或某一组物种，从而对其他物种产生不可逆转的环境压力，并最终导致那些物种种群的消退（引入外来种，桉树）。,（2）生态系统功能 利用生态系统功能作为恢复目标来设计恢复方案，可以具体设计生态系统的不同结构组分，并将其有效联系起来而更有效的运转。在设计时，主要考虑以下组分和过程：物质和能量流动：例如系统内各组分内和各组分间，以及系统间的物质能量转化率和库动态等；生物组分：生物量，物种组成，营养级，养分库等；非生物因素：例如养分库和养分循环中的活性等；生态系统架构：如物质要素的发展和系统各组分的分布格局等。这个方法在制定生态系统恢复目标是被鼓励的。其缺点主要有：第一，生态系统稳定性和生物多样性的关系仍然不明确；第二，生态系统边界通常难以界定，但通常可以通过小流域的方法解决此问题。,（3）生态系统服务,生态系统服务其实与上面所列举的四项生态系统功能，以及物种水平的恢复目标是密切联系的。由于生物多样性在评价生态恢复方面的局限性，因此，随之产生了生态系统服务评价方法。生态系统评价是社会（政府、公众和研究者）需要对生态恢复的效果进行评估的背景下产生的，最重要的目的是对全球的生态系统服务功能进行评估，主要包括经济评价和生态评价两方面。,（3）生态系统服务评价,A.经济评价经济评价的前提是能够用货币衡量生态系统功能、提供商品和服务的价值，从而能够用成本-效益理论分析生态系统的收支状况。因而，Dabbert et al.(1998)提出了以下四种生态系统所能提供的价值：a.直接价值：例如提供地下饮用水等；b.间接价值：如净化空气，降解污染物等；c.选择价值：如提供娱乐等；d.非使用价值：是指生态系统的固有的存在价值，如物种的生存，种群的维持等。在利用经典经济术语评价以上四种价值时，其困难程度从上到下依次增大，直接价值比较容易能够通过经济价值进行衡量，而非使用价值则很难用货币来度量。为了解决这一问题，经济学家们一般采取所谓的“支付意愿”(willingness-to-pay)的方法来度量这些难以直接用货币定量的这些指标，如：环境条件优越地点的房价高于环境差的地方。,（3）生态系统评价,B.生态评价 近年来，对生态系统性质和功能的生态评价有多种形式，最典型的有生态足迹(ecological footprint)和生态系统健康等。生态足迹产生于上世纪末，或称生态空间占用，最早是由加拿大生态经济学家William Rees等在1992年提出，并在1996年完善的一种衡量人类对自然资源利用程度以及自然界为人类提供的生命支持服务功能的方法。该方法通过估算维持人类的自然资源消费量和同化人类产生的废弃物所需要的生态生产性空间面积大小，并与给定人口区域的生态承载力进行比较，来衡量区域的可持续发展状况。该方法自提出以来在世界各国引起了强烈反响，并在短时期内就不同的地域空间尺度、不同的社会领域进行了模型方法的运用和实践，其理论方法和计算模型在迅速地发展和完善。生态足迹是一种可以将人口、收入、资源应用和资源有效性汇总为一个简单、通用的进行比较的便利手段。生态足迹是指能够持续地提供资源或消纳废物的、具有生物生产力的地域空间，它从具体的生物物理量角度研究自然资本消费的空间。,（3）生态系统评价,生态系统健康是指生态系统没有病痛反应、稳定且可持续发展，即生态系统随着时间的进程有活力并且能维持其组织及自主性，在外界胁迫下容易恢复(Rapport，1998,1999)。其目标是保护和增强区域环境容量的恢复力，维持生产力并保持自然界为人类服务的功能。生态系统健康只是一种隐喻，它是评价生态系统最佳状态的一种方式。可通过全面研究生态系统在胁迫下的特征，根据生态系统条件进行系统诊断，找出生态系统退化或不健康的预警指标，进而防止其退化(Rapport，1998)。生态系统健康的标准有活力、恢复力、组织、生态系统服务功能的维持、管理选择、外部输入减少、对邻近系统的影响及人类健康影响等8个方面，它们分属于生物物理范畴、社会经济范畴、人类健康范畴以及一定的时间、空间范畴。这8个标准中最重要的是前3个方面(Rapport，1998)。,（3）生态系统评价,活力(vigour)：即生态系统的能量输入和营养循环容量，具体指标为生态系统的初级生产力和物质循环。在一定范围内生态系统的能量输入越多，物质循环越快，活力就越高，但这并不意味着能量输入高和物质循环快生态系统就更健康。恢复力(resilience)：即胁迫消失时，系统克服压力及反弹回复的能力。具体指标为自然干扰的恢复速率和生态系统对自然干扰的抵抗力。一般认为受胁迫生态系统比不受胁迫生态系统的恢复力更小。组织(organization)：即系统的复杂性，这一特征会随生态系统的次生演替而发生变化。具体指标为生态系统中r-对策种与k-对策种的比率，短命种与长命种的比率，外来种与乡土种的比率，共生程度，乡土种的消亡等。一般认为，生态系统的组织越复杂就越健康。,在我们设计生态恢复目标时，理想情况是应涉及到以上三种目标，使得公众和管理者也能参与，并能被公众和管理者所能接受，这样才能恢复一个能够自我维持的生态系统。就像Cairns(2000)所言：“大型的生态恢复项目是无法展开的，除非公众社会认可其目的和目标；另外，生态恢复项目是无法持久的，除非公众社会对其具有足够的尊重从而保护其完整性”。但是，在一个生态恢复项目中要包含如此众多的目标通常是难以做到的，因为资源以及经费通常是有限的。,4.1.2 生态恢复的参照系统和恢复途径在制定生态恢复方案的过程中，选择哪种目标首先依赖于对生态恢复等级的选择，即：真正的生态恢复、修复和改良。如果选择真正的生态恢复作为目标等级，那么选择一个参考生态系统(reference ecosystem)作为模板，从而根据模板的结构和功能来制定恢复方案是必要的。对参考生态系统的研究能提供众多有用信息，帮助理解生态系统恢复过程中的关键过程和环节，而这些过程和环节则关系到生态恢复路径和方向的选择。对这些要素的掌握可以帮助解决生态恢复过程中的主要问题，比如估计被干扰生态系统的退化程度，估计退化生态系统与需要达到的目标生态系统的差距，以及测量关键有机体在胁迫环境与非胁迫环境下的耐受性等。,如果仅选择生态修复和改良作为目标等级，要求就相对不那么严格，甚至可以不选择参考生态系统，或仅选择参考生态系统中的某几个组分作为参照。一般这种情况下，生态恢复的意义就会丧失很多，变为了单纯的景观设计，因此，从生态学理念来讲，我们不但不提倡这种做法，反而更要强调利用参考生态系统，目的是为了恢复那些由于人类干扰而造成消失的重要物种和生态系统功能。到底要选择什么样的生态系统作为生态恢复的参考生态系统呢？一般情况下，有以下两种生态系统可以作为参考。（1）历史上的生态系统（地带性生态系统）（2）现代自然生态系统,（1）历史上的生态系统（地带性生态系统）历史上该地区本来的生态系统可以为生态恢复项目提供重要的参考价值。最有吸引力的生态恢复项目是重建生态系统退化之前的状态。获得资料的途径有包括：历史图片、残存植被（潜在植被）、历史纪录（书籍等）、博物馆资料，以及考古证据（花粉等）。一般情况下，地带性生态系统是从大尺度上确定生态恢复目标的依据，具体地点生态恢复模式确定的依据是该地点的潜在生态系统类型；生态恢复的生态系统结构模式（主要包括种类组成和配比）主要参考天然生物群落的特征而制定。,生态恢复是在现有的人工、半自然或其它退化生态系统的基础上，通过适当的人为促进措施，结合自然演替的“天然力量”，使这些退化类型尽快恢复为顶极的地带性生态系统，以建立稳定的、具有最大生态功能的自然生态系统。地带性生态系统是区域尺度上的自然类型，在自然界中，生态系统的组成、结构和分布都受环境条件的制约，如土壤、地形等，从而形成了小生境条件下的不同生态系统类型，而要落实具体地点的天然生态系统类型，则必须依靠当地的潜在生态系统类型来判定。潜在生态系统主要是指在没有人类干扰的情况下一个具体地点应该存在的生态系统类型，即该点天然稳定生态系统的类型。潜在生态系统是经过长期进化和自然选择保留下来的适应具体地点环境条件，并具有最大生态功能和环境效益的生态系统。,（2）现代自然生态系统和恢复途径虽然历史的自然系统作为生态恢复的目标参照系统是最理想的，但是，生态系统也是随时间变化而变化，地球上没有一成不变的生态系统，即使在不受人类干扰状况下，生态系统结构也会随着自然环境的变化，历史的发展等而变化，会产生自然的新的现代生态系统。因此，除了选择历史自然生态系统外，更为现实和科学的考虑是，参照现代自然生态系统的结构特征来规划和设计生态恢复的目标参照系统。,三者间的关系和发展轨道既可选择历史自然生态系统，也可以选择现代自然生态系统作为目标系统。在历史自然生态系统和现代自然生态系统中间，还有很多过渡类型，即：不同的演替阶段，这些不同的演替阶段也可以作为生态恢复的目标生态系统。对一个地区不同演替阶段生态系统的结构特征，既可以借助该研究地区研究者长期的研究成果作为依据，也可以通过历史资料等加以判断，另外，在的确没有资料可以借鉴时，研究者的经验判断也是可行的。,恢复模式恢复模式是一个包括了预期的物理、化学和生物特征的的生态恢复框架。发展一个恢复模式不仅要加强在地方和区域尺度上的生物多样性和功能，也要了解两个尺度上的限制和机遇。恢复模式的制订需要当前信息和历史信息。,4.2 退化生态系统恢复的基本原则,退化生态系统的恢复与重建要求在遵循自然规律的基础上，通过人类的作用，根据技术上适当、经济上可行、社会能够接受的原则，使受害或退化生态系统重新获得健康并有益于人类生存与生活的生态系统重构或再生过程。生态恢复与重建的原则一般包括自然法则、社会经济技术原则、美学原则3个方面(图4.1)。自然法则是生态恢复与重建的基本原则，也就是说，只有遵循自然规律的恢复重建才是真正意义上的恢复与重建，否则只能是背道而驰，事倍功半。社会经济技术条件是生态恢复重建的后盾和支柱，在一定尺度上制约着恢复重建的可能性、水平与深度。美学原则是指退化生态系统的恢复重建应给人以美的享受。,图4.1 恢复生态学的基本原则,自然法则,系统学原则,整体原则,协同恢复重建原则,耗散结构与开放性原则,可控性原则,续图4.1 恢复生态学的基本原则,4.3 恢复成功的标准,Bradsaw（1987）提出的五个判断标准：可持续性（可自然更新）、不可侵入性（象自然群落一样能抵御入侵）、生产力（与自然群落一样高）、营养保持力（与自然群落相近）、生物间具有相互作用。Davis等认为：系统的结构与功能恢复到接近受干扰前的水平；结构恢复指标是乡土种的丰富度，功能恢复的指标包括初级和次级生产力、食物网结构、及其在物种组成与生态系统过程中的反馈。即能够获得所期望的物种丰富度，确认群落结构与功能间的联结已形成。,Careher和Knapp（1995）采用记分卡方法评价恢复度：选择生态系统中具有一定波动幅度的重要参数（如种类、空间层次、生产力等），分析生态恢复过程中各参数是否已达到正常波动范围。Constanza（1998）等认为：生态恢复的终极目标是恢复并维持生态系统的服务价值（Ecosystem service）。包括产品生产，生物多样性，景观功能，花粉、种子传播，杀虫，净化水、空气，缓解旱涝灾害，土壤形成、保护与更新，废物的去毒和分解，营养循环和转移，保护海岸带，防止紫外线，调节气候等。,国际恢复生态学会(SER)提出了生态系统结构和功能的多项指标可以作为评价生态恢复是否成功的标准(SER Primer,2000)。但是，在实践操作中，不可能采用所有的指标来评价，因为有些指标的测定难度较大或代价太大，如测定养分循环速率等。尽管如此，但是对于一个生态恢复项目来说，在进行生态恢复相关过程中，同时采用一个监测体系来跟踪生态恢复中一些重要指标的变化情况是非常必要的。,对于选择那些指标作为监测对象，Dale和Beyeler(2001)提出了以下几个原则来选择生态恢复指标，那就是：易测定、对干扰的敏感性（高）、在恢复过程中发生重大问题时可预先产生不良信号、可纳入信息资料的管理、完整性、能对胁迫产生响应、干扰和时间和响应幅度较小。从中可以看出，挑选的监测指标一般是生态系统的关键组分，这些组分状态的变化要能确保监测到生态系统在任何时空上的变化。以下是van Andel(2006)建议的一个评价指标体系，可以被用来反映生态恢复不同等级上的成功性。,不同恢复等级上测量生态恢复成功程度的生态系统特性的适用性,+表示适于选择；-表示不适于选择,从这些指标的选择可以看出，对恢复生态学家来说，一定要具备社会的视角，不要仅仅专注于生态学理论，而应将生态恢复中技术层面的问题放在恰当的位置，必须清楚每一项技术的优缺点，然后将其融入整个社会的大型建设项目中，才能确保生态恢复的最终成功。,非生物或环境要素的恢复技术：包括土壤恢复技术、水体恢复技术和空气恢复技术。生物因素的恢复技术：包括物种、种群和群落的恢复技术。生态系统的恢复技术：包括生态系统结构与功能的总体规划、设计与组装技术。生态景观的恢复技术：包括生态系统链接与集成技术。,4.4 生态恢复的方法4.4.1 技术体系分类,4.4.2 技术体系类型简介,表1 生态恢复的技术体系,附 生态工程修复技术,不同类型(如森林、草地、农田、湿地、湖泊、河流、海洋)、不同程度的退化生态系统，其恢复方法亦不同。从生态系统的组成成分角度看，主要包括非生物和生物系统的恢复。无机环境的恢复技术包括水体恢复技术(如控制污染、去除富营养化、换水、积木、排涝和灌溉技术)、土壤恢复技术(如耕作制度和方式的改变、施肥、土壤改良、表土稳定、控制水土侵蚀、换土及分解污染物等)、空气恢复技术(如烟尘吸附、生物和化学吸附等)。生物系统的恢复技术包括植被(物种的引入、品种改良、植物快速繁殖、植物的搭配、植物的种植、林分改造等)、消费者(捕食者的引进、病虫害的控制)和分解者(微生物的引种及控制)的重建技术和生态规划技术(RS、GIS、GPS)的应用。,在生态恢复实践中，同一项目可能会应用上述多种技术。例如，余作岳等在极度退化的土地上恢复热带季闹林过程中，采用生物与丁程措施相结合的方法，通过重建先锋群落、配置多层次多物种乡土树的阔叶林和重建复合农林业生态系统等三个步骤取得了成功。总之生态恢复中最重要的还是综合考虑实际情况，充分利用各种技术，通过研究与实践，尽快地恢复生态系统的结构，进而恢复其功能，实现生态、经济、社会和美学效益的统一。,4.4.3 生态恢复技术的选择原则,（1）因地因类制宜原则,根据恢复类型即非生物因素（如大气、土壤、水体）、生物因素（物种、种群、群落）、生态系统、景观等选择相应的生态恢复技术。根据当地自然环境条件（温度、营养、土壤、光照、水分等）和社会经济条件（如管理水平、社会需求、资金状况、风险承受能力、经济效益等）选用合适的生态恢复技术。,（2）、生态学原则,适当输入辅助能的原则：适当输入辅助能，可以改变生态系统的网络结构，提高生态系统能流途径的效率，加快生态恢复的进程。再生循环与商品生产原则：生态恢复的目标是同步取得生态、经济和社会三方面效益，通过再生循环，高效、低耗、高产地生产优质产品。生物多样性原则：生态恢复技术要求充分利用各生态位和多层次分级利用物质，因此在选择过程中要注重生物多样性的增加与保护。时间节律原则：生态技术的选择必须遵循环境因子和生物机能的周期性节律。,生物种群选择原则：根据生态恢复的目的和自然环境条件选择适生种群。种群匹配原则：根据生物互生共生、生态位等原理，选择匹配次要种群，建造复合群体。人工压缩演替周期原则：生态恢复技术的选择应尽量模拟自然生态系统形成演替规律，人工压缩更替周期，缩短生态系统恢复演替的时间。种群置换原则：采用人工种群代替自然种群的生态恢复技术时，应遵循环种群置换原则，选择习性相近的种群。经济效益原则：生态恢复技术的选择应尽量使其经济效益最大化。,4.5 生态恢复的时间,退化生态系统的恢复时间与生态系统类型、退化程度、恢复方向、人为促进程度等因素密切相关。一般来说，退化程度轻的系统恢复时间要短些；湿热地带的生态恢复要快于干冷地带；不同生态系统恢复时间也不一样：土壤恢复比生物群落恢复慢，农田和草地比森林恢复的快。,内容包括：引言、概念规划、准备工作、设计实施、工作实施、实施后的工作、评价和宣传。共51项指导方针。,4.6 生态恢复工程管理指南,4.7 生态恢复的监测和评估,用于评估恢复成果的生态系统变量很多，在有限的时间内不能全部测定，需要评估人员有选择的进行筛选。生态评估的方法有3种：直接比较、特征分析、轨迹分析,4.8生态系统恢复后的特征,生物特征 植被覆盖度提高 生物多样性增加 群落组成发生变化 群落结构分层明显 小型动物数量和种类增加 生产力提高 食物链变长非生物特征 土壤理化性质改善 水土流失减少 小气候发生变化 景观斑块稳定性增加 生态服务功能增强,5、种群的局部适应在生态恢复中的应用,Thank you!,