受损海洋生态系统的修复生态工程与修复技术.ppt

第一节 受损生态系统的特征第二节 受损生态系统的修复第三节 生态工程与修复技术,第八章 受损海洋生态系统的修复,第三节 生态工程与修复技术,一、生态工程的内涵二、生态工程的设计与应用三、植物修复技术四、植物修复技术在近海污染治理中的应用,生态工程的产生有着历史背景和现实需求，它是在20世纪60年代全球生态危机爆发和人们寻求解决对策并对资源环境进行保护的背景下产生的。60年代以来，全球生态危机表现为人口激增、资源破坏、能源短缺、环境污染和粮食供应不足等，这些人类面临的共同问题在不同国家和地区表现不尽相同。,西方发达国家面临的主要是由于高度的工业化和强烈集约型的农业经营带来的环境污染问题。在60年代末、70年代初，人们对改善环境的技术深信不疑，认为可以通过实现无废物目标来解决问题。然而，治理环境污染的人力、财力和物力是有限的。在发展中国家更是如此，此外，某种环境净化技术很可能将污染物从一种介质转移到另一种介质中去。因而，种种原因使得运用常规方法不能实现无污染目标。,人们试图运用生态系统的某些功能，如生物净化功能以实现降低污染和保护资源的目标，这样产生了发达国家的生态工程研究。,在发展中国家所面临的不单纯是环境污染问题，而是一种由于人口增长、资源破坏、生产不足和环境污染共同构成的综合症。不但需要保护资源和环境，更迫切地需要以有限的资源生产出足够的产品，供养日益增长的人口。现实条件使得发展中国家必须立足于本地资源和条件去寻求适合于自己的发展途径和技术，生态工程正提供了这样一种实现低耗、高效、无或少废生产适用技术的发展战略。,一、生态工程的内涵,1.生态工程的定义生态工程是应用生态系统中物种共生与物质循环再生原理、结构与功能协调原则，综合系统分析的最优化方法，设计的促进分层多级利用物质的生产工艺系统。目标：在促进自然界良性循环的前提下，充分发挥资源的生产潜力，防治环境污染，达到经济效益与生态效益同步发展。,一、生态工程的内涵,2.生态工程设计的生态学理论依据例子：灵山岛生态修复工程规划人工鱼礁海藻场增殖放流生态环境改善,一、生态工程的内涵,2.生态工程设计的生态学理论依据（1）物种共生原理互惠共生与竞争抗生（“相生相克”）生态系统的自我调节和负反馈机制,一、生态工程的内涵,2.生态工程设计的生态学理论依据（2）生态位原理空间、功能两层含义构成具有多种群的稳定而高效的生态系统评价和判断生态工程设计的重要内容,一、生态工程的内涵,2.生态工程设计的生态学理论依据（3）食物链原理物种关系的一种重要表现形式维持生态系统动态平衡，实现其功能物种共生原理，基础就是食物链和食物网理论设计的合理性，首先应体现在物种的食物关系上,一、生态工程的内涵,2.生态工程设计的生态学理论依据（4）物种多样性原理生物多样性促进系统稳定性系统能否稳定是衡量生态工程是否成功的重要指标,一、生态工程的内涵,2.生态工程设计的生态学理论依据（5）物种耐受性原理环境因子的相互补偿作用，物种耐受范围是变动的可通过对环境的适当满足来提高物种适应能力，实现整个设计的最优化该理论对于生态工程的设计很有指导意义,一、生态工程的内涵,2.生态工程设计的生态学理论依据（6）景观生态学原理以整个景观为对象，着重研究某一景观内自然资源和环境的异质性在生态工程设计中的意义，在于考虑具体设计方案时，要有区域尺度的概念。,一、生态工程的内涵,2.生态工程设计的生态学理论依据（7）耗散结构原理一个开放系统的有序性，因系统向外界输出熵值的增加而趋于无序，要维持系统的有序性，必须有来自系统之外能量补充和物质输入。,熵是不能再被转化做功的能量的总和的测定单位。熵的增加就意味着有效能量的减少，能量只能沿着一个方向即耗散的方向转化。比如我们烧掉一块煤，虽然燃烧过程中能量并没有消失，但我们却再也不能把同一块煤重新烧一次来做同样的功了。它告诉我们每当能量从一种状态转化到另一种状态时，我们会“得到一定的惩罚”。这个惩罚就是我们损失了能在将来用于做某种功的一定能量。这就是所谓的熵。,一、生态工程的内涵,2.生态工程设计的生态学理论依据（7）耗散结构原理在生态工程的设计中，一是注重系统自身熵输出的功能潜力；二要注意系统外的输入能力，即可提供的能量和物质的成本。意义：要求考虑工程设计的效益平衡，清楚系统的熵增加与系统的输入实际效益比。,一、生态工程的内涵,2.生态工程设计的生态学理论依据（8）限制因子原理若能正确运用生态因子规律，可使不希望出现的生态现象得到抑制提高或改变其他因子，消除控制限制因子的作用。,一、生态工程的内涵,2.生态工程设计的生态学理论依据（9）生态因子综合性原理综合性作用设计中应注意生态因子对生物的综合作用，尤其是主要（或关键）因子的动态变化对其他因子的影响。意义：在于要掌握生态因子作用强度和性质的可变性，减少系统内生态因子的相互颉抗，增强相互促进。,一、生态工程的内涵,2.生态工程设计的生态学理论依据开展生态修复或促进资源的综合利用、环境的综合整治以及人类社会的持续发展，是生态工程的目的。上述各原理的核心是整体性、协调性、再生循环与高效益。,二、生态工程的设计与应用,生态工程的设计和其他工程的设计一样，是保证生态工程实施成功与提高工程效益的关键步骤和依据。在掌握了生态工程设计生态学原理的基础上，进一步确定生态工程的设计路线和具体步骤，是系统进行设计工作的重要途径。,二、生态工程的设计与应用,1.生态工程设计的具体步骤（1）拟定目标生态工程的对象是自然社会经济复合生态系统。必须强调复合生态系统的整体协调目标，同时根据当地的条件，强化某个系统的目标。,二、生态工程的设计与应用,1.生态工程设计的具体步骤（2）背景调查自然资源条件自然资源包括生物资源、土地资源、矿产资源和水资源等。社会经济条件社会经济条件包括市场状况、劳动力及其知识水平和经济实力等。生态环境条件生态环境条件包括气候条件、土壤条件和污染状况等。,二、生态工程的设计与应用,1.生态工程设计的具体步骤（3）模型分析与模拟根据拟定的目标和收集的数据，构建合适的数学模型。通过模型的运算，评价所选的模型类型和数据集是否合适。在模型和数据集合适的基础上，通过运算，找出关键组分和关键因子等。结合定性研究，评价和分析系统的整体行为特征和发展趋势，并进行综合评价。,二、生态工程的设计与应用,1.生态工程设计的具体步骤（4）工程可行性评价通过可行性评价和决策分析，可以为管理和政府部门提供在不同社会、经济和自然资源条件下实施的多条途径。使经济效益、生态效益和社会效益达到最大，复合生态系统稳定性和存活进化的机会最大，系统恶化的风险最小等。,二、生态工程的设计与应用,2.技术路线（1）建立互利共生网络着重调控系统内部结构和功能，进行优化组合，尽量充分利用空间、营养生态位，提高整体的综合效益。将平行的原本不相联结的种类通过食物链生态系统的联结、形成互利共生网络，可提高效率，促进物质的良性循环。如鱼鸭混养、稻田养鱼、基塘系统和贝藻混养系统等。,二、生态工程的设计与应用,2.技术路线（2）延长食物链在一个生态系统或复合生态系统中的食物链（网）或生产流程中，增加一些环节，改变食物链与生产流程结构，此即称之为加环。,二、生态工程的设计与应用,2.技术路线（2）延长食物链根据加环的性质和功能，可以将它们归纳为4类：生产环所加入的环，可使非经济产品或废物直接生产出为人利用的经济产品。如利用无毒有机废水进行水培蔬菜或花卉。增益环所加入的环，虽不能直接生产出商品，但可加大或提高生产的效益。例如利用无毒的有机废水种植凤眼莲、浮萍等植物，处理与净化污水。,二、生态工程的设计与应用,2.技术路线（2）延长食物链减耗环在食物链网中，每个环节都是上一营养级的消耗者，其中有些环节生产的产品对人无用，反而过度损耗上一营养级的资源，如农田害虫、鼠害等。如白菜套种三叶草抑制害虫。复合环所加入的环，往往起到上述各环的多种功能。例如在林、农生态系统中引入蜜蜂；鱼塘养鸭；贝类养殖系统中加入藻类养殖等。,二、生态工程的设计与应用,3.生态工程设计的应用太湖水污染治理生态工程,二、生态工程的设计与应用,3.生态工程设计的应用（1）太湖底泥生态疏浚湖泊底泥是太湖水生生态系统的重要组成部分，是湖泊营养物质循环的中心环节，是水土界面物质（物理、化学、生物的）活跃交换带。太湖底泥中富含的营养物是造成太湖水体富营养化并成为藻类爆发的营养盐重要来源之一。,二、生态工程的设计与应用,3.生态工程设计的应用（2）种植植物，达到美化环境，治理富营养化采用生物调控法，利用水上种植技术，在以富营养化为主体的污染水域水面种植粮食、蔬菜、花卉或绿色植物等各种适宜的植物。,二、生态工程的设计与应用,3.生态工程设计的应用（3）建立渔业生态工程，控制过度养殖，适度利用水体通过建立总量控制的渔业生态工程，网围养殖，经济效益高；在开发利用水体的同时，维护水资源的再生能力。,二、生态工程的设计与应用,3.生态工程设计的应用（4）建立环湖湿地保护带，实现持久的生态管理主要包括两大部分，一是湖岸湿地保护带工程；一是滨岸带高等水生植物恢复和调控工程。,二、生态工程的设计与应用,4.国外环境保护生态工程的应用环境保护及污染物控制防治领域的生态工程的研究和应用有很多，特别是对污水处理与湖泊、海湾的富营养化防治更为突出。,二、生态工程的设计与应用,4.国外环境保护生态工程的应用美国的污水处理生态工程1968年开始，就在北卡罗来纳州的摩洛赫得市研究应用河口区的池塘污水处理生态工程，特别是处理城市污水与海水混合水。20世纪70年代在佛罗里达州的Garimsville处试验和调查了种植柏树并使之成林的湿地，来处理水中的营养盐，使之循环并保护湿地的生态工程，结果去除了进入湿地污水中50%以上的有机质、营养盐和金属元素。在俄亥俄州研究和应用了种植蒲草为主的湿地生态系统用以处理煤矿所排含有硫化铁酸性废水的生态工程,处理后的废水的含铁量减少了50-60%，电导率和pH值均得到上升。,二、生态工程的设计与应用,4.国外环境保护生态工程的应用美国的污水处理生态工程在防止湖泊等水体富营养化方面，20世纪80年代初在伊利湖北部的河湖接合部和老妇河河口地区的湿地上，建立了生态工程试验基地，测试这些河湖交界湿地生态系统对陆地上与其下游湖泊间化学和水文的缓冲及净化作用，探索如何最有效设计其沿湖湿地。麻塞诸塞州建立了沼泽及盐滩的生态工程，处理陆上所来废水，防止海洋的富营养化，通过有机质矿化、沉积物的吸着、动植物的生产及消耗、化学物质的沉淀、挥发性物质转移至大气和与卤族元素的化合反应等，减少入海污染质。,二、生态工程的设计与应用,4.国外环境保护生态工程的应用丹麦自1972-1976年开始研究并试用Glums湖富营养化防治的生态工程，建立了生态模型，结果去除了进入湖中污水内90-98%的磷，1976-1981年又对该模型进行了修正和改进。瑞典污水处理的生态工程受到极大重视，为防治自20世纪60年代形成并日渐突出的湖泊和沿岸水体的富营养化问题，各城市分别应用机械、生物和化学三个步骤来处理污水，在20世纪80年代就为此类工程投资约5亿多美元，其中涉及到的污水处理生态工程包括利用污水作为肥料，用农田灌溉处理净化污水，建立许多温室，养殖多种水生植物，净化污水。,二、生态工程的设计与应用,4.国外环境保护生态工程的应用 荷兰在20世纪70年代起开始试验和调控一些小型湖泊生态系统的结构，增加直接摄食藻类和与藻类在阳光和营养方面有竞争的生物种类，以防治水体的富营养化。在一些居民区建立了若干生活污水处理生态工程，设置一些垂直分布的充气和厌气土壤滤器纵向组合，并建立了营养盐流动的数学模型。,二、生态工程的设计与应用,5.我国环境保护生态工程的应用1）无（或少）废工艺系统 主要用于内环境的治理，如在工厂和工业城市中的废物再生和利用系统，将废热源再利用，及工厂废水的净化再循环，达到无污染或少污染。2）分层多级利用废物生态工程 使生产过程中的每一级生产过程的废物都变为另一级生产过程的原料，且各环节比量合适，使所有废物均被充分利用，如一些家畜饲养场所产生的粪便，配合沼气发酵、沼液无土栽培青绿饲料和蔬菜，沼渣再制混合饲料等几项生产项目和工艺组合；浒苔的无害化综合利用。3）复合生态系统内的废物循环和再生系统例如桑基鱼塘式的生态工程。,二、生态工程的设计与应用,5.我国环境保护生态工程的应用4）污水自净与利用生态工程污水灌溉是利用土壤生态系统的自净能力，既净化了生活污水，又利用了其中的营养元素作为肥料，在干旱、半干旱地区，对缓解缺水矛盾有重要意义。利用生活污水养鱼，使污水中的营养盐和有机物作为饵料肥料，促进了水产品的增产并处理净化了污水。,二、生态工程的设计与应用,5.我国环境保护生态工程的应用5）城乡结合的生态工程在一定区域内，应用不同生产系统分层多级利用废物，如城市粪便、垃圾、家禽家畜饲养场粪便等制作沼气，再用作农田肥料或鱼塘养鱼饲料或肥料；食品及轻工工厂废物用作畜牧、水产养殖饲料，其废物在作农田肥料；一些废旧物资的回收、再生与利用。,三、植物修复技术,以植物忍耐和超量积累某种或某些污染物的理论为基础，利用植物及其共存微生物体系清除环境中的污染物的一门环境污染治理技术。,三、植物修复技术,1.植物修复技术的类型（1）植物萃取技术指金属积累植物或超积累植物将土壤中的金属萃取出来，富集并搬运到植物根部可收割部分和植物地上枝条部位的技术。,三、植物修复技术,1.植物修复技术的类型（1）植物萃取技术适合于植物萃取的理想植物应该具有如下特点：植物可收割部位必须能忍耐和积累高浓度的污染物；植物在野外条件下生长速度快、生长周期短、生物量高、个体高大、向上垂直生长以利于机械化作业等；植物对农业措施如施肥等能产生积极的反应。因为只有这样才能反复种植，多次收割。,三、植物修复技术,1.植物修复技术的类型（1）植物萃取技术目前常用植物包括各种野生的超积累植物、某些高产的农作物如芸苔属植物（印度芥菜）、油菜和工业用的大麻等。,三、植物修复技术,1.植物修复技术的类型（2）根际过滤技术指利用超积累植物或耐重金属植物从污水中吸收、沉淀和富集有毒金属的技术。,三、植物修复技术,1.植物修复技术的类型（2）根际过滤技术适用于根系过滤技术的植物，必须有较大的根系生物量，最好是须根植物。目前常用的植物有各种耐盐的野草如弗吉尼亚盐角草、盐地鼠尾粟、杂交杨树、印度芥菜、向日葵及各种水生植物如宽叶香蒲等。,三、植物修复技术,1.植物修复技术的类型（2）根际过滤技术根际过滤技术主要用来处理石油天然气生产过程中产生的废水、含放射性污染物质的废水、含重金属的各种废水以及富含其他污染物（如氮、磷、钾）的废水。,三、植物修复技术,1.植物修复技术的类型（3）植物固定技术指利用超积累植物或耐重金属植物降低金属的活性，从而减少重金属被淋洗到地下或通过空气载体扩散进一步污染环境的可能性的技术。,三、植物修复技术,1.植物修复技术的类型（3）植物固定技术适用于固化污染土壤的理想植物，应是一种能忍耐高含量污染物、根系发达的多年生绿叶植物。这些植物通过根吸收、沉淀或还原作用可使污染物（如金属）惰性化。,三、植物修复技术,1.植物修复技术的类型（3）植物固定技术植物固定技术对废弃场地重金属污染物和放射性核素污染物固定尤为重要，原地固定这两类污染物是上策，可显著降低风险性。,三、植物修复技术,1.植物修复技术的类型（4）植物刺激技术（植物辅助生物修复技术）指通过根圈范围内植物的活动刺激微生物的生物降解的植物修复过程。根圈的植物修复可增加土壤有机质含量、细菌数量和菌根真菌数量。反过来，这些因子又有利于土壤中有机化合物的降解。,三、植物修复技术,1.植物修复技术的类型（4）植物刺激技术（植物辅助生物修复技术）桑树、桑橙树和苹果树被人们用来刺激能降解多氯联苯和多环芬烃的微生物生长，他们的根际产物包括黄酮类化合物和氧杂萘邻酮。,三、植物修复技术,1.植物修复技术的类型（5）植物转化技术指通过植物新陈代谢作用降解环境污染物的过程。植物转化取决于污染物从土壤和水体中的直接吸收和在植物器官中新陈代谢物的积累。,三、植物修复技术,1.植物修复技术的类型（5）植物转化技术植物转化技术目前主要的应用领域包括石化产品污染地和贮藏地、武器弹药废弃物、燃料溢出物、氯化溶剂、垃圾掩埋中的淋滤物和农用化合物（杀虫剂和化肥）等。,三、植物修复技术,2.植物修复技术的应用（1）环境中重金属的去除植物具有生物量大且易于后处理的优势，因此利用植物对金属污染位点进行修复是解决环境中重金属污染问题的一个很有前景的选择。植物固定、植物转化、萃取等是去除环境中金属离子的有效技术。,三、植物修复技术,2.植物修复技术的应用（2）环境中有机物的去除传统的有机污染物的生物修复是用微生物来完成的，与微生物修复相比，植物修复更适用于现场修复。通过植物萃取、转化和辅助修复等技术，可去除环境中的有机污染物。植物从土壤中直接吸收有机物，然后将没有毒性的代谢中间体存储在植物组织中，这是植物去除环境中中等亲水性有机污染物的一个重要机制。,三、植物修复技术,2.植物修复技术的应用（3）环境中放射性核素的去除目前已有的技术需将污染土壤从污染位点转移，然后用分散剂和螯合剂进行处理。土壤的转移需要很大的设备，处理费时费钱并且很困难，因此目前很少用于处理大面积低浓度的放射性核素污染。植物可从污染土壤中吸收并积累大量的放射性核素。如核电站附近有多种能大量吸收137Cs和90Sr的植物；桉树苗一个月可去除土壤中31.0%137Cs和11.3%90Sr。,四、植物修复技术在近海污染治理中的应用,1.海水养殖富营养化的植物修复大型海藻是海洋环境中非常有效的生物过滤器，海藻与鱼虾贝类共养江篱属海藻、紫菜属、石莼属海藻、海带属、角藻属、麒麟菜属和浒苔属海藻及红树,四、植物修复技术在近海污染治理中的应用,2.石油等有机物污染的植物修复多环芳烃(PAHs)、多氯联苯(PCBs)等持久性有机污染物(POPs)的危害很广泛红树及其根部微生物所构成的红树微生态系对石油、PAHs、PCBs和农药等有机物污染有着良好的修复潜力大型海藻和细菌共同作用可有效降解石油污染物,四、植物修复技术在近海污染治理中的应用,3.赤潮的植物修复栽培大型海藻可有效防治赤潮如江篱可以加速中肋骨条藻赤潮的消亡一些海藻及其提取物对赤潮微藻具有除藻作用。如小珊瑚藻、孔石莼、石牙藻、小海带、褐藻昆布及其提取物对多环旋沟藻等多种赤潮微藻的生长具有抑制作用，可以使赤潮微藻运动性降低、细胞变形并破裂。,四、植物修复技术在近海污染治理中的应用,4.近海重金属污染的植物修复红树植物对铅、汞、镉、铜、锌等重金属有相当程度的吸附及固定作用，可有效地净化沉积物中的重金属，而所富集的重金属7090储存在不易被动物消耗的根和树干部分一些海藻对铜、锶、镉、铅、镍、锰等重金属也有一定的吸收积累作用，如三角褐指藻对铅、镍具有较高的耐受力，海篙子对砷和锶具有超富集能力，对锰、镍、铜和铅也有较强的富集能力，海带对砷的富集作用也很强。,四、植物修复技术在近海污染治理中的应用,5.污水的植物修复海洋植物不但可以用于富氮污水的净化，还可用于农业、养殖业和工业污水的处理海藻、红树植物在防治沿海水质的恶化方面得到应用。红树林系统能有效包陷污水藻类，对污水具备较强抗性，对人工污水中氮的净化效果较好。大型海藻Gracilaria edulis和牡蛎组成的生物过滤体系，大大改善了日本对虾养殖场排放污水的水质，使细菌浓度、叶绿素a和总悬浮颗粒都明显减少。,四、植物修复技术在近海污染治理中的应用,6.植物修复技术治理近海污染的应用前景应用前景广阔，优点：绿色安全。对人类和海洋环境副作用小、生态风险小，不必担心二次污染等问题，易于为人们接受。易于后处理。不会形成二次污染，很少有废物和排放物，遗留问题少。具有一定的生态景观效应。在对海洋污染进行植物修复的同时，红树植物、大型海藻等海洋植物还能缓解近岸海域生境恶化、改善生态系统结构失衡、减轻近岸海域生态压力。生物量大。海洋植物作为海洋中的初级生产力其生物量是相当巨大的。,重点、难点总结,受损生态系统的基本特征1.物种多样性的变化2.系统结构简单化3.食物网破裂4.能量流动效率降低5.物质循环不畅或受阻6.生产力下降7.其他服务功能减弱8.系统稳定性降低,重点、难点总结,受损海洋生态系统的修复（1）海洋生境的修复（2）渔业生物资源增殖修复（3）遏制海洋污染（4）加强渔业科学管理（5）受污生态环境的生物修复（6）加强海洋和渔业保护区建设,重点、难点总结,生态工程设计的生态学理论依据（1）物种共生原理（2）生态位原理（3）食物链原理（4）物种多样性原理（5）物种耐受性原理（6）景观生态学原理（7）耗散结构原理（8）限制因子原理（9）生态因子综合性原理,本章思考题,1.简述受损生态系统的主要特征。2.试述不同类型生态系统受损的原因及修复方法。3.生态工程的内涵是什么？如何利用生态工程技术修复受损生态系统？4.植物修复技术有哪几种？如何利用植物修复技术去除环境中的污染物？,