第四章生态学在环境保护中的应用

第四章生态学在环境保护中的应用
4.1 人类对环境的影响
人类对环境的影响是历史的必然
从人类的发展史可以看出：人类的每一次进步，或人类所取得的每一个成果，都是在影响环境的基础上实现的。

人口问题：粮食资源能源
城市化：土地问题地面幅射气温升高
工业化：三废环境污染臭氧层破坏酸沉降
生态破坏：森林草地等绿地减少生物多样性破坏干旱水涝等自然灾害严重发生
减少环境破坏的根本在于：善待、尊重自然，用生态学原理指导人类行动。

4.2 生态系统对环境的调节
生态系统对环境的调节是通过以下几个方面来实现的
物质循环能量流动信息传递
反馈机制抵抗力恢复力
自净作用
·生态系统对环境的自净作用
土地处理系统概念：
土地处理系统结构：
土地处理系统的净化机制：
土地处理系统的净化效果：
（1）土地处理系统概念：利用土壤微生物和植物根系的净化作用来处理普通废水和一般工业废水净化系统。

通过处理的污水不但其中的污染物质得到处理净化，达到排放标准，而且其中的水分和肥分还可以用作灌溉，促进农作物、牧草、林木等植物生长。

生态系统的自净：生态系统的生产者、消费者和分解者在进行能量流动和物质循环过程中，受到自然因素或人类活动的影响时，系统具有通过自身调节保持系统相对稳定的能力。

（2）土地处理系统结构：
废水的预处理设施沉淀塘（贮水湖）灌溉系统地下排水系统等。

（3）土地处理系统的净化机制
①植物根系的吸收、转化、降解与合成作用；
②土壤中微生物还原的降解、转化及固定作用；
③土壤中胶体物质的吸附、络合发、沉淀作用；
④土壤离子的交换作用；
⑤土壤的截留与过滤作用；
⑥土壤的气体扩散与蒸发作用。

（4）土地处理系统的净化效果
成分灌溉渗滤漫流
BOD ＞98 85~89 ＞95
COD ＞80 ＞50 ＞80
悬浮物＞98 ＞98 ＞92
总N ＞85 0~50 70~90
总P 80~90 60~65 40~80
金属＞95 50~95 ＞50
微生物＞98 ＞98 ＞98
总溶解固体0~30 0~10 0~30
4.3 生态规划
•一、概念
生态规划（ecological planking）是在自然综合的天然平衡情况下不作重大改变，自然环境不遭破坏和一个部门的经济活动不给另一部门造成损失的情况下，应用生态学原理，计算并合理安排天然资源及地域资源的利用。

概念中阐明了三个前提：自然环境不遭破坏；生态系统的天然平衡不遭破坏；一个部门不给另一部门造成损失
•二、生态规划类型
（一）按地理空间尺度进分为:
区域生态规划;
景观生态规划;
生物圈生态保护区建设和规划等。

（二）按地理和生物生存环境划分
包括海洋生态、陆地生态、淡水生态、城市生态、农村生态等规划类型。

（一）按地理空间尺度:区域生态规划
•①编制规划区内的资源目录（自然、社会、经济等）
•②规划区长远发展规划
•二、生态规划类型
（一）按地理空间尺度:景观生态规划
景观生态规划的目的就是根据不同景观的功能,合理布置各种景观单元在系统中的格局，以维持景观功能流的健康与安全，以增强景观的抗干扰能力和维系景观系统的稳定性，实现景观服务于人类的功能。

景观生态规划
景观格局：指大小或形状不同的系统（斑块）在区域内的空间排列形式，主要有以下五种形式：
•点格局：研究对象的大小比各对象之间的距离要小得多，这些对象则以点的形式存在，其分布形式为点格局，如交通图中，城市虽然是一个区域，但在整个图形中却仅仅只是一个点。

•线格局：系统中线状的景观。

如河流等
•网格局：点格局与线格局的复合形式，它能反映点与点、点与线或其它格局在系统中的空间关联程度。

•平面格局：景观单元（块状单元）在系统中的大小、位置、边界及分布的规律性。

•立体格局：景观单元的三维空间分布。

生物圈生态规划
1 规划内容：根据生物利用的观念和理念，有计划地保护生物，使之服务于人类，以促进生物多样性保护事业健康有序的发展。

因此，生物圈生态规划包括：核心区、基因庫、科学研究、保护开发（生物圈旅游业属于保护开发范畴）等。

2 规划目标：
•①确保圈内物种与生态系统的永续利用
•②保护生物遗传基因多样性
•③保护生命支持系统
•从上述目标可以看出，生物圈生态规划的核心任务是保持生物多样性及其持续发展。

（二）按地理和生物生存环境划分
包括海洋生态、陆地生态、淡水生态、城市生态、农村生态等规划类型。

其中城市生态规划和农村生态规划是目前城市和农村发展建设的重要内容。

城市生态规划内容
大致可以分成以下几个子规划：
生态功能区划；
人口适宜容量规划；
土地利用适宜度规划；
城市环境规划；
生物保护与绿化规划；
生态资源利用保护规划等；
能源规划；
环境污染防治规划原则；
……
在上述规划中，首要内容是土地利用适宜度规划
在工农业生产中的能源与资源的综合利用，既要考虑生态系统的物质循环问题，又要考虑资源与能源的节约与合理利用，同时还要考虑工农业生产中的环境保护问题，即通过工农业生产既可获得尽可能丰产的产品，同时又不至于对环境造成影响。

要达到这样一种效果，最理想的办法是：运用生态系统的物质循环原理，建立闭路循环工艺（把两个以上的工艺流程组合成一个闭路体系，使上一工艺的废品或副产品成为另一工艺的原料，从而使生产废弃物质减少到生态系统的自净能力限度以内），实行资源现能源的综合利用杜绝无谓资源损耗与环境污染。

1 生态工艺（生态工业园区）
2 生态农场（生态农业园区）
1 生态工艺：输入的物质和能量得到最大限度的利用（能耗最低），排放的废弃物最少且完全能被生态系统自然分解、吸收和利用。

4.4 能源与资源的综合利用
1 生态工业园区：生产上存在一定的物质与能源关系的工业区域称为生态工业园区。

在这个区域中，其资源与能耗最小，各个生产环节产生的废弃物都不同程度地得到再次利用，即各个工厂之间存在着一定的物质链锁关系，废弃物质排放末端以最小量排放且完全能被自然分解、吸收与利用。

2 生态农场（生态农业园区）
生态农业园区是在生态农业的理论基础上发展起来的。

生态农业的概念：
生态农业的生态学要求：
生态农业的标准：
生态农业的基本特征：
生态农业的概念：按照生态学原理来规划、组织和进行农业生产。

生态农业是全面规划、相互协调的整体农业。

生态农业的生态学要求：
第一，生产结构的确定，产品布局的安排等都必须切实做到因地制宜，和当地的环境条件相匹配
第二，对自然资源的利用不能超过资源的可更新能力
第三，在能量和物质的利用上，要做到有取有补，维护生态平衡
第四，在利用可更新自然资源的同时，要注意抚育和增殖自然资源，使整个生产的发展，走向良性循环。

生态农业是全面规划、相互协调的整体农业。

生态农业的出发点和落脚点，都是着眼于系统的整体功能。

生态农业的标准：
一是经济效益，即生产要发展，农民要富裕；
二是社会效益，要满足人民对农产品日益增长的各种社会求；
三是生态效益，即保持良好的生态环境。

生态农业，要考虑系统之内全部资源的合理利用，对人力资源、土地资源、生物资源和其它自然资源等，进行全面规划，统筹兼顾，田地制宜，合理布局，并不断优化其结构，使其相互协调，协同发展，从而提高系统的整体功能。

生态农业不局限于种植业，而是农、林、牧、副、渔，多种经营，全面发展。

生态农业的基本特征：
(1)生物产量高。

要想使单位面积上的生物产量高，必须使物种和品种因地制宜，而且本身的转化效率要高，彼此之间结构合理，相互协调。

(2)光合作用产物利用合理。

这就要求生产的发展按照生态规律的“食物链”及其量比关系做到能流物复，同时安排复种间作提高绿色植物光合产物的利用率 从而得到更多的产出。

(3)经济效益高。

物质除沿着“食物链”进行多次利用外，还要沿着“加工链”(农副产品多次加工的顺序)，进行深度加工，多次增值。

因为加工的次数越多，产值越大，流回系统的财流也就越大，生态效益和经济效益也就越好。

(4)动态平衡最佳。

生态农业所保持的生态平衡，是螺旋形向前发展的最佳动态平衡。

生态农场是生态工艺与生态农业的模式之一
4.5 生态学在环境保护其它方面的应用
目前生态学在环境保护中的应用主要体现在以下几个方面
1 研究污染物质在环境中的传播规律
2 生态学原理在环境监测与环境评价中的应用
3 为制定环境质量标准提供依据
4 人工模拟生态系统在污染防治中的应用
1 研究污染物质在环境中的传播规律
利用物质在生态系统中的迁移、转化、累积和富集原理，研究污染物质在环境中的积累、扩散和迁移规律，并从中寻求控制和切断污染物质的传播途经。

2 生态学原理在环境监测与环境评价中的应用
环境监测(environmental monitoring): 研究和监测环境质量。

其手段有化学、物理学、生物学、生态学、地球物理、地球化学等，因此其内容有化学监测、物理监测、生物监测、生态监测、地球物理化学监测
生生 态 农 场 举
等。

常用的方法有化学监测、仪器监测和生物监测与生态监测。

化学与仪器监测速度快，准确率高，但一般为单因子监测，连续性不强，不能反映环境的综合污染状况。

生物及生态监测可进行连续监测，可以比较准确地反映环境的综合污染情况。

上述三种方法在实践中常常相互结合，互为补充。

（1）生物监测
（2）生态监测
（1）生物监测
•生物监测：利用生物在污染环境下所发生的信息来判断环境污染状况的一种手段．即利用某些植物对大气污染物质的过敏反应来判定大气中某些化学物质的污染程度。

生物监测目前在多运用于大气单因素监测。

某些植物受到大气有害物质污染时，会产生相应的过敏反应症状。

一定的植物对一定的污染物质会产生比较典型的症状特征。

通过这些症状特征可以判定环境中存在的污染物质的种类，根据症状的严重程度可以判定环境中某种有害物质的污染程度。

根据症状的分布判定某些污染物的扩散范围。

由于生物监测通常反映的是一个生态系统的环境状况，常将生物监测作为生态监测中的一种方法——指示生物法
（2）生态监测
①生态监测的概念
②生态监测的特点
③生态监测的原理
④生态监测的方法
①生态监测的概念
生态监测：(ecological monitoring): 利用生命系统各层次对自然或人为因素引起环境变化的反应来判定环境质量。

②生态监测的特点：
生态监测能综合地反映环境质量状况：
生态监测具有连续监测的功能：
生态监测具有多功能性：
生态监测的监测灵敏度高：
生态监测的复杂性
特点一
•生态监测能综合地反映环境质量状况：环境问题是复杂的，某一生态效应反常是几种因素综合作用的结果，如污染水体中通常是多种污染物质并存，而每种物质并非都是各自单独作用的，种类物质之间也存在着一定的关联性，仪器或化学监测通常反映不出这种复杂的关系，生态监测往往可以进行综合测定。

特点二
•生态监测具有连续监测的功能；仪器或化学监测结果所反映的常常只是一个瞬时值，不能真实地反映这种环境中一定时空的环境影响。

生态监测可以反映一定生活周期内的环境污染或破坏情况，肯有一定的长期性。

但生物监测所得结果常常具有滞后性。

因此，实际工作中二者常常互补。

特点三
生态监测具有多功能性；仪器和化学监测专一性强，如测定臭氧的不能测定二氧化硫。

生态监测可通过批示生物的不同反映症状分别监测多种干扰效应。

如污染水体中通过鱼类种群动态和鱼体内物质分析可以获得水体中的污染物质类别和物质富集等信息。

特点四
•生态监测的监测灵敏度高；某些生物对某些物质非常敏感，可以快速监测环境中的某一类污染物。

如有一种唐菖薄在浓度为0.01×10 的氟化氢的作用下20h就出现反应症状。

特点五
•生态监测的复杂性：四方面的表现
•外界各种因子容易影响生态监测结果。

如二氧化硫对植物的危害受气候条件的影响。

即相同含量的二氧化硫在不同的气候条件下会表现出不同效应。

•生态监测常常不能监测环境效应的自然性和人为性。

•生物的生长发育以及生理代谢都对生态监测有一定的影响。

如不同的生长发育期会对同种等量污染物质有不同程度的症状表现。

•生态监测建站工作的复杂性。

③生态监测的原理
生物与环境之间相互依存、相互影响、协同进化。

生物与环境相互补偿、协同发展是在自然界长期发展过程中形成的，生物的变化是某一区域内环境变化的一个组成部分，因此，生态学上个体、种群、群落和生态系统各组织层次的生物变化可以作为环境改变的指示和象征。

④生态监测的方法
•个体和种群水平
v指示生物法（indicator organism）
•群落和生态系统水平
v污水生物系统法（saprobien system）
v PFU(聚氨酯泡沫塑料块)法(polyurethane foam unit)
v生物指数法（biotic index）
指示生物法
•指示生物法：用指示生物来监测环境状况的一种方法。

•指示生物(indicator organism)：对环境中的某些物质，包括污染物的作用或环境条件的改变能较敏感和快速地产生明显反应的生物。

对环境的现状和变化起“预警”功能。

•指示生物的基本条件：
Ø对干扰作用反应敏感且健康；
Ø对环境的适宜性宽，在群落中（常见）具有代表性；
Ø对干扰作用的反应个体间的差异小、重现性高；
Ø具有多功能，即在起监测作用的同时还具有经济、绿化、观赏等价值。

指示生物法常用的指示生物
大气污染的指示生物
•SO2：紫花苜蓿、蕨类、苹果、白杨、白腊、白桦、麦类、棉花、大豆南瓜、葡萄等
•氟化物：地衣和苔藓、杏、唐菖蒲、梅、雪松、玉米、苹果、葡萄、云杉等
•O3：菜豆、烟草、菠菜、萝卜、番茄、烟草、洋葱、女贞、甜瓜、葡萄、马铃薯等。

•过氧乙酰硝酸酯：早熟禾、向日葵、牵牛花、菜豆、番茄等
•氮氧化物：悬铃木、向日葵、番茄、豌豆、紫花苜蓿、烟草等
•乙烯：兰花、黄瓜、番茄、皂荚、万寿菊等
•水体污染的指示生物
•睫毛针杆硅藻、簇生针杆硅藻、簇生竹枝藻只能在DO值高，未受污染的水体中大量繁殖，是清洁水体的指示生物。

•小颤藻等浮游藻类是严重污染水体中的优势种。

•小口钟虫：污水性指示种
•匣壳虫：寡污性指示种
•石蝇、石蚕、浅滩甲虫类对许多污染物敏感。

•水蚯蚓、摇蚊幼虫、蛭类通常在有机质丰富的环境大量繁殖。

污水生物系统法
•由于河流受污染后，在污染源下游的一段流程里会发生自净过程，即随着河水污染程度的逐渐减轻，生物的种类组成也随之发生变化，在不同的河段将出现不同的物种。

•根据生物种类组成将河流划分为多污带、α-中污带、β-中污带和寡污带。

各污染带都有各自的物理、化学和生物的特征。

水生生物群落优势种监测法
根据污染水体中不同的生物优势种群，把污染河流划分为9个水体带
1 粪生带：无藻类优势种
2 甲型多污带：裸藻群落，优势种为绿裸藻
3 乙型多污带：裸藻群落，优势种为绿裸藻和静裸藻
4 丙型多污带：绿色颤藻群落
5 甲型中污带：环丝藻群落或底生颤藻群落
6 乙型中污带：脆弱刚毛藻或席藻群落
7 丙型中污带：红藻群落，优势种为串珠藻；或绿藻群落，优势种为团刚毛藻或环丝藻群落。

8 寡污带：绿藻群落，优势种为簇生竹枝藻；或环状扇形藻群落；或红藻群落。

9 清水带：绿藻群落、优势种为簇生竹枝藻；或红藻群落，优势种为胭脂藻等。

PFU法
•PFU（polyurethane foam unit)法是用聚氨酯泡沫塑料块采集水域中微型生物和测定其群集速度来监测和评价环境质量状况的一种方法。

1969年由美国弗吉尼亚工程学院和弗吉尼亚州立大学环境研究中心的Cairns 等人1969年创立。

国内自80年代起将这种方法用于污染水体的监测和评价。

•PFU法的原理是岛屿生物学原理。

悬挂在水中的PFU块类似于水环境中的岛屿，原生动物有向岛屿聚集的特性。

原生动物集群过程实际上是集群速度随着种类上升而下降的过程，二者的交叉点就是种数的平衡点。

达到平衡点的时间取决于环境条件。

•PFU法的优点：使监测水平提高到了群落层次，使监测更符合客观事实和真实环境；简便易行。

生物指数法
•生物指数法是指用数学公式反映生物群落结构变化，以评价环境质量。

常用的有：
Ø生物指数（BI）＝2nA+nB, n为底栖大型无脊椎动物的种类数，A为敏感种类数，B为耐污染种类数。

Ø污染生物指数＝颤蚓类的个体数量／底栖动物个体数量×100
Ø硅藻指数＝（2A＋B－2C）／（A＋B－C）×100，A为不耐污染的种类数；B为对有机污染耐力强的种类数；C为在污染区内独有的种类数。

3 为制定环境质量标准提供依据
以环境容量为依据制定各种环境标准
环境容量：环境对污染物的最大允许（负荷）量，即保证人体健康和维护生态平衡的环境质量所允许的污染物浓度。

环境标准主要分为三大类。

4 人工模拟生态系统在污染防治中的应用
人工模拟生态系统是把复杂的结构和功能加以简化，如只选择某一食物链，或食物链上的某些环节构成的试验性生态系统。

采用这种微型生态系统来实现以下研究的目的：
（1）野外对比试验：以解释和验证自然生态系统的各种过程；
（2）研究各种污染对生物群落的影响；
（3）预测预报环境受到某种干扰后的质量变化；
（4）研究生态系统对污染物的反应、积累以及转移和降解途径。

研究农药降解和生物学放大模拟生态系统示意图
环境科学电子教案
第四章复习思考题
一名词解释：土地处理系统生态规划闭路循环工艺生态工艺生态农业生物监测生态监测
二简答题
1试述土地处理系统的净化机制
2什么是景观格局？主要有以哪些形式存在？
3生态农业有哪些基本特征？用什么标准衡量？
4简述生物监测的特点
5作为生态监测的指示生物就具备哪些基本条件？并列举常见的指示生物种类。

6何谓PFU法？该方法是利用什么原理来进行生态监测的？
7什么是人工模拟生态系统？它在环境保护中主要应用于哪些方面？
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