生态系统的过程和功能-浙江大学生命科学学院

全球性的城市化
(a) 1975
(b) 1985
牧场、农田、森林和城镇人居地区NPP分别占 16%，32%，33%，9% （Ellis and Ramankutty， 2008）
人工系统缺失了其他服务
破缺与耦合
现代农业 提高食物 产量的同 时降低其 他生态系 统服务
（Chang et al. 2013)
Frontiers in Ecology and the Environment
拥挤地球的生态学
地球系统已超越将生态系统修复到过去 状态的传统理念
未来环境很大一部分将由人工不同程度 影响的生态系统所组成（Palmer et al., 2004）
自然科学家可能难以接受这个现实，但 这个趋势不可逆转！“人类世”
人工生态系统研究现状
研究少、水平低。生态学家介入很少， 产业部门有一些生态研究，水平不高
从原生态系统到城核系统
核——城市 质——田野 制造器：城市边缘工
业园区 能量器：分散在田野
中的农田、煤矿、油 田等 保护区------原生态系 统 还有？？
生态仿生
城核系统的聚合-突生假说
破缺-偶合形成了比原生态系统更大的城核系统 生态核、生态器和生态质 城核生态系统的核是具有大学的城市 —— 常杰、葛滢《统合生物学纲要》，2005
人工生态系统
人工生态系统：从修饰原生态系统（宽 泛）到设计建造（严格）的一系列生态 系统
森林、人工林、农田、设施农业、人工 湿地、污水处理厂、城市、。。。太空 舱
自然系统与人工系统的活力
人类主导后生产力提高
人工种植园以5%的森林面积生产全球15% 的木材，Paquette and Messier，2010）
Livestock Pets
Aquaculture
生物生产 工业生产 生物分解 工业分解 调控
Outputs
Industry Urban greenland
Garbage treatment
Groundwater
Surface water
Wastewater treatment
System boundary Outputs
城核系统
—— 破缺与耦合、组织与自组织
城核系统的外貌
水平结构
城核系统的垂直结构
城核系统的交通网络结构
通讯网络结构
城核系统的功能结构
Inputs
Forest
Functional group boundary
Grassland
Cropland
Near-surface atmosphere
Human
生态系统(E)
农田(E1) 森林(E2) 草地(E3) 城市(E4) 河流(E5) 湖泊(E6) 水塘(E7)
人类-自然耦合系统层次的氮过程：
自然系统与人工系统 的消长
全球陆地未受人类 干扰的面积仅有23%
人工生态系统已覆 盖全球75%无冰陆地
牧场、农田、人类 影响森林和人居面 积分别占30%，21%， 19%，7%
生态系统排列在S族上，意味着它在 结构和功能上的定向化。由此发现 了生态器、生态核和生态质
P族的新层次系统
P族上，多细胞有机体之上与全球生命系统 之间还有一个层次，即这才是第4个层次
这个系统应该是刚刚形成的城核生态系统
– 在P族上，尺度介于多细胞有机体和全球生命系 统之间
– 在一维谱上，正好包含生态系统（类似真核细 胞与原核细胞的关系）
充分利用空间等资源
回顾——生物系统螺旋
对生物系统谱的认识
从一级结构上升到二
级结构
？
谱带螺旋上升，各个 系统的尺度逐渐加大
周期性回到原来方位， 提高一个等级层次
同族系统相似
回顾-城核系统假说的预测力
从螺旋图上推理出P族有新层次，在 我们所知的4个层次之外，找到了新 层次——城核系统
功能群层次的氮过程：
系统的等级层次：
系统(System) 人类-自然耦合系统
功能群(FG)
加工者 (FG1): S1-7
消费者 (FG2): S8-9 移除者 (FG3): S10-11 生命支持系统 (FG4): S12-14
子系统(S) 农田(CL) 草地(GL) 森林(FR) 牲畜养殖(LS) 水产养殖(AQ) 工业(ID) 城市绿地(UG) 人类(HM) 宠物(PT) 污水处理(WT) 垃圾处理(GT) 近地面大气(AT) 地表水(SW) 地下水(GW)
– 具有完全系统的特征，属于P族系统 – 因为尚处于形成期，因而结构还不明朗 – 可通过真核细胞类比推测
两类基本生态系统
自然生态系统的类型归属
– 原生态系统（protoecosystem， protoecos）——保护区
分工后生态系统将成为两大类
– 生态器、生态核 – 生态质
为分工的生态系统——保护区
相邻学科与新生态系统
城核系统学
细胞学
新空间经济学
杜能的理论 （孤立国）
景观生态学
经济地理学
城市学
人类生态学
生态系统学
群落学
经济学
地理学
生态学
生物学
回顾——等级层次生命系统的演进
体积显著增大 组分和所包含的等级层次增多 结构与功能的复杂化 生物适应能力提高 系统结构发育过程涉及的调控机制复杂化 系统内部状态的相对更稳定 寿命延长。有利于生态上的竞争 增加单位土地面积上的生命物质密度，更
地球最富活力的部分，反而成为生态学 研究空白
当生态学成为社会核心时，生态学家却 退居边缘！
研究背景 - 科学内生需求
生态学理论停滞已久
– 1941年Tansley提出生态系统，1950s 经 Odum系统整理成熟
– 1930s种群理论趋于成熟 – 70余年里仅小修补
新的革命已经到来
– 新系统层次刚刚进化出来 – 大量案例和数据的积累 – 相邻学科的发展：经济学、物理学 – 数理工具与实用工具
Does growing vegetable in plastic greenhouses enhance regional ecosystem
services beyond theቤተ መጻሕፍቲ ባይዱfood supply? 塑料温室能否既提高供给食物又强化区域生态 系统服务？
Jie Chang, Xu Wu, Ying Ge et al., 2013