生态系统退化与恢复

2.4
恢复生态学的主要理论
• 恢复生态学的理论主要是演替理论, 但其核心原理是整体性原 理、协调与平衡原理、自生原理和循环再生原理等。 • 目前, 自我设计与人为设计理论是唯一从恢复生态学中产生的 理论。自我设计理论认为, 只要有足够的时间, 随着时间的进 , , 程, 退化生态系统将根据环境条件合理地组织自已并会最终改 变其组分。而人为设计理论认为, 通过工程方法和植物重建可 直接恢复退化生态系统, 但恢复的类型可能是多样。这两种理 论不同点在于: 自我设计理论把恢复放在生态系统层次考虑, 未考虑到缺乏种子库的情况, 其恢复的只能是环境决定的群落; 而人为设计理论把恢复放在个体或种群层次上考虑, 恢复的可 能是多种结果。
• 恢复目标是通过修复生态系统功能并补充生物组分使受损的 生态系统回到一个更自然条件下, 理想的恢复应同时满足区域 和地方的目标。 • Hobbs 和Norton 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、功能。 • 事实上, 进行生态恢复工程的目标不外乎4 个: ①恢复诸如废弃 矿地这样极度退化的生境,②提高退化土地上的生产力; ③在被 保护的景观内去除干扰以加强保护; ④对现有生态系统进行合 理利用和保护, 维持其服务功能。
• 生态系统退化的部分原因来自自然灾害，直接原因 是人类活动, 有时两者叠加。 自然干扰中以外来种入侵、火灾及水灾为主。 人类活动: 过度开发占35%, 毁林占30%, 农业活动占 28%, 过度收获薪材占7%, 生物工业占1%。
1.3 生态退化的主要类型
包括土壤侵蚀、土地沙漠化、耕地盐渍化、酸雨、森林生态系 统退化等。以土壤侵蚀最为重要。
I. 土壤侵蚀是指地球表面的组成物质在内、外力作用下，发生
剥蚀、搬运和重新聚积的过程。中国土壤侵蚀面积达367万km2， 许多地区的水土流失面积、侵蚀强度、危害程度呈加剧的趋势， 全国每年新增水土流失面积1万km2。 依据外力性质可分为：水力侵蚀、重力侵蚀、冻融侵蚀和风力 侵蚀等。其中水力侵蚀是最主要的一种形式，俗称水土流失。
• 退化生态系统是指生态系统在自然或人为干扰下形成 的偏离自然状态的系统。 • 与自然系统相比, 退化生态系统的种类组成、群落或 系统结构改变, 生物多样性减少, 生物生产力降低, 土 壤和微环境恶化, 生物间相互关系改变。
1.2 生态退化形成的原因
• 人为因素是引起生态退化的主导和诱发原因，而且 人为因素对生态系统的影响往往不确定，它既可加 快生态系统的退化，也可阻止逆向生态演。 • 自然因素实际上就是构成生态系统中的非生物因素， 是生态系统的重要组成部分，这些因子的组合是生 态系统形成和演变的基础，贯穿于整个生态系统的 发生和演化的过程。
2005年汛期，我国珠江流域、福建闽江、淮河干流、辽河流域的浑河、太子河等 江河发生了较大洪水和大洪水，直接经济损失1360亿元，死亡1247人。
19世纪50-70年代，中国荒漠化土地每年以 1650平方公里的面积在扩大，90年代以来则 达到Fra Baidu bibliotek年24.6万公顷，每天就有5.6m2的土地 荒漠化！
II. 土地沙漠化是指在干旱多风的沙质地表条件下，由于原生
植被的破坏，沙土及移动的土地退化。中国荒漠化土地面 积已达262万km2，而且每年以2460km2 的速度扩大。
III.耕地盐渍化是危害我国农业耕地的一个重大区域生态问题， 耕地盐渍化
主要分布中国北方排水不良、地下水位较高的地区。危害 最为突出的是黄淮海平原盐渍化区，常造成耕地盐渍化， 失去生产力。
• 恢复模式是一个包括了预期的物理、化学和生物特征的生态 恢复框。发展一个恢复模式将可加强在地方和区域尺度的生 物多样性和功能, 并要了解这两个尺度上的限制和机遇。 • 恢复模式需要当前的信息(海拔、水文、植被、土壤、地形、 时空异质性、人类干扰等) 和历史信息(相关的杂志、书籍、 论文、标本记录、图件、气象记录、航空图片、土地利用规 划、土壤等) 。
恢复生态学的理论基础可分为5 个方面, • 土壤层次：土壤恢复的原则及过程、土壤营养恢复过程及协 土壤层次：
助措施、土壤恢复的工程措施及辅助手段、土壤污染的积累及 清除过程和措施、土壤微生物、动物与菌根的生态恢复。
• 种群生物学基础包括：起源种群的个体数量和基因变异对
种群定居、发育、生长和进化潜力的影响; 种群成功恢复中适 应性和生活史特征的作用; 景观元素的空间格局对多种群动态 和种群过程的影响; 种间作用对种群众、动态和群落发育的影 响。
C.生态环境恶化：水土流失导致地表植被的严重破坏，自然生态 环境失调恶化，洪、涝、旱、冰雹等自然灾害接踵而来，特别 是干旱的威胁日趋严重。风蚀致使大面积土壤砂化，经常形成 沙尘暴天气，造成严重的大气环境污染。 D.破坏水利、交通工程设施：水土流失带走的大量泥沙，被送进 水库、河道、天然湖泊，造成河床淤塞、抬高，引起特大洪水。 重力侵蚀的崩塌、滑坡、或泥石流等经常导致交通中断，破坏 道路桥梁，造成巨大的经济损失。
2.2 生态恢复研究进展
• 20世纪70年代，生态恢复研究取得了较大进步，其中对温 带陆地、淡水生态系统的退化与恢复关注较多。80年代以 来，开始进行一些退化生态系统恢复与重建的实验，在不 同区域实施了一系列生态恢复工程，并加强了对退化生态 系统演化、退化与恢复机理以及恢复方法和技术的研究。 1985 年，国际生态恢复会成立，1987年，《恢复生态学— —生态学研究的一种合成方法》一书的出版，标志着生态 恢复作为一门学科产生。
• 景观生态学基础包括：空间异质性理论; 从景观角度选择 景观生态学基础包括：
合适的位点及恢复目标; 恢复现象在小尺度上不能解释时可在 大尺度上进行, 如短时间内看到病虫害爆发, 而长时间则是导 致了多样性。
2.5
生态恢复的方法
• 不同类型、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、土壤恢复技 术(如耕作制度和方式的改变、施肥、土壤改良物等)、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(品种改良、植物的搭配等)、 消费者(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(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雨林过程中, 采用生物与工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3个步骤取得了成功。
• 群落生态学基础包括：生物多样性理论与恢复; 生境异质
性与生态系统功能恢复的过程; 演替和干扰理论与恢复过程; 如果群落的演替可预测, 则通过人为干预可加快恢复速率。
• 生态系统生态学基础：主要是功能方面的物质循环和能量
流动原理; 食物网的构建; 营养传输的效率; 初级生产力和分 解速率; 非生物环境的形成; 。
1.4 退化生态系统的特性
a) 相对性：指某些生态因子超出其正常波动干扰范围，造成某 些方面的退化，但其他生态因子并没有超出其正常波动范围， 生态系统的功能没有完全退化。 b) 不稳定性：由于其结构和功能的缺陷，再次受到外界干扰时， 将进一步退化，系统的生产力将进一步降低。 c) 可逆性：在对引起生态退化的因素进行修复后，生态系统回 到原来的稳定状态。 d) 可控性：可以在人类的干预下朝着一定的方向发展，达到另 一种稳定状态。 e) 时间性：引起生态退化到退化生态系统需要一定时间，反过 来，对退化生态系统的恢复和重建也需要一定时间。
生态系统退化与恢复
• 人理恢复、保护和开发自然资源的挑战：环境污染、 植被破坏、土地退化、水资源短缺、气候变化、生 物多样性丧失等生态退化问题。 • 全球约有5×109hm2 的土地退化, 约有43% 的陆地植 被生态系统的服务功能受到影响, 全球土地荒漠化造 成的损失423 亿美元/年, 而每年进行生态恢复而投入 的经费100~224 亿美元(Daily 1995)。中国的退化生 态系统面积约占国土总面积的1/4 (Ren and Peng, 2001)。
• 由于生态系统复杂性和动态性, 恢复生态学的首要目标仍是保 护自然的生态系统, 第2 个目标是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; 第3 个目标是对现有的生 态系统进行合理管理,避免退化; 第4 个目标是保持区域文化的 可持续发展; 其它的目标包括实现景观层次的整合性, 保持生 物多样性及保持良好的生态环境。 • Parker 认为, 恢复的长期目标应是生态系统自身可持续性的恢 复, 但这个目标的时间尺度太大, 加上生态系统是开放的, 可能 会导致恢复后的系统状态与原状态不同。
土壤侵蚀主要危害包括以下方面：
A. 破坏土壤资源：大量土壤资源被蚕食和破坏，土层变薄， 破坏土壤资源： 大面积土地被切割得支离破碎，耕地面积不断缩小。黄土 高原总面积为53万km2，水土流失面积达43万km2。 B. 土壤肥力和质量下降：通过水土流失的土壤，一般是较肥 沃的土壤表层，造成大量土壤有机质和养分损失，土壤理 化性质恶化，土壤板结，土质变坏，土壤通气透水性能降 低，使土壤肥力和质量迅速下降。全国每年流失土壤超过 50万吨，相当于剥去10mm厚的较肥沃的土壤表层，流失 的氮磷钾等土壤养分相当于5000多万吨化肥量。
• 我国从20世纪50年代就开始了退化环境的定位观测试验和 综合整治工作，主要集中在资源质量的评价上，对有关退 化生态系统恢复进行了初步研究，实施了一些小规模的恢 复试验。近年来，生态退化、环境污染等问题日趋恶化， 成为影响我国可持续发展的重要因素，引起有关政府部门 和相关科学家的关注和重视。
2.3 生态恢复的目标与模式
• 在海岛和海岸带区域天然植被是最好的植被类型, 最好的恢复 办法是自然恢复, 可以缩短实现森林覆盖所需的时间, 保护珍 稀物种和增加森林的稳定性, 投资小、效益高。另一种办法是 生态恢复, 即通过人工的方法,创造良好的环境, 恢复天然的生 态系统, 主要是重新创造、引导或加速自然演化过程。 • 生态恢复方法又包括物种框架法和最大生物多样性方法。所谓 物种框架法是指在距离天然林不远的地方, 建立一个或一群物 种, 作为恢复生态系统的基本框架, 这些物种通常是植物群落 中的演替早期阶段物种或演替中期阶段物种。最大生物多样性 方法是指尽可能地按照该生态系统退化前的物种组成及多样性 水平种植进行恢复, 需要大量种植演替成熟阶段的物种, 忽略 先锋物种。
2 生态恢复
• • • • 2.1 生态恢复的内涵 2.2 生态恢复研究进展 2.3 生态恢复的一般步骤 2.4 生态恢复采用的技术
2.1 生态恢复的内涵
• 生态恢复是使受损生态系统恢复到受干扰前的状态过程，它 研究生态系统自身的性质、受损机理及修复过程。恢复生态 学是研究生态系统退化的过程与原因、退化生态系统恢复的 过程与机理、生态恢复与重建的技术与方法的科学。 • 生态恢复不仅包括退化生态系统结构、功能和生态学潜力的 恢复与提高，而且包括人们依据生态学原理，使退化生态系 统的物质、能量和信息流发生改变，形成更为优化的自然-经 济-社会复合生态系统。
• 1.1 生态退化的内涵 • 1.2 生态退化形成的原因 • 1.3 生态退化的主要类型
• 1.4 退化生态系统的特性 • 2 生态恢复 • 2.1 生态恢复的内涵
1.1 生态退化的内涵
• 正常的生态系统由于具有抵抗力和恢复力稳定性，因 此，系统结构和功能总是在一定范围内波动，不会因 外部干扰而发生大的变化，在生物群落和自然环境之 间取得一种平衡。 • 在干扰的作用下，如果生态系统的结构和功能发生了 位移，原有的平衡状况被破坏，系统的结构和功能就 会发生变化和障碍，形成破坏性波动或恶性循环，这 样的生态系统即受损生态系统或退化生态系统。
• 恢复生态学应用了许多学科的理论, 但最主要的还 是生态学理论。主要有: 限制性因子原理(寻找生 态系统恢复的关键因子)、热力学定律(确定生态 系统能量流动特征)、种群密度制约及分布格局原 理(确定物种的空间配置)、生态适应性理论(尽量 采用乡土种进行生态恢复)、生态位原理(合理安 排生态系统中物种及其位置)、演替理论、植物入 侵理论、生物多样性原理(引进物种时强调生物多 样性, 生物多样性可能导致恢复的生态系统稳定) 等等。