第五章 环境污染与
生态恢复
第一节 环境污染
? 环境污染:由于人类活动特别是工农业生产和
军事活动所引起,包括有毒物质的释放和废弃
物的排放对生态系统的不良作用。
? 污染源:对环境产生污染的物质即为污染物或
污染因子,污染环境的物质发生源则成为污染
源。按污染造成的原因,可以将污染源分为天
然污染源和人为污染源。
一、污染的概念与类型
环境污染源
自然污染源 人为污染源
生物污染源 生活污染源 非生物污染源 生产性污染源













































图 24 主要环境污染源
? 污染的类型
- 按污染原因分:天然污染、人为污染。
- 按环境要素分:大气污染、水体污染、土壤污染、
生物污染 。
- 污染物的形态:气态污染、液态污染、固态污
染 。
- 按污染物的性质分:化学污染(有机、无机污
染)、物理污染(噪声污染、微波辐射污染、放
射性污染、热污染)、生物污染(病原体污染、
变应原污染)。
二、污染的成因及生态过程
? 成因
- 人为污染主要是由于大规模工业生产造成的,
资源开发消耗大量原料和能源,破坏资源和生
态的自然状况,原料、能源的不完全转化最终
形成废气、废水、灰尘和各种废弃物,进入环
境,造成污染。
- 自然污染主要是由于自然环境状况的变异引发
的污染。如由火山喷发释放的 SO2、尘埃等污染。
? 生态过程
- 污染物的扩散 -混合过程:大气湍流扩散过程、
海洋湍流扩散过程、河流湍流 -混合过程和土壤
污染及扩散过程。
- 污染物的吸附 -解吸过程:包括静电吸附、化学
吸附、分配、沉淀、络合及共沉淀等反应。
- 污染物的溶解 -沉淀过程:在生态介质、生态组
分的作用下,会发生溶解 -沉淀过程。
- 污染物的生物降解 -合成过程:包括生物的降解
过程、共代谢过程和生物的合成过程。
- 污染物的动植物吸收 -摄取过程,
- 植物的吸收过程 污染物从土壤及土壤水
沿根系吸收进入植物体;植物还可以通过呼吸作
用过程经由植物叶、茎、果实等吸收。
- 动物的吸收 -摄取过程 主要通过表皮吸收、
呼吸作用及摄食过程等途径发生。
- 污染物的生物积累 -放大过程 浮游植物吸
收 -浮游动物吸收 - 鱼类吸收 – 食鱼动物吸收
– 顶极肉食动物吸收。
第二节 污染的生态效应
一、污染的生态效应
? 组织器官污染效应
植物根、茎、叶等器官形态变异,功能减弱;
动物肝脏、肾脏等器官受损,功能变差。
? 生物个体污染效应
植物株高、产量、生活力降低;动物体长、体
重下降,体格畸形,寿命缩短等。
? 生态系统污染效应
污染对生态系统结构与功能的影响,包括组成
成分、结构、物质循环、信息传递和系统动态
进化的影响。
? 生物群体污染效应
对植物的分布、物种的形成、生态型的分化、
植被的组成、结构的变化与植被的演替等产生
影响。
二、污染生态效应的生态类型
? 组成变化类型
- 非生物环境组分的变化:与非生物组分的化
学反应;生物的新陈代谢产物发生改变。
- 生物组成的变化:物种多样性变化。
- 生物体内成分的变化:组织器官、营养物质
变化。
? 结构变化类型
物种结构、营养结构和空间结构(垂直结构、
水平结构)发生变化。
? 功能变化类型
污染物直接或间接(通过改变生态系统结构)
改变生态系统的能流、物流和信息流。
? 基因突变类型
污染导致染色体数目的增加或减少,DNA分子中
碱基对的增加、缺失或错配。
? 个体毒害类型
污染物与生物个体某些作用器官的特定部位
(即受体)之间相互作用,产生一系列反应,
生物体细胞发生变性,甚至坏死,生物个体遭
受毒害。
? 生理变化类型
污染物对动植物的毒害在未表现出症状前,引
起生理、生化过程的变化,导致生物体对营养
元素吸收的异常。
? 综合变化类型
生理生化、个体、群体和生态系统的变化。
第三节 生态系统的污染效应
一、农田生态系统的污染效应
? 重金属污染:汞、铬、镉、铅和砷(类金属)
进入农田后,对土壤、作物、地下水污染,从
而影响生态系统结构和功能的稳定性。
? 农药污染:农药的积累和浓缩,影响生态系统
的健康,进而影响系统本身的物种组成和数量、
结构和功能。
二、森林生态系统的污染效应
? 重金属污染,As,Ni,Cr,Cu,Pb等重金属对
森林植物的生长、发育有重要影响,但不象农
田生态系统严重。
三、草地生态系统的污染效应
? 对草本植物的影响:重金属对植物的危害顺序为
根部 > 叶子 > 果实 > 种子。
? 对食草动物的影响:重金属对肝、肾的影响较
大。
? 对食肉动物的影响:肾组织对金属重度有放大
作用。
? 对草地低等动物的影响:如镉在蚯蚓体内的累
积。
? 对鸟类的影响:污染物通过食物链从鼠类等小
型哺乳动物向鸟类迁移。
四、水生生态系统的污染效应
? 富营养化:大量有机物的分解,引起水体生态
生态系统发生变化,水生动植物因缺氧死亡,
生态系统平衡破坏。
? 重金属及无机化合物的生态效应:污染物的
(微生物)强化和(生物)累积效应。
? 有毒有机污染物的生态效应:酚污染(挥发)、
多氯联苯污染(难以分解)、苯并芘污染(核
酸分子结构改变)和农药污染(富集)。
五、海洋生态系统的污染效应
? 石油污染的生态效应:海洋动物窒息、海鸟丧
失飞行能力、幼虫和海藻孢子失去栖息地。
? 重金属污染的生态效应
六、城市生态系统的污染效应
? 空气污染的生态效应:诱发重病如癌症。
? 饮用水污染的生态效应:人体中毒、诱发病变
等。
一、污染生态效应的发生机制
? 物理机制,污染物在生态系统中发生渗透、蒸发、
凝聚、吸附、解吸、扩散、沉降、放射性蜕变等
物理过程,伴随着这些物理过程,生态系统的某
些因子的物理性质发生改变,从而影响到生态系
统的稳定性,导致各种生态效应的发生。
第四节 污染生态效应的
发生机制与防治
? 化学机制:化学污染物质与生态系统中的无机环
境各要素之间发生化学作用,导致污染物的存在
形式不断发生变化,其对生物的毒性及产生的生
态效应也随之改变。如亚砷酸盐的毒性明显高于
砷酸盐。
? 生物学机制:污染物进入生物体后,对生物体的
生长、新陈代谢、生理生化过程产生的各种影响。
- 生物体的累积、富集机制
- 生物吸收、代谢、降解与转化机制 在各种酶
的参与下发生氧化、还原、水解、络合等反应,
增加或减少污染物的毒性。
? 综合机制:综合多种物理、化学和生物学的过程
并且往往是多种污染物共同作用,形成复合污染
效应。
- 协同效应( +) 一种或两种以上污染物的毒性
效应因另一种污染物的存在而增加的现象。
- 加和效应( +) 两种或两种以上的污染物共同
作用产生的毒性或危害为其单独作用时的综合。
- 拮抗效应( -) 污染物的毒性或危害因其他污
染物的存在而降低。
- 竞争效应( -) 一种污染物与另一种污染物发
生竞争,而使另一种污染物的危害或进入生态系
统的几率降低。
- 保护效应( -) 一种污染物对另一种污染物的
掩盖作用,使其危害或毒性不能表现。
- 抑制效应( -) 一种污染物对另一种污染物的
作用,使其生物活性下降,不易进入生态系统产
生毒害作用。
- 独立作用效应( 0) 各种污染物间不存在相互
作用。
二、污染生态效应的防治
? 物理方法,减少污染源,阻止污染物在生态系统
中渗透、蒸发、凝聚、吸附、解吸、扩散、沉
降、放射性蜕变等物理过程。
? 化学方法:用化学方法降低污染物质对生态系
统的毒性与危害。
? 生物学方法:利用微生物或生物体的生理生化
功能 降解或固定污染物,降低其对个体、群体
和生态系统的危害程度。
? 污染物调控,减少污染物的 协同效应、加和效应
和独立作用效应,合理利用污染物的拮抗效应,
竞争效应、保护效应和抑制效应。
? 综合方法:物理、化学、生物、调控等方法的
综合应用。
一、土壤中重金属存在的方式 (形态 )
土壤中的重金属
土壤溶液 土壤固体

































第五节 土壤重金属污染
及其生态恢复
土壤溶液中
自由态金属
浓度
离子交换

吸附
氧化还原
反应
络合 /螯合
反应
酸 -碱
反应
沉淀和
溶解反应
物质转移
(地表 /下水,大气,生物 )
二 土壤中重金属的多项间的平衡
1
2
3
4
5
6
1 络合 /螯合反应
? 金属在溶液中的形态,
–自由态金属离子 (如, Cu2+,Cr3+),
–同有机或无机配位体结合的金属离子 (如,
Fe(H2O)62+,FeCN(H2O)5+),
Fe(H2O)62+ + CN- ? FeCN(H2O)5+ + H2O
+ Ca2+ ? P P O O O
O O
O O 4-
P P O O O
O O
O O 2-
Ca
? 无机配位体
– Cl-,OH-,CO32-,HCO3-,F-,S2-
? 有机螯合剂
–自然发生的有机物, 腐殖质,氨基酸等,
–合成螯合剂, EDTA,HEEDTA,EGTA,
DTPA,CDTA,EDDHA 等,
? 络合 /螯合反应对重金属命运和迁移的影
响,
– 络合 /螯合反应能促进金属碳酸盐,硫化
物,和氢氧化物的溶解,
– 络合 /螯合反应能促进吸附在土壤矿物表
面的重金属离子的解吸,
– 因而,络合 /螯合反应增加了重金属迁移,
– 络合 /螯合反应一般增加了重金属的生物
可用性,
2 沉淀 /溶解 反应
? 控制沉淀发生的主要阴离子,
– CO32-,HCO3-,Cl-,SO42-,OH-,PO43-
– H2S,HS-,S2- (还原条件下 )
? 主要的沉淀物,
–金属硫化物,氢氧化物,碳酸盐,磷酸盐,
硫酸盐,
3 氧化 /还原 反应
? 重要方面,
–描述土壤中氧化 /还原系统基本的概念和
原理, pE,EH,
–使用 pE-pH 图解释主要成分 /污染物 (如
S,N,Fe,Cr 等,)在土壤环境中的化学形
态,
4 吸附 /解吸 反应
a 吸附
b,c 表面沉降
d 凝聚
金属元素在土壤/沉积物固体中的形态
三、土壤污染 (原位 )修复
土壤污染的影响
人类和生态
系统健康
地下水
地表水 植被破坏
原位修复的目标
减少淋滤 降低生物 可用性 植被恢复
(金属)原位修复技术
隔离
( Isolation)
去除
(Removal)
稳定
(Stabilization)

体/



























1 固化 /稳定
向土壤中加入结合剂,使土壤中的金属污染物固化和
稳定化.其基本原理为使金属污染物生成氢氧化物、碳酸
岩、和硅酸盐等沉淀。处理深度可达 100 ft。
缺点,
( 1)改变了土壤的物理化学特性。
( 2)适用于污染面积较小的范围。
( 3)结合剂需要与土壤充分混合。
2 污染土壤玻璃化技术
在土壤中插入 电极通电,产生 1600-2000 oC使 土壤
变成稳定的、类似玻璃的物质,其中的大部分无机污染空
气被固定,有机污染物挥发或燃烧分解。
缺点:适合于小面积的被无机和有机污染物严重
污染的土壤;
处理费用高。
优点:处理深度可达到 20 ft。
3 电动修复技术
在土壤中插入 电极 通 电,使帶正 电 之污染物向 阴极
移 动,使帶負 电 之污染物向 阳极 移 动 而分 离 污染物, 最
后用沉淀法 或抽水抽 气 法 将 集中 于电极 附近之污染物
全部移除,
4 土壤淋洗技术
使用水或适合的溶液提取土壤中的 (金属 )污染物, 通常使
用的溶液包括,EDTA,DPTA,Citrate,Oxalate
5 植物提取技术
利用植物把土壤中的 (金属 )污染物转移到植物体地上
部分,然后融解植物体,使金属恢复再生, 植物修复是一种
经济的土壤污染修复技术,实用于 大面积 的 非严重污染 的
表层 土壤,已成为目前研究的热点, 研究主要分为两类,( 1)
超富集植物的筛选;( 2)高生物量植物结合 络合剂 提取
土壤中的污染物。
主要缺点:需要很长时间,植物体的再处置等。
(Salt et al,1998) (Salt et al,1998)
thlaspi-caerulescens
Zn,Cd 98 g Cd/ha y by a harvest of 8.7 t/ha (Felix,1997)
遏蓝菜属
Alyssum
Ni
香芥菜属
mustards
Cr,Cd,Zn,Se,U
芥菜属
6 化学稳定技术
化学稳定修复同固化 /稳定修复类似,但加入土壤的稳
定剂的量较少,因此通常不改变土壤的特性(如土壤结构,
渗透性等)。
7 植物稳定技术
单独使用植物,或与化学添加剂联合使用,稳定金属污染
的土壤,限制金属的移动性和生物可用性。除此之外,植
被还能防止土壤侵蚀,减少污染土壤的裸露,减少水的渗
透,因而减少金属的淋溶。修复同固化 /稳定修复类似,但
加入土壤的稳定剂的量较少,因此通常不改变土壤的特性
(如土壤结构,渗透性等)。
自由态金属浓度或
活度的测定和计算
污染物在矿物表面
吸附 /解吸
污染物与土壤 /沉积物
中矿物结合的稳定性
测定方法,
DET,DGT,GIME,
PLM,ISE,DMT,
Voltammetries,CLE
计算方法,
CHESS,ECOSAT
EQ3/6,JESS,
MINEQL+,MINTEQA2
PHREEQC,PHRQPITZ,
VISUAL MINTEQ,
WHAM,GEOCHEM,
SPECIES
吸附模型,
2-pK CCM,2-pK DLM,
2-pK TLM,1-pK BSM,
2-pK BSM,1-pK TPM,
2-pK TPM,
Fixed-charge site,
Surface complexation model
Surface precipitation model
分级方法,
Tessier et al.,1979;
Lindau and Hossner,1982;
Miller and Mcfee,1983;
Chang et al.,1984;
Shuman,1985;
Kersten and F?rstner,1986;
Ure et al.,1993;
Han and Banin,1996,1997,1999;
Krishnamurti and Naidu,2000;
Shuman et al.,2002
污染修复
化学修复 生物修复
土壤,
Apatite
Zeolite
Lime
Red mud
Clay minerals
Iron oxide
Steel shot
Beringite
Biosolid
地下水,
Fe-PRB
Phytoextration
Phytostabilization
Phytostimulation
Phytovolatilization
Phytotransformation
Phytomining
Phytofiltration
Superaccumulator,
Thlaspi caerulescens
Alyssum
Mustard
Arabidopsis halleri
Salix
Sunflower
Fern
Edenfern
Lupinus albus
第六章 全球变化与生态恢复
第一节 全球变化的现象
一、全球变化
? 定义:地球生态系统在自然和人为变化影响下导
致的所有全球问题及相互其作用(蔡晓明,
2000) 。
? 狭义内容:包括大气臭氧层的损耗、大气中温室
气体增加和气候变暖。
? 广义内容:包括全球气候变化、土地利用和覆盖
变化、养分生物地球化学循环的变化、生物多样
性损失和生物入侵等。
图 25 全球增温幅度变化
(综合 1860-1990年土壤、大气和海面温度和 1961-1990年记录数据)
虽然不同时代气候变化模式有所差异,但进入 20世纪后,全球平均温度开始增
加的趋势十分明显
图 26 1750年以来温室气体逐渐增加
自前工业革命以来全球大气中 CO2和 CH4浓度增加很快
CO2增加 33% CH4增加 100%
图 27 温室气体增温贡献率
M e t h a n e
19%
O t h e r
Ha l o c a r b o n s
5%
CF C- 1 2
6%
Ni t r o u s O x i d e
6%
Ca r b o n Di o x i d e
64%
二氧化碳
甲烷
一氧化二氮
氯氟化

其它卤烃
图 28 臭氧浓度的变化及其与 UV-B辐射的关系
图 28 全球生物多样性减少的速率
二、全球变化的原因与潜在结果
? 原因,人口增长;人类盲目开发和破坏; 社会
体制、政策和法律的疏漏和失当。
图 29 人口增长速率
图 27 人类活动导致的温
室气体增加( %)
? 潜在结果,N循环改变 ;土地利用和土地覆盖改
变;大气 CO2浓度改变。
图 30 全球变化的原因与潜在结果
人口
CO2浓度的增加
农业
全球气候变化 生物多样性的丧失
工业
土地利用 /覆盖变化 N的地化循环改变
第二节 全球变化的内容
一、土地利用与覆盖变化
? 土地覆盖:陆地表面生态系统类型及其生物的
和地理的特征,如森林、草地、农田、水体。
? 土地利用:指对土地的利用方式。
? 土地覆盖变化:土地物理或生物覆盖物发生的
变化,包括生物多样性、初级生产力、土壤质
量、径流与沉积率的变化。
? 土地利用变化:人为土地利用方式的改变,以
及土地利用目的和土地管理意图的变化。
? 土地利用 /覆盖变化的影响:改变陆地生态系统
的结构和功能(森林砍伐、草地超载过牧、土地
垦殖、水体的过度或不合理的利用、水生生物的
过度捕捞和城市的扩张等),改变全球范围内的
生物地球化学循环,影响区域内的能量和水分收
入,进而影响区域的气候特征;改变地表的物理
化学特征,进而影响到微量气体的生物源和汇,
并通过圈层的相互作用给人类的生存环境带来深
远的影响。
二、生物地化循环的变化
? 生物地球化学循环:生态系统之间矿质元素的输
入和输出以及它们在大气圈、水圈、岩石圈之间
以及生物间的流动和交换过程(蔡晓明,2000),
? 生物地化循环的变化:人类活动和气候变化的条
件下,氮、磷、硫等物质的生物地球化学循环发
生了较大变化,影响大气质量和水质,产生酸雨
以及引起水体的富营养化。
图 31 人类活动增加全球固氮量 (x106T)
三、人口变化
? 庞大的人口给全球生态系统施加了巨大压力,人
类的活动尤其是工农业生产及对资源的耗费对全
球变化造成巨大影响,人类正在改变着地球。
图 32 人口数量与温室气体浓度的关系
四、生物多样性变化
? 研究表明,物种灭绝的速率是人类干预出现之前
自然速率的 1000-10000倍 (Wilson,1987).生物
多样性的丧失不可能逆转,一旦消失,就难以出
现。
五、全球气候变化
? 温室气体逐渐升高,导致气温升高,蒸发增加,
降水增加,但分配不均匀,如中纬度地区夏季蒸
发量大,容易形成干旱;低纬度地区,雨季降水
增加,极易形成洪涝灾害。
GCM模型
预测结果
全球平均增温 /C 全球平均增雨量/%
OSU 2.8 7.8
GFDL 4.0 8.7
GISS 4.2 11.0
UKMO 5.2 15.0
表 9 GCM模型预测的 2050年气温和降水变化
六、大气成分变化
? 随着人口数量的增加、人类经济活动的增强和现
代化工业的发展,人类对能源消耗量越来越大,
矿物燃料的大量使用和森林面积的减少,导致大
气中的二氧化碳、甲烷、氧化亚氮和氟氯烃类化
合物等气体的浓度明显升高,这些气体具有可使
大气温度升高的温室效应 (effect of green-
house),温室气体浓度的升高,将使全球气候发
生显著的变化。
温室气体 CO2 CH4 N2O CFC
工业化前的浓度 (Ul/l) 280 0.8 0.288
1990年的浓度 (Ul/l) 353 1.72 0.31 0.0002-
0.0003
年平均增加 % 0.5 0.9 0.25 4
吸收辐射能力 (相对于
CO2)
1 32 150 >10000
表 10 主要温室气体的变化
第三节 全球变化产生的影响
一、对农业的影响
? 二氧化碳浓度的影响,CO2浓度升高有利于光合
作用,但有时会使作物减产; CO2浓度升高,作
物 C/N比增加,蛋白质含量下降,品质下降;
CO2浓度升高,植物容易获得 CO2,气孔开放度
减小,蒸腾作用减弱,有利于包水,但由于温室
效应,气温升高,又使蒸发加剧,整体耗水可能
增加。
图 33 随温度增加棉花植株变大
? 气候变化的影响:温室效应使气温升高,可能会
延长植物的生长季,从而会使作物的分布格局北
移,甚至极地化或高山化,会使土地利用格局发
生重大变化;气候变暖可能会使极端气候如干旱、
风暴、热浪等增加,尤其是干旱半干旱地区,干
旱会使作物生产受到很大影响;气候变暖可能会
使病虫害的分布范围加大,生长季增长,对作物
生长产生较大影响;温室效应会使海平面升高,
洪涝、水淹、盐渍化、海潮、海浪灾害增加,影
响作物生产。
图 34 地质纪录显示,由于过去气候变暖导致植被带分布
海拔高度上升,造成一些物种和生态系统丢失。温带山地
仿真试验也得出了类似的结果,气候继续变暖特定气候带
的物种和生态系统可能消失,同时在很多山区,冰川的数
量和覆盖区、永久冻结带、季节雪被等都会减少。
二、对土壤的影响
? 土壤 C库的变化,CO2浓度增加,土壤的 C量会随
之增加;温度升高,土壤 C的输出量增加。影响特
定生态系统 C贮量的变化主要取决于生态系统的面
积,植被带的北移使冻原和北方森林带的 C贮量下
降。
? 土壤 CO2的释放:气候变暖、降水增加可使土壤
微生物和动物的活动加剧,土壤呼吸加快,全球
土壤释放 CO2的速度加快。
? 土壤甲烷气体的释放:气候变暖,稻田等作物的
种植带,全球土壤甲烷的产量可能增加。
? 气候变暖、降水增加的情况下,枯枝落叶的分解
速率加快; CO2浓度增加,光合速率提高,生产
力增加,输入到土壤中的枯枝落叶的总量会增加,
但由于温室效应,留存于土壤中的枯枝落叶相对
较少。
三、对枯枝落叶分解的影响
四、对土壤 N的影响
? 在气候变化的条件下,全球土壤的 N库存量会减少。
五、对土壤多样性的影响
? 在大气 CO2浓度升高、气温变暖的情况下,地面植
被的光合、生物生产要发生变化,因此,输入到土
壤中的有机质的质和量要发生变化,从而会影响到
土壤微生物和土壤动物的种类组成。不同的生态系
统类型中的生物多样性受气候变化影响的程度是不
同的。
六、对植被的影响
? 对植被结构的影响:气候等环境条件的变化会导致
生态系统内种群在其大小和作用上发生重组,可能
会使生物多样性减少或导致产生新的物种,而结构
组分的变化在一定条件下将可能逐渐改变植物群落
的组成、加快群落的演替,最终导致类型的改变。
? 对植被功能的影响:气候、人类活动和其他环境变
化可能会改变植被的涵养水源、调节气候、防治病
虫害、提供食物、旅游等生态服务功能。
图 35 随温度升高植物生活型改变
? 对植被格局的影响:全球变化改变植被的分布格局,
即植被带的北移;中、高纬度地区植被分布格局变
化明显,北方森林和冻原的面积大幅下降。
植被类

现有面积
( 103km2)
GCM预测的植被类型变化
OSU GFDL GISS UKMO
冻原 939 -302 -515 -314 -573
荒漠 3699 -619 -630 -962 -980
草地 1923 380 969 694 810
干旱林

1816 3 608 487 1296
湿润林

5172 516 -402 120 -519
表 11 全球主要植被类型面积变化预测
* 全球变化与草地退化 ------- 主驱动力的争论:气候
变化、超载过牧?
? 观点一,气候变暖、干旱加剧是草地退化的主要原
因,气候变化对植物生长和草原生产力的影响比载
畜量的影响更大。理由在于:干旱和半干旱草地生
态系统受到气候波动的频繁干扰而具有非平衡系统
的特点。其变化不是向确定的顶级状态发展,往往
形成多个相对稳定的, 状态, 。而这些状态是由一
些不可预测的随机因素控制的,如降水、干旱、火
烧等。一些认为是过度放牧引起的草原退化,实际
上可能是草原植被对气候等随机因素变化的反应。
观点二:草地退化, 推波助澜的是全球气候变化,
但助纣为虐的却是人类自己 ……” 人为的干扰无疑
是主导因素。理由在于:首先,气候变化是一个漫
长而复杂的过程,仅凭数十年的资料难以判断气候
变化的趋势;干旱和半干旱地区所观测到的温度升
降和降水量增减均在植物正常生长的范围之内,尚
不足以引起草原的迅速退化。其次,因气候变化引
起的植被变化应有渐进式的地带性推进特征,即荒
漠草原向典型草原推进、典型草原向草甸草原带状
推进;而目前草地的退化表现为全面的、以居民点
为中心的点状发散式分布,因此草原的迅速退化难
以归结到气候变化。
从我国北方农牧交错带的实例分析可以看出,第二
种观点更为合理。理由在于:首先,从宏观的自然
因素考察,干旱和半干旱区的气候变化是波动性的,
只要持续 2~3的干旱,就可以使草地生产力大幅度下
降;但连续 2~3年丰沛的降水又可使草地恢复生机。
其次,从干旱、半干旱区植物地下部生长发育的情
况来看,干旱年份植物地上部分生长受阻,甚至枯
死,但多年生牧草的地下部能在干旱的条件下保持
活的状态,一旦满足它的水分要求,就能形成地上
部。另外,目前尚未见到农牧交错带草地大范围的
带状渐进式退化,气候变化引起的草地退化暂时的
和局部的,可以简单理解为草地在外因胁迫下的休
眠现象。
七、对荒漠化进程的影响
? 荒漠化的概念:包括气候变化和人类活动在内的各
种因素造成的干旱、半干旱和干燥半湿润地区的土
地退化。
? 荒漠化的影响:荒漠化极大地改变了陆地表面的物
理特征,破坏了地表辐射收支平衡,诱发气候和环
境变化,而气候和环境变化的反馈作用又将进一步
影响土地荒漠化的进程,如此循环往复,对地球环
境产生深远影响。
? 在全球变化的影响下,我国干旱区范围的扩大及荒漠
化发展正在加深。具体为,
温度上升 1.5度,我国半湿润至干旱程度的土地面积
增加约 18.8X104km2,温润区面积减少约
15.7X104km2,荒漠化面积增加约 20.0X104km2;
温度上升 4度,半湿润至干旱程度的土地面积增加约
84.3x104km2,温润区面积减少约 95.9x104km2,
荒漠化面积扩大约 70.6x104km2,荒漠化面积平均
每年增加约 8.3x104km2(按 1965-2050年 85年平
均 )。
极端
干旱

干旱

半干
旱区
半湿
润区
湿润

总干
旱区
荒漠
化土

1950
-
1981


69.7 137 108 52.6 592.
7
297.
6
278
% 7.3 14.3 11.2 5.5 61.7 31 29
温度
(+
1.5C)


76.6 142.
7
108.
9
64.8 567 316.
4
298
% 8.0 14.9 11.3 6.8 59 33 31


-6.9 +5.7 +0.9 +12.
2
-25.7 +18.
8
+20
温度
(+
4C)


81.3 156.
4
116.
2
109.
3
496.
8
381.
9
348.6
表 12 全球气候变化条件下我国干旱区范围(单位,104km2)
第四节 全球变化的控制
与生态恢复
? 为了减少全球变化的影响,从生物圈这样大的尺度
上开展生态系统的恢复是不可能的,只能在景观及
以下尺度上开展各种退化生态系统的恢复与重建,
同是结合控制人口数量,减少工业和生活污染,对
健康的生态系统进行合理管理。
第七章 生态系统健康
与生态恢复
第一节 生态系统健康的
定义与标准
一、生态系统健康的概念
? 定义: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。
? 内容:包括从短期到长期的时间尺度、从地方
到区域的空间尺度的社会、生态、经济功能及
从地方、区域到全球胁迫下的生态环境问题。
? 目标: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。
二、生态系统对胁迫的反应
? 胁迫因子:过度开发利用(对陆地、水体生态
系统的过度收获)、物理重建(土地利用 /土地
覆盖变化)、外来种的引入(外来种对乡土种
的竞争与排斥)、自然干扰(火灾、地震等)。
? 胁迫类型:单因子胁迫和多因子胁迫。多因子
胁迫会产生累积效应,增加生态系统的变异程
度。
? 胁迫反应:死亡(消亡);退化(偏离轨道);
恢复(恢复或接近原状);健康。
表 13 不同生态系统对同一胁迫的反应 (Rapport,1998)
指标 湖泊 河流 山地
系统性质
初级生产力 + + 0/-
水平营养运移 + + +
物种多样性 - - -/+
疾病普遍性 + + +
种群调控 - - -
演替的逆转 + + +
复合稳定性 - - -
群落结构
R-对策种 + + +
短命种 + + +
更小的生物群 + +?
外来种 + + +
种间相互作用 - - -
边界线 + + +
乡土种的消失? + +
人类对生态系统
的胁迫
收获
废弃物
物理重建
外来种入侵
极端事件
……
生态系统结构与
功能的改变
生物多样性降低
恢复力下降
疾病增加
r-对策种增加
富营养化
……
生态系统服务
价值降低
洪水增加
水质变差
空气质量下降
野生生物减少
旅游质量下降
……
人类健康风险
人类社会反应
改进环境管理
减少对环境的压力
增进生态系统健康
图 33 人类活动与生态系统健康的关系
三、生态系统健康的标准
? 活力:生态系统的能量输入和营养循环量。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。
? 恢复力 (弹性 ):系统克服压力及反弹恢复的容
量。一般而言,受胁迫生态系统比不受胁迫生
态系统的恢复力小。
? 组织:即系统的复杂性。一般认为,生态系统
的组织越复杂就越健康。
? 生态系统服务功能的维持:健康的生态系统服
务功能较强。
? 管理选择:健康的生态系统具有多种用途和管
理,不健康的生态系统不再具有多种用途和管
理选择。
? 外部输入:健康的生态系统对外部输入的依赖
程度降低。
? 对相邻生态系统的破坏:健康的生态系统对临
近生态系统几乎没有破坏。
? 对人类健康的影响:健康的生态系统对人类的
健康没有影响或影响较小。
* 其中,活力、恢复力和组织是最重要的 3个指标。
第二节 生态系统健康的
评估与预测
一、生态系统健康的评估指标
? 生态风险评价:评估人类活动或自然灾害对生
态系统组分的伤害概率。评价的主要步骤包括
调查研究、风险评估、风险定性和定量化、风
险管理等。但可操作性不强,无法直接用于生
态系统健康评价。
? 生态健康评价:为了更方便实现生态系统健康研
究的最终目的 — 有效管理,Ulanowicz和
Rapport提出用活力( V)、组织 (O)和恢复力 (R)
三项指标来评判生态系统的健康程度。
生态系统健康指数( HI)的测定公式为,
HI = V ? O ? R
式中,V是系统活力、新陈代谢和初级生产力的主
要标准; O为系统组织指数( 0?1),是系统组织
的相对程度,包括多样性和相关性; R为系统弹性
指数( 0?1),是系统弹性的相对程度。
二、评估指标的度量
? 活力的测量,Ulanowicz提出用网络分析法计
算系统的总产量( TST)和净输入( NI)。 TST
就是在单位时间内沿着各个体的交换途径的物
质转移量的简单相加( TST=.Tij),而 NI则可
直接从 TST中分离出来。
? 组织的测量,Ulanowicz提出用网络分析法建
立了组织的测量与预测方程。
? 恢复力的测量:生态系统的最大胁迫( MS)与
恢复时间( RT)与的比值( MS/RT)。
三、生态系统健康的等级理论
基因库
基因流 基因结构
遗传表达
珍稀物种保护
















种群生存力
商品生产与环境保护


















能流与物流
土地利用规划

















服务
功能
景观与生态功能

构 动态
第三节 生态系统稳定性
与生态系统健康
一、干扰的概念与类型
? 概念:群落或生态系统外部间断发生因子的突
然作用或连续存在因子的超, 正常, 范围波动。
其作用结果导致群落或生态系统特征(诸如种
类多样性、营养输出、生物量、垂直与水平结
构等)超出正常的波动范围。干扰体系的组成
要素有类型、频次、强度和时间。
? 类型:干扰类型可以归结自然干扰(非生物因
素干扰)和生物干扰(包括人为干扰)两大类。
非生物因素影响(火、风等)
植被的斑块状镶嵌
物候、结构、多样性
气候影响 动物影响
喜食情况
种子散布
食物贮藏
排泄物
践踏
植被影响
异种抑制现象
遮荫作用
繁殖特点
土壤影响
营养物质
土壤质地
地形特点
图 37 陆地生态系统的主要干扰因素
二、干扰与生态系统的稳定性
? 生态系统的稳定性至少包含两方面的涵义
抵抗力 — 系统抵御外界干扰使自身不致受到伤
害的缓冲能力,抵抗力越强则系统越不容易出
现伤害或崩溃现象
恢复力 — 系统遭外界干扰致使系统受损后迅速
修复还原自己的能力,恢复力越强则系统恢复
到正常的时间越短。
两者难以兼得,恢复力强则抵抗力弱,反之亦
然。
图 38 生态系统总稳定性 (抵抗力与恢复力 )关系






时 间
抵抗力的量度:当一次
干扰的强度和作用时间
一定时, 此区域的面积
越大 (轨迹偏离正常范
围越晚和幅度越小 ),
生态系统的抵抗力越强
功能轨迹曲线 正常作用范围
干扰
图 39 生态系统总稳定性 (抵抗力与恢复力 )关系






时 间
恢复力的量度:当一次
干扰结束后, 若恢复的
时间一定时, 此区域的
面积越大 (轨迹回复到
正常范围越早越快 ),
生态系统的恢复力越强
功能轨迹曲线 正常作用范围
干扰
? 干扰与生态系统健康和生态系统的稳定性具有密
切的关系。一般而言,健康的生态系统是稳定的,
但稳定的生态系统不一定是健康的。干扰作用于
稳定的生态系统或健康的生态系统会导致不稳定
或不健康,在一定强度范围下,干扰可能生态系
统不健康,但仍是稳定的;健康的生态系统是未
受到干扰的生态系统,但稳定的生态系统可能受
到干扰。
三、干扰与生态系统的健康
干扰
不稳定的
生态系统
不健康的
生态系统
图 40 干扰与生态系统健康、稳定性的关系
第四节 生物(植物)入侵
与生态系统健康
一、乡土种与外来种的概念
? 乡土种:自然源于一特定的地域或地区的物种。
? 外来种:引起生态系统发生大的波动变化、历
史文献又没有相关记录的物种可能是外来种;
物种发生变异、杂交形成且可能引起生态系统
内部发生变化的新种是外来种。
? 隐秘种:难以确定乡土种或外来种的物种。
标准 证据
1.化石证据 从更新世时期有化石连续存在。如无化石存在,则意味着物种
是外来种,但这不是定论性的。
2.历史证据 有文献记录的引种可证明为外来种,早期存在的历史文献不能
证明物种是乡土种。
3.栖息地 局限于人工环境的种可能是外来种。应注意把干扰地的杂草同
外来种混淆。
4.地理分布 植物的地理分隔虽然普遍存在,但物种出现地理上不连续时,
暗示该物种可能是外来种。
5.移植频度 被移植到多个地方的物种可能是外来种,乡土种多出现于特定
的地方。
6.遗传多样

隔离的物种出现遗传差异,这种种群可能是乡土种;外来种多
有遗传变质,不同地方出现均匀性。
7.生殖方式 完全进行无性生殖的乡土种很少,缺乏种子繁殖的物种可能是
外来种。
8.引种方式 物种入侵需要传播方式,解释物种引进的假说合理可行,说明
是外来种。
9.同寡食性
昆虫的关系
同亲缘关系近的乡土种比,取食外来植物的动物外。
表 14 确定乡土种和外来中的标准
二、植物入侵对生态系统的影响
? 对初级生产力的影响
+,新的生命形式;新的物候类型;用新的方式
摄取资源;新的演替生态位;外来种利用本地
植物不能利用的资源;外来种取代了生长率低
的乡土种。
-( 0),外来种的生长率等于或小于被取代的乡
土种;外来种的残体难分解;外来种促进干扰。
表 15 主要入侵植物造成经济损失估算
入侵植物名称 生长面
积(万
公顷)
直接损
失(万
元)
间接损
失(万
元)
总计损
失(万
元)
统计年

豚草 - - 60000 60000 1993
紫茎泽兰 /飞机

2470 1333800 - 133380
0
2000
水葫芦 /空心莲
子草 - - 4500 4500 1999
大米草 - - 10000 10000 1999
? 对土壤营养物的影响
+,固氮、凋落物分解,增加土壤的含氮量;不
同层次的根系分布,提高营养元素的利用率;
将土壤中难以吸收的元素转化为有机物,改善
营养物质的循环。
-( 0),凋落物营养贫乏或难以分解,降低土壤
的营养水平;积累盐分改变土壤 pH,影响其他
物种的生存;氮素挥发,土壤的含氮量下降;
分泌影响土壤微生物生长的物质,影响营养物
质的循环。
? 对土壤水分的影响
+,不同生态位的物种搭配,可以提高水分的利
用效率;通过根系的深浅组合,促进群落水分
平衡,提高水分利用效率;利用乡土种不能利
用的水源或乡土种利用量少的水分,改善生态
系统的水分平衡。
-( 0),外来种用水比乡土种多,在水资源有限
的地方增加群落的用水量;改变栖息地表面特
征,影响景观的水分平衡;改变物候进程,改
变水分平衡。
? 对干扰体制的影响
+,降低火灾的发生频率和火灾危害的严重性;
固定河岸带沉积物,截留或阻挡雨水,减少土
壤侵蚀。
-( 0),增加火灾发生频率和火灾危害的严重性;
一年生植物取代多年生植物,分散型生长的树
种取代密集型生长的树种,浅根系植物取代深
根系植物,均加重土壤侵蚀。
? 对群落动态的影响
+,增加物种的多样性与丰富度;促进群落的
正向演替;促进物种的生长、发育和营养物质
的转化;促进土壤微生物的活动。
-( 0),降低群落中物种的多样性;引发群落
的逆向演替;抑制物种的生长、发育和营养物
质的转化;抑制土壤微生物的活动。
三、影响植物入侵的因子
? 外因
- 光照:外来种对光的竞争力的大小是影响植物
入侵的重要因子之一。
- 水分,土壤的含水量、水质、水位的高低会影
响植物的入侵。
- 土壤养分,土壤肥沃或贫瘠影响入侵植物的生
长和群落的物种构成。
- 金属元素,金属元素抑制乡土种的生长,而对
外来种的影响不大。
- 干扰,修路、定居、开荒、放牧(包括野生动
物的采食)等会影响植物入侵。一般而言,中
度干扰有利于外来种生存。
- 传播媒体,鸟类、哺乳动物、昆虫、风、雨等
传播途径也会影响植物入侵。
- 其他,竞争、病原体、季节性干旱等均会影响
外来种入侵。随着全球气候的变暖,植物外来
种的分布范围会更加广泛,南极洲也会出现外
来种。
紫茎泽兰
飞机草
图 41 高速公路是外来物种入侵的通道
? 内因
- 繁殖方式,地下茎无性繁殖可避免或少受火
等外来干扰,有利于入侵植物的扩展。
- 种子特征,结构、拟态性、体积、附属物
(翅)等均会影响入侵植物种子的广泛传播。
- 抗逆性,物种的抗逆性会影响植物的入侵定居
与扩张。
- 协同进化,入侵植物进入新环境后的协同进化
有利于其生存和发展。
四、外来种的风险评价
? 外来种定居特性的评价
- 外来种在起源地的分布范围
- 外来种的个体生态学特性
- 外来种的生活史(休眠)
- 外来种的繁殖率
- 开始引进或最初入侵的数量
- 干扰对外来种的影响
? 外来种传播能力的评价
- 外来种的运输能力
- 外来种自身是否为病原体的载体
- 外来种的寿命和种子存活时间
- 外来种抵御干扰的能力
- 外来种的繁殖方式
- 外来种鉴定和识别的难易程度
- 控制方法的有效性
? 对外来种影响的评价
- 有无捕(采)食者或天敌
- 采食动物(天敌)的食谱宽度
- 以前引种的情况
- 经济影响
- 对环境的破坏
- 遗传方面的影响
五、外来种的管理与控制
? 外来种的管理
- 检疫管理:加强海关和边防检查站对入侵植物
的检疫和控制。
- 监测管理:对入侵植物的特性和危害进行动态
监测和管理。
- 信息管理:建立信息网络,共享入侵植物研究
方面的成果、信息和资料。
- 宣传教育:进行公共宣传,让公众参与入侵种
管理。
? 外来种的控制
- 机械控制法:外来种数量少、分布不广、群落
中有其他敏感种时,用机械控制法。
- 化学控制法:用专一性杀草剂控制外来种。
- 生物控制法:用天敌或病原体控制外来种。
- 综合控制法:几种方法的综合应用。
- 入侵地的恢复:生态、经济、社会服务功能的
有效恢复。
第八章 生态系统的
保育与管理
第一节 生态系统的服务
功能及其保护
一、生态系统服务功能的概念
? 定义,生态系统的服务功能是指人类直接或间
接地从生态系统结构功能(即生态系统中的生
境、生物或系统性质及过程)中获取的利益,
生态系统不仅为人类提供了食品、医药及其他
生活原料,更重要的是维持人类赖以生存的生
命支持系统,维持生命物质的生物地化循环及
水文循环,维持生物物种与遗传多样性,净化
环境,维持大气化学的平衡与稳定,为人类生
存与现代文明提供重要作用( Daily,1995,1997;
Costanza,1997,任海等,2001)。
? 特点:生态系统产品和生态系统功能的统一,具
有生产和生态双重属性;生态系统服务的基础和
前提是生态系统的开放性。
? 退化生态系统的恢复目标:恢复并维持生态系统
的服务功能,包括生态系统的产品、生物多样性、
土壤形成、种子传播、废物的去毒和分解、保护
海岸带、防止紫外线辐射、净化空气和水体、调
节气候等。
二、生态系统服务功能的内容
表 16 生态系统的服务功能 (Costanza,1997)


生态系统效

生态系统功能 举例
1 气体调节 调节大气化学成分 CO2/O2平衡,O3防护 UV-B,SOx水平
2 气候调节 对气温、降水的调节以及
其它气候过程的生物调节
温室气体调节以及影响云形成的 DMS(硫化二甲酯)
生成
3 干扰调节 对环境波动的生态系统容
纳、延迟和整合能力
防止风暴、控制洪水、干旱恢复以及其它由植被结
构控制的生境对环境变化的反应
4 水分调节 调节水文循环过程 农业、工业或交通的水分供给
5 水分供给 水分的保持与贮存 集水区、水库和含水层的水分供给
6 侵蚀控制和
沉积物保持
生态系统内的土壤保持 风、径流和其它运移过程中的土壤侵蚀和在湖泊、
湿地的累积
7 土壤形成 成土过程 岩石风化和有机物的积累
8 养分循环 养分获取、形成、循环和
贮存
固氮和 N,P等元素的循环
9 废弃物处理 流失养分的恢复和过剩养
分有毒物质的分解与转移
废弃物处理、污染控制和毒物降解
10 传花授粉 植物配子的转移 植物种群繁殖授粉者的供给
11 生物控制 对种群的营养级动态调控 关键种捕食者对猎物种类的控制、顶级捕食者对食
草动物的控制
12 庇护 为定居和临时种群提供栖
息地
迁徙种的繁育和栖息地、本地种区域栖息地或越冬
场所
13 食物生产 总初级生产力中可提取的 鱼、猎物、作物、果实等农渔业生产
? 生产生态系统产品:生态系统可以为人类提供
动植物产品。据统计,每年各类生态系统为人
类提供粮食 1.8X108t,肉类产品约 6.0X108t,
海洋提供鱼类产品约 1.0X108t。
? 提供栖息休憩场所:陆地和水生生态系统为野
生鸟、兽、虫、鱼提供必要的栖息环境,为人
们提供狩猎、垂钓、休闲等活动提供场所。
? 产生和维持生物多样性:生态系统通过生物群落
的整体创造了适宜于生物生存;不同种群对外来
扰动与环境变化具有不同的抵抗能力;不同生态
系统为不同种群的生存提供了场所。从而可以避
免某一因子的变动而导致物种的灭绝,保存了丰
富的遗传基因信息。
? 调节气候:生态系统在全球、区域、小流域和小
生境等不通的空间尺度上影响着气候。如温室气
体排放、降水调节。
? 减缓旱涝灾害:涵养水源、拦截雨水、减少径流、
固持土壤。
? 维持土壤功能:维持土壤的生产能力、维持土壤
的生物功能、维持碳源、减少温室气体的排放、
土壤污染的修复与改良、地下水的净化与保存。
? 传播花粉种子:维持动物传播花粉、种子的功能,
提高物种和生态系统的多样性,促进退化种群的
恢复。
? 有害生物的控制:自然生态系统的生态过程维持
供养了有害生物的天地或竞争者,限制了有害生
物的数量。各种生态系统过程结合起来,保障和
提高了生态系统的稳定性,保证了生态系统的服
务功能。
? 净化环境:植物对大气污染的净化作用、土壤-
植物系统对土壤污染的净化作用、藻类对水体污
染的控制和净化作用、肉食或腐食动物对有机体
的净化作用等,通过摄取、吸收和分解的自然生
物学过程保证了物质在自然生态系统中的有效循
环利用,防止了物质的过分积累所形成的污染。
? 景观学与精神文化功能:自然生态系统对人类的
情感活动有重要影响作用。洁净空气和水,相对
和谐的景观,有利于人的身心健康。自然生态环
境深刻地影响着人们的美学倾向、艺术创造、宗
教信仰。各地独特的动植物区系和生态环境在漫
长的文化发展过程中塑造了当地人们的特定行为
习俗和性格特征,决定了当地的生产生活方式,
孕育了各具特色的地方文化。
三、生态系统服务功能价值的评估
? 生态系统服务功能的价值分类:直接利用价值、间
接利用价值、选择价值和存在价值。
- 直接利用价值:食品、医药及其它工农业生产原
料、旅游和娱乐等带来的直接价值。直接使用价值
可以用产品的市场价格来估计。
- 间接利用价值:生物地球化学循环与水文循环、
维持生物多样性、保持土壤肥力等。间接利用价值
的评估根据生态系统功能的类型来折算,通常有防
护费用法、恢复费用法、替代市场法等。
- 选择价值:为了将来能直接或间接利用某种生态
服务功能的支付意愿。如人们为将来能利用森林涵
养水源、净化大气以及休憩娱乐等功能而愿意支付
的费用。比较典型的例子是退耕还林还草工程的生
态补偿。
- 存在价值:生态系统本身具有的内在价值,是人
们为确保生态系统服务功能能继续存在的支付意愿。
例如,森林调节气候的作用是不以人的意志为转移
的。存在价值介于经济价值与生态价值之间,它为
经济学家和生态学家提供共同的价值观。
? 生态系统服务功能价值的评估方法:替代市场技术、
模拟市场技术。
- 替代市场技术:以, 影子价格, 和消费者剩余价
值来表达生态系统服务功能的经济价值。评价方法
主要有费用支出法、市场价值法、机会成本法、旅
行费用法和享乐价格法。
- 模拟市场技术:以支付意愿和净支付意愿来表达
生态系统服务功能的经济价值,评价方法只有条件
价值法一种。它是生态系统服务价值评估中应用最
广泛的评估方法之一。
? 条件价值法:也称调查法和假设评价法。其核心是
直接咨询(调查、问卷、投标等)人们对生态系统
服务功能的支付意愿,并以支付意愿和净支付意愿
来表达生态系统服务功能的经济价值。
- 优点:适用于缺乏实际市场和替代市场交换商品
的价值评估,是, 公共商品, 价值评估的一种特有
的重要方法,它能评估各种生态系统服务功能的经
济价值,包括直接利用价值、间接利用价值、存在
价值和选择价值。
- 缺点:费工、费时,操作难度大。
? 费用支出法:从消费者的角度来评价生态系统服务
功能的价值。它以人们对某种生态系统服务功能的
支出费用来表示其经济价值。例如:森林公园的生
态系统服务功能可以用游客的消费支出作为其价值。
- 优点:直观、简捷、容易操作。。
- 缺点:适用范围较小,无法估测自然生态系统或
非盈利为目的生态系统的服务功能价值。准确性不
高,容易低估生态系统服务功能的经济价值。
? 市场价值法:与费用支出法类似,但它可适合于没
有费用支出的但有市场价格的生态系统服务功能的
价值评估。例如,评价保护土壤的经济价值时,可
用生态系统破坏造成的土壤侵蚀量、土地退化、生
产力下降的损失来估计。
- 优点:适用范围较广、内容较为全面。
- 缺点:操作难度大,无法实现所有服务功能的定
量化;误判率较高,容易过高或过低的估计某一生
态系统的服务功能价值。
* R.Costanza et al,The value of the world’s ecosystem services
and natural capital,Nature,1997,386,253-260,
表 17 中国生态系统的服务功能价值及其与全球比较
生态系统效益 生态系统价值( 10
8USD/a)
中国 全球 中国 /全球(%)
气体调节 237.18 13410 1.77
气候调节 224.54 6840 3.28
干扰调节 1184.05 17790 6.66
水分调节 297.40 11150 2.67
水分供给 1319.54 16920 7.80
侵蚀控制和沉积物保

324.44 5760 5.63
土壤形成 18.13 530 3.42
养分循环 2561.30 170750 1.50
废弃物处理 791.54 22770 3.48
传花授粉 133.99 1170 11.45
生物控制 178.65 4170 4.28
庇护 72.52 1240 5.85
食物生产 503.12 13860 3.63
原材料 279.81 7210 3.88
遗传资源 33.69 790 4.26
休闲 234.53 8150 2.88
文化 636.45 30150 2.11
表 18 中国各类生态系统的服务功能价值
生态系统类型 面积 (km2) 单位价值
(USD/km2)
总价值
(108USD/a)
总价值
(108RMB/a)
陆地 9600000 678 6508.92 56098.46
森林 1291177 1387 1790.75 15433.98
热带亚热带森林 821595 2007 1648.94 14211.73
温带森林 /泰加林 469582 302 141.81 1222.25
草地 4349844 232 1009.16 8697.68
红树林 575 9990 5.74 49.51
沼泽湿地 158597 19580 3105.33 26763.90
河流 /湖泊 50843 8498 432.06 3723.83
荒漠 1499473
冻原 4120
冰川 /裸岩 442461
耕地 1802910 92 165.87 1429.56
海洋 4730000 533 2521.96 21736.02
开阔海面 4380000 252 1103.76 9512.98
海岸带 350000 4052 1418.20 12223.04
全国 14330000 630 9030.88 77834.48
表 19 中国各省区生态系统的服务价值分析与排序
省区 单位效益
(RMB/hm2.
a)
总效益
(108RMB/
a)
总效
益排

省区 单位效益
(RMB/hm2.
a)
总效益
(108RMB/
a)
总效
益排

黑龙

17399 7867.002 2 广西 4499 1063.525 11
台湾 10349 357.971 21 安徽 4153 595.982 18
云南 8766 3364.312 7 甘肃 3665 1526.187 9
海南 8484 265.155 24 贵州 3619 652.144 16
湖南 8167 1739.548 8 西藏 3602 4424.567 4
江西 8105 1358.573 10 北京 2251 37.158 29
福建 7668 950.572 14 宁夏 2239 118.298 28
四川 7286 4217.448 5 陕西 2105 443.782 20
新疆 6773 11154.95
0
1 山东 1840 290.900 22
内蒙

6262 7225.534 3 山西 1717 275.353 23
浙江 6079 605.206 17 河南 1535 261.363 25
广东 5437 959.755 13 天津 1509 17.759 30
吉林 5195 1007.943 12 辽宁 1456 214.972 27
? 中国天然草地生态服务价值,
* 单价订正,Pij = (bj/B)Pi
式中,Pij,单位面积草地的生态服务价值;
bj,j类草地的生物量;
B,单位面积草地的平均生物量;
Pi:生态系统各类服务功能参考基准单价
i = 1,2,3,?,17 代表生态系统各类生态服
务功能;
j = 1,2,3,?,18 代表草地类型
* j类草地生态系统服务总价值,
Vj = ∑A jPij
式中,Vj,j类草地的生态服务总价值;
Aj,j类草地的面积;
Pij,j类草地的 i类服务功能 (i =
1,2,3?,17)
* 区域草地生态系统服务总价值,
V = ∑∑A jPij
式中,V,区域草地的生态服务总价值
(i = 1,2,3…,17; j = 1,2,3…,18)
表 20 中国各类生态系统的服务功能价值
草地类型 单位价值 (USD/hm2.a) 总价值
(108USD/a) 服务价值构成(% )
温性草甸草原 302.2 43.9 2.93
温性草原 183.4 75.4 5.03
温性荒漠草原 93.8 17.8 1.19
高寒草甸草原 63.3 4.3 0.29
高寒草原 58.6 24.4 1.63
高寒荒漠草原 40.2 3.8 0.26
温性草原化荒漠 95.9 10.2 0.68
温性荒漠 67.9 30.6 2.04
高寒荒漠 24.1 1.8 0.12
暖性草丛 338.9 22.6 1.51
暖性灌草丛 364.9 42.4 2.83
热性草丛 545.1 77.6 5.18
热性灌草丛 521.1 91.5 6.11
干热稀疏灌草丛 560.8 4.8 0.32
低地草甸 356.8 90 6.01
山地草甸 339.9 56.8 3.79
高寒草甸 181.9 115.9 7.74
沼泽 27282.9 784.1 52.34
合计 1497.9 100.00
表 21 不同区域草地生态系统服务价值( 108USD/a)
生态系统
效益
东北温
带半湿
润区
蒙宁甘温
带半干旱

西北温带
暖温带干
旱区
华北暖温带
半湿润半干
旱区
东南热带
亚热带湿
润区
西南亚
热带湿
润区
青藏高
原高寒

合计
气体调节 6.98 2.53 4.09 1.05 2.44 3.68 5.73 27.5
气候调节 0 0 0 0 0 0 0 0
干扰调节 138.93 5.36 22.28 2.59 0.59 7.20 31.16 240.7
水分调节 1.7 1.03 1.55 0.43 1.04 1.51 2.17 9.6
水分供给 116.32 4.49 18.65 2.17 0.49 6.03 26.09 201.5
侵蚀控制
和沉积物
保持
12.04 9.83 14.24 4.04 10.04 14.37 19.94 84.4
土壤形成 0.41 0.34 0.49 0.14 0.35 0.49 0.69 2.9
养分循环 0 0 0 0 0 0 0 0.0
废弃物处
理 163.98 34.42 63.21 14.52 30.67 49.76 88.50 476.0
传花授粉 10.38 8.47 12.27 3.48 8.66 12.39 17.19 73.1
生物控制 9.55 7.79 11.29 3.21 7.97 11.40 15.82 67.3
庇护、栖
息地 9.31 0.36 1.49 0.17 0.04 0.48 2.09 16.1
食物生产 35.66 23.01 34.15 9.49 23.24 33.62 47.83 209.6
原材料 3.24 0.13 0.52 0.06 0.01 0.17 0.73 5.6
遗传资源 0 0 0 0 0 0 0 0
娱乐 18.40 1.36 3.79 0.61 0.77 1.90 5.32 36.3
文化 26.97 1.04 4.32 0.50 0.11 1.39 6.05 46.7
四、人工生态系统的服务功能
? 人工生态系统的作用:代替自然生态系统,通过人
工管理,实现退化生态系统的恢复。
? 人工生态系统与自然生态系统服务功能的区别:在
小尺度和有限时段内有效低提供某一种服务,而自
然生态系统可以同时提供多项服务。
? 人工生态系统替代自然生态系统的可行性:, 生物
圈 2号, 试验。
五、生态系统服务功能的保护途径
? 加强科学研究:充分理解生态系统服务与人类生活
质量之间的关系。
? 增加经济投入:生态系统服务价值的恢复需要一定
的经济代价。, 退耕还林(草), 工程就是以粮食
换生态的一项生态建设措施。
? 加强政府管理:生态系统的保护和管理中,政府的
作用是巨大的,很多国家建立环境管理机构,以统
筹、规划、协调有关环境保护的方针、政策和立法。
? 保护人民的参与:只有把全社会力量动员起来,才
能保证生态建设的成功与持续发展。
? 加强环保教育:在资源管理、分配和适用过程中,
除了需要科学知识和工程体系外,还要求人们具有
环保意识,环保教育是提高全民环保素质的基础。
? 加强经济管理:将环境问题纳入市场体系和经济体
制,为生态服务划价,将生态系统服务功能的丧失
考虑进去,达到保护的目的
第二节 生态系统的保育
? 生态系统保育 (护 )是指协调、控制生态系统发展
的方向或人类活动,平衡长期和短期目标,并获
得最大的利益。
? 原理:平衡长期和短期的人类需求和生态系统的
长期完整性。完整性是指在没有功能损失的条件
下,生态系统得以容忍并调节外界压力和胁迫的
能力。
一、概念与原理
? 目的,
支撑人类的生产与生活;
维持生物多样性的水平;
维持遗传特征;
维持生态特征和生物地球化学循环;
保持未来选择的机会;
保持美学价值。
二、生态保育的内容与原则
? 保护生命支持系统:即保护地球适合于生命的生态
学过程,包括气候形成、水源涵养、空气净化、水
量调节、元素循环、土壤形成等。
? 保护生物多样性:即保护植物、动物和其它生物的
所有种类,每个物种贮藏的遗传信息、生境、生态
系统和景观。
? 保护可再生资源:保护野生和家养生物资源以及产
生这些资源的海洋和陆地生态系统,包括森林、草
原、农田等。
? 原则:可持续社会的原则
尊重和关心生命群落;
改善人类的生活质量;
保护地球的生命力和多样性;
尽量降低非再生资源的消耗;
维持地球的承载力;
改变个人的态度和行为;
使社区能够关心自身的环境;
为国家提供发展与保护的综合方案;
创造一个全球性联盟。
? 农业、林业或渔业的合理实践;
? 陆地或海洋野生物种的适度采获;
? 调节废物和潜在污染物的释放;
? 保护土壤免于侵蚀以及水资源的管理(工程措
施);
? 建立自然保护区。
三、生态保育的方法
第三节 生态系统管理
一、生态系统管理的概念
? 利用生态学、经济学、社会学和管理学的原理仔
细地和专业地管理生态系统的生产或恢复,或长
期维持生态系统的整体性和理想的条件、利用、
产品、价值和服务( Overbay,1992)。
? 生态系统管理有明确的管理目标,并执行一定的
政策和规划,基于实践和研究并根据实际情况作
调整,基于对生态系统作用和过程的最佳理解,
管理过程必须维持生态系统组成、结构和功能的
可持续性(美国生态学会,1996)。
? 生态系统管理是考虑了组成生态系统的所有生物
体及生态过程,并基于对生态系统的最佳理解的
土地利用决策和土地管理实践过程。生态系统管
理包括维持生态系统结构、功能的可持续性,认
识生态系统的时空动态,生态系统功能依赖于生
态系统的结构和多样性,土地利用决策必须考虑
整个生态系统( Dale et al.,1997)。
? 生态系统管理是实现生态系统与社会经济系统间
的可持续性的平衡及生态系统功能的发挥。
二、生态系统管理的内涵
? 生态系统管理要求融合生态学的知识和社会科学
技术,并把人类、社会价值整合进生态系统;
? 生态系统管理的对象包括自然和人类干扰的系统;
? 生态系统功能可用生物多样性和生产力来衡量;
? 生态系统管理要求科学家与管理者定义生态系统
退化的阈值;
? 生态系统管理要求人类利用和对生态系统的影响
方面的系统的科学的研究结果作指导;
? 生态系统管理要求人们理解和接受生态功能的部
分损失,并利用科学知识做出最小损害生态系统
整体性的管理选择;
? 态系统管理的实间和空间尺度应与管理目标相适
应;
? 生态系统管理要求发现生态系统退化的根源,并
在其退化前采取措施。
三、生态系统管理的原则
管理目标是社会的抉择
指导性原则
生态系统的管理必须考虑人的因素
生态系统必须在自然的分界内管理
管理必须认识到变化是必然的
生态系统的管理必须在适当的尺度内
进行,保护必须利用各级保护区
生态系统管理需要从全球考虑,从局部着手
操作性原则
生态系统必须维持或加强生态系统结构与功能
决策者应当以源于科学的适当工具为指导
生态系统管理者必须谨慎行事
多学科交叉的途径是必要的
四、生态系统管理的内容
? 植物个体及种群尺度上:气候与微气候、地形与微
地形、土壤的理化特征、消费者的层次、植物的生
理生态特征、植物固定碳的格局、植物遗传、共生、
营养和水分条件。
? 群落及生态系统尺度上:气候与微气候、地形与微
地形、种类组成与多度、土壤的理化特征、消费者
的层次、植物组织的流通率及分解、活体与死的有
机质空间分布、植物对水分和营养利用的形态适应、
共生、营养和水分条件。
? 景观尺度上:气候、地形、群落与生态系统类型、
土壤物理特征、生态类型的空间分布。景观尺度是
评价动物生境的最佳尺度。
? 生物圈尺度上:气候、地形和植被类型。由于空间
尺度太大,一些生态学过程的速率较慢。气候是植
被分布的决定因子,时间尺度不重要,海拔对种类
的影响可以忽略。
五、生态系统管理的发展进程
时间 生态学理论 管理措施与社会环境 法律政策
1860年
以前
措施:资源开发与利用
社会环境:资源开发与
利用
公有土地变为私有土地
1870-
1890年
1866年 Heckel定义
生态学
措施:资源开发与利用
社会环境:保持
仍以资源过度利用的旧
法律为主
1891-
1894年
以个体研究、自然
历史方法为主
措施:保护性管理
社会环境:保持
强制性保护联邦土地;
制定森林法 (1891)
1905-二
战期间
托管森林及生态学
研究开始
措施:保护性管理
社会环境:依据科学原
理“明智利用”
建立国家林务局 (1905)、
公园服务局 (1916)等管
理机构;出台可持续生
产法
二战后

1960’s
形成生态学原理
(Odum)、开展生态
学研究
措施:各种措施并存
社会环境:多元利用与
可持续生产
管理与立法基础结构的
建立:土地管理据
(1946);多元利用法、
环境政策法
20世纪
80年代
出版大量生态学著
作,科学家、政策
措施:多元利用
社会环境:可持续性
污染控制法、审查各种
环境法; NFMA计划完
表 22 美国生态系统管理的历史发展过程
六、案例:美国太平洋西北部成过熟
林管理计划
? 背景介绍,19世纪中叶移民到达之前, 大面积的森
林覆盖了卡斯凯德山脉 (Cascade Mountain)两侧的
大面积地区 。 在这种景观内, 自然干扰和土著人的
火烧干扰维持着林地演替系列阶段的多样性, 大约
60%-70%的森林面积是由针叶树种混交的成过熟林
( 林分年龄在 150年以上 ) 。 19世纪末, 20世纪初
的采伐运输业以及 20世纪 70年代的短期轮伐使成过
熟林持续下降和破碎化, 北部斑纹猫头鹰数量减少 。
科学家, 政策制定者和活动家为保护残存的成过熟
林生态系统的遗迹寻求必要的依据 。
? 1993年, 克林顿总统发起了, 国家森林最高级会
议,, 商讨解决在大西洋西北部联邦森林资源管理
和利用上僵局的方案 。 为此, 林务局建立了森林生
态系统管理评估组 (FEMAT),要求 FEMAT提出太平洋
西北部成过熟林的具有不同管理需求的 ( 生态学和
社会学上的 ) 可供选择的办法和后果预测 。
? FEMAT的报告作为开展生态系统管理和有关方法论的
范例 。 该报告概括美国林务局和土地管理局实现计
划的四个方面,1.新管理体制的形成和执照的发放;
2.10个适应性管理区域计划过程的发起; 3.对关键
流域, 河岸保护区的项目进行流域分析; 4.对演替
后期的管理进行评价 。
? 1993年, 克林顿总统发起了, 国家森林最高级会
议,, 商讨解决在大西洋西北部联邦森林资源管理
和利用上僵局的方案 。 为此, 林务局建立了森林生
态系统管理评估组 (FEMAT),要求 FEMAT提出太平洋
西北部成过熟林的具有不同管理需求的 ( 生态学和
社会学上的 ) 可供选择的办法和后果预测 。
? FEMAT的报告作为开展生态系统管理和有关方法论的
范例 。 该报告概括美国林务局和土地管理局实现计
划的四个方面,1.新管理体制的形成和执照的发放;
2.10个适应性管理区域计划过程的发起; 3.对关键
流域, 河岸保护区的项目进行流域分析; 4.对演替
后期的管理进行评价 。
第四节 生态系统的可持续发展
一、可持续发展的概念
? 自然属性:在其再生能力 ( 速度 ) 的范围内使用一
种有机生态系统或其它可再生资源 (IUCN,1993年 ),
? 社会属性:生存不超出维持生态系统承载能力的情
况下, 提高人类的生活质量 (INCN,UNEP,WWF,1991),
? 经济属性:在保护自然资源的质量和其所提供服务
的前提下, 使经济发展的净利益增加到最大限度 (巴
比尔, Peace,1990)。
? 科技属性:可持续发展就是转向更清洁, 更有效的
技术, 尽可能接近, 零排放, 或, 密闭式, 工艺方
法, 尽可能减少能源和其它自然资源的消耗 。
二、可持续发展的原则
? 公平性原则:一是代内之间的横向公平;二是代际
间的公平即世代的纵向公平;三是公平分配有限资
源 。
? 持续性原则:自然资源的永续利用和生态环境的可
持续性是可持续发展的重要保障 。
? 共同性原则:可持续发展就是人类共同促进自身之
间, 自身与自然之间的协调 。
? 需求性原则:可持续发展则坚持公平性和长期的可
持续性, 满足所有人的基本需求, 向所有的人提供
实现美好生活的机会 。
三、可持续发展的战略目标
? 改变单纯追求经济增长, 忽略生态环境保护的传统
发展模式, 由资源型经济过渡到技术型经济, 综合
考虑经济, 社会, 资源, 生态和环境效益;通过产
业结构的调整和合理布局, 开发和应用高新技术,
实现清洁生产和文明消费;提高资源和能源使用率,
减少废物排放等措施, 协调生态环境与发展之间的
关系, 使社会经济发展既满足当代人的需求, 又不
至于对后代人的需求构成危害, 最终达到社会, 经
济, 生态的持续稳定协调发展 。
表 23 我国的可持续发展现状及预测 (牛文远,1997)
项目 1990年 2000年 2010年 2020年 2030年
人均 GDP (1990年美元不变
价格) 443 764 1175 1724 2500
年平均增长速率 (%) 10.0 8.6 6.9 4.8 4.2
总能源需求 (亿吨标准煤 ) 10.4 13.8 15.9 18.5 20.0
人口净增长率 (%) 1.44 1.22 1.00 0.72 0.45
人口数量 (亿 ) 11.43 13.0 13.92 14.50 15.20
老年人口数量 (亿 ) 1.002 1.287 1.588 2.089 2.646
劳动人口数量 (亿 ) 7.15 8.03 9.08 9.41 9.28
人均生物量 (公斤 ) 3050 2971 2850 2742 2660
人均粮食 (公斤 ) 375 372 375 378 380
人均耕地 (公顷 ) 0.13 0.11 0.10 0.095 0.090
人均林地 (公顷 ) 0.115 0.120 0.128 0.135 0.145
人均草地 (公顷 ) 0.285 0.242 0.230 0.225 0.223
人均肉禽量 (公斤 ) 20.6 28.1 34.5 40.3 45.0
单位 GNP的能量消耗 (1900
为 100) 100 93.3 75.8 52.4 25.5
废气排放 (亿立方米 ) 85380 144500 154000 105000 80000
废水排放 (亿吨 ) 354 285 240 200 140
废渣排放 (亿吨 ) 5.8 6.5 6.3 6.0 5.5
CO2排放 (亿吨 ) 6.7 7.5 8.0 8.3 8.5
SO2排放 (亿万吨 ) 15.5 17.5 18.0 15.5 12.1
CFC排放 (吨 ) 32000 35000 28000 11000 5000
土壤侵蚀 (百万平方公里 ) 1.53 1.55 1.50 1.48 1.40
四、可持续发展的行动纲领
? 转变发展模式;
? 坚持 3R原则,即坚持减量化 (Reduce),再利用
(Reuse),再循环 (Recycle)的原则;
? 实施, 21世纪议程,,限制人口增长, 鼓励自然
保护, 改善生态环境, 保护生物多样性, 探求资
源的永续利用, 提高资源利用率, 推行清洁生产,
推行环境标志, 采取源头控制, 采取经济手段,
增加环保投入, 控制城市化进程;
? 建立全球伙伴关系 。
五、可持续发展的体系建设
? 管理体系建设:综合决策与协调管理;
? 法制体制建设:实现资源的合理利用, 确保社会,
经济的持续发展;
? 科技体系建设:提高资源的利用效率和经济效益,
确保社会, 经济持续发展;
? 教育体系建设:提高专业技术能力及可持续发展
的道德水平;
? 公众参与:保障决策的实施与监督管理;
? 国际合作:增强国力, 促进全球可持续发展 。
六、可持续发展的理论框架
经济系统
社会系统 生态系统
可持续增长
效益 (资源使用与投资 )
资金
生态系统的整体性
自然资源
生物多样性
承载能力
社会均等
社会流动性
公众参与
机构与发展
图 39 可持续发展的框架:
社会、经济、生态子系统
之间相互联系、协调发展
草地生态系统可持续发展
植被 动物
土壤 社区
可持续发展