恢复生态学第一章.docx
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恢复生态学第一章
第一章绪论
随着人口的持续增长，对自然资源的需求也在增加，人类为了生存，大部分的自然生态系统被改造为城镇和农田，原有的生态系统结构及功能退化，工业的快速发展不仅破坏了许多自然的生境，并且向生态系统排放了大量的三废，上述人为活动造成了生态系统的严重退化。
进而使环境污染、植被破坏、土地退化、水资源短缺、气候变化、生物多样性丧失。
在这种背景下，20世纪80年代，恢复生态学应运而生。
恢复生态学的定义：
是研究生态恢复的科学。
生态恢复：
是协助退化的、受损的、被破坏的生态系统恢复的过程。
生态恢复的定义有很多而且有很多争论，但归纳起来主要有两种：
目标导向的恢复：
一个生态系统向接近于干扰前状态的回归。
着重于重建具有功能的生态系统的科学。
有两个方面的价值：
1.对恢复到一个自我维持和持久的生态系统的重视，即恢复所有自然生态系统具有的动态变化特征，尽管存在物种周转，仍具有生态学上可接受的结构和功能。
2.将恢复的斑块整合到大的生态景观中。
过程导向的恢复：
修复人类对当地生态系统多样性和动态的损害的过程。
强调必需保证自然生态状态的回归。
这些定义包含了几个内容，即判断是否需要修复、确定生态恢复途径、设置恢复目标和确定评价的必要以及对恢复限制的认识等。
这个定义包括了目标导向的生态系统功能和生态整体的恢复。
而且，社会含义，例如立法、经济、群众意见和风险评价一定需要得到理解，才能确保恢复项目的成功。
社会状态与科学理论和预测应该被认为同样重要。
1.1恢复生态学的定义
人类从事生态恢复的实践已有近百年的历史，但恢复生态学作为一门学科是20世纪80年代才得到迅速发展。
恢复生态学从理论与实践两方面研究生态系统退化、恢复、开发和保护机理，因而为解决人类生态问题和实现可持续发展提供了机遇。
恢复生态学领域是生态学理论的一个新的综合，它主要涉及对自然界的人为影响。
恢复生态学可以看成是怎样修复人为损害、形成生态系统新的综合体的过程，但是恢复损害过程不应该降低对已有的健康生态系统的保护。
恢复生态学使生态学理论的检验成为可能，但是恢复生态学并不是生态学的一个简单分支。
恢复生态学要求整合生态学、环境科学、经济学、社会学和政治学的方法。
恢复生态学的定义很多。
国际生态恢复学会：
恢复生态学是研究如何修复由于人类活动引起的原生生态系统生物多样性和动态损害的学科。
Dobson等（1997）认为：
恢复生态学还需包括关于生态系统组装和生态功能恢复的方式。
我国学者余作岳、彭少麟认为：
恢复生态学是研究生态系统退化的原因、退化生态系统恢复与重建的技术与方法、生态学过程和机理的学科。
另有学者认为：
恢复生态学是一种通过整合的方法研究在退化的迹地上如何组建结构和功能与原生生态系统相似的生态系统，并在此过程中如何检验已有的理论或生态假设的生态学分支学科。
生态恢复和恢复生态学的区别：
生态恢复是实践活动，而恢复生态学包含了基本理论和研究计划的科学。
1.2恢复生态学的发展历史
恢复生态学研究起源于100年前的山地、草原、森林和野生生物等自然资源管理研究。
其中20世纪初的水土保持、森林砍伐后再植的理论与方法再恢复生态学中沿用至今。
最早开展恢复生态学实验的是Leopold与其助手于1935年在威斯康星大学植物园恢复了一个24公顷的草场。
并发现了火在维持及管理草场中的重要性。
1935年，Clements发表了“实验生态学为公共服务”的论文，阐述了生态学可用于包括土地恢复在内的广泛领域。
20世纪50～60年代，欧洲、北美和中国都注意到了各自的环境问题，开展了一些工程与生物措施相结合的矿山、水体和水土流失等环境恢复和治理工程，并取得了一定成效。
70年代的主要成绩有：
欧美一些发达国家开始水体恢复研究，在此期间，虽有部分国家开始水测和研究，但没有生态恢复的机理研究。
1973年Farnworth提出了热带雨林恢复研究中的九个具体方向。
1975年在美国召开了“受损生态系统的恢复”国际研讨会，会议探讨了受损生态系统恢复的一些机理和方法，并号召科学家们注意收集受损生态系统科学数据和资料，开展技术措施研究，建立国家间的研究计划。
80年代：
1980年，Cairns主编了《受损生态系统的恢复过程》一书，8位科学家从不同角度探讨了受损生态系统恢复过程中重要生态学理论和应用问题。
同年，Brandshaw和Chdwick出版了RestorationofLand,theEcologyandReclamationofDerelicandDegradedLand。
1983年，在美国召开了“干扰与生态系统”的国际研讨会，探讨了干扰对生态系统各个层次的影响。
1984年，在美国威斯康星大学召开了恢复生态学研讨会，强调了恢复生态学中理论与实践的统一性，并提出恢复生态学在保护与开发中起重要的桥梁作用；美国1985年成立了“恢复地球”组织，该组织先后开展了森林、草地、海岸带、矿地、流域、湿地等生态系统的恢复实践并出版了一系列生态恢复实例专著。
同年，Aber和Jordan提出了恢复生态学的术语，他们还出版了：
RestorationEcology:
ASyntheticApproachtoEcologicalResearch的论文集。
1985年，国际恢复生态学会成立。
90年代：
1991年，在澳大利亚举行了“热带退化林地的恢复国际研讨会”。
1993年，在香港举行了华南退化坡地恢复与利用国际研讨会，系统探讨了中国华南地区退化坡地的形成及恢复问题。
1996年，在瑞士召开了第一界世界恢复生态学大会，大会强调恢复生态学在生态学中的地位，恢复技术与生态学的连接，恢复过程中经济与社会内容的重要性，随后国际恢复生态学会每年召开一次国际研讨会。
2001年召开的国际恢复生态学大会主题是“跨越边界的生态恢复”。
2003年11月19～23日第15届国际恢复生态学大会在美国得克萨斯州的州府奥斯汀召开大会主题是“生态恢复、设计与景观生态学”。
2004年8月24～26日第16届国际恢复生态学大会在加拿大维多利亚大学召开大会主题是“边缘的恢复”
2005年9月12～18日第17届国际恢复生态学大会在西班牙萨拉戈萨市召开会议主题是“生态恢复--全球面临的挑战”
当前在恢复生态学理论和实践方面走在前列的是欧州和北美，在实践中走在前列还有新西兰、欧洲和中国。
其中欧洲偏重矿地恢复，北美偏重水体和林地恢复，而新西兰和澳洲以草原管理为主，中国则因人口偏多强调农业综合利用。
从20世纪70年代至今，国外比较成功的恢复样板有：
热带的土地退化现状及恢复技术；昆士兰东北部退化土地的恢复；坦桑尼亚的毁林地恢复；退化的石灰岩矿地的造林；湿热带的自然林恢复；东玻利维亚、巴西、东南亚、赞比亚等国的土地恢复；干旱和半干旱地退化生态系统的恢复与重建。
这些恢复试验的对象涉及了草原、河流、湖泊、废弃矿地、森林哈农田，在这些恢复过程中主要研究内容有干扰和受损生态系统，受损生态系统的恢复与重建，湿热带森林生态系统的稳定性，废弃矿地和垃圾场的恢复，河流和湖泊的水生植物群落的重建等。
我国是开展恢复生态学实践和研究较早的国家之一。
20世纪50年代就开始了退化生态系统的长期定位观测试验和综合治理研究。
1959年余作岳等在广东的热带沿海侵蚀台地上开展了植被恢复。
并提出了在一定的人工启动下，热带极度退化的森林可恢复；恢复过程中植物多样性导致动物和微生物多样性，植物多样性是生态系统稳定性的基础；森林恢复过程中结构与功能不同步恢复。
他们先后创建了我国恢复生态学研究的两个基地：
小良热带森林生态系统定位研究站和鹤山丘陵综合试验开放站。
南京大学仲崇信自1963年引进大米草在沿海滩涂种植以控制海岸侵蚀。
中国科学院兰州沙漠所开展的沙漠治理与植被固沙研究。
中国科学院西北水土保持所开展的黄土高原水土流失区的治理与综合利用示范研究。
中国科学院水生生物研究所的湖泊生态系统恢复研究。
中国科学院西北高原生物研究所开展了高原退化草甸的恢复与重建研究。
中国科学院成都生物所开展的岷江上游植被恢复研究。
中国科学院南京土壤所开展的红壤恢复与综合利用试验。
广西科学院和中山大学开展的红树林恢复重建试验等。
70年代末“三北”防护林工程建设。
80年代长江、沿海防护林工程和太行山绿化工程。
1983年，中国科学院内蒙古草原站开展了不同恢复措施下退化羊草草原恢复演替研究。
90年代淮河、太湖、珠江、辽河、黄河流域防护林工程及大兴安岭火烧迹地森林恢复研究等。
1990年，东北林业大学开展了黑龙江省森林生态系统恢复与重建研究，同期中国林业科学研究所开展了海南岛热带林地的植被恢复与可持续发展研究。
另有中国环境科学院、中山大学、中国矿业大学等单位开展的大量废弃地和垃圾场的恢复对策研究。
29世纪90年代中期，先后出版了《热带亚热带退化生态系统的植被恢复生态学研究》和《中国退化生态系统研究》等专著，提出了适合中国国情的恢复生态学研究理论和方法体系。
1.3恢复生态学的研究对象和内容
研究对象受损的自然生态系统。
主要研究内容基础理论研究内容：
生态系统结构、功能及生态系统内在的生态学过程和相互作用机制。
生态系统的稳定性、多样性、抗逆性、生产力、恢复力和可持续性。
先锋与顶级生态系统发生、发展机理与演替规律。
不同干扰条件下生态系统受损过程及其响应机制。
生态系统退化的景观诊断及其评价指标体系。
生态系统退化过程的动态监测、模拟、预警及预测。
生态系统健康等。
应用技术研究内容：
退化生态系统恢复与重建的关键技术体系。
生态系统结构与功能的优化配置及其调控技术。
物种与生物多样性的恢复与维持技术。
生态工程设计与实施技术。
环境规划与景观生态规划技术。
主要生态系统退化后的恢复与重建优化模式的试验示范与推广。
1.4恢复生态学与相关学科的关系
恢复生态学的许多理论、方法来源于生物学、地学、经济学、社会学、数学等自然科学，以及工程学、林学、农学、环境学等应用性学科。
作为生态学的重要分支，它与生态学的相同点在于它们都以生态学系统为基本单位，且有许多共同的理论和方法，不同点在于，生态学强调自然性与理论性，而恢复生态学更强调人为干涉及应用性。
具体地讲，恢复生态学与生态系统健康、保护生物学、景观生态学、生态系统生态学、环境生态学、胁迫生态学、干扰生态学、生态系统管理学、生态工程学、生态经济学等生态学的分支学科有密切的关系。
所有这些学科研究中都必须涉及格局与过程，进化与适应等问题。
当前国际上兴起的生态系统健康学说与恢复生态学的关系尤为密切。
健康生态系统是指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，在外界胁迫下容易恢复。
生态系统健康的标准有活力、恢复力、组织、生态系统服务功能的维持、最佳管理、外部输入减少、对邻近系统的影响及人类健康影响等8个方面，它们分属于生物物理范畴、社会经济范畴、人类健康范畴以及一定的时间、空间范畴。
这8个标准中最重要的是前3个方面。
以Costanza和Rappport为代表的生态学家认为人类对生态系统的过度开发利用、物理重建、外来种的引入、自然干扰的改变等导致世界上的生态系统结构发生变化，已不能像过去一样为人类服务，并对人类产生了潜在威胁。
生态系统健康主要研究外界胁迫下其反应情况，因而可认为生态系统健康仅是恢复生态学理论基础的一个重要方面，它可用于评价生态系统退化的程度及恢复状态的评估。
生态系统健康与恢复生态学针对的对象是不同的。
生态系统健康针对自然的和干扰的生态系统，而恢复生态学仅针对干扰后形成的不健康的生态系统。
生态系统健康主要强调维持生态系统自身的进程及其为人类服务的功能，而恢复生态学则强调人为促进生态系统恢复，或利用生态工程将生态系统改变为另一类符合人类需求的生态系统。
恢复生态学在生态系统开发与保护中起重要指导作用，而生态系统健康主要在保护中起重要作用。
1.5恢复生态学的发展趋势
恢复生态学的发展历史很短，还存在不少问题有待解决，这些问题主要是：
一、生态系统恢复的不可确定性，虽然已提出了许多生态系统恢复的标准，但对生态系统服务功能的恢复程度尚不知晓。
二、生态系统恢复要求综合考虑生态、经济和社会因素，但对时间、空间上异质性的生态系统而言实在太难，尤其是有持续干扰时，很难恢复到理想状态。
三、由于生态系统的复杂性，生态系统退化程度和干扰因子很难简单概括到一些易测定的具体指标，尤其是如何控制干扰很难具可操作性。
四、生态系统恢复与自然演替是一个动态的过程，有时很难区分两者。
五、生态恢复的时间到底要持续多长，目前的科学研究还不能准确回答这个问题，有待于开展可重复的和长期的试验和观测。
六、生态系统恢复的机理还不清楚，尤其是重新引进当地消失的物种、外来种在恢复中的角色还难以正确判断。
七、退化生态系统恢复与重建技术尚不成熟，目前恢复生态学中所用的方法均来自相关学科，尚需形成独具特色的方法体系。
八、恢复生态学的发展需要科学工作者、政府、民众的充分合作，通过互相交流信息、方法和经验，从而可加快恢复全球已退化的生态系统。
第二章人类干扰与退化生态系统
2.1退化生态系统
2.1.1退化生态系统的定义
生态系统的结构和功能发生与其原有的平衡状态或进化方向相反的位移，打破了原有的平衡，造成了破坏性波动或恶性循环。
具体表现为：
1.生态系统的基本结构和固有功能破坏或丧失
2.生物多样性下降
3.稳定性和抗逆能力减弱
4.系统生产力下降
5.生态系统服务能力下降或丧失
还有人对退化生态系统作了如下定义：
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，一般地，退化的生态系统种类组成、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，生物间关系改变。
2.2退化生态系统的成因
退化生态系统形成的直接原因是人类活动，部分来自自然灾害，有时两者叠加发生作用。
引起生态系统结构和功能变化而导致生态系统退化的原因很多，干扰作用是主要的原因。
由于干扰打破了原有生态系统的平衡状态，使系统的结构和功能发生变化并形成障碍，造成破坏性波动或恶性循环，从而导致系统的退化。
干扰不仅在群落的物种多样性发生和维持中起重要作用，在生物的进化过程中也是重要的选择压力。
在功能过程中，干扰能减弱生态系统的功能过程，甚至使生态系统的功能丧失。
生态系统退化的过程由干扰的强度、持续时间和规模所决定。
过大的干扰强度和频度，会使生态系统退化成为不毛之地，而恢复极度退化的生态系统是非常困难的。
干扰的类型：
可以从不同的角度对干扰进行划分：
按干扰动因可划分为自然干扰和人为干扰；按干扰来源干扰可划分为内源干扰和外源干扰；按干扰的性质干扰可划分为破坏性干扰和增益性干扰。
1.自然干扰：
自然干扰指无人为活动介入的自然环境条件下发生的干扰，大气干扰、地质干扰、生物干扰等。
如火灾、冰雹、洪水、地震、泥石流、雪压、异常的霜冻、大潮汐、河岸和海岸冲击、病虫害等。
自然干扰又可分为物理因素和生物因素。
2.人为干扰：
是指由于人类生产、生活和其他社会活动形成的干扰体对自然环境可生态系统施加的各种影响。
人类对生态系统的干扰的作用力和影响范围远远超过了自然干扰。
如有毒化学物质的释放和污染、森林砍伐、植被过度利用、露天开采等。
a.传统劳作方式对生态系统的干扰：
对森林、草原植被的砍伐与开垦、采集、采樵、狩猎和捕捞。
b．工农业污染
c．不断出现的新干扰形式：
如旅游、探险活动造成的干扰等
此外人类对生态系统的直接干扰还会产生许多直接的影响，如森林的砍伐不仅使区域的生态环境发生变化，而且还对河流流域的径流造成影响，使河流的水文特征改变。
采樵不仅直接对草原植被再生造成危害，同时还因植被状况的改变而间接影响着土壤盐分和地下水资源分布的变化。
水域的污染不仅危害了水生生物的生存安全，而且还能通过对生物有害物质的富集而对人类的健康构成威胁。
所以，认为干扰具有广泛性、多边性、潜在性、协同性、累计性和放大性等特点。
有人对造成生态系统退化的人类活动进行了排序：
过度开发（含直接破坏和环境污染等）占35％，毁林占30％，农业活动占28％，过多收获薪材占7％，生物工业占1％。
人类对植物获取资源过程的干扰（如：
过度灌溉影响植物的水分循环，超量施肥影响植物的物质循环）要比生产者或消费者的直接干扰（如：
砍伐或猎取）产生的负效应要大。
2.3生态系统退化的过程
生态系统的退化实际是系统的逆向演替，是一个连续变化的过程。
但由于所承受的干扰体的差异而使退化表现出退化程度、退化速度及退化过程的明显差异。
可以把生态系统退化过程归纳为以下几种退化过程：
突变过程（A）、跃变过程（B）、渐变过程（C）、间断不连续过程（D）、复合退化过程
例：
正常生态系统退化为荒漠化的过程
第一阶段：
植物种群及其年龄结构发生变化，优势种年龄结构右移。
干扰消除后可自然恢复。
第二阶段：
进一步退化，生物多样性下降，生产力下降，植物种类发生明显变化，捕食者及其共生物减少或消失
第三阶段：
植被覆盖度减小，土壤侵蚀与水土流失严重。
植物种类多为耐旱阳生广布种。
第四阶段：
植物几乎完全丧失，形成人工沙漠。
2.4生态系统退化程度诊断
1.退化程度的表达方式：
a.轻、中、重、极度；一、二、三、…级
b.可自然恢复、人工促进恢复、重建恢复
c.用退化到生态系统演替过程中的某阶段来表示。
如退化到裸地。
2.退化程度的诊断途径与可能指标（体系）
a.生物途径
指标：
生物组成与结构、生物数量、生物生产量
b.生境途径
指标：
气候条件、土壤条件
c.生态系统服务功能途径
生态系统与生态过程所形成及所维持的人类赖以生存的自然环境条件与效用。
指标：
气候调节、水调节、污染净化、文化娱乐等
3.退化程度诊断策略与流程
a.诊断对象的选定
b.诊断参照系统的确定
c.诊断途径的确定
d.诊断方法的确定
e.诊断指标（体系）的确定
2.5退化生态系统的类型
a.裸地Barren
原生裸地、次生裸地
b.森林采伐迹地loggingslash
c.弃耕地abandonedfield
d.沙漠desert
e.废弃地
工业废弃地、采矿废弃地、垃圾堆放场
f.受损水域
2.6退化生态系统的特征
a.生物多样性变化：
多样性的数量可能没有明显变化，但多样性的性质发生了变化（质量明显下降，价值降低，功能衰退）。
b.层次结构简单化：
种类组成发生变化，优势种群结构异常；群落结构矮化，整体景观破坏
c.食物网结构变化：
食物网简单化，食物链缩短、断裂和解环；单链营养关系增多，种间共生附生关系减弱
d.能量流动出现危机和障碍：
能量转化和传递效率降低
e.物质循环发生不良变化：
生物循环减弱，地球化学循环增强
f.系统生产力下降
g.生物利用和改造环境的能力弱化
h.系统稳定下降
2.7全球退化生态系统现状
这个表是1995年联合国环境署的调查结果。
沙漠化土地36×108hm2，占全球干旱地面积的70%、陆地面积的28%，且每年还以2460hm2的速度增长。
其中轻微退化的12.23×108hm2，中度退化的12.67×108hm2，严重退化的有10×108hm2以上，极度退化的有0.72×108hm2，
弃耕旱地每年以0.09×108hm2速度增长。
全球退化的热带雨林面积有4.27×108hm2，而且还以每年0.154hm2速度增
加。
草地全球每年有320万公顷损失。
联合国环境署还估计，1978～1991年间全球土地荒漠化造成的损失达3000～6000亿美元，现在每年高达423亿美元，而全球每年进行生态恢复而投入的经费达100亿～224亿美元。
我国退化生态系统的状况：
中国各类资源人均值都低于世界平均水平，人均土地面积为世界的1/3，森林资源为1/6，草地资源为1/3，特别是耕地资源只有世界人均的1/3。
中国后备宜农荒地毛面积仅5亿亩，其中分布在草原地区约2.1亿亩，宜种植人工饲料用；分布在南方山丘的约7000亿亩，主要作为果树与经济林木用地；可用种植粮、棉、油的农作物用地约2亿多亩；另有17亿亩荒山荒地。
目前我国主要靠扩大耕地面积，依靠自然恢复地力，调节人地关系。
由于人口增长过快，加上大跃进等政策错误，我国形成了大量的退化生态系统。
我国水土流失面积约为180万平方公里，占国土面积的18.8％，其中黄土高原地区约80％地方水土流失。
北方沙漠、戈壁、沙漠化土地面积为149万平方公里，占国土面积的15.5%，1987年已沙漠化土地20.12万平方公里，潜在沙漠化土地13.28万平方公里。
目前5900万亩农田和7400万亩草场受到沙漠化威胁。
草原退化面积13亿亩。
每年以2000万亩增加。
每年使用农药防治面积23亿亩次，劣质化肥农田2500万亩。
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