自然保护区管理南京林业大学.docx
《自然保护区管理南京林业大学.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《自然保护区管理南京林业大学.docx（19页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
自然保护区管理南京林业大学
第3章自然保护生物学原理
1、保护生物学（Western1989）:
保护基础原理；确认保护面临问题；建立修正秩序；联系保护“纯“科学和管理。
两个目标：
①、评估人类对物种、群落和生态系统影响；
②、防止物种灭绝；维持生物多样性；维持自然生态系统。
如何认识以下事件：
“天保工程”“禁枪禁猎”与大象伤人事件……
越来越多的人收留流浪宠物……
动物园圈养动物表演……
西班牙斗牛……
1、保护生物学伦理原理
1、伦理基础：
世界是相互依存的整体，由自然和人类组成；
人类是自然的一部分；
所有物种都具固有的生存权利；
可持续发展是所有社会和经济发展的基本原则。
2、伦理的原理：
有机体的多样性是好的
生态复杂性是好的
进化是好的
2、功能原理
①、进化原理（核心是物种）
物种相互依存；
许多物种高度特化；
关键种灭亡有长远影响；
广泛适应性物种的引进可能会减少多样性（Invasivespecies）
②、生态学原理：
生态和演替持续的时间依赖其规模的大小；
爆炸减少多样性；
种群的存活能力依赖其种群的大小；
自然保护区对于大的稀有生物存在内在的失去平衡的危机
第2节生态系统的概念和特征
一、生态系统的基本概念
生态系统（ecosystem）：
在一定空间内生物和非生物之间，通过物质循环和能量流动相互作用、依存而构成的一个生态学功能单位
生态系统的共同特性：
1．主要结构和功能单位，生态学研究最高层次。
2．内部有自我调节能力。
3．能量流动、物质循环和信息传递——三大功能。
4．营养级数目受限于生产者最大能值和能量流动过程中的损失，营养级的数目不超过5～6个。
5．动态系统，简单到复杂、不成熟到成熟过程，其早期和晚期阶段具有不同的特性
2、生态系统的组成与结构
生态系统的组成：
（1）非生物环境（environment） 包括：
气候因子，如光、温度、湿度、风、雨雪等；无机物质，如C、Ｈ、O、N、CO2及各种无机盐等。
有机物质，如蛋白质、碳水化合物、脂类和腐殖质等。
（2）生产者（producers） 主要指绿色植物，也包括蓝绿藻和一些光合细菌，是能利用简单的无机物质制造食物的自养生物。
在生态系统中起主导作用。
（3）消费者（consumers） 异养生物，主要指以其他生物为食的各种动物，包括植食动物、肉食动物、杂食动物和寄生动物等。
（4）分解者（decomposers） 异养生物，主要是细菌和真菌，也包括某些原生动物和蚯蚓、白蚁、秃鹫等大型腐食性动物。
生态系统的结构
①、形态结构：
物种；种群（数量、空间格局，时间变化）；群落（垂直和水平结构）。
非生物（土壤、大气）；消费者；分解者的形态结构。
②、营养结构：
生产者、消费者和分解者，它们与环境之间发生密切的物质循环和能量流动。
第3节生物圈及生物圈的调节机制
1971，联合国教科文组织（UNESCO）：
人与生物圈计划（ManandBiosphereProgramme简称MAB）
MAB：
对生态环境进行综合性研究、监测及培训科研和管理人员的国际计划。
为生物圈资源的合理利用和保护提供科学依据，预测人类活动对生物圈状况的改变及这种变化对人类的影响。
为合理利用和保护生物圈的资源，保存遗传基因的多样性，改善人类同环境的关系，提供科学依据和理论基础，以寻找有效地解决人口、资源、环境等问题的途径。
重点在于人与环境相互关系的生态学研究的多学科研究计划，共有14个研究项目。
提倡将人与资源当作一个整体来研究。
1日益增长的人类活动对热带、亚热带森林生态系统的影响。
2不同的土地利用措施对温带和地中海森林景观的影响。
3人类活动和土地利用措施对放牧地、热带稀树草原和草场的影响。
4人类活动对干旱、半干旱地区生态系统的动态变化的影响。
5人类活动对湖泊、沼泽、河流、三角洲、河口和沿海地区的价值和资源的生态学影响。
6人类活动对山地和冻原生态系统的影响。
7岛屿生态系统的生态学与合理利用。
8自然区域及其遗传种质的保护。
9在陆地和水生生态系统中化肥的使用和病虫害防治的生态学估计。
10大型工程对人类及其环境的影响。
11城市系统的生态学。
12环境的改造及其与人口适应数量和遗传结构的相互关系。
13对环境质量的认识。
14环境污染研究及其对生物圈的作用。
迄今全国有28个自然保护区列入人与生物圈计划
广东鼎湖山、四川卧龙、吉林长白山、贵州梵净山、福建武夷山（三港）、内蒙古自治区锡林郭勒等自然保护区、神农架自然保护区
生物圈
生物圈biosphere：
是地球上有生物分布的区域；由生物和非生物环境组成的统一体，高度复杂的有序系统；是最大的生态系统，其结构、能量流动和物质循环是历史的演变着，并不断趋于稳定的平衡。
1、生物圈的形成和演化
1、生物圈形成
地球47亿年
化学演变——生命出现（30多亿年）——生物进化
无机小分子—大分子—有机小分子—大分子—原始生命（30多亿年）
原始生命到原核细胞的产生——27亿年藻类沉积石灰岩
真核细胞的产生——12－14亿年前
单细胞到多细胞——植物和动物分化（三级结构）6亿
软体动物－有骨骼动物－生物登陆（3-4亿）
生物进化史出现5亿个物种，现在（1000－1500万）
2、生物圈进化重大事件
单极生态系统——生命产生，异养生物和原生环境
二级生态系统——20亿年前绿色藻类（自养生物）
三级生态系统——6亿多年前多细胞动物出现（植物+动物+微生物）
人类产生——200万年，地球生物圈演化的质变。
3、生物圈经历的大演变
第一次冰期——元古代震旦纪（8-6亿），生物仅存于海洋
寒武纪（5.7）－石炭纪（3.5）为间冰期：
气候转暖，生物登陆
第二次冰期——石炭纪末期（2.9）至二迭纪中期（2.7），冰期降温10度（生物向温暖地带退缩）
间冰期：
三迭纪（2.5）－第三纪（200万）
气候干燥炎热，裸子植物繁盛（恐龙），白垩纪末期干旱，沙漠扩大；新生代第三纪气候暖和和湿润，被子植物繁盛，哺乳动物，灵长类动物
侏罗纪开始——大陆漂移
第三次冰期——第四纪：
4、5次气候变化，200万年前－至今。
生物向南退缩，类人猿离开森林——人类出现；（物种灭绝，水杉、银杉的延续）
4、生物圈演化的优化方向
结构信息量不断增加（自我维持、调节，补偿）
生物圈屏护机制的形成——臭氧层、小气候、小生境
自由能的不断积累（氧、土壤、石油等）
生物圈自身多种尝试，最成功的结构选择保留
人类未找到类似的优化方向——资源枯竭和环境破坏
2、生物圈的结构
地下12至地上23km
要素：
无机物质；有机化合物；物理因素；生产者；噬养者；分解者
要素之间关系：
生物因子与环境因子相适应的关系——不同动植物区系；小生境
能量流动和物质流动关系——食物网
生物系统的层次关系——细胞、机体、种群、群落、生态系统
生物圈的空间结构关系——相互渗透影响
生物圈Biosphere（空间结构）
水圈Hydrosphere
岩石圈Lithosphere
大气圈Atmosphere
3、生物圈的自我调节功能
1、生物圈的稳态反应——自我调节（一定的阙值）
2、生物圈控制系统的特点：
稳态反应表现为一控制过程——控制系统——运动到稳定
信息流动、反馈——形成控制系统的条件
控制者——基因和环境因子；被控对象——生物圈
复杂、多层次、多回路、多形式、自组织自适应自我调节的控制系统
3、生物圈的生态平衡：
生物圈现存结构为一个稳定阶段；
生物圈能流是畅通的。
相对稳定，动态稳定，暂时稳定
4、人类控制生物圈的可能性
人与自然的关系——天人之辩；人类能否超越自然？
？
人对生物圈的适应——人不能脱离生物圈
人体及生理功能具有忍受限度，地球臭氧保护作用
人体物质组成与环境的物质分布存在适应性
人对生物圈的改造（过快）
劳动改变物质存在形式，扩大对生物圈的适应范围，改造与适应矛盾与统一
协调人与生物圈的关系，自觉的调节与控制
人对生物圈的控制：
逐步具备，局部控制
确定正确的控制目标
建立社会生态系统稳态反应的优化结构
第4节种群概论
一、种群的概念和基本特征
种群（population）是在一定空间中同种个体的总和。
狭义：
种群：
在一定空间中，能相互进行杂交、具有一定结构、一定遗传特性的同种个体总和。
自然种群特征：
（1）空间特征：
具一定分布区域
（2）数量特征：
一定空间个体数量（密度）是变动的；
（3）遗传特征：
具一定基因组成
二、种群的统计特征
种群具个体不具备的群体特征：
1、种群密度
2、初级参数——出生率（natality）、死亡率（mortality）、迁入和迁出
3、次级参数——性比（sexratio）、年龄分布（agedistribution）和种群增长率等。
1、种群的密度和分布
种群大小（size）：
种群的数目或生物量。
密度（density）：
单位面积或容积内的个体数目或生物量
粗密度（crudedensity）：
是指单位总空间的个体数。
生态密度（ecologicaldensity）是指种群实际占据的空间个体数，如调查样地仅有一半面积上有某树种更新苗，按整个样地计算的密度是粗密度，按1/2面积计算的是生态密度。
2、种群的空间结构
种群分布的状态及其形式，可分为三种类型：
①随机型（random）；②均匀型（uniform）；③成群型（clumped）
3、出生率和死亡率
出生率：
泛指任何生物产生新个体的能力。
最大出生率和实际出生率。
死亡率——最低死亡率和实际死亡率。
前者是在最适环境下，个体到了其生理寿命；而后者则是在特定环境下的实际死亡率。
4、迁入和迁出
迁入（immigration）：
别的种群进入领地。
迁出（emigration）：
种群内个体离开种群的领地。
各地种群之间进行基因交流的生态过程
5、年龄结构和性比
I、年龄结构1．增长型种群2．稳定型种群3．下降型种群
II、性比（sexratio）
种群中雌雄个体所占的比例。
性比和种群的配偶关系，对出生率有很大影响。
人口统计——男性和女性
第5节生物群落及多样性保护
一、生物群落的关键性结构
1、化学镶嵌体和协同进化食物网
从次生化合物的角度来看（生物碱、萜类）,森林中不同的植物彼此组成了不同次生化合物的镶嵌分布
不同生物种含有不同的次生化合物，化合物随物种的参差分布而彼此镶嵌，形成复杂体系——化学镶嵌体
独立食物网——食草性昆虫和食草性脊椎动物由于具备某种解毒机制,而对某些次生物质产生了特化,表现为专食一种或数种植物的现象
协同进化食物网Coevolution——动植物在进化过程中，植物产生次生物质，动物产生解毒机制，表现为专食一种或数种植物，形成彼此共同进化的现象
植物次生物质产生——动物解毒机制——协同进化
2、可动连锁种
能从群落中的某丛或某株植物向另一丛或另一株植物运动，成为群落植物生存繁衍重要因素的动物种。
3、核心共生种
能够维持可动连锁种及多数其他动物生存的关键性植物种。
失去核心共生种——可动连锁种消失——连锁性绝灭
脚骨脆Caseariacorymbosa（大风子科）面罩蒂泰雀（可动连锁种）及21种食果实动物（2-6周缺食期间）
二、群落结构的组成
群落（community）：
一定时间、空间内的生物种群的集合
生物群落=植物群落+动物群落+微生物群落
群落组成：
种群——化学镶嵌体，可动连锁种，核心共生种
外貌、季相、生活型、小生境（演替、林下、树冠）
种群结构（多度、密度、频度、重要值）
物种多样性彼此发生联系
3、演替干扰及多样性保护
R.B.Foster（1980）
1、土壤与气候的不均匀性——斑块状分布——干扰（随机、周期、定向）——演替
2、演替干扰及类型——正常的群落演替时间缓慢
森林倒树的干扰——50-100；200年
河岸侵蚀和沉积干扰——平原地区100-1000年、火山干扰——后期丰富；25—10000/4年一次干扰、滑坡干扰、风暴干扰、火灾——重要干扰源、虫害、兽害
3、干扰对自然保护的利弊
可以增大生物多样性或造成物种的绝灭、不易灭绝的种，高频率干扰有利、易灭绝的种，干扰是致命的、双刃剑，不同物种不同管理方法、生境碎裂，退化，散失
Habitatfragmentation，degradation，loss
第6节最小生存种群和岛屿生物地理学
一、最小生存种群
1、概念与意义
（1）最小生存种群（MVP）——是指在遗传特性、环境因素和种群自身的随机变化存在的情况下，能够以99%的概率存活1000年的最小种群。
种群大小与绝灭速率——孤立种群的动态研究。
局限性（其他：
生活史、自然资源的分布、遗传变异、群落共存）
（2）意义
广泛应用，物种保护问题的关键
强调了保护中的三个重要方面：
1、将单一物种种群作为确定单位
2、生存强调了在某一相对长的时间段上对种群的维持
3、最小指出了许多关键因子控制着种群从生存走向绝灭的概率性的衰退过程，这些因子不仅包括种群的大小和分布，也包括种群的某些遗传特性。
（3）最小生存种群大小的影响因素:
1、种群统计的随机性（年龄结构与性比）2、环境的随机性3、遗传随机性4、自然灾害
5、最小动态面积6、种的社会行为机能障碍7、疾病
将以上因素综合到一个称为“种群脆性分析”（PVA）的概念模型中——最小生存种群——自然保护区设计理论。
2、种群脆性分析
（1）含义
种群脆性分析（PVA）：
对物种种群的绝灭进行的系统和综合的分析过程，明确最小生存种群，使该种群的绝灭危险减少到可接受水平。
种群生存力分析（PVA）Populationviabilityanalysis
（2）种群脆性分析的三个方面
绝灭涉及“过程”与“状态”
三个方面始终在变化和相互作用着
森林砍伐——严重破坏森林生态系统——贫困依然未消除，WorldWideFundForNature（WWF）——长江上游发展替代生计以达到可持续发展
（3）两种绝灭过程
确定性绝灭：
由无法逃避的环境变化和力量造成的对许多物种的绝灭。
直接发生和间接发生。
森林砍伐和冰川作用
随机性绝灭：
由一些通常的、随机性的环境变化或干扰（削弱而不毁灭）造成的。
被削弱的种群所面临的绝灭危险将大大增加。
脆性分析着重于随机性分析
人类猎杀
毛里求斯渡渡鸟，1680年灭绝。
留尼汪白渡渡鸟，1750年灭绝。
大颅榄树灭绝——吐绶鸡（火鸡）共生
确定性灭绝（间接）
（4）种群的绝灭过程分析
“绝灭环”：
生物与环境相互作用为反馈环，环境变化将在这个反馈环中建立起一正的反馈系统。
当任何变化通过该系统后，将加剧对种群不利影响，最终可能导致种群的绝灭。
反馈系统称之为绝灭环。
种群统计的随机性：
个体出生和死亡过程中的偶然性变异（chancevariation）。
灭绝的直接先兆。
如：
高死亡率或低出生率
种群统计随机性原因：
生境数量的减少和环境干扰或恶化
环境随机性：
一系列的随机的环境变化，导致严重的种群统计随机性。
N——种群的大小
Ne——有效种群大小
r——种群增长率
Var（r）——种群增长率的变异
D——种群分布范围
环境（E）干扰——对种群四个变量的不利作用——表现型（PP）——其遗传性和表现型发生变化——种群的结构和适合性（PSF）
环境干扰ß----àN的减少和Var（r）的增加——绝灭
种群大小N世代下降，其作用可以累加；
环境干扰——年龄结构；性比偏离1：
1；出生率和死亡率变异——均可发生R环灭绝
碎裂（斑块状分布）<——>N减小和Var（r）增加——绝灭
种群分布碎裂程度越大，绝灭的速率将增加，加剧种群的岛屿化。
种群的碎裂对种群Ne有非常不利的作用。
F环：
近交衰退；杂合性丧失——代谢效率、生长率、繁殖生理学和抗病能力——影响独立于环境——绝灭
A环：
遗传漂变和遗传变异丧失——影响自然选择准确性，使种群和环境配合失调——影响与环境有关——绝灭
4个绝灭环：
环境干扰通过四个种群变量作用于种群——绝灭。
相互关联；在灭绝过程中可被多次重复；复杂系统。
种群脆性分析是一个综合的系统模型。
为最小生存种群大小的确定提供理论基础。
种群脆性分析不能完全反应出种群的绝灭过程，可对种群在每个绝灭环中所变现出的脆弱性做预测。
高散布率和高r—D环、R环；
大体型，高营养水平、低Ne—F环与A环
3、最小生存种群大小的确定
前提
自然保护区为一陆地生境岛，无个体的迁出和迁入
一个能生存的种群可以在相对较短的时间内保持遗传杂合性的损失极限
确定最小种群大小过程：
（Ne与世代杂合性损失率的关系；N与Ne的关系）
1、确定杂合性最大损失率（在短时间内是可以被接受的）
2、确定有效种群大小Ne
3、确定与有效种群大小相当的实际种群大小N
4、确定能使1站得住脚的实际种群大小
5、从第3、4种选择较大数量的一个
——（Ne与世代杂合性损失率的关系；N与Ne的关系）
计算公式
有效种群Ne：
所有成年个体对下一世代能提供同等的配子及随机交配的机会的种群。
杂合性损失率=1/（2Ne）
3条假设:
1、种群需具有分离的性别
2、交配机会是随机的
3、双亲的繁殖力和其子代繁殖力不存在相关性
公式
K为每个亲本后代的平均数
V为每个亲本后代数的方差
许多动物是一雄多雌的，公式可简化为：
Ne=4m（1-m）N
m为雄性个体比例
有效种群大小与其生存临界值有关，一般40%-50%（杂合损失率）
50个世代杂合性累积的损失率：
0.4=1-（1-1/2Ne）
短期（50世代）维持的有效种群的大小应为50（49.19）
长期保存的有效种群大小为500。
最小生存种群（MVP）
最小可存活种群MVP：
一定的时间保持一定遗传变异
一定概率存活一定时间
短期存活的种群，不低于50个；长期存活种群，有效种群大小是500。
（魔数50-500）（MagicnumberWilcox1986）
存活概率标准：
50、95或99
保持遗传多样性标准：
90、95或更高
存活时间：
50、100或1000年。
短期存活：
<100年；中期:
100—1000年；长期：
>1000年
例：
魔数50-500，这一数字的提出是基于下列考虑，一般认为在没有显性变异的情况下，加性变异的损失率同生物的杂合性损失的速度是一致的，即杂合性以每代1%的速度减少，对大多数的生物来说在短期内每代损失1%的变异是允许的。
所以：
1/2Ne=1%，Ne=50
但如果要使生物长期存活杂合性的损失率不能高于0.1%，即可加性变异的丢失率不能超过生物每代通过基因突变所获得的变异。
1/2Ne=0.1%，Ne=500
1、通过对北苍鹰48个巢的调查，估算出K=3.4，V=2.32，要求维持一个世代杂合性损失率小于或等于1%，请计算北苍鹰种群的最小生存种群数目。
答：
杂合性损失率=1/（2Ne）=1%
Ne=1/（2×0.01）=50
Ne=（NK-2）/（K-1+V/K）
N=46
最小生存种群为46。
（雌雄均为23只）
2、假设某国家公园的马鹿种群中，每100只中必须有10只雄鹿，并令Ne=50，请计算马鹿种群的最小生存种群数目。
答：
m=0.1
Ne=4m（1-m）N=50
最小生存种群中所需的雄性个体的最低数：
mN=13.9≈14
最小生存种群为140。
2、岛屿生物地理学理论
岛屿性Insularity：
生物地理所具备的普遍特征。
溪流山洞；边界明显的生态系统；林中的沼泽；沙漠围绕的高山；农田包围的林地
人类活动的影响，自然景观的片断化Fragmentation也是产生生境岛屿的重要原因
核心是研究（物种丰富度——面积——岛屿隔离程度）的静态和动态关系——岛屿生境——自然保护区（理论基础）
1、物种与面积的关系
Preston1962
S=cAz——logS=zlogA+logC
S为种的丰富度
A为岛屿面积
Z是无维参数，理论值为0.263，（0.18-0.35）
C为比例常数——反应地理位置变化对S的影响。
经验概率：
面积减少10倍，物种平衡数目将减少一半。
岛屿上物种数S除依赖于面积A，也和岛屿离拓殖源（Colonizationsource）的距离有关。
一般，S随距离的增加而减少。
物种与面积关系的解释—3种学说
1）、生境多样性学说
面积与生境多样性，生境多样性与物种丰富度
物种的丰富度与面积呈正相关
2）、被动样本学说
岛屿生物类群可看作是来自种源生物群落的子集或样本
物种丰富度是取样面积和频度的函数
3）、动态平衡学说
物种丰富度取决于迁入和绝灭（生物地理学理论主要内容）à
2、MacArthur-Wilson模型
MacArthur-Wilson1967：
岛屿生物种的丰富度完全取决于迁入和绝灭两个过程
距离效应:
不同种在传播、定居能力上的差异和岛屿隔离程度相互作用，其迁入率随其与大陆种库（Speciespool）距离增加而下降的现象。
面积效应：
生物多样性随岛屿面积增加而增加的现象
物种平衡数目:
当迁入率与绝灭率相等时，达到动态平衡状态时的物种数目
周转率：
平衡状态下，在数值上等于当时的迁入率或绝灭率的种类更新的速率
三、岛屿生物地理学与自然保护设计
1、自然保护区或保护庇护所——岛屿
自然保护区受人类活动影响——生境岛屿
由于自然保护区被其它生态系统如农田草地和其它人类活动场所如道路所包围因此它们可以看作是大小不一形状各异边界明显的生境岛屿
陆地生境岛屿和海洋岛屿存在着明显的区别
2、保护区地点的选择
选择最丰富物种的地方；
特有种、受威胁种和濒危物种同等重要
可动连锁种、核心共生种保护的重要性
3、保护区面积越大越好
保护物种的多样性——面积越大，种绝灭率越小，生境多样性越大，种丰富度越大。
从生境的角度看：
（1）不同的物种要求不同面积的生境。
（2）大的生境碎块可成为相邻的小块生境中的边缘种群提供迁入者的种源；（3）如果大的生境碎块得不到保护，它将进一步碎裂。
从生境的边缘效应方面看：
缓冲带。
保护区最小面积的确定，还应顾及到保护区的价值、保护目的和目标以及对保护区进行何种层次的管理。
4、一个大的保护区比相同总面积的几个小保护区更好
在小面积的生境块上，种—面积关系的斜率通常很大（>0.35）,并且所含的种库（Speciespool）的比例也很小。
小保护区之间在种类组成上的相似性通常很高（》0.5），且物种定居的种库的有效大小小于地区性种库
不足：
未涉及保护区所包含的物种数取决于两个关键的参数：
（1）物种定居能力的梯度；
（2）不同的小保护区在种类组成上的重叠程度；
几个分散的小保护区通常比一个具相同总面积的大保护区有更大的生境多样性，因而有更大的种丰富度。
忽视了以下方面：
几个较小的保护区可能具有相互补偿的优点，即在异质的区域中，每个保护区可能有利于不同物种种群的生存
流行病学方面，传染性疾病对几个分散的小保护区所构成的威胁要比大保护区构成的威胁小得多；
边缘性物种更喜欢几个较小的保护区
未注意到种群的动态特征，如种群在时空中的变化。
5、某些特殊生境和生物，设计几个
升级会员 