1、第五章 自然资源生态过程,自然资源从形成、演化到被利用的整个过程，都发生在地球生态系统中，经历着一系列生态过程。因此，了解自然资源生态过程是正确认识和合理利用自然资源的前提。,第一节 生态学基本概念 第二节 自然资源生态过程中的能量与物质 第三节 自然资源生态过程中的生物与种群,第一节 生态学基本概念,指导自然资源利用开发保护的准则：经济学；生态学；经济学的理论基础是资源稀缺问题；生态学指出“生态系统使我们了解自然系统的动态和结构所决定的极限”,一.生态系统,生态学与生态系统 自然资源学的“三E”基础 Eco-logy Eco-nomics Equity 生态学与人类生态学,生态学？,研究生物
2、及其环境关系的学科,人类生态学？,研究人类及其环境关系的学科,自然资源是人与环境、经济与生态关系的中介环节，那么自然生态过程主要是人与环境相互作用的过程，既涉及人类生态学原理，也涉及普通生态学原理。,人类生态学基本原理：任何生态系统对其所能支持的生命物质总量都有一个自然极限；在这个自然极限范围内，人类文化的调整起着极大的作用 自然资源生态过程研究必然要涉及各种成分之间的联系，尤其是生命物质与非生命物质、人与自然系统之间的相互作用。生态系统的概念为分析人类与环境之间的联系，并据此进而采取适当的行动提供了一个框架。,自然界任何范围，只要有生命有机体与非生命物质相互作用，并在 其间产生能量转换与物质
3、循环，就是生态系统（Tansley，1935）； 生态系统是由植物，动物和微生物群落，与其无机环境相互作用而 构成的一个动态，复合的功能单位。人类是生态系统中一个不可分 割的组分。生态系统研究的主要内容包括生态系统的组成，结构， 物质能量联系，生产力，动态及管理,生态系统的空间尺度变化很大，其间可以划分出无数的生态系统等级 生态系统组分常于其他生态系统交迭，彼此重叠的范围称为生态交错区（ecotone）,生态系统是生物群落（包括人类）与其周围环境的动态组合，并通过能量和物质联系而具有一定的结构和功能,生态系统的组成 生态系统由各种生态因子组成，包括生物因子和非生物因子,生态系统内的生态因子之间
4、相互影响，相互作用，相互依存，相互制约，其中当把一个生态系统中的某一生态因子变化（或当作资源来开发利用时），会使其他因子也发生变化 生态因子之间不可替代，只有各因子之间恰当的配合，才能对生物发挥有益作用 利导因子与限制因子：在一定限度内，可以通过调节限制因子来有效地管理生态系统。 生态系统的机理极为复杂 ，研究的基本途径是：从生态系统的结构和功能入手，着力于已限定生态系统中的营养联系、能量流和物质流,生态系统的营养结构和物质、能量联系 生产者、消费者、分解者与营养级 食物链与食物网 生物间通过取食和被食的关系相互结成了食物链，食物链之间相互交叉，连接形成食源复杂的网状营养结构称为食物网 植食食
5、物链：以植食动物吃活植物为起点 分解者食物链：以死有机体为起点在营养结构中按生物在食物链上的位置将其分为不同的营养级，凡处于同一链环的生物都属于同一营养级。,生产者、消费者和分解者与其周围环境之间相互作用，不断地进行着能量和物质交换 能量在生态系统中的传递服从于热力学第一、第二定律 ，即能量守恒和部分能量变为热能而散失 营养级间能量转化的效率大致服从“十分之一定律”,生态系统的物质循环 生物地球化学循环：范围大，速度慢，周期长 生物化学循环：生态系统内土壤与动、植物之间营养元素的周期性循环，范围小，速度快，周期短 生态系统中的生物与环境之间，生物各个种群之间，通过能量流动、物质循环和信息传递，
6、达到适应、协调和统一的动态平衡 生态系统的动态平衡依赖于系统的自我调节能力，但这种自我调节的能力是有一定限度的,二. 人类生态系统 生物圈,智能圈与人类生态系统 生态圈:地球及其所有生态系统的总称，人类赖以生存的环境 生物圈：由生命形成的活的圈层,是由生命转化能量和驱动物质循环并由生命系统调节控制的开放系统 智能圈：受人类控制和影响的生物圈(农业生态系统;工业生态系统) 人类圈:现代生物圈的一部分,或生物圈发展的现阶段;(我国学者:人类圈的进化主要是信息库的进化),人类生态系统：自然资源生态过程发生于其中的生态系统,自然资源生态过程不仅是自然-生态过程，还包括经济-技术过程和社会-政治过程,生
7、态系统服务功能与人类福利,生态系统服务功能是指人类从生态系统中获得的各种派效益;包括供给功能;调解功能;文化功能;支持功能 人类福利具有多重成分,包括维持高质量生活所需的基本物质条件,自由权与选择权,健康,良好的社会关系等。福利的体验和表达与周围情况密切相关。 生态系统的服务功能是人类福利不可或缺的,在必要制度、组织、技术和手段支持下，通过与生态系统之间可持续的相互作用，人类可以提高自己的福利水平 知识或人力资本的替代作用可以减缓由生态系统服务功能耗损和退化而产生的不利影响 但是不可能无止境地对其进行替代，尤其是它的调节功能、文化功能和支持功能 对某些服务功能（如控制侵蚀和调节气候）的替代，在
8、经济上是不切实际的 替代的机会差异很大 ：富裕人口与贫困人口 合理的生态系统管理不仅应考虑生态系统与人类效益之间的联系而且还要把生态系统内在价值的考虑纳入决策过程当中。,导致生态系统退化的原因很多，如何保证生态系统服务功能得到有效保护？市场机制？制度激励？管理变革？产权变革？,第二节 自然资源生态过程中的能量与物质,自然资源生态过程中的能量 太阳能与光合作用在自然资源生态过程中的意义 食物链中的能量过程 净第一性生产 ：食物链的第一环 食物链的每一环都有能量损失：热力学第二定律 第二性生产 ：食草动物所食植物转变生成的有机物数量 食物链能量转换对资源利用的含义：离第一性生产越远，单位面积上所能
9、获得的能量就越少,结论1：,净第一性生产是食物链的第一环,结论2：,食物链上每一环能量 转换效率很低的资源意义？,离第一性生产越远，单位面积上所能 获得的能量就越少；人类对食物的利用若想达到 最高效力，就必须作为食草动物，降低其营养水平,结论3：,在生态系统中的每一营养级上都有能量损失， 这使通过物种网络的潜能数量减少。因此，第二性 和第三性生产中的生物个体数量和活物质数量递减。 这就形成生态系统中的“金字塔”现象。,两个生态系统中的个体数金字塔（不包括微生物和土壤动物）（Odum, 1971） (a)为夏季草原生态系统；(b)为夏季温带森林生态系统，其中第一性生产者是大树，个体数量较少,佛罗
10、里达银泉村生态系统能量金字塔（Odum, 1971）,生态系统中的能量转换及其网络关系,食物网与物种网络,杂食性,食物网,各营养级上都有 复杂的营养关系，所有这些 关系连接起来，就形成食物网,物种网络,若考虑其他一些关系 （空间的和其他的竞争关系）， 那么食物网就扩展为物种网络,营养级关系,从资源过程的角度看，复杂的物种网络给我们的启示：当人们把某一物种看作资源来使用时，必然在生态系统中引起一系列变化。复杂性,后果很难预测.,自然资源生态过程中的无机物 几种重要无机物 自然界90种天然化学元素中，有3040种是生物有机体所必须的。它们对生物的供给来自若干经历不断循环的元素和化合物。 碳，氢，氧
11、，氮，磷，硫，钙，钠，钾，镁，铁，锰，硼等,自然资源生态过程中的无机物 几种重要无机物来源 大气圈 岩石 水的作用 无机物循环及其中的重要环节 在天然状态下，营养物质流大部分保存在生态系统内，少部分由径流带出系统外。生命物质对保存基本营养元素的重要作用 真菌 动物 林火 先锋演替物种,基本元素在陆地生态系统中的流动和储存（Simmons, 1982）,生态系统中自然资源的整体性与动态性 生态系统中自然资源的整体性 自然资源生态过程的高度动态性 人类已成为最活跃、重要动因,一、热力学第二定律与熵 热力学第二定律：所有正转变其形式的能量都倾向于转变成热能而消散。在更普遍的意义上可作如下陈述：在一个
12、封闭系统中，当任何过程中所有的贡献因子均被考虑时，熵总是增加的，而且是一种单方向的不可逆过程。简单的说，熵是表示物质系统状态的一种度量，用它来表征系统的无序程度。熵（entropy）的外文原名意义是转变，指热量转变为功的本领。其量纲是能量被温度除，单位可用“焦/开”（J/K）。如果一个物体的绝对温度为T，当对其加进热量Q时，该物体的熵（记为S）： S=QT,热力学第二定律指出：热量总是由温度较高的物体向温度较低的物体流动，而不能自发的由低温物体向高温物体流动。在封闭系统中实际发生的过程，总是使整个系统熵增大，自发的由有序到无序，使系统由非均衡态趋于均衡态。均衡态的特征是熵最大、系统最无序。熵是
13、物质系统的热力学态函数，其值与系统间以做工的方式传递的能量有关。能量固定的一个系统，当其熵等于零时，可以转化为功的能量等于他的全部能量；熵达最大时可以转化为功的能量等于零。因此，可以把熵看作有效能的测度，即熵越大，有效能越小，熵越小，有效能越大。同时熵也是有序程度的测度，熵越大，系统越是混乱无序，熵越小，系统越是有序。,自然资源过程中，参与者包括无生命系统、有生命系统，特别是以人类社会经济活动为中心的人类生态系统成分。这样，在资源系统的动态变化中，既有热力学第二定律的熵增特点，也有“生命机”工作中的负熵增特点。,自然资源与熵 自然资源：具有结构、非均匀、有序分布的物质与能量，负熵的集聚 资源利
14、用：负熵的消耗,二、生态系统的耗散结构 按照热力学第二定律，宇宙的熵在不断增加，越来越多的能量不能再转化为有效能了，宇宙将走向死寂。然而生态系统是开放的，他不断与外界交换能量与物质，产生负熵流，使系统总熵不增长，这样开放系统就能够远离均衡态而产生有序稳定的结构，这就是耗散结构。耗散结构论认为，一个远离均衡态的开放系统，在外界条件变化达到某一特定阈值时，量变可以引起质变；系统通过与外界不断交换物质能量，可以从原来的无序状态变化为一种时间、空间或功能上的有序状态，这种非均衡状态下的新的有序结构，就叫做耗散结构。耗散的含义正在于这种结构的产生、维持和发展的根源是物质和能量的耗散。,生态系统中的耗散结
15、构 1、熵变,在一个开放系统中ds=disdes其中：ds为系统总熵变, dis为系统内部熵变des为系统与外界进行交换而产生的熵,开放系统,input,input,(1) 当dis=des，则ds=0意味着开放系统可通过外界输入的负熵抵销系统内部正熵的产生，使系统维持稳定。 （2）当disdes，则ds0意味着系统将进一步向有序化方向演化。,自然资源与熵的关系,耗散结构 自然资源开发利用是消“耗”，开发利用后果随之扩“散”；系统只有不断地与外界交换物质和能量才能维持 生态系统是耗散结构的典型例子，它有一定的功能、结构与自我调节能力。生态系统的生产者绿色植物固定太阳能，为整个系统输入负熵流，负
16、熵流经过消费者复杂的食物链和分解者的渠道流通转化、消耗散失，最终输出到环境中去,耗散结构,“耗”,开发利用,“散”,开发利用后果,耗散结构产生 维持发展的 根源,物质和能量 的耗散,第三节 自然资源生态过程中的生物与种群,生物生产力 净第一性生产与第二性生产 第二性生产不仅受第一性生产限制，还受第一性产物被食草动物利用的程度以及它们转化为动物组织的效率限制 极限,生物多样性与生态系统服务功能 生物多样性是一个概括性的术语,包括全部植物,动物和微生物的所有物种和生态系统以及物种所在生态系统的生态过程. 生物多样性和生态系统密切相关. 生物多样性指来自陆地,海洋,以及其他水体生态系统以及其他生态复
17、合体中生命有机体的变异性,包括种内多样性,种间多样性以及生态系统多样性; 多样性是生态系统的一个结构特征;同时生态系统的变异性是生物多样性的重要组成部分; 生物多样性的产出包括生态系统提供的多种服务功能;生物多样性的变化可以影响生态系统的其他服务功能.,生物多样性 生物多样性的多个层次的含义 遗传多样性：包括在栖居于地球上的植物、动物和微生物个体的基因，包括一个物种内个体之间和种群之间的差别 物种多样性：地球上生命有机体种类的多样性 生物群落或生态系统多样性：一个地区内各种各样的生境、生物群落和生态过程 生态系统功能的多样性 每个水平的生物多样性都具有资源意义 (遗传多样性-抗虫害玉米;物种多
18、样性-大量动植物资源;生态系统多样性-森林,湿地,荒漠),生态服务功能: 举例:印度加尔各答农业大学研究结果 国际生态经济学会主席斯坦扎(1997) 将生态系统服务功能分为:稳定大气;调节气候;缓冲干扰;调节水文;供应水资源;防治土壤侵蚀;熟化土壤;循环营养元素;同化废弃物;传授花粉;控制生物;提供生境;生产食物;供应原材料;遗传资源库;休闲娱乐场所,以及科研,教育,美学,艺术用途等17种. 按全球16类生态系统估算其经济价值每年至少约33万亿美元,是目前全世界国民生产总值的两倍 绝对值估算与计算相对量(变化量),种群增长与控制 种群增长潜力,种群增长曲线呈指数形式,其增长曲线呈指数形式，此类
19、增长称为指数增长，其数量增长的潜力很高。 没有环境阻抗，任何种群的潜力都会无限扩展。极端例子 阻碍物种个体数量增长的环境因素称为环境阻抗（environmental resistance）(限制因子) 事实上，指数曲线总是在生境的承载能力值（K）上平展，可用下式表达： N=K/(1-ea+rt) 此式说明一个种群会不断地、无灾变的增长到接近外渐近线，此时，r=0，a为积分常数。种群也可能超过这个数值，然后由于死亡率增高和出生率减少而回落到承载能力以下。,事实上，指数增长并没有发生,原因何在？,环境阻抗,食 物 供 应,气候,异 种 捕 食,疾病,种群增长潜力、限制因素与逻辑斯蒂克增长曲线,作用
20、于动物种群的重要因素,资源承载力与人口增长 人,智慧生物,社会性;作为理智人对其种群的增长,必须研究三个基本问题: 一:研究和了解人类种群的增长型: 人类增长与逻辑斯蒂型和指数增长型不尽一致;人类生态幅宽,社会缓冲能力大,“自我拥挤效应”和资源利用过渡效应滞后,种群密度和数量感觉到有害效应之前已超越承载力极限:两种基本的选择; 二:定量预测人类种群的最适规模和结构 人口承载能力和资源承载能力的研究(人口计划)解决第一个问题的前提 三:研究如何采取“文化调节”措施(特别是在自然调节失效,太晚,或不可接受的情况下) 技术可以解决人口,资源与环境问题 技术只能延缓灾难发生的时间,不能根本解决人口,资源与环境困境,必须采取道德,法律,政治和经济的约束措施,资源承载力动态与组合逻辑斯蒂克曲线： 利导因子与限制因子,系统的平衡与发展 A系统只有平衡，没有发展，无生命力的发展过程，被其他系统替代 B系统只有发展而无平衡机制，不能持久，迟早也会由于限制因子的作用受阻或崩溃 C系统具有持续的发展能力，又具备一定的自我调节能力，实现持续稳定的增长和发展。,
