生態(tài)工程設(shè)計的方法

第三章生態(tài)工程設(shè)計

的方法張靖大連民族學(xué)院環(huán)境與資源學(xué)院zhangjing@目錄第一節(jié)斑塊尺度上的生態(tài)工程設(shè)計第二節(jié)區(qū)域尺度上的生態(tài)工程設(shè)計穩(wěn)定性第三節(jié)穩(wěn)定性分析與控制方法第四節(jié)生態(tài)演替促進法第五節(jié)外來種的引進與控制方法第六節(jié)生態(tài)恢復(fù)方法第七節(jié)結(jié)構(gòu)調(diào)整的方法第八節(jié)功能完善的方法第九節(jié)物質(zhì)循環(huán)與能量轉(zhuǎn)化的調(diào)整方法不同等級的生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)工程設(shè)計的方法是不同的，目前常用的方法有區(qū)域尺度的系統(tǒng)動力學(xué)方法和斑塊尺度立地分析法。受損程度較輕的生態(tài)系統(tǒng)可采用生態(tài)演替促進方法受損程度較重的生態(tài)系統(tǒng)可采用結(jié)構(gòu)調(diào)整方法和物種引進方法。第一節(jié)斑塊尺度上的生態(tài)工程設(shè)計斑塊尺度的生態(tài)設(shè)計應(yīng)根據(jù)各斑塊類型的潛力評價，尋求自然原型中的適宜部分。其評價標(biāo)準(zhǔn)是生態(tài)系統(tǒng)的基本功能是否令人滿意，如生態(tài)系統(tǒng)保存功能的大小。美國生態(tài)學(xué)家Shugart和West于1977年提出了林隙模型（FORET模型），由于該模型的理論基礎(chǔ)為立地理論。該模型由兩部分組成：種群遺傳特征決定生長量；立地條件、群落外干擾、種群競爭與基質(zhì)的關(guān)系四項指標(biāo)共同決定種群生長量采用FORTRAN語言進行程序編寫。程序包括一個主程序（模擬群落演替過程中植物死亡、萌生更新等過程）和五個子程序（種群遺傳特征、立地條件（主要包括在只溫和土壤狀況）隨機干擾、種群競爭和斑塊面積正態(tài)分布。選擇吉林省東部溫帶濕潤的針闊混交林地區(qū)作為研究對象，根據(jù)當(dāng)?shù)貙嶋H情況選擇紅松、冷杉、云杉、落葉松、山楊、白樺、紫鍛、糠鍛、水曲柳九個種群輸入對應(yīng)的樹種參數(shù)，模擬吉林省東部八個主要斑塊類型的各樹種的生物累積量。第二節(jié)區(qū)域尺度上的生態(tài)工程設(shè)計穩(wěn)定性區(qū)域尺度上的生態(tài)工程建設(shè)設(shè)計包括兩部分：一是將自然與經(jīng)濟作為一個整體，研究生態(tài)建設(shè)對經(jīng)濟的影響和經(jīng)濟發(fā)展對土地利用的要求；二是將斑塊尺度的設(shè)計與景觀的整體功能及經(jīng)濟要求結(jié)合在一起，最終完成區(qū)域尺度的生態(tài)工程建設(shè)設(shè)計，即宏觀與微觀的結(jié)合。案例——吉林省東部濕潤區(qū)的郭家溝襯利用系統(tǒng)動力學(xué)仿真模型設(shè)計生態(tài)工程建設(shè)方案（1）因果關(guān)系分析：郭家溝村的糧食需求是經(jīng)濟對土地提出的最基本要求。存在的問題：單純依靠經(jīng)濟效益較好的河谷平地上的種植業(yè)已無法滿足其糧食生產(chǎn)的需求，于是迫使人們開墾山地，建立低經(jīng)濟效益的種植業(yè)，糧食作物產(chǎn)量產(chǎn)值波動較大。解決辦法：提高現(xiàn)有糧食的單產(chǎn)量在山地引進牧草種植業(yè)，減少飼養(yǎng)業(yè)對糧食的消耗，促進畜牧業(yè)的發(fā)展郭家溝村生態(tài)設(shè)計的關(guān)鍵是建立具有自我加強的正反饋回路：種植牧草→牧草產(chǎn)量→牧草產(chǎn)值→牧草業(yè)投資→進一步種植牧草。郭家溝村的輸出從糧食轉(zhuǎn)為飼料和畜產(chǎn)品，進一步減少了郭家溝村的糧食需求。郭家溝村生態(tài)工程建設(shè)的因果關(guān)系圖（2）設(shè)計流圖和程序：

設(shè)計流圖就是把無法用方程表示的因果關(guān)系用“流”及控制“流”的信息反饋環(huán)路表述出來。其基本過程是：①選擇評價系統(tǒng)功能的指標(biāo)型②積累變量的選擇③非積累變量的選擇④流圖的構(gòu)建⑤設(shè)計程序（3）結(jié)果討論：假定實驗區(qū)依靠自身的經(jīng)濟能力而不依靠區(qū)域外投資且經(jīng)濟收入除用于解決溫飽之外全部投入生態(tài)工程建設(shè)，此時的農(nóng)林用地面積和荒地開發(fā)面積及總收入仿真結(jié)果見下表。2.最終設(shè)計方案生態(tài)工程設(shè)計的最終方案一般是在地理信息系統(tǒng)支持下完成的。在方案確定上要兼顧斑塊自身性質(zhì)要求和流域經(jīng)濟的整體要求及景觀的穩(wěn)定性要求。在程序編寫中，采用人機對話的人機交互系統(tǒng)，立足于斑塊自然屬性和潛力，通過人為修正，逐步使設(shè)計方案滿足于景觀尺度上的經(jīng)濟與生態(tài)要求。系統(tǒng)程序由FoxBASE＋系統(tǒng)與PCARC/INFO、DYNAMO、F77等軟件組成。生態(tài)建設(shè)方案設(shè)計流程圖第三節(jié)穩(wěn)定性分析與控制方法一、生態(tài)類型的穩(wěn)定性分析穩(wěn)定性是指系統(tǒng)對干擾有較強的緩沖能力，在干擾發(fā)生時，系統(tǒng)的保存功能不被破壞，系統(tǒng)輸出保持基本恒定。評價每個生態(tài)系統(tǒng)單元的退化過程類型和強度的測定可通過生態(tài)系統(tǒng)的空間組織及其演化歷史來實現(xiàn)。生態(tài)系統(tǒng)類型穩(wěn)定程度的強弱可影響其利用現(xiàn)狀，對區(qū)域中不同穩(wěn)定程度的生態(tài)系統(tǒng)類型空間結(jié)構(gòu)進行分析，可為區(qū)域生態(tài)工程設(shè)計方案的確定提供理論依據(jù)。1.案例分析吉林省西部處于溫帶農(nóng)牧交錯帶，其多數(shù)地區(qū)存在著不同程度的沙化和堿化現(xiàn)象，沙化常與風(fēng)蝕相伴生，而堿化則多發(fā)生在低洼地和易澇地。吉林省西部地區(qū)2.指標(biāo)選取及指標(biāo)體系的建立科學(xué)依據(jù)：生態(tài)系統(tǒng)是人與自然綜合作用的產(chǎn)物。任何一種生態(tài)系統(tǒng)的形成、演變都要受此兩種作用的支配，生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定與否也受這種作用制約。三個指標(biāo)：地形和地貌：地形過“分配效應(yīng)”改變物質(zhì)和能量的分布狀況人類對生態(tài)系統(tǒng)的利用水平：其在很大程度上影響生態(tài)系統(tǒng)生物量的多少，用于評價生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性土壤退化：直接反映土壤肥力的重要指標(biāo)。土壤退化程度直接關(guān)系到生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定程度的高低（1）評價指標(biāo)：選取地形、土地覆蓋和土壤退化這三項指標(biāo)評價吉林省西部生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，其中土地覆蓋現(xiàn)狀可以反映人類對生態(tài)系統(tǒng)的利用水平。（2）評價結(jié)果：用公式法對穩(wěn)定度進行評價用上式得出各生態(tài)類型（對水域不作穩(wěn)定程度劃分）的綜合評價得分將66個生態(tài)類型的總得分從大到小排列，作總隸屬直方頻率圖，找出突變點，并確定生態(tài)系統(tǒng)類型的穩(wěn)定等級和等級分?jǐn)?shù)值隸屬區(qū)間。（3）結(jié)論①吉林省西部生態(tài)系統(tǒng)在無人類干擾情況下主要為穩(wěn)定的生態(tài)系統(tǒng)和少量亞穩(wěn)定的生態(tài)系統(tǒng)；在人類干擾停止或減輕后，亞穩(wěn)定生態(tài)系統(tǒng)可逐步向穩(wěn)定的生態(tài)系統(tǒng)方向演替。②吉林省西部的人為干擾盡管很強，但目前仍以穩(wěn)定的生態(tài)系統(tǒng)和向穩(wěn)定方向發(fā)展的亞穩(wěn)定生態(tài)系統(tǒng)占優(yōu)勢，二者面積為244.9萬公頃，占評價面積的61.9%。③在亞穩(wěn)定生態(tài)系統(tǒng)中，目前有占面積38.6%的生態(tài)系統(tǒng)正在向不穩(wěn)定生態(tài)系統(tǒng)的方向發(fā)展，急需治理。二、景觀穩(wěn)定性分析1.斑塊的穩(wěn)定性評價景觀及生態(tài)系統(tǒng)作為遠(yuǎn)離平衡態(tài)的功能藕合系統(tǒng)，其穩(wěn)定性依賴于內(nèi)部存在著的消除偏差的負(fù)反饋，而對穩(wěn)定性的破壞，則既可來自于超過景觀及生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性閡值的強干擾，又可以是景觀及生態(tài)系統(tǒng)中具有增強偏差功能的正反饋。以生態(tài)建設(shè)為目的景觀穩(wěn)定性評價，應(yīng)包括三個主要部分，即斑塊的穩(wěn)定性分析、干擾在景觀中傳播能力分析和景觀整體的穩(wěn)定性分析。第四節(jié)生態(tài)演替促進法演替：“演替是植物群落受到干擾后的恢復(fù)過程或原生裸地植被形成和發(fā)展的過程”。一、生態(tài)演替的原理在未被干擾的自然景觀，植物群落總會向該地帶穩(wěn)定性大的方向發(fā)展，稱為進展演替或正向演替。在受到干擾后，原來穩(wěn)定性較大、結(jié)構(gòu)較復(fù)雜的植物群落消失，取而代之的是結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性較小的植物群落，或失去植被保護的裸地，這就是逆向演替。應(yīng)用仿效演替過程促進演替過程二、仿效演替過程人類可以仿效生態(tài)系統(tǒng)的演替過程對被破壞的景觀進行恢復(fù)和重建。案例：鄂爾多斯市準(zhǔn)格爾旗東部的黑岱溝露天煤礦排土場復(fù)耕存在的問題：黑岱溝露天煤礦屬黃土高原地區(qū)，是我國水土流失最嚴(yán)重的地區(qū)之一。露天煤礦的開采，既造成很多劣地，也加劇了水土流失。①初期階段：以速生先鋒植物為主迅速恢復(fù)植被，有效控制水土流失。②中期階段：建立具有持續(xù)改善排土場生態(tài)環(huán)境的地帶性或持續(xù)性植被。③后期階段：著眼于礦區(qū)生態(tài)環(huán)境的綜合治理和土地開發(fā)利用的經(jīng)濟效益，把復(fù)耕土地規(guī)劃為農(nóng)業(yè)、牧業(yè)、林業(yè)、養(yǎng)殖業(yè)等用地。以生態(tài)演替原理為指導(dǎo)，對黑岱溝露天煤礦排土場的土地復(fù)耕取得了良好的生態(tài)效益、經(jīng)濟效益和社會效益。三、促進演替過程

生態(tài)演替的主要原因是生物之間及生物與環(huán)境之間關(guān)系的變化原理：

要促進正向的生態(tài)演替，就必須改變植物的種類和數(shù)量、水分條件、土壤狀況及人類活動的強度。1.處于逆向演替階段生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)實質(zhì)：應(yīng)根據(jù)地帶性規(guī)律、生態(tài)演替及生態(tài)位原理選擇適宜的先鋒植物，構(gòu)建種群和生態(tài)系統(tǒng)，實施生物與生境同步恢復(fù)的策略，逐步將生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)到與大氣候和地貌條件相協(xié)調(diào)的水平。促進正向演替過程的基本步驟：（1）調(diào)整社會經(jīng)濟結(jié)構(gòu)，減少人為干擾：調(diào)整人口政策、消費水平和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)等。（2）協(xié)調(diào)生態(tài)系統(tǒng)和周圍環(huán)境的關(guān)系，促進正向演替：在人工調(diào)控的基礎(chǔ)上，充分發(fā)揮生態(tài)系統(tǒng)的自我調(diào)節(jié)和自我組織能力。（3）引進物種，建立穩(wěn)定的生態(tài)系統(tǒng)：選擇適宜植物，通過補播、補植增加地表生物的多樣性。2.處于正向演替階段的生態(tài)系統(tǒng)的保護目前處于正向演替階段的生態(tài)系統(tǒng)，面對日益沉重的人口壓力及隨之而來的對自然資源需求的持續(xù)增長，其穩(wěn)定發(fā)展也將受到越來越大的威脅，因此，必須加強對其的保護措施。具體保護措施：（1）劃分生態(tài)功能區(qū)：根據(jù)生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和生態(tài)過程的特點、人類活動對生態(tài)服務(wù)功能的影響及可能產(chǎn)生的生態(tài)風(fēng)險，科學(xué)合理地劃分生態(tài)功能區(qū)，實施突出重點、分區(qū)保護的措施。（2）調(diào)整系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，在生態(tài)保護系統(tǒng)安全的條件下發(fā)展生產(chǎn)：設(shè)計生態(tài)廊道，建造防風(fēng)固沙林或水土保持林，構(gòu)筑合理的生態(tài)結(jié)構(gòu)。（3）建立生態(tài)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測體系：采用遙感技術(shù)進行生態(tài)系統(tǒng)的宏觀監(jiān)測。根據(jù)生態(tài)節(jié)點，劃分生態(tài)功能區(qū)3.促進生態(tài)演替的案例秦嶺山地橫貫中國中部地區(qū)，是東亞地區(qū)生物多樣性最豐富的地區(qū)之一。它是中國南北自然環(huán)境的天然分界線，也是中國中部生態(tài)安全的天然屏障。對自然資源開發(fā)利用的不合理，使這一區(qū)域的生態(tài)服務(wù)功能下降，生物多樣性降低。為促進正向演替，仿效生態(tài)正向模式實施對秦嶺山地的保護，主要措施如下：（1）劃分生態(tài)功能區(qū)：秦嶺山地現(xiàn)已列入國家級特殊生態(tài)功能保護區(qū)建設(shè)試點，按國家要求，必須制定保護區(qū)的規(guī)劃，而且任何活動都要服從于該規(guī)劃。（2）健全和完善自然保護區(qū)體系：生物多樣性保護是區(qū)域生態(tài)建設(shè)的主要內(nèi)容之一，截止到2000年，秦嶺山地正式成立了9個自然保護區(qū)，面權(quán)達3.24萬km2，占秦嶺山地總面積的6.06%。（3）規(guī)范生態(tài)旅游，減少人為干擾：秦嶺山地發(fā)展生態(tài)旅游的條件得天獨厚，目前已建有10個風(fēng)景名勝區(qū)和24個森林公園，在減少人類干擾，加大保護力度的前提下合理開發(fā)具有區(qū)域特色的野生植物資源。（4）生物資源的持續(xù)利用：過去對秦嶺山地的生物資源開發(fā)多處于無節(jié)制的過度利用狀態(tài)，導(dǎo)致生物資源極大的破壞和浪費，近幾年來，在保護的前提下合理開發(fā)利用已取得一些成果。（5）實施生態(tài)工程建設(shè)：在秦嶺山地，隨著國家級生態(tài)功能保護區(qū)建設(shè)工作的開展，應(yīng)重點實施九大生態(tài)工程建設(shè)。第五節(jié)外來種的引進與控制方法一、外來種的影響及引進原則1.外來種的影響外來種是原生生態(tài)系統(tǒng)中沒有的物種，它借助人類活動，穿越空間障礙成功定居并能繁衍。外來種的引人是柄“雙刃劍”，它既可能給生態(tài)系統(tǒng)帶來效益，也可能帶來災(zāi)害。中國鯉魚稱霸美國澳大利亞請人專業(yè)吃海膽中國網(wǎng)友挺身而出！海膽會破壞沿海的礁石，澳洲研究人員正在呼吁澳洲人一起吃海膽。澳洲束手無策，準(zhǔn)備聘用專業(yè)吃海膽人員，完成指標(biāo)將獲高額報酬，目前還無人應(yīng)聘！網(wǎng)友：我愛這個星球！我不介意你們請我技術(shù)移民！2.外來種引進的原則（1）適生原則：每種生物都有各自的適生生境，即對氣候、土壤和地形等條件有特殊的要求。（2）利大于弊原則：在外來種引人前，不僅要做成本－效益分析，還要進行環(huán)境影響評估，對其經(jīng)濟價值和生態(tài)價值作綜合評估，以確定其短期與長期的發(fā)展目標(biāo)。（3）可控性原則：在引人外來種之前，應(yīng)分析研究外來種定居方面的特性和傳播特性，掌握控制外來種的技術(shù)，防止其過度擴散。二、外來種的引進與控制1.外來種引進的技術(shù)（1）種源選擇和選種育種：引種時要對不同種源做對比試驗，以獲取最佳種源。（2）引種植物試驗：引進外來種，必須通過試驗，否則，可能會造成嚴(yán)重的生態(tài)問題。（3）引進植物的栽培：適宜的人工培育措施是引種最終成功的基本保證。（4）建立引種技術(shù)檔案：物種引種馴化是一項長期、復(fù)雜的科學(xué)試驗，需從引種之初就建立技術(shù)檔案，長期積累資料以作為分析引種成敗和推廣成果的科學(xué)依據(jù)。2.遼寧省引種東部白松的案例北美喬松，原產(chǎn)加拿大和美國北部。高大挺拔，樹皮光滑、有光澤，針葉柔軟細(xì)膩、藍(lán)綠色，觀賞性極強，是優(yōu)良的綠化樹種。對空氣污染有較強的抵抗力，又是空氣凈化的當(dāng)選樹種。第六節(jié)生態(tài)恢復(fù)方法一、生態(tài)恢復(fù)的定義及目標(biāo)1.生態(tài)恢復(fù)的定義：生態(tài)恢復(fù)是根據(jù)生態(tài)學(xué)、經(jīng)濟學(xué)和社會學(xué)等學(xué)科的相關(guān)理論，采用系統(tǒng)工程方法和生態(tài)工程技術(shù)，消除退化生態(tài)系統(tǒng)的各種限制因子，恢復(fù)和重建其合理的結(jié)構(gòu)，使退化生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)到原有或正常狀態(tài)，發(fā)揮正常的生態(tài)功能。美國新澤西大型工業(yè)基地的生態(tài)恢復(fù)項目位于美國新澤西州，占地約80公頃，這是一個巨大的生態(tài)工程。項目最突出的是設(shè)計和施工監(jiān)督這個約40公頃的濕地，來彌補修復(fù)期間的濕地影響。與生態(tài)恢復(fù)相關(guān)的概念有：（1）保護：即去除干擾使生態(tài)系統(tǒng)演替至原有的狀態(tài)；（2）改良：即改良立地的條件以使原有的生物生存，一般指退化景觀向好的方向轉(zhuǎn)化過程中人類對其采取的措施；（3）改進：即對原有的受損系統(tǒng)進行結(jié)構(gòu)調(diào)整，以提高其某方面的功能；（4）修補：即修復(fù)部分受損的結(jié)構(gòu)；（5）更新：指生態(tài)系統(tǒng)發(fā)育及更替；（6）再植：即恢復(fù)生態(tài)系統(tǒng)的部分結(jié)構(gòu)和功能，或恢復(fù)先前的土地利用方式。2.生態(tài)恢復(fù)的目標(biāo)通過調(diào)整生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)或補充生物組分使受損生態(tài)系統(tǒng)的功能得以恢復(fù)，同時滿足區(qū)域和地方的經(jīng)濟發(fā)展目標(biāo)。生態(tài)、恢復(fù)工程的基本目標(biāo)為：（1）地表基底穩(wěn)定性的恢復(fù)：地表基底（地質(zhì)地貌）是生態(tài)系統(tǒng)發(fā)育與存在的載體，基底不穩(wěn)定（如滑坡），就不可能保證生態(tài)系統(tǒng)的持續(xù)演替與發(fā)展。2.生態(tài)恢復(fù)的目標(biāo)（續(xù)）（2）提高退化土地的生產(chǎn)力：增加植物種類和生物多樣性，提高植被的覆蓋率和促進生物群落的恢復(fù)，提高土壤肥力和生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)力、自我維持能力。（3）在被保護的景觀內(nèi)，去除干擾以加強保護，減少或控制環(huán)境污染。（4）對現(xiàn)有生態(tài)系統(tǒng)，進行合理利用和保護，維持其服務(wù)功能，增加視覺和美學(xué)享受。二、退化生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)的技術(shù)1.生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)的原則自然法則、社會經(jīng)濟技術(shù)原則、美學(xué)原則。2.生態(tài)恢復(fù)的技術(shù)生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)技術(shù)包括：（1）非生物或環(huán)境要素：包括土壤、水體、大氣質(zhì)量的恢復(fù)技術(shù)；（2）生物要素：包括物種、種群和群落的恢復(fù)技術(shù)；（3）生態(tài)系統(tǒng)：包括結(jié)構(gòu)與功能的總體規(guī)劃、設(shè)計與組裝技術(shù)主要的生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)技術(shù)（續(xù)）：土壤：土壤肥力恢復(fù)技術(shù)、水土流失控制與保持技術(shù)、土壤污染恢復(fù)控制技術(shù)大氣：大氣污染控制與恢復(fù)技術(shù)、全球變化控制技術(shù)水體：水體污染控制技術(shù)、節(jié)水技術(shù)物種：物種選育與繁殖技術(shù)、物種引人與恢復(fù)技術(shù)、物種保護技術(shù)種群：種群動態(tài)調(diào)控技術(shù)種群行為控制技術(shù)群落：群落結(jié)構(gòu)優(yōu)化配置與組建技術(shù)、群落演替恢復(fù)技術(shù)生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)功能：生態(tài)評價與規(guī)劃技術(shù)、生態(tài)系統(tǒng)組裝與集成技術(shù)景觀結(jié)構(gòu)功能：生態(tài)系統(tǒng)鏈接技術(shù)3.恢復(fù)成功的標(biāo)準(zhǔn)通常將恢復(fù)后的生態(tài)系統(tǒng)與未受干擾的生態(tài)系統(tǒng)進行比較，其內(nèi)容包括關(guān)鍵種的多度及表現(xiàn)、重要生態(tài)過程的重建，諸如水文過程等非生物特征的恢復(fù)。國際恢復(fù)生態(tài)學(xué)會建議比較恢復(fù)系統(tǒng)與參照系統(tǒng)的生物多樣性、群落結(jié)構(gòu)、生態(tài)系統(tǒng)功能、干擾體系以及非生物的生態(tài)服務(wù)功能來鑒定其恢復(fù)的程度。4.退化生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)實例浙江省武義縣石龍頭小流域的水土流失面積大、強度高，土壤較貧瘠，土地生產(chǎn)力低，荒蕪化現(xiàn)象嚴(yán)重。主要采取以下措施：（1）將坡地改成梯地，控制水土流失，恢復(fù)土壤（2）完善水利設(shè)施，恢復(fù)水體（3）種養(yǎng)結(jié)合，培肥地力，恢復(fù)土壤肥力（4）采用生物措施，防止水土流失。一、結(jié)構(gòu)失穩(wěn)1.垂直結(jié)構(gòu)失穩(wěn)生態(tài)系統(tǒng)的垂直結(jié)構(gòu)包括兩個層次：第一，系統(tǒng)內(nèi)部不同組成要素垂直方向上的構(gòu)型；第二，不同物種的垂直分層。原因：由于環(huán)境因素，光、濕度、溫度等的逐漸分化當(dāng)外界干擾（自然或人為）所施加的壓力超過生態(tài)系統(tǒng)自身調(diào)節(jié)能力和補償能力時，將造成生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)破壞、功能受阻以及反饋自控能力下降，這種狀態(tài)稱為結(jié)構(gòu)失穩(wěn)。第七節(jié)結(jié)構(gòu)調(diào)整的方法2.營養(yǎng)結(jié)構(gòu)失穩(wěn)營養(yǎng)結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)主要表現(xiàn)在整個系統(tǒng)內(nèi)個別物種的滅絕，食物鏈的斷裂。生態(tài)系統(tǒng)各組分間以食物鏈為紐帶，把生產(chǎn)者、消費者和分解者聯(lián)系起來。營養(yǎng)結(jié)構(gòu)主要是通過生產(chǎn)者、消費者和分解者的能量轉(zhuǎn)化和物質(zhì)循環(huán)實現(xiàn)的，如果其中的某一環(huán)節(jié)斷裂或缺失就會影響到整個系統(tǒng)的正常運轉(zhuǎn)。澳大利亞引進蜣螂在澳大利亞，原有的蜣螂品種只喜愛食用小粒的糞便如袋鼠糞，而不喜歡外來的牛、羊的糞便。從1965年到1985年，澳大利亞聯(lián)邦科學(xué)與工業(yè)研究組織在George博士領(lǐng)導(dǎo)下，開始了澳大利亞蜣螂計劃，成功的從世界各地引進23個品種的蜣螂。結(jié)果改善了澳大利亞的牧場的糞便堆積問題，同時減少了約90%有害的叢林飛蠅。3.水平結(jié)構(gòu)失穩(wěn)生態(tài)系統(tǒng)的水平結(jié)構(gòu)是指在一定生態(tài)區(qū)域內(nèi)生物類群、景觀單元在水平方向上的組合與構(gòu)型。水平結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的主要表現(xiàn)是水平方向上植物群落和景觀單元的均質(zhì)化。

吉林省西部的草甸草原景觀自然狀態(tài)下的水平結(jié)構(gòu)坨甸相間。沙地（坨）上的自然植被為翼枝榆山杏疏林群落，而甸子地的典型植被為羊草草甸。

由于人口增加，對糧食的需求量加大，將異質(zhì)的地表覆蓋墾為清一色的農(nóng)田，結(jié)果失去林地對沙地的保護和草甸對地表過度蒸發(fā)的抑制，造成沙地出現(xiàn)沙化、草甸出現(xiàn)堿化和草場退化等生態(tài)問題。二、結(jié)構(gòu)調(diào)整的方法1.垂直結(jié)構(gòu)調(diào)整的方法（1）自然調(diào)控：生態(tài)系統(tǒng)的自然調(diào)控機制是從自然生態(tài)系統(tǒng)自我進化生成的生物與生物、生物與環(huán)境之間的反饋調(diào)控、多元重復(fù)補償?shù)姆€(wěn)態(tài)調(diào)控。如光、溫度對作物生長發(fā)育的調(diào)節(jié)；晝夜節(jié)律對家禽行為的調(diào)節(jié)；林木的自疏現(xiàn)象；功能組分冗余現(xiàn)象等都屬自然調(diào)控。（2）人工調(diào)控以人為主導(dǎo)，在人與自然共同創(chuàng)造原則的指導(dǎo)下，對結(jié)構(gòu)進行修補和完善，以達到修復(fù)生態(tài)系統(tǒng)的目的。①人工調(diào)控的原則

生態(tài)工程設(shè)計中人工調(diào)控必須遵循兩個原則：第一，人工調(diào)控必須尊重自然生態(tài)系統(tǒng)的自組織原則；第二，仿自然生態(tài)系統(tǒng)的演替系列和原生結(jié)構(gòu)進行調(diào)控。②人工調(diào)控的方法生境調(diào)控：就是利用生態(tài)技術(shù)措施改善生物的生態(tài)環(huán)境，達到調(diào)控目的（客土）。輸入輸出調(diào)控：輸入調(diào)控包括輸入的輔助能和物質(zhì)的種類、數(shù)量和投入結(jié)構(gòu)的比例。輸出調(diào)控包括：調(diào)控系統(tǒng)的儲備能力，使輸出更有計劃，或?qū)ο到y(tǒng)內(nèi)的產(chǎn)品進行加工，改變產(chǎn)品的輸出形式（禁漁、產(chǎn)品深加工）。系統(tǒng)生物調(diào)控：是指在個體、種群和群落水平上，通過對生物種群遺傳特性、栽培技術(shù)和飼養(yǎng)方法的改良，增強生物種群對資源的轉(zhuǎn)化效率，達到調(diào)控目的（品種引進和改良）。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)調(diào)控：是利用綜合技術(shù)與管理措施協(xié)調(diào)生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部各要素之間的比例關(guān)系。2.營養(yǎng)結(jié)構(gòu)調(diào)整的方法生態(tài)系統(tǒng)營養(yǎng)結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)可以通過以下方法進行調(diào)控：（1）食物鏈加環(huán)、食物鏈加環(huán)可分為生產(chǎn)環(huán)、增益環(huán)、減耗環(huán)和復(fù)合環(huán)。①生產(chǎn)環(huán)：如谷殼深加工②增益環(huán)：是指為擴大生產(chǎn)環(huán)的效益所加入的環(huán)節(jié)，如利用普通飼料生產(chǎn)高蛋白飼料。③減耗環(huán)：在食物鏈中，有的環(huán)節(jié)只能是消耗者或破壞者，稱為“耗損環(huán)”。如人工飼養(yǎng)赤眼蜂和瓢蟲抑制消耗者一一蚜蟲。④復(fù)合環(huán)：即增益環(huán)和減耗環(huán)的整合。如稻田養(yǎng)魚養(yǎng)鴨。（2）食物網(wǎng)設(shè)計：在原有的食物鏈網(wǎng)中增加或引人新的環(huán)節(jié)是調(diào)整食物鏈網(wǎng)常用的一種方法。食物鏈加環(huán)應(yīng)遵循以下原則：①填補空白生態(tài)位，增加產(chǎn)品產(chǎn)出；②廢棄物資源化，提高其利用效率；③減少養(yǎng)分的丟失、浪費和能量的無效損耗。（3）食物網(wǎng)設(shè)計案例建立以食用菌為中心的食物鏈結(jié)構(gòu)。

用稻草、稻谷殼培養(yǎng)食用菌，培養(yǎng)食用菌后的底料含有豐富的養(yǎng)分，用來作牲畜的飼料。這種借助食用菌的降解作用，分解木質(zhì)素、纖維素，既生產(chǎn)飼料又生產(chǎn)蘑菇的工藝，在不少地區(qū)被廣為采用。3.水平結(jié)構(gòu)調(diào)整的方法（1）生態(tài)系統(tǒng)生物調(diào)控：是指通過生物栽培，實現(xiàn)生物與生物、生物與生境之間的相協(xié)關(guān)系。

調(diào)整每一生境下生物適生種和不同生境間生物種間的互利互惠關(guān)系，增強生物種群對環(huán)境資源的利用效率，達到調(diào)控目標(biāo)。（2）群落水平的調(diào)控：通過建立合理的群落結(jié)構(gòu)和景觀單元的鑲嵌關(guān)系，形成種群與種群、種群與環(huán)境之間的協(xié)調(diào)關(guān)系，以實現(xiàn)資源的合理利用和種群的持續(xù)發(fā)展。

如農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中的套種、間種措施，農(nóng)林牧復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)，都是通過建立合理的群落結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)對資源的最佳利用，使系統(tǒng)的功能更趨完善。三、案例分析1.洪澤湖區(qū)概況洪澤湖區(qū)屬淮河沖積平原，海拔多在50m以下。湖水枯豐變化強烈。在大雨或湖水汛期，大量積水，無法排除，造成內(nèi)澇，水退后這些地方又都是蝗害多發(fā)區(qū)，水陸經(jīng)常轉(zhuǎn)化是該區(qū)生態(tài)問題的源頭。2.生態(tài)工程設(shè)計洪澤湖區(qū)的蝗害必須與水旱災(zāi)害同時治理，才能達到預(yù)期的目的。調(diào)控的方法主要有以下三個方面：（1）調(diào)整種植結(jié)構(gòu)：根據(jù)小地形和水面的深淺變化種植蘆葦、水稻和旱田。調(diào)整整個區(qū)域植物的水平結(jié)構(gòu)和垂直結(jié)構(gòu)。（2）設(shè)置水利工程設(shè)施：穩(wěn)定水旱面積的變化，把過去時澇時旱適合飛蝗繁殖的不穩(wěn)定地帶改造成適合種植水旱作物的農(nóng)田，控制飛煌繁殖。（3）通過社會間接調(diào)控：調(diào)整資金投入，將歷年購買殺蟲劑的費用轉(zhuǎn)投生產(chǎn)部門，提高田間管理水平；加強該地區(qū)的管理，降低因結(jié)構(gòu)變化而帶來的生態(tài)惡果。第八節(jié)功能完善的方法

生態(tài)系統(tǒng)的功能具體表現(xiàn)為基本功能和服務(wù)功能。這些功能能為人類提供必要的能量和物質(zhì)，同時也可以消除由于人類干擾而產(chǎn)生的熵增。生態(tài)系統(tǒng)的基本功能為供給功能、處置功能、抵制功能和保存功能，四者協(xié)調(diào)運轉(zhuǎn)是保證生態(tài)系統(tǒng)功能正常的前提。2.處置功能缺損的診斷生態(tài)系統(tǒng)的處置功能是將周圍環(huán)境輸入的物質(zhì)、能量、信息和物種加以處理、轉(zhuǎn)移或排除的能力。如城市生態(tài)系統(tǒng)由于缺少分解者，導(dǎo)致輸入系統(tǒng)中的物質(zhì)經(jīng)轉(zhuǎn)化后不能及時地分解，而形成大量的城市垃圾，不僅影響城市功能的正常運轉(zhuǎn)，而且污染環(huán)境。一、生態(tài)系統(tǒng)功能缺損的診斷1.供給功能缺損的診斷表現(xiàn)為進料不足，即輸入的物質(zhì)、能量、信息、物種不能滿足系統(tǒng)正常運轉(zhuǎn)的需求，這時系統(tǒng)的生產(chǎn)和建造就會被迫降低消耗。表現(xiàn)為進料過剩，即輸入的物質(zhì)、能量、信息、物種超過系統(tǒng)正常運轉(zhuǎn)的需求，這時系統(tǒng)的生產(chǎn)和建造也會因積累或負(fù)擔(dān)過重而被迫停止。4.保存功能缺損的診斷生態(tài)系統(tǒng)的保存功能是把周圍環(huán)境輸入到系統(tǒng)內(nèi)部的物質(zhì)、能量、信息和物種流保存在系統(tǒng)內(nèi)部的功能。系統(tǒng)保存功能的缺失主要表現(xiàn)為物質(zhì)和能量的泄漏。例如，水土流失、黑土退化都是系統(tǒng)保存功能不正常，有用的物質(zhì)和元素泄漏造成的。3.抵制功能缺損的診斷生態(tài)系統(tǒng)的抵制功能，是防止物質(zhì)、能量、信息和物種從周圍環(huán)境進入系統(tǒng)內(nèi)部超過其最大忍耐限度的能力。當(dāng)有毒成分欲進入系統(tǒng)時，系統(tǒng)通過自身的抵制功能來“禁止入內(nèi)”。二、生態(tài)功能完善的方法1.供給功能完善的方法

如修建水利工程設(shè)施，保障農(nóng)田的用水需求。2.保存功能完善的方法

如人工種草、建草庫倫、天然草地的自然恢復(fù)。3.處置功能完善的方法

農(nóng)田中排水渠系的設(shè)置、用生活垃圾培育蚯蚓等的疏導(dǎo)能力。4.抵制功能完善的方法

如設(shè)置農(nóng)田防護林減少干擾，高稈與矮稈作物套種三、案例分析1.安太堡礦區(qū)概況安太堡礦區(qū)地處黃土高原東部、山西省北部的朔州市平魯境內(nèi)，與晉陜蒙接壤區(qū)，號稱黃土高原“黑三角”的世界特大型煤田相連接，是一個對環(huán)境改變反應(yīng)敏感、維持自身穩(wěn)定性能力較差的生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)，屬于黃土丘陵侵蝕的生態(tài)功能脆弱系統(tǒng)。由于近年來人類活動的干擾，生態(tài)系統(tǒng)的功能嚴(yán)重受損。2.生態(tài)問題診斷安太堡礦區(qū)復(fù)墾土地存在的生態(tài)問題主要表現(xiàn)在供給功能的缺失、保存功能的降低以及生態(tài)系統(tǒng)處置功能的減弱，具體表現(xiàn)為非均勻沉降導(dǎo)致的地面起伏、水土流失、水分虧缺、地力貧瘠、土壤尚未熟化。針對這些問題，提出并實施了半干旱黃土區(qū)露天煤礦土地重塑、土壤重構(gòu)和植被重建一體化綜合集成的生態(tài)功能恢復(fù)技術(shù)。3.生態(tài)功能恢復(fù)措施（1）土地重塑：基底構(gòu)筑、平臺構(gòu)筑、邊坡構(gòu)筑、水土保持與排洪渠構(gòu)筑等，以重建該生態(tài)系統(tǒng)的處置功能。（2）土壤重構(gòu)：土壤重構(gòu)是在土地復(fù)墾的基礎(chǔ)上，再造一層人工土體，并通過各種農(nóng)藝措施，改善土壤耕性、提高土壤肥力的過程。（3）植被重建：主要采取建立植被的方法來完善整個地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的保存功能。根據(jù)立地條件、礦區(qū)發(fā)展時空順序，合理配置樹種。第九節(jié)物質(zhì)循環(huán)與能量轉(zhuǎn)化的調(diào)整方法一、生態(tài)系統(tǒng)中的能流渠道及過程1.能量賦存形式：輻射能、化學(xué)能、機械能、電能、生物能2.能量轉(zhuǎn)化遵循的定律