自然資源生態(tài)過程

自然資源生態(tài)過程第1頁，共60頁，2023年，2月20日，星期六第一節(jié)生態(tài)學基本概念第二節(jié)自然資源生態(tài)過程中的能量與物質第三節(jié)自然資源生態(tài)過程中的生物與種群第2頁，共60頁，2023年，2月20日，星期六限制稀缺立論基礎生態(tài)學經濟學第一節(jié)生態(tài)學基本概念指導自然資源利用開發(fā)保護的準則：經濟學；生態(tài)學；經濟學的理論基礎是資源稀缺問題；生態(tài)學指出“生態(tài)系統(tǒng)使我們了解自然系統(tǒng)的動態(tài)和結構所決定的極限”一.生態(tài)系統(tǒng)第3頁，共60頁，2023年，2月20日，星期六生態(tài)學與生態(tài)系統(tǒng)自然資源學的“三E”基礎Eco-logyEco-nomicsEquity生態(tài)學與人類生態(tài)學第4頁，共60頁，2023年，2月20日，星期六生態(tài)學？研究生物及其環(huán)境關系的學科第5頁，共60頁，2023年，2月20日，星期六人類生態(tài)學？研究人類及其環(huán)境關系的學科第6頁，共60頁，2023年，2月20日，星期六

自然資源是人與環(huán)境、經濟與生態(tài)關系的中介環(huán)節(jié)，那么自然生態(tài)過程主要是人與環(huán)境相互作用的過程，既涉及人類生態(tài)學原理，也涉及普通生態(tài)學原理。第7頁，共60頁，2023年，2月20日，星期六人類生態(tài)學基本原理：任何生態(tài)系統(tǒng)對其所能支持的生命物質總量都有一個自然極限；在這個自然極限范圍內，人類文化的調整起著極大的作用自然資源生態(tài)過程研究必然要涉及各種成分之間的聯(lián)系，尤其是生命物質與非生命物質、人與自然系統(tǒng)之間的相互作用。生態(tài)系統(tǒng)的概念為分析人類與環(huán)境之間的聯(lián)系，并據(jù)此進而采取適當?shù)男袆犹峁┝艘粋€框架。第8頁，共60頁，2023年，2月20日，星期六生態(tài)系統(tǒng)？自然界任何范圍，只要有生命有機體與非生命物質相互作用，并在其間產生能量轉換與物質循環(huán)，就是生態(tài)系統(tǒng)（Tansley，1935）；生態(tài)系統(tǒng)是由植物，動物和微生物群落，與其無機環(huán)境相互作用而構成的一個動態(tài)，復合的功能單位。人類是生態(tài)系統(tǒng)中一個不可分割的組分。生態(tài)系統(tǒng)研究的主要內容包括生態(tài)系統(tǒng)的組成，結構，物質能量聯(lián)系，生產力，動態(tài)及管理生態(tài)系統(tǒng)的空間尺度變化很大，其間可以劃分出無數(shù)的生態(tài)系統(tǒng)等級生態(tài)系統(tǒng)組分常于其他生態(tài)系統(tǒng)交迭，彼此重疊的范圍稱為生態(tài)交錯區(qū)（ecotone）生態(tài)系統(tǒng)是生物群落（包括人類）與其周圍環(huán)境的動態(tài)組合，并通過能量和物質聯(lián)系而具有一定的結構和功能第9頁，共60頁，2023年，2月20日，星期六生態(tài)系統(tǒng)的組成生態(tài)系統(tǒng)由各種生態(tài)因子組成，包括生物因子和非生物因子生態(tài)系統(tǒng)

生態(tài)因子及其聯(lián)系第10頁，共60頁，2023年，2月20日，星期六生態(tài)系統(tǒng)內的生態(tài)因子之間相互影響，相互作用，相互依存，相互制約，其中當把一個生態(tài)系統(tǒng)中的某一生態(tài)因子變化（或當作資源來開發(fā)利用時），會使其他因子也發(fā)生變化生態(tài)因子之間不可替代，只有各因子之間恰當?shù)呐浜?，才能對生物發(fā)揮有益作用利導因子與限制因子：在一定限度內，可以通過調節(jié)限制因子來有效地管理生態(tài)系統(tǒng)。生態(tài)系統(tǒng)的機理極為復雜，研究的基本途徑是：從生態(tài)系統(tǒng)的結構和功能入手，著力于已限定生態(tài)系統(tǒng)中的營養(yǎng)聯(lián)系、能量流和物質流第11頁，共60頁，2023年，2月20日，星期六生態(tài)系統(tǒng)的營養(yǎng)結構和物質、能量聯(lián)系生產者、消費者、分解者與營養(yǎng)級食物鏈與食物網(wǎng)生物間通過取食和被食的關系相互結成了食物鏈，食物鏈之間相互交叉，連接形成食源復雜的網(wǎng)狀營養(yǎng)結構稱為食物網(wǎng)——植食食物鏈：以植食動物吃活植物為起點——分解者食物鏈：以死有機體為起點在營養(yǎng)結構中按生物在食物鏈上的位置將其分為不同的營養(yǎng)級，凡處于同一鏈環(huán)的生物都屬于同一營養(yǎng)級。第12頁，共60頁，2023年，2月20日，星期六生產者環(huán)境分解者消費者第13頁，共60頁，2023年，2月20日，星期六

■生產者、消費者和分解者與其周圍環(huán)境之間相互作用，不斷地進行著能量和物質交換

■能量在生態(tài)系統(tǒng)中的傳遞服從于熱力學第一、第二定律，即能量守恒和部分能量變?yōu)闊崮芏⑹?/p>

■營養(yǎng)級間能量轉化的效率大致服從“十分之一定律”第14頁，共60頁，2023年，2月20日，星期六生態(tài)系統(tǒng)的物質循環(huán)■生物地球化學循環(huán)：范圍大，速度慢，周期長■生物化學循環(huán)：生態(tài)系統(tǒng)內土壤與動、植物之間營養(yǎng)元素的周期性循環(huán)，范圍小，速度快，周期短■生態(tài)系統(tǒng)中的生物與環(huán)境之間，生物各個種群之間，通過能量流動、物質循環(huán)和信息傳遞，達到適應、協(xié)調和統(tǒng)一的動態(tài)平衡■生態(tài)系統(tǒng)的動態(tài)平衡依賴于系統(tǒng)的自我調節(jié)能力，但這種自我調節(jié)的能力是有一定限度的第15頁，共60頁，2023年，2月20日，星期六二.人類生態(tài)系統(tǒng)生物圈,智能圈與人類生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)圈:地球及其所有生態(tài)系統(tǒng)的總稱，人類賴以生存的環(huán)境生物圈：由生命形成的活的圈層,是由生命轉化能量和驅動物質循環(huán)并由生命系統(tǒng)調節(jié)控制的開放系統(tǒng)智能圈：受人類控制和影響的生物圈(農業(yè)生態(tài)系統(tǒng);工業(yè)生態(tài)系統(tǒng))人類圈:現(xiàn)代生物圈的一部分,或生物圈發(fā)展的現(xiàn)階段;(我國學者:人類圈的進化主要是信息庫的進化)第16頁，共60頁，2023年，2月20日，星期六人類生態(tài)系統(tǒng)：自然資源生態(tài)過程發(fā)生于其中的生態(tài)系統(tǒng)自然－生態(tài)系統(tǒng)經濟－技術系統(tǒng)社會－政治系統(tǒng)人類生態(tài)系統(tǒng)自然資源生態(tài)過程不僅是自然-生態(tài)過程，還包括經濟-技術過程和社會-政治過程第17頁，共60頁，2023年，2月20日，星期六生態(tài)系統(tǒng)服務功能與人類福利生態(tài)系統(tǒng)服務功能是指人類從生態(tài)系統(tǒng)中獲得的各種派效益;包括供給功能;調解功能;文化功能;支持功能人類福利具有多重成分,包括維持高質量生活所需的基本物質條件,自由權與選擇權,健康,良好的社會關系等。福利的體驗和表達與周圍情況密切相關。生態(tài)系統(tǒng)的服務功能是人類福利不可或缺的第18頁，共60頁，2023年，2月20日，星期六在必要制度、組織、技術和手段支持下，通過與生態(tài)系統(tǒng)之間可持續(xù)的相互作用，人類可以提高自己的福利水平知識或人力資本的替代作用可以減緩由生態(tài)系統(tǒng)服務功能耗損和退化而產生的不利影響但是不可能無止境地對其進行替代，尤其是它的調節(jié)功能、文化功能和支持功能對某些服務功能（如控制侵蝕和調節(jié)氣候）的替代，在經濟上是不切實際的替代的機會差異很大：富裕人口與貧困人口合理的生態(tài)系統(tǒng)管理不僅應考慮生態(tài)系統(tǒng)與人類效益之間的聯(lián)系而且還要把生態(tài)系統(tǒng)內在價值的考慮納入決策過程當中。第19頁，共60頁，2023年，2月20日，星期六

導致生態(tài)系統(tǒng)退化的原因很多，如何保證生態(tài)系統(tǒng)服務功能得到有效保護？

——市場機制？

——制度激勵？

——管理變革？

——產權變革？第20頁，共60頁，2023年，2月20日，星期六第二節(jié)自然資源生態(tài)過程中的能量與物質

自然資源生態(tài)過程中的能量太陽能與光合作用在自然資源生態(tài)過程中的意義食物鏈中的能量過程凈第一性生產：食物鏈的第一環(huán)食物鏈的每一環(huán)都有能量損失：熱力學第二定律第二性生產：食草動物所食植物轉變生成的有機物數(shù)量食物鏈能量轉換對資源利用的含義：離第一性生產越遠，單位面積上所能獲得的能量就越少第21頁，共60頁，2023年，2月20日，星期六結論1：凈第一性生產是食物鏈的第一環(huán)第22頁，共60頁，2023年，2月20日，星期六結論2：食物鏈上每一環(huán)都有能量損失部分能量在新陳代謝過程中轉換成熱能而消耗每一營養(yǎng)級的生物組織并非全部為上一級所消耗第23頁，共60頁，2023年，2月20日，星期六食物鏈上每一環(huán)能量轉換效率很低的資源意義？離第一性生產越遠，單位面積上所能獲得的能量就越少；人類對食物的利用若想達到最高效力，就必須作為食草動物，降低其營養(yǎng)水平第24頁，共60頁，2023年，2月20日，星期六結論3：

在生態(tài)系統(tǒng)中的每一營養(yǎng)級上都有能量損失，這使通過物種網(wǎng)絡的潛能數(shù)量減少。因此，第二性和第三性生產中的生物個體數(shù)量和活物質數(shù)量遞減。這就形成生態(tài)系統(tǒng)中的“金字塔”現(xiàn)象。第25頁，共60頁，2023年，2月20日，星期六兩個生態(tài)系統(tǒng)中的個體數(shù)金字塔（不包括微生物和土壤動物）（Odum,1971）(a)為夏季草原生態(tài)系統(tǒng)；(b)為夏季溫帶森林生態(tài)系統(tǒng)，其中第一性生產者是大樹，個體數(shù)量較少第26頁，共60頁，2023年，2月20日，星期六佛羅里達銀泉村生態(tài)系統(tǒng)能量金字塔（Odum,1971）第27頁，共60頁，2023年，2月20日，星期六生態(tài)系統(tǒng)中的能量轉換及其網(wǎng)絡關系第28頁，共60頁，2023年，2月20日，星期六食物網(wǎng)與物種網(wǎng)絡

雜食性食物網(wǎng)各營養(yǎng)級上都有復雜的營養(yǎng)關系，所有這些關系連接起來，就形成食物網(wǎng)物種網(wǎng)絡若考慮其他一些關系（空間的和其他的競爭關系），那么食物網(wǎng)就擴展為物種網(wǎng)絡第29頁，共60頁，2023年，2月20日，星期六營養(yǎng)級關系第30頁，共60頁，2023年，2月20日，星期六從資源過程的角度看，復雜的物種網(wǎng)絡給我們的啟示：

當人們把某一物種看作資源來使用時，必然在生態(tài)系統(tǒng)中引起一系列變化。復雜性,后果很難預測.第31頁，共60頁，2023年，2月20日，星期六自然資源生態(tài)過程中的無機物幾種重要無機物自然界90種天然化學元素中，有30—40種是生物有機體所必須的。它們對生物的供給來自若干經歷不斷循環(huán)的元素和化合物。碳，氫，氧，氮，磷，硫，鈣，鈉，鉀，鎂，鐵，錳，硼等第32頁，共60頁，2023年，2月20日，星期六自然資源生態(tài)過程中的無機物幾種重要無機物來源大氣圈巖石水的作用無機物循環(huán)及其中的重要環(huán)節(jié)在天然狀態(tài)下，營養(yǎng)物質流大部分保存在生態(tài)系統(tǒng)內，少部分由徑流帶出系統(tǒng)外。生命物質對保存基本營養(yǎng)元素的重要作用真菌動物林火先鋒演替物種第33頁，共60頁，2023年，2月20日，星期六基本元素在陸地生態(tài)系統(tǒng)中的流動和儲存（Simmons,1982）第34頁，共60頁，2023年，2月20日，星期六生態(tài)系統(tǒng)中自然資源的整體性與動態(tài)性生態(tài)系統(tǒng)中自然資源的整體性自然資源生態(tài)過程的高度動態(tài)性人類已成為最活躍、重要動因第35頁，共60頁，2023年，2月20日，星期六一、熱力學第二定律與熵熱力學第二定律：所有正轉變其形式的能量都傾向于轉變成熱能而消散。在更普遍的意義上可作如下陳述：在一個封閉系統(tǒng)中，當任何過程中所有的貢獻因子均被考慮時，熵總是增加的，而且是一種單方向的不可逆過程。簡單的說，熵是表示物質系統(tǒng)狀態(tài)的一種度量，用它來表征系統(tǒng)的無序程度。熵（entropy）的外文原名意義是轉變，指熱量轉變?yōu)楣Φ谋绢I。其量綱是能量被溫度除，單位可用“焦/開”（J/K）。如果一個物體的絕對溫度為T，當對其加進熱量ΔQ時，該物體的熵（記為ΔS）：ΔS=ΔQ÷T第36頁，共60頁，2023年，2月20日，星期六熱力學第二定律指出：熱量總是由溫度較高的物體向溫度較低的物體流動，而不能自發(fā)的由低溫物體向高溫物體流動。在封閉系統(tǒng)中實際發(fā)生的過程，總是使整個系統(tǒng)熵增大，自發(fā)的由有序到無序，使系統(tǒng)由非均衡態(tài)趨于均衡態(tài)。均衡態(tài)的特征是熵最大、系統(tǒng)最無序。熵是物質系統(tǒng)的熱力學態(tài)函數(shù)，其值與系統(tǒng)間以做工的方式傳遞的能量有關。能量固定的一個系統(tǒng)，當其熵等于零時，可以轉化為功的能量等于他的全部能量；熵達最大時可以轉化為功的能量等于零。因此，可以把熵看作有效能的測度，即熵越大，有效能越小，熵越小，有效能越大。同時熵也是有序程度的測度，熵越大，系統(tǒng)越是混亂無序，熵越小，系統(tǒng)越是有序。第37頁，共60頁，2023年，2月20日，星期六自然資源過程中，參與者包括無生命系統(tǒng)、有生命系統(tǒng)，特別是以人類社會經濟活動為中心的人類生態(tài)系統(tǒng)成分。這樣，在資源系統(tǒng)的動態(tài)變化中，既有熱力學第二定律的熵增特點，也有“生命機”工作中的負熵增特點。第38頁，共60頁，2023年，2月20日，星期六自然資源與熵自然資源：具有結構、非均勻、有序分布的物質與能量，負熵的集聚資源利用：負熵的消耗第39頁，共60頁，2023年，2月20日，星期六二、生態(tài)系統(tǒng)的耗散結構按照熱力學第二定律，宇宙的熵在不斷增加，越來越多的能量不能再轉化為有效能了，宇宙將走向死寂。然而生態(tài)系統(tǒng)是開放的，他不斷與外界交換能量與物質，產生負熵流，使系統(tǒng)總熵不增長，這樣開放系統(tǒng)就能夠遠離均衡態(tài)而產生有序穩(wěn)定的結構，這就是耗散結構。耗散結構論認為，一個遠離均衡態(tài)的開放系統(tǒng)，在外界條件變化達到某一特定閾值時，量變可以引起質變；系統(tǒng)通過與外界不斷交換物質能量，可以從原來的無序狀態(tài)變化為一種時間、空間或功能上的有序狀態(tài)，這種非均衡狀態(tài)下的新的有序結構，就叫做耗散結構。耗散的含義正在于這種結構的產生、維持和發(fā)展的根源是物質和能量的耗散。第40頁，共60頁，2023年，2月20日，星期六生態(tài)系統(tǒng)中的耗散結構1、熵變在一個開放系統(tǒng)中

ds=dis＋des

其中：ds為系統(tǒng)總熵變,dis為系統(tǒng)內部熵變

des為系統(tǒng)與外界進行交換而產生的熵開放系統(tǒng)inputinput第41頁，共60頁，2023年，2月20日，星期六

(1)當dis=des，則ds=0

意味著開放系統(tǒng)可通過外界輸入的負熵抵銷系統(tǒng)內部正熵的產生，使系統(tǒng)維持穩(wěn)定。（2）當dis≤－des，則ds＜0

意味著系統(tǒng)將進一步向有序化方向演化。第42頁，共60頁，2023年，2月20日，星期六自然資源與熵的關系第43頁，共60頁，2023年，2月20日，星期六耗散結構自然資源開發(fā)利用是消“耗”，開發(fā)利用后果隨之擴“散”；系統(tǒng)只有不斷地與外界交換物質和能量才能維持生態(tài)系統(tǒng)是耗散結構的典型例子，它有一定的功能、結構與自我調節(jié)能力。生態(tài)系統(tǒng)的生產者——綠色植物固定太陽能，為整個系統(tǒng)輸入負熵流，負熵流經過消費者復雜的食物鏈和分解者的渠道流通轉化、消耗散失，最終輸出到環(huán)境中去第44頁，共60頁，2023年，2月20日，星期六耗散結構“耗”開發(fā)利用“散”開發(fā)利用后果耗散結構產生維持發(fā)展的根源物質和能量的耗散第45頁，共60頁，2023年，2月20日，星期六第三節(jié)自然資源生態(tài)過程中的生物與種群生物生產力凈第一性生產與第二性生產第二性生產不僅受第一性生產限制，還受第一性產物被食草動物利用的程度以及它們轉化為動物組織的效率限制極限第46頁，共60頁，2023年，2月20日，星期六第47頁，共60頁，2023年，2月20日，星期六生物多樣性與生態(tài)系統(tǒng)服務功能生物多樣性是一個概括性的術語,包括全部植物,動物和微生物的所有物種和生態(tài)系統(tǒng)以及物種所在生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)過程.生物多樣性和生態(tài)系統(tǒng)密切相關.生物多樣性指來自陸地,海洋,以及其他水體生態(tài)系統(tǒng)以及其他生態(tài)復合體中生命有機體的變異性,包括種內多樣性,種間多樣性以及生態(tài)系統(tǒng)多樣性;多樣性是生態(tài)系統(tǒng)的一個結構特征;同時生態(tài)系統(tǒng)的變異性是生物多樣性的重要組成部分;生物多樣性的產出包括生態(tài)系統(tǒng)提供的多種服務功能;生物多樣性的變化可以影響生態(tài)系統(tǒng)的其他服務功能.第48頁，共60頁，2023年，2月20日，星期六生物多樣性生物多樣性的多個層次的含義遺傳多樣性：包括在棲居于地球上的植物、動物和微生物個體的基因，包括一個物種內個體之間和種群之間的差別物種多樣性：地球上生命有機體種類的多樣性生物群落或生態(tài)系統(tǒng)多樣性：一個地區(qū)內各種各樣的生境、生物群落和生態(tài)過程生態(tài)系統(tǒng)功能的多樣性每個水平的生物多樣性都具有資源意義(遺傳多樣性-抗蟲害玉米;物種多樣性-大量動植物資源;生態(tài)系統(tǒng)多樣性-森林,濕地,荒漠)第49頁，共60頁，2023年，2月20日，星期六生態(tài)服務功能:舉例:印度加爾各答農業(yè)大學研究結果國際生態(tài)經濟學會主席斯坦扎(1997)將生態(tài)系統(tǒng)服務功能分為:穩(wěn)定大氣;調節(jié)氣候;緩沖干擾;調節(jié)水文;供應水資源;防治土壤侵蝕;熟化土壤;循環(huán)營養(yǎng)元素;同化廢棄物;傳授花粉;控制生物;提供生境;生產食物;供應原材料;遺傳資源庫;休閑娛樂場所,以及科研,教育,美學,藝術用途等17種.按全球16類生態(tài)系統(tǒng)估算其經濟價值每年至少約33萬億美元,是目前全世界國民生產總值的兩倍絕對值估算與計算相對量(變化量)第50頁，共60頁，2023年，2月20日，星期六種群增長與控制●種群增長潛力第51頁，共60頁，2023年，2月20日，星期六種群增長曲線呈指數(shù)形式第52頁，共60頁，2023年，2月20日，星期六其增長曲線呈指數(shù)形式，此類增長稱為指數(shù)增長，其數(shù)量增長的潛力很高。沒有環(huán)境阻抗，任何種群的潛力都會無限擴展。極端例子阻礙物種個體數(shù)量增長的環(huán)境因素稱為環(huán)境阻抗（environmentalresistance）(限制因子)事實上，指數(shù)曲線總是在生境的承載能力值（K）上平展，可用下式表達：N=K/(1-ea+rt)此式說明一個種群會不斷地、無災變的增長到接近外漸近線，此時，r=0，a為積分常數(shù)。種群也可能超過這個數(shù)值，然后由于死