生态系统理论与污染生态学

污染生态学环境与资源学院有毒物质的迁移和转化•迁移(transport)是重要的物理过程,包括分散、混合、稀释和沉降等；•转化(transformation)主要是通过氧化、还原、分解和组合等作用，会发生物理的化学的和生物化学的变化。第二讲生态系统理论与污染生态学污染生态学环境与资源学院汞循环(mercurycycle)火山活动化石燃烧降水挥发挥发沉积物农田风化和淋溶作用农药喷洒径流(CH3)2HgHg2＋CH3Hg鱼水生植物水鸟工厂汞的废物捕鱼由河水带走(中性pH)(酸性pH)污染生态学环境与资源学院放射性核素循环放射性核素可在多种介质中循环，并能被生物富集。放射性核素通过核试验或核作用物进入大气层，然后，通过降水、尘埃和其他物质以原原子状态回到地球上。污染生态学环境与资源学院放射性核素循环•人和生物既可直接受到环境放射源危害，也可因食物链带来的放射性污染而间接受害。•放射性物质由食物进入人体，随血液循环遍布全身，有的放射物质在体内可存留14年之久。污染生态学环境与资源学院生物地化循环与人体健康•地方病：自然界由于环境条件的不同，地表元素发生迁移，常造成一些元素在地表分布的不均。这种生物地化循环时常导致某些生态系统中生命元素含量的异常，或不足，或过剩，从而造成植物、动物乃至人类的疾病。这种疾病常呈区域性，故称“地方病”。污染生态学环境与资源学院生物地化循环与人体健康•微量元素循环：地方病大多数与微量元素有关。•碘的循环与分布特点：碘由陆地随水进入海洋，由海洋逸出进入大气，再通过降水进入陆地，形成一个大循环。在生物中，通过海洋、陆地两个食物链保持碘的生态平衡。山区少于平原，平原少于沿海，沿海少于海洋。污染生态学环境与资源学院生物地化循环与人体健康•微量元素与人体健康：•碘缺乏：缺碘症：甲状腺肿大，智力低下，影响胎儿发育等。•硒缺乏：引起克山病、大骨节病，也被认为是引起癌症的主要因素。污染生态学环境与资源学院生态系统基本特征•生态系统的功能动态特征有机体生物学特性是动态的生态系统环境是动态的生态系统自身是动态的•生态系统的区域性特征内部的水平、垂直分布多尺度的地区和范围的空间污染生态学环境与资源学院生态系统基本特征•生态系统的自维持特征开放的物质循环、能量流动、信息传递不断进行能量和物质的交换、转移维持组成、结构相对稳定•生态系统的自调节特征正反馈、自调节种群密度调节种间数量调节生物与环境相互适应的调节（供需关系）污染生态学环境与资源学院生态系统的划分•依空间环境性质淡水生态系统海洋生态系统陆地生态系统•依组分——价值农田生态系统森林生态系统草地生态系统水生生态系统城市生态系统污染生态学环境与资源学院生态系统的划分•依人为影响程度自然生态系统人工生态系统退化生态系统污染生态系统污染生态学环境与资源学院复习题1.何谓生物地化循环？有哪些主要特点？2.举例说明生物地球化学循环的基本过程及特点3.生态系统中碳循环的主要过程和特点，并对“温室效应”的形成机制作一说明。4.用图解和叙述的方式介绍一种沉积型物质循环。5.什么是一次污染物、二次污染物？6.说明放射性核素在生态系统中的迁移特点。污染生态学环境与资源学院污染生态学•学科定义：污染生态学是一门研究生物系统与被污染的环境系统之间的相互影响、相互制约、相互作用规律及采用生态学原理和方法对污染环境进行修复、控制、改造学科。•学科内涵：﹟污染生态过程：污染物的输入及其对生物系统的作用过程，生物系统对污染物的反应和适应性。﹟污染生态治理：人对污染生态系统进行的修复、控制和改造过程污染生态学环境与资源学院污染生态学•学科来源与归属污染生态学源于环境问题的产生与发展，脱胎于环境科学，得到生态学理论和方法的哺育，才得以成长并逐步成熟。上世纪70年代A.D.Hinckley在《AppliedEcology》一书把污染生态学归入生态科学。有人把污染生态学作为环境生物学（环境污染、自然资源不合理利用）的分支。折中者认为污染生态学是新的边缘学科污染生态学环境与资源学院污染生态学的学科分类•按研究的受污染环境为对象：大气污染生态学、水体污染生态学、土壤污染生态学•按研究的受污染生物为对象：植物污染生态学、动物污染生态学、微生物污染生态学等•按研究的受污染生态系统类型为对象：空间环境性质：淡水、海洋和陆地生产应用价值：农业、森林、草地、渔业、工业和污染生态工程人类影响性质与程度：城市、矿山、农村污染生态学环境与资源学院学科基本原理•循环再生原理•结构与功能协调性原理•生态位原理•适应性原理•生物多样性原理•演替、进化原理污染生态学环境与资源学院学科基本原理•整体效应原理•区域分异原理•限制因子(最小因子定律、耐性定律）原理•生物与环境相互适应、协同进化原理•边缘效应原理•食物链（网）原理污染生态学环境与资源学院污染生态学研究的方法•王焕校.《污染生态学》p2研究方法的基本类型：由于污染生态学研究对像的多样性和复杂性，不仅要通过野外的观测和实地调查研究，而且还要严格的控制实验来模拟自然的生态过程与内在规律。根据污染生态学研究的不同需要分为：原地观测研究、受控实验研究、生态学的综合研究。污染生态学环境与资源学院污染生态学研究的方法•原地观测研究：在自然界实地对污染环境与受污染的生物关系的考察。污染生态现象涉及因素多、联系形式多样、相互影响随时间变化、观测的角度和尺度不同，至今难以或无法使污染生态现象全面地在实验室内再现，原地观测是污染生态学的基本方法。污染生态学环境与资源学院污染生态学研究的方法1.野外考察：确定考察空间与边界、对象，根据考察目的设置调查方法和指标。污染物扩散范围及相关动物活动、植物分布范围属于个体、种群、群落的考察方法和指标不同K污染生态学环境与资源学院污染生态学研究的方法2.定位观察：是考察某种群或群落与被污染环境相互关系的时空变化。设置初期观察的样地，样地能反映研究对像及其污染环境的整体特征、确定观察时间、频次、项目（如环境项目、生物项目、化学项目、物理项目）。污染生态学环境与资源学院污染生态学研究的方法3.原地实验：在自然条件下，采用某些措施，活动有关污染物的数量、变化对生物或环境影响，或对某种效果产生的影响。如在田间设计施化肥、喷洒农药在土壤中的残留和植物体内的积累，原地实验的对比试验是野外考察和定位观察的重要补充。不仅有助于阐明某些污染物的作用和机理，还可以作为设计污染生态学受控实验或模拟仿真实验的参考或依据。污染生态学环境与资源学院污染生态学研究的方法•受控实验研究方法受控实验是仿真自然生态系统、严格控制实验条件，研究单项或多项污染因子相互作用及其对生物系统影响的研究技术。如人工气候室中构建自然生态系统的仿真系统，通过改变其中某一因子或几个因子，来研究实验对象（生物系统）的结构、功能、生物学、生理学、生活史动态过程及其变化动因和机制。无论怎样都是不能完全再现自然的。污染生态学环境与资源学院污染生态学研究的方法•污染生态学的综合方法是指对原地观测或受控实验的大量资料和数据进行综合归纳和分析，表达各组变量之间存在的种种相互关系，反映客观生态规律性的技术。1.资料的归纳和分析：污染生态现象观测数据和资料，涉及的学科多、因素及变量多，属性不同、量纲不同、尺度不同，为了便于归纳分析，首先要对数据进行适当的处理，包括：数据类型的的转化，或一致化；对不同量纲数据进行数值转换（对数、倒数、概率等），合理体现各类数据间的数量关系，使其具有一定的分布形式（如正态分布）或一定的数据结构（如线性结构），也可进行数据的标准化或中心化（绝对值转化为相对值），使变量的取值在0-1之间，从而获得数据的几何意义，能在一定维数的坐标上定位和进行运算。污染生态学环境与资源学院污染生态学研究的方法2.污染生态学的数值分类和排序：A.数值分类：是近几年来发展起来的对污染群落和环境进行客观分类及区分种内污染生态类型的方法技术。分类对象单元是受污染植被的抽样（样方或样地），样方大小、数量和进行物种的数量特征（属性）的计测，都有规范化的方法，获得原始数据经过处理建立原始数据矩阵，再计算样方两两之间的相似系数或相异系数，列出相似系数矩阵，最后按一定程序进行样方的聚类或划分，得出表征同质污染群落的树状图和划分或聚类的分类结果。特点：原地调查抽样，数据处理和计算分类规范，客观性较强，可重复检验，能运用计算机加快运算速度。污染生态学环境与资源学院污染生态学研究的方法通过上述规范后的数据，可用来构建数据矩阵，应用多元分析方法，进一步对数据鸽子作用的大小、相互作用的关系进行辨识。这些方法包括：统计相关分析、主成分分析、综合结构模型、系统层次分析等。污染生态学环境与资源学院污染生态学研究的方法B.排序技术是确定污染因子（环境因子）、种群和群落三者存在复杂关系，并将其加以概括抽象的方法。分为：直接梯度分析和间接梯度分析。直接梯度分析是依据两个或多个污染因子的梯度坐标系统来排列受影响物种或群落属性。间接梯度分析是按受影响物种或群落属性的相似性或相关性的测定而导出抽象轴（物种或群落梯度坐标系统），进而确定种群或群落状态的变化与污染因子（环境）的关系。污染生态学环境与资源学院污染生态学研究的方法3.污染生态学的数学模型与仿真种群或群落系统行为的时态变化的数据概括，统称为污染生态系统的动态数学模型。数学模型要进行验证，确定其真实性后，才能成为一项有用的工具，进行试验仿真，其计算过程要借助于计算机实现。常用于一些突发性环境污染事件对生态系统造成的干扰和破坏程度的预测。污染生态学环境与资源学院污染生态学研究的方法•污染生态学研究方法的内容体系〔受污染生物系统←→受污染环境系统〕↓↓野外观测→生态环境样品→生态环境样品→实验数据的综合研究技术采集技术实验室技术分析技术↓↓↓↓自然环境观测技术土壤样品采集技术植物样品分析技术数据整理与方差分析小气候观测技术水样品采集技术动物样品分析技术相关回归分析技术生物环境观测技术大气样品采集技术微生物样品分析技术主成份分析野外实验设计技术生物样品采集技术环境样品分析技术数值分析与排序数学建模技术污染生态学环境与资源学院污染生态学研究的方法•根据污染生态学研究的对象特点具体技术和方法：环境因子的野外观测植物实验观测动物实验观测微生物实验观测污染生态系统使用环境实验观测分子生态实验化学生态实验景观生态研究方法