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1、-环境科学进展.ppt.Convertor-第 17 页环境科学进展一、全球变化(The global change)（一）起源和发展1、20世纪70年代初人类学家首先使用“全球变化” 描述人类社会、经济和政治系统愈来愈不稳定 表达国家安全和生活质量逐渐降低等特定含义2、自然科学家在80年代借用并拓展了“全球变化”这一概念,用来指全球环境的变化3、到世纪之交,全球变化已形成一门高度综合的学科领域,称之为“地球系统科学”或“全球变化科学”一、全球变化(The global change)（二）全球变化和全球变化研究1、全球变化的定义指可能改变地球支撑生命能力的环境变化，包括气候变化、陆地生产力变
2、化、海洋和其他水资源变化、大气化学变化以及生态系统变化等2、全球变化研究指通过研究、监测、评价、预测和信息管理等行为，描述和理解控制整个地球系统相互影响的物理、化学和生物过程；发生在地球系统中的变化和受到人类行为影响的系统以及环境及其变化的特点等的活动。（三）全球变化的主要研究计划1、世界气候研究计划(WCRP)（1）目标： 深化对气候、气候变迁及气候变化机制的认识； 探索气候的可预报性及人类对气候的影响程度；（2）核心研究计划 热带海洋和全球大气计划（TOGA）； 世界大洋环流试验（WOCE）； 全球能量与水循环试验（GEWEX）； 平流层过程及其在气候中的作用（SPARC）； 气候变率及其
3、可预报性（CLIVAR）。 2、国际地圈生物圈计划（IGBP）（1）目标： 认识控制整个地球系统的物理化学生物过程； 描述和了解支持生命的独特环境； 描述和理解发生在该系统中的变化和人类活动对它们的影响方式；（2）核心研究计划 海岸带陆地海洋相互作用（LOICZ）； 土地利用与土地覆盖变化（LUCC）； 全球海洋生态系统动力学计划（GLOBEC）。 3、全球环境变化的人类因素计划(IHDP)（1）目标： 促进对左右人与整体地球系统相互作用的复杂动因的科学理解和认识； 不断努力探索和预测全球环境的社会变化； 制定对付全球环境变化、促进可持续发展目标实现的政策方案 确定大范围的社会战略及防止或减轻
4、全球变化的不利影响，或适应无法避免的变化（2）核心研究计划 土地利用与土地覆盖变化，工业化转移、能源生产与消费，人口学与资源利用的社会因素； 全球环境变化的态度、观点、行为和认同； 社会、经济和政治构架及体制在地区、国家和国际层次上的影响； 人类健康与全球环境变化，环境保障与可持续发展，贸易与全球环境变化，工业增长； 人类健康与全球环境变化。4、生物多样性计划（DIVERSITAS）（1）目标： 加强对生物多样性的起源、组成、功能、持续与保护等基础性研究； 增进对生物多样性的认识、保护和可持续利用；（2）核心研究计划 生物多样性的起源、维持和丧失； 生物多样性的生态系统功能； 土壤和沉积物的生
5、物多样性； 海洋生物多样性（四）“七五”以来我国的全球变化研究1、“七五”期间(1986-1990年)全球变化研究（1）概况 以中国科学院全球变化预研究和我国第一批国家自然科学基金重大项目为代表 为我国全球变化研究奠定良好开端（2）主要研究项目和成果1）中国气候与海面变化及其趋势和影响初步研究 通过搜集、整理和比较分析文献中气候史料,发展了一套数学方法,辨认出若干次气候突变； 应用冰岩芯资料建立了分辨率达到百年的一万年气候波动曲线； 应用地层剖面分析建立多处气候与海平面较详细的波动曲线； 综合研究了大暖期气候特征与波动,建成了10 级的分辨率以至250 年内季降水记录； 推算了近百年比较正确的
6、海平面上升值； 推算了至2050 年长江三角洲不同地区的海面上升量及其对海岸侵蚀、湿地淹没、海堤建筑、洼地排水和盐水入侵影响评估； 初步估计了西北、华北到2030 年的升温值和降水增加趋势及其对各种水资源的影响；2）我国长江黄河两流域旱涝规律成因与预测研究 从近500 年、近100 年和近40 年长江黄河两流域旱涝变化分析了两流域旱涝发生的10 年以上时间尺度、年际和季节内时间尺度变化特征和规律； 揭示了长江黄河两流域旱涝灾害的发生的原因； 利用多种预报方法连续对1988至1992年我国夏季汛期旱涝分布作了季度与超季度预报； 特别是较成功地预报1991年夏江淮流域和长江中下游的特大洪涝，取得了
7、重大社会效益与经济效益；3）黑河地区地气相互作用的观测实验研究 以水分和热量交换为中心地气相互作用综合观测试验； 被列入世界气候研究计划,为国际上第一个在干旱地区进行的大型陆面过程实验研究计划； 研究近地面层湍流通量和边界层结构、辐射收支和辐射物理特征、地面蒸发和水分收支、边界层数值模拟等方面；2、“八五”期间我国全球变化研究（1）概况1）原国家科委(现为国家科技部) 在科技攻关项目和国家攀登计划中均启动了有关全球变化项目 全球气候变化预测、影响和对策研究（攻关项目） 南极晚更新世以来气候与环境演变及现代环境背景研究（攻关项目）； 气候动力学和气候预测理论研究（攀登项目）； 我国未来2050年
8、生存环境变化趋势的预测研究(同上) 青藏高原形成演化、环境变化趋势的预测研究（同上） 青藏高原野外试验青藏高原物理过程对全球气候和灾害性天气的影响（同上）2）国家自然科学基金委员会将全球变化列为专门领域,在重大、重点和面上项目3 个层次上给予资助 陆地生态系统与全球变化研究； 典型化学污染物在环境中的变化及生态效应研究 大气臭氧变化及其对气候环境的影响研究 地表遥感信息传输及其日地系统能量传输过程等3）中国科学院关于全球变化研究“八五”重大项目 灾害性气象对农业和水资源的影响； 生物多样性的保护与持续利用； 南极生物资源环境系统与全球变化,海气相互作用等4）其他部委如气象局、海洋局、原地矿部、
9、林业部、农业部和环保局等也开展了全球变化相关研究5）连同“七五”项目,10 年内,中国全球变化研究已实施约350项，投入约1. 3 亿元。（2）主要成果1）加强了全球气候变化的研究 建立了我国自行设计的气候系统动力模式(包含大气、大洋和陆面过程相耦合的气候系统模式)； 开展了气候动力学基础理论和诊断分析,为模式发展和数值模拟提供了理论基础； 开展了大规模气候模拟和气候预测试验,揭示了全球和东亚若干重大气候异常类型的形成和演变机理； 开展了温室气体和气候预测、影响和对策评价,编制了我国温室气体排放清单；2）发展了由我国科学家首先提出的全球变化中气候和生态过渡带的概念及其在全球变化中的敏感性和可能
10、出现早期信号的重要科学思想 建立了我国北方从森林、草原到半荒漠的气候和生态梯度带监测和分析系统，研究了其多要素结构及历史演变 1993年7月，被IGBP作为首批选定的中纬度4个样带之一 该样带的提出对于加深生态系统对于全球变化的理解以及不同时空尺度模型的耦合与参数转换起到了推动作用3）研究季风区多种尺度气候与生态系统的关系 揭示了季风区是全球变化速率最大的地区, 强烈的气候变化是作用于生态系统的重要驱动力； 提出了季风驱动的生态系统的新概念； 该首创性的科学思想和相关项目建议被IGBP认可,并被列为东亚地区全球变化研究的第一优选领域。4）中国地区大气臭氧柱总量及对流层臭氧总量研究 利用卫星遥感
11、资料揭示了1979年以来中国地区大气臭氧 柱总量以及对流层臭氧总量变化特征和规律； 发现了青藏高原夏季上空存在着大气臭氧低值中心； 为研究全球大气臭氧损耗提供了又一新事实5）黄土与古季风研究 揭示了黄土高原中的黄土实际是冬季风带来的粉尘沉积物，古土壤则是夏季风的产物； 根据我国沙漠、湖泊、植被等历史资料,以及古海洋等古季风气候记录，明确了第四纪东亚气候的变迁历史； 建立了最近250 万年、13 万年和2万年黄土高原乃至中国中东部气候变迁序列，初步建立近13万年东亚季风演变及有关环境过程的模式；6）青藏高原气候与环境变化过程研究 在若尔盖盆地成功地钻取了120.4 m 的连续湖泊沉积岩芯，建立了
12、青藏高原第一个达到82.6万年的连续的气候与环境变化序列； 在西昆仑山古里雅冰帽成功地钻取了308m和90m的冰芯,建立了近2000年的高精度高分辨率气候与环境变化序列发现了8次暖期和7次冷期及其时序和幅度； 认为近几十年青藏高原升温早于和大于我国东部,降水 与温度变化呈正相关。冰芯是全球变化研究重要手段1、与历史记录、树木年轮、湖泊沉积、珊瑚沉积、黄土、 深海岩芯、孢粉、古土壤和沉积岩等可提取气候环境变化信息的介质相比，冰芯以其保真性好（低温环境）、分辨率高（可达到年）、记录序列长（可达几十万年）和信息量大；2、所有在大气中循环的物质都会随大气环流而抵达冰川上空，并沉降在冰雪表面，最终形成冰
13、芯记录。冰芯分析每一个参数都至少载有一个地球系统变化过程的信息；冰芯是全球变化研究重要手段3、冰芯中氢、氧同位素比率是度量气温高低的指标；4、净积累速率是降水量大小的指标；5、冰芯气泡中的气体成分和含量可揭示大气成分演化历史6、冰芯中微粒含量和各种化学物质成分的分析结果，可以提供不同的时期大气气溶胶、沙漠演化、植被演替、生物活动、大气环流强度、火山活动等信息；7、宇宙成因的同位素可以提供宇宙射线强度变化、太阳活动和地磁场强度变化的证据；8、冰芯也记录了人类活动对气候环境影响和各种信息。青藏高原东北部的若尔盖盆地3、“九五”期间我国全球变化研究（1）概况1）国家科技部启动了国家重点基础研究发展规
14、划项目,安排了12项有关全球变化的研究2）国家自然科学基金委员会将全球变化列为“九五”优先资助领域,加大了资助力度,5 年中资助重大项目10 项,重点项目48 项,面上项目170 项；3）中国科学院“九五”重大项目也有较大幅度的增长；4）这3个部门“九五”期间对全球变化总投入达6亿元,是前10年的4倍以上。3、“九五”期间我国全球变化研究1）针对我国生存环境重大迫切需要,瞄准国全球变化科学前沿,结合地域特点,选择典型区域,开展综合研究 青藏高原环境演变，黄河水资源演化规律； 长江三角洲低层大气物理化学与生态相互作用 北京大气、水、土区域环境污染机理和控制（2）主要特点2）在我国及周边地区,开展
15、大规模科学试验,并与国际计划相结合,成功实施了一批由我国科学家领衔的国际性科学计划 淮河流域能量与水分循环的试验研究(中日合作) 东亚古季风的海洋记录(属国际大洋钻探计划) 中国季风区古环境演变（属国际南极赤道北极剖面计划）3）紧密与我国社会经济可持续发展相结合 渤海和东黄海生态系统动力学与生物资源可持续利用研究，解决我国近海生物资源持续利用中的关键问题，为21 世纪的中国食物结构调整作出贡献； 西北生态环境演变规律与水土资源可持续利用研究，直接为我国西部大开发战略服务。4）多学科交叉研究的深度和广度得到加强 内蒙古半干旱草原土壤植被大气相互作用研究、我国生存气候环境演变和北方干旱化趋势预测研
16、究和气候变化对策与环境管理研究等项目； 需要气候学家和生态学家乃至经济学家的合作才能得以完成。5）注重地球的整体行为, 将地球系统的各圈层联系起来,开展圈层之间相互作用的研究 “九五”期间执行的西太平洋暖池动力过程与海气相互作用研究项目就是以往热带海洋与全球大气计划的深入； 地球圈层相互作用中的深海过程与深海记录主要是从深海沉积中揭示地球圈层间相互作用的事实。4、“十五”期间全球变化研究计划1）总经费：3500万元（不包括匹配经费）2）研究目标： 瞄准国际碳循环与碳收支的热点科学问题，紧跟国际前沿，实现重点突破和知识创新(长远目标)（1）中国陆地和近海生态系统碳收支研究(中科院) 阐明中国主要
17、陆地和近海生态系统碳收支的系列科学问题，实现学术理论的重大创新，提高我国在国际全球变化研究领域中学术地位(总体目标)3）主要研究主题中国典型陆地和近海生态系统碳通量与碳储量研究中国陆地和近海生态系统碳循环的主要生物地球化学过程研究中国陆地生态系统碳循环历史过程研究中国陆地和近海生态系统碳循环模型研究中国生态系统碳源汇格局与增汇对策综合研究以东亚大陆及近海海域若干全球变化的敏感区域为对象，以碳氮循环、水循环和季风气候变化为核心研究东亚季风区海陆气相互作用及人类活动对区域环境变化影响的机理；（2）全球变化及其区域响应(基金委重大研究计划)探讨该区域环境对全球变化响应方式、响应途径、作用过程、动力机
18、制及未来变化趋势。2）核心科学问题 近海海洋环境的变异及其对全球变化的响应； 东亚季风环境的演化及其与全球变化的关系； 海陆气相互作用与水分循环和全球变化关系； 关键区域生态系统过程与碳循环及其对全球变化 的响应与反馈； 区域环境变化的人文因素影响。1）我国近海、河口海岸带海陆相互作用及环境效应；2）异常富营养化湖泊（水库）污染机制与控制；3）长江流域水环境的演化规律、调控原理；4）我国东南沿海地区环境污染机制和调控原理；（3）科技部关于全球变化研究的主要方向5）青藏高原环境演变和全球变化研究。（五） 我国全球变化研究发展趋势1、总体趋势1）从认识地球系统基本规律的纯基础研究为主，转向应用研究
19、为主；2）特别关注全球变化的区域响应；3）倡导集成研究的方法与途径；4）注重人类社会对全球变化的适应问题2、我国全球变化研究可望突破的九个方向1）中国陆地和近海生态系统碳循环研究 研究中国陆地和近海生态系统碳收支时空格局、碳循环过程和模型、生态系统的碳增汇/减排技术； 阐明中国主要陆地和近海生态系统碳循环的系列科学问题； 为全球变化背景下中国社会经济可持续发展和可持续管理提供科学依据，为我国参与UNFCCC的外交谈判提供精确可信的知识与技术支撑；2）东亚季风区海-陆-气相互作用及人类活动对区域环境变化影响的机理研究 研究该区域环境对全球变化响应方式、响应途径、作用过程、动力机制及未来变化趋势
20、为我国在水安全、食物安全及国际公约中的国家立场等方面提供科学依据3）水-生态-农业-社会经济区域耦合系统的模式集成 针对中国与农业有关的水问题，建立水-生态-农业-社会经济耦合的基础理论，研制并集成有关模式，以期实现水循环与水资源的高效利用； 通过工程节水、农艺节水和管理节水等技术的有机结合，提高灌溉水利用和提高农田水利用效率；4）基于各种代用资料重建中国历史环境变化及人与环境的相互作用集成研究 集成多种代用资料及多学科研究成果，虚拟再现华夏故土与华夏文明的独特演变过程； 科学认识并构建华夏文明发展过程中人口、资源环境、发展的人地关系耦合模型； 为全球变暖背景下国家发展重大战略决策提供科学指导
21、5）未来1050年我国西部社会经济发展对全球变化影响、响应与适应性研究 进行未来1050年西部气候环境预测研究，寻找西 部社会经济发展趋利避害的途径； 研究西部生态环境演变规律与水土资源持续利用的途径，为国家的宏观战略决策服务； 加强西部生态环境监测和典型示范区建设，为生态恢复和农业可持续发展提供实用技术和示范样板；6）保障我国社会经济可持续发展的重大环境事件预测和影响评估 沙尘暴 三峡大坝建设； 南水北调；7）综合描述生存环境变化过程中水、土、气、生相互作用及其人类活动影响的环境系统集成模式的开发 发展能与国际全球环境变化研究模式相互嵌套的具有中国特色的环境系统集成模式； 为全球变化研究者提
22、供方便实用集成模型，为政策决策者提供应对全球变化国家战略方案，为公 众提供全球环境变化问题的浅显生动的科普图谱8）全国性的、统一的全球变化学术团体的整合 联合我国全球变化研究各方面资源与力量，建立我 国的全球变化研究集成研究综合性团体；9）全球环境变化实时预警响应网络系统的建立 针对我国脆弱、多元的自然生态环境格局，以及全球变化的突变性、不确定性和极端（突发）事件的可能性，建立健全全球环境变化实时预警与响应的全国性网络系统（六）全球变化与陆地生态系统研究1、背景1）全球变化向人类提出了一个难以对付的、非同寻常的挑战；2）陆地生态系统将由于环境条件的迅速及大规模的空前改变而发生重大变化；3）为了
23、最大限度减少全球变化可能引起的不良后果，使全球变化向有利于人类生存的方向发展；4）国际地圈生物圈计划（IGBP）设立了“全球变化与陆地生态系统”（GCTE）核心研究项目2、研究目的1）预测全球变化对陆地生态系统的影响；2）达到预警、调节和减少不良作用的效果，并提出相应的对策；3）保证地球成为一个适合与人类生存与持续发展的生命支持系统。3、主要科学问题1）全球大气化学成分如何在生态系统中发生作用；2）全球变化如何影响陆地生态系统的，陆地生态系统是怎样产生响应和反馈；3）土地利用、海面升高和气候变化如何改变海岸生态系统，可产生什么后果；4）海洋生物地球化学过程如何响应和影响气候变化；5）过去发生过
24、何重大的气候和环境变化，原因何在；6）全球变化如何影响生物多样性；7）如何提高观测水平,依靠气候、土地利用和经济活动未来变化来预测生态系统及服务状态；8）在区域和全球环境变化背景下,为了确保有价值的生态系统提供产品和服务的可持续性应采取哪些政策。4、主要科学计划1）IGBP第一阶段（20世纪80年代至2001年） 研究全球变化与生态系统间相互作用,量化在自然和人类活动强烈作用下生态系统发展与变化规律； 研究陆地生态系统对于气候变化、大气组成变化 及土地利用/覆盖变化的响应及其反馈作用； 建立全球变化的生态信息系统和有效的预测模型, 预测全球变化背景下未来陆地生态系统变化趋势。2）IGBP第二阶
25、段（2001年以后） 启动了全球碳计划(The Global Carbon Project） 各种来源的温室气体和大气污染物的释放机理及其影响； 生态系统水分循环,包括与土壤植被系统有关的过程研究。 海洋和陆地生物多样性、海洋生态系统功能及遗传资源保护,陆地和海洋生态系统可持续管理； 荒漠化和自然灾难发生的机理,可行的预测和模拟方案,包括全球气候变化观测系统； 土地可持续利用的管理对策,包括海岸带综合管理。3）建立全球生态系统观测、实验和研究平台 全球气候观测系统(GCOS)、全球陆地观测系统( GTOS)； 全球海洋观测系统(GOOS)、全球环境监测系统 (GEMS)； 国际长期生态研究网络
26、(LTER)5、主要研究进展及成果（1）全球变化影响生态系统的过程与机理1）CO2 倍增影响生态系统的过程与机理 高CO2 浓度下光合作用速率升高引起的光合产物累积超过其传输速率的植物,受氮素上传的制约出现光合下调现象； CO2浓度倍增能提高大豆的叶绿素含量，提高大豆的光能利用效率,促进光合作用； CO2 浓度倍增将导致作物生育期有缩短趋势； CO2浓度增加,使植物碳水化合物、淀粉及其次生化合物、糖和氨基酸总量以及地上部生物量的碳氮比增加, 相应地下部碳氮比的影响则不显著2）温度变化影响生态系统的过程与机理 高温使植物光合作用受阻,净光合速率明显下降，如小麦叶片净光合速率在高温(高于25 )
27、时减少,至40 停止； 植物的蒸腾作用对温度的敏感性高于光合作用,不同基因型适应性有别，保水性能良好基因型, 在热环境下能积累较多干物质；3）水分变化影响生态系统的过程与机理 水分胁迫下,植物净光合速率、叶绿素含量均下降 ,气孔阻力增加,叶绿体超微结构受损； 土壤水分变化影响植物的生长发育进程,干旱将导致植物生育期缩短,干物质积累减慢,而复水后存在补偿作用；4）水热与CO2协同作用影响生态系统过程与机理 CO2浓度增加对植物叶CO2同化速率的正响应随着温度增加而增强,但在温度过高时则呈下降趋势； 大气CO2浓度升高可延长春小麦抽穗成熟期,但高温对春小麦生育期的影响远大于高CO2浓度的影响,使高
28、CO2浓度、高温下抽穗成熟期缩短,种子提前萌发； CO2浓度升高对植物具有“施肥”效应,但土壤干旱则一定程度上抑制其施肥效应； CO2浓度升高使光合速率增加,蒸散量减少,WUE增加,又会减缓干旱的不利影响,增强作物对干旱胁迫的抵御能力； 高温将降低因高CO2浓度对生物量的正效应,并减弱植物生产力的增强效应； 植物在高CO2浓度下,经高温锻炼后对干旱更具适应性，土壤水分胁迫有利于提高农作物品质； CO2浓度升高并与高温伴随不利于农作物籽粒品质提高,对干旱条件下提高作物品质能力有抑制作用5）O3变化影响生态系统的过程与机理 高O3浓度将导致植物净光合强度、气孔阻力以及WUE降低,叶片数量减少,单株
29、叶面积变小,叶片干物质积累下降,进而影响产量和质量； 不同物种对O3浓度变化的响应和适应是不同的，如O3浓度增加可促进水稻发育,而小麦前期发育缓慢,后期衰老加快。6）人为干扰影响生态系统的过程与机理 适度干扰对稀疏马尾松林的自然更新及林下植物种类多样性具有一定的维持或促进作用, 但不利于马尾松生长； 放牧是草原生态系统中干扰强度最大且影响后果最为严重的人为干扰； 中度放牧下物种多样性指数最大，有利于多样性维持,可增强草地对放牧的缓冲力。（2）全球变化对中国陆地生态系统的影响1）气候变化对植被/生态系统的影响 年均温增加2,降水增加20%时,中国大部分地区的水热条件都向好的方向有所转变，但青藏高
30、原将变得干热,有沙漠化的趋势； 年均温增加4,降水增加20%将使中国各植被地带变得干热，森林地带干旱程度增加，但仍能满足森林水分要求；草原地带也将变得干热，西部草原亚区将变为荒漠区，森林和草原面积将大大减少；荒漠地带沙漠化加剧。2）气候变化对森林生态系统的影响,面积减少9%左右；,面积增加3. 4 %左右； 年均温升高1,春季物候期约提前35d,而秋季则推迟35d,绿叶期将延长610d；森林生产力增加幅度约为2%8 %。3）气候变化对农田生态系统的影响 仅考虑热量条件,气候变化后中国一熟制面积将由 当前63%下降为34%,两熟制面积由24.2 %变为24. 9 %,三熟制面积由13.5%提高到
31、35.9%； 中国冬小麦的安全种植北界将由目前的长城一线,北上到沈阳张家口包头乌鲁木齐一线，华北目前的冬小麦品种(强冬性)将不得不被其他类型的冬小麦品种(半冬性) 取代； 中国三熟制北界将从目前长江流域移至黄河流域，二熟制北界从秦淮地区北移至内蒙和东北的南部； 中国的西南、西北地区由于有效积温提高和CO2 浓度增加,农业将增产2%,东北、内蒙古夏季增温,农业增产； 中纬度地区在升温2 条件下,地表蒸发能力将增 加20% ,即多蒸发300400 mm,加速华北、西北的干旱化进程； 宜农北界将由400mm等雨量线移至450mm等雨量线,损失宜农耕地将达0.13 108 hm2； 北方农业增长限制因
32、子的水资源形势将更加严峻,将造成中国粮食平均减产5%20%. 害虫的地理分布界限北移,害虫种群的世代增加,农田多次受害的几率增高,害虫迁移入侵风险高； 极端天气事件的发生频率、出现、延续时间和分 布发生变化,导致气象灾害的频率和强度加大； 海平面上升1m, 中国沿海将有60个左右县、市受淹，受淹地区将集中在人口密度高、工农业发达辽河三角洲、华北、华东沿海以及珠江三角洲。6、未来中国相关研究重点（1）中国东部季风区典型生态系统的生态安全 机制与调控1）针对中国东部地区经济高速发展、资源短缺、人口剧增、粮食安全、生态退化等一些重大社会问题；2）从水分、温度与土地利用的驱动力出发,综合研究生态系统格
33、局与过程及其对全球变化响应机制；3）建立生态系统生态安全指标体系,预测东部季风区 生态系统发展趋势,探讨适应与减缓全球变化影响的中国陆地生态系统可持续发展模式。（2）陆地人类环境系统相互作用的生态学机制与调控1）陆地 人类 环境系统变率和主导控制因子；2）陆地人类系统将如何影响陆地系统的承载力；3）陆地系统承载力的阈值如何?4）陆地人类环境系统的动力学机制与调控对策（3）产业转型背景下生态环境安全与资源可持续发展的调控机制与对策1）针对工业转型、退耕还林(草)、城市化以及全球变化等人类活动可能引起产业变化，以及与此相关的生态环境和资源问题；2）研究不同产业转型下人类活动对生态环境与资源的数量与
34、质量的影响,建立定量的评估模式；3）提出不同产业转型下生态环境安全与资源可持续发展的有序人类活动模式，服务于国家社会经济的健康发展与环境外交。（4）退化土地的植被恢复与环境重建动力学过程与机制1）评估与区分植被恢复与环境重建的标准和规则；2）影响植被恢复与环境重建的关键过程与关键要素(阈值、瓶颈、开关)；3）植被恢复与环境重建的反馈作用与影响机理；4）植被恢复与环境重建的动力学模型与效益评估。一、概述（一）概念 也称生态技术，即应用生态系统中物种共生与物质再生原理、结构与功能协调原则，结合系统最优化分析方法，设计分层多级利用物质的生产工艺系统，以充分发挥资源的生产潜力，防治环境污染，达到经济效
35、益与生态效益同步发展生态工程研究进展（二）举例（三）基本原理利用物种、生物种群、群落等自然成分为“工具”，通过反馈作用、最小耗能原理，建立内部结构和生态过程1、自我设计2、自我维持一旦被设计并开始运作，只需要外界适量的能量投入，就能够不断地自我运行3、再生循环和分层多级利用（1）当前生态环境污染和资源耗竭的实质 物质代谢在时空上的滞留或耗竭,系统耦合在结构和功能关系上错位和失谐,社会行为在经济和生态关系上冲突和失调 过度输入的物质和能以废物形式排放到周围环境中,或是以过剩物质的形式积蓄于生态系统中,原有协调的结构与功能失调,物流及循环阻滞,收支失衡,导致环境污染, 即生态阻滞 物质输出大于输入
36、，导致资源枯竭，原有生态系统结构和功能破坏, 即生态耗竭 例如：当水体接受过量废水及污染物，其量超过该水体原有迁移、转化和输出量、就出现收支失衡，即生态阻滞 例如：过度捕捞，过度开发利用水草等,破坏资源及环境，形成生态耗竭 （2）解决途径 生态阻滞：改善与加速生态系统中过剩物质的迁移、转化、循环、输出，同时控制、减少系统内过剩物的输入 生态耗竭：减少匮乏物质的输出，同时调整与协调该生态系统内部结构与功能、改善与加速物质循环、增加生态系统物流中匮乏物质的输入量、生产与积累量 在疏通物流与循环时，可多层分级利用原料、产品及废物，协调和加速生态系统中过剩物质迁移、转化、循环，充分发挥物质生产潜力、化
37、害为利、变废为宝。4、协调共生（2）利用生态位（空间、时间及营养等）建立共生关系（1）生态系统结构与功能的协调（3）可最大限度充分利用空间和营养生态位、充分发挥物质生产潜力，实现物质在系统内迁移、转化和往复循环（四）主要特点1、对象：生态系统，特别是社会经济自然复合生态系统（污染物排放点）2、目标：多目标、优化功能，同步获得生态环境、经济和社会效益（单一、污染物减量、达标排放）3、方向：生态功能（环境影响）5、设计原则：设计原则(人为的恢复)6、策略：能力建设（补救污染）7、结构：网状、自适应性（链式、刚性）4、模式：寓环保于生产和消费中，从源到汇再从汇到源，良性循环(先污染后末端治理)8、规
38、模：多样化、组合化(单一化、大型化)11、能源：太阳能、风能等自然能及可再生能源为主(化石燃料及电为主)12、稳定性：抗外部干扰性强（对外部依赖性高）9、主要过程：人+自然（物理）10、功能：产品+生态服务+社会服务（处理三废达标）13、代价：合理（高）16、共生：强烈地需要(很少)17、环境效益：整体、长远（局部、当前）18、经济效益：投入及运转费低,多层分级利用增加收入(运转费高、无直接收入)14、可持续能力：高（低）15、历史：3000多年（30多年）二、主要应用领域（一）农业生态工程（1）选择优良品种，间种、套种、轮种，池塘混养，通过基塘系统等分层多级利用空间、时间及营养生态位1、农田
39、生态工程（2）节水、节能、节肥，合理施肥，应用有机无机复合肥，养地用地相结合、长效速效相结合，生物防治，生境调控和遗传工程二、主要应用领域（一）农业生态工程（1）将种植、养殖、水产、园艺与林业、副业、加工业，农业废物的转化、再生及资源化等，综合成相互联系相互促进的网络系统2、农业生态工程（2）促进物流、能流、货币流、信息流的畅通，人及生物与环境和谐的共生，经济、生态 环境和社会效益的同步发展二、主要应用领域（一）农业生态工程（1）在前2个层次基础上进一步扩大3、农村生态工程（2）将废弃物的转化、再生、资源化的处理和利用，工业和商业的密切结合（3）将节能、应用新能源，生态交通、生态建筑及人口控制
40、、生物多样性保护、环境及经济协调发展综合于农村生态工程规划、 设计及建设二、主要应用领域（二）节水和废水处理与利用的生态工程2、举例：1、指废水的减量、回收、再生、回用、再循环等寓废水处理于利用中的生态工程（1）糖厂以废糖蜜制酒精，不仅处理了这一废 物且实现第 2次增值，减少 90以上的废水排放量二、主要应用领域（二）节水和废水处理与利用的生态工程（2）用造纸黑液回收糖矿粉、钙粉、亚硫酸钠、 碱性木质素、木质素磺酸钠2、举例：（3）宜昌等地以就地、分散、小型、无（或少）动力、地埋方式处理与利用生活污水，以代替传统的集中式污水处理厂（三）生物质循环利用的生态工程 2、将秸秆过腹还田，发展养殖业，
41、并利用畜禽粪便与秸秆培养食用菌后，再培养蚯蚓，蚓粪残渣再作为肥料，既减少或避免田间烧草污染及环境破坏，又增加产值1、对城市垃圾进行减量化、无害化、资源化、产业化处理4、各类食品工业的废弃物深层利用，循环再生，为社会提供生态合理的饲料、燃料、肥料和工业原料的系列服务3、蔗渣、玉米芯等生物质用于生产纸、纤维板 、糠醛、木糖醇、木质素磺酸钠等（四）小流域综合治理与开发的生态工程2、例如：将治坡、治沟、修梯田与发展草业、 牧业、林业等结合起来1、在治理恢复小流域生态环境、培植小流域自然资源基础上，低耗、高效、可持续利用小流域自然资源3、“三北”和长江中上游防护林是当今面积最大的流域治理与利用的生态工程
42、（五）清洁及可再生能源组合利用生态工程2、例如：如山东省、辽宁省、扬州市等一些省市，将秸秆气化作为清洁及可再生燃料1、将太阳能、生物能、风能等在不同用户尺度上组合利用、系统优化，为全社会提供能效 高而环境影响小、可持续利用的能源服务（六）生态建筑及生态城镇建设工程2、所用建材、室内装饰、服务设施、建筑结构 要对居住者或使用者生境健康无害而有利1、利用本地生态资源，建设能耗低、绿量高、废弃物就地资源化的方便、舒适、和谐、经 济的生态住宅、生态小区和生态城镇3、温、隔热效率高，通风采光好，消耗动力少、 节能和节水（七）废弃地及遭破坏生态系统恢复工程（八）绿色化学工程包括荒山、荒坡、滩涂、湿地及矿山
43、废弃地等未被利用的退化生态系统的恢复治理研制和生产各种可自然降解、对环境无害且可循环利用的塑料包装品、洗涤剂、化装品等人工合成材料三、生态工程典型案例（一）米草生态工程（1）米草属又称绳草属，属于禾本科虎尾草族1、概况（2）我国主要引种了大米草和互花米草两种2、米草的生态效益（保滩护堤）浙江省苍南县东塘海堤（长 15 km左右）种植100 m宽（株行距1m）的互花米草，一年后米草连成片，三年后发育成茂密的草滩(一)米草生态工程2、米草的生态效益（保滩护堤）3、米草的经济效益对于1996年8号台风的正面袭击，东塘海堤巍然不动，该县耗资200多万元新建的2 km消浪平台式海堤未种植互花米草，平台被
44、彻底摧毁（1）可取米草的地上部分加工成绿色食品，如生物矿质液和米草总黄酮等(提高免疫力、抗脑血栓等)（2）生产过程的残渣可用于培养真菌(食用菌)，既利用和处理了残渣，避免污染(二)城市生活污水生态处理工程1、提出背景（2）很多中小城镇限于经济难以普遍兴建；即使兴建，由于运转费高，正常运行难（1）现行的城市污水处理厂集中处理污水，基建投资大，运转能耗及费用高（3）单纯依靠兴建污水处理厂集中处理污水难以更多、更快解决城市污水处理问题（二）举例2、主要原理（2）污水首先进入分离器进行固液分离，除去不易生物降解的一些固体废弃物（1）在废水源头(如建筑物或生活小区)，将低污染的中水与粪便废水分流，分类就
45、地处理（3）然后流入预处理池经初步分解，经滑槽流入厌氧池发酵，经再消化降解，由斜管溢出发酵池进入沉淀池（5）经好氧处理后可作为庭院中树木灌溉用水，或直接排入自然水体而无害（4）经沉淀后，废液再进入隔槽，除去水中悬浮杂质，最后进入增氧池（6）中水(如洗涤污水等) 稍作处理后可回用于冲洗厕所，洗涤地板、汽车和水池补水等3、处理效果（2）例如：CODCr 及BOD5可降低到80mg/ L及30 mg/ L）（1）可达到国家污水综合排放二级、以至一级标准(GB89781990)4、可行性（1）按每人每天排放1.5kg污水，人均占有厌氧发酵池的有效容积为设计（2）每 100人建一座 15m3沼气净化池，
46、保持废水滞留7-10 d，将24个沼气池串连（3）每公斤 COD可转化 0.40.7 m3沼气，每池每日可生产36m3沼气，可保障3口之家的23户炊事所需 （4）沼渣仅需一年清除一次，作为农田肥料（6）10万人口城镇，可兴建 1000个污水处理池，相当于年处理 100万m3的集中污水处理厂（5）每个沼气池的造价9000元左右，且无需运转动力及费用，年处理废水1000m3（7）总投资仅900余万元，为相当处理量的污水处理厂基建投资的1/5- l/10（8）可节约运转经费(200余万元)、土地、人力还可回收部分沼气沼渣肥料(三)城市污水土地处理与利用系统1、概念2、主要类型及应用在人工可控条件下，将污水投配到土地上，通过土壤一植物系统自然地完成一系列物理、化学、生物净化污水过程，达