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1、污 染 生 态 学,中科院动物所 许木启（博士，研究员，博士生导师）,前 言,生态系统的相对稳定是人类赖以生存与发展的必要条件。维护与保持生态平衡，促进生态系统的良性循环和健康发展是关系到人类的前途和命运的重大课题。 自然生态系统是在长期的历史发展中形成的。组成一个生态系统的生命系统和非生命系统的各种因素之间是相互协调的，从而形成一个完整的生态单元。从外部加进或减少其中某一重要环节，使物质和能量的输入与输出发生改变，或超出它本身的自动调节能力，就可能使生态系统的微妙精巧平衡遭到破坏而引起严重的后果。 上世纪以来，特别是近二十年来，随着科技的进步和社会生产力的提高，人类创造了前所未有的物质财富，
2、加速推进了文明发展的进程。与此同时，人类正以前所未有的规模和强度影响环境，损害和改变自然生态系统，使全球生命支持系统的持续性受到严重的威胁。这主要体现在人们在寻求发展经济和开发享用自然资源的时候，采取短视行为，忽视了生态系统的支持能力，一方面对有限的自然资源进行掠夺性的开采，另方面又将生产过程的副产品(污染物)大量排放到自然环境中，使许多原本健康或一些本来就十分脆弱的生态系统急剧退化和受损，其中包括江河湖海污染严重、土地荒漠化、水土流失、森林面积减少、植被破坏、生物多样性丧失等等一系列生态灾难(Ecological disaster)，致使自然生态系统的健康或它的完整性(integrity)受
3、到越来越大的损害。,二次世界大战以来，随着工农业生产的发展，特别是大量有机化合物的人工合成、生产和使用，环境污染日益严重，对全球生态系统造成巨大影响，严重威胁人体健康。因此引起各国科学家特别是生态学家们的重视，开展了污染事件的大量调查，研究污染物对生物系统的影响机理，污染物在生态系统中的迁移、积累、转化与归宿，研究生物对污染物的作用与生物净化机理，进而探讨生物控制污染与改善环境质量的可能性。主要研究途径是野外现场调查、实验室微宇宙与野外受控生态系统的实验研究，进行系统分析与数学模拟，对环境质量进行综合评价与预测，提出生态区划与管理对策。 目前，由于环境污染问题成为全世界面临的急切解决的重大问题
4、，随着生态学和环境科学的深入发展，恢复和重建受损害的生态系统成为摆在全社会面前的紧迫任务，同时也给生态学理论的实践和发展提出了新的挑战。在这种背景条件下，上个世纪七十年代发展起来的污染生态学以及在此基础上诞生的恢复生态学丰富了现代生态学的研究内容并且注入了新的活力。,主 要 内 容,一、学科定义与内涵 二、主要研究内容与方法 三、案例研究 四、学科发展方向与展望,一、学科定义与内涵,污染，主要是指由于人类活动特别是工农业生产和军事活动所引起，包括有毒物质的释放和废弃物的排放对生态系统的不良作用而引起生态系统结构与功能的改变。特别是化学污染，目前已经成为一个全球性的生态环境问题。按照Travis
5、和Hester（1991）的提法，来自边远湖泊的鱼中含有一定数量的汞，格棱兰岛上雪中含有一定数量的铅，以及北极存在的农药、二恶英和多氯联苯等，是一种全球化学污染现象。他们认为，污染物质的生物地球化学循环是其遍布全球并进入食物链的基本方式。例如，高烟囱由于解决了来自燃煤电站局部的硫污染问题，却增加了硫的循环半径和效率，致使酸雨成了大范围、跨流域的区域性的环境污染物质。多氯联苯、二恶英和农药尽管在局部地区已禁止使用，但它们通过大气分室的生物地球化学循环，使世界范围内的大湖泊及其浮游生物、鱼类中含有这些化学污染物质。这些亲脂性化合物附着于大气中的颗粒物上，通过干湿沉降的迁移过程返回到地球表面，在树木
6、、农作物、蔬菜、畜禽等肉类、牛奶、鱼和虾中进行生物积累、富集。最终，食物链成为人类暴露于大多数全球性化学污染物的主要途径。,污染生态学（pollution ecology）研究的对象是受污染的生态系统。根据生态系统的定义特别是污染的生态系统的基本内涵，以及污染生态学的长期实践，我们可以概括地说，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作用规律及采用生态学原理和方法对污染环境进行控制和修复的科学。换句话说，污染生态学有两个方面的基本内涵：生态系统中污染物的输入及其对生物系统的作用过程和对污染物的反应及适应性，即污染生态过程；人类有意识地对污染生态系统进行控制、改造和修复的过程，即
7、污染控制与污染修复生态工程。本人及其他学者概括污染生态学为：研究生物系统与环境污染之间的相互作用及其调控机理的科学，属应用生态学范畴，也是环境生物学的一个分支学科。,(一)学科来源及归属,随着生态系统污染的发生和污染事件的不断出现，污染生态学在解决这些问题的过程中得以产生和发展。 污染生态学的出现和发展，首先应该归功于环境科学的发展。一些学者也指出，污染生态学更为确切的学科名词，应该是环境保护生态学（ecology for environmental protection）。也就是说，环境科学和生态学的相互交叉，导致了污染生态学这一新学科的产生；环境科学和生态学的相互融合和再组织，促进了污染生
8、态学这一新学科的成长（下图）。至今，污染生态学经过近30多年的发展历程，已经形成了具有自己特色的理论体系和研究方法。,由于污染生态学尤其注重采用生态学原理的方法对污染的生态系统进行控制、改造和修复，与环境保护和生态建设密切相关，已成为生态学中实践意义较强的一个重要分支，也是应用生态学的重要组成部分。,(二) 学科分支及划分,污染生态学已进入较为成熟的阶段，最为重要的标志是出现了一系列分支学科。目前对这些分支学科的划分，主要有两大体系。 1、生态组分划分体系 主要按照生态系统的组成成分进行划分，当强调生态介质时，污染生态学可以分为：大气污染生态学，水污染生态学，和土壤污染生态学；当强调生命组分在
9、生态系统中的作用及其受到污染的危害时，污染生态学又可以分为：植物污染生态学，动物污染生态学，和微生物污染生态学。事实上，根据目前污染生态学的研究对象、范畴和内容，上述划分还可以归结为：大气植物系统污染生态学，水体动物系统污染生态学，和土壤微生物系统污染生态学。,2、生态系统类型划分体系 由于对生态系统类型的划分有三种方法，污染生态学的分支学科也应“覆盖”这三种不同划分方法的基本类型和体系。 其一，按生态系统空间环境性质，可把污染生态学分为：淡水生态系统污染生态学，主要对淡水生态系统污染机理及其生产力影响和富营养化等问题进行研究；海洋生态系统污染生态学，包括对河口、海岸、近海、大洋等生态系统污染
10、机理与危害及海洋污染对全球变化的影响等问题进行研究；陆地生态系统污染生态学，以污染的土壤植物系统为中心，开展相应的研究。 其二，按生态系统的生产和应用价值，污染生态学可以分为：农业生态系统污染生态学；森林生态系统污染生态学，目前主要结合酸雨对森林生态系统危害开展研究；草地生态系统污染生态学；渔业污染生态学；工业污染生态学；污染生态工程。 其三，按人类对生态系统的影响性质和大小，污染生态学可以分为：城市污染生态学；矿山生态系统污染生态学；小城镇污染生态学；乡村污染生态学。,二. 研究内容 (以名词解释为替代),1、生态系统结构与功能（Structure and function of ecosy
11、stem） Odum（1962）对结构与功能下了如下的定义。结构的范围包括：（1）生物群落的组成，它包括种类、数量、生物量、生命史、种群在空间上的分布；（2）非生物物质如营养物、水等的含量和分布；（3）生存条件如温度、光等的幅度。功能的范围包括：（1）生物能量流通过生态系的速度；（2）物质循环或营养循环的速度，也即是生物地理化学循环速度；（3）生物或生态的调节。这个调节包括两方面。一是有机体被环境所调节，例如光周期性。一是环境被有机体调节，例如微生物的固氮作用。这里以水生生态系统结构和功能所包括的研究内容为例（见下表）。,水生态系结构和功能性质分析的定义、范畴和例子,2、生态系统平衡（Ecos
12、ystem balance） 又称自然平衡（Natural balance）,指生态系统的能量流动、物质循环和信息传递皆处于稳定和通畅的状态。在自然生态系统中，平衡还表现为物种数量的相对稳定。生态系统之所以能保持相对的平衡稳定状态是因其内部具有自动调节（或自我恢复）能力。自动调节力是有限度的，外力干扰超过限度，就会引起生态平衡破坏，表现为结构破坏和（或）功能衰退。引起生态平衡破坏的有自然灾害，也有人类不适当的活动，包括人类生活和生产废物污染和对自然资源的过量开发利用等。人为破坏作用造成对生态系统三方面的压力：生物种类成分的改变；引起生物赖以生存的环境条件改变；引起生态系统之间信息流通系统的破坏
13、从而改变生物繁殖状况。在人类对自然作用力如此之大的今天，生态系统平衡已成为全球人们所共同关心的大问题。,3、胁迫效应（Stress effect）,胁迫是环境生物学家从工程学借用来的一个词。在工程学上stress是“应力”之意。它的标准工程定义是指由于外部的力，不均匀的温度等引起一个弹性物质的变形或应力变化。Stress是对这一弹性物质在该条件下的一种定量表示方法。这一工程上的术语被生态学家用来描述各种因子能引起一个有机体的正常生理状况的一些可检出的变化，或是引起种群、群落、生态系统天然状况的一些可检出的变化。这些变化可称之为胁迫效应（stress effect）。要了解整个生态系胁迫的反应，
14、必须要有功能变化和结构变化的信息。 胁迫有两种类型，一种是天然的，一种是人为的。前者指正常的环境因子变化，如温度、光周期、光强、氧气、营养物质等因子的变化，其中也包括正常的季节变化和周年变化，以上这些环境因子的变化都能导致水生和陆生生物在结构与功能上的变化。后者是指由于人为的原因引起各种胁迫，如有毒化学物、热、营养物的富集等都能对生物群落产生影响。,4、生态效应（Ecological effect ）,人为活动造成的环境污染和环境破坏引起生态系统结构和功能的变化（细胞个体种群群落生态系统）。生物与环境关系密切，两者相互作用，相互协调，保持动态平衡。如大气层中的二氧化碳含量由于植物的吸收保持在2
15、70ppm左右。但是，人类的生活和生产活动排出的二氧化碳日益增加，近百年来增加尤剧，而森林面积却日益减少，致使大气中二氧化碳含量增加到90年代中期的350ppm左右。大气层中的二氧化碳浓度的不断增加，会使地面的长波辐射不能反射到外层空间，有人认为这会使气温升高（温室效应），对整个生物圈将有难以预测的影响（全球变化）。 人为活动排放出的各种污染物，如二氧化碳、二氧化硫和氟化物等对大气环境的污染，氮、磷等营养物和汞、镉、铅等重金属对水体的污染，以及农药、石油、放射性物质等进入环境，都引起相应的生态效应。,二氧化碳及其二次污染物包括臭氧、甲醛、乙醛和过氧乙酰硝酸酯等形成光化学烟雾，不但影响人体健康，
16、而且妨碍植物的正常代谢。美国洛杉矶曾因光化学烟雾使郊区的玉米、柑桔等受害，大片松林死亡。 二氧化硫浓度长时间超过0.01-0.02ppm，即可危害松柏等针叶树种，并能形成酸雨，如斯堪的纳维亚、英国、德意志联邦共和国等国家和地区工业中心的下风向地带，1960年以后雨水酸度增加200倍，雨水的pH值降低到2.8。酸雨使河水酸度提高，阻碍鲑鱼溯河回游和产卵繁殖，抑制森林生长，加速农业土壤中营养物质的流失。美国东北部主要工业区雨水酸度的增加使河水由碳酸氢盐型变为硫酸盐型，不利于鱼类及其他水生生物的生长。 氟化物对动、植物有明显危害。0.001-0.009ppm的氟化氢便能危及敏感性的唐菖蒲（Gladiolus gandavensis）和杏树（Prunus armeniaca）；长期食用受氟严重污染的牧草或水，会使家畜牙齿脱落，骨质疏松。,大气污染的生态效应,水污染的生态效应,氮和磷是水生生物所必需的营养物质。但由于生活污水、工业废水和化学肥料的流失给水体带来过量的氮和磷，促使藻类等水生生物大量繁殖，造成富营养化
