第一章 城市环境与生态因子.ppt

园林生态学 第一章城市环境与生态因子 1 教学目的 通过本章学习使学生掌握环境的基本定义及其尺度范围 了解城市环境的组成特征 了解城市环境所面临的几方面问题 对生态因子作用的一般特征有大体了解 认识生态因子作用的几个基本原理 2 基本要求 掌握环境的基本定义及其尺度范围 了解城市环境所面临的几方面问题 对生态因子作用的一般特征有大体了解 认识生态因子作用的几个基本原理 3 教学重点和难点 生态因子作用的几个基本原理 第一章城市环境与生态因子 教学内容 1 城市环境 2 生态因子作用分析 教学提示 一 环境 次重点 和城市环境 重点 识记 环境 自然环境 人工环境 环境的尺度范围 城市环境的组成 城市环境污染的表现 理解 城市环境的特征 二 生态因子作用分析 一般 识记 生态因子的分类 理解 生态因子作用的一般特征 限制因子定律 最小因子定律 耐受性定律 第一节城市环境 环境的概念 尺度与类型城市环境 重点 一 环境的概念 尺度与类型 1 环境的概念 1 环境 Environment 主体以外 围绕主体 构成主体生存条件的各种要素的总和 包括自然的 社会的要素 在生物科学中 以生物为主体 环境是指生物个体或群体以外的一切因素总和 在环境科学中 一般以人类为主体 环境是指围绕着人群的空间以及各种外部条件或因素 2 环境因子 Environmentfactors 构成环境的各个因素 包括需要的 不需要的或者是有害的因子 3 生态因子 在环境因子中 能对生物的生长 发育和分布产生直接或间接影响作用的因子 如温度 水 二氧化碳 氧气等直接起作用的因子以及地形起伏 坡向 海拔高度等间接起作用的因子 4 生存条件 生态因子中生物生存所不可缺少的环境条件 生态环境 所有生态因子构成生物的生态环境 现代园林建设的一个重要目标就是改善城市环境条件 创造一个良好的人居环境 2 环境的类型 按环境的主体 人类环境 以人为主体 以植物为主体 植物体以外的所有自然条件为环境 按环境的性质 自然 半自然 人工环境按环境的范围 宇宙环境 地球环境 区域环境 生境 植物的小环境 体内环境生境 habitat 具体的植物个体和群体生活地段上的生态环境 2 环境的尺度范围根据尺度范围的不同 可将自然环境分为宇宙环境 地球环境 区域环境 生境 小环境和内环境 1 宇宙环境 spaceenvironment 指大气层以外的宇宙空间 也称为星际环境 太阳辐射 黑子 日 月引力等 宇宙环境对地球环境产生了深刻的影响 太阳辐射 太阳辐射是地球的主要光源和热源 也是地球上一切能量的源泉 为地球生物有机体带来了生机 推动了生物圈这个最大生态系统的正常运转 太阳辐射能的变化影响着地球环境的波动 2 地球环境 globalenvironment 指大气圈的对流层 水圈 土壤圈 岩石圈和生物圈 又称为全球环境 地球环境与人类及生物的关系十分密切 当前 臭氧层破坏 温室效应和酸雨等全球性环境问题都不可避免地直接或间接影响到人类生活与生物的生长发育 遗传变异或地理分布 大气圈 地球表面包围整个地球的一个气体圈层 大气的主要成分 氮 氧 氢和二氧化碳大气圈供给生物生存所必须的各种元素 而且在提供保护地面生物的生存条件中起着良好的作用 大气圈不仅防止了地球表面温度的急剧变化和水分的散失 并能防护地面的生物免受外层空间多种宇宙射线的辐射 土壤圈 覆盖在陆地表面及海洋和淡水底层的土壤 形成地球表面很薄的土壤圈 土壤具有独特的结构和化学性质 是固相 液相 气相共存的三相体系 具有巨大的吸收能力与贮藏能力 为生物的生长提供了适宜的条件 土壤不仅是植物生长繁育的基础 而且是物质和能量的贮存和转化的重要场所 水圈 围绕地球表面的各种类型的水所覆盖的部分 水是细胞原生质的组分和光合作用的原料 是各种物质运输的媒介 是生物体内各种生化反应的溶剂 水有较高的汽化热和比热 可以调节和稳定气温 对陆地环境影响最大的是 降水量气态水构成大气的湿度 陆地水中的大气水和河川水最为活跃 对农业生产有着直接意义 3 区域环境 regionalenvironment 指占有某一特定地域空间的自然环境 由地球表面不同地区的五个自然圈层相互配合而形成 不同地区形成各不同的区域环境特点 分布着不同的生物群落带 具有不同的自然景观特色 如森林 草原 荒漠等 4 生境 habitat 指植物体或植物群落所居住的地方 是具体的特定地段上对植物起作用的生态因子的总和 具有更具体的意义 什么样的生境条件决定生长什么样的植物种或植物群落 如沙丘生境 松树生境 林下生境 沼泽生境 如 蚯蚓在有机质丰富的泥土中生存 仙人掌在沙漠中生存 4 生境 栖息地 habitat 在环境条件的制约下 具有特定生态特性的生物种和生物群落 只能在特定的小区域中生存 这个小区域就称为该生物种或生物群落的生境 生境 具体生物个体或群落生活地段上的生态环境 蚯蚓的生境 有机质丰富的泥土 鳙鱼的生境 含氧丰富 浮游动物多的池塘上层 5 植物的小环境 micro environment 指接近植物个体表面或个体表面不同部位的物理环境 如叶片表面附近 由于光强 大气温度和湿度等的变化 使叶片表面附近形成了一种特殊的小气候 这种小气候对叶片的光合作用和蒸腾作用有着直接的影响 6 体内环境 interenvironment 指植物体内部的环境 如叶片内部 直接和叶肉细胞接触的气腔内的二氧化碳和污染气体的浓度变化就是植物的体内环境 不同环境尺度对生物起着不同的作用 一般来说 中小尺度环境直接影响生物的生活 大尺度范围的环境变化 区域环境 地球环境和宇宙环境 不仅直接影响着中小尺度环境 而且对生物也有着直接或间接影响 3 自然环境与人工环境自然环境 指一切可以直接或间接影响生物生存的自然界中的物质和能量的总体 主要包括空气 水 土壤 岩石矿物 太阳辐射等 人工环境 指人类在开发利用 干预改造自然环境的过程中构造出来的有别于原有自然环境的新环境 或称次生环境 广义上如人工经营的农场 水库 林场 园林等 狭义上如温室 仓库 建筑空间 无土栽培液等 室内园林的发展就是建立在人工环境基础上的 人工环境 防风林 大棚温室 二 城市环境 城市是人类文明的产物 是人类聚居 活动的中心 城市环境 指影响城市人类活动的各种自然的或人工的外部条件的总和 其组成可分为自然环境和人工环境两个部分 一 城市环境的组成 1 城市自然环境包括地形 地质 土壤 水文 气候 植被 动物 微生物等因素 这些是城市环境的基础 城市环境的形成在许多方面受到自然环境的影响和作用 同时城市自然环境的性质和状况也因人类活动而发生很大的变化 2 城市人工环境包括房屋 道路 管线 基础设施 不同用途的土地 废气 废水 废渣 噪声等因素 这些是人类对自然环境加以改造后形成的 城市生态环境 可分为生物环境和非生物环境两部分 生物环境包括城市中的植物 动物和微生物 非生物环境包括城市的气候 水文 土壤 建筑和基础建设等 二 城市环境的特征 1 城市环境的高度人工化特征2 城市环境的空间特征 呈现一定的平面和立面特征3 城市环境的地域层次特征 地域分异4 城市环境的污染特征 热岛效应等 1 城市环境的高度人工化特征 由于城市是人口最集中 社会经济活动最频繁的地方 所以也是人类对自然环境影响作用最强烈 自然环境变化最大的地方 除了大气环流 大的地貌类型基本保持原来的自然特征外 其余的自然因素如地貌 土壤 气候 水文 植被 动物等都发生了不同程度的变化 并且这种变化通常是不可逆的 1 城市环境的高度人工化特征 人工创造的城市建筑景观使城市气候的某些方面 如风向 风速 局地气流 日照 温度等有别于郊区 在一般情况下 城市的风速比郊区要小 热岛和城市环流是城市气候的一个重要特征 空气能见度大为降低 空气中存在的大量污染物 日照时数及太阳辐射强度比周围地区约减少20 城市的雨量多于郊区 细小的尘埃也是水汽的凝结核 城市热岛效应 城市热岛效应 城市气温高于郊区气温的现象 形成城市热岛效应原因 1 城市下垫面的反射率比郊区小 2 城市下垫面建筑材料的热容量 导热率比郊区森林 草地 农田组成的下垫面要大得多 白天吸收积聚大量的辐射热 使地面温度上升 3 城市大气中二氧化碳和空气污染物含量高 形成覆盖层 对地面长波辐射有强烈的吸收作用 空气逆辐射也大于郊区 减少了热量的散失 形成城市热岛效应的原因 4 城市内各种燃烧过程和人类活动产生的热量可能接近甚至超过太阳的辐射热量 5 城市中建筑物密集 通风不良 不利于热量的扩散 加上城市地面不透水面积较大 排水系统发达 地面蒸发量小 同时植被较少 使得通过水分蒸腾 蒸发消耗热量的作用大大减小 6 城市热岛效应强度 还因地区而异 与城市规模 人口密度 建筑密度 城市布局 附近的自然环境有关 重庆 武汉 南京 我国 三大火炉 2 城市环境的空间异质化特征 城市环境呈现出一定的平面和立面变化特征 这是城市环境各组成要素在城市平面和高度上有形的表现 如城市轮廓 城市人造地貌等 平面结构和立体轮廓 明显的空间分异增强 人为干扰增加 城市环境的平面形态 通常指城市用地在平面空间上呈现出的几何形状 即城市用地形态 通常可用三个要素来描述 位置 距离 方向 2 城市环境的空间特征 位置 城市在地理空间中与其他事物的空间关系 通常用地球表面的经纬网来确定 也可用与周围的陆地 山川等自然地理要素之间的空间关系或具有经济意义的其他事物之间的空间关系来描述 距离 城市用地边缘到城市中心的距离 用最大 最小和平均距离来描述 方向 城市用地扩展或城市环境建设发展的方向 2 城市环境的空间特征 常见的城市表面形态可概括为 方形 圆形 星形和长条形等 城市的空间形态 特别是城市的平面形态是城市的自然环境因素和人工环境因素综合作用的结果 城市环境具有一定的空间结构 主要指城市中各物质要素的空间位置关系特点 或城市环境中各物质要素在地理空间分布中所呈现出的地域分异特点 即城市环境的地域结构 如城市环境的用地空间结构 城市环境的绿化空间结构和城市环境的社会空间结构等 3 城市环境的地域层次特征 城市环境是一个地域综合体 具有地域分异和层次特征 根据不同的人类活动为中心的物质环境特征 城市环境划分为不同的地域子环境 如居住环境 区 工业环境 区 和商业环境 区 等 彼此联系 相互影响 共同构成城市环境整体 根据城市环境人工化程度的不同 城市环境又可划分为建筑空间 道路广场空间和绿地空地空间等特征空间 后两者在西方成为开尚空间 4 城市环境污染特征 城市环境在组成及结构和影响因素上发生了很大的变化 如城市 热岛 的产生 地形的变迁 人工地面改变了自然土壤的结构与性能 不透水地面的增加 生物多样性的减少 在不大的空间里建立了大量的人类技术物质 建筑物 桥梁和其他设施等 集中了大量的人口 物质和能源 并产生了大量的污染物质等 所有这些使得城市环境的自我调节净化能力下降 容易出现环境污染 给城市居民的生活和健康带来危害 三 城市环境容量 1 环境容量与环境污染环境容量 指某一环境在自然生态结构和正常功能不受损害 人类生存环境质量不下降的前提下 能容纳的污染物的最大负荷量 它包括环境本身的自净能力和环境设施 污水处理厂 废气回收设施等 对污染物的处理能力 环境自净能力和人工环保设施处理能力越强 承污能力就越强 环境容纳量也越大 环境污染 当污染物进入环境中的量超过环境对污染物的承受能力 环境容量 时 环境就会恶化 对人体健康 动植物正常生长发育产生危害 这种现象就是环境污染 概括地讲 环境污染主要取决于环境自净能力 人工环保设施的处理能力及污染物的种类和浓度三方面的因素 2 城市环境容量城市环境容量 指环境对于城市规模及人的活动提出的限度 即城市所在地域的环境 在一定的时间 空间范围内 在一定的经济水平和安全卫生要求下 在满足城市生产 生活等各种活动正常进行的前提下 通过城市的自然条件 经济条件 社会文化历史条件等共同作用 对城市建设发展规模以及人们在城市中各项活动的强度提出的容许限度 影响城市环境容量的因素 城市环境容量是一个非常复杂的环境现象 影响因素有 城市自然环境因素 城市环境容量中最基本的 最重要的因素 包括地质 地形 气候 矿藏 动植物等因素的状况及特征 城市物质因素 主要指工业 仓库 居住建筑 公共建筑 城市基础设施 物质供应等 这些物质因素的现有构成状况对城市建设与发展以及人们的活动都有一定的容许限度 经济技术因素 城市现有的经济技术实力对城市发展规模也提出了容许限度 一个城市的经济技术条件越雄厚 则它所具有的改造城市环境的能力也越大 城市环境容量也越有可能提高 1 大气环境容量 指在满足大气环境目标值的条件下 某区域大气环境所能承纳污染物的最大能力 或所能排放的污染物的总量 研究大气环境容量可以为制定区域大气环境标准 控制和治理大气污染提供重要依据 3 城市环境容量的几种常见类型 3 城市环境容量的几种常见类型 2 水环境容量 指在满足城市居民安全卫生使用城市水资源的前提下 城市区域水环境所能承纳的最大的污染物质负荷量 水环境容量与水体的自净能力和水质标准有密切关系 也与城市水资源的量有关 水体量越小 水环境容量就越小 一般来说水环境容量取决于三个因素 即水环境的量及状态 该污染物的地球化学特性 人及生物机体对该污染物的忍受能力 3 城市环境容量的几种常见类型 3 土壤环境容量 指土壤对污染物质的承受能力或负荷量 当进入土壤中的污染物质低于土壤容量时 土壤的净化过程成为主导方面 土壤质量能够得到保证 当进入土壤中的污染物质超过土壤容量时 污染过程成为主导方面 土壤受到污染 土壤环境容量取决于污染物的性质和土壤净化能力的大小 四 城市的环境问题 城市化是人类社会进步的标志 但在城市化过程中 不少城市遇到了人口膨胀 交通拥挤 住房紧张 能源短缺 供水不足 生物多样性减少 环境污染严重等城市环境问题 其中 城市环境污染是最严重的问题 已成为制约城市发展的一个重要障碍 1 城市的环境问题概述 我国许多城市的环境污染已相当严重 如太原 沈阳 西安和北京等城市曾被列为全球大气污染严重的城市 如何更有效地控制我国城市的环境污染 改善城市环境质量 使城市社会经济得以持续 稳定和协调发展 已成为一个迫在眉睫的问题 2 我国城市的环境污染 1 城市大气污染 2 城市水体污染 3 城市固体废弃物 废渣产生量大 综合利用率低 目前基本都是露天堆放 日晒雨淋 有害成分进入大气 水体 土壤中 4 城市噪声污染 交通噪音 工业噪音 建筑施工噪音 生活噪音 1 城市大气污染 城市大气污染的污染物主要有粉尘 二氧化硫 氮氧化物 一氧化碳 氟和氟化氢等 据有关研究 1981 1990年 我国城市大气污染是以总悬浮颗粒物和二氧化硫为主要污染物的煤烟型污染 少数特大城市属煤烟与汽车尾气污染并重 全国城市大气污染特点 全国城市大气污染有以下特点 北方城市的污染程度重于南方 以冬季最为明显 大城市污染发展趋势有所减缓 中小城市污染恶化趋势超过大城市 如临汾在全国排第一 在大气污染物中 总悬浮颗粒物是我国城市空气中的主要污染物 二氧化硫浓度南北城市差异不大 氮氧化物在南北城市都呈上升趋势 在冬季已成为首位污染物 表明我国一些特大城市大气污染开始转型 2 城市水体污染 我国城市水环境质量从城市主要江河水系的监测结果来看 一级支流污染普遍 二 三级支流污染较为严重 主要污染问题表现在江河沿岸大 中城市排污口附近 岸边污染带和城市附近的地表水普遍受到污染的问题没有得到缓解 城市地下水污染逐年加重 全国大城市水体富营养化依然严重 目前 我国城市水环境污染特点 城市地表水污染变化总趋势是污染加剧程度得到控制 但仍有日趋严重的可能 城市河流的污染程度是北方重于南方 城市饮用水水源地一半以上的水源地受到不同程度的污染 城市地下水污染严重 三氮和硬度指标呈加重趋势 多数城市地下水受到污染 水井水质低于饮用水水质标准的逐年增加 各主要水系干流水质量虽基本良好 但各自都有一些严重污染的江段 3 城市固体废弃物污染 目前处理量和综合利用率都很低 致使固体废弃物对环境的冲击力越来越大 目前主要问题 悬浮颗粒物废渣产生量大 工业废渣量约为城市固体废弃物排放量的3 4 另有数量可观的生活垃圾 废渣综合利用率低 增长速度缓慢 无害化处理仅占排放量的百分之几 矛盾日益突出 目前基本都是露天堆放 占用大量土地 日晒雨淋 有害成分进入大气 水体 土壤中 造成二次污染 4 城市噪声污染 我国许多城市的噪声污染相当严重 主要有交通噪音 工业噪音 建筑施工噪音 生活噪音等 总之 城市的气候 水文 土壤等生态条件明显不同于城市周围地区 形成特殊的城市生态环境 了解城市的环境特点 对选择适宜的园林绿化树种以及合理规划布局城市绿地系统 充分发挥园林植物的生态功能 改善城市环境质量具有重要意义 第二节生态因子作用分析 一 生态因子的分类1 生态因子 EcologicalFactors 环境中对生物生长 发育 生殖 行为和分布有直接或间接影响的环境要素 是环境因子的一部分 主要包括气候因子 光 温度 空气 湿度 地形因子 土壤因子 人为因子 生物因子等五大类因子 美国道本迈尔将生态因子分为七个项目 光 温度 空气 火 土壤 水 生物所有生态因子构成生态环境 特定的生物 特定的生态因子组合2 生活因子 lifefactors 生物生存不可缺少的生态因子 所有生活因子构成生存条件 3 生态因子分类 3 生态因子分类 通常根据生态因子的性质来分 1 气候因子 如温度 湿度 光 降水 风 气压和雷电等 2 土壤因子 如土壤结构 土壤有机和无机成分的理化性质以及土壤生物等 3 地形因子 如地面的起伏 山脉的坡度和阴阳坡等 4 生物因子 包括生物之间的各种关系 如竞争 捕食 寄生和互利共生等 5 人为因子 人类活动对自然界和其他生物的直接或间接影响 二 生态因子作用的一般特征 1 综合作用2 非等价性 主导因子作用 3 不可替代性和互补性4 阶段性作用5 直接作用与间接作用 二 生态因子作用的一般特征 1 综合作用生态因子间总是彼此联系 互相促进 相互制约 任何单一因子的变化必将引起其它因子的变化 如光强 土壤温度 空气湿度 水分平衡 气温等 植物生长 例如 水体温度与溶解氧的关系 2 非等价性 主导因子作用 生态环境中各因子地位不同 一般情况下 其中有一个或几个因子对其它因子的变化起主导作用 主导因子 主导因子是随时间 空间变化而变化的 植物光合作用时 光强为主导因子 植物春化作用时 温度 低温 为主导因子 二 生态因子作用的一般特征 3 不可替代性和互补性不可替代性 生态因子虽非等价 但都不可缺少 一个因子的缺失不能由另一个因子来代替 如种子发芽试验 成熟种子 温度 无水成熟种子 温度 过多水分成熟种子 恰当的温度 恰当的水分 适当的空气 3 不可替代性和互补性 补偿作用 在一定条件下 某一因子量的不足 可由其它因子的增加或增强而得到补偿 仍可获得相同的生态效应 即为可补偿性 但只能是在一定范围内作部分补偿 如山东半岛的山地引种杉木 那里的温度与南方杉木产区相差很大 但由于降水量和湿度条件较好 起到补偿作用 使得杉木引种成功 例如光照不足所引起的光合作用的下降可由CO2浓度的增加得到补偿 二 生态因子作用的一般特征 4 生态因子作用的阶段性植物在生长发育的不同阶段往往需要不同的生态因子或生态因子的不同强度 例如低温对冬小麦的春化阶段是必不可少的 但在其后的生长阶段则是有害的 如大马哈鱼生活在海洋中 生殖季节回游到淡水河流中产卵 二 生态因子作用的一般特征 5 直接作用与间接作用光照 温度 水分属直接因子 直接作用 环境中的地形因子属间接因子 间接作用 三 生态因子作用的基本原理 1 最小因子定律2 耐受性定律3 限制因子 1 最小因子定律 德国化学家李比西 JustusLiebig 提出 植物的生长取决于数量最不足的的那一种营养物质 即最小因子定律 1 最小因子定律 1840年德国农业化学家 李比希 J Liebig 在研究营养元素与植物生长的关系时发现 植物生长并非经常受到大量需要的自然界中丰富的营养物质 如水和CO2 的限制 而是受到一些需要量小的微量元素 如硼 的影响 土壤中的氮 可维持250千克产量钾 可维持350千克产量磷 可维持500千克产量实际产量为250千克 若氮增加1倍 产量为350千克 1 最小因子定律 因此 他提出 植物的生长取决于那些处于最少量状态的营养元素 后人称之为Liebig最小因子定律 E P Odum 1973 建议做两点补充 Liebig定律只能严格地适用于稳定状态 即能量和物质的流入和流出是处于平衡的情况下才适用 b 要考虑因子间的替代作用 2 耐受性定律 美国生态学家谢尔福德 V E Shelford 于1913年研究指出 植物的生存需要依赖环境中的多种条件 而且植物有机体对环度 该种植物的生存就会受到影响 甚至灭绝 境因子的耐受性有一个上限和下限 任何因子不足或过多 接近或超过了某种植物的耐受限这就是Shelford耐受定律 植物对每一种生态因子都有其耐受的上限和下限 上下限之间是植物对这种生态因子的耐受范围 可以用钟形耐受曲线表示 耐受性定律图示 耐受下限 不能耐受带 生理紧张带 最适值 适宜范围 耐受上限 生理紧张带 不能耐受带 2 耐受性定律 美国生态学家谢尔福德 V E Shelford 1913 1 Shelford slawoftolerance 1913 生态因子的量的过多或过少都会限制生物的生长 发育 即为耐性定律 2 生态幅ecologicalamplitude 每一个物种对环境因子适应范围的大小 广适eury 窄适steno stenophagic euryphagic stenothermal eurythermal 低窄 高窄 如冷窄适 热窄适 关于耐性定律的补充说明 1 生物可能对某一因子耐受范围很宽 而对另一生态因子又很窄 2 对很多生态因子耐受范围都很广的生物 其分布一般很广 3 当某一生态因子不是处于最适状态时 对其它因子的适应性可能随之下降 4 在自然界生物并不在某一特定生态因子最适合的地方生活 而往往在很不适合的地方生活 在这种情况下 一定有其它的生态因子起决定作用 5 生物的耐受限度因生长发育阶段 环境条件的不同而变化 繁殖期通常是一个临界期 此期间生态因子最可能起限制作用 因此植物在种子萌发与开花结实阶段 往往对生态因子的要求比较严格 应当注意 植物对环境的适应和对生态因子的耐受性并不是完全被动的 植物不是环境的奴隶 进化可以使它们积极地适应环境 甚至改变自然环境条件 从而减轻生态因子的限制作用 如地理分布较广的物种常形成不同的生态型 同一