环境管理_环境科学的生态学基础

第3章 环境科学的生态学基础,环境决定生物的生存状况，但生物又反过来 影响环境，环境和生物之间的相互作用与影响既是环境科学，又是生态学所关注的议题。在研究环境问题时,必须了解和掌握生态学的基本原理。,3.1 生物生存环境,3.1.1 生态环境与生态因子 生态学将支撑生命系统的环境称为生态环境。 生态因子：决定或影响生物体生存和各种要素。 生态因子包括：温、光、水、气及其他生物。 生境：特定生物体栖息地的生态环境,3.1 生物生存环境,3.1.2 生物与环境的相互作用 环境对生物的作用：影响生物的生长、发育、繁殖和行为，影响生物的生育力和死亡率，限制生物的分布区域； 生物对环境的反作用：主要表现为对生态因子的改变。,3.1 生物生存环境,3.1.3 环境学与生态学的交融 生态学是环境科学的重要理论基础之一。 生物监测、生物评价是环境监测与环境评价的重要组成部分； 生物工程是环境污染治理的重要手段。 要解决当今世界面临的五大问题，都必须按生态规律办事，维护生态系统的健康。,3.2 生态系统,3.2.1 生态系统的概念 自然界一定空间内，生物与环境之间经过相互作用、相互制约、不断演变达到的动态平衡和相对稳定的统一整体，是具有一定结构和功能的地理单元。,3.2 生态系统,3.2.2 生态系统的组成 生物组分 生产者：绿色植物、光合细菌和化学细菌 消费者：指各类动物 草食动物 肉食动物 寄生动物 腐食动物 杂食动物 分解者：细菌、真菌,3.2 生态系统,3.2.2 生态系统的组成 非生物组分 温度 光照和辐射 水 空气 土壤,3.2 生态系统,3.2.3 生态系统的结构 生态系统的组分结构 指生态系统中由不同生物类型或品种及它们之间不同的数量组合关系所构成的系统结构。 生态系统的时空结构 指各种生物万分或群落在空间上和时间上的不同配置和形态变化特征。,3.2 生态系统,3.2.3 生态系统的结构 生态系统的时空结构 水平结构特征：在一定区域内生物类群在水平空间上的组合与分布。 垂直结构特征：包括不同类型的生态系统在海拔高度不同的生境上的垂直分布，和生态系统内部不同类型物种及个体间的垂直分层两个方面。 时间结构特征：在一定时间惊讶内，生态系统构成要素的动态变化，包括大时间惊讶上，生态系统生物及环境要素的更替演化；以及小时间惊讶上，生物要素组成及组成比例的动态变化。,3.2 生态系统,3.2.3 生态系统的结构 生态系统的营养结构 指生态系统中生物与生物之间，生产者、消费者和分解者之间以食物营养为纽带所形成的食物链和食物网，是生态系统中物质循环和能量流动的基础。 1 食物链与食物网 食物链：生态系统中生物之间基于取食和被取食关系而形成的链状结构。 多条食物链彼此交错连接，就形成食物网。,3.2 生态系统,3.2.3 生态系统的结构 食物链的类型： 捕食食物链 腐食食物链 寄生食物链 混合食物链 特殊食物链,3.2 生态系统,3.2.3 生态系统的结构 2 营养级与生态金字塔 营养级：食物链上的每一个环节。 杂食性消费者的营养级计算公式： N=1+PF 生态金字塔：将生态系统中每个营养级生物的个体数量、生物量或能量 ，按营养级的顺序由低到高排列起来，绘成结构图，是一个金字塔形。,3.2 生态系统,3.2.4 生态系统的基本功能 能量流动 物质循环 信息传递 生物量生产,3.2 生态系统,3.2.4 生态系统的基本功能 一、能量流动 1. 生态系统的能量 太阳辐射能；地球所有生态系统的最初能量来源于太阳； 辅助能：除太阳辐射能以外，其他进入系统的任何形式的能量都称为辅助能。 自然辅助能：潮汐能、风能、水势能等 人工辅助能：生物辅助能、工业辅助能。,3.2 生态系统,3.2.4 生态系统的基本功能 一、能量流动 2. 生态系统中的能量流动 指能量通过食物网络在系统内的传递和耗散过程。在此过程中，严格遵守热力学第一定律和热力学第二定律。 第一定律：能量既不会消失，也不会凭空产生，只能以严格的当量比例，由一种形式转化为另一种形式。 第二定律：生态系统中的能量在转化、流动过程中总存在衰变、逸散。 食物链与食物网是生态系统中能流的渠道。,3.2 生态系统,3.2.4 生态系统的基本功能 生态系统中能量流动的特点： 能量流动是单向的 能量在流动中不断递减 能量在流动中，质量逐渐提高。,3.2 生态系统,3.2.4 生态系统的基本功能 二、物质循环 1. 物质循环的基本特征 生物个体层次：营养元素在生物体内的再分配。范围小、周期短； 生态系统层次：指元素在生态系统中被相继利用，被分解者分解后再被生产者再次利用。范围限于一个生态系统内，流速相对较快，周期较短； 生物圈层次：经历了生物圈及环境中的各个圈层，周期长，范围大。,3.2 生态系统,3.2.4 生态系统的基本功能 二、物质循环 物质循环有关的几个概念 库：物质在循环过程中被暂时固定、贮存的场所。按特性不同，又分为贮存库和交换库。 流：指物质在库与库之间的转移运动状态。 周转率：系统达到稳定状态后某一组分中的物质在单位时间内所流出的量或流入的量占总库存的分数值。 周转期：库中物质全部更换平均需要的时间。,3.2 生态系统,3.2.4 生态系统的基本功能 二、物质循环 重要的物质循环 水循环 碳循环 氮循环 磷循环 硫循环,3.2 生态系统,3.2.4 生态系统的基本功能 三、信息传递 信息传递又称信息流，指生态系统中各生命成分之间及生命成分与非生命环境之间的信息流动与反馈过程。 信息流是双向的。,3.2 生态系统,3.2.4 生态系统的基本功能 三、信息传递 1. 信息类型 营养信息 物理信息 化学信息 利己素 利他素 互利素 同抗素 行为信息,3.2 生态系统,3.2.4 生态系统的基本功能 三、信息传递 2. 信息传递 阳光与植物间的信息传递 植物间的化学信息传递 植物与微生物间的信息传递 植物与动物间的信息传递,3.2 生态系统,3.2.4 生态系统的基本功能 四、生物量生产 1. 生产量、生产率与生产力 生产量：由生物生产所积累的有机物质的数量。 生产率（生产力）：生态系统中一定空间内生物在一定时间内所生产的有机物质积累的速率。,3.2 生态系统,3.2.4 生态系统的基本功能 四、生物量生产 2. 初级生产 指绿色植物通过光合作用将太阳辐射能以有机物质的形式贮存起来的过程。,3.2 生态系统,3.2.4 生态系统的基本功能 四、生物量生产 3. 次级生产 指生态系统中消费者和分解者利用初级生产所制造的物质和贮存的能量进行新陈代谢，经过同化作用转化形成自身物质和能量的过程。,3.2 生态系统,3.2.5 生态系统的类型与特征 一、生态系统的类型 按生态系统空间环境性质分： 淡水生态系统； 海洋生态系统； 陆地生态系统。 按地理位置及植物状况等分： 森林 草原 荒漠 高山 等等,3.2 生态系统,3.2.5 生态系统的类型与特征 一、生态系统的类型 按人类对生态系统的影响程度分： 自然生态系统； 人工生态系统； 受干扰生态系统 污染生态系统,3.2 生态系统,3.2.5 生态系统的类型与特征 一、生态系统的类型 按经济地理区域分： 全球生态系统 流域生态系统 景观生态系统 群落生态系统 种群生态系统,3.2 生态系统,3.2.5 生态系统的类型与特征 二、生态系统的基本特征 整体性 开放性 区域分异性 动态变化性,3.3 生态系统种群间的相互作用,3.3.1 中性作用 两个或两个以上物种经常一起出现，但彼此间不发生任何关系，相互无利也无害，这种特殊的种间关系为中性作用。,3.3 生态系统种群间的相互作用,3.3.2 竞争作用 是两个或多个种群争夺同一对象的相互作用。竞争的结果有三种情况。 竞争可以分为干扰竞争和利用竞争两种。 干扰竞争：一种生物借助行为排斥另一种生物，使其得不到资源。 利用竞争：两种生物同时竞争利用同一种资源。 生态位：指生物在生态系统中所占的物理空间，以及它在生物群落中的功能作用，以及它们在温度、湿度等其他生存条件的环境变化梯度中的位置。,3.3 生态系统种群间的相互作用,3.3.3 偏害作用 两个物种相处一起时，一个物种对另一个物种产生危害但其自身并不因此而获得或受到伤害。如抗生现象 。,3.3 生态系统种群间的相互作用,3.3.4 捕食作用 指某种生物消耗另一种生物的全部或部分身体，直接获得营养以维持自己生命的现象。 捕食者按食物类型可分为：食肉动物、食草动物和杂食动物。 捕食者和猎物间会协同进化。,3.3 生态系统种群间的相互作用,3.3.5 寄生作用 指寄生物从宿主的体液、组织或已消化物质中获取营养 ，通常对宿主有一定的危害。 寄生物与宿主间也存在协同进化。,3.3 生态系统种群间的相互作用,3.3.6 偏利作用 指两种生物共生在一起，一方得利，而对另一方无害。 偏利作用有永久的也有暂时性的。,3.3 生态系统种群间的相互作用,3.3.7 互利共生 指两个生物种群生活在一起，相互依赖，互相得益。 专性互利：互利双方的合作是永远的，离开合作对将使一方或双方不能生存。 兼性互利：两个物种并不是固定配对，合作往往是分散的，合作的一方是多物种的混合。,3.3 生态系统种群间的相互作用,3.3.8 原始协作 指两个生物种群生活在一起，彼此都有所得，但二者之间不存在依赖关系。,3.4 生态平衡与生态失衡,3.4.1 生态平衡 一、生态平衡的概念 指在一定的时间和相对稳定的条件下，生态系统内各部分的结构和功能均处于相对相互适应与协调的状态。 生态平衡是动态的。,3.4 生态平衡与生态失衡,3.4.1 生态平衡 一、生态平衡的概念 生态平衡的衡量 时空结构上的有序性 能流、物流的收支平衡 系统自我修复、自我调节功能强,3.4 生态平衡与生态失衡,3.4.1 生态平衡 二、生态平衡的基础 相互依存与相互制约规律 物物相关规律 物物相克规律 物质循环转化与再生规律 物质输入输出的动态平衡规律 生物与环境的协同进化规律 环境资源的有效极限规律,3.4 生态平衡与生态失衡,3.4.1 生态平衡 三、生态系统平衡的调节机制 反馈机制：通过负反馈机制，系统的输出变成了决定系统未来功能的输入。 抵抗力：自然生态系统具有抵抗外来干扰并维持系统结构和功能原状的能力，是维持生态系统平衡的重要途径之一。其大小由生态阈值（环境容量）决定。 恢复力：生态系统遭受外界干扰破坏后，系统恢复到原状的能力。,3.4 生态平衡与生态失衡,3.4.1 生态平衡 四、生态平衡的意义 使生物与环境之间具有良好的综合协调性，使生态系统有较强的抗逆性、稳定性、自我修复性和调节能力。 生态平衡对人类来说并不总是有利的。,3.4 生态平衡与生态失衡,3.4.2 生态失衡 一、生态失衡的概念 指外界压力无节制地超过某一生态系统的生态阈值和容量 ，它的自我调节能力便会降低，甚至消失，最后导致生态系统衰退或崩溃。,3.4 生态平衡与生态失衡,3.4.2 生态失衡 二、生态失衡的特征 结构标志：出现缺损或变异； 功能性标志：能量流动在系统内的某一个营养层次上受阻或物质循环正常途径中断。,3.4 生态平衡与生态失衡,3.4.2 生态失衡 三、引起生态平衡失调的因素 自然因素： 人为因素： 人与自然策略的不一致导致生态平衡破坏； 滥用资源导致生态平衡破坏； 经济与生态分离。,3.5 生物污染,生物污染是指环境中有毒有害物质的含量超过一定的阈值之后，对生物个体、种群、群落或生态系统产生的负面效应。,3.5 生物污染,3.5.1 污染物种类及其生物毒性 一、污染物种类 按来源分:自然污染物、人为污染物 按影响的环境要素分：大气污染物、水体污染物、土壤污染物； 按污染物形态分：气态污染物、固态污染物、液态污染物； 按污染物性质分：化学污染物、物理污染物、生物污染物； 按污染物在环境中的变化：一次污染物、二次污染物 其他：金属污染物、有机污染物、可降解污染物、永久性污染物。,3.5 生物污染,3.5.1 污染物种类及其生物毒性 二、污染物的毒性参数 毒性的类型 急性毒性 亚急性毒性 慢性毒性 蓄积性毒性 三致作用,3.5 生物污染,3.5.1 污染物种类及其生物毒性 二、污染物的毒性参数 生物毒性的参数 半致死浓度 半数效应浓度 阈剂量 最大无作用剂量 最低观测效应浓度,3.5 生物污染,3.5.2 污染物在生态系统中的迁移转化 一、污染物在环境中的迁移转化 污染物的迁移：污染物在环境中发生空间位置的移动及其所引起的富集、分散和消失的过程。 迁移的方式：机械迁移、物理-化学迁移、生物迁移。 迁移转化受到两方面因素的影响。,3.5 生物污染,3.5.2 污染物在生态系统中的迁移转化 二、污染物的生物吸收 植物吸收：大多数经过根系吸收，叶片也有一定的吸收能力。 动物吸收：消化管是动物吸收污染物的主要途径，空气中的污染物经呼吸道通过气管进入肺部，污染物也能够被动物的皮肤吸收。,3.5 生物污染,3.5.2 污染物在生态系统中的迁移转化 三、污染物的生物积累和生物放大 部分污染物易在生物体内不断积累，称为富集现象。富集效应可用富集系数来评价。 富集系数：生物体内某种物质的浓度与环境中该物质的浓度比值。 富集取决于污染物的性质及生物本身的特性。,3.5 生物污染,3.5.3 污染物的毒害效应与致毒机理 一、污染对生物种群和生态系统的影响 1. 污染在种群水平上的影响 种群密度 年龄结构 性别比例 种间关系 种群进化,3.5 生物污染,3.5.3 污染物的毒害效应与致毒机理 一、污染对生物种群和生态系统的影响 2. 污染在生态系统水平上的影响 生态系统多样性散失； 生态系统复杂性降低,3.5 生物污染,3.5.3 污染物的毒害效应与致毒机理 二、污染物的致毒效应机理 酶的抑制 细胞膜的损害 对生物大分子活性点位的竞争 致突变,3.5 生物污染,3.5.4 影响污染物毒性的因素 剂量-效应关系：在一定剂量的污染物作用下，生物体发生效应的个体在群体中所占的比例； 复合污染物的联合效应 协同作用：多种污染物共同作用所产生的毒性大于它们分别单独与机体接触所产生的毒性总和 相加作用：多种污染物共同作用所产生的毒性等于它们分别产生的毒性的总和 独立作用：多种污染物共同作用时所产生的毒性与多种污染物分别作用时的毒性大小相等 拮抗作用：多种污染物共同作用所产生的毒性小于各种污染物单独作用产生的毒性的总和,3.6 生态系统退化与恢复,3.6.1 生态系统退化 一、生态系统退化的概念 在自然和人为干扰的作用下，生态系统结构和功能发生变化，原有的平衡被打破，生态功能遭受破坏或丧失的过程。,3.6 生态系统退化与恢复,3.6.1 生态系统退化 二、生态系统退化的特征 物种多样性、遗传多样性、结构多样性和空间异质性降低，物种丧失，优势种、建群种的优势度降低 能量生产量低，系统贮存的能量低，能量转化水平下降，食物链缩短 总有机质存储少，生产者亚系统的物质积累降低 生态联系和生态学过程简化，对外界的干扰较为敏感，系统的抗逆能力和自我恢复能力较低，系统变得脆弱,3.6 生态系统退化与恢复,3.6.1 生态系统退化 三、生态系统退化的原因与机理 生境破坏和生境破碎 限制斑块内的扩散和活动范围，促进生境岛屿的形成 生境破碎导致生物小种群的产生，导致物种的迁移和散布能力降低 生境破碎导致系统边际增加，显著增加了边缘与内部生境的相关性，边缘生态因子巨大的波动性可使一些对环境敏感的生物灭绝 生境破碎加速外来物种入侵，干扰原有的生物种群结构 生境破碎通过扰乱种群内重要的生态过程和相互关系导致物种次生灭绝,3.6 生态系统退化与恢复,3.6.1 生态系统退化 三、生态系统退化的原因与机理 生物入侵 物种灭绝 生物多样性散失,3.6 生态系统退化与恢复,3.6.2 退化生态系统的恢复 一、生态恢复的概念 一般泛指改良和重建退化的自然生态系统，使其重新有益于利用，并恢复其生物学潜力。 最关键的是系统功能的恢复和合理结构的构建。,3.6 生态系统退化与恢复,3.6.2 退化生态系统的恢复 二、生态系统恢复的理论基础 恢复生态学是研究退化生态系统恢复与重建的技术和方法及其生态学过程与机制的生态学分支学科 。 它的理论基础是生态学的基本原理，尤其是生态系统演替理论。 恢复生态学自身产生的理论主要是自我设计与人为设计两大理论。,3.6 生态系统退化与恢复,3.6.2 退化生态系统的恢复 三、生态恢复途径与技术 重新建造真正的过去的生态系统，尤其是那些曾遭到人类改变或滥用而