环境管理_生态学基础知识

第二讲 生态学基础知识 第一节概述 一 生态学及发展 二 生态系统 第二节生态平衡及系统的动态变化 一 生态平衡的概念 二 生态系统的动态变化 三 生态学的一般规律 生态学的定义 生态学一词最早是由德国生物学家黑格尔于1869年提出的 他把生态学定义为 自然界的经济学 其英文词首和经济学是相同的 均来自于希腊文 表示家庭居处或环境的意思 可见 生态学与经济学 家庭 环境等有着密切的关系 后来有的学者把生态学定义为 研究生物或生物群体与其环境的关系 或生活着的生物与其环境之间相互联系的科学 我国著名生态学家马世骏把生态学定义为 研究生物与环境之间相互关系及其作用机理的科学 生态学中所说的生物包含植物 动物和微生物 最近 由于人类环境问题和环境科学的发展 生态学也扩展到人类生活和社会形态等方面 把人类这一生物种也列入生态系统中 来研究并阐明整个生物圈内生态系统的相互关系问题 生态学的发展 生态学原是一门研究生物与其生活环境相互关系的科学 是生物学的重要分科之一 初期主要研究植物 后来逐渐涉及动物和人类 目前 随着现代科学技术的发展并向生态学的不断渗透 赋予它新的内容和动力 使其成为多学科 较活跃的科学领域之一 生态系统的概念 生物自从在地球上出现以来就与自然环境有着密不可分的关系 长期以来形成了相互依存 相互制约的关系 地球上的生物十分庞杂 其中包括动物2000万种以上 植物30多万种 微生物10多万种 这些生物通过新陈代谢不断与环境进行着物质的交换 能量的传递和信息的交流 从而引起环境与生物自身的变化 生物在长期的进化中对环境具有依附性和适应性 但生物也不是被动的适应环境 生物也具有其本身独特的遗传特性 生物受到环境的影响 反过来又作用于环境 一个生物物种在一定的范围内所有个体的总和称为生物种群 Population 在一定自然区域的环境条件下 许多不同种的生物相互依存 构成了有着密切关系的群体 称为生物群落 Community 随着环境条件的千差万别 地球上出现了各种各样的生物群落 森林 草原 荒漠等等 而特定的生物群落又维持了相应的环境条件 一旦生物群落发生变化 也会影响到环境条件的变化 因此 人们把生物群落与其周围非生物环境的综合体 称为生态系统 Ecosystem 也即生命系统和环境系统在特定空间的组合 非洲热带草原的群象 种群 斑马种群 狮子种群 捕食与被捕食 群落 点图片播放 森林生态系统 海洋生态系统 点图片播放 海洋生态系统 在生态系统中 各种生物彼此间以及生物与非生物的环境因素之间互相作用 关系密切 而且不断进行着物质的交换 能量的传递和信息的交流 目前 人类所生活的生物圈内有无数大小不等的生态系统 一个简化了的陆地生态系统 生态系统的组成 生态系统是由四个部分组成的见下图 生产者 消费者 分解者 无生命物质 能量 物质 热量 生产者 主要是绿色植物 凡能进行光合作用制造有机物的植物种类 包括单细胞藻类 均属于生产者 还有一些能利用化学能把无机物转化为有机物的化能自养型微生物 也应列入生产者之列 湖泊中的藻类 消费者 主要是动物 又分为一级消费者 如草食性动物 二级消费者 如肉食动物 等等 人处于消费者中的最高级别 分解者 指各种具有分解能力的微生物 也包括一些微型动物 如鞭毛虫 土壤线虫等 微生物 真菌 橙盖伞 分解者 无生命物质 指生态系统中的各种无生命的无机物 有机物和各种自然因素 如土壤 空气 水等 岩石 矿物 土壤 空气 水体 P 生产者 C1 初级消费者 C2 3 二 三级消费者 Cn 四级消费者 D 分解者 太阳 生产者 一级消费者 二级消费者 简化的陆地生态系统 简化的池塘生态系统 一级消费者 浮游生物 二级消费者 三级消费者 生产者 浮游植物 分解者 微生物 分解者 生态系统的结构 1 生态系统的形态结构 生态系统的生物种类 种群数量 种的空间配置 水平分布 垂直分布 种的时间变化 发育 季相 等构成了生态系统的形态结构 如 在森林生态系统中 有各种乔木 灌木和草本植物 有各种动物和复杂的微生物种群 它们各自的数量 空间的分布和种的时间的变化就构成了森林生态系统特有的形态结构 森林生态系统 种类 海洋生态系统 种类 生态系统中物种的类型 非洲热带草原的群象 种群数量 种群数量 生物的空间配置 苔藓地衣 生物的空间配置 草本 生物的空间配置 灌丛 生物的空间配置 乔木 生态系统中种的时间变化 发育 2003年10月生长情况 发育 2004年5月生长情况 发育 2004年8月生长情况 发育 2005年5月生长情况 发育 虎 发育 虎 发育 北极狐 发育 北极狐 生物的季相 生物的季相 生物的季相 生物的季相 2 生态系统的营养结构 生态系统各组成部分之间建立起来的营养关系 构成了生态系统的营养结构 它是生态系统中能量流动和物质循环的基础 生态系统中 由食物关系把多种生物联接起来 一种生物以另一种生物为食 另一种生物再以第三种生物为食 彼此形成一个以食物联接起来的链锁关系 称为食物链 比如 老鼠以农作物为食 而鼬鼠又以老鼠为食 这就构成了一个最简单的食物链 再如 碎屑 蘑菇 昆虫 蛙 蛇 鹰就构一个较为复杂的食物链 按照生物间的相互关系 一般可把食物链分为 捕食性食物链 即由一些以其他动物为食的动物构成的食物链 例如由狐狸和野兔构成的食物链 碎食性食物链 是由一些食碎屑生物构成的 诸如秃鹫 蚯蚓 千足虫 白蚁 蚁和甲虫等 寄生性食物链 是由一些寄生性生物构成的 它们是与其 捕获物 建立起一种紧密地联系 长期地以 捕获物 为生 比如 动物肠内的绦虫 寄生在动物体外的蜱 虱或七鳃鳗以及一些植物如菟丝子 槲寄生等 腐生性食物链 由腐生性生物构成 如水晶兰 真菌等 在一个生态系统中 食物关系往往复杂 各种食物链相互交错 形成所谓食物网 能量的流动 物质的迁移和转化 就是通过食物链或食物网进行的 见下图 1 桧树 2 草本植物 3 节肢动物 4 兔 5 啮齿动物 6 肉食动物 食物网 生态系统的功能 生态系统中能量流动 物质循环和信息联系构成了生态系统的基本功能 1 生态系统中的能量流动 生态系统中全部生命活动所需要的能量均来自太阳 太阳能在生态系统中的流动是按热力学定律进行的 热力学第一 二定律决定了能量流动的规律 环境卡片 能量流动的1 10规律在生态系统中 能量从植物体内转移至草食动物体内时大约为总能量的1 10 而再转移到肉食动物体内时 为草食动物能量的1 10左右 一般说来 能量沿着绿色植物 草食动物 一级肉食动物 二级肉食动物逐级流动 而后者所获得的能量大体等于前者所含能量的1 10 这就是说 在能量流动过程中 约有9 10的损失掉了 2 生态系统中的物质循环 生态系统中的一切生物 动物 植物 微生物 和非生物的环境 都是由运动着的物质构成的 并在地球长期的演化过程中建立起来了各种循环体系 其中碳 氢 氧 氮 硫 磷等的循环是生态系统基本的物质循环 锰 锌 铜 钼 钴 钙 镁 钾等微量元素 也在生态系统中的构成了各自的循环 而与人类环境关系比较密切的主要有水 碳 氮 三大循环 水循环 碳循环 氮循环 3 生态系统中的信息联系 在生态系统的各组成部分之间及各组分内部 伴随着能量和物质的传递与流动还同时存在着各种信息的联系 而这些信息把生态系统联成一个统一的整体 起着推动物质流动 能量传递的作用 信息在生态系统中表现为多种形式 主要有营养信息 化学信息 物理信息 遗传信息和行为信息 环境专栏 北极狐和北极兔据科学家们观察 生活在北极地区的北极狐是以北极兔为食的 北极狐一胎可以怀单胎 也可以怀双胎 而这是取决于北极兔的多少 北极兔的数量多 怀双胎 数量少则怀单胎 这对于维持生态系统的平衡是至关重要的 难道是北极兔告诉北极狐自己的数量吗 显然不可能 这只能是生态系统中某些类似物理 化学等信息在起作用 北极狐 北极兔 生态平衡的概念 如果某生态系统各组成成分在较长时间内保持相对协调 物质和能量的输出接近相等 结构与功能长期处于稳定状态 在外来干扰下 能通过自我调节恢复到最初的稳定状态 则这种状态可称为生态平衡 生态平衡包括三个方面 即结构上的平衡 功能上的平衡以及输入和输出物质数量上的平衡 生态平衡是相对的平衡 动态的平衡 环境专栏 生态系统相互依存渡渡鸟与大颅榄树 生态系统的动态变化 生态系统的稳定取决于平衡的相互关系 生态系统的演替 一些生态系统 依靠自身的发展和活动的本性 一方面消灭某些物种 另一方面又允许别的物种侵入 以此来改变它们的环境 因而 在占领这个地区的各种生物中 存在着一种渐近的变化 最后 一个生态系统可能被另一个生态系统全部代替 生态系统中的这种变化过程就叫做演替 1 原生演替 如果这个地域先前没有生物占领 那么 一个生态系统被另一个生态系统所代替的过程就称为原生演替 裸露的岩石表面被生物逐步侵入 最后变成了森林生态系统就是一个典型的范例 原生演替 2 次生演替 开始于次生裸地或原生芜原 不存在植被 但在土壤或基质中保留有植物繁殖体的裸露地段 上的演替 比如 当一个地区被开垦 后又被废弃时 这个地区在开垦前的优势生态系统 将经过一系列明显的阶段而得到恢复 由于这是重建原来就已经有的生态系统 所以把这个过程叫做次生演替 次生演替 原生态 山区高速公路生态恢复研究 生态破坏 生态恢复 3 顶极生态系统 这是演替到最后阶段的一种生态系统 全部已有的物种继续彼此按比例繁殖 并不再发生变化的平衡状态称为顶极 这个系统也就叫做顶极生态系统 顶极生态系统的类型依这个地区占优势的非生物因素的不同而异 在炎热的干旱地区 顶极是热带荒漠生态系统 在炎热的潮湿地区 顶极是热带雨林 热带雨林 砖红壤 1 自然因素主要是指自然界发生的异常变化或自然界本来就存在的对人类和生物的有害因素 如火山爆发 山崩海啸 水旱灾害 地震 台风 流行病等自然灾害 都会使生态平衡遭到破坏 二 影响生态系统演替变化的因素 火山爆发 海啸 地震 台风 2 人为因素主要指人类对自然资源的不合理利用 盲目发展生产带来的环境污染等问题 环境专栏 人类对生态系统的影响达到极限 1 过去一个世纪来 地球上有一半的湿地消失 2 毁林造田使得地球森林覆盖率下降了20 50 3 地球上有9 的树种濒临灭绝 4 地球上70 的海洋鱼类面临滥捕滥捞的威胁 有些已处于生存极限状态 5 近半个世纪来 全球有2 3的农业用地发生水土流失现象 6 由于拦河造坝或修建其它水利设施