B ____-____环境学第二章生态学基础.ppt

1 2 1生态系统2 2生态因子及其生态作用2 3生态系统的功能2 4生态平衡2 5生态学在环境保护中的应用 第二章生态学基础 2 一 生态系统概述二 生态系统的组成三 生态系统的结构四 生态系统的类型五 生态系统的特征 2 1生态系统 3 一 生态系统的概述 种群 Population 一个生物物种在一定范围内所有个体的总和 群落 Community 在一定的自然区域中许多不同种的生物的总和 生态系统 Ecosystem 任何一个生物群落与其周围非生物环境的综合体 4 一 生态系统的概述 生态系统 ecosystem 的定义 指在一定的空间内 生物成分和非生物成分通过物质循环和能量流动互相作用 互相依存而构成的一个生态学功能单位 生物的存在与环境发生着密切的关系 不断进行能量转换 物质循环和信息传递 是一个有机整体范围可大可小 5 目前有关生态系统的研究主要集中在5个方面 自然生态系统的保护和利用生态系统调控机制的研究生态系统退化的机制 恢复及其修复研究全球性生态问题生态系统可持续发展的研究 一 生态系统的概述 6 二 生态系统的组成 7 三 生态系统的结构 空间结构 生物种类 种群数量 种的空间配置 水平分布 垂直分布 种的时间变化等 植物的种类 数量及其空间位置是是整个生态系统形态结构的主要标志 即食物链 网 及其相互关系 生物群落的空间格局状况 垂直结构和水平结构 生态系统结构是指构成生态系统的要素及其时空分布和物质 能量循环转移的路径 形态结构 营养结构 8 9 三 生态系统的结构 10 11 在食物链中 物质流动有一个突出的特性就是生物具有对污染物进行浓缩 放大的作用 生物浓缩是指生物体内污染物的浓度远大于环境中污染物浓度的现象 生物放大是指在同一条食物链上 高位营养生物体内污染物的浓度大于低位营养生物的现象 12 四 生态系统的类型 按生态系统空间环境性质 按人类对生态系统的影响程度 淡水生态系统海洋生态系统陆地生态系统 自然生态系统人工生态系统半自然生态系统 13 五 生态系统的特征 生态系统是开放的 自持系统 生态系统是动态功能系统 生态系统具有自动调节能力 生态系统具有一定的区域特征 14 2 1生态系统2 2生态因子及其生态作用2 3生态系统的功能2 4生态平衡2 5生态学在环境保护中的应用 第二章生态学基础 15 组成环境的具体因素成为环境因子 或叫生态因子 包括自然环境要素和社会环境要素 自然环境要素主要包括生物 大气 水和岩石与土壤要素 社会环境要素主要指人为的各种干扰活动 如耕作 施肥 灌溉 喷药等 2 2生态因子及其生态作用 16 一 主要生态因子的生态作用1 温度温度直接影响有机体的体温 体温的高低又决定了动物新陈代谢过程的强度和特点 有机体的生长和发育速度 数量和分布等 温度影响气流 降水 从而间接的影响动植物的生存条件 人类对温度因子的影响 热污染 全球变暖 2 2生态因子及其生态作用 17 2 光和辐射 生物生活所必需的全部能量都直接或间接地来源于太阳光 植物利用太阳光进行光合作用 制造有机物 光是生物的昼夜周期性和季节周期性的外界 触发器 如生命活动的昼夜节律 季节性节律 繁殖 换毛 迁徙 人类对光因子的影响 光污染 2 2生态因子及其生态作用 18 一 主要生态因子的生态作用3 水水是一切生命活动和生化过程的基本物质 光合作用 植物营养运输和动物消化的介质 水是决定植被群落和生产力的关键因素之一 水循环 大气环流或地区性环流 盛行风 形成支持生物的气候 调节全球水分 能量平衡 重要的成土因素 在岩石风化中起重要作用 通过地表径流输送地表物质 2 2生态因子及其生态作用 19 一 主要生态因子的生态作用4 空气CO2 O2 污染物5 土壤陆地植物生长基地 为植物提供营养物质和水分生物栖息和活动的场所生态系统中的许多基本功能实现需在土壤中进行 如固氮 分解 反硝化土壤中的微生物和小型动物 能对外来的各种物质进行分解 转化 是一个自然净化系统 2 2生态因子及其生态作用 20 二 生态因子作用的一般特征1 综合作用各种境因子彼此联系 相互促进 相互制约的 2 主导因子作用在诸多环境因子中 常有一个生态因子对生物起着主导作用 称主导因子 例如水是森林 草原 荒漠结构的主导因子 水分充足 森林繁茂 温度高则形成热带雨林 充足的水分和阳光形成常绿阔叶林 年降水为25 75cm时候 草类旺盛生长 年降水不足25cm的地区 只有稀疏的植被 地面裸露 仙人掌 沙棘 2 2生态因子及其生态作用 21 二 生态因子作用的一般特征4 阶段性由于生物生长发育不同阶段对环境因子的需求不同 因此因子对生物的作用也具有阶段性5 不可代替性和补偿性所以从总体上说生态因子是不能代替的 但局部是可以补偿的 如食物链上某一级生物物种的减少可被其他物种增加补偿 2 2生态因子及其生态作用 22 三 生态因子的作用方式应用 1 拮抗作用指各因子联合作用时 一种因子能抑制影响另一种因子的作用 如青霉菌产生的青霉素能抑制革兰氏阳性菌和部分革兰氏阴性菌的生长 硒拮抗镉 汞重金属毒性 2 2生态因子及其生态作用 23 三 生态因子的作用方式应用 3 净化作用通过物理 化学和生物的过程消除水 气和土壤中有害物质 如普通工人中 吸烟者比不吸烟者肺癌发病率高约10倍 而石棉工人中肺癌的发病率比普通工人高8倍 而吸烟的石棉工人中 肺癌的发病率比普通工人高数十倍以上 吸烟和职业环境对具有协同作用 2 协同两种或多种化合物共同作用时 总毒性等于或超过化合物单独作用时的毒性总和叫协同作用 2 2生态因子及其生态作用 24 第二章生态学基础 2 1生态系统2 2生态因子及其生态作用2 3生态系统的功能2 4生态平衡2 5生态学在环境保护中的应用 25 2 3生态系统的功能 26 能量流动是一切生命活动的基础 也是生态系统的动力 在生态系统中 生物与环境 生物与生物之间的密切联系 可通过能量的转化 传递来实现 二 生态系统的能量流动 能量流动 生态系统中能量的输入 传递 转化和散失的过程 27 1 能量流动的起点 从生产者固定太阳能开始 2 能量流动的途径 食物链和食物网 通过绿色植物的光合作用和硝化细菌等细菌的化能合成作用来完成 3 流经生态系统的总能量 全部生产者固定的太阳能的总量 4 每个营养级的能量去向 呼吸作用 下一营养级同化 分解者分解 5 能量流动的终点 以呼吸作用产生的热能的形式散失 28 生态系统中能量流动的一般过程 生产者 植物 呼吸 呼吸 呼吸 呼吸 初级消费者 次级消费者 三级消费者 肉食动物 分解者 细菌 真菌等 呼吸 草食动物 肉食动物 太阳 29 1 第二营养级获得第一营养级 生产者 所同化能量的百分比是多少 第三营养级获得第二营养级百分比呢 2 上图中 未利用的能量 是指哪些能量呢 3 能量在相邻的营养级之间的传递效率在多大范围内 30 10 20 a 下一个营养级不能利用的能量 如 草根b 下一个营养级能利用而未利用的能量 如 羊不能吃完所有的草 1 第二营养级获得第一营养级 生产者 所同化能量的百分比是多少 第三营养级获得第二营养级百分比呢 2 能量在相邻的营养级之间的传递效率在多大范围内 3 上图中 未利用的能量 是指哪些能量呢 能量流动的特点 31 1生态系统能量来源于太阳能 但利用率仅1 2 2能量单向流动 沿食物链由低级向高级流动3流动中能量逐级减少 每经过一级都有能量以热的形式散失掉4各级消费者之间的能量的利用率不高 10 20 5只有当生态系统生产的能量与消耗的能量相平衡时 生态系统的结构和功能才能保持动态平衡 能量流动的特点 32 在一个池塘中 要有1000公斤的浮游植物才能维持100公斤浮游动物的生活 而100公斤的浮游动物才能供10公斤鱼生存 这10公斤鱼只能使18岁的青年人增加1公斤体重 33 C 根据生态学原理 要使能量流经食物链总消耗最少 人们应采用哪种食物结构 A 以禽类 蛋类为主B 以淡水养殖的鱼 虾为主C 以谷物和植物蛋白为主D 以猪肉等家畜肉类为主 34 根据下图所表示的食物网 结合能量流动的特点进行计算 牧草 鼠 蛇 猫头鹰 如果牧草固定了1000焦耳的能量 则猫头鹰最少能获得 焦耳能量 最多能获得 焦耳能量 1 40 35 用能量流动的原理 解释谚语 一山不容二虎 隐含的道理 参考 根据生态系统中能量流动逐级递减的特点和规律 营养级越高 可利用的能量就越少 老虎在生态系统中几乎是最高营养级 通过食物链 网 流经老虎的能量已减到很小的程度 因此 老虎的数量将是很少的 故 一山不能容二虎 有一定的生态学道理 思考 36 假设你像鲁滨逊那样流落在不毛的荒岛上 只有15Kg玉米和一只母鸡可以食用 那么使自己活的最长的办法是 1 先吃鸡 然后吃玉米2 先吃玉米 同时用部分玉米喂鸡 吃鸡生产的蛋 最后再吃鸡 思考 37 在栽培谷物的过程中 人们首要的目的是获取高产量的子粒 而不是大量的秸秆 因此 人们在进行农田管理时 既要使农田的叶面指数保持在适宜的数值上 又要使谷秆比 谷粒重秸秆重 适当增高 这样就可以避免由于呼吸作用的增强而造成过多的消耗 也可以避免过多地增加秸秆的重量 从而使农田生态系统中的能量尽可能多地流向对人类最有益的部分 增加谷粒的产量 锄去田中杂草 修去树木侧枝 目的是什么 思考 38 研究能量流动的实践意义 1 帮助人们科学规划 设计人工生态系统 使能量得到最有效的利用 如 生态农业 四位一体 生态农业 养猪不垫圈 照明不用电 做饭不需柴和炭 种菜不花化肥钱 绿色产品无污染 39 研究能量流动的实践意义 2 帮助人们合理地调整生态系统中的能量流动关系 使能量持续高效地流向对人类最有益的部分 如 草场放牧 40 小结 小结 太阳能 第一营养级 第二 41 物质循环 组成生物体的C H O N P S等基本元素在生态系统的生物群落与无机环境之间反复循环运动 三 生态系统的物质循环 能量元素 C H N O 是构成蛋白质的四种主要元素 约占97 以上大量营养元素 Ca P Mg S K Na等微量营养元素 Al I Br F Cu Zn Mn Fe Se等 42 水循环aquaticcycle 水循环的动力是太阳辐射水循环主要是在大气降水与地表水的蒸发之间进行 43 水循环 小 降雨 截留 穿透雨 蒸腾 渗透 地表蒸发 地表径流 地下径流 44 碳是地球上储量最丰富的元素之一 广泛存在于生物有机体和无机环境中是构生命体的基本元素 是有机物的基本成分 碳元素约占生物体干重的49 是有机化合物的 骨架 所有生物体的碳来源于CO2在无机环境中 碳主要以CO2和碳酸盐的形式存在 碳循环carboncycle 45 46 47 海洋和大气CO2调节 CO2 CO2溶于海水 H2CO3 水体中生物 H CO32 CaCO3 海底沉积物 48 绿色植物的光合作用碳进入生物群落碳出入生物把CO2合成有机物群落的途径动植物的呼吸作用碳出生物群落微生物的分解作用燃烧 49 碳循环小结 1 碳在自然界中的存在形式 2 碳在生物体内的存在形式 3 碳进入生物体的途径 4 碳在生物体之间传递途径 5 碳进入大气的途径 CO2和碳酸盐 含碳有机物 绿色植物的光合作用 食物链 生物的呼吸作用 分解者有分解作用 化石燃料的燃烧 50 人类活动对碳循环的影响 大量化石燃料开采 燃烧森林植被面积在不断缩小人类对土地利用方式的改变使得土壤呼吸作用释放出的CO2也日益增多大气中的CO2已由工业革命前的280 g L升至目前的380 g L 51 氮循环的两个主要过程 硝化作用和反硝化作用 氮循环 52 氮氧化合物大量排放硝酸盐 工业 农业 生活等 大量输入环境农业活动中氮肥的损失 氨的挥发释放 反硝化作用释放N2O 硝酸盐的淋失当前每年进入生物圈的N为92 106t 经反硝化作用回归大气的N约83 106t 差值900万t 这900万t的氮分布在土壤 地下水 地表水中 是各地水体出现富营养化的重要原因之一 人类活动对氮循环的影响 53 磷循环phosphoruscycle 在生物的体内 磷是构成能量转移分子ATP ADP AMP以及具有遗传等功能分子RNA DNA的基本组分磷没有任何气体形式或蒸汽形式的化合物 是比较典型的沉积型循环物质P循环都是起自岩石的风化 终于水中的沉积磷的主要来源是磷酸盐矿 鸟粪和动物化石的天然磷酸盐矿床 54 磷循环phosphoruscycle 沉积型循环 沉积物中的磷 约为土壤和海洋中千倍以上 陆地 海洋 死有机物 土壤中的无机磷 活有机物 死有机物 深海的磷 活有机物 捕鱼 鸟粪 悬浮在水中随河水带走 摄取 排泄死亡 下 沉 分解 沉积 溶解于水 上升风化 开采 摄取 排泄死亡 上涌 55 56 磷肥施用到土壤中 由于土壤中含有许多钙 铁和铵离子 部分磷酸盐都变成了不溶性的盐而被固结在土壤 湖泊及海洋的沉积物中由于很多施于土壤中的磷酸盐最终被固结在深层沉积物中 并且浮游植物不足以维持P的循环 所以沉积到海洋深处的P比增加到陆地和淡水的要多大部分磷冲刷到海洋中去 只有小部分通过浅海的鱼类和鸟类又返回到陆地上 而大部分是一个单向流失过程 57 硫循环sulfurcycle 58 火山活动 化石燃烧 降水 挥发 挥发 沉积物 农田风化和淋溶作用 农药喷洒 径流 CH3 2Hg Hg2 CH3Hg 鱼 水生植物 水鸟 工厂汞的废物 捕鱼 由河水带走 中性pH 酸性pH 有毒物质的循环 迁移和转化 汞循环mercurycycle 59 物质循环的主要特点 物质循环是全球性的 生物群落和无机环境之间的物质可以反复出现反复利用 周而复始进行循环 不会消失 60 能量流动和物质循环的相互关系 能量流动 物质循环 形式特点范围联系 主要以有机物形式单向流动逐级递减生态系统的各营养级 组成生物体的基本元素在生物群落与无机环境间反复循环反复循环维持生态平衡全球生物圈 能量流动和物质循环二者相互伴随 相辅相承 是不可分割的统一整体 61 1 营养信息2 物理信息声 青蛙 鸟 野兽 光 萤火虫 色 花 电信息 鱼群 磁信息 鸟 3 化学信息蚂蚁蚜虫 植物种群内自毒现象 尿标志 鼬4 行为信息鸟类飞行姿势 蜜蜂的舞蹈 四 生态系统的信息传递 62 第二章生态学基础 2 1生态系统2 2生态因子及其生态作用2 3生态系统的功能2 4生态平衡2 5生态学在环境保护中的应用 63 生态系统的各组成成分在较长时间内保持相对的协调 物质和能量的输入输出接近相等 结构和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 这种状态称为生态平衡 生系统的组成成分越多样 能量流动和物质循环的途径越复杂 其调节能力就越强 但调节能力是有一定限度的 2 3生态平衡 64 保持生态平衡的因素 1 结构多样性一般来说 生态系统的组成与结构越复杂 自动调节能力就越强 反之越弱 青草 野兔 狼构成的草原生态系统青草 野兔 山羊和鹿 狼构成的草原生态系统 森林害虫大规模发生一般情况下不会使森林生态系统遭到毁灭性破坏 65 保持生态平衡的因素 2 生态功能的完整性如一个淡水生态系统 河流中排入了大量的酚 若系统中有对酚降解能力较强的微生物和水葱等 酚会很快降解 若没有此类生物 其它自净因素又很弱 该系统有可能失调 66 破坏生态平衡的因素 1 自然原因2 人为因素 1 物种改变引起平衡的破坏澳大利亚引进兔子 中国引进水葫芦 大米草 中国50年代曾大量捕杀麻雀 致使有些地区出现严重的虫害等 2 环境因素改变引起平衡的破坏空气污染 除草剂和杀虫剂 污水进入环境 3 信息系统的破坏引起平衡的破坏 67 生态失衡的标志 1 结构上的标志一级结构缺损 即生产者 消费者 分解者和非生物成分组成的生态系统的结构 如毁林开荒导致生产者消失 导致消费者栖息环境破坏 分解者食物减少等 二级结构变化 指生产者 消费者 分解者和非生物成分各自的组成结构 如草原生态系统因过度放牧引起牧草的变化 2 功能上的标志包括能量流动受阻和物质循环中断 如砍伐森林 把草原生态系统中枯枝落叶和粪便用作燃料 68 生态学的一般规律 1 相互依存与相互制约规律物物相关 相生相克2 物质循环与再生规律物质不停顿的循环 严格防止有毒物质进入生态系统 以免有毒物质经过多次循环后富集到危及人类的程度能量单向流动 通常沿食物链大部分转化为热量而损失 为了充分利用能量 必须设计出能量利用率高的系统 69 生态学的一般规律 3 物质输入与输出的动态平衡规律对一个稳定的生态系统 物质的输入和生产总是平衡的自然生态系统 植物通过其枯枝落叶在分解者作用下 使等质等量的营养成分回到土壤中 形成输入输出的平衡关系 土壤的肥力也得以保持人工农田生态系统中 作物收获后便被移离土地 结果某种营养成分长期被提取 形成输出大于输入输入大于输出 人工合成的难降解的农药和塑料或重金属元素大量输入土壤 NP过量输入水环境 70 生态学的一般规律 4 相互适应与补偿的协同进化规律生物和环境之间 存在着作用与反作用的过程植物从环境吸收水分和营养元素 这与环境的特点 如土壤性质 可溶性营养元素的量 水含量 有关 同时 生物体则以其排泄物和尸体把相当数量的水和营养元素归还给环境 从而获得协同进化的结果岩石表面 地衣 苔藓 草本植物 灌木和乔木生物从无到有 物种多样化 并从低级向高级发展 而环境则从岩石 向具有相当厚度的 适于高等植物和各种动物生存的环境演变 71 生态学的一般规律 5 环境资源的有效极限规律任何生态系统中作为生物赖以生存的各种环境资源 在质量 数量 空间和时间等方面 都有一定的限度 每一个生态系统对任何外来的干扰都有一定的忍耐极限 当干扰超过此极限 生态系统就会损伤破坏甚至瓦解 所以放牧强度不能超过草场的承载量 采伐森林 捕鱼狩猎 采集药材等不应超过能使各种资源永续利用的量 排污时不得超过自净容量 72 2 1生态系统2 2生态因子及其生态作用2 3生态系统的功能2 4生态平衡2 5生态学在环境保护中的应用 第二章生态学基础 73 生态学在环境保护中的应用 全面考察人类活动对环境的影响充分利用生态系统的调节能力解决近代城市中的环境问题综合利用资源和能源生态学在环境保护其它方面的应用 74 1全面考察人类活动对环境的影响 人为干扰与生态破坏古巴比伦文明 美索布达米亚平原的两河流域 幼发拉底河和底格里斯河 公元前4世纪末衰落古埃及文明 尼罗河流域 由于森林的消失 埃及600年文明 却换来了近3000年的荒凉 印度文明 塔尔平原 南亚大陆的印度河流域已成大沙漠 古黄河文明 中国农业和文明的摇篮 昔日清澈的大河已成名副其实的黄河 每年带走的泥沙达22亿吨 不合理开发的恶果 南水北调工程 75 2充分利用生态系统的调节能力 自净能力 生态系统的调节能力生态系统自净能力的应用实例方式 水体自净 土地处理系统 人工湿地土地处理系统 土地处理系统是以治理水污染为目的 以土地为处理构筑物 利用土壤 微生物 植物组成的生态系统对污染物进行一系列物理 化学 和生物学的净化过程 使污水得到净化 同时通过该系统中营养物质和水分的循环利用 促进绿色植物的生长繁殖 从而实现污水的无害化 资源化的生态系统工程 76 3解决近代城市中的环境问题 编制生态规划在编制国家或地区的发展规划时 不单纯考虑经济因素地 而是把