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环境生态学 2011 2012 2硕士生授课老师 张银龙 主要参考书 1 金岚主编 环境生态学 高等教育出版社 1992 2 盛连喜主编 环境生态学导论 高等教育出版社 2002 3 张银龙主编 环境生态学 辽宁大学出版社 2003 4 张合平刘云国主编 环境生态学 中国林业出版社 2002 5 程胜高主编 环境生态学 化学工业出版社 200 6 柳劲松王丽华等编 环境生态学基础 化学工业出版社 200 7 孙铁珩周启星李培军主编 污染生态学 科学出版社 2002 8 王焕校主编 污染生态学 高等教育出版社 2000 9 段昌群主编 环境生物学 科学出版社 2004 10 孔繁翔主编 环境生物学 高等教育出版社 2001 11 孙书存 包维楷主编 恢复生态学 化学工业出版社 2005 12 鞠美庭主编 生态恢复的原理与实践 化学工业出版社 200 13 任海 彭少麟编著 恢复生态学导论 科学出版社 2001 14 金相灿主编 湖泊富营养化控制和管理技术 化学工业出版社 2001 15 周锦华张怀新主编 矿区生态环境防治技术 煤炭工业出版社 1998 16 孙儒泳编著 基础生态学 高等教育出版社 2002 17 戈峰主编 现代生态学 科学出版社 2002 18 黄铭洪等著 环境污染与生态恢复 科学出版社 2003 19 陈吉泉李博等主编 生态学家面临的挑战 问题与途径 高等教育出版社 2005 一 传统生态学 现代生态学二 环境生态学构架三 讨论主题布置 环境生态学概论 一 传统生态学 现代生态学 生态学本是生物学科的一个分支学科 研究以动植物的个体 种群 群落 生态系统为中心的宏观生物学 可称为经典或传统生态学 在20世纪60年代人类面临一系列挑战性环境问题以后 生态学逐渐成为一门为世人瞩目的 多学科交叉的综合性学科 称为现代生态学 一 生态学概念的发展 20世纪60年代末70年代初 由于人口资源 环境等问题变得越来越严峻 迫使生态学家们重新审视自己研究的学科 为本学科在解决这些与人类命运前途悠关的重大问题中定位 许多学者提出了新的生态学定义 1971年美国生态学家Odum提出生态学是研究自然界结构和功能的科学 人类也是自然界的一部分 1997年又进一步指出起源于生物学的生态学越来越成为一门研究生物 环境及人类社会相互关系的独立于生物学之外的基础学科 我国学者马世骏 1980 也提出 生态学是一门研究生命系统与环境系统之间相互作用规律及其机理 二 经典生态学的特定研究对象 生态学的研究对象十分广泛 从分子水平直到整个生物圈 但经典生态学主要从个体 种群 群落和生态系统4个水平上研究生物与环境 生物与生物之间相互关系 也就是传统生态学的特定研究对象 经典生态学的最低研究层次是有机体 个体 把研究对象从自然种群或群落中分离出来 主要通过实验办法 研究生物与各种生态因子相互作用的基本关系 包括环境对生物的影响 生态作用 生物对环境的适应 生态适应 以及生物对环境的反作用 生态反作用 按其研究的内容和方法看 目前的个体生态学应该属于生理生态学范围 是生态学与生理学的交叉学科 种群是栖息在同一地域中同种个体组成的复合体 种群是由个体组成的群体 并在群体水平上出现了一系列群体的特征 这是个体层次上所没有的 在种群层次上 种间相互作用 种群数量动态及其调控机制是种群生态学研究的核心内容 动物生态学的研究主流是种群生态学 热点与发展 他感作用 生物入侵 Metapopution等 群落是栖息在同一地域中的动物 植物和微生物组成的复合体 同样 当群落由种群组成为新的层次结构时 产生了一系列新的群体特征 例如群落的结构 演替 多样性 稳定性等 群落生态学的核心研究内容是群落特别是植物群落的结构 功能 演替 分布 分类5大部分 群落生态学主要在植物群落学中发展 生态系统是一定空间中生物群落和非生物环境的复合体 主要研究不同生态系统的组成 结构 生物生产力 物质循环 能量流动以及维持生态系统平衡的机理 三 现代生态学的特点 现代生态学开始于20世纪60年代 一是生态学自身的学科积累已经到了一定程度 形成了自身特有的理论体系和方法论 二是高精度的分析测试技术 计算机技术以及高分辨率的遥感和地理信息系统技术的发展 为现代生态学提供了物质基础和技术条件 三是由于社会需求 人类迫切希望解决人类社会发展所带来的一系列人口 资源 环境等问题 这些问题的解决涉及到自然生态系统的自我调节 社会的可持续发展及人类生存的重大问题 探索解决这些问题的途径极大地推动了现代生态学的发展 现代生态学突破了原来经典生态学的自然科学界限 在研究层次 时空尺度 研究内容和技术方法上均有较大的转变 出现了一些具有时代特色的研究趋势和热点问题 1 研究层次和尺度上向宏观和微观两极发展 现代生态学十分重视生态学研究的尺度 或层次 广义地说 尺度是指某一现象或过程在空间和时间上所涉及到的范围和发生的频率 生态学中一般认为有三类尺度 即空间尺度 时间尺度和组织尺度 上面介绍的个体 种群 群落 生态系统等就是组织尺度 以空间尺度为例 像大气中二氧化碳含量的上升对气候变化的影响研究 就需要在全球尺度上进行 但不否认各个地区范围的较小尺度的类似研究 因为其结果也有助于解释全球的气候变化 就时间尺度而言 植物群落的生态演替 有的以百年计 有的以十年计 而原生动物演替在人工培养皿中要以天数计 生态学研究的尺度转换问题 现代生态学的研究已超出个体 种群 群落和生态系统这些组织层次的范围 向宏观和微观两个方向发展 在宏观上扩展到景观和生物圈尺度 在微观上扩展到分子层次 国际生物学计划 IBP 人与生物圈计划 MAB 国际地圈 生物圈计划 IGBP 等一系列国际性生物与环境相互作用的重大研究计划的相继出台 把现代生态学研究推向了更宏观的尺度 这些研究都以生态系统为基础 研究区域或全球生态系统的结构 功能以及人类活动对其的响应 特别最近20年 生态学家参与全球变化和可持续发展等方面的研究 逐步形成景观生态学和全球生态学理论 分子生态学的兴起是20世纪末现代生态学向微观尺度发展的重要特征之一 1992年 分子生态学 MolecularEcology 杂志创刊 标志着该分支学科的建立 以后的研究工作迅速增加 其研究领域涉及进化生态学 种群生态学 遗传生态学 行为生态学 生理生态学等相关内容 2 研究手段和方法的更新 科学的发展与研究方法和技术密切相关 在传统生态学中 主要以野外的调查 观测 描述等手段作为生态学研究主要方法 所用的仪器简单 在现代生态学研究中已广泛使用野外自计电子仪器 同位素示踪技术 稳定同位素技术 3S技术 分子生物学技术 生态建模技术等 这些技术有力地支持了现代生态学的发展 由于生态系统各组分相互关系的复杂性以及人类影响下其作用过程的长期性 生态学研究需要较大的空间和时间尺度 这就需要在大范围内分别建立长期定位研究站 美国首先建立了长期生态研究网络 LTER 从20世纪80年代开始 中国科学院也开始起动了 中国生态系统研究网络 的项目 在全国选择了包括森林 农田 草原 湖泊 海洋生态系统等29个野外定位研究站 对这些生态系统的结构 功能 动态及其环境因子进行长期观察 长期定位研究有利于研究方法的统一化 规范化 实现数据共享 有利于使用一些先进的仪器设备 有利于组织多学科的力量在同一研究目标下开展协作研究 共同攻克关键性的生态学科问题 分子生态学可以说生态学在微观领域研究方法革新的产物 随着AFLP RAPD 小卫星 微卫星标记技术的逐步完善 极大地推动着生态学向微观水平探索的进程 分子生态学研究方法将继续向所有与生态 种群 进化有关的科学领域全面渗透 并不断取得开拓性成果 这已成为生态学科发展的时代大趋势 3 研究对象和目的转变 研究对象上由传统生态学的以自然生态系统为主逐渐向自然 社会 经济复合生态系统转变 环境生态学 城市生态学 农业生态学以及生态规划 生态恢复等分支学科的发展是其转变的标志 从研究目的上看 现代生态学从纯理论的 学究式的探索走向理论与实践相结合 直接为社会服务 因而生态技术含量加大 可操作性和实用性加强 从学科上看 体现为应用生态学蓬勃发展 其研究方向之多 涉及领域和部门之广 与其他自然科学和社会科学结合点之多 难以给予划分范围和界限 近20年来 应用生态学主要朝两个方面发展 一是传统的农 林 牧 渔等各业的应用生态学由个体和种群水平向群落和生态系统水平发展 如对所经营管理的生物注重其种间结构配置 物流 能流的合理流通与转化 并研究其人工群落和人工生态系统的设计 重建和生态管理等 二是由于全球环境变化和人类对自然界控制管理的宏观发展 应用生态学研究的焦点已集中在全球可持续发展的战略上 可持续发展的总目标触发了一些新的应用生态学分支的诞生和发展 如环境生态学 污染生态学 生态工程学 恢复生态学 生态系统管理 人类生态学 经济生态学等 这些学科互有交叉和重叠 在全球变化的压力下 如何运用生态学的原理和方法 有效地恢复和管理自然 社会 经济复合生态系统 谋求人类与周围环境的协调关系 以实现人类社会的可持续发展目标是新世纪的热点问题之一 也是现代生态学研究的主题和热点 这些研究领域可归结为以全球变化为起点和主题 以生态系统恢复和重建为内容和手段 最终达到可持续发展目标的一个相互联系的 现代生态学研究链 图1 二 环境生态学框架 一 环境生态学的概念 二 环境生态学涉及的学科或分支学科 三 环境生态学的主要研究内容 四 受损环境与胁迫环境 一 环境生态学的概念环境生态学是一门新兴的学科 属于应用生态学范畴 环境生态学是应用生态学的理论和方法研究环境问题的科学 环境生态学可定义为研究在人类干扰条件下 生态系统内在的变化机理 规律以及对人类的响应 寻求受损生态系统的恢复 重建及保护的学科 与人类生存密切相关的许多环境问题都成为生态学学科发展中的热点问题 这极大地促进了环境生态学的发展 今后环境生态学将沿着宏观和微观两个方向继续发展 宏观方面 进一步查明人类干扰对生物种群及各类生态系统结构和功能的影响 采用受控生态系统的实验和数学模型等研究方法 预测和预报污染及人类活动对生态系统稳定性 群落结构 物质循环和能量流动的影响 为制定最优化环境规划和开展受损生态系统的恢复提供依据 微观方面 深入研究污染物对生物生理 生化 形态以至细胞 分子的效应机理 二 环境生态学涉及的学科或分支学科 环境生态学作为环境科学与生态学的重要新兴交叉科学 由许多学科组成 根据研究的内容 环境生态学可进一步细分为污染生态学 环境生物学 保护 生物学 生态学 恢复生态学等多个分支学科 污染生态学 PollutionEcology 侧重于研究污染条件下生物的生态效应 核心是分析污染物在生态系统中的行为及其对生物的影响 目的是利用生物控制污染和改善环境质量 并对环境质量进行综合评价和预测 提出生态区划与管理对策 环境生物学 Environmentalbiology 被定义为研究生物与受干扰的环境之间相互关系的科学 与环境生物学相比 环境生态学研究范围更广 更加注重从整体上去研究生态系统结构和功能变化机理和规律 而环境生物学则深入到具体组分 例如 通过其因重组构建的基因工程菌 在降解污染物中的机理及其降解动力学研究 环境生物学中环境生物技术是目前主要的研究内容之一 而这在生态学或环境生态学中一般不会涉及 环境生物学在研究生物监测和生物评价的理论和方法上 以污染物在环境中的迁移 转化和积累的生物学规律以及对生物的影响和危害为基础 选择生物指标 而环境生态学的生态监测和生态评价中 注重选择生态系统结构和功能指标 环境生态学与环境生物学都以生态学作为理论基础 在研究领域上有某些重叠 有时难以划清界限 特别是在自然保护和恢复生态学方面 两者有许多共同之处 保护生物学 ConservationBiology 侧重于研究和评估人类活动对生物多样性的影响 提出防止物种灭绝 生物多样性丧失的具体措施 由于人类干扰和破坏是生物多样性丧失的重要原因 从而深入认识人类影响生物多样性的机理和过程是该学科的核心 它涉及很多基础生物学的内容 生态毒理学 Ecotoxicology 是生态学与毒理学相互渗透的边缘学科 主要研究化学物质对生态系统中的生物及环境的综合影响 尤其是种群和群落的影响 探讨毒物 环境 生物之间的相互关系 进而防止污染物对生态系统中生物的毒性和影响 保护人类的生活环境 该学科在宏观上更接近污染生态学 或者说在国际上 针对环境污染对生物 生态系统过程影响更多的称为生态毒理学 在国内习惯上称为污染生态学 恢复生态学 RestorationEcology 主要侧重研究退化环境的重建和修复的机理和技术途径的一门综合性 应用性的学科 从20世纪80年代以来 成为生态学领域中的一个重要热点问题 生态工程学 EcologicalEngineering 利用生态学的原理 采用工程设计 工程组织 工程运作的方式对受损环境进行修复和重建 全球 变化 生态学 GlobalChangeEcology 主要研究全球变化的条件下生物圈的反应 主要揭示具有全球效应的环境污染物以及在全球范围内出现变化的环境成分对生物的各种影响 同时将各区域生物对全球变化的响应也作出重要的研究内容纳入本领域范畴 三 环境生态学的主要研究内容 维护生物圈的正常功能 改善人类生态环境 并使两者得到协调发展 这是环境生态学的根本目的 运用生态学理论 保护和合理利用自然资源 治理被污染和破坏的生态环境 恢复和重建生态系统 以满足人类生存发展需要 是环境生态学的主要任务 在环境科学的庞大体系中 环境生态学属于自然科学的范畴 除涉及到经典生态学的基本理论外 其主要内容包括以下几个方面 1 人为干扰下生态系统结构和功能变化规律 研究自然生态系统在受到人类干扰后 结构和功能方面所产生的一系列的内在变化规律 出现的生态效应以及对生物和人类的影响 研究各类生态系统受损后的危害效应及方式 生态系统的退化机理 2 生态系统受损程度的判断 生态监测和生态评价 对生态系统受损程度进行科学地判断 不仅是研究生态系统变化机理和规律的一个基本手段 而且为治理 保护提供必要的依据 生态环境质量评价和预测不仅采用物理 化学的方法 还包括生态学的方法 而生态学判断所需大量信息就是来自生态监测 生态系统服务功能及其评价 3 生态系统保护的理论与方法 研究各类生态系统的保护对策和生态规划方法 在自然保护生态学中 主要研究珍稀濒危物种及其栖息地保护 生态系统及其生物多样性的保护和自然保护区的建立 以科学管理和合理保护自然资源 4 解决环境问题的生态学途径 根据环境问题的特点采取适当的生态学对策 并辅之以其他方法来改善和恢复退化的环境 是环境生态学的研究内容之一 事实证明 采用生态学方法来治理环境污染和解决生态破坏问题 是一条非常有效的途径 前景令人鼓舞 5 污染物在生态系统中的行为及其生物效应 主要研究污染物进入环境后 生物对污染物的吸收 污染物在生物体内的积累 随着食物链的延伸污染物的富集和放大效应 与此同时 研究污染物对生物的生理生化过程 新陈代谢 后代的遗传等方面的伤害作用 同时分析各类污染对人群健康的影响 6 生物在受损环境中的响应 主要研究生物对受损环境的抗性和适应机理 如生物对污染物的拒绝吸收 结合和钝化 分解与转化 隔离作用以及污染条件下生物代谢方式的变化 非污染引起的受损环境 生物也有适应的问题 7 生物修复和生态重建 针对退化的自然环境 主要围绕水土流失防治 退化土地恢复 沙尘暴的防治 湖泊的生态恢复等重大生态问题 探讨生物修复的原理和方法 针对污染环境 主要研究如何利用生物改良污染环境 固定污染物减少毒害以及利用生物提取污染物的机理 探索污染环境生态重建的方法 环境生态学的主要任务是运用生态学理论 保护和合理利用自然资源 治理被污染和破坏的生态环境 恢复和重建生态系统 以满足人类生存发展需要 被污染和破坏的生态环境可称为受损环境 四 受损环境与胁迫环境 被污染和破坏的生态环境可称为受损环境 受损环境 damagedenvironments 就是指在人为或自然干扰下形成的偏离了自然状态的环境 在该环境中 环境要素成分不完整或比例失调 物质循环难以进行 能量流动不畅 系统功能显著降低 生物在自然条件下各种生态因子也会发生变化 而且这种变化有时也会超越生物生存的正常环境 形成生物生存的胁迫环境 stressenvironment 胁迫环境与受损环境的不同主要表现在两个方面 1 成因不同 前者是自然条件下生态因子数量上偏离正常状态时的 自然环境 后者是人为直接或间接影响和干扰下生态因子在数量和质量上发生重大变化的 人工环境 2 环境变化的特点不同 即受损环境与胁迫环境相比在环境因子变化的程度 范围 速度 频度等方面要大得多 受损环境主要是人为因素引起的 也可能是人为和自然两种因素的复合作用 但在环境生态学中主要研究人为引起的受损环境及其生态学效应 因此 可以把受损环境理解成人为的胁迫环境 与受损环境相类似的还有退化环境 degradedenvironments 退化生态系统 degradedecosystem 受损生态系统 damagedecosystem 等说法 它们在内涵上比较类似 只是在形式强调的侧面有所不同而已 受损环境根据其成因归纳起来 主要有两种类型 一类是污染环境 一类是生态破坏