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第三章 生态学基础 3 1生态学及其发展3 2生态系统3 3生态平衡与生态系统3 4生态学的一般规律3 5生态学在环境保护中的应用3 6生态安全 3 1生态学及其发展 一 生态学的定义A 传统定义 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 侧重于植物 动物 B 现代生态学 研究生命系统与环境系统之间相互作用的规律及机理 二 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 三 生态学与环境学的异同a 相同 研究范围 生物圈研究问题 基本相同 b 不同点 一 生态系统的概念生物种群 Population 一个生物物种在一定的范围内所有个体的总和 生物群落 Community 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 3 2生态系统 生态系统 Ecosystem 生物群落与其周围非生物环境的综合体 也即生命系统和环境系统在特定空间的组合 降水 枯枝落叶 水 生产者 生产者 一级消费者 兔 二级消费者 狼 土壤分解者 可溶性化学物 二 生态系统的组成生产者 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 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 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 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 浮游植物 浮游动物 小鱼 大鱼 氧气 营养成分 微生物 太阳 能量 能量 能量 能量 消耗 能量 死亡 死亡 作用 光合 水生生物的生态系统及其物质和能量的流动示意图 三 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 2 生态系统的营养结构生态系统的营养结构 是通过营养这一纽带 把生物和非生物之间紧密结合起来 构成以生产者 消费者和分解者为中心的物质循环和能量流动 即在太阳能的作用下 环境的营养物质被生产者吸收 转化为有机物 供消费者使用 而后消费者被分解者分解为无机物返回环境 再供生产者使用 完成物质循环 它是生态系统中能量流动和物质循环的基础 3 食物链 网 和营养级生态系统中各种生物之间由于食物关系而形成的一种联系称为食物链 一个生态系统中许多食物链彼此相互交错形成的复杂的营养关系叫食物网 食物链上的每一个环节称为营养级 按照生物间的相互关系 一般可把食物链分为 1 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 2 碎食性食物链 是由一些食碎屑生物构成的 3 寄生性食物链 是由一些寄生性生物构成的 4 腐生性食物链 是由腐生性生物构成的 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 结论 1 消费者在不同的食物链中所处的营养级不同 2 植物在食物链中所处的营养级是固定的 1 生态系统中的能量流动1 媒介 通过食物链 网 完成2 1 10定律 能量在各能量级之间流动时 各级所吸收的能量为前一级传递的总能量的10 平均值 能量流动物质循环信息联系 四 生态系统的功能 生态系统的功能 3 能量流动特点 生产者 绿色植物 对太阳能的利用率低 只有1 2 为单向流动 流动中能量逐渐减少 每经过一级均有能量以热量形势散失 各级能量流动遵循1 10定律 即各级能量利用率低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保持动态平衡 2 生态系统的物质循环生态系统中物质循环在不断地进行着 碳 氢 氧 氮 磷 硫是构成有机体地主要元素 因而这些物质的循环是生态系统的基本物质循环 另外 还有几十种微量元素也是生命活动必不可少的 在生态系统中也构成了各自的循环 与环境污染密切相关的主要有水 碳和氮的循环 物质循环的类型1 气相型循环 贮存库主要是大气圈和水圈 氧 二氧化碳 水 氮 氯等都属于气相循环类型 该循环把大气和水密切地联结起来 具有明显的全球性循环特点 它们在生态系统中的分布较均衡 局部短缺现象相对较少 局部短缺发生后 也会依靠完善的循环功能而得到补充 2 沉积型循环 贮存库主要是岩石圈和土壤圈 磷 钙 钾 钠等都属于沉积型循环 沉积型循环主要是经过岩石的风化进用和沉积物的分解作用 将贮存库中的物质转变成生态系统的生物成分可以利用的营养物质 这种转变过程是相当缓慢的 可能在较长时间内不参与各库之间的循环 因此 它具有非全球的循环特点 是一个不完善的循环类型 局部短缺现象时有发生 一旦发生短缺也难以在短期内得到补充 水循环 地球上的水以液态 固态和气态三种状态存在 主要分布于海洋 冰川 地下水 内陆湖泊 大气五大水 库 中 海洋持水量 咸水 约占水量97 余下的3 是淡水 其中3 4以固体状态固着在两极冰盖和冰川中 只有余下不到1 的水 才是供人类用的液态淡水 地球上水循环示意图 人类对水循环的影响及水问题 碳循环 碳库 海洋和大气 生物体碳的存在形式 CO2 无机盐 有机碳主要循环过程生物的同化和异化过程大气和海洋间的CO2交换碳酸盐的沉淀作用 碳循环示意图 氮循环 氮库 大气 土壤 陆地植被氮的主要贮存库是大气 大气中氮的含量约占大气总体积的79 而地表及底土只含有0 03 的氮 生物可利用的氮的形式 NO3 NO2 NH4 氮循环的主要过程固氮作用氨化作用硝化作用反硝化作用 氮循环示意图 氮循环的环境问题 水体富营养化 硝酸盐污染 若蔬菜吸收过多的硝酸盐 而未能充分同化 造成体内积累 则影响蔬菜品质 硝酸盐是强致癌物质亚硝胺的前体物 蔬菜是一种易于富集硝酸盐的植物性食品 这种富集作用虽然无害于蔬菜本身 但严重危害人体健康 联合国卫生组织和联合国粮农组织 WHO FAO 1973 规定了硝酸盐的ADI值 日允许量 为3 6mg kg 体重 在我国 体重按60kg计 则日硝酸盐允许量应为216mg 现在我国城乡居民食用的有些蔬菜已大大超标 而温室蔬菜超标更严重 磷循环 磷循环属典型的沉积循环磷以不活跃的地壳作为主要贮存库磷的循环过程岩石经土壤风化释放的磷酸盐和农田中施用的磷肥 被植物吸收进入植物体内沿食物链传递 并以粪便 残体或直接以枯枝落叶 秸秆归还土壤含磷有机化合物经土壤微生物的分解 转变为可溶性的磷酸盐 可再次供给植物吸收利用 这是磷的生物小循环 一部分磷脱离生物小循环进入地质大循环 磷循环示意图 为什么用了多年的含磷洗涤用品会给环境造成破坏呢 含磷洗衣粉以磷酸盐作为主要助剂 磷酸盐是一种高效助洗剂 同时也是藻类的助长剂 水中的磷含量升高 水质趋向富营养化 据有关部问统计 目前我国洗涤用品仅洗衣粉一项的年消费量就在350万吨左右 若将洗衣粉中磷酸盐的平均含量接15 计算 每年就有超过50万吨含磷化合物排放到地表水中 而1克磷就可使藻类生长100克 环保科研部问调查资料显示 因含磷过多 我国湖泊及城市水系几乎都处于富营养化状态 水质严重恶化 许多地方根本不能饮用 更为严重的是 由干磷含量增加 导致红色浮游生物爆发性繁殖而引发的近海海水出现的 赤潮 和城市水系中出现水生植物 疯长 的 水华 现象 磷循环现状 人类大规模地开采磷酸盐矿 加速了陆地磷流入海洋的速度 虽然海洋中的磷酸盐可以以海鸟粪便排泄物和人类捕获鱼类的形式返回陆地 但这种返回的磷 远远不足以补偿流入海洋的损失 据估计 每年以海鸟粪和鱼这种方式返回陆地的磷大约只有60000t 而人类每年开采的磷酸盐矿石为100 200万t 且大部分被淋溶而流失 陆地上的磷矿是有限的 如果今后每年磷酸盐矿的消耗量按1970年的量计算 全世界的储量大约还可使用100年 因此 人类如果想要避免因磷循环的不完全而造成的 饥荒 的话 对这种稀少的资源应给予更多的注意 3 生态系统中的信息联系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 eg 北极狐和北极兔 据科学家观察 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 则北极狐怀双胎 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 这是生态系统中某些类似物理 化学等信息在起作用 一 生态平衡的概念生态系统发展到一定的阶段 它的生产者 消费者 分解者之间能够较长时间地保持着一种动态平衡 也就是说 它的能量流动和物质循环能较长时间地保持着一种动态平衡 这种平衡状态就叫做生态平衡 3 3生态平衡与生态系统 二 生态平衡特点 1 是暂时的 相对的动态平衡 由生态系统内部的自动调节能力所致 2 生态系统结构越复杂 组成越多 物质与能量的途径越多 调节能力越强 平衡易保持 反之 调节能力弱 平衡不易保持 3 生态系统的变化与发展 是在不平衡 平衡 不平衡中的物质与能量流动中进行的 三 生态系统的动态变化 一 生态系统的演替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 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 上的演替就称为次生演替 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 二 影响生态系统演替变化的因素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 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 人类对生态系统的影响 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 使全球60 的大型河流系统遭到破坏 水流速度减缓 河流源头与其入海口之间的落差增加了2倍 3 4生态学的一般规律 生态学的一般规律有 1 相互依存与相互制约规律2 物质循环与再生规律3 物质输入输出的动态平衡规律4 相互适应与补偿的协同进化规律5 环境资源的有效极限规律 1 相互依存与相互制约规律 反映了生物间的协调关系 生态系统中不仅同种生物相互依存 相互制约 异种生物间 不同群落或系统之间 也存在相互依存与制约的关系 也可以说彼此影响 生物间的相互依存与制约关系 具体是通过食物链与食物网实现的 即每一种生物在食物链网中 都占据一定的位置 并具有特定的作用 各生物种之间相互依赖 彼此制约 协同进化 被食者为捕食者提供生存条件 同时又为捕食者控制 反过来 捕食者又受制于被食者 彼此相生相克 使整个体系成为协调的整体 生物体间的这种相生相克作用 使生物保持数量上的相对稳定 这是生态平衡的一个重要方面 2 物质循环与再生规律 生态系统中 植物 动物 微生物体借助能量的不断流动 一方面不断地从自然界摄取物质并合成新物质 另一方面死有机体又随时被分解为原来的简单物质 重新被植物所吸收 进行着不停顿的物质循环 至于流经自然生态系统中的能量 通常只能通过系统一次 它沿食物链转移时 每经过一个营养级 就有大部分能量转化为热散失掉 无法加以回收利用 因此 为了充分利用能量 必须设计出能量利用率较高的生态系统 如对于城市垃圾的处理 从最初的填埋法到后来的焚化法 再进一步到堆肥制取沼气法 便体现了人类逐步掌握生态学的循环与再生规律 并应用于实践的过程 3 物质输入输出的动态平衡规律 物质输入输出的平衡规律 又称生态系统协调稳定规律 涉及系统中生物与环境两个方面 当一个自然生态系统不受人类活动干扰时 生物与环境之间的输入与输出 是相互对立的关系 生物体进行输入时 环境必然进行输出 反之亦然 生物体一方面从周围环境摄取物质 另一方面又向环境排放物质 以补偿环境的损失 也就是说 对于一个稳定生态系统 无论对生物 对环境 还是对整个生态系统 物质的输入与输出总是相平衡的 当输入不足时 会产生生态匮乏 例如一个城市物资供应不足 必然造成生产生活紧张 效率下降 反之 当城市物资供应足但输出不足 又会导致生态滞留 使环境恶化 生产生活同样受阻 4 相互适应与补偿的协同进化规律 生物与生物 以及生物与环境之间 存在着作用与反作用的过程 例如捕食者与猎物之间 经过长期的相互适应与协同进化 使捕食者通常具有锐利的爪 撕裂用的牙 毒腺或其他武器 以提高捕食效率 相反 猎物常具有保护色 警戒色 假死 拟态等适应特征 以逃避被捕食 在这一相互适应协同进化过程中 常常是使有害的 负作用 倾向于减弱 捕食者往往首先捕杀猎物中受伤的 病残的 年老体弱的 这实际上为猎物提高种群质量创造了条件 这就使得捕食者和被捕食者种群都得以生存和发展 5 环境资源的有效极限规律 任何生态系统中作为生物生存的各种环境资源 在质量 数量 空间和时间等方面 都有其一定的限度 不能无限制的供给 因而生物生产力通常都有一个大致的上限 也因此 每一个生态系统对任何外来干扰都有一定的忍耐极限 所以 采伐森林 捕鱼狩猎等不应超过能使资源永续利用的产量 保护某一物种时 必须使它要有足够的生存 繁殖空间 排污时 须使排污量不超过环境的自净能力等 3 5生态学在环境保护中的应用 1 全面考察人类活动对环境的影响三峡工程 南水北调2 充分利用生态系统的调节能力土地处理系统对污染环境的生物净化大气污染物的生物净化水体污染的生物净化 3 解决近代城市中的环境问题编制生态规划进行城市生态系统的研究4 综合利用资源和能源闭路循环工艺把两个以上的流程组合成一个闭路体系 使一个过程中产生的废料或副产品成为另一个过程的原料 从而使废物减少到生态系统的自净能力限度以内 5 在环境保护其他方面的应用阐明污物物在环境中的迁移转化规律通过污染物质在生态系统中迁移和转化规律的研究 弄清污染物质对环境危害的范围 途径和程度 或者后果 对环境质量的生物监测与生物评价生物监测 是指利用生物对环境中污染物质的反应 即利用生物在各种污染环境下所发出的各种信息 来判断环境污染状况的一种手段 案例介绍 以鹭鸟为指示生物监测湿地环境污染该项目是用群栖的鹭科水鸟 小白鹭作为指示生物 来评估中国和巴基斯坦境内湿地污染水平及其影响 内容 分别从受工业污染的湿地 农业污染的湿地以及相对未受污染的湿地上 采用非侵害方式采集雏鸟羽毛 鸟卵和捕食物样品进行化学分析 以确定污染物和污染程度 通过观测小白鹭的生态行为学变化 确立种群和生态系统受污染的程度 这一研究成果对指导控制污染的湿地保护政策的制定 强化污染控制力度等提供重要依据 生物评价 是指用生物学方法按一定标准对一定范围内的环境质量进行评定和预测 通常采用的方法有 指示生物法生物指数法种类多样性