环境生态学总复习(2012版).ppt

本课程的主要内容 第一章绪论第二章生物与环境第三章生物圈中的生命系统第四章生态系统生态学第五章生态系统服务第六章人类对自然生态系统的干扰与生态恢复第七章环境污染与生态环境影响评价第八章受损生态系统的修复第九章生态系统管理第十章生态环境保护与可持续发展 第一章绪论 环境生态学的研究内容 一 人为干扰下生态系统结构和功能变化规律 二 生态系统因人类活动而受损的生态学指标 三 生态系统保护的理论与方法 四 解决环境问题的生态学途径 1 生态学 ecology 的定义 目前通用的观点 生态学是研究生物在其生活过程中与环境关系的科学 20世纪著名的八大公害事件 第二章生物与环境 第一节地球上的生物 生物种的概念1 有区别于其他物种并能稳定遗传的的形态特征2 有一定的分布区3 与其他物种存在生殖隔离是自然界中一个基本进化单位和功能单位 生物的协同进化生物与生物之间的关系称为交互作用 这两对物种在长期的进化过程中 相互形成了一系列形态 生理和生态的适应性特征 二 生物多样性 包括四个层次 1 遗传多样性 基因多样性2 物种多样性 物种水平3 生态系统多样性 生境多样性 生物群落多样性 生态过程多样性4 景观多样性 不同类型的景观在空间结构功能机制和时间动态方面的多样化和变异性 影响生物多样性的因素 1 物种生物量2 物种的属性3 生物地化循环4 系统的稳定性5 物种库6 输入环境的总能量7 纬度 栖息地异质性和生产力 第二节环境及其类型 1 环境 Environment 的概念 环境 environment 环境是指某一特定生物体或生物群体以外的空间 以及直接 间接影响该生物体或生物群体生存的一切事物的总和 环境总是针对某一特定主体或中心而言的 是一个相对的概念 离开了这个主体或中心也就无所谓环境 因此环境只有相对的意义 2 2 1生态因子的概念 生态因子 EcologicalFactors 概念环境中对生物生长 发育 生殖 行为和分布有直接或间接影响的环境要素生态因子与环境因子环境因子指生物体外部全部环境要素 生态因子是环境因子中对生物起作用的因子 环境因子的外延大于生态因子 2 2 2生态因子作用的一般特征 综合作用主导因子作用直接和间接作用阶段性作用不可代替性和补偿作用 1 综合作用 每一个生态因子是在与其他因子的相互影响 相互制约中起作用的 任何一个因子的变化都会在不同程度上引起其他因子的变化 这就是生态因子的综合作用 生态因子间总是互相促进 相互制约 任何单一因子的变化必将引起其它因子的变化 导致生态因子的综合作用 如 光强 改变 温度 湿度等 影响 植物生长 2 主导因子作用 生态环境中各因子地位不同 一般情况下 其中有一个或几个因子对其它因子的变化起主导作用 该因子即为主导因子 主导因子的改变常会引起其他因子的发生明显的变化 或使生物的生长发育发生明显的变化 主导因子是随时间 空间变化而变化的 例如 光合作用时 主导因子是光 温度是次要因子春化作用时 主导因子是温度 湿度和通气条件是次要因子 3 直接作用与间接作用 植物的生长过程中 光照 温度和雨水能起直接作用 地形虽不重要 但能够影响光照 温度和降雨 故也起间接作用 4 阶段性作用 生物的生长具有阶段性 生态因子的作用也就有了阶段性 5 不可替代性和可补偿性 生态因子虽非等价 但一般都不可缺少 一个因子的缺少不能由另一个来完全替代 具不可替代性 尤其是主导因子 如果缺少 便会影响生物的正常发育 甚至造成其生病或死亡 但同时 在一定条件下 某一因子量的不足 可由其它因子的增加或增强而得到补偿 即为可补偿性 例如 锶大量存在时可以减少钙不足对动物造成的有害影响 2 2 3生态因子的限制性作用 1 限制因子限制生物生存和繁殖的关键性因子叫做限制因子生物的限制因子取决于生物对某种因子的耐受范围 限制因子的价值某种生物的限制因子即是其生存的关键 找到了限制因子就意味着掌握了某种生物与环境复杂关系的钥匙 2 利比希 Liebig 最小因子定律 植物的生长取决于那些处于最低量的营养元素 这些处于最低量的营养元素称最小因子 3 谢尔福特 Shelford 耐受定律 基本描述生物的生存与繁殖 要依赖某种综合环境因子的存在 只要其中一项因子的量 或质 不足或过多 超过了某种生物的耐性限度 则该物种不能生存 甚至灭绝 耐受定律的补充生物能够对一个因子耐受范围广 而对另一个因子耐受范围窄对所有生态因子耐受都很宽的生物 其分布一般很广 在对一个因子处于不适状态时 对另一因子耐受力可能下降 生物的耐受性是可以改变的对耐受性来说 生态因子之间的作用是相互关联的 4 生态幅 概念 物种对于环境的适应范围的大小 物种对两个生态因子适应范围不一致时 生态幅为适应范围窄的因子所限制 生物与环境之间的相互作用 1 环境对生物的作用 影响生物的生长 发育 繁殖和行为 影响生物生育力和死亡率 导致种群数量的变化 某些生态因子能够限制生物的分布区域 2 生物对环境的反作用 生物对环境的影响 一般称为反作用 生物对环境的反作用表现在改变了生态因子的状况 2 3生态因子的生态作用及生物的适应性 光因子的生态作用及生物的适应温度因子的生态作用及生物的适应水因子的生态作用及生物的适应土壤因子的生态作用及生物的适应 2 3 1光因子的生态作用及生物的适应 光是地球生物生存和繁衍的最基本的能量源泉 光因子包括光强 光照度 光质和光周期 1 光照度的生态作用与生物的适应性 植物 光合作用率在光补偿点附近与光强度成正比 但达光饱和点后 不随光强增加 光合作用率 光合作用率 光强度 光强度 净生产力 光合作用 呼吸作用 A B A B A CP 光补偿点 CP CP a b sp sp 光饱和点 B 水生植物 水生植物在水中的分布与光照强度有关 陆生植物 对不同光照强度的适应产生阳性植物和阴性植物和耐阴性植物 阳生植物对光要求比较迫切 只有在足够光照条件下才能进行正常生长 阴生植物对光的需要远较阳性植物低 光补偿点低 呼吸作用 蒸腾作用都较弱 抗高温和干旱能力较低 耐阴性植物对光照具有较广泛的适应能力 对光的需要介于前两类植物之间 动物 光照强度影响动物的行为 昼行性动物在白天强光下活动 夜行性动物在夜晚或弱光下活动 光对植物的形态建成和生殖器官的发育影响很大 植物的光合器官叶绿素必须在一定光强条件下才能形成 许多其他器官的形成也有赖于一定的光强 在黑暗条件下 植物就会出现 黄化现象 在植物完成光周期诱导和花芽开始分化的基础上 光照时间越长 强度越大 形成的有机物越多 有利于花的发育 光强还有利于果实的成熟 对果实的品质也有良好作用 生物的光周期现象 光周期现象 明相暗相的交替与长短对植物的开花结实有很大的影响 这种植物对自然界昼夜长短规律性变化的反应 称光周期现象 生物的自然选择和进化形成了各自特有的对日照长度的反应方式 植物光周期现象 对繁殖 开花 的影响 区分为长日照植物和短日照植物 长日照植物 long dayplants 和短日照植物 short dayplants 日照超过一定数值才开花的植物称长日照植物 日照短于一定数值才开花的植物称短日照植物 一般需要较长的黑暗才能开花 前者如小麦 油菜 后者如苍耳 水稻 动物光周期现象 对鸟类等迁徙影响 对繁殖的影响 区分为长日照动物和短日照动物 长日照动物 long dayanimals 和短日照动物 short dayanimals 在温带和高纬度地区许多鸟兽在春夏之际白昼逐渐延长的季节繁殖后代 称长日照动物 与些相反 一些动物只有在白昼逐步缩短的秋冬之际才开始性腺发育和进行繁殖 称短日照动物 前者如雪貂 野兔 刺猬 后者如绵羊 山羊和鹿等 2 光质的生态作用与生物的适应 光合作用的光谱范围 可见光区 其中红 橙光主要被叶绿素吸收 对叶绿素的形成有促进作用 蓝紫光也能为叶绿素和胡萝卜素吸收 这部辐射称为生理有效辐射 绿光很少被吸收利用 称为生理无效辐射 此外 长波光 红光 有促进延长生长的作用 短波光 蓝紫光 紫外线 有利于花青素的形成 并抑制茎的伸长 光质对植物的作用 小麦的光合作用在波长为400 800nm区较强可见光中的红 橙光对光合作用有促进作用 而绿光为无效辐射 紫色薄膜对茄子有增产作用 蓝色薄膜对草莓有增产作用 红光可以促进甜瓜的植株发育 海洋植物 光合作用色素对光谱变化具有明显的适应性 海水表层植物色素吸收蓝 红光 深水植物光合色素有效地利用绿光 高山植物 对紫外光作用的适应 发展了特殊的莲座状叶丛 光质对动物的作用主要影响动物的生殖 迁涉 毛羽更换 生长和发育 对色觉的影响差别较大 大多数脊椎动物的可见光波范围与人接近 但昆虫则偏于短波光 而且许多昆虫对紫外光有趋光性 这种趋光现象已被用来诱杀农业害虫 紫外光对动物和微生物都有有害影响对微生物有抑制作用 对人类有致癌作用对昆虫的新陈代谢有促进作用 2 3 2温度因子的生态作用及生物的适应 温度因子的生态作用生物对极端温度的适应温度与生物的地理分布变温与温周期现象物候节律休眠 1 温度因子的生态作用 温度与生物生长任一生物的生命活动都有最低 最适和最高温度 三基点 三基点来源于酶系统的活性 不同生物的三基点是不同的 温度与生物发育温度与生物发育的最普遍规律是有效积温 2 生物对极端温度的适应性 对低温的适应植物形态上的适应 如寒冷地区植物的芽和叶片通过表面油脂 腊粉 密毛以及个体矮小 蛰状或莲状等 有利于保温 抵抗寒冷生理上的适应 减少细胞中的水分并增加糖类 脂肪 色素以降低冰点 动物增大体形 贝格曼规律 减少突出部位 以减少散热量增加羽毛和皮下脂肪 并具有隔热性良好的皮毛 可不增加或少增加新陈代谢以御寒 对高温的适应也表现在形态 生理和行为三个方面1 结构上 植物的绒毛 浅色 革质 叶片垂直排列等特点 能够滤过 反射或减少吸收热量 2 生理上 植物增大蒸腾作用 动物放松恒温型3 行为上 动物的休眠等 3 温度与生物的地理分布 温度是决定生物分布的重要因子 但不是决定因子一般 温度暖和的地区生物种类多 反之较少 4 变温与温周期现象 不同地带的生物 对昼夜变温与温度周期性变化反应不同变温与生长植物的生长更适应温度的昼夜变化 及所谓植物的温周期现象大多数植物在变温下发芽较好 植物的生长一般要求温度因子有规律地昼夜变化变温与干物质积累变温对于植物体内物质的转移与积累有良好的作用 2 3 3水因子的生态作用及生物的适应 水对动植物生长发育的影响水对植物的生长也有 三基点 到最低点 植物生长停止 最高点 植物根系缺氧 烂根 水对动物的影响则表现在引起动物的滞育或休眠 水对动植物分布的影响水分与动植物的种类和数量有密切的关系 雨量充沛的热带雨林中植物达52种 hm2 我国大兴安岭则只有10种 hm2 2 生物对水因子的适应 a 植物 水生植物有发达的通气组织 不发达的机械组织 水下叶片多为带状 条状或线状 以增加面积 且很薄 生态类型沉水植物浮水植物挺水植物 陆生植物 形态适应 发达的根系 叶面小 单子叶植物中一些具扇状的运动细胞 可使叶面卷曲 具发达的贮水组织 表面蜡质 细毛 生理适应 水分运输的动力原生质的渗透浓度高 行为适应 气孔关闭 陆生植物有湿生 中生和旱生三种湿生植物是抗旱能力最弱的植物 中生植物已经有一套保持水分的结构和功能 旱生植物在形态结构上既能增加水分摄入 又能减少水分丢失 如发达的根系 发达的贮水组织 b 动物 动物也分两大类水生动物水是溶剂 不同类型的水溶解有不同种类和数量的盐类水生动物的适应性主要体现在渗透压调节与水分平衡淡水动物对环境是高渗性的 排盐 海洋动物是等渗的 陆生动物陆生动物的适应性表现在三个方面形态结构 如哺育动物的皮脂腺和毛 能防止水分蒸发 行为适应 如沙漠动物昼伏夜出 生理适应 如骆驼不仅有储水的胃 其大量脂肪在缺水时也能分解出水 2 3 4土壤因子的生态作用及生物的适应性 土壤的物理化学性质对生物的影响土壤水分 土壤水分与盐类组成的土壤溶液参与土壤中物质的转化 促进有机物的分解与合成 土壤的矿质营养必需溶解在水中才能被植物吸收利用 土壤水分太少引起干旱 太多又导致涝害 都对植物的生长不利 土壤水分还影响土壤内无脊椎动物的数量和分布 土壤的物理化学性质对生物的影响土壤空气 在不良条件下 可以降至10 以下 可能抑制植物根系的呼吸作用 当土壤中CO2含量过高时 如达到10 15 根系的呼吸和吸收机能就会受阻 甚至会窒息死亡 土壤的物理化学性质对生物的影响土壤温度 土壤温度对植物种子的萌发和根系的生长 呼吸及吸收能力有直接影响 还通过限制养分的转化来影响根系的生长活动 一般来说 低的土温会降低根系的代谢和呼吸强度 抑制根系的生长 减弱其吸收作用 土温过高则促使根系过早成熟 根部木质化加大 从而减少根系的吸收面积 土壤的理化性质及其对生物的影响化学性质 土壤酸碱度 土壤酸碱度与土壤微生物活动 有机质的合成与分解 营养元素的转化与释放 微量元素的有效性 土壤保持养分的能力及生物生长等有密切关系 过碱性和酸性不利于植物生长 酸性还不利于细菌生长 根据植物对土壤酸碱度的适应范围和要求 可把植物分成酸性土植物 pH7 5 土壤酸碱度对土栖动物也有类似影响 d 植物对盐类的适应性 植物的适应性类型对酸性的反应 酸性土植物 中性土植物 碱性土植物对钙盐的反应 钙质土植物 嫌钙植物对含盐量的适应 盐土植物 碱土植物对风沙基质的适应 沙生植物 种群及其基本特征 生命系统的组织层次 分子基因细胞组织与器官个体种群群落 种群的定义 种群 population 在同一时期内占有一定空间的同种生物个体的集合 种群不是个体的简单叠加 是通过种内关系组成的一个有机统一体或系统 种群是一个自我调节系统 通过系统的自动调节 使其能在生态系统内维持自身稳定性 作为系统还具有群体的信息传递 行为适应与数量反馈控制的功能 种群不仅是自然界物种存在 物种进化 物种关系的基本单位 也是生物群落 生态系统的基本组成成份 同时 还是生物资源保护 利用和有害生物综合管理的具体对象 一个物种 由于地理隔离 有时不只有一个种群 种群主要特征 数量特征种群参数变化是种群动态的重要体现 空间特征组成种群的个体在其生活空间中的位置状态或布局 称为种群的内分布型遗传特征种群具有一定的遗传组成 是一个基因库 种群动态 种群动态是种群生态学的核心问题 是种群数量在时间和空间上的变动规律 种群的分布格局 均匀分布 原因 种群内个体间的竞争 随机分布 原因 资源分布均匀 种群内个体间没有彼此吸引或排斥 聚集分布 原因 资源分布不均匀 种子植物以母株为扩散中心 动物的社会行为使其结群 种群密度的估计方法 绝对密度估计 单位面积或空间上的个体数量 相对密度估计 表示个体数量多少的相对指标 种群统计 种群结构 年龄结构 种群各年龄组的个体数或百分比的分布呈金字塔形 因此 称这样的年龄分布称为年龄金字塔或年龄锥体 agepyramid 年龄锥体有三种类型 下降 declining 稳定 stable 和增长 increasing 型 年龄锥体的三种基本类型 a下降型种群 幼年组个体数少 老年组个体数多 种群的死亡率大于出生率 种群种群数量趋向减少 b稳定型种群 种群出生率大约与死亡率相当 种群稳 c增长型种群 幼年组个体数多 老年组个体数少 种群的死亡率小于出生率 种群迅速增长 种群结构 性别结构 性比 同一年龄组的雌雄数量之比 即年龄锥体两侧的数量比例 肯尼亚 美国和澳大利亚的人口年龄结构 生命表 同生群生命表 根据大约同一时间出生的一组个体 同生群 从出生到死亡的记录编制的生命表称同生群生命表 静态生命表 根据某一特定时间对种群作一年龄结构调查数据而编制的生命表称静态生命表 综合生命表 包括了出生率的生命表称综合生命表 生命表的意义 通过生命表的研究可以了解种群的动态 型存活曲线 幼体和中年个体的存活率相对高 老年个体的死亡率高 型存活曲线 各年龄段的死亡率恒定 曲线呈对角线型 型存活曲线 一段极高的幼体死亡率时期之后 存活率相对高 年龄 存活数的对数 存活曲线 种群变化率 种群变化率 N t rNtdN dt rNtNt N0ertr ln Nt N0 t瞬时增长率 r 任一短的时间内 出生率与死亡率之差便是瞬时增长率 r lnR0 T应用 关键因子分析 K 因子分析分析各年龄级k值对总k值的影响 就可知道哪一个关键因子对总k值的影响最大 这一技术称k 因子分析 种群增长模型 非密度制约种群增长模型密度制约种群增长模型 非密度制约种群增长模型 在资源充分 无限的环境 unlimitedenvironment 的情况下 种群的增长不受密度制约 种群以几何和指数增长 增长率不变的离散增长模型增长率不变的连续增长模型 增长率不变的离散增长模型 在世代不重叠的种群 种群的增长可以用几何增长的模型描述 模型前提条件 增长率不变 无限环境 世代不相重叠 种群没有迁入和迁出 没有年龄结构数学模型 Nt N0 t行为 几何级数式增长或指数增长 种群的增长曲线为 J 型 又称 J 型增长 种群几何增长模型 Nt N0 t 时间t处的种群个体数 初始时的种群个体数量 几何增长率 周限增长率 间隔或世代的长度 Nt 1 Nt 时间t 1处的种群个体数 N1 N0 1 N2 N0 2N3 N0 3 1种群上升 1种群稳定 0 1种群下降 0雌体无繁殖 种群在一代中灭亡 3 意义 增长率不变的连续增长模型 模型前提条件 增长率不变化 无限环境 世代重叠 种群没有迁入和迁出 具有年龄结构数学模型 dN dt rN 微分式 Nt N0ert 积分式 行为 几何级数式增长或指数增长 种群的增长曲线为 J 型 又称 J 型增长 dN dt rN Nt N0ert 种群变化率 瞬时增长率 每员增长率 种群个体数量 瞬时增长率 每员增长率 时间t处的种群个体数 间隔或世代的长度 初始时的种群个体数量 种群的指数增长模型 3 意义 r 0种群上升 r 0种群稳定 r 0种群下降 密度制约种群增长模型 增长率随种群大小而变化的离散增长模型增长率随种群大小而变化的连续增长模型 连续增长模型 模型前提条件 增长率变化 有限环境 有一个环境条件所允许的最大种群值 即环境容纳量K 世代重叠 密度与增长率关系是随种群的密度增加 种群的增长率所受的影响逐渐地 按比例地增加 r r 1 N K 连续增长模型 种群的逻辑斯谛增长 连续增长模型 随着资源的消耗 种群增长率变慢 并趋向停止 因此 自然种群常呈逻辑斯谛增长 体现在增长曲线上为 S 型 种群停止增长处的种群大小通常称 环境容纳量 或K 即环境能维持的特定种群的个体数量 种群增长可以用逻辑斯谛模型描述 逻辑斯谛增长模型 dN dt Nr 1 N K 种群个体数量 瞬时增长率 每员增长率 种群变化率 环境容纳量 当比率增加时 种群增长变慢 逻辑斯谛增长方程积分式 间隔或世代的长度 时间t处的种群个体数 瞬时增长率 每员增长率 环境容纳量 Nt K 1 ea rt 曲线对原点的相对位置 值取决于N0 模型行为 该曲线在N K 2处有一个拐点 在拐点上 dN dt最大 在拐点前 dN dt随种群增加而上升 在拐点后 dN dt随种群增加而下降 因此 曲线可划分为 开始期 潜伏期 N 0 加速期 N K 2 转折期 N K 2 减速期 N K 饱和期 N K 逻辑斯缔方程的意义 逻辑斯谛增长曲线的五个时期 A开始期B加速期C转折期D减速期E饱和期 K D E B A C t Nt K 2 指数增长与逻辑斯谛增长之间的关系 逻辑斯缔方程的意义 它是两个相互作用种群增长模型的基础 它是渔业 林业 农业等实践领域中确定最大持续产量的主要模型 模型中的两个参数K和r已成为生物进化对策理论中的重要概念 r选择 机会主义者 有利于增大内禀增长率的选择在不利的环境中 提高繁殖能力来维持种群的数量 如昆虫K选择 保守主义者 有利于竞争能力增加的选择在有利的环境中 提高竞争能力以获得最大K值的选择 如脊椎动物 r K策略连续统 适应环境变化的双重选择在不利环境中具有r选择特征 反之 又有K选择特征 r选择与K选择 自然种群的数量变动 不规则波动周期性波动季节波动种群暴发生态入侵种群的衰落和灭亡 种群的衰落和灭亡 种群数量出现永久性的下降和消亡 种群的衰落甚至灭亡主要有两个原因 人类过度捕猎 人类对其栖息地的破坏 过度开垦 采伐等 种群生存的必要条件栖息地的保护 生存繁殖所需的最低密度 生态入侵 生态入侵 由于人类有意识或无意识地将某种生物带入适宜于其栖息和繁衍的地区 种群不断扩大 分布区逐步稳定地扩展 这个过程称生态入侵 生态入侵的后果 排挤当地的物种 改变原有的生物地理分布和自然生态系统的结构与功能 对环境产生了很大的影响 入侵种经常形成广泛的生物污染 危及土著群落的生物多样性并影响农业生产 常见生态入侵物种 第三节种内与种间关系 一 种内关系 一 集群集群现象普遍存在于自然种群当中 同一种生物的不同个体 或多或少都会在一定的时期内生活在一起 从而保证种群的生存和正常繁殖 因此集群是一种重要的适应性特征 集群的生态学意义主要有以下几个方面 集群有利于提高捕食效率 集群可以共同防御敌害 集群有利于改变小生境 集群有利于某些动物种类提高学习效率 集群能够促进繁殖 二 种间关系 种间关系是指不同物种种群之间的相互作用所形成的关系 简单地分为三大类 中性作用 正相互作用 正相互作用按其作用程度分为偏利共生 原始协作和互利共生三类 负相互作用 包括竞争 捕食 寄生和偏害等 一 种间竞争 1 种间竞争 指两物种或更多物种共同利用同样的有限资源时产生的相互竞争作用 竞争的结果常是不对称的 2 高斯 GauseG F 1934 假说 当两个物种利用同一资源和空间时产生的种间竞争现象 两个物种越相似 它们的生态位重叠就越多 竞争也就越激烈 双小核草履虫和大草履虫试验 3 竞争排斥原理 在一个稳定的环境内 两个以上受资源限制的 但具有相同资源利用方式的种 不能长期共存在一起 也即完全的竞争者不能共存 4竞争类型及其一般特征 1 利用性竞争 仅通过损耗有限的资源 而个体不直接相互作用的竞争 2 干扰性竞争 通过竞争个体间直接的相互作用 5 Lotha Volterra模型 物种1 dN1 dt r1N1 1 N1 K1 物种2 dN2 dt r2N2 1 N2 K2 物种1 dN1 dt r1N1 K1 N1 N2 K1 物种2 dN2 dt r2N2 K2 N2 N1 K2 为物种1和2的竞争系数 6 生态位理论 1 生态位 niche 物种在生物群落或生态系统中的地位和角色 主要指在自然生态系统中一个种群在时间 空间上的位子及其与相关种群之间的功能关系 基础生态位 fundamentalniche 生物群落中 某一物种所栖息的理论上的最大空间 称为基础生态位 实际生态位 realizedniche 生物群落中物种实际占有的生态位空间称实际生态位 生态位宽度 指被一个有机体单位所利用的各种各样不同资源的总和 资源少 生态位宽度增加而泛化 资源丰富 生态位宽度减小 促进生态位特化 生态位重叠 生态位重叠是指不同物种的生态位之间的重叠现象或共有的生态位空间 关系到两个物种的生态要求可以相似到多大程度而仍能共存 A B A A A B B B 生态位分离 无竞争 生态位相切 无竞争 生态位相交 产生竞争 生态位相叠 可能竞争激烈 生态位分化 2 生态位理论 二 捕食作用 1 概念 捕食 Predation 某种生物消耗另一种其他生物活体的全部或部分身体 直接获得营养以维持自己生命的现象 前者为捕食者 predator 后者为猎物 prey a 可限制种群分布和抑制种群数量 b 可影响群落结构的主要生态过程 使生态系统中的物质循环和能量流动多样化 提高能量的利用率 c 促进捕食者和猎物的适应性 d 可使种群复壮 更具有生存竞争力 捕食的生态学意义 1寄生 parastism 一种生物从另一种的体液 组织或已消化物质获取营养并造成对宿主危害 更严格说 寄生物从较大的宿主组织中摄取营养物 是一种弱者依附于强者的情况 四 寄生 二 正相互作用 1 偏利共生 仅一方有利称为偏利共生 2 互利共生 对双方都有利称为互利共生 3 原始协作 原始协作可以认为是共生的另一种类型 其主要特征为两种群相互作用 双方获利 但协作是松散的 分离后 双方仍能独立生存 遗传瓶颈和建立者效应 遗传瓶颈 BottleneckEffect 种群数量急剧下降导致基因频率变化和总遗传变异的下降建立者效应 FounderEffect 建立者种群建立者效应 118 瓶颈效应 100 在原种群中 基因频率为80 在越冬种群中 基因频率为50 在第二年种群中 基因频率就变化为50 在第三年种群中基因频率就变化为100 在越冬种群基因频率为100 遗传瓶颈 5 1 5 2 建立者效应 生物群落的组成与结构 生物群落 thecommunity 特定空间或特定生境下 具有一定的生物种类组成及其与环境之间彼此影响 相互作用 具有一定的外貌与结构 包括形态结构与营养结构 并具有特定功能的生物集合体 也可简述为 一个生态系统中具有生命的部分即为生物群落 1生物群落的概念 一定的外貌与结构是对环境因素的综合反应所形成的与环境彼此影响 相互作用有相同的生活方式 有对环境大致相同的要求 共生现象包括动物 植物 微生物的共生 2 群落的基本特征 具有一定的外貌具有一定的种类组成具有一定的群落结构 包括形态结构 生态结构 和营养结构形成群落环境 群落对环境必然有改造作用不同物种之间的相互影响 相互适应 相互竞争一定的动态特征一定的分布范围边界特征 明显的边界少见 大多情况下存在过渡带 2群落的种类组成 种类组成的性质分析种类组成的数量特征种间关联 种类组成的性质分析 对于群落的研究要涉及所有的生物成分几乎是不可能的 一般只涉及某一类生物种群的集合 即当研究对象是植物时 称为植物群落 是动物时称为动物群落 以植物为例 根据各个种在群落中的作用可以划分为以下群落型 优势种和建群种对群落结构和环境的形成有明显控制作用的植物为优势种 群落不同层次中均有优势种 其中优势层中的优势种叫建群种亚优势种个体数量与作用次于优势种 但仍能起一定控制作用的植物种 伴生种能与优势种共存 但不起主要作用 偶见种或稀见种本身数量稀少或处于衰退中 因而出现频率很低的植物种 种类组成的数量特征 种的个体数量指标种的综合数量指标种间关联 1 种的个体数量指标 丰富度 abundance 又译为多度 表示一个种在群落中的个体数目 密度 单位面积上的植物株数盖度 植物地上部分垂直投影面积占样地面积的百分比 频度 某个物种在调查范围内出现的频率 2 种的综合数量指标 优势度 表示一个种在群落中的地位与作用重要值 表示某个种在群落中的地位与作用重要值 相对密度 相对频度 相对优势度 相对盖度 综合优势比 综合两种以上因素的数量指标 131 物种多样性 物种多样性的含义种的数目或丰富度 指一个群落或生境中物种数目的多寡种的均匀度 指一个群落或生境中全部物种个体数目的分配状况 132 物种多样性 续 物种多样性 由物种数目和相对多度决定的 物种丰富度 speciesrichness 指一群落或生境中物种数目的多寡 物种均匀度 speciesevenness 指一群落或生境中全部物种个体数目的分配状况 反映各物种个体数目的分配均匀程度 物种多样测度 丰富度指数 Gleason指数Margalef指数 D S 1 lnA D S 1 lnN 单位面积 群落中物种数目 观察到的个体总数 群落中总物种数目 香农 威纳指数 Shannon Wienerindex H Pilog2Pi 属于种i的个体在全部个体中的比例 多样性指数 135 物种多样性指数 Shannon Weiner指数H pilnpi上二式中Pi种的个体数占群落中总个体数的比例 pi Ni N Pielou均匀度指数 E H HmaxHmax为最大的物种多样性指数 Hmax LnS 物种多样测度 物种均匀性指数 均匀度 不均匀性 E H H max R H max H H max H min 实际的种类多样性 最大均匀条件下的种类多样性 logeS H max s 1 sloge1 s loges 群落中的最大物种数 H min S SlogeS S 0 1 H H max 群落的结构 结构要素外貌与季相垂直结构水平结构群落交错区与边缘效应 生长型类型 A乔木 高度在3米以上 B灌木 高度小于3米 包括乔木树种的幼苗 莲座植物 龙舌兰 肉质茎植物 仙人掌等 C 藤本植物 木质和草质藤本 D 附生植物 主要是蕨类植物 兰科 天南星科E 草本植物 蕨类植物 禾草 阔叶草本植物 F 藻菌植物 地衣 苔藓 真菌 藻类等 群落的外貌与季相 外貌 physiognomy 群落主要是根据外貌进行区别的 如森林群落 草原群落 荒漠群落等 群落的外貌是由群落优势的生活型和层片结构所决定的 如针叶林是指针叶林为主的森林 群落的外貌一般随时间发生周期性变化 季相 又称为群落的时间格局 群落的外貌随着季节性的变化称为群落的季相 植物的季相主要体现在枝叶和花果的周期性改变 动物的季相主要体现在迁涉 休眠 冬眠 夏眠 食物储藏等 群落的垂直结构 概念 群落在空间上的分层现象植物的分层现象植物的成层结构是自然选择的结果 可以显著提高植物利用环境资源的能力 植物成层结构的复杂程度与光的利用率有关温带夏绿阔叶林的地上成层现象明显寒温带针叶林的成层结构简单热带森林的成层结构最为复杂水中植物的成层结构比较复杂 动物的分层现象陆地动物的分层主要与食物有关 并受微气候条件影响水生动物的分层与阳光 温度 食物和含氧量有关 并随季节变化 群落的水平结构 概念群落在水平空间的配置状况 又叫水平格局或二维结构 镶嵌性群落层片在二维空间中的不均匀配置 形成的外形上的斑块相间 镶嵌性形成的原因亲代的扩散分布习性 如以风力传播的种子 轻者广泛 重者在母株周围群聚 环境的异质性 土壤的性质 结构和水分条件等的影响 种间相互关系的作用 如动物明显依赖于食物的分布 群落交错区与边缘效应 群落交错区的定义相邻生态系统之间的过渡带 其特征是由相邻生态系统之间相互作用的空间 时间及强度所决定的群落交错区的边缘效应群落交错区种的数目和密度增大的趋势称为边缘效应 边缘效应原理的实践意义 利用群落交错区的边缘效应增加边缘长度和交错区面积 提高野生动物的产量 人类活动而形成的交错区有的有利 有的是不利的 群落演替 群落是一个动态的开放的生命系统 由于气候变迁 洪水 火烧 山崩 地壳运动 动物的活动和植物繁殖体的迁移散布 以及因群落本身的活动改变了内部环境等自然原因 或者由于人类活动的结果 使群落结构受到干扰或破坏 一些生物的种群消失了 就会有其他一些生物的种群来占据它们的空间 再过一段时间 就会有另一些生物的种群兴起 达到一个相对稳定的阶段 随着时间的推移 一个群落被另一个群落代替的过程 就叫做演替 经典的演替模式 一年生杂草 多年生杂草 灌木 早期演替树木 晚期演替树木 发生在弃耕地上的群落演替 一个湖泊经历一系列演替后 可以演变为一个森林群落 大体要经历以下几个阶段 裸底阶段沉水植物阶段浮叶根生阶段挺水植物和沼泽植物阶段森林群落阶段 影响群落演替的因素 环境的不断变化植物繁殖体的迁移 散布和动物的活动性种内 种间关系的改变群落种类组成中新分类单位发生人类活动 群落内部环境的变化 由群落本身的生命活动造成的 与外界环境条件的改变没有直接关系 有些情况下 是群落内物种生命活动的结果 为自己创造了不良的居住环境 使原来的群落解体 为其他植物的生存提供了有利条件 从而引起演替外界环境条件的变化 群落之外的环境条件如气候 地貌 土壤和火等成为引起演替的重要条件 人为影响 逆行演替 在不利的自然因素和人为因素 如污染和过牧 干扰下 生物群落的演替也可以向反方向进行 使群落逐渐退化 使群落的结构简单化和群落生产力下降 偏途演替 人为因素影响下 群落演替按照不同于自然发展的道路进行 这种演替称为偏途演替 人为因素 逆行演替 在不利的自然因素和人为因素 如污染和过牧 干扰下 生物群落的演替也可以向反方向进行 使群落逐渐退化 使群落的结构简单化和群落生产力下降 偏途演替 人为因素影响下 群落演替按照不同于自然发展的道路进行 这种演替称为偏途演替 干扰 干扰的概念 正常过程的打扰或妨碍 干扰的影响干扰使连续群落中出现缺口 缺口引起抽彩式竞争 干扰影响的利弊弊 破坏了顶级群落的稳定性 使群落结构发生变化 利 使群落结构产生了非平衡特性 即适应环境的能力加强 中度干扰能维持生物的多样性 中度干扰假说 生态系统生态学 基本概念 生物群落和环境相互作用 物质和能量的交换 的统一体 在一定空间中共同栖居着的所有生物与其环境之间由于不断进行物质循环和能量流动过程而形成的统一整体 生态系统是一个功能单位 而不是生物学中的分类单位 且作为系统 必须满足三个条件 由许多成分组成 各成分间是彼此联系 相互作用的 具有独立的 特定的功能 生态系统的组成和结构 生态系统的组成成分 生态系统 生物环境 非生物环境 生产者 producers 消费者 consumers 分解者 decomposers 太阳辐射能 无机物质 有机物质 生产者 自养型植物 包括所有进行光合作用的绿色植物和化能合成细菌 绿色植物利用日光作为能源 通过光合作用将吸收的水 CO2和无机盐类合成初级产品 碳水化合物 可进一步合成脂肪和蛋白质 这些有机物成为地球上包括人类在内的一切生物的食物来源 消费者 生活在生态系统中的各类动物和某些腐生或寄生菌类 异养型生物 只能依赖生产者生产的有机物为营养来获得能量 分解者 异养生物 如细菌 真菌 放线菌以及土壤原生动物和一些土壤中小型无脊椎动物 将复杂的有机物还原为无机物 把养分释放出来 归还给环境中 生态系统的结构特征 结构是生态系统内各要素相互联系 相互作用的方式 是生态系统的基础属性 生态系统的结构特征有三方面 空间结构 时间结构和营养结构 生态系统的物种结构 1 关键种 对群落结构有关键影响的种称为关键种 他们若从群落中消失 会使群落结构发生严重改变甚至会导致其他物种的灭绝和群落的剧烈变化 食物链和食物网 食物链 foodchain 各种生物按其食物关系排列的链状顺序 食物网 foodweb 食物链彼此交错连结 形成一个网状结构 一个食物链的例子 螳螂捕蝉 黄雀在后 螳螂捕蝉 黄雀在后 哈 哈 植物汁液 蝉 初级消费者 螳螂 二级消费者 黄雀 三级消费者 鹰 四级消费者 顶极食肉动物 营养级与生态金字塔 营养级 trophiclevels 处于食物链某一环节上的所有生物种的总和 食物链的长度通常不超过6个营养级 最常见的4 5个营养级 因为能量沿食物链流动时不断流失 食物链越长 最后营养级位所获得的能量也越少 因为从起点到终点经过的营养级越多 其能量损耗也就越大 生态金字塔 生态系统中的能量 生物量或生物个体数目均通过营养级逐级减少 将其由低到高绘制成图 就成为一个金字塔形 可分别称为 能量金字塔 pyramidofenergy 生物量金字塔 pyramidofbiomass 数量金字塔 pyramidofnumbers 生态效率 能量参数 摄取量 I 一个生物所摄取的能量 植物 I代表被光合作用所吸收的日光能 动物 I代表动物吃进的食物能 同化量 A 消费者吸收所采食的食物能动物 消化道内吸收的能量植物 光合作用所固定的日光能微生物 细胞外产物的吸收 呼吸量 R 生物经呼吸等新陈代谢活动所消耗的全部能量生产量 P 生物经呼吸等消耗后净剩的同化能量动物 P A R植物 净初级生产量 营养级位之内的生态效率 同化效率 Ae 生长效率 营养级越高 生长效率越低 植物的生长效率 动物 植物将光合能量大约40 呼吸 60 生长 肉食动物同化能量大约65 用于呼吸 35 用于生长 哺乳动物呼吸消耗的能量最多 大约占同化量的97 99 只有1 3 用于净生产量 营养级位之间的生态效率 消费效率 或利用效率 是一种度量一个营养级位对前一营养级位的相对采食能力或利用能力 一般为25 35 消费效率量度一个营养级对前一营养级的相对取食压力 一般在20 35 范围内 每一营养级净生产的65 75 进入碎屑食物链 被损失到系统之外 利用效率的高低 说明前一营养级的净生产量被后一营养级同化多少 林德曼效率相当于同化效率 生长效率和消费效率的乘积 或称为营养级间的同化能量的比值 曾被认为是一个重要的生态学定律 即十分之一定律十分之一定律一般限于湖泊生态系统 其它有的可高达30 有的则仅有1 生态系统中的初级生产 基本概念生产效率限制因素测定方法 1 基本概念 初级生产量或第一性生产量 植物所固定的太阳能或所制造的有机物质 总初级生产量 净初级生产量 呼吸消耗的能量 GP NP R J m2 a 或 g m2 a 各种生态系统的净生产力海洋 河口湾和上涌区高 深海低陆地 木本和草本沼泽 热带雨林 常绿阔叶林 温带阔叶林 针叶林 稀树草原 温带草原 寒漠和荒漠沼泽和作物栽培地高 生态系统中的次级生产 次级生产量的一般生产过程次级生产量的测定次级生产的生态效率 1 生产过程 一般生产过程动物种群的能量收支 次级生产量的一般生产过程 生态系统中的能量流动 能量传递规律的热力学定律食物链层次上的能流分析生态系统层次上的能流分析 二 能量在生态系统中流动的特点 1 能量流是变化的2 能量流是单向流3 能量在生态系统内流动的过程是不断递减的过程4 能量在流动中质量逐渐提高 生态系统中的物质循环 物质循环的一般特点 物质循环的概念物质循环的模式物质循环的特点生物地球化学循环的类型 1 概念 物质循环 nutrientcycle 即生物地球化学循环 Biogeo chemicalcycle 生态系统内的各种化学元素及其化合物在生态系统内部各组成要素之间极其在地球表层生物圈 水圈 大气圈和岩石圈 包括土壤圈 等各圈层质检 沿着特定的途径从环境到生物体 再从生物体到环境 不断地进行着反复循环变化的过程 生物地球化学循环分为地球化学循环 地质大循环 和生物循环 生物小循环 两种基本形式 1 物质循环 生物地球化学循环 生物地球化学循环生态系统从大气 水体和土壤等环境中获得营养物质 通过绿色植物吸收 进入生态系统 被其他生物重复利用 最后再归还于环境中的过程 这一过程包括生物与非生物二者的参与 同时也包含一些地质与地理作用在內 因此称为生物地球化学循环 影响循环速率的重要因素 循环元素的性质元素自身的性质以及被生物有机体利用的方式生物的生长速率影响生物对物质的吸收速度和物质在食物链中的运动速度 有机物分解速率分解者及分解环境 4 生物地球化学循环类型 水循环 watercycle 生态系统中所有物质循环的基础和前提 单独列出气体型循环 gaseouscycle 贮存库是大气和海洋全球性 完善型 高速度 主要有氧 二氧化碳 氮等 沉积型循环 sedimentarycycle 贮存库是岩石圈和土壤圈 与水有联系速度慢 性能不完善 主要有磷 钙 钾 钠 镁 铁 铜等 水循环 全球水循环全球水循环水循环的特点全球的降水量和蒸发量相等 但存在地区差异 地表径流携带大量营养物质 造成高地贫瘠 低地肥沃 冰雪的溶化可以调节气温 保持生态稳定 全球水循环 生态系统中的水循环 生态系统中的水循环 主要过程包括截取 渗透 蒸发 蒸腾和地表径流植物在水循环中的作用 通过根系吸收水分 但是只有1 3 参与植物体的建造并进入食物链 被其他营养级利用 其余97 99 蒸腾进入大气 参与水分再循环 气体型循环 气体型循环包括氧 碳 氮 氯 溴 氟等 研究最多的是碳和氮 碳循环氮循环 碳循环 carboncycle 碳源 carbonsource 有机体干重的45 以上是碳 地球上碳的储存量约为26 1015t 碳库 carbonreservoir 岩石圈 占总量的99 9 主要以碳酸盐形式存在 其次为化石燃料 水圈 包括海洋 河流 水库或湖泊 以CO2为主要存在形态 大气圈 以CO2为主要存在形态 大气中CO2的含量约为0 0126 一部分被植物吸收转换为生物碳 一部分溶解于水体 转变为水体中碳酸盐 最后流入大海 被沉积下来 生物圈 主要以有机碳形式存储 陆地光合作用每年约从大气中吸收1 5 1010t碳 植物死后分解可释放1 7 1010t碳 森林是生物碳的主要蓄库 约储存4 82 1012t碳 碳循环 carboncycle 碳循环过程从光合作用开始 合成植物 进入生物链 再分别回归储存库 生物圈 大气圈 水圈 大气圈 水圈 岩石圈 生物圈 岩石圈的碳迁移 碳循环的特点速度快 最快几分钟或几小时 一般几周或几个月 温室效应大气中的CO2能透过太阳的短波辐射 吸收地球的长波反射 导致大气层低处的对流层变暖 而高处的平流层变冷 低碳经济与生活方式 生态系统中的碳循环简图 氮循环 NitrogenCycle 氮循环主要过程农田氮循环研究实例人工固氮对全球氮循环和环境的影响 氮循环 氮循环的前提 固氮固氮作用高能固氮 闪电 宇宙射线 陨石 火山爆发等活动 将大气中的N2转化成氨或硝酸盐 随降雨到达地表 固氮能力8 9kg hm2 a 工业固氮 工业固氮能力在20世纪末已达1 108t 主要是氮肥 生物固氮 是最重要的固氮途径 约占地球固氮的90 具有固氮能力的生物主要有固氮菌 根瘤菌及某些藻类和细菌等 固氮能力100 200kg hm2 a 分共生固氮和营自由固氮 氮循环主要过程 生态系统中的氮循环简图 人工固氮对全球氮循环和环境的影响 污染水体加速全球气温升高 反硝化作用产生N2O 臭氧层破坏 N2O 降低土壤质量 土壤酸化和肥力下降 污染空气 NO NO2酸雨问题 有毒有害物质循环 循环特点对有机体有毒有害的物质进入生态系统 通过食物链富集或被分解的过程 有毒有害物质类型 人工合成的大分子有机化合物 重金属元素 这些物质可以在生物体内浓缩并同化 引起环境公害 有毒有害物质的危害途经 进入环境 常被空气和水稀释到无害程度 进入食物链 在有机体中积累和富集 达到中毒致死 中毒过程复杂化 循环实例 放射性核素 天然放射性核素在自然界是很普遍的 也就是说 天然存在的放射性核素是很多的 由于地层中放射性物质含量不同 不同地区地层辐射的 外照射剂量率可能有较大的变化放射性核素可在多种介质中循环 并能被生物富集 不论裂变或不裂变 通过核试验或核作用物都进入大气层 然后 通过降水 尘埃和其他物质以原子状态回到地球上 人和生物既可直接受到环境放射源危害 也可因食物链带来的放射性污染而间接受害 放射性物质由食物链进入人体 随血液遍布全身 有的放射性物质在体内可存留14年之久 生态系统中的信息及其传递 1 信息与信息量信息 是物质的主要属性之一 源于通讯科学 在生态系统中 环境为信息源信源 信息的产生者信宿 信息的接受者信息量 信息的多少 信息量的多少决定信息的传递方向 2 信息及其传递 生态系统中的信息种类物理信息 包括光 声 电 热 磁