城市生态学讲稿

1 第一章第一章 绪论绪论 一 城市与城市生态学的概念一 城市与城市生态学的概念 1 城市的概念 城市的概念 绝大多数的城市 city 都是从农村 集镇发展而来的 因此 一般词典都把城市定义为人口集中 工 商业发达 居民以非农业人口为主的地区 通常是周围地区的政治 经济和文化中心 但是为了更明确 区分城市与农村 科学地把城市定义为 是非农业人口为居民主体 是非农业人口为居民主体 以空间与环境利用为基础 以空间与环境利用为基础 以聚以聚 集经济效益为特点 集经济效益为特点 以人类社会进步为目的的一个集约人口 经济 科学技术和文化的空间地域综合体 以人类社会进步为目的的一个集约人口 经济 科学技术和文化的空间地域综合体 人类社会与地域空间的高度结合 城市的特点 城市的特点 1 空间上的聚集性 空间上的聚集性 聚集大量的人口 资源和社会 经济活动 2 经济上的非农业性 经济上的非农业性 是工业 商业 运输业 服务业等非农业的聚集地 又称 非农业的 土地利用 3 构成上的异质性 构成上的异质性 人口的种族和民族 风俗与心理 语言与交往方式 以及宗教信仰 道德观念和政治意识等 又称 多样性 流动性 2 城市生态学的概念 城市生态学的概念 城市生态学城市生态学 urban ecology 是以生态学是以生态学 ecology 的概念 理论和方法研究城市的结构 功能和动态调的概念 理论和方法研究城市的结构 功能和动态调 控的一门学科 既是一门重要的生态学分支学科 又是城市科学控的一门学科 既是一门重要的生态学分支学科 又是城市科学 urban science 的一个重要分支学科的一个重要分支学科 城 市生态学以整体的观点 把城市看成一个生态系统 除了研究它的形态结构以外 更多地把注意力放在 全面阐明它的组分之间的关系及其组分之间的能量流动 物质代谢 信息流通和人的活动所形成的格局 和过程 城市生态学采用系统思维方式 并试图用整体 综合有机体等观点去研究和解决城市生态环境 问题 由于城市人口与城市环境 其他生物因素和非生物因素 相互作用形成复杂的网络系统 因而使城市 体系的中心问题仍然是生物 人 与环境的问题 因此 从生态学角度又可把城市系统称为城市生态系统 二 城市生态学的研究内容二 城市生态学的研究内容 城市生态学是生态学的一个分支 这就决定了城市生态学的研究对象是城市生态系统城市生态系统 重点研究城城 市居民与城市环境之间的关系市居民与城市环境之间的关系 城市生态学的基本内容可归纳为城市生态系统的组成形态与功能 城市 人口 生态环境 城市灾害及防范 城市景观生态 城市与区域持续发展和城市生态学原理的社会应用 等七个方面 根据研究的对象和内容的不同 城市生态学可分为城市自然生态学城市自然生态学 urban naturalecology 城市景观城市景观 生态学生态学 urban landscape ecology 城市经济生态学城市经济生态学 urban economicecology 和城市社会生态学城市社会生态学 urban socio ecology 等四个分支学科 城市自然生态学着重研究城市的人类活动对所在地域自然生态系统的积极和消极影响 以及地域自 然要素对人类活动的影响 即人的城市活动与地域的自然生态系统要素之间的相互关系 城市景观生态学着重从景观尺度研究城市不同生态系统之间代谢过程的物流 能流和信息流的转化 利用效率等问题 城市经济生态学着重从经济学角度重点研究城市代谢过程的物流 能流和信息流的转 化 利用效率等问题 城市社会生态学的研究重点是城市人工环境对人的生理和心理的影响 效应及人在建设城市 改造 自然过程中所遇到的城市问题 如人口 交通 能源问题等 城市社会生态学的研究起源于 20 世纪 20 年代美国芝加哥学派及德国学者的城市演替研究 前者着重于城市系统的功能 后者强调城市的影响 目前这两个学派趋于结合 形成了西方较为流行的结构功能学说 三 城市生态学的发展简史三 城市生态学的发展简史 科学来自人类的社会生产实践 是人类认识事物客观规律性的总结 城市生态学的形成与发展也是 2 与人类社会生产实践和对客观事物的认识密切相关的 1 城市生态学的形成与发展 1 中国古代的城市生态学思想简述 首先 中国古代的城市生态学思想反映在人口 人与土地和人与食物的关系上 公元前 390 年后商 鞅第一个提出了具有城市生态学思想的认识 主要观点有 在个地区的土地组成上 城镇道路要占 10 才较为合理 主张增加农业人口 提出农业人口与非业人口的比例为 100 1 最多不小于 10 1 并采取一系列政策鼓励从事农业 其中还规定了不准开设旅店和不准擅自迁居 随后荀子 公元前 238 年 则提出减少工商业人口 国家才能强盛的主张 公元 170 年 崔姓学者第一个提出人口的合理布 局思想 到 1885 年 包世臣提出了农业与非农业劳动力比例关系应为 5 1 限制非农业人口的发展 这 些思想在一定程度上影响了我国城市的发展 2 巴黎的改建 自 17 世纪以来 巴黎一直接着古典美学原则进行建设 把城市的道路和广场构成美丽的图案 推祟 圆广场放射线型的路 讲究轴线 构图 工业革命后 大工业在巴黎郊区发展起来 城市中出现了混乱 许多自发形成的工人住宅区 道路弯曲 房屋拥挤 从 1852 年开始进行了巴黎的改建 除了要解决城市 中的混乱外还在于把工人住宅区移出中心地带和美化首都 主要的改建是对城市主道作了重新的规划 在市中心形成一个大的十字交叉 东向是繁华的商业街 西向是著名的罗浮官 香榭里舍大街和凡尔赛 宫 南北向为林荫大道 为了解决交通的问题 修建内环线和外环线 再沿塞纳河修一条弧形道以补充 两环 城市中修建了许多笔直的大道 在街道的交会点建广场 如著名的民族广场和明星广场等就是在 街道交会点修建起来的广场 巴黎的改建使城市的交通有了明显的改善 适应了当时马车快速行驶的要求 以及后来出现的机动 车交通 在改建中 在重点地段加强了街道绿化 建了许多街心花园 井在主要道路两侧 规定了建筑 高度 彻底改变了欧洲封建城堡原来闭塞 狭隘的面貌 造就了开阔 宏伟的城市景观 体现出原初的 城市生态学思想 这对欧洲及世界各国的大城市建设有很大的影响 成为许多城市仿效的楷模 但是改 建并没有很好地解决工业化所提出的问题 仅着重在形式外表上下功夫 付出了很高的代价 这也反映 了当时理论的局限性和反映了资本主义上升时期炫耀财富的心理 3 田园城市规划理论 近代城市的发展产生了许多的矛盾 城市改建的社会实践 引起了许多人对城市规划理论的研究与 探讨 其中最有影响的是 1898 年英国人霍华德年英国人霍华德提出的田园城市理论 他经过广泛和深入的社会调查 认 识到了资本主义城市的种种现象 他认为城市灾难的根本问题是 城市无限制地发展 土地私有和土地 投机买卖等 他提出城市的土地不但要统一管理 而且城市要与乡村相结合 并提出了一整套的田园城 市设想方案 图 l 1 他设想 每个城市规模不宜过大 约 3 2 万人包括周围 2000 公顷土地的农田和绿地 森林 城市中心是花园 工业区设在城市的边缘 有便利的交通 整个城市像一座大花园 居民生活在 安排合理 优美舒适的环境之中 而建设这样的城市必须统一开发 经营和管理才能达到 在他的倡导 下 英国曾有过试验 如伦敦附近的列契华斯城 但是由于田园城市理论与社会现实距离较大 该理论 在实践中井未取得成功 然而这种城市生态思想却对城市规划理论的研究和发展起了很大作用 后来的 卫星城镇就是这种思想发展的产物 2 现代城市生态学的产生与发展 1 芝加哥学派与芝加哥城 3 20 世纪以来 资本主义国家生产迅猛发展 使城市问题更加严重 由于资本的垄断 造成了大城市 的畸形发展 中心城市衰落 城市问题尖锐 如巴黎从 19 世纪的 270 万人 猛增至 850 万人 日本东京 从 100 万人剧增至 1000 多万人 这些大城市的工业 金融及科技教育占全国很大的比重 资产阶级为了 追求高额利润 不注意环境 造成了建筑密集 高楼林立 交通混乱 环境进一步恶化 自霍华德的田 园城市理论后 城市建设和改建的合理化需要更加强烈 1916 年 美国芝加哥学派创始人帕克 R E PMk 发表 城市 关于城市环境中人类行为研究的几点意见 的著名论文 对城市的调查勺和研 究工作提出了纲领性的结论意见 特别是他将生物群落学的原理和观点用 研究城市社会并取得丁可喜 的成果 奠定了城市生态学的理论基础 并在后来的社会实践中得到发展 无疑如今美如画 类似花园 的芝加哥城的建设深受其影响 芝加哥学派的主要理论认为城市土地价值变化与植物对空间的竞争相似 土地的利用价值反映了人城市土地价值变化与植物对空间的竞争相似 土地的利用价值反映了人 对最愿意和有价值地点的竞争对最愿意和有价值地点的竞争 这种竞争作用下导致经济上的分离 按土地价值支付能力分化出不同阶 层 例如 美国许多城市的内城地区通常为少数民族居住区 帕克的追随者还应用植物优势概念解释了 有形群体的发展形式 土地价值决定市民各种活动水平和形式的优势 此外还将类似植物的侵入的演替 概念应用于有形群体 特别是研究特殊的种族及商业活动逐渐进入居住区附近的情况 这些概念促使 1925 年伯吉斯提出了城市的同心圆增长理论 年伯吉斯提出了城市的同心圆增长理论 认为城市的自然发展将形成 5 6 个同心圆形式 它是竞争 优势及侵入演替的自然生态的结果 著名的土地经济学家赫特于赫特于 1933 年根据美国许多城市的实际情况提出了扇形理论年根据美国许多城市的实际情况提出了扇形理论 他认为城市从 CBD 区沿主要交通于道向外发展形成星形城市 总的仍是圆形 从中心向外形成各种扇形辐射区 各扇 形向外扩展时仍保持了居住区特点 其中有较多住宅出租的扇形区是城市发展的最重要因素 因为它影 响和吸引整个城市沿着该方向发展 这一理论与美国和加拿大当前许多城市的空间形式较相一致 以后哈里斯哈里斯 Harris 和厄曼和厄曼 Uiman 考虑了汽车的重要影响而提出了多核理论考虑了汽车的重要影响而提出了多核理论 他们指出许多北美城 市的土地利用形式并不围绕一个中心 而围绕离散的几个中心发展 虽然市区有的核心不明显 有的核 心是在迁移等原因下形成的 这最可能是由于汽车增长 成为上下班的主要交通工具所致 2 卫星城与发展新城市 卫星城的出现是受霍华德田园城市理论的启发 在恶性膨胀的大城市周围 建立一些小城镇 并通 过这些小城镇的合理建设规模 布局等 使之创造良好的生活环境以疏散大城市的人口 缓解大城市的 矛盾 它的发展经历了三个阶段 最初只是附属于大城市的近郊居住城 仅供居住 工作及公共建筑集中在母城 所必也被称为卧城卧城 在第二次世界大战前 英国人和法国人分别在伦敦和巴黎周围建了一些 以后又出现了半独立的卫星城半独立的卫星城 如住瑞典的斯德哥尔摩城周围建立了一批 著名的有威林比等 它有一批工业和服务设施 部分可以就 地工作 进入 60 年代 产生了完全独立的卫星城完全独立的卫星城 它距母城较远 有自己的工业 有全套的服务设施 可以不依赖母城而独立存在 再加以行政与财政的鼓励措施 吸引了许多人 达到了真正疏散大城市人 口的目的 3 新建的大城市 第二次世界大战后 一些国家政府由于财富集中 有能力建设新城 在建设时吸取了新的理论与技 术 并在建设者中发展了城市生态学理论 较为著名的有印度的昌迪加 巴西的巴西利亚 以及中同南 方 20 世纪 80 年代兴建的深圳等 巴西利亚是巴西的新首都 于 1956 年在全世界征求方案 丹麦考斯塔中奖 1956 年按他的方案实施 4 规划人口 50 万 城市中一条长 8 公里的纵轴和 3 公里的横轴构成了像弓箭形的布局 弓的中部 东西交 叉处为全市商业文化中心 其端部为火车站 体育场和旅馆中心 箭头部分为三角形的三权力广场 即 立法 司法和行政大厦 弓背为划成方格的居住区 按邻区单位组织街坊 有宽阔的人工湖 布置大面 积的城市植被 整个城市交通组织合理 主要道路交叉口全为立体化等 四 城市生态学的学科基础四 城市生态学的学科基础 与城市生态学有关系的学科很多 但最为重要的相关学科有 在城市生态学形成之前发展起来的生 态学 与城市生态学同步发展的人类生态学和城市学 以及后来发展和形成的景观生态学等等 1 生态学 2 城市学 3 人类生态学 4 环境学 五 城市化及其生态后果五 城市化及其生态后果 一 城市的形成 三次社会分工与私有制 第一次 畜牧业与农业分离 聚落 城市胚胎 第二次 农业与手工业分离 产生聚落中心 第三次 手 工业与商业分离 市 集 形成 私有制产生 聚落争斗防卫 城 镇 形成 城市发展的自然条件 大河冲积平原区 经济技术发展水平 冲破自然束缚向外扩张拓展 二 城市化 二 城市化 urbanization 通常是指农业人口转化为城市人口的过程 通常是指农业人口转化为城市人口的过程 其表现为 数量上农业人口转变为城镇非农业人口 质 量上城市居民生活方式的现代化 城市人口增长 以前 自然 目前 机械 三 城市化的特点 三 城市化的特点 1 人口集中 2 产业集中 3 能源结构改变 4 需水量增加 5 交通便捷 6 信息传递快速 7 不透水地面增加 8 绿地减少 9 人们相应的生活习惯改变 四 城市问题的生态学实质 四 城市问题的生态学实质 1 城市中的物质流基本是线性的 物流链很短 常常及时资源到产品和废物 2 城市中的生产 生活等一切活动需要大量的能源 3 城市中各部门分割 行业间缺乏自觉的相互合作 各自为政 各行 其事 4 城市生产多着眼于局部产品 看重当前的经济效益 5 城市生态系统中的消费者和生产者的 比例常常失调 6 城市中人口密集 自我驯化 造成人和自然隔绝 人际间关系疏远和紧张 五 世界八大公害事件 五 世界八大公害事件 公害事件 因环境污染造成的在短期内人群大量发病和死亡事件 八大公害事件 是指在世界范围 内 由于环境污染而造成的八次较大的轰动世界的公害事件 1 马斯河谷事件 2 多诺拉事件 3 洛杉矶光化学烟雾事件 4 伦敦烟雾事件 5 四日市哮喘事件 6 米糠油事件 7 水俣病事 件 8 骨痛病事件 六 课时安排六 课时安排 总学时 总学分 32 2 理论学时 24 实验学时 8 第一章 绪论 2 学时 第一篇 基础篇 第二章 生态学基础 2 学时 第三章 城市生态学基本原理与思想 2 学时 第二篇 原理篇 第四章 城市人口 2 学时 第五章 城市植物群落 6 学时 含实验 4 学时 实验一 测树工具的使用 实验二 叶片水势 叶面积测定 第六章 城市非生物环境 8 学时 含实验 4 学时 实 验三 温 湿度和光强度测定 实验四 土壤含水量的测定 第七章 城市景观 2 学时 第八章 城市生 态系统 2 学时 第三篇 应用篇 第九章 城市生态评价 2 学时 第十章 城市生态规划 2 学时 第十一章 城市生态 建设 2 学时 复习题 复习题 5 1 名词解释 城市 城市生态学 城市化 2 根据研究的对象和内容的不同 城市生态学分为哪四类 3 现代城市生态学中 芝加哥学派的主要理论观点是什么 芝加哥学派 帕克 的主要追随者有谁 他 们各自的城市模型理论是什么 4 城市化的特点是什么 5 城市问题的生态学实质是什么 6 什么是公害事件 上个世纪世界八大公害事件是什么 第二章第二章 生态学基础生态学基础 第一节第一节 生态学概述生态学概述 一 生态学的定义及研究对象一 生态学的定义及研究对象 1 生态学在不同的发展时期的多种定义 生态学 英文 Ecolocy 一词 源于希腊文 oikos logos 意 为 住所 栖息地 和 论述 学科 从字义上讲 生态学是关于居住环境的科学 即研究生物的聚居地或 生境 生态学是研究生物及环境间相互关系的科学生物及环境间相互关系的科学 这里 生物包括动物 植物 微生物及人类本身 即不同的生物系统 而环境则指生物生活中的无机因素 生物因素和人类社会共同构成环境系统 生态 学自创立以来 在不同的发展时期 生态学家曾提出过多种定义 马世骏 1980 生态学是一门多学生态学是一门多学 科的自然科学 研究包括人类在内的生命系统与环境系统之间相互作用规律 物质循环和能量转化规律 科的自然科学 研究包括人类在内的生命系统与环境系统之间相互作用规律 物质循环和能量转化规律 及其机理及其机理 2 生态学的研究对象 生态学的研究对象 微观 基因 细胞和器官 个体 种群 群落 生态系统 生命系统的六个层次或者水平 和宏 观生态学及其应用 传统生态学是研究生物个体以上水平 个体 种群 群落 生态系统 的生物与生物 生物与环境 之间关系的科学 它是生物学的基础学科 形态 生理 遗传等 之一 同时又是唯一将研究对象扩大 到生物体以外的科学 现代生态学主要以生态系统为研究的基本单位 生态系统由生产者 消费者 分解者和非生物环境 组成 其功能主要表现在物质流 能量流和信息流 稳态和调节功能 上 通过这三大流 生态系统的 各个成员联系成为一个具有统一功能的系统 生态学的研究已超出个体 种群 群落和生态系统四个层 次 或水平 的范围 向宏观和微观两个方向进一步发展 自然科学和社会科学相互渗透 形成了许多 交叉学科 使得生态学的边界非常模糊 1 根据研究对象的组织水平划分 分子生态学 进化生态学 个体生态学或生理生态学 种群生 态学 群落生态学 生态系统生态学 景观生态学与全球生态学 2 根据研究对象的分类学类群划分 分出植物生态学 动物生态学 微生物生态学 陆地植物生态 学 哺乳动物生态学 昆虫生态学 地衣生态学 以及各个主要物种的生态学 3 根据研究对象的生境类别划分 根据研究对象的生境类别划分有陆地生态学 海洋生态学 淡水 生态学 岛屿生态学等 4 根据研究性质划分 理论生态学 涉及生态学进程 生态关系的数学推理及生态学建模 唐守正 应用生态学 A 应用于各类农业资源的管理 产生了农业生态学 森林生态学 草地生态学 家畜生 态学 自然资源生态学等 B 应用于城市建设则形成了城市生态学 C 应用于环境保护与受损资源的 恢复则形成了保育生物学 恢复生态学 生态工程学 D 应用于人类社会 则产生了人类生态学 生态 伦理学等 E 还有学科间相互渗透而产生的边缘学科 例如 数量生态学 化学生态学 物理生态学 经济生态学等 二 生态学的形成二 生态学的形成 1 生态学的萌芽时期 公元 16 世纪以前 2 生态学的建立时期 公元 17 世纪至 19 世纪末 3 生 态学的巩固时期 20 世纪初至 20 世纪 50 年代 4 现代生态学时期 20 世纪 60 年代至现在 6 第二节第二节 种群种群 一 种群的基本特征一 种群的基本特征 一 种群的定义 一 种群的定义 种群 population 人口学上就是人口 是一定空间中的同种个体的集合 也就是 说 它是在一定空间中 特定时间内一起生活和繁殖的同种个体的总称 种群是物种在自然界中存在的 基本单位 又是生物群落的基本组成单位 种群是一种特殊组合 具有独特性质 结构 机能 有自动 调节大小的能力 种群生态学 population ecology 研究同种生物个体群数量动态 特性分化及其发生发展的科学 二 种群的基本特征 二 种群的基本特征 自然种群有三个基本特征 数量特征 空间特征和遗传特征 数量特征是指单位面积或者单位空间内 的个体数目 即种群密度 空间特征是指种群都有一定的分布区域和分布形式 遗传特征是指一个种群 内的生物具有一个共同的基因库 一区别与其他种 但并非每个个体都具有种群中所储存的所有信息 这涉及到种群内的遗传与变异 1 种群密度 单位面积上个体数目或种群生物量 多度 调查样地上个体的数目 森林中 常采用德鲁捷等级标准 多度和盖度结合起来 划分为七个等级 SOC 极多 覆盖度 75 以上 COP3 很多 50 75 COP2 多 25 50 COP1 较多 5 25 SP 尚多 植株不多 星散分布 5 SOI 稀少 偶见一株 Un 单株 仅见一株 2 分布格局 distribution pattern 种群内个体空间分布方式或配置特点 分 均匀分布 uniform distribution 随机分布 random distribution 和集群分布 contagious distribution 3 年龄结构 age structure 种群内不同年龄的个体数量分布情况 种群中个体按其生殖年龄可 以分为三个生态时期 繁殖前期 繁殖期和繁殖后期 分析年龄结构的方法是用年龄锥形图或称年龄金 字塔图 根据年龄结构划分三种种群类型 增长型 稳定型 衰退型 增长型种群 increasing population 年龄结构成典型金字塔型 表示种群有大量幼体 老龄个体 小 出生率大于死亡率 稳定型种群 stable population 出生率与死亡率大致平衡 种群稳定 下降 衰退 种群 declining population 倒金字塔型 种群中幼体减少 老体比例增大 死亡率大于出 生率 种群 特别是优势种 年龄结构 直接关系着其本身及其所在群落的发展趋势 是种群及其所在群落 的动态趋势的主要指标 测定种群的年龄结构 便可分析它的自然动态 推知它及其所在群落的历史 预测它们的未来 4 性比 sex ration 性比是种群中雄性个体和雌性个体数目的比例 受精卵的 大致是 50 50 这叫第一性比 从幼体出生到性成熟这段时间里 由于种种原因 比继续变化 到个体成熟时为正的 比例叫第二性比 最后还有充分成熟的个体性比 叫第三性比 性 比对种群配偶关系及繁殖潜力有很大的影响 5 生命表 life table 是指列举同生群在特定年龄中个体的死亡和存活比率的一张清单 动态生 命表 dynamic life table 真实记录生物个体存活情况 根据观察一群同时出生的个体死亡或者存活的动 态过程所获得的数据编制而成 静态生命表 static life table 根据某个种群在特定时间内的年龄结构的数 据编制而成 7 作用 意义 综合记录了生物体生命过程的重要数据 系统表示出种群完整生命过程 研究种群数 量动态必不可少的方法 二 种群的增长与调节二 种群的增长与调节 种群动态 population dynamic 包括种群的数量动态 空间动态 种群调节以及种群对环境变化的生 态对策等 本文仅就数量动态 主要是种群的增长做些解释 种群增长在理论上取决三个因素 出生率 死亡率和开始增长时的种群大小 Nt N0 B D 内禀增长率 当环境资源无限制时 在最适条件下 种群所能达到的最大瞬时增长速率 r 值 r Nt N0 N0 100 一 种群增长的模型 一 种群增长的模型 1 马尔萨斯 Malthus 方程 又称指数增长模型 如果食物空间和资源都不受限制 r 为一常数 且种群的世代是不重叠 这个种群的增长理论上应按下式进行 Nt N0ert 指数增长 ln Nt ln N0ert 对 数增长 2 逻辑斯蒂增长 Logistic growth 模型 是比利时学者 Verhulst 1838 年创立的 逻辑斯蒂增长模型 是指种群在有限环境下 受环境制约且与密度相关的增长方式 又称阻滞增长 Nt k 1 e 1 N k rt 三 种群大小的调节 三 种群大小的调节 population regulation 种群大小的调节是指种群大小的控制或者是指种群大小所表现的作用限度 调节种群大小的因素 非密度相关 外界 物理 因素 如降水 温度 土壤状况等 密度相关 密度依赖 内部的生 物因素 自疏 self thinning 与 3 2 定律 自疏 指同种植物因种群密度而引起种群个体死亡而密度减少 的过程 3 2 定律 植物种群自疏过程中 其个体平均重量与种群密度成 3 2 直线斜率的变化 W Cd 3 2 logw logc 3 2logd W 平均单株重量 C 为常数 d 种群密度 植物个体重量与密度说 密度降低 重量增大 第三节第三节 生态系统生态系统 一 生态系统的基本概念一 生态系统的基本概念 生态系统 ecosystem 在一定的时空范围内 生物群落与其环境之间通过不断的物质循环与能量流动形 成的相互依赖 相互作用 相互制约的统一体 在自然界只要在一定空间内存在生物和非生物两种成分 并能互相作用达到某种功能上的稳定性 这 个整体就可以视为一个生态系统 因此在我们居住的这个地球上有许多大大小小的生态系统 大至生物 圈 biosphere 或生态圈 ecosphere 海洋 陆地 小至森林 草原 湖泊和小池塘 二 生态系统的组成和功能二 生态系统的组成和功能 1 生态系统的组成 生态系统的组成 任何一个生态系统都是由生物成分和非生物成分两部分组成的 但是为了分析 的方便 常常又把这两大成分分为 1 非生物成分 自然环境 非生物成分 自然环境 2 生产者 生产者 producers 3 消费 消费 者者 consumers 4 分解者 分解者 decomposers 或 reducers 生态系统还可以根据物质和能量的活动性 分为 贮存库 贮存库 reservoir pool 生态系统中 除运转的 物质和能量外 有一部分属于贮存的物质和能量 包括生产者自身的一部分碳素 经过长期矿化作用形 成为泥炭 如化石 珊瑚礁等 有的则转化成为化石燃料 例如石油和煤等 有的则流入大海形成沉积 物 它们都暂时或长期地离开了生态系统的循环而贮存起来 交换库 循环库 交换库 循环库 exchange of cycling pool 生物体与大气圈 水圈和生物圈之间的物质循环和能量流动 与贮存库相反 它们之间的交换是 迅速的 但容量小 而且很活跃 8 2 生态系统的功能 生态系统的功能 能量流动 物质循环和信息传递是生态系统的三大功能 能量流动是单方向的 物质流动是循环式的 信息传递则包括营养信息 化学信息 物理信息和行为信息 构成了信息网 三 食物链和食物网三 食物链和食物网 一一 食物链和食物网的概念食物链和食物网的概念 1 食物链 food chains 生产者所固定的能量和物质 通过一系列取食和被食的关系在生态系统中传 递 各种生物按其食物关系排列的链状顺序称为食物链 food chains 举例说明陆地生态系统 绿色植物 食草动物 一级肉食动物 二级肉食动物 顶级肉食动物 水域生态系统 浮游植物 浮游动物 食 草性鱼类 一级食肉性鱼类 二级食肉性鱼类 顶级食肉性鱼类 2 食物网 foodweb 食物链彼此交错链结 形成一个网状结构 这就是食物网 一个复杂的食物网 是使生态系统保持稳定的重要条件 一般认为 食物网越复杂 生态系统抵抗外力干扰的能力就越强 食物网越简单 生态系统就越容易发生波动和毁灭 二二 食物链的类型食物链的类型 在生态系统中都存在着三种主要的食物链 捕食食物链 grazing food chain 和碎屑 食物链 detrital food chain 和寄生食物链 三 食物链的特征 三 食物链的特征 1 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 2 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 3 食物链或食物网的复杂程度与生态系统的稳定性直接相关 4 生态系统中的食物链 不是固定不变的 它不仅在进化历史上有改变 在短时间内也会发生变化 四 营养级和生态金字塔四 营养级和生态金字塔 一 营养级 一 营养级 trophic levels 是指处于食物链某一环节上的所有生物种的总和 因此 营养级之间 的关系已经不是指一种生物和另一种生物之间的营养关系 而是指一类生物和处在不同营养层次上另一 类生物之间的关系 生产者的绿色植物和所有自养生物都位于食物链的起点 即食物链的第一环节 它 们构成了第一个营养级 所有以生产者 主要是绿色植物 为食的动物都属于第二个营养级 即植食动物营 养级 第三个营养级包括所有以植食动物为食的肉食动物 以此类推 还可以有第四个营养级 即二级肉 食动物营养级 和第五个营养级等 由于食物链的环节数目是受到限制的 所以营养级的数目也不可能很 多 一般限于 3 5 个 营养级的位置越高 归属于这个营养级的生物种类和数量就越少 当少到一定程 度的时候 就不可能再维持另一个营养级中生物的生存了 二 生态金字塔 二 生态金字塔 ecological pyramids 是指各个营养级之间的数量关系 这种数量关系可采 用生物量单位 能量单位和个体数量单位 采用这些单位所构成的生态金字塔就分别称为生物量金字塔生物量金字塔 能量金字塔能量金字塔和数量金字塔数量金字塔 数量金字塔是以生物的个体数量表示每一营养级 生物量金字塔以生物组织 的干重表示每一个营养级中生物的总重量 能量金字塔是利用各营养级所固定的总能量值的多少来构成 的生态金字塔 五 生态效率五 生态效率 生态效率生态效率 ecological efficiencies 是指各种能流参数中的任何一个参数在营养级之间或营养级内部 的比值关系 营养级间的同化能量之比值为林德曼效率林德曼效率 多个生态系统中 林德曼效率似乎是一个常数 即 10 生态学家通常把 10 的林德曼效率看成是 一条重要的生态学规律 但近来对海洋食物链的研究表明 在有些情况下 林德曼效率可以大于 30 9 对自然水域生态系统的研究表明 在从初级生产量到次级生产量的能量转化过程中 林德曼效率大约为 15 20 就利用效率来看 从第一营养级往后可能会略有提高 但一般说来都处于 20 25 的范围之 内 这就是说 每个营养级的净生产量将会有 75 80 通向碎屑食物链 六 生态系统的反馈调节与生态平衡六 生态系统的反馈调节与生态平衡 一 生态平衡及其调节 一 生态平衡及其调节 由于生态系统具有自我调节机制 生态系统会保持自身的生态平衡 生态平衡是指生态系统通过发 育和调节所达到的一种稳定状况 它包括结构上的稳定 功能上的稳定和能量输入输出上的稳定 生态 平衡是一种动态平衡 因为能量流动和物质循环总在不间断地进行 生物个体也在不断地进行更新 生 产者 消费者和分解者在数量上保持平衡能够增强生态系统的自我调节能力 生态系统对于外界的干扰 在结构和功能上产生一系列对策 一保护其内部结构的稳定 它包括以 下四个基本原则 物质保护原则 生产保护原则 结构保护原则和关系保护原则 生态平衡的调节主要通过系统的抵抗力 恢复力 自治力和内稳机制来实现 1 抵抗力 resistance 生态系统抵抗外部干扰 维持系统结构功能原状的能力 2 恢复力 resilience 指生 态系统遭受外部干扰后 系统恢复到原状的能力 3 自治力 autonomy 指生态系统对于发生内部的 各种现象的自我控制能力 4 稳态机制 homeostasis 指内部组织 internal organization 和结构 的一种调节功能 即调节能量流动和物质循环的能力 调节生态系统中各种成分之间的营养关系的能力 二 生态平衡失调与生态危机 二 生态平衡失调与生态危机 当外界干扰压力很大 使系统的变化超出其自我调节能力限度即生态阈限时 系统的自我调节能 力随之丧失 此时 系统结构遭到破坏 功能受阻 整个系统受到严重伤害乃至崩溃 此即生态平 衡失调 严重的生态平衡失调 从而威胁到人类的生存时 称为生态危机 由于人类盲目的生产和生活活 动而导致的局部甚至整个生物圈结构和功能的失调 复习题 复习题 1 名词解释 种群 种群动态 生态系统 食物链 食物网 生态效率 内禀增长率 马尔萨斯方程 逻辑斯蒂增长模型 生态平衡 生态平衡失调 生态危机 2 自然种群的三个基本特征是什么 3 种群中个体的三种空间分布格局是什么 4 种群个体按生殖年龄划分的三个生态时期是什么 5 根据年龄结构划分的三种种群类型是什么 6 种群增长的模型主要有哪两种 7 什么是种群大小调节 调节种群大小的因素主要是什么 8 生态平衡调节的四个基本原则是什么 9 生态平衡调节的四种机制是什么 第三章第三章 城市生态学基本原理与思想城市生态学基本原理与思想 第一节第一节 城市生态学基本原理城市生态学基本原理 一 城市生态位原理一 城市生态位原理 1 生态位 生态位 niche 的概念 的概念 生态位 niche 一个种群在生态系统中 在时间空间上所占据的位置及其与相关种群之间的功能 10 关系与作用 一般说 生态位的宽度依据该种的适应性而改变 适应性较大的物种占据较宽广的生态位 2 生态位理论的基本要点 生态位理论的基本要点 1 生态位宽度 广度 niche breadth niche width 一个有机体单位 物种 利用的各种各样不同 资源的综合的幅度 2 生态位重叠 niche overlap 不同物种的生态位之间的重叠现象 或是说两个 或更多的物种对资源位和资源状态共同利用 生态位重叠是竞争的必要条件但并非绝对条件 而决定于 资源状态 3 生态位分离 niche separation 定义 两个物种在资源系列上利用资源的分离程度 又称 竞争排斥原理 anticompetitive exclusion principle 或高斯 Gause 1934 原理 如果许多物种占据一个 特定的环境 他们要共同生活下去 必然要存在某种生态学差别 具有不同的生态位 否则它们不能 在相同的生态位内永久地共存 4 生态位移动 niche drift 种群对资源谱利用的变动 这是环境胁迫 或者竞争的结果 3 用生态位理论解释自然生物群落 用生态位理论解释自然生物群落 1 一个稳定的群落中占据了相同生态位的两个物种 其中一个终究要灭亡 2 一个稳定的生物群 落中 由于各种群在群落中具有各自的生态位 种群间能避免直接的竞争 从而保证了群落的稳定 3 群落是一个相互起作用 生态位分化的种群系统 这些种群在它们对群落的时间 空间和资源利用方面 以及相互作用的可能类型方面 都趋于互相补充而不是直接竞争 大家配合共同生活 更有效地利用环 境资源 从而保证了群落在一个较长时间有较高的生长力 具有更大的稳定性 4 竞争可以导致多样性 而不是灭绝 竞争在塑造生物群落的物种构成中发挥着主要作用 竞争排斥在自然开放系统中 很可能 是例外而不是规律 因为 物种常常能够转换它们的功能生态位去避免竞争的有害效应 4 城市生态位 城市生态位 urban niche 城市生态位 urban niche 是个城市给人们生存和活动所提供的生态位 是城市提供给人们的或可被人 们利用的各种生态因子 如水 食物 能源 土地 气候 建筑 交通等 和生态关系 如牛产力水平 环 境容量 生活质量 与外部系统的关系等 的集合 它反映了一个城市 或者其他人类生境 的现状对于人 类各种经济活动和生活活动的适宜程度 反映了个城市的性质 功能 地位 作用及其人口 资源 环 境的优劣势 从而决定了它对不同类型的经济以及不同职业 年龄人群的吸引力和离心力 城市生态位大致可分为两大类 一类是资源利用 生产条件生态位 一类是环境质量 生活水平生 态位 简称生活生态位 其中生产条件生态位 简称生产生态位 包括了城市的经济水平 物质和信息生 产及流通水平 资源丰盛度 如水 能源 原材料 资金 智力 土地 基础设施等 生活生态位包括 社会环境 如物质生活和精神生活水平及社会服务水平等 及自然环境 物理环境质量 生物多样性 景观 适宜度等 总之 城市生态位是指城市满足人类生存发展所提供的各种条件的完备程度 一个城市既有整体意 义上的生态位 如一个城市相对于其外部地域的吸引力与辐射力 也有城市空间各组成部分因质量层次 不同所体现的生态位的差异 如有学者认为 城市市中心的生态位在城市各个空间组成部分是最优越的 在特定的条件下和特定的城市发展阶段 对城市居民个体而言 在城市发展过程中 不断寻找良好的生 态位是人们生理和心理的本能 人们向往生态位高的城市地区的行为 从某种意义上说 是城市发展的 动力与客观规律之 二 多样性导致稳定性原理二 多样性导致稳定性原理 大量事实证明 生物群落与环境之间保持动态平衡的稳定状态的能力 是同生态系统物种及结构的 11 多样 复杂性呈正相关的 也就是说 生态系统的结构愈多样 复杂 则其抗干扰的能力愈强 因而也 愈易于保持其动态平衡的稳定状态 这是因为在结构复杂的生态系统中 当食物链 网 上的某一环节发生 异常变化 造成能量 物质流动的障碍时 以由生物种群间的代偿作用给予克服 多样 复杂的生态系 统受到了较为严重的干扰 也总是会自发地通过群落演替 恢复原先的稳定性状态 重建失去了的生态 平衡 只是所需的时间 要比受较轻微干扰的生态系统长 在城市生态系统中 各种人力资源及多种性质保证了城市各项事业的发展对人才的需求 各种城市 用地具有的多种属性 自然的或人工整地形成的 保证了城市各类活动的展开 多种城市功能的复合作用与 多种交通方式使城市具有远比单一功能与单一交通方式的城市大得多的吸引力与辐射力 城市各部门行 业和产业结构的多样性和复杂性导致了城市经济的稳定性和整体性的城市经济效益高等 这都是多样性 导致稳定性原理在城市生态系统中的应用和体现 三 食物链三 食物链 网网 原理原理 在普通生态学里 食物链 food chain 指以能量和营养物质形成的各种生物之间的联系 食物网 food web 则指一个生物群落中许多食物链彼此相互交错连接而成的复杂营养关系 广义的食物链 网 原理应用于城市生态系统中时 首先是指以产品或废料 下脚料为轴线 以利润为 动力将城市生态系统中的生产者 企业相互联系在一起 城市各企业之间的生产原料 是互相提供的 某一企业的产品是另一企业生产的原料 某些企业生产的 废品 也可能是另一些企业的原料 如此之间反 复发生密切的联系 因而可以根据需要进行城市食物网 加链 和 减链 除掉或控制那些影响食物网传递 效益 利润低 污染重的链环 即 减链 增加新的生产环节 将不能直接利用的物质 资源转化为价值 高的产品 即 加链 其次 城市食物链 网 原理反映了城市生态系统具有的这特点 即 城市的各个组 分 各个元素 各个部分之间既有着直接 显性的联系 也有着间接 隐性的联系 各组分之间是互相 依赖 互相制约的关系 牵一发而动全身 此外 城市生态学的食物链 网 原理还表明 人类居于食物链的顶端 人类依赖于其他生产者及各营 养级的 供养 而维持其生存 人类对其生存环境污染的后果最终会通过食物链的作用 即污染物的富集作 用 而归结于人类自身 四 系统整体功能最优原理四 系统整体功能最优原理 各个子系统功能的发挥影响了系统整体功能的发挥 同时 各子系统功能的状态也取决于系统整体 功能的状态 城市各个子系统具有自身的目标与发展趋势 作为个体存在 它们都有无限制地满足自身 发展的需要 而不顾其他个体的潜势存在 所以 城市各组分之间的关系并非总是协调一致的 而是呈 现出相生与相克的联系状态 因此 理顺城市生态系统结构 改善系统运行状态 要以提高整个系统的 整体功能和综合效益为目标 局部功能与效率应当服从于整体功能和效益 五 环境承载力原理五 环境承载力原理 1 定义 定义 所谓环境承载力 environmental load capacity 是指某一环境状态和结构在不发生对人类生存 发展有害变化的前提下 所能承受的人类社会作用 具体体现在规模 强度和速度上 其三者的限制 是环境本身具有的有限性自我调节能力的量度 2 环境承载力最主要的特点是客观性和主观性的结合 环境承载力最主要的特点是客观性和主观性的结合 客观性体现在一定环境状态下其环境承载力 是客观存在的 是可以衡量和把握的 主观性表现在环境承载力的指标及其数值将因人类社会行为内容 的不同而不同 而且人类可以通过自身行为 特别是社会经济行为来改变环境承载力的大小 控制其变 化方向 环境承载力的另一特点是具明显的区域性和时间性 地区不同或时间范围不同 环境承载力也 12 可以不同 3 环境承载力包括 环境承载力包括 1 资源承载力 含自然资源条件如淡水 土地 矿藏 生物等 也包含社会资 源条件 如劳动力资源 交通工具与道路系统 市场因子 经济发展实力等 从资源发挥作用的程度来 划分 资源承载力又可分为现实的和潜在的两种类型 现实的 指在现有技术条件下 一区域范围内的 资源承载能力 潜在的 指技术进步 资源利用程度提高或外部条件改善促进经济腹地资源输人 从而 提高本区的资源承载力 2 技术承载力 主要指劳动力素质 文化程度与技术水平所能承受的人类社会 作用强度 它同样也包括现实的与潜在的两种类型 3 污染承载力 是反映本地自然环境的自净能力大 小的指标 4 环境承载力原理具体内容 环境承载力原理具体内容 1 环境承载力随城市外部环境条件的变化而变化 2 环境承载力的改 变会引起城市生态系统结构和功能的变化 从而推动城市生态系统的正向演替或逆向演替 3 城市生态 演替是一种更新过程 它是城市适应外部环境变化及内部自我调节的结果 城市生态系统向结构复杂 能量最优利用 生产力最高的方向的演化称为正向演替 反之称为逆向演替 4 城市生态系统的演替方 向是与城市生态系统中人类活动强度是否与城市环境承载力相协调密切相关的 当城市活动强度小于环 境承载力时 城市生态系统可表现为正向演替 反之 则相反 第二节第二节 城市生态学研究的基本思路城市生态学研究的基本思路 一 系统的概念一 系统的概念 系统 system 是相互依存 相互制约 相互作用的诸元素的综合体 而体现这种整体性和相互联系 性的思想 就是系统思想 系统思想要求 全面地 而不是局部地看问题 连贯地 而不是孤立地看问题 灵活地 而不是呆 板地看问题 系统思想作为一种进行分析与综合的辩征思维工具 在城市生态学学习和研究中 必须始 终用系统思想作指导 才能取得预期效果 二 系统的特征二 系统的特征 1 整体性或称集合性 系统是由许多元素按一定方式组台起来的 这些元素虽然各具不同的性能 但它们是根据逻辑统性的要求构成的整体 一部电视机有 103 个元件 一架喷气式飞机有 105 个零件 一个城市有 108 个单位 2 关联性 系统各个组成部分之间是互相联系 互相制约 有机地结合在一起 的 3 目的性 系统具有一定的功能 达到定的目的 4 环境适应性 任何一个系统都处在个特定的 环境之中 系统与环境不断进行能量 物质与信息的交换 系统必须适应它的环境 5 反馈机制 所有 的系统都是信息反馈系统 系统内部都有反馈机制 三 系统的研究思路三 系统的研究思路 系统作为一个统一的整体 在系统边界确定以后 所有跨越边界进入系统的流动 都是系统输入 跨越边界离开系统的流动都是系统的输出 人们在认识系统的实践中 常常会遇到各种各样的系统 其 中有的系统 人们对其输入与输出比较容易了解 而对其内部组分及组分间相互联系和相互作用的认识 则存在不同程度的困难 相反 人们对有的系统的内部组分及其组分间相互联系和相互作用关系比较容 易了解 而对其输出与输入则难以确定 因此 对于不同的系统 应采取币同的研究思路 我们把各种 研究系统的思路 统