环境学之人类与生物圈培训资料(PPT 56页).ppt

第五章人类与生物圈,一、生态学的含义,生态学的含义及发展,生态学是研究生物与其生活环境相互关系的科学。是生物学的主要分科之一，初期偏重于植物，后来逐渐涉及动物，而有植物生态学和动物生态学之分。,二、生态学的学科特性：多学科性。,生态学的多学科性及相互关系,三、生态学发展进程中的主要特点,从定性探索生物与环境的相互作用到定量研究。,从个体生态系统到复合生态系统，由单一到综合，由静态到动态地认识自然界的物质循环与转化规律。,与基础科学和应用科学相结合，发展了生态学，扩大了生态学的领域。,四、生态学与环境科学的关系,生态学和环境科学所研究的问题相近，虽然研究的侧重点不同，但生态学的许多基本原理可以应用于环境科学中，来研究解决人类生活与环境问题。,生态学的含义及发展,一、生态系统概念的形成及发展,1935年英国生态学家坦斯利（A.G.Tansley）首先提出了生态系统（Ecosystem）这一科学概念，用来概括生物群落和环境共同组成的自然整体。,1942年，生态学家林德曼发表了“食物链”、“金字塔营养基”和“十分之一”定律的报告，初步奠定了生态系统的理论基础。,前苏联生态学家苏卡乔夫1944年，提出了“生物地理群落”的科学概念（与生态系统概念同义），它是指在一定地表范围内相似的自然现象即大气、岩石、植物、动物、微生物、土壤、水文等条件的总和。,生态系统的结构与功能,进入50年代，特别是60年代以后，著名生态学家奥德姆、惠特克（R.H.Whittaker）和苏卡乔夫等人的研究工作，使生态系统学说的理论体系进一步完善。70年代以来，生态系统学说得到了空前发展。,50年代以来，与生态系统理论有关的几个研究计划,60年代“国际生物学计划”（IBP，InternationalBiologicalProgram），以自然生态系统的能量流动和物质循环为主要对象；,70年代的“人与生物圈计划”（MAB，ManandBiosphere），强调了人类活动对自然生态系统及生物圈的影响；,80年代的“国际地圈与生物圈计划”（IGBP，InternationalGeosphere-BiosphereProgram），主要研究生物圈和地球系统的相互作用。,生态系统的结构与功能,二、生态系统的概念、组成及特征,生态系统的概念,在一定地区内，生物成分（生物群落）和非生物环境（物理环境）之间通过能量流动、物质循环和信息传递相互作用、相互依存形成的一个生态学功能单位。,生物成分,（物理环境）,（生物群落）,非生物成分,能量流动物质循环信息传递,生态系统的结构与功能,生态系统的组成,图、生态系统的组成,生态系统的结构与功能,生态系统的特征,多层次性,是开放系统，而非封闭系统,控制系统或反馈系统,动态系统：由简单到复杂、由不成熟到成熟,任何一个能够维持其机能正常运转的生态系统必须依赖外界环境提供输入和接受输出。,在一定限度内，逐渐修复与调整因外界干扰而受到的损伤，维持正常的结构与功能，保持其相对平衡状态,生态系统的结构与功能,三、生态系统的结构,空间结构：,营养结构：食物链、食物网,食物链,概念：生态系统中以生产者为起点，一些有机体以吃和被吃的关系，即通过食物关系彼此联结而形成的一个能量与物质流通系列。（示例）,食物链类型：,捕食食物链,碎屑食物链,水平结构、垂直结构、层片,生态系统的结构与功能,食物网,图、一个简化的陆地生态系统食物网,食物网：各个食物链彼此交织、错综连接形成复杂的能量与物质流通的网络。,食物（链）网的复杂程度与生态系统的稳定性,一般来说，食物链越长，食物网的结构越复杂，抵抗外界干扰的能力越强，稳定性就越大。反之，生态系统容易发生波动或毁灭。,生态系统的结构与功能,营养级,在生态系统中，凡是以相同或相似的方式获取相同性质食物的植物类群或动物类群。（示例）,营养结构,在生态系统中，不同营养级的组合就是营养结构。,注：在生态系统中，食物链的环节和营养级的数目都是有限的（一般为35个环节）,思考：该理论在生产活动中有何意义？,生态系统的结构与功能,生物放大作用,污染物通过食物链产生逐级富集的现象。,大气：0.000003ppm,浮游生物0.04ppm（1.3万倍）,小鱼0.5ppm（14.3万倍）,大鱼2.0ppm（57.2万倍）,水鸟25ppm（858万倍）,人30ppm（1000万倍）,举例：以DDT为例。,思考：该概念对我们有什么警示意义？,生态系统的结构与功能,四、生态系统的功能,能量流动（单向）,图、能量流动示意图,生态系统的结构与功能,能量流动中能量损失的主要原因？,能量流动（单向）,生态系统能量转化效率,“百分之十率”或“十分之一定律”,图、能量传递的“十分之一定律”,生态金字塔,数量金字塔,生物量金字塔,能量（生产力）金字塔,生态系统的结构与功能,图、生态金字塔（P生产者、C消费者、D分解者、S腐食者）,生态系统的结构与功能,为什么？,水域生态系统大多数初级生产者是各种浮游藻类，其体积很小而表面积大，适于浮游。同时由于其寿命短，一部分个体被植食动物所虑食，另一部分个体也很快死亡并被生物分解，因此积累的现存生物量很少，而较高营养级的生物寿命长，故在水生生态系统中出现颠倒的生物量金字塔，这是陆地生态系统所没有的。,物质循环,生态系统中的物质,大量元素：含量占生物体总重量万分之一以上的元素（C、H、0、N、P、S、K、Ca、Mg）,微量元素：生物体含量很少的一些元素（如B、Cl、Co、Cu、I、Fe、Mn、Mo、Se、Si、Zn）,物质循环的类型（根据范围、途径和周期不同）,生态系统内的小循环,生态系统间或全球性的生物地球化学大循环,生态系统的结构与功能,生物地化循环类型（根据储存库和物质形态不同）,储存库和交换库,水循环,气体型循环,沉积型循环,代表物质：碳、氮、氧等。,代表物质：磷、硫、碘、钾、镁、铁等。,生态系统的结构与功能,水循环,思考：水循环的生态学意义？,生态系统的结构与功能,气体型循环（以氮循环、碳循环为例）,生态系统的结构与功能,碳循环,思考：目前人类对碳循环有何影响？,生态系统的结构与功能,沉积型循环（以磷循环为例）,生态系统的结构与功能,信息传递,物理信息,物理信息由声、光和颜色等构成。,化学信息,由生物代谢产物，尤其是分泌的各种激素组成的化学物质。,营养信息,行为信息,生态系统的结构与功能,人类对生物圈的影响,一、生态系统平衡及维持机制,生态系统平衡的概念,在一定的时期内，生产者、消费者和分解者之间保持着一种动态平衡状态，系统内的能量流动和物质循环在较长时期内保持稳定，这种状态就是生态平衡。,生物种类（动物、植物、微生物）的组成和数量比例相对稳定；,非生物环境（包括空气、阳光、水、土壤等）保持相对稳定。,人类对生物圈的影响,生态系统平衡的维持机制（反馈调节）,负反馈：生态系统受内部或外部某因素的干扰引起了一些变化，这些变化反过来抑制了该因素的干扰和所引起的变化，进而导致生态系统逐渐恢复平衡稳定状态。,例：狼与兔子之间的数量关系,正反馈：生态系统受内部或外部某因素的干扰引起了一些变化，这些变化反过来不是抑制而是加强了该因素的干扰和所引起那些变化，进而导致生态系统远离平衡稳定状态。,举例：水体富营养化、黄土高原水土流失,生态系统反馈调节的限度,人类对生物圈的影响,图、两个负反馈之间的相互关系,人类对生物圈的影响,二、生态学的基本规律“五规律”（马世骏）,相互制约和相互依赖的规律,物质循环转化的再生规律,物质输入与输出的动态平衡规律,相互适应与补偿的协同进化规律,环境资源的有效极限规律,“物物相关”、“相生相克”,人类对生物圈的影响,三、人类对生物圈的影响,森林在缩小,草场在退化,猎捕与毒杀,人与昆虫的战争,意外的繁衍,日益加速的物种灭绝（生物多样性丧失）,人类对生物圈的影响,四、关于生物多样性,生物多样性的概念,在一定时间和一定地区所有生物（动物、植物、微生物）物种及其遗传和生态系统复杂性的总称。,遗传多样性(Geneticdiversity),广义：指地球上生物所携带的各种遗传信息的总和（存在于生物个体内、单个物种内以及物种之间的遗传变异的总和）。,狭义：指生物种内基因的变化，包括种内显著不同的种群之间以及同一种群内的遗传变异（世界资源研究所，1992）。,人类对生物圈的影响,生态系统多样性（Ecosystemdiversity）,物种多样性(Speciesdiversity),某一区域内生物（动物、植物、微生物）种类的丰富度。包括两个方面（蒋志刚等，1997）：,一是指一定区域内的物种丰富程度，可称为区域物种多样性；,二是指生态学方面的物种分布的均匀程度，可称为生态多样性或群落物种多样性。,生物圈内生境、生物群落和生态过程的多样化以及生态系统内生境差异和生态过程变化的多样性。（McNeely等，1990）,人类对生物圈的影响,生物多样性的价值,生物多样性的价值通常指基因、物种、生态系统对人类的生存所具有的现实和潜在价值。主要表现在：,直接价值,消耗性利用价值：指直接消耗性的（即不经市场交易的）自然产品上的价值。,生产性利用价值：通过商业性收获供市场交换产品的价值。,其他表现：野生生物遗传资源对现代农业的贡献、野生传粉动物对作物的贡献、利用生物多样性防治病虫害、在医疗卫生方面的价值。,人类对生物圈的影响,间接价值（生态功能）,生态系统的生产力能力，为所有物种包括人类提供生命维持系统；,指不能直接转化为经济效益的价值，它涉及到生态系统的功能，但其作用很显著，可从以下方面理解：,维持生态系统平衡具有重要意义；,促进土壤发育，保护水土资源；,调节气候；,净化环境，吸收分解污染物质；,提供良好生活和娱乐环境，有利人类身心健康。,人类对生物圈的影响,潜在价值或选择价值,指那些潜在的未被人们认识的价值，为后代人在利用生物多样性方面提供了选择的机会，为人类适应自然变化提供了选择的机会。,存在价值,指生物多样性的伦理学和哲学价值。例如：发达国家的一些人，对他们从未打算参观和利用的某一物种和环境附加了价值。他们希望子孙后代可从这些物种的存在而得到一些利益。或可能只是满足于知道海洋中的曾拥有鲸，中国有大熊猫。,人类对生物圈的影响,中国的生物多样性,中国在国际上的地位,中国是全球12个生物“巨大多样性国家”之一。（墨西哥、哥伦比亚、厄瓜多尔、秘鲁、巴西、扎伊尔、马达加斯加、中国、印度、马来西亚、印度尼西亚、澳大利亚）,中国生物多样性的特点,物种丰富,中国有高等植物3万余种，其中在全世界裸子植物15科850种中，中国就有10科，约250种，是世界上裸子植物最多的国家。有脊椎动物6347种，占世界近14。,人类对生物圈的影响,中国生物多样性的特点,特有属、种繁多,高等植物中特有种最多，约17300种，占中国高等植物总种数的57以上。6347种脊椎动物中，特有种667种，占10.5。,区系起源古老,由于中生代末中国大部分地区已上升为陆地，第四纪冰期又未遭受大陆冰川的影响，许多地区都不同程度保留了白垩纪、第三纪的古老残遗部分。如松杉类世界现存7个科中，中国有6个科。动物中大熊猫、白鳍豚、扬子鳄等都是古老孑遗物种。,人类对生物圈的影响,中国生物多样性的特点,栽培植物、家养动物及其野生亲缘的种质资源非常丰富,中国是水稻和大豆的原产地，品种分别达5万个和2万个；有药用植物11000多种，牧草4215种，原产中国的重要观赏花卉超过30属2238种；是世界上家养动物品种和类群最丰富的国家，共有1938个品种和类群。,生态系统丰富多彩,中国具有地球陆生生态系统，如森林、灌丛、草原和稀树草原、草甸、荒漠、高山冻原等各种类型，由于不同的气候和土壤条件，又分各种亚类型599种。海洋和淡水生态系统类型也很齐全，目前尚无统计数据。,人类对生物圈的影响,生物多样性保护,中国生物多样性损失触目惊心,中国生物多样性保护,就地保护,就地保护就是通过建立自然保护区、规划禁猎区、禁伐（采）区、生态公益林区对野生动植物及其栖息地进行保护，这是公认的效率较高的物种保护措施。,到2009年底，中国大陆共建立自然保护区2541个，面积14700万公顷，陆地保护区的面积约占陆地国土面积的14.7%。有28处自然保护区加入联合国教科文组织“人与生物圈保护区网络”。（中国环境状况公报）,人类对生物圈的影响,中国生物多样性保护,迁地保护,动物园、植物园、野生动植物救护繁育基地等是开展野生动植物保护的重要依托载体。,据不完全统计，我国已建植物园110个保护各种高等植物2.3万种，属于中国区系的种类有1.61.8万种；已建有各类城市动物园、野生动物园220多家，养殖动物1000多种，总数超过10万只。（2007）,离体保护,生态学在环境保护中的应用,一、全面考察人类活动对环境的影响,“南水北调东线工程对上海地区的可能影响”,二、充分利用生态系统的调节能力,生态系统的调节能力,生态系统自净能力的应用以土地处理系统为例,什么叫土地处理系统,一般土壤及其中微生物和植物根系对污染物的综合净化能力、可以利用来处理城市污水和一些工业废水；同时，普通污水或废水中的水分和肥分也可以利用来促进农作物、牧草或林木的生长并使其增加产量。凡能达到上述目的的工程设施，即称为土地处理系统。,生态学在环境保护中的应用,生态系统自净能力的应用以土地处理系统为例,土地处理系统的净化机制,植物根系的吸收、转化、降解与合成等作用,土地中真菌、细菌等微生物的还原降解、转化及生物固定等作用,土壤中有机和无机胶体的物理化学吸附、络合和沉淀等作用,土壤的离子交换作用,土壤的机械截留过滤作用,土壤的气体扩散或蒸发作用,生态学在环境保护中的应用,生态系统自净能力的应用以土地处理系统为例,、土地处理系统的净化效果（见下图）,生态学在环境保护中的应用,三、解决近代城市中的环境问题,编制生态规划,进行城市生态系统研究,四、综合利用资源和能源,生态工艺（示例）,生态农场（视频）,菲律宾的马雅农场(MayaFarms)（示例）,北京留民营（生态农场）,珠江三角洲地区桑基鱼塘（桑基或果园，渔塘和农舍三结合的新型农村生