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第三章环境生态学基础,第一节生态学及其发展,生态学（Ecology）一词最早是由德国生物学家海格尔于1869年提出的。,生态学的定义,生态学名词来源：Ecologyockologieoikos(住处或栖息地)(英文)(希腊文)logos(科学),生态学是研究生物和环境之间相互关系以及生物与生物之间相互关系及其作用机理的一门科学。,生态学是一门发源于生物学而又越来越独立于生物学的研究生物、环境及人类社会相互关系的科学，一门研究个体与整体关系的系统科学。,生态学的研究内容,以自然生态系统为对象：探索环境对生物的作用，以及生物对环境的反作用，及其相互关系的规律。,以人工生态系统或半自然生态系统为对象：研究不同区域系统的组成、结构、功能，是当前研究的主要内容。纯粹自然生态系统已很少，大多为受干扰的（disturbed）生态系统。,以社会生态系统为对象：生态学与社会经济的结合。,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主要分科之一，初期偏重于植物后来逐渐涉及动物因而有植物生态学和动物生态学之分；由于人类环境问题和环境科学的发展，生态学更扩展到人类生活和社会形态等方面，把人类这一个生物种也列入生态系统中，来研究并阐明整个生物圈内生态系统的相互关系问题。这样便形成了人类生态学这一领域更广泛、内容更丰富的科学。同时，现代科学技术的新成就也已经渗透到生态学的领域中，赋予它新的内容和动力成为当代较活跃的多学科科学领域之一。,生态学的发展,可见，传统的生态学已不能概括当今生态学的丰富内容。现代生态学是一门多学科的自然科学，它研究生命系统与环境系统之间相互作用的规律及机理。所谓生命系统指的是自然界中具有一定结构和调节功能的生命单元；环境系统则是自然界中的光、空气、水分以及各种有机和无机元素相互作用所共同构成的空间。,现代生态学的解释，对生态学学科本身的发展也提出了更高的要求。,生态学发展过程中，主要体现出了一下几个特点：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、应用科学相结合，发展了生态学，扩大了生态学领域。,第二节有关种群、群落的基本知识,种群（Population）：某特定时间，栖居在某个自然区域内的同种有机体的组合（一定空间里某种个体的组合）。种群大小:指一个种的个体数目多少。可以用以下指标来衡量种群数量：一定面积或容积中某个种的个体总数。种群密度：单位面积或单位容积内的个体数目。,种群数量变动原因,迁出（）,迁入（）,出生（）,种群数量,死亡（）,种群数量变动取决于出生率和死亡率，迁入和迁出这两组因素。,A型（凸型）：绝大多数个体都能活到生理年龄，早期死亡率极低，但一旦达到一定生理年龄时，短期内几乎全部死亡。B型（对角线型）：种群各年龄的死亡基本相同。C型（凹型）：生命早期有极高的死亡率，但是一旦活到某一年龄，死亡率就变得很低而且稳定。,以存活数量的对数值为纵坐标，以年龄为横坐标作图，从而把每一个种群的死亡存活情况绘成一条曲线，这条曲线即是存活曲线。,存活曲线,性比:种群中雌性与雄性在数量上的比例,是推测种群未来发展趋势的一项指标。年龄结构（年龄组成、年龄分布）：种群内各个体的年龄分布状况，即各个年龄级的个体数在整个种群个体总数中占的百分数，可反映种群当时的发育阶段，并预示种群数量变化动态和发展趋势。,性比和年龄结构,A增长型：幼年个体占最大百分数，老年最少，总数呈上升趋势。B稳定型：各年龄级的个体数分布比较均匀，种群的大小趋于稳定。C衰退型：与A相反,老年个体数很大,幼年个体数很少，种群数量趋于减少。,种群数量变动规律,时间t之末的种群数NtN0(b-d）N0为起始种群数，b为出生数，d为死亡数。种群在单位时间内或某一瞬间增长率（r）r（）（Nt-N0）/N0100dN/dt=rN（设环境资源不受限制，增长率r为一恒值）其指数式为Nt=N0ert(e为自然对数的底），表示种群在这种环境状况下呈指数式增长。当r0时，种群按指数曲线形式无限制地增长，呈“J”字型指数生长曲线；当r=0时，则Nt=N0；当r0,种群增长；当KN0,种群个体数目减少；当KN=0,种群大小基本处于稳定的平衡状态；上式积分得：NK/(1+ea-rt);式中a=r/K此方程画出的曲线开始时呈指数增长趋势，后来增长趋势逐渐缓慢，最后（在接近环境负荷量K时）达到比较稳定的停滞水平，呈现“S”形。,生物势：生物在没有任何限制的环境中增长的潜在速率。又称内禀增长率（r）。,环境阻力：环境因素限制生物增殖的力量。（KN）/K表示在J形和S形曲线之间。,生物势与环境阻力,群落的基本概念,群落：由不同种的种群有规律的集合体。“有规律”体现在:1、通过一定的发展过程，群落是强调在长期历史过程中发展而成。(1)一定的外貌(2)结构(3)种类组成。,群落并不是各种生物杂乱的堆积或相加。,一个池塘生物群落,多种水生植物种群多种浮游动物种群多种浮游植物种群多种底栖生物种群多种细菌种群多种鱼类种群,外貌结构种类组成,具有一定功能，并与环境相互影响,2、群落内种群和种群之间，种群和环境之间已建立一定的联系。,群落的水平结构：群落的水平结构主要表现特征是镶嵌性。镶嵌性表明植物种类在水平方向上的不均匀配置，它使群落在外形上表现为斑块相间的现象，具有这种特征的群落叫做镶嵌群落。在镶嵌群落中，每一个斑块就是一个小群落，小群落具有一定的种类成分和生活型组成，它们是整个群落的一小部分。生态位：指生态系统中（或群落中）一个生物种群的功能作用以及它在时间和空间上的地位。,群落的结构与分布,群落的垂直结构：大多数群落的内部都有垂直分化现象，即成层现象。,植被：整个地球上全部植物群落的总和。植物群落是植被的基本单元。样方、样带、样线、样圆,面积10m10m(乔木),5m5m(灌木)，1m1m(草本)。样方法：用一定面积来作为整个群落的代表，详细计算这个面积中的植物种类、频度、多度、显著度和重要值。,植被调查,计算方法：频度=（某种出现的样方数/全部样方数）100；相对频度=（某种的频度/全部种的频度之和）100；相对多度=（某种的个体数/全部种的个体数之和）100；相对显著度=（某种的显著度/全部种的显著度之和）100；植被对环境的指示作用。植被调查在环境评价和环境规划中的重要作用。,演替是指群落经过一定历史发展的时期，由一种类型变为另一种类型的顺序进程。演替的动力内因动态演替外因动态演替演替的基本类型原生演替（primarysuccession）次生演替（secondarysuccession）,群落的演替与环境因子的关系,原生演替在原生裸地上发生的演替系列,次生演替原来的植物群落由于火灾、洪水、崖崩、火山爆发,风灾、人类活动等原因大部消失后所发生的演替,演替的顶级理论,演替顶级（Climax）是Clements首先提出。Osting(1956)给予完整概念。演替顶级就是这样的一个群落，它们的种类在综合彼此之间发展起来的环境中很好地互相适合；它们能够在群落内繁殖而且能排除新的种类，特别是可能成为优势种的种类在群落内的定居。也就是说，演替顶级是群落演替的最终阶段。,第三节生态系统,生态系统概述生态系统一词最早由英国生态学家坦斯利提出，其基本观点在于强调系统中各成员之间（生物与生物、生物与环境及环境各要素之间）功能上的统一性。著名生态学家奥德姆指出：生态系统就是包括特定地段中的全部生物和物理环境的统一体。具体来说：生态系统是一定空间内生物和非生物成分通过物质的循环、能量的流动和信息的交换而相互作用、相互依存所构成的一个生态功能单位。,生态系统实际上就是指一定地域内生存的所有生物和环境相互作用的、具有能量转换、物质循环代谢和信息传递功能的统一体。生态系统的范围可大可小，大至整个生物圈、整个海洋。它在大小和空间范围上往往依据人们所研究的对象、研究内容和研究目的或地理条件等因素而确定。,生态系统概念的提出，为研究生物与环境的关系提出了新的观点、基础及角度，生态系统已成为当前生态学研究领域中最活跃的方面。目前生态系统的研究，主要集中在：自然生态系统的保护与利用生态系统调控机制的研究生态系统退化的机制、恢复及其修复研究全球生态问题的研究生态系统可持续发展的研究,生态系统的基本组成,生态系统中，由食物关系把多种生物联接起来，一种生物以另一种生物为食，另一种生物再以第三种生物为食，彼此形成一个以食物联接起来的链锁关系，称为食物链。,生态系统的营养结构和功能,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。,营养级：指处于食物链某一环节上的全部生物种的总和，因此营养级之间的关系是指一类生物和处于不同营养层次上另一类生物之间的关系。,生态金字塔：指各个营养级之间某种数量关系，这种数量关系可采用生物量单位、能量单位或个体数量单位，采用这些单位构成的生态金字塔分别称为生物量金字塔、能量金字塔和数量金字塔。,生态系统的主要功能,生物生产生物生产力:绿色植物通过光合作用，把太阳能转变成贮存在化学键中的化学能的过程叫做生态系统的初级生产过程。单位时间，单位面积内的初级生产称为初级生产力，用gC/m2表示。总初级生产力Pg，净初级生产力PnPg=Pn+R或Pn=Pg-R(R为呼吸的消耗)次级生产：除了初级生产者以外，其它有机体的生产称为次级生产，次级生产者利用初级生产量进行生长、发育、繁殖以及营养物质的贮存和积蓄。,生态系统的能量流动特点：生态系统中的能流是单向的，即单向流动。流动过程中的各营养级层层递减（十分之一定律）。能量流动是以物质的形式为主要传递形式。,为什么肉类食品的价格比小白菜价格高?食物链一般不超过五个营养级？,食物链能塔图,生物地化循环矿物元素在生态系统之间的输入和输出，它们在大气圈、水圈、岩圈之间以及生物间的流动和交换称生物地(球)化(学)循环，即物质循环。,生态系统的物质循环,生物地化循环的特点,物质循环不同于能量流动，后者在生态系统中的运动是循环的；生物地化循环可以用库和流通率两个概念来描述。库是由存在于生态系统某些生物或非生物成分中一定数量的某种化学物质所构成的，可分为贮存库和交换库。前者的特点是库容量大，元素在库中滞留的时间长，流动速率小，多属于非生物成分；交换库则容量较小，元素滞留的时间短，流速较大。物质在生态系统单位面积(或单位体积)和单位时间的移动量称流通率。生物地化循环在受人类干扰以前一般是处于一种稳定的平衡状态。元素和难分解的化合物常发生生物积累、生物浓缩和生物放大现象。,水循环生态系统中物质和能量交换的基础,生物圈中的水循环,碳循环碳是构成生物体的主要元素,思考题1：,近几十年来，由于工业迅速发展，大气中CO2含量剧增，是造成地球温室效应的重要原因之一。此外，森林的超量砍伐和土壤的沙漠化；对有限耕地的频繁耕作和水域严重污染，也造成大气中的CO2的剧增，试对作出恰当解释。,氮循环氮是构成生物体有机物质的重要元素,磷循环磷是维持生命所需要的重要元素,硫循环,陆地,海洋,沉积物（CaSO4,FeS2）,溶解的SO42-,SO2,H2S,S,CaSO4,FeS2,死有机物,活有机物,SO42-,降水SO2,SO42-,扩散,海浪SO42-,大气,上升，分化,SO2,FeS2,死有机物,活有机物,SO42-,H2S,S,分解,化肥工业SO42-,摄取,扩散,火山活动H2S,SO2,SO42-,植物摄取SO2,SO42-,降水SO2,SO42-,化石燃烧,SO2,H2S,SO2,SO42-,有毒物质的迁移和转化,迁移：是重要的物理过程,包括分散、混合、稀释和沉降等；转化：主要是通过氧化、还原、分解和组合等作用，会发生物理的化学的和生物化学的变化。,有毒物质的迁移和转化汞循环,火山活动,化石燃烧,降水,挥发,挥发,沉积物,农田风化和淋溶作用,农药喷洒,径流,(CH3)2Hg,Hg2,CH3Hg,鱼,水生植物,水鸟,工厂汞的废物,捕鱼,由河水带走,(中性pH),(酸性pH),生态系统的信息传递生态系统中各生命成分之间与环境之间的信息交流与反馈过程,物理信息生态系统中的光、声、温度、湿度、磁力等通过物理过程传递的信息。化学信息生物产生一些可以传递信息的化学物质，如植物的生物碱、有机酸、性外激素等。行为信息动物的特殊行为，向同种或异种生物传递特定的信息,即生物的行为特征可以体现为行为信息。,海豚的回声定位,蝙蝠的回声定位,物理信息,鸟迁徙行为中对方向的判断,物理信息,（磁场）,化学信息,猫、狗肛门腺分泌物使粪便尿液等具有特殊气味，作为领地记号。,信息素这是最安全的求偶密码，多见于昆虫，雄蛾的触角可以“嗅”到十公里外雌蛾发出气味（性外激素）。,化学信息,炫耀这种行为多见于鸟类。,行为信息,生态系统中信息传递的作用,生命活动的的正常进行，离不开信息的作用。生物种群的繁衍，离不开信息的传递。调节生物的种间关系，维持生态系统的稳定。,生态系统的平衡,生态系统中的能量流动、物质循环与信息交流总是不