环境变化与社会发展2

1、环境变化与社会发展城市管理与资源环境学院主讲教师：吴巩胜主讲教师：吴巩胜第二章第二章 生态学基础生态学基础什么生态学？什么生态学？n生态学是研究生物与其环境相互作用的科学。这里的“环境”包括：物理环境（如温度、水等）生物环境（来自其他生物的影响）生态系统的概念生态系统的概念 n 生态系统就是在一定时间和空间内，生物与其生存环境以及生物与生物之间相互作用，彼此通过物质循环、能量流动和信息交换，形成的一个不可分割的自然整体。生态系统 = 生物群落 + 生物群落的环境生态系统 = 生命系统 + 环境系统生态系统的组成生态系统的组成 n生产者包括所有能进行光合作用的绿色植物以及光能自养型微生物和化能自

2、养型微生物。生产者是生态系统中最活跃的因素。绿色植物具有叶绿素，能利用太阳辐射能，通过光合作用，把吸收来的二氧化碳、水和无机盐类制造成初级产品-碳水化合物，并同时将太阳能以化学能的形式固定、储藏在碳水化合物中，碳水化合物可进一步合成转化为脂肪、蛋白质等其它有机物，这些有机物便成为地球上一切生物（包括人类在内）赖以生存的食物来源。除绿色植物外，化能自养型微生物和光能自养型微生物也能分别利用化学能和太阳能合成有机物，如氮化细菌能将氨氧化成亚硝酸和硝酸，并利用这一氧化过程中产生的能量把二氧化碳和水合成为碳水化合物。生产者在生态系统中的作用主要是生产各种有机物，一方面供自身生长发育所需，一方面为其它生

3、物提供食物来源。 生态系统的组成生态系统的组成 n消费者主要指动物而言。消费者均属于异养生物，即只能依赖生产者生产的有机物来维持自己的生命活动。其中，以植物的叶、枝、果实及凋落物为食的叫草食性动物（又称一级消费者），如陆地生态系统中的蝗虫、野兔、梅花鹿、牛、马、羊等，淡水生态系统中的浮游动物、螺蛳、虾等；以草食性动物（一级消费者）为食的叫肉食性动物，属于二级消费者或一级肉食者，如狐狸、黄鼠狼、青蛙；以二级消费者为食的叫三级消费者或二级肉食者，如老鹰、金钱豹、狮子等。依此类推。消费者在生态系统中的作用，一是物质与能量的传递作用，如在草原生态系统中，野兔就起着把青草中的有机物和储存在有机物中的能量

4、传递给肉食性动物的作用；二是物质的再生产，如草食性动物山羊可以把草本植物的植物性蛋白通过再生产转变成动物性蛋白。 生态系统的组成生态系统的组成 n分解者主要指细菌、真菌等微生物，也包括一些小型动物。细菌和真菌能分泌消化酶，把动植物残体中的有机物变成可溶状态，然后加以吸收。通过这一消化过程，有机物被分解成无机养分，返回到环境之中。一些土壤中的小型动物，如线虫、蚯蚓、蜈蚣等，在动植物残体分解过程中也起着重要作用，它们与细菌、真菌共同活动，加速了生物残体的分解与转化。在生态系统中，分解者是重要的生物群之一，其数量之多十分惊人。据估算，在农田生态系统中的细菌重量，平均每公顷有500公斤以上，至于细菌总

5、个数则是一个天文数字！分解者在生态系统中的作用，在于把生产者和消费者的残体分解成简单的物质，再供给生产者需要，以保证生态系统的物质循环。生态系统的组成生态系统的组成 n无生命成分生态系统中的无生命成分包括生物代谢的能源-太阳辐射，生物代谢材料-二氧化碳、水、氧、氮、无机盐、有机质等，温度、压力等物理条件。无生命成分在生态系统中的作用，一方面是为各种生物提供必要的生存环境，另一方面是为各种生物提供生长发育所必需的营养元素。生命成分和无生命成分在同一个时间和空间中，共同构成一个有机的统一体，在这个有机整体中，能量和物质在不断地流动，并在一定条件下保持着相对平衡。生态系统的组成生态系统的组成 生态系

6、统的结构生态系统的结构 n生态系统中生物种类及各种生物的种群数量均具有一定的时间分布和空间配置，在一定时期内处于相对稳定的状态，从而使生态系统能保持一个相对稳定的形态结构。 生态系统的结构生态系统的结构 n空间配置在生态系统中，各种动物、植物和微生物的种类和数量在空间上的分布构成垂直结构和水平结构。在各种类型的生态系统中，森林生态系统的垂直结构最为典型，具有明显的成层现象。在地上部分，自上而下有乔木层、灌木层、草木植物层和苔藓地衣层。水平分布构成生态系统的水平结构。由于光照、土壤、水分、地形等生态因子的不均匀及生物间生物学特性的差异，各种生物在水平方向上呈镶嵌分布。如森林生态系统中，森林边缘与

7、森林内部分布着明显不同的动植物种类。 生态系统的结构生态系统的结构 n时间配置同一个生态系统，在不同时期或不同季节，表现出一定的周期性时间变化。如长白山森林生态系统。冬季满山白雪皑皑，到处是一片林海雪原；春季冰雪消融，绿草如茵；夏季鲜花遍野，争芳斗艳；秋季硕果累累，一片金色。这一年四季有规律的变化，就构成了长白山森林生态系统的“季相”。生态系统的时间配置，除表现在季节周期性变化外，还表现为月相变化和昼夜周期变化，如蝶类和蛾类在昼夜间的交替出现，鱼类在昼夜间的垂直迁移等。生态系统的结构生态系统的结构 n营养结构生态系统的营养结构是生态系统的各组成成分以营养为纽带，通过营养联系构成的，生产者向消费

8、者和分解者分别提供营养，消费者也可向分解者提供营养，分解者分解生物残体把营养物质输送给环境，由环境再供给生产者吸收利用。不同生态系统组成成分不同，其营养结构的具体表现形式也不尽相同。 生态系统的功能生态系统的功能 n食物链（网）在生态系统中，各种生物之间最基本也是最重要的联系就是食物或营养联系：某种生物以另一种生物为食，而它又被第三种生物取食彼此形成一个食与被食的关系，这种生物之间以食物为联系建立起来的链索，就是所谓“食物链”。生态系统中各种生物之间的食物关系往往很复杂。一般在一个生态系统中很少只有一条食物链，多数具有两条以上食物链。在生态系统中，食物链彼此交叉联结所形成的网状结构称为“食物网

9、”生态系统的功能生态系统的功能 n营养级与生态金字塔 生态系统的功能生态系统的功能 n生态系统的能量流动能量是生态系统的动力基础，一切生命活动过程中都存在着能量的流动和转化。生态系统中全部生命活动所需要的能量都直接或间接地来自于太阳，并在流动过程中服从于热力学第一定律和第二定律，因为热力学就是能量形式变换规律的科学。热力学第一定律指出：能量可由一种形式转变为另一种形式，在转换过程中不会消失，也不会增加，即能量守恒。热力学第二定律指出：能量总是沿着从集中到分散，从能量高到能量低的方向传递，在传递过程中总会有一部分成为无用的散失到环境中。生态系统的功能生态系统的功能 n生态系统的能量流动生态系统的

10、功能生态系统的功能 n生态系统的能量流动太阳能被生物利用，是通过绿色植物的光合作用实现的。通过光合作用，太阳能进入了生态系统并开始了它的流动。在光合作用过程中，绿色植物吸收二氧化碳和水，合成碳水化合物，同时把吸收的太阳光能以化学能形式固定储存在碳水化合物分子的化学键上。这种化学储存能，再通过食物链，与传递营养物质的同时，依次传递给食草动物和食肉动物。动植物残体被分解者分解时，又把能量传给了分解者。分解者把复杂的有机物分解成简单的无机物，归还给土壤。无机物中已不再储存有化学能，因此这里已不再有能量的传递。生产者、消费者和分解者的呼吸作用都会消耗一部分能量，消耗的能量散失到环境中去。这就是能量在生

11、态系统中的流动。生态系统的功能生态系统的功能 n生态系统的能量流动生态系统的功能生态系统的功能 n生态系统的能量流动太阳能被生物利用，是通过绿色植物的光合作用实现的。通过光合作用，太阳能进入了生态系统并开始了它的流动。在光合作用过程中，绿色植物吸收二氧化碳和水，合成碳水化合物，同时把吸收的太阳光能以化学能形式固定储存在碳水化合物分子的化学键上。这种化学储存能，再通过食物链，与传递营养物质的同时，依次传递给食草动物和食肉动物。动植物残体被分解者分解时，又把能量传给了分解者。分解者把复杂的有机物分解成简单的无机物，归还给土壤。无机物中已不再储存有化学能，因此这里已不再有能量的传递。生产者、消费者和

12、分解者的呼吸作用都会消耗一部分能量，消耗的能量散失到环境中去。这就是能量在生态系统中的流动。生态系统的功能生态系统的功能 n生态系统的物质循环水循环气体型循环n属于气体型循环的物质，其分子或化合物常以气态形式参与循环过程。如氧、二氧化碳、氮等。n主要储库是大气和海洋。沉积型循环n主要储库与岩石、土壤和水相联系的是沉积型循环。如磷、硫循环。生态系统的物质循环生态系统的物质循环n水循环全世界淡水资源总量并不缺乏。但是降水量在空间和时间上分布不均匀，造成有些地区或某些时间仍然严重缺水。地球水资源总量约为14亿km3，其中有97%以上分布在海洋。陆地上的地面水中冰盖和冰川占2.41%，目前无法取用。淡

13、水湖泊和河流只占0.0091%，这些水除大量蒸发外，约有三分之一，即42083km3可供人类生活和工农业生产之用。我国水资源分布也很不平衡，南方水资源较丰富，北方水资源不足，西北内陆荒漠盆地，水资源更贫乏。据国外资料，年总用水量如果超过年总径流量的13-14%，将产生水荒和干旱的威胁。近年来世界总需水量每年大约递增4%，有些国家用水量10年即增加一倍。n碳循环全球的植被和海洋是大气中CO2两个重要的调节器。大气中CO2浓度增加时，会有更多气体溶于海水，相反，大气CO2减少，海水中CO2又返回大气。然而由于人类活动大量排放CO2 ，森林植被的严重破坏和减少，大气中CO2浓度正逐步提高，并产生“温

14、室效应”。全世界森林的储碳量为4000-5000亿吨。生态系统的物质循环生态系统的物质循环n氮循环大气是主要的氮库，大气体积的78%为分子态氮。生态系统氮的来源：n雷电：把大气中的氮，氧化成硝酸盐及其它含氮的氧化物，再由降水带入土壤，参与氮的循环。n生物固氮：固氮细菌从土壤和大气中吸收氮素。n工业固氮：如化肥厂。生态系统的物质循环生态系统的物质循环n磷循环磷循环磷的主要来源：磷酸盐岩石和沉积物、鸟粪、动物骨骼等。磷在生物中含量少，但绝不可缺少。由于磷的难溶性，往往是植物生产力的主要限制因素。如果适当增加土壤中可利用的磷肥，大多数陆地生态系统的生产力，便可能明显增加。磷在江河及湖泊中的含量是有限

15、的，我国南方红黄壤地区土壤中普遍缺磷。在生物圈中磷的数量正在减少，很多磷进入海洋沉积起来。然而，一旦江河、湖泊中磷含量提高，会引起藻类暴长。出现“富营养化”。生态系统的物质循环生态系统的物质循环n硫循环硫循环硫的主要储库：硫酸盐如石膏，也有少量存在于大气，主要是SO2和H2S。硫的来源：沉积岩石的风化、化石燃料（特别是煤）的燃烧、火山喷发和有机物的分解。硫的沉积循环：硫酸盐的侵蚀和风化，土壤中的硫酸盐被淋溶掉或被微生物还原。硫的气态循环：大气中的硫主要是SO2和H2S。前者产生于火山喷发和细菌的还原，后者产生于化石燃料的燃烧。大气中硫的化合物通常很快氧化成亚硫酸盐和硫酸盐，被雨水带回土壤。大气

16、中亚硫酸盐和硫酸盐能与雨水结合形成硫酸，造成酸雨危害。生态系统的物质循环生态系统的物质循环n有毒有害物质循环有毒有害物质循环有毒有害物质循环是指对有机体有毒有害物质进入生态系统后，沿着食物链在生物体内富集或被分解的过程。生物放大作用（食物链浓集效应）：某些物质当他们沿食物链移动时，既不被呼吸消耗，又不容易被排泄，而是浓集在有机体的组织中，这一现象称为生物放大作用。生态系统的物质循环生态系统的物质循环生态系统的演替生态系统的演替n生态系统的演替，是指随着时间的推移，一种生态系统类型（或阶段）被另一种生态系统类型（或阶段）替代的顺序过程。生态系统是动态的，从地球上诞生生命至今的几十亿年里，各类生态

17、系统一直处于不断的发展、变化和演替之中。内因演替和外因演替正向演替和逆向演替顶极群落原生演替和次生演替水生演替和旱生演替 原原生生旱旱生生演演替替次生旱生演替次生旱生演替水生演替系水生演替系列示意列示意新成湖泊新成湖泊老年湖泊老年湖泊草甸与沼泽阶段草甸与沼泽阶段干燥平地上的群干燥平地上的群落演替阶段落演替阶段(顶极顶极植被为常绿针叶植被为常绿针叶林林)生态系统的演替生态系统的演替n生态系统沿一定方向进行演替，在内外因素作用下向稳定的平衡状态发展，在自然状态下都像生物个体发育一样，有一个从幼年期向成熟期演替的趋势。n这一趋势具体体现在以下生态系统的特征上：在能量学特征上，幼年期生态系统的总生产量

18、大于呼吸量，多余的能量使系统增大；成熟期生态系统中总生产量接近或等于呼吸量，系统的能量输入与输出相等，系统处于稳定状态。在食物链（网）特征上，幼年期生态系统的食物链接构简单，多为直线状捕食性食物链；成熟期的食物链交叉成网状，且以腐生性食物链为主。由于营养结构复杂，成熟期系统的抗外界干扰能力及自我调节能力均较强。生态系统的演替生态系统的演替n生态系统演替的特征（续）：在营养物质循环特征上，从幼年期到成熟期，有向更加关闭发展的倾向，即成熟期系统保持住营养物质能力强，丧失营养物质少，物质输入量与输出量接近平衡。在群落结构特征上，幼年期系统中物种多样性小，有机化合物种类少；成熟期系统的物种多样性增大，

19、群落代谢过程中排入环境中的有机化合物种类增多。生物多样性的增加，有助于系统稳定性的提高。在选择压力方面，幼年期生态系统中物种少不拥挤，具有高增殖力的物种有较大生存的可能，在成熟期，选择压力有利于增殖力低但竞争力强的物种。在稳态特征上，成熟期生态系统主要表现在系统内部共生发达，保持住营养物质的能力较强，对外界干扰的抵抗能力较强以及具有较大的信息量。生态平衡生态平衡 n生态系统是生态学中的一个基本功能单位。系统内各个组成部分相互作用，相互联系，相互制约，形成一个具有高度组织性的动态平衡的复杂整体，动态平衡动态平衡是生态系统的一个基本特征 生态平衡生态平衡n当生态系统各组成成分之间彼此保持一定的比例

20、关系，能量、物质的输入与输出在较长时间内趋于相等，结构和功能处于相对稳定的状态，在受到外来干扰时能通过自我调节恢复到初始的稳定状态，生态系统的这种状态称为生态系统的平衡，简称生态平衡。n生态平衡是相对的相对的平衡。任何生态系统都不是孤立的，都会与外界发生直接或间接的联系，会经常遭到外界的干扰。尤其是近代人口大量增加，科学技术水平不断提高，人类对自然界的干预程度和范围越来越大，生态系统都在不断地受到人类的干扰和破坏。因此，生态系统的平衡是相对的，不平衡是绝对的。n生态平衡是动态平衡动态平衡，而不是静态平衡。生态系统的各组成成分都在按一定的规律运动着、变化着，系统中能量在不断的流动，物质在不断的运

21、转，整个系统时刻处于动态之中。n生态系统之所以能保持相对的动态的平衡状态，是因为生态系本身具有自动调节能力，这种调节属负反馈调节机制。所谓反馈，就是指系统的输出能转变成决定系统未来功能的输入。一个系统，如果其状态能决定输入，就表明它有反馈机制存在。要反馈系统能起有效的控制作用，系统应具有某个理想的状态或置位点，系统就围绕着置位点进行调节，就表示一个具有置位点的控制论系统。n在生态系统中，负反馈机制对系统实现着有效的调节作用。例如在森林生态系统中，如果由于某种原因森林害虫大规模发生，这在一般情况下不会使森林生态系统遭到毁灭性破坏，因为当害虫大发生时，以这种害虫为食的鸟类就会因获得更多的食物而大量

22、繁衍，鸟类增多则捕食害虫的数量增多，加上其它负反馈作用从而抑制住害虫的大发生。n但是，生态系统的自动调节能力是有限的，当外部冲击或内部变化超过了某个限度时，生态系统的平衡就可能遭到破坏，这个限度称为生生态阈值态阈值。只有了解掌握各个生态系统的生态阈值，用负反馈原理来管理生态系统，才能使自然和自然资源充分合理的利用。 生态平衡的机制生态平衡的机制 n生态系统动调节能力的影响因素结构的多样性n一般来说，生态系统的组成与结构越复杂，自动调节能力就越强，组成与结构越简单，自动调节能力就越弱。功能的完整性n功能的完整性是指生态系统的能量流动和物质循环在生物控制下得到合理的运转。运转越合理，自动调节能力就

23、越强。生态平衡的机制生态平衡的机制 破坏生态平衡的因素破坏生态平衡的因素 n破坏生态平衡的因素有自然因素和人为因素。自然因素包括水灾、旱灾、地震、台风、山崩、海啸等。由自然因素引起的生态平衡破坏，称为第一环境问题。人为因素是生态平衡失调的主要原因。由人为因素引起的生态平衡破坏，称为第二环境问题。 破坏生态平衡的因素破坏生态平衡的因素 n人为因素造成的第二环境问题具体表现在以下三方面：使环境因素发生改变使生物种类发生改变信息系统的破坏 生态平衡的恢复与再建生态平衡的恢复与再建 n在人类活动参与下，一个生态系统由于自然因素或人为因素从初始的平衡状态变成平衡失调状态以后，其发展趋势和结果因管理对策不同有四种。第一种是恢复，即恢复到系统的原来状态。第二种是重建。通过重建，可以增加人类所期望的“人造”特点，减少人类不希望的自然特点，使生态系统进一步远离它的初始状态。第三种是改建，是将恢复与重建措施有机结合起来，重新获得