现代生态学完整版本

PAGEPAGE9生态学（Ecology），是德国生物学家恩斯特·海克尔(ErnstHeinrichHaeckel)于1869年定义的一个概念：生态学是研究生物体与其周围环境（包括非生物环境和生物环境）相互关系的科学。生物的生存、活动、繁殖需要一定的空间、物质与能量。生物在长期进化过程中，逐渐形成对周围环境某些物理条件和化学成分，如空气、光照、水分、热量和无机盐类等的特殊需要。(各种生物所需要的物质、能量以及它们所适应的理化条件是不同的，这种特性称为物种的生态特性)。生活史是生物学家很熟悉的概念，它可定义为物种的生长、分化、生殖、休眠和迁移等各种过程的整体格局。不同的物种具有不同的生活史特征，例如一年生、二年生和多年生的，一年中只生殖一次的和多次的，有休眠的和无休眠的等等。有卵、幼虫、蛹和成虫各个阶段的完全变态昆虫，有多寄生和复杂生活史的寄生虫，有改变栖息地的候鸟，彼此间生活史的差别是很明显的。比较各个物种的生活史特征，揭示其相似性和分异性，进而联系其栖息地环境条件，探讨其适应性，联系物种的分类地位，探讨各种类型和亚类型生活史在生存竞争中的意义，是现代生态学的一个重要任务。生活史对策可以理解为生活史的各种成分或整体，在进化过程中形成的适应性响应。理解生活史对策研究的意义，最重要的是明白两个概念：适合度和权衡。适合度是衡量遗传物质在进化过程中传递能力的尺度，适合度包括繁殖和存活能力。各种生活史对策的价值，就决定于这一生活史对策对于生存和繁衍后代所作的贡献的大小，即适合度的值。另一个概念是权衡：因为有机体在一定时间内所获得的能量是有限的，不可能同时和等量地用于生长、生殖、维持消耗、存储、修复、抵抗等各种生命过程。种群population生态学上，把在一定时间内占据一定空间的同种生物的所有个体称为种群。①空间特征,即种群有一定的分布区域和分布方式;②数量特征,即种群具有一定的密度,出生率,死亡率,年龄结构.性别比例等。生态因子（EcologicalFactor）一、概念：生态因子(EcologicalFactor)：环境要素中对生物起作用的因子。生存条件(ExistenseCondition)：生态因子中生物生存不能缺少的环境要素（食物、热能、氧气等对于动物;光、CO2和水对于植物）。生态环境(Ecotope)：一定区域所有生态因子的总和。生境(Habitat)：特定生物体或群体的栖息地的生态环境（无机环境）。二、生态因子的分类B、依性质分气候因子(climaticfactors)：如温度、湿度、光照、风、气压和雷电等土壤因子(edaphicfactors)：如土壤结构、土壤成分的理化性质及土壤生物等地形因子(topographicfactors)：如陆地、海洋、海拔高度、山脉的走向与坡度等生物因子(bioticfactors)：包括动、植物和微生物间的各种相互作用人为因子(anthropogenicfactors)：人类活动对自然的破坏及对环境污染作用C、依生态因子的稳定性及其作用特点稳定因子：终年恒定的因子，主要决定生物的分布，如地心引力、地磁等变动因子：周期性或非周期性变化的因子周期性变动因子：一年四季变化和潮汐涨落，如季节性气候变化、昼夜变化和光照，主要影响生物的数量非周期性变动因子：如风、降雨、捕食、寄生等，主要影响生物的数量D、对生物种群数量(生物密度)变动的作用密度制约因子(density-dependentfactor)：生态因子中，对生物作用的强度随生物的密度而变化的因子。如食物、天敌等生物因子。——调节种群数量—正密度因子：密度增加，生物的密度进一步增长；—负密度因子：密度增加，生物的密度反馈性降低。一般生物因子常为密度制约因子非密度制约因子(density-independentfactor)：因子中，对生物作用的强度与生物密度变化无关的因子。如温度、降水等非生物因子。气候因子一般是非密度制约性环境因子。三、生态因子的作用特征综合作用：环境中的生态因子总是与其他因子相互联系、相互影响、相互制约的。如气候的作用主导因子作用：生态因子对生物的作用是非等价的，某一因子改变会引起其他生态因子的改变，使生物的生长发育发生变化。如植物春花阶段低温，渔业高密度养殖增养主导因子：其改变会引起其他生态因子改变，使生物的生长发育发生变化的因子阶段性作用：在不同发育阶段，生物需要不同的生态因子或生态因子的不同强度。如小麦需水/肥临界期不可替代性和补偿性作用：生态因子的缺少，不能由另外因子来替代；但在一定条件下，某一因子数量的不足，可依靠相近生态因子的加强得到补偿。如软体动物壳生长中钙缺锶补直接作用和间接作用：生态因子对生物的行为、生长、繁殖和分布的作用可以是直接的，也可以是间接的，有时还要经过几个中间因子直接因子：直接对生物发生影响的生态因子间接因子：通过影响直接因子而对生物发生影响生态因子如湿地植物缺水，盐分含量高（寒冷），离子梯度、水势四、生态因子的空间分布纬度地带性：从赤道到两极，整个地球表面具有过渡状的分带性规律。太阳辐射量差异：太阳辐射－－热量带－－水分差异－－植被分带－－土壤分带自然地理带：赤道、热带、亚热带、暖温带、温带、寒温带、亚寒带、寒带植被地带性分布垂直地带性：因太阳辐射和水热状况随着地形高度的不同而不同，生物和气候自山麓至山顶呈垂直地带分异的规律性变化(干燥空气,-1℃/100m;湿润空气,-0.6℃/100m经度地带性：地球内在因素，如大地构造形成地貌和海洋分异引起经度地带性分异。如北美大陆和欧亚大陆。§2生物与环境关系的基本原理2.1生物对非生物因子的耐受限度一、利比希最小因子定律Liebig‘slawofminimum：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（JustusvonLiebig,1840,德国，农化家）。基本内容：低于某种生物需要的最小量的任何特定因子，是决定该种生物生存和分布的根本因素。应用时注意，两个补充条件（Odum,1983）a.严格的稳定状态；如果在不稳定条件下情况如何？b.各因子的相互影响（生态因子间的补偿作用）；生物在一定程度和范围内，能够减少温度、光、水等生态因子的限制作用。c.是否可以将此规律扩大应用范围是有争论的。`2.2生态幅或生态价概念：每一物种对环境因子适应范围的大小，即每一种生物对每一种生态因子都有一个耐受范围上的最低点和最高点，两者之间的范围，就是该物种对该环境因子的生态幅(ecologicalamplitude,-valence)或生态价(ecologicalvalence)。生态位(niche)：－－有机体在环境中占据的地位栖息地(habitat)：－－有机体所处的物理环境超体积生态位(hypovolume)：生态位的每一个环境变量称一维，生态位空间的环境变量可以是多个，超过3个维度的生态位空间称超体积生态位。基础生态位(fundamentalniche)和实际生态位(realizedniche)：物种理论上占据的生态位空间称基础生态位；实际占有的生态位空间称实际生态位。保护色动物适应栖息环境而具有的与环境色彩相似的体色警戒色某些有恶臭或毒刺的动物所具有的鲜艳色彩和斑纹拟态外表形状与色泽斑与其他生物或非生物相似小结：生物都能适应一定的环境，又能影响一定的环境第一章群落生态学概论第一节一、群落的基本概念群落（community）在一定地段或一定生境里占有一定空间的多种生物种群的集合体，此集合体包括了植物、动物和微生物等各分类单元的种群。群落具有一定的结构、一定的种类组成和一定的种间相互关系，并在环境条件相似的不同地段可以重复出现.第二节群落的基本特征群落主要有以下5个基本特征：（1）物种的多样性；（2）植物的生长型和群落结构，例如根据植物外貌可分成乔木、灌木、草本、苔藓等不同的生长型；（3）优势现象。群落的优势种具高度生态适应性，常常在很大程度上决定着群落的性质，并对其他种类有很大影响；（4）物种的相对数量，测度指标包括多度、密度、盖度、频度、体积、重量；（5）营养结构，指群落中的食物链，决定着物质和能量的流动方向。群落的这些特征是随着群落的时间和空间格局的变化而变化的，即群落演替和群落垂直分布格局第一节生物群落的演替2.2.1关于演替的一些概念：-演替(succession)：某一地段上一种生物群落被另一种生物群落所依次取代的过程2.2.2演替类型-原生裸地和次生裸地的概念-原生演替和次生演替的概念-演替的过程：新物种入侵—定居—竞争2.2.3演替系列：从生物侵入开始直至顶极群落的整个顺序演变过程-动物种类随植物种类和群落类型的改变而变化-演替概念的两种理解：动态和演替以起始条件划分的演替类型原生演替开始于原生裸地或原生芜原(完全没有植被并且也没有任何植物繁殖体存在的裸地)从岩石开始的旱生演替从湖底开始的水生演替次生演替开始于次生裸地或次生芜原(不存在植被，但在土壤或基质中保留有植物繁殖体的裸地)以主导因素划分的演替类型群落发生演替(群落发生)：在裸地上先锋植物开始浸入，逐步长满空间，又被其它物种取代的过程。内因性(生态/动态)演替：群落中生物的生命活动结果首先使它的生境发生改变，然后被改造的生境又反作用于群落本身。如此相互促进，使演替不断向前发展外因性(生态/动态)演替：由于外界环境因素的作用所引起的群落变化。如气候、地貌、土壤、火和人为因素旱生演替系列地衣植物阶段：壳状地衣分泌有机酸腐蚀岩石表面，加上岩石风化作用，壳状地衣的一些残体，逐渐形成一些极少量的土壤；叶状地衣：可含蓄较多的水分，积聚更多的残体，使土壤增加的更快些；叶状地衣把岩石表面遮盖部分，生长枝状地衣，生长能力强，全部代替叶状地衣苔藓植物阶段：在干旱时进入休眠，待到温和多雨时，大量生长。能积累的土壤更多些，为以后生长的植物创造条件草本植物阶段：蕨类、一年生、二年生植物，低小耐旱种，取代苔藓植物，土壤增加，小气候形成，多年生草本出现。使土壤增厚，遮荫，减少蒸发，土壤中真菌、细菌和小动物增多灌木群落阶段：喜光的阳性灌木出现，与高草混生形成“高草灌木群落”，以后灌木大量增加，形成优势灌木群落乔木群落阶段：阳性乔木树种生长，逐渐形成森林，林下形成荫蔽环境使耐荫树种定居，随着耐荫种的增加，阳性树种在林内不能更新而逐渐从群落消失。林下生长耐荫的灌木和草本植物复合的森林群落形成一、生态系统的概念生态系统（ecosystem）(一词是由英国植物生态学家A.G.Tansley于1935年首先提出来的，他强调了生物与环境是一个在功能上不可分割的统一的自然实体，认为生态系统就是一个生态学上的功能单位)。生态系统：指在一定时间和空间范围内，由生物群落与其生活的环境组成的一个整体，该整体具有一定大小和结构，各成员借助能量流动、物质循环和信息传递而相互联系、相互影响、相互依存，并形成具有自我组织和自我调节功能的复合体。三、生态系统的组成及功能在一个生态系统中所有生物与非生物都是直接或间接地相互联系、相互依赖的，通过能量流动或物质流动形成一个极其复杂的网络。所有生态系统可分为非生物和生物两大部分，而生物又可分为生产者、消费者、分解者三部分因此将生态系统又可分为生产者、消费者和分解者三个亚系统。它们的主要功能分别阐述如下：生产者主要功能：生产者包括所有自养的绿色植物、某些光合细菌（绿色硫细菌、紫色硫细菌和非硫细菌等）和其它自养细菌（硝化细菌、氧化硫细菌等），它们利用太阳能将二氧化碳和水等无机物合成糖和淀粉等有机物，并放出氧气。此光合作用的过程直接或间接地为人类和其它生物提供着进行生命活动所必需的能量和物质。目前已被定名的高等植物和苔藓约25万种。另外，生态系统中的各种生命活动所需的化学元素，如N、S、P、K及微量元素，可通过植物根、叶的吸收、合成之后通过食物链在系统中传递。消费者主要功能消费者主要包括各种动物，它们不能制造有机物，而直接或间接依赖生产者所生产的有机物。根据食物链的等级关系，可分为一级消费者（食草动物）、二级消费者（以食草动物为食的小型食肉动物）、三级消费者（以小型食肉动物为食的大型食肉动物）、四级或更高级的消费者，等等。消费者不仅对初级生产物起着加工、再生产的作用，且对其它生物种群数量起着调控作用。分解者主要功能消费者都是异养生物，如细菌、真菌、放线菌及土壤原生动物和一些小型无脊椎动物。这些微生物在生态系统中连续进行着分解作用，把复杂的有机物逐步分解成简单的无机物，再重新回到环境中，成为自养生物的营养物质。每一种天然有机物都能被已经存在于自然界中的微生物所分解，因此，分解者使营养物质不断地以无机物-有机物-无机物的形式循环流动。三、营养结构生态系统中各种成分之间通过复杂的营养关系来相互紧密联系，即通过食物链把生物与非生物、生产者、消费者和分解者相互连成一个整体。食物链类型（1）食物链指生态系统内不同生物之间在营养关系中形成的一环套一环的链条式的关系，即物质和能量从植物开始，然后一级一级地转移到大型食肉动物。食物链上的每一个环节称为营养级或营养阶层。（2）食物网实际上，大多生物以几种或多种食物为食。因此，生态系统中的食物链很少是单条、孤立出现的（除非食性均是专一的），它往往是交叉呈链状或网状，形成复杂的网络结构，即食物网。初级生产量(primaryproduction)：绿色植物通过光合作用合成有机物质的数量称为初级生产量，也称第一性生产量净初级生产量(netprimaryproduction)：初级生产过程植物固定的能量一部分被植物自己的呼吸消耗掉，剩下的可用于植物的生长和生殖，这部分生产量成为淨初級生产量(NP)总初级生产量(grossprimaryproduction)：初级生产过程植物固定的能量的总量GP=NP+R初级生产力：植物群落在一定空间一定时间内所生产的有机物质积累的数量生物量(biomass)：是指某一时刻单位面积上积存的有机物质的量。以鲜重或干重表示现存量：是指绿色植物初级生产量被植食动物取食及枯枝落叶掉落后所剩下的存活部分SC=GP-R-H-D一、生物地化循环的基本概念一、生物地化循环（biogeochemicalcycle）生态系统之间矿质化学元素的输入和输出，以及它们在生态系统内各生物之间、及在大气圈、水圈、岩石圈之间，沿特定途径往复流动和交换的过程（主要由G.E.Hutchinson1944和1950年提出）。（9）生物浓缩指生态系统中同一营养阶层上的许多生物种群或生物个体，从周围环境中蓄积某种元素或难分解的化合物，使生物体内该物质的浓度超过环境中浓度的现象，又称生物富集。同种生物对不同物质的浓缩系数有很大差别，例如在相同生态条件下，褐藻对钼的浓缩系数是11，而对铅的浓缩系数是70000。（10）生物放大指在生态系统的食物链上，高营养级生物以低营养级生物为食，某种元素或难分解化合物在生物机体内的浓度随着营养级的升高而逐步增大的现象。（2）气体型循环包括碳、氮、氧等气体的循环，贮存库主要在大气和海洋；循环性能完善，其循环与大气、海洋密切相关；具明显的全球性循环。氮循环在生态系统中，植物从土壤中吸收硝酸盐，氨基酸彼此联结构成蛋白质分子，再与其他化合物一起建造了植物有机体，于是氮素进入生态系统的生产者有机体，进一步为动物取食，转变为含氮的动物蛋白质。动植物排泄物或残体等含氮的有机物经微生物分解为CO2、H2O和NH3返回环境，NH3可被植物再次利用，进入新的循环。氮在生态系统的循环过程中，常因有机物的燃烧而挥发损失；或因土壤通气不良，硝态氮经反硝化作用变为游离氮而挥发损失；或因灌溉、水蚀、风蚀、雨水淋洗而流失等。损失的氮或进入大气，或进入水体，变为多数植物不能直接利用的氮素。因此，必须通过上述各种固氮途径来补充，从而保持生态系统中氮素的循环平衡。四、沉积型循环磷循环磷是生命信息元素。磷循环属典型的沉积循环。磷以不活跃的地壳作为主要贮存库。岩石经土壤风化释放的磷酸盐和农田中施用的磷肥，被植物吸收进入植物体内，含磷有机物沿两条循环支路循环沿食物链传递，并以粪便、残体归还土壤以枯枝落叶、秸秆归还土壤。各种含磷有机化合物经土壤微生物的分解，转变为可溶性的磷酸盐，可再次供给植物吸收利用，这是磷的生物小循环一、生态工程、生态技术及其发展（一）、生态工程(Organism'shabitsproject)在我国生态工程的概念提出是由已故的生态学家、生态工程建设先驱马世骏先生在1979年首先倡导的。马世骏先生（1984）给生态工程下的定义为：“生态工程是应用生态系统中物种共生与物质循环再生原理，结构与功能协调原则，结合系统分析的最优化方法，设计的促进分层多级利用物质的生产工艺系统”。（二）、生态技术(Organism'shabitstechnology)生态技术通常被认为是利用生态系统原理和生态设计原则，对系统从输入到转换关系与环节直到输出的全部过程进行合理设计，达到既合理利用资源，获得良好的经济及社会效益，又将生产过程对环境的破坏作用降低在较低的水平。一、生态工程技术原理（一）生态位原理

生态位是生态学研究中广泛使用的名称，又称生态龛或小生境，通常是指生物种群所占据的基本生活单位、对于生物个体与其种群来说，生态位是指其生存所必须的或可被其利用的各种生态因子或关系的集合。每一种生物在多维的生态空间中都有其理想的生态位，而每一种环境因素都给生物提供了现实的生态位。

（二）限制因子原理生物的生长发育离不开环境，并适应环境的变化，但生态环境中的生态因子如果超过生物的适应范围时，对生物有一定的限制作用，只有当生物与其居住环境条件高度相适应时，生物才能最大限度地利用环境方面的优越条件，并表现出最大的增产潜力。最小因子定律：即植物的生长取决于数量最不足的那一种物质，最小因子定律，这一定律说明，某一数量最不足的营养元素，由于不能满足生物生长的需要，同时也将限制其它处于良好状坊的因子发挥效应，农业生态系统因为人为的作用也会促使限制因子的转化，但无论怎样转化，最小因子仍然是起作用的。

2、耐性定律在最小因子定律的基础上，人们发现不仅因为某些因子在量上不足时生物的生长发育会受到限制，但某些因子过多地会影响生物的正常生长发育和繁殖。1913年谢尔福德把生态因子的最大量和最小量对生物的限制作用概念合并为耐性定律。即各种生物的生长发育过程中对各种生态因子都存在着一个生物学上限和下限，它们之间的幅度就是该种生物对某一生态因子的耐性范围。因此在农业生态工程建设与生态工程技术应用时，必须考虑生态因子的限制作用原理。

（四）整体效应原理系统是由相互作用和相互联系的若干组成部分结合而成的具有特定功能的整体，其基本的特性就是集合性，表现在系统各组分间相互联系、依赖、作用、制约的不可分割的整体，整体的作用和效应要比各部门之和来的大。农业是个多部门组成的产业，它是由农业生物，环境资源以及社会经济要素构成的社会－经济－自然的复合系统（五）生物与环境相互适应、协同进化原理生物的生存、繁衍不断从环境中摄取能量、物质和信息，生物的生长发育依赖于环境，并受环境的强烈影响，外界环境中影响生物生命活动的各种能量、物质和信息因素称为生态因子，生态因子既有对生物和生命活动所需的利导因子，也有限制生物生存和生命活动的限制因子。（六）效益协调统一原理农业生态系统是一个社会－经济－自然复合生态系统，是由自然再生产和经济再生产交织的复合生产过程，具有多种功能与效益，既有自然的生态效益，又有社会的经济效益，只有生态与经济效益相互协调，才能发挥系统的整体综合效益。农业生态学Agriculturalecology生态农业（ChineseEcologicalAgriculture）是把农业生产，农村经济发展和生态环境治理与保护，资源培育和高效利用融为一体的新型综合农业体系一）立体共生的生态农业模式技术农业生物立体共生的农业生态工程技术是指在一定的区域或土地面积（水域）内，充分利用光热、时空条件，建立多层次配置，多种生物共处的一种立体种植、养殖或种养结合的高产高效的集约型农业生产技术（二）综合养殖生态工程模式技术

综合养殖生态工程就是应用生态学、生态经济学与系统科学等原理，采用生态工程方法，融汇现代科学技术与传统农业精华，以畜禽（鱼）养殖为为中心，合理搭配动植物生物种群，形成综合性的人工复合生态工程。该项生态工程一般包括畜禽养殖、水体养殖或复混养殖等三种类型。（三）复合生态工程模式技术复合生态工程是指按特定要求的应用技术作为生态接口，农牧渔加等产业优化组合的，具有综合功能的特定复合型农业生产体系。该体系强调提高物质循环和能量流动利用效率，在保护自然资源的基础上改善农业生态环境。（四）生态恢复与环境综合治理生态工程技术所谓生态恢复工程技术是指对已经破坏或恶化的生态环境进行修复，使其恢复到被破坏或恶化以前的良性循环的状态的工程技术措施，如我国长期以来对土地荒漠化、水土流失、土地盐碱化以及草地或草场破坏等进行的生态恢复与重建技术；环境综合治理工程技术则主要针对我国农业、乡镇企业等生产过程中出现的生态破坏或环境污染而进行的综合整治途径或技术，如乡镇企业的清洁生产工艺、污水及废弃物资源化处理技术等。小流域水土流失治理和废弃物资源化处理两项工程技术为重点。二、可持续发展的内涵1、经济可持续发展可持续发展的最终目标就是要不断满足人类的需求和愿望。因此，保持经济的持续发展是可持续发展的核心内容。发展经济，改善人类的生活质量，是人类的目标，也是可持续发展需要达到的目标。可持续发展把消除贫困作为重要的目标和最优先考虑的问题，因为贫困消弱了他们以可持续的方式利用资源的能力。目前广大的发展中国家正经受来自贫困和生态恶化的双重压力，贫穷导致生态破坏的加剧，生态恶化又加剧了贫困。对于发展中国家来说发展是第一位的，加速经济的发展，提高经济发展水平，是实现可持续发展的一个重要标志。没有经济的可持续发展，就不可能消除贫困，也就谈不上可持续发展。2、社会可持续发展

可持续发展实质上是人类如何与大自然和谐共处的问题。人们首先要了解自然和社会变化规律，才能达到与大自然的和谐相处。同时，人们必须要有很高的道德水准，认识到自己对自然、对社会和对子孙后代所负有的责任。因此，提高全民族的可持续发展意识，认识人类的生产活动可能对人类自身环境造成的影响，提高人们对当今社会及后代的责任感，增强参与可持续发展的能力，也是实现可持续发展不可缺少的社会条件。要实现社会的可持续发展，必须要把人口控制在可持续的水平上。许多发展中国家，人口数已经超过当地资源的承载能力，造成了日益恶化的资源基础和不断下降的生活水准。人口急剧增长，对资源需求量的增加和对环境的冲击，巳成为了全球性的问题。3、资源可持续发展

可持续发展涉及诸多方面的问题，但资源问题是其中心问题。可持续发展要保护人类生存和发展所必需的资源基础。因为许多非持续现象的产生都是由于资源的不合理利用引起资源生态系统的衰退而导致的。为此，在开发利用的同时必须要对资源加以保护，如对可更新资源利用时，要限制在其承载力的限