环境科学概论2第二章-生态系统

环境科学概论2第二章生态系统第三章生态学基础与生态系统

一、生态学定义及其发展四、生态学的一般规律三、生态平衡五、生态学的中心思想及其应用二、生态系统一、生态学（ecology）1、生态学的定义2、生态学的内容3、生态学的形成和发展生态学的定义

生态学（ecology）是研究生物与周围环境相互关系及机理的科学。（E.Haeckel，1866）生态学的内容它包括4个层次的内容：生物在其历史条件下的适应；生态系统的结构与功能；种群的形成与发展规律；生物群落（生态系统）的形成与发展规律。实则上包含了个体—→种群—→群落—→生态系统这4个理论主体。理论上：概念上的提出—→论著的出版—→学科的形成。时间上：萌芽时期—→近代发展：4大学派的形成—→现代发展：生态系统、人类生存环境的研究。实验技术上：描述—→定性—→定量—→模拟。现代生态学的几个热点：生物多样性及其保护；全球变化的生态效应及其对策；可持续发展。生态学的形成与发展（1）生态学萌发阶段（时期）

（公元16世纪以前）

在我国：公元前1200年《尔雅》一书；公元前200年《管子》“地员篇”；公元前100年前后，农历确立了24节气，同时《禽经》一书（鸟类生态）问世；《本草纲目》。在欧洲：公元前285年也有类似著作问世。

（2）近代生态学阶段

（公元17世纪—19世纪末）建立时期17世纪后生态学作为一门科学开始成长。1792年德国植物学家C.L.Willdenow出版了《草学基础》；1807年德国A.Humbodt出版《植物地理学知识》提出“植物群落”“外貌”等概念；1798年T.Malthus《人口论》的发表；1859年达尔文的《物种起源》；1866年Haeckel在他的著作《普通生物形态学》中首先提出ecology一词，并首次提出了生态学定义。1895年E.Warming发表了他的划时代著作《以植物生态地理为基础的植物分布学》（1909年经改写成《植物生态学》）。（2）近代生态学阶段

（公元17世纪—19世纪末）巩固时期（20世纪初至20世纪50年代）（1）动植物生态学并行发展，著作与教科书出版。代表作：C.Cowels(1910)发表的《生态学》；F.E.Chements(1907)发表的《生态学及生理学》；前苏联苏卡切夫的《植物群落学》（1908）、《生物地理群落学与植物群落学》（1945）；A.G.Tamsley(1911)发表的《英国的植被类型》等；R.N.Chapman(1931)的《动物生态学》；中国费鸿年（1937）的《动物生态学》；特别是W.C.Alle（1949）等的《动物生态学原理》出版，被认为是动物生态进入成熟期的重要标志。巩固时期（20世纪初至20世纪50年代）（2）学派的形成。主要有：

①北欧学派：以注重群落结构分析为特点。代表人物：G.E.DuRietz②法瑞学派：注重群落生态外貌，强调特征种的作用。代表人物是J.Braum-Blanquet③英美学派：以动态和数量生态为特点。代表人物是Clements和Tansley④俄国学派（前苏联学派）：植物（群落）与地学结合。代表人物：B.H.Cykayeb（3）现代生态学阶段

（20世纪60年代至现在）

以人类生存环境为中心。在研究层次上向宏观与微观两极发展；研究手段更新；研究范围的拓展，从纯自然现象研究，拓展到自然—经济—社会复合系统的研究。目前研究的热点是：

1、生物多样性及其保护；2、全球变化生态学效应及其对策；3、可持续发展。二、生态系统(ecosystem)1、生态系统的概念2、生态系统的结构3、生态系统的能量流4、生态系统的物质循环5、生态系统中的信息及其传递1、生态系统(ecosystem)的概念生态系统就是在一定的时间和空间内，生物和非生物的成分之间，通过不断的物质循环和能量流动而相互作用、相互依存的统一体，构成一个生态学的功能复合体。生态系统的定义：相关概念种群（population）

种群是占据某一地区的某个种的个体总和（Friederich，1930）生物群落（bioticcommunity）

是指在一定地段或一定生境里各生物种群相互联系和相互影响所构成的组合结构单元。

气候因子（光、温等及其他物理因子）1．非生物部分无机物质（H2O、N、P、K、Ca等矿质元素）有机物质（糖、蛋白质、脂类、腐殖质等）（1）生产者—绿色植物（把太阳能输入生态系统）生态系统

草食动物（一级消费者）(herbivores)

一级肉食动物（以食草动物为食，

统称二级消费者）2．生物部分（2）消费者肉食物动物二级肉食动物（大型肉食动物）称三

（能量传递）(comsumers)(carnivores)级消寄生者三级肉食动物（顶极肉食动物）费者 杂食动物 腐食性动物 （3）还原者（分解者）(reducers)2、生态系统(ecosystem)的结构

生态系统的生物成分在生态系统的生物中，按照它们获得能量的方式，可分为生产者、消费者和分解者。

生产者主要指绿色植物，它们利用茎、叶吸收空气中的二氧化碳，用根摄取土壤中的水份和矿物质，在阳光照射和一定温度下，把无机物转化成淀粉、蛋白质、脂肪和维生素等有机物。通过光合作用把太阳能转变为化学能，不仅供自身生长发育需要，并为其它生物及人类提供食物和能量。

消费者是指动物，它们不能直接利用太阳能把无机物转化成有机物，只能以植物和其它动物为食物。消费者虽然不是有机物的最初生产者，但在消费者体内，也有有机物再生产的过程。所以，消费者在生态系统的物质和能量转换过程中，也是重要的一个环节。

分解者是指各种有分解能力的微生物。它们能够把动植物的残体分解成简单的化合物和元素归还给自然界，重新供植物利用。分解者在分解动植物的同时，也从中获得了它们自身需要的能量。3、生态系统的能量流动1．食物链与食物网——生态系统能量流动的渠道

(1)食物链（foodchains）定义：食物链是指初级生产者获得光能后制造的食物供给各级消费者形成以食物营养为中心的链索关系。类型：掠食链、寄生链、腐生链(2)食物网（foodweb）定义：许多长短不一的食物链互相交织成复杂的网状关系（见P33图3-5示）。营养阶(trophiclevels)——食物网内从生物到生物的消费者阶梯。处于食物网某一环节上所有生物种总和。

3、生态系统的能量流动2．生态金字塔（ecologicalpyramid）反映生态系统的营养结构与营养机能的锥体图解模式。数量金字塔、生物量金字塔、能量金字塔（见P38图3-12示）。3．生态效率（ecologicalefficiencies）在生态系统食物链的不同点上，能量之间的百分比率。特指某一营养级的能量输出和输入间的比率。林德曼效率——“十分之一”定律在营养级n上的同化量/在营养级n-1上的同化量≈10%3、生态系统的能量流动4．生态系统中能量流动的特点（小结）① 生态系统中能量形成的转换完全符合热力学第一定律（能量转化和守恒）。系统能量增加，环境能量减少，但总能量不变。所不同的是，太阳能转化为化学能，再转变为热能、机械能等其他形式。② 能量沿着食物链方向流动，在其流动时，生物中的能量由于各个营养级生物维持自身生命消耗而逐级减少，估计每经一个营养级的剩余能量为原有能量的十分之一左右，其余的都消耗了。③ 生态系统的能量流动是单向、非循环的，它只能一次流过生态系统，单程前进，决不可逆。（热力学第二定律）生态系统的物质循环又称生物地球化学循环(biogeo-chemicalcycle)。它是指无机化合物和单质通过生态系统的循环运动。水循环碳循环氮循环有毒有害物质循环生态系统物质循环与能量流动的关系4、生态系统的物质循环水循环水和水循环对于生态系统具有特别重要意义，它是地球上各种物质循环的中心循环。通过降水和蒸发这两种形式，使地球水分达到平衡状态。此外，水循环通过地表径流将各种营养物质从一个生态系统搬到另一个生态系统，补充某些生态系统营养物质的不足。植被在水循环过程中起重要作用。水循环示意图碳循环全球碳贮存量约为26×1015吨，绝大部分以碳酸盐的形式禁锢在岩石圈中。生物可直接利用的碳是水圈和大气圈中以CO2形式存在的碳。1、碳循环途径（P39图3-14）①绿色植物通过光合作用，把大气中的CO2固定，转化为碳水化合物；②光合作用产物供各营养级利用、重组、呼吸、分解等，以CO2形式回到大气；③通过燃烧煤炭、天然气、石油等产生的CO2；④脱离循环，被永久禁锢。2、碳在生态系统中循环不平衡引起的生态效应CO2增加，引起的温室效应（greenhouseeffect），致使全球变暖，将产生对6个生物层次的潜在影响：生物圈生态系统生物群落物种种群个体(1)生物圈：海平面上升，淹没大片海岸湿地，陆地生物区变化(2)生态系统：●农业生态系统——农作物减产。病虫害加重。影响牲畜食欲。●森林生态系统——导致干旱、增加森林大火风险。森林害虫增加，影响森林对物质的吸收。●水生生态系统——使海洋静水层和沉淀层的微生物活动加快，水中含氧量减少，影响许多海洋动物的生存；导致藻类繁殖速度加快，使鱼类产量减少。(3)生物群落：影响生物群落结构，使植物群落中有些优势种竞争能力下降。(4)物种：加速物种的灭绝；加速某些物种的迁移。(5)种群：改变某些植食性动物的食性，导致某些种群的互相作用强度增强。(6)个体：提高水分利用，提高光合作用，促进作物生长，改变植物形态结构。3、保持碳循环相对平衡的生态对策(1)减少CO2

的排放：提高能源的利用效率——发电采用高效先进技术；大力发展不含碳的能源和低碳能源代替煤炭——水力发电、核能发电、充分利用各种再生能源（太阳能、风能、潮汐能等）、天然气、生物能（如沼气利用）等。(2)大力开展对CO2的吸收，固定和利用——海洋交换吸收、陆地植树种草、保护森林植被。氮循环氮循环中的主要作用（P40图3-15）固氮作用——三条途径：闪电、宇宙射线、火山爆发活动等的高能固氮，形成氨或硝酸盐，随降雨到达地面，为8.9kg/hm2·a。工业固氮（化肥的制造），目前全世界已达1×108吨。生物固氮（最重要途径），为100~200kg/km2·a。氨化作用——由氨化细菌而后真菌的作用将有机氮分解成为氨与氨化合物。硝化作用——氨化合物被亚硝酸盐细菌和硝酸盐细菌氧化为亚硝酸盐和硝酸盐。反硝化作用——也称脱氨作用，反硝化细菌将亚硝酸盐转变成大气氮，回到大气库中。有毒有害物质循环——以DDT、汞为例有毒有害物质的循环是指那些对有机体有害的物质进入生态系统，通过食物链富集或被分解的过程。1．DDT（二氯二苯三氯乙烷）DDT是一种人工合成有机氯杀虫剂，它的问世，对农业的发展起了很大作用，但它是是有机毒物。生态系统通过两个途径吸入人类喷洒的DDT并通过食物链加以富集：①通过植物茎叶、根系进入植物体草食动物吃肉食动物食逐级浓缩；②喷洒的DDT落入地面经土壤动物吃用富集陆上动物逐级浓缩。营养级越高，富集能力越强，积累量越大。其危害主要是影响生殖，导致人类、动物产生怪胎。2．汞（Hg）汞作为工业用催化剂和电极材料，不断输入生态系统。它以痕量出现在大气、土壤、岩石及动植物组织中，但通过生物浓缩从水中不到1ug/L到海藻中100ug/L，到鱼体中达1122ug/L。汞的危害：与神经系统某些酶类结合，产生神经错乱；与一种DNA一起发生作用的蛋白质形成专一性结合，引起汞中毒先天性缺陷。转化为有机化合物如甲基汞，毒性更强，进入人体可分布全身，尤其进入肝、肾，最后到达脑部，且不易排泄。有毒有害物质循环——以DDT、汞为例3．有毒有害物质循环的特点：在食物链营养级上进行循环流动并逐级浓缩富集；在生物体代谢过程中不能被排泄而被生物体同化，长期停留于生物体内；有些有毒有害物质不能分解而相反经生态系统循环后使毒性增加。因此，有毒物质的生态系统循环与人类的关系最为密切，但原因最为复杂。有毒物质循环的途径，在环境中滞留时间，在有机体内浓缩的数量和速度，以及作用机制和对有机体影响的程度等等都是十分重要的研究课题。

有毒有害物质循环——以DDT、汞为例生态系统物质循环与能量流动的关系生态系统中物质与能量流动是互相依存，互相制约，密不可分的。但能量在生态系统中是被消耗、单向循环（流动），不可逆的。而物质循环是可逆的，多向可返回原来的化学形态，并可逃循、脱离生态系统。生态系统的功能除了体现在生物生产过程，能量流动和物质循环外，还表现在系统中各生命成分之间存在着信息传递。信息传递是双向的。环境是生态系统的一种信息源。生态系统中包含多种多样的信息，大致可分为物理信息、化学信息、行为信息和营养信息。5、生态系统中的信息及其传递物理信息及其传递光信息——光强弱，光质，光照时间长短是重要的光信息。太阳能是光信息的重要初级信源。声信息——鸟类婉转多变的叫声；蝙蝠、鲸类发达的声纳定位系统。电信息——特别是鱼类，大约有300多种能产生0.2~2伏微弱电压，电鳗产生的电压能高达600伏。磁信息——鱼类遨游迁徙于大海，候鸟成群结队长途飞行……都靠动物自己的电磁场与地球磁场互相作用确定方向，方位。化学信息及其传递动物和植物间的化学信息植物产生气味，不同动物对植物气味有不同反应。蜜蜂取食与传粉靠植物的化学信息息素。动物之间的化学信息动物通过外分泌腺向体外分泌某些信息素。动物可利用信息素标记所表现的领域行为。动物向体外分泌性信息素，以沟通种内两性个体的性信息素交流。植物之间的化学信息化学他感作用。有亲和性的，也有相互拮抗性的。行为信息和营养信息许多植物的异常表现和动物异常行动传递了某种信息，可通称行为信息。生态系统中，生物的食物链是一个生物的营养信息系统。三、生态平衡1、生态平衡的含义所谓生态平衡，就是在一定时期内，生产者、消费者与分解者之间都保持一种平衡状态，即系统中能量流动与物质循环较长时间地保持稳定，这种状态即称为生态平衡。特点：*结构和功能处于动态的变化之中。实质：生产者、消费者、分解者（物质循环、能量流动）→动态平衡。

当然，这种平衡是动态的，不是静态的。生态系统内部成份的改变或外部因素的不合理干扰，都会对生态系统发生影响，引起系统的改变。但生态系统有一种自我调节能力，当这种改变不大时，系统中的能量流动和物质循环仍可以恢复正常，所以平衡是相对的、暂时的，不是绝对的。一旦外界因素的干扰超过这种“自我调节”能力时，调节即不起作用，生态平衡就会遭到破坏。

例如，砍伐森林一定要和抚育更新相结合，才能维持森林生态环境的平衡；反之，就会破坏生态平衡，不仅森林质量下降，林中的动物难以生存，土壤中的微生物种类也会改变，还会影响森林生态系统的功能，造成地表裸露，水土流失，洪水成灾等。生态系统的结构越复杂，调节能力越大；反之越简单，调节能力越小。例如：森林生态系比草原生态系的调节能力强。又如：地衣极地草食动物食肉动物树木树栖动物食肉鸟类食草籽鸟类小型食肉动物大型食肉动物草陆行食草动物2、生态平衡破坏的因素生态系统是不平衡的，它首先是不平衡开始，永远处于不断的变化和发展。这种变化有自然变化和人为变化两种。

自然因素破坏因素物种改变人为因素环境因素改变信息系统破坏陕西洛川陕西白水生态系统的自然变化生态系统的结构和功能随时间的改变而发生变化的过程就是生态系统的自然变化。简单→复杂；复杂→简单生态系统的自然变化这些变化体现在下列两个特征上：1．能量和物质循环特征如果在生态系统中：(1)Pg(第一性生产)/R（呼吸）>1，系统是增长型的，物质循环开放性—外流少。(2)Pg/R<1，系统是衰退型的，物质循环也是开放性的——外流多。(3)Pg/R≈1，系统是稳态的（相对平衡），物质循环是封闭的。2．生物多样性特征四、生态学的一般规律1、相互依存与相互制约规律2、物质循环与转化再生规律3、物质输入输出的动态平衡规律4、相互适应与补偿的协同进化规律5、环境资源的有效极限规律五、生