高中高二生物种群和群落讲义

第一章种群的特征与动态第二章种群增长模型与实际应用第三章群落的结构与物种组成第四章群落的功能：能量流动与物质循环第五章人类活动对群落的影响与保护第六章人类活动对群落的影响与保护01第一章种群的特征与动态第1页引言：校园鸟类的秘密在清晨的校园里，不同种类的鸟在树梢间跳跃，有的在觅食，有的在鸣叫。这些鸟类的数量似乎在季节间有明显的波动，引发了生物老师的好奇。这些鸟类的数量是如何变化的？影响它们数量的因素有哪些？种群的特征和动态规律是什么？这些问题的答案隐藏在种群生态学的复杂世界中。某实验组在培养皿中观察酵母菌种群，发现初期增长缓慢，随后加速，最后趋于平稳。这一现象与校园鸟类的数量变化惊人地相似，都遵循着种群增长的逻辑斯蒂模型。数据来源于校园生物监测小组的记录，包括麻雀、灰喜鹊、鸽子三种常见鸟类的数量变化曲线图，这些数据揭示了种群数量随时间变化的规律性。从这些观察中，我们可以初步理解种群动态的复杂性，以及环境因素对种群数量的影响。第2页种群的基本特征：数量与分布种群密度单位面积或体积内的个体数量。例如，某草地每平方米有50只兔子。出生率和死亡率某地每年人口出生率为10%，死亡率为6%，自然增长率为4%。迁入率和迁出率某城市每年有5%的人口迁入，3%迁出，净迁入率为2%。均匀分布如农田中的玉米，因竞争资源而保持等距。集群分布如鱼群在富营养水域聚集。随机分布如森林中的蒲公英种子随风散播。第3页种群的年龄结构和性别比例年龄结构增长型：幼年个体占比高，如某自然保护区狼群中，幼崽占60%。增长型种群的动态增长型种群通常具有较高的繁殖潜力，但容易受到环境资源的限制。稳定型稳定型：各年龄组比例均衡，如人类发达国家的年龄结构。稳定型种群的动态稳定型种群通常具有较高的稳定性和适应性，能够在较长时间内维持种群数量。衰退型衰退型：老年个体占比高，如某渔场过度捕捞后的鱼类种群。衰退型种群的动态衰退型种群通常具有较高的死亡率，容易受到环境资源的限制。第4页种群的调节机制：密度制约与K值非生物因素的动态K值（环境容纳量）K值曲线的动态非生物因素通常不受种群密度的影响，但可以影响种群的生存和繁殖。某生态系统对某种群的承载能力，如某湖泊能稳定容纳1000尾鲤鱼。K值曲线通常呈现S型，种群数量在达到K值前快速增长，达到K值后趋于稳定。02第二章种群增长模型与实际应用第5页第1页种群增长的理想模型：逻辑斯蒂增长某实验组在培养皿中观察酵母菌种群，发现初期增长缓慢，随后加速，最后趋于平稳。这一现象与校园鸟类的数量变化惊人地相似，都遵循着种群增长的逻辑斯蒂模型。逻辑斯蒂增长公式为dN/dt=rN(1-N/K)，其中N表示种群数量，r表示增长率，K表示环境容纳量。该模型揭示了种群数量在资源有限的情况下，会逐渐趋于一个稳定值。在校园中，麻雀、灰喜鹊、鸽子三种常见鸟类的数量变化曲线图，展示了种群数量随时间变化的规律性。这些数据来源于校园生物监测小组的记录，为理解种群动态提供了重要的科学依据。第6页第2页现实中的种群增长：J型与S型曲线对比J型曲线（无限增长）适用条件：资源无限、无天敌的理想环境，如某种外来入侵物种初期扩散。J型曲线的动态J型曲线通常呈现指数增长，种群数量在初期快速增长，但很快会达到环境资源的限制。S型曲线（现实增长）形成原因：环境阻力随种群密度增加而增强。S型曲线的动态S型曲线通常呈现S型，种群数量在达到环境容纳量前快速增长，达到环境容纳量后趋于稳定。加拿大兔子在新西兰的种群爆炸展示加拿大兔子在引入新西兰后的种群爆炸曲线（指数增长）。某林场松鼠种群的K值波动某林场松鼠种群每十年经历一次K值波动，受干旱和栖息地破碎化影响。第7页第3页人类种群的挑战：人口增长与资源消耗全球人口数据1960年人口31亿，2023年突破80亿，增长速率从1.1%降至1.0%。全球人口增长的历史与预测联合国预测2100年人口可能稳定在97亿（基于K值限制）。资源消耗分析发达国家人均淡水消耗量是发展中国家的3倍。生态足迹某城市年人均生态足迹为2.3公顷，超出全球平均值1.6公顷。食物消耗占比某城市总足迹中食物占比40%，交通占比25%，建筑占比20%。第8页第4页种群增长模型的应用：种群管理渔业资源管理某海域设定年捕捞量等于鱼群再生量的80%（可持续开发）。渔业资源管理的动态通过调整捕捞强度，使鱼群数量维持在K/2（最大可持续产量）。传染病防控流感的R0约1.3，意味着每名感染者平均传染1.3人，需使有效传染数Re=1以遏制疫情。传染病防控的动态通过隔离和疫苗接种等措施，降低传染率，使Re<1，从而控制疫情。03第三章群落的结构与物种组成第9页第1页物种多样性的视觉呈现：热带雨林的日能量收支热带雨林是地球上生物多样性最丰富的生态系统之一。在热带雨林中，物种多样性极高，每公顷鸟类种类可达400种，树冠层物种垂直分布明显。相比之下，草原生态系统中的哺乳动物种类较少，但昆虫多样性极高。例如，某草原每平方米有15种甲虫。这些数据揭示了不同生态系统的物种多样性差异。热带雨林的物种多样性高，是因为其复杂的生境和丰富的资源，为各种生物提供了生存和繁殖的空间。而草原生态系统的物种多样性相对较低，主要是因为其生境较为单一，资源有限。第10页第2页群落的空间结构：垂直与水平分布垂直结构森林群落从地被层到灌木层到乔木层的分层现象，某热带雨林分层可达10个层级。垂直结构的动态垂直结构通常随着生态系统的演替而逐渐复杂，不同层次的物种具有不同的生态位。水平结构如草原上鼠丘形成的斑块状分布。水平结构的动态水平结构通常受到地形、资源斑块和捕食者等因素的影响。某海域水深5米处的硬珊瑚覆盖率达90%展示了珊瑚礁群落中珊瑚、海葵、鱼类分层的情况。第11页第3页物种之间的相互作用：种间关系图谱捕食某草原狼控制野兔数量，野兔减少导致植被恢复。捕食的动态捕食者通常通过控制猎物数量，维持生态系统的平衡。竞争两种竹节虫争夺树皮空间，优势种为体型较大的种类。竞争的动态竞争者通常通过争夺资源，影响其他物种的生存和繁殖。某森林群落中6种植物的相互作用频率用表格表示某森林群落中6种植物的相互作用频率（+：促进，-：抑制，0：无关）。第12页第4页群落演替的动态过程：废弃农田的变迁次生演替案例某荒地播种小麦后，一年生杂草覆盖率达70%。次生演替的动态次生演替通常在原有生态系统的基础上进行，速度较快。灌木期五年后刺槐形成优势群落，年降雨量减少时演替停滞。灌木期的动态灌木期通常具有较高的稳定性和适应性，能够在较长时间内维持群落结构。某草原火烧后，一年内草本植物多样性增加40%展示了火烧对草原群落演替的影响。04第四章群落的功能：能量流动与物质循环第13页第1页能量流动的起点：热带雨林的日能量收支热带雨林是地球上生物多样性最丰富的生态系统之一，其能量流动和物质循环具有独特的特点。在热带雨林中，能量主要来源于太阳能，通过植物的光合作用转化为生物能。植物的光合作用效率极高，每平方米的植物每年可以固定约200千卡的能量。这些能量通过食物链逐级传递，从植物到食草动物，再到食肉动物。在热带雨林中，能量传递效率约为10%，这意味着每传递一级，能量损失约90%。这些数据揭示了热带雨林中能量流动的复杂性和高效性。第14页第2页营养级联的放大效应：狼与麋鹿的生态链顶级捕食者作用某国家公园重新引入狼后，麋鹿数量下降导致河岸植被恢复（如柳树覆盖率增加50%）。顶级捕食者作用的动态顶级捕食者通常通过控制猎物数量，维持生态系统的平衡。生物放大重金属（如汞）在食物链中逐级累积，北极熊肝脏中浓度是浮游植物的100万倍。生物放大的动态生物放大现象通常发生在生物体内，某些物质的浓度会逐级增加。第15页第3页全球碳循环的局部体现：校园温室气体监测监测数据某校园温室中植物光合作用使室内CO2浓度日变化达20%。监测数据的动态监测数据揭示了植物光合作用对室内CO2浓度的影响。甲烷排放某雨水冲刷垃圾填埋场，每小时产生500升CH4。甲烷排放的动态甲烷排放是温室气体的一种，对全球气候变化有重要影响。第16页第4页生态足迹计算：某中学的年度资源消耗计算方法某校园温室中植物光合作用使室内CO2浓度日变化达20%。计算方法的动态计算方法揭示了植物光合作用对室内CO2浓度的影响。减排建议每节电课减少空调使用1小时，可节约电力相当于种植30棵树一年。减排建议的动态减排建议可以帮助减少温室气体的排放，保护环境。05第五章人类活动对群落的影响与保护第17页第1页拓展：人类活动对群落的影响：城市扩张与生物多样性丧失城市扩张是当前全球生物多样性丧失的主要原因之一。在城市扩张的过程中，原有的生态系统被破坏，生物多样性急剧下降。例如，某城市扩张后，原生植被覆盖率为40%→10%，本地鸟类物种数下降60%。这些数据揭示了城市扩张对生物多样性的严重影响。城市扩张不仅破坏了原有的生态系统，还导致了外来物种的入侵，进一步加剧了生物多样性的丧失。第18页第2页拓展：群落保护策略：生态廊道与物种保育生态廊道建设某国家公园连接破碎化栖息地的廊道建成后，豹群活动范围扩大300%。生态廊道建设的动态生态廊道可以连接破碎化的栖息地，促进物种的迁徙和扩散。物种保育案例大熊猫人工繁育基地使种群数量从20世纪50年代的1114只增至2023年的1904只。物种保育案例的动态物种保育可以增加物种的数量，提高物种的生存率。第19页第3页恢复生态学：受损湿地的生态修复物理修复某污染湿地清淤后，种植芦苇和红树，两年后水质达III类标准。物理修复的动态物理修复可以去除污染物质，恢复生态系统的功能。生物修复某矿区溪流镉含量下降90%，使某林场松鼠种群每十年经历一次K值波动。生物修复的动态生物修复可以利用生物体内的微生物，去除污染物质。第20页第4页总结：从种群到群落的人类责任核心观点种群动态决定群落结构，而人类活动（如农药使用）同时影响两者。科学决策某国家公园通过建立种群动态模型，成功将黑犀牛数量从濒危（500头）恢复至2500头。行动呼吁鼓励学生参与校园生物多样性调查，某中学三年收集到300份鸟类观测记录。行动