环境科学与工程概论-课件 第二章生态学基础

第二章生态学基础1.生态系统基本概念2.生态系统的组成3.生态系统中的能量流动4.生态系统中的物质循环5.生态平衡6.城市生态系统讨论题：1、你支持一些饥荒严重的国家在森林或草原等重要的生态系统开荒种粮吗？你的保护生态系统与人类乐趣的分界线是什么？

2、增加能源需求而不节能犹如打开下水阀门还想在浴缸里放满水一样。请谈谈我们为什么要节能，以及中国政府和居民可以从哪方面考虑节能？3、随着人口增加，是应该开垦更多的土地还是运用科学技术去提高现有土地的农业产量？请分析存在的问题。4、分析中国南水北调的优劣。

5、为什么发展中国家比发达国家空气污染严重？在这一点上发达国家是否有可做的工作？

6、你的学校核城市如何处理固体废物？固废产量在你的学校和城市是否可以得到限制？如何限制？有哪些障碍？

7、农药使用的危害与益处相比是否物有所值，你支持那种结论，请给出依据。

生态学的定义（1）

生态学（Ecology）一词最早是由德国生物学家黑格尔于1869年提出的。其英文词首和经济学（Economics）是相同的，均来自于希腊文，表示家庭居处或环境的意思，可见，生态学与经济学、家庭、环境等有着密切的关系。黑格尔把生态学定义为“研究有机体与其有机和无机环境之间相互关系的科学”。

后来有的学者把生态学定义为“研究生物或生物群体与其环境的关系，或生活着的生物与其环境之间相互联系的科学”。生态学的定义（2）生态学中所说的生物包含植物、动物和微生物。最近，由于人类环境问题和环境科学的发展，生态学也扩展到人类生活和社会形态等方面，把人类这一生物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。生态学的定义（3）生态学的发展生态学原是一门研究生物与其生活环境相互关系的科学，是生物学的重要分科之一。初期主要研究植物，后来逐渐涉及动物和人类。目前，随着现代科学技术的发展并向生态学的不断渗透，赋予它新的内容和动力，使其成为多学科、较活跃的科学领域之一。按研究范围对生态学进行分类：个体生态学种群生态学群落生态学生态系统生态学（简称生态系统）1、生态系统的概念生态学生态系统生态学（简称生态系统）物种种群生物群落周围环境能量流动物质循环信息联系一个分支个体的总和生物的总和生物圈（生态圈）

生物圈实际是全球生态系统。

生物圈是指地球上有生命活动的领域及其居住环境的整体。它在地面以上达到大致23km的高度及地面以下延伸至12km的深处，其包括平流层的下层、整个对流层以及沉积岩圈和水圈。但绝大多数生物通常生存于地球陆地之上和海洋表面之下各约100m厚的范围内。1.1生物圈

生物圈存在的基本条件是：第一、可以获得来自太阳的充足光能。第二、要存在可被生物利用的大量液态水。第三、生物圈内要有适宜生命活动的温度条件，在此温度变化范围内的物质存在气态、液态和固态三种变化。第四、提供生命物质所需的各种营养元素。1.2生物多样性生物多样性系指某一区域内遗传基因的品系、物种和生态系统多样性的总和。据估计，2000年来约有110多种兽类和130多种鸟类从地球上消失，其中1/3是19世纪前消失的，1/3是19世纪灭绝．另1/3是近50年来灭绝的。近50年来我国仅动物就绝灭了数十种，另外尚有数百种面临濒危绝灭的境地。我国植物中的珍稀和特有种也有数十种绝灭。在中国国家重点保护野生动物名录中，受保护的濒危野生动物达400多种。植物红皮书中记述的濒危植物高达l019种。据联合国估计，到2000年地球上特有10％-20％的植物消失。全球生物多样性的状态2生态系统及其组成生态系统是指特定地段中的全部生物(即生物群落)和物理环境相互作用的任何统一体。生态系统就是一个相互进行物质和能量交换的生物与非生物部分构成的相对稳定的系统。它是生物与环境之间构成的一个功能整体，是生物圈能量和物质循环的一个功能单位。生态系统的组成生态系统生物部分分解（还原）者生产者绿色植物光能合成细菌、化能合成细菌消费者一级消费者——草食动物二级消费者——肉食动物三级消费者——大型肉食动物四级消费者——顶级肉食动物有机营养微生物微型动物非生物部分物质代谢原料阳光CO2H2O、O2无机营养盐分非生命的有机物质基质岩石、砂、泥等媒质水、空气、土壤等食物链食物网生态系统(一)生物部分Ⅰ、初级生产者初级生产者指全部绿色植物或某些能进行光合作用或化能合成作用的细菌，又称为自养有机体。绿色植物通过光合作用把CO2、H2O和无机盐类转化成有机物质．把太阳能以化学能的形式圈定在有机物质中。因此，绿色植物是整个生态系统的物质生产者。光能合成细菌和化能合成细菌也能把无机物合成为有机物。如硝化细菌能将NH3氧化为HNO2和HNO3，并利用氧化过程中释放的能量，把CO2、H2O合成为有机物。这类细菌虽然合成的有机物质不多，但它们对某些营养物质的循环却有重要意义。Ⅱ．消费者消费者指直接或间接利用绿色植物所制造的有机物质作为食物来源的异养生物．又称为异养有机体。主要是各种动物，也包括某些腐生和寄生的菌类。Ⅱ．消费者(1)草食动物它们以植物的叶、枝、果实、种子为食．如牛、羊、免、鹿、蝗虫和许多鱼类等。在生态系统中，绿色植物所制造的有机物质首先作为这类动物的食物，所以草食动物又称为初级消费者或第一级消费者。Ⅱ．消费者(2)肉食动物它们以草食动物或其他弱小动物为食，包括次级消费者和三级消费者等。初级消费者、次级消费者等之间并没有严格的界限，许多杂食性动物，既是初级消费者．又是次级消费者或三级消费者。因而构成复杂的食物链和食物网。Ⅱ．消费者(3)寄生动物寄生于其他动、植物内，靠吸取宿主营养为主。(4)腐食动物以腐烂的动植物残体为食。Ⅲ、分解者分解者主要是指各种微生物，也包括某些以有机碎屑为食物的动物，又叫做还原者。它们以动植物的残体和排泄物中的有机物质作为维持生命活动的食物来源，并把复杂的有机物分解为简单的无机物归还环境，供生产者再度吸收利用．从而构成生态系统中营养物质的循环。微生物（真菌）橙盖伞分解者大地的清道夫-------蜣螂（屎壳郎）(二)非生物部分非生物环境是生态系统中生物赖以生存的物质和能量的源泉及活动的场所．原料部分：主要是阳光、O2、CO2、H2O、无机盐及非生命的有机物质；媒质部分：指水、土壤、空气等；基质：指岩石、砂、泥。（三）生态系统的类型1．陆地生态系统陆地生态系统包括整个陆地上的各类生物群落。

根据地球纬度及水、热等环境条件，按植被的优势类型可分为森林生态系统、草原生态系统、荒漠生态系统、冻原生态系统等。森林生态系统，又可再分为热带林、亚热带林、温带林、寒带林等生态系统，以下还可再分。森林生态系统

各种类型的森林,占陆地面积的28.5%

草原生态系统

各种大草原,占陆地面积的25%

农田生态系统

所有耕地，占陆地面积的10%

荒漠生态系统

指气候干旱、降水稀少、植被贫乏的自然地带陆地生态系统水生生态系统包括海洋和陆地上的江、河、湖、沼等水域．其面积占地球表面的2/3。它又可以分为海洋生态系统和淡水生态系统。淡水生态系统又可再分为流水生态系统(河、溪)和静水生态系统(湖泊、水库)。2．水生生态系统淡水生态系统

如湖泊、池塘等，其水量不足全球水量的1%海洋生态系统

面积辽阔，约占地球总面积的71%几种典型地物的反射波谱曲线（1）地物对不同波长的电磁波的反射率是不同的。（2）不同地物具有不同的波谱反射率曲线。（3）同一地物在不同的条件下，具有不同的波谱反射率曲线。不同植物或同一植物的不同生育期以及不同健康状况，其反射波谱不同。可利用反射波谱曲线鉴别植物的种类、生育期和健康状况。

植物的反射波谱曲线（四）生态系统基本特征(1)开放性在生态系统中．能量是单向流动，即从绿色植物接收太阳光能开始，到生产者、消费者、分解者以各种形式的热能消耗、散失为止，不能再被利用形成循环。

(2)运动性在相互适应调节状态下，生态系统呈现出一种有节奏的相对稳定状态．并对外界环境条件的变化表现出一定的弹性。这种稳定状态，即是生态平衡。

(3)自我调节性在不断与外界进行能量和物质交换过程中，通过自身的运动而不断调整其内在的组成和结构，并表现出一种自我调节的能力，以不断增强对外界条件变化的适应性、忍耐性。维持系统的动态平衡。

(4)相关性与演化性对一个具体的生态系统而言，它总是随着一定的内外条件的变化而不断地自我更新、发展和演化。表现为一种产生、发展、消亡的历史过程，呈现出一定的周期性。3、生态系统中的能量流动3.1能量源泉（太阳）热核聚变（氢原子聚变成氦，并以电磁波形式向空间释放出能量）

太阳辐射能的分配3、生态系统中的能量流动3.2能量流动方式消费者4生产者消费者1消费者2消费者3BBBBRRRRR分解者RDD+nD+nD+nD+n太阳光S生态系统中的能量流动和转换，也服从热力学的第一、第二定律。能量流动的特点：自然条件下，能量固定率为1％。生态系统的能量流动为单向流动。流动中能量急剧减少，从一个营养级到另一个营养级都有大量的能量以热的形式散失掉。

在生态系统中，当其生产的能量与消耗的能量保持一定的相对平衡时，该生态系统的结构和动能才能保持动态平衡，也就是生态平衡。在生态系统中，各级消费者之间的能量利用率不高，为10％左右。也就是生态金字塔。能量流动的特点：1000100101浮游动物鱼水域生态系统的生态金字塔浮游植物4、生态系统中的物质循环物质循环组成生物体的C、H、O、N、P、S等化学元素，不断进行着从无机环境到生物群落，又从生物群落回到无机环境的循环过程，这就是生态系统的物质循环。生物圈是地球上最大的生态系统，其中的物质循环带有全球性，这种物质循环又叫生物地球化学循环。物质循环伴随能量流动，能量流动孕于物质循环之中能量流动是单向的，不可逆；物质循环是循环流动的4.1水循环在太阳能和地球表面热能的作用下，地球上的水不断被蒸发成为水蒸气，进入大气。水蒸气遇冷又凝聚成水，在重力的作用下，以降水的形式落到地面，这个周而复始的过程，称为水循环。水循环水循环水是物质循环的必要介质，其他物质循环都结合水循环进行。地球上淡水资源中只有不到1％的部分是人类可以利用的液态水太阳能是水循环的驱动力水的年平均循环量表(百万立方米／年)海洋降水3.24×108海洋蒸发3.60×108陆地降水0.98×108陆地蒸发0.62×1084.2碳循环碳元素约占生物体干重的49％，碳是有机化合物的“骨架”，没有碳就没有生命。碳在无机环境与生物群落之间是以CO2的形式进行循环的。碳循环大气中CO2含量变化对气候变化产生严重影响4.3氮循环硝酸盐氨或铵盐大气中的氮细菌分解NOX人类经济活动对氮循环的影响氮氧化物大量输入大气，造成空气污染向环境输入大量硝酸盐，与磷一起造成水体富营养化。4.4磷循环化石磷矿床磷酸盐岩石鸟粪层食物链天然侵蚀人工开采海鸟和鱼散失在深海沉积层中浅海沉积层原生质合成磷酸盐化细菌溶解的磷酸盐磷循环小部分进行生物地球化学循环，大部分单向流失，是不可更新资源。造成水体富营养化5.生态系统中的信息联系生态系统中各成分之间存在着信息联系（或信息传递、信息流），这些信息把生态系统联系成为一个有机的整体。物理信息：以光、声音、颜色等构成了生态系统的物理信息。化学信息：生物代谢活动中分泌的一些物质（维生素、生长素、抗菌素和性激素等），作为信息传递，使生物种群间、类发生联系或变化。6、生态平衡在一定时间和相对稳定的条件下，生态系统的生产者、消费者和分解者之间，不断地进行能量流动、物质循环和信息联系，并保持一种动态平衡，这便是生态系统的动态平衡，简称生态平衡。生态平衡的失调当外界干扰超过生态系统的自我调节能力时，即超过生态平衡的阈值时，将造成生态系统的结构破坏、功能受阻、生态功能紊乱以及反馈自控能力下降，称为生态平衡的失调。女子花510万买6387只羊放生生态平衡的失调自然原因：火山喷发、海陆变迁、雷击火灾、海啸地震、洪水与泥石流以及地壳变动人为原因：大量排放有毒有害污染物、大面积毁坏森林、过度放牧、滥杀动物等生态平衡的调节当生态系统的生产者、消费者和分解者在不断地进行能量流动、物质循环和信息联系过程中，受到自然因素和人类活动的影响时，系统保持其自身稳定的能力。这种能力实际上是指生态系统的一种适应能力。建立生态系统的最佳平衡从整体和全局出发考虑对自然环境的影响，使生态系统建立更佳的动态平衡。

7.城市生态系统城市生态系统的研究，是城市生态学的一个主要内容，目的是寻求高度集中的人口及所从事的各种社会活动与自然环境的良好合作途径，以促进经济有序发展和生态系统的良性循环。城市的含义及特征

城市是指具有10万以上人口，住房、工商业、行政、文化等建筑物占50％以上面积，具有较为发达的交通网络和车辆往来频繁的人类集居区域。

城市的主要特征为：1.是非农业人口集中区域；2.是一定区域的政治、经济或文化中心；3.是由多种建筑物组成的物质设施综合体。城市的发展1950年，世界上人口超过100万的大城市有71个，800万人口以上的特大城市仅有伦敦。但是到了1970年，大城市增至157个，特大城市增至11个。2000年，大城市有400个，特大城市达30个以上。城市生态系统是一个以人类生活和生产活动为中心的，由居民和城市环境组成的自然、社会、经济复合生态系统。7.1城市生态系统概念7.2城市生态系统特点相对于自然生态系统来说，有许多不同的特点：1.城市生态系统是人工生态系统

人工控制对城市生态系统的存在和发展起着决定作用。但是，人工控制是在自然控制的大背景下起作用的，必然受到太阳辐射、气温、气候、风、水源状况等自然因素控制。2.城市生态系统是以人为主体的生态系统城市生态系统中，人口高度集中，其他生物的种类和数量都很少。动物群落基本上是家养动物群落，其生存除部分受气候与疾病等的影响外，基本不受天敌的威胁，而主要受人的支配。人是城市生态系统中主要的消费者。在城市生态系统中，生产者、消费者所占的比例，与其在自然生态系统中的比例正好相反，是以消费者为主的倒三角形营养结构。城市生态系统中的营养结构人类动物植物人类动物植物自然生态系统中的营养结构3.城市生态系统是不完全的生态系统城市中的植物，其主要作用已变为美化环境、消除污染和净化空气。由于植物产量远远不能满足当地消费者的粮食需要，必须从城市以外输入。需要异地分解废弃物（垃圾厂、化粪池、垃圾场等）4.城市生态系统是高度开放的系统大量、高速的输入输出流、能量、物质和信息在系统中高度浓集，高速转化，其能量转化功率为每平方米每年（42~126）×107焦耳。生物（人）---自然（环境）系统工业---经济系统文化---社会系统只考虑人的生物性活动。只考虑人的经济活动。只考虑人的社会活动和文化活动5.城市生态系统是多层次的复杂系统7.3城市生态系统的结构与功能1.城市生态系统的结构

它着重反映系统的空间因素及其相互作用，由于不同专业的研究角度和出发点不同，所以城市生态系统的划分也各异。

以下是几种不同的城市生态系统。社会学家划分的城市生态系统城市生态系统城市空间城市社会城市居民城市组织人口结构劳动结构智力结构政治组织经济组织文化组织群众组织家庭组织人工环境人工设施（建成区环境）施工环境基础设施生产设施生活服务设施自然环境自然资源土地、空气、淡水、食物、能源、原料地域环境地质、地貌、气候水文、土壤、生物环境生态学家提出的城市生态系统结构图城市生态系统生物系统城市居民家养生物野生生物非生物系统人工物质系统住宅与公共建筑物道路设施工厂交通运输通讯设施市政管网设施环境资源系统气域水域土地矿产能源系统生物能（食物等）自然能化石燃料城市中各子系统的特点、环境问题和解决措施2.城市生态系统的功能

(1)物质流城市外区域的大量工业原料和农副产品输入工业产品与废弃物的输出

输入生产库存输出废弃物累积如建筑道路如五金产品、建筑材料消耗城市系统中货物流的流程途径空气流这种资源流的流动速率和强度，直接影响着城市的大气环境质量。输入输出生产消费空气28.39×10428.39×104氧65580.965542.73.3441.5CO2130.59182.6457.065.01由该表能得出什么结论呢?北京的空气流位:万吨该表可以出：北京市由于氧的消耗量过大,使O2---CO2的平衡被严重破坏,从而看到北京环境质量确有待改善,也可推断出北京的绿地面积太少了,离要求太远.这都是规划上失误的证明.CONCLUSION:热原生能源次生能源有用能源最终能源传输率损耗热损耗热损耗热损耗热利用率损耗热传输率转化率利用率（2）能量流城市生态系统能量流的基本过程原生能源（一次能源）：从自然界直接获取的能量形式，主要包括：煤、石油、天然气、油页岩、油沙、太阳能、风能、水能、潮流能、波浪能、核能、地热能等。次生能源：

经过加工或转化，便于输送、贮存和使用的能量形式。如电力、柴油、液化气.有用能源：

使用者为了达到使用目的，将次生能源转化为特殊的使用形式。如机械能，热能等。城市生态系统与自然生态系统能量流动的相同点：遵守热力学第一、第二定律，在流动中不断有损耗，不能构成循环除部分热损耗是同辐射传输外，其余的能量都是由物质携带的，能流的特点体现在物质流中。但是能量每流过一个能级时，并不服从所谓的“10%定律”Eg.北京市2000年预计输入6000万吨标准煤，暂不考虑其燃烧释放的SOX、NOX、粉尘等对环境的污染，仅就燃烧一项，燃烧热达1.76×1018焦耳。我国能源利用率按30%计,则进入城市环境的余热:1.76×1018×(1－30%)=1.23×1018焦耳在城市的生态系统中，存在着强大的能流、物流，必然对环境产生不可估量的影响。这些热量进入城市环境是十分惊人的。目前北京市的“热岛”效应已很严重，“热岛”强度已达5℃城市热岛效应原因有很多：1.城市地区植被减少，导致地面蒸发散热减少；2.诸如混凝土、沥青一类的建筑材料的比热容和导热系数更高，会吸收储存更多的太阳辐射热；3.太阳辐射热在高密度的建筑物之间多次反射，导致城市环境变热；为什么会有热岛效应？“屏风楼”4.城市建筑物阻挡了风的流动，阻碍了城市的散热5.城市的交通工具、工业生产设备、家用电器、人口等自身会发热，导致气温升高。香港夏季城市（粗线）与乡村（细线）气温对比咋办哟？？⑶信息流自然信息：水文、气候、地质、生物、环境等社会经济信息：人口、科教、人才、新技术、市场、金融、价格、贸易等信息流的功能：输入分散的、无序的信息，输出经过加工的、集中的、有序的信息。同时信息流也附于物质流中，如报纸广告和电视、书刊等都是信息的载体。信息的流量反映了城市的发展水平和现代化程度。城市人口流动在时间上和空间上的变化。

劳力流是特殊的人口流。（人