第三章生态学基础知识及其应用

课时编号9-16课目名称第三章生态学基础（校选课）授课时间2009．4授课班级北校区2006-2008级学生教学目的了解并掌握生态学的基本概念和规律以及其与环境保护的关系，为深入研究和解决人类的环境问题提供必要的理论依据。重点与难点重点：生态学的含义；生态系统的概念；生态系统的组成成分；生态系统的功能；生态平衡的概念及影响因素；生态学原理在环境保护中的应用。难点：生态学原理及其在环境保护中的应用。课堂教学设计一、生态学的含义及其发展1、生态学定义的提出与生态学的发展2、生态学的含义二、生态系统的基本概念1、生态系统的概念2、生态系统的组成成分3、生态系统的类型4、四生物圈三、生态系统的功能1、生物生产2、生态系统中的能量流动3、生态系统中的物质循环4、生态系统中的信息联系三、生态平衡1、生态平衡的含义2、破坏生态平衡的因素四、生态学原理在环境保护中的应用1、利用生态平衡原理合理利用自然资源2、利用生态学原则编制生态规划3、利用生态系统的自净能力消除环境污染4、利用生态学方法拟订环境容量和环境标准5、环境质量的生物监测和生物评价6、阐明污染物质在环境中的迁移转化规律7、发展生态农业8、人工生态系统及其在污染防治中的应用参考书目《中国抉择》扬帆主编，石油出版社，2001年8月《普通环境学》杨思之、郭友琳编著，陕西师范大学出版社，1995.12月教案实施效果追记系统讲述了生态学的基本概念、基本知识及生态学原理，并对应用进行了重点讲解，结合课后复习思考题展开讨论，给学生留下深刻印象，学习效果不错。河北经贸大学教案纸1第三章生态学基础知识及其应用[引言]近半个世纪以来，随着工业经济的长足发展和人口的膨胀，我们赖以生存的地球出现了“生态危机”。这种危机产生的原因，主要是由于人们在利用和改造自然的过程中违背了客观规律，尤其是违反了生态学规律，是由于人们在各项活动中缺乏整体观念和系统观念，更缺乏多学科的共同合作。生态学本来是生物科学的一个基础分支学科，它研究生物与其生活环境之间的相互关系，以往，它同其它分支一样，只有生物学工作者才熟知它。近年来，随着粮食、人口、环境、资源、等一系列直接关系到人类生存的许多重大问题的出现，推动了生态学的发展，使它超越了自然科学的范畴，迅速发展为当代最热门、最活跃的前沿学科之一。近年来，生态学的基本原则不仅被看作环境科学重要的理论基础，也被看成社会经济持续发展的理论基础。从生态学观点来看待今日的环境、人口、资源等问题，以下几点是我们应该认识到的：1.虽然宇宙是无限的，但地球是有限的，地球上适合人类和生物生存的空间和物质资源也是有限的，科学家将地球比喻为“一个小小的宇宙飞船”，而把人类比作这个飞船中的乘客。2.虽然人类是地球上生物圈的主人，人类能改变和控制自然，但人类毕竟是生物圈这个地球上最大的一个组成成员，人类并不能凭自己意志为所欲为，而必须服从和运用生态学规律。3.地球是脆弱的，虽然人类能按照自己需求，改变地球环境，但有利于人类生存的生态环境是一个极其脆弱的平衡，以人类今天的能力，破坏它容易，而维持或恢复它却十分困难。这里有两个绝好的例子：“生物圈二号”的失败和韩德柬无人区的欣欣向荣，意味着现代人类活动在生态平衡中已经成为一个负数。第一节生态学的含义及其发展一、生态学的定义：“生态学”(eco)一词最早出现在19世纪下半叶（eco-表示住所、栖息地；logy表示学问），德国生物学家赫克尔(ErnstHaeckel)1869年在《有机体普通形态学》一书中首先对生态学作了定义：“研究生物有机体和无机环境相互关系的科学”。但当时并未引起人们的重视，直到20世纪初才逐渐公认生态学是一门独立的学科。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。”（1）我国著名生态学家马世骏把生态学定义为：“研究生物与其生活环境之间相互关系及其作用机理的科学”。这里所说的生物有：动物、植物、微生物（包括人类在内）；而环境是指各种生物特定的生存环境，包括非生物环境和生物环境。（非生物环境如：空气、阳光、水和各种无机元素河北经贸大学教案纸2等；生物环境：指主体生物以外的其它一切生物）。生物与环境的相互作用：一方面生物的生存离不开环境；生物要从环境中取得生活所必需的能量和物质以建造自身，每种生物都有相对狭窄的特定环境，如鱼离不开水，青蛙虽然能在岸上觅食若没有水域，也无法“传宗接代”，人是“万物之灵”但科技再发达，也离不开新鲜的空气、洁净的饮用水及足够的食物。另一方面，生物的活动也在时刻影响和改变着环境。倘若没有生物源源不断地提供有机物，就不会有什么良田沃土，野兔以牧草为食料，但它们的过度繁殖也会使草地沦为荒漠，人类对环境的影响就更大了。生生态学研究对象：生态学不是孤立地研究生物，也不是孤立地研究环境，而是研究生物与其环境之间地相互关系。这种相互关系具体体现在生物与其环境之间地作用与反作用、对立与统一、相互依赖与相互制约、物质循环与能量循环等几个方面，现代生态学研究范围已扩大到包括经济、社会、人文等领域。（2）现代生态学是一门综合性的边缘学科，它研究生命系统与环境系统之间相互作用的规律及机理。生命系统是自然界具有一定结构和调节功能的生命单元，对于自然生态系统，生命系统就是生物群落，对于社会生态系统、城市生态系统等，生命系统就是人类；环境系统是自然界的光、热、空气及各种有机物和无机元素相互作用所构成的空间。现代生态学更注重生物与环境的整体性。（30页）现代生态学不仅需要吸取各种自然科学的知识，如与生理学、遗传学、行为学、进化论等生物学各个分支领域相结合形成了一系列新的领域，与数学、地学、化学、物理学等自然科学相交叉，产生了许多边缘学科；另外，它还要超越自然科学界限，与经济学、社会学、法学、城市科学相结合，以解决有关的生态问题，如需要颁布森林法、草原法、土地法等，从法律上保证合理利用自然资源；恰当的生态措施还需要考虑当地的民族文化传统及社会风俗习惯等。因此，现代生态学已成为自然科学和社会科学相接的真正桥梁，涉及面广，与人类生产、生活环境联系紧密，被认为是目前最复杂的科学之一。二、生态学的发展-----在实践中产生和发展的科学纵观生态学的发展，可分为二个阶段：（一）生物学分支学科阶段（1866-1960）20世纪60年代以前，生态学基本上局限于研究生物与环境之间的相互关系，属于生物学的一个分支学科，初期生态学主要是以各大生物类群与环境相互关系为研究对象，因而出现了植物生态学、动物生态学、微生物生态学等。进而以生物有机体的组织层次与环境的相互关系为研究对象出现了个体生态学、种群生态学和生态系统。河北经贸大学教案纸3个体生态学（autecology）----主要研究各种生态因子对生物个体的影响。各种生态因子包括光照、温度、大气、水、湿度、土壤、地形、环境中的各种生物以及人类的活动等。各种生态因子对生物个体的影响，主要表现在引起生物个体新陈代谢的质和量的变化，物种的繁殖能力和种群密度的改变，以及对种群地理分布的限制等。种群生态学(populationecology)——从20世纪30年代开始，就成为生态学中的一个主要领域。种群是在一定空间和时间内同一种生物的集合（如一个池塘里的全部鲤鱼、一块草地上的所有黄羊；某一城市中的人口等都可以看作一个种群），但是，它是通过种内关系调节组成的一个新的有机统一体，它具有个体所没有的特征，如种群增长型、密度、出生率、死亡率、年龄结构、性别比、空间分布等。种群生态学主要是研究种群与其环境相互作用下，种群在空间分布和数量变动的规律。如种群密度、出生率、死亡率、存活率和种群增长规律及其调节等。群落生态学（communityecology）——是以生物群落为研究对象。生物群落是在某一时间内某一区域中不同种生物的总和。一般来说，一个群落中，有多个物种，生物个体也是大量的。群落的多样性和稳定性已成为群落生态学的重点研究课题。生态系统生态学：到20世纪60年代开始了以生态系统为中心的生态学。这是生态学发展史上的飞跃。生态系统是指在自然界一定空间内，生物与环境构成的统一整体。即把生物与生物、生物与环境以及环境各因子之间的相互联系、相互制约的关系，作为一个系统来研究（下一节专门阐述）。生态系统-----含义是：“群落+环境”（二）综合性学科阶段（1960----至今）20世纪50年代后半期以来，由于工业的迅猛发展、人口膨胀，导致粮食短缺、环境污染、资源紧张等一系列世界性问题出现，迫使人们不得不以极大的关注去寻求协调人与自然的关系，探求全球持续发展的途径，这一社会需求推动了生态学的发展，使其超越了自然科学的范畴迅速发展为当代最活跃的前沿科学之一。近代系统科学、控制论、电子计算机、遥感和超微量物质分析的广泛应用，为生态学对复杂大系统结构的分析和模拟创造了条件，为深入探索复杂系统的功能和机理提供了更为科学和先进的手段，这些相邻学科的“感召效应”促进了生态学的高速发展。与过去相比较，现代生态学具有下列特点：（30页）1、定性探索生物与环境的相互作用到定量研究；从描述性科学走向实验科学。由于现代科学技术和实验手段的发展，使生态学从种群到系统的实验研究成为可能。例如，示踪原子的应用，可以追踪生态系统营养物质的转移范围、途径及速率；利用电子仪器和生物遥测技术，可在不破坏动植物种群的情况下对它们取样和测量；利用现代数学和电子计算机，有可能河北经贸大学教案纸4对系统作定量描述，建立模拟实际生态系统的模型，以便分析了解系统的结构和功能并预测其变化等。2、生态学的研究重点，从个体水平转移到种群和群落，进而发展到以生态系统研究为中心；。3、生态学原理与人类的各个实验领域结合得更加紧密。4、生态学与相邻学科相互交融，产生了若干新的生长点如：化学生态学、经济生态学（29页）总之，生态学不仅限于研究生物圈内生物与环境的辨证关系及相互作用的规律，也不仅限于人类活动（主要是经济活动）与生物圈（自然生态系统）的关系，而是扩展到了研究人类与社会圈或技术圈的关系。如文化生态学、教育生态学、社会生态学、城市生态学、工业生态学等，当前，我国对环境污染与破坏的控制，仍然以城市环境综合整治与工业污染防治为重点，运用城市生态学和工业生态学理论制定城市和工业污染防治规划，制定城市生态规划和制定工业生态规划方案，发展生态农业。由上可见，生态学正以前所未有的速度，在原有学科理论与方法的基础上，与环境科学及其它相关学科相互渗透，向纵深发展并不断拓宽自己的领域。生态学已逐渐发展成为一门指导人类以系统、整体观念来对待和管理地球和生物圈的科学。第二节生态系统的概念与组成一、“系统”观念地引入：所谓系统是由若干个各自独立又相互联系、相互作用的组分构成的统一整体，他们共同来完成某种特定的功能。我们周围的环境充满着系统。比如人的消化系统由口腔、咽喉、食道、胃、肠和各种消化腺等器官组成。消化系统依靠这种结构来完成吞咽、分解、吸收营养和排泄糟粕等功能。再如自行车就是一个“系统”，它是由许多相互关联的部件组成，而各个部件又必须是按照一定规格和严密的程序、有序地结合起来，才能完成它的特定功能——行驶、运载。自行车=车把+车架+车轮+……，但自行车作为一个“系统”，决不是各个部件的简单拼凑，而是必须具有一定的结构，即系统内部相互关联的各组成部分总是按一定规格和严密程序有规律的结合在一起，才能完成自行车这个系统的功能———行驶、运载。总之，“系统”决不是各组成部分的简单加和；由系统结构表现出来的整体功能要大于它的各部分之和。我们在运用系统的观点考察和分析问题时，必须重视系统的整体性和个组成部分的关联性，凡系统必有它的特定功能，这是某一系统区别于其他系统的主要标志。二、生态系统的概念：地球上的生物不可能单独存在，如同一个人离不开人类社会一样，而总是多种生物通过各种方式，彼此联系而共同生活在一起，组成一个“生物的社会”叫生物群落（植物群落、动物群落、河北经贸大学教案纸5微生物群落），生物群落与环境之间的联系是密不可分的，它们彼此联系、相互依存，相互制约，共同发展，形成一个有机联系的整体叫生