生态学基本原理02

《环境保护与可持续发展》第三章生态系统基本理论［教学目标］了解生态学的概念，掌握生态系统的结构和功能，理解生态平衡的重要性。［教学重点］生态系统［教学难点］生态平衡与生态破坏［教学时数］4本章重点1.生态学概念2.生态系统的组分3.生态系统分类4.食物网5.生态危机第一节生态系统的基本概念一、生态学概念1.生态学的概念生态学(ecology)一词源于希腊文“oikos”，表示住所和栖息地,原意是研究生物栖息环境的学科。1866年，德国的动物学家黑格尔（haeckel）首次为生态学下了定义：生态学是研究有机体与其周围环境——包括非生物环境和生物环境相互关系(interaction)的科学。后来，一些著名生态学家也对生态学进行了定义。1966年，smith认认为生态学是研究有机体与生活之地相互关系的科学，所以又可把生态学称为环境生物学(evironmentalbiology)。著名美国生态学家E·odum(1956)提出的定义是：生态学是研究生态系统的结构和功能的科学。我国著名生态学家马世骏先生认为，生态学是研究生命系统和环境系统相互关系的科学。生态学的不同定义代表了生态学的不同发展阶段，强调了不同的基础生态学分支和领域。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。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。目前，生态学家普遍认为，生态学是研究生物与环境之间相互关系及其作用机理的科学。2.生态学基本原理---生态学三定律《环境保护与可持续发展》美国环境学家小米勒(G．T．Miller，Jr．)提出的生态学三定律是：生态学第一定律：我们的任何行动都不是孤立的，对自然界的任何侵犯都具有无数效应，其中许多效应是不可逆的。该定律为哈定（g·hardin）所提出，可称为多效应原理。生态学第二定律：每一种事物无不与其他事物相互联系和相互交融。此定律可称为相互联系定律。生态学第三定律：我们生产的任何物质均不应该对地球上自然的生物地球化学循环有任何干扰。此定律或可称之为勿干扰原理。3.生态学的研究对象生物学科的两大发展方向：微观——分子生物学；宏观——生态学。生态学是研究生物与环境、生物和生物之间相互关系的一门生物学基础分支学科。生态学的研究是活的生物在自然界中与环境的相互作用和生物之间的相互作用。20世纪50年代以后，欧洲工业化大生产迅速发展，带来了一系列严重后果：环境污染（三废）、自然资源的破坏、能源危机、人口膨胀带来的粮食不足等问题。——全球性的事态激化，称为“全球性生态灾难”——才重视生态学。目前，生物多样性保护，可持续发展和全球气候变化已成为全球关注的三大生态学问题。1992年6月，世界环境与发展大会在巴西里约热内卢召开，178个国家，包括118位国家首脑参加，讨论人类生存环境与社会发展有关的一系列重大生态学战略性问题，生态学的作用已不言而喻。这次大会推动了全球生态学的进一步发展。二、生态系统1.生态系统的概念种群（Population）：一个生物物种在一定的范围内所有个体的总和称为生物种群。生物群落（Community）：在一定自然区域的环境条件下，许多不同种的生物相互依存，构成了有着密切关系的群体，称为生物群落。随着环境条件的千差万别，地球上出现了各种各样的生物群落（森林、草原、荒漠等等）。而特定的生物群落又维持了相应的环境条件。一旦生物群落发生变化，也会影响到环境条件的变化。因此，人们把生物群落与其周围非生物环境的综合体，称为生态系统（Ecosystem），也即生命系统和环境系统在特定空间的组合。生态系统（Ecosystem）：指一定范围内，各生物成分和非生物成分之间，通过能量流动和物质循环而相互作用、相互依存所形成的一个统一整体。或是一定空间内由生物成分和非生物成分组成的一个生态学功能单位。《环境保护与可持续发展》生物圈（biosphere）——全球生态系统的总和，即地球表面全部生物及其生活领域的总称。2.生态系统的组成生物成分＋非生物环境＝生态系统物质组成：生物体为有机物质，作为环境的岩石、大气和水则是无机物质。生物群落（有机物质）：生产者：指能进行光合作用的各种绿色植物、蓝绿藻和某些细菌。又成为自养生物。把光能转化成化学能；消费者：指以其他生物为食的各种动物（第一、二、三次消费者，即植食性、肉食性、大型肉食）；分解者：微生物（细菌、真菌和放线菌等），把大分子有机物还原成简单的无机物，释放到环境中。环境(无机物质)：媒质：水、空气、土壤等基质：岩石、泥沙等能源：地热、太阳能等物质代谢原料：二氧化碳、氧气、水等元素组成：主要是氢、氧和碳，它们分别占49.8%、24.9%和24.9%，三种元素占到生物有机体的99.6%。此外，还有微量的氮、钙、钾、硅、镁、磷、硫、铝等。3.生态系统类型：按基质分为陆地生态系统（森林、草原、荒漠等生态系统）和水域生态系统（淡水、海洋、湿地等生态系统）。4.生态系统的功能任何生态系统都具有能量流动.物质循环和信息传递三大基本功能。1）能量流动：《环境保护与可持续发展》（1）能量流：地球是一个开放系统，存在着能量的输入和输出。能量输入的根本来源是太阳能。太阳能辐射到地球的能量主要有两种形式，即热能和光能。光能输入生态系统，进行光合作用，转化为化学能，供系统利用。光能的部分经过一系列的转化和流动，（植物光合作用-动物-微生物）最后能量以热能的形式散布到环境中，这种能量的单向流动的现象，叫能量流。(2）食物链和食物网：是能量流动的渠道。食物链(foodchain)：生态系统中食物（固定的能量和物质）以一系列吃与被吃的步骤通过生态系统，叫食物链。其中的每个环节叫营养级。我国民谚说的“大鱼吃小鱼，小鱼吃虾米”就是食物链的生动写照。当然自然界中实际存在的取食关系要复杂的多。生态系统中一般有两类食物链，即捕食食物链和碎屑食物链。前者以活的动植物为起点，后者以死的生物或腐屑为起点。在陆地生态系统和许多水生生态系统中，能量流动主要通过碎屑食物链，净初级生产量中只有很少一部分通向捕食食物链。只有在某些水生生态系统中，例如在一些又浮游藻类和滤食性原生动植物组成食物链的湖泊中，捕食食物链才成为能量流动的主要渠道。食物网(foodweb)：生态系统中不是简单的独立的食物链，一种生物不仅仅吃一种生物，而同一种食物也不是只被一种生物消费，它会出现在多个食物链中。因此，把多个互相关联在一起的食物链组成的网，叫食物网。一般，食物网越复杂，生态系统就越稳定。食物网是复杂的，但不随机，它具有高度的典范性。规律有：1）很少为环状，2）食物链不长，平均为4节，3）顶、中、基位种的比例相当稳定。食物网越复杂的生态系统，消失一种生物，往往不会引起系统得失调，相反，可能导致系统得激烈波动，其他相应环节能起补偿作用。(3）营养级与生态金字塔：食物链中的每个环节叫营养级，食物链告诉我们，后一个营养级的生存必须依赖前一营养级的能量，但通常能量的流动在食物链中越来越少、逐次递减，除本身消耗外，前一个营养级所提供的能量只能满足后一个营养级少数生物的需要，营养级逐级向上，能量呈递减，生物个体数也递减。如果把能量（或者生物量、个体数量）按体积大小，沿营养级排列制图，得出一个金字塔图形，就是生态金字塔。(4）生态效率：用来估计各个环节的能量传递效率。生产量：指一定时期内有机物质增加的总重量。含有速率的概念。总生产量：指某一时期增加的有机质，加《环境保护与可持续发展》上呼吸损失的部分。净生产量：总生产量减去呼吸损失的部分。同化量：指植物光合作用中所固定得日光能；动物在消化道内被吸收的能量。生物量：指任一时间某生物（种群、群落或生态系统）有机物的总重量。只要重量。现存量：是单位面积上当时所测得的生物体的总重量，通常代表生物量。生产力：单位时间面积的生产量，即生产速率。同化效率：光合作用所固定的能量占植物吸收的日光能的比例。同化效率=被植物固定的能量/吸收的日光能=被动物吸收得能量/动物得摄食量Lindman效率：能量每通过一个营养级，其有效能量（可利用得能量）大约为前一个营养级有效能量得10%。2）物质循环生物学研究表明，对生命必须的元素只有约24种，即碳、氧、氮、氢、钙、硫、磷、钠、钾、氯、镁、铁、碘、铜、锰、锌、钴、锡、钒，可能还有镍、溴、铝和硼。上述元素中的四种，即碳、氢、氧、氮，占生物有机体组成的99%以上，在生命中起这关键作用，被称为“关键元素”。(1)概念：生态系统从大气、水体或土壤中获取得各种营养物质，通过绿色植物得吸收，进入生态系统，被其它生物重复利用，最后又归回到环境中得过程，叫物质循环。也叫生物地球化学循环。其特点是物质总在循环，且物质是不灭的。(2)物质循环的类型：水循环：指水的动态平衡，它由来自于太阳的热能推动完成。包括：大循环：水的主要储库是海洋。海洋蒸发的水源，被气流运送到空中，遇冷凝结成水，落到地面，汇入到江河、归到大海的过程。海洋——空中——陆地——海洋小循环：海洋或陆地的水经蒸发，凝结后再降到海洋或陆地上的水分运动过程。水循环的生态学意义：地球上的降水量和蒸发量总的来说是相等的，通过降水和蒸发保持地球上水分的平衡。为陆地生态系统提供水源，维持生命活动和繁衍。是物质循环的重要基础。每年的降水约35%又以地表径流流入到海洋，流动的过程能够溶解和携带大量的营养物质，帮助营养物质从一个系统转移到另一个生态系统水是很好的溶剂，可以作为其它物质循环的载体，水循环常伴随着地球化学物《环境保护与可持续发展》质循环，保证化学物质供给生态系统。水的三相变化不停相互交换，特别是蒸腾作用，使叶片大量释放水分，达到净化水。碳循环：碳储量（全球碳库总储量26*1015吨）：（1）绝大部分以碳酸盐的形式禁固在岩石圈中。（2）其次是化石碳（石油等燃料）。（3）生物可直接利用的碳是大气圈和空气中和水中的二氧化碳。（4）此外，动植物体内和土壤有机质中有部分碳。地面动植物所储存的碳量与空气中二氧化碳的总量相当；土壤有机质中的碳量是全球碳库的另一重要部分；由此，大气、土壤、动植物之间的碳流动与转化是全球碳循环的主流。植物光合作用——固定二氧化碳——动物体内——呼吸释放部分———动植物残体被微生物分解放出二氧化碳。此外，除了大气，碳的另一个储库是海洋，碳含量是大气的50倍。通过呼吸、沉积—再暴露—风化—重返大气圈。氮循环：氮是蛋白质的基本成分，是一切生命结构的原料。大气中有78%的氮气，但是不能被生物直接利用，它必须通过固氮作用将游离的氮与氧结合成为硝酸盐或亚硝酸盐，或者与氢结合成氨，才能被大部分生物所利用，参与蛋白质的合成。因此，氮被固定后，才进入生态系统，参与循环。植物只能从土壤中吸收无机态的铵态氮（铵盐）和硝态氮（硝酸盐），用来合成氨基酸，再进一步合成各种蛋白质。动物则只能直接或间接利用植物合成的有机氮（蛋白质），经分解为氨基酸后再合成自身的蛋白质。在动物的代谢过程中，一部分蛋白质被分解为氨、尿酸和尿素等排出体外，最终进入土壤。动植物的残体中的有机氮则被微生物转化为无机氮（氨态氮和硝态氮），从而完成生态系统的氮循环。有毒物质的循环：有毒物质进入生态系统，一般：常常被水和空气稀释到无害程度，无法测出。可以被分解解除毒性。过程有快有漫，如白色垃圾的降解慢。富集（生物扩大作用）：有毒物质不能被分解，而是通过食物链的传递，逐级浓缩，毒量放大。如：一些农药和杀虫剂等。物质循环与能量流动不同，能量流是单向流动的，而物质流则构成一个循环的通道。生物体内所需的营养元素在生物圈内运转不息，从非生物环境到生物有机体内，再返间到非生物环境中去。营养元素的循环包括生态系统内(主要是植物群落和土壤之间)的生物小循环和地球化学的大循环，通常称这种循环为生物地球化学循环。在循环过程中，每种元素都有各自的路线、范围和周期，即可分成不同的循环《环境保护与可持续发展》类型，如气体循环和沉积循环。3）信息传递生态系统的信息传递是指在生态系统的各组成部分之间及各