模块二生态学基础.

化工环境保护概论模块二生态学基础模块二生态学基础任务一认识生态学和生态系统定义：我国著名生态学家马世骏把生态学定义为“研究生物与环境之间相互关系及其作用机理的科学”。因此生态学的基本任务是，研究、认识生物与环境所形成的结构以及这种结构所表现出的功能关系的规律。一、生态学的含义及其发展生态学的诞生生态学一词最早是由德国生物学家赫克尔(E.Haeckel)于1866年在他所著《有机体普通形态学原理》一书中提出的。他把生态学定义为“自然界的经济学”。1895年丹麦哥本哈根大学的瓦尔明的《以植物生态地理为基础的植物分布学》和1898年德国的辛柏尔的《以生理学为基础的植物地理分布》两本专著的问世，标志着生态学这门学科正式诞生。之后，英国的坦斯利(1935)提出了生态系统，美国的林德曼(1942)提出了食物链和金字塔，原苏联的苏卡切夫(1942)提出了生物地理群落等概念，进一步推动了生态学的发展，特别是林德曼(1942)关于美国明尼苏达州泥碳湖的生物量、生物群落的营养关系，食物链能流过程的研究，把生态学从定性研究推向了定量研究，取得了生态学的划时代进步。继德国的海克尔之后，美国的奥德母把生态学重新定义为“研究生态系统结构和功能的科学”。生态学的发展生态学的发展趋势是三个方向，即向微观、宏观和综合三个方向发展：•微观方向，向着个体生态学、器官生态学、细胞生态学、分子生态学、基因生态学方向发展；•宏观方向，向着种群生态学、群落生态学、生态系统、地球生态学、宇宙生态学方向发展；•综合方向，向着多学科、交叉学科方向发展，如城市生态学、人口生态学、经济生态学、化学生态学、污染生态学、环境生态学等。生态学发展历程体现的三个特点：从定性探索生物与环境的相互作用到定量研究;从个体生态系统到复合生态系统，由单一到综合，由静态到动态的认识自然界的物质循环与转化规律;与基础科学和应用科学相结合，发展和扩大了生态学的领域。（一）生态系统的概念1．种群一个生物物种在一定范围内同种个体的总和称为种群。2．群落生活在一定区域内的所有种群组成了群落。生物群落是指在一定空间内生活在一起的各种植物群落、动物群落和微生物群落的集合体。3．生态系统生态系统是指在自然界的一定空间内，生物与环境构成统一整体，在这个统一整体中，生物与环境之间相互影响，相互制约，不断演变，并在一定时期内处于相对稳定的动平衡状态。二、生态系统生态系统=生物群落+生物群落的环境（二）生态系统的共同特性⒈生态系统是动态功能系统，各种生物彼此间以及生物和非生物环境之间相互作用，不断进行着物质循环、能量流动和信息传递。⒉生态系统具有自我调节能力。⒊生态系统是一个开放的自维持、自组织系统。简化了的陆地生态系统简化了的陆地生态系统生产者消费者非生物成分分解者各种无生命的无机物、有机物和各种自然因素自然界的绿色植物及凡能进行光合作用、制造有机物的生物(单细胞藻类和少数自然微生物等)食用植物的生物或相互食用的生物。各种具有分解有机质能力的微小生物，最主要的是细菌和真菌，也包括一些原生生物。生态系统组成（三）生态系统的组成生态系统的组成成分可分为两大类：一类是生物成分，一类是非生物成分。各组成部分的关系图环境（土壤、空气、水）生产者（绿色植物）还原者（细菌、真菌）消费者（动物）能量散失太阳能生态系统中的物质循环和能量流动（四）生态系统类型生态系统是自然界的基本单位，是生态学功能上的单位，而不是生物学中的分类单位。生态系统可大可小，小至一滴水、一把土，一片草地、一个湖泊、一片森林，大至一个城市、一个地区、一个流域、一个国家乃至整个生物圈。自然生态系统半自然生态系统人工生态系统水生生态系统•淡水生态系统•流水水生生态系统•静水水生生态系统•海洋生态系统•海岸生态系统•浅海生态系统•珊瑚礁生态系统•远洋生态系统•湿地生态系统陆地生态系统•森林生态系统•草原生态系统•荒漠生态系统•冻原生态系统•农田生态系统•城市生态系统（五）生态系统的结构形态结构生态系统的生物种类，种群数量、种的空间配置（水平分布、垂直分布）、以及时间变化（发育、季相）等构成了生态系统的形态结构。如：在森林生态系统中，有各种乔木、灌木和草本植物，有各种动物和复杂的微生物种群。它们各自的数量、空间的分布和种的时间的变化就构成了森林生态系统特有的形态结构。空间配置生物种类和数量的空间分布（水平分布、垂直分布）。时间配置生物种类和数量的周期性（季节性）变化。营养结构（食物链）生态系统各组成部分之间建立起来的营养关系，构成了生态系统的营养结构。它是生态系统中能量流动和物质循环的基础。生态系统中，由食物关系把多种生物联接起来，一种生物以另一种生物为食，另一种生物再以第三种生物为食，……彼此形成一个以食物联接起来的链锁关系，称为食物链。比如：老鼠以农作物为食，而鼬鼠又以老鼠为食，这就构成了一个最简单的食物链。再如：碎屑-蘑菇-昆虫-蛙-蛇-鹰就构一个较为复杂的食物链。食物链关系的类型按照生物间的相互关系，一般可把食物链分为：捕食性食物链：即由一些以其他动物为食的动物构成的食物链。例如由狐狸和野兔构成的食物链。碎食性食物链：是由一些食碎屑生物构成的。诸如蚯蚓、千足虫、白蚁、蚁和甲虫等。腐生性食物链：是由腐生性生物构成的。如水晶兰、真菌等。寄生性食物链：是由一些寄生性生物构成的。它们是与其“捕获物”建立起一种紧密地联系，长期地以“捕获物”为生。比如：动物肠内的绦虫、寄生在动物体外的虱以及一些植物如菟丝子等。在一个生态系统中，食物关系往往复杂，各种食物链相互交错，形成所谓食物网。营养级食物链上的各个环节叫“营养级”。在生态系统中，生产者为第一营养级，一级消费者为第二营养级，二级消费者为第三营养级，……，依此类推。通常一个食物链由4－5个营养级组成，最多不超过7级。各营养级上的生物一般不只一种，凡在同一层次上的生物都属于同一营养级。并且，由于食物链关系复杂，同一种生物也可能隶属于不同的营养级。生态金字塔与百分之十定律低位营养级生物是高位营养级生物的营养和能量的供应者。能量利用的百分之十定律（林德曼）：同一食物链各营养级之间能量的转化效率，平均约为10％。若以第一营养级为基底，逐个营养级向上描绘至最高营养级，其图形就为一金字塔形状，这就是“生态金字塔”。以初级生产者为底层，把生态系统中各个营养级有机体的个体数量、生物量或能量，按营养级位顺序排列并绘制成图，其形似金字塔，故称生态金字塔或生态锥体。可分为能量金字塔、生物量金字塔和数量金字塔三类。能量传递的1/10律n次次级消费者（食肉动物）初级消费者（食草动物）基础——生产者（绿色植物）1101001000生物量金字塔和能量金字塔生物生产生态系统中的能量流动生态系统中的物质循环三、生态系统的功能生态系统中的信息传递生态系统中的能量流动媒介：通过食物链（网）完成能量流动特点：•生产者(绿色植物)对太阳能的利用率低，只有1%•为单向流动；•流动中能量逐渐减少，每经过一级均有能量以热量形势散失；•各级能量流动遵循1/10定律，即各级能量利用率低•只有当生态系统生产的能量与消耗的能量相平衡时，生态系统的结构和功能才保持动态平衡。地球生态系统中的能量流输入能量从太阳到达地球地球生态系统光合作用储存的能量呼吸作用释放的能量生命系统生存与运转过程中所放出并离开地球的热量输出特点：单向，不可逆的物质循环媒介：通过食物链（网）完成主要循环物质有：水（H、O）碳（C）氮（N）磷（P）硫（S）水循环图大气氮进入生物有机体的途径生物固氮工业固氮岩浆固氮大气固氮水体富营养化定义---水体中营养物质过多，特别是N、P过多而导致水生植物大量繁殖，影响水体与大气正常的氧气交换，加之死亡藻类的分解消耗大量的氧气，造成水体溶解氧迅速下降，水质恶化，鱼类及其它生物大量死亡，加速了水体衰老的过程，这种现象称为水体富营养化。水体富营养化成因农田化肥牲畜粪便污水灌溉城镇地表径流（生活垃圾）矿区地表径流大气沉降水体人工养殖水体富营养化危害水生生态系统紊乱水生生物物种减少：鱼类窒息或中毒死亡多样性受到破坏水质变劣加速湖泊的衰亡赤潮由于城市工业废水和生活污水大量排入海水中，使营养物质在水体中富集，造成水域富营养化。此时，水域中氮、磷等营养盐类；铁、锰等微量元素以及有机化合物的含量大大增加，使海水中某些浮游植物、原生动物或细菌爆发性增殖或高度聚集，而引起水体变色，这种现象叫做“赤潮”。赤潮是一个历史沿用名，它并不一定都是红色，赤潮发生的原因、种类和数量的不同，水体会呈现不同的颜色，有红颜色或砖红颜色、绿色、黄色、棕色等。值得指出的是，某些赤潮生物（如膝沟藻、裸甲藻、梨甲藻等）引起赤潮有时并不引起海水呈现任何特别的颜色。赤潮的危害赤潮已成为一种世界性的公害。赤潮的发生，破坏了海洋的正常生态结构，因此也破坏了海洋中的正常生产过程，从而威胁海洋生物的生存；其次，有些赤潮生物会分泌出粘液，粘在鱼、虾、贝等生物的鳃上，妨碍呼吸，导致窒息死亡；再次是大量赤潮生物死亡后，在尸骸的分解过程中要大量消耗海水中的溶解氧，造成缺氧环境，引起虾、贝类的大量死亡；有些赤潮生物分泌赤潮毒素，当鱼、贝类处于有毒赤潮区域内，摄食这些有毒生物，虽不能被毒死，但生物毒素可在体内积累，其含量大大超过食用时人体可接受的水平。这些鱼虾、贝类如果不慎被人食用，就引起人体中毒，严重时可导致死亡。赤潮的预防海水富营养化是形成赤潮的物质基础。携带大量无机物的工业废水及生活污水排放入海是引起海域富营养化的主要原因。所以，必须采取有效措施，严格控制工业废水和生活污水向海洋超标排放，在工业集中和人口密集区域以及排放污水量大的工矿企业，建立污水处理装置，严格按污水排放标准向海洋排放。信息传递1)营养信息2)化学信息3)物理信息4)行为信息1）营养信息：通过营养交换的形式,把信息从一个种群传递到另一个种群,或从一个个体传递到另一个个体,食物链(网)即是一个营养信息系统。（2）化学信息：生物分解出某些特殊的化学物质，这些分泌物在生物的个体或种群之间起着各种信息的传递作用。（3）物理信息：鸟鸣、兽吼、颜色、光等构成了生态系统的物理信息。（4）行为信息：有些动物可以通过自己的各种行为方式向同伴发出识别、威吓、求偶和挑战等信息。营养信息-北极狐和北极兔据科学家们观察，生活在北极地区的北极狐是以北极兔为食的。北极狐一胎可以怀单胎，也可以怀双胎。而这是取决于北极兔的多少。北极兔的数量多，怀双胎；数量少则怀单胎。这对于维持生态系统的平衡是至关重要的。难道是北极兔告诉北极狐自己的数量吗？显然不可能，这只能是生态系统中某些类似物理、化学等信息在起作用。任务二认识生态平衡一、生态平衡的概念：1、定义：生态平衡是指系统内各要素之间相互关系，相互制约，在一定的条件下，保持自然的、暂时的、相对的平衡关系。为暂时的、相对的动态平衡：由生态系统内部的自动调节能力所致。生态系统结构越复杂，组成越多，物质与能量传递的途径越多，调节能力越强，平衡易保持。反之，调节能力越弱，平衡就不易保持。生态系统的变化与发展，是在不平衡平衡不平衡的物质与能量流动中进行的。2、生态平衡的特点：二、生态系统的演替原生演替次生演替原生态生态破坏生态恢复三、生态退化当外界的干扰强度过大，或干扰时间过长的时候，生态系统内部的生物种类及数量将发生明显下降，使得生态系统的演替处于退化状态，即称为生态退化。地震四、导致生态破坏的因素1)自然因素2)人为因素环境因素的改变生物种类发生变化信息系统的破坏海啸大型人类活动对环境的影响三峡工程三峡之电照耀大半个中国由于环境发生改变，三峡库区已发现一些新的物种湖北宜昌江边护岸石缝中长出的苏门白酒草十分旺盛。这种模样像艾蒿、种子像蒲公英的草见缝插针，生长迅速，有些地方甚至铺天盖地。日前，有关专家称三峡地区的生态安全正在遭受外来植物苏门白酒草的威胁，呼吁铲除恶草，避免引发生态危机。人类活动对环境的影响渡渡鸟与大颅榄树五、生态学三定