环境保护概论新第二章生态学基础知识

第二章生态学基础第一节概述随着粮食、人口、能源和环境等一系列世界性问题的出现，推动了生态学的发展，使生态学超越了自然科学的范畴。生态学的基本原则不仅被看做是环境科学重要的理论基础，也被看成是社会经济持续发展的理论基础。生态学肩负着解决一系列世界性问题的历史使命。生态学定义:研究生物与环境之间相互关系及其作用机理的科学。(马世骏)生态学不是孤立地研究生物，也不是孤立地研究环境，而是研究生物与其生存环境之间的相互关系。生物:包括植物、动物和微生物。环境: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：由光、热、空气、水分和各种无机元素组成。生物环境：由主体生物以外的其他一切生物组成。在同一环境范围内，不同的生物具有不同的环境。二、生态学的发展20世纪50年代以前，生态学局限于研究生物与环境之间的相互关系，隶属于生物学的一个分支学科。20世纪50年代后半期以来，由于工业发展、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的出现，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，人们期望生态学能做出自己的贡献，这种社会需求推动了生态学的发展。生态学将以生态系统为中心，以生态工程为手段，为协调人与自然的复杂关系，探求全球走可持续发展道路的战略，做出重要贡献。第二节生态系统的基本概念及类型由于生态系统的研究内容与人类的关系十分密切，对人类的活动具有直接的指导意义，60年代以后逐渐成为生态学研究的中心。一、概述生态系统：其定义可概括为：在自然界的一定空间内生物和环境之间相互作用、相互演变、达到相对平衡、相对稳定的统一整体，是具有一定结构和功能的单位。也即是说生态系统是自然界的基本单位。这个基本单位是由生物与其周围的环境组成的。也就是是生命系统与环境系统在特定空间的组合。对自然生态系统而言生命系统就是生物群落；对社会生态系统、城市生态系统、工业生态系统而言，生命系统就是人类。二、生态系统的组成生态系统生物群落生产者─绿色植物和化能合成细菌消费者─动物群落分解者─细菌,真菌和放线菌等微生物无机环境能量─太阳辐射基质─岩石,砂,泥土等物质─水,氧气,二氧化碳,无机盐类媒介─水,空气,土壤等三、生态系统的各种组成在生态系统中的作用生产者：将无机物合成有机物的同时，把太阳能转化为化学能，贮存在生成的有机物中。是其他生物的食物和能量的供应者。消费者：实现物质的再生产和物质与能量的传递。（一级消费者是第二营养级）分解者：把生产者和消费者的残体分解为简单的物质，再供给生产者。非生物成分：为各种生物提供生存环境和营养元素。四、生态系统的结构1、生态系统的形态结构：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）、种的时间变化（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。2.构成生态系统的条件系统是指彼此间相互作用、相互依赖的事物有规律地联合的集合体，是一个有序的整体。一般说来，构成系统至少要有三个条件：1).系统由许多成分组成；2).各成分间不是孤立的，而是相互联系、相互作用的；3).系统具有独立的、特定的功能。动物园中有许多动物，它们能否构成一个系统？4、生态系统的特征1)，生态系统是生态学上的一个主要结构和功能单位。2)，生态系统内部具有自我调节能力。且结构越复杂、物种数目越多，自我调节能力就越强。3)，生态系统营养级的数目通常不会超过5-6个。4)，生态系统内各生物和非生物成分的关系是紧密相连不可分割的整体。5)，能量流动、物质循环和信息传递是生态系统的三大功能。也就是说有对外开放的特征。如森林与河流之间营养的流通；森林植物得到来自太阳的能量。系统太阳其它能源能量、物质迁出的生物物质和生物环境环境输出输入一个开放的生态系统模型6)，生态系统是一个动态系统，要经历一系列发育阶段。随着时间的推移，生态系统总是从比较简单的结构向复杂结构状态发展，最后达到相对稳定的阶段。生态系统中物种的类型、分布、空间配置生态系统中种的时间变化（发育、季相）3.营养结构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。五、生态系统的类型人们从不同角度，把生态系统分成若干个类型。按环境中的水体状况，分为水生生态系统和陆生生态系统两大类群。按人干预的程度，可以分为自然生态系统，半自然生态系统和人工生态系统。生态系统的大小，也可人为划定。小到一滴水，大到生物圈,都可以称之为是一个生态系统。第三节生态系统的功能生态系统的功能：生态系统的功能主要表现在生态系统具有一定的能量流动、物质循环和信息联系，食物链（网）和营养级是实现这些功能的保证。。生态系统中的能量流动林德曼最初研究的结果是10%，被后人称之为十分之一法则。十分之一法则说明，每通过一个营养级，其有效能量大约为前一营养级的十分之一。也就是说低位营养级的能量仅有10％左右能被上一营养级利用（不同的生物可能属于同一营养级。同一生物也可能属于不同的营养级）。那就是说食物链越长，消耗于营养级的能量就越多。从这个意义上说，人如果直接以植物为食品，就比以吃动物为食品，可以供养多十倍的人口。据世界粮农组织统计，富国人均直接消费的谷物低于穷国，但以肉、乳、蛋为食品的粮食间接消耗高于穷国的数倍。一、食物链（网）及营养级（一）食物链（网）捕食性食物链：以生产者为基础，如植物—食草动物—食肉动物。腐生食性食物链：以动植物遗体为基础，由微生物或某些动物，对其进行矿化。如植物遗体—蚯蚓—线虫—节肢动物。在这食物链中分解者起主要作用。所以也称为分解链。寄生性生物链：以活的动植物有机体为基础,再寄生以寄生物,前者为后者的寄主.如牧草—黄鼠—跳蚤—鼠疫病菌。一、食物链（网）及营养级在各种生态系统中,几乎各种生物链都同时存在,各种食物链相互配合,保证了能量流动在生态系统中畅通。食物链在各个生态系统中并不是固定不变的。如动物的发育阶段不同，其食物的种类是不同的，在不同的季节中，植物的种类也是不同的。在生态系统中，各种食物链的关系也是相当复杂的。一样食物不一定只被一种动物所食。也可以是一种动物同时吃多种食物。也就是说各种食物链是交织在一起的，彼此之间形成一种网的形式，即形成了所谓的食物网。食物链中的各个环节叫营养级。生产者为第一营养级，一级消费者为第二营养级，依次为第三营养级和第四营养级。低位营养级是高位营养级的营养和能量供应者，但低级营养级的能量仅有1/10左右能量为上一营养级所能利用。为了能保证生态系统中能量的流通，自然界就形成了生物数量金字塔、生物量金字塔和生产力金字塔。在寄生性食物链上，生物数量往往呈倒金字塔。（二）营养级二、生态系统中的能量流动生物的各种生命活动者需要能量。能量在流动过程中也会由一种形式转变为另一种形式，在转变过程中既不会消失，也不会增加。在生态系统中，全部的能量最初是来自于太阳。太阳能被生物所利用，是通过绿色植物的光合作用来实现的。绿色植物在合成有机物时，将太阳光能转变为可贮藏于植物体中的化学能。绿色植物体内所贮藏的化学能，通过食物链的形式，依次传给草食动物和肉食动物。动物的残体被分解者分解时，又把能量传给了分解者。此外，生产者、消费者和分解者的呼吸作用都会消耗一部分能量，消耗的能量被释放中环境中去。这就是能量在生态系统中的流动。三、生态系统中的物质循环在生态系统的各个组成部分之间，也不断地进行着物质循环。构成生物体的各种元素，也是自然界中的主要元素，它们在生态系统中也构成各种循环。各种元素在环境中都存在一个或多个贮藏库。元素在贮藏库中的量大大超过结合于生物体中的量，从贮藏库中向外释放的速度往往很慢。若将某元素与其流通率之比，称为周转时间。表示其在该库中更新一次所需要量的时间，如水在大气库中周转一次所需要的时间，大约为十天；氮在大气库中周围一次的时间约为一百年等。三、生态系统中的物质循环在生态系统的物质循环可在三个水平上进行：第一级水平是在个体水平上进行的，即生物个体通过新陈代谢，与环境进行物质交换；第二级水平是在生态系统中进行的；在生产者、消费者、分解者及环境之间进行的物质循环，这种循环也称为营养循环或生物循环；第三级水平是在生物圈中进行的，即在生物圈范围内的各个层圈中进行的物质循环，这种循环又称为生物地球化学循环。地球化学循环又可分为三种类型，即水循环、气态循环、沉积型循环。1、水循环：一切有机体的主要成分都是由水组成部分的。水是生态系统中能量流动和物质循环的介质，在整个生命活动过程中处于无限循环之中。水循环的动力是太阳辐射。水循环主要是在地表水的蒸发与大气降水之间进行的。水的循环有两种：水的自然循环和水的社会循环。水的自然循环:主要是在地表水的蒸发与大气降水之间进行的。水自然循环的动力是太阳辐射。水的社会循环:指人类为了满足生活和生产的需求，不断取用天然水体中的水，经过使用，一部分天然水被消耗，但绝大部分却变成生活污水和生产废水排放，重新进入天然水体。2、碳循环：碳是构成生物体的主要元素之一。在无机环境中，以二氧化碳和碳酸盐的形式存在。在地球表层，碳主要以碳酸盐的形式存在，碳的贮量约为2.7*1016亿T,大气中的碳以二氧化碳的形式存在，其中碳的贮量约为7*1011亿T。绿色植物在碳循环中起着重要作用。大气中二氧化碳被生物利用的唯一途径是绿色植物的光合作用。被绿色植物固定的碳以有机物的形式供消费者利用。生产者、消费者通过呼吸作用将碳再以二氧化碳的形式释放到大气中。生产者、消费者的遗体再被分解者分解，将碳水化合物分解成二氧化碳、水和无机盐，二氧化碳返回到大气中。3、氮循环：氮在大气占79%。大气中的氮进入生物有机体主要有四种形式。一是生物固氮；二是工业固氮；三是岩浆固氮；四是大气固氮。土壤中的氨或氨盐，经硝化细菌的硝化作用，形成亚硝酸盐和硝酸盐为植物所吸收利用，氨在植物体内与复杂的含碳分子结合，形成蛋白质及核酸。被动物食入后构成动物体的蛋白质，动物在新陈代谢过程中，将一部分蛋白质分解成氨、尿素和尿酸等排出体外，渗入土中。动植物死亡后，在微生物的作用下，分解成NH3等，这些氨进入土壤，土壤中的氨形成氨盐后，一部分被植物吸收，一部分在反硝化细菌的作用下，分解成游离氮，再进入大气，完成氮的循环。四、生态系统中的信息联系在生态系统各组成部分之间及各组成部分内部，存在着各种形式的信息联系，用这些信息使生态系统联系成为一个有机的统一整体。生态系统中的信息联系主要有：生态系统中的信息形式主要有营养信息、化学信息、物理信息和行为信息。四、生态系统中的信息联系(一)营养信息通过营养交换的方式，把信息从一个种群传递给另一个种群或从一个个体传到另一个个体，即为营养信息。食物链（网）即可视为一个营养信息系统。(二)化学信息生物在一些特定的条件下，会分泌出某些特殊的化学物质，这些分泌物不是对生物提供营养，而是在生物个体或种群之间起到某种信息的传递作用。此种物质称为化学信息素。如狗的排尿可以标识自己的行踪。四、生态系统中的信息联系(三)物理信息一些生物可以通过光、声音、颜色等物理现象传递它们信息，称物理信息。如鸟鸣等。(四)行为信息动物可以通过各种行为向同伴们发出识别、威吓、求偶和挑战等信息。第四节生态平衡一、生态平衡的概念一个生态系统在允许限度的外来力量干预下，能通过自我调节能力恢复到最初的稳定状态，即为生态平衡。也就是说，在生态系统中，生产者、消费者和分解者之间保持一种相对平衡状态，系统中的能量流动和物质循环能较长时间保持稳定的状态。如果一个生态系统在不能承受的外来力量干预下，即不能通过自我调节恢复到最初的稳定状态，即为生态平衡失调。生态平衡应包括三个方面，即结构上的平衡，功能上的平衡，以及输入和输出物质数量上的平衡。生态平衡是相对地平衡任何生态系统都不是孤立的，都会与外界发生直接的联系。会经常受到外界的冲击。生态系统