环境学导论第二章__生态学基础

第二章生态学基础第一节生态学研究的基本内容一、生态学的含义及其发展1、含义生态学是一门研究生物与其生活环境相互关系的科学，（侧重植物、动物）是生物学的主要分支之一。如果把生物看成是一个生命系统，环境看成是一个环境系统，又可以说，生态学就是研究生命系统和环境系统之间相互作用的规律和机理的一门学科。（现代生态学定义）2、生态学的发展（1）研究对象：（2）与基础科学和应用科学相结合，发展了生态学，扩大了生态学的领域。如：数学生态学、系统生态学、经济生态学等。植物动物生物（包括人）3、生态学与环境学的异同a.相同：研究范围---生物圈研究问题--基本相同b.不同点：二、生态系统的概念与功能1、生态系统（1）生态系统的概念种群（Population）：一个生物物种在一定范围内所有个体的总和。群落（Community）：在一定的自然区域中许多不同种的生物的总和。生态系统（Ecosystem）任何一个生物群落与其周围非生物环境的综合体。也即生命系统和环境系统在特定空间的组合。种群、群落、生态系统之间关系生产者：主要是绿色植物，凡能进行光合作用制造有机物的植物种类，包括单细胞藻类，均属于生产者。消费者：主要是动物，又分为一级消费者（如草食性动物）；二级消费者（如肉食动物）；……等等。分解者：指各种具有分解能力的微生物，也包括一些微型动物，如鞭毛虫，土壤线虫等。无生命物质：指生态系统中的各种无生命的无机物、有机物和各种自然因素（如土壤、空气、水等）。（2）生态系统的组成和作用生态系统的组成和主要作用生态系统的基本组成部分为：生产者、消费者、分解者和转变者、无机营养分。阳光无机营养分非生物成分生产者分解者和转变者生物成分必要的部分消费者非必要的部分生态系统生态系统组成的结构框图（3）生态系统的类型按生态系统的环境性质和形态特征分：（a）陆地生态系统：自然生态系统（森林生态系统、草原生态系统、荒漠生态系统等）和人工生态系统（农田、城市、工矿区等）；（b）淡水生态系统：包括湖泊、河流、水库等；（c）海洋生态系统：包括海岸、河口、浅海、大洋、海底等。一个简化了的陆地生态系统一个简化了的池塘生态系统（4）生态系统的结构构成生态系统的各组成部分，各种生物的种类、数量和空间配置，在一定时期内均处于相对稳定的状态，使生态系统能够各自保持一个相对稳定的结构。主要有形态结构和营养结构。（a）形态结构（即为群落结构）：生物的种类、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）。群落结构包括垂直结构和水平结构、时间结构和季相结构。垂直结构群落的垂直结构指群落在垂直方面的配置状态，其最显著的特征是成层现象，即在垂直方向分成许多层次的现象。群落的成层性包括地上成层和地下成层。层的分化主要决定于植物的生活型，生活型不同，植物在空中占居的高度以及在土壤中到达的深度就不同，水生群落则在水面以下不同深度形成物种的分层排列，这样就出现了群落中植物按高度（或深度）配置的成层现象。成层现象在森林群落表现最为明显，而以温带阔叶林和针叶林的分层最为典型，热带森林的成层结构则最为复杂。一般按生长型把森林群落从顶部到底部划分为乔木层、灌木层、草本层和地被层（苔藓地衣）四个基本层次，在各层中又按植株的高度划分亚层，例如热带雨林的乔木层通常分为三个亚层。草本群落则通常只有草本层和地被层。水平结构群落的水平结构指群落的水平配置状况或水平格局，其主要表现特征是镶嵌性。镶嵌性即植物种类在水平方向不均匀配置，使群落在外形上表现为斑块相间的现象。具有这种特征的群落叫做镶嵌群落。在镶嵌群落中，每一个斑块就是一个小群落，小群落具有一定的种类成份和生活型组成，它们是整个群落的一小部分。例如，在森林中，林下阴暗的地点有一些植物种类形成小型的组合，而在林下较明亮的地点是另外一些植物种类形成的组合。这些小型的植物组合就是小群落。群落镶嵌性形成的原因，主要是群落内部环境因子的不均匀性，例如小地形和微地形的变化，土壤温度和盐渍化程度的差异，光照的强弱以及人与动物的影响。在群落范围内，由于存在不大的低地和高地因而发生环境的改变形成镶嵌，这是环境因子的不均匀性引起镶嵌性的例子。时间结构群落的时间结构是指群落的组成和外貌随时间而发生有规律的变化。群落物种组成的昼夜变化是明显的。白天在开阔地有各种蝶类、蜂类和蝇类活动，而一到晚上，便只能看到夜蛾类和螟蛾类昆虫了。白天在森林里可以见到很多种鸟类，但猫头鹰和夜鹰只能在夜里见到。季相结构群落的季节变化也很明显。在温带地区，草原和森林的外貌在春、夏、秋、冬有很大不同，这就是群落的季相。群落的季节性也决定于植物与传粉动物之间的协同进化。植物的开花时间是在各种植物争夺传粉动物的自然选择压力下形成的。（b）营养结构生态系统的营养结构，是通过营养这一纽带，把生物和非生物之间紧密结合起来，构成以生产者、消费者和分解者为中心的物质循环和能量流动。即在太阳能的作用下，环境的营养物质被生产者吸收，转化为有机物，供消费者使用，而后消费者被分解者分解为无机物返回环境，再供生产者使用，完成物质循环。因此营养结构是生态系统中能量流动和物质循环的基础。生产者（绿色植物）还原（分解）者（细菌、真菌）消费者（动物）环境（土壤、空气、水）生态系统营养结构模式图（5）食物链及营养级（a）食物链和食物网所谓食物链，就是一种生物以另一种生物为食，彼此形成一个以食物连接起来的链锁关系。例如：浮游植物—浮游动物—小鱼—大鱼在一个生态系统中，食物关系往往很复杂，各种食物链互相交错，形成食物网。食物链越复杂，生态系统越稳定按照生物间的相互关系，一般可把食物链分为：（1）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。（2）碎食性食物链：是由一些食碎屑生物构成的。（3）寄生性食物链：是由一些寄生性生物构成的。（4）腐生性食物链：是由腐生性生物构成的。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。能量的流动，物质的迁移和转化，就是通过食物链或食物网进行的。结论：（1）消费者在不同的食物链中所处的营养级不同；（2）植物在食物链中所处的营养级是固定的。一个简化了的陆地食物网水生生物的生态系统及其物质和能量的流动示意图（b）营养级营养级：食物链的各个环节称为营养级。生产者为第一营养级，依次是第二、第三、第四营养级，一般不超过七级。低位营养级的能量仅有10％（水生系统）被上一个营养级利用。在数量上，第一营养级就必须大大超过第二营养级，逐渐递减，就造成了生物数目金字塔、生物量金字塔、生产率金字塔。注意：•营养级之间的能量转化效率约为1／10，只是针对湖泊等水域生态系统的经验性法则；•不同生态系统的能量转化效率差别很大；•森林约为5％、草地是25％左右，浮游生物占优势的群落可达50％。生态金字塔：整个生态系统的各种营养级按从低级到高级依次迭放便构成了生态金字塔。（c）生物富集作用DDT在某水生食物链中的富集2、生态系统中的能量流动（1）照射到地球上的太阳能量（a）太阳辐射的电磁波情况（b）太阳辐射及地球吸收太阳能的情况（2）生态系统中的能量流动（a）通过各级食物链（能量传递的媒介），组成了生态系统的能量流动，并且服从热力学定律。（b）能量流动的实现途径：光合作用和有机成分的输入；呼吸的热消耗和有机物的输出。（c）生态系统热力学公式：Pg＝Pn＋R其中：Pg为食物链某营养级的总产量或输入的能量；Pn为净产量；R为呼吸作用消耗的能量。（d）能量流动的特点①生产者即绿色植物对太阳能的利用率很低，只有1．2％；②能量只朝单一方向流动；③流动中能量逐渐减少，每经过一个营养级都有能量以热的形式散失掉；④各级消费者之间能量的利用率也不高，在4．5％～17％之间，平均起来约为10％；⑤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，才能保持动态的平衡。生态系统中物质循环在不断地进行着。碳、氢、氧、氮、磷、硫是构成有机体地主要元素，因而这些物质的循环是生态系统的基本物质循环。另外，还有几十种微量元素也是生命活动必不可少的。在生态系统中也构成了各自的循环，与环境污染密切相关的主要有水、碳、氮和磷的循环。3、生态系统中的物质循环物质循环的类型1.气相型循环：贮存库主要是大气圈和水圈。氧、二氧化碳、水、氮、氯等都属于气相循环类型。该循环把大气和水密切地联结起来，具有明显的全球性循环特点。特点：它们在生态系统中的分布较均衡，局部短缺现象相对较少，局部短缺发生后，也会依靠完善的循环功能而得到补充。2.沉积型循环：贮存库主要是岩石圈和土壤圈。磷、钙、钾、钠等都属于沉积型循环。沉积型循环主要是经过岩石的风化进用和沉积物的分解作用，将贮存库中的物质转变成生态系统的生物成分可以利用的营养物质，这种转变过程是相当缓慢的，可能在较长时间内不参与各库之间的循环。因此，它具有非全球的循环特点，是一个不完善的循环类型，局部短缺现象时有发生，一旦发生短缺也难以在短期内得到补充。水循环地球上的水以液态、固态和气态三种状态存在，主要分布于海洋、冰川、地下水、内陆湖泊、大气五大水“库”中。海洋持水量（咸水）约占水量97%，余下的3%是淡水，其中3/4以固体状态固着在两极冰盖和冰川中，只有余下不到1%的水，才是供人类用的液态淡水。（1）水循环生态系统的水循环简言之就是降水与地表蒸发作用的往复运动。地球上的水循环通过三条主要途径完成，即降水、蒸发和水蒸汽输送生态系统的水循环只是全球水循环的一小部分，但是由于它和人类的紧密联系而显得更为重要。人类的活动深刻地改变了生态系统的水循环。同时水循环也对人类的生活造成了极大的影响。当大气中的水分以降水的形式落到地面后，一部分渗入地下，一部分成为地表径流，还有一部分为地表植被所截取。在降水不多的地区，植物截取的水分有时非常可观。例如：降水偏多的季节，大量的植被可以减少地表径流水量，避免或减少洪涝的灾害。而降水减少的季节，植被又可以保持土壤的湿润。但是由于人类认识上的偏差，地球生态系统中的植物正被大量地破坏。人类对水循环的影响水问题①改变地面及植被状况，而影响大气降水到达地面后的分配；②过度开发局部地区的地表水和地下水，使地表、地下水贮量下降，出现地下漏斗及地上的断流，造成次生盐渍化;③在干早，半干早地区大面积的植被破坏，导致地区性气候向干旱化方向发展，直到形成荒漠；④环境污染恶化水质。除降酸雨外，洋面的油污染导致蒸发量减少，而温室效应又促进了蒸发，蒸发量的变化又导致了全球范围内降水量的变化，引起气候的异常变化。碳循环碳库：海洋和大气、生物体、地壳沉积岩（大量）碳的存在形式：CO2，无机盐，有机碳主要循环过程生物的同化和异化过程大气和海洋间的CO2交换碳酸盐的沉淀作用（2）碳循环生物的同化和异化过程在碳的生物循环中,大气中的二氧化碳被植物吸收后,通过光合作用转变成有机物质,然后通过生物呼吸作用和细菌分解动植物残体又从有机物质转换为二氧化碳而进入大气。另外部分动、植物残体在被分解之前即被沉积物所掩埋而成为有机沉积物。这些沉积物经过悠长的年代，在热能和压力作用下转变成矿物燃料──煤、石油和天然气等。大气和海洋间的CO2交换碳的地球化学循环控制了碳在地表或近地表的沉积物和大气、生物圈及海洋之间的迁移,而且是对大气二氧化碳和海洋二氧化碳的最主要的控制。二氧化碳可由大气进入海水，也可由海水进入大气。这种交换发生在气和水的界面处，由于风和波浪的作用而加强。这两个方向流动的二氧化碳量大致相等，大气中二氧化碳量增多或减少，海洋吸收的二氧化碳量也随之增多或减少。碳酸盐的沉淀作用大气中的二氧化碳溶解在雨水和地下水中成为碳酸，碳酸能把石灰岩变为可溶态的重碳酸盐，并被河流输送到海洋中，海水中接纳的碳酸盐和重碳酸盐含量是饱和的。新输入多少碳酸盐，便有等量的碳酸盐沉积下来。通过不同的成岩过程，又形成为石灰岩、白云石和碳质页岩。在化学和物理作用（风化）下，这些岩石被破坏，所含的碳又以二氧化碳的形式释放入大气中。火山爆发也可使一部分有机碳和碳酸盐中的碳再次加入碳的循环。碳质岩石的破坏，在短