第三章生态学基础__环境学导论

第三章.生态学基础3.1生态学及其发展3.2生态系统3.3生态平衡与生态系统3.4生态学的一般规律3.5生态学在环境保护中的应用3.6生态安全3.1生态学及其发展一、生态学的定义•A.传统定义：研究生物或生物群体与其环境的关系，或生活着的生物与其环境之间相互联系的科学。(侧重于植物、动物)•B.现代生态学：研究生命系统与环境系统之间相互作用的规律及机理二、生态学的发展•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。三、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：一、生态系统的概念•生物种群（Population）:一个生物物种在一定的范围内所有个体的总和。•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。3.2生态系统生态系统（Ecosystem）：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。降水枯枝落叶水生产者生产者一级消费者（兔）二级消费者（狼）土壤分解者可溶性化学物二、生态系统的组成•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）。浮游植物浮游动物小鱼大鱼氧气营养成分微生物太阳能量能量能量能量消耗能量死亡死亡作用光合水生生物的生态系统及其物质和能量的流动示意图三、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。•2、生态系统的营养结构•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。它是生态系统中能量流动和物质循环的基础。•3.食物链（网）和营养级生态系统中各种生物之间由于食物关系而形成的一种联系称为食物链。一个生态系统中许多食物链彼此相互交错形成的复杂的营养关系叫食物网。食物链上的每一个环节称为营养级。•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。1、生态系统中的能量流动•1)媒介：通过食物链（网）完成•2)1/10定律：能量在各能量级之间流动时，各级所吸收的能量为前一级传递的总能量的10%（平均值)能量流动物质循环信息联系四、生态系统的功能生态系统的功能•3)能量流动特点：•生产者(绿色植物)对太阳能的利用率低，只有1·2%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。2、生态系统的物质循环•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、碳和氮的循环。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。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。地球上水循环示意图人类对水循环的影响及水问题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•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碳循环示意图氮循环•氮库：大气、土壤、陆地植被•氮的主要贮存库是大气。大气中氮的含量约占大气总体积的79%，而地表及底土只含有0.03%的氮。•生物可利用的氮的形式：NO3-、NO2-、NH4+•氮循环的主要过程固氮作用氨化作用硝化作用反硝化作用氮循环示意图氮循环的环境问题•水体富营养化；•硝酸盐污染；若蔬菜吸收过多的硝酸盐，而未能充分同化，造成体内积累，则影响蔬菜品质。硝酸盐是强致癌物质亚硝胺的前体物，蔬菜是一种易于富集硝酸盐的植物性食品，这种富集作用虽然无害于蔬菜本身，但严重危害人体健康。联合国卫生组织和联合国粮农组织(WHO/FAO,1973)规定了硝酸盐的ADI值(日允许量)为3.6mg/kg(体重)。在我国，体重按60kg计，则日硝酸盐允许量应为216mg。现在我国城乡居民食用的有些蔬菜已大大超标，而温室蔬菜超标更严重。磷循环•磷循环属典型的沉积循环•磷以不活跃的地壳作为主要贮存库•磷的循环过程岩石经土壤风化释放的磷酸盐和农田中施用的磷肥，被植物吸收进入植物体内沿食物链传递，并以粪便、残体或直接以枯枝落叶、秸秆归还土壤含磷有机化合物经土壤微生物的分解，转变为可溶性的磷酸盐，可再次供给植物吸收利用，这是磷的生物小循环。一部分磷脱离生物小循环进入地质大循环磷循环示意图•为什么用了多年的含磷洗涤用品会给环境造成破坏呢？含磷洗衣粉以磷酸盐作为主要助剂，磷酸盐是一种高效助洗剂，同时也是藻类的助长剂，水中的磷含量升高，水质趋向富营养化。据有关部问统计，目前我国洗涤用品仅洗衣粉一项的年消费量就在350万吨左右。若将洗衣粉中磷酸盐的平均含量接15%计算，每年就有超过50万吨含磷化合物排放到地表水中，而1克磷就可使藻类生长100克、环保科研部问调查资料显示，因含磷过多，我国湖泊及城市水系几乎都处于富营养化状态，水质严重恶化，许多地方根本不能饮用。更为严重的是，由干磷含量增加，导致红色浮游生物爆发性繁殖而引发的近海海水出现的“赤潮”和城市水系中出现水生植物“疯长”的“水华”现象。•磷循环现状：人类大规模地开采磷酸盐矿，加速了陆地磷流入海洋的速度。虽然海洋中的磷酸盐可以以海鸟粪便排泄物和人类捕获鱼类的形式返回陆地，但这种返回的磷，远远不足以补偿流入海洋的损失。据估计，每年以海鸟粪和鱼这种方式返回陆地的磷大约只有60000t，而人类每年开采的磷酸盐矿石为100--200万t。且大部分被淋溶而流失。陆地上的磷矿是有限的，如果今后每年磷酸盐矿的消耗量按1970年的量计算，全世界的储量大约还可使用100年。因此，人类如果想要避免因磷循环的不完全而造成的“饥荒”的话，对这种稀少的资源应给予更多的注意。3、生态系统中的信息联系•信息在生态系统中表现为多种形式，主要有营养信息、化学信息、物理信息、遗传信息和行为信息。eg.北极狐和北极兔：据科学家观察，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，则北极狐怀双胎；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。这是生态系统中某些类似物理、化学等信息在起作用。一、生态平衡的概念•生态系统发展到一定的阶段，它的生产者、消费者、分解者之间能够较长时间地保持着一种动态平衡；也就是说，它的能量流动和物质循环能较长时间地保持着一种动态平衡，这种平衡状态就叫做生态平衡。3.3生态平衡与生态系统二、生态平衡特点：•1)是暂时的、相对的动态平衡，由生态系统内部的自动调节能力所致。•2)生态系统结构越复杂，组成越多，物质与能量的途径越多，调节能力越强，平衡易保持。反之，调节能力弱，平衡不易保持。•3)生态系统的变化与发展，是在不平衡-平衡-不平衡中的物质与能量流动中进行的。三、生态系统的动态变化（一）生态系统的演替1、原生演替如果这个地域先前没有生物占领，那么，一个生态系统被另一个生态系统所代替的过程就称为原生演替。2、次生演替开始于次生裸地或原生芜原（不存在植被，但在土壤或基质中保留有植物繁殖体的裸露地段）上的演替就称为次生演替。3、顶极生态系统这是演替到最后阶段的一种生态系统。全部已有的物种继续彼此按比例繁殖，并不再发生变化的平衡状态称为顶极。这个系统也就叫做顶极生态系统。（二）影响生态系统演替变化的因素•1、自然因素主要是指自然界发生的异常变化或自然界本来就存在的对人类和生物的有害因素。•2、人为因素主要指人类对自然资源的不合理利用、盲目发展生产带来的环境污染等问题。人类对生态系统的影响：1、过去一个世纪来，地球上有一半的湿地消失。2、毁林造田使得地球森林覆盖率下降了20－50％。3、地球上有9％的树种濒临灭绝。4、地球上70％的海洋鱼类面临滥捕滥捞威胁，有些已处于生存极限状态。5、近半个世纪来，全球有2／3的农业用地发生水土流失现象。6、由于拦河造坝或修建其它水利设施，使全球60％的大型河流系统遭到破坏、水流速度减缓，河流源头与其入海口之间的落差增加了2倍。3.4生态学的一般规律生态学的一般规律有：1.相互依存与相互制约规律2.物质循环与再生规律3.物质输入输出的动态平衡规律4.相互适应与补偿的协同进化规律5.环境资源的有效极限规律1.相互依存与相互制约规律反映了生物间的协调关系。生态系统中不仅同种生物相互依存、相互制约，异种生物间、不同群落或系统之间，也存在相互依存与制约的关系，也可以说彼此影响。生物间的相互依存与制约关系，具体是通过食物链与食物网实现的，即每一种生物在食物链网中，都占据一定的位置，并具有特定的作用。各生物种之间相互依赖、彼此制约、协同进化。被食者为捕食者提供生存条件，同时又为捕食者控制；反过来，捕食者又受制于被食者，彼此相生相克，使整个体系成为协调的整体。生物体间的这种相生相克作用，使生物保持数量上的相对稳定，这是生态平衡的一个重要方面。2.物质循环与再生规律生态系统中，植物、动物、微生物体借助能量的不断流动，一方面不断地从自然界摄取物质并合成新物质，另一方面死有机体又随时被分解为原来的简单物质，重新被植物所吸收，进行着不停顿的物质循环。至于流经自然生态系统中的能量，通常只能通过系统一次，它沿食物链转移时，每经过一个营养级，就有大部