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1、The Elementary Knowledge of Ecology,第二章 生 态 学 基 础 知 识及其应用,第二章 生态学基础知识及其应用,第一节 生态学的含义,第三节 生态系统的结构和功能,第二节 生态系统的基本概念与组成,第四节 生态平衡,第五节 生态学规律与应用,相互关系：作用与反作用；对立与统一；相互依赖与制约；物质循环与能量流动等。,德国生物学家 赫克尔（Ernst Haeckel）1869年在有机体普通形态学一书中首先提出。,（1）定义：研究生物与其生活的环境之间相互关系及作用机理的科学。,生物：动物、植物、微生物（包括人类在内）,环境：空气、阳光、水和其它一切生物。,一生
2、态学(ecology)的含义,（2）现代生态学：是一门综合性的边缘学科，它研究生命系统与环境系统之间相互作用的规律及机理，是人类合理利用自然资源，改善和保护环境质量的理论基础。,自然科学,社会科学,生态学,生理学、遗传学、进化论、数学、物理、地理、化学、气象、海洋、湖泊、动植物、微生物等,经济学、法学、社会学城市科学、系统工程、人文科学等,二、生态学研究的范畴,1、个体生态学-以生物个体为研究对象。,2、种群生态学-以生物种群为研究对象。,3、群落生态学-以生物群落为研究对象。,4、生态系统生态学-以“群落-环境”为研究对象。,不同种生物总和,同种生物总和,5、生物圈-以“地球全部生物-物理环
3、境”为研究对象。,1.定性探索定量研究,现代生态学具有下列特点：,2.个体水平综合研究,3.领域大,已发展为指导人类管理地球和生物圈的科学,一、生态系统(ecosystem)的概念二、生态系统的组成三、生态系统的主要特征四、生态系统的的类型五、生物圈,第二节 生态系统的概念与组成（重点）,1、生态系统是指一定的地域或空间内，生存着的所有生物和环境通过物质循环,能量流动和信息联系相互作用,相互依存所构成的统一体。,同种个体总和,不同种生物总和,二、生态系统的概念,生物个体Individual,种 群Population,群 落Community,生态系统Ecosystem,群落与环境综合,简言之
4、:生态系统是生命系统和环境系统在特定空间的组合。,三、生 态 系 统的 组 成,生物环境(生物群落),1.生产者：绿色植物、自氧微生物,2.消费者：动物或异养生物,3.分解者(还原者)：细菌、真菌、原生动物,非生物环境(自然环境),生态系统,光、温、大气、水分、土壤、pH值-生物生存的自然条件。,C、H、O、N、P等无机物质-构成有生命物质的物质基础。,腐殖质、蛋白质、脂肪等有机物质-联系生物与非生物之间的有机物。,各类生态系统都是由两大部分、四个基本成分所组成,2、消费者（属异养生物）,（1）草食动物：一级消费者（初级消费者）,（2）肉食动物：二级消费者、三级依次类推,（3）寄生动物：寄生在
5、其它动、植物体内，靠吸 取宿主营养为生。,（4）腐食动物：以腐烂的动、植物残体为食。,（5）杂食动物：既吃植物也吃动物如麻雀、熊等,（6）消费者在生态系统中的作用：,一是实现物质和能量的传递；如草兔子狼二是实现物质的再生产；三是对整个生态系统有自动调节的能力，尤其是对生产者过度生长、繁殖起控制作用。,生态系统通过自我调节维持相对稳定,狼,狼,兔,兔,植物,植物,狼饿死,狼吃饱,吃了较多兔子,吃了较少兔子,兔吃饱,兔饿死,吃了较少的草,吃了大量的草,污染,鱼死亡,污染,鱼死亡,鱼死亡,污染,图3-4 生态系统的组成,生态系统各组成部分之间的关系：,第三节 生态系统的结构 与功能,一、生态系统的结
6、构二、生态系统的功能,一、生态系统（Ecosystem）的结构,（一）生态系统的形态结构（了解）1.物种结构 2.平面结构 3.垂直结构 4.时间结构,1.食物链 2.食物网 3.营养级,（二）生态系统的营养结构（）,比利时Hamois农区的夏季景观,澳大利亚昆士兰州的热带雨林,1、食物链（Food chain）,（1）概念（2）食物链的类型,一个食物链的例子“螳螂捕蝉，黄雀在后”,植物,蝉(初级消费者),螳螂(二级消费者),黄雀(三级消费者),鹰(四级消费者)(顶极食肉动物),（2）食物链的类型（了解）,捕食性食物链（草牧链）-以生产者为基础。构成形式：植物 小动物 大动物,腐生性食物链（腐
7、解链）-以腐烂的动植物尸体为基础。如：植物残体 蚯蚓 腐败菌 动植物残体霉菌跳虫肉食性壁蚤腐败菌,寄生性食物链-以大动物为基础，由小动物 寄生在大动物身上构成。如：哺乳类或鸟类 跳蚤 原生动物过滤性病毒,碎食性食物链-以碎食物为基础。如：树叶碎片及藻类 虾 鱼 食鱼的鸟类,生态系统中生物之间由于食物关系所形成的联系，即以能量和营养的联系而形成的各种生物之间的链索，称为食物链。食物链上的每一个层次都称为一个营养级，彼此交错的食物链构成食物网。,2、食物网,食 物 网 的 作 用：,一是维系着生态系统的平衡和自我调节能力；食物网越复杂生态系统越稳定。二是推动着有机界的进化。三是对某些元素或稳定难分
8、解物质有“生物放大作用”（见图）,某些元素或难分解物质随食物链的延长浓度逐步增加的现象。,Predator:食肉动物 Omnivore:杂食动物 herbivore:草食动物 Algae:藻类,DDT浓度,10-6,0.04ppm,0.5ppm,3ppt,10-12,3、营养级（营养层次）,（2）生态金字塔（见下图）,（1）营养级食物链上的各个环节。图示,第一营养级,第二营养级,第三营养级,500公斤浮游植物,50公斤浮游动物,5公斤鱼,0.5,10%,前进,（一）生态系统的生物生产（二）生态系统的能量流动（三）生态系统的物质循环（四）生态系统中的信息联系,二、生态系统（Ecosystem）的
9、功能,6CO2+12H2O C6H12O6+6O2+6H2O,（一）生物生产,初级(植物)生产,次级(动物)生产,总产量（Pg）=净产量（Pn）+消耗（R）,单位：焦尔/米2年,（二）生态系统中的能量流动,太阳辐射能输入,生产者,消费者（固定）,消费者（固定）,分 解 者,呼吸,热图,腐生生物分解和呼吸,生产者呼吸,能量流动遵循热力学第一定律（能量守恒）、第二定律（能量转化单向性）和十分之一法则（能量损耗规律）,热,小结,10000,1000,100,10,生产者（浮游植物）,一级消费者,二级消费者（鱼）,三级消费者（人类）,浮游动物,某食物链的能塔图,分解者,热,热,热,热,热,单向流动。逐
10、级递减，传输效率约10%。,4、生态系统能量流动的特点：,生态系统的能量流动小结：,1、能流起点从生产者固定的太阳能开始。2、能流的总数量生产者所固定的全部太阳能。3、能流途径光能第一营养级第二 分解者环境,5、研究目的设法调整能流的方向，使能量流向对人类最有益的部分。,生态系统的能量流动小结：,从生态系统食物链的概念出发，当我们准备对生态系统中某一个成员（某一环节）施加干预时，应考虑到它对各个成员，乃至整个生态系统可能产生的影响和后果。也就是说，应把我们的思想从干预某一种生物，或环境中某一因素，提高到可能会干预整个生态系统的水平上来认识。这种理念在环境影响评价中得到充分重视和采纳。我国的环评
11、法规定，区域的开发必须进行环评，重大的政策也必须进行环评。,33,案例：圆明园（防渗漏工程环评）事件,从2003年8月开始，圆明园进行大规模环境整治工程。2005年3月22日，“世界水日”。兰州大学生命科学院教授张正春参观圆明园时，发现园内正在进行大规模铺设防渗膜的工程。张正春立即向媒体发出呼吁：救救圆明园！3月28日，媒体披露“圆明园湖底铺设防渗膜遭专家质疑”的消息。该消息一出，立即引起社会上的广泛关注。3月30日，北京市环保局有关人士表示，该项目并没有向北京市环保局和海淀区环保局申请环评。3月31日，国家环保总局叫停圆明园防渗工程。4月1日，海淀区区政府决定，圆明园防渗工程停工，进行环境影
12、响评价。4月5日，国家环保总局发出公告，决定召开圆明园整治工程环境影响听证会。4月13日，国家环保总局召开圆明园整治工程环境影响听证会。,防渗处理场面：挖土机在前面整地，施工人员跟在后面铺防渗膜。,圆明园的追问,铺上防渗膜后，施工人员在衬砌驳岸，即所谓的防侧渗处理。,防渗前的荷花茂密茁壮。,做过防渗后的湖中植物伤了元气，许多新叶长出时间不长便枯萎了。,作防渗后，原本茂密的芦苇明显稀少了，经补种过的荷花虽然还能见到，但比上年现颓势。,薛野展示防渗试验前后对比照片,“自然之友”观鸟组在首都师范大学生物系教授高武的指导和参与下，于2002年下半年开始在圆明园进行鸟类调查。此间，他们见证了圆明园环境因
13、人为干扰带来的种种变化。结论：由此对比可以看出，湖底铺防渗对水生植物及赖以生存的动物影响极大。,（三）生态系统的物质循环,非生物环境,生产者,消费者,分解者,生命元素,生命元素,常量元素-氧(O)氢(H)碳(C)氮(N)磷(P)钙(Ca)镁(Mg)钾(K)硫(S)钠(Na),微量元素-铜(Cu)、锌(Zn)、锰(Mn)、钼(Mo)、钴(Co)、铁(Fe),有益或辅助营养元素：硼（B）、Li、Ce、Sr,物流是一个循环过程，物质可以被反复利用，生物圈中的物质都处于永恒的循环变化之中。,1、水循环：,水的社会循环对自然循环的影响,2、碳循环与温室效应,碳循环与温室效应,碳是构成有机体的重要成分，约
14、占有机干物质的49%，没有碳就没有生命。地球上蕴藏在地下的矿物燃料，煤有751011t。煤和石油中的碳比目前地球上活着的有机体所含有的总碳约多50倍以上。地球上的碳有两类库：贮存库：贮存于岩石中的碳。容量大，流通率低，只有8g/（m2a）。交换库（循环库）：碳在生物体和它们生活的环境之间的交换。容量小，流通率很大，达400g/（m2a），十分活跃。地球上99.9%的碳被岩石圈束缚着（以碳酸盐的形式）。碳在海洋中约占0.1%，在大气中约占0.0026%。现代人类将地质年代贮存在地下的碳加以利用，使其重新加入到自然界碳循环的行列，使碳的流通率比正常情况下大大增加，大气中CO2浓度增加，破坏了生物圈
15、中的CO2平衡，使温室效应加剧。,3、氮循环,氮循环与水体富营养化和大气污染,氮是生物细胞的基本元素之一，蛋白质和核酸都是含氮物质。大气中78%都是氮气，氮绝大多数生物无法直接利用。氮只有从游离态变成含氮化合物时，才能成为生物的营养物质。氮循环主要在大气、生物、土壤和海洋之间进行。大气中的氮进入生物有机体主要有四种途径：生物固氮：某些植物（豆科植物）的根瘤菌和一些蓝细菌、褐藻类能把空气中的惰性氮转变为硝酸氮，供植物使用。工业固氮：人类通过工业手段，将大气中的氮合成为氨或铵盐，即农业上使用的氮肥。岩浆固氮：火山爆发时喷出的岩浆可以固定一部分氮。大气固氮：雷雨天气发生的闪电现象而产生的电离作用，可
16、以使大气中的氮和氧化合成硝酸盐，经雨水淋洗进入土壤。,氮循环与水体富营养化和大气污染,植物从土壤中吸收铵盐或硝酸盐等含氮离子，在植物体内与复杂的含碳分子结合成各种氨基酸和核酸，动物直接或间接从植物中摄取植物性蛋白，并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，进入土壤。动植物死后，体内的蛋白质和核酸被微生物分解成硝酸盐或铵盐回到土壤中，重新被植物吸收利用。土壤中的一部分硝酸盐，在反硝化细菌作用下，变成氮回到大气中。人类活动使氮循环出现了问题。工业固氮量已占很大比例，每年被固定的氮超过了返回大气的氮，使氮循环的平衡被破坏。大量的化合氮进入江河、湖泊和海洋，使水体出现富营养化。另
17、外，大气中被固定的氮，不能以相应数量的分子氮返回大气，却形成一部分氮氧化物进入大气，是造成现在大气污染的主要原因。,太湖的富营养化,陆地,海洋,沉积物（CaSO4,FeS2）,溶解的SO42-,SO2,H2S,S,CaSO4,FeS2,死有机体,活有机体,SO42-,降水SO2,SO42-,扩散,海浪SO42-,大气,上升，风化,SO2,FeS2,死有机体,活有机体,SO42-,H2S,S,分解,化肥工业SO42-,摄取,扩散,火山活动,植物摄取SO2,SO42-,降水SO2,SO42-,化石燃烧,H2S,SO2 SO3 SO42-,4、硫循环,气态型-H2S,SO2,沉积型-硫酸盐,简图如下
18、,4、硫循环与酸雨毒害,火成岩、沉积岩,风化,土壤海水,微生物分解,燃料燃烧,SO2 硫酸烟雾,5.磷循环（不完全）与赤潮,沉积型循环,沉积物中的磷（约为土壤和海洋中千倍以上),陆地,海洋,死有机体,土壤中的无机磷,活有机体,死有机体,深海的磷,活有机体,捕鱼,鸟粪,悬浮在水中随河水带走,摄取,排泄死亡,下沉,分解,沉积,溶解于水,上升风化,开采,摄取,排泄死亡,上涌,(起始),(终结),磷循环,岩石的风化向土壤提供了磷。植物通过根系从土壤中吸收磷酸盐。动物以植物为食物而得到磷。动、植物死亡后，残体分解，磷又回到土壤中。在未受人为干扰的陆地生态系统中，土壤和有机体之间几乎是一个封闭循环系统，磷
19、的损失是很少的。人类开采磷矿石，制造和使用磷肥、农药和洗涤剂，以及排放含磷的工业废水和生活污水，都对自然界的磷循环发生影响。,（四）生态系统中的信息联系,1、营养信息（食物链）2、化学信息（蚂蚁分泌的化学物质等）3、物理信息（通过声音、颜色、和光）4、行为信息（自然界的“对话”）,第四节 生态平衡（重点）,一、生态平衡的含义（）二、生态平衡的主要标志三、生态系统失衡的原因（）,一、生态平衡的含义,1、生态平衡定义：生态平衡是指在一定时间和相对稳定的条件下，生态系统各部分的结构与功能处于相互适应与协调的动态平衡之中，这种平衡状态称为生态平衡。(即任何一个正常的生态系统中，能量流动和物质循环总是不
20、断的进行着，但是在一定时期内，生产者、消费者和还原者之间都保持着一种动态的平衡。),二、生态平衡的主要标志,2、营养结构完整-结构平衡。,3、能量和物质的输入、输出必须相对平衡-功能平衡 例如,1、生物种类和数目保持相对稳定。,三、生态系统失衡的原因（重点）,（一）自然因素-（二）人为因素：,自然界发生的异常变化，如火山爆发、山崩海啸、地震,1.物种改变-物种消失、物种引进、基因工程2.环境因子改变-环境污染、植被破坏、地貌改变3.信息破坏-环境污染破坏信息物质,生态学在环境保护中的应用,1、恒定性自然资源：指太阳能、风能、潮汐能、全球水资源,一、利用生态平衡理论合理利用与保护 自然资源（）,
21、2、可更新自然资源：指土地、生物、地方水资源,3、不可更新自然资源：指矿物、煤、石油、天然气,尽量加以开发利用,保持其自我更新能力,节约使用，废物回收利用和资源替代,挖虫草的人们,从生态学观点来看，环境问题实质就是包括人类在内的生态学问题。对环境问题的解决必须运用生态学的理论、方法和手段，也就是要树立环境的生态观。所谓环境的生态观，就是把人类生存的环境(包括生物环境和非生物环境)视为一个有机的统一的整体。它有一定的结构和功能，有自身发生与发展的规律，即人类的生存环境是一个完整的生态系统或若干个生态系统的组合。人类对环境的利用不能从主观愿望出发，必须在遵循客观经济规律的同时，也要遵循生态规律。,
22、综合利用资源和能源,在现代化工业建设中，为了高效率利用资源与能源，有效地保护环境质量，人们提出用生态工艺代替传统工艺。所谓生态工艺是指无废料生产工艺，它利用生态系统的物质循环原理，建立闭路循环工艺，即把两个以上的流程组合成一个闭路体系，使一个过程产生的废料或副产品成为另一过程的原料，尽量减少向环境中排放废物，使工业生产与生物圈的能量流动和物质循环协调起来。,综合利用资源和能源,闭路循环工艺：把两个或两个以上的流程组合成一个闭路体系，使一个过程中产生的废料或副产品成为另一个过程的原料，从而使废弃物减少到生态系统的自净能力限度以内。即要建立循环经济:“资源产品废弃物再生资源”,具体表现在：工业：生
23、态工艺(无污染工艺)农业：生态农业（场）,具体要求包括：（1）减少产品和服务的物料使用量；（2）减少产品和服务的能源使用量；（3）淘汰有毒原材料；(4)削减所有废物的数量和毒性；(5)加强物质的循环使用能力；(6)最大限度可持续地利用可再生资源；(7)提高产品的耐用性；(8)提高产品与服务的强度。,1.生态工艺（无污染工艺）,要 求：物质和能量可获得最大限度的利用，即资源和能源的浪费最少，排出的废弃物最少，且这些废弃物完全能被自然界的动植物所分解、吸收或利用。从整体出发来考虑问题，即注意整个系统的优化，而不是分系统的最优化。,例如,1999年以来,在中国经济快速增长带来的资源环境压力及国际环保
24、新思潮的影响下，国家环保总局将建设生态工业园区作为改变经济增长模式、实现经济和环境双赢的一个重要举措,在全国范围内，在不同的行业和工业园区进行了生态工业园区建设的试点。到2004年12月,经国家环保总局论证通过的、正在创建的生态工业园区共计13个。,广西贵港国家生态工业(制糖)示范园区,该园区正以上市公司贵糖(集团)股份有限公司为核心，以蔗田系统、制糖系统、酒精系统、造纸系统、热电联产系统、环境综合处理系统为框架，通过盘活、优化、提升、扩张等步骤，建设生态工业(制糖)示范园区。该示范园区的六个系统，各系统内分别有产品产出，各系统之间通过中间产品和废弃物的相互交换而互相衔接，从而形成一个比较完整
25、和闭合的生态工业网络，园区内资源得到最佳配置、废弃物得到有效利用，环境污染减少到最低水平。其中，甘蔗制糖蔗渣造纸生态链、制糖糖蜜制酒精酒精废液制复合肥生态链以及制糖(有机糖)低聚果糖生态链这三条园区内的主要生态链，相互间构成了横向耦合的关系，并在一定程度上形成了网状结构。物流中没有废物概念，只有资源概念，各环节实现了充分的资源共享，变污染负效益为资源正效益。,2.发展生态农业,生态农业，就是运用生态学原理和系统科学方法，把现代科学成果与传统农业技术的精华相结合而建立起来的具有生态合理性、功能良性循环的一种农业体系。其目的在于，充分利用太阳能，提高生物能的利用率，通过对农业废弃物的多次转化和循环
26、利用，起到维护生态平衡的作用，使其达到少投人、多产出，收到经济、社会和环境的综合效益，有利于保护生态环境，有利于农业稳定发展。,菲律宾的马雅农场是一个较为完善的生态农场：在这个生态农场中，农业、林业、渔业、畜牧业、加工厂等，组成了一个有机整体。利用稻草、树叶作为牧畜饲料喂养猪和牛，猪粪和牛粪送人沼气池，产生的沼气进人浮桶式储气罐以备使用。沼气中的残渣送入沉淀池，将固体和液体分开，固体废料送到加工工段处理后，用作动物饲料；液体废料送到氧化塘曝气，然后送去作农业灌溉用水。氧化塘中由于营养丰富，生长大量的水藻，再利用水藻养鱼。通过这样一个符合生态平衡的循环系统，既控制了有机废物对环境的污染，又合理地
27、解决了农业生产中所需的燃料、肥料和饲料。,种桑养蚕鱼塘肥种桑,珠江三角洲的桑基鱼塘,“种桑养蚕、蚕沙喂鱼、鱼粪肥塘、塘泥肥桑”,三、利用生态系统的调节能力净化环境,生态系统具有不同水平的，比较复杂的调节能力。这种调节能力是指生态系统的生产者、消费者、分解者在不断进行能量和物质循环过程中，受到自然因素和人类活动的影响时，系统具有保持自身相对稳定的能力。在环境污染的防治中，这种调节能力又称为生态系统的自净能力。被污染的生态系统，利用其本身的自净能力可以恢复原状。生态系统的结构越复杂，自净能力越强。,三、利用生态系统的调节能力净化环境,环境自净包括物理自净、化学自净、生物自净。,1、净化大气防污绿化
28、 go,2、净化水体-生化处理法,3、土地处理系统等-土壤微生物植物,天然解毒机木槿；污水净化器水葫芦粉尘过滤器榆树；抗污降毒木夹竹桃天然吸尘器泡桐；绿色消声器珊瑚树污染监察兵女贞；常绿净化器黄杨,能净化环境的植物：,另外，植物还具有杀菌、滞尘、消减噪声等作用。,四、利用生态学原则编制生态规划，从根本上解决环境问题（）,生态规划又称环境规划。,兴建大的工程项目时，必须考虑其生态效益。,五、为环境标准的制定提供依据,生物或人体健康的阈限值,环境容量,环境标准,1.什么是生态系统，其基本组成成分有哪些？2.生态系统具有哪些功能？3.生态系统中的信息联系有哪些形式？4.为什么食物网越复杂生态系统越稳定？5.名词解释：食物链、食物网、营养级、生物圈,复习思考题：,6、生态系统的能量流动服从什么规律？研究生态系统的能量流动与物质循环对指导生产活动有何意义？7、什么是生态平衡？影响生态平衡的因素有哪些？试列举你熟知的破坏生态平衡的例子。8、试举例说明如何利用生态学原理解决资源的综合利用，这与环境保护有何关系？,复习思考题：,END,GRM 3206 Landscape Ecology|GRM 3206风景生态学,
