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1、1,第三章 生态学基础,由于生态学的许多基本原理可以应用于环境科学中，用来研究和解决人类生活与环境问题，因而有必要学习生态学的基本理论。,2,本章学习重主要内容,第一节 生态学基础第二节 生态学在环境保护中的应用,3,第一节 生态学基础,一、生态学及其发展二、生态系统的概念、组成与作用三、生态平衡四、生物多样性五、生态学的一般规律,4,一、生态学及其发展1、生态学,是一门研究生物与其生活环境相互关系的科学，是生物学的主要分支之一。,即生命体，包括植物、动物和人，如果把生物看成是一个生命系统；,把生活环境看成是一个环境系统；,第一节 生态学基础,5,1、生态学,生态学就是研究生命系统和环境系统之
2、间相互作用规律和机理的一门学科。,包括植物、动物和人类,6,2、生态学的发展（1）研究对象的变化：,形成了人类生态学,（2）生态学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：经济生态学、物理生态学、化学生态学等。,植物,动物,植物,动物,植物,人类,人类,7,二、生态系统的概念、组成与作用,1、生态系统的概念（1）有关概念,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。,8,二、生态系统的概念、组成与作用,1、生态系统的概念（1）有关概念,生态系统（Ecosystem）按现代生
3、态学观点，生态系统就是生命系统和环境系统在特定空间的组合，如生物圈。,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。,9,生物圈是地球上最大的生态系统，它包括地球上的全部生物及其无机环境（非生物环境）。生物圈还可以分出很多个生态系统，例如一片森林、一块草地、一个池塘、一块农田、一座城市等，都可以个自成为一个生态系统。,10,生态系统（ecosystem）指在一定的空间内，生物成分和非生物成分通过物质循环和能量流动相互作用、相互依存而构成的一个生态学功能单位。它把生物及其非生物环境看成是互相影响、彼此依存的统一整体。,生态系统是英国生态学家Tansley于1935年首
4、先提出来的。,11,现在，人们对生态系统这一概念的理解是：生态系统是在一定的空间和时间范围内，在各种生物之间以及生物群落与其无机环境之间，通过能量流动和物质循环而相互作用的一个统一整体。,对生态系统这一概念的理解,12,例如：为了生存和繁衍，每一种生物都要从周围的环境中吸取空气、水分、阳光、热量和营养物质；生物生长、繁育和活动过程中又不断向周围的环境释放和排泄各种物质，死亡后的残体也复归环境。,对生态系统这一概念的理解,13,（1）生态系统的组成,物质循环,能量流动,生态系统,生物,非生物,2、生态系统的组成和作用,14,绿色植物光合细菌等其他自养生物初级消费者：草食动物次级消费者：肉食动物三
5、级消费者：中型肉食动物四级消费者：大型肉食动物微生物、小型无脊椎动物,生产者消费者分解者：温度、阳光土壤,水、二氧化碳、氧有机物等,生物成分（生物群落）非生物环境（自然环境）,生态系统,生态系统的组成,15,例如，绿色植物利用微生物活动从土壤中释放出来的氮、磷、钾等营养元素；食草动物以绿色植物为食物；肉食性动物又以食草动物为食物；各种动植物的残体则既是昆虫等小动物的食物，又是微生物的营养来源；,16,微生物活动的结果又释放出植物生长所需要的营养物质；经过长期的自然演化，每个区域的生物和环境之间、生物与生物之间，都形成了一种相对稳定的结构，具有相应的功能，这就是人们常说的生态系统。,17,生产者
6、消费者分解者温度、光土壤,水、二氧化碳、氧有机物等,生物成分（生物群落）非生物环境（自然环境）,生态系统,主要指绿色植物，也包括蓝绿藻和一些光合细菌，是能利用简单的无机物制造有机物（食物）的自养生物。在生态系统中起主导作用。,（2）生态系统的作用,18,生产者（绿色植物）,19,生产者消费者分解者温度、光土壤,水、二氧化碳、氧有机物等,生物成分（生物群落）非生物环境（自然环境）,生态系统,即异养生物，主要指各种动物，包括草食动物、肉食动物、杂食动物和寄生动物等。如草食动物和肉食动物。它们依赖食用植物或动物而生长、繁衍。,（2）生态系统的作用,20,生产者消费者分解者温度、光土壤,水、二氧化碳、
7、氧有机物等,生物成分（生物群落）非生物环境（自然环境）,生态系统,它们直接或间接地将生产者产生的有机物利用而生长、繁衍，把自己的粪便和尸体排向大自然；,（2）生态系统的作用,21,一级消费者（草食动物）,22,二级消费者（肉食动物）,23,生产者消费者分解者温度、光土壤,水、二氧化碳、氧有机物等,生物成分（生物群落）非生物成分（自然环境）,生态系统,异养生物，主要是细菌和真菌，也包括某些原生动物和蚯蚓、白蚁、秃鹫等大型腐食性动物。,（2）生态系统的作用,24,生产者消费者分解者温度、光土壤,水、二氧化碳、氧有机物等,生物成分（生物群落）非生物成分（自然环境）,生态系统,（2）生态系统的作用,它
8、们分解动植物的残体、粪便和各种复杂的有机化合物；吸收某些分解产物；最终能将有机物分解为简单的无机物，而这些无机物参与物质循环后可被自养生物重新利用,使物质流动在大自然中形成循环。,25,鞭毛虫,26,微生物（真菌）橙盖伞（分解者）,27,非生物成分,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）。,土壤,岩石,矿物,28,非生物成分,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）。,空气,水体,29,在这四大角色的作用下，整个生态系统始终发生着物质和能量的循环与交流。,30,非生物成分,生物成分,细菌、真菌,菌类:将分解后的无机物转化
9、为可利用成分,生产者,（2）生态系统的作用,消费者,31,按生态系统的环境性质和形态特征,（3）生态系统的类型,32,森林系统 包括乔木、灌木、草本植物、地被植物及多种多样动物和微生物等与它周围环境（包括土壤、大气、气候、水分、岩石、阳光、温度等各种非生物 环境条件）-相互作用形成的统一体。,森林系统,33,据资料报导，1hm2 森林每天可吸收 1tCO2，放出 0.73tO2。全球森林每年能使约（550108）tCO2 转变成木材，同时大约可放出（400108）tO2。全世界森林吸收 CO2 并放出的 O2 超过世界人口呼吸所需 O2 的近 10 倍。,森林的作用,吸收CO2释放O2，减缓温
10、室效应。,34,森林能分泌一些杀菌素、负离子和芳香化合物，对大气进行消毒，使空气清新，从而改善人类的大气生活环境质量。,森林的作用,过滤和净化作用。,35,森林可减低风速，防止风害和干旱风的形成，预防冷害及霜冻，减少雹灾形成，阻挡沙尘暴等。,森林的作用,能减轻来自大气圈的灾害。,36,大量水文资料证明：森林能减低洪峰流量，增加枯水期流量，并调节河川流量，起到既能防止洪涝灾害，又可减轻旱灾的双重作用。森林之所以能起涵养水源的作用，主要是因为林地具有大量枯枝落叶和腐殖质，以及林地土壤疏松、吸水和保水能力强。,森林的作用,具有涵养水源的功能。,37,主要表现在森林具有改良土壤、固土、防治荒漠化，保护
11、耕地，防止水蚀和风蚀等方面的作用。森林和植被以其地上多层次结构和地下发达的根系，可以大大减少降雨势能对土壤的冲刷，并起固土作用，防止风蚀和水蚀。,森林的作用,对土壤岩石圈有较大影响。,38,森林还能 在一定程度上起改良土壤的作用。这是因为森林能使土壤理化性质改善。如增加土壤有机质，形成团粒结构，增加土壤孔隙度，提高土壤渗透能力和吸附能力，提高土壤中氮（N）、磷（P）、钾（K）含量及各种微量元素含量。,森林的作用,对土壤岩石圈有较大影响。,39,森林具有吸尘作用，由于结构复杂，树叶表面不平，多绒毛，有的能分 泌粘性油脂及汁液，森林能吸附大量飘尘。森林能减低噪声，一般 40m 宽的林带，可减低噪声
12、 1015dB。建造林带可以隔音，抗噪声污染。森林还具有抗辐射、阻碍污染 光的传播的作用。,森林的作用,对生物圈有较大影响。,40,按生态系统的环境性质和形态特征,（3）生态系统的类型,41,按生态系统的环境性质和形态特征,（3）生态系统的类型,42,生物自从在地球上出现以来就与自然环境有着密不可分的关系，长期以来形成了相互依存、相互制约的关系。地球上的生物十分庞杂，其中包括动物2000万种以上，植物30多万种，微生物10多万种。,（4）生态系统的特征,43,这些生物通过新陈代谢不断与环境进行着物质的交换、能量的传递和信息的交流，从而引起环境与生物自身的变化。,（4）生态系统的特征,44,适应
13、性 生物在长期的进化中对环境具有依附性和适应性；遗传性 但生物也不是被动的适应环境，生物也具有其本身独特的遗传特性。生物受到环境的影响，反过来又作用于环境。,（4）生态系统的特征,一个简化了的池塘生态系统,一个简化了的陆地生态系统,47,太阳,生产者,一级消费者,二级消费者,简化的陆地、池塘生态系统,一级消费者（浮游生物）,二级消费者,三级消费者,生产者（浮游植物）,分解者（微生物）,分解者,图2-2,48,构成生态系统的各种生物的种类、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。,（5）生态系统的结构,49,形态结构,
14、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,50,（5）生态系统的结构,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。,51,生态系统中物种的类型、分布、空间配置,52,生态系统中种的时间变化（发育、季相）,53,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。,54,营养结构是以营养为纽带，把生物和非生物紧密结合起来的功能单位，构成以生产者、消费者和分解
15、者为中心的三大功能类群，它们与环境之间发生密切的物质循环和能量流动。,营养结构,55,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,56,（6）食物链及食物网,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。比如：老鼠以农作物为食，而鼬（you）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。,生物圈中的各种生物基于生产者和各级消费者之间的营养关系，构成了生态系统中的食物链。,57,自然界中，一种植物可被不同种动物食用，家畜采食牧草，野鼠、野
16、兔也吃牧草；同一种动物可食不同种食物，如棕熊既吃动物也吃植物。,（6）食物链及食物网,58,所以在生态系统中，各种生物取食关系错综复杂，使生态系统中各种食物链相互交叉、相互联接，形成网络，称为“食物网”。能量的流动、物质的迁移和转化都是通过食物链和食物网进行的。,（6）食物链及食物网,59,1 桧树；2 草本植物；3 节肢动物；4 兔；5 啮齿动物；6 肉食动物,食物网,一个简化了的陆地食物网,P31,61,水生生物的生态系统及其物质和能量的流动示意图,食物链,浮游植物,浮游动物,小鱼,大鱼,一个小池塘中水生生物之间构成的生态系统和食物链以及其中能量和物质的流动情况见下图：,63,食物链的突出
17、特性-生物富集作用,DDT在某水生食物链中的富集,P32,DDT在水中、浮游生物体中、小鱼体内、大鱼体内、鱼鹰体内浓度增大了1000万倍。,64,能量流动物质循环信息传递,2、生态系统的功能,能量流动、物质循环和信息传递构成了生态系统的基本功能。,65,（1）能量流动,（a）太阳辐射的电磁波情况,P33,入射的太阳能99%为紫外、可见光和红外。,66,（b）太阳辐射及地球吸收太阳能的情况,P33,来自太阳的能量只有近一半（47%）左右能够到达地表，其余的34%反射、散射到空间，19%被大气所吸收。,67,生态系统中全部生命活动所需要的能量均来自太阳。太阳能在生态系统中的流动是按热力学定律进行的
18、。,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。,68,能量流动方向：沿着绿色植物草食动物一级肉食动物二级肉食动物逐级流动；而后者所获得的能量大体等于前者所含能量的1/10，即在能量流动过程中，约有9/10的损失掉了-能量流动的1/10规律。,P35,70,水循环,（2）物质循环,包括水循环、碳循环、氮循环、磷循环等,71,水循环,（2）物质循环,包括水循环、碳循环、氮循环、磷循环等,水面、陆地表层蒸发；植物叶的蒸腾作用；大气中水的冷凝、降水；地表水径流、渗透；地下水径流；,72,碳循环,73,碳循环,植物的光合作用；动物的呼吸作用；微生物的分解作用；矿物（化石燃
19、料）燃料的燃烧；海水吸收成为碳酸盐 而沉淀；碳酸盐吸收二氧化碳成 为碳酸氢盐而分解；火山爆发、森林火灾；,74,氮循环,氮循环,75,氮循环,固氮菌、蓝绿藻的固氮；植物从土壤中的吸收；动物食用植物的摄取；动植物尸体的分解；土壤中硝酸盐的反硝化；化肥的生产和使用；火山爆发；,76,磷循环,P38,天然来源,通过天然侵蚀和人工开采进入水体或食物链,经短期循环后进入深海沉积层中,77,（3）信息传递,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。,生态系统的另一个功能就是信息传递功能,78,北极狐是以北极兔为食的；北极狐可以怀单胎，也可以怀双胎，而这是取决于
20、北极兔的多少；北极兔的数量多，怀双胎；数量少则怀单胎。,北极狐和北极兔,79,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物理信息、化学信息等在起作用。,北极狐和北极兔,80,北极狐,北极兔,81,三、生态平衡,1、生态平衡的概念,如果某生态系统各组成成分在较长时间内保持相对协调，物质和能量的输出接近相等，结构与功能长期处于稳定状态，在外来干扰下，能通过自我调节恢复到最初的稳定状态，则这种状态可称为生态平衡。,82,三、生态平衡,1、生态平衡的概念,生态平衡包括三个方面：结构上的平衡;功能上的平衡;输入和输出物质数量上的平衡。,83,三、生态平衡,2、生态平衡的特点,
21、生态平衡是相对的、动态的平衡。在系统各组分之间、生物与环境之间不断的物质、能量与信息的流动，使得生态系统中旧的平衡不断打破，新的平衡不断建立。只有这样，地球才会由一片死寂变得生机盎然。,84,三、生态平衡,2、生态平衡的特点,绝对的平衡则意味着没有发展和变化。但这种变化如果太快，则系统各组分之间处于一个相对不稳定的状态，会产生一系列严重的问题，生物不能适应这种变化则导致物种的大量灭绝。,85,三、生态平衡,3、生态系统的动态变化,生态系统的稳定取决于植物、食草动物、食肉动物、分解者之间平衡的相互关系,植被,分解者,食草动物,食肉动物,86,三、生态平衡,生态平衡内部具有自动调节的能力。生态系统
22、的组成成分越多样，能量流动和物质循环的途径越复杂，其调节能力也越强。生态系统的调节能力有一定限度的。超出了限度，调节就不再起作用，生态平衡就会遭到破坏。,生物多样性,4、生态平衡的原因,87,破坏生态平衡的因素,5、破坏生态平衡的因素,88,破坏生态平衡的因素,5、破坏生态平衡的因素,89,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2050。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的威胁，有些已处于生存极限状态。,90,人类对生态系统的影响,5、近半个世纪来，全球有23的农业用地发生水土流失现象。6、由于拦河
23、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。,91,1、生物多样性定义 指的是地球上生物圈中所有的动物、植物和微生物，以及它们所拥有的基因和生存环境。,变幻万千的植物世界图片资料来源：世界自然基金会（WWF）,四、生物多样性,92,变幻万千的动物世界图片资料来源：世界自然基金会（WWF）,变幻万千的动物世界,93,2、生物多样性的内容（1）基因多样性（也叫遗传多样性）；（2）物种多样性；（3）生态环境多样性。,94,2、生物多样性的意义（1）是大自然造就的基因资源库。,生物多样性具有很高的价值，最为宝贵的是：它是大自然造就的基
24、因资源库。每一个物种都有一套自己独特的基因，这是物种在漫长的进化过程中既顺应了自然，又保留下了自己物种特性的基因组合，极为珍贵，而且不可再生。在这方面，人类的知识几乎为零。,95,2、生物多样性的意义（2）是一座巨大的、可再生的资源宝库。,对于人类的使用价值来说，许多植物成分是人类治疗疾病所离不开的药物成分。人类在日常生活中使用的各类纤维、油脂、芳香油、去污剂、胶和建筑材料等，就能来自大自然中多种不同的生物资源。所以说，充满了生物多样性的地方是一座巨大的、可再生的资源宝库。,96,在地球的陆地生态系统中，生物多样性最为丰富的区域是热带雨林。那里生活着世界上50%的物种。但由于森林砍伐、滥捕乱猎
25、和环境污染，全世界的物种在以每天几十种的速度消失。这是地球资源的巨大损失。,可怜的热带雨林,97,因为一个物种灭绝之后，永不再生，而消失的物种还会通过生物链引起其它物种的消失。所以，保护生物多样性是当今保护地球环境的重大课题之一。,98,1、相互依存与相互制约规律 反映了生物间的协调关系,（1）普遍的依存和制约-“物物相关”规律。系统中各种生物间相互依存、相互制约关系是 普遍存在的；,五、生态学的一般规律,99,1、相互依存与相互制约规律 反映了生物间的协调关系,（2）通过“食物”而相互联系与制约-“相生相克”规律；就是每一种生物在食物链和食物网中，都占据一定的位置，并具有特定的作用。,五、生
26、态学的一般规律,100,2、物质循环转化与再生规律,要防止有毒物质进入环境、生态系统，以免有毒物质经多次循环后富集到危害人类的程度。,五、生态学的一般规律,注意,101,3、物质输入输出的动态平衡规律,防止输入不足（如施肥不足）；防止输入过多（如富营养化、重金属）。,五、生态学的一般规律,102,4、相互适应与补偿的协同进化规律,生物与环境之间存在着作用与反作用的 过程，即生物给环境以影响，反过来环境也会影响生物，如地衣的生长。见P45,五、生态学的一般规律,103,5、环境资源的有效极限规律,生物赖以生存的环境资源在质量、数量、空间和时间等方面都有一定的限度，因而不能过度放牧、捕鱼、狩猎、超
27、标排放污染物等。,五、生态学的一般规律,104,第二节 生态学在环境保护中的应用,一、全面考察人类活动对环境的影响二、充分利用生态系统的调节能力三、解决近代城市中的环境问题四、综合利用资源和能源五、在环境保护其他方面的应用,105,一、全面考察人类活动对环境的影响。,人类活动对环境的影响要从时间和空间上 全盘考虑，统筹兼顾。不仅要考虑现在，还要考虑将来；不仅要考虑本地区，还有考虑有关的其它地区。（建设项目必须进行环境影响评价）,第二节 生态学在环境保护中的应用,利用生态系统的整体观念,106,二、充分利用生态系统的调节能力。,如大气污染物的高烟囱排放、水体自净、土地处理系统等。,第二节 生态学
28、在环境保护中的应用,P50,107,利用土壤微生物植物生态系统的自净功能和自我调控机制，通过一系列物理、化学和生物化学等过程，使污水达到预定处理效果，并对污水中氮、磷等资源加以利用,使其成为植物自身营养成分的一种污水处理技术。污水土地处理系统与传统的污灌农业有很大的区别，土地处理系统是在严格控制重点污染源的基础上进行的。,土地处理系统,P50,灌溉、渗滤、浸流等土地处理系统对污染物去除率如下：,109,三、解决近代城市中的环境问题。,1、编制生态规划（环境规划）是指在编制国家或地区的发展规划时，不是单纯考虑经济因素，还有考虑地球物理因素、生态因素和社会因素。（各类规划必须进行环境影响评价）,第
29、二节 生态学在环境保护中的应用,110,三、解决近代城市中的环境问题。,2、进行城市生态系统的研究 利用生态学原则和系统论的方法来研究，即把城市作为特殊的人工环境系统来研究。,第二节 生态学在环境保护中的应用,111,1、生态工艺（无污染工艺）,是指：输入的物质和能量获得最大限度的利用；资源和能源的浪费最少；废弃物完全能被自然界分解、吸收或利用。,四、综合利用资源和能源,112,2、生态农场,庄稼地,猪场,113,114,五、在环境保护其他方面的应用,1、阐明污染物质在环境中的迁移转化规律（食物链）；2、环境质量和生物监测和生物评价（1）利用植物对大气污染进行监测和评价（如菠菜监测二氧化硫等）
30、；（2）利用水生生物监测和评价水体污染。,第二节 生态学在环境保护中的应用,115,五、在环境保护其他方面的应用,3、为环境标准的制定提供依据；4、人工生态系统及其在污染防治研究中的应用（如曝气池中指示生物）。,第二节 生态学在环境保护中的应用,116,水处理中发挥作用的微生物主要有：细菌、古菌、真菌、藻类、原生动物和后生动物等。原生动物多属好氧微生物，其中的鞭毛纲、肉足纲、纤毛纲在废水处理中起着重要作用；原生动物主要以细菌为食，其种属和数量随处理出水的水质而变化，可作为指示生物。,117,如：柄纤毛虫占优时，表示处理系统运转正常；鞭毛虫、肉足虫大量出现时，表示处理系统可能出现异常。,118,废水处理中常见后生动物有：轮虫、线虫、甲壳虫，后生动物以原生动物为食；也可作为指示生物，如：轮虫常出现在较清洁的水中，可以判断处理效果；,119,下节课见！,
