生物與環(huán)境課件

生物與環(huán)境

一、生態(tài)系統(tǒng)概述

二、生態(tài)系統(tǒng)的能量流動、物質(zhì)循環(huán)和

信息傳遞

三、生物圈和群落型

四、生態(tài)平衡與調(diào)控

五、人類與環(huán)境

生命世界從微觀到宏觀的組織層次

細胞組織器官個體種群

群落生態(tài)系統(tǒng)生物圈

生態(tài)學（Ecology）：

研究生物與環(huán)境相互依賴、制約和

協(xié)調(diào)關系的科學。

概念、組分及特征

生態(tài)系統(tǒng)（ecosystem）

生物群落與其生存環(huán)境之間,以及生物種群相互之間密切聯(lián)系、相互作用，通過物質(zhì)交換、能量轉(zhuǎn)換和信息傳遞，成為占據(jù)一定空間、具有一定結構、執(zhí)行一定功能的動態(tài)平衡整體，稱為生態(tài)系統(tǒng)。一、生態(tài)系統(tǒng)概述

生態(tài)系統(tǒng)的基本組分

生物組分——生物群落（biotic

community）

在一定地理區(qū)域內(nèi)，生活在同一環(huán)境

下的各種動物、植物和微生物等的種群，

彼此相互作用，組成具有獨特成分、結構

和功能的不同種群集合體。

群落中物種的多樣性和優(yōu)勢種

群落結構：垂直分布、水平分布、時間

分布

生態(tài)位（ecologicalniche）

五種北美鶯同以云杉為生，分處不同的位置。兩種藤壺分處海岸不同高度

生物種群在群落中的生活方式和它們在時間和空間上所占有的地位。生態(tài)位不同于棲息地，棲息地代表種群的“住址”，而生態(tài)位是種群賴以生存的“職業(yè)”；生態(tài)位相似的物種，發(fā)生競爭。

生態(tài)位的多樣性是群落結構相對穩(wěn)定的基礎。

環(huán)境組分

無機與物理性環(huán)境因子：

輻射（光）、溫度、濕度與水分、化

學因素（大氣成分、水中鹽分、酸堿度）、

土壤等。

生物對環(huán)境因子的耐受性和限制因子

每種生物對環(huán)境因子的耐受范圍，稱生態(tài)幅（ecologicalamplitude）；

各種生物的生長速度受它所需環(huán)境因子最低量因素的限制，稱為最低量定律（lowofminimum）

種內(nèi)與種間關系

捕食（predation）

競爭（competition）

寄生（parasitism）

共棲（commensalism）

合作（protocooperation）與

互利共生（mutualism）

化學互助和拮抗山貓正在追捕雪兔山貓和雪兔在90年間的數(shù)量消長

兩種草履蟲，分開培養(yǎng)和混合培養(yǎng)，出現(xiàn)不同生長曲線一只鳥里里外外寄生物大20多種螞蟥身上還有螞蟥白鷺與大象共棲(左)蘭花棲生在樹干上（右）雙鋸魚和?？矖浵伜脱料x合作牛尾鳥幫助河馬清除寄生小蟲。白蟻消化道中原生動物幫助白蟻消化木屑（）（互利共生）

一種鼠尾草分泌化學物質(zhì)，使周圍成為不毛之地。

生態(tài)系統(tǒng)的基本特征

生物群落是生態(tài)系統(tǒng)的組成核心；

生態(tài)系統(tǒng)具有一定的地區(qū)特點和空

間結構；

生態(tài)系統(tǒng)表現(xiàn)明顯的時間特征，具

有從簡單到復雜，從低級到高級的

發(fā)展規(guī)律；

生態(tài)系統(tǒng)的代謝活動是通過物流與能

流過程實現(xiàn)的；

生態(tài)系統(tǒng)在結構和功能方面具有復雜

的動態(tài)平衡特征；

生態(tài)系統(tǒng)具有不同程度的開放性，不

斷地與外界進行物質(zhì)和能量交換及信

息傳遞，從而維持系統(tǒng)的有序狀態(tài)。

生態(tài)系統(tǒng)的食物鏈和食物網(wǎng)

食物鏈和食物網(wǎng)的概念

生態(tài)系統(tǒng)中儲存于有機物中的化學能，通過一系列吃與被吃的關系，把生物與生物緊密地聯(lián)系起來，這種以食物營養(yǎng)關系彼此聯(lián)系起來的生物序列，稱為食物鏈（foodchain）。

生物群落中錯綜復雜的食物關系，使多條食物鏈彼此交聯(lián)，形成食物網(wǎng)（foodweb）。食物鏈食物網(wǎng)

食物鏈中的功能類群

生產(chǎn)者（producers）

消費者（consumers）

還原者或稱分解者（decomposer）

食物鏈的類型

捕食食物鏈

碎食食物鏈

寄生性食物鏈

腐生性食物鏈

食物鏈的基本特點

同一食物鏈中常包含有食性和其它生活

習性極不相同的多種生物；

同一生態(tài)系統(tǒng)中，可能有多條食物鏈，

長短不同，營養(yǎng)級數(shù)目不等；

不同生態(tài)系統(tǒng)，各類食物鏈的比重

不同；

生態(tài)系統(tǒng)中，各類食物鏈總是協(xié)同

起作用的。

食物網(wǎng)不僅維持生態(tài)系統(tǒng)的相對平

衡，并推動生物進化，是自然界發(fā)

展演化的動力。

二、生態(tài)系統(tǒng)的能量流動、物質(zhì)循

環(huán)和信息傳遞

生態(tài)系統(tǒng)能量流動

生態(tài)系統(tǒng)能量存在的形式

輻射能：日光能是地球上一切生物的最終

能源。

化學能：化合物中儲存的能量，生命活動的

基本能量形式。

機械能：動物運動賴于肌肉收縮產(chǎn)生機械能。

電能：電子轉(zhuǎn)移對生物體的能量轉(zhuǎn)化非常

重要。

生物能：參與生命活動的任何形式的能量，

均稱生物能。

生態(tài)系統(tǒng)的能量流動遵循熱力學定律

能量守恒與轉(zhuǎn)化

‘

生態(tài)系統(tǒng)是一個開放系統(tǒng)，通過光合作

用引入負熵；通過呼吸，把正熵值轉(zhuǎn)到

環(huán)境。

生態(tài)系統(tǒng)中的能源和能流（energy

flow）

能流和營養(yǎng)水平（trophiclevels）

地球上依賴于綠色植物和各種藻類利用

日光進行光合作用，每年生產(chǎn)約1700億噸有

機物。

各類生物以地球生態(tài)系統(tǒng)初級生產(chǎn)者的總

生產(chǎn)量/年為起點，能量按食物鏈順序的流動，

即能流。

能流過程中，各類生物所處的地位稱為營

養(yǎng)水平。營養(yǎng)水平和食物鏈的環(huán)節(jié)是有限的

（通常4~5個）

能量轉(zhuǎn)化效率和生態(tài)金字塔

能量轉(zhuǎn)化效率：指某一營養(yǎng)級所固定的

能量與上一營養(yǎng)級所攜有的能量之比。

十分之一定律：營養(yǎng)水平每上升一級所

得能量只有原來營養(yǎng)水平的10%。

生態(tài)金字塔（ecologicalpyramid）

生態(tài)系統(tǒng)中，當能量傳遞其營養(yǎng)級由

低向高推進時，每級的個體數(shù)目、生物量

或所含能量呈遞減式塔型分布，稱生態(tài)金

字塔。

從106千卡太陽光照開始,生態(tài)系統(tǒng)中能量效率大約為10%。素食者比肉食者節(jié)約能源

生態(tài)系統(tǒng)中的物質(zhì)循環(huán)

物質(zhì)循環(huán)的有關概念

生物地球化學循環(huán)

（biogeochemicalcycle）

在生態(tài)系統(tǒng)乃至生物圈內(nèi)，各種化學元素沿特定途徑，從環(huán)境到生物體，又從生物體再回歸到環(huán)境，這種不斷流動和循環(huán)過程。

生物富集作用（biologicalenrichment）

生態(tài)系統(tǒng)中同一營養(yǎng)級上眾多種群或個

體，從環(huán)境中積蓄某種元素或難于分解的

化合物，致使生物體內(nèi)該物質(zhì)的濃度超過

環(huán)境中的濃度的現(xiàn)象。例：DDT的富集現(xiàn)

象。飛機噴灑DDT殺蚊DDT經(jīng)食物鏈濃縮107倍水中DDT濃度3x10－6ppm鷹體內(nèi)DDT濃度25ppm

水循環(huán)

氣體循環(huán)（碳、氧、氮的循環(huán)）

碳的循環(huán)

氮的循環(huán)

沉淀循環(huán)（鈣、鉀、納、鎂、磷等鹽

類的循環(huán)）

磷的循環(huán)

水循環(huán)碳循環(huán)氮循環(huán)磷循環(huán)

生態(tài)系統(tǒng)中的信息傳遞

生態(tài)系統(tǒng)中信息流（傳遞、接受和感

應）存在于不同組織水平，是生物長期進

化的結果。

生態(tài)系統(tǒng)中的信息種類

物理信息：聲、光、電、熱等

化學信息：代謝分泌物、植物次生代謝物等

營養(yǎng)信息：影響生物的遷徙等

行為信息

印隨學習（imprinting）

生態(tài)系統(tǒng)中信息傳遞的特征

具有可傳擴性、永續(xù)性；

具有時效性、分享性與轉(zhuǎn)化性。

生態(tài)系統(tǒng)中的信息傳遞

動物之間的信息傳遞是通過神經(jīng)系統(tǒng)

和內(nèi)分泌系統(tǒng)進行的；

動物之間的信息傳遞決定生物的多種行為。

取食：視覺、味覺、聽覺信號對動物

取食的影響；

居?。何锢硇盘柡褪澄镄盘栍绊憲⒌氐倪x擇。

防護行為：擬態(tài)（imicry）、警戒色

（warningcolor）、保護色（protectivecolor）

性行為：性外激素（pheromone）；

生物的群集作用：食物、環(huán)境和信息素的作用。擬態(tài)

西番蓮是熱帶藤本植物，展足蛾產(chǎn)卵于葉面，西番蓮的蜜腺象卵，起到保護葉子的作用一種像石頭樣的植物，不易被動物發(fā)現(xiàn)冬天白色夏天黑色

信息在生產(chǎn)實踐中應用

光信息的應用：調(diào)節(jié)控制生物的發(fā)生發(fā)展；

化學信息的應用：趨光性和趨化性的利用，

“迷向法”防治害蟲；

聲信息的應用：超聲處理種子；聲納捕

魚；番茄聽音樂。

三、生物圈和群落型

生物圈（biosphere）

生物圈地球上的生物和它們所生活的

環(huán)境的總稱。

生物圈包括水域、巖層表面、土壤和大

氣圈的下部。

生物圈是最大的生態(tài)系統(tǒng)

生物群落型（biome）

陸生群落型

熱帶雨林（tropicalrainforest）

亞熱帶常綠闊葉林（subtropicalevergreenforest）

溫帶落葉闊葉林（temperatedeciduousforest）

北方針葉林或泰加林（borealconiferous

forestortaigaforest）

溫帶草原（temperategrassland）

荒漠（desert）

苔原（tundra）林海雪原中的針葉林苔原（凍原）

水生群落型

淡水生物群落：流水和靜水

海洋生物群落：地球表面的70%，平均

深度4000M

四、生態(tài)平衡及調(diào)控

生態(tài)平衡

生態(tài)平衡（ecologicalequilibrium）的概念：

一個生態(tài)系統(tǒng)在長時間內(nèi)，其結構和功能相對穩(wěn)定，物質(zhì)與能量的輸入、輸出接近平衡，在外來干擾下，通過自然調(diào)節(jié)（或人為調(diào)控）能恢復原初的穩(wěn)定狀態(tài)。

生態(tài)平衡是動態(tài)的平衡過程,自

然界生態(tài)系統(tǒng)的發(fā)展過程與各類群落

的演替過程是一致的，因此生態(tài)平衡

是長期生態(tài)適應的結果。

生態(tài)平衡的失調(diào)和重建

生態(tài)平衡失調(diào)：

當外來干擾超過生態(tài)系統(tǒng)自我調(diào)節(jié)能

力，而不能恢復到原初的穩(wěn)定狀態(tài)。

生態(tài)平衡失調(diào)的原因

生物種類的改變（新種的引入或優(yōu)勢種

的消失）

森林和植被的毀滅

環(huán)境的破壞（資源濫用、水土流失、氣

候干燥、水源枯竭等）

組圖沙塵暴我們只有一個地球4月22日

地球日

重建生態(tài)平衡的對策

自覺協(xié)調(diào)人與自然的矛盾，利用與保

護兼顧；

積極提高生態(tài)系統(tǒng)抗干擾能力（建立

人工生態(tài)系統(tǒng)）

注意政府干預和政策的調(diào)節(jié)

重大生態(tài)學問題

全球變化(globalchange)的概念-是由于人類活動加劇(主要是燃燒化石燃料和砍伐森林等),造成大氣中的溫室氣體(CO2,NOx,CH3,CFCs)增加,由此造成全球性的氣候變化,并帶來一系列生態(tài)環(huán)境變化的過程,包括氣溫升高、海平面增高、生物多樣性喪失、環(huán)境污染加劇、荒漠化擴大等-全球變化是迄今為止人類面臨的最大生態(tài)環(huán)境問題，引起了各國政府的廣泛關注-全球變化研究是一個多學科的領域，不同的國際機構單獨或聯(lián)合提出了眾多的研究計劃

全球變化的幾個典型事件舉例-“生物圈二號”實驗失敗的教訓1991-1995美國人在亞利桑那進行的大規(guī)模住人控制環(huán)境實驗。實驗的失敗恰好預測了人類地球?qū)⒚媾R的問題--CO2升高，元素循環(huán)中斷和生物多樣性變化等。該事件告訴人們，地球是目前最完美的生態(tài)系統(tǒng)，人們利用高科技不可能創(chuàng)造象地球這樣完美的生態(tài)系統(tǒng)-長江特大洪災1998中國從南到北，從東到西的大部分地區(qū)，都發(fā)生了洪水災害或洪水影響，造成的直接經(jīng)濟損失就超過2000億人民幣！造成2150多萬hm2農(nóng)作物受災。問題的原因是由于江河上游亂砍亂伐森林造成的-沙塵暴

2000年北方發(fā)生14次沙塵暴，2001年16次。2000年12月31日-2001年1月2日，內(nèi)蒙古錫林浩特市持續(xù)時間25-75小時，風力達6-11級，風速達到每秒14-26米，降溫8-10度，最大能見度為100米，最低為0米。在這場沙塵暴中共走失104人，其中27人凍死，走散丟失牲畜30萬頭，其中確認死亡15.66萬頭。沙塵暴主要是由于草原地區(qū)的人口增加和過度放牧引起

生物圈二號

沙塵暴(2000,14次；2001,16次)

各國政府采取的相應對策京都議定書(KyotoProtocol)

關于減少CO2等溫室氣體排放的國際協(xié)議，1994年3月21日生效聯(lián)合國氣候變化公約(TheUnitedNationsFrameworkConventiononClimateChange,UNFCC)控制全球溫暖化的國際公約，1992年6月生效，143個國家簽約-

荒漠化防治公約

國際全球變化重要研究計劃(舉例)-世界氣候研究計劃(WCR)-國際地圈生物圈計劃(IGBP)-過去的全球變化(PAGES)-全球變化與陸地生態(tài)系統(tǒng)(GCTE)-海岸帶陸海相互作用(LOICZ)-土地利用與土地覆蓋變化計劃(LUCC)-全球變化的分析、研究和培訓系統(tǒng)(START)-全球變化的人文因素計劃(IHDP)-生物多樣性計劃(DIVERSITAS)

五、人類與環(huán)境

人類與環(huán)境的關系——對立統(tǒng)一

環(huán)境概念

廣義環(huán)境：自然環(huán)境、工程環(huán)境和

社會環(huán)境；

狹義環(huán)境：自然環(huán)境，

問題是怎樣產(chǎn)生的-

人口和技術能力的增長，造成自然生態(tài)系統(tǒng)的破壞在全世界范圍內(nèi)有增無減，尤其在經(jīng)濟發(fā)展中國家更為嚴重-

受威脅的自然生態(tài)系統(tǒng)包括熱帶雨林、薩王那群落、亞熱帶森林、溫帶森林、溫帶草原、水生生態(tài)系統(tǒng)、荒漠-

城市化、資源開發(fā)造成新的廢棄地如建筑廢地、農(nóng)田撂荒地、垃圾填埋場、礦山廢棄地等-列出世界范圍內(nèi)受威脅的生態(tài)系統(tǒng)清單、受害等級、分布面積，并在此基礎上開展這類生態(tài)系統(tǒng)的恢復與撫育工作為當前最為緊迫的任務

生態(tài)系統(tǒng)退化

北方退化山地

南方退化山地

刀耕火種上山坡

沙地草地的退化

水生生態(tài)系統(tǒng)的退化

前人致富,后人...

無奈的城市垃圾

恢復生態(tài)學理論

生態(tài)因子原理

[地球上的一切植物群落及其組成的植物種類的存在都時刻離不開它們所需要的外界生態(tài)因子，如日光、溫度、水分、礦物質(zhì)、氧氣和二氧化碳等]

最小因子定律[在構成對生物必要組成部分的眾多生態(tài)因子中,其中某一種的