第三章-生態(tài)學(xué)基礎(chǔ)

1、一、生態(tài)學(xué)的含義及其發(fā)展 生態(tài)學(xué)（Ecology）一詞最早是由德國生物學(xué)家黑 格爾（Ernst Haeckl 1869）提出的。 生態(tài)學(xué)原是一門研究生物及其生活環(huán)境相互關(guān)系 的科學(xué)。 最近，由于人類環(huán)境問題和環(huán)境科學(xué)的發(fā)展，生態(tài) 學(xué)更擴展到人類生活和社會形態(tài)等方面，把人類這一個 生物種也列入生態(tài)系統(tǒng)中，來研究并闡明整個生物圈內(nèi) 生態(tài)系統(tǒng)的相互關(guān)系問題。,第三章 生態(tài)學(xué)基礎(chǔ),DEFINING ECOLOGY,OIKOS - Greek word “HOME” Ernst Haeckel (1869) defined ecology as the total relations of the an

2、imal to both its organic and its inorganic environment Charles Elton (1927) in his pioneering book Animal Ecology defined ecology as scientific natural history.,Eugene Odum (1963) defined ecology as the study of the structure and function of nature. Andrewartha (1961) defined ecology as the scientif

3、ic study of the distribution and abundance(數(shù)量) of organisms.,Ecology is the scientific study of the interactions that determine the distribution and abundance of organisms (Krebs 1994),COURSE OBJECTIVES,1. To introduce the fundamental principles of how ecological systems are structured and how they

4、function, at the level of individuals(個體), populations(種群) and communities(群落). 2. To develop a capacity to(有能力) understand quantitative data and information. 3. To encourage a high level of ecological literacy (生態(tài)文化水平)relevant to emerging(顯現(xiàn)) local and global issues in the 21st century.,ECOLOGY,SPE

5、CIALIZATION WITHIN ECOLOGY,Physiological Ecology Behavioural Ecology Population Ecology Community Ecology Conservation Ecology Restoration Ecology Applied Ecology Wildlife Ecology,SPECIALIZATION WITHIN ECOLOGY,Theoretical Ecology Animal, Plant, Microbial, etc, Ecology Desert, Forest, Alpine(高山), Mar

6、ine(海洋), etc, Ecology Human Ecology Paleo(原始)-Ecology Biogeography(生物地理學(xué)),生物學(xué) 系統(tǒng) 特性,結(jié)構(gòu),功能,形態(tài) 生理 生態(tài) 遺傳 細胞,系統(tǒng)工程學(xué) 經(jīng)濟學(xué) 工藝學(xué) 化學(xué) 物理學(xué) 數(shù)學(xué),生態(tài)學(xué)的多學(xué)科性及其相互關(guān)系,現(xiàn)代生態(tài)學(xué),應(yīng)該是一門多學(xué)科的自然科學(xué)，它研究生命系統(tǒng)與環(huán)境系統(tǒng)之間相互作用規(guī)律及機理。 生命系統(tǒng)：自然界具有一定結(jié)構(gòu)和調(diào)節(jié)功能的生命單元，如動物、植物、微生物。 環(huán)境系統(tǒng)：自然界的光、熱、空氣、水分以及各種有機物和無機元素相互作用所共同構(gòu)成的空間。,生態(tài)學(xué)發(fā)展進程中的三個特點：,從定性探索生物與環(huán)境的相互作用

7、到定量研究 從個體生態(tài)系統(tǒng)到復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)，由單一到綜合，由靜態(tài)到動態(tài)地認識自然界的物質(zhì)循環(huán)與能量轉(zhuǎn)化規(guī)律。 與基礎(chǔ)科學(xué)和應(yīng)用科學(xué)相結(jié)合，發(fā)展了生態(tài)學(xué)，擴大了生態(tài)學(xué)的領(lǐng)域。,生態(tài)學(xué)與環(huán)境學(xué)的關(guān)系與區(qū)別,它們所研究的問題基本上是相近的。 生態(tài)學(xué)是以一般生物為對象的。著重于研究自然環(huán)境因素與生物的關(guān)系，單純屬于自然科學(xué)的范疇。 環(huán)境科學(xué)則以人類為主要對象，把環(huán)境與人類生活的相互影響作為一個整體來研究，從而和社會科學(xué)有十分密切的關(guān)系。 生態(tài)學(xué)的許多基本原理同樣也可以應(yīng)用于環(huán)境科學(xué)中，作為基礎(chǔ)理論而聯(lián)系到人類獨特的主觀能動性和復(fù)雜的社會關(guān)系，來研究和解決人類生活與環(huán)境問題。,二、 生態(tài)系統(tǒng)的概念和功能,

8、1、生態(tài)系統(tǒng) 一個生物物種在一定范圍內(nèi)所有個體(individual)的總和在生態(tài)學(xué)中稱為種群（Population）； 在一定的自然區(qū)域中許多不同種的生物的總和則 稱為群落（Community）； 任何一個生物群落與周圍非生物環(huán)境的綜合體就是 生態(tài)系統(tǒng)（Ecosystem）。,生態(tài)系統(tǒng)的組成如圖，包括必要的非必要的兩部分。,根據(jù)生態(tài)系統(tǒng)的環(huán)境性質(zhì)和形態(tài)特征，可分以下三類型, 陸地生態(tài)系統(tǒng)：又可分 自然生態(tài)系統(tǒng): 森林、草原、荒漠生態(tài)系統(tǒng) 人工生態(tài)系統(tǒng)：農(nóng)田、城市、工礦區(qū) 淡水生態(tài)系統(tǒng)：湖泊、河流、水庫 海洋生態(tài)系統(tǒng)：海岸、河口、大洋、海底等,Food chain and Food web,生

9、物圈中的各種生物基于生產(chǎn)者和各級消費者間的營養(yǎng)關(guān)系，構(gòu)成了生態(tài)系統(tǒng)中的食物鏈(Food Chain)。(就是一種生物以另一種生物為食，彼此形成一個以食物聯(lián)接起來的鏈鎖關(guān)系。 在一個生態(tài)系統(tǒng)中，食物關(guān)系往往是很復(fù)雜的，各種食物鏈互相交錯，形成食物網(wǎng)(Food Web)。能量的流動、物質(zhì)的遷移和轉(zhuǎn)化，就是通過食物鏈和食物網(wǎng)進行的。,Precipitation:降水,Predator:食肉動物 Omnivore:雜食動物 herbivore:草食動物 Algae:藻類,2 、 生態(tài)系統(tǒng)中的能量流動,Autotroph:自養(yǎng)生物 phytoplankton:浮游生物, 生態(tài)系統(tǒng)中的能量流動 主要通過兩

10、個途徑： 光合作用和有機成分的輸入 呼吸的熱消耗和有機物的輸入,Assimilatory:同化作用 Dissimilatory：異化的 Respiration:呼吸作用,Gross production（總產(chǎn)量）：食物鏈中各營養(yǎng)層次 在單位時間內(nèi)所合成的有機物質(zhì)的量。一般用能量 的焦耳數(shù)表示。,Net production（凈產(chǎn)量）：在總產(chǎn)量中，生物需耗一部分能量進行呼吸，剩下的部分。,生態(tài)系統(tǒng)熱力學(xué)公式： Pg = Pn + R Pg-Gross production Pn-Net production,Autotroph:自養(yǎng)生物,可以看出，生態(tài)系統(tǒng)的能量流動，具有以下5個特點： 生產(chǎn)者即

11、綠色植物對太陽能的利用率很低，僅1.2% 能量只朝單一方向流動 流動中能量逐漸減少,每經(jīng)過一個營養(yǎng)等級都有能量 以熱的形式散失掉.各級產(chǎn)量只占總產(chǎn)量的16%44% 各級消費者之間能量的利用率也不高,在4.5% 17%之間,平均約10%(Ecological efficiency) Energy pyramid(能塔圖）見下頁 只有當(dāng)生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)的能量和消耗的能量相平衡時， 生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能，才能保持動態(tài)平衡。,3、生態(tài)系統(tǒng)中的物質(zhì)循環(huán) 水循環(huán),Rhizobium:根瘤菌 nitrosomonas:亞硝化菌nitrobacter:硝化菌 denitrification: 反硝化 Pseudo

12、monas:假單胞菌屬,極毛桿菌屬,Anthropogenic:人類起源的 sediments:沉積物,Volcanic:火山uplift:上升,Phosphorus Cycle(磷循環(huán)）,No significant gaseous component Major terrestrial source is weathering of Ca-phosphate minerals (apatite) but these are not very soluble Well-developed intrasystem cycle with a turnover time that can be 1

13、 minute Large anthropogenic effects,Phosphorus Cycle,Biota: 生物區(qū),Intrasystem（系統(tǒng)內(nèi)的） P Cycle,Leaching:瀝濾,淋洗,浸出,生態(tài)系統(tǒng)的基本概念、結(jié)構(gòu)和功能的概括：,生態(tài)系統(tǒng)是一個主要的生態(tài)學(xué)單位，它包括生物和非生物成分；并且在土壤、水、營養(yǎng)物質(zhì)、生產(chǎn)者、消費者和還原者之間具有某種結(jié)構(gòu)上的相互關(guān)系，以適應(yīng)能量和營養(yǎng)物質(zhì)在生物和非生物成分之間進行物質(zhì)循環(huán)和能量流動。 生態(tài)系統(tǒng)的功能與通過生態(tài)系統(tǒng)各結(jié)構(gòu)成分的物質(zhì)循環(huán)和能量流動有關(guān)。這種功能的單位是種群。 流經(jīng)一個自然生態(tài)系統(tǒng)的總能量，取決于植物或生產(chǎn)者所固定

14、的能量。當(dāng)能量在營養(yǎng)級間逐一傳遞時，有相當(dāng)大的一部分作為呼吸熱而損失掉。這種情況限制了每一營養(yǎng)級所能維持的機體的數(shù)量和能量,生態(tài)系統(tǒng)的基本概念、結(jié)構(gòu)和功能的概括,生態(tài)系統(tǒng)有趨于成熟的傾向，在這過程中，生態(tài)系統(tǒng)由簡單的狀態(tài)變?yōu)檩^復(fù)雜的狀態(tài)，這種定向性的變化稱為演替。演替時期的特點是，具有過剩的潛能，并且每單位生物量有相當(dāng)高的能量流動；在成熟的生態(tài)系統(tǒng)中，因為能量流經(jīng)多種通道而沒有浪費，但也無積累。 在任何一個生態(tài)系統(tǒng)中，環(huán)境和能量都是有限的，當(dāng)一個種群達到生態(tài)系統(tǒng)所給于的限制時，種群數(shù)量趨于穩(wěn)定；或由于疾病、競爭、饑餓、低繁殖率等原因，引起種群數(shù)量下降。,生態(tài)系統(tǒng)的基本概念、結(jié)構(gòu)和功能的概括,環(huán)

15、境的改變和波動（如環(huán)境的開發(fā)和種間競爭），表現(xiàn)為對種群的選擇壓力，有機體必須調(diào)整以適應(yīng)這種選擇壓力，不能適應(yīng)的有機體便會消失，這可能在一定時間內(nèi)降低生態(tài)系統(tǒng)的成熟性。 生態(tài)系統(tǒng)有其歷史的狀況，現(xiàn)在和過去有關(guān)，而未來與現(xiàn)在也有關(guān)。,由喬木或灌木樹種為主體組成的綠色植物 群體，就是森林。森林與森林中的動物、微生物等生物因子和它所處空間的土壤、水分、大氣、日光、溫度等非生物因子相互聯(lián)系、相互依存、相互作用構(gòu)成森林生態(tài)系統(tǒng)。,三、森林生態(tài)系統(tǒng),森林生態(tài)系統(tǒng)的特點：,占有巨大的生態(tài)空間，為生物提供了廣闊的生長、棲息環(huán)境，能充分利用氣候和土壤的條件，生產(chǎn)巨大的生物量 生態(tài)結(jié)構(gòu)或營養(yǎng)結(jié)構(gòu)方面都十分復(fù)雜，具有

16、明顯的分層結(jié)構(gòu) 森林生態(tài)系統(tǒng)演替到成熟階段，即到了頂極生態(tài)系統(tǒng)時，系統(tǒng)中的生產(chǎn)者、消費者和分解者的營養(yǎng)層次最多，組成和結(jié)構(gòu)也最為復(fù)雜，物質(zhì)循環(huán)和能量流動則形成動態(tài)平衡。,森林生態(tài)系統(tǒng)的分類,因所在地域的不同，可分為 北凍土帶針葉林 溫帶和亞熱帶闊葉林 熱帶雨林,熱帶雨林是成熟的頂級生態(tài)系統(tǒng) 熱帶雨林中物種繁多，約占地球物種的40%，是最大的物種基因庫。如西雙版納雨林，僅高等植物就有5000多種；而且雨林中層次分明，最多達8層。 是森林生態(tài)系統(tǒng)中太陽能利用率最高，即生物生產(chǎn)力最高的生態(tài)系統(tǒng)。 熱帶雨林的水分蒸發(fā)量也極大，對調(diào)節(jié)氣候起著極重要的作用。 由此可見，保護熱帶雨林就是保護物種基因庫和保護

17、人類食物的來源，并有利于維持地球氣候的正常變化。,不同森林生態(tài)系統(tǒng)的生物量, 森林是地球之肺 森林是造氧能力最強的綠地。全球的森林 每年大約使550億噸二氧化碳轉(zhuǎn)變成為木材，同時放出 400多 億噸氧氣。 森林是物種基因庫（珍稀的動、植物，活的“化石”，維持生態(tài)平衡，對于了解生物的進化和生態(tài)系統(tǒng)的演替，都具有極大的價值） 森林是自然界物質(zhì)和能量交換的重要樞紐 （水，二氧化碳，氮，光合作用） 森林是人類食物和木材來源的重要基地 食用植物、藥用植物，野生動物的棲息地，為人類提供相當(dāng)數(shù)量的食肉和毛皮，是人類生產(chǎn)和生活的基地。,2、森林生態(tài)系統(tǒng)在生物圈中的作用, 森林在環(huán)境保護中的作用 由于生態(tài)系統(tǒng)所

18、占的生態(tài)空間最大，結(jié)構(gòu)最復(fù)雜，內(nèi)在 調(diào)節(jié)機制最完整有效（即穩(wěn)定性最大），它對環(huán)境的保 護作用最顯著，主要有以下幾方面： 1、 涵養(yǎng)水源和保持水土。,2、防風(fēng)固沙 3、美化環(huán)境和保護野生動物 4、吸收有毒氣體 5、阻滯粉塵飛楊 6、驅(qū)菌殺菌 7、凈化空氣和水源 8、減弱噪聲 9、保護工業(yè)發(fā)達和人口集中的城市環(huán)境,森林在環(huán)境保護中的作用,1、生態(tài)平衡的含義 任何一個正常的生態(tài)系統(tǒng)中，能量流動和物質(zhì)循環(huán)總是不斷地進行著，但在一定時期內(nèi)，生產(chǎn)者、消費者和還原者之間都保持著一種動態(tài)的平衡，這種平衡狀態(tài)就叫生態(tài)平衡。 生態(tài)平衡表現(xiàn)： 在自然系統(tǒng)中表現(xiàn)為生物種類和數(shù)量的相對穩(wěn)定。,四、生態(tài)平衡,Reason

19、 : 其內(nèi)部具有自動調(diào)節(jié)的能力 生態(tài)系統(tǒng)的組成成分越多樣，能量流動和物質(zhì)循環(huán)的途徑越復(fù)雜，其調(diào)節(jié)能力也越強。相反，成分越單純，結(jié)構(gòu)越簡單，其調(diào)節(jié)能力也越小。 但是調(diào)節(jié)能力也有一定的限度，超出了這個限度，調(diào)節(jié)就不再起作用，生態(tài)平衡就會遭到破壞。如果現(xiàn)代人類的活動使自然環(huán)境劇烈變化，或進入自然生態(tài)系統(tǒng)中的有毒物質(zhì)數(shù)量過大，超過自然系統(tǒng)的調(diào)節(jié)功能或生物與人類可以忍受的程度，那就會破壞生態(tài)平衡，使人類和生物受到損害。,為什么生態(tài)系統(tǒng)能保持動態(tài)平衡呢？,2、破壞生態(tài)平衡的因素 生態(tài)平衡的破壞有自然的原因，也有人為的因素。 自然原因主要是指自然界發(fā)生的異常變化或自然界本來就存在的對人類和生物的有害因素。例

20、如，秘魯海面每隔67年發(fā)生的海洋變異現(xiàn)象P45 人為因素主要指人類對自然資源的不合理利用、工農(nóng)業(yè)發(fā)展帶來的環(huán)境污染等問題。,1、物種改變引起平衡的破壞（人類有意或無意在使生態(tài)系統(tǒng)中某一種生物消失或往其中引進某一種生物，都可能對整個生態(tài)系統(tǒng)造成影響） 2、環(huán)境因素改變，引起平衡破壞 （工農(nóng)業(yè)的迅速發(fā)展，有意或無意地使大量污染物質(zhì)進入環(huán)境，從而改變生態(tài)系統(tǒng)的環(huán)境因素，影響整個生態(tài)系統(tǒng)，甚至破壞生態(tài)平衡） 3、信息系統(tǒng)的破壞。 主要是人們排放到環(huán)境中的某些污染物質(zhì)與某一雌性個體排放的性信息激素作用，使其喪失引誘雄性個體時，就破壞這種動物的繁殖，改變生物種群的 組成結(jié)構(gòu)，使生態(tài)平衡受到影響。,人為因素

21、引起的生態(tài)平衡的破壞,五、生態(tài)學(xué)的一般規(guī)律 在介紹了有關(guān)生態(tài)學(xué)、生態(tài)系統(tǒng)和生態(tài)平衡方面的基本知識后，本節(jié)著重對生態(tài)學(xué)的一般規(guī)律加以簡要的概括。,1、相互依存與相互制約規(guī)律,普遍的依存制約，亦稱“物物相關(guān)”規(guī)律 有相同生理、生態(tài)特性的生物，占據(jù)與之相適宜的小生境，構(gòu)成生物群落或生態(tài)系統(tǒng)。系統(tǒng)中不僅同種生物相互依存、相互制約，異種生物（系統(tǒng)內(nèi)各部分）間也存在相互依存與制約的關(guān)系；不同群落或系統(tǒng)之間，也同樣存在依存與制約關(guān)系，亦可以說彼此影響。這種影響有些是直接的，有些是間接的，有些是立即表現(xiàn)出來的，有些需滯后一段時間才顯現(xiàn)出來。一言以蔽之，生物間的相互依存與制約關(guān)系，無論在動物、植物和微生物中，或

22、在它們之間，都是普遍存在的。因此，在生產(chǎn)建設(shè)中，特別是在需要排放廢棄物、施用農(nóng)藥化肥、采伐森林、開墾荒地、獵捕動物、修建大型水利工程及其他重要建設(shè)項目時，務(wù)必注意調(diào)查研究，即查清自然界諸事物之間的相互關(guān)系，統(tǒng)籌兼顧，即要對與某事物有關(guān)的其他事物加以認真的、通盤的考慮，包括考慮此種生產(chǎn)活動可能會產(chǎn)生的影響（短期的和長期的、明顯的和潛在的），從而作出全面安排。,通過“食物”而相互聯(lián)系與制約的協(xié)調(diào)關(guān)系，亦 稱“相生相克”規(guī)律,具體形式就是食物鏈與食物網(wǎng)。即每一種生物在食物鏈或食物網(wǎng)中，都占據(jù)一定的位置，并具有特定的作用。各生物種之間相互依賴、彼此制約、協(xié)同進化。被食者為捕食者提供生存條件，同時又為捕

23、食者控制；反過來，捕食者又受制于被食者，彼此相生相克，使整個體系（或群落）成為協(xié)調(diào)的整體?；蛘哒f，體系中各種生物個體都建立在一定數(shù)量的基礎(chǔ)上，即它們的大小和數(shù)量都存在一定的比例關(guān)系。生物體間的這種相生相克作用，使生物保持數(shù)量上的相對穩(wěn)定，這是生態(tài)平衡的一個重要方面。當(dāng)向一個生物群落（或生態(tài)系統(tǒng)）引進其他群落的生物種時，往往會由于該群落缺乏能控制它的物種（天敵）存在，使該物種種群暴發(fā)起來，從而造成災(zāi)害,2、物質(zhì)循環(huán)與再生規(guī)律,生態(tài)系統(tǒng)中，植物、動物、微生物和非生物成分，借助能量的不停流動，一方面不斷地從自然界攝取物質(zhì)并合成新的物質(zhì)，另一方面又隨時分解為原來的簡單物質(zhì)，即所謂“再生”，重新被植物所

24、吸收，進行著不停頓的物質(zhì)循環(huán)。因此要嚴格防止有毒物質(zhì)進入生態(tài)系統(tǒng)；以免有毒物質(zhì)經(jīng)過多次循環(huán)后富集到危及人類的程度。至于流經(jīng)自然生態(tài)系統(tǒng)中的能量通常只能通過系統(tǒng)一次，它沿食物鏈轉(zhuǎn)移時，每經(jīng)過一個營養(yǎng)級就有大部分能量轉(zhuǎn)化為熱散失掉，無法加以回收利用，因此，為了充分利用能量，必須設(shè)計出能量利用率高的系統(tǒng)。如在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，應(yīng)防止食物鏈過早截斷，過早轉(zhuǎn)入細菌分解；不讓農(nóng)業(yè)廢棄物直接作為肥料，被細菌分解，使能量以熱的形式散失掉；而是經(jīng)過適當(dāng)處理，例如先作為飼料，便能更有效地利用能量。,3、物質(zhì)輸入輸出的動態(tài)平衡規(guī)律,這里所指的物質(zhì)輸入輸出的平衡規(guī)律又稱協(xié)調(diào)穩(wěn)定規(guī)律，它涉及生物、環(huán)境和生態(tài)系統(tǒng)三個方面。當(dāng)一

25、個自然生態(tài)系統(tǒng)不受人類活動干擾時，生物與環(huán)境之間的輸入與輸出，是相互對立的關(guān)系，生物體進行輸入時，環(huán)境必然進行輸出，反之亦然。生物體一方面從周圍環(huán)境攝取物質(zhì)；另一方面又向環(huán)境排放物質(zhì)，以補償環(huán)境的損失（這里的物質(zhì)輸入與輸出，包含著量和質(zhì)兩個指標）。也就是說，對于一個穩(wěn)定的生態(tài)系統(tǒng)，無論對生物、對環(huán)境，還是對整個生態(tài)系統(tǒng)，物質(zhì)的輸入與輸出總是相平衡的。,當(dāng)生物體的輸入不足時，例如農(nóng)田肥料不足，或雖然肥料（營養(yǎng)分）足夠，但未能分解 而不可利用，或施肥的時間不當(dāng)而不能很好的利用，結(jié)果作物必然生長不好，產(chǎn)量下降。 同樣，在質(zhì)的方面，也存在輸入大于輸出的情況、例如人工合成的難降解的農(nóng)藥和塑料或重金屬元素，生物體吸收的量雖然很少，也會產(chǎn)生中毒的現(xiàn)象。即使數(shù)量極微，暫時看不出影響，但它也會積累并逐漸造成危害。 另外，對環(huán)境系統(tǒng)而言，如果營養(yǎng)物質(zhì)輸入過多