生命科学与生物技术导论：10讲-环境与生态

1、1第第11讲讲 环境与生态环境与生态 第一节第一节 生物与环境生物与环境 第二节第二节 种群生态种群生态 第三节第三节 生物群落生物群落 第四节第四节 生境生境 第五节第五节 生态系统生态系统 第六节第六节 人类活动对环境和生态的影响人类活动对环境和生态的影响2一、生物与环境一、生物与环境 生态学是研究生态学是研究生物与环境之间相互作用生物与环境之间相互作用的的一门学科。一门学科。 包括：包括： 生物个体之间、群落之间、生物个体之间、群落之间、 生物生物和非生物之间的相互作用。和非生物之间的相互作用。生物生物环境环境温温光光气气土土水水3生生态态学学的的研研究究范范畴畴分子水平分子水平亚细胞水

2、平亚细胞水平细胞水平细胞水平个体水平个体水平种群水平种群水平群落水平群落水平生态系统生态系统生物圈生物圈4生态学是一门有数百年历史的生态学是一门有数百年历史的古老学科古老学科 1869年，德国动物学家年，德国动物学家Hackel提出提出ecologie 1893(美美)，一次生态学会议，把这个词简化，一次生态学会议，把这个词简化确定为确定为“ecology”。 20世纪世纪20-30年代：初具规模年代：初具规模 50年代：数学的引入，成为定量学科年代：数学的引入，成为定量学科 70年代以来：生态破坏所带来的环境问题日年代以来：生态破坏所带来的环境问题日益严重和明显，益严重和明显，生态学才引起全

3、社会的重视生态学才引起全社会的重视5生态学的分支学科生态学的分支学科 基础生态学基础生态学 按组织层次分：按组织层次分：个体生态学，个体生态学，种群生态学，群落生态学，种群生态学，群落生态学，生态系统生态学等生态系统生态学等 按生物类别分：按生物类别分：动物生态学，动物生态学，植物生态学，微生物生态学，植物生态学，微生物生态学，真菌生态学等真菌生态学等 按栖息环境分：按栖息环境分：陆地生态学，陆地生态学，海洋生态学，河口生态学，海洋生态学，河口生态学，淡水生态学等淡水生态学等 应用生态学应用生态学 污染生态学污染生态学 人类生态学人类生态学 城市生态学城市生态学 农业生态学农业生态学 资源生态

4、学资源生态学6生态因子生态因子 生态因子：生态因子：环境中对生物的生长、发育、环境中对生物的生长、发育、生殖、行为、分布有着直接或间接影响生殖、行为、分布有着直接或间接影响的环境要素。主要包括：的环境要素。主要包括： 生物因子：生物因子：生物种内和种间的相互关系。生物种内和种间的相互关系。 非生物因子：非生物因子：光、温度、湿度、降水、光、温度、湿度、降水、土壤、大气等。土壤、大气等。7生态因子的作用特点生态因子的作用特点 综和性综和性：每一个生态因子都是在与其他生态：每一个生态因子都是在与其他生态因子的相互影响、制约中起作用的。因子的相互影响、制约中起作用的。 非等价性非等价性：总有：总有1

5、-21-2种因子起主导作用。种因子起主导作用。 不可替代性和互补性不可替代性和互补性：每一种因子都是必不：每一种因子都是必不可少的，当其数量不足时可靠其他因子来补可少的，当其数量不足时可靠其他因子来补偿。偿。 限定性限定性：某一生态因子的有益作用只限于生：某一生态因子的有益作用只限于生物生长发育的某一特殊阶段。物生长发育的某一特殊阶段。8生物与环境关系的基本原理生物与环境关系的基本原理 生物势和环境阻力生物势和环境阻力 生物势生物势：生物在没有：生物在没有任何限制的环境中增任何限制的环境中增长的潜在速率长的潜在速率 环境阻力环境阻力：环境对生环境对生物增长速率的限制因物增长速率的限制因素素 谢

6、尔福特耐受定理谢尔福特耐受定理：生物对每种生态因子生物对每种生态因子都有耐受上限和下限都有耐受上限和下限9生物生物与非与非生物生物因子因子的关的关系系温温水水土土季节、纬度季节、纬度昼夜、海拔昼夜、海拔高沸点、高比热高沸点、高比热固态膨胀固态膨胀无机、有机、微生物无机、有机、微生物气气结构（结构（1000km)1000km)、成分（氮、成分（氮、氧、二氧化碳、水）作用（保氧、二氧化碳、水）作用（保护、保温、能源、材料）护、保温、能源、材料）光光光的强度（入射角、纬度、海拔）光的强度（入射角、纬度、海拔）光的性质（红外线、可见光、紫外线）光的性质（红外线、可见光、紫外线）光的作用（升温、能量、致

7、突变）光的作用（升温、能量、致突变）10生物与水的关系生物与水的关系水生植物水生植物水生动物水生动物陆生植物陆生植物陆生动物陆生动物11二、种群生态学二、种群生态学 什么是种群？什么是种群？居住在一定地区的同一种居住在一定地区的同一种类的相互作用的个体组成一个种群。类的相互作用的个体组成一个种群。 种群特征：种群特征：数量；年龄比；密度；性别数量；年龄比；密度；性别比；分布状况比；分布状况 关键特征是关键特征是“数量数量”：种群生态学研究种群生态学研究外界因子（生物的、物理的）对某一种外界因子（生物的、物理的）对某一种群在一定地区中群在一定地区中丰度和分布丰度和分布的影响。从的影响。从而构造合

8、理的种群变动模型，预测种群而构造合理的种群变动模型，预测种群变化。变化。12种群变种群变动动指数增指数增长模型长模型13种群变动种群变动逻辑斯蒂增长模型逻辑斯蒂增长模型加速加速阶段阶段减速减速阶段阶段平衡平衡阶段阶段14群聚分布群聚分布均匀分布均匀分布随机分布随机分布种群的空间结构种群的空间结构15种群统计学种群统计学种群存活曲线种群存活曲线16种群生态学中关于人口的研究种群生态学中关于人口的研究工业革命后人工业革命后人口剧烈增长口剧烈增长19991999年左右已年左右已经达到经达到6060亿亿171800-2000中中国人口国人口增长总增长总体上是体上是按指数按指数增长模增长模型进行型进行的

9、的18人口的年龄人口的年龄/性别结构与增长速率密性别结构与增长速率密切相关切相关191990年瑞典和墨西哥的人口年龄年瑞典和墨西哥的人口年龄/性别结构性别结构20三、群落生态学三、群落生态学 群落群落是指生活于某一特定地区的相互作用着的各是指生活于某一特定地区的相互作用着的各种生物的种生物的总和总和。方式方式种群种群1种群种群2竞争竞争有害有害有害有害捕食捕食/被捕食被捕食有益有益有害有害寄生寄生有益有益有害有害互利共生互利共生有益有益有益有益偏利共生偏利共生有益有益无益或有害无益或有害合作合作有益有益有益有益植化相克植化相克有益有益有害有害21竞竞 争争 竞争：竞争：各个种群生活在同一个各个

10、种群生活在同一个空间空间，分享，分享同样同样资源资源，在，在资源不足资源不足的情况下，表现出的情况下，表现出竞争关系。竞争关系。22避开竞争避开竞争北美莺北美莺五种五种北美莺北美莺同以同以云杉云杉为生，分处不同的位为生，分处不同的位置达到置达到避开竞争避开竞争的效的效果果23避开竞争避开竞争藤壶藤壶两种两种藤壶藤壶分分处海岸不同处海岸不同高度以避开高度以避开竞争竞争24捕食捕食/ / 被捕食被捕食加拿大一家出产皮毛公加拿大一家出产皮毛公司的销售记录反映了山司的销售记录反映了山猫和雪兔的数量消长猫和雪兔的数量消长25捕食者捕食者/ /被捕食关系使双方发展出被捕食关系使双方发展出多种适应性策略多种

11、适应性策略26共生共生 不同种群的个体之间，存在着长时间的紧不同种群的个体之间，存在着长时间的紧密的相互关系，称为密的相互关系，称为共生。共生又可按对共生。共生又可按对双方的利害区分为：双方的利害区分为： 寄生：寄生：一方的生长带来对另一方的损害。一方的生长带来对另一方的损害。 互利共生：互利共生：则是双方都从共同栖居中得益。则是双方都从共同栖居中得益。 合作：合作：亦是双方互利的，但是两种生物体亦是双方互利的，但是两种生物体居住关系上已疏远一点。居住关系上已疏远一点。27寄生寄生锥虫是一种原生动物，锥虫是一种原生动物，能引起睡眠病能引起睡眠病28寄生寄生感染感染旋毛虫病旋毛虫病，轻则恶，轻则

12、恶心、呕吐，重则致死心、呕吐，重则致死29寄主和寄生物寄主和寄生物动物动物植物植物病毒病毒病毒病毒细菌细菌细菌细菌原生动物原生动物扁虫、血吸虫扁虫、血吸虫线虫、槲寄生线虫、槲寄生线虫、螨、虱、蚤线虫、螨、虱、蚤菟丝子菟丝子30一只一只鸟里鸟里里外里外外寄外寄生物生物约约20多种多种31蚂蟥身上还有蚂蟥蚂蟥身上还有蚂蟥32互利共生互利共生蚂蚁和蚜虫蚂蚁和蚜虫33互利共生互利共生白蚁白蚁消化道中消化道中原生动原生动物物帮助白蚁消化木屑帮助白蚁消化木屑34合作：合作：牛尾鸟牛尾鸟帮助帮助犀犀牛牛清除清除寄生小寄生小虫虫35偏利共偏利共生：生：海海边一种边一种软虫软虫,打洞捕打洞捕获食物获食物引来各引

13、来各种分享种分享者者36植化相克植化相克一种一种鼠尾草鼠尾草分泌化分泌化学物质，使周围成为不毛之地学物质，使周围成为不毛之地37群落特征的描述是群落生态学的重群落特征的描述是群落生态学的重要内容要内容 外界因素外界因素也可能给群落面目带来巨大改变，如洪水、也可能给群落面目带来巨大改变，如洪水、大火、冰河期、火山爆发等，在一阵突变消除某一地大火、冰河期、火山爆发等，在一阵突变消除某一地区几乎所有生物种群之后，我们可以观察到群落组成区几乎所有生物种群之后，我们可以观察到群落组成的变化的变化群落演替群落演替。 群落特征的描述包括以下几个方面：群落特征的描述包括以下几个方面： 群落的组成：群落的组成：

14、有哪些种群？各种群的个体数量如何？有哪些种群？各种群的个体数量如何？ 群落中的优势种群：群落中的优势种群：往往是最显而易见的部分。往往是最显而易见的部分。 群落的稳定性：群落的稳定性：经受干扰的内在潜力。经受干扰的内在潜力。 群落的营养结构：群落的营养结构：着重表征群落内部各种群间关系。着重表征群落内部各种群间关系。38一一个个湖湖泊泊演演替替成成森森林林裸底阶段裸底阶段沉水植物阶段沉水植物阶段浮叶根生浮叶根生植物阶段植物阶段挺水植物和挺水植物和沼泽植物阶段沼泽植物阶段39四、生境四、生境 全球陆地，主要在全球陆地，主要在气候和水分气候和水分供应影响下，供应影响下，形成形成 715 种典型群落

15、特征，称之谓种典型群落特征，称之谓“生生境境”。 冻土带冻土带：即苔原，带状环北冰洋严寒区，：即苔原，带状环北冰洋严寒区，我国没有。我国没有。 针叶林带针叶林带：又称泰加林，冻土带以南，温：又称泰加林，冻土带以南，温带北缘以及高山。我国东北。带北缘以及高山。我国东北。 落叶阔叶林带落叶阔叶林带：温带多雨地区，我国东北：温带多雨地区，我国东北南部，西南，东南沿海。南部，西南，东南沿海。40冻土带的短暂夏天也有色彩冻土带的短暂夏天也有色彩41林海雪原中的针叶林林海雪原中的针叶林42四四季季分分明明的的落落叶叶阔阔叶叶林林43生境生境 草原草原：温带少雨地区。：温带少雨地区。 我国东北南部，我国东北

16、南部，西南，东南沿海。西南，东南沿海。 稀树草原稀树草原：又称沙瓦纳，高原少雨地区。：又称沙瓦纳，高原少雨地区。我国未定。我国未定。 沙漠沙漠：又称荒漠，温带、热带干旱地区。：又称荒漠，温带、热带干旱地区。我国西北。我国西北。 热带雨林热带雨林：热带，少数温带，沿海或多：热带，少数温带，沿海或多雨潮湿区。我国海南、台湾、西双版纳。雨潮湿区。我国海南、台湾、西双版纳。44肥美的澳州大草原肥美的澳州大草原45非洲稀树草原非洲稀树草原46仙人掌是沙漠的特征仙人掌是沙漠的特征47热带雨林是地球的宝贵资源热带雨林是地球的宝贵资源48五、生态系统五、生态系统 一定地区内的所有生物和环境物理因素一定地区内的

17、所有生物和环境物理因素的总和称的总和称生态系统生态系统。研究生态系统着重。研究生态系统着重于宏观方面，如于宏观方面，如能流能流、物质循环物质循环、生态生态系统的稳定性系统的稳定性等。等。 生态系统的基本组分：生态系统的基本组分： 非生物成分：非生物成分：太阳辐射能，无机物质太阳辐射能，无机物质( (大大气、水气、水) )，有机物质，有机物质 生物成分：生物成分：生产者，消费者，还原者生产者，消费者，还原者49生生态态系系统统的的基基本本组组分分50北北极极地地区区食食物物网网51生态系统的基本特征生态系统的基本特征 核心是生物群落核心是生物群落 地区特点和空间结构地区特点和空间结构 时间特征时

18、间特征 三大功能类群参与代谢活动三大功能类群参与代谢活动 动态平衡特征动态平衡特征 开放性开放性52生态生态系统系统的初的初级生级生产力产力是有是有限的限的53生态系生态系统中的统中的能量传能量传递递效率效率低和单低和单向逐级向逐级递减递减54生态系统中生态系统中能量传递的效率能量传递的效率大约大约为为10%55素食者比肉食者节约能源素食者比肉食者节约能源56海洋生态系统生产力海洋生态系统生产力 生产者生产者42042010108 8 吨年吨年食草动物食草动物646410108 8 吨年吨年第第1 1级食肉动物级食肉动物101010108 8 吨年吨年第第2 2级食肉动物级食肉动物1.51.5

19、10108 8 吨年吨年 第第3 3级食肉动物级食肉动物0.220.2210108 8 吨年吨年57物质循环物质循环水循环水循环地球表面地球表面海洋面积占海洋面积占7070，但但淡水面积仅淡水面积仅占占3 34 4，人类正面人类正面临临淡水缺乏淡水缺乏的威胁的威胁58物质循环物质循环碳循环碳循环59物质循环物质循环氮循环氮循环60物质循环物质循环磷循环磷循环61生态系统的信息传递生态系统的信息传递 种类种类 物理信息物理信息 化学信息化学信息 营养信息营养信息 行为信息行为信息 动物间的信息传递动物间的信息传递 捕食捕食 居住居住 防卫防卫 性行为性行为 群集群集62防卫防卫甲壳虫喷出毒液甲壳

20、虫喷出毒液63防卫防卫蝴蝶用鲜艳的蝴蝶用鲜艳的“眼睛眼睛”吓吓走敌人走敌人64生态平衡及调控生态平衡及调控 生态平衡生态平衡：一个生态系统在特定时间内的一个生态系统在特定时间内的动态平衡状态动态平衡状态 特征：特征：动态平衡动态平衡整体性整体性 生态平衡的失调和破坏生态平衡的失调和破坏生物种类成分的改变生物种类成分的改变生态系统结构的破坏生态系统结构的破坏65生态系统的破坏生态系统的破坏过度捕杀过度捕杀66生态系统的破坏生态系统的破坏滥砍滥伐滥砍滥伐67如何解决生态平衡失调？如何解决生态平衡失调？ 正确处理保持生态平衡与开发资源的正确处理保持生态平衡与开发资源的关系关系 正确安排环境供需相对平

21、衡正确安排环境供需相对平衡 维持生物间的制约关系维持生物间的制约关系 妥善处理部分与全局的关系，使生态妥善处理部分与全局的关系，使生态系统处于优化状态系统处于优化状态68六、六、人类活动对环境和生态的影响人类活动对环境和生态的影响生态生态环境环境人类活动人类活动人类活动造人类活动造成成环境恶化环境恶化人类活动造人类活动造成成生态破坏生态破坏环境恶化与生态环境恶化与生态破坏破坏互相加剧互相加剧环境恶化与生态破环境恶化与生态破坏坏威胁人类生存威胁人类生存69酸雨酸雨造成死亡之湖（纽约州）造成死亡之湖（纽约州）70酸雨酸雨毁坏德国森林的毁坏德国森林的5071酸雨带来一片凄凉景象酸雨带来一片凄凉景象7

22、2北北美美酸酸雨雨地地区区分分布布73臭氧层臭氧层吸收太阳光中吸收太阳光中9999的的紫外线紫外线中层中层平流层平流层臭氧层臭氧层对流层对流层74氟利氟利昂昂极极快地快地破坏破坏臭氧臭氧层层75南极上空臭氧洞的变化南极上空臭氧洞的变化 1985年，英国年，英国Jonathan Shanklin小组发现小组发现 1987年，签署年，签署蒙特利尔协议蒙特利尔协议，签字国承，签字国承诺逐年减少氟氯化碳的产量，直至完全停产。诺逐年减少氟氯化碳的产量，直至完全停产。 1990 年南极上空平流层年南极上空平流层臭氧洞臭氧洞面积达面积达 9106 平方英里，平方英里，大约是美国国土面积三倍。大约是美国国土面

23、积三倍。 1993 年又扩大年又扩大 25。 1995年，年，诺贝尔奖诺贝尔奖。 2009年，联合国全部会员国签署年，联合国全部会员国签署蒙特利尔蒙特利尔协议协议 。遭到破坏的臭氧层正逐渐恢复。遭到破坏的臭氧层正逐渐恢复。北极上空也出现了臭氧洞北极上空也出现了臭氧洞 2012年年10月月自然自然杂志网站报道。杂志网站报道。7677人类的文明是建立在能源和其它人类的文明是建立在能源和其它资源的大量消耗上的资源的大量消耗上的时期时期能量消耗（能量消耗（kcal/人人.天）天）原始人原始人2000狩猎时期狩猎时期5000农业社会早期农业社会早期12000农业社会晚期农业社会晚期20000工业化早期工

24、业化早期60000其他发达国家（现代）其他发达国家（现代）125000美国（现代）美国（现代）25000078化石能源的消耗造成了温室效应化石能源的消耗造成了温室效应79垃垃圾圾处处理理厂厂80环境污染事故环境污染事故寂静的春天寂静的春天1939年，发明年，发明 DDT1943年，年，DDT 跳蚤斑疹伤寒跳蚤斑疹伤寒1957年，二战后大面积灭蚊年，二战后大面积灭蚊1961年，年，“Silent Spring”-Rachel Carson，唤起了唤起了人类对环境污染人类对环境污染的警觉。的警觉。1970年，美国成立环保局年，美国成立环保局1972年，颁令禁用年，颁令禁用 DDT81飞机喷洒飞机喷

25、洒 DDT 杀蚊杀蚊82DDT随食随食物链物链传播传播水中水中DDTDDT浓浓度度3 31010-6 -6 ppmppm鹰体内鹰体内DDTDDT浓度浓度25ppm25ppm切尔诺贝利核事故切尔诺贝利核事故 1986年年4月月26日凌晨日凌晨1时时23分，切尔诺贝利核电分，切尔诺贝利核电站站4号反应堆发生爆炸。号反应堆发生爆炸。8吨多强辐射物质混合吨多强辐射物质混合着炙热的石墨残片和核着炙热的石墨残片和核燃料碎片喷涌而出。据燃料碎片喷涌而出。据估算，核泄漏事故后产估算，核泄漏事故后产生的放射污染相当于日生的放射污染相当于日本广岛原子弹爆炸产生本广岛原子弹爆炸产生的放射污染的的放射污染的100倍。

26、倍。83黑色创伤：死亡人数黑色创伤：死亡人数9万余人万余人 核泄漏过程持续了核泄漏过程持续了10天，放射性物质散到乌克天，放射性物质散到乌克兰、白俄罗斯、俄罗斯以及其他欧洲国家。兰、白俄罗斯、俄罗斯以及其他欧洲国家。 全球共有全球共有20亿人口受切尔诺贝利事故影响，亿人口受切尔诺贝利事故影响，27万人因此患上癌症，其中致死万人因此患上癌症，其中致死9.3万人万人8485保护生态环境保护生态环境一场斗争一场斗争坦桑尼亚野生动坦桑尼亚野生动物保护官员和没物保护官员和没收的象牙收的象牙86保护生态保护生态环境环境需要科技需要科技支持支持阿尔及利亚撒哈拉沙阿尔及利亚撒哈拉沙漠中的灌溉农业漠中的灌溉农业

27、2008中国的环境污染问题频发中国的环境污染问题频发 8月，陕西省凤翔县，月，陕西省凤翔县，174名儿童铅中毒，名儿童铅中毒，1016名受名受检儿童中检儿童中851血铅超标。年产铅锌血铅超标。年产铅锌20万吨的东岭集万吨的东岭集团陕西东岭冶炼有限公司，被疑与此有关。团陕西东岭冶炼有限公司，被疑与此有关。 8月，湖南省浏阳市，月，湖南省浏阳市，2888人的有效检测结果中，人的有效检测结果中，尿镉超标尿镉超标509人。经专家确认湘和化工厂是造成镉人。经专家确认湘和化工厂是造成镉污染的直接来源。污染的直接来源。 9月，云南月，云南“九大高原湖泊九大高原湖泊”之一之一阳宗海，出阳宗海，出现砷含量超标，水体严重污染已经降为劣五类水质现砷含量超标，水体严重污染已经降为劣五类水质。 经初步确定，阳宗海水体砷污染主要来源是云经初步确定，阳宗海水体砷污染主要来源是云南澄江锦业工贸有限公司。南澄江锦业工贸有限公司。872010年年3月全球浮尘分布图月全球浮尘分布图88地球生态系统正在逼近地球生态系统正在逼近9大极限大极限 海洋酸化：全球文石饱和度比率海洋酸化：全球文石饱和度比率2.9 1（2.75 1） 臭氧浓度：平流层，臭氧浓度：平流层，283个多布森单位（个多布森单位（276） 淡水消耗量：淡水消耗