生命科学导论——生物与环境

1、1 1一、引言一、引言二、生态学基本概念二、生态学基本概念三、生态系统及其稳定性三、生态系统及其稳定性2 2一、引言一、引言3 3“3P3P”危机危机人口危机人口危机 Population粮食危机粮食危机 能源危机能源危机 Poverty资源危机资源危机环境危机环境危机 Pollution4 45 51 1、人口激增、人口激增6 62 2、粮食短缺、粮食短缺7 73 3、能能源源短短缺缺8 84 4、资源破坏、资源破坏9 9101011111212（3 3）水资源）水资源1313141415155 5、环境问题、环境问题16161717人类文明的发展通常带来两个后果：人类文明的发展通常带来两个

2、后果：u 能源和其他资源消耗的增加能源和其他资源消耗的增加u 各种污染物增加各种污染物增加18181919二、生态学基本概念二、生态学基本概念2020（一）生态学的定义（一）生态学的定义2121生态学生态学生物和环境的关系：生物和环境的关系：22222323（二）生态学的研究内容与尺度（二）生态学的研究内容与尺度24242525p种群种群：一定时间内占有一定地区的一群同种个：一定时间内占有一定地区的一群同种个体组成的复合体。体组成的复合体。p群落群落：一定时间内居住于一定环境中的各种群：一定时间内居住于一定环境中的各种群组成的复合体。组成的复合体。p生态系统生态系统：指在一定的空间内，生物成分

3、和非：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互相作用、生物成分通过物质循环和能量流动互相作用、互相依存而构成的一个生态学功能单位。互相依存而构成的一个生态学功能单位。p景观景观p全球全球2626基础生态学基础生态学l个体：生理、行为个体：生理、行为l种群：数量、动态种群：数量、动态l群落：结构、种间关系、演替群落：结构、种间关系、演替l生态系统：结构、过程、稳定性生态系统：结构、过程、稳定性应用生态学应用生态学l生态系统：生物多样性、服务功能、生态系统生态系统：生物多样性、服务功能、生态系统管理管理l生物圈：全球变化、可持续发展生物圈：全球变化、可持续发展2727u 环境

4、因子与生态因子构成环境的各要素称为构成环境的各要素称为环境因子环境因子环境因子中对生物生长、发育、生殖、环境因子中对生物生长、发育、生殖、行为和分布有直接或间接影响的因子称行为和分布有直接或间接影响的因子称为为生态因子生态因子，如温度、光照、水分和其，如温度、光照、水分和其它生物等。它生物等。个体生态个体生态282829291913年，美国生态学家年，美国生态学家 V.E.Shelford 提出了耐受性法提出了耐受性法则，或称则，或称Shelford （谢尔福德）耐受性定律（谢尔福德）耐受性定律u 谢尔福德的耐受性定律（法则）谢尔福德的耐受性定律（法则） 个体生态个体生态生物对每一种生态因子都

5、有其耐受的上限生物对每一种生态因子都有其耐受的上限和下限。在这个生态因子作用范围内，生物能和下限。在这个生态因子作用范围内，生物能生长、发育、繁殖并能很好地适应；若生态因生长、发育、繁殖并能很好地适应；若生态因子作用强度超出这个范围，即质或量上的不足子作用强度超出这个范围，即质或量上的不足或过多，该生物种就不能生存甚至灭绝。或过多，该生物种就不能生存甚至灭绝。3030生物对生态因子的耐受范围称为生态幅3131u 生物对生态因子适应性的调整生物对生态因子适应性的调整驯化（驯化（Acclimatization）休眠（休眠（Dormancy）昼夜节律和其它周期性的补偿变化昼夜节律和其它周期性的补偿变

6、化个体生态个体生态5 15 36 41 金鱼的耐受温度金鱼的耐受温度24驯化驯化37.5驯化驯化3232聚集分布聚集分布均匀分布均匀分布随机分布随机分布种群生态种群生态3333种群生态种群生态增长型增长型稳定型稳定型衰退型衰退型老年个体数成体数幼体数3434种群生态种群生态型（凸型）型（凸型） 哺乳动物、人哺乳动物、人 型（直线型）型（直线型） 鸟类鸟类型（凹型）型（凹型） 低等动物低等动物3535生理生理寿命寿命指数式增长指数式增长“J J”形形逻辑斯缔增长逻辑斯缔增长“S S”形形种群生态种群生态环境阻力环境阻力J形曲线形曲线S形曲线形曲线种群密度种群密度K( K为环境容纳量为环境容纳量

7、)时间时间3636指数增长指数增长是在无限环境中表现出来的，自然是在无限环境中表现出来的，自然界的环境总是有限的，任何种群不可能长期界的环境总是有限的，任何种群不可能长期表现为指数增长表现为指数增长 如，一对旅鸫（如，一对旅鸫（TurdusTurdus migratoriusmigratorius）每年繁殖）每年繁殖2 2次，每窝次，每窝4 4枚卵，枚卵，如果后代全部存活，并按此速度繁殖，如果后代全部存活，并按此速度繁殖，1010年后种群数量可达年后种群数量可达24,414,06024,414,060只。只。3030年后，约年后，约2 2 10102121只。该数量的旅鸫可覆盖整个地球，只。该

8、数量的旅鸫可覆盖整个地球，厚度可达厚度可达7.27.2公里。显然，这种情况是不可能出现的。公里。显然，这种情况是不可能出现的。所以，指数增长只能在短期内表现出来。在所以，指数增长只能在短期内表现出来。在自然界空间和资源都是有限的，种群的增长自然界空间和资源都是有限的，种群的增长表现为表现为S S型型，称之为，称之为逻辑斯谛增长逻辑斯谛增长3737(Logistic growth model)按植物生活型分为：按植物生活型分为：森林森林草原草原荒漠荒漠按地理气候分为：按地理气候分为：热带群落热带群落亚热带群落亚热带群落温带群落温带群落群落生态群落生态3838u种间关系的类型类型类型 A B 特特

9、 点点竞争竞争 - - 彼此互相抑制彼此互相抑制捕食捕食 - - A种杀死或吃掉种杀死或吃掉B种种中性中性O O 彼此互不影响彼此互不影响共生共生+ + 彼此有利，分开后不能生活彼此有利，分开后不能生活合作合作+ + 彼此有利，分开能独立生活彼此有利，分开能独立生活附生附生+ O 对对A有益，对有益，对B无影响无影响偏害偏害 - O 对对A有害，对有害，对 B无利也无害无利也无害寄生寄生+ - 对对A有利，对有利，对B有害有害3939群落生态群落生态大草履虫大草履虫单独培养单独培养小草履虫小草履虫单独培养单独培养混合培养混合培养种群密度高高 低低/d/d /d 4040种间竞争当两个物种利用同

10、一资源和空间时产生的种间竞争现象，两个当两个物种利用同一资源和空间时产生的种间竞争现象，两个物种越相似，它们的生态位重叠就越多，竞争也就越激烈。物种越相似，它们的生态位重叠就越多，竞争也就越激烈。生态位：生态位：自然生态系统中，一个种群所占据的时空位置及其自然生态系统中，一个种群所占据的时空位置及其与相关种群之间的功能关系。与相关种群之间的功能关系。41414242捕 食食草动物对植物种群的调节：食草动物对植物种群的调节： 如在乌克兰草原上，如在乌克兰草原上，500500公顷的原始针茅草草公顷的原始针茅草草原，禁止放牧后，针茅草繁茂，但因残体分解慢，原，禁止放牧后，针茅草繁茂，但因残体分解慢，

11、嫩枝发芽受阻，针茅草大量死亡，导致杂草繁盛，嫩枝发芽受阻，针茅草大量死亡，导致杂草繁盛，使草原杂草丛生而废弃。使草原杂草丛生而废弃。 禾本科为主的草原，有蹄类采食、践踏和粪尿禾本科为主的草原，有蹄类采食、践踏和粪尿的滋养等放牧活动，能调节种间关系，使牧场植被的滋养等放牧活动，能调节种间关系，使牧场植被保持一定的稳定性。但过度放牧也会破坏草原。保持一定的稳定性。但过度放牧也会破坏草原。4343三、生态系统及其稳定性三、生态系统及其稳定性4444森林森林生态系统生态系统海洋海洋生态系统生态系统草原草原生态系统生态系统湖泊湖泊生态系统生态系统城市城市生态系统生态系统农田农田生态系统生态系统生生态态系

12、系统统图图片片4545组成成分组成成分主要物质主要物质作用作用地位地位联系联系非生物的非生物的 物质和能量物质和能量生产者生产者消费者消费者分解者分解者阳光、热能、阳光、热能、水、空气、无水、空气、无机盐等机盐等为生物成分为生物成分提供物质和提供物质和能量能量必备成分必备成分 必备成分必备成分必备成分必备成分非必备成分非必备成分自养型生物自养型生物绿色植物、绿色植物、自养型细菌自养型细菌（生态系统（生态系统的主要成分）的主要成分）将无机物合成将无机物合成有机物有机物异养型生物异养型生物主要指各类动主要指各类动物物将有机物分解将有机物分解成无机物，加成无机物，加快物质循环快物质循环将有机物分解将

13、有机物分解为无机物，归为无机物，归还无机环境还无机环境腐生细菌腐生细菌腐生真菌腐生真菌腐生动物腐生动物_和和_是联是联系生物群落和系生物群落和无机环境的两无机环境的两大桥梁。大桥梁。生产者与各生产者与各级消费者以级消费者以捕食关系建捕食关系建立的立的食物链食物链和和食物网食物网是是能量流动能量流动和和物质循环物质循环的的渠道。渠道。生产者生产者分解者分解者46464747 食物链 食物网484849495050515152525353食物链越长，最后营养级位所获得的能量也越少。食物链越长，最后营养级位所获得的能量也越少。因为从起点到终点经过的营养级越多，其能量损耗因为从起点到终点经过的营养级越

14、多，其能量损耗也就越大也就越大食物链的长度通常不超过食物链的长度通常不超过6 6个营养级，最常见的个营养级，最常见的445 5个营养级，因为能量沿食物链流动时个营养级，因为能量沿食物链流动时不断流失不断流失! !5454食物链或食物网的复杂程度与生态系统的稳定性直食物链或食物网的复杂程度与生态系统的稳定性直接相关接相关生态系统中的食物链不是固定不变的，它不仅在进生态系统中的食物链不是固定不变的，它不仅在进化历史上有改变，在短时间内也会发生变化化历史上有改变，在短时间内也会发生变化生生产产者者植食性动物植食性动物肉食性动物肉食性动物1肉食性动物肉食性动物2遗体、粪便等遗体、粪便等分解者分解者CO

15、CO2 2等等无机物无机物消费者55555555（三）生态系统的功能（三）生态系统的功能能量流动：生产者 消费者 分解者物质循环：生物 环境信息传递：包括营养信息、化学信息、物 理信息、行为信息等，构成信息网5656 生态系统的能量流动生态系统的能量流动生态系统的能量流动是从生产者所固定的太阳能开始的。生态系统的能量流动是从生产者所固定的太阳能开始的。 生产者所固定的全部太阳能，就是流经生态系统的总能量。生产者所固定的全部太阳能，就是流经生态系统的总能量。能量流动是单向的，逐级递减，传递率约为能量流动是单向的，逐级递减，传递率约为10%-20%10%-20% 生产者生产者（植物）（植物）呼吸呼

16、吸 初级消费者初级消费者（植食动物）（植食动物）呼吸呼吸 次级消费者次级消费者（肉食动物）（肉食动物） 三级消费者三级消费者（肉食动物）（肉食动物）呼吸呼吸呼吸呼吸分分 解解 者者呼吸呼吸5757营养级位置越高，归属于这个营养级的生物种类营养级位置越高，归属于这个营养级的生物种类和数量就越少，当少到一定程度的时候，就不可和数量就越少，当少到一定程度的时候，就不可能再维持另一个营养级中生物的生存了能再维持另一个营养级中生物的生存了5858 生态系统的物质循环生态系统的物质循环p 组成生物体的组成生物体的C C、H H、O O、N N、P P、S S等基本元素在生态系统等基本元素在生态系统的生物群

17、落与无机环境之间反复循环运动叫的生物群落与无机环境之间反复循环运动叫生态系统的物生态系统的物质循环质循环。p 生物圈是地球上最大的生态系统，其中的物质循环带有全生物圈是地球上最大的生态系统，其中的物质循环带有全球性，这种物质循环又叫球性，这种物质循环又叫生物地化循环。生物地化循环。p 生态系统的物质循环生态系统的物质循环反复出现，循环流动，不会消失，生反复出现，循环流动，不会消失，生物可反复的利用它。物可反复的利用它。59596060环境分解者肉食者植食者生产者能量流动能量流动物质流动物质流动生态系统中的能量流与物质流特征的比较组成生物体的基本元素在生物，组成生物体的基本元素在生物，群落与无机

18、环境间反复循环群落与无机环境间反复循环反复循环维持生态平衡反复循环维持生态平衡全球生物圈全球生物圈能量流动和物质循环的相互关系能量流动和物质循环的相互关系能量流动能量流动物质循环物质循环形式形式特点特点范围范围联系联系主要以有机物形式主要以有机物形式单向流动逐级递减单向流动逐级递减生态系统的各营养级生态系统的各营养级能量流动和物质循环二者能量流动和物质循环二者相互伴随，相辅相承，是相互伴随，相辅相承，是不可分割的统一整体不可分割的统一整体6161生态农业桑树叶养蚕，蚕沙喂鱼，桑树叶养蚕，蚕沙喂鱼，鱼塘的污泥为桑树肥料。鱼塘的污泥为桑树肥料。 “桑基鱼塘”模式能量流动物质循环的例子“猪-沼-果”

19、 模式 猪粪猪粪生产沼气生产沼气沼气渣肥果沼气渣肥果树树果树间套中青饲料喂猪果树间套中青饲料喂猪能量流动物质循环的例子l水循环水循环l气体型循环气体型循环l沉积型循环沉积型循环6464 氧循环氧循环 碳循环碳循环 氮循环氮循环 磷循环磷循环 硫循环硫循环水的循环过程 6565碳的循环过程 6666氮的循环过程 6767磷的循环过程 6868富营养：水体中营养物质富集（主要是氮、磷），富营养：水体中营养物质富集（主要是氮、磷），引起藻类等水生生物过量繁殖，造成水质恶化。引起藻类等水生生物过量繁殖，造成水质恶化。l 湖泊富营养化湖泊富营养化物理修复：疏浚、稀释冲刷、等。物理修复：疏浚、稀释冲刷、等

20、。化学修复：化学药剂进行杀藻。化学修复：化学药剂进行杀藻。生物修复：人工湿地、生态浮床生物修复：人工湿地、生态浮床4343将浮床陆生植物作为先锋种植于河将浮床陆生植物作为先锋种植于河湖水面湖水面, , 利用陆生植物生长过程中利用陆生植物生长过程中对大量氮、磷吸收对大量氮、磷吸收, , 清洁水体。清洁水体。 生态浮床生态浮床生态浮床不受光照等条件限制生态浮床不受光照等条件限制, , 可避免沉水植物人工种植后可避免沉水植物人工种植后, , 由于光照等生境条件难以保障其正常生育而死亡的现象。由于光照等生境条件难以保障其正常生育而死亡的现象。人工湿地：基质、植被、水体人工湿地：基质、植被、水体 组成的

21、复合体。组成的复合体。 基质：土壤、沙粒、碎石等构成。它不仅为植基质：土壤、沙粒、碎石等构成。它不仅为植物和微生物提供生长介质，还通过沉淀、过滤物和微生物提供生长介质，还通过沉淀、过滤和吸附等作用去除污染物。和吸附等作用去除污染物。4444 湿地湿地地球之肾地球之肾 植被：对污染物有吸附、代谢、积累等作用植被：对污染物有吸附、代谢、积累等作用 挺水植物：芦苇，茭白挺水植物：芦苇，茭白 浮水植物：水葫芦，水花生浮水植物：水葫芦，水花生 沉水植物：金鱼藻，黑藻沉水植物：金鱼藻，黑藻视频：湿地视频：湿地（四）生态系统的稳定性与自我调节（四）生态系统的稳定性与自我调节l 生态系统在不断地发展变化着生态

22、系统在不断地发展变化着。生态系统中。生态系统中的生物既有出生也有死亡，既有迁入也有迁的生物既有出生也有死亡，既有迁入也有迁出；阳光、温度、水分等无机环境因素也在出；阳光、温度、水分等无机环境因素也在不断地改变。不断地改变。l 但对于一个相对成熟的生态系统来说，系统但对于一个相对成熟的生态系统来说，系统中的各种变化只要中的各种变化只要不超出一定限度不超出一定限度，生态系，生态系统的结构与功能就不会发生大的改变。统的结构与功能就不会发生大的改变。7373少量砍伐森林中的树木，森林的结构功能不会破坏7474草原上适量放养牲畜，草原不至于破坏7575适度捕捉生态系统中的动物，也不会导致种群严重减小，更

23、不会灭绝7676 抵抗力稳定性抵抗力稳定性-生态系统抵抗外界干扰使自身结构功能维生态系统抵抗外界干扰使自身结构功能维持原状的能力持原状的能力 恢复力稳定性恢复力稳定性-生态系统受到外界干扰使自身结构功能破生态系统受到外界干扰使自身结构功能破坏后恢复原状的能力坏后恢复原状的能力7777l生态系统具有生态系统具有保持保持或或恢复恢复自身结构和功能相自身结构和功能相对稳定的能力，这就叫对稳定的能力，这就叫生态系统的生态系统的稳定性稳定性： 抵抗力稳定性抵抗力稳定性高的生态系统特征：高的生态系统特征：1 1、各营养级的生物数量多，占有的能量多、各营养级的生物数量多，占有的能量多抵抗力很强抵抗力很强抵抗

24、力较弱抵抗力较弱78782 2、生物种类多，食物网复杂，物质循环与能量、生物种类多，食物网复杂，物质循环与能量流动的渠道多流动的渠道多抵抗力很强抵抗力很强抵抗力较弱抵抗力较弱7979恢复力稳定性恢复力稳定性高的生态系统特征：高的生态系统特征：、生物种类较少，物种扩张受到的制约较小、生物种类较少，物种扩张受到的制约较小抵抗力弱抵抗力弱恢复力强恢复力强抵抗力强抵抗力强恢复力弱恢复力弱80802 2、生物个体小，繁殖快。能以休眠方式渡过、生物个体小，繁殖快。能以休眠方式渡过不利时期或产生适应新环境的变异不利时期或产生适应新环境的变异抵抗力弱抵抗力弱恢复力强恢复力强抵抗力强抵抗力强恢复力弱恢复力弱81

25、81对一个生态系统来说，对一个生态系统来说，抵抗力稳定性与恢复力稳定性存在相反关系抵抗力稳定性与恢复力稳定性存在相反关系抵抗力抵抗力稳定性稳定性恢复力恢复力稳定性稳定性稳定性生物量、生态系统复杂程度等抵抗力稳定性与恢复力稳定性的关系抵抗力稳定性与恢复力稳定性的关系8282生态系统的一个普遍特性是存在着生态系统的一个普遍特性是存在着“反馈现象反馈现象”当生态系统中某一成分发生变化的时候，它当生态系统中某一成分发生变化的时候，它必然会引起其他成分出现一系列的相应变化，必然会引起其他成分出现一系列的相应变化，这些变化最终又反过来影响最初发生变化的这些变化最终又反过来影响最初发生变化的那种成分，这个过

26、程就叫那种成分，这个过程就叫反馈反馈。反馈有两种类型，即负反馈(negative feedback)和正反馈(positive feedback)83838484 负反馈负反馈是比较常见的一种反馈，它的结果是是比较常见的一种反馈，它的结果是抑抑制和减弱最初发生变化的那种成分所发生的变化制和减弱最初发生变化的那种成分所发生的变化，因此其作用是使生态系统达到和保持平衡或稳定。因此其作用是使生态系统达到和保持平衡或稳定。 正反馈正反馈是比较少见的，它的作用与负反馈相反，是比较少见的，它的作用与负反馈相反，即即生态系统中某一成分的变化所引起的其他一系生态系统中某一成分的变化所引起的其他一系列变化，反过来不是抑制而是加速最初发生变化列变化，反过来不是抑制而是加速最初发生变化的成分所发生的变化的成分所发生的变化，因此正反馈的作用常常使，因此正反馈的作用常常使生态系统远离平衡状态或稳态。生态系统远离平衡状态或稳态。8585p生态系统的自我调节功能是有一定限度的! 当外来干扰因素当外来干扰因素（如火山爆发、地震，泥石流，（如火山爆发、地震，泥石流，雷击火烧，人类修建大型工程，排放有毒物质、雷击火烧，人类修建大型工程，排放有毒物质