生态与环境保护

1、第一节第三节第二节 随着粮食、人口、能源和环境等一系列随着粮食、人口、能源和环境等一系列世界性问题世界性问题的出现，推动了生态学的发展，的出现，推动了生态学的发展，生态学的基本原则不仅被看作是环境科学重生态学的基本原则不仅被看作是环境科学重要的理论基础，也被看成是社会经济持续发要的理论基础，也被看成是社会经济持续发展的理论基础。展的理论基础。v生态学（生态学（EcologyEcology）是研究）是研究生物生物与与环境环境之间相之间相互关系及其作用机理的科学。互关系及其作用机理的科学。 德国生物学家恩斯特德国生物学家恩斯特海克尔海克尔l生物：植物、动物和微生物；生物：植物、动物和微生物；l环境

2、：各种生物特定的生存环境，包括环境：各种生物特定的生存环境，包括非生物环境非生物环境和和生物环境生物环境。非生物环境非生物环境由光、热、空气、水分和各种无机元由光、热、空气、水分和各种无机元素组成；素组成；生物环境生物环境由作为主体生物以外的一切生物组成。由作为主体生物以外的一切生物组成。 个体生态学个体生态学研究研究一个生物一个生物个体个体或或一种生物一种生物多个个体多个个体与与环境环境之间的关系；之间的关系；族群生态学族群生态学研究研究一种一种或或亲缘关系较近的几种生物亲缘关系较近的几种生物种种群群与与环境环境之间的关系；之间的关系；群落生态学群落生态学研究生活在研究生活在同一环境中同一环

3、境中的的所有生物所有生物与与环环境境之间的关系之间的关系.陆地生态学陆地生态学水域生态学水域生态学森林生态学森林生态学草原生态学草原生态学荒漠生态学荒漠生态学土壤生态学土壤生态学海洋生态学海洋生态学湖泊生态学湖泊生态学流域生态学流域生态学与与非生命科学非生命科学结合结合数学生态学数学生态学物理生态学物理生态学化学生态学化学生态学经济生态学经济生态学生理生态学生理生态学行为生态学行为生态学遗传生态学遗传生态学与与生命科学其他分支生命科学其他分支结合结合进化生态学进化生态学 农业生态学农业生态学 医学生态学医学生态学 工业资源生态学工业资源生态学 环境保护生态学环境保护生态学 环境生态学环境生态学

4、 生态信息学生态信息学 城市生态学城市生态学 景观生态学景观生态学 .个体生态学个体生态学研究研究一个生物一个生物个体个体或或一种生物一种生物多个个体多个个体与与环境环境之间的关系；之间的关系；族群生态学族群生态学研究研究一种一种或或亲缘关系较近的几种生物亲缘关系较近的几种生物种种群群与与环境环境之间的关系；之间的关系；群落生态学群落生态学研究生活在研究生活在同一环境中同一环境中的的所有生物所有生物与与环环境境之间的关系之间的关系文化生态学文化生态学研究研究文化的集群文化的集群和和竞争的环境竞争的环境对于对于文化文化进程的进程的影响与推动作用影响与推动作用.v生态系统（生态系统（Ecosyst

5、emEcosystem）是自然界一定空间的）是自然界一定空间的生物与环境之间相互作用、相互制约，不断演生物与环境之间相互作用、相互制约，不断演变，达到动态平衡、相对稳定的统一整体，是变，达到动态平衡、相对稳定的统一整体，是具有一定结构和功能的单位。具有一定结构和功能的单位。 英国生态学家阿瑟英国生态学家阿瑟乔治乔治斯坦利斯坦利（原文）Ecosystem is the whole system, including not only the organism-complex, but also the whole complex of physical factors forming what

6、we call the environment 生态系统无生命物质生产者消费者分解者1 1）生产者：指能进行光合作用的各种绿色植物、蓝绿藻）生产者：指能进行光合作用的各种绿色植物、蓝绿藻和某些化能合成细菌。又称为自养生物。和某些化能合成细菌。又称为自养生物。2 2）消费者：指以其他生物为食的各种动物（植食动物、）消费者：指以其他生物为食的各种动物（植食动物、肉食动物、杂食动物和寄生动物等）肉食动物、杂食动物和寄生动物等）3 3）分解者：指分解动植物残体、粪便和各种有机物的细）分解者：指分解动植物残体、粪便和各种有机物的细菌、真菌、原生动物、蚯蚓和秃鹫等食腐动物。消费者菌、真菌、原生动物、蚯蚓和

7、秃鹫等食腐动物。消费者和分解者又称为异养生物。和分解者又称为异养生物。4 4）无生命物质：包括无机物、有机物和自然因素；）无生命物质：包括无机物、有机物和自然因素； 无机物：包括氮、氧、二氧化碳和各种无机盐等。无机物：包括氮、氧、二氧化碳和各种无机盐等。 有机物：包括蛋白质、糖类、脂类和土壤腐殖质等。有机物：包括蛋白质、糖类、脂类和土壤腐殖质等。 自然自然因素：包括太阳辐射、温度、湿度、风和降水等因素：包括太阳辐射、温度、湿度、风和降水等v根据生态条件：水生生态系统和陆地生态系统根据生态条件：水生生态系统和陆地生态系统l水生生态系统：海洋生态系统和淡水生态系统；水生生态系统：海洋生态系统和淡水

8、生态系统；淡水生态系统：流水生态系统和静水生态系统。淡水生态系统：流水生态系统和静水生态系统。l陆地生态系统：森林、草原、荒漠、高山等。陆地生态系统：森林、草原、荒漠、高山等。森林生态系统：热带、亚热带、温带和寒温带森林等。森林生态系统：热带、亚热带、温带和寒温带森林等。l过渡生态系统：湿地生态系统。过渡生态系统：湿地生态系统。 湿地生态系统：湿地生态系统：不问其为天然或人工、常久或暂时之沼泽地、湿不问其为天然或人工、常久或暂时之沼泽地、湿原、泥炭地或水域地带原、泥炭地或水域地带, ,带有静止或流动、或为淡水、半咸水或带有静止或流动、或为淡水、半咸水或咸水水体者咸水水体者, ,包括低潮时水深不

9、超过包括低潮时水深不超过6m6m的水域的水域。（19711971年，拉姆萨尔，年，拉姆萨尔，关于特别是作为水禽栖息地的国际重要湿地公约关于特别是作为水禽栖息地的国际重要湿地公约）v根据人为的影响或干预程度根据人为的影响或干预程度l自然生态系统：没有或者没有明显地被人类改造的生态系统自然生态系统：没有或者没有明显地被人类改造的生态系统热带雨林、海洋、江河湖泊、高山；热带雨林、海洋、江河湖泊、高山；l人工生态系统：以人类活动为生态环境中心，按照人类的理想要人工生态系统：以人类活动为生态环境中心，按照人类的理想要求建立的生态系统。求建立的生态系统。城市、农田、人工造林、人工湿地、草坪等。城市、农田、

10、人工造林、人工湿地、草坪等。l半自然生态系统：半自然生态系统：一个经过人类改造，但仍保留着本身重要元素一个经过人类改造，但仍保留着本身重要元素的生态系统的生态系统。自然保护区、农业生态系统等。自然保护区、农业生态系统等。v生物圈生物圈2 2号工程（号工程（Biosphere 2Biosphere 2）v 美国为了美国为了探索生态系统奥秘探索生态系统奥秘，试验人类离开地球能否生存，试验人类离开地球能否生存，在在亚利桑那州图森市亚利桑那州图森市以北沙漠中建造的几乎完全与外部世界隔绝以北沙漠中建造的几乎完全与外部世界隔绝的、内部有着的、内部有着类似地球的各种生态系统类似地球的各种生态系统的科学实验基

11、地。的科学实验基地。生物圈生物圈2 2号实验失败最主要的启示是：号实验失败最主要的启示是：目前最好的办法还是保护和目前最好的办法还是保护和利用好地球，进行环境保护和生态恢复是实现人类可持续发展的利用好地球，进行环境保护和生态恢复是实现人类可持续发展的必由之路必由之路。 v由美国前橄榄球运动员由美国前橄榄球运动员 约翰约翰艾伦发起艾伦发起, ,并与几家财团联手出资并与几家财团联手出资, ,委托空委托空间生物圈风险投资公司承建间生物圈风险投资公司承建, ,历时历时8 8年年, ,耗资耗资1.51.5亿美元，占地亿美元，占地1.31.3万万m m2 2，采用，采用了全封闭的钢筋与玻璃结构，仅有阳光、

12、电和信息与外界相通。引入了了全封闭的钢筋与玻璃结构，仅有阳光、电和信息与外界相通。引入了38003800多种生物多种生物( (植物、动物、微生物植物、动物、微生物) )布置成森林生态系统、草地生态系统、布置成森林生态系统、草地生态系统、水和沼泽生态系统、农田生态系统和海洋生态系统，还有供研究人员生活水和沼泽生态系统、农田生态系统和海洋生态系统，还有供研究人员生活用的楼房和人造风雨设施。设计寿命用的楼房和人造风雨设施。设计寿命100100年。年。19911991年年9 9月月2626日投入运行，并日投入运行，并进行实验。进行实验。19961996年年9 9月，由数百名科学家组成的委员会对实验进行

13、了总结。月，由数百名科学家组成的委员会对实验进行了总结。到后期，到后期，“生物圈生物圈2 2号号”中的植物几乎灭绝，必须注入氧气才能维持人员生中的植物几乎灭绝，必须注入氧气才能维持人员生存。他们认为，在现在技术条件下，人类无法模拟一个类似地球、可供人存。他们认为，在现在技术条件下，人类无法模拟一个类似地球、可供人类生存的生态环境。类生存的生态环境。 生物圈生物圈2 2号实验失败的原因：氧气未能顺利循环。号实验失败的原因：氧气未能顺利循环。v迷你地球迷你地球v迷你地球迷你地球”位于日本北部沿海的青森县六所村，面积只有位于日本北部沿海的青森县六所村，面积只有47004700平平方米方米，是，是3

14、3个由不锈钢走廊连接的体育馆式建筑。整套设施耗资个由不锈钢走廊连接的体育馆式建筑。整套设施耗资65006500万美元万美元，于，于20002000年建成，眼下研究人员已经开始进行前期试验。年建成，眼下研究人员已经开始进行前期试验。v模拟封闭空间内氧气和二氧化碳在植物、人类和动物之间的循环模拟封闭空间内氧气和二氧化碳在植物、人类和动物之间的循环v2 2个人，个人，2 2只羊只羊v新华网东京月日电（记者何德功）日本在封新华网东京月日电（记者何德功）日本在封闭空间闭空间“迷你地球迷你地球”进行的为期一周自给自足的实验进行的为期一周自给自足的实验日顺利结束，日顺利结束，“迷你地球迷你地球”送走了第一批

15、送走了第一批“迷你迷你地球人地球人”。参加实验的研究员筱原正典在当天的记者招待会参加实验的研究员筱原正典在当天的记者招待会上说：上说：“两名两名迷你地球人迷你地球人靠自己培育的植物释放靠自己培育的植物释放出的氧气度过一周时光，我感到实在了不起。通过这出的氧气度过一周时光，我感到实在了不起。通过这次实验自己对植物更加情有独钟，今后会更珍爱植次实验自己对植物更加情有独钟，今后会更珍爱植物。物。”筱原正典准备年在筱原正典准备年在“迷你地球迷你地球”居住居住个月，向封闭空间发起新的挑战。个月，向封闭空间发起新的挑战。“迷你地球迷你地球 ” ”实验从本月日开始，实验的目的之一实验从本月日开始，实验的目的

16、之一是，调查食物等所含的碳是如何在生态系统中循环的。是，调查食物等所含的碳是如何在生态系统中循环的。“迷你地球迷你地球”是日本财团法人环境科学技术研究所是日本财团法人环境科学技术研究所年建造的，总面积平方米，其中的空间年建造的，总面积平方米，其中的空间全部密封，在密封空间里除了植物栽培区外，还有羊圈和全部密封，在密封空间里除了植物栽培区外，还有羊圈和供两名研究人员居住的一室一厅。两名研究人员和两只山供两名研究人员居住的一室一厅。两名研究人员和两只山羊靠吃在植物栽培室收获的大米和蔬菜生活了一周。羊靠吃在植物栽培室收获的大米和蔬菜生活了一周。科学家预计，人类到年可以到月球旅行，科学家预计，人类到年

17、可以到月球旅行，年登上火星会梦想成真，年登上火星会梦想成真，“迷你地球迷你地球”作为一种宇作为一种宇宙空间生存技术将来不可缺少。宙空间生存技术将来不可缺少。h http:/ 2号最大的区别之一是，我们花费了大量号最大的区别之一是，我们花费了大量的金钱和时间来设计和建立支持生命的系统。的金钱和时间来设计和建立支持生命的系统。”“迷你地球迷你地球”没有使用土壤和依赖微生物，而是没有使用土壤和依赖微生物，而是使用使用机器来人工分解和处理废料机器来人工分解和处理废料。这个人工支持部分占据了整。这个人工支持部分占据了整个场地的个场地的 1/41/4。支持系统的中心部分是复原氧气的处理机，支持系统的中心部

18、分是复原氧气的处理机，使用高温和电解水的办法从二氧化碳中重新获得氧气。使用高温和电解水的办法从二氧化碳中重新获得氧气。新新田认为，田认为，“迷你地球迷你地球”所使用的机械甚至比美国航空航天所使用的机械甚至比美国航空航天局为国际空间站研发的同类设备效率更高。局为国际空间站研发的同类设备效率更高。“我相信在这我相信在这里开发的技术将来可以用于航天项目里开发的技术将来可以用于航天项目”。 两位科学家的两位科学家的生活区域生活区域也也占据占据了了“迷你地球迷你地球”的的1/41/4面积面积，有两张床、电脑和固定的脚踏健身车。房间的角落，有两张床、电脑和固定的脚踏健身车。房间的角落安置着摄像头，以监控他

19、们的安全状况。相邻的房间是用安置着摄像头，以监控他们的安全状况。相邻的房间是用来饲养动物的。目前已有两头山羊接受了来饲养动物的。目前已有两头山羊接受了3 3周的血压、体周的血压、体温和心脏情况监视，以确定它们是否能够适应封闭的环境。温和心脏情况监视，以确定它们是否能够适应封闭的环境。研究人员还尝试在可以调控温度、湿度和光线的房间里种研究人员还尝试在可以调控温度、湿度和光线的房间里种植水稻和大约植水稻和大约3030种蔬菜。居住在种蔬菜。居住在“迷你地球迷你地球”内部的人只内部的人只能能从外部得到电力供应和信息从外部得到电力供应和信息。内外联系是通过电话、电内外联系是通过电话、电子邮件和因特网来实

20、现的子邮件和因特网来实现的。http:/ 食物链食物链和和食食物网物网是实现这是实现这些功能的保证些功能的保证 v食物链：各种生物之间存在着的取食和被取食物链：各种生物之间存在着的取食和被取食关系，物质和能量通过这种关系在生态系食关系，物质和能量通过这种关系在生态系统内传递。统内传递。 英国动物学家英国动物学家埃尔顿埃尔顿（C.S.EitonC.S.Eiton），），19271927年，首年，首次提出，次提出，“大鱼吃小鱼，小鱼吃虾米大鱼吃小鱼，小鱼吃虾米” 食物链类型：捕食性、寄生性、腐生性、碎食性等食物链类型：捕食性、寄生性、腐生性、碎食性等v食物网：实际上许多食物链经常相互交叉，食物网：

21、实际上许多食物链经常相互交叉，形成复杂的捕食关系，这种关系又称为食物形成复杂的捕食关系，这种关系又称为食物网。网。 v一般情况下，食物网越复杂生态系统就越稳一般情况下，食物网越复杂生态系统就越稳定。因为食物网中某个环节（物种）缺失时，定。因为食物网中某个环节（物种）缺失时，其他相应环节能起补偿作用。相反食物网越其他相应环节能起补偿作用。相反食物网越简单，则生态系统越不稳定。简单，则生态系统越不稳定。v物种之间的关系：竞争关系、共生关系物种之间的关系：竞争关系、共生关系 J食物链上的各个环节称为营养级。生产者为第一营养级，一食物链上的各个环节称为营养级。生产者为第一营养级，一级消费者为第二营养级

22、，依此类推。级消费者为第二营养级，依此类推。J营养级一般只有营养级一般只有4 45 5级。凡在同一层次上的生物都属于同一级。凡在同一层次上的生物都属于同一营养级，同一生物也可能隶属于不同的营养级。营养级，同一生物也可能隶属于不同的营养级。J低位营养级是高位营养级营养和能量的供应者。但是，能量低位营养级是高位营养级营养和能量的供应者。但是，能量在食物网中流动时，转移效率很低。低位营养级储存的能量在食物网中流动时，转移效率很低。低位营养级储存的能量只有只有1010左右被高位营养级利用，这在生态学上称为左右被高位营养级利用，这在生态学上称为1010定定律。为了保证生态系统中能量的流通，自然界就形成了

23、生物律。为了保证生态系统中能量的流通，自然界就形成了生物量金字塔和能量金字塔。量金字塔和能量金字塔。 生态系统中能量的生态系统中能量的输入输入、传递传递和和散失散失的过的过程。程。v地球是一个开放系统存在着能量的输入和输出；地球是一个开放系统存在着能量的输入和输出；v能量输入的根本来源是太阳能；能量输入的根本来源是太阳能；v光合作用是植物固定太阳能的唯一有效途径；光合作用是植物固定太阳能的唯一有效途径；v化石燃料则在过去地质年代固定和储存了太阳能；化石燃料则在过去地质年代固定和储存了太阳能；v根据热力学第一定律，能量可以从一种形式转化为另一根据热力学第一定律，能量可以从一种形式转化为另一种形式

24、，在转化的过程中，能量既不会消失，也不会增种形式，在转化的过程中，能量既不会消失，也不会增加，这就是能量守恒原理；加，这就是能量守恒原理； v根据热力学第二定律，能量的流动总是从集中到分散，根据热力学第二定律，能量的流动总是从集中到分散，从能量高向能量低的方向传递。从能量高向能量低的方向传递。 1941 1941年美国耶鲁大学生态学家林德曼发表了年美国耶鲁大学生态学家林德曼发表了一个老年一个老年湖泊内的食物链动态湖泊内的食物链动态的研究报告。他对万平方米的湖的研究报告。他对万平方米的湖泊作了野外调查和研究后用确切的数据说明，生物量从绿色泊作了野外调查和研究后用确切的数据说明，生物量从绿色植物向

25、食草动物、食肉动物等按食物链的顺序在不同营养级植物向食草动物、食肉动物等按食物链的顺序在不同营养级上转移时，有稳定的数量级比例关系，通常后一级生物量只上转移时，有稳定的数量级比例关系，通常后一级生物量只等于或者小于生物量的。林德曼把生态系统中能量等于或者小于生物量的。林德曼把生态系统中能量的不同利用者之间存在的这种必然的定量关系，叫做的不同利用者之间存在的这种必然的定量关系，叫做“十分十分之一定律之一定律”。 林德曼的理论为生态科学打下了理论基础。林德曼的理论为生态科学打下了理论基础。 在生态系统的各个组成部分之间，不在生态系统的各个组成部分之间，不断进行着物质循环。断进行着物质循环。氢、氧、

26、二氧化碳氢、氧、二氧化碳、碳碳、氮氮、硫硫、磷磷是构成生命有机体的主要是构成生命有机体的主要物质，也是自然界中的主要元素。生物圈物质，也是自然界中的主要元素。生物圈中这些元素的循环在生命活动中起着重要中这些元素的循环在生命活动中起着重要作用。作用。 v碳是构成生物体的基本元素，占生物总质量碳是构成生物体的基本元素，占生物总质量约约25%。在无机环境中，大多以二氧化碳和。在无机环境中，大多以二氧化碳和碳酸盐的形式存在。碳酸盐的形式存在。v 碳循环以（通过植物呼吸或发酵；通过动物碳循环以（通过植物呼吸或发酵；通过动物呼吸；通过化石、矿物质、天然气等燃烧）呼吸；通过化石、矿物质、天然气等燃烧）三种方

27、式实现。三种方式实现。v氮是形成蛋白质、氨基酸和核酸的主要成份，氮是形成蛋白质、氨基酸和核酸的主要成份，是生命的基本元素。是生命的基本元素。v大气中含量丰富的氮绝大部分不能被生物直大气中含量丰富的氮绝大部分不能被生物直接利用。大气氮进入生物有机体的主要途径接利用。大气氮进入生物有机体的主要途径有：有：生物固氮；生物固氮；工业固氮；工业固氮；岩浆固氮；岩浆固氮；大气固氮大气固氮( (闪电固氮、宇宙线作用等）闪电固氮、宇宙线作用等） 地球上的硫大部分地球上的硫大部分存在于岩石、矿物存在于岩石、矿物和海底沉积物中。和海底沉积物中。 大气圈中硫的大气圈中硫的1/3来来自人类活动，其中自人类活动，其中2

28、/3来自含硫化石燃来自含硫化石燃料（煤和石油）的料（煤和石油）的燃烧，其余来自炼燃烧，其余来自炼油、冶金工业和其油、冶金工业和其它工业过程。它工业过程。 l磷是生物的重要营养成份，主要以磷酸磷是生物的重要营养成份，主要以磷酸盐的形式存在。盐的形式存在。l磷是携带遗传信息磷是携带遗传信息DNA的组成元素，是的组成元素，是动物骨骼、牙齿和贝壳的重要组成。动物骨骼、牙齿和贝壳的重要组成。 l物质循环具有全球范围性、物质循环具有全球范围性、反复性。反复性。l信息传递是生态系统的重要功能之一。信息传递是生态系统的重要功能之一。 生物之间交流的信息是生态系统中的重要内容生物之间交流的信息是生态系统中的重要

29、内容, ,通过通过它可以把同一物种之间它可以把同一物种之间, ,以及不同物种之间的以及不同物种之间的“意愿意愿”表表达给对方达给对方, ,从而在客观上达到自己的目的。从而在客观上达到自己的目的。l信息信息（觅食、求偶、警告）（觅食、求偶、警告）形式主要有四种形式主要有四种: :1 1）物理信息）物理信息2 2）化学信息）化学信息3 3）营养信息）营养信息4 4）行为信息）行为信息1 1）物理信息）物理信息由声、光和颜色等构成；由声、光和颜色等构成； （猫头鹰、萤火虫、毒蛇）（猫头鹰、萤火虫、毒蛇）2 2）化学信息）化学信息生物代谢作用产物产生的生物代谢作用产物产生的化学物质；化学物质； （酶、生长素、性诱激素）（酶、生长素、性诱激素） 动物的气味；动物的气味； 猪笼草猪笼草3 3）营养信息）营养信息由食物和养分构成（食物链）；由食物和养分构成（食物链）；4 4）行为信息）行为信息（无论是否同一种群）用不同的（无论是否同一种群）用不同的行为动作传递不同的信息行为动作传递不同的信息。（蜜蜂的（蜜蜂的8 8字舞、）字舞、）能量流动能量流动是单向流动是单向流动, ,逐级递减逐级递减; ;物质循环物质循环具有全