水域生态学：01 绪论

1、Aquatic Ecology水域生态学Introduction to Ecology绪 论学习目标生态学定义和生态学的10条规则生态学发展的历史和趋势 为什么学习（水域）生态学生态学的分支生态学与生物组织层次生态学的次级学科应用生态学生态学的研究方法1. 生态学定义研究有机体与其环境相互作用的科学。强调相互关系和作用环境：物理（Physical,非生物inorganic）环境：e.g.水、温度、土壤、风、气候；水体的流速、水深生物（organic）环境：其他有机体所施加的任何影响，e.g. 竞争、捕食、寄生、合作 By ecology, we mean the body of knowled

2、ge concerning the economy of nature - the investigation of the total relations of the animal both to its organic and to its inorganic environment; including above all, its friendly and inimical relation with those animals and plants with which it comes directly or indirectly into contact - in a word

3、, ecology is the study of all the complex interrelationships referred to by Darwin as the conditions of the struggle for existence （Ernst Haeckel, 1869）.生态学 是： 研究生物的分布(distribution)和多度(abundance)的科学 (Andrewartha 1961)是研究自然之结构(structure)和功能 (function)的科学（E. Odum 1963, 1971）研究决定生物分布和多度之相互作用interaction

4、s的科学(C. J. Krebs 1985, 2001,2003)是研究有机体与环境间相互作用（相互关系）的科学 (Instants notes in Ecology)2. 生态学上十个规则Rule 1 生态学是一门科学(Ecology is a science)。 很重要的一点是应从科学的观点出发，厘清政治和社会对生态学理解的影响，Rule 2 用进化论的观点理解生态学(Ecology is only understandable in the light of evolution)。 巨大的生物多样性，生物形态、生理及行为的多元化，都是亿万年进化的结果。进化对于每一个个体都留下了不可磨灭的

5、影响。只有从进化的观点来看，才能理解，才有意义。Rule 3 没有任何事情，其发生对物种有利(Nothing happens for the good of the species) 。 一个非常普遍的误解是：那些看起来对个体有代价的生物行为模式，其出现是“对物种有利”，这种想法是绝对和完全错误的。自然选择将会有利于那些传给大多数后裔的基因，即使这些基因有可能导致物种种群大小的下降。Rule 4 基因和环境同样重要(Genes and environment are both important) 有机体所处的环境，在决定它面临的各种选择中起着重要作用；决定有机体组成的基因，同样是根本。这两方

6、面因素的基本性质及其相互作用，对理解生态学都很重要Rule 5 生态学是复杂的学科，理解其复杂性需要模型(understanding complexity requires models: ecology is complex subject)。 生态学每一个尺度上都有大量变异种类、种类内变异的基因，复杂和动态的环境、变化的数量和随时间而改变的行为.为了理解生态学，必须明确特定问题，形成可以检验的假设。以数学的思想方法构造假说通常是很有用的。数学模型在生态学里被广泛应用，可以避免在语言描述方式中难以避免的含糊不清和混淆。Rule 6 讲故事是危险的(Store-telling is dange

7、rous)。 在试图解释生态学的种种模式或相互关系的时候，很容易滑到虚假(make-believe)世界中，每一个观察都很容易被一些特定的断言（所谓的讲故事）所解释。无论如何，应避免出现将假设上升为事实。Rule 7 解释要有层次(There are hierarchies of explanations)。 对于任何所作的观察，可能有一个直接的原因被判别出来。但这个原因的解释往往信息不足，需要进一步探索，达到更完全的解释。即使是现象已经被“解释”了，更进一步和更深入的解释也是很好的，它使我们更全面的了解事实真相。Rule 8 有机体有很多限制(There are multiple const

8、raints on organisms)。 有机体表现出来的形态、功能和环境适应力的多样性是令人惊叹的，但每一个个体则在相对较窄的约束范围中运转。约束有两类：物理的和进化的。由于这些约束，进化从来就没有达到完善，有机体基本上是许多妥协的杂烩Rule 9 偶然性是重要的(Chance is important)。 偶然事件在生态学中起关键性作用。偶然事件的作用也与有机体过去的进化联系在一起。生态学中机遇事件的重要性并不意味着生态学中的模式是完全不可预测的，但其必然位于可预言细节潜在水平的边缘。Rule 10 生态学界限在生态学家心中(The boundaries of ecology are i

9、n the mind of the ecologist)。 生态学是一门广泛的学科，覆盖着生物和物理环境，因此，作为潜在相关的学科，很少被排除在外。数学、化学、物理学，都是理解生态学的基本工具。3. 生态学发展史（History of Ecology) 生态学的发展有很多根源，但其发源可追溯到自然历史和植物地理学.Aristotle 公元前四世纪，在其Historia Animalium中试图解释田鼠和蝗灾。除了雨水，没有其他办法可以减少鼠灾大雨后田鼠迅速消失Graunt (1662) 定量描述了人口数量变化， “father of demography”（人口统计学之父）Buffon (17

10、56）Natural History 触及很多现代生态学问题，并认为人、其他动物和植物的种群受相同的进程控制 。他认为田鼠种群部分受疾病控制，部分受食物缺乏影响。他说：“如果没有捕食者，兔子将把乡村变为荒漠” Rabbits would reduce the countryside to a desert if it were not for their predators. Thomas Malthus(1766-1834) “人口论（Essay on Population）” (1798) 提出了人口按几何方式增长的原理，过一段时间人口倍增（doubling）。人口将会超过食物供应（以算术

11、方式增长）Friedrich Heinrich Alexander von Humbolt (1769-1859) 在他30卷的 “Voyage to the Equatorial Regions” (1807) 中，把植物与环境特点联系在一起，并使用了 plant association 这一术语Johannes Warming (1841-1924) 在他的第一本植物生态学著作 Plantesamfund (1909)中，把植物形态（morphology）、 生理（physiology）、分类（ taxonomy）和生物地理学（ biogeography） 整合成一个相互联系在一起的整体，

12、对生态学的发展具有巨大影响P. F. Verhulst（1838）意大利人，用数学公式表达了有限环境下种群增长的 逻辑斯蒂曲线（Logistic curve）Liebig（1840）最小限制因子定律“The Minimum Limiting Factor Law” Alfred J. Lotka (1880-1949) 理论生态学奠基人， A Lotka and V Volterra (1926) “Lotka-Volterra model”Chares Elton (1900-1991) 动物生态学奠基人，1927年出版了他的第一本教材动物生态学（animal ecology）。提出了食物链

13、（food chain）、数量金字塔（pyramid of number）、生态位（niche）的概念F. A. Forel (1901) 创造了 “Limnology”一词，湖沼学的奠基人。论述了湖泊中各种生物的相互关系，特别是通过食物链（food chains）构成的关系， “ The Lake as a Microcosm”成为生态学里的经典。.A. Thienemann (1931) 发明了淡水生物学(Limnology)研究中的生态方法，使用生产者（producers）和消费者（consumers）两个术语，介绍有机体的营养循环（nutrient cycling）和营养级（troph

14、ic levels）的概念R. A. Lindeman 湖沼学家. 探索湖泊群落内能量可得性关系 ，其论文The Trophic-Dynamic Aspects of Ecology（1942）标志着生态系统生态学的开始。Energy flow and nutrient budget. Sir Arthur G. Tansley (1871-1955) 英国植物生态学奠基人. “Ecosystem”(1935)Allee & Emerson et al. “Principles of Animal Ecology” （1949）指出了现代生态学的发展方向。强调 trophic structur

15、e and energy budgets, population dynamics 和 natural selection 以及 evolution4. 为什么要学生态学自然之奇(wonders)激发我们的好奇（curiosity ）和 愿望（desire）去了解我们周围的事物人口的持续增长不断施加压力于自然世界，导致两大相关的问题：人类对自然系统的冲击（impacts)人类自身环境的恶化（deterioration）我们正被环境问题所困扰 (disappearing tropical forests, ozone hole, depleted fish stocks, etc.)人类活动削弱

16、了生物圈的可持续性sustainability森林破坏沙漠化酸雨臭氧层破坏污染 (大气，水，土壤)富营养化淤积气候变化景观破碎化核能废弃物存放物种灭绝 遗传多样性丧失 生境多样性丧失物种分布和多度改变陆地形态改变附加营养物和能量土地清理引水农业林业渔业放牧 采矿化石燃料消耗 工业化城市化娱乐学习水域生态学的重要性生命起源于水，水对维持地球上的生命至关重要地球表面约 2/3 覆盖着水，水体支撑着巨大的生物多样性 淡水仅占地球上水体的很小一部分，它们是独一无二的生境，有独特的植物和动物区系自然的美景、食物的源泉长江十年内可能成“黄河”长江面临六大危机（新华社宜宾10月12日电）：森林覆盖率下降，泥

17、沙含量增加，生态环境急剧恶化；枯水期不断提前；水质恶化，危及城市饮水；物种受到威胁，珍稀水生生物日益灭绝；固体废物严重污染，威胁水闸与电厂安全；湿地面积缩减，水的天然自洁功能日益丧失。摘自武汉晨报20041013 A10武汉市湖泊水质堪忧据武汉晚报2004年6月26日报道披露，2003年武汉环境质量状况显示，全市51个主要湖泊中，有31个湖泊惨归劣类。只要一项指标被评为劣五类，整个水体便被归入劣五类，按照这一标准，武汉市31个湖泊（其中城区29个）惨列劣类，其中10个达到重度富营养。它们是：东湖、龙阳湖、黄家湖、严西湖、东西湖、三角湖、金银湖、竹子湖、木鹅湖、江汉北湖、青潭湖、西湖、野芷湖、张

18、毕湖、竹叶海、北太子湖、鲩子湖、菱角湖、南湖、晒湖、四美塘、小南湖、后蘘湖、莲花湖、塔子湖、机器荡子、沙湖、紫阳湖、墨水湖、南太子湖、月湖。报告显示，在51个主要湖泊中，水质符合类标准的仅剩梁子湖。副市长胡绪鹍随后向人大提交报告时表示，在编制武汉市“十一五”环保规划中，“进一步加强湖泊生态保护”成为重中之重。南 湖三门峡库区的水质已“恶化”为五类，成了名副其实的“一库脏水” . -新华社2005-01-24 可怕的蓝藻水华5.生态学的分支生态学原理是解决很多环境问题的科学基础生态学形成很多分支，其中很多是专门化(specialized)了的。4.1 根据组织水平分有机体Organism 可在环

19、境中独立生活的最小生物学单位种群Population 同一地区同种生物所有个体的集合群落Community 同一地区所有不同种类生物种群的集合生态系统Ecosystem 有机体与其物理环境的统一体景观Landscape 镶嵌着（patchwork）各种生态系统的一块陆地生物圈Biosphere 地球生态系统，地球上所有有机体和它们的环境尺度很广，从分子到整个地球生态系统，但对于4个明显可辨别的不同尺度的亚部分有特殊兴趣：个体、种群、群落、生态系统每个尺度上的研究内容不同：个体：个体对环境（生物和非生物）的反应种群：一个种对环境的反应，多度和种群数量波动的决定因素群落：决定群落组成和结构的过程生

20、态系统：能流、食物网和营养物质循环个体生态学（Autecology ）研究单一种类的生态学问题群体生态学（Synecology）研究整个有机体群体的生态学问题许多生态学家建议不用个体生态学和群体生态学这两个名词生态学家的观点: 有机体途径（approach)个体的形态(form)、生理（physiology）、 和行为（behavior）如何使有机体存活?焦点是结构（structure）和功能（function）的适应（adaptation）与改变（modification），从而使有机体与其生活环境相适应。适应（adaptation）源于自然选择的进化变异种群途径的自然联系生态学家的观点:

21、种群途径决定种群中个体数量及其时空变化的是什么？焦点在于出生(birth)和死亡(death)、迁入 (immigration)和迁出(emigration) 影响因子：物理环境进化与其他种群的相互关系a natural link to community approach.生态学家的观点: 群落途径群落是如何从组成其组分的种群构建起来(structured from)的？焦点是生活在一起的不同类别的有机体之多样性 (diversity)及其相对多度 ( relative abundance)其影响因子:种间关系(population interactions), 促进或限制共存食物关系(fe

22、eding relationships), 与物质循环和能量流有关生态系统途径的自然联系生态学家的观点: 生态系统途径在普遍的能量和物质流动中，如何阐述(account for)种群的活动?焦点是能量和物质流动 (movements of energy and materials) 影响因子：有机体的大小气候和物理因子，包括那些在全球规模上产生影响的生物圈途径的自然联系生态学家的观点: 生物圈途径如何理解全球的大气和水循环，以及所携带的能量和化学元素的流动？焦点是全球的物质循环和能量流动（global circulation of matter and energy） 其影响因子有机体的分布种

23、群波动群落组成生态系统生产力4.2 根据分类学分动物生态学Animal Ecology (insect, fish, amphibian, reptile, bird, mammal etc.)植物生态学Plant Ecology 微生物生态学Microbial Ecology 人类生态学Human Ecology4.3 根据栖息环境分水域生态学Aquatic Ecology淡水生态学(River & Stream, Lake, Wetland,)海洋生态学 (Estuary, Coral Reef)陆地生态学Terrestrial EcologyForest GrasslandDesertT

24、undra 4.4 根据研究内容和研究方法分地理生态学Geographic Ecology：在大的地理规模上研究生态结构和过程数学生态学Mathematical Ecology：数学模型描述生态变化经济生态学Economical Ecology：经济学观点来分析分子生态学Molecular Ecology：用分子生物学方法直接解决生态学问题化学生态学Chemical Ecology：研究有机体与其环境间的化学反应，关注化学物作为动植物的吸引剂(attractant）、驱逐剂(repellent)和防御机制(defensive mechanisms)，它们的进化和化学结构生理生态学Physiol

25、ogical Ecology /或生态生理学Ecophysiology：关心单个有机体对温度、湿度、光、营养物及其他环境因子的反应，探讨个体的生理机能对于功能和行为的后果进化生态学Evolutionary Ecology：关心种群动态、遗传、自然选择和发育的关系。强调进化对于现有模式的影响行为生态学Behavioral Ecology：研究动物对其生物和非生物环境作出反应的途径，特别强调自然选择对动物行为的影响。动物行为模式的解释系统生态学System ecology：将一般的系统理论和方法用于生态学研究4.5 应用生态学农业生态学Agroecology资源生态学Resource Ecolog

26、y污染生态学Pollution Ecology渔业生态学Fisheries Ecology景观生态学Landscape Ecology：关心特定的景观空间结构及它们是如何发展的，强调干扰（包括人类活动影响）所起的作用 (Forman & Godron 1986)恢复生态学Restoration Ecology：修复被破坏的和退化的生态系统的科学及实践。把实验研究应用于恢复受高度干扰地区的生态系统。 (Jordan et al. 1987)保护生物学Conservation biology：曾被定义为“稀有种类和多样性的科学”（the science of scarcity and divers

27、ity，Soule 1986). 保护生物学研究生境破坏和物种种群大小急剧下降的问题，是关于生命的多样性和如何保持这一多样性的科学Environmental legislation in U.S.AThe National Environmental Policy Act (1969)The Endangered Species Act (1975, amended 1982 and 1994)The Clear Water Act (1977, amended 1981, 1987, 1994)生态问题可以用理论方法(theoretical approach), 实验方法(laborator

28、y approach)，或野外观测法(field approach)来分析ObservationsExperiments: in the lab, in the field, naturalModels: mathematical, conceptual (ideas)观察问题提出假说验证假说（用观测或实验数据）实验设计是非常重要的，只要有可能，就要求有对照组controls、重复replicates、数据的准确采集（代表性）和结果的仔细分析5. 生态学研究方法Scientific method: definitions of termsScientific laws: universal s

29、tatements that are deterministic and so well corroborated that everyone accepts them as part of the scientific background of knowledge. There are laws in physics, chemistry, and genetics but not yet in ecologyPrinciples: universal statements that we all accept because they are mostly definitions, or

30、 are ecological translations of physical-chemical laws. For example, “no population increases without limit” is an important ecological principle that must be correct in view of the finite size of the planet EarthTheories: an integrated and hierarchical set of empirical hypotheses that together expl

31、ain a significant fraction of scientific observations. The theory of evolution is perhaps the most frequently used theory in ecologyHypotheses: universal propositions that suggest explanations for some observed ecological situation. Ecology abounds with hypotheses.Models: verbal or mathematical stat

32、ements of hypotheses.Experiments: tests of a hypothesis. They can be observational (observe the system) or manipulative (perturb the system). The experimental method is the scientific method.Facts: particular truths of the natural world. Philosophers endlessly discuss what a fact is,. Ecologists mak

33、e observations, which may be faulty, and consequently every observation is not automatically a fact.研究项目逻辑组成的一般程序观测 (时空模式)建立模型 (时空模式)Start here提出假说(解释 或 理论)无效假说 (逻辑上相反的假说)实验 (无效假说的检验)解释仍未完成！否定 H0支持假说和模型接受 H0 推翻假说和模型开始解决生态问题之科学方法的流程图自然史观察真实世界的情形假设模型 (真实情形的形式表达)假说 预测 实验设计 (定义和度量)数据采集 检验程序 (统计检验)理论构建 解

34、释 否定结果肯定结果不成功的预测成功的预测实验设计有没有对照组（control）? 排除其他因子的影响有没有重复（replicate） ？提高实验结果的可靠性采集了正确的数据吗？最好的建议是尽可能多地收集数据，然后在以后的分析中选择数据的解释正确吗？正确解释实验结果并非我们通常所预期的那样简单推荐阅读材料Chapman, J. L and Reiss, M. J. Ecology: principles and applications (2nd ed.). 清华大学出版社、 Cambridge University Press ，2001Molles Jr. M. C. Ecology: c

35、oncepts and applications (2nd ed. ). 高等教育出版社、 McGraw-Hill Book Co. Singapore，2002Mackenzie A, Ball A. S & Virdee S. R. Instant notes in Ecology. 科学出版社、Bios Scientific Publishers Limited, 1999，2003Krebs C. J. 生态学（Ecology：the experimental analysis of distribution and abundance 5th ed. ） 科学出版社，2003Smit

36、h R. L. Ecology and Field Biology (5th ed.). Addison-Wesley Educational Publishers, Inc. 1996Smith, R. L and Smith T. M. Elements of Ecology (4th ed.)The Benjamin/Cummings Publishing Company, Inc. 1998Ricklefs R.E. Economy of Nature. W. H. Freeman and Company， 3rd ed.(1993), 5th ed.(2001)，中文版，高等教育出版

37、社，2004Ricklefs R.E and Miller G. L. Ecology (4th ed.). W. H. Freeman and Company 2000Odum E. P. 孙儒泳等译. 生态学基础 （Funda-mentals of Ecology). 人民教育出版社，1981孙儒泳. 动物生态学原理（第三版）.北京师范大学出版社 2001Dodds W. K. Freshwater Ecology: Concepts and Environmental Applications. Academic Press, 2002Moss B. Ecology of Fresh Waters : Man and Medium, Past and Future (3rd ed.) Blackwell 1998Boulton A. J And Brock M. A. Australian Freshwater Ecology: Processes and Management 1999何志辉. 淡水生态学. 中国农业出版社， 2000何志辉， 赵文. 养殖水域生态学。 大连出版社，2001何志辉. 淡水生物学(下册)(淡水生态部分). 农业出版社, 1985The cover of textbooksJournalsBehavioral