现代环境科学概论第5章-环境生态学基本理论与应用课件

第五章环境生态学基本理论与应用1.生态学与环境生态学从定义出发理解生态:Ecology源于希腊文Oikos——‘自然界的经济学’生态学定义：研究生物或生物群体与其环境相互关系的科学研究生物与其环境间相互关系及作用机理的科学（马世骏）生命系统动物人植物微生物

环境系统自然环境社会环境

作用、反作用对立、统一相互关系相互依赖、制约物质循环、代谢第五章环境生态学基本理论与应用1.生态学与环境生态学生1从研究内容理解一般生态学：以特定生物为研究对象环境生态学：以人为主体的生态系统为研究对象生态学的分支

植物生态学动物生态学按种类划分微生物生学人类生态学

个体生态学按存在状态划分种群生态学群落生态学生态系统

从研究内容理解2

种群特定时间、空间同种个体的组合——物种存在、繁殖、进化的基本单位空间特征：种群的发展潜力—空间数量基本特征数量特征：种群密度遗传特征：遗传、变异性—生物进化遗传学基础

群落特定时间、空间不同种生物的总和一定的物种组成：种类、数量，群落多样性基础物种间相互影响：竞争、捕食、互利、寄生影响环境的功能；群落环境基本特征一定的外貌和结构：生态结构、形态结构、营养结构动态特征：季节、年际演替、演化一定分布范围边界特征种群特定时间、空间同种个体的组合3

从研究方法理解当代生态学——多学科交叉定性 定量社会生态学宏观微观复合生态系统工业生态学 单一 综合应用生态系统城市生态学 静态 动态文化生态学 基础 应用环境生态学生物生态学环境

系统工程学系统生态学整体观（核心

）

工艺学工业生态学功能观经济学经济生态学经济观

+化学化学生态学生态信息

物理学物理生态学+数学数学生态学数学模型最优化方案

经济效益社会效益生态效益从研究方法理解生物生态学系统工程学4

发展趋势涵盖一切传统领域，形成许多现代观念：

生态工艺生态城市生态安全生态文明生态价值生态哲学生态美学2.生态系统含义马世骏：“生命系统与环境系统在特定空间的组合”一定空间生物与周围环境的集合体自然界基本单位，具有一定结构和功能生物—环境相互作用、影响、制约不断进行物质循环、能量交换一定时间内处于动态平衡、相对稳定状态2.生态系统5

无机物非生物组成：环境要素有机物自然因素

组成

生产者—绿色植物食草动物（一级消费者）生物组成消费者—动物

分解者—微生物食肉动物（二级消费者）微型动物组成6类型

自然生态系统

静水生态系统

淡水生态系统

水域生态系统流水生态系统咸水生态系统：海洋、远洋、珊瑚礁按要素类型荒漠生态系统草原生态系统陆地生态系统森林生态系统稀树干草生态系统

湿地生态系统

按人类影响程度半自然生态系统人工生态系统

类型静水生态系统淡水生态系统7结构生物种类形态结构种群数量骨架—形态结构标志种的空间配置 种的时间变化（发育、季相）

营养结构：生态系统组成部分间营养关系环境生产者分解者消费者结构营养结构：生态系统组成部分间营养关系环境生产8食物链：生态系统中生物以食物联系建立起来的链索关系食物网：多个食物链相互交织构成的网状结构——生态系统功能过程载体食物链种类：捕食性食物链腐生性食物链寄生性食物链食物链研究意义—组成及量的调节对保护生物资源意义大，具有经济价值—食物链生物富集作用（重金属、有毒难降解物质）

海水浮游生物小鱼鱼鱼鹰人DDT3×10-124×10-85×10-72×10-62.5×10-53×10-5

富集107

食物链：生态系统中生物以食物联系建立起来的链索关系9营养级：食物链的各个环节，同样方式、获相同性质食物，同一食性层次——生态同位典型森林生态系统营养级：植物食草动物一级食肉动物二级食肉动物分解者植物

生物个体数生物数量金字塔

营养级的表示生物量生物量金字塔能量（营养）能量金字塔

P—1500000

C1—200000C2—90000（单位：个体/0.1h㎡）C3—1生产者低位营养级

消费者高位营养级

4—5级（≤7级）每级利用率10%

寄生性食物链—倒置生物量金字塔

C1—21P—4营养级：食物链的各个环节，同样方式、获相同性质食物，10

功能

能量流动环境生产者分解者消费者太阳光量子

——太阳光量子以波的形式传递至绿色植物体表——遵循热力学第一定律：能量守恒与转换定律——遵循热力学第二定律：关于有限空间、时间内一切和热运动有关的物理、化学过程具不可逆性

功能11

能量单向流动：集中分散高低 能量传递中熵增加，熵不变能量无传递生态系统保持稳定是由于负熵的不断输入每一营养级都有能量损失生态系统能量平衡保证生态系统平衡能量在营养级流动的特点：有损失或剩余同化中产生废物、排泄物同化中耗能，维持生命能量单向流动：集中12物质循环——化学元素在生物圈中的物质循环过程基本元素：C、H、O、N、S、P大量元素：Na、Ca、Mg、K微量元素：Cu、Zn、Mn、B——包括生物、地质、化学系统的循环：生物地球化学循环——物质在库间转移而流动元素在环境中的贮库：水（H、O）大气、水体N大气、生物、地壳周转时间=库量/流通率H2O在大气库10.5dSi在海洋库8000aN在大气库100万aNa在海洋库2.06×1028a物质循环13

个体水平—生物新陈代谢物质循环的三级水平生态系统—生产者消费者分解者环境生物圈—生物地球化学循环物质循环的特点：物质重复再利用性物质循环周期性

主要元素的循环

水循环：动力—太阳辐射（H、O） 蒸发降雨主要过程地下水地表水动植物吸收渗出个体水14

碳循环：大气、水圈、生物圈为碳循环库大气库CO27×1011t地质库CO32－2.7×1016t

主要过程

呼吸CO2

光合作用

燃烧植物

CO32－分解

动物

化石燃料碳循环：大气、水圈、生物圈为碳循环库15

氮循环：

大气氮

固氮

氨

硝化作用

NO2－、NO3－

生物合成

反硝化作用

游离氮

分解

有机氮

大气固氮岩浆固氮固氮形式生物固氮工业固氮

氮循环：16

磷循环

硫循环气态循环SO2H2S沉积循环SO42－

生物循环SO42－H2S

磷酸盐（岩、矿）鸟粪层海鸟、鱼

天然侵蚀浅海沉积深海沉积

食物链

人工开采

原生质

磷细菌

溶解PO43－磷循环磷17

生物生产——生物性产品的生产过程——在能量代谢、物质循环中完成——物质、能量的重新分配、组合形成有机物初级生产（第一性生产）：绿色植物光合作用中无机物转化为有机物总初级生产量GP净初级生产量NP=GP－R R：呼吸消耗的物质、能量次级生产：各级消费者转化的物质、能量以初级生产为基础，受条件、自身局限有机物与化学能再加工与转化净次级生产量P=I－Fu－RI：采食量：Fu：排泄量

营养级能量转化效率——生态效率生物生产18营养级能量转化（CederBog湖能流分析）

呼吸代谢R0=96.3呼吸代谢R1=18.8总初级生产量GP=464.7食草动物捕食I1=62.8食肉动物食I2=12.6未利用M0=305.6未利用M1=31.4LA

=23200能量摄取效率：It/It－1初级能量摄取效率：I0/I=GP/LA

同化效率：At/At－1初级同化效率：Ao/A=Io/I生产效率：Pt/Pt－1初级生产效率：Po/P=Io/I初级生态效率

=464.7/23200=2%次级能量摄取效率=I1/

GP=13.5%

次级同化效率=I2+M1/GP=9.5%

次级生产效率=I2/GP=2.7%次级利用效率=I2+R1/GP=6.8%营养级能量转化（CederBog湖能流分析）19

信息联系——信息把生态系统联成统一整体营养信息：食物链为一个营养信息系统化学信息：化学分泌物物理信息：声、光、色行为信息：行为格式

多样性复杂性信息流特点种类多储量大未知因素多信息流动过程：产生获取处理再生施效信息联系20

3.系统的状态与平衡生态系统的状态调节、反馈机制正反馈——个体及种群数量增加导致远离平衡状态负反馈——个体数量增加，食物资源减少，个体死亡增加，种群数量减少，系统一般可保持平衡 3.系统的状态与平衡调节、反馈机制21：生态平衡

含义：生态系统在较长时间内组成成分相对协调物质能量输出入接近相等结构功能基本稳定在一定的外来干扰下通过自我调节恢复稳定状态

特征：结构平衡功能平衡收支平衡

特点：平衡是动态的、相对的、有限度的平衡按一定规律运动、变化平衡的原因是生态系统内部自动调节能力—环境自净能力环境自净能力程度取决于生态系统结构多样性功能完整性

：生态平衡22生态平衡破坏因素：

自然原因——自然界异常变化人为原因——人类活动影响

物种消失物种改变物种引进基因工程

污染物进入环境环境因素改变植被破坏地貌改变信息破坏环境污染破坏信息物质生态平衡破坏因素：23生态平衡失调的标志：

结构上的标志一级结构缺损：生产者、消费者、还原者、非生物成分间结构二级结构缺损：生产者、消费者、还原者、非生物成分各自内部结构功能上的标志能量流动受阻物质循环中断生态平衡失调的标志：24生态平衡的恢复与重建

恢复使受损生态系统从远离初始状态回到干扰、破坏前状态重建对生态系统改善，减少不希望的特点，增加人类期待的特点——生态平衡的相对性：动态的过程，不可能停留在某状态目标使重建向有利的方向发展已破坏的生态平衡得到恢复，并在更高层次重建改变、阻止生态系统退化的主导因子措施 调整、配置、优化系统内外功能过程采用生态工程技术生态平衡的恢复与重建254.生态学的规律与应用生态学的基本规律相互依存、相互制约规律——物物相关、相生相克律物质循环、转化与再生规律——能流物复律物质输出入的动态平衡规律——协调稳定律相互适应与补尝的协同进行规律——协同进行律环境资源的有效极限规律——负载有额律应用全面考察人类活动对环境的影响充分利用生态系统的调节能力，保护生态平衡制订生态规划方案综合利用资源、能源科学制订国民经济计划阐明污染物在环境中的迁移转化规律在环境保护中的应用环境质量的生物监测、评价制订环境标准和环境容量4.生态学的规律与应用26生态工程利用生态系统中物种共生、物质循环再生原理

结构、功能协调原理以结构最优化方法设计的分层利用物质的生产系统相关词：生态工艺技术——以最小的代价措施，对环境损害最小的技术目标：促进自然界良性循环充分发挥物质的生产潜力防治环境污染 经济效益、生态效益同步发展核心：整体、协调、循环、再生——马世骏范畴：工业、农业、林业、水利、沙漠化防治、污染防治生态工程275.生态系统服务Costanza：生态系统提供的商品和服务的总称Daliy：人类社会对自然生态系统的依赖性内涵提供生产、生活原料创造、维持地球生命支持系统形成人类生存环境条件——生态系统功能的另一种表现形式效用有机质的生产形成和维持生物多样性 调节气候 调节水循环 保持水土 控制有害生物、病虫害 净化环境、环境自净力 文化休闲5.生态系统服务28价值评价生态系统服务的经济估算生态系统种类×每种生态系统现存面积×单位面积年均价值=生态系统服务总价值意义建立环境—经济综合核算体系制订自然资源价格体系 科学决策 提高环境意识方法

市场价值法生态环境作为生产要素—成本对生产量、生产率、利润的影响程度

恢复费用法用修复费作为生态破坏的经济损失

影子工程法用恢复工程投资估算表示（恢复费用法的特殊形式）

机会成本法资源的多种使用“机会”中，以最大获益为机会成本

调查评价法由专家、环境利用者评定

替代性市场法用间接的商品、劳务替代市场价值法中的产品

人力资本法用人体健康受损、人员死亡的医疗费用、收入损失估算价值评价生态系统服务的经济估算296.生态系统管理含义具有明确的目标有政策、协议和实践活动保证以对生态系统最佳认识为基础进行研究、监测、不断适应性的管理达到人类活动和保护自然和谐统一实施提出目标生态系统状态评估整体性管理（生态系统“健康诊断）——受损生态系统恢复、重建——生态安全与生态风险评估——工业生态学与清洁生产6.生态系统管理30第五章环境生态学基本理论与应用1.生态学与环境生态学从定义出发理解生态:Ecology源于希腊文Oikos——‘自然界的经济学’生态学定义：研究生物或生物群体与其环境相互关系的科学研究生物与其环境间相互关系及作用机理的科学（马世骏）生命系统动物人植物微生物

环境系统自然环境社会环境

作用、反作用对立、统一相互关系相互依赖、制约物质循环、代谢第五章环境生态学基本理论与应用1.生态学与环境生态学生31从研究内容理解一般生态学：以特定生物为研究对象环境生态学：以人为主体的生态系统为研究对象生态学的分支

植物生态学动物生态学按种类划分微生物生学人类生态学

个体生态学按存在状态划分种群生态学群落生态学生态系统

从研究内容理解32

种群特定时间、空间同种个体的组合——物种存在、繁殖、进化的基本单位空间特征：种群的发展潜力—空间数量基本特征数量特征：种群密度遗传特征：遗传、变异性—生物进化遗传学基础

群落特定时间、空间不同种生物的总和一定的物种组成：种类、数量，群落多样性基础物种间相互影响：竞争、捕食、互利、寄生影响环境的功能；群落环境基本特征一定的外貌和结构：生态结构、形态结构、营养结构动态特征：季节、年际演替、演化一定分布范围边界特征种群特定时间、空间同种个体的组合33

从研究方法理解当代生态学——多学科交叉定性 定量社会生态学宏观微观复合生态系统工业生态学 单一 综合应用生态系统城市生态学 静态 动态文化生态学 基础 应用环境生态学生物生态学环境

系统工程学系统生态学整体观（核心

）

工艺学工业生态学功能观经济学经济生态学经济观

+化学化学生态学生态信息

物理学物理生态学+数学数学生态学数学模型最优化方案

经济效益社会效益生态效益从研究方法理解生物生态学系统工程学34

发展趋势涵盖一切传统领域，形成许多现代观念：

生态工艺生态城市生态安全生态文明生态价值生态哲学生态美学2.生态系统含义马世骏：“生命系统与环境系统在特定空间的组合”一定空间生物与周围环境的集合体自然界基本单位，具有一定结构和功能生物—环境相互作用、影响、制约不断进行物质循环、能量交换一定时间内处于动态平衡、相对稳定状态2.生态系统35

无机物非生物组成：环境要素有机物自然因素

组成

生产者—绿色植物食草动物（一级消费者）生物组成消费者—动物

分解者—微生物食肉动物（二级消费者）微型动物组成36类型

自然生态系统

静水生态系统

淡水生态系统

水域生态系统流水生态系统咸水生态系统：海洋、远洋、珊瑚礁按要素类型荒漠生态系统草原生态系统陆地生态系统森林生态系统稀树干草生态系统

湿地生态系统

按人类影响程度半自然生态系统人工生态系统

类型静水生态系统淡水生态系统37结构生物种类形态结构种群数量骨架—形态结构标志种的空间配置 种的时间变化（发育、季相）

营养结构：生态系统组成部分间营养关系环境生产者分解者消费者结构营养结构：生态系统组成部分间营养关系环境生产38食物链：生态系统中生物以食物联系建立起来的链索关系食物网：多个食物链相互交织构成的网状结构——生态系统功能过程载体食物链种类：捕食性食物链腐生性食物链寄生性食物链食物链研究意义—组成及量的调节对保护生物资源意义大，具有经济价值—食物链生物富集作用（重金属、有毒难降解物质）

海水浮游生物小鱼鱼鱼鹰人DDT3×10-124×10-85×10-72×10-62.5×10-53×10-5

富集107

食物链：生态系统中生物以食物联系建立起来的链索关系39营养级：食物链的各个环节，同样方式、获相同性质食物，同一食性层次——生态同位典型森林生态系统营养级：植物食草动物一级食肉动物二级食肉动物分解者植物

生物个体数生物数量金字塔

营养级的表示生物量生物量金字塔能量（营养）能量金字塔

P—1500000

C1—200000C2—90000（单位：个体/0.1h㎡）C3—1生产者低位营养级

消费者高位营养级

4—5级（≤7级）每级利用率10%

寄生性食物链—倒置生物量金字塔

C1—21P—4营养级：食物链的各个环节，同样方式、获相同性质食物，40

功能

能量流动环境生产者分解者消费者太阳光量子

——太阳光量子以波的形式传递至绿色植物体表——遵循热力学第一定律：能量守恒与转换定律——遵循热力学第二定律：关于有限空间、时间内一切和热运动有关的物理、化学过程具不可逆性

功能41

能量单向流动：集中分散高低 能量传递中熵增加，熵不变能量无传递生态系统保持稳定是由于负熵的不断输入每一营养级都有能量损失生态系统能量平衡保证生态系统平衡能量在营养级流动的特点：有损失或剩余同化中产生废物、排泄物同化中耗能，维持生命能量单向流动：集中42物质循环——化学元素在生物圈中的物质循环过程基本元素：C、H、O、N、S、P大量元素：Na、Ca、Mg、K微量元素：Cu、Zn、Mn、B——包括生物、地质、化学系统的循环：生物地球化学循环——物质在库间转移而流动元素在环境中的贮库：水（H、O）大气、水体N大气、生物、地壳周转时间=库量/流通率H2O在大气库10.5dSi在海洋库8000aN在大气库100万aNa在海洋库2.06×1028a物质循环43

个体水平—生物新陈代谢物质循环的三级水平生态系统—生产者消费者分解者环境生物圈—生物地球化学循环物质循环的特点：物质重复再利用性物质循环周期性

主要元素的循环

水循环：动力—太阳辐射（H、O） 蒸发降雨主要过程地下水地表水动植物吸收渗出个体水44

碳循环：大气、水圈、生物圈为碳循环库大气库CO27×1011t地质库CO32－2.7×1016t

主要过程

呼吸CO2

光合作用

燃烧植物

CO32－分解

动物

化石燃料碳循环：大气、水圈、生物圈为碳循环库45

氮循环：

大气氮

固氮

氨

硝化作用

NO2－、NO3－

生物合成

反硝化作用

游离氮

分解

有机氮

大气固氮岩浆固氮固氮形式生物固氮工业固氮

氮循环：46

磷循环

硫循环气态循环SO2H2S沉积循环SO42－

生物循环SO42－H2S

磷酸盐（岩、矿）鸟粪层海鸟、鱼

天然侵蚀浅海沉积深海沉积

食物链

人工开采

原生质

磷细菌

溶解PO43－磷循环磷47

生物生产——生物性产品的生产过程——在能量代谢、物质循环中完成——物质、能量的重新分配、组合形成有机物初级生产（第一性生产）：绿色植物光合作用中无机物转化为有机物总初级生产量GP净初级生产量NP=GP－R R：呼吸消耗的物质、能量次级生产：各级消费者转化的物质、能量以初级生产为基础，受条件、自身局限有机物与化学能再加工与转化净次级生产量P=I－Fu－RI：采食量：Fu：排泄量

营养级能量转化效率——生态效率生物生产48营养级能量转化（CederBog湖能流分析）

呼吸代谢R0=96.3呼吸代谢R1=18.8总初级生产量GP=464.7食草动物捕食I1=62.8食肉动物食I2=12.6未利用M0=305.6未利用M1=31.4LA

=23200能量摄取效率：It/It－1初级能量摄取效率：I0/I=GP/LA

同化效率：At/At－1初级同化效率：Ao/A=Io/I生产效率：Pt/Pt－1初级生产效率：Po/P=Io/I初级生态效率

=464.7/23200=2%次级能量摄取效率=I1/

GP=13.5%

次级同化效率=I2+M1/GP=9.5%

次级生产效率=I2/GP=2.7%次级利用效率=I2+R1/GP=6.8%营养级能量转化（CederBog湖能流分析）49

信息联系——信息把生态系统联成统一整体营养信息：食物链为一个营养信息系统化学信息：化学分泌物物理信息：声、光、色行为信息：行为格式

多样性复杂性信息流特点种类多储量大未知因素多信息流动过程：产生获取处理再生施效信息联系50

3.系统的状态与平衡生态系统的状态调节、反馈机制正反馈——个体及种群数量增加导致远离平衡状态负反馈——个体数量增加，食物资源减少，个体死亡增加，种群数量减少，系统一般可保持平衡 3.系统的状态与平衡调节、反馈机制51：生态平衡

含义：生态系统在较长时间内组成成分相对协调物质能量输出入接近相等结构功能基本稳定在一定的外来干扰下通过自我调节恢复稳定状态

特征：结构平衡功能平衡收支平衡

特点：平衡是动态的、相对的、有限度的平衡按一定规律运动、变化平衡的原因是生态系统内部自动调节能力—环境自净能力环境自净能力程度取决于生态系统结构多样性功能完整性

：生态平衡52生态平衡破坏因素：

自然原因——自然界异常变化人为原因——人类活动影响

物种消失物种改变物种引进基因工程

污染物进入环境环境因素改变植被破坏