第三章 物质、能量、生态系统

第三章物质、能量、生态系统与环境保护本节课内容第三章物质、能量、生命与环境保护1.生态系统研究主要内容有哪些？2.生态系统物质循环在环境影响？3.生态系统能量流动对环境影响？4.如何理解生态系统演替？5.干扰对生态系统的影响有哪些？6.人工生态系统与环境关系？（1）.定义：

生态学(ecology)一词由德国学者E.H.Haeckel于1866年提出,他认为：“生态学是研究生物有机体与其无机环境之间相互关系的科学”。

ecology一词源于希腊文，由词根"oiko"和"logos"演化而来，"oikos"表示住所，"logos"表示学问。因此，从原意上讲，生态学是研究生物"住所"的科学。不同学者对生态学有不同的定义。1.生态系统研究主要内容有哪些？关于生态学的其它几个定义：英国生态学家Elton(1927)的定义是“科学的自然历史”；澳大利亚生态学家Andrewartha(1954)认为，生态学是研究有机体的分布与多度的科学，强调了对种群动态的研究；美国生态学家Odum(1959，1971，1983)的定义是研究生态系统的结构与功能的科学；我国著名生态学家马世骏认为，生态学是研究生命系统和环境系统相互的科学。1.生态系统研究主要内容有哪些？（2）生态学的发展①.生物学分支学科阶段：

20世纪

60年代以前

,生态学基本上隶属于生物学的一个分支学科。②综合性学科阶段：

20世纪

60年代以后，突破了生物科学的范畴,成为当代最为活跃的科学领域之一

。③发展展望：生态学将以生态系统为中心,以生态工程为手段,在协调人与自然的复杂关系,探求全球走可持续发展道路的战略,做出重要贡献。

1.生态系统研究主要内容有哪些？（3）、生态系统类型

根据其形成的原动力和影响力，可分为自然生态系统、半自然生态系统和人工生态系统根据其环境性质，可将生态系统分为陆地生态系统和水生生态系统1.生态系统研究主要内容有哪些？1.生态系统研究主要内容有哪些？为研究方便起见,人们从不同角度,把生态系统分成若干个类型。按环境中的水体状况,可把地球上的生态系统划分为:

1.水生生态系统

2.陆生态系统按人为干预的程度划分,又可以分为:

1.自然生态系统

2.半自然生态系统

3.人工生态系统。

生态系统的大小,也可以根据人们研究的需要而划定。

(小到自然界中的一滴水,大到地球表面的生物圈)

(4)生态系统的组成

①生物成分

：

生产者、消费者和分解者

②非生物成分

：

指各种环境要素,包括温度、光照、大气、水、

土壤、气候、各种矿物质和非生物成分的有机质等。

1.生态系统研究主要内容有哪些？(5)生态系统的结构①形态结构

：

生态系统生物种类、种群数量、种的空间配置和时间变化等,构成了生态系统的形态结构

②营养结构：

生态系统各组成部分之间,通过营养联系构成了生态系统的营养结构

1.生态系统研究主要内容有哪些？1.生态系统研究主要内容有哪些？(5)生态系统的功能①生态系统的物质循环②生态系统的能量流动③生态系统的信息传递物质循环：指生态系统中构成生命体的各种物质以及一些非生命体构成的必要物质的传递和转化的动态过程。生态系统从大气、水体和土壤等环境中获得营养物质，通过绿色植物吸收，进入生态系统，被其它生物重复利用，最后再归还于环境中，此为物质循环，又称生物地球化学循环。2.物质循环在环境保护中的作用？物质循环与能量流动不同，能量流是单向流动的，而物质流则构成一个循环的通道。物质循环可以用库（pool）和流通（flow）两个概念加以概括。库是由存在于生态系统某些生物或非生物成分中一定数量的某种化合物所构成的，一种元素可以存在一个或多个库中，而流通则是元素循环时所经过的路线。2.物质循环在环境保护中的作用？（1）、碳循环

碳固定：光合作用，地表中一些化石燃料、碳酸盐碳释放：呼吸、微生物分解、燃烧、风化作用、火山喷发1.物质循环在环境保护中的作用？1.物质循环在环境保护中的作用？（2）、氮循环无机形式：氮、亚硝酸盐（NO2-）、硝酸盐（NO3）

有机形式：尿素、蛋白质、核酸决定性氮储存库植、藻氮固定自然固氮：闪电、火山喷发、工业硝酸盐、氨生物固氮：N2

硝酸盐氨基酸蛋白质（动植、菌、藻）1.物质循环在环境保护中的作用？氮污染：过量氮排入水库水体富营养化

(最有害的是NO2)N2释放：动植物残体（蛋白质）分解NH3（火山）亚硝酸盐硝酸盐反硝化作用N2*工业固氮占总固氮量的约1/3*固氮量长期超过释放量，造成生物圈氮含量增加1.物质循环在环境保护中的作用？

（3）、磷循环磷的来源：磷酸盐岩矿、鸟粪层、动物骨骼陆地生态系统的磷循环：植物吸收无机磷蛋白质、核酸细菌分解植物利用进入河流、海洋水生生态系统磷循环：浮游植物吸收（无机、有机磷）浅海鱼、鸟吸收陆地（少部分）沉积磷污染：进入生物地球化学循环的磷很少，但人类大规模开发磷矿水体水污染磷循环示意图磷酸盐岩矿鸟粪层动物骨骼毒物沉积的湖泊Lebargelake1.物质循环在环境保护中的作用？

碳循环与环境保护的关系？氮循环与环境保护的关系？磷循环与环境保护的关系？3.能量流动对环境影响？食物网：食物链之间相互交错形成复杂的网状食物关系称为食物网。营养级：生态系统中的能量流动是通过有机体和食物链逐级转化和传递的，生物链上的每个环节都是一个营养级。

能量沿营养级向下一级传递过程中急剧减小，通常下一级为上一级的1/10（称为林德曼效率或十分之一法则）。

3.能量流动对环境影响？生态金字塔的三种类型：能量金字塔：（不会倒置）是表示生态系统营养结构和能流的好方法数量金字塔：容易发生倒塌生物量金字塔：较少倒置3.能量流动对环境影响？2.能量流动对环境影响？请举出实例?草场超载温室效应热岛效应

4.如何理解生态系统演替？生态系统演替：生态系统结构功能随时间推移发生变化过程。群落规律性，方向性研究是争论焦点。发生原因：植物繁殖体迁移、散布和动物活动性，内外环境变化，种间种内关系改变，人类活动干扰。Tilman的资源比率学说解释生态系统演替中起到重要作用（1985）。生态系统演替理论：单元顶级理论、多元顶级理论和顶级格局假说。

Tilman的资源比率学说认为：资源比率的变化最终可导致群落物种组成成分变化，即资源比率决定生态系统演替过程，资源控制生物区系，生物反过来改变其赖以生存的环境条件。包括：养分、水分、光等被生物“消费”的生态因子。湿度、温度等不是资源。

多重演替理论：演替方向取决环境因子性质，演替过程存在多途径现象，即演替有趋同性和趋异性。

单元顶级理论：只有气候是演替决定因素，其他都是第二位。多元顶级：除气候外其他因素都可决定顶级形成。顶级格局：任何一区域内，环境因子都连续不断变化，随环境条件梯度变化，各种类型顶级群落也连续变化。自然条件下植被演替过程（引自Cunningham等,2002）

（1）干扰及其内涵5.干扰对生态系统的影响内涵：类型：生态因子角度：群落外部因子超正常波动，引起有机体、种群或群落明显变化，使生态系统结构功能损害或改变现象。自然、人为干扰；物理、化学和生物干扰等（2）干扰特点多重性相对性尺度性不协调广泛性

对生态系统有多方面

影响同样事件，某种条件下对生态系统形成干扰，其他条件下可能无影响研究尺度差异，干扰定义也不同。对生态系统为干扰的事件，景观尺度上可能是正常扰动干扰结果可能导致景观内部异质性提高，无法与原有景观格局协调存在于自然界各个尺度的各个空间

水葫芦学名凤眼莲，原产南美，世界十大害草之一。广泛分布河流、湖泊中，无性繁殖极快，形成单一优势群落，堵塞河道和淤填湖泊。

因人类活动有意无意将外地生物引到本地后快速生长繁衍，危害本地生产和生活，改变当地生态环境，带来很大危害。

生物入侵ABCD人类活动黄土高原水土流失约占国土陆地面积38%原本秀美的科尔沁草原演变成我国面积最大沙地太行山树木过度砍伐导致动植物物种加速灭绝长江源头牦牛过渡放牧导致植被退化非生物因素影响植被的斑块状嵌物候结构多样性气候影响动物影响喜食情况种子散布食物贮藏排泄物践踏植被影响异种抑制现象遮荫作用繁殖特点土壤影响营养物质土壤质地地形特点陆地生物群落水平格局的主要干扰因素干扰的性质含义分布地理、地形、环境、群落梯度频率一定时间内干扰发生的次数重复间隔频率倒数，本次干扰到下次发生时间周期与上述类同预测性由干扰重复间隔倒数来测定面积及大小受干扰的面积规模和强度对格局过程，或生态系统结构功能影响影响度对个体、群落生态系统影响协同性对其他干扰影响注：摘自陈利顶，傅伯杰，干扰的类型、特征及其生态学意义，生态学报，2000，20（4）：581-586.干扰的性质和含义

生态系统有自我调节恢复能力，但有限，一旦干扰超过调节能力，会遭到不可逆的破坏。

恢复力大小b恢复a干扰退化正常状态运行范围抵抗力大小生态系统结构功能时间图9-8反映生态系统结构和功能对干扰响应的概念框架

干扰与生态系统调控生态恢复的内涵和特征

内涵：

5.如何进行生态恢复？改变生态系统退化的主要因子及过程，调整优化系统秩序，使其结构功能和生态学潜力恢复到一定或原有水平甚至上升到更高水平。涵盖范围:

保护被严重干扰的局部区域提高已退化土地生产力提高景观保护地自然保护价值恢复景观尺度和局部地区生态过程中国土地退化的基本特征（一）类型多、分布广、面积大、发展快

水土流失总面积占国土面积的37.1%沙漠化土地占国土面积的25%盐渍化土地占国土面积的3.9%草地退化占国土面积的9.1%，其中中度退化以上占半数

土地退化的发展呈现出“局部治理，整体恶化”的趋势

20世纪50－60年代：土地退化由局部到大面积发生期70－80年代：土地退化大面积快速发展期90年代：土地退化持续发展，且部分得到控制期21世纪：向控制土地退化，大面积生态治理方向发展期（二）类型组合的地域差异大

中国土地退化类型分区

中国地域辽阔，自然环境不稳定，且类型复杂多样，人类活动影响深刻且广泛。土地退化类型组合和人类活动对土地退化影响程度的地域差异极为显著。从宏观上看，呈现东西分异自东向西依次为：

沿海人为影响土地退化的地带东部人为加速土地退化的地带中部人为加速土地退化的严重地带西部自然－人为影响土地退化的地带

土地退化类型组合呈现南北差异：北方以沙化、草场退化、水土流失和盐渍化为主要类型组合南方以水土流失、石漠化、土地污染和潜育化为主要类型组合第一节土地退化的特征

（三）危害严重土地退化加剧自然灾害，影响生态安全土地退化加剧土地资源短缺，影响食物安全

近50年来，因水土流失平均每年毁掉耕地7×104

hm2以上造成草地退化约100×104km2每年50×108t泥沙流失年均损失粮食30×108kg土壤每年流失的N、P、K超过全国的施用量

土地退化使得生态安全的风险加大退化土地加速土壤侵蚀过程，进而加剧自然灾害，影响生态安全

根据国务院统计20世纪70年代末：55%的贫困县，60%的贫困人口分布在严重土地退化的地区1986年底：84.5%贫困县、1.63亿人口分布在水土流失严重的山地丘陵区1999年底：3/4的贫困县和90%的农村贫困人口生活在水土流失严重的地区，其中：300个贫困县的1.7亿人在沙漠化和风沙频繁活动的地区土地退化加剧贫困程度，影响社会安全土地退化降低固碳能力，加剧气候暖干化

土地退化造成原有碳储量丧失和固碳能力的下降，加剧气候升温造成地面反照率增大，土壤水分蒸发增强加速地表空气水分的散失，降低地表和土壤湿度主导生态因子原理限制性与耐性定律能量流动物质循环原则种群密度制约与物种作用原则生态位与生物互补原则边缘效应干扰原理生态演替原则生物多样性原则食物链与食物网原则缀块－廊道－基质景观格局原则空间异质性原理空间尺度与等级理论整体原则协同恢复重建原则耗散结构原则开放性原则可控性原则经济可行性与可承受性原则技术可操作性原则社会可接受性原则无害化原则、最小风险原则生物、生态与工程技术相结合原则效益原则可持续发展原则区域性差异性和地带性原则生态学原则地理学原则系统学原则自然法则社会经济技术原则生态恢复与重建原则生态恢复和重建的基本定律、原理和原则（修改自盛连喜，2002）黄土高原水土保持与生态恢复

特点：低消耗、多效益、可持续。涉及理论：系统理论、工程学理论和生态学理论。模型：概念、文字、物理和数学模型。

应用：废污水资源化处理、林业保护、湖泊富营养化、水产养殖、土地改良、废弃地开发和资源再生等方面。生态系统工程

工程类型传统工程环境工程生态工程生物工程基本单元自然、社会系统自然、社会系统生态系统、景观细胞基本理论工程学环境科学环境工程生态学、环境科学与工程遗传学细胞生物学基本能源化石能化石能太阳能等可再生能源化石能基本费用大量大量合理大量设计特点人为人为人类辅助下自组织人为控制结构任意污染源有机体与环境遗传干扰与自然关系破坏再污染协调、无污染干扰生物多样性减少改变保持或增加改变注：摘自钦佩，安树青，颜京松，生态工程学，南京：南京大学出版社，2002.生态工程与环境工程、生物工程和传统工程的比较

自然保护区的环境管理（1）保护区地点的选择与面积

地点选择：保护区必须有足够复杂的生境类型，保护关键种，特别是关键互惠共生种的生存。

面积确定：按生态系统的平衡假说，面积越大，对生物多样性保护越有利。关键是被保护目标物种生物学特征。周围生态系统与保护区相似的面积可小点。案例研究

可可西里自然保护区保护区腹地内藏羚羊群正在迁徙实验区缓冲区有限度的科研核心区有限度旅游，生态保护工程协调人类活动和自然保护理想自然保护区功能分区（引自傅伯杰等，2001）（3）保护区内部的功能分区错那湖是西藏林错黑颈鹤保护区的核心区，建设中的青藏铁路最近处与其只相差十几米，为保护其不受污染，实行严格施工监控措施。（4）保护区之间的连接和廊道和景观保护藏族牧民正在进行植被恢复与再造青藏铁路野生动物通道模拟图隧道上方通道：为高山山地动物设计，设置栅栏防止动物进入隧道，与桥梁组成桥隧复合通道，共有3处桥梁下方隧道：为藏羚羊、藏原羚等中小型动物设计，桥下通道净高要求大于3米，共有13处缓坡平交通道：铁路两侧路基坡度不大于35度，高度小于2.5米，并设置警示牌，共有7处。6人工生态环境类型与特点（1）人工环境定义是指在自然物质的基础上，通过人类长期有意识的社会劳动，加工和改造自然物质，创造物质生产体系，积累物质文化等所形成的生态环境体系。（2）人工生态环境类型（2）人工生态环境的类型根据空间特征可分为：

点状环境：以人类聚集地为中心，可以分为：城市环境、乡镇环境、城郊过渡带和农村。

面状环境：农业和林业等大面积的人工工程，可以分为：农田环境、人工森林环境和水利环境。

线状环境：公路环境、铁路、地铁和航线环境等交通线路。（2）人工生态环境的类型根据人类控制的程度高低可分为：

完全人工生态环境，例如空中的飞行器和深海潜艇；

不完全人工生态环境，例如城市建筑物等人类居住环境、工厂化的养殖和种植基地以及自然名胜中的人文景观。（3）人工生态环境的特点人类作为主导因子，环境人工化明显人工生态环境的多样化人工生态环境的脆弱性人口相对集中环境污染严重危害人类健康的因素增多环境安全性降低（4）典型人工生态环境城市生态系统乡镇与农村生态系统人工种植与养殖基地水利环境交通环境人文环境①城市环境城市（city）是以人为中心的，以一定的环境条件为背景、以经济为基础的社会、经济、自然综合体，是经过人类创造性劳动加工形成的符合人类自身需要的社会活动场所，是人类占绝对优势的自然-经济-社会复合生态系统。城市环境的特点城市人口的数量和密度较大，城市人口还具有包括人口结构等自然和社会特征的人口环境要素。

城市环境特点城市环境组成独特、结构复杂、功能多样。城市环境包括自然环境、人工环境和社会经济环境。诸多的自然和人工环境要素构成复杂的结构。

具有居住、交流、教育、文化和景观娱乐等多种功能。城市环境特点城市环境限制因子众多，人与自然、城市与周边地区矛盾集中。以水资源的供应为例，城市人口剧增，耗水量随之增加，水资源短缺问题已经成为限制城市发展的瓶颈，导致城市生态环境恶化，影响人民生活水平和质量的提高。我国城市中有近300个城市缺水，我国北方10个省市区由于地下水过度开采，形成大小地下水降落漏斗50多个，最深达70m以上。城市环境特点形成特殊的城市景观

城市景观具有大量的、规则的人工景观要素，如摩天大楼、街道、绿化带、商业区、文化区和工业区等，是各种人造景观的高度集合。

城市空间环境特点城市化城市化(Urbanization)①工业化导致城市人口的迅速增加②单个城市地域的扩大及城市关系圈的形成和变化的过程③形成城市特有的生活方式、组织结构和文化④拥有现代市政服务与管理系统⑤具有一定量的流动人口。城市化一般用城市人口占总人口数的比重来表示。

城市化趋势中国城市化发展趋势♠发展迅速♠国际化

♠连绵化

♠郊区化

♠社会极化

城市与乡村环境的比较研究比较分析自然环境大气、水、土壤、岩石、生物、生态系统、自然景观和温度、湿度等。人工环境建筑、交通、居住环境和人文景观等社会经济环境教育、医疗、文化、娱乐和通讯等。②

城郊过渡带

(1)概念城郊过渡带处于城市和郊区的过渡地区，主要依托靠近城市的地理环境，产业结构主要以轻工、纺织、建材、矿业、以及为城市服务的蔬菜和农副产品生产和加工业为主，可为城市提供原材料、农副产品和某些初级工业产品，成为城乡之间稳定、协调、持续发展的敏感区和脆弱带。②城郊过渡带(2)环境特点：城市系统与乡村系统的交错地带环境污染严重和管理缺乏的地区基础设施和生态环境建设的薄弱地区(3)城郊过渡带的发展道路情景分析一是盲目扩张。以泰国曼谷为例，由于缺乏科学和明确总体规划，没有健全的法律和管理手段，城市扩张的环境效应如下：土地资源浪费，土地开发超过发展的需要；农业用地没有得到保护；交通体系不合理；脏乱小区贫困、脏、乱；区域环境难以恢复。二是严格控制和管理。以德国为例，严格控制城市的扩张，明确城市区划的功能；严格保护环境资源，如森林、湿地和水域等；应用环境影响评价于所有建设项目包括农业项目；鼓励公众参与环境决策。③乡镇环境乡镇

作为乡人民政府所在的集镇，是中国行政区划中最低一级的建制。目前我国有中小城镇5万多个，它们处在城乡融合的交汇点，是一种承上启下兼有城乡两种特点的城市类型，中小城镇是我国实现可持续发展的主体和关键。③乡镇环境重要的作用表现：

对我国农业剩余劳动力转移，缩小城乡差别等起到了关键作用；

壮大了农村集体经济；

促进了农业现代化；

促进了我国的城市化、工业化进程。③乡镇环境环境特点处于城市和乡村的过渡带，景观多样性和丰富度增加乡镇规划中存在规划不合理，布局混乱的现象缺乏对乡镇的环境规划和管理成为乡镇经济发展的一大瓶颈。产业结构的不合理和工艺的落后，资源过度消耗。落后的技术降低资源利用率，加快了自然环境破坏和退化的速度。资金、技术、执法力度等因素综合限制了乡镇基本设施的建设，严重的环境污染使综合控制的难度加大。④农村环境

④农村环境特点土地、草原和林地退化现象普遍，水土流失面积、侵蚀强度和危害程度在部分地区呈加剧趋势；水土流失面积为国土面积的38.2%。原始和落后的生产观念和生活方式与现代生产方式和技术之间的冲突，加剧了农村环境的恶化。城市、乡镇和农村系统间交流的不平衡，自然资源和生产、生活资料源源不断地流向城市，而各种环境污染和废物却不断的向乡村转移。大气、水、土壤、固体废物以及物理污染全面影响着农村的环境安全。

环境问题使得农村贫困化问题的解决更为复杂。⑤人工种植环境

我国种植业结构比例图我国种植业环境特征环境及人工组分呈现多样化。从完全人工控制的工厂化的种植基地，到人工种植为主，完全“靠天吃饭”的农副产品生产过程。环境污染的点、面结合，污染的程度加重。农药、化肥的不合理使用,对环境产生全方位的污染。大气污染、土壤污染、水污染中的各种污染物和各种废弃物通过各种物质作为媒介，把污染富集在所种植的各种农副产品中，间接影响生态系统和人类的健康。例如，对上海市蔬菜及菜区土壤的研究结果表明，上海市蔬菜受到重金属污染，尤以Cd和Pb污染为甚，超标率分别为13.29%和12.0%。⑥水利环境

水利环境特点：人工水利工程形成的复杂网络系统，对不同时空尺度下的自然环境、社会环境和经济环境具有重大的影响。建成的人工水利工程部分或完全成为自然环境的组成部分。人工水利工程周围的自然环境和社会经济环境对水利工程的结构、功能和正常运行产生一定的影响。人类的主观意识是人工水利工程建设和运行的决定性因素，与自然规律相违背的观念和行为是导致生态环境负面效应的重要原因。生态水利事实证明单靠水利工程不能解决所有的洪涝旱灾等问题，应该走生态经济型的生态水利模式。所谓生态经济型的生态水利模式:

就是要“坚持全面规划、统筹