第三章生态学基础

第三章生态学基础生态学生态系统生态平衡生态学的一般规律第一节生态学研究的基本内容一、生态学的含义及其发展1、含义生态学是一门研究生物与其生活环境相互关系的科学，是生物学的主要分支之一。生态学就是研究生命系统和环境系统之间相互作用的规律和机理的一门学科。它以一般生物为对象，研究自然环境因素与生物的相互关系。2、生态学的发展（1）研究对象：传统生态学现代生态学（2）与基础科学和应用科学相结合，发展了生态学，扩大了生态学的领域。如：数学生态学、系统生态学、经济生态学等。植物动物人类二、生态系统的概念与功能1、生态系统（1）生态系统的概念种群（Population）：一个生物物种在一定范围内所有个体的总和。群落（Community）：在一定的自然区域中许多不同种的生物的总和。生态系统的基本组成部分为：生产者、消费者、分解者和转变者、无机营养分。任何一个生物群落与其周围非生物环境的综合体。生态系统（Ecosystem）：（2）生态系统的组成和作用生态系统组成的结构框图一个简化了的陆地生态系统一个简化了的池塘生态系统（3）生态系统的类型按生态系统的环境性质和形态特征分：（a）陆地生态系统：自然生态系统（森林生态系统、草原生态系统、荒漠生态系统等）和人工生态系统（农田、城市、工矿区等）；（b）淡水生态系统：包括湖泊、河流、水库等；（c）海洋生态系统：包括海岸、河口、浅海、大洋、海底等。生态系统具有多样性和多层次性（4）生态系统的结构

构成生态系统的各组成部分，各种生物的种类、数量和空间配置，在一定时期内均处于相对稳定的状态，使生态系统能够各自保持一个相对稳定的结构。主要有形态结构和营养结构。（a）形态结构：生物的种类、种群数量、种的空间配置（水平分布、垂直分布）、种的时间变化。干草原或荒漠化草原上旱獭生产者（绿色植物）还原（分解）者（细菌、真菌）消费者（动物）环境（土壤、空气、水）生态系统营养结构模式图（b）营养结构：生态系统各组成部分之间建立起来的营养关系。是生态系统能量流动和物质循环的基础。（5）食物链及营养级（a）食物链和食物网

所谓食物链，就是一种生物以另一种生物为食，彼此形成一个以食物连接起来的链锁关系。在一个生态系统中，食物关系往往很复杂，各种食物链互相交错，形成食物网。能量的流动、物质的迁移和转化都是通过食物链和食物网进行的。

一个生态系统中根据食物链能量流动的起点和生物成员取食方式的差异，可分成三种：捕食食物链：以活体绿色植物开始草蝗虫蛇鹰藻类甲壳类小鱼大鱼腐食食物链：以死的动植物残体为基础动植物残体蚯蚓线虫节肢动物海洋中的有机碎屑浮游动物鱼类寄生食物链：以活的生物有机体为营养源哺乳动物跳蚤原生动物细菌病毒（b）营养级营养级：食物链的各个环节。生产者为第一营养级，依次是第二、第三、第四营养级，一般不超过七级。“螳螂捕蝉，黄雀在后”荒漠化草原食物网一个简化了的陆地食物网水生生物的生态系统及其物质和能量的流动示意图在数量上，第一营养级就必须大大超过第二营养级，逐渐递减，就造成了生物数目金字塔、生物量金字塔、能量金字塔。（c）生物富集作用某些自然界不能降解的重金属元素或其它有毒物质，经过食物链逐渐富集。DDT在某水生食物链中的富集2、生态系统中的能量流动（1）照射到地球上的太阳能量（a）太阳辐射的电磁波情况（b）太阳辐射及地球吸收太阳能的情况（2）生态系统中的能量流动（a）通过各级食物链，组成了生态系统的能量流动，并且服从热力学定律。（b）能量流动的实现途径：

光合作用和有机成分的输入；呼吸的热消耗和有机物的输出。（c）生态系统热力学公式：Pg＝Pn＋R其中：Pg为食物链某营养级的总产量或输入的能量；Pn为净产量；R为呼吸作用消耗的能量。（d）能量流动的特点①生产者即绿色植物对太阳能的利用率很低。(只有1.2％）；②能量只朝单一方向流动；③流动中能量逐渐减少，每经过一个营养级都有能量以热的形式散失掉；④各级消费者之间能量的利用率也不高，在4.5％～17％之间，平均起来约为10％；⑤能量在流动中，质量逐渐提高。注意：营养级之间的能量转化效率约为1／10，只是针对湖泊等水域生态系统的经验性法则；不同生态系统的能量转化效率差别很大；森林约为5％、草地是25％左右，浮游生物占优势的群落可达50％。3、生态系统中的物质循环——

生物地质化学循环生物地球(质)化学循环可分为三种类型：水循环：生态系统中所有的物质循环都是在水循环的推动下完成的。气体型循环：其分子某些化合物常以气体的形式参与循环过程，主要有碳、氮和氧等。循环快、全球性的沉积型循环：主要是通过岩石的风化作用和沉积物的溶解作用，才转变为可利用的营养物质。沉积型循环的物质有磷、硫、钠、钙等。循环慢，非全球性的（1）水循环水循环的动力是太阳能和重力的结合。（2）碳循环

碳是构成生物体的主要元素，是一切

有机物的基本成分。生物所需碳主要来自二氧化碳。绝大部分碳以碳酸盐的形式固定在岩石圈中。

有机物中的碳一部分以化石燃料的形式暂时离开循环。一般认为，海洋从大气中吸收的二氧化碳比释放到大气中的二氧化碳多，多余的转移到大型动物体内，沉积到海底的一部分很难降解，形成“可燃冰”暂时离开循环过程。二氧化碳增多引起的“温室效应”。岩石圈中的碳，通过岩石风化、溶解作用和火山喷发作用等返回大气圈。碳循环具有自我调节机制大气中二氧化碳含量有明显的日变化和年变化但其浓度基本上是恒定的。与碳循环有关的环境问题及其原因：（3）氮循环自然界中的固氮作用有三条：一是高能固氮，主要通过闪电、陨星、火山活动，形成氨或硝酸盐后随降水落到地表。二是生物固氮，约占地球上每年固氮量的90%。能固氮的生物可分为自生固氮和共生固氮生物。三是工业固氮。氮循环中的四种基本生物循环过程：固氮作用——无机氮转化为被还原成氨和其他含氮化合物,

进入生态系统氨化作用——将有机氮分解为氨与氨的化合物硝化作用——氨化合物转化为亚硝酸盐和硝酸盐反硝化作用——亚硝酸盐转化为大气氮，重返大气土壤中的硝酸盐被淋溶，经河流入海。海洋中的生物部分深入深海，积累下来，暂时离开循环。火山喷发出氮来补充。工业固氮量增加，使大气中被固定的氮不能以相应数量返回大气，一部分形成氮氧化物进入大气，造成大气污染。大量的氮进入水体形成水体的富营养化。水中氮化合物增加对人畜健康带来危害。与氮循环有关的环境问题：（4）磷循环（phosphoruscycle）沉积型循环沉积物中的磷（约为土壤和海洋中千倍以上）陆地海洋死有机物土壤中的无机磷活有机物死有机物深海的磷活有机物捕鱼鸟粪悬浮在水中随河水带走排泄死亡下沉分解沉积溶解于水上升风化开采摄取排泄死亡参与循环的物质中很大一部分又通过沉积作用进入地壳而暂时或长期离开循环。这是一种不完全的循环，属于这种循环方式的有磷、钾和硫等，进入深海的磷可通过三个途径返回陆地：被上涌流冲到陆地上来海洋变为陆地人工捕捞磷循环是不完全的循环，进入海底的磷沉积起来，重新返回的不足以补偿流失的量，使陆地上的磷损失越来越大，最终会成为人和生物的限制因子。人类对磷循环影响产生的环境问题：磷矿资源不足水体富营养化4生态系统中的信息传递

生态系统的功能整体性除体现在生物生产过程，能量流动和物质循环等方面外，还表现在系统中各生命成分之间存在着信息传递，习惯上称为信息流(Informationflow)。生态系统中的信息流可分为三类化学通迅信息流机械通迅信息流辐射通迅信息流这是生态系统生态学研究中的一个薄弱环节，同时也是一个颇具吸引力的研究领域，尤其是近几年关于行为信息的研究进展更为迅速。5森林生态系统在环境保护中的作用涵养水源和保持水土防风固沙吸烟滞尘、净化空气、减弱噪声美化环境保护野生动物三、生态平衡1、生态平衡的含义（1）概念生态平衡是生态系统在一定时间内结构和功能的相对稳定状态，其物质和能量的输入输出接近相等，信息传递畅通和控制自如，在外来干扰下能通过自我调节（或人为控制）恢复到原初的稳定状态。（2）生态平衡的原因生态系统内部具有自动调节的能力。

美国亚利桑那州的黑尾鹿，捕食者为美洲狮和狼。1905年以前黑尾鹿种群为4000头，1907－1918年捕打捕食者，鹿种群上升到4万头，1925年达到10万头，草场极度退化，1929年又降到4万头，以后降到1万头。

案例

19世纪末，挪威为保护雷鸟，捕猎猛禽和兽类，高密度的雷鸟却引起了球虫病和其它疾病的广泛传播，20世纪初，雷鸟一次又一次大量死亡。位梦华1940年生于山东平度，1962年考入北京地质学院攻读地球物理勘探专业，1967年毕业后分配到中国科学院地质研究所，从事地震成因及地震预报的探索与研究。1981年作为访问学者赴美进修，并于1982年10月去南极，1991年他独闯北极。生态系统越成熟，它的种类组成越多，营养结构越复杂，稳定性越强，对外界的压力或冲击的抵抗能力也越大，即阈值高；相反一个简单的人工的生态系统，则阈值低。只能在一定范围内、一定条件下起作用，如果干扰过大，超出了生态系统本身的调节能力，生态平衡就会被破坏，这个临界限度称为生态阈限。（3）生态危机由于人类盲目活动而导致局部地区甚至整个生物结构和功能的失衡，从而威胁到人类的生存。生态失衡的初期往往不易觉察。破坏生态平衡的因素（1）自然原因（2）人为因素物种改变环境因素改变信息系统破坏1968年进入法国的美国牛蛙，因为肉淡无味并没有成为美食国度的盘中佳品。可是，那些生活在法国的小型蛙类，小蜥蜴甚至是小鸟却成为了这种牛蛙的腹中之物。这种牛蛙身形巨大，重近2斤。繁殖能力特别强，一只美国牛蛙一年能产25000只卵。却对田间湖底的有害昆虫视如无物，至使农作物遭受巨大打击。2005年的8月法国南部的乡村里，大批手持来福枪并安装消音器的野生物种保护局的工作人员，就进行了一场声势浩大的“美国牛蛙歼灭战”。人遗憾的是，美国牛蛙，至今还没有真正离开。40年“养育之恩”换来“灭顶之灾”

我国的重要入侵外来种2003年1月，中国国家环保总局和中国科学院经过调查后宣布，将紫茎泽兰、薇甘菊、空心莲子草、豚草、毒麦、互花米草、飞机草、凤尾莲、假高梁、蔗扁蛾、湿地松粉蚧、强大小蠹、美国白蛾、非洲大蜗、福寿螺和牛蛙16种外来入侵物种列入第一批“黑名单”。入侵我国的外来物种现有500多种，其中大面积发生、危害严重的多达100余种；近10年来，新入侵的外来生物平均每年新增约2种。紫茎泽兰广西环江矿业活动导致周边土壤酸化

2010年3月23日贵州持续的旱情使得贵阳市开阳县的翁井水库水位降至死水位，库底的河蚌、田螺等水族全无生路。“电网、电磁网空前密集”影响野生动物赖以生存的“自然信息系统”。先前科学家发现，欧洲大量蜜蜂消失，美国四分之一蜜蜂群落因“群体崩溃紊乱”消失，英国麻雀数量过去30年减少一半。有人认为，“电子雾”是产生上述现象的“罪魁祸首”，它还影响鸟类迁徙。野生动物依靠自然界电磁场定位及导航，但人造磁场能量更强且不断变化，使动物迷失方向。比利时自然与森林研究所科学家先前首次实验证实，移动电话基站影响附近麻雀繁殖。四、生态学的一般规律1、相互依存与相互制约规律

——反映了生物间的协调关系（1）普遍的依存和制约——“物物相关”规律就是系统中各种生物间相互依存、相互制约关系是普遍存在的；（2）通过“食物”而相互联系与制约——“相生相克”规律就是每一种生物在食物链和食物网中，都占据一定的位