第一章-生态学概论

可持续性与建筑环境《城市生态与城市环境》教材：《城市生态与城市环境》，沈清基编著，同济大学出版社上课时间：5-9周/13周周二：14：30-17：555-9周/12周

周五：8：30-12：00第一章生态学概论1.1、生态学的概念及起源提出者：德国生物学家赫克尔于1869年首次提出。概念：①从关系角度：生态学是研究生物及其环境

之间的相互关系的科学，是研究自然系统

与人类的关系的科学。

②从生存条件、相互作用角度：生态学是

研究生物生存条件、生物及其群体与环境

相互作用的过程及其规律的科学。生态学的起源及分类1生态学的起源起源：生态学(尤其是基础生态学)起源于生物学。2生态学的分类基础生态学是以个体、种群、群落、生态系统等不同的等级单元为研究对象的。种群、群落和生态系统均以生物的群体为研究对象，合称为群体生态学。个体生态学种群生态学群落生态学生态系统生态学(1)个体生态学(autecology)：个体生态学以生物的个体为研究对象。研究它与自然环境之间的相互关系，探讨环境因子对生物个体的影响以及它们对环境所产生的反应。(2)种群生态学(poptJIationecology)：种群是指一定时间、一定区域内同种个体的组合。

种群生态学研究的主要内容是种群密度、出生率、死

亡率、存在率和种群的增长规律及其调节。特定时间和一定空间中生活和繁殖的同种个体组成的群体(3)群落生态学(cornmunityecology)：群落生态学以生物群落为研究对象。

所谓群落是指多种植物、动物、微生物种群聚集在一个特定的区域内，相互联系、相互依存而组成的一个统一的整体。群落生态学研究群落与环境问的相互关系，揭示群落中各个种群的关系，群落的自我调节和演替等。(4)生态系统生态学(ecosysternecology)：生态系统生态学以生态系统为研究对象。

生态系统是指生物群落与生活环境间由于相互作用而形成的一种稳定的自然系统。

生物群落从环境中取得能量和营养，形成自身的物质，这些物质由一个有机体按照食物链转移到另一个有机体，最后又返回到环境中去。通过微生物的分解，又转化成可以重新被植物利用的营养物质，这种能量流动和物质循环的各个环节都是生态系统生态学的研究内容。生态学的发展生态学的发展可划分四个阶段：

第一阶段：19世纪以前——萌芽阶段；

第二阶段：19世纪的生态学——初创阶段；

第三阶段：20世纪前半叶生态学——形成阶段；第四阶段：20世纪半叶以后的生态学——发展阶段；

第二节生物生存环境一生物的能量环境（能量来源于太阳）1光：光照强度（空间和时间）、光质、光照长度(维度不同光照长短不同）2温度：太阳辐射使的地表受热，温度升高（1）温度的空间变化：纬度、海拔高度纬度增加1度，温度降低大约0.5度。海拔升高100米，温度降低大约0.6度。（2）温度的时间变化：季节变化、昼夜变化。二生物的物质环境1大气圈：大气的组成：恒定的、可变的和不定的三部分。大气的分层：对流层、平流层、中间层和热层。2水圈：地球表面各种形态的水的总称。水是人类与生物必不可少的、重要的物质。对地球热量输送和气候调节也非常重要。3岩石圈和土壤圈土壤是由岩石风化形成母质加上水和有机质演变而来。1大气圈结构生物圈生物圈是由大气圈、水圈、岩石圈、土壤圈几个圈层的交界面所组成，且交界之间存在着生命活动。1、生物圈是太阳系中唯一的；它是人类唯一的居住地。2、生物圈中所蕴藏的能量不是生物圈自身内部产生，而是来自太阳和其他的宇宙射线。3、从生物圈的物质构造来说，它存在着三大类成分：不具生命的有机物；有机的生命物质；曾经有生命的无生命物质。他们维持着生物圈的生存与进化。4、在人类诞生之前，植物与动物是生物圈中的主要物质。5、人类之前的物种，没有哪一种能够获得推翻生物圈自我协调、平衡的力量，而人类具备这种能力。6、人类诞生于生物圈，适应于生物圈，参与生物圈的平衡，已经成为生物圈的主宰者。7、人类是生物圈的特殊居民，已经形成人类圈。对生物圈具有一定控制能力和意识，必须服从自然法则。第三节生态因子及其作用一、生态因子概念及其分类（任何生物不能脱离其特定的生活环境，生活环境由各个生态因子组成。）生境：在一定时间内对生命有机体生活、生长发育、繁殖以及对有机体存活数量有影响的空间条件及其他条件的总和。组成生境的因素称生态因子。生态因子有两方面因素所组成：非生物因素和生物因素。生态因子作用的分析生态因子与生物间的相互作用是相当复杂的。1生态因子作用的一般特征

综合作用：生境是各种生态因子按一定方式所构成的集合（即综合体）。各个生态因子不是孤立的发挥作用，而是相互联系、相互促进、相互制约的，环境中任何一个单因子的变化，必将引起其它因子发生不同程度的变化。对生物起作用的是生境中各因子的综合作用，决不是单个生态因子的独立效应。主导因子作用：在生物生活环境内的诸因子中，其中一个或二个因子，在一定条件下，起主导作用，为主导因子。直接作用和间接作用有些生态因子，如光、温、水、土壤养分等，直接影响或参与生物新陈代谢；另一些生态因子，如海拔、坡向、纬度、经度等，通过影响光、温、水、土壤等因子，间接作用于生物。因子作用的阶段性生物生长发育有阶段性，这种阶段性形成是由于生态因子规律变化的结果，如季节性物候，昼夜温差等生态因子的规律性变化，导致了植物生长发育的阶段性。每一个生态因子对植物不同生长发育阶段的作用是不同的，如低温对冬小麦的春化阶段非常重要，但在光周期阶段却成为有害因子。生态因子的不可代替性和补偿性生物在其生长发育过程中，虽然其生态因子不是等价的，即所需要的量不同，但却具有同等重要性。如果缺少某因子，便会影响其正常生长发育，甚至致病死亡，且任何一种因子都具有不可代替性和同等重要性。此外，在一定条件下，某一因子在量上的不足可由相近生态因子的增加或加强而得到补偿，且可获得相似生态效应，如增加CO2的浓度，可补偿由于光照减弱所引起的光合强度降低的效应，即生态因子的可调剂性或补偿作用。2生态因子的作用方式

拮抗作用：

指各因子联合作用时，一种因子能抑制或影响另一种因子的作用。协同、增强和叠加作用两种或多种化合物共同作用时，总毒性等于或超过化合物单独作用时的毒性总和叫协同作用；总毒性为各化合物单独作用时的总和叫叠加；一种本无毒性的化合物与另一种化合物共同作用时，使后者毒性增强，称为增强作用（协同作用的特例）。3生态因子作用的规律限制因子规律限制因子（limitingfactors）：生态因子中最易阻扰和限制生物生长、繁殖的因子。最低量定律李比希在研究植物生理时发现“植物生长取决于处在最小量状况下的营养物质的量”或者说，当植物所需的营养物质降低到该植物的最小需要量时，该营养物质就会影响该植物的生长。这个论点被称为李比希最小因子定律。把营养物质扩张到生态因子，则在诸多的生态因子中，只有处于最小量的因子或接近耐受极限的因子对生物的生长发育起主要的限制作用，甚至因该因子的超低量导致生物的死亡，把这个因子叫限制因子。这个规律叫限制因子定律。耐受性定律美国生态学家谢尔福德提出，他认为因子在最低量时可以成为限制因子，但如果因子过量超过生物体的耐受程度时，也可以成为限制因子。每一种环境因子都有一个生态上的适应范围大小，称之为生态幅。即有一个最低和最高点，两者之间的幅度为耐性限度。这就是谢尔福德的耐受性定律。第四节种群种群的基本概念及特征种群的概念种群：指在一定时空中同种个体的总和，且是物种具体的存在单位、繁殖单位和进化单位。种群的空间界限和时间界限并不是十分明确的，常由研究者根据调查目的予以划定。2种群的基本特征：①空间特征：种群都要占据一定的分布区，进行繁衍、生长。②数量特征：用种群密度来表示，一定面积或空间的个体数。③遗传特征：有继承，有变异。组成种群的个体在总体形态特征、生理特征等方面具有共性，但是在某些方面具有差异。二、种群数量动态参数影响种群数量动态的四个基本参数：出生率、死亡率、迁入、迁出。1、出生率与死亡率（以‰表示）出生率----是指种群在单位时间内产生新个体数占总个体数的比率。生理出生率（又叫最大出生率）：是指种群在理想条件下，无任何生态因子的限制，繁殖只受生理因素决定的最大出生率。生态出生率（又叫实际出生率）：是指在一定时期内，种群在特定环境条件下实际繁殖的个体数。死亡率——代表一个种群的个体死亡情况。生理死亡率又叫最小死亡率(minimummortality)，是指在最适条件下个体因衰老而死亡，即每个个体都能活到该种群的生理寿命时该群体的死亡率。生态死亡率是指在一定条件下的实际死亡率。2、迁入与迁出迁入指生物个体或其种子从原有生活地向特定生活地区整群迁居的一种行为。迁出是相反行为3、年龄结构和性别比年龄结构(age—structure)是指种群内个体的年龄分布状况，即各年龄或年龄组的个体数占整个种群个体总数的百分比结构。一般用年龄金字塔(agepyramid)的形式来表示种群的年龄结构。年龄金字塔是以不同宽度的横柱从上到下配置而成的图，横柱高低位置表示从幼年到老年的不同年龄组，宽度表示各年龄组的个体数或在种群中所占的百分比。按锥体形状，可划分为3个基本类型。4、种群内禀增长率：指当环境是无限的（空间、食物和其他有机体都没有影响），在该理想条件下，稳定年龄结构的种群所能达到的恒定、最大的增长率。三种群增长的基本模式1、在无限环境中的指数增长种群在“无限”的环境中，即假定环境中空间、食物等资源是无限的，因而其增长率不随种群本身的密度而变化，这类增长通常呈指数式增长。（“J”型增长）2、在有限环境中的逻辑斯谛增长（S型增长）①有一个环境容纳量(通常以K表示)，当Nt=K时，种群为零增长，即dN／dt=0；②增长率随密度上升而降低的变化，是按比例的。S型增长与J型增长曲线之间的面积随N而增大，即随种群数量的增加，不可能增长的部分逐渐扩大（环境阻力）。时间指数增长种群数量逻辑斯谛增长环境阻力逻辑斯谛曲线常划分为5个时期：①开始期，也可称潜伏期，由于种群个体数很少，密度增长缓慢；②加速期，随个体数增加，密度增长逐渐加快；③转折期，当个体数达到饱和密度一半(即K／2时)，密度增长最快；④减速期，个体数超过K／2以后，密度增长逐渐变慢；⑤饱和期，种群个体数达到K值而饱和。种间关系1、种间关系形式：物种混居，必然出现以食物、空间等资源为核心的种间关系。长期进化的结果又使各种各样种间关系得以发展和巩固。中性关系；竞争关系；偏害关系；寄生关系；捕食关系；偏利关系；共生关系。2、种间竞争关系：竞争是生物生存和进化的重要机制。物竞天择，优胜劣汰，适者生存。种间竞争使得一个种取代另一个种，或者占有不同的地理空间（生态隔离）。3种间捕食与寄生关系4种间合作与互利共生关系第五节群落一群落的基本概念及特征1、群落的基本概念：生物群落简称群落（community）,是指一定时间内居住在一定空间范围内的生物物种的集合。它包括植物、动物和微生物等各个物种的群落。2、群落的特征：(1)优势种：(2)物种多样性:(3)种间关联性:(4)群落交错区(生态环境脆弱带):(5)稳定性:二群落与环境1、群落与生境：生境：群落生长的环境称为生境。它是指生物完成世代生活史所需求的各种条件总和的地域空间。

2、群落对环境的指示作用：

①植物群落的指示作用：植被的特征和组成是作用一个生境所有因素的综合影响的表达。因而植被可以称为一种指示。如对自然气候的指示：热带雨林，疏林草原。群落对盐渍化和沼泽化的指示。②生物群落对污染环境的指示作用：指示生物就是利用群落中的优势种，其适应环境的范围越窄就越能起指示作用。第六节生态系统一、生态系统的概念：生态系统（Ecosystem）由英国生态学家坦斯利A.G.Tansley）于1935年首先提出。生态系统（1971年奥德姆）：就是包括特定地段中全部生物和物理环境的统一体。1、组成层次生物个体种群群落+无机环境生态系统2、概念：生物群落与它的无机环境相互作用而形成的统一整体，叫做生态系统。3、特点：在一定的空间和时间范围内，在各种生物之间以及生物群落和无机环境之间，通过能量流动和物质循环而相互作用形成一个统一整体4、地球上最大的生态系统是生物圈。

生态系统生物

自然环境生产者：绿色植物、光合细菌等消费者：草食动物、肉食动物分解者：微生物、原生动物气候：温度、光、空气、水、土壤

无机物：C、H、O2、N2及矿物

有机物：碳水化合物、蛋白质、脂肪以及腐植质二生态系统的组成成分、功能及相互关系2生态系统组分的功能a、生产者（Producers）:b、消费者（Consumers）:c、分解者（Decomposers）:d、非生物环境（AbioticEnvironment）生产者、消费者、分解者之间的关系：（相互依存）

生态系统中生物间的关系：最主要的是食物关系生态系统区域的大小：可以根据实际需要自由选定3生态系统组分关系a、生态系统的四个基本成分在能量流动、物质循环中相互影响、相互依存，并通过复杂的营养关系紧密结合为一个整体，共同组成生态系统的功能单元。b、生物和非生物环境缺一不可。c、消费者既是构成者又是系统的动力。d、分解者也是十分重要。三、生态系统的结构（一）空间结构：指生态系统中各种生物的空间配置（分布）状况，包括群落的垂直结构和水平结构。（二）物种结构：在生态系统中各类物种在数量方面的分布特征。在实际工作中人们主要以群落中优势种类，生态功能上的主要种类作为物种结构的以及对象。（三）营养结构：指食物网及其相互关系。营养结构是生态系统结构的主要内容。

1、食物链（Foodchain）：在生物圈中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连锁关系。（是一种理想链）研究食物链意义：

①食物链不是固定不变的，在自然生态系统中相对稳定。食物链的某一环节变化会影响生态系统的结构。食物链的组成与调节具有巨大的经济价值（野生动植物的保护）。例如：老鼠泛滥，大熊猫濒临灭亡等。

②食物链的生物富集作用。某些不易降解的物质通过食物链其浓度会逐级增大。如DDT。人们可以利用生物的富集作用进行生物冶金和生物治污。

2、食物网：在生态系统中各种食物链相互交错连接形成的网状结构。食物网使得生态系统稳定性增加。

食物链和食物网2、营养级青草—植食昆虫—青蛙—蛇一级—二级—三级—四级1、食物链生物之间由于食物关系而形成的一种联系食物链上的每一个环节食物网温带草原生态系统的食物网简图许多食物链相互交错连结的复杂营养关系1食物网中共有多少条食物链？2最长的食物链是哪一条？4哪些动物占有两个以上营养级？3第三营养级的动物有哪些？四、生态系统的基本特征及类型（一）生态系统的基本特征1、生态系统是动态功能系统：生态系统是有生命存在并与外界环境不断进行物质交换和能量传递的特定空间。如发育、代谢、繁殖、生长与衰老。2、生态系统具有一定的区域特征:生态系统都与特定的空间相联系，因此它是一个包含一定地区和范围的空间概念。长白山混交林和海南岛热带雨林生态系统。无论是物种结构、物种丰度和系统的功能均有明显差异。3、生态系统是开放的“自持系统”:4、生态系统具有自动调节功能：表现在三个方面，同种种群密度调节；异种种群间的数量调节；生物与环境之间相互适应调节。(二)生态系统的类型:1.按生态系统地理空间环境性质①淡水生态系统,如河流/湖泊/水库,②海洋生态系统,③陆地生态系统,2.按人类对生态系统的影响程度①自然生态系统:如:极地生态系统,原始森林生态系统,海洋生态系统②人工生态系统:如城市生态系统,农田生态系统,草原生态系统等

生物圈生态系统陆地生态系统淡水生态系统海洋生态系统自然生态系统人工生态系统森林生态系统草原生态系统荒漠生态系统

极地生态系统城市生态系统农田生态系统模拟人工生态系统…………流水生态系统静水生态系统海岸生态系统浅海生态系统远洋生态系统五、生态系统的基本功能（一）生物的生产：初级生产：绿色植物把太阳能转变为化学能；次级生产：动物把初级产品转化为动物能；（二）能量流动：特点：①绿色植物对太阳能的利用率很低，只有0.14%。②能量流动不可逆；③流动中能量逐渐减少（能趋疲Entropy）；④能量转化率只有10％（美国生态学家.L.L.Lindeman于1942年提出）。一块地一年的作物产量可供M个农民食用，如果将作物的一半饲养牲畜后再一并供农民使用，问此时养活的人口数是第一种情况下养活人口数的多少倍？这也说明人类以什么为食要经济有利得多。（假设：各级消费者能量的利用率为10%，即10%定律）解：能量沿食物链传递时，后一营养级大约能获得前一营养级的10％能量（10％定律）;

假设一块地一年的作物的能量为10a，则M个农民生活一年需要的能量为a。

如果将作物的一半（5a）饲养牲畜，牲畜可获得0.5a的能量。供给农民的能量为5a+0.5a＝5.5a，根据10％定律可知，5.5a的能量可供0.55M个农民食用一年。人类以作物为食要经济有利得多。（三）物质循环：生态系统中各种营养物质经过分解者分解成可被生产者利用的形式归还到环境中去重复利用，周而复始地循环，此过程叫做物质循环（MaterialCircle）。1.物质循环的层次：生物个体层次；生态系统内部；生物圈层次的物质循环。2.物质循环的类型：气相循环；液相循环；固相循环。3.生态系统能量流动与物