第一章 生态学基础

第一章生态学基础

第一节生态学概念一、生态学概念生态学：是从系统的高度研究生物与其环境之间相互作用关系的科学。或生态学是研究生物之间、生物与环境之间的相互关系的学科。二、系统的概念（一） 系统：是由相互作用和相互依赖的若干组成部分结合而成的，具有一定结构，行使一定功能的有机整体。（二） 系统思想要求：全面地而不是局部地看问题；连贯地而不是孤立地看问题；灵活地而不是呆板地看问题。无论是学习还是在以后的工作实践中，都必须始终用系统思想作指导，才能取得预期效果，提高工作效率。（三） 系统研究思路：把各种研究系统的思路，统称为系统研究思路。一般可分为“黑箱”、“白箱”和“灰箱”三种。第二节生态系统概述一、 生态系统的概念生态系统是指生物群落与生存环境之间，以及生物群落内的生物之间密切联系、相互作用，通过物质交换、能量转化和信息传递，成为占据一定空间、具有一定结构、执行一定功能的动态平衡整体。简言之，在一定空间内生物群落与非生物环境相互联系、相互作用所构成的统一体，就是生态系统。即生态系统=生物群落+无机环境。一个池塘、一块草地、一片森林或一座城市都是一个生态系统。二、 生态系统的组分生态系统包括：生物组分：生产者、消费者、分解者。无机环境组分：指生态系统的物质和能量来源。三、生态系统的结构（一）概念：通常把生态系统构成要素的组成、数量及其在时间、空间上的分布和能量、物质转换循环的有序状态称为生态系统结构。（二）类型生态系统的形态结构：是指生态系统的生物种类、种群数量、种的空间配置（水平分布和垂直分布）和群落的时间变化（发育和季相）。生态系统的营养结构：是指生态系统各组分之间建立起来的营养供求关系，其一般结构模式如图所示。当从食物对象的角度研究营养结构时，生态系统的营养结构实质上是由生物食物链所形成的食物网构成。四、生态系统的功能（一） 生物生产功能生物生产：生态系统中的生物，不断地把环境中的物质能量吸收，转化成新的物质能量形式，从而实现物质和能量的积累，保证生命的延续和增长，这个过程称为生物生产。包括初级生产和次级生产。（二） 能量流动能量来源太阳辐射能辅助能：除太阳辐射能外，对生态系统所补加的一切其他形式的能量统称辅助能。辅助能包括：化学能：输入系统中的有机物质或无机物质所含能量；动力能：使用有机或无机动力所直接消耗的能量。研究表明，农业生态系统辅助能输入量已达到整个系统能量输入总量的42.1%，高的可达61.8%。在城市生态系统中，生产者（绿色植物）第一性的生产力已不占主要地位，主要起到美化净化环境的功能，城市生态系统的大量能量来源主要是辅助能。能量流动途径：生态系统的能量流动，通常是沿着生产者-消费者-分解者进行单方向流动。不同来源的能量，能量流动途径不同太阳辐射能路径：照射在生态系统植物上的日光能：大约有一半可为光合机制吸收，这部分能量的1%〜5%可转变为食物能（生物化学能），其余能量以热的形式离开生态系统；在植物制造的食物能中：一部分用于植物自身的呼吸消耗并以热量形式从系统中丢失；一部分作为产品输出；还有部分作为动物或微生物的能量来源，参与系统部分能量不完全循环流动。无机能路径：无机辅助能以农药、化肥、农膜、农机具及其动力等形式输入到生态系统，进入生态系统中的无机辅助能一般不能直接转化为生物化学潜能，所以大多在做功之后以热能形式散失。能量流动基本定律热力学第一定律（又称能量守恒定律）：能量可以在不同的介质中被传递，在不同的形式中被转化，但数量上既不能被创造，也不能被消灭，即能量在转化过程中是守恒的。在生态系统中，能量的转化也同样遵从热力学第一定律。热力学第二定律（又称能量衰变定律或熵定律）：自然界的所有自发过程都是能量从集中型转变为分散型的衰变过程，而且是不可逆的过程。由于总有一些能量在转化过程中要变为不可利用的热能，所以任何能量的转化率都不可能达到100%。生态系统中的能量转化同样遵循这一定律。十分之一定律：指在生态系统中营养级之间的能量转化，大致十分之一转移到下一营养级，以组成生物量；十分之九被消耗掉，主要是消费者采食时的选择浪费，以及用于呼吸和排泄。这一规律说明：生态系统中的营养级之间具有稳定的数量关系。正是这种数量关系的存在，使能量在生态系统中的流动沿着生产者f草食动物f一级肉食动物别―二级肉食动物的方向逐渐减少，即能量的流量越流越细。由于生态系统中的能量转化过程服从十分之一定律，从而决定了一个生态系统的营养级数目一般只有4-5级。人类作为生态金字塔的最高应用级，要想满足对有限资源的利用，必须节约资源，最可能少的减少能耗。生态金字塔：是生态学研究中用以反映食物链各营养之间生物个体数量、生物量和能量比例关系的一个图解模型。（三）物质循环物质循环的概念：生态系统的物质循环，就其本质而言又称生物地球化学循环。所谓生物地球化学循环是指地球上的各种化学元素和营养物质在自然动力和生命动力的作用下，在不同层次的生态系统内，乃至整个生物圈里，沿特定的途径从环境到生物体，再从生物体到环境，周而复始地不断进行流动的过程。物质循环的基本类型（1）根据循环物质涉及的范围不同，生物地球化学循环包括地质大循环和生物小循环两个密切联系、相辅相成的过程地质大循环是指物质或元素经生物体的吸收作用，从环境进入生物有机体内，然后生物有机体以死体、残体或排泄物形式将物质或元素返回环境，进而加入五大自然圈的循环。特点：物质循环历时长、范围广，而且呈闭合式循环。生物小循环是指环境中元素和物质经初级生产者吸收作用，继而被各级消费者转化和分解者还原，并返回到环境中。其中部分很快又被初级生产者再次吸收利用，如此不断地循环。特点：历时短、范围小，而且呈开放式循环，即在循环过程中，有一些物质和元素沿循环路线而进入地质大循环；同时部分来自地质大循环的物质和元素又进入生物小循环（2）按循环物质的属性不同，生态系统的物质循环可分为气相型循环和沉积型循环两大类。气相型循环：即是指大气圈或水圈等贮藏库的营养元素或化合物可以转化为气体形式，并通过大气进行扩散，弥漫到陆地或海洋上空，在较短的时间内为植物重新利用的物质循环类型。特点：气相型循环具有快速循环和全球性循环特点，属于相当完善的循环类型，例如二氧化碳、氮、氧等的循环和水循环。沉积型循环：是指岩石圈和土壤圈等贮藏库中保存在沉积岩里的许多矿质元素只有当地壳抬升变为陆地后，才有可能因岩石风化、侵蚀和人类的开采冶炼，从陆地岩石中释放出来，为植物所吸收，参与生命物质的形成，并沿食物链转移；然后动植物残体或排泄物经微生物的分解作用，将元素返回环境。其中除一部分保留在土壤中供植物吸收外，另一部分以溶液或沉积物状态进入江河，汇入海洋，经沉降、淀积和沉岩作用变成岩石，当岩石被抬升或火山活动并遭受风化作用时，该循环才算完成。特点：这类循环表现出非全球性循环特点，因而属不完善循环类型。例如磷、硫、钙、钾、钠、铁等的循环。物质循环的基本原理物质不灭定律：与能量相似，物质在转化过程中只会改变形态而不会自行消灭。但是，物质循环不同于能量流动，能量衰变为热能的过程是不可逆的，它最终会以热能的形式离开生态系统，而物质虽然在生态系统内外的数量都是有限的，并且是分布不均的，但由于物质在生态系统中能永续地循环，因此它就可以被反复多次地利用。质能转化与守恒定律：世界上不存在没有能量的物质质量，也不存在没有质量的物质能量；质量和能量作为一个统一体，其总量在任何过程中都是保持不变的守恒量。生物放大作用：主要是指有毒物质的生物富集现象，是指物质在生态系统中沿食物链流动时，一些化学性质比较稳定的物质，被生物吸收固定后可沿食物链积累，浓度不断升高的现象。如DDT、六六六在生物圈内表现出很强的生物富集作用。环境污染与食物链的生物浓缩有着直接的关系。如日本的，，水俣病”事件。物质循环的库与流（1） 库：物质在运动过程中被暂时固定、贮存的场所称为库。库的分类：在生物地球化学循环中，物质循环的库可归为两大类，贮存库：在生态系统中，除运转的物质和能量外，有一部分属于贮存的物质和能量。包括生产者自身的一部分碳素，经过长期矿化作用形成为泥炭，如化石，珊瑚礁等；有的则转化成为化石燃料，例如石油和煤等；有的则流入大海形成沉积物，它们都暂时或长期地离开了生态系统的循环而贮存起来。特点：它容积较大，物质交换活动缓慢，一般为非生物成分的环境库；交换库或循环库：在生物体与大气圈、水圈和生物圈之间的物质循环和能量流动。特点：与贮存库相反，它们之间的交换是迅速的，但它容积较小，与外界物质交换活跃，一般为生物成分。例如，在一个水生生态系统中，水体中含有磷，水体是磷的贮存库；浮游生物体内含有磷，浮游生物是磷的交换库。（2） 流流：物质在库与库之间的转移运动状态称为流。生态系统中的能流、物流、信息流，不仅使系统各组分密切联系起来，而且使系统与外界环境联系起来。（3） 库与流的联系：没有库，环境资源不能被吸收、固定、转化为各种产物;没有流，库与库之间不能联系、沟通，则物质循环短路，生命无以维持，生态系统必将瓦解（四） 信息传递生态系统信息传递过程主要由三个基本环节构成：信源的信息产生、信道的信息传输和信宿的信息接收。多个信息过程相连就形成生态系统的信息网。当信息在信息网中不断被转换和传递时，就形成了生态系统的信息流。生态系统中的信息形式：主要有营养信息、化学信息、物理信息和行为信息。生态系统中的信息流包括自然信息流和人工信息流（五） 生态系统的生态服务功能

五、生态服备生态功能举例五、生态服备生态功能举例，体调节A气化学成州的调节atcojo：平衡、氟机化物吸收箪"温室蜘应，峻醐节如温室气体调节一OrganicDtmenhyhiilfide（DMS）影响云房的形成7?干扰调节时卬境波动的响应如洪水控1W等水调节水文调节以提供水资源等水供应通H挺水区警水招牌贮存和推持水土保持防止土艇水i虬风蚀.淤湿沉祝等土壤形成土壤有机质彩述箸四葬循环如S冏定及其它骨葬物戚循环等康物姓理前日分解曾功能污染控制、脱存普橙物为感物提供授粉者以保障神＜1作家衍生物控制通过捕霞和被捕食维持平衡栖息、避炸所为械电等生命提供栖息地和避炯听食物生产提供此捷、水果、猫物等提供原材料如木材、薪染等谊传旖源如蹈绮、花卉植物等生态系统的类型外而动文化 类学.教育.科学等（一）根据生态系统的环境性质与形态特征，可将生态系统分为：陆地生态系统与水生生态系统（二）根据生态系统形成的原动力及人类对其影响程度，可将生态系统分为:自然生态系统、人工生态系统、半自然生态系统等。第三节生态系统中生物的层次结构及特征一、种群（一） 种群的概念种群：我们把一定时间内占有一定空间的某一生物种的个体的集合群称为种群。（二） 种群的基本特征种群具有一定的空间分布格局种群的空间分布格局：也称为种群的空间特征，是指种群内个体的分布区域和分布方式。分布区域：指种群的边界。分布方式：种群的分布方式包括均匀型、随机型和成群型三种基本类型，其中成群型又包括均匀成群型、随机成群型和群集成群型。种群具有一定的遗传特征（组成种群的个体，具有共同的生物学特性）种群具有一定的大小和密度种群大小是指一个种群内的个体数目的多少。种群密度是指单位空间（单位面积或单位容积）内的个体数目或生物量大小。种群密度还可以反映种群与环境之间的关系。了解种群密度可以推知种群的动态变化，种群的生物量和生产力、自然环境中的能量流动和物质循环，外界的环境愈好，随时间延续，种群密度愈大。从应用角度看，密度可决定特定区域的资源可利用性，如林木、草场管理等，也可用于环境监测。一般来说，生物个体越小，单位面积（空间）中个体的数量就越多；低营养级生物的总是为高营养级的生物提供能量，因此，低营养级的种群密度（或生物量）相对要大。种群密度还可以反映种群与环境之间的关系。了解种群密度可以推知种群的动态变化，种群的生物量和生产力、自然环境中的能量流动和物质循环，外界的环境愈好，随时间延续，种群密度愈大。从应用角度看，密度可决定特定区域的资源可利用性，如林木、草场管理等，也可用于环境监测。种群的繁殖力：是指生物所具有的繁殖后代、延续种族的能力。年龄结构：组成种群的个体常有不同的年龄，各年龄级的个体数目与种群总个体数的比例就是种群的年龄结构，也称年龄比或年龄分布。种群年龄结构的类型通常以金字塔来表示。种群年龄结构三种的类型增长型种群基宽而顶窄，表示幼龄个体多，种群的出生率大于死亡率，是一个迅速增长的种群；稳定型种群其年龄结构呈钟形，中部和基部几乎相等，即幼龄个体与中年个体均等，出生率与死亡率接近平衡，是一个数量趋于稳定的种群；衰退型种群的年龄结构呈壶型，基部窄而中部宽，表示幼龄个体比例小，中老年个体较多，出生率小于死亡率，是一个数量趋于下降的种群。从整个图形就可以推知一个种群的发展趋势。性别比例：是指种群内雄性个体与雌性个体数目之比，也称性别结构。性别比例对保持种群的繁殖力有着重要意义。无论何种比例关系，种群在正常环境中总保持相对稳定的性别比例关系。人类的年龄结构和性别比例可以反映人口的发展状况以及由此而产生的一系列社会影响，对人口的增长及人类社会的发展也有着很大影响。（三）种群增长形式种群增长主要表现有两种形式，即种群指数增长和种群阻滞增长。种群的指数增长：也称为J型增长、对数增长、在无限环境中的增长。指种群不受任何食物、空间等条件的限制，则种群就能发挥其内禀增长能力，数量迅速增长的格局。在此情况下，个体的数目将迅速向无穷大发展。某些细菌、浮游生物、昆虫、一年生杂草等，常表现指数增长。如：爆发的”赤潮”。指数增长的数量倍增（翻一翻）的时间是固定的，如果种群经过一段时间增长的数量已经很大，而且由于种种原因仍以指数形式增长，那么在一个倍增的时间以后，种群仍将翻倍，便有可能发生前所未有的灾难性事件，且是必然的结果。环境阻力：是指外界环境条件中阻止或妨碍生物达到或保持其生物潜力的那些生物因素（如捕食者）和非生物因素（如空间、食物等）。种群的阻滞增长：也称为S型增长、逻辑斯谛增长、在有限环境中的增长，指种群在有限环境条件下连续增长的主要形式。表现：开始时增长缓慢，然后逐渐加快，但不久以后，由于环境阻力的增加，增长速度不断下降，并不断靠近一条渐近线，这条渐近线就是可能达到的最大种群密度，即环境容纳量。即环境阻力不能必然使种群不能无限制的增长。自然界的大多数种群都是按这种形式增长的。环境容纳量：一定的环境所能容纳的或承载的最大种群数量或最大种群密度，也称环境承载力。（四） 种间关系种间关系：生物种群之间存在着的相互依存、相互制约和相互补偿的关系，这就是种间关系，也称为种间相互作用。负相互作用；2.正相互作用（五） 种群调节种群调节（regulation）就是指种群自身及其所处环境对种群数量的影响，使种群数量表现有一定的动态变化和稳定性。种内调节；2.种间牵制；3.无机环境的影响种群调节实质上是通过影响种群的出生率和死亡率实现的，任何种群都存在有自身及其所处环境的调节和制约作用。二、群落（一）生物群落的概念群落：一定地段上所有生物的集合，就形成一个生物群落。（二）生物群落的基本特征群落有一定的种类构成：构成生物群落的生物种类多少，就是群落的物种多样性；群落有一定的外貌：表现在群落的水平结构、垂直结构和时相群落有一定的营养结构和代谢方式：食物链构成群落所特有的营养结构群落具有一定的发展与演替规律群落演替：是指生态系统内的生物群落随着时间的推移，一些物种消失，另一些物种侵入，出现了生物群落及其环境向着一定方向有顺序的发展变化过程。根据群落演替的初始状态不同，群落演替常被划分为：原生演替：原生演替指的是从未有过任何生物的裸地上开始的演替。次生演替：次生演替是指在原有生物群落破坏后的地段上进行的演替。顶极群落：顶极群落即是指各种群落演替最终形成的稳定群落。第四节生态因子及其生态作用一、 生态因子的概念与组成（一） 生态因子的概念生态因子：组成生境的因子称为生态因子。生境：指在一定时间内对生命有机体生活、生长发育、繁殖以及有机体存活数量有影响的空间条件及其他条件的总和。（二） 生态因子的组成非生物因子：温度、光、水（湿度）、pH、营养元素等理化因子；生物因子：同种生物的其他个体和异种生物的有机体。人为因子：人类的活动。如人类的破坏引起的环境污染。（三） 生物与环境之间的关系作用：一般把非生物环境因子对生命有机体的影响叫作用。反作用：有机体对环境的影响叫反作用。二、 生态因子作用的一般特征综合作用：各种环境因子都不是孤立存在的，而是彼此联系、相互促进、相互制约的。任何单因子的变化，都会引起其他因子不同程度的变化及其反作用。主导因子作用：在诸多环境因子中，常有一个生态因子对生物起着决定性作用，称主导因子。直接作用和间接作用：有些因子对生物的影响是直接的，如水、光照和温度等；有些是间接的，如地形。因子作用的阶段性：生物生长发育不同阶段对环境因子的需求不同，因此因子对生物的作用也具有阶段性，如光照长短，在植物的春花阶段并不起作用，但在光周期阶段则是至关重要的。生态因子的不可代替性和补偿性：环境中各种生态因子对生物的作用虽然不同，但各具其重要性，尤其是主导因子。任何因子的缺少都会影响生物的正常发育，甚至死亡。所以从总体上说生态因子是不能代替的，但局部是可以补偿的。如锶可部分地补偿一些软体动物钙的不足。就植物的光合作用来说，光照的不足，可以增加二氧化碳的浓度来补偿。三、 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、增强和叠加作用协同作用：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；叠加：总毒性为各化合物单独作用时的总和叫叠加；增强作用: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）。净化作用：自然净化作用有物理净化、化学净化、生物净化。四、 生态因子作用的规律（一） 最小因子定律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。（二） 耐受性定律在最小因子的基础上，某些因子过量也会成为限制因子。即有一个最低和最高点，两者之间的幅度为耐性限度。将生态因子的最大量与最小量对生物的限制概括为耐性定律。第五节生态平衡与生态系统的稳定性一、 生态平衡生态平衡：一个生态系统能够长期保持其结构和功能的相对稳定性，这种状态可称为生态平衡。生态平衡是相对地平衡，也是动态平衡。生态平衡应包括三个方面：结构上的平衡、功能上的平衡、输入和输出物质数量上的平衡。自然界的生态平衡对人类来说并不都是有益的。二、 生态平衡的理论基础（一） 相互依存与相互制约规律反映生物间及生物与环境间的协调关系，主要是普遍的依存与制约关系，亦称”物物相关”和”相生相克”规律。生物间存在普遍的依存与制约，亦称”物物相关”规律。通过”食物”而相互联系与制约的协调关系，亦称”相生相克”规律。（二） 物质循环转化与再生规律生态系统中，植物、动物、微生物和非生物成分，借助能量的不停流动，一方面不断地从自然界摄取物质并合成新的物质，另一方面又随时分解为原来的简单物质，即所谓”再生”，重新被植物所吸收，进行着不停顿的物质循环。因此要严格防止有毒物质进入生态系统，以免有毒物质经过多次循环后富集到危及人类的程度。至于流经生态系统中的能量，通常只能通过系统一次，当能量经食物链转移时,每经过一个营养级，就有大部分能量转化为热散失掉，无法加以回收利用。因此，为了充分利用能量，必须设计出能量利用率高的系统。如城市垃圾的处理，从最初的填埋法到后来的焚化法再进一步到堆肥制取沼气法，便体现了人类逐步掌握生态学的循环与再生规律，并应用于实践的过程。（三） 物质输入输出的动态平衡规律又称协调稳定规律，生物体一方面从周围环境摄取物质；另一方面又向环境排放物质，以补偿环境的损失。生态系统中生物与环境之间的输入与输出，是相互对立的关系，当生物体进行输入时，环境必然进行输出，反之亦然。生物体一方面从周围环境摄取物质，另一方面又向环境排放物质，以补偿环境的损失（这里的物质输入与输出，包含着量和质两个指标）。因而，一个稳定的生态系统，其物质的输入与输出总是相平衡的。当输入不足时，会产生生态匮乏。例如一个城市物资供应不足，必然造成生产生活紧张，效率下降；反之，当城市物资供应足够但输出不足，又会导致生态滞留，使环境恶化，生产生活同样受阻。（四） 生物与环境相互适应与补偿的协同进化规律生物与环境之间，存在着作用与反作用的过程。植物从环境吸收水和营养元素,同时，生物体则以其排泄物和尸体把相当数量的水和营养素归还给环境，最后获得协同进化的结果。（五）环境资源的有效极限规律作为生物赖以生存的各种环境资源，在质量、数量、空间和时间等方面，在一定条件下都是有限的，不可能无限制地供给，因而任何生态系统的生物生产力通常都有一个大致的上限。每一生态系统对任何外来干扰都有一定的忍耐极限。当外界干扰超过生态系统的忍耐极限时，生态系统就会被损伤、破坏，以致瓦解。三、生态平衡失调生态平衡失调：当外界施加的压力（自然或人为）超过了生态系统的调节能力或补偿功能后，都会导致其结构破坏、功能受阻，正常的生态关系被打乱、反馈自控能力下降，甚至不能自我修复，使整个生态系统衰退或崩溃，这就是生态平衡止河失调。生态平衡失调的基本标志可以从