环境保护概论：第三讲 生态学基础

第二章：生态学基础一、何谓生态学1、生态学（Ecology）的定义生态学（Ecology）是研究生物与其环境之间相互关系的科学。Ecology来自希腊文Oikos(住所，栖息地)和Logos(学问，研究)，亦即生态学在创建之初就表达为研究生物有机体与其栖息场所之间相互关系的科学。上述生态学的定义是德国生物学家赫克尔1869年首次提出的，从此揭开了生态学发展的序幕。OIKOS——国际顶尖生态学杂志（北欧生态学会）ECOLOGY——国际知名生态学期刊（美国生态学会）国内外其他学者对生态学的定义（代表性）：（1）生态学是科学的自然史——英国生态学家-埃尔顿（Elton,1927）；（2）生态学是研究生物的形态、生理和行为上的适应性的科学——前苏联生物学家克什卡洛夫，1945；（3）生态学是研究有机体的分布和多度的科学——澳大利亚安德列沃斯（Andrewartha,1954）；（4）生态学是研究生态系统的结构与功能的科学——美国奥德姆（Odum,E.,1971）；（5）生态学是研究生命系统和环境系统相互关系及其作用机理的科学（中国生态学家，马世骏院士）。生态学认识的最新发展：当前生态学已经渗透到各个领域，“生态”一词涉及的范畴也越来越广泛，人们常常用“生态”来定义许多美好的事物，如自然的、健康的、美丽的、和谐的等事物均可冠以“生态”来修饰。生态学面临广阔的科学发展和拓展机遇。生态农业、生态食物；生态文明、生态文化；生态空间（从大到小各种尺度），如生态示范区、生态城市、生态社区、生态工业园等。

2、生态学的研究对象传统的生态学是在有机体（Organism）、种群（Population）、群落（Community）和生态系统（Ecosystem）水平上探索生命系统的奥秘。因此，生态学是以生物个体、种群、群落和生态系统甚至是生物圈（Biosphere）作为研究对象的科学（经典生态学）。现代生态学重点围绕区域（包括城市和乡村）、景观以及生态系统进行生态学研究，关注生态系统结构、景观生态格局与功能以及区域生态环境变化。

3、生态学的研究层次

分

细

组器个种群生

景区生

子

胞

织官体群落态

观域物

系

圈

统传统生态学、生物学、生命科学地生态学、景观生态学、地理学4、生态学的分支与科学延伸按生命层次：分子（基因）生态学、细胞生态学、个体生态学、种群、群落、生态系统、景观、生物圈和全球生态学等；按生物分类：动物生态学、植物生态学、微生物、昆虫、鱼类等生态学；按生物栖息场所：淡水、海洋、河口、陆地、森林、草地、荒漠等；生态学的边缘科学：数学生态学、化学生态学、进化生态学、生理生态学、经济生态学、生态经济学、环境生态学等应用生态学：农业、渔业、污染生态学、恢复生态学等。补充知识：生态学的科学延伸：景观生态学(Landscapeecology)或地生态学：研究景观结构、格局及其过程的科学。景观:由若干生态系统组成的异质区域，这些生态系统构成的景观中有明显的斑块、廊道和基质等要素。

建设用地绿地生态学与地理学的学科交叉：揭示生态学的地理规律，植物地理学、土壤地理学等；基于地理单元的生态学如山地生态学、森林生态学、海洋生态学、河流生态学、草原生态学、农业生态学、湿地生态学、城市生态学、园林生态学、景观生态学等；基于地理空间特征的景观或生态规划、区域生态环境管理等。二、生态学的发展简史1、生态学的萌芽时期（公元16世纪以前）2、生态学的建立时期（公元17世纪至19世纪）3、生态学的巩固时期（20世纪初至50年代）4、现代生态学时期（20世纪60年代至今）1、生态学的萌芽时期以古代思想家、农学家对生物环境相互关系的朴素的整体观为特点。2、生态学的建立时期欧洲文艺复兴时期开始，欧洲科学探索活动再度兴起，“形而下”观念盛行，崇尚科学调查与科学实验。一些生态学的理论开始形成。生态学达到一呼即出的境地。1869年Heackel

提出Ecology一词，首次明确生态学定义。3、生态学的巩固时期

这一时期是生态学理论形成、生物种群和群落由定性向定量描述、生态学实验方法发展的辉煌时期。形成几个著名的生态学派（四大学派）。北欧学派：由瑞典乌普萨拉（Uppsala）大学的R.Sernauder创建，以注重群落分析为特点。法瑞学派：代表人为J.Braun-Blanquet.把植物群落生态学称为“植物社会学”，建立严密的植被等级分类系统。常被称为植被区系学派。1953年后，与北欧学派合流，被称为西欧学派或大陆学派。英美学派：代表人为F.E.Clements和A.G.Transley,以研究植物群落演替和创建顶极群落著名。前苏联学派：注重建群种和优势种，重视植被生态、植被地理与植被制图工作。

4、现代生态学时期研究层次上向宏观和微观两极发展。研究手段的更新：尤其是3S（GIS、RS、GPS）技术方法的应用、生态建模，系统论引入生态学。研究范围的拓展：结合人类活动对生态过程的影响,从纯自然现象研究扩展到自然—经济—社会复合系统的研究。三、生态学的两个关键词及其内容1、生态系统（ecosystem）

（1）基本定义：在一定的空间内，生物成分和非生物成分通过物质循环和能量流动互相作用、互相依存而构成的一个生态学功能单位，这个生态学功能单位称生态系统（英国植物生态学家A.G.Tansley1935年提出）。山地生态系统森林生态系统草原生态系统湿地生态系统湿地生态系统荒漠生态系统黄土高原生态系统农田生态系统城市生态系统自然-人工复合生态系统（2）生态系统的生物组分与环境组分生产者

(producer)消费者

(consumer)分解者

(还原者)(decomposer)①生产者：自养生物，主要是各种绿色植物，也包括蓝绿藻和一些能进行光合作用的细菌。②消费者：异养生物，主要指以其他生物为食的各种动物。③分解者：异养生物，把复杂的有机物分解成简单无机物，包括细菌、真菌、放线菌和动物等。生物成分(生物群落)生态系统的生物组分生态系统的主要环境组分辐射大气水体土壤

各环境组分之间以及环境组分与生物之间的关系和相互影响构成了现代生态学研究的重要内容。推荐学术期刊：《生态学报》、《中国环境科学》、《环境科学学报》、《应用生态学报》、《环境科学》等。（3）生态系统的结构空间结构（生态系统的空间形态结构、空间配置与差异等，包括空间格局与分异）——地生态学与地理学关注的重点；时间结构（生态系统的时间差异）——生物学研究范畴；营养结构（营养联系）——生物学主要研究范畴。空间结构（垂直或立体结构）空间结构（立体结构）空间结构（空间格局）佛山市生态绿地系统空间结构城市公园绿地系统的空间结构北京市生态安全的空间结构区域生态规划的绿地景观空间结构注：关于生态系统空间结构科学研究的说明：（1）利用现代地理与生态手段解读生态系统空间结构特征与形成过程；（2）基于生态系统空间结构与格局对生态过程的重要影响而研究结构与过程的相互关系。如绿地结构对生物迁移的影响、生态景观格局对区域气候（气温与降水等）的影响等。（3）用空间模型的手段模拟生态系统的特征以及生态系统对生态过程的影响。（4）正是基于上述研究，现代生态学在应用方向上主要走向生态规划方面，即为生态过程的有效实现提供最佳的生态空间组合与布局形式。一个食物链的例子“螳螂捕蝉，黄雀在后”植物蝉(初级消费者)螳螂(二级消费者)黄雀(三级消费者)鹰(四级消费者)(顶极食肉动物)营养结构（4）生态系统的功能食物链（网）和营养级——生态系统功能的基础、生态系统循环的基本通道；物质循环：生物←→环境；能量流动：生产者→消费者→分解者；信息传递：包括营养信息、化学信息、物理信息和行为信息等，构成信息网。（5）生态系统的稳定性

生态系统通过发育和调节达到一种稳定的状态，表现为结构上、功能上、能量输入和输出上的稳定，当受到外来干扰时，平衡将受到破坏，但只要这种干扰没有超过一定限度，生态系统仍能通过自我调节恢复原来状态。生态系统稳定性包括了两个方面的含义：一方面是系统保持现行状态的能力，即抗干扰的能力（抵抗力resistance）；另一方面是系统受扰动后回归该状态的倾向，即受扰后的恢复能力（恢复力resilience）（6）生态系统的重点关注领域自然生态系统的保护和利用；生态系统调控机制的研究；生态系统退化的机制、恢复及其修复研究；全球性生态系统问题；生态系统可持续发展研究。2、生态平衡（1）定义：生态系统通过发育和调节所达到的一种稳定状态，包括结构上的稳定，功能上的稳定和能量输入、输出上的稳定。（2）生态平衡的条件开放的系统，不断与外界产生物质、能量与信息流通与交换；具备反馈与自我调节机制；生态系统的自我调节能力是有限度的，超过这个限度会引起生态失调和生态破坏。（3）生态平衡的科学争论现在大家都在谈论“生态平衡”，但对这个问题有比较科学而确切的理解并不容易，生态学家的意见也不一致：有的认为有机体与环境之间协调一致的稳定状态是生态平衡；有的将生态系统中能量与物质的流进与流出之间的平衡看作生态平衡；有的认为高度有序即生态平衡；有的认为“多样性导致稳定性”。四、生态学理论的重要意义1、生态学理论是可持续发展的重要理论支持；2、生态学已成为自然科学与社会科学的桥梁；3、生态学已经成为本世纪影响政治家、科学家以及工程技术专家决策的重要理论；4、生态哲学已经成为我们适应世界、改造世界以及创造世界重要的新价值观与世界观；5、人与自然、人与人、人与环境、人与土地关系等，将是我们永恒的研究内容；6、基于生态学理论的生态文化将成为未来人类文化进步的重要标志。（一）生态与环境的内在关联从生态学观点来看：环境问题实质就是包括人类在内的生态学问题。对环境问题的解决必须运用生态学的理论、方法和手段，也就是要树立环境的生态观。环境的生态观，就是把人类生存的环境（包括生物环境和非生物环境）视为一个有机的统一的整体。它有一定的结构和功能，有自身发生与发展的规律，即人类的生存环境是一个完整的生态系统或若干个生态系统的组合。

五、生态学在环境保护中的应用

（二）对环境质量的生物监测与生物评价1、基本概念环境生物监测——P322、生物监测与评价的特点（1）综合性和真实性（2）长期性——反映一个时段的环境污染水平——反映低浓度污染的危害特征。（3）灵敏性：对某些污染气体敏感度很高。指示性植物指示气体敏感度紫花苜宿SO20.3PPM

唐昌蒲HF0.01PPM（4）填补仪器监测的不足（5）生物监测的缺点一：是采样、观测的位置不同，分析的结果不一样。二：是明确判别何种污染物有困难。三：是在严重污染的环境中有些生物已不存在，从而失去指示意义。3、目前利用生物监测的方法（1）利用植物对大气监测一是：叶片分析——二是：长势观察——三是：定点观测——（2）利用水生物对水体监测对比分析指示性生物监测（最新研究表明：利用鱼血可以监测水中是否存在有损人体健康的潜在毒性。）监测HF、SO2对植物叶片的影响（三）对污染物的生物净化1、利用植物净化污染的空气（植物的生态与环境功能？）（1）吸收有毒气体如吸收CO2、SO2、CL2等气体。（2）滞尘一是，降低风速使尘埃降落二是，叶面对尘埃的吸附作用三是，覆盖地面，减少扬尘。（3）减低噪音一是叶面对声波的不定向反射而降低噪音。二是阻隔作用，郁闭度高的林木可使噪音衰减。三是吸收声能，降低反射率。（4）杀菌一是吸滞尘埃，降低空气中的细菌，二是某些树本身可放出芳香剂，可杀灭部分细菌。（5）绿化增加空气的负离子含量绿化,地区尘埃、细菌少O2氧原子多，故空气负离子含量高。城市中，成片集中的绿化和分散普遍绿化。2010年5月22日，世界生物多样性日，法国巴黎香榭丽舍大街的大型绿植作品展：“自然首都”（NatureCapital）

2、利用生物方法净化水污染主要体现在生物净化污水，主要方法：一是活性污泥法（利用微生物群体及它们所依附的有机物质和无机物质所形成的污泥状的絮凝物的吸附、絮凝、生物氧化和生物合成性能进行污水净化）二是生物膜法（生物膜法是利用附着生长于某些固体物表面的微生物（即生物膜）进行有机污水处理的方法）三是生物吸收法（与生物膜法相似）四是生物氧化塘法（利用好气性微生物对塘内有机物进行分解，使污水得到净化处理的方法。目前比较少用！）（四）根据生态学原理制定生态规划方案1、生态规划（P34）2、生态规划的一般内容（1）区域的资源现状及资源目录（2）区域今后发展目标及指导思想（3）区域生态结构分析（4）规划设计方案（城市、乡村）（5）可持续发展的战略选择广州市生态规划示意图规划的相关说明：一是北部“三道绿色走廊”，实现源的保护和景观结构的稳定；二是“生态大通道”纵贯南北，把构成景观安全格局的重要的源和战略点连接起来，可作为物种迁移的通道，促进生态流。南部的生态通道和珠江河面可将来自海洋的新鲜空气引入市区；三是多组“生态隔离带”，控制城市连片发展，对改善生态环境具有重要作用；四是重点保护的城市万亩果园和南部水网地带植被，对调节市区空气质量具重要作用，并形成水网和绿网交融的城市景观格局。生态组团划分推荐阅读专著——国外：《TheoreticalEcology-PrinciplesandApplications》、《LandscapeEcologyinTheoryandPractice》国内：傅伯杰、邬建国、肖笃宁、韩兴国、俞孔坚（五）发展生态农业（一）生态农业的标志：1、维持土壤肥力及土地利用多样化的技术及优化配置。2、物质循环利用，无（或极少）废弃物废物多层次利用。3、立体性的种养技术，提高农业综合生产力。4、节能开发及能源综合利用。

5、节水型农业技术6、庭院经济综合利用。7、病虫害综合防治和生物多样性种植技术。8、生物工程。9、污水净化技术。10、有利于生态环境的其他技术。（二）生态农业的典型物质循环：农作物、森林—秸杆、枝叶一牲畜－粪便－沼气池一沼渣一肥料一农作物、森林。物质循环：牲畜一粪便－沼气池－沼渣一饲料一牲畜。循环利用：沼液－氧化塘处理－养鱼、灌溉，沼渣生产肥料－肥田－生产的饲料－喂养牲畜。中国生态农业特点：立体型种养技术（多层种植，间种，分层养殖）桑基鱼塘、果基鱼塘、花基鱼塘大棚、温室农业“桃花源”式农业发达国家：耕作：机械化、自动化品种：改良、提纯、复壮、转基因耕作方式：轮休、轮作技术：节水型、自动灌溉、温室美国西岸谷地灌溉田地加拿大的等高耕作法法国生态葡萄园台湾生态茶园珠三角基塘农业生态系统珠三角基塘农业生态系统珠三角基塘农业生态系统国家农业高新技术示范园——珠海农科奇观六、当前生态学的研究热点与科学前沿1、生物多样性研究（1）基本认识：地球上所有植物、动物、微生物和它们拥有的基因以及由这些生物和环境构成的稳定的生态综合体，具有结构复杂、功能稳定、过程连续等特性。包括：遗传与变异多样性物种多样性生态系统多样性生物多样性是地球40亿年生物进化留下来的宝贵财富，是人类赖以生存和发展的基础。

大名鼎鼎的《SCIENCE》杂志汇集

了大量生态学生物多样性的研究内容全球生物多样性研究也是《NATURE》杂志关注的焦点。《SCIENCE》所列举的全球15大科学难题之一：什么决定了物种多样性？

摘录：“这是一个充满生命的行星，但是并非每一个角落的生命都同样繁荣。一些地区居住的物种的数量超过其他地区。热带比寒带拥有更高的物种多样性。为什么会出现这种情况？仅仅是因为热带比寒带更热？科学家认为，生物和环境之间的相互作用对多样性起着关键的作用。当然，还有其他一些改变多样性的力量，例如捕食和被捕食的关系。但是，科学家首先面临的问题是如何获取关于全球物种多样性的基础数据——到底有多少种生物都出现在那里。”（2）生物多样性的形成与干扰机制多样化的自然环境——生物多样性的基础（问题）多样化的自然环境体现在哪些方面？多样化的人工环境——生物多样性的干扰因素（问题）多样化的人工环境体现在哪些方面？物质多样性

形态多样性过程多样性

功能多样性

自然环境多样化太阳辐射、大气（气候）、水文、地形、地貌、生物（植物、动物）、土壤等自然环境要素多重塑造、综合作用下的结果大气圈、水圈、生物圈、岩石圈分布以及区域分异的影响

人类的需求：物质需求、精神需求、服务需求的多样性人类的劳动：劳动方式、内容与结果的多样性人类的创造：创造方式、过程和结果的多样性各种城市、农村、聚居地各种人工现象与人工景观：农田、建筑、道路交通、园林、人工植被、广场、人工河湖渠道等各种经济、科技、产业、文化等实体等人工环境的多样化界面多样性

方式多样性

过程多样性

效应多样性人类与环境相互作用多样性2、生态的功能与服务价值研究直接使用价值间接使用价值潜在使用价值生态功能如何实现，生物多样性与生态系统服务的价值（生态是作为一个系统发挥作用）。生态价值涉及三个方面：直接使用价值野生动、植物的药用价值——中医医药库；野生生物的工业原料用途，如木材加工；重要的科学研究价值——利用生物科学探索地球生态环境变化，揭示生命科学奥秘；生物多样性的美学价值——情操、生活、休憩、旅游、创作等。间接使用价值：生命支持系统服务以及生态环境影响所产生的价值，将成为未来生态使用价值最主要的研究方向与领域。生态服务功能与价值的核算：

人类直接或间接从生态系统得到的利益，主要包括向经济社会系统输入有用物质和能量（资源消耗）、接受和转化来自经济社会系统的废弃物（废水处理），以及直接向人类社会成员提供服务（饮用水）等。但涵养水源、提供氧气、固定二氧化碳、吸收污染物质、净化大气等作为公共商