保护生物学的生态学基础

关于保护生物学的生态学基础第一章绪论内容提要生态学的概念与由来学科的形成与发展生态学主要分支学科现代生态学的研究热点生态学研究方法主题词:GlobalChange；CERN；“3S”第一章绪论第2页,共66页，2024年2月25日，星期天第二章生物与环境1.环境、生态因子与生境2.光及其生态作用3.温度及其生态作用4.水——生命之源5.土壤7.其他主题词:

生境；异质性；生态型；生物多样性第3页,共66页，2024年2月25日，星期天第三章种群生态学内容提要种群定义及其基本特征种群数量特征与种群增长种内关系及种间关系物种形成学说与适应对策研究实例第三章种群生态学第4页,共66页，2024年2月25日，星期天第四章群落生态学内容提要生物群落定义及其基本特征生物群落的种类组成生物群落的结构生物群落的动态生物群落的分类与排序地球上的主要生物群落第四章群落生态学第5页,共66页，2024年2月25日，星期天第6页,共66页，2024年2月25日，星期天第五章生态系统生态学内容提要生态系统生态学概述生态系统组成要素、结构及原理生态系统能量流动生态系统的物质循环生态系统中的信息传递生态系统的服务功能与健康评价主题词:CERN；生物地球化学循环；生态系统承载力；全球变化第五章生态系统生态学第7页,共66页，2024年2月25日，星期天第一节生态系统生态学概述内容提要生态系统概念与内涵生态系统生态学概念与发展生态系统的基本特征生态系统的研究内容及其发展趋势生态系统生态学的特点系统生态学第五章生态系统生态学第8页,共66页，2024年2月25日，星期天1.生态系统的定义生态系统（Ecosystem）是指在一定时间和空间内，由生物群落及其环境组成，各组成要素之间借助物种流动、能量流动、物质循环、信息传递和价值流动而形成的一个相互联系、相互制约，并具有自我调节功能的复合体（戈峰，2002）。其他定义（供参考）生态系统一词是英国植物生态学家A.G.Tansley（1871-1955）于1935年授衔提出的。他在研究中发现气候、土壤和动物对植物的生长、分布和丰度都有明显的影响，于是提出“生物与环境形成一个自然系统。正是这种系统构成了地球表面上各种大小和类型的基本单元，即生态系统”。（几个大人物：Odum家族）一、生态系统概念与内涵第五章生态系统生态学第9页,共66页，2024年2月25日，星期天2.生态系统的内涵

（1）生态系统是客观存在的实体，具有时间、空间概念的功能单元；

（2）是由生物和非生物成分组成的，以生物为主体；

（3）各要素间有机地组织在一起，具有整体的功能；

（4）生态系统是人类生存和发展的基础。一、生态系统概念与内涵第五章生态系统生态学第10页,共66页，2024年2月25日，星期天生态系统生态学（Ecosystemecology）：是研究生态系统的组成要素、结构与功能、发展与演替，以及人为影响与调控机制的生态科学。学科发展（一）《寂静的春天》（CarsonR，1962）（二）生物多样性危机（三）生态系统健康与管理（四）国际组织（IBP、MAB、IGBP）20世纪60年代开始生态学的研究中心从群落生态学过渡为生态系统生态学，标志着生态学发展史上的第三次飞跃，而且比前两次更为深刻，意义更为深远。二、生态系统生态学的概念与发展第五章生态系统生态学第11页,共66页，2024年2月25日，星期天1.生态系统是具有时空概念的复杂的大系统2.有一定的负荷力（或称承载力，carryingcapacity）3.有明确的功能和公益服务功能

生态系统不是生物分类单元，更多是作为功能单元而存在，尤其是生态系统的服务功能。4.有自我维持、自我调控的功能5.有动态的、生命的特征6.具有健康、可持续发展特性三、生态系统的基本特征第五章生态系统生态学第12页,共66页，2024年2月25日，星期天研究内容（1）自然生态系统的保护和利用（2）生态系统调控机制的研究（3）生态系统退化的机理、恢复模型及其修复的研究（4）全球性生态问题的研究（5）生态系统可持续发展的研究发展趋势

（1）基础理论研究（2）系统空间格局研究（3）研究方法的改善（4）促进自然科学与社会科学的结合四、生态系统的研究内容及其发展趋势第五章生态系统生态学第13页,共66页，2024年2月25日，星期天以研究生态系统服务，促进生态系统健康为特点加强结构与功能为主的基础性研究采用建模与实验研究相结合的方法

生态系统模型（Ecosystemmodel）是研究、分析和描述生态系统的基本方法，是从系统基本成分、结构、行为处罚，简要描绘出生态系统最本质的特性和行为。五、生态系统生态学特点第五章生态系统生态学第14页,共66页，2024年2月25日，星期天什么是系统？按照H.T.Odum在系统生态学中的定义：系统是由一组按照某种过程相互作用的部件所组成，直观上可以看作是一些由方框图表示的部件相互联结而成的。系统分类系统可分为开放系统、封闭系统和孤立系统如果一个系统和外界既有能量交流又有物质交流，则为开放系统如果一个系统和外界只有能量交流而无物质交流，即为封闭系统如果一个系统和外界既无能量交流又无物质交流，则为孤立系统系统生态学就是“把系统分析的方法应用于生态学”六、系统生态学第五章生态系统生态学第15页,共66页，2024年2月25日，星期天第二节生态系统的组成要素、结构及原理内容提要生态系统组成要素及其作用生态系统结构的基本原理生态系统的开放、整体性原理生态系统的营养结构生态系统的主要类型第五章生态系统生态学第16页,共66页，2024年2月25日，星期天

生态系统包括生物组分和非生物组分生物组分：生产者、消费者、分解者等三大功能类群非生物组分：包括三部分内容，即（1）系统运转的驱动因子（2）生物生长的基质和媒介（3）生物生长代谢的材料各组成要素的功能生产者消费者分解者非生物环境一、生态系统组成要素及其作用第五章生态系统生态学第17页,共66页，2024年2月25日，星期天结构是生态系统的基本属性空间结构：具有明显的分层现象时间结构：生态系统结构随时间的变动反映出在时间序列上的动态。一般有三个时间度量，即以生态系统进化为主要内容的长时间度量、以群落演替为主要内容的中等时间度量和以昼夜、季节变化等为主的短时间变化。结构与功能的辩证关系生态系统结构与功能相互依存生态系统结构与功能是可以相互转变的生态系统结构与功能的关系是多种多样的二、生态系统结构的基本原理第五章生态系统生态学第18页,共66页，2024年2月25日，星期天生态系统的开放性生态系统是个开放系统（Opensystem）生态系统全方位的与系统外界进行交流，不断进行着物质、能量的交换和流动生态系统的开放性也表现在熵（Entropy）的交换开放的重要意义有开放，才有输入（Input）；有输入，才有输出（Output）开放，促进了各组成要素间的交流，使系统始终处于动态之中开放，使系统得到发展，交流、交换促进系统的发生和发展三、生态系统开放、整体性原理第五章生态系统生态学第19页,共66页，2024年2月25日，星期天生态系统的整体性原理整体性（Holism）是生态系统最重要的一个特征。整体性指系统作为有机整体，其存在的方式、目标、功能都表现出统一的整体性。整体性论点整体性是生态系统要素与结构的综合体现，主要有三个论点：整体大于系统各部分之和一旦形成了系统，各要素不能再简单分解成独立要素存在各个要素的性质和行为对系统的整体性都是有作用的，这种作用是在各个要素相互作用过程中表现出来的三、生态系统开放、整体性原理第五章生态系统生态学第20页,共66页，2024年2月25日，星期天生态系统内各要素之间最本质的联系是通过营养来实现的食物链（Foodchain）：就是生态系统内不同生物之间在营养关系中形成的一环套一环的链条式关系。食物链上的每一个环节，称为营养级(营养阶层，Trophiclevel)。生态锥体（Ecologicalpyramid,P160）食物链的类型捕食食物链（Predatoryfoodchain）如：小麦-蚜虫-瓢虫-鸟类碎屑食物链（Detritusfoodchain）

如：枯枝落叶-分解者-食碎屑动物-小型肉食动物-大型肉食动物寄生食物链（Parasiticfoodchain）如：鸟-跳蚤-鼠疫细菌四、生态系统的营养结构第五章生态系统生态学第21页,共66页，2024年2月25日，星期天食物网（Foodweb）生态系统中许多食物链彼此交错连接，形成一个网状结构，即为食物网。P159图4.3陆地生态系统的部分食物网（李博等，2000）生态效率（Ecologicalefficiency）生态效率是指各种能流参数中的任何一个参数在营养级或营养级内部的比值，常用百分数表示，也称传递效率。常用参数：捕食量(I)、同化量(A)、呼吸量(R)、生产量(P)营养级内：同化效率、生长效率营养级外：消费效率、林德曼效率四、生态系统的营养结构第五章生态系统生态学第22页,共66页，2024年2月25日，星期天第23页,共66页，2024年2月25日，星期天地球上的生体系统多种多样，从不同角度可划分出多个类型根据人类活动对生态系统影响大小来分：自然生态系统、人工生态系统根据生态系统所在环境性质来分：水生生态系统、陆地生态系统根据能源的来源和水平特点来分：太阳供能系统、燃料功能系统，其中前者为主要类型，又可分为无补加的太阳功能生态系统、自然补加的太阳功能生态系统和人类补加的太阳功能生态系统。五、生态系统的主要类型第五章生态系统生态学第24页,共66页，2024年2月25日，星期天Odum家族简介

提起20世纪的生态学发展，不能不提到Odum家族。作为社会学家HowardW.Odum之子，Odum认为是父亲给了自己一种从整体上（holistic)看待事物的方法。在Odum完成本科学业继续深造时，他没有选择密歇根大学和康奈尔大学，因为他认为这两所大学的生物系没有体现出这种研究的整体性。

Odum最终选择了伊利诺斯大学（U.ofIllinois)，并在那里获得博士学位。20世纪40年代后期，Odum供职于佐治亚大学，其时佐治亚大学将要制定新的课程计划，他认为必须立即加入生态学的内容，当时他的意见甚至遭到同僚的嘲笑。Odum明白，这是因为当时还没有一本真正意义上的生态学教科书，很多教职人员并不真正懂得生态学。第五章生态系统生态学第25页,共66页，2024年2月25日，星期天Odum家族简介1953年，Odum和弟弟HowardThomasOdum（当时为耶鲁大学的研究生）合著了一本生态学教科书：《生态学基础》（FundenmentalsofEcology）。

在其后10年左右的时间里此书也是唯一一本生态学教科书。Odum继承和发展了生态系统这一概念，这也是他对生态学作出的主要贡献之一。第五章生态系统生态学第26页,共66页，2024年2月25日，星期天第三节生态系统中的能量流动内容提要能量流动的一般模式及基本原理生态系统中的初级生产生态系统中的次级生产生态系统的能量动力学分析稳定性同位素的应用当前研究热点主题词:GPP；NPP；Lindeman效率；热力学定律第五章生态系统生态学第27页,共66页，2024年2月25日，星期天

生态系统中能量主要有两种存在状态：动能与势能动能（kineticenergy）势能（potentialenergy）一、能量流动的一般模式及基本原理能量流动模式第五章生态系统生态学（一）能量流动一般模式第28页,共66页，2024年2月25日，星期天生态系统中能量流动严格遵循热力学定律热力学第一定律：按当量比例转化，不能消灭和创造热力学第二定律：形式之间的转化总有一部分以热能的形式耗散生态系统能量的单向流动能量在生态系统内流动的过程中数量不断递减能量在生态系统内流动的过程中质量不断提高生态金字塔模式能量金字塔：较为客观、全面。上下相差1个数量级生物量金字塔：过高强调大型生物的作用。上下差5个数量级数量金字塔：高估小型生物的作用。上下密度相差10个数量级能量流动过程中速率不同（二）生态系统中能量流动的基本原理第五章生态系统生态学第29页,共66页，2024年2月25日，星期天初级生产（Primaryproduction）：又称第一性生产，指绿色植物和某些细菌生产。总初级生产（Grossprimaryproduction，GPP）：指植物在单位面积、单位时间内，通过光合作用固定太阳辐射的总能量。净初级生产（Netprimaryproduction，NPP）：植物的总初级生产量减去呼吸作用消耗的能量（R），余下的有机物质为净初级生产量或净第一性生产量。

GPP=NPP+R

或NPP=GPP-R影响初级生产力的主要因素（1）植物光合途径（C3、C4、CAM）（2）环境污染（3）消费者的影响（捕食）及自身死亡：dB/dt=GPP–R–H-D二、生态系统中的初级生产第五章生态系统生态学第30页,共66页，2024年2月25日，星期天全球初级生产量估算：全球NPP约170×109t，期中陆地115×109t。全球初级生产量的空间分布格局：不均匀。分布规律如下：陆地大于水域陆地NPP有随纬度增加而逐渐降低的趋势海洋NPP由河口湾向大陆架和大洋区逐渐降低全球面积生产量可划分为三个主要等级：极低、中等、高。时间分布格局：生态系统初级生产力随系统发育年龄而改变初级生产力测定方法（1）直接收割法（2）光合作用测定法（3）二氧化碳测定法（4）叶绿素测定法（5）遥感和地理信息系统技术的应用初级生产的生产效率生产效率之植物的生产量（Pn）与同化能量（An）的比值，即生产量占同化量的百分比二、生态系统中的初级生产第五章生态系统生态学第31页,共66页，2024年2月25日，星期天次级生产（Secondaryproduction）：指生态系统处级生产以外的生物有机体的生产，即异养生物的生产，表现为动物和微生物的生长、繁殖和营养物质的贮存。次级生产特点次级生产最终是以初级生产为基础各级消费者所利用能量仅仅为被食者生产量的一部分

PS(次级生产量)=C(摄入量)–Fu(排泄物、分泌物等)–R(同化量)次级生产过程次级生产力受到初级生产量和热力学第二定律制约。净初级生产量是一切消费者的能量来源。次级生产模型（见下页）三、生态系统中的次级生产第五章生态系统生态学第32页,共66页，2024年2月25日，星期天三、生态系统中的次级生产次级生产模型第五章生态系统生态学第33页,共66页，2024年2月25日，星期天次级生产量总要比初级生产量少得多！第34页,共66页，2024年2月25日，星期天四、能量动力学分析第五章生态系统生态学Lindeman(1942)开创了定量描述生态系统能量动态的工作。研究结果表明：当太阳辐射能进入生态系统后，首先为生产者所吸收的辐射能即成为总输入的能量。在通过植食动物、肉食动物等营养阶层时，能量在流动中有了转化。从总的来看，这种总能量流动和转化情况完全符合热力学第一定律和第二定律。O第35页,共66页，2024年2月25日，星期天

生态效率：是指生态系统中能量从一个营养阶层流转到另一个营养阶层，在不同阶层上能量个参数的比值。同化效率（AE）：是衡量生态系统中有机体或营养阶层利用能量和食物的效率。AE=An/In消费效率（CE）：是指n营养阶层摄食的能量与n-1营养阶层的净生产能量的比值。CE=In/NPPn-1生态效率（LE）：是指n营养阶层取食、吸收量与n+1营养阶层取食、吸收量的比值。相当于同化效率、生长效率和利用效率的乘积。因由Lindeman最早提出，因此常称为林德曼效率。

In+1/In=An/In×NPPn/An×In+1/NPPn生长效率（GE）：是指同一营养阶层的净生产量与同化量的比值。

GE=NPPn/An能量流动中的生态效率第五章生态系统生态学第36页,共66页，2024年2月25日，星期天用稳定性同位素（Isotope）检测能量和营养结构的研究是一种较新的手段，具有准确、快速、灵敏和可定位等优点。它深刻揭示许多取食习性变化较大的动物食性，其结果证明一些常规分析物种营养结构的工作是不太可靠的。大多数化学元素，包括一些稳定性同位素被广泛应用，如13C、14C，15N、34S等。这些稳定性同位素的相对浓度可用来研究整个生态系统的能流和物质流。稳定性同位素浓度比的差异往往比测定其绝对值更为准确。五、稳定性同位素的应用第五章生态系统生态学第37页,共66页，2024年2月25日，星期天着力于生物生产力提高的研究开发新能源和节约能源生态农业建设的研究开发海洋生物群落研究六、当前研究热点第五章生态系统生态学第38页,共66页，2024年2月25日，星期天第四节生态系统中的物种流动内容提要物种流的概念物种流的基本特点物种流动对生态系统的影响植物的种子流动物的迁移生物入侵（课后作业）主题词:speciesflow；biologicalinvasion第五章生态系统生态学第39页,共66页，2024年2月25日，星期天一、物种流的基本概念第五章生态系统生态学（一）物种：指相似生物个体的集合，可正常交配并繁育后代（二）物种流：是指物种在空间位置上的变动。可以是个体的，也可以是种群、群落等多种形式。具三层含义：生物有机体与环境之间的作用所产生时空的变化物种种群在生态系统内或生态系统间格局和数量的动态生物群落中物种组成、配置、营养结构变化第40页,共66页，2024年2月25日，星期天二、物种流的基本特点第五章生态系统生态学（一）有序性：种群个体迁移有季节、时间和先后等秩序（二）连锁性：种群向外扩散常是成群的。东亚飞蝗：少数个体起飞-逐步扩大-带动巨大蝗群非洲沙漠蝗：1889年中的一次飞越红海的蝗群大约有2500亿只（三）连续性：种群在系统内运动常是连续不断的，日夜兼程的进行（四）有规律和无规律移动：有规律的迁移+无规律的移动(生物入侵)第41页,共66页，2024年2月25日，星期天物种的增加和去除的影响物种新增会造成系统内物种的大量灭绝物种去除，会造成系统内物种的猛增增加物种改变生态系统发展的方向改变生物地球化学循环物种流动改变整个生态系统的结构和功能物种流动的间接影响草本植物的引入，会增加枯落层厚度及可燃性，增加火灾发生率三、物种流动对生态系统的影响第五章生态系统生态学第42页,共66页，2024年2月25日，星期天种子雨单位时间内一定空间中种子输入输出的流动量母体植株上的种子向环境传播的过程，常形象地称为种子雨传播动力：主要是风，其次还有水、动物等动物的迁移昆虫的迁飞：三种类型（课后查阅资料）水生动物的洄游鸟类的迁徙四、植物的种子雨和动物的迁移第五章生态系统生态学五、生物入侵（选学内容，请大家课后阅读相关文献）第43页,共66页，2024年2月25日，星期天第五节生态系统中的物质循环内容提要生物地化循环概述水的生物地球化学循环碳、氮、磷、硫的生物地球化学循环生态系统中的物质分解当前研究热点第五章生态系统生态学第44页,共66页，2024年2月25日，星期天一、生物地化循环概述生物地化循环：指生态系统之间矿物元素的输入和输出，以及它们在大气圈、水圈、岩石圈之间，生物与生物之间的流动和交换过程，又称为物质循环。其动力来自能量。生态系统物质循环的复杂性特点介质多样涉及元素多样涉及多种化学过程几个基本概念源-库流通率周转率物质循环的类型：水循环、气体型循环、沉积型循环第45页,共66页，2024年2月25日，星期天二、水的生物地球化学循环水循环的作用水是所有营养物质的介质水是很好的溶剂水是地质变化的动因之一水循环的驱动力太阳辐射植被海洋和陆地水分的不断蒸发水的全球分布及其循环途径海洋+淡水水的循环途径人类活动对水循环的影响（课后思考）第46页,共66页，2024年2月25日，星期天水的循环途径第47页,共66页，2024年2月25日，星期天三、气体型循环（碳、氮）碳的循环第48页,共66页，2024年2月25日，星期天三、气体型循环（碳、氮）氮的循环第49页,共66页，2024年2月25日，星期天四、沉积型循环（磷）磷的循环第50页,共66页，2024年2月25日，星期天五、气体-沉积型循环（硫）硫的循环第51页,共66页，2024年2月25日，星期天几个重要的概念固氮作用氨化作用硝化作用反硝化作用生物放大作用特别注意：元素循环的相互作用有毒物质的迁移转化第52页,共66页，2024年2月25日，星期天六、生态系统中的物质分解物质的分解作用（Decomposition）:指动植物和微生物的残体等复杂有机物逐步分解为无机物质的过程。生物分解者：微生物、食碎屑动物分解作用的意义：全球生态系统的物质动态平衡是靠物质的生产和分解来实现的。通过矿化作用，使营养物质得以再循环，提供给生产者利用维持大气中二氧化碳的浓度排除生态系统中出现的种种物流障碍稳定和提高土壤中有机物质的含量，为碎屑食物链提供物质基础改善土壤物理性状、改造地球表面惰性物质，降低污染物危害程度第53页,共66页，2024年2月25日，星期天当前研究热点元素循环间的耦合作用元素与人类健康全球变化与物质循环生物地球化学循环与可持续发展第54页,共66页，2024年2月25日，星期天第六节生态系统中的信息传递和价值流动内容提要信息传递的特点及传递模式生态系统中的信息传递过程价值与价值流价值流的特点

第五章生态系统生态学第55页,共66页，2024年2月25日，星期天一、信息及其主要特征信息的概念信息是指由信息源发出的、被使用者接受和理解的各种信号信息的基本特征普遍性：广泛存在于人类社会与自然界中传扩性：传递过程中的扩大永续性：取之不尽、用之不竭时效性：不断更新分享性：交换过程中互相补充，有效利用转化性：信息就是“生产力”

信息的类型：物理信息、化学信息、行为信息、营养信息第五章生态系统生态学第56页,共66页，2024年2月25日，星期天二、生态系统中信息的特点信息量与日俱增信息的多样性通讯方式的复杂性生物物种的信息存储量大大量信息开发潜力巨大

第五章生态系统生态学三、生态系统中信息传递模式信息的产生信息的获取信息的处理信息的再生信息的施效第57页,共66页，2024年2月25日，星期天四、生态系统中重要的信息传递(课后阅读)光与植物间的信息传递植物间的化学信息传递植物与微生物间的信息传递植物与动物间的信息传递动物与动物间的信息传递第五章生态系统生态学第58页,共66页，2024年2月25日，星