第一章-地球环境与生态系统

1、第一章 地球环境与生态系统,本章内容是环境保护与可持续发展 的基础内容，从环境来看，虽然我 们所讲的环境是针对人类的生存圈 而言的，主要是地球表层，但就整 个宇宙来看，环境是一个同心圈层结构。本章采取由远及近的方法介绍地球环境，先分析其宇宙环境，着重介绍地球这个宇宙中既普通有特殊的天体在星际空间的位置和特性，然后进入地球内部，了解其圈层构造，分析其物质组成、结构特点、运动或变化特性，进而了解地球环境的涵义、特性和分类。 本章重点：地球环境的圈层构造和特性。,学 习 指 导,第一节 地球环境的圈层结构与人类关系,一、宇宙和天体,宇宙的科学定义：,宇宙,是由各种形态的物质构成的,宇宙是无比广阔的空

2、间、物质世界 的整体。“上下四方曰宇，往来古 今曰宙” “宇之表无 极，宙之端无穷”,是在不断运动和发展变化的,宇宙的特性： 无边无际， 无穷无尽。 宇宙的认识过程： 由表及里， 返璞归真。,天体 ：宇宙中各种形体和星际物质的总称，主要的天体有星云、恒星、行星、卫星、彗星、流星体。,恒 星,有星光闪烁的恒星 有绕恒星运动的行星 有圆缺多变的月亮 有轮廓模糊的星云 有一闪即逝的流星 有拖着长尾的彗星 有星际物质气体和尘埃 有形式各异、大小不一的 人造天体,自然天体,哈雷彗星,“哈雷彗星”是第一颗经推算预言必将重新出现而得到证 实的著名的大彗星。它的公转周期为76年。最近的一 次回归是1986年。

3、,天体系统：,天体系统,外层空间,总星系,河外星系,银河系,其它恒星,太阳系,其他行星,地月系,月球,地球,二、太阳和太阳系 太阳：半径约为70104km，是地球半径的109倍，体积是地球的130万倍。太阳质量为1.9891027t，相当于地球的3.33104倍。光球表面温度为5500左右，太阳中心温度不低于1500万。它每秒放出来的能量为9.41025卡，到达地球上的只占总量的1/22亿，太阳常数为8.16J/(cm2.min)。 位置：位于距银河系中心约27000光年、距边缘23000光年的地方。 大小：直径相当于地球直径的109倍，表面积约为地球的12000倍，体积约为地球的130104

4、倍，质量相当于地球的33.3104倍。 太阳系：8大行星，50个卫星和至少50万个小行星，还有少数彗星。,太阳系八大行星概况,2006年8月24日晚上9点，世界天文联合会在捷克首都布拉格（东1区）通过决议：冥王星被淘汰，太阳系只有八个行星。,三、地球在宇宙中的位置及优越条件 太阳系位于银河系赤道平面上，距银心2.4万光年，距银盘边缘6.4万光年。 从地球到太阳的平均距离为14，960104km（称为一个天文单位）。 地球距太阳距离适中，得到的热量适宜，温度适中（15）；质量适中，外壳坚硬，地心引力可吸引大气和水；低层大气以氮和氧气为主，高层有臭氧，能吸收绝大部分太阳紫外辐射，使地球上的生物不致

5、遭到伤害。 因此，地球上有生命孕育的条件。,四 、 地球的圈层构造,地壳,地幔,地核,内圈,外圈,大气圈,水 圈,生物圈,地球表层,地理 环境,地球的圈层构造图,地球表层系统的结构,地幔,地壳,软流层,外核,内核,圈层的划分,地壳,地幔,上地幔,下地幔,地核,外核,内核,莫霍界面,古登堡界面,33,2900,1、由岩石组成的固体外壳 2、厚度不均，大洋部分薄，大陆部分厚,上地幔上部存在一个软流层，这里可能为岩浆的主要源地,温度、压力和密度 很大,一、内部圈层 1 地壳：大陆地壳平均厚度 约35公里，双层结构（硅铝层和 硅镁层）；海洋地壳5-8公里，单层结构（主要为硅镁层）。 2 地幔：上下两层

6、，上地幔上部的60-250公里间有软流层，下地幔含铁镍物质。 3 地核：2900至地心，主要为铁镍等物质。,二、外部圈层 1 大气圈：主要由氮、氧、氩等气体组成，氮气和氧气约占整个大气总体积的99%以上，加上氩气，三者约占99.96%。根据大气温度垂直变化特征，将大气圈分为对流层、平流层、中间层、热成层和逸散层。 2 水圈：全球的水量约为14亿km3，其中海洋占了地球全部水量的97，它们是水圈的主体，其余的3则为陆地上的淡水，河流、湖泊、水库、池塘、沼泽、冰川、地下水等都是水圈的组成部分。 3 生物圈：主要由生命物质、生物生成性物质和生物惰性物质三部分组成。 4 土壤圈。,一、地球表面的基本特

7、征 1.太阳辐射集中分布于地表，太阳能的 转化亦主要在地表进行。 2.固态，液态，气态物质同时并存于地 表，使海洋表面成为液气界面，海底成为液 固界面，陆地表面成为气固界面，而沿岸地带 成为三相界面。 3.地球表面具有其特有的，由其本身发展形成的物质和现象，如生物，风化壳，土壤层等。 4.相互渗透的地表各圈层之间，进行着复杂的物质，能量交换和循环，并且在交换和循环中伴随着信息的传输。 5.地球表面存在着复杂的内部分异。 6.地球表面是人类社会发生，发展的环境，尽管随着科学技术的发展，人类已有可能潜入深海或上升至宇宙空间，但地表仍然是人类活动的基本场所。,二、地球环境的组成及特性 地球环境：人类

8、赖以生存的周围一切事物的总和； 按性质可分为自然环境和社会环境。 自然环境主要由自然要素所构成的环境，如大气环 境、生物环境、土壤环境、水环境、海洋环境等； 根据环境特征又分为原生环境和次生环境。 社会经济环境主要是指各种社会经济生活要素所构成的环境，又叫人工环境。按要素可分为物理社会环境、生物社会环境、心理社会环境；按功能可分为聚落环境、工业环境、农业环境、文化环境、医疗休养环境。,地球环境的特性： 整体性：地理环境的各个要素、各个过程相互联系，相互影响，共同改造地球面貌，特别是人类活动，已成为引起地球环境变化的主要因素。 地球环境的独特性：有水、有大气、有保护层、由生长的土壤，刚性的外壳，

9、是一个靠绿色生命来捕获、转移和储存太阳辐射能，靠生命活动来驱动地球表层的物质元素循环，靠生命过程来调控并保持其远离天体物理学平衡的开放系统。 盖娅（Gaia)假说或盖娅理论 ：不是地球上“优越”的环境条件创造了生命，而是生命活动创造了今天的地球环境。,第二节 生态系统,定义：生态学一词最早是由德国生物学家黑格尔于1869年提出的。他把生态学定义为“自然界的经济学”。其英文词首和经济学是相同的，均来自于希腊文，表示家庭居处或环境的意思，可见，生态学与经济学、家庭、环境等有着密切的关系。后来有的学者把生态学定义为“研究生物或生物群体与其环境的关系，或生活着的生物与其环境之间相互联系的科学”。,我国

10、著名生态学家马世骏把生态学定义为“研究生物与环境之间相互关系及其作用机理的科学”。生态学中所说的生物包含植物、动物和微生物。最近，由于人类环境问题和环境科学的发展，生态学也扩展到人类生活和社会形态等方面，把人类这一生物种也列入生态系统中，来研究并阐明整个生物圈内生态系统的相互关系问题。,生态学的发展,生态学原是一门研究生物与其生活环境相互关系的科学，是生物学的重要分科之一。初期主要研究植物，后来逐渐涉及动物和人类。目前，随着现代科学技术的发展并向生态学的不断渗透，赋予它新的内容和动力，使其成为多学科、较活跃的科学领域之一。,生态系统的概念,生物自从在地球上出现以来就与自然环境有着密不可分的关系

11、，长期以来形成了相互依存、相互制约的关系。地球上的生物十分庞杂，其中包括动物2000万种以上，植物30多万种，微生物10多万种。这些生物通过新陈代谢不断与环境进行着物质的交换、能量的传递和信息的交流，从而引起环境与生物自身的变化。生物在长期的进化中对环境具有依附性和适应性，但生物也不是被动的适应环境，生物也具有其本身独特的遗传特性。生物受到环境的影响，反过来又作用于环境。,一个生物物种在一定的范围内所有个体的总和称为生物种群（Population）。 在一定自然区域的环境条件下，许多不同种的生物相互依存，构成了有着密切关系的群体，称为生物群落（Community）。 随着环境条件的千差万别，地

12、球上出现了各种各样的生物群落（森林、草原、荒漠等等）。而特定的生物群落又维持了相应的环境条件。一旦生物群落发生变化，也会影响到环境条件的变化。因此，人们把生物群落与其周围非生物环境的综合体，称为生态系统（Ecosystem），也即生命系统和环境系统在特定空间的组合。,非洲热带草原的群象（种群）,斑马种群,狮子种群,捕食与被捕食（群落）,点图片播放,森林生态系统,海洋生态系统,点图片播放,海洋生态系统,在生态系统中，各种生物彼此间以及生物与非生物的环境因素之间互相作用，关系密切，而且不断进行着物质的交换、能量的传递和信息的交流。目前，人类所生活的生物圈内有无数大小不等的生态系统。,一个简化了的陆

13、地生态系统,生态系统的组成,生态系统是由四个部分组成的见下图,生产者,消费者,分解者,无生命物质,能量,物质,热量,生产者：主要是绿色植物，凡能进行光合作用制造有机物的植物种类，包括单细胞藻类，均属于生产者。还有一些能利用化学能把无机物转化为有机物的化能自养型微生物，也应列入生产者之列。,湖泊中的藻类,消费者：主要是动物，又分为一级消费者（如草食性动物）；二级消费者（如肉食动物）；等等。,人处于消费者中的最高级别,分解者：指各种具有分解能力的微生物，也包括一些微型动物，如鞭毛虫，土壤线虫等。,微生物（真菌）橙盖伞分解者,无生命物质：指生态系统中的各种无生命的无机物、有机物和各种自然因素（如土壤

14、、空气、水等）。,岩石,矿物,土壤,空气,水体,P生产者； C1初级消费者； C23二、三级消费者； Cn四级消费者； D分解者,太阳,生产者,一级消费者,二级消费者,简化的陆地生态系统,简化的池塘生态系统,一级消费者（浮游生物）,二级消费者,三级消费者,生产者（浮游植物）,分解者（微生物）,分解者,生态系统的结构,1、生态系统的形态结构：生态系统的生物种类，种群数量、种的空间配置（水平分布、垂直分布）、种的时间变化（发育、季相）等构成了生态系统的形态结构。如：在森林生态系统中，有各种乔木、灌木和草本植物，有各种动物和复杂的微生物种群。它们各自的数量、空间的分布和种的时间的变化就构成了森林生态

15、系统特有的形态结构。,种群数量,生物的空间配置：苔藓地衣,生物的空间配置：草本,生物的空间配置：灌丛,生物的空间配置：乔木,生态系统中种的时间变化,发育：2003年10月生长情况,发育：2004年5月生长情况,发育：2004年8月生长情况,发育：2005年5月生长情况,发育：虎,发育：虎,发育：北极狐,发育：北极狐,生物的季相,生物的季相,生物的季相,生物的季相,2、生态系统的营养结构：生态系统各组成部分之间建立起来的营养关系，构成了生态系统的营养结构。它是生态系统中能量流动和物质循环的基础。,生态系统中，由食物关系把多种生物联接起来，一种生物以另一种生物为食，另一种生物再以第三种生物为食，彼

16、此形成一个以食物联接起来的链锁关系，称为食物链。比如：老鼠以农作物为食，而鼬鼠又以老鼠为食，这就构成了一个最简单的食物链。再如：碎屑-蘑菇-昆虫-蛙-蛇-鹰就构一个较为复杂的食物链。,按照生物间的相互关系，一般可把食物链分为：,捕食性食物链，即由一些以其他动物为食的动物构成的食物链。例如由狐狸和野兔构成的食物链。,碎食性食物链，是由一些食碎屑生物构成的。诸如秃鹫、蚯蚓、千足虫、白蚁、蚁和甲虫等。,寄生性食物链，是由一些寄生性生物构成的。它们是与其“捕获物”建立起一种紧密地联系，长期地以“捕获物”为生。比如：动物肠内的绦虫、寄生在动物体外的蜱、虱或七鳃鳗以及一些植物如菟丝子、槲寄生等。,腐生性食

17、物链，由腐生性生物构成。如水晶兰、真菌等。,在一个生态系统中，食物关系往往复杂，各种食物链相互交错，形成所谓食物网。能量的流动，物质的迁移和转化，就是通过食物链或食物网进行的。见下图,1桧树； 2草本植物； 3节肢动物； 4兔； 5啮齿动物； 6肉食动物,食物网,生态系统的功能,生态系统中能量流动、物质循环和信息联系构成了生态系统的基本功能。,1、生态系统中的能量流动,生态系统中全部生命活动所需要的能量均来自太阳。太阳能在生态系统中的流动是按热力学定律进行的。热力学第一、二定律决定了能量流动的规律。,环境卡片能量流动的1/10规律 在生态系统中，能量从植物体内转移至草食动物体内时大约为总能量的

18、1/10，而再转移到肉食动物体内时，为草食动物能量的1/10左右。一般说来，能量沿着绿色植物草食动物一级肉食动物二级肉食动物逐级流动，而后者所获得的能量大体等于前者所含能量的1/10，这就是说，在能量流动过程中，约有9/10的损失掉了。,2、生态系统中的物质循环,生态系统中的一切生物（动物、植物、微生物）和非生物的环境，都是由运动着的物质构成的。并在地球长期的演化过程中建立起来了各种循环体系。其中碳、氢、氧、氮、硫、磷等的循环是生态系统基本的物质循环。锰、锌、铜、钼、钴、钙、镁、钾等微量元素，也在生态系统中的构成了各自的循环。而与人类环境关系比较密切的主要有水、碳、氮、三大循环。,水循环,碳循

19、环,氮循环,3、生态系统中的信息联系,在生态系统的各组成部分之间及各组分内部，伴随着能量和物质的传递与流动还同时存在着各种信息的联系，而这些信息把生态系统联成一个统一的整体，起着推动物质流动、能量传递的作用。信息在生态系统中表现为多种形式，主要有营养信息、化学信息、物理信息、遗传信息和行为信息。,环境专栏北极狐和北极兔 据科学家们观察，生活在北极地区的北极狐是以北极兔为食的。北极狐一胎可以怀单胎，也可以怀双胎。而这是取决于北极兔的多少。北极兔的数量多，怀双胎；数量少则怀单胎。这对于维持生态系统的平衡是至关重要的。难道是北极兔告诉北极狐自己的数量吗？显然不可能，这只能是生态系统中某些类似物理、化

20、学等信息在起作用。,北极狐,北极兔,生态平衡的概念,如果某生态系统各组成成分在较长时间内保持相对协调，物质和能量的输出接近相等，结构与功能长期处于稳定状态，在外来干扰下，能通过自我调节恢复到最初的稳定状态，则这种状态可称为生态平衡。生态平衡包括三个方面：即结构上的平衡、功能上的平衡以及输入和输出物质数量上的平衡。生态平衡是相对的平衡、动态的平衡。,生态系统的动态变化,生态系统的稳定取决于平衡的相互关系,生态系统的演替,一些生态系统，依靠自身的发展和活动的本性，一方面消灭某些物种，另一方面又允许别的物种侵入，以此来改变它们的环境。因而，在占领这个地区的各种生物中，存在着一种渐近的变化。最后，一个

21、生态系统可能被另一个生态系统全部代替。生态系统中的这种变化过程就叫做演替。,1、原生演替,如果这个地域先前没有生物占领，那么，一个生态系统被另一个生态系统所代替的过程就称为原生演替。,裸露的岩石表面被生物逐步侵入，最后变成了森林生态系统就是一个典型的范例。,原生演替,2、次生演替,开始于次生裸地或原生芜原（不存在植被，但在土壤或基质中保留有植物繁殖体的裸露地段）上的演替。比如，当一个地区被开垦，后又被废弃时，这个地区在开垦前的优势生态系统，将经过一系列明显的阶段而得到恢复。由于这是重建原来就已经有的生态系统，所以把这个过程叫做次生演替。,次生演替,原生态,山区高速公路生态恢复研究,生态破坏,生态恢复,3、顶极生态系统,这是演替到最后阶段的一种生态系统。全部已有的物种继续彼此按比例繁殖，并不再发生变化的平衡状态称为顶极。这个系统也就叫做顶极生态系统。顶极生态系统的类型依这个地区占优势的非生物因素的不同而异。在炎热的干旱地区，顶极是热带荒漠生态系统；在炎热的