第三章-生态学基础

1、一、生态学的含义及其发展 生态学（Ecology）一词最早是由德国生物学家黑 格尔（Ernst Haeckl 1869）提出的。 生态学原是一门研究生物及其生活环境相互关系 的科学。 最近，由于人类环境问题和环境科学的发展，生态 学更扩展到人类生活和社会形态等方面，把人类这一个 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。,第三章 生态学基础,DEFINING ECOLOGY,OIKOS - Greek word “HOME” Ernst Haeckel (1869) defined ecology as the total relations of the an

2、imal to both its organic and its inorganic environment Charles Elton (1927) in his pioneering book Animal Ecology defined ecology as scientific natural history.,Eugene Odum (1963) defined ecology as the study of the structure and function of nature. Andrewartha (1961) defined ecology as the scientif

3、ic study of the distribution and abundance(数量) of organisms.,Ecology is the scientific study of the interactions that determine the distribution and abundance of organisms (Krebs 1994),COURSE OBJECTIVES,1. To introduce the fundamental principles of how ecological systems are structured and how they

4、function, at the level of individuals(个体), populations(种群) and communities(群落). 2. To develop a capacity to(有能力) understand quantitative data and information. 3. To encourage a high level of ecological literacy (生态文化水平)relevant to emerging(显现) local and global issues in the 21st century.,ECOLOGY,SPE

5、CIALIZATION WITHIN ECOLOGY,Physiological Ecology Behavioural Ecology Population Ecology Community Ecology Conservation Ecology Restoration Ecology Applied Ecology Wildlife Ecology,SPECIALIZATION WITHIN ECOLOGY,Theoretical Ecology Animal, Plant, Microbial, etc, Ecology Desert, Forest, Alpine(高山), Mar

6、ine(海洋), etc, Ecology Human Ecology Paleo(原始)-Ecology Biogeography(生物地理学),生物学 系统 特性,结构,功能,形态 生理 生态 遗传 细胞,系统工程学 经济学 工艺学 化学 物理学 数学,生态学的多学科性及其相互关系,现代生态学,应该是一门多学科的自然科学，它研究生命系统与环境系统之间相互作用规律及机理。 生命系统：自然界具有一定结构和调节功能的生命单元，如动物、植物、微生物。 环境系统：自然界的光、热、空气、水分以及各种有机物和无机元素相互作用所共同构成的空间。,生态学发展进程中的三个特点：,从定性探索生物与环境的相互作用

7、到定量研究 从个体生态系统到复合生态系统，由单一到综合，由静态到动态地认识自然界的物质循环与能量转化规律。 与基础科学和应用科学相结合，发展了生态学，扩大了生态学的领域。,生态学与环境学的关系与区别,它们所研究的问题基本上是相近的。 生态学是以一般生物为对象的。着重于研究自然环境因素与生物的关系，单纯属于自然科学的范畴。 环境科学则以人类为主要对象，把环境与人类生活的相互影响作为一个整体来研究，从而和社会科学有十分密切的关系。 生态学的许多基本原理同样也可以应用于环境科学中，作为基础理论而联系到人类独特的主观能动性和复杂的社会关系，来研究和解决人类生活与环境问题。,二、 生态系统的概念和功能,

8、1、生态系统 一个生物物种在一定范围内所有个体(individual)的总和在生态学中称为种群（Population）； 在一定的自然区域中许多不同种的生物的总和则 称为群落（Community）； 任何一个生物群落与周围非生物环境的综合体就是 生态系统（Ecosystem）。,生态系统的组成如图，包括必要的非必要的两部分。,根据生态系统的环境性质和形态特征，可分以下三类型, 陆地生态系统：又可分 自然生态系统: 森林、草原、荒漠生态系统 人工生态系统：农田、城市、工矿区 淡水生态系统：湖泊、河流、水库 海洋生态系统：海岸、河口、大洋、海底等,Food chain and Food web,生

9、物圈中的各种生物基于生产者和各级消费者间的营养关系，构成了生态系统中的食物链(Food Chain)。(就是一种生物以另一种生物为食，彼此形成一个以食物联接起来的链锁关系。 在一个生态系统中，食物关系往往是很复杂的，各种食物链互相交错，形成食物网(Food Web)。能量的流动、物质的迁移和转化，就是通过食物链和食物网进行的。,Precipitation:降水,Predator:食肉动物 Omnivore:杂食动物 herbivore:草食动物 Algae:藻类,2 、 生态系统中的能量流动,Autotroph:自养生物 phytoplankton:浮游生物, 生态系统中的能量流动 主要通过两

10、个途径： 光合作用和有机成分的输入 呼吸的热消耗和有机物的输入,Assimilatory:同化作用 Dissimilatory：异化的 Respiration:呼吸作用,Gross production（总产量）：食物链中各营养层次 在单位时间内所合成的有机物质的量。一般用能量 的焦耳数表示。,Net production（净产量）：在总产量中，生物需耗一部分能量进行呼吸，剩下的部分。,生态系统热力学公式： Pg = Pn + R Pg-Gross production Pn-Net production,Autotroph:自养生物,可以看出，生态系统的能量流动，具有以下5个特点： 生产者即

11、绿色植物对太阳能的利用率很低，仅1.2% 能量只朝单一方向流动 流动中能量逐渐减少,每经过一个营养等级都有能量 以热的形式散失掉.各级产量只占总产量的16%44% 各级消费者之间能量的利用率也不高,在4.5% 17%之间,平均约10%(Ecological efficiency) Energy pyramid(能塔图）见下页 只有当生态系统生产的能量和消耗的能量相平衡时， 生态系统的结构和功能，才能保持动态平衡。,3、生态系统中的物质循环 水循环,Rhizobium:根瘤菌 nitrosomonas:亚硝化菌nitrobacter:硝化菌 denitrification: 反硝化 Pseudo

12、monas:假单胞菌属,极毛杆菌属,Anthropogenic:人类起源的 sediments:沉积物,Volcanic:火山uplift:上升,Phosphorus Cycle(磷循环）,No significant gaseous component Major terrestrial source is weathering of Ca-phosphate minerals (apatite) but these are not very soluble Well-developed intrasystem cycle with a turnover time that can be 1

13、 minute Large anthropogenic effects,Phosphorus Cycle,Biota: 生物区,Intrasystem（系统内的） P Cycle,Leaching:沥滤,淋洗,浸出,生态系统的基本概念、结构和功能的概括：,生态系统是一个主要的生态学单位，它包括生物和非生物成分；并且在土壤、水、营养物质、生产者、消费者和还原者之间具有某种结构上的相互关系，以适应能量和营养物质在生物和非生物成分之间进行物质循环和能量流动。 生态系统的功能与通过生态系统各结构成分的物质循环和能量流动有关。这种功能的单位是种群。 流经一个自然生态系统的总能量，取决于植物或生产者所固定

14、的能量。当能量在营养级间逐一传递时，有相当大的一部分作为呼吸热而损失掉。这种情况限制了每一营养级所能维持的机体的数量和能量,生态系统的基本概念、结构和功能的概括,生态系统有趋于成熟的倾向，在这过程中，生态系统由简单的状态变为较复杂的状态，这种定向性的变化称为演替。演替时期的特点是，具有过剩的潜能，并且每单位生物量有相当高的能量流动；在成熟的生态系统中，因为能量流经多种通道而没有浪费，但也无积累。 在任何一个生态系统中，环境和能量都是有限的，当一个种群达到生态系统所给于的限制时，种群数量趋于稳定；或由于疾病、竞争、饥饿、低繁殖率等原因，引起种群数量下降。,生态系统的基本概念、结构和功能的概括,环

15、境的改变和波动（如环境的开发和种间竞争），表现为对种群的选择压力，有机体必须调整以适应这种选择压力，不能适应的有机体便会消失，这可能在一定时间内降低生态系统的成熟性。 生态系统有其历史的状况，现在和过去有关，而未来与现在也有关。,由乔木或灌木树种为主体组成的绿色植物 群体，就是森林。森林与森林中的动物、微生物等生物因子和它所处空间的土壤、水分、大气、日光、温度等非生物因子相互联系、相互依存、相互作用构成森林生态系统。,三、森林生态系统,森林生态系统的特点：,占有巨大的生态空间，为生物提供了广阔的生长、栖息环境，能充分利用气候和土壤的条件，生产巨大的生物量 生态结构或营养结构方面都十分复杂，具有

16、明显的分层结构 森林生态系统演替到成熟阶段，即到了顶极生态系统时，系统中的生产者、消费者和分解者的营养层次最多，组成和结构也最为复杂，物质循环和能量流动则形成动态平衡。,森林生态系统的分类,因所在地域的不同，可分为 北冻土带针叶林 温带和亚热带阔叶林 热带雨林,热带雨林是成熟的顶级生态系统 热带雨林中物种繁多，约占地球物种的40%，是最大的物种基因库。如西双版纳雨林，仅高等植物就有5000多种；而且雨林中层次分明，最多达8层。 是森林生态系统中太阳能利用率最高，即生物生产力最高的生态系统。 热带雨林的水分蒸发量也极大，对调节气候起着极重要的作用。 由此可见，保护热带雨林就是保护物种基因库和保护

17、人类食物的来源，并有利于维持地球气候的正常变化。,不同森林生态系统的生物量, 森林是地球之肺 森林是造氧能力最强的绿地。全球的森林 每年大约使550亿吨二氧化碳转变成为木材，同时放出 400多 亿吨氧气。 森林是物种基因库（珍稀的动、植物，活的“化石”，维持生态平衡，对于了解生物的进化和生态系统的演替，都具有极大的价值） 森林是自然界物质和能量交换的重要枢纽 （水，二氧化碳，氮，光合作用） 森林是人类食物和木材来源的重要基地 食用植物、药用植物，野生动物的栖息地，为人类提供相当数量的食肉和毛皮，是人类生产和生活的基地。,2、森林生态系统在生物圈中的作用, 森林在环境保护中的作用 由于生态系统所

18、占的生态空间最大，结构最复杂，内在 调节机制最完整有效（即稳定性最大），它对环境的保 护作用最显著，主要有以下几方面： 1、 涵养水源和保持水土。,2、防风固沙 3、美化环境和保护野生动物 4、吸收有毒气体 5、阻滞粉尘飞杨 6、驱菌杀菌 7、净化空气和水源 8、减弱噪声 9、保护工业发达和人口集中的城市环境,森林在环境保护中的作用,1、生态平衡的含义 任何一个正常的生态系统中，能量流动和物质循环总是不断地进行着，但在一定时期内，生产者、消费者和还原者之间都保持着一种动态的平衡，这种平衡状态就叫生态平衡。 生态平衡表现： 在自然系统中表现为生物种类和数量的相对稳定。,四、生态平衡,Reason

19、 : 其内部具有自动调节的能力 生态系统的组成成分越多样，能量流动和物质循环的途径越复杂，其调节能力也越强。相反，成分越单纯，结构越简单，其调节能力也越小。 但是调节能力也有一定的限度，超出了这个限度，调节就不再起作用，生态平衡就会遭到破坏。如果现代人类的活动使自然环境剧烈变化，或进入自然生态系统中的有毒物质数量过大，超过自然系统的调节功能或生物与人类可以忍受的程度，那就会破坏生态平衡，使人类和生物受到损害。,为什么生态系统能保持动态平衡呢？,2、破坏生态平衡的因素 生态平衡的破坏有自然的原因，也有人为的因素。 自然原因主要是指自然界发生的异常变化或自然界本来就存在的对人类和生物的有害因素。例

20、如，秘鲁海面每隔67年发生的海洋变异现象P45 人为因素主要指人类对自然资源的不合理利用、工农业发展带来的环境污染等问题。,1、物种改变引起平衡的破坏（人类有意或无意在使生态系统中某一种生物消失或往其中引进某一种生物，都可能对整个生态系统造成影响） 2、环境因素改变，引起平衡破坏 （工农业的迅速发展，有意或无意地使大量污染物质进入环境，从而改变生态系统的环境因素，影响整个生态系统，甚至破坏生态平衡） 3、信息系统的破坏。 主要是人们排放到环境中的某些污染物质与某一雌性个体排放的性信息激素作用，使其丧失引诱雄性个体时，就破坏这种动物的繁殖，改变生物种群的 组成结构，使生态平衡受到影响。,人为因素

21、引起的生态平衡的破坏,五、生态学的一般规律 在介绍了有关生态学、生态系统和生态平衡方面的基本知识后，本节着重对生态学的一般规律加以简要的概括。,1、相互依存与相互制约规律,普遍的依存制约，亦称“物物相关”规律 有相同生理、生态特性的生物，占据与之相适宜的小生境，构成生物群落或生态系统。系统中不仅同种生物相互依存、相互制约，异种生物（系统内各部分）间也存在相互依存与制约的关系；不同群落或系统之间，也同样存在依存与制约关系，亦可以说彼此影响。这种影响有些是直接的，有些是间接的，有些是立即表现出来的，有些需滞后一段时间才显现出来。一言以蔽之，生物间的相互依存与制约关系，无论在动物、植物和微生物中，或

22、在它们之间，都是普遍存在的。因此，在生产建设中，特别是在需要排放废弃物、施用农药化肥、采伐森林、开垦荒地、猎捕动物、修建大型水利工程及其他重要建设项目时，务必注意调查研究，即查清自然界诸事物之间的相互关系，统筹兼顾，即要对与某事物有关的其他事物加以认真的、通盘的考虑，包括考虑此种生产活动可能会产生的影响（短期的和长期的、明显的和潜在的），从而作出全面安排。,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,具体形式就是食物链与食物网。即每一种生物在食物链或食物网中，都占据一定的位置，并具有特定的作用。各生物种之间相互依赖、彼此制约、协同进化。被食者为捕食者提供生存条件，同时又为捕

23、食者控制；反过来，捕食者又受制于被食者，彼此相生相克，使整个体系（或群落）成为协调的整体。或者说，体系中各种生物个体都建立在一定数量的基础上，即它们的大小和数量都存在一定的比例关系。生物体间的这种相生相克作用，使生物保持数量上的相对稳定，这是生态平衡的一个重要方面。当向一个生物群落（或生态系统）引进其他群落的生物种时，往往会由于该群落缺乏能控制它的物种（天敌）存在，使该物种种群暴发起来，从而造成灾害,2、物质循环与再生规律,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

24、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。至于流经自然生态系统中的能量通常只能通过系统一次，它沿食物链转移时，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。如在农业生产中，应防止食物链过早截断，过早转入细菌分解；不让农业废弃物直接作为肥料，被细菌分解，使能量以热的形式散失掉；而是经过适当处理，例如先作为饲料，便能更有效地利用能量。,3、物质输入输出的动态平衡规律,这里所指的物质输入输出的平衡规律又称协调稳定规律，它涉及生物、环境和生态系统三个方面。当一

25、个自然生态系统不受人类活动干扰时，生物与环境之间的输入与输出，是相互对立的关系，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）。也就是说，对于一个稳定的生态系统，无论对生物、对环境，还是对整个生态系统，物质的输入与输出总是相平衡的。,当生物体的输入不足时，例如农田肥料不足，或虽然肥料（营养分）足够，但未能分解 而不可利用，或施肥的时间不当而不能很好的利用，结果作物必然生长不好，产量下降。 同样，在质的方面，也存在输入大于输出的情况、例如人工合成的难降解的农药和塑料或重金属元素，生物体吸收的量虽然很少，也会产生中毒的现象。即使数量极微，暂时看不出影响，但它也会积累并逐渐造成危害。 另外，对环境系统而言，如果营养物质输入过多