1、環(huán)境變化與社會發(fā)展城市管理與資源環(huán)境學院主講教師：吳鞏勝主講教師：吳鞏勝第二章第二章 生態(tài)學基礎生態(tài)學基礎什么生態(tài)學？什么生態(tài)學？n生態(tài)學是研究生物與其環(huán)境相互作用的科學。這里的“環(huán)境”包括：物理環(huán)境（如溫度、水等）生物環(huán)境（來自其他生物的影響）生態(tài)系統的概念生態(tài)系統的概念 n 生態(tài)系統就是在一定時間和空間內，生物與其生存環(huán)境以及生物與生物之間相互作用，彼此通過物質循環(huán)、能量流動和信息交換，形成的一個不可分割的自然整體。生態(tài)系統 = 生物群落 + 生物群落的環(huán)境生態(tài)系統 = 生命系統 + 環(huán)境系統生態(tài)系統的組成生態(tài)系統的組成 n生產者包括所有能進行光合作用的綠色植物以及光能自養(yǎng)型微生物和化能自

2、養(yǎng)型微生物。生產者是生態(tài)系統中最活躍的因素。綠色植物具有葉綠素，能利用太陽輻射能，通過光合作用，把吸收來的二氧化碳、水和無機鹽類制造成初級產品-碳水化合物，并同時將太陽能以化學能的形式固定、儲藏在碳水化合物中，碳水化合物可進一步合成轉化為脂肪、蛋白質等其它有機物，這些有機物便成為地球上一切生物（包括人類在內）賴以生存的食物來源。除綠色植物外，化能自養(yǎng)型微生物和光能自養(yǎng)型微生物也能分別利用化學能和太陽能合成有機物，如氮化細菌能將氨氧化成亞硝酸和硝酸，并利用這一氧化過程中產生的能量把二氧化碳和水合成為碳水化合物。生產者在生態(tài)系統中的作用主要是生產各種有機物，一方面供自身生長發(fā)育所需，一方面為其它生

3、物提供食物來源。 生態(tài)系統的組成生態(tài)系統的組成 n消費者主要指動物而言。消費者均屬于異養(yǎng)生物，即只能依賴生產者生產的有機物來維持自己的生命活動。其中，以植物的葉、枝、果實及凋落物為食的叫草食性動物（又稱一級消費者），如陸地生態(tài)系統中的蝗蟲、野兔、梅花鹿、牛、馬、羊等，淡水生態(tài)系統中的浮游動物、螺螄、蝦等；以草食性動物（一級消費者）為食的叫肉食性動物，屬于二級消費者或一級肉食者，如狐貍、黃鼠狼、青蛙；以二級消費者為食的叫三級消費者或二級肉食者，如老鷹、金錢豹、獅子等。依此類推。消費者在生態(tài)系統中的作用，一是物質與能量的傳遞作用，如在草原生態(tài)系統中，野兔就起著把青草中的有機物和儲存在有機物中的能量

4、傳遞給肉食性動物的作用；二是物質的再生產，如草食性動物山羊可以把草本植物的植物性蛋白通過再生產轉變成動物性蛋白。 生態(tài)系統的組成生態(tài)系統的組成 n分解者主要指細菌、真菌等微生物，也包括一些小型動物。細菌和真菌能分泌消化酶，把動植物殘體中的有機物變成可溶狀態(tài)，然后加以吸收。通過這一消化過程，有機物被分解成無機養(yǎng)分，返回到環(huán)境之中。一些土壤中的小型動物，如線蟲、蚯蚓、蜈蚣等，在動植物殘體分解過程中也起著重要作用，它們與細菌、真菌共同活動，加速了生物殘體的分解與轉化。在生態(tài)系統中，分解者是重要的生物群之一，其數量之多十分驚人。據估算，在農田生態(tài)系統中的細菌重量，平均每公頃有500公斤以上，至于細菌總

5、個數則是一個天文數字！分解者在生態(tài)系統中的作用，在于把生產者和消費者的殘體分解成簡單的物質，再供給生產者需要，以保證生態(tài)系統的物質循環(huán)。生態(tài)系統的組成生態(tài)系統的組成 n無生命成分生態(tài)系統中的無生命成分包括生物代謝的能源-太陽輻射，生物代謝材料-二氧化碳、水、氧、氮、無機鹽、有機質等，溫度、壓力等物理條件。無生命成分在生態(tài)系統中的作用，一方面是為各種生物提供必要的生存環(huán)境，另一方面是為各種生物提供生長發(fā)育所必需的營養(yǎng)元素。生命成分和無生命成分在同一個時間和空間中，共同構成一個有機的統一體，在這個有機整體中，能量和物質在不斷地流動，并在一定條件下保持著相對平衡。生態(tài)系統的組成生態(tài)系統的組成 生態(tài)系

6、統的結構生態(tài)系統的結構 n生態(tài)系統中生物種類及各種生物的種群數量均具有一定的時間分布和空間配置，在一定時期內處于相對穩(wěn)定的狀態(tài)，從而使生態(tài)系統能保持一個相對穩(wěn)定的形態(tài)結構。 生態(tài)系統的結構生態(tài)系統的結構 n空間配置在生態(tài)系統中，各種動物、植物和微生物的種類和數量在空間上的分布構成垂直結構和水平結構。在各種類型的生態(tài)系統中，森林生態(tài)系統的垂直結構最為典型，具有明顯的成層現象。在地上部分，自上而下有喬木層、灌木層、草木植物層和苔蘚地衣層。水平分布構成生態(tài)系統的水平結構。由于光照、土壤、水分、地形等生態(tài)因子的不均勻及生物間生物學特性的差異，各種生物在水平方向上呈鑲嵌分布。如森林生態(tài)系統中，森林邊緣與

7、森林內部分布著明顯不同的動植物種類。 生態(tài)系統的結構生態(tài)系統的結構 n時間配置同一個生態(tài)系統，在不同時期或不同季節(jié)，表現出一定的周期性時間變化。如長白山森林生態(tài)系統。冬季滿山白雪皚皚，到處是一片林海雪原；春季冰雪消融，綠草如茵；夏季鮮花遍野，爭芳斗艷；秋季碩果累累，一片金色。這一年四季有規(guī)律的變化，就構成了長白山森林生態(tài)系統的“季相”。生態(tài)系統的時間配置，除表現在季節(jié)周期性變化外，還表現為月相變化和晝夜周期變化，如蝶類和蛾類在晝夜間的交替出現，魚類在晝夜間的垂直遷移等。生態(tài)系統的結構生態(tài)系統的結構 n營養(yǎng)結構生態(tài)系統的營養(yǎng)結構是生態(tài)系統的各組成成分以營養(yǎng)為紐帶，通過營養(yǎng)聯系構成的，生產者向消費

8、者和分解者分別提供營養(yǎng)，消費者也可向分解者提供營養(yǎng)，分解者分解生物殘體把營養(yǎng)物質輸送給環(huán)境，由環(huán)境再供給生產者吸收利用。不同生態(tài)系統組成成分不同，其營養(yǎng)結構的具體表現形式也不盡相同。 生態(tài)系統的功能生態(tài)系統的功能 n食物鏈（網）在生態(tài)系統中，各種生物之間最基本也是最重要的聯系就是食物或營養(yǎng)聯系：某種生物以另一種生物為食，而它又被第三種生物取食彼此形成一個食與被食的關系，這種生物之間以食物為聯系建立起來的鏈索，就是所謂“食物鏈”。生態(tài)系統中各種生物之間的食物關系往往很復雜。一般在一個生態(tài)系統中很少只有一條食物鏈，多數具有兩條以上食物鏈。在生態(tài)系統中，食物鏈彼此交叉聯結所形成的網狀結構稱為“食物網

9、”生態(tài)系統的功能生態(tài)系統的功能 n營養(yǎng)級與生態(tài)金字塔 生態(tài)系統的功能生態(tài)系統的功能 n生態(tài)系統的能量流動能量是生態(tài)系統的動力基礎，一切生命活動過程中都存在著能量的流動和轉化。生態(tài)系統中全部生命活動所需要的能量都直接或間接地來自于太陽，并在流動過程中服從于熱力學第一定律和第二定律，因為熱力學就是能量形式變換規(guī)律的科學。熱力學第一定律指出：能量可由一種形式轉變?yōu)榱硪环N形式，在轉換過程中不會消失，也不會增加，即能量守恒。熱力學第二定律指出：能量總是沿著從集中到分散，從能量高到能量低的方向傳遞，在傳遞過程中總會有一部分成為無用的散失到環(huán)境中。生態(tài)系統的功能生態(tài)系統的功能 n生態(tài)系統的能量流動生態(tài)系統的

10、功能生態(tài)系統的功能 n生態(tài)系統的能量流動太陽能被生物利用，是通過綠色植物的光合作用實現的。通過光合作用，太陽能進入了生態(tài)系統并開始了它的流動。在光合作用過程中，綠色植物吸收二氧化碳和水，合成碳水化合物，同時把吸收的太陽光能以化學能形式固定儲存在碳水化合物分子的化學鍵上。這種化學儲存能，再通過食物鏈，與傳遞營養(yǎng)物質的同時，依次傳遞給食草動物和食肉動物。動植物殘體被分解者分解時，又把能量傳給了分解者。分解者把復雜的有機物分解成簡單的無機物，歸還給土壤。無機物中已不再儲存有化學能，因此這里已不再有能量的傳遞。生產者、消費者和分解者的呼吸作用都會消耗一部分能量，消耗的能量散失到環(huán)境中去。這就是能量在生

11、態(tài)系統中的流動。生態(tài)系統的功能生態(tài)系統的功能 n生態(tài)系統的能量流動生態(tài)系統的功能生態(tài)系統的功能 n生態(tài)系統的能量流動太陽能被生物利用，是通過綠色植物的光合作用實現的。通過光合作用，太陽能進入了生態(tài)系統并開始了它的流動。在光合作用過程中，綠色植物吸收二氧化碳和水，合成碳水化合物，同時把吸收的太陽光能以化學能形式固定儲存在碳水化合物分子的化學鍵上。這種化學儲存能，再通過食物鏈，與傳遞營養(yǎng)物質的同時，依次傳遞給食草動物和食肉動物。動植物殘體被分解者分解時，又把能量傳給了分解者。分解者把復雜的有機物分解成簡單的無機物，歸還給土壤。無機物中已不再儲存有化學能，因此這里已不再有能量的傳遞。生產者、消費者和

12、分解者的呼吸作用都會消耗一部分能量，消耗的能量散失到環(huán)境中去。這就是能量在生態(tài)系統中的流動。生態(tài)系統的功能生態(tài)系統的功能 n生態(tài)系統的物質循環(huán)水循環(huán)氣體型循環(huán)n屬于氣體型循環(huán)的物質，其分子或化合物常以氣態(tài)形式參與循環(huán)過程。如氧、二氧化碳、氮等。n主要儲庫是大氣和海洋。沉積型循環(huán)n主要儲庫與巖石、土壤和水相聯系的是沉積型循環(huán)。如磷、硫循環(huán)。生態(tài)系統的物質循環(huán)生態(tài)系統的物質循環(huán)n水循環(huán)全世界淡水資源總量并不缺乏。但是降水量在空間和時間上分布不均勻，造成有些地區(qū)或某些時間仍然嚴重缺水。地球水資源總量約為14億km3，其中有97%以上分布在海洋。陸地上的地面水中冰蓋和冰川占2.41%，目前無法取用。淡

13、水湖泊和河流只占0.0091%，這些水除大量蒸發(fā)外，約有三分之一，即42083km3可供人類生活和工農業(yè)生產之用。我國水資源分布也很不平衡，南方水資源較豐富，北方水資源不足，西北內陸荒漠盆地，水資源更貧乏。據國外資料，年總用水量如果超過年總徑流量的13-14%，將產生水荒和干旱的威脅。近年來世界總需水量每年大約遞增4%，有些國家用水量10年即增加一倍。n碳循環(huán)全球的植被和海洋是大氣中CO2兩個重要的調節(jié)器。大氣中CO2濃度增加時，會有更多氣體溶于海水，相反，大氣CO2減少，海水中CO2又返回大氣。然而由于人類活動大量排放CO2 ，森林植被的嚴重破壞和減少，大氣中CO2濃度正逐步提高，并產生“溫

14、室效應”。全世界森林的儲碳量為4000-5000億噸。生態(tài)系統的物質循環(huán)生態(tài)系統的物質循環(huán)n氮循環(huán)大氣是主要的氮庫，大氣體積的78%為分子態(tài)氮。生態(tài)系統氮的來源：n雷電：把大氣中的氮，氧化成硝酸鹽及其它含氮的氧化物，再由降水帶入土壤，參與氮的循環(huán)。n生物固氮：固氮細菌從土壤和大氣中吸收氮素。n工業(yè)固氮：如化肥廠。生態(tài)系統的物質循環(huán)生態(tài)系統的物質循環(huán)n磷循環(huán)磷循環(huán)磷的主要來源：磷酸鹽巖石和沉積物、鳥糞、動物骨骼等。磷在生物中含量少，但絕不可缺少。由于磷的難溶性，往往是植物生產力的主要限制因素。如果適當增加土壤中可利用的磷肥，大多數陸地生態(tài)系統的生產力，便可能明顯增加。磷在江河及湖泊中的含量是有限

15、的，我國南方紅黃壤地區(qū)土壤中普遍缺磷。在生物圈中磷的數量正在減少，很多磷進入海洋沉積起來。然而，一旦江河、湖泊中磷含量提高，會引起藻類暴長。出現“富營養(yǎng)化”。生態(tài)系統的物質循環(huán)生態(tài)系統的物質循環(huán)n硫循環(huán)硫循環(huán)硫的主要儲庫：硫酸鹽如石膏，也有少量存在于大氣，主要是SO2和H2S。硫的來源：沉積巖石的風化、化石燃料（特別是煤）的燃燒、火山噴發(fā)和有機物的分解。硫的沉積循環(huán)：硫酸鹽的侵蝕和風化，土壤中的硫酸鹽被淋溶掉或被微生物還原。硫的氣態(tài)循環(huán)：大氣中的硫主要是SO2和H2S。前者產生于火山噴發(fā)和細菌的還原，后者產生于化石燃料的燃燒。大氣中硫的化合物通常很快氧化成亞硫酸鹽和硫酸鹽，被雨水帶回土壤。大氣

16、中亞硫酸鹽和硫酸鹽能與雨水結合形成硫酸，造成酸雨危害。生態(tài)系統的物質循環(huán)生態(tài)系統的物質循環(huán)n有毒有害物質循環(huán)有毒有害物質循環(huán)有毒有害物質循環(huán)是指對有機體有毒有害物質進入生態(tài)系統后，沿著食物鏈在生物體內富集或被分解的過程。生物放大作用（食物鏈濃集效應）：某些物質當他們沿食物鏈移動時，既不被呼吸消耗，又不容易被排泄，而是濃集在有機體的組織中，這一現象稱為生物放大作用。生態(tài)系統的物質循環(huán)生態(tài)系統的物質循環(huán)生態(tài)系統的演替生態(tài)系統的演替n生態(tài)系統的演替，是指隨著時間的推移，一種生態(tài)系統類型（或階段）被另一種生態(tài)系統類型（或階段）替代的順序過程。生態(tài)系統是動態(tài)的，從地球上誕生生命至今的幾十億年里，各類生態(tài)

17、系統一直處于不斷的發(fā)展、變化和演替之中。內因演替和外因演替正向演替和逆向演替頂極群落原生演替和次生演替水生演替和旱生演替 原原生生旱旱生生演演替替次生旱生演替次生旱生演替水生演替系水生演替系列示意列示意新成湖泊新成湖泊老年湖泊老年湖泊草甸與沼澤階段草甸與沼澤階段干燥平地上的群干燥平地上的群落演替階段落演替階段(頂極頂極植被為常綠針葉植被為常綠針葉林林)生態(tài)系統的演替生態(tài)系統的演替n生態(tài)系統沿一定方向進行演替，在內外因素作用下向穩(wěn)定的平衡狀態(tài)發(fā)展，在自然狀態(tài)下都像生物個體發(fā)育一樣，有一個從幼年期向成熟期演替的趨勢。n這一趨勢具體體現在以下生態(tài)系統的特征上：在能量學特征上，幼年期生態(tài)系統的總生產量

18、大于呼吸量，多余的能量使系統增大；成熟期生態(tài)系統中總生產量接近或等于呼吸量，系統的能量輸入與輸出相等，系統處于穩(wěn)定狀態(tài)。在食物鏈（網）特征上，幼年期生態(tài)系統的食物鏈接構簡單，多為直線狀捕食性食物鏈；成熟期的食物鏈交叉成網狀，且以腐生性食物鏈為主。由于營養(yǎng)結構復雜，成熟期系統的抗外界干擾能力及自我調節(jié)能力均較強。生態(tài)系統的演替生態(tài)系統的演替n生態(tài)系統演替的特征（續(xù)）：在營養(yǎng)物質循環(huán)特征上，從幼年期到成熟期，有向更加關閉發(fā)展的傾向，即成熟期系統保持住營養(yǎng)物質能力強，喪失營養(yǎng)物質少，物質輸入量與輸出量接近平衡。在群落結構特征上，幼年期系統中物種多樣性小，有機化合物種類少；成熟期系統的物種多樣性增大，

19、群落代謝過程中排入環(huán)境中的有機化合物種類增多。生物多樣性的增加，有助于系統穩(wěn)定性的提高。在選擇壓力方面，幼年期生態(tài)系統中物種少不擁擠，具有高增殖力的物種有較大生存的可能，在成熟期，選擇壓力有利于增殖力低但競爭力強的物種。在穩(wěn)態(tài)特征上，成熟期生態(tài)系統主要表現在系統內部共生發(fā)達，保持住營養(yǎng)物質的能力較強，對外界干擾的抵抗能力較強以及具有較大的信息量。生態(tài)平衡生態(tài)平衡 n生態(tài)系統是生態(tài)學中的一個基本功能單位。系統內各個組成部分相互作用，相互聯系，相互制約，形成一個具有高度組織性的動態(tài)平衡的復雜整體，動態(tài)平衡動態(tài)平衡是生態(tài)系統的一個基本特征 生態(tài)平衡生態(tài)平衡n當生態(tài)系統各組成成分之間彼此保持一定的比例

20、關系，能量、物質的輸入與輸出在較長時間內趨于相等，結構和功能處于相對穩(wěn)定的狀態(tài)，在受到外來干擾時能通過自我調節(jié)恢復到初始的穩(wěn)定狀態(tài)，生態(tài)系統的這種狀態(tài)稱為生態(tài)系統的平衡，簡稱生態(tài)平衡。n生態(tài)平衡是相對的相對的平衡。任何生態(tài)系統都不是孤立的，都會與外界發(fā)生直接或間接的聯系，會經常遭到外界的干擾。尤其是近代人口大量增加，科學技術水平不斷提高，人類對自然界的干預程度和范圍越來越大，生態(tài)系統都在不斷地受到人類的干擾和破壞。因此，生態(tài)系統的平衡是相對的，不平衡是絕對的。n生態(tài)平衡是動態(tài)平衡動態(tài)平衡，而不是靜態(tài)平衡。生態(tài)系統的各組成成分都在按一定的規(guī)律運動著、變化著，系統中能量在不斷的流動，物質在不斷的運

21、轉，整個系統時刻處于動態(tài)之中。n生態(tài)系統之所以能保持相對的動態(tài)的平衡狀態(tài)，是因為生態(tài)系本身具有自動調節(jié)能力，這種調節(jié)屬負反饋調節(jié)機制。所謂反饋，就是指系統的輸出能轉變成決定系統未來功能的輸入。一個系統，如果其狀態(tài)能決定輸入，就表明它有反饋機制存在。要反饋系統能起有效的控制作用，系統應具有某個理想的狀態(tài)或置位點，系統就圍繞著置位點進行調節(jié)，就表示一個具有置位點的控制論系統。n在生態(tài)系統中，負反饋機制對系統實現著有效的調節(jié)作用。例如在森林生態(tài)系統中，如果由于某種原因森林害蟲大規(guī)模發(fā)生，這在一般情況下不會使森林生態(tài)系統遭到毀滅性破壞，因為當害蟲大發(fā)生時，以這種害蟲為食的鳥類就會因獲得更多的食物而大量

22、繁衍，鳥類增多則捕食害蟲的數量增多，加上其它負反饋作用從而抑制住害蟲的大發(fā)生。n但是，生態(tài)系統的自動調節(jié)能力是有限的，當外部沖擊或內部變化超過了某個限度時，生態(tài)系統的平衡就可能遭到破壞，這個限度稱為生生態(tài)閾值態(tài)閾值。只有了解掌握各個生態(tài)系統的生態(tài)閾值，用負反饋原理來管理生態(tài)系統，才能使自然和自然資源充分合理的利用。 生態(tài)平衡的機制生態(tài)平衡的機制 n生態(tài)系統動調節(jié)能力的影響因素結構的多樣性n一般來說，生態(tài)系統的組成與結構越復雜，自動調節(jié)能力就越強，組成與結構越簡單，自動調節(jié)能力就越弱。功能的完整性n功能的完整性是指生態(tài)系統的能量流動和物質循環(huán)在生物控制下得到合理的運轉。運轉越合理，自動調節(jié)能力就

23、越強。生態(tài)平衡的機制生態(tài)平衡的機制 破壞生態(tài)平衡的因素破壞生態(tài)平衡的因素 n破壞生態(tài)平衡的因素有自然因素和人為因素。自然因素包括水災、旱災、地震、臺風、山崩、海嘯等。由自然因素引起的生態(tài)平衡破壞，稱為第一環(huán)境問題。人為因素是生態(tài)平衡失調的主要原因。由人為因素引起的生態(tài)平衡破壞，稱為第二環(huán)境問題。 破壞生態(tài)平衡的因素破壞生態(tài)平衡的因素 n人為因素造成的第二環(huán)境問題具體表現在以下三方面：使環(huán)境因素發(fā)生改變使生物種類發(fā)生改變信息系統的破壞 生態(tài)平衡的恢復與再建生態(tài)平衡的恢復與再建 n在人類活動參與下，一個生態(tài)系統由于自然因素或人為因素從初始的平衡狀態(tài)變成平衡失調狀態(tài)以后，其發(fā)展趨勢和結果因管理對策不同有四種。第一種是恢復，即恢復到系統的原來狀態(tài)。第二種是重建。通過重建，可以增加人類所期望的“人造”特點，減少人類不希望的自然特點，使生態(tài)系統進一步遠離它的初始狀態(tài)。第三種是改建，是將恢復與重建措施有機結合起來，重新獲得