第三章物質、能量、生態系統與環境保護本節課內容第三章物質、能量、生命與環境保護1.生態系統研究主要內容有哪些？2.生態系統物質循環在環境影響？3.生態系統能量流動對環境影響？4.如何理解生態系統演替？5.干擾對生態系統的影響有哪些？6.人工生態系統與環境關系？（1）.定義：

生態學(ecology)一詞由德國學者E.H.Haeckel于1866年提出,他認為：“生態學是研究生物有機體與其無機環境之間相互關系的科學”。

ecology一詞源于希臘文，由詞根"oiko"和"logos"演化而來，"oikos"表示住所，"logos"表示學問。因此，從原意上講，生態學是研究生物"住所"的科學。不同學者對生態學有不同的定義。1.生態系統研究主要內容有哪些？關于生態學的其它幾個定義：英國生態學家Elton(1927)的定義是“科學的自然歷史”；澳大利亞生態學家Andrewartha(1954)認為，生態學是研究有機體的分布與多度的科學，強調了對種群動態的研究；美國生態學家Odum(1959，1971，1983)的定義是研究生態系統的結構與功能的科學；我國著名生態學家馬世駿認為，生態學是研究生命系統和環境系統相互的科學。1.生態系統研究主要內容有哪些？（2）生態學的發展①.生物學分支學科階段：

20世紀

60年代以前

,生態學基本上隸屬于生物學的一個分支學科。②綜合性學科階段：

20世紀

60年代以后，突破了生物科學的范疇,成為當代最為活躍的科學領域之一

。③發展展望：生態學將以生態系統為中心,以生態工程為手段,在協調人與自然的復雜關系,探求全球走可持續發展道路的戰略,做出重要貢獻。

1.生態系統研究主要內容有哪些？（3）、生態系統類型

根據其形成的原動力和影響力，可分為自然生態系統、半自然生態系統和人工生態系統根據其環境性質，可將生態系統分為陸地生態系統和水生生態系統1.生態系統研究主要內容有哪些？1.生態系統研究主要內容有哪些？為研究方便起見,人們從不同角度,把生態系統分成若干個類型。按環境中的水體狀況,可把地球上的生態系統劃分為:

1.水生生態系統

2.陸生態系統按人為干預的程度劃分,又可以分為:

1.自然生態系統

2.半自然生態系統

3.人工生態系統。

生態系統的大小,也可以根據人們研究的需要而劃定。

(小到自然界中的一滴水,大到地球表面的生物圈)

(4)生態系統的組成

①生物成分

：

生產者、消費者和分解者

②非生物成分

：

指各種環境要素,包括溫度、光照、大氣、水、

土壤、氣候、各種礦物質和非生物成分的有機質等。

1.生態系統研究主要內容有哪些？(5)生態系統的結構①形態結構

：

生態系統生物種類、種群數量、種的空間配置和時間變化等,構成了生態系統的形態結構

②營養結構：

生態系統各組成部分之間,通過營養聯系構成了生態系統的營養結構

1.生態系統研究主要內容有哪些？1.生態系統研究主要內容有哪些？(5)生態系統的功能①生態系統的物質循環②生態系統的能量流動③生態系統的信息傳遞物質循環：指生態系統中構成生命體的各種物質以及一些非生命體構成的必要物質的傳遞和轉化的動態過程。生態系統從大氣、水體和土壤等環境中獲得營養物質，通過綠色植物吸收，進入生態系統，被其它生物重復利用，最后再歸還于環境中，此為物質循環，又稱生物地球化學循環。2.物質循環在環境保護中的作用？物質循環與能量流動不同，能量流是單向流動的，而物質流則構成一個循環的通道。物質循環可以用庫（pool）和流通（flow）兩個概念加以概括。庫是由存在于生態系統某些生物或非生物成分中一定數量的某種化合物所構成的，一種元素可以存在一個或多個庫中，而流通則是元素循環時所經過的路線。2.物質循環在環境保護中的作用？（1）、碳循環

碳固定：光合作用，地表中一些化石燃料、碳酸鹽碳釋放：呼吸、微生物分解、燃燒、風化作用、火山噴發1.物質循環在環境保護中的作用？1.物質循環在環境保護中的作用？（2）、氮循環無機形式：氮、亞硝酸鹽（NO2-）、硝酸鹽（NO3）

有機形式：尿素、蛋白質、核酸決定性氮儲存庫植、藻氮固定自然固氮：閃電、火山噴發、工業硝酸鹽、氨生物固氮：N2

硝酸鹽氨基酸蛋白質（動植、菌、藻）1.物質循環在環境保護中的作用？氮污染：過量氮排入水庫水體富營養化

(最有害的是NO2)N2釋放：動植物殘體（蛋白質）分解NH3（火山）亞硝酸鹽硝酸鹽反硝化作用N2*工業固氮占總固氮量的約1/3*固氮量長期超過釋放量，造成生物圈氮含量增加1.物質循環在環境保護中的作用？

（3）、磷循環磷的來源：磷酸鹽巖礦、鳥糞層、動物骨骼陸地生態系統的磷循環：植物吸收無機磷蛋白質、核酸細菌分解植物利用進入河流、海洋水生生態系統磷循環：浮游植物吸收（無機、有機磷）淺海魚、鳥吸收陸地（少部分）沉積磷污染：進入生物地球化學循環的磷很少，但人類大規模開發磷礦水體水污染磷循環示意圖磷酸鹽巖礦鳥糞層動物骨骼毒物沉積的湖泊Lebargelake1.物質循環在環境保護中的作用？

碳循環與環境保護的關系？氮循環與環境保護的關系？磷循環與環境保護的關系？3.能量流動對環境影響？食物網：食物鏈之間相互交錯形成復雜的網狀食物關系稱為食物網。營養級：生態系統中的能量流動是通過有機體和食物鏈逐級轉化和傳遞的，生物鏈上的每個環節都是一個營養級。

能量沿營養級向下一級傳遞過程中急劇減小，通常下一級為上一級的1/10（稱為林德曼效率或十分之一法則）。

3.能量流動對環境影響？生態金字塔的三種類型：能量金字塔：（不會倒置）是表示生態系統營養結構和能流的好方法數量金字塔：容易發生倒塌生物量金字塔：較少倒置3.能量流動對環境影響？2.能量流動對環境影響？請舉出實例?草場超載溫室效應熱島效應

4.如何理解生態系統演替？生態系統演替：生態系統結構功能隨時間推移發生變化過程。群落規律性，方向性研究是爭論焦點。發生原因：植物繁殖體遷移、散布和動物活動性，內外環境變化，種間種內關系改變，人類活動干擾。Tilman的資源比率學說解釋生態系統演替中起到重要作用（1985）。生態系統演替理論：單元頂級理論、多元頂級理論和頂級格局假說。

Tilman的資源比率學說認為：資源比率的變化最終可導致群落物種組成成分變化，即資源比率決定生態系統演替過程，資源控制生物區系，生物反過來改變其賴以生存的環境條件。包括：養分、水分、光等被生物“消費”的生態因子。濕度、溫度等不是資源。

多重演替理論：演替方向取決環境因子性質，演替過程存在多途徑現象，即演替有趨同性和趨異性。

單元頂級理論：只有氣候是演替決定因素，其他都是第二位。多元頂級：除氣候外其他因素都可決定頂級形成。頂級格局：任何一區域內，環境因子都連續不斷變化，隨環境條件梯度變化，各種類型頂級群落也連續變化。自然條件下植被演替過程（引自Cunningham等,2002）

（1）干擾及其內涵5.干擾對生態系統的影響內涵：類型：生態因子角度：群落外部因子超正常波動，引起有機體、種群或群落明顯變化，使生態系統結構功能損害或改變現象。自然、人為干擾；物理、化學和生物干擾等（2）干擾特點多重性相對性尺度性不協調廣泛性

對生態系統有多方面

影響同樣事件，某種條件下對生態系統形成干擾，其他條件下可能無影響研究尺度差異，干擾定義也不同。對生態系統為干擾的事件，景觀尺度上可能是正常擾動干擾結果可能導致景觀內部異質性提高，無法與原有景觀格局協調存在于自然界各個尺度的各個空間

水葫蘆學名鳳眼蓮，原產南美，世界十大害草之一。廣泛分布河流、湖泊中，無性繁殖極快，形成單一優勢群落，堵塞河道和淤填湖泊。

因人類活動有意無意將外地生物引到本地后快速生長繁衍，危害本地生產和生活，改變當地生態環境，帶來很大危害。

生物入侵ABCD人類活動黃土高原水土流失約占國土陸地面積38%原本秀美的科爾沁草原演變成我國面積最大沙地太行山樹木過度砍伐導致動植物物種加速滅絕長江源頭牦牛過渡放牧導致植被退化非生物因素影響植被的斑塊狀嵌物候結構多樣性氣候影響動物影響喜食情況種子散布食物貯藏排泄物踐踏植被影響異種抑制現象遮蔭作用繁殖特點土壤影響營養物質土壤質地地形特點陸地生物群落水平格局的主要干擾因素干擾的性質含義分布地理、地形、環境、群落梯度頻率一定時間內干擾發生的次數重復間隔頻率倒數，本次干擾到下次發生時間周期與上述類同預測性由干擾重復間隔倒數來測定面積及大小受干擾的面積規模和強度對格局過程，或生態系統結構功能影響影響度對個體、群落生態系統影響協同性對其他干擾影響注：摘自陳利頂，傅伯杰，干擾的類型、特征及其生態學意義，生態學報，2000，20（4）：581-586.干擾的性質和含義

生態系統有自我調節恢復能力，但有限，一旦干擾超過調節能力，會遭到不可逆的破壞。

恢復力大小b恢復a干擾退化正常狀態運行范圍抵抗力大小生態系統結構功能時間圖9-8反映生態系統結構和功能對干擾響應的概念框架

干擾與生態系統調控生態恢復的內涵和特征

內涵：

5.如何進行生態恢復？改變生態系統退化的主要因子及過程，調整優化系統秩序，使其結構功能和生態學潛力恢復到一定或原有水平甚至上升到更高水平。涵蓋范圍:

保護被嚴重干擾的局部區域提高已退化土地生產力提高景觀保護地自然保護價值恢復景觀尺度和局部地區生態過程中國土地退化的基本特征（一）類型多、分布廣、面積大、發展快

水土流失總面積占國土面積的37.1%沙漠化土地占國土面積的25%鹽漬化土地占國土面積的3.9%草地退化占國土面積的9.1%，其中中度退化以上占半數

土地退化的發展呈現出“局部治理，整體惡化”的趨勢

20世紀50－60年代：土地退化由局部到大面積發生期70－80年代：土地退化大面積快速發展期90年代：土地退化持續發展，且部分得到控制期21世紀：向控制土地退化，大面積生態治理方向發展期（二）類型組合的地域差異大

中國土地退化類型分區

中國地域遼闊，自然環境不穩定，且類型復雜多樣，人類活動影響深刻且廣泛。土地退化類型組合和人類活動對土地退化影響程度的地域差異極為顯著。從宏觀上看，呈現東西分異自東向西依次為：

沿海人為影響土地退化的地帶東部人為加速土地退化的地帶中部人為加速土地退化的嚴重地帶西部自然－人為影響土地退化的地帶

土地退化類型組合呈現南北差異：北方以沙化、草場退化、水土流失和鹽漬化為主要類型組合南方以水土流失、石漠化、土地污染和潛育化為主要類型組合第一節土地退化的特征

（三）危害嚴重土地退化加劇自然災害，影響生態安全土地退化加劇土地資源短缺，影響食物安全

近50年來，因水土流失平均每年毀掉耕地7×104

hm2以上造成草地退化約100×104km2每年50×108t泥沙流失年均損失糧食30×108kg土壤每年流失的N、P、K超過全國的施用量

土地退化使得生態安全的風險加大退化土地加速土壤侵蝕過程，進而加劇自然災害，影響生態安全

根據國務院統計20世紀70年代末：55%的貧困縣，60%的貧困人口分布在嚴重土地退化的地區1986年底：84.5%貧困縣、1.63億人口分布在水土流失嚴重的山地丘陵區1999年底：3/4的貧困縣和90%的農村貧困人口生活在水土流失嚴重的地區，其中：300個貧困縣的1.7億人在沙漠化和風沙頻繁活動的地區土地退化加劇貧困程度，影響社會安全土地退化降低固碳能力，加劇氣候暖干化

土地退化造成原有碳儲量喪失和固碳能力的下降，加劇氣候升溫造成地面反照率增大，土壤水分蒸發增強加速地表空氣水分的散失，降低地表和土壤濕度主導生態因子原理限制性與耐性定律能量流動物質循環原則種群密度制約與物種作用原則生態位與生物互補原則邊緣效應干擾原理生態演替原則生物多樣性原則食物鏈與食物網原則綴塊－廊道－基質景觀格局原則空間異質性原理空間尺度與等級理論整體原則協同恢復重建原則耗散結構原則開放性原則可控性原則經濟可行性與可承受性原則技術可操作性原則社會可接受性原則無害化原則、最小風險原則生物、生態與工程技術相結合原則效益原則可持續發展原則區域性差異性和地帶性原則生態學原則地理學原則系統學原則自然法則社會經濟技術原則生態恢復與重建原則生態恢復和重建的基本定律、原理和原則（修改自盛連喜，2002）黃土高原水土保持與生態恢復

特點：低消耗、多效益、可持續。涉及理論：系統理論、工程學理論和生態學理論。模型：概念、文字、物理和數學模型。

應用：廢污水資源化處理、林業保護、湖泊富營養化、水產養殖、土地改良、廢棄地開發和資源再生等方面。生態系統工程

工程類型傳統工程環境工程生態工程生物工程基本單元自然、社會系統自然、社會系統生態系統、景觀細胞基本理論工程學環境科學環境工程生態學、環境科學與工程遺傳學細胞生物學基本能源化石能化石能太陽能等可再生能源化石能基本費用大量大量合理大量設計特點人為人為人類輔助下自組織人為控制結構任意污染源有機體與環境遺傳干擾與自然關系破壞再污染協調、無污染干擾生物多樣性減少改變保持或增加改變注：摘自欽佩，安樹青，顏京松，生態工程學，南京：南京大學出版社，2002.生態工程與環境工程、生物工程和傳統工程的比較

自然保護區的環境管理（1）保護區地點的選擇與面積

地點選擇：保護區必須有足夠復雜的生境類型，保護關鍵種，特別是關鍵互惠共生種的生存。

面積確定：按生態系統的平衡假說，面積越大，對生物多樣性保護越有利。關鍵是被保護目標物種生物學特征。周圍生態系統與保護區相似的面積可小點。案例研究

可可西里自然保護區保護區腹地內藏羚羊群正在遷徙實驗區緩沖區有限度的科研核心區有限度旅游，生態保護工程協調人類活動和自然保護理想自然保護區功能分區（引自傅伯杰等，2001）（3）保護區內部的功能分區錯那湖是西藏林錯黑頸鶴保護區的核心區，建設中的青藏鐵路最近處與其只相差十幾米，為保護其不受污染，實行嚴格施工監控措施。（4）保護區之間的連接和廊道和景觀保護藏族牧民正在進行植被恢復與再造青藏鐵路野生動物通道模擬圖隧道上方通道：為高山山地動物設計，設置柵欄防止動物進入隧道，與橋梁組成橋隧復合通道，共有3處橋梁下方隧道：為藏羚羊、藏原羚等中小型動物設計，橋下通道凈高要求大于3米，共有13處緩坡平交通道：鐵路兩側路基坡度不大于35度，高度小于2.5米，并設置警示牌，共有7處。6人工生態環境類型與特點（1）人工環境定義是指在自然物質的基礎上，通過人類長期有意識的社會勞動，加工和改造自然物質，創造物質生產體系，積累物質文化等所形成的生態環境體系。（2）人工生態環境類型（2）人工生態環境的類型根據空間特征可分為：

點狀環境：以人類聚集地為中心，可以分為：城市環境、鄉鎮環境、城郊過渡帶和農村。

面狀環境：農業和林業等大面積的人工工程，可以分為：農田環境、人工森林環境和水利環境。

線狀環境：公路環境、鐵路、地鐵和航線環境等交通線路。（2）人工生態環境的類型根據人類控制的程度高低可分為：

完全人工生態環境，例如空中的飛行器和深海潛艇；

不完全人工生態環境，例如城市建筑物等人類居住環境、工廠化的養殖和種植基地以及自然名勝中的人文景觀。（3）人工生態環境的特點人類作為主導因子，環境人工化明顯人工生態環境的多樣化人工生態環境的脆弱性人口相對集中環境污染嚴重危害人類健康的因素增多環境安全性降低（4）典型人工生態環境城市生態系統鄉鎮與農村生態系統人工種植與養殖基地水利環境交通環境人文環境①城市環境城市（city）是以人為中心的，以一定的環境條件為背景、以經濟為基礎的社會、經濟、自然綜合體，是經過人類創造性勞動加工形成的符合人類自身需要的社會活動場所，是人類占絕對優勢的自然-經濟-社會復合生態系統。城市環境的特點城市人口的數量和密度較大，城市人口還具有包括人口結構等自然和社會特征的人口環境要素。

城市環境特點城市環境組成獨特、結構復雜、功能多樣。城市環境包括自然環境、人工環境和社會經濟環境。諸多的自然和人工環境要素構成復雜的結構。

具有居住、交流、教育、文化和景觀娛樂等多種功能。城市環境特點城市環境限制因子眾多，人與自然、城市與周邊地區矛盾集中。以水資源的供應為例，城市人口劇增，耗水量隨之增加，水資源短缺問題已經成為限制城市發展的瓶頸，導致城市生態環境惡化，影響人民生活水平和質量的提高。我國城市中有近300個城市缺水，我國北方10個省市區由于地下水過度開采，形成大小地下水降落漏斗50多個，最深達70m以上。城市環境特點形成特殊的城市景觀

城市景觀具有大量的、規則的人工景觀要素，如摩天大樓、街道、綠化帶、商業區、文化區和工業區等，是各種人造景觀的高度集合。

城市空間環境特點城市化城市化(Urbanization)①工業化導致城市人口的迅速增加②單個城市地域的擴大及城市關系圈的形成和變化的過程③形成城市特有的生活方式、組織結構和文化④擁有現代市政服務與管理系統⑤具有一定量的流動人口。城市化一般用城市人口占總人口數的比重來表示。

城市化趨勢中國城市化發展趨勢?發展迅速?國際化

?連綿化

?郊區化

?社會極化

城市與鄉村環境的比較研究比較分析自然環境大氣、水、土壤、巖石、生物、生態系統、自然景觀和溫度、濕度等。人工環境建筑、交通、居住環境和人文景觀等社會經濟環境教育、醫療、文化、娛樂和通訊等。②

城郊過渡帶

(1)概念城郊過渡帶處于城市和郊區的過渡地區，主要依托靠近城市的地理環境，產業結構主要以輕工、紡織、建材、礦業、以及為城市服務的蔬菜和農副產品生產和加工業為主，可為城市提供原材料、農副產品和某些初級工業產品，成為城鄉之間穩定、協調、持續發展的敏感區和脆弱帶。②城郊過渡帶(2)環境特點：城市系統與鄉村系統的交錯地帶環境污染嚴重和管理缺乏的地區基礎設施和生態環境建設的薄弱地區(3)城郊過渡帶的發展道路情景分析一是盲目擴張。以泰國曼谷為例，由于缺乏科學和明確總體規劃，沒有健全的法律和管理手段，城市擴張的環境效應如下：土地資源浪費，土地開發超過發展的需要；農業用地沒有得到保護；交通體系不合理；臟亂小區貧困、臟、亂；區域環境難以恢復。二是嚴格控制和管理。以德國為例，嚴格控制城市的擴張，明確城市區劃的功能；嚴格保護環境資源，如森林、濕地和水域等；應用環境影響評價于所有建設項目包括農業項目；鼓勵公眾參與環境決策。③鄉鎮環境鄉鎮

作為鄉人民政府所在的集鎮，是中國行政區劃中最低一級的建制。目前我國有中小城鎮5萬多個，它們處在城鄉融合的交匯點，是一種承上啟下兼有城鄉兩種特點的城市類型，中小城鎮是我國實現可持續發展的主體和關鍵。③鄉鎮環境重要的作用表現：

對我國農業剩余勞動力轉移，縮小城鄉差別等起到了關鍵作用；

壯大了農村集體經濟；

促進了農業現代化；

促進了我國的城市化、工業化進程。③鄉鎮環境環境特點處于城市和鄉村的過渡帶，景觀多樣性和豐富度增加鄉鎮規劃中存在規劃不合理，布局混亂的現象缺乏對鄉鎮的環境規劃和管理成為鄉鎮經濟發展的一大瓶頸。產業結構的不合理和工藝的落后，資源過度消耗。落后的技術降低資源利用率，加快了自然環境破壞和退化的速度。資金、技術、執法力度等因素綜合限制了鄉鎮基本設施的建設，嚴重的環境污染使綜合控制的難度加大。④農村環境

④農村環境特點土地、草原和林地退化現象普遍，水土流失面積、侵蝕強度和危害程度在部分地區呈加劇趨勢；水土流失面積為國土面積的38.2%。原始和落后的生產觀念和生活方式與現代生產方式和技術之間的沖突，加劇了農村環境的惡化。城市、鄉鎮和農村系統間交流的不平衡，自然資源和生產、生活資料源源不斷地流向城市，而各種環境污染和廢物卻不斷的向鄉村轉移。大氣、水、土壤、固體廢物以及物理污染全面影響著農村的環境安全。

環境問題使得農村貧困化問題的解決更為復雜。⑤人工種植環境

我國種植業結構比例圖我國種植業環境特征環境及人工組分呈現多樣化。從完全人工控制的工廠化的種植基地，到人工種植為主，完全“靠天吃飯”的農副產品生產過程。環境污染的點、面結合，污染的程度加重。農藥、化肥的不合理使用,對環境產生全方位的污染。大氣污染、土壤污染、水污染中的各種污染物和各種廢棄物通過各種物質作為媒介，把污染富集在所種植的各種農副產品中，間接影響生態系統和人類的健康。例如，對上海市蔬菜及菜區土壤的研究結果表明，上海市蔬菜受到重金屬污染，尤以Cd和Pb污染為甚，超標率分別為13.29%和12.0%。⑥水利環境

水利環境特點：人工水利工程形成的復雜網絡系統，對不同時空尺度下的自然環境、社會環境和經濟環境具有重大的影響。建成的人工水利工程部分或完全成為自然環境的組成部分。人工水利工程周圍的自然環境和社會經濟環境對水利工程的結構、功能和正常運行產生一定的影響。人類的主觀意識是人工水利工程建設和運行的決定性因素，與自然規律相違背的觀念和行為是導致生態環境負面效應的重要原因。生態水利事實證明單靠水利工程不能解決所有的洪澇旱災等問題，應該走生態經濟型的生態水利模式。所謂生態經濟型的生態水利模式:

就是要“堅持全面規劃、統籌