《生态学基础》PPT课件

TheElementaryKnowledgeofEcology第二章生态学基础\n一、生态学1.生态学（Ecology）的含义及其发展传统定义：研究生物与其生活环境相互关系的学科。(侧重于植物、动物)环境问题和环境科学的发展→人类生态学随着现代科学技术的发展并向生态学的不断渗透，赋予生态学新的内容和动力，突破了生物科学的范畴，成为当代最为活跃的、多学科科学领域之一。例如系统工程学与生态学结合，形成系统生态学,属于生态学领域中方法论的发展，核心是从整体出发考虑问题。\n现代生态学:研究生命系统与环境系统之间相互作用的规律及机理1)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、植物和微生物2)环境系统：是自然界的光、热、空气、水分以及各种有机物和无机物相互作用所共同构成的空间。一般是指自然环境\n2.生态学与环境科学的异同1)相同点：研究范围：生物圈研究问题：基本相同\n2)不同点：比较的项目生态学环境科学定义研究生命系统与环境系统之间相互作用的规律及机理。研究人类活动与环境质量关系的科学研究对象以一般生物为对象以人为主要对象。研究内容环境因素与生物之间的相互关系。将环境与人类生活的相互影响作为整体来研究。所属范畴自然科学交叉性学科，涉及自然科学、社会科学等。\n3）相互关系：生态学的基本理论可作为环境科学的基本理论，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和环境问题。\n二、生态系统的概念与功能1.生态系统(Ecosystem)定义：是指在自然界的一定空间内,生物与环境构成的统一整体，是生物圈能量和物质循环的一个功能单位。按照现代生态学的观点，生态系统是指生命系统和环境系统在特定空间的组合。\n\n\n2.生态系统的组成生物成分生产者：绿色植物为主消费者：各类动物分解者：细菌和真菌等微生物非生物成分：指各种环境要素，包括温度、光照、大气、水、土壤、有机物、无机物等。（非必要组成部分）\n3、生态系统的功能能量流动功能物质循环信息联系食物链（网）和营养级食物链是各种生物以食物为联系建立起来的链锁。①食物链（网）◆捕食性食物链：以生产者为基础，其构成形式是：植物→食草动物→食肉动物如在草原上，青草→野兔→狐狸→狼\n\n◆腐食性食物链：以动植物遗体为基础，如：植物遗体→蚯蚓→线虫类→节肢动物◆寄生性食物链：以活的动植物为基础如：黄鼠→跳蚤→鼠疫病菌在一个生态系统中，食物关系往往很复杂，各种食物链相互交错，形成食物网。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。\n\n生态系统中各种生物之间通过食物链的关系形一个紧密联系的整体。各种群的数量应当有精确的平衡关系，破坏其中一个环节便可能造成原有生态平衡的破坏。食物链的“生物富集”作用一种有害成分随着食物链的逐级传递，浓度不断增加，越是居于食物链顶端的生物体中，污染物的浓度越高，这种现象称为生物富集。例如：海水中的汞含量仅有十亿分之一。但通过水中藻类→小蚤→小鱼的食物链传递，在35天以后鱼体内的汞含量可以高于水中浓度800倍。\n\n②营养级食物链中每一个环节上的物种都是一个营养级。生产者：第一营养级一级消费者：第二营养级……\n1、能量流动：1)媒介：通过食物链（网）完成2)能量流动特点：①生产者即绿色植物对太阳能的利用率很低，只有1.2%左右。②能量只能朝单一方向流动。③流动中能量逐渐减少，每经过一个营养级都有能量以热的形式散失掉。生态系统的功能：\n④各级能量流动遵循10%定律，即各级能量利用率低10%定律：低位营养级的能量仅有10%左右能被上一营养级利用。人10kcal二级消费者100kcal一级消费者1000kcal绿色生产者10000kcal能量金字塔这说明了为什么人类以植物为食要比以动物为食经济有利得多。\n2、物质循环：1)媒介：通过食物链（网）完成2)循环:主要循环物质有：水（H、O）、碳（C）、氮（N）、磷（P）能量流动特点：⑤只有当生态系统生产的能量与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的平衡。\n生态系统中的能量流动与物质循环\n水循环图\n\n\n3、生态系统中的信息联系1）营养信息◇通过营养交换的形式，使信息在种群间或个体之间进行传递。◇食物链（网）可视为一个营养信息系统。例：草本植物猫头鹰种子鹌鹑基叶鼠\n2）化学信息◇生物在特定环境下分泌的化学物质，在个体和种群之间进行信息传递。◇化学信息对集群活动的整体性和集群整体性的维持，具有极重要的作用。3）物理信息◇通过声音、颜色和光等物理现象传递的信息。4）行为信息◇通过自己的各种行为向同伴发出识别、威吓、求偶和挑战等信息。\n1、生态平衡的概念生态系统发展到成熟阶段，它的结构和功能，包括生物种类的组成、各个种群的数量比例以及物质和能量的输入输出等都处于相对稳定的状态，这种状态称为生态平衡。三、生态平衡\n2、生态平衡的特点:◇为一暂时的、相对的动态平衡： 由生态系统内部的自动调节能力所致。◇生态系统结构越复杂，组成越多，物质与能量的途径越多，调节能力越强，平衡易保持。反之，调节能力越弱，平衡就不易保持。◇生态系统的变化与发展，是在不平衡--平衡--不平衡中的物质与能量流动中进行的。比较自动调节能力大小：热带雨林生态系统和北极冻原\n3、破坏生态平衡的因素◆自然因素：主要是指自然界发生的异常变化，或者自然界本来就存在的对人类和生物有害的因素，如火山爆发、山崩海啸、水旱灾害、地震、台风、流行病等自然灾害。◆人为因素：主要指人类对自然的不合理利用、工农业发展带来的环境污染等，是当今世界上干扰生态平衡的最严重的因素。①物种改变引起平衡的破坏②环境因素引起平衡的破坏③信息系统的破坏\n1、火山爆发，毁灭森林2、干旱导致大批树木干枯死亡\n4、生态平衡失调的标志（1）结构上的标志生态平衡的失调，首先表现在一级结构缺损和二级结构变化。一级结构缺损如：森林生态系统由于毁林开荒，使原有生产者消失森林生态系统崩溃二级结构变化如：草原生态系统长期超载放牧，使生产者种类改变草原生态系统崩溃（2）功能上的标志生态平衡失调表现在功能上的标志，包括能量流动受阻和物质循环中断。\n西双版纳被烧荒\n四、生态学的一般规律（一）相互依存与相互制约规律1、普遍的依存与制约，亦称“物物相关”规律。生态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。总之生物间的相互依存与制约关系，无论在动物、植物、微生物中或在它们之间，都是普遍存在的。因此在生产建设中，务必注意调查研究，查清自然界诸事物之间的相互关系，考虑此种生产活动可能会产生的影响，从而做出全面的安排。\n2、通过“食物”而相互联系与制约的协调关系，亦称为“相生相克”规律。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。\n（二）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”，重新被植物所吸收，进行着不停顿的物质循环。\n（三）物质输入输出的动态平衡规律物质的输入输出平衡规律，又称为协调稳定规律，它涉及生物、环境和生态系统三个方面。当一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。对于一个稳定的生态系统，无论对生物，对环境，还是整个生态系统，物质的输入与输出总是相平衡的。\n（四）相互适应与补偿的协同进化规律生物与环境之间，存在着作用与反作用的过程。或者说，生物给环境以影响，反过来环境也会影响生物。生物从环境吸收水和营养元素，同时生物体又以其排泄物和尸体把相当数量的水和营养素归还给环境，最后获得协同进化的结果。如：生物与土壤的形成。\n（五）环境资源的有效极限规律任何生态系统中作为生物赖以生存的各种环境资源，在质量、数量、空间和时间等方面，都有其一定的限度，不能无限制地供给，因而其生物生产力通常都有一个大致的上限。也因此，每一个生态系统对任何的外来干扰都有一定的忍耐极限；当外来干扰超过这一极限时，生态系统就会被损伤、破坏、以致瓦解。如：草场的退化、森林的过度采伐和过量捕鱼等。\n（一）全面考察人类活动对环境的影响五、生态学在环境保护中的应用利用生态系统的整体观念，充分考察各项活动对环境可能产生的影响，并决定对该活动应采取的对策，以防患于未然。\n例：南水北调工程东线南水北调工程中线南水北调工程西线南水北调工程作为继三峡工程之后中国启动的又一项世界级工程，南水北调的主要目标是将长江水分东线、中线、西线调往严重缺水的华北和西北地区。\n南水北调\n东线、中线工程已于2002年底开工；西线工程计划于2010年开工。工程全部实施后，平均每年将由长江向西北地区和华北地区合计调入水量380~480亿m3,占长江水量的4%~5%。\n南水北调东线工程对环境的影响1、主要有利影响（1）解决北方地区水资源短缺问题（2）增加了水环境容量淮河以北地区河流在枯水季节基本维持断流或干枯的状态，特别是黄河以北和山东半岛地区基本是有河皆干，有水皆污，水环境恶化严重，许多河流基本无水环境容量可言，南水北调东线工程实施后，可将长江优质水源源不断地经输水干线进入各用水区，可长时间保持输水干线河湖及用水区河道的基本流态，恢复河道的基本功能，同时大大地增加了水环境容量和水环境的承载能力。\n（3）缓解地下水超采问题黄河以北以及胶东半岛地区地下水超采严重，漏斗面积不断增大，沿海地区地下水含水层受浅层咸水入侵面积不断扩大，不少地区出现地面沉陷、塌陷、裂缝等地质灾害。东线工程建成后，可替换城市供水水源，减少深层地下水的开采量，加之常年输水，对补充地下水源、地面沉降等环境地质问题的缓解起到积极作用。（4）促进节水治污根本改善调水沿线地区水环境整体质量为实现调水水质保护目标，又必须通过污染源治理、城镇污水处理厂建设、截污导流工程等综合措施，加快了沿线的治污步伐。调水工程实施后，治线地区的水污染负荷将大幅度削减，输水沿线水质将全面达到Ⅲ类水标准。\n（5）防止调蓄湖泊富营养化，有效保护湿地生态系统良性循环调水后，输水干线调蓄湖泊水环境得到有效改善，调蓄湖泊换水频繁，换水率将明显提高，可有效防止湖泊富营养化的发生。同时由于调蓄湖泊的平均蓄水位抬高，水面扩大，水生浮游动植物和底栖动物的种类及数量将有上升，改善湿地鸟类的生存环境，同时对发展渔业生产十分有利，避免了湖泊干枯或死水位以下运行造成的生态灾难，有效保护湖泊生态系统的良性循环。\n2主要不利影响及采取的措施（1）对长江口盐水入侵产生一定影响东线工程调水将会对长江口枯水期盐水入侵带来一定负面影响，特别是枯水年的枯水期。但若通过三峡工程的合理调度，则南水北调工程对长江口盐水入侵产生的负面影响将得到缓解甚至抵消。为防止在枯水期加重长江口地区的盐水入侵，当长江大通站流量小于10000m3/s时，有必要采取“避让”措施，减少抽江流量或暂停调引江水措施，可基本消除调水对长江口盐水入侵的影响。当长江为枯水年或特枯水年时，宜将三峡水库蓄水期提前1个月，即从9月开始，延至10月、11月、12月，以维持枯水期天然下泄水量。\n（2）对水环境影响在满足所有假设条件的前提下，输水干线基本可以达到高锰酸盐指数和氨氮指标满足地表水III类的要求。南水北调东线调水水质风险因素较多，如面源污染及养殖、航运等内源污染得不到有效控制，在输水干线特别是湖库内可能出现水质问题，公路、航运交通干线发生事故而导致有毒有害物质倾入等都会影响到调水的顺利进行。全面落实南水北调东线治污规划及控制单元实施方案，加强调水沿线的水污染防治的监督管理，是保障南水北调调水水质的基础。\n（3）对生态环境影响东线工程的施工对沿线的水生生态环境和陆生生态环境造成一定的破坏。造成一定的生物量损失，但其损失量在系统承受范围内。而且由于受影响的动植物在周边地区分布广泛，且无国家重点保护物种，因此对动植物的影响是轻微的。同时，工程弃土堆放会在河道和南四湖形成埝堤，对水陆生生境的能流、物流造成一定的阻隔。\n（4）调水对钉螺北移扩散的影响南水北调东线工程实施运行后，调水量增加，输水时间延长，水源区钉螺有可能通过水泵抽吸进入输水河道，以及通过运输及人畜携带的方式传播，造成钉螺的北移扩散，即存在着钉螺通过输水河道在一定范围内扩散的可能性，因此在工程建设运行中，要注意配套血防工程措施，同时要加强这些地区螺情、血吸虫病疫情的监控，并根据其具体情况，采取有效措施，及时防、控血吸虫病流行。\n（5）对土壤质量的影响对于黄河以北地区，存在局部地区土壤次生盐碱化问题，要采取渠道防渗和灌区排水等措施，减免其不利影响。\n生态学的一个中心思想是整体和全局的概念：不仅要考虑现在，还要考虑将来；不仅考虑本地区，还要考虑有关的其他地区。也就是说，要时间和空间上全面考虑，统筹兼顾。按照生态学的原则，我们对生态系统采取任何一项措施时，该措施的性质和强度不应超过生态系统的忍耐极限或调节复原的弹性范围，否则就会招致生态平衡的破坏，引起不利的环境后果。\n（二）生态农业与生态工业1、生态农业1）概念：生态农业就是遵循生态学、生态经济学原理,应用系统工程的方法，把传统农业技术和现代农业技术相结合，充分利用当地自然和社会资源优势，因地制宜地规划设计和组织实施的综合农业生产体系。\n2）案例：留民营村的生态农业建设1982年留民营村开始生态农业建设，至1987年留民营生态农业链已经形成，多种种植业用于食品、饲料加工，饲料用来发展养殖业，农业秸秆和养殖业及农业生活废物送入沼气池，为全村提供生活能源，沼气渣又回田或作饲料，从而实现了能源和资源的综合利用，以及物质和能源的闭路循环。\n种、养、加、沼的物质循环利用模式\n1、调整产业结构2、进一步开发建设利用沼气和太阳能等新能源3、大规模植树造林，加强农田基本建设留民营村的生态农业建设\n1992年由中美两国专家设计建造了一座大型高温沼气发酵工程，用于代替过去的小沼气。良性循环带来的效益经济效益：2000年人均收入达到了1万元环境效益：太阳能、沼气的使用，减少了燃煤造成的大气污染，改善了环境卫生社会效益：已成为北京市副食品生产的重要基地，观光农业。\n留民营农场风光\n2、生态工业：指仿照自然界生态过程物质循环的方式来规划工业生产系统的一种工业模式在生态工业系统中各生产过程不是孤立的，而是通过物质流、能量流和信息流互相关联，一个生产过程的废物可以作为另一过程的原料加以利用。生态工业追求的是系统内各生产过程从原料、中间产物、废物到产品的物质循环，达到资源、能源、投资的最优利用。\n例：我国贵港国家生态工业（制糖）示范园区蔗糖厂制糖厂酒精厂热电联产系统造纸厂环境综合处理原料废糖蜜蔗渣蔗髓电力电力电力电力电力废气、废水\n（三）生态学在环境保护其他方面的应用1.环境质量的生物监测与生物评价生物监测：利用生物在污染环境中所发出的各种信息，来判断环境污染状况的一种手段。这是一种最直接也是一种综合的方法。凡对污染物敏感的生物种类，都可作为监测生物。如：监测大气污染：地衣、苔藓和一些敏感的种子植物。监测水体污染：一些藻类、浮游动物、大型底栖无脊椎动物和鱼类。监测土壤污染：土壤藻类和螨类。\n生物评价：用生物学方法按一定的标准对一定范围内的环境质量进行评定和预测。通常采用的方法有：指示生物法、生物指数法和种类多样性指数法等\n2.为环境标准的制定提供依据污染物浓度与人体健康和生态系统的关系环境容量环境标准\n3.人工生态系统及其在污染防治研究中的应用人工生态系统是试验用的一种手段，是根据自然生态系统的结构和功能设计的，在人工控制条件下的人为生态系统，也称模拟生态系统或实验生态系统。主要特点是把生态系统复杂的结构和功能加以简化，以便进行科学研究。\n当前，人工生态系统已用于：（1）野外观测对比，以便更好地解释和验证自然界真实生态系统中的各种过程；（2）研究污染对生物群落的影响；（3）预测预报环境受到某种干扰后的质量变化情况；（4）研究生态系统对污染物的反应，以及污染物在生态系统中的积累、转移和降解途径，借以了解生物净化机理与提出治理的途径。\n例：美国伊利诺伊大学生物学和昆虫学系及环境学研究所应用一个室内模拟生态系统，研究了100多种农药、许多重金属和其他化合物的毒性以及转移、降解和积累的情况。它是个早期警报系统，并已为世界卫生组织所采用，作为测定新农药对环境危害的标准方法。玻璃缸：25cm×30cm×50cm7L“标准湖水”15kg洗净的白砂铺成斜坡砂坡上种以高粱在叶片上喷洒含有放射性标记的农药并陆续加入藻类、蚤、底栖动物和鱼\n66