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第1章环境生态学的基本知识目录第一节环境生态学概念第二节生物竞争理论第三节生态系统中的平衡与调节第一节环境生态学概念一、环境生态学的多学科性及其相互关系由于影响人类生存的环境生态问题日趋严重及环境科学的发展，生态学的研究领域已扩展到人类生活和社会形态等方面，为了人类生存安全和社会可持续发展，必须研究人类与土壤圈、生物圈、大气圈的相互关系。这样便形成了人类环境生态学这一领域更广泛、内容更丰富的学科。同时，现代科学技术的新成就也已经渗透到环境生态学的领域中，赋予它新的内容和动力，成为多学科的、当代较活跃的科学领域之一。环境生态学的多学科性及其相互关系最资可系统工程学系统环境生态学整体观经济优源持形态生物学经济学经济环境生态学经济观效益化永续生物学生理工艺学环境生态工艺学功能观社会管续发系统结构生态环境生态学化学化学环境生态学生态信息效益理利展特性功能遗传物理学物理环境生态学数学模型生态方用细胞环境学数学数学环境生态学效益案二、环境生态学的定义环境生态研究是近二十年的事。在1972年，以联合国人类环境会议名义发表的《人类环境宣言》，呼吁各国政府和人民共同努力保护人类共同的家园-地球的环境，是人类面临的紧迫任务。其后的20年中，环境生态保护在全球形成了一股强大的浪潮，发达国家和发展中国家都认识到了解决生态环境问题，不仅是一个国家和一个地区的问题，是关系到全人类的生存和发展的重大问题。普遍认识到人类面临的问题一是人们通常获得资源的生态环境出现了难以满足其需要的危机；二是人类生存的环境质量在保证人的健康方面日趋恶化。目前，对人类的生活影响最大、最密切的是生物圈，受人类活动影响最大的也是生物圈。随着人类活动影响的增强，影响的范围也在扩大，如地球表面之上30-36km的平流层中的臭氧层因人类活动受到破坏，但这些影响与生物圈也有着密切关系。所以，我们把生物圈-地球上最大的生物系统视为人类生存与发展的生态环境，把人类生产、生活和经济活动与其生态环境的相互作用、相互影响的关系，不同地域（或空间）的生态系统所表现的特殊性等作为研究对象，探索保持人类持续发展的科学称为环境生态学。环境生态学（environmentalecology)是研究人为干扰下，生态系统内在的变化机理、规律和对人类的的反馈效应，寻求受损生态系统恢复、重建和保护对策的科学。即运用生态学原理，阐明人与环境间的相互作用及解决环境问题的生态途径。三、生态系统的基本结构和特征大气圈水圈土壤岩石圈生物圈1、生物圈：地球经长期演化，在其表面形成了由大气、水和土壤岩石组成的不同圈层，分别称为大气圈、水圈和土壤岩石圈。这三个圈层相互渗透形成了适宜生物生存的环境条件。生物依靠这些圈层提供的物质和太阳的辐射能而生存，并在与这些环境的相互作用中不断生息繁演。由大气圈、水圈和土壤岩石圈及活动于其中的生物形成了生物圈。Ø地球生态系统各圈层的关系水圈与地球其它圈层的关系大气圈岩石圈智能圈生物圈土壤圈人类圈水圈水圈是一个运动变化的系统，受能量驱动，它与其所在的空间（环境）相互作用：地貌塑造、调节局地与气候、参与地球化学景观变化、参与生命发育过程（光合作用）2．生态系统（Ecosystem)生态系统就是指一定地域（或空间）内生存的生物和非生物环境相互作用的、具有能量转换、物质循环代谢和信息传递功能的统一体，是生命系统和非生命的环境系统在特定空间的组合。根据生态系统的定义，可以把任何一个特定区域内包含有生物和非生物环境要素组成的整体看作为一个生态系统。不同的生物群落与非生物环境组成复杂、多样的生态系统，并为人类提供了十分丰富的、类型多样的生物资源，生物与其周围环境的相互作用、相互影响是生态系统不断进化发展的动力，也是人类社会与生态环境协调发展的基础。3．生态系统的组成生态系统的组成是指系统内所包括的若干类相互联系的各种要素。从理论上讲，地球上的所有物质都可能是生态系统的组成成分。地球上生态系统的类型很多，它们各自的生物种类和环境要素也存在着许多差异。然而，各类生态系统却都是由两大部分、四个基本成分所组成。两大部分就是生物和非生物环境，或称之为生命系统和环境系统。四个基本成分是指生产者、消费者、还原者和非生物环境。生态系统生命系统（生物环境）环境系统（非生物环境）生产者消费者分解者太阳能大气降水土壤物质循环植物生物初级消费者次级消费者高级消费者微生物小型动物（1）生态系统的组成阳光（2）相互关系光合作用营养盐类绿色植物生产者必要部分非生命成分食草动物寄生生物腐食动物腐生植物肉食动物非必要部分有生命成分还原者消费者（1）生产者（producers)生产者主要是指能制造有机物质的绿色植物和少数自营生活菌类。绿色植物在阳光的作用下可以进行光合作用，将无机环境中的二氧化碳、水和矿物质元素合成有机物质；在合成有机物质的同时，把太阳能转变为化学能并贮存在有机物中。这些有机物质是生态系统中其他生物生命活动的食物和能源。生产者是生态系统中营养结构的基础，它决定着生态系统中生产力的高低，是生态系统中最重要的组成部分。（2）消费着（consumers)消费者是指直接或间接利用绿色植物所制造的有机物质作为食物和能源的异养生物，主要是指各类动物，也应包括人类本身。消费者包括的范围很广，根据食性不同或取食的先后可分为草食动物、肉食动物、寄生动物、食腐动物。按照其营养方式的不同，可分为不同的营养级，直接以植物为食的动物称为食草动物（Herbivores)，是初级消费者（primaryconsumer)；以食草动物为食的动物称为食肉动物（Carnivores)是二级消费者（secondaryconsumers)；食肉动物还可分为三级、四级消费者，这些消费者通常是生物群落中体型较大，性情凶猛的动物。消费者中最常见的是杂食性消费者（Omnivoryconsumers)。它们的食性很杂，食物成分季节性变化大，在生态系统中，正是杂食消费者的这种营养特点构成了极其复杂的营养网络关系。但是，许多动、植物都是人的取食对象，因此，人是最高级的消费者。（3）分解者（Decomposers)分解者亦称还原者（Reducers)。主要指微生物，故又有小型消费者之称，包括细菌、真菌、原生动物及以有机碎屑为食的动物（如蚯蚓）和食腐动物。它们以动物的残骸和排泄物中的有机物质作为生命活动的食物和能源，并把复杂的有机物分解为简单的无机物归还到环境中，重新加入到生态系统的能量和物质流中去，供生产者重新利用。分解者在环境的净化和生态平衡中起着十分重要的作用。生态系统还原者的作用也是极为重要的，尤其是各类微生物，正是它们的分解作用才使物质循环得以进行。否则，生产者将因得不到营养而难以生存和保证种群的延续，地球表面也将因没有分解过程而使动、植物尸体堆积如山。整个生物圈就是依靠这些体型微小，数量惊人的分解者和转化者消除生物残骸，同时为生产者源源不断地提供各种营养原料。(4)非生物环境（abioticenvironment)非生物环境包括气候因子，如太阳辐射、空气、热量、水分和土壤等自然因素，和无机物质，如碳、氢、氧、无机盐等无机物质。它们为生物的生存提供必需的空间、物质和能量等条件，是生态系统能够正常运转的物质、能量基础。目前，人类对非生物环境的污染和破坏，严重影响其物质的循环和物质的输送。4．生态系统的结构生态系统的结构包括两方面的含义：一是组成成分及其营养关系；二是各种生物的空间分布状态。具体地说，生态系统的结构包括物种结构，营养结构和空间结构。由于生态系统是一个功能单位，强调的是系统中的物质循环和能量流动，因而在结构方面也主要是从营养功能上划分的，可以简单地说，食物网及其相互关系就是生态系统的营养结构。至于物种结构，各类生态系统的差异很大，如水域生态系统的生产者主要是须借助于显微镜才能分辨的浮游藻类。而森林生态系统中的生产者却是一些高达几米，甚至几十米的乔木和各种灌木。而且，即使一个比较简单的生态系统，它的物种结构也是复杂的。在实际工作中，人们主要是以群落中的优势种类，生态功能上的主要种类作为研究对象。5.生态系统的基本特征（1）生态系统的动态平衡功能（2）生态系统的区域特征（3）生态系统自持功能ö美国挑战人类生存极限实验（美国生态圈试验）ö宇宙飞船生态自持系统氧气宇航员呼吸CO2植物生态箱光合作用氧气宇航员呼吸宇航员排泄物分解箱分解出水生态箱水宇航员（4）生态系统自动调节功能ö森林采伐ö鱼类捕捞ö美国生态圈试验及其给我们的启示[1]=373[1][1]=373[1][1]=373什么是“生物圈Ⅱ号”科学家们将人类休养生息的地球称为“生物圈I号”，为了试验人类离开地球能否生存，美国从1984年起花费了近2亿美元，在亚利桑那州建造了一个几乎完全密封的“生物圈Ⅱ号”实验基地。这是一座占地1.3万平方米的钢架结构的玻璃建筑，远远望去仿佛是一个巨大的温室。它所有的窗户都是完全密闭的，透过玻璃往里看去，温室内有碧绿的麦田、草地、碧波荡漾的鱼塘，微型“海洋”不时卷起阵阵细浪。室内还放养着猪、牛、羊和其他家禽，里面居然还有几排房子。1991年9月26日，八位科学家进入这个实验室，他们将在里面一边从事科学研究，一边养鸡养鸭，耕种收获，过着完全自给自足的生活。两年中除了提供第一批包括种子在内的物品外其余的一切都需要他们自己解决。能源，取自太阳能；氧气，由他们种植的植物制造；粮食，靠他们自己在里面种地获得；肉类和蛋白质，取自他们养的鸡、鸭、猪、羊。甚至包括里面的气温和气候，也是由他们来设法控制，并尽可能模拟地球气候。总之，他们必须设法保证这个小小的生态系统的平衡。这说起来容易，做起来却并不简单。比如绿色植物过多，没有充足的肥料和二氧化碳供它们呼吸，植物会死亡；假如他们想多吃点肉，必须多养动物，而动物过多，粮食和饲料会紧张，氧气的消耗会增加，空气中二氧化碳浓度会升高，从而影响他们自身的生存。在这个生物圈里，科学家将对生态环境严格控制。如果食草动物过多，将引起草地破坏，就必须猎食一些食草动物，如果一种植物灭亡了，他们将取出试管内储存的植物细胞，重新培养。科学家们需要进行大量的实验，才能维持生存、净化环境，稍有不慎，生态危机就会出现。这一切都需要科学家们做周密的计划和细致的安排。任何一方面出现偏差，都会使整个计划前功尽弃。从科学家们进驻的那一起，全世界都在密切关注着这个实验的结果。“生物圈Ⅱ号”实验为世界瞩目，因为这项实验的成功不仅将对人类面临的环境危机、能源危机提出有意义的解决途径，而且可以有效利用现有资源，向宇宙空间、沙漠、海底进军。但实验的结果却并不令人乐观。一年多后，土壤中的碳与氧气反应上成二氧化碳，部分二氧化碳与建筑“生物圈Ⅱ号”所用混凝土中的钙发生反应生成碳酸钙，导致“生物圈Ⅱ号”的氧气含量从21％下降到14％。加之由于没有调节好内部气候，致使粮食歉收，科学家们不得不靠吃种子勉强度日。结果是，提前撤出实验室。更令人意外的是，“生物圈Ⅱ号”运行3年后，其中的一氧化碳含量猛增到79％，足以使人体合成维生素B12的能力减弱，从而危害大脑健康。1996年1月1日，哥伦比亚大学接管了“生物圈Ⅱ号”。9月，由数名科学家组成的委员会对实验进行了总结，他们认为，在现有技术条件下，人类还无法模拟出一个类似地球一样的、可供人类生存的生态环境。从生物圈二号的失败看环境保护和生态恢复的必要性1991年9月26日，全球所有主要媒体均在头版头条刊登了一条激动人心的消息：由美国太空生物圈风险投资公司建立的“生物圈Ⅱ号”投入运行，8位科学家笑容满面地于上午8:15正式入住位于美国亚利桑那荒漠的一个模拟地球环境的全封闭温室，开始了长期自给自足、与世隔离的生活。次年4月，英国的《新科学家》周刊还认为“这是肯尼迪总统