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第二章生态学基础第一节生态学研究的基本内容一、生态学的含义及其发展1、含义生态学是一门研究生物与其生活环境相互关系的科学，是生物学的主要分支之一。如果把生物看成是一个生命系统，环境看成是一个环境系统，又可以说，生态学就是研究生命系统和环境系统之间相互作用的规律和机理的一门学科。2、生态学的发展（1）研究对象：（2）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。如：数学生态学、系统生态学、经济生态学等。植物动物生物（包括人）二、生态系统的概念与功能1、生态系统（1）生态系统的概念种群（Population）：一个生物物种在一定范围内所有个体的总和。群落（Community）：在一定的自然区域中许多不同种的生物的总和。生态系统（Ecosystem）任何一个生物群落与其周围非生物环境的综合体：（2）生态系统的组成和作用生态系统的基本组成部分为：生产者、消费者、分解者和转变者、无机营养分。阳光无机营养分非生物成分生产者分解者和转变者生物成分必要的部分消费者非必要的部分生态系统生态系统组成的结构框图（3）生态系统的类型按生态系统的环境性质和形态特征分：（a）陆地生态系统：自然生态系统（森林生态系统、草原生态系统、荒漠生态系统等）和人工生态系统（农田、城市、工矿区等）；（b）淡水生态系统：包括湖泊、河流、水库等；（c）海洋生态系统：包括海岸、河口、浅海、大洋、海底等。一个简化了的陆地生态系统一个简化了的池塘生态系统（4）生态系统的结构构成生态系统的各组成部分，各种生物的种类、数量和空间配置，在一定时期内均处于相对稳定的状态，使生态系统能够各自保持一个相对稳定的结构。主要有形态结构和营养结构。（a）形态结构：生物的种类、种群数量、种的空间配置（水平分布、垂直分布）、种的时间变化。（b）营养结构：生态系统各组成部分之间建立起来的营养关系。是生态系统能量流动和物质循环的基础。生产者（绿色植物）还原（分解）者（细菌、真菌）消费者（动物）环境（土壤、空气、水）生态系统营养结构模式图（5）食物链及营养级（a）食物链和食物网所谓食物链，就是一种生物以另一种生物为食，彼此形成一个以食物连接起来的链锁关系。在一个生态系统中，食物关系往往很复杂，各种食物链互相交错，形成食物网。能量的流动、物质的迁移和转化都是通过食物链和食物网进行的。一个简化了的陆地食物网水生生物的生态系统及其物质和能量的流动示意图（b）营养级营养级：食物链的各个环节。生产者为第一营养级，依次是第二、第三、第四营养级，一般不超过七级。低位营养级的能量仅有10％（水生系统）被上一个营养级利用。在数量上，第一营养级就必须大大超过第二营养级，逐渐递减，就造成了生物数目金字塔、生物量金字塔、生产率金字塔。注意：•营养级之间的能量转化效率约为1／10，只是针对湖泊等水域生态系统的经验性法则；•不同生态系统的能量转化效率差别很大；•森林约为5％、草地是25％左右，浮游生物占优势的群落可达50％。（c）生物富集作用DDT在某水生食物链中的富集2、生态系统中的能量流动（1）照射到地球上的太阳能量（a）太阳辐射的电磁波情况（b）太阳辐射及地球吸收太阳能的情况（2）生态系统中的能量流动（a）通过各级食物链，组成了生态系统的能量流动，并且服从热力学定律。（b）能量流动的实现途径：光合作用和有机成分的输入；呼吸的热消耗和有机物的输出。（c）生态系统热力学公式：Pg＝Pn＋R其中：Pg为食物链某营养级的总产量或输入的能量；Pn为净产量；R为呼吸作用消耗的能量。（d）能量流动的特点①生产者即绿色植物对太阳能的利用率很低，只有1．2％；②能量只朝单一方向流动；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；④各级消费者之间能量的利用率也不高，在4．5％～17％之间，平均起来约为10％；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。3、生态系统中的物质循环（1）水循环（2）碳循环（3）氮循环（4）磷循环4、小结①生态系统是一个主要的生态学单位，它包括生物与非生物成分；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。②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相关。这种功能的单位是种群。③流经一个白然生态系统的总能量，取决于植物或生产者所固定的能量。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有机体的数量和质量。④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。⑤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；或出于疾病、竞争、饥饿、低繁殖率等等原因，引起种群数量下降。⑥环境的改变和波动(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。⑦生态系统有其历史的状况，现在与过去有关，而未来与现在也有关。三、生态平衡1、生态平衡的含义（1）概念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。在自然生态系统中，平衡还表现为生物种类和数量的相对稳定。（2）生态平衡的原因生态平衡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。但是，一个生态系统的调节能力有一定限度的，超出了限度，调节就不再起作用，生态平衡就会遭到破坏。2、破坏生态平衡的因素（1）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。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。（2）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。主要有三种：物种变化引起平衡的破坏；环境因素改变引起平衡破坏；信息系统的破坏，引起平衡破坏。四、生态学的一般规律1、相互依存与相互制约规律——反映了生物间的协调关系（1）普遍的依存和制约——“物物相关”规律就是系统中各种生物间相互依存、相互制约关系是普遍存在的；（2）通过“食物”而相互联系与制约——“相生相克”规律就是每一种生物在食物链和食物网中，都占据一定的位置，并具有特定的作用。2、物质循环转化与再生规律——防止有毒物质进入环境、提高能源的利用效率3、物质输入输出的动态平衡规律——防止输入不足（如施肥不足）、输入过多（如富营养化、重金属）4、相互适应与补偿的协同进化规律——生物与环境之间的作用与反作用5、环境资源的有效极限规律——生物赖以生存的环境资源在质量、数量、空间和时间等方面都有一定的限度（过度放牧、竭泽而渔、超标排放污染物等）第二节生态学在环境保护中的应用一、利用生态系统的整体观念，全面考察人类活动对环境的影响——即人类活动对环境的影响要从时间和空间上全盘考虑，统筹兼顾，不仅要考虑现在，还要考虑将来；不仅要考虑本地区，还有考虑有关的其它地区。（建设项目必须进行环境影响评价）二、充分利用生态系统的调节能力——如大气污染物的高烟囱排放、水体自净、土地处理系统（污水灌溉）等。三、解决近代城市中的环境问题1、编制生态规划（环境规划）——是指在编制国家或地区的发展规划时，不是单纯考虑经济因素，还有考虑地球物理因素、生态因素和社会因素。（各类规划必须进行环境影响评价）2、进行城市生态系统的研究——利用生态学原则和系统论的方法来研究，即把城市作为特殊的人工环境系统来研究。四、综合利用资源和能源1、生态工艺（无污染工艺）——输入的物质和能量获得最大限度的利用，资源和能源的浪费最少，且废弃物完全能被自然界分解、吸收或利用。2、生态农场五、在环境保护其他方面的应用1、阐明污染物质在环境中的迁移转化规律（食物链）2、环境质量和生物监测和生物评价（1）利用植物对大气污染进行监测和评价（如菠菜监测二氧化硫等）；（2）利用水生生物监测和评价水体污染。3、为环境标准的制定提供依据4、人工生态系统及其在污染防治研究中的应用（如曝气池中指示生物）