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第三章生态环境第一节生态学基本知识一、生态学（Ecology）定义生态学(ecology)一词由德国学者E.H.Haeckel于1866年提出,他认为：“生态学是研究生物有机体与其无机环境之间相互关系的科学”。ecology一词源于希腊文，由词根oiko和logos演化而来，oikos表示住所，logos表示学问。因此，从原意上讲，生态学是研究生物住所的科学。不同学者对生态学有不同的定义。关于生态学的其它几个定义：英国生态学家Elton(1927)的定义是“科学的自然历史”；澳大利亚生态学家Andrewartha(1954)认为，生态学是研究有机体的分布与多度的科学，强调了对种群动态的研究；美国生态学家Odum(1959，1971，1983)的定义是研究生态系统的结构与功能的科学；我国著名生态学家马世骏认为，生态学是研究生命系统和环境系统相互的科学。二、生态学的发展1.生物学分支学科阶段：20世纪60年代以前,生态学基本上隶属于生物学的一个分支学科。2.综合性学科阶段：20世纪60年代以后，突破了生物科学的范畴,成为当代最为活跃的科学领域之一。3.发展展望：生态学将以生态系统为中心,以生态工程为手段,在协调人与自然的复杂关系,探求全球走可持续发展道路的战略,做出重要贡献。三、生物与环境的关系（一）生物不能脱离环境而存在生物的起源、进化和发展都不能脱离环境，每个生物个体发育的全部过程，不断地与环境进行物质和能量交换。（二）环境影响生物的生理、形态和分布环境对生物的影响很大，生物在生长、发育的各个阶段对环境有不同的要求，但生物对环境也有适应性。适应性包括两方面，一是生物不断改变自己，形成一定特性和性状，以适应改变的环境；二是保留有利于生物生存和繁殖的各种特征，充分利用稳定条件下的资源，巩固自身的竞争能力。适应也是一种暂时的现象，它不是永久的，当适宜的环境变化了，适应就会失去其作用，并且还会成为有害的，致死的因素。雄鹿的角是一种防御和攻击的武器，一般长得大一些有利，但长得太大就成了生活中的负担，变成不利因素，如已绝灭的爱尔兰鹿（Megaloceros），雄性两角的长枝展开宽度约近3米。一些古生物学家认为，爱尔兰鹿发达的角尽管在性选择中曾起过作用，占优势，但也是它绝灭的主要原因。形态结构的适应形态结构的适应（三）生物影响环境1、生物能改变大气成分现代人类经济活动不断加速改变大气成分，特别是CO2增多，CH4增多，森林减少等也改变大气成分。2、生物对水体的影响生物死亡残体在湖底大量沉积，随有机物积累，湖底变高，逐渐沼泽化，出现沼泽植物，由于过渡积水，处于缺氧环境，有机残余部分分解缓慢，引起泥炭积累。3、生物参与岩石和土壤的形成组成地壳的物质有一部分是有机岩，它们是地质历史时期动、植物残骸堆积而成。植物死亡后，经微生物分解，养分进入土壤，在土壤中又被活的植物重新利用。4、形成新的地貌形态，改变环境面貌。四、生物与环境的协同进化环境选择和影响着生物，生物也对环境进行着能动适应，反作用于环境，改变了的环境又对生物产生生态作用。生物与环境相互影响、相互选择、相互适应、共同发展的过程就形成了生物与环境的协同进化。人类与环境理应协同发展，人为地使环境恶化、资源枯竭及人口爆炸等，必将导致与环境的不相协调，遭到环境的报复。第二节生态系统一、生态系统的概念生态系统是指在一定的时间和空间内，由生物群落及其生存环境共同组成的生态平衡系统。二、生态系统的组成1、生产者是生物成分中能利用太阳能等能源，将简单无机物合成为复杂有机物的自养生物。如陆生的各种植物，水生的高等植物和藻类，还包括一些光能细菌和化能细菌。如硝化细菌能将NH3氧化为HNO2和HNO3，并利用氧化过程中释放的能量，把CO2、H2O合成为有机物。这类细菌虽然合成的有机物质不多，但它们对某些营养物质的循环却有重要意义。初级生产者也是自然界生命系统中唯一能将太阳能转化为生物化学能的媒介。2、消费者：是靠自养生物或其它生物为食而获得生存能量的异养生物，主要是各类动物。3、分解者：这类生物也属异养生物，故又有小型消费者之称，包括细菌、真菌、放线菌和原生动物。它们在生态系统中的重要作用是把复杂的有机物分解为简单的无机物，归还到环境中供生产者重新利用。在生态系统中，分解者是重要的生物群之一，其数量之多十分惊人。据估算，在农田生态系统中的细菌重量，平均每公顷有500公斤以上，至于细菌总个数则是一个天文数字！生态系统的组成图片三、生态系统的类型（一）按环境中水体的状况划分生态系统可划分为水生生态系统和陆生生态系统两大部分。（二）按人为干预程度划分1、自然生态系统2、半自然生态系统3、人工生态系统自然生态系统半自然生态系统人工生态系统森林生态系统2、主要自然生态系统类型草地生态系统荒漠生态系统淡水生态系统海洋生态系统湿地生态系统四、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。（一）形态结构生态系统的生物种类、种群数量、种的空间位置、种的时间变化等构成了生态系统的形态结构。1、生态系统的垂直结构生态系统的垂直结构图片2、生态系统的水平结构生态系统的水平结构图片3、生态系统的时间结构春夏秋冬（二）生态系统的营养结构生态系统各组成部分之间建立起来的营养关系。营养结构以食物关系为纽带，把生物与其无机环境联系起来。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五、生态系统的功能（一）能量流动1、能量流动的渠道―食物链和食物网（1）食物链食物链（foodchain）：食物链指生态系统中不同生物之间在营养关系中形成的一环套一环似链条式的关系。如：牧食食物链（grazingfoodchain）又称捕食食物链，以活的动植物为起点的食物链。腐食食物链（detritalfoodchain）又称碎屑食物链，从死亡的有机体或腐屑开始。一个食物链的例子“螳螂捕蝉，黄雀在后”（2）营养级：处于食物链同一环节上的所有生物总和。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。（3）食物网：在生态系统中，食物关系往往很复杂，各种食物链互相交错，形成的复杂网状结构。(4)食物链和食物网存在的意义食物链是生态系统营养结构的形象体现。通过食物链和食物网把生物与非生物、生产者与消费者、消费者与消费者连成一个整体，反映了生态系统中各生物有机体之间的营养位置和相互关系；各生物成分间通过食物网发生直接和间接的联系，保持着生态系统结构和功能的稳定性。2、能量流动的方式――逐级减少（1）生态效率：由一个营养级转移到下一个营养级的能量百分数称为生态效率。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。低位营养级生物是高位营养级生物的营养与能量的供应者。第一营养级生物（生产者）获得的能量，在自身的呼吸和代谢过程中要消耗很大一部分，余下的作为生物量积累，而后者又不能全部被第二营养级生物（食草动物）所利用。因此，在数量上第一营养级必然大大超过第二营养级，第二营养级必然大大超过第三营养级……依此类推。生物量和能量的转移情况亦与此相似。美国生态学家林德曼提出，同一条食物链上各营养级之间能量的转化效率平均大约为10％左右，这就是所谓“十分之一定律”，也叫“能量利用的百分之十定律”（2）生态金字塔在生态系统中，随营养级向上，生物量、生产率和生物个体数都逐级减少的现象称为生态金字塔。生态金字塔示意图（3）生态效率低的后果3、能量流动的特点（1）太阳能进入生态系统，或在生态系统中流动也是这些规律的，绿色植物对太阳能的利用率一般1～2％，理论能达5%。（2）流经一个自然生态系统的总能量，取决于生产者所固定的能量。当能量在营养级间逐一传递时，有相当大的一部分以热和机械能损失掉。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。（3）各级消费者之间能量的利用率不高，在5％～17％之间，平均约为10％；（4）能量流动是单向的，不能循环利用。（二）生态系统中的物质循环生态系统中各种有机物质经过分解者分解成可被生产者利用的形式归还环境中重复利用，周而复始地循环，这个过程叫做物质循环（Matteralcycle）。１、物质循环在三个层次上进行（1）生物个体，在这个层次上生物个体吸取营养物质建造自身，经过代谢活动又把物质排出体外，经过分解者的作用归还于环境；（2）生态系统层次，在初级生产者的代谢基础上，通过各级消费者和分解者把营养物质归还环境之中，故称为生物小循环或营养物质循环；（3）生物圈层次，物质在整个生物圈各圈层之间的循环，称生物地球化学循环。２、生态系统中营养物质的循环在自然界已知的100多种化学元素中，生物正常生命活动所必需的约30-40种。这些元素在生物体的作用通常是不能相互替代的。生物对各种元素的需求量并不相同且有种间差异。据分析，细胞含有24种元素，其中C、H、O、N、P、S六种元素对生命起着特别重要的作用３、生态系统物质循环的途径1．物质由动物排泄返回环境。包括海洋等以浮游生物为优势种的水域生态系统都可能以这种途径为主。据研究（Harris，1959），浮游动物在其生存期间所排出的无机物和有机可溶性营养物质的数量，比它们死亡后经微生物分解所放出的数量要多好几倍，而且排泄的可溶性营养物能直接被生产者所利用。2．物质由微生物分解碎屑过程而返回环境。在草原、温带森林及其它具有以碎屑食物链为主的生态系统，这种途径是主要的。3．通过在植物根系中共生的真菌，直接从植物残体（枯枝落叶）中吸收营养物质而重新返回到植物体。在热带，尤其是热带雨林生态系统中存在着这种途径。4．风化和侵蚀过程伴同水循环携带着沉积元素，由非生物库进入生物库。这是营养物质再循环的第四条途径。5．动、植物尸体或粪便不经任何微生物的分解作用也能释放营养物质。如水中浮游生物的自溶可视为营养物质在生态系统中再循环的第五条途径。6．人类利用化石燃料生产化肥，用海水制造淡水，可以认为是物质再循环第六条途径。1、水循环水由氢和氧组成,是生命过程氢的主要来源,一切生命有机体的主要成分都是由水组成的,水又是生态系统中能量流动和物质循环的介质,整个生命活动就是处在无限的水循环之中。水循环的动力是太阳辐射。水循环主要是在地表水的蒸发与大气降水之间进行的。2、碳循环：碳是构成生物体的基本元素，约占生活物质重量的百分之二十五。在无机环境中，碳是以二氧化碳和碳酸盐的形式存在的。生态系统中碳酸盐的存在形式是大气中的CO2首先通过生产者的光合作用进入生物圈，然后通过消费者、分解者再回到大气中去，一小部分形成化石燃料储存在地层中。3、氮循环：氮是形成蛋白质、氨基酸和核酸的主要成分，是生命的重要元素之一。在大气中，氮占百分之七十九，但绝大部分不能直接被大多数生物利用。大气中的氮进入生物有机体主要有四种途径：氮进入生物有机体的途径生物固氮工业固氮岩浆固氮大气固氮４、生物积累、生物浓缩和生物放大生物积累(bioaccumlation):指生物从环境或食物中摄取并蓄积化学物质,使生物体内化学物质的量逐步增加的现象。生物浓缩(bioconcentration):指生物从环境中摄取并蓄积化学物质,使生物体内化学物质的浓度超过环境中的浓度的现象，又称生物富集。生物放大(biomagnification):食物链中,高营养级生物体内某化学物质浓度高于低营养级生物体内浓度的现象.５、生物地球化学循环与人体健康地方病：自然界由于环境条件的不同，地表元素发生迁移，常造成一些元素在地表分布的不均。这种生物地化循环时常导致某些生态系统中生命元素含量的异常，或不足，或过剩，从而造成植物、动物乃至人类的疾病。这种疾病常呈区域性，故称“地方病”。地方病大多数与微量元素有关。微量元素与人体健康：碘缺乏：缺碘症：甲状腺肿大，智力低下，影响胎儿发育等。硒缺乏：引起克山病、大骨节病