第二章-生态学基础

TheElementaryKnowledgeofEcology第二章生态学基础知识及其应用第二章生态学基础知识及其应用第一节生态学的含义第三节生态系统的结构和功能第二节生态系统的基本概念与组成第四节生态平衡第五节生态学规律与应用相互关系：作用与反作用；对立与统一；相互依赖与制约；物质循环与能量流动等。德国生物学家赫克尔（ErnstHaeckel）1869年在《有机体普通形态学》一书中首先提出。（1）定义：研究生物与其生活的环境之间相互关系及作用机理的科学。生物：动物、植物、微生物（包括人类在内）环境：空气、阳光、水和其它一切生物。一．生态学(ecology)的含义（2）现代生态学：是一门综合性的边缘学科，它研究生命系统与环境系统之间相互作用的规律及机理，是人类合理利用自然资源，改善和保护环境质量的理论基础。自然科学社会科学生态学生理学、遗传学、进化论、数学、物理、地理、化学、气象、海洋、湖泊、动植物、微生物等经济学、法学、社会学城市科学、系统工程、人文科学等二、生态学研究的范畴1、个体生态学-----以生物个体为研究对象。2、种群生态学-----以生物种群为研究对象。3、群落生态学-----以生物群落为研究对象。4、生态系统生态学-----以“群落-环境”为研究对象。不同种生物总和同种生物总和5、生物圈-----以“地球全部生物-物理环境”为研究对象。1.定性探索→定量研究现代生态学具有下列特点：2.个体水平→综合研究3.领域大已发展为指导人类管理地球和生物圈的科学一、生态系统(ecosystem)的概念二、生态系统的组成三、生态系统的主要特征四、生态系统的的类型五、生物圈第二节生态系统的概念与组成（重点）1、生态系统是指一定的地域或空间内，生存着的所有生物和环境通过物质循环,能量流动和信息联系相互作用,相互依存所构成的统一体。同种个体总和不同种生物总和二、生态系统的概念生物个体Individual种群Population群落Community生态系统Ecosystem群落与环境综合简言之:生态系统是生命系统和环境系统在特定空间的组合。三、生态系统的组成生物环境(生物群落)1.生产者：绿色植物、自氧微生物2.消费者：动物或异养生物3.分解者(还原者)：细菌、真菌、原生动物非生物环境(自然环境)生态系统光、温、大气、水分、土壤、pH值--生物生存的自然条件。C、H、O、N、P等无机物质--构成有生命物质的物质基础。腐殖质、蛋白质、脂肪等有机物质--联系生物与非生物之间的有机物。各类生态系统都是由两大部分、四个基本成分所组成2、消费者（属异养生物）（1）草食动物：一级消费者（初级消费者）（2）肉食动物：二级消费者、三级……依次类推（3）寄生动物：寄生在其它动、植物体内，靠吸取宿主营养为生。（4）腐食动物：以腐烂的动、植物残体为食。（5）杂食动物：既吃植物也吃动物如麻雀、熊等（6）消费者在生态系统中的作用：一是实现物质和能量的传递；如草—兔子—狼二是实现物质的再生产；三是对整个生态系统有自动调节的能力，尤其是对生产者过度生长、繁殖起控制作用。生态系统通过自我调节维持相对稳定狼↑狼↓兔↓兔↑植物↓植物↑狼饿死狼吃饱吃了较多兔子吃了较少兔子兔吃饱兔饿死吃了较少的草吃了大量的草污染↑↑鱼死亡↑污染↑鱼死亡↑↑↑鱼死亡↑↑污染↑↑↑阳光绿色植物草食动物肉食动物寄生生物腐食动物腐生植物分解者转变者营养分必要部分非必要部分非生物成分生物成分生产者消费者图3-4生态系统的组成生态系统各组成部分之间的关系：第三节生态系统的结构与功能一、生态系统的结构二、生态系统的功能一、生态系统（Ecosystem）的结构（一）生态系统的形态结构（了解）1.物种结构2.平面结构3.垂直结构4.时间结构1.食物链2.食物网3.营养级（二）生态系统的营养结构（）比利时Hamois农区的夏季景观澳大利亚昆士兰州的热带雨林1、食物链（Foodchain）（1）概念（2）食物链的类型一个食物链的例子“螳螂捕蝉，黄雀在后”植物蝉(初级消费者)螳螂(二级消费者)黄雀(三级消费者)鹰(四级消费者)(顶极食肉动物)（2）食物链的类型（了解）Ⅰ捕食性食物链（草牧链）------以生产者为基础。构成形式：植物→小动物→大动物Ⅱ腐生性食物链（腐解链）-----以腐烂的动植物尸体为基础。如：植物残体→蚯蚓→腐败菌动植物残体→霉菌→跳虫→肉食性壁蚤→腐败菌Ⅲ寄生性食物链----以大动物为基础，由小动物寄生在大动物身上构成。如：哺乳类或鸟类→跳蚤→原生动物→过滤性病毒Ⅳ碎食性食物链------以碎食物为基础。如：树叶碎片及藻类→虾→鱼→食鱼的鸟类生态系统中生物之间由于食物关系所形成的联系，即以能量和营养的联系而形成的各种生物之间的链索，称为食物链。食物链上的每一个层次都称为一个营养级，彼此交错的食物链构成食物网。2、食物网食物网的作用：一是维系着生态系统的平衡和自我调节能力；食物网越复杂生态系统越稳定。二是推动着有机界的进化。三是对某些元素或稳定难分解物质有“生物放大作用”（见图）某些元素或难分解物质随食物链的延长浓度逐步增加的现象。Predator:食肉动物Omnivore:杂食动物herbivore:草食动物Algae:藻类DDT浓度10-60.04ppm0.5ppm3ppt10-123、营养级（营养层次）（2）生态金字塔（见下图）（1）营养级——食物链上的各个环节。图示第一营养级第二营养级第三营养级500公斤浮游植物50公斤浮游动物5公斤鱼0.510%前进大甲虫杜鹃植物鹰蛇兔鼠毛虫结论：（1）消费者在不同的食物链中所处的营养级不同；（2）植物在食物链中所处的营养级是固定的；（3）营养级一般只有4-5级。（一）生态系统的生物生产（二）生态系统的能量流动（三）生态系统的物质循环（四）生态系统中的信息联系二、生态系统（Ecosystem）的功能6CO2+12H2OC6H12O6+6O2+6H2O（一）生物生产初级(植物)生产次级(动物)生产6光能（2.610J）叶绿素总产量（Pg）=净产量（Pn）+消耗（R）单位：焦尔/米2·年（二）生态系统中的能量流动太阳辐射能输入生产者消费者（固定）消费者（固定）分解者呼吸热图腐生生物分解和呼吸生产者呼吸能量流动遵循热力学第一定律（能量守恒）、第二定律（能量转化单向性）和十分之一法则（能量损耗规律）热小结10000100010010生产者（浮游植物）一级消费者二级消费者（鱼）三级消费者（人类）浮游动物某食物链的能塔图分解者热热热热热①单向流动。②逐级递减，传输效率约10%。4、生态系统能量流动的特点：生态系统的能量流动小结：1、能流起点——从生产者固定的太阳能开始。2、能流的总数量——生产者所固定的全部太阳能。3、能流途径——光能→第一营养级→第二…→分解者→环境5、研究目的——设法调整能流的方向，使能量流向对人类最有益的部分。生态系统的能量流动小结：从生态系统食物链的概念出发，当我们准备对生态系统中某一个成员（某一环节）施加干预时，应考虑到它对各个成员，乃至整个生态系统可能产生的影响和后果。也就是说，应把我们的思想从干预某一种生物，或环境中某一因素，提高到可能会干预整个生态系统的水平上来认识。这种理念在环境影响评价中得到充分重视和采纳。我国的环评法规定，区域的开发必须进行环评，重大的政策也必须进行环评。33案例：圆明园（防渗漏工程环评）事件•从2003年8月开始，圆明园进行大规模环境整治工程。•2005年3月22日，“世界水日”。兰州大学生命科学院教授张正春参观圆明园时，发现园内正在进行大规模铺设防渗膜的工程。张正春立即向媒体发出呼吁：救救圆明园！•3月28日，媒体披露“圆明园湖底铺设防渗膜遭专家质疑”的消息。该消息一出，立即引起社会上的广泛关注。•3月30日，北京市环保局有关人士表示，该项目并没有向北京市环保局和海淀区环保局申请环评。•3月31日，国家环保总局叫停圆明园防渗工程。•4月1日，海淀区区政府决定，圆明园防渗工程停工，进行环境影响评价。•4月5日，国家环保总局发出公告，决定召开圆明园整治工程环境影响听证会。•4月13日，国家环保总局召开圆明园整治工程环境影响听证会。防渗处理场面：挖土机在前面整地，施工人员跟在后面铺防渗膜。圆明园的追问铺上防渗膜后，施工人员在衬砌驳岸，即所谓的防侧渗处理。防渗前的荷花茂密茁壮。做过防渗后的湖中植物伤了元气，许多新叶长出时间不长便枯萎了。作防渗后，原本茂密的芦苇明显稀少了，经补种过的荷花虽然还能见到，但比上年现颓势。薛野展示防渗试验前后对比照片“自然之友”观鸟组在首都师范大学生物系教授高武的指导和参与下，于2002年下半年开始在圆明园进行鸟类调查。此间，他们见证了圆明园环境因人为干扰带来的种种变化。结论：由此对比可以看出，湖底铺防渗对水生植物及赖以生存的动物影响极大。（三）生态系统的物质循环非生物环境生产者消费者分解者生命元素生命元素常量元素----氧(O)氢(H)碳(C)氮(N)磷(P)钙(Ca)镁(Mg)钾(K)硫(S)钠(Na)微量元素---铜(Cu)、锌(Zn)、锰(Mn)、钼(Mo)、钴(Co)、铁(Fe)有益或辅助营养元素：硼（B）、Li、Ce、Sr物流是一个循环过程，物质可以被反复利用，生物圈中的物质都处于永恒的循环变化之中。1、水循环：水的社会循环对自然循环的影响2、碳循环与温室效应碳循环与温室效应碳是构成有机体的重要成分，约占有机干物质的49%，没有碳就没有生命。地球上蕴藏在地下的矿物燃料，煤有75×1011t。煤和石油中的碳比目前地球上活着的有机体所含有的总碳约多50倍以上。地球上的碳有两类库：①贮存库：贮存于岩石中的碳。容量大，流通率低，只有8g/（m2·a）。②交换库（循环库）：碳在生物体和它们生活的环境之间的交换。容量小，流通率很大，达400g/（m2·a），十分活跃。地球上99.9%的碳被岩石圈束缚着（以碳酸盐的形式）。碳在海洋中约占0.1%，在大气中约占0.0026%。现代人类将地质年代贮存在地下的碳加以利用，使其重新加入到自然界碳循环的行列，使碳的流通率比正常情况下大大增加，大气中CO2浓度增加，破坏了生物圈中的CO2平衡，使温室效应加剧。3、氮循环氮循环与水体富营养化和大气污染氮是生物细胞的基本元素之一，蛋白质和核酸都是含氮物质。大气中78%都是氮气，氮绝大多数生物无法直接利用。氮只有从游离态变成含氮化合物时，才能成为生物的营养物质。氮循环主要在大气、生物、土壤和海洋之间进行。大气中的氮进入生物有机体主要有四种途径：①生物固氮：某些植物（豆科植物）的根瘤菌和一些蓝细菌、褐藻类能把空气中的惰性氮转变为硝酸氮，供植物使用。②工业固氮：人类通过工业手段，将大气中的氮合成为氨或铵盐，即农业上使用的氮肥。③岩浆固氮：火山爆发时喷出的岩浆可以固定一部分氮。④大气固氮：雷雨天气发生的闪电现象而产生的电离作用，可以使大气中的氮和氧化合成硝酸盐，经雨水淋洗进入土壤。氮循环与水体富营养化和大气污染植物从土壤中吸收铵盐或硝酸盐等含氮离子，在植物体内与复杂的含碳分子结合成各种氨基酸和核酸，动物直接或间接从植物中摄取植物性蛋白，并在新陈代谢过程中将一部分蛋白质分解成氨、尿素和尿酸等排出体外，进入土壤。动植物死后，体内的蛋白质和核酸被微生物分解成硝酸盐或铵盐回到土壤中，重新被植物吸收利用。土壤中的一部分硝酸盐，在反硝化细菌作用下，变成氮回到大气中。人类活动使氮循环出现了问题。工业固氮量已占很大比例，每年被固定的氮超过了返回大气的氮，使氮循环的平衡被破坏。大量的化合氮进入江河、湖泊和海洋，使水体出现富营养化。另外，大气中被固定的氮，不能以相应数量的分子氮返回大气，却形成一部分氮氧化物进入大气，是造成现在大气污染的主要原因。太湖的富营养化陆地海洋沉积物（CaSO4,FeS2）溶解的SO42-SO2H2SSCaSO4FeS2死有机体活有机体SO42-降水SO2,SO42-扩散海浪SO42-大气上升，风化SO2FeS2死有机体活有机体SO42-H2SS分解化肥工业SO42-摄取扩散