城市環(huán)境與生態(tài)學(xué)第二章

1、第二章 生態(tài)學(xué)基礎(chǔ),第一節(jié) 概述 第二節(jié) 生物圈 第三節(jié) 生態(tài)因子及其作用 第四節(jié) 生態(tài)系統(tǒng)的基本概念及其類型 第五節(jié) 生態(tài)系統(tǒng)的基本功能 第六節(jié) 生態(tài)平衡,第一節(jié) 概述,一 生態(tài)學(xué)概念 最早由德國生物學(xué)家赫克爾Ernst Haeckel于1869年提出，并將其定義為研究有機體與環(huán)境之間相互關(guān)系的科學(xué)； 現(xiàn)在定義為研究生物之間、生物與環(huán)境之間相互關(guān)系及其作用機理的科學(xué)。,二

2、 生態(tài)學(xué)的起源1. 萌芽 古希臘哲學(xué)家亞里士多德在其著作《自然歷史》中，曾描述了生物之間的競爭、生物對環(huán)境的反應(yīng)； 我國春秋戰(zhàn)國時代思想家管仲、荀況等人的著作中也提到一些動物之間、動植物之間的關(guān)系。,2. 創(chuàng)立 馬爾薩斯的“人口論”論述了生物繁衍與土地及糧食資源的關(guān)系； 達爾文1859年出版的《物種起源》對生態(tài)學(xué)發(fā)展做出了很大貢獻； 赫克爾在前人研究基礎(chǔ)上創(chuàng)立了生態(tài)學(xué)。,三 生態(tài)學(xué)的發(fā)展

3、第一階段：創(chuàng)始階段(19世紀以前) 簡單樸素的生態(tài)學(xué)思想、觀察的積累和研究。第二階段：形成階段(20世紀前半葉) 基礎(chǔ)理論和方法形成，植物群落學(xué)、動物生態(tài)學(xué)等基本生物生態(tài)學(xué)學(xué)科體系已建立，并有了生態(tài)系統(tǒng)的概念。但此階段生態(tài)學(xué)還屬于生物學(xué)的分支學(xué)科。 1935年英國生態(tài)學(xué)家泰思利提出生態(tài)系統(tǒng)概念。有機體不能與它們的環(huán)境分開，而是與它們的環(huán)境形成一個系統(tǒng)。,第三階段：發(fā)展階段(20世紀后半葉) 全球

4、性環(huán)境問題的出現(xiàn)和加劇迫使人們思考人與自然的關(guān)系，探索全球可持續(xù)發(fā)展的途徑； 新技術(shù)、新方法的廣泛應(yīng)用為生態(tài)學(xué)的高速發(fā)展提供了先進的手段，不斷與其他學(xué)科交叉、滲透；形成自然科學(xué)與社會人文科學(xué)的交叉滲透； 如今生態(tài)學(xué)已發(fā)展成為環(huán)境科學(xué)的重要理論基礎(chǔ)。具有世界觀、道德觀、價值觀的性質(zhì)。,第二節(jié) 生物圈,一 生物圈概念 奧地利地質(zhì)學(xué)家休斯 E. Suess 于1875年提出生物圈概念；蘇聯(lián)生物地球化學(xué)家維爾納

5、茨基發(fā)現(xiàn)生物活動對地表化學(xué)物質(zhì)的遷移和富集有重要影響，從而提出生物圈學(xué)說。 生物圈：地球表層生物（包括動植物和微生物）及其生存環(huán)境(空氣、水、土壤、陽光等)的總稱。包括大氣圈、水圈、巖石土壤圈。,二 生物圈的組成 包括大氣圈的下層，巖石圈的上層，以及整個土壤圈和水圈。1. 大氣圈 由對流層(troposphere)、平流層(同溫層) (stratosphere)、中間層 (mesosphere) 和熱層

6、 (thermosphere) 組成。,對流層：從地面向上至海拔約16km，是人類及其它生物的主要活動區(qū)。集中了大氣質(zhì)量的74%以及幾乎全部水汽，有強烈的對流運動。熱能來源一小部分太陽輻射外，絕大部分來自地面，因此溫度隨高度升高而遞減，高度升高100m，氣溫降低0.6C°。 平流層：對流層以上至海拔約48km，溫度隨高度逐漸上升，基本沒有水汽，晴朗無云，很少發(fā)生天氣變化，適于飛機航行。在紫外線作用下，形成臭氧層，像一道屏障保

7、護著地球上的生物免受太陽紫外線及高能粒子的襲擊。,中間層：平流層向上至海拔約80km，溫度在這里再次隨高度升高而降低。 熱層：中間層以上至海拔約600km的區(qū)域。這里的溫度（由于太陽輻射）再一次隨高度的增加而增加。這里的物質(zhì)都以其高能狀態(tài)存在。,2. 水圈 由海洋、河流、湖泊、地下水、大氣水和冰川等水體組成，為地球上一切生物的生存提供寶貴的水分，并在大氣環(huán)流的影響下不斷地循環(huán)運動。 海洋是水圈的主體，占地球總面積的7

8、1%。水圈的水以液態(tài)、固態(tài)、氣態(tài)三種形式存在。 生命起源于水環(huán)境。水參與地球表面的能量轉(zhuǎn)化與物質(zhì)循環(huán)。,,,,,,,,,,,,,水汽輸送,蒸發(fā),降水,蒸發(fā),降水,植物蒸騰,湖,,地表徑流,地下徑流,海洋,蒸發(fā),降水,,下滲,3. 巖石、土壤圈 地球由內(nèi)向外分為地核、地幔、地殼三層，巖石圈是最外層的地殼部分，貯藏著大量的化學(xué)元素、能源、礦產(chǎn)等資源。 土壤圈是巖石圈頂部經(jīng)過漫長的物理風(fēng)化、化學(xué)風(fēng)化和生物風(fēng)化作用

9、的產(chǎn)物，植物生長發(fā)育所需的水分和養(yǎng)分，一般都是從土壤獲取。同時，土壤還是支撐植物生長的基底 。,四 生物圈的特征 是地球上人類和生物的唯一生存場所； 具有很強的“生物化”特征； 生物有機體呈現(xiàn)出種類的多樣性； 結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出不平衡和不對稱性； 通過物質(zhì)循環(huán)和能量轉(zhuǎn)化來自我調(diào)節(jié)和平衡（這一平衡已被人類改變）,第三節(jié) 生態(tài)因子及其作用,一 基本概念 生境：指生物個體、種群或群落生活地域的環(huán)境。 生態(tài)因子：指對生物個體生存和繁

10、殖、種群分布和數(shù)量、群落結(jié)構(gòu)和功能等有影響的各種環(huán)境因子。各生態(tài)因子相互影響，共同作用。 種群：一定地理區(qū)域內(nèi)同一物種個體的集合。 生物群落：特定環(huán)境下聚集在一起的各種生物種群的集合。,二 生態(tài)因子的分類,,生物因子,非生物因子,(大氣、光、水、土壤、溫度等),(動植物、微生物),生態(tài)因子,三 生態(tài)因子的一般特征 綜合作用 各種生態(tài)因子彼此聯(lián)系、相互作用，任何一個因子的變化，都可能引起其他因子不同程度的變化及其反作

11、用(如溫度與濕度) 。 主導(dǎo)因子作用 對生物起決定性作用的生態(tài)因子，稱為主導(dǎo)因子。如光合作用時，光強是主導(dǎo)因子；春化作用時，溫度為主導(dǎo)因子 。,不可替代性和補償作用 各種生態(tài)因子對生物都很重要，尤其是主導(dǎo)因子，其缺少會影響生物的正常生長發(fā)育，甚至導(dǎo)致生病或死亡。所以生態(tài)因子是不可替代的，但局部可以補償。如植物進行光合作用時，若光照不足，可增加二氧化碳來補足；軟體動物在鍶多的地方，可利用鍶補償鈣的不足。 生態(tài)

12、因子的補償作用只能在一定范圍內(nèi)作部分補償，而不能以一個因子來代替另一個因子，且因子之間的補償作用也不是經(jīng)常存在的。,直接作用和間接作用 光照、溫度、水分狀況直接影響生物類型、生長和分布；地形、坡向、坡度、海拔高度及經(jīng)緯度等則通過影響光照、溫度、水分等間接作用于生物。 因子作用的階段性 生物生長發(fā)育不同階段對環(huán)境的要求不同，因此生態(tài)因子的作用具有階段性。例如光照長短在植物發(fā)芽時不起作用，但在開花時則十分重要 。,四 生

13、態(tài)因子的作用規(guī)律1. 限制因子規(guī)律 限制生物發(fā)育繁殖的因子，如干旱區(qū)的水、寒區(qū)的溫度都是生物的限制因子2. 最小因子定律—“水桶原理”（見P33） 植物的生長取決于那些處于最少量狀態(tài)的營養(yǎng)元素3. 耐受性定律 因子在最低量和過量時均會成為限制因子，生物對各種環(huán)境因子都有一個生態(tài)適應(yīng)范圍(最適、最高、最低點)，最高點到最低點之間的寬度成為生態(tài)幅,生物在耐受性方面的表現(xiàn) 生物對各種生態(tài)因子的耐受

14、性有較大差異，可能對一種因子耐受性很大，而對另一種因子耐受性很??； 對所有因子耐受范圍很廣的生物分布較廣； 當某個生態(tài)因子不在最適狀態(tài)時，對另一些生態(tài)因子的耐受限度將會下降，如土壤含氮量下降時，草的耐旱能力將下降；,生物并不都在某一特定因子的最適范圍內(nèi)生活，因為種群的相互作用（競爭、天敵）和其他因素往往妨礙其利用最適環(huán)境； 生物繁殖期環(huán)境因子的限制作用最大； 生物的耐受性是可以改變的（進化），生物的進化可使它們積極的適應(yīng)環(huán)境，從

15、而減輕環(huán)境因子的限制作用，生物的這種能力稱為因子補償作用。,第四節(jié) 生態(tài)系統(tǒng)的基本概念及類型,一 生態(tài)系統(tǒng)的概念 1935年英國植物群落學(xué)家A.G.坦斯利提出。指在一定時空范圍內(nèi)，生物和非生物成分之間通過物質(zhì)循環(huán)、能量流動和信息傳遞，相互作用、相互依存而構(gòu)成的統(tǒng)一體，是生態(tài)學(xué)功能單位 生態(tài)系統(tǒng)也是生命系統(tǒng)與環(huán)境系統(tǒng)在特定空間的組合。生態(tài)系統(tǒng)=生命系統(tǒng)+環(huán)境條件 生態(tài)系統(tǒng)可大可小，根據(jù)研究對象、內(nèi)容、目的或地理條件等確定

16、,二 生態(tài)系統(tǒng)的組成 由非生物環(huán)境、生產(chǎn)者、消費者與分解者組成。,,太陽能、煤、石油、天然氣等能源和水、空氣、土壤等物理因子；,有機物（蛋白質(zhì)、脂肪、碳水化合物和腐殖質(zhì)等）,參加物質(zhì)循環(huán)的無機元素與化合物；,非生物環(huán)境,1 非生物環(huán)境,2. 生產(chǎn)者 利用太陽能，把簡單無機物轉(zhuǎn)化成復(fù)雜有機物的自養(yǎng)生物。主要是綠色植物，另外還有光合細菌和化學(xué)合成細菌。太陽能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能。3. 消費者 直接或間接依賴并消耗生產(chǎn)者

17、而獲取生存能量的異養(yǎng)生物。 以植物為食的動物成為初級消費者; 以食草動物為食的動物為次級消費者; ……; 雜食性消費者等。,4. 分解者 主要指微生物，如細菌、真菌、放射菌、土壤原生動物和一些小型無脊椎動物，它們能把復(fù)雜的有機物分解還原為簡單的無機物（單質(zhì)和化合物），并將其釋放歸還到環(huán)境中去供生產(chǎn)者再利用，又稱還原者，為異養(yǎng)生物。生態(tài)系統(tǒng)有了分解者，物質(zhì)循環(huán)才得以運行，生態(tài)系統(tǒng)才得以維持。分解者體形雖小，但數(shù)量大得

18、驚人。,三 生態(tài)系統(tǒng)的基本特征,1、具有生物學(xué)特征；2、具有一定的區(qū)域特征；3、是開放的“自律系統(tǒng)”；4、是一種反饋系統(tǒng),四 生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)1. 形態(tài)結(jié)構(gòu) 生物種類、數(shù)量的空間配置和時間變化 空間上，垂直和水平方向上的變化; 時間上如季相變化2. 營養(yǎng)結(jié)構(gòu) 食物鏈、食物網(wǎng),五 生態(tài)系統(tǒng)的類型1. 按人類的干預(yù)程度2. 空間環(huán)境性質(zhì),,自然生態(tài)系統(tǒng),人工生態(tài)系統(tǒng),半自

19、然生態(tài)系統(tǒng),生態(tài)系統(tǒng),,陸地生態(tài)系統(tǒng),海洋生態(tài)系統(tǒng),淡水生態(tài)系統(tǒng),生態(tài)系統(tǒng),,第五節(jié) 生態(tài)系統(tǒng)的基本功能,一 生物生產(chǎn) 生物有機體在能量代謝過程中，將能量、物質(zhì)重新組合，形成新的產(chǎn)品的過程，又分為： 初級生產(chǎn)：生產(chǎn)者將太陽能轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)能，植物性生產(chǎn)； 次級生產(chǎn)：消費者將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為動物能，動物性生產(chǎn)。,1. 初級生產(chǎn)（綠色植物的生產(chǎn)，植物通過光合作用，吸收和固定光能，把無機物轉(zhuǎn)化為有機物的過程）： 6CO2

20、 + 12H2O C6 H12O6 +6O2+ 6H2O 凈初級生產(chǎn)量：總初級生產(chǎn)量減去呼吸作用所消耗的量 。,,光能、葉綠素,2. 次級生產(chǎn)（消費者和分解者利用初級生產(chǎn)物質(zhì)進行同化作用建造自己和繁衍后代的過程）。 凈初級生產(chǎn)量只有一小部分被食草動物利用，這部分稱為消耗量，其中大部分被消化吸收，這部分又稱為同化量，被同化的能量一部分用于

21、呼吸而消耗，剩余部分用于個體生長和繁殖。,二 能量流動 能量流動是指能量通過食物網(wǎng)在系統(tǒng)內(nèi)的傳遞和耗散過程。 能量流動始于生產(chǎn)者的初級生產(chǎn)，止于分解者的分解還原，整個過程包括了能量形式的轉(zhuǎn)變，能量的轉(zhuǎn)移、利用和耗散。,1. 能量流動的基本模式 （1）能量形式的轉(zhuǎn)變 光合作用中太陽能轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)能；化學(xué)能在生物間轉(zhuǎn)移時一部分能量轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮芎纳⒌江h(huán)境中。（2） 能量的轉(zhuǎn)移 如初級生產(chǎn)者的能量一部分被

22、食草動物攝取，一部分以凋落物質(zhì)的形式成為分解者的食物來源。,（3）能量的利用 能量在生態(tài)系統(tǒng)中流動，總有一部分被生物所利用，這些能量提供了各類生物的成長、繁衍之需（4）能量的耗散 能量流動過程中呼吸和排泄都會損失一部分能量 生產(chǎn)者呼吸消耗的能量約占生物總初級生產(chǎn)量的50%左右 實際上，能量在兩個營養(yǎng)層次間的利用率一般只有10%左右,3. 能量流動的渠道 生態(tài)系統(tǒng)中的能量是通過食物關(guān)系在生

23、物間流動的，因此能量流動的渠道就是食物鏈和食物網(wǎng)； 食物鏈不是固定不變的，某一環(huán)節(jié)的變化可能會影響整個鏈條甚至整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu),4. 能量流動的特點 能流是變化著的（捕食者的捕食量、消化率變化）； 能流方向不可逆（只能單向流動，太陽能 綠色植物 食草動物 食肉動物 微生物）； 能量的耗散（能量沿營養(yǎng)級轉(zhuǎn)移過程中，總有一部分以熱的形式散失，形成逐級遞減的“生態(tài)學(xué)金字塔”）； 能

24、量利用率低（能量在營養(yǎng)級間傳遞率平均約10%，“十分之一定律”或“林德曼效率”）。,,,,,三 物質(zhì)循環(huán)1. 概念（見P44） 物質(zhì)循環(huán)：生態(tài)系統(tǒng)中的物質(zhì)總是處于不斷的循環(huán)之中(在環(huán)境、生產(chǎn)者、消費者、還原者間閉路循環(huán)) 。 庫：某一物質(zhì)在生物或非生物環(huán)境暫時滯留，這里的滯留地點即為庫。分貯存庫、交換庫或循環(huán)庫。 流通率：單位時間、單位面積（體積）內(nèi)的物質(zhì)轉(zhuǎn)移量。 周轉(zhuǎn)率：物質(zhì)出入一個庫的流通

25、率與庫容量之比。,2. 生態(tài)系統(tǒng)中的物質(zhì) 能量物質(zhì)：生命蛋白的必須元素碳、氫、氧、氮； 大量元素：生命過程大量需要的元素鈣、鎂、磷、鉀、硫、鈉等； 微量元素：動植物體內(nèi)含量很少但不可缺少的元素,3. 生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)的分類從物質(zhì)循環(huán)的層次上分：生物個體層次的物質(zhì)循環(huán)、生態(tài)系統(tǒng)層次的物質(zhì)循環(huán)、生物圈層次的物質(zhì)循環(huán)；根據(jù)物質(zhì)參與循環(huán)的形式：氣相循環(huán)、液相循環(huán)、固相循環(huán)。4. 主要的生物地球化學(xué)循環(huán)水循環(huán)碳循環(huán)氧循環(huán)氮循

26、環(huán)硫循環(huán),四 信息傳遞 指生態(tài)系統(tǒng)中生命成分之間及生命成分與環(huán)境之間的信息流動與反饋過程。物質(zhì)流是循環(huán)的；能量流是單向的、不可逆的；信息流是有來有往、雙向流動的。 信息流可以分為四類：1. 營養(yǎng)信息 通過食物鏈、食物網(wǎng)傳遞，如英國牛的飼料是三葉草，三葉草傳粉者是土蜂，土蜂的天敵是田鼠，田鼠的天敵是貓，因此貓的多少會影響牛飼料的數(shù)量。,2. 物理信息 通過聲音、光、色彩等物理現(xiàn)象傳遞的信息。3. 化

27、學(xué)信息 生物通過分泌特殊化學(xué)物質(zhì)傳遞的信息。4. 行為信息 動物個體相遇時表現(xiàn)出的行為，如識別、威脅、挑戰(zhàn)、炫耀、從屬等。,第六節(jié) 生態(tài)平衡,一 概念 廣義：指生命各個層次上，主體與環(huán)境的綜合協(xié)調(diào)。 狹義：指生態(tài)系統(tǒng)在一定時間內(nèi)結(jié)構(gòu)與功能的相對穩(wěn)定狀態(tài)，其物質(zhì)和能量的輸入、輸出接近相等，在外來干擾下，能通過自身調(diào)節(jié)恢復(fù)到原初的穩(wěn)定狀態(tài)。 三種平衡：結(jié)構(gòu)上的平衡、功能上平衡、輸入和輸出物種

28、數(shù)量的平衡。 生態(tài)平衡是相對的平衡，當外來干擾超過生態(tài)系統(tǒng)的自我調(diào)節(jié)能力時，就會導(dǎo)致生態(tài)失衡； 生態(tài)平衡是動態(tài)平衡，不是靜態(tài)平衡。在人為有益影響下可以建立更高層次的新的平衡。,二 保持生態(tài)平衡的因素 即生態(tài)系統(tǒng)自我調(diào)節(jié)能力的影響因素。生態(tài)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)能力是有限的，外部干擾或內(nèi)部變化超過了這個限度，生態(tài)系統(tǒng)就會遭到破壞，這個限度稱為生態(tài)閾值。生態(tài)系統(tǒng)的自我調(diào)節(jié)能力與下列因素有關(guān)： 結(jié)構(gòu)的多樣性 生態(tài)

29、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，自我調(diào)節(jié)能力越強，反之越弱。如一個食物鏈很簡單的生態(tài)系統(tǒng)，任一環(huán)節(jié)出了問題系統(tǒng)都會崩潰 功能的完整性 生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)和能量流動運轉(zhuǎn)越合理，自我調(diào)節(jié)能力越強。如南方河流因水量大、溫度高，微生物數(shù)量和種類就比較多，自凈能力比北方河流強,三 生態(tài)失衡的原因1. 自然因素（第一環(huán)境問題） 自然界的異常變化或本來就存在的有害因素，如火山、地震、海嘯、臺風(fēng)等。 自然因素對生態(tài)系統(tǒng)的破壞很嚴重，甚

30、至可能是毀滅性的，并具有突發(fā)性特點。一般是局部的，出現(xiàn)頻率不高。2. 人為因素（第二環(huán)境問題） 物種改變：破壞、污染環(huán)境導(dǎo)致環(huán)境變化或破壞生態(tài)系統(tǒng)的信息傳遞。 環(huán)境因素改變：砍伐森林植被、大規(guī)模建設(shè)、污染物進入生態(tài)系統(tǒng)。 信息系統(tǒng)的破壞。,三 生態(tài)系統(tǒng)平衡的調(diào)節(jié)機制1. 反饋機制 正反饋：系統(tǒng)的輸出促進系統(tǒng)的輸入，使系統(tǒng)更加偏離平衡位置的過程。生物的生長，種群數(shù)量的增加等都屬于正反饋。 負

31、反饋：系統(tǒng)的輸出控制輸入，調(diào)整過度行為，使系統(tǒng)維持穩(wěn)態(tài)的過程。如種群數(shù)量調(diào)節(jié)中，密度制約作用是負反饋機制的體現(xiàn)。 負反饋的意義就在于通過自身的功能減緩系統(tǒng)內(nèi)的壓力，以維持系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)。,能量流,物質(zhì)流,信息流,正面和負面影響,生態(tài)系統(tǒng),,環(huán)境污染,,,,,輸入,輸出,干擾,反饋控制,2. 抵抗力 系統(tǒng)抵抗外來干擾并維持結(jié)構(gòu)和功能原狀的能力。 生態(tài)系統(tǒng)的抵抗力是有限度的，當干擾超過某一臨界值時，平衡就會被破壞。外