中科大環(huán)境科學(xué)概論教案第3章 生態(tài)學(xué)基礎(chǔ)

第三章生態(tài)學(xué)基礎(chǔ)第一節(jié)生態(tài)學(xué)的基本概念生態(tài)學(xué)是環(huán)境科學(xué)的理論基礎(chǔ)，對環(huán)境問題的認(rèn)識和處理必須用生態(tài)學(xué)的理論來分析。本章主要討論生態(tài)學(xué)基本概念，生態(tài)系統(tǒng)及生態(tài)學(xué)在環(huán)境保護(hù)中的應(yīng)用。一、生態(tài)學(xué)及其發(fā)展1.生態(tài)學(xué)定義1869年德國生物學(xué)家赫克爾（Haeckel）認(rèn)為是“自然界的經(jīng)濟(jì)學(xué)”一般：研究活著的生物與環(huán)境之間相互作用機(jī)理的科學(xué)。我國馬世駿：研究生物與環(huán)境之間相互關(guān)系及其作用機(jī)理的科學(xué)。其中“生物”——動物、植物、微生物“環(huán)境”——生物環(huán)境作為主體以外的其他生物非生物環(huán)境陽光、空氣、溫度…2.生態(tài)學(xué)的發(fā)展（1）萌芽時期（20世紀(jì)以前）（2）發(fā)展時期（20世紀(jì)50年代以前）與相鄰學(xué)科交融提出一些概念：數(shù)學(xué)生態(tài)學(xué)、化學(xué)生態(tài)學(xué)等（3）現(xiàn)代生態(tài)學(xué)發(fā)展時期（人類生態(tài)學(xué)）人類與各種人工環(huán)境相互作用的機(jī)理，包括了社會生態(tài)學(xué)、文化生態(tài)學(xué)、教育生態(tài)學(xué)、城市生態(tài)學(xué)、工業(yè)生態(tài)學(xué)等二、生態(tài)學(xué)的一般規(guī)律（基礎(chǔ)）1.相互依存、相互制約規(guī)律（1）物物相關(guān)規(guī)律：在動物、植物、微生物之間普遍存在（2）相生相克規(guī)律：生態(tài)系統(tǒng)平衡的基礎(chǔ)2.食物循環(huán)、轉(zhuǎn)化、再生規(guī)律動物、植物、微生物一方面從環(huán)境中攝取食物并合并成新的物質(zhì)；另一方面，動植物死亡后又被分解成簡單物質(zhì)重新被植物吸收利用。3.物質(zhì)輸入輸出動態(tài)平衡規(guī)律涉及到生態(tài)系統(tǒng)中的營養(yǎng)結(jié)構(gòu)4.相互適應(yīng)與補償協(xié)同進(jìn)化規(guī)律生物與環(huán)境之間存在著作用與反作用的過程。生物給環(huán)境影響，反過來，環(huán)境也影響著生物。例如，動物從環(huán)境中吸收水和營養(yǎng)，同時又將排泄物和殘體歸還給環(huán)境，生物與環(huán)境就是如此反復(fù)相互補償，協(xié)同進(jìn)化。5.環(huán)境資源有限規(guī)律生態(tài)環(huán)境對外界干擾的忍耐是有限的，超過這個限度，生態(tài)系統(tǒng)被破壞。以上五條規(guī)律也是生態(tài)學(xué)基礎(chǔ)。生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能又與人類當(dāng)前面臨的人口、糧食、能源、自然資源環(huán)境保護(hù)密切相關(guān)，解決這五大問題的核心就是“控制人口增長”。第二節(jié)生態(tài)系統(tǒng)基本概念一、生態(tài)系統(tǒng)概念30年代英國植物學(xué)家A.G.Tansley提出，50年代廣泛傳播，60年代成為生態(tài)學(xué)研究核心。1.定義：指自然界一定空間內(nèi)，生物與環(huán)境構(gòu)成的統(tǒng)一整體，在其中生物與環(huán)境之間相互影響，相互制約，不斷演變，并在一定時期內(nèi)處于相對穩(wěn)定的平衡狀態(tài)。（即生命系統(tǒng)與環(huán)境系統(tǒng)在特定空間的組合）2.特征（1）具有能量流動、物質(zhì)循環(huán)、信息傳遞的功能（2）具有自我調(diào)節(jié)功能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，調(diào)節(jié)能力越強(qiáng)。（3）是一種動態(tài)系統(tǒng)簡單——復(fù)雜，幼年——成熟的過程二、生態(tài)系統(tǒng)的組成1.生產(chǎn)者：有機(jī)物——自身需要；為其他生物提供食物來源2.消費者：主要是動物（食草——次級生產(chǎn)者、食肉、雜食）3.分解者：細(xì)菌、真菌、微生物；將生產(chǎn)者、消費者的殘體分解為簡單物質(zhì)再提供給生產(chǎn)者4.非生物環(huán)境：生態(tài)系統(tǒng)中各種無生命的物質(zhì)作用（1）為各種生物提供必要的生存環(huán)境（2）為各種生物提供必要的營養(yǎng)元素三、生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)p221.形態(tài)結(jié)構(gòu)生態(tài)系統(tǒng)的生物種類、種群數(shù)量、種的空間配制和時間變化構(gòu)成了生態(tài)系統(tǒng)的形態(tài)結(jié)構(gòu)。2.營養(yǎng)結(jié)構(gòu)生態(tài)系統(tǒng)各組成之間，通過營養(yǎng)進(jìn)行聯(lián)系。四、生態(tài)系統(tǒng)的模型1.按地理條件不同分：2.按人為干預(yù)的程度不同分類自然生態(tài)系統(tǒng)原始森林半自然生態(tài)系統(tǒng)人工生態(tài)系統(tǒng)3.按生態(tài)系統(tǒng)大小分類——根據(jù)人們的研究需要來定大到地球表面生物圈，小到一塊土地、一片森林、一條河流、一滴水等第三節(jié)生態(tài)系統(tǒng)的功能一、食物鏈和營養(yǎng)級1.食物鏈：各種生物以食物為聯(lián)系建立起來的鏈索。（1）捕食性食物鏈植物——食草動物——食肉動物（2）腐食性動物以動植物尸體建立起來的鏈索（3）寄生性動物小動物寄生在大動物身上食物網(wǎng)：各食物鏈相互交錯形成。食物網(wǎng)越復(fù)雜，生態(tài)系統(tǒng)越穩(wěn)定。舉例2.營養(yǎng)級（1）定義：食物鏈上某個生物種的總和。一般分為4～5級。綠色植物為第一營養(yǎng)級，食草動物為第二營養(yǎng)級，食肉動物為第三營養(yǎng)級…（2）生態(tài)金字塔 1食肉動物10二級消費者食草動物 100一級消費者綠色植物 1000生產(chǎn)者下層營養(yǎng)級所儲存的能量大約只有10%被上層營養(yǎng)級所利用，在生態(tài)學(xué)上稱1/10定律。二、生態(tài)系統(tǒng)中的能量流動1.生態(tài)系統(tǒng)中的能量來源——太陽P25圖2.能量流動是單向的，不可逆的。3.能量在流動中逐漸減少。每經(jīng)過一個營養(yǎng)級都有能量以熱的形式散失掉。4.能量流動中質(zhì)量逐漸提高。三、生態(tài)系統(tǒng)中的物質(zhì)循環(huán)1.水循環(huán)（1）水的屬性H2O（2）水循環(huán)特點水平運動——地表上由高處流向低處；空氣中氣態(tài)水隨氣流流動垂直運動——蒸發(fā)水在植物中由根莖流向葉面；大氣中水遇冷降落（3）太陽能驅(qū)動全球的水循環(huán)2.碳循環(huán)（1）碳的屬性C非金屬元素；構(gòu)成生物體的主要元素（2）碳循環(huán)的特點①大氣中②動植物殘體——被微生物分解成CO2+H2O——植物吸收利用小循環(huán)③化石燃料燃燒生成CO2排入大氣進(jìn)行循環(huán)大循環(huán)3.氮循環(huán)（1）氮的屬性N生命的基本元素；N2占大氣體積的78%（2）氮循環(huán)的特點①固氮作用生物固氮豆科植物、根瘤菌、藻類等；N直接進(jìn)入生物體工業(yè)固氮氮肥形式進(jìn)入生物體巖漿固氮大氣固氮高能固氮②通過動植物殘體進(jìn)入大氣進(jìn)行循環(huán)動物排泄過程，動植物殘體分解形成NH3、CO2、H2O滲入土壤4.磷循環(huán)P來自巖石的風(fēng)化，易與N一起形成水污染，造成水體富營養(yǎng)化。四、生態(tài)系統(tǒng)中的信息聯(lián)系1.營養(yǎng)信息：由食物和營養(yǎng)構(gòu)成，如食物鏈2.化學(xué)信息：由生物代謝作用組成化學(xué)物質(zhì)分泌物3.物理信息：由聲、光、顏色等組成4.行為信息：動物可通過自己的行為發(fā)出威嚇、求偶、挑戰(zhàn)等信息第四節(jié)生態(tài)平衡與生態(tài)破壞一、生態(tài)平衡的基本特征1.結(jié)構(gòu)平衡：生物物種的組成，各種群數(shù)量和比例2.功能平衡：能量流動、物質(zhì)循環(huán)、信息聯(lián)系的平衡3.物質(zhì)與能量輸入輸出動態(tài)平衡：若輸入＞輸出，總生物量增加；反之亦然。二、破壞生態(tài)平衡的因素1.自然因素：水災(zāi)、旱災(zāi)、地震、火山、臺風(fēng)、海嘯等2.人為因素：（1）環(huán)境污染：水、氣、聲、光、渣等（2）物種的改變：捕殺麻雀；引進(jìn)新物種（3）信息系統(tǒng)的破壞三、生態(tài)平衡的恢復(fù)與再建p31多級氧化塘、土地處理系統(tǒng)、植物——土地處理系統(tǒng)等四、生態(tài)學(xué)在環(huán)境保護(hù)中的應(yīng)用1.環(huán)境質(zhì)量的生物監(jiān)測與評價（1）利用植物對大氣污染進(jìn)行監(jiān)測與評價（2）利用水生生物對水體污染進(jìn)行監(jiān)測和評價2.利用生態(tài)系統(tǒng)自凈能力來消除環(huán)境污染（1）利用森林生態(tài)系統(tǒng)凈化空氣（2）利用微生物將水中有機(jī)物降解，處理污水。如活性污泥法3.闡明污染物在環(huán)境中的遷移規(guī)律污染物在環(huán)境中不斷遷移、轉(zhuǎn)化和積聚，據(jù)此可以研究污染物在環(huán)境中的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律。4.制定生態(tài)規(guī)劃方案按生態(tài)學(xué)原理對某一地區(qū)社會、經(jīng)濟(jì)、技術(shù)和環(huán)境制定綜合規(guī)劃，其目的是科學(xué)的利用資源；保持生態(tài)系統(tǒng)的良性循環(huán)；促進(jìn)經(jīng)濟(jì)