第二章 生态学基础知识

第一节 概述

生态学及其发展

生态学（Ecology）一词最早是由德国生物学家黑格尔于1869年提出的。他把生态学定义为“自然界的经济学”。其英文词首和经济学（Economics）是相同的，均来自于希腊文，表示家庭居处或环境的意思，可见，生态学与经济学、家庭、环境等有着密切的关系。后来有的学者把生态学定义为“研究生物或生物群体与其环境的关系，或生活着的生物与其环境之间相互联系的科学”。 我国著名生态学家马世骏把生态学定义为“研究生物与环境之间相互关系及其作用机理的科学”。生态学中所说的生物包含植物、动物和微生物。最近，由于人类环境问题和环境科学的发展，生态学也扩展到人类生活和社会形态等方面，把人类这一生物种也列入生态系统中，来研究并阐明整个生物圈内生态系统的相互关系问题。

1.1 生态学

定义：研究生物与环境之间相互关系及其作用机理的科学。

生态学中所说的生物包含植物、动物和微生物。最近，由于人类环境问题和环境科学的发展，生态学也扩展到人类生活和社会形态等方面，把人类这一生物种也列入生态系统中，来研究并阐明整个生物圈内生态系统的相互关系问题。

发展：生态学原是一门研究生物与其生活环境相互关系的科学，是生物学的重要分科之一。初期主要研究植物，后来逐渐涉及动物和人类。目前，随着现代科学技术的发展并向生态学的不断渗透，赋予它新的内容和动力，使其成为多学科、较活跃的科学领域之一。

1.2 种群

❖ 定义

种群是在一定时空中同种个体的组合。即种群是在特定的时间和一定的空间中生活和繁殖的同种个体组成的群体。

种群是物种存在的基本单位，是生物群落的组成单位，是生态系统研究的基础。

❖ 种群的特征

自然种群有空间、数量和遗传三方面的特征。

❖ 种群密度基本参数

初级种群参数：出生率、死亡率、迁入、迁出

次级种群参数：年龄结构、性别结构

❖ 种群的增长 理想：J形指数增长；实际：S形逻辑斯谛式

1.3 群落

❖ 定义

生物群落是指在一定时间内，居住在一定区域或生境内的各种生物种群相互联系、相互影响的有规律的结构单元。

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依据关注对象分：植物群落、动物群落、微生物群落

❖ 群落成员的地位

重要值或优势度：大的种群－优势种，小的种群－附属种。

❖ 群落的结构

垂直结构、水平结构、季相变化

❖ 群落的形成和演替

群落形成：在相对平衡的条件中，若干种群在一定环境中传播、定居、竞争、稳定的过程。

群落演替：一个群落被另一个群落取代的过程。

1.4 生态系统

1.4.1 定义

在一定时空内，由生命系统（动物、植物和微生物）和环境系统组成的一个整体。

该整体是由各成员借助能量流动、物质循环、信息传递而相互联系、相互影响、相互依存所形成的具有自组织和自调节能量的有一定大小结构的复合体。

生态系统定义有四点基本含义：

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① 生态系统是客观存在的实体；

② 由生物成分和非生物成分组成；

③ 以生物为主体；

④ 各成员间有机地组织在一起，具有统一的整体功能。

1.4.2 生态系统组成

生态系统物质循环和能量循环过程，有四种基本成分：

非生物环境、生产者、消费者、分解者（生命系统）

非生物环境

❖ 非生物环境包括：碳、氮、氧等物质条件和光能、化学能等能量条件。

❖ 无生命物质：指生态系统中的各种无生命的无机物、有机物和各种自然因素（如土壤、空气、水等）。

生产者

❖ 主要是绿色植物，凡能进行光合作用制造有机物的植物种类；

❖ 单细胞藻类；

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❖ 化能自养型微生物：能利用化学能把无机物转化为有机物的微生物。

消费者

❖ 主要是动物

一级消费者：如草食性动物

二级消费者：如肉食动物

分解者

指各种具有分解能力的微生物，也包括一些微型动物，如鞭毛虫，土壤线虫等。

生态系统各部分之间的物质和能量

1.4.3 生态系统功能

➢ 能量流动

 定义：生态系统中，环境与生物之间、生物与生物之间的能量传递和转化过程，称为生态系统的能量流动。

 生态系统中能量流动和转换服从热力学第一定律和热力学第二定律。

热力学第一定律：在一个封闭系统中，能量和物质是不能产生或消灭的。即能量和物质不能凭空产生也不能凭空消亡 。（能量守恒）

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热力学第二定律：“熵在增加”。根据这一定律，从一种能向另一种能的任何转换都不是完全有效的，能的消费是不可逆的过程。（单向流动）

生态系统中能量流动符合“十分之一定律”，两级之间能量传递规模大致为十分之一。

能量流动通过食物链和食物网。

食物链：以食物营养关系为中心的链索。牧食食物链；腐食食物链；寄生食物链。

食物网：多条食物链相互交织、相互联结成网状结构。

食物网

1——桧树

2——草本植物

3——节肢动物

4——兔

5——啮齿动物

6——肉食动物

➢ 物质循环

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 定义：生态系统中，物质循环指营养物质被生物从环境中摄取，并可被其他生物依次利用，然后复归环境被重复利用。

① 气相循环：以大气圈、水圈为主要贮存库，在贮存中以气相存在的物质循环；如氧、二氧化碳、水、氮循环。

② 沉积循环：以岩石土壤圈为主要贮存库，在贮存库中极少以气相存在的物质循环；如P、S、Ca、K、Na等循环。

碳循环

氮循环

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水循环

污染物的生物地球化学循环

❖ 生物积累：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：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化学物质的现象。

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❖ 生物放大：指在食物链中，高营养级生物体内的化学物质浓度高于低营养级生物体内的化学物质的现象。

➢ 信息联系

 在生态系统的各组成部分之间及各组分内部，伴随着能量和物质的传递与流动还同时存在着各种信息的联系，而这些信息把生态系统联成一个统一的整体，起着推动物质流动、能量传递的作用。

 信息在生态系统中表现为多种形式：物理信息、化学信息、行为信息、营养信息。

*北极狐和北极兔

据科学家们观察，生活在北极地区的北极狐是以北极兔为食的。北极狐一胎可以怀单胎，也可以怀双胎。而这是取决于北极兔的多少。北极兔的数量多，怀双胎；数量少则怀单胎。这对于维持生态系统的平衡是至关重要的。难道是北极兔告诉北极狐自己的数量吗？显然不可能，这只能是生态系统中某些类似物理、化学等信息在起作用。

第二节 生态平衡

2.1 生态平衡的概念

➢ 定义：

在特定时间内，物质和能量的输入和输出接近相等或各自几乎恒定，生态系统处于一种以自控来对抗外来干扰而结构相对稳定的状态。

➢ 生态平衡包括三个方面：

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① 输入和输出能量和物质的平衡

② 系统结构平衡

③ 系统功能的平衡

生态系统相互依存

非洲的毛里求斯，曾有两种特有的生物，一种是渡渡鸟，另一种是大颅榄树。渡渡鸟是一种不会飞的鸟，它身体大，行动迟缓，样子有点丑陋。由于没有天敌，它们在树林里建窝孵蛋，繁殖后代。大颅榄树是一种珍贵的树木，树干挺拔，木质坚硬，树冠秀美。渡渡鸟在其间生活。

十六七世纪，带着来福和猎犬的欧洲人来到毛里求斯。不会飞、跑不快的渡渡鸟被打狗咬，鸟飞蛋打，没有多少年越来越少。1681年，最后一只渡渡鸟也被人类杀死了！奇怪的事情发生了，自从渡渡鸟灭绝以后，大颅榄树也日渐稀少，似乎患上了不育症。到20世纪80年代，毛里求斯只剩下13株大颅榄树了，眼看这种树木就要从地球上消失了

1981年，美国生态学家坦普尔来到毛里求斯，他细心地测定了大颅榄树的年轮，发现树龄正好是300年，也就是说，渡渡鸟灭绝之日，也正是大颅榄树绝育之时。他终于在找到的一个渡渡鸟遗骸中发现了秘密：在渡渡鸟的遗骸中发现了几颗大颅榄树的种子，原来渡渡鸟喜欢吃这种树木的果实。他把大颅榄树的种子给与渡渡鸟比较相似的吐绶鸟吃下后，从粪便中排出种子的外壳被消化了一层，种在苗圃后，终于发出了新芽。

2.2 生态平衡的特点

➢ 从与环境的关系看，生态平衡是运动的。

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➢ 从生态系统的整体考察，一定时间内，承载系统物流和能流的各要素均保持稳定的结构、形态，系统整体外观也保持稳定。

➢ 从生态系统的局部考察，个要素处于不断变化中。

2.3 生态平衡破坏的原因

➢ 破坏生态平衡的自然原因

主要有地质、气候灾难、病毒、草害、虫害、兽害。

➢ 破坏生态平衡的人为作用

a. 破坏环境

b. 污染环境

自然因素的破坏

人为因素的破坏

*人类对生态系统的影响达到极限

1、过去一个世纪来，地球上有一半的湿地消失。

2、毁林造田使得地球森林覆盖率下降了20％－50％。

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3、地球上有9％的树种濒临灭绝。

4、地球上70％的海洋鱼类面临滥捕滥捞的威胁，有些已处于生存极限状态。

5、近半个世纪来，全球有2／3的农业用地发生水土流失现象。

6、由于拦河造坝或修建其它水利设施，使全球60％的大型河流系统遭到破坏、水流速度减缓，河流源头与其入海口之间的落差增加了2倍。

2.4 改善生态平衡的主要对策

❖ 森林方面的对策

❖ 草原方面的对策

❖ 水域方面的对策

❖ 农田方面的对策

第三节 生态学在环境保护中的应用

3.1 环境质量的生物监测与评价

3.1.1 生物监测

❖ 定义：利用生命系统各方面的反应作“仪器”监测环境质量状况及其变化。

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❖ 指示生物：对环境条件和环境物质的改变能快速产生明显反应的生物

❖ 其优点：连续、灵敏、多功能；缺点：不稳定、不确定、难定量。

❖ 该法分类：野外生态监测、室内生物测试。

❖ 具体方法：

种群法、群落或生态系统法、一般毒性试验、致突变毒性试验

3.1.2 生物评价

3.2 环境污染的生物净化与治理

❖ 生物净化：污染物在自然生态系统中的减少、消解过程，俗称生态系统的自净。

❖ 生物治理：指人工控制的主要利用生物减少、消解污染物的过程，亦称污染物消除的生态工程。

❖ 环保工作者要保护生物净化，加强生物治理。

3.3 病虫害的生态防治

第四节 生物多样性减少与保护

4.1 生物多样性概念及其含义

➢ 定义：地球上所有的生物、植物和微生物所构成的综合体。

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➢ 生物多样性包含三层含义：

① 生态系统多样性

生态复合系统的多样化和健康状态

生态系统多样性的含义指生态系统内的群落由不同的种类组成，它们 在生态系统中执行的功能不同，因而在生态过程中的作用是多样的。

生态系统也是多样的，如森林生态系统，湿地生态系统，农田生态系统，海洋生态系统，草地生态系统等。

② 物种多样性

❖ 物种是生物进化的单元。物种多样性对于生态系统的稳定具有重要作用。

❖ 单一物种大规模人工培养非常容易造成病虫害大规模爆发。而在未受人类干扰的原始生态条件下，生态系统具有良好的食物链结构，病虫害是很少发生的。

③ 遗传多样性

❖ 基因是物种遗传信息的单位，它决定种内的变异，并遗传给下一 代，所以基因多样性又称遗传多样性。

❖ 例如，玉米籽粒的颜色、田螺的花纹、狗的不同体态等，世界上找不到完成相同的两个个体，这一切指的就是基因多样性。基因多样性是指在同一个物种内部的基因变异性。

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4.2 生物多样性的价值与物种消失的危害

❖ 1. 生物多样性为人类提供食物

❖ 2. 生物多样性为人类提供工业原料

❖ 3. 生物多样性为人类提供药物

❖ 4. 野生生物是培育新品种的基础

❖ 5. 生物多样性具有科学价值

❖ 6. 生物多样性有助于保持生态系统的稳定性

❖ 7. 生物多样性具有美学价值

4.3 生物多样性的保护

❖ 1. 加强立法

❖ 2. 摸清现状

❖ 3. 加强宣传教育

❖ 4. 建立植物园和养殖场迁地保护

❖ 5. 建立自然保护区

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❖ 6. 离体保护

❖ 7. 放归野化

第二章 本章重点

❖ 掌握：

定义：生态系统、物质循环、生物积累、生物放大、生态平衡、生物监测、指示生物、生物多样性。

❖ 理解：

改善生态平衡的主要策略，生物净化和生物治理的含义。

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