第3章 生态学基础 1-3节

第三章 生态学基础第一节 生态系统 一、什么是生态系统 二、生态系统结构的成分 三、生态系统分类 四、生态系统的结构第二节 生态系统的功能 一、能量流动 二、物质循环和转移 三、信息交换第三节 生态系统的平衡与演替 一、生态系统平衡 二、生态系统的演替 三、影响生态系统平衡的因素 四、通过自然选择适应第四节 生态学在环保中的应用 一、生态学基本规律及在环境法 中的运用 二、城市生态学与城市生态控制 三、循环经济与生态经济© Luo Ji, WHU 2005生态学的概念„ 生态学的定义：生态学是研究生物及环境间相互关系的科学 ¾ 生态学（ecology）一词，源于希腊文oikos，其意为“住所”或“栖息地”； 我国李顺卿先生（1935）曾建议译为环象学， 日本译为生态学，后经武汉大学张挺教授介绍到我国 ¾ 作为一个学科名词，是德国科学家E. Haeckel于1866年在所 著《普通生物形态学》一书首先提出来的 ¾ E. Haeckel认为，生态学是研究生物在其生活过程中与环境 的关系，尤指动物有机体与其他动、植物之间的互惠或敌对 关系 ¾ 此后，由于研究背景和对象的不同，不同的学者对生态学提 出了不同的定义；20世纪50年代后，生态学进入生态系统时 期，研究范围越来越广 ƒ 由于研究对象的复杂性，生态学已经发展成为一个学科体系© Luo Ji, WHU 2005第一节 生态系统一、生态系统的概念 „ 生态系统（ecosystem）是在一定空间中共同栖居着的所有生物（即生物群落）与其环境之间不断地进行物质 循环和能量流动过程而形成的统一整体。

¾ 生物群落与它的无机环境构成 ¾ 不断地物质循环和能量流动过程 ¾ 是一个系统 „ 主要强调一定地域中各种生物相互之间、它们与环境之 间功能上的统一性 „ 学者应用生态系统概念时，对其范围和大小并没有严格 的限制，其范围和边界一般是随研究问题的特征而定© Luo Ji, WHU 2005二、生态系统结构的成分„ 生命成分 ¾ 生产者 ¾ 消费者 ¾ 分解者（分解者和还原者）© Luo Ji, WHU 2005„ 非生命成分 ¾ 太阳辐射能 ¾ 无机物质 营养分 主要是维持生命的N、C、O2、H2O等元素及化合物，需 30~40种无机元素，大多是第4周期以上 的元素 ¾ 有机物质 蛋白质、碳水化合物、脂 肪、腐殖质等（无生命的有机物质） ¾ 气候和其他物理条件© Luo Ji, WHU 2005生 态 系 统 的 组 成 图 示© Luo Ji, WHU 2005三、生态系统分类类型生态系统陆地生态系统水域生态系统森林生 草原生 农田生 海洋生态 淡水生 态系统 态系统 态系统 系统 态系统湿润或 分布 较湿润地区干旱地 区人工建 立占地球表 面积71%河流、 湖泊、 池塘、© Luo Ji, WHU 2005自然生态系统与人工生态系统ƒ 自然生态系统：存在与自然界，不受人 类活动的任何重大影响的生态系统。

ƒ 人工生态系统：由人类支配或控制的生 态系统。

ƒ 农业生态系统：在人类控制或试图控制 让什么物种生长或不让什么物种生长的 范围内是人工的。

例如：作物与杂草、 害虫的控制。

(半自然生态系统/半人工生 态系统/人工生态系统)© Luo Ji, WHU 2005四、生态系统的结构„ 形态结构 „ 营养结构 z 食物链、食物网 ¾ 食物链（网）的经济作用 ¾ 富集作用 ¾ 迁移作用© Luo Ji, WHU 2005第二节 生态系统的功能一、能量流动1．能量来源：太阳太阳被生物利用，是通过绿色植物的光合作用实现的。

2817.8kJ6CO2+6H2O—————→C6H12O6+6O2 光合作用色素在合成有机物的同时太阳能也转变成化学能，贮存在有机物 中。

绿色植物体内贮存的能量，通过食物链，在传递营养物质 的同时依次传递给食草动物和食肉动物。

动植物的残体被分解 时，又把能量传给分解者。

此外，生产者、消费者和分解者的 呼吸作用都会消耗一部分能量，消耗的能量被释放到环境中去© Luo Ji, WHU 2005„ 能量流动规律 ¾ 热力学定律：能量守恒及转化（第一定律）：吸收=储存+消耗 ¾ 转变的方向（第二定律）；过程是单向的，能自动从高到低 „ 生态效率 ¾ 初级生产 ¾ 次级生产 ¾ 10%规律与能量金字塔© Luo Ji, WHU 2005二、物质循环和转移„ 生态系统在进行能量流动的同时，发 生了物质循环和转移„ 规律：物质守恒与转化规律 „ 就生态系统和生物圈总体来说，有3种物质循环是重要的 ¾ 水循环 ¾ 碳循环 ¾ 氮循环© Luo Ji, WHU 2005水循环¾ 在太阳能和地球表面热能的作用下，地球上的水不断 被蒸发成为水蒸气，进入大气。

水蒸气遇冷又凝聚成 水，在重力的作用下，以降水的形式落到地面，这个 周而复始的过程，称为水循环© Luo Ji, WHU 2005„ 碳循环z 碳是一切生物体中最基本的成分，有机体干重的45%以 上是碳。

z 据估计，全球碳贮存量约为26×1015t，但绝大部分以碳 酸盐的形式禁锢在岩石圈中，其次是贮存在化石燃料 中。

生物可直接利用的碳是水圈和大气圈中以二氧化碳 形式存在的碳，二氧化碳或存在于大气中或溶解于水 中，所有生命的碳源均是二氧化碳。

z 碳的主要循环形式是从大气的二氧化碳蓄库开始，经过 生产者的光合作用，把碳固定，生成糖类，然后经过消 费者和分解者，通过呼吸和残体腐败分解后，再回到大 气蓄库中。

碳被固定后始终与能流密切结合在一起，生 态系统生产力的高低也是以单位面积中碳来衡量。

© Luo Ji, WHU 2005图 碳 循 环© Luo Ji, WHU 2005„ 氮循环z 氮是组成蛋白质的必需元素，存在于生物体、大气和矿物之中。

在生物圈层中，活 动库内的氮存在两种形式：无机氮（硝酸和亚硝酸）和有机氮（氨基酸和含氮有机化合物）z 大气中氮占大气组成的78％，但N2是一种惰性气 体，不能直接被大多数生物所利 用。

大气中的氮进入生物有机体内主要有四种途径：¾ 生物固氮。

豆科植物和其它少数高等植物能通过 根瘤菌固定大气中的氮，供给植物吸收。

¾ 工业固氮。

人为通过工业手段，将大气中的N2合 成NH3或NH4+，即合成氮肥 供植物利用¾ 岩浆固氮。

火山喷发时，喷射出的岩浆可以固定 一部分氮¾ 大气固氮。

通过雷雨天发生的闪电现象，形成电 离作用，可使N2转化成硝酸盐并经雨水带进土壤© Luo Ji, WHU 2005ƒ 土壤中的NH3和NH4+经硝化细菌的硝化作用，形成亚硝 酸或硝酸盐，被植物利用，在植物体内再与复杂的含碳 分子结合成各种氨基酸，构成蛋白质。

所以，氮是生物 体内 蛋白质、核酸等的主要成分。

ƒ 动物直接或间接以植物为食，从植物体中摄取蛋白质， 作 为自己蛋白质组成的来源。

动物在新陈代谢过程中， 将一部分蛋白质分解，形成氨、尿 素、尿酸等排人土 壤。

ƒ 动植物遗体在土壤微生物作用下，分解成NH3、CO2、 H2O，其中 NH3也进入土壤。

土壤中的NH3形成硝酸 盐，一部分重新被植物所利用，另一部分在反 硝化细菌 作用下，分解成游离氮进入大气，完成了氮的循环。

© Luo Ji, WHU 2005三、信息交换ƒ 信息：音信，消息。

信息论中指用符号传递的报道 ƒ 生态系统区别于一般物理系统的一个显著特征是其内部有连续的信息积累。

一个生态系统不只是一个 进行着物质能量交换的物理实体，更是一个有着自 我调节、自我学习、自我组织功能的信息集合体 ƒ 控制论的创始人维纳（Wiener N . ）指出：信息是 联系，信息系统是外在世界的缩影。

信息是人们在 适应外部世界，并且使这种适应为外部世界所受到 的过程中，同外部世界进行交换的内容的名称 ƒ 信息的本质是系统各组分之间的联系 ƒ 信息的特点 ƒ 信息的种类© Luo Ji, WHU 2005第三节 生态系统的平衡与演替一、生态系统平衡 „ 生态平衡的概念：生态系统发展到一定阶段；它的生产者、消费者和分解者之间能较长时间 地保持着一种动态平衡。

即是它的能量流动和 物质循环能较长时间地保持着一种动态平衡， 这种动态平衡状态就叫生态平衡。

„ 生态系统是由繁殖中的种群之间的动态相互作 用组成，在一定时期内和相对稳定的条件下， 系统中各部分的结构和功能处于相对适应与协 调的动态平衡中© Luo Ji, WHU 2005„ 一个生态系统达到平衡状态时，具有以下的特 征：¾ 能量流动和物质循环较长时间保持平衡状态。

（输入和输出相等）¾ 生物种类和数量保持相对稳定。

平衡的生态系 统，各个种群的数量保持相对不变。

一个物种不 能繁殖出它足以征服和消灭其他物种的数目。

¾ 平衡是一种动态平衡（处于动态变化之中）。

即 它的各项指标，如生产量、生物的种类和数量， 都不是固定在某一水平，而是在某个范围内来回 变化。

© Luo Ji, WHU 2005„ 生态平衡是一种动态平衡，这同时也表明生态系统 具有自我调节和维持平衡状态的能力„ 生态系统的平衡是相对的。

生态系统一直在变化和 调整。

平衡的相对程度是决定变化速度的关键因 素。

一个平衡较好的系统变化很慢，或许非常微 小；一个不平衡的系统，变化相对较快一些，不平 衡的程度越大，变化的速度就越大。

¾ 当生态系统的某个要素出现功能异常时，其产生的 影响就会被系统作出的调节所抵消¾ 生态系统的能量流和物质循环以多种渠道进行着， 如果某一渠道受阻，其他渠道就会发挥补偿作用¾ 对污染物的入侵，生态系统表现出一定的自净能 力，也是系统调节的结果© Luo Ji, WHU 2005„ 生态系统的自动调节能力的大小决定于其结构¾ 结构越复杂，能量流和物质循环的途径越多，其调 节能力，或者抵抗外力影响的能力，就越强,，生态平衡越易维持。

¾ 反之，结构越简单，自动调节能力越小，生态系统 维持平衡的能力就越弱。

„ 一个平衡较好的系统变化很慢，或许非常微小；一个 不平衡的系统，变化相对较快一些，不平衡的程度越 大，变化的速度就越大。