现代环境科学概论第5章 环境生态学基本理论与应用.ppt
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第五章 环境生态学基本理论与应用
1. 生态学与环境生态学
从定义出发理解 生态: Ecology 源于希腊文Oikos ——‘自然界的经济学’ 生态学定义：研究生物或生物群体与其环境相互关系的科学 研究生物与其环境间相互关系及作用机理的科学（马世骏）
生命系统 动物
人 植物 微生物
环境系统 自然环境 社会环境
H2S H2S
天然侵蚀 人工开采
生物生产
——生物性产品的生产过程 ——在能量代谢、物质循环中完成 ——物质、能量的重新分配、组合形成有机物
能量在营养级流动的特点：有损失或剩余 同化中产生废物、排泄物 同化中耗能，维持生命
物质循环
——化学元素在生物圈中的物质循环过程
基本元素：C、H、O、N、S、P
大量元素：Na、Ca、Mg、K
微量元素：Cu、Zn、Mn、B
——包括生物、地质、化学系统的循环：生物地球化学循环
——物质在库间转移而流动
组成
生物组成
生产者—绿色植物 消费者—动物 分解者—微生物
微型动物
食草动物（一级消费者） 食肉动物（二级消费者）
非生物组成：环境要素
无机物 有机物 自然因素
类型
自然生态系统 按人类影响程度 半自然生态系统
人工生态系统
按要素类型
静水生态系统
淡水生态系统
水域生态系统 陆地生态系统
流水生态系统 咸水生态系统：海洋、远洋、珊瑚礁
物质循环的特点：物质重复再利用性 物质循环周期性
主要元素的循环
水循环： 动力—太阳辐射
（H、O）
蒸发 降雨
主要过程 地下水 地表水
动植物吸收 渗出
碳循环：大气、水圈、生物圈为碳循环库 大气库CO2 7×1011t 地质库CO32－ 2.7×1016 t
主要过程
呼吸 CO2 光合作用
燃烧
植物 CO32－
最优化方案
经济效益
+ 社会效益
+ 生态效益
发展趋势涵盖一切传统领域，形成许多现代观念： 生态工艺 生态城市 生态安全 生态文明 生态价值 生态哲学 生态美学
2. 生态系统
含义 马世骏：“生命系统与环境系统在特定空间的组合”
一定空间生物与周围环境的集合体 自然界基本单位，具有一定结构和功能 生物—环境相互作用、影响、制约 不断进行物质循环、能量交换 一定时间内处于动态平衡、相对稳定状态
元素在环境中的贮库：水（H、O） 大气、水体
N
大气、生物、地壳
周转时间=库量/流通率
H2O在大气库 10.5d
Si在海洋库 8000a
N在大气库 100万a
Na在海洋库 2.06×1028 a
物质循环的三级水平
个体水平—生物新陈代谢 生态系统—生产者 消费者 分解者 环境 生物圈—生物地球化学循环
பைடு நூலகம்
从研究方法理解
当代生态学——多学科交叉
定性
定量
宏观
微观
单一
综合
静态
动态
基础
应用
复合生态系统 应用生态系统
社会生态学 工业生态学 城市生态学 文化生态学 环境生态学
生物
生态 学
环境
系统工程学 工艺学 经济学 化学 物理学 数学
系统生态学 整体观（核心 ） 工业生态学 功能观 经济生态学 经济观 化学生态学 生态信息 物理生态学 数学生态学 数学模型
动物
化石燃料
分解
氮循环：
大气氮 固氮
氨 硝化作用
NO2－、NO3－ 生物合成
反硝化作用
游离氮
分解
有机氮
固氮形式
大气固氮 岩浆固氮 生物固氮 工业固氮
磷循环
磷酸盐（岩、矿） 鸟粪层
海鸟、鱼
浅海沉积 深海沉积 食物链
原生质 磷细菌
硫循环
溶解PO43－
气态循环 沉积循环 生物循环
SO2 SO42－ SO42－
种群 特定时间、空间同种个体的组合
—— 物种存在、繁殖、进化的基本单位 空间特征：种群的发展潜力—空间数量
基本特征 数量特征：种群密度 遗传特征：遗传、变异性—生物进化遗传学基础
群落 特定时间、空间不同种生物的总和
基本特征
一定的物种组成：种类、数量，群落多样性基础 物种间相互影响：竞争、捕食、互利、寄生 影响环境的功能；群落环境 一定的外貌和结构：生态结构、形态结构、营养结构 动态特征：季节、年际演替、演化 一定分布范围 边界特征
海水 DDT 3×10-12
浮游生物 小鱼
鱼
鱼鹰
人
4×10-8
5×10-7 2×10-6 2.5×10-5 3×10-5
富集107
营养级：食物链的各个环节，同样方式、获相同性质食物， 同一食性层次 —— 生态同位
典型森林生态系统营养级 ： 植物 食草动物 一级食肉动物 二级食肉动物 分解者
植物
相互关系
作用、反作用 对立、统一 相互依赖、制约 物质循环、代谢
从研究内容理解 一般生态学：以特定生物为研究对象 环境生态学：以人为主体的生态系统为研究对象 生态学的分支
植物生态学 动物生态学 按种类划分 微生物生学 人类生态学
按存在状态划分
个体生态学 种群生态学 群落生态学 生态系统
荒漠生态系统 草原生态系统 森林生态系统 稀树干草生态系统 湿地生态系统
结构 形态结构
生物种类
种群数量
骨架 — 形态结构标志
种的空间配置
种的时间变化（发育、季相）
营养结构：生态系统组成部分间营养关系
环境
生产者 分解者
消费者
食物链：生态系统中生物以食物联系建立起来的链索关系 食物网：多个食物链相互交织构成的网状结构 ——生态系统功能过程载体 食物链种类： 捕食性食物链 腐生性食物链 寄生性食物链 食物链研究意义 —组成及量的调节对保护生物资源意义大，具有经济价值 —食物链生物富集作用（重金属、有毒难降解物质）
营养级的表示
生物个体数 生物数量金字塔
生物量
生物量金字塔
能量（营养）能量金字塔
C3—1
C2—90000 C1—200000 P—1500000
（单位：个体/0.1h㎡）
每级利用率10%
4—5级（≤7级）
消费者 高位营养级 生产者 低位营养级
寄生性食物链—倒置生物量金字塔
C1—21
P—4
功能
能量流动
太阳光量子
环境
生产者 分解者
消费者
——太阳光量子以波的形式传递至绿色植物体表 ——遵循热力学第一定律：能量守恒与转换定律 ——遵循热力学第二定律：关于有限空间、时间内
一切和热运动有关的物理、化学过程具不可逆性
能量单向流动 ：集中 分散 高 低 能量传递中熵增加，熵不变能量无传递 生态系统保持稳定是由于负熵的不断输入 每一营养级都有能量损失 生态系统能量平衡保证生态系统平衡
1. 生态学与环境生态学
从定义出发理解 生态: Ecology 源于希腊文Oikos ——‘自然界的经济学’ 生态学定义：研究生物或生物群体与其环境相互关系的科学 研究生物与其环境间相互关系及作用机理的科学（马世骏）
生命系统 动物
人 植物 微生物
环境系统 自然环境 社会环境
H2S H2S
天然侵蚀 人工开采
生物生产
——生物性产品的生产过程 ——在能量代谢、物质循环中完成 ——物质、能量的重新分配、组合形成有机物
能量在营养级流动的特点：有损失或剩余 同化中产生废物、排泄物 同化中耗能，维持生命
物质循环
——化学元素在生物圈中的物质循环过程
基本元素：C、H、O、N、S、P
大量元素：Na、Ca、Mg、K
微量元素：Cu、Zn、Mn、B
——包括生物、地质、化学系统的循环：生物地球化学循环
——物质在库间转移而流动
组成
生物组成
生产者—绿色植物 消费者—动物 分解者—微生物
微型动物
食草动物（一级消费者） 食肉动物（二级消费者）
非生物组成：环境要素
无机物 有机物 自然因素
类型
自然生态系统 按人类影响程度 半自然生态系统
人工生态系统
按要素类型
静水生态系统
淡水生态系统
水域生态系统 陆地生态系统
流水生态系统 咸水生态系统：海洋、远洋、珊瑚礁
物质循环的特点：物质重复再利用性 物质循环周期性
主要元素的循环
水循环： 动力—太阳辐射
（H、O）
蒸发 降雨
主要过程 地下水 地表水
动植物吸收 渗出
碳循环：大气、水圈、生物圈为碳循环库 大气库CO2 7×1011t 地质库CO32－ 2.7×1016 t
主要过程
呼吸 CO2 光合作用
燃烧
植物 CO32－
最优化方案
经济效益
+ 社会效益
+ 生态效益
发展趋势涵盖一切传统领域，形成许多现代观念： 生态工艺 生态城市 生态安全 生态文明 生态价值 生态哲学 生态美学
2. 生态系统
含义 马世骏：“生命系统与环境系统在特定空间的组合”
一定空间生物与周围环境的集合体 自然界基本单位，具有一定结构和功能 生物—环境相互作用、影响、制约 不断进行物质循环、能量交换 一定时间内处于动态平衡、相对稳定状态
元素在环境中的贮库：水（H、O） 大气、水体
N
大气、生物、地壳
周转时间=库量/流通率
H2O在大气库 10.5d
Si在海洋库 8000a
N在大气库 100万a
Na在海洋库 2.06×1028 a
物质循环的三级水平
个体水平—生物新陈代谢 生态系统—生产者 消费者 分解者 环境 生物圈—生物地球化学循环
பைடு நூலகம்
从研究方法理解
当代生态学——多学科交叉
定性
定量
宏观
微观
单一
综合
静态
动态
基础
应用
复合生态系统 应用生态系统
社会生态学 工业生态学 城市生态学 文化生态学 环境生态学
生物
生态 学
环境
系统工程学 工艺学 经济学 化学 物理学 数学
系统生态学 整体观（核心 ） 工业生态学 功能观 经济生态学 经济观 化学生态学 生态信息 物理生态学 数学生态学 数学模型
动物
化石燃料
分解
氮循环：
大气氮 固氮
氨 硝化作用
NO2－、NO3－ 生物合成
反硝化作用
游离氮
分解
有机氮
固氮形式
大气固氮 岩浆固氮 生物固氮 工业固氮
磷循环
磷酸盐（岩、矿） 鸟粪层
海鸟、鱼
浅海沉积 深海沉积 食物链
原生质 磷细菌
硫循环
溶解PO43－
气态循环 沉积循环 生物循环
SO2 SO42－ SO42－
种群 特定时间、空间同种个体的组合
—— 物种存在、繁殖、进化的基本单位 空间特征：种群的发展潜力—空间数量
基本特征 数量特征：种群密度 遗传特征：遗传、变异性—生物进化遗传学基础
群落 特定时间、空间不同种生物的总和
基本特征
一定的物种组成：种类、数量，群落多样性基础 物种间相互影响：竞争、捕食、互利、寄生 影响环境的功能；群落环境 一定的外貌和结构：生态结构、形态结构、营养结构 动态特征：季节、年际演替、演化 一定分布范围 边界特征
海水 DDT 3×10-12
浮游生物 小鱼
鱼
鱼鹰
人
4×10-8
5×10-7 2×10-6 2.5×10-5 3×10-5
富集107
营养级：食物链的各个环节，同样方式、获相同性质食物， 同一食性层次 —— 生态同位
典型森林生态系统营养级 ： 植物 食草动物 一级食肉动物 二级食肉动物 分解者
植物
相互关系
作用、反作用 对立、统一 相互依赖、制约 物质循环、代谢
从研究内容理解 一般生态学：以特定生物为研究对象 环境生态学：以人为主体的生态系统为研究对象 生态学的分支
植物生态学 动物生态学 按种类划分 微生物生学 人类生态学
按存在状态划分
个体生态学 种群生态学 群落生态学 生态系统
荒漠生态系统 草原生态系统 森林生态系统 稀树干草生态系统 湿地生态系统
结构 形态结构
生物种类
种群数量
骨架 — 形态结构标志
种的空间配置
种的时间变化（发育、季相）
营养结构：生态系统组成部分间营养关系
环境
生产者 分解者
消费者
食物链：生态系统中生物以食物联系建立起来的链索关系 食物网：多个食物链相互交织构成的网状结构 ——生态系统功能过程载体 食物链种类： 捕食性食物链 腐生性食物链 寄生性食物链 食物链研究意义 —组成及量的调节对保护生物资源意义大，具有经济价值 —食物链生物富集作用（重金属、有毒难降解物质）
营养级的表示
生物个体数 生物数量金字塔
生物量
生物量金字塔
能量（营养）能量金字塔
C3—1
C2—90000 C1—200000 P—1500000
（单位：个体/0.1h㎡）
每级利用率10%
4—5级（≤7级）
消费者 高位营养级 生产者 低位营养级
寄生性食物链—倒置生物量金字塔
C1—21
P—4
功能
能量流动
太阳光量子
环境
生产者 分解者
消费者
——太阳光量子以波的形式传递至绿色植物体表 ——遵循热力学第一定律：能量守恒与转换定律 ——遵循热力学第二定律：关于有限空间、时间内
一切和热运动有关的物理、化学过程具不可逆性
能量单向流动 ：集中 分散 高 低 能量传递中熵增加，熵不变能量无传递 生态系统保持稳定是由于负熵的不断输入 每一营养级都有能量损失 生态系统能量平衡保证生态系统平衡