城市生态学基础理论

三、生态系统的发展
生态演替（ecological succession）
一些生态系统，依靠自身的发展和活动的本性，一方 面消灭某些物种，另一方面又允许别的物种侵入，以此来 改变它们的环境。因而，在占领这个地区的各种生物中， 存在着一种渐近的变化。最后，一个生态系统可能被另一 个生态系统全部代替。生态系统中的这种变化过程就叫做 演替。
北极狐 北极兔
生态系统的平衡与稳定
在任何一个正常的生态系统中，能量流动 和物质循环总是不断地进行着，但在一定的时 期内，生产者、消费者和分解者之间都保持着 一种相对的平衡状态，这种平衡是动态的平衡， 不是静止的平衡。系统内部的因素和外界因素 的变化，尤其是人为的因素，都可能对系统产 生影响，并引起系统的改变，甚至破坏系统的 平衡。
热力学第二定律告诉我们：“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。在能量的转换过程中，总有 一些能量失掉了。因此，如果没有新的能量 从外部投入，一个封闭系统最终会耗尽其能 量。因为生命需要能量，能量耗尽了，生命 也就停止了。当然，地球并不是封闭系统， 地球从太阳得到能量。
2780 2200
185 220 1815 1633 182 61 121
百分率 100 -55.8 44.2 -3.7 -4.4 36.1 -32.5 3.6 -1.2 2.4
各种生态系统类型总生产力（Pn）的估算
生态系统类型 沙漠 海洋 大陆架 草地 冷气侯森林 一般的森林 农业 湿地 沼泽 珊瑚礁 热带农业
寄生性食物链，是由一些寄生性生物构成的。它 们是与其“捕获物”建立起一种紧密地联系，长 期地以“捕获物”为生。比如：动物肠内的绦虫、 寄生在动物体外的蜱、虱或七鳃鳗以及一些植物 如菟丝子、槲寄生等。
腐生性食物链，是由腐生性生物构成的。如水晶 兰、真菌等。
在一个生态系统中，食物关系往往复杂，各种食物 链相互交错，形成所谓食物网。
全世界每年大约消耗磷酸盐岩石940万吨，按此速度， 全球的蕴藏量只能维持100年，磷将成为人类和陆生生 物的限制因子。
（4）水循环 水分从水面陆地蒸发，从植物蒸腾，以雨雪霜冰雹 等形式降落。一部分渗入土壤一部分流入河海。
水循环
3、生态系统中的信息联系 在生态系统的各组成部分之间及各组分内

以其他生物或有机物为食的动物，是异养生物 （heterophyte）。 初级消费者、次级消费者、三级消费者、四级 消费者。 据其食性区分为草食动物（herbivores)、 肉食 动物（carnivores）两类。
一级消费者－草食动物
二级消费者－肉食动物
寄生者（parasite）是特殊的消费者， 另外还有杂食者（omnivores ），介于 草食动物与肉食动物之间的消费者。
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，主要有营养信息、化学信息、物理信息、 遗传信息和行为信息。
环境专栏—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。
1、生态系统中的能量流动
生态系统中全部生命活动所需要的能量均来自太阳。
能量的流动和转化，服从于热力学第一定律和第二 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。 而只能以严格的当量比例，由一种 形式转变为另一种形式。
因此，人们把生物群落与其周围非生物环境的综合体，称为生态系统 （Ecosystem），也即生命系统和环境系统在特定空间的组合。
生物圈：地球上最大的生态系统。指地球上存在生命的圈层。包括大 气圈的下层（对流层）、水圈、岩石圈的上层
一、生态wenku.baidu.com统的组成
生产者
能量 物质 热量
消费者
无生命物质
分解者
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。
（3） 还原者（decomposers）: 主要是细菌和真菌，也包括某些原生动 物及腐食性动物，属于异养生物。
把复杂的动植物有机残体最终分解为无 机物，归还到环境中，被生产者再次利 用，又称为分解者。
一个简化了的陆地生态系统
二、生态系统的功能
生态系统中能量流动、物质循环和信息传 递构成了生态系统的基本功能。
能量的流动，物质的迁移和转化，就是通过食物链或 食物网进行的。
见上图
2、 生态系统的物质循环功能
生态系统的物质循环就是生物地球化学循环 （biogeochemical cycles）。
生物循环（biological circulation）：生命必要元素在 生态系统内进行的循环，称为闭路循环（closed cycle）。
总初级生产仅仅能利用总太阳能的3.6%，减去 呼吸作用所消耗的能量，仅有2.4%的总太阳能 用于净生产力，绝大部分太阳能不为植物利用 而被丢失。
能量输入
总太阳能
5000
植物色素不吸收
植物色素吸收
植物表面反射
非活性吸收
光合作用的有效能
能量不稳定状态
总生产力（Pg）
呼吸作用（R）
净生产力（Pn）
能量丢失
地球化学循环（geochemical circulation）：元素在生态 系统外部进行的循环，称为开路循环（open cycle）。
而这两种循环最终必将连接在一起成为生物地球化学循 环。
（1）碳循环 自然界中只有空气中的CO2，或溶解在水中的 CO2（呈各种碳酸盐状态）才能成为有机体制造 食物的碳源。
即：在生态系统中，能量从植物体内转移至草食动物体内时大约 为总能量的1/10，而再转移到肉食动物体内时，为草食动物能量 的1/10左右。一般说来，能量沿着绿色植物→草食动物→一级肉 食动物→二级肉食动物逐级流动，而后者所获得的能量大体等于 前者所含能量的1/10。
（补充）食物链
生态系统中，由食物关系把多种生物联接起来，一 种生物以另一种生物为食，另一种生物再以第三 种生物为食，……彼此形成一个以食物联接起来 的链锁关系，称为食物链。
（1）生产者（producer）： 主要绿色植物，能用简单的无机物质合成 复杂的有机物质的自养生物（autophyte）， 也包括一些光合细菌。 其作用是进行初级生产，即光合作用。太 阳能只有通过生产者，才能输入生态系统， 成为消费者和还原者唯一的能源。
（2）消费者（consumers）：
城市生态学
主讲教材 宋永昌 主编 《城市生态学》 杨小波 主编 《城市生态学》
考核方式
平时成绩（作业+出勤）30%
期末成绩
70%
第一章 生态学基础理论
第一节 生态学概念 第二节 生态系统 第三节 种群 第四节 生态系统平衡及其意义
第一节 生态学概念
概念
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。
生态学发展简史
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。
第二节 生态系统
1935年，坦斯利（A．Tansley）提出了生态系统 （ ecology system ） 的 概 念 ， 经 林 德 曼 （R．Lindeman）和奥德姆（E．P．Odum）等 的发展，生态学从生态系统的组成与结构、能量 流动与物质循环、生态因子及其作用和生态系统 平衡等方面开展研究。
初级生产就是植物光合作用过程。
6CO2+12H2O C6H12O6+6O2+6H2O 能量转变为112 kcal/mol。（见图2-3）
（2）总初级生产（gross primary production）:
植物光合作用中固定的总太阳能。
净初级生产(net primary production)，总初级 生产减去植物呼吸所消耗的能量。
生态效率：在一个营养级内，同化作用的能量和可利用
的能量之间的关系；一个食物链营养级上，有多少能量供
给下一营养级。
能量流动的“十分之一定 律” (Linderman)：
从一个营养级到另一个营养级的能量转化效率为10%， 则生产效率顺营养级逐级递减，也就是说能量流动过程 中有90%的能量是损失了，这就是营养级不超过VI级的 原因。
比如：老鼠以农作物为食，而鼬鼠又以老鼠为食， 这就构成了一个最简单的食物链。再如：碎屑-蘑 菇-昆虫-蛙-蛇-鹰就构一个较为复杂的食物链。
按照生物间的相互关系，一般可把食物链分为：
捕食性食物链，即由一些以其他动物为食的动物 构成的食物链。例如由狐狸和野兔构成的食物链。
碎食性食物链，是由一些食碎屑生物构成的。诸 如秃鹫、蚯蚓、千足虫、白蚁、蚁和甲虫等。
生态系统是由四个部分组成
（一）无生命类
（1）无机物质(inorganic matter)，如O2、 N2、CO2、H2O，Fe等。
（2）有机物质(organic matter)，如碳水化 合物、蛋白质、脂类和核酸等。
（3）各种自然因素，如土壤、空气、水等
岩石 矿物
土壤
空气
水体
（二）有生命类
生态系统：在一定时间和空间内，生物 的和非生物的成分之间，通过不断的物 质循环和能量流动而相互依存的统一整 体。
比如：森林生态系统，草原生态系统， 海洋生态系统，湿地生态系统，农田生 态系统
一个生物物种在一定的范围内所有个体的总和称为生物种群 （Population）；
在一定自然区域的环境条件下，许多不同种的生物相互依存，构成了 有着密切关系的群体，称为生物群落（Community）。 随着环境条件的千差万别，地球上出现了各种各样的生物群落 （森林、草原、荒漠等等）。而特定的生物群落又维持了相应的环境 条件。一旦生物群落发生变化，也会影响到环境条件的变化。
Pg（千卡/米2*日） 2 4 2-12
12-40
40-100
（2） 次级生产（secondary production）：除初级生产 之外的其他有机体的生产，即消费者和还原者利用初级生 产量进行同化作用（assimilation）。
消费者的次级生产仅仅利用初级生产能量的很小部分。 这样便产生了生态效率（ecology efficiency）。
1、原生演替
如果这个地域先前没有生物占领，那么， 一个生态系统被另一个生态系统所代替的过程 就称为原生演替。
生态系统的能量流动规律
几个概念：
(1)初级生产（primary production）：生态系统通过 光合作用进行能量积累的过程。 初级生产力（primary productivity）：初级生产积 累能量的速率。 生态系统的能量流动和物质循环，都以初级生产为 基础，它又是生态系统能源的基础。
（2）氮循环 地球上的氮库主要是空气，其体积的80%为分 子态的氮，氮最大的储存库是地壳的岩石圈，而 最大的交换库是土壤中的腐殖质。
碳循环
氮循环
（3）磷循环 沉积型循环, 主要储存库是地壳中的磷酸盐等沉积物, 磷通过侵蚀和开采从岩石中移出而进入生态系统。磷 不进入大气，逐渐向海洋沉积。陆地上越来越少。