第三章生態(tài)學(xué)基礎(chǔ)

第三章生態(tài)學(xué)基礎(chǔ)生態(tài)學(xué)生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)平衡生態(tài)學(xué)的一般規(guī)律第一節(jié)生態(tài)學(xué)研究的基本內(nèi)容一、生態(tài)學(xué)的含義及其發(fā)展1、含義生態(tài)學(xué)是一門研究生物與其生活環(huán)境相互關(guān)系的科學(xué)，是生物學(xué)的主要分支之一。生態(tài)學(xué)就是研究生命系統(tǒng)和環(huán)境系統(tǒng)之間相互作用的規(guī)律和機理的一門學(xué)科。它以一般生物為對象，研究自然環(huán)境因素與生物的相互關(guān)系。2、生態(tài)學(xué)的發(fā)展（1）研究對象：傳統(tǒng)生態(tài)學(xué)現(xiàn)代生態(tài)學(xué)（2）與基礎(chǔ)科學(xué)和應(yīng)用科學(xué)相結(jié)合，發(fā)展了生態(tài)學(xué)，擴大了生態(tài)學(xué)的領(lǐng)域。如：數(shù)學(xué)生態(tài)學(xué)、系統(tǒng)生態(tài)學(xué)、經(jīng)濟生態(tài)學(xué)等。植物動物人類二、生態(tài)系統(tǒng)的概念與功能1、生態(tài)系統(tǒng)（1）生態(tài)系統(tǒng)的概念種群（Population）：一個生物物種在一定范圍內(nèi)所有個體的總和。群落（Community）：在一定的自然區(qū)域中許多不同種的生物的總和。生態(tài)系統(tǒng)的基本組成部分為：生產(chǎn)者、消費者、分解者和轉(zhuǎn)變者、無機營養(yǎng)分。任何一個生物群落與其周圍非生物環(huán)境的綜合體。生態(tài)系統(tǒng)（Ecosystem）：（2）生態(tài)系統(tǒng)的組成和作用生態(tài)系統(tǒng)組成的結(jié)構(gòu)框圖一個簡化了的陸地生態(tài)系統(tǒng)一個簡化了的池塘生態(tài)系統(tǒng)（3）生態(tài)系統(tǒng)的類型按生態(tài)系統(tǒng)的環(huán)境性質(zhì)和形態(tài)特征分：（a）陸地生態(tài)系統(tǒng)：自然生態(tài)系統(tǒng)（森林生態(tài)系統(tǒng)、草原生態(tài)系統(tǒng)、荒漠生態(tài)系統(tǒng)等）和人工生態(tài)系統(tǒng)（農(nóng)田、城市、工礦區(qū)等）；（b）淡水生態(tài)系統(tǒng)：包括湖泊、河流、水庫等；（c）海洋生態(tài)系統(tǒng)：包括海岸、河口、淺海、大洋、海底等。生態(tài)系統(tǒng)具有多樣性和多層次性（4）生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

構(gòu)成生態(tài)系統(tǒng)的各組成部分，各種生物的種類、數(shù)量和空間配置，在一定時期內(nèi)均處于相對穩(wěn)定的狀態(tài)，使生態(tài)系統(tǒng)能夠各自保持一個相對穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。主要有形態(tài)結(jié)構(gòu)和營養(yǎng)結(jié)構(gòu)。（a）形態(tài)結(jié)構(gòu)：生物的種類、種群數(shù)量、種的空間配置（水平分布、垂直分布）、種的時間變化。干草原或荒漠化草原上旱獺生產(chǎn)者（綠色植物）還原（分解）者（細(xì)菌、真菌）消費者（動物）環(huán)境（土壤、空氣、水）生態(tài)系統(tǒng)營養(yǎng)結(jié)構(gòu)模式圖（b）營養(yǎng)結(jié)構(gòu)：生態(tài)系統(tǒng)各組成部分之間建立起來的營養(yǎng)關(guān)系。是生態(tài)系統(tǒng)能量流動和物質(zhì)循環(huán)的基礎(chǔ)。（5）食物鏈及營養(yǎng)級（a）食物鏈和食物網(wǎng)

所謂食物鏈，就是一種生物以另一種生物為食，彼此形成一個以食物連接起來的鏈鎖關(guān)系。在一個生態(tài)系統(tǒng)中，食物關(guān)系往往很復(fù)雜，各種食物鏈互相交錯，形成食物網(wǎng)。能量的流動、物質(zhì)的遷移和轉(zhuǎn)化都是通過食物鏈和食物網(wǎng)進行的。

一個生態(tài)系統(tǒng)中根據(jù)食物鏈能量流動的起點和生物成員取食方式的差異，可分成三種：捕食食物鏈：以活體綠色植物開始草蝗蟲蛇鷹藻類甲殼類小魚大魚腐食食物鏈：以死的動植物殘體為基礎(chǔ)動植物殘體蚯蚓線蟲節(jié)肢動物海洋中的有機碎屑浮游動物魚類寄生食物鏈：以活的生物有機體為營養(yǎng)源哺乳動物跳蚤原生動物細(xì)菌病毒（b）營養(yǎng)級營養(yǎng)級：食物鏈的各個環(huán)節(jié)。生產(chǎn)者為第一營養(yǎng)級，依次是第二、第三、第四營養(yǎng)級，一般不超過七級?！绑氩断s，黃雀在后”荒漠化草原食物網(wǎng)一個簡化了的陸地食物網(wǎng)水生生物的生態(tài)系統(tǒng)及其物質(zhì)和能量的流動示意圖在數(shù)量上，第一營養(yǎng)級就必須大大超過第二營養(yǎng)級，逐漸遞減，就造成了生物數(shù)目金字塔、生物量金字塔、能量金字塔。（c）生物富集作用某些自然界不能降解的重金屬元素或其它有毒物質(zhì)，經(jīng)過食物鏈逐漸富集。DDT在某水生食物鏈中的富集2、生態(tài)系統(tǒng)中的能量流動（1）照射到地球上的太陽能量（a）太陽輻射的電磁波情況（b）太陽輻射及地球吸收太陽能的情況（2）生態(tài)系統(tǒng)中的能量流動（a）通過各級食物鏈，組成了生態(tài)系統(tǒng)的能量流動，并且服從熱力學(xué)定律。（b）能量流動的實現(xiàn)途徑：

光合作用和有機成分的輸入；呼吸的熱消耗和有機物的輸出。（c）生態(tài)系統(tǒng)熱力學(xué)公式：Pg＝Pn＋R其中：Pg為食物鏈某營養(yǎng)級的總產(chǎn)量或輸入的能量；Pn為凈產(chǎn)量；R為呼吸作用消耗的能量。（d）能量流動的特點①生產(chǎn)者即綠色植物對太陽能的利用率很低。(只有1.2％）；②能量只朝單一方向流動；③流動中能量逐漸減少，每經(jīng)過一個營養(yǎng)級都有能量以熱的形式散失掉；④各級消費者之間能量的利用率也不高，在4.5％～17％之間，平均起來約為10％；⑤能量在流動中，質(zhì)量逐漸提高。注意：營養(yǎng)級之間的能量轉(zhuǎn)化效率約為1／10，只是針對湖泊等水域生態(tài)系統(tǒng)的經(jīng)驗性法則；不同生態(tài)系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)化效率差別很大；森林約為5％、草地是25％左右，浮游生物占優(yōu)勢的群落可達(dá)50％。3、生態(tài)系統(tǒng)中的物質(zhì)循環(huán)——

生物地質(zhì)化學(xué)循環(huán)生物地球(質(zhì))化學(xué)循環(huán)可分為三種類型：水循環(huán)：生態(tài)系統(tǒng)中所有的物質(zhì)循環(huán)都是在水循環(huán)的推動下完成的。氣體型循環(huán)：其分子某些化合物常以氣體的形式參與循環(huán)過程，主要有碳、氮和氧等。循環(huán)快、全球性的沉積型循環(huán)：主要是通過巖石的風(fēng)化作用和沉積物的溶解作用，才轉(zhuǎn)變?yōu)榭衫玫臓I養(yǎng)物質(zhì)。沉積型循環(huán)的物質(zhì)有磷、硫、鈉、鈣等。循環(huán)慢，非全球性的（1）水循環(huán)水循環(huán)的動力是太陽能和重力的結(jié)合。（2）碳循環(huán)

碳是構(gòu)成生物體的主要元素，是一切

有機物的基本成分。生物所需碳主要來自二氧化碳。絕大部分碳以碳酸鹽的形式固定在巖石圈中。

有機物中的碳一部分以化石燃料的形式暫時離開循環(huán)。一般認(rèn)為，海洋從大氣中吸收的二氧化碳比釋放到大氣中的二氧化碳多，多余的轉(zhuǎn)移到大型動物體內(nèi)，沉積到海底的一部分很難降解，形成“可燃冰”暫時離開循環(huán)過程。二氧化碳增多引起的“溫室效應(yīng)”。巖石圈中的碳，通過巖石風(fēng)化、溶解作用和火山噴發(fā)作用等返回大氣圈。碳循環(huán)具有自我調(diào)節(jié)機制大氣中二氧化碳含量有明顯的日變化和年變化但其濃度基本上是恒定的。與碳循環(huán)有關(guān)的環(huán)境問題及其原因：（3）氮循環(huán)自然界中的固氮作用有三條：一是高能固氮，主要通過閃電、隕星、火山活動，形成氨或硝酸鹽后隨降水落到地表。二是生物固氮，約占地球上每年固氮量的90%。能固氮的生物可分為自生固氮和共生固氮生物。三是工業(yè)固氮。氮循環(huán)中的四種基本生物循環(huán)過程：固氮作用——無機氮轉(zhuǎn)化為被還原成氨和其他含氮化合物,

進入生態(tài)系統(tǒng)氨化作用——將有機氮分解為氨與氨的化合物硝化作用——氨化合物轉(zhuǎn)化為亞硝酸鹽和硝酸鹽反硝化作用——亞硝酸鹽轉(zhuǎn)化為大氣氮，重返大氣土壤中的硝酸鹽被淋溶，經(jīng)河流入海。海洋中的生物部分深入深海，積累下來，暫時離開循環(huán)?；鹕絿姲l(fā)出氮來補充。工業(yè)固氮量增加，使大氣中被固定的氮不能以相應(yīng)數(shù)量返回大氣，一部分形成氮氧化物進入大氣，造成大氣污染。大量的氮進入水體形成水體的富營養(yǎng)化。水中氮化合物增加對人畜健康帶來危害。與氮循環(huán)有關(guān)的環(huán)境問題：（4）磷循環(huán)（phosphoruscycle）沉積型循環(huán)沉積物中的磷（約為土壤和海洋中千倍以上）陸地海洋死有機物土壤中的無機磷活有機物死有機物深海的磷活有機物捕魚鳥糞懸浮在水中隨河水帶走排泄死亡下沉分解沉積溶解于水上升風(fēng)化開采攝取排泄死亡參與循環(huán)的物質(zhì)中很大一部分又通過沉積作用進入地殼而暫時或長期離開循環(huán)。這是一種不完全的循環(huán)，屬于這種循環(huán)方式的有磷、鉀和硫等，進入深海的磷可通過三個途徑返回陸地：被上涌流沖到陸地上來海洋變?yōu)殛懙厝斯げ稉屏籽h(huán)是不完全的循環(huán)，進入海底的磷沉積起來，重新返回的不足以補償流失的量，使陸地上的磷損失越來越大，最終會成為人和生物的限制因子。人類對磷循環(huán)影響產(chǎn)生的環(huán)境問題：磷礦資源不足水體富營養(yǎng)化4生態(tài)系統(tǒng)中的信息傳遞

生態(tài)系統(tǒng)的功能整體性除體現(xiàn)在生物生產(chǎn)過程，能量流動和物質(zhì)循環(huán)等方面外，還表現(xiàn)在系統(tǒng)中各生命成分之間存在著信息傳遞，習(xí)慣上稱為信息流(Informationflow)。生態(tài)系統(tǒng)中的信息流可分為三類化學(xué)通迅信息流機械通迅信息流輻射通迅信息流這是生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)學(xué)研究中的一個薄弱環(huán)節(jié)，同時也是一個頗具吸引力的研究領(lǐng)域，尤其是近幾年關(guān)于行為信息的研究進展更為迅速。5森林生態(tài)系統(tǒng)在環(huán)境保護中的作用涵養(yǎng)水源和保持水土防風(fēng)固沙吸煙滯塵、凈化空氣、減弱噪聲美化環(huán)境保護野生動物三、生態(tài)平衡1、生態(tài)平衡的含義（1）概念生態(tài)平衡是生態(tài)系統(tǒng)在一定時間內(nèi)結(jié)構(gòu)和功能的相對穩(wěn)定狀態(tài)，其物質(zhì)和能量的輸入輸出接近相等，信息傳遞暢通和控制自如，在外來干擾下能通過自我調(diào)節(jié)（或人為控制）恢復(fù)到原初的穩(wěn)定狀態(tài)。（2）生態(tài)平衡的原因生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部具有自動調(diào)節(jié)的能力。

美國亞利桑那州的黑尾鹿，捕食者為美洲獅和狼。1905年以前黑尾鹿種群為4000頭，1907－1918年捕打捕食者，鹿種群上升到4萬頭，1925年達(dá)到10萬頭，草場極度退化，1929年又降到4萬頭，以后降到1萬頭。

案例

19世紀(jì)末，挪威為保護雷鳥，捕獵猛禽和獸類，高密度的雷鳥卻引起了球蟲病和其它疾病的廣泛傳播，20世紀(jì)初，雷鳥一次又一次大量死亡。位夢華1940年生于山東平度，1962年考入北京地質(zhì)學(xué)院攻讀地球物理勘探專業(yè)，1967年畢業(yè)后分配到中國科學(xué)院地質(zhì)研究所，從事地震成因及地震預(yù)報的探索與研究。1981年作為訪問學(xué)者赴美進修，并于1982年10月去南極，1991年他獨闖北極。生態(tài)系統(tǒng)越成熟，它的種類組成越多，營養(yǎng)結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，穩(wěn)定性越強，對外界的壓力或沖擊的抵抗能力也越大，即閾值高；相反一個簡單的人工的生態(tài)系統(tǒng)，則閾值低。只能在一定范圍內(nèi)、一定條件下起作用，如果干擾過大，超出了生態(tài)系統(tǒng)本身的調(diào)節(jié)能力，生態(tài)平衡就會被破壞，這個臨界限度稱為生態(tài)閾限。（3）生態(tài)危機由于人類盲目活動而導(dǎo)致局部地區(qū)甚至整個生物結(jié)構(gòu)和功能的失衡，從而威脅到人類的生存。生態(tài)失衡的初期往往不易覺察。破壞生態(tài)平衡的因素（1）自然原因（2）人為因素物種改變環(huán)境因素改變信息系統(tǒng)破壞1968年進入法國的美國牛蛙，因為肉淡無味并沒有成為美食國度的盤中佳品?？墒?，那些生活在法國的小型蛙類，小蜥蜴甚至是小鳥卻成為了這種牛蛙的腹中之物。這種牛蛙身形巨大，重近2斤。繁殖能力特別強，一只美國牛蛙一年能產(chǎn)25000只卵。卻對田間湖底的有害昆蟲視如無物，至使農(nóng)作物遭受巨大打擊。2005年的8月法國南部的鄉(xiāng)村里，大批手持來福槍并安裝消音器的野生物種保護局的工作人員，就進行了一場聲勢浩大的“美國牛蛙殲滅戰(zhàn)”。人遺憾的是，美國牛蛙，至今還沒有真正離開。40年“養(yǎng)育之恩”換來“滅頂之災(zāi)”

我國的重要入侵外來種2003年1月，中國國家環(huán)?？偩趾椭袊茖W(xué)院經(jīng)過調(diào)查后宣布，將紫莖澤蘭、薇甘菊、空心蓮子草、豚草、毒麥、互花米草、飛機草、鳳尾蓮、假高梁、蔗扁蛾、濕地松粉蚧、強大小蠹、美國白蛾、非洲大蝸、福壽螺和牛蛙16種外來入侵物種列入第一批“黑名單”。入侵我國的外來物種現(xiàn)有500多種，其中大面積發(fā)生、危害嚴(yán)重的多達(dá)100余種；近10年來，新入侵的外來生物平均每年新增約2種。紫莖澤蘭廣西環(huán)江礦業(yè)活動導(dǎo)致周邊土壤酸化

2010年3月23日貴州持續(xù)的旱情使得貴陽市開陽縣的翁井水庫水位降至死水位，庫底的河蚌、田螺等水族全無生路?！半娋W(wǎng)、電磁網(wǎng)空前密集”影響野生動物賴以生存的“自然信息系統(tǒng)”。先前科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，歐洲大量蜜蜂消失，美國四分之一蜜蜂群落因“群體崩潰紊亂”消失，英國麻雀數(shù)量過去30年減少一半。有人認(rèn)為，“電子霧”是產(chǎn)生上述現(xiàn)象的“罪魁禍?zhǔn)住?，它還影響鳥類遷徙。野生動物依靠自然界電磁場定位及導(dǎo)航，但人造磁場能量更強且不斷變化，使動物迷失方向。比利時自然與森林研究所科學(xué)家先前首次實驗證實，移動電話基站影響附近麻雀繁殖。四、生態(tài)學(xué)的一般規(guī)律1、相互依存與相互制約規(guī)律

——反映了生物間的協(xié)調(diào)關(guān)系（1）普遍的依存和制約——“物物相關(guān)”規(guī)律就是系統(tǒng)中各種生物間相互依存、相互制約關(guān)系是普遍存在的；（2）通過“食物”而相互聯(lián)系與制約——“相生相克”規(guī)律就是每一種生物在食物鏈和食物網(wǎng)中，都占據(jù)一定的位