第一章-地球環(huán)境與生態(tài)系統(tǒng)

1、第一章 地球環(huán)境與生態(tài)系統(tǒng),本章內(nèi)容是環(huán)境保護與可持續(xù)發(fā)展 的基礎(chǔ)內(nèi)容，從環(huán)境來看，雖然我 們所講的環(huán)境是針對人類的生存圈 而言的，主要是地球表層，但就整 個宇宙來看，環(huán)境是一個同心圈層結(jié)構(gòu)。本章采取由遠及近的方法介紹地球環(huán)境，先分析其宇宙環(huán)境，著重介紹地球這個宇宙中既普通有特殊的天體在星際空間的位置和特性，然后進入地球內(nèi)部，了解其圈層構(gòu)造，分析其物質(zhì)組成、結(jié)構(gòu)特點、運動或變化特性，進而了解地球環(huán)境的涵義、特性和分類。 本章重點：地球環(huán)境的圈層構(gòu)造和特性。,學(xué) 習(xí) 指 導(dǎo),第一節(jié) 地球環(huán)境的圈層結(jié)構(gòu)與人類關(guān)系,一、宇宙和天體,宇宙的科學(xué)定義：,宇宙,是由各種形態(tài)的物質(zhì)構(gòu)成的,宇宙是無比廣闊的空

2、間、物質(zhì)世界 的整體?！吧舷滤姆皆挥?，往來古 今曰宙” “宇之表無 極，宙之端無窮”,是在不斷運動和發(fā)展變化的,宇宙的特性： 無邊無際， 無窮無盡。 宇宙的認識過程： 由表及里， 返璞歸真。,天體 ：宇宙中各種形體和星際物質(zhì)的總稱，主要的天體有星云、恒星、行星、衛(wèi)星、彗星、流星體。,恒 星,有星光閃爍的恒星 有繞恒星運動的行星 有圓缺多變的月亮 有輪廓模糊的星云 有一閃即逝的流星 有拖著長尾的彗星 有星際物質(zhì)氣體和塵埃 有形式各異、大小不一的 人造天體,自然天體,哈雷彗星,“哈雷彗星”是第一顆經(jīng)推算預(yù)言必將重新出現(xiàn)而得到證 實的著名的大彗星。它的公轉(zhuǎn)周期為76年。最近的一 次回歸是1986年。

3、,天體系統(tǒng)：,天體系統(tǒng),外層空間,總星系,河外星系,銀河系,其它恒星,太陽系,其他行星,地月系,月球,地球,二、太陽和太陽系 太陽：半徑約為70104km，是地球半徑的109倍，體積是地球的130萬倍。太陽質(zhì)量為1.9891027t，相當于地球的3.33104倍。光球表面溫度為5500左右，太陽中心溫度不低于1500萬。它每秒放出來的能量為9.41025卡，到達地球上的只占總量的1/22億，太陽常數(shù)為8.16J/(cm2.min)。 位置：位于距銀河系中心約27000光年、距邊緣23000光年的地方。 大?。褐睆较喈斢诘厍蛑睆降?09倍，表面積約為地球的12000倍，體積約為地球的130104

4、倍，質(zhì)量相當于地球的33.3104倍。 太陽系：8大行星，50個衛(wèi)星和至少50萬個小行星，還有少數(shù)彗星。,太陽系八大行星概況,2006年8月24日晚上9點，世界天文聯(lián)合會在捷克首都布拉格（東1區(qū)）通過決議：冥王星被淘汰，太陽系只有八個行星。,三、地球在宇宙中的位置及優(yōu)越條件 太陽系位于銀河系赤道平面上，距銀心2.4萬光年，距銀盤邊緣6.4萬光年。 從地球到太陽的平均距離為14，960104km（稱為一個天文單位）。 地球距太陽距離適中，得到的熱量適宜，溫度適中（15）；質(zhì)量適中，外殼堅硬，地心引力可吸引大氣和水；低層大氣以氮和氧氣為主，高層有臭氧，能吸收絕大部分太陽紫外輻射，使地球上的生物不致

5、遭到傷害。 因此，地球上有生命孕育的條件。,四 、 地球的圈層構(gòu)造,地殼,地幔,地核,內(nèi)圈,外圈,大氣圈,水 圈,生物圈,地球表層,地理 環(huán)境,地球的圈層構(gòu)造圖,地球表層系統(tǒng)的結(jié)構(gòu),地幔,地殼,軟流層,外核,內(nèi)核,圈層的劃分,地殼,地幔,上地幔,下地幔,地核,外核,內(nèi)核,莫霍界面,古登堡界面,33,2900,1、由巖石組成的固體外殼 2、厚度不均，大洋部分薄，大陸部分厚,上地幔上部存在一個軟流層，這里可能為巖漿的主要源地,溫度、壓力和密度 很大,一、內(nèi)部圈層 1 地殼：大陸地殼平均厚度 約35公里，雙層結(jié)構(gòu)（硅鋁層和 硅鎂層）；海洋地殼5-8公里，單層結(jié)構(gòu)（主要為硅鎂層）。 2 地幔：上下兩層

6、，上地幔上部的60-250公里間有軟流層，下地幔含鐵鎳物質(zhì)。 3 地核：2900至地心，主要為鐵鎳等物質(zhì)。,二、外部圈層 1 大氣圈：主要由氮、氧、氬等氣體組成，氮氣和氧氣約占整個大氣總體積的99%以上，加上氬氣，三者約占99.96%。根據(jù)大氣溫度垂直變化特征，將大氣圈分為對流層、平流層、中間層、熱成層和逸散層。 2 水圈：全球的水量約為14億km3，其中海洋占了地球全部水量的97，它們是水圈的主體，其余的3則為陸地上的淡水，河流、湖泊、水庫、池塘、沼澤、冰川、地下水等都是水圈的組成部分。 3 生物圈：主要由生命物質(zhì)、生物生成性物質(zhì)和生物惰性物質(zhì)三部分組成。 4 土壤圈。,一、地球表面的基本特

7、征 1.太陽輻射集中分布于地表，太陽能的 轉(zhuǎn)化亦主要在地表進行。 2.固態(tài)，液態(tài)，氣態(tài)物質(zhì)同時并存于地 表，使海洋表面成為液氣界面，海底成為液 固界面，陸地表面成為氣固界面，而沿岸地帶 成為三相界面。 3.地球表面具有其特有的，由其本身發(fā)展形成的物質(zhì)和現(xiàn)象，如生物，風(fēng)化殼，土壤層等。 4.相互滲透的地表各圈層之間，進行著復(fù)雜的物質(zhì)，能量交換和循環(huán)，并且在交換和循環(huán)中伴隨著信息的傳輸。 5.地球表面存在著復(fù)雜的內(nèi)部分異。 6.地球表面是人類社會發(fā)生，發(fā)展的環(huán)境，盡管隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人類已有可能潛入深海或上升至宇宙空間，但地表仍然是人類活動的基本場所。,二、地球環(huán)境的組成及特性 地球環(huán)境：人類

8、賴以生存的周圍一切事物的總和； 按性質(zhì)可分為自然環(huán)境和社會環(huán)境。 自然環(huán)境主要由自然要素所構(gòu)成的環(huán)境，如大氣環(huán) 境、生物環(huán)境、土壤環(huán)境、水環(huán)境、海洋環(huán)境等； 根據(jù)環(huán)境特征又分為原生環(huán)境和次生環(huán)境。 社會經(jīng)濟環(huán)境主要是指各種社會經(jīng)濟生活要素所構(gòu)成的環(huán)境，又叫人工環(huán)境。按要素可分為物理社會環(huán)境、生物社會環(huán)境、心理社會環(huán)境；按功能可分為聚落環(huán)境、工業(yè)環(huán)境、農(nóng)業(yè)環(huán)境、文化環(huán)境、醫(yī)療休養(yǎng)環(huán)境。,地球環(huán)境的特性： 整體性：地理環(huán)境的各個要素、各個過程相互聯(lián)系，相互影響，共同改造地球面貌，特別是人類活動，已成為引起地球環(huán)境變化的主要因素。 地球環(huán)境的獨特性：有水、有大氣、有保護層、由生長的土壤，剛性的外殼，

9、是一個靠綠色生命來捕獲、轉(zhuǎn)移和儲存太陽輻射能，靠生命活動來驅(qū)動地球表層的物質(zhì)元素循環(huán)，靠生命過程來調(diào)控并保持其遠離天體物理學(xué)平衡的開放系統(tǒng)。 蓋婭（Gaia)假說或蓋婭理論 ：不是地球上“優(yōu)越”的環(huán)境條件創(chuàng)造了生命，而是生命活動創(chuàng)造了今天的地球環(huán)境。,第二節(jié) 生態(tài)系統(tǒng),定義：生態(tài)學(xué)一詞最早是由德國生物學(xué)家黑格爾于1869年提出的。他把生態(tài)學(xué)定義為“自然界的經(jīng)濟學(xué)”。其英文詞首和經(jīng)濟學(xué)是相同的，均來自于希臘文，表示家庭居處或環(huán)境的意思，可見，生態(tài)學(xué)與經(jīng)濟學(xué)、家庭、環(huán)境等有著密切的關(guān)系。后來有的學(xué)者把生態(tài)學(xué)定義為“研究生物或生物群體與其環(huán)境的關(guān)系，或生活著的生物與其環(huán)境之間相互聯(lián)系的科學(xué)”。,我國

10、著名生態(tài)學(xué)家馬世駿把生態(tài)學(xué)定義為“研究生物與環(huán)境之間相互關(guān)系及其作用機理的科學(xué)”。生態(tài)學(xué)中所說的生物包含植物、動物和微生物。最近，由于人類環(huán)境問題和環(huán)境科學(xué)的發(fā)展，生態(tài)學(xué)也擴展到人類生活和社會形態(tài)等方面，把人類這一生物種也列入生態(tài)系統(tǒng)中，來研究并闡明整個生物圈內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)的相互關(guān)系問題。,生態(tài)學(xué)的發(fā)展,生態(tài)學(xué)原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)的重要分科之一。初期主要研究植物，后來逐漸涉及動物和人類。目前，隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展并向生態(tài)學(xué)的不斷滲透，賦予它新的內(nèi)容和動力，使其成為多學(xué)科、較活躍的科學(xué)領(lǐng)域之一。,生態(tài)系統(tǒng)的概念,生物自從在地球上出現(xiàn)以來就與自然環(huán)境有著密不可分的關(guān)系

11、，長期以來形成了相互依存、相互制約的關(guān)系。地球上的生物十分龐雜，其中包括動物2000萬種以上，植物30多萬種，微生物10多萬種。這些生物通過新陳代謝不斷與環(huán)境進行著物質(zhì)的交換、能量的傳遞和信息的交流，從而引起環(huán)境與生物自身的變化。生物在長期的進化中對環(huán)境具有依附性和適應(yīng)性，但生物也不是被動的適應(yīng)環(huán)境，生物也具有其本身獨特的遺傳特性。生物受到環(huán)境的影響，反過來又作用于環(huán)境。,一個生物物種在一定的范圍內(nèi)所有個體的總和稱為生物種群（Population）。 在一定自然區(qū)域的環(huán)境條件下，許多不同種的生物相互依存，構(gòu)成了有著密切關(guān)系的群體，稱為生物群落（Community）。 隨著環(huán)境條件的千差萬別，地

12、球上出現(xiàn)了各種各樣的生物群落（森林、草原、荒漠等等）。而特定的生物群落又維持了相應(yīng)的環(huán)境條件。一旦生物群落發(fā)生變化，也會影響到環(huán)境條件的變化。因此，人們把生物群落與其周圍非生物環(huán)境的綜合體，稱為生態(tài)系統(tǒng)（Ecosystem），也即生命系統(tǒng)和環(huán)境系統(tǒng)在特定空間的組合。,非洲熱帶草原的群象（種群）,斑馬種群,獅子種群,捕食與被捕食（群落）,點圖片播放,森林生態(tài)系統(tǒng),海洋生態(tài)系統(tǒng),點圖片播放,海洋生態(tài)系統(tǒng),在生態(tài)系統(tǒng)中，各種生物彼此間以及生物與非生物的環(huán)境因素之間互相作用，關(guān)系密切，而且不斷進行著物質(zhì)的交換、能量的傳遞和信息的交流。目前，人類所生活的生物圈內(nèi)有無數(shù)大小不等的生態(tài)系統(tǒng)。,一個簡化了的陸

13、地生態(tài)系統(tǒng),生態(tài)系統(tǒng)的組成,生態(tài)系統(tǒng)是由四個部分組成的見下圖,生產(chǎn)者,消費者,分解者,無生命物質(zhì),能量,物質(zhì),熱量,生產(chǎn)者：主要是綠色植物，凡能進行光合作用制造有機物的植物種類，包括單細胞藻類，均屬于生產(chǎn)者。還有一些能利用化學(xué)能把無機物轉(zhuǎn)化為有機物的化能自養(yǎng)型微生物，也應(yīng)列入生產(chǎn)者之列。,湖泊中的藻類,消費者：主要是動物，又分為一級消費者（如草食性動物）；二級消費者（如肉食動物）；等等。,人處于消費者中的最高級別,分解者：指各種具有分解能力的微生物，也包括一些微型動物，如鞭毛蟲，土壤線蟲等。,微生物（真菌）橙蓋傘分解者,無生命物質(zhì)：指生態(tài)系統(tǒng)中的各種無生命的無機物、有機物和各種自然因素（如土壤

14、、空氣、水等）。,巖石,礦物,土壤,空氣,水體,P生產(chǎn)者； C1初級消費者； C23二、三級消費者； Cn四級消費者； D分解者,太陽,生產(chǎn)者,一級消費者,二級消費者,簡化的陸地生態(tài)系統(tǒng),簡化的池塘生態(tài)系統(tǒng),一級消費者（浮游生物）,二級消費者,三級消費者,生產(chǎn)者（浮游植物）,分解者（微生物）,分解者,生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu),1、生態(tài)系統(tǒng)的形態(tài)結(jié)構(gòu)：生態(tài)系統(tǒng)的生物種類，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（發(fā)育、季相）等構(gòu)成了生態(tài)系統(tǒng)的形態(tài)結(jié)構(gòu)。如：在森林生態(tài)系統(tǒng)中，有各種喬木、灌木和草本植物，有各種動物和復(fù)雜的微生物種群。它們各自的數(shù)量、空間的分布和種的時間的變化就構(gòu)成了森林生態(tài)

15、系統(tǒng)特有的形態(tài)結(jié)構(gòu)。,種群數(shù)量,生物的空間配置：苔蘚地衣,生物的空間配置：草本,生物的空間配置：灌叢,生物的空間配置：喬木,生態(tài)系統(tǒng)中種的時間變化,發(fā)育：2003年10月生長情況,發(fā)育：2004年5月生長情況,發(fā)育：2004年8月生長情況,發(fā)育：2005年5月生長情況,發(fā)育：虎,發(fā)育：虎,發(fā)育：北極狐,發(fā)育：北極狐,生物的季相,生物的季相,生物的季相,生物的季相,2、生態(tài)系統(tǒng)的營養(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，構(gòu)成了生態(tài)系統(tǒng)的營養(yǎng)結(jié)構(gòu)。它是生態(tài)系統(tǒng)中能量流動和物質(zhì)循環(huán)的基礎(chǔ)。,生態(tài)系統(tǒng)中，由食物關(guān)系把多種生物聯(lián)接起來，一種生物以另一種生物為食，另一種生物再以第三種生物為食，彼

16、此形成一個以食物聯(lián)接起來的鏈鎖關(guān)系，稱為食物鏈。比如：老鼠以農(nóng)作物為食，而鼬鼠又以老鼠為食，這就構(gòu)成了一個最簡單的食物鏈。再如：碎屑-蘑菇-昆蟲-蛙-蛇-鷹就構(gòu)一個較為復(fù)雜的食物鏈。,按照生物間的相互關(guān)系，一般可把食物鏈分為：,捕食性食物鏈，即由一些以其他動物為食的動物構(gòu)成的食物鏈。例如由狐貍和野兔構(gòu)成的食物鏈。,碎食性食物鏈，是由一些食碎屑生物構(gòu)成的。諸如禿鷲、蚯蚓、千足蟲、白蟻、蟻和甲蟲等。,寄生性食物鏈，是由一些寄生性生物構(gòu)成的。它們是與其“捕獲物”建立起一種緊密地聯(lián)系，長期地以“捕獲物”為生。比如：動物腸內(nèi)的絳蟲、寄生在動物體外的蜱、虱或七鰓鰻以及一些植物如菟絲子、槲寄生等。,腐生性食

17、物鏈，由腐生性生物構(gòu)成。如水晶蘭、真菌等。,在一個生態(tài)系統(tǒng)中，食物關(guān)系往往復(fù)雜，各種食物鏈相互交錯，形成所謂食物網(wǎng)。能量的流動，物質(zhì)的遷移和轉(zhuǎn)化，就是通過食物鏈或食物網(wǎng)進行的。見下圖,1檜樹； 2草本植物； 3節(jié)肢動物； 4兔； 5嚙齒動物； 6肉食動物,食物網(wǎng),生態(tài)系統(tǒng)的功能,生態(tài)系統(tǒng)中能量流動、物質(zhì)循環(huán)和信息聯(lián)系構(gòu)成了生態(tài)系統(tǒng)的基本功能。,1、生態(tài)系統(tǒng)中的能量流動,生態(tài)系統(tǒng)中全部生命活動所需要的能量均來自太陽。太陽能在生態(tài)系統(tǒng)中的流動是按熱力學(xué)定律進行的。熱力學(xué)第一、二定律決定了能量流動的規(guī)律。,環(huán)境卡片能量流動的1/10規(guī)律 在生態(tài)系統(tǒng)中，能量從植物體內(nèi)轉(zhuǎn)移至草食動物體內(nèi)時大約為總能量的

18、1/10，而再轉(zhuǎn)移到肉食動物體內(nèi)時，為草食動物能量的1/10左右。一般說來，能量沿著綠色植物草食動物一級肉食動物二級肉食動物逐級流動，而后者所獲得的能量大體等于前者所含能量的1/10，這就是說，在能量流動過程中，約有9/10的損失掉了。,2、生態(tài)系統(tǒng)中的物質(zhì)循環(huán),生態(tài)系統(tǒng)中的一切生物（動物、植物、微生物）和非生物的環(huán)境，都是由運動著的物質(zhì)構(gòu)成的。并在地球長期的演化過程中建立起來了各種循環(huán)體系。其中碳、氫、氧、氮、硫、磷等的循環(huán)是生態(tài)系統(tǒng)基本的物質(zhì)循環(huán)。錳、鋅、銅、鉬、鈷、鈣、鎂、鉀等微量元素，也在生態(tài)系統(tǒng)中的構(gòu)成了各自的循環(huán)。而與人類環(huán)境關(guān)系比較密切的主要有水、碳、氮、三大循環(huán)。,水循環(huán),碳循

19、環(huán),氮循環(huán),3、生態(tài)系統(tǒng)中的信息聯(lián)系,在生態(tài)系統(tǒng)的各組成部分之間及各組分內(nèi)部，伴隨著能量和物質(zhì)的傳遞與流動還同時存在著各種信息的聯(lián)系，而這些信息把生態(tài)系統(tǒng)聯(lián)成一個統(tǒng)一的整體，起著推動物質(zhì)流動、能量傳遞的作用。信息在生態(tài)系統(tǒng)中表現(xiàn)為多種形式，主要有營養(yǎng)信息、化學(xué)信息、物理信息、遺傳信息和行為信息。,環(huán)境專欄北極狐和北極兔 據(jù)科學(xué)家們觀察，生活在北極地區(qū)的北極狐是以北極兔為食的。北極狐一胎可以懷單胎，也可以懷雙胎。而這是取決于北極兔的多少。北極兔的數(shù)量多，懷雙胎；數(shù)量少則懷單胎。這對于維持生態(tài)系統(tǒng)的平衡是至關(guān)重要的。難道是北極兔告訴北極狐自己的數(shù)量嗎？顯然不可能，這只能是生態(tài)系統(tǒng)中某些類似物理、化

20、學(xué)等信息在起作用。,北極狐,北極兔,生態(tài)平衡的概念,如果某生態(tài)系統(tǒng)各組成成分在較長時間內(nèi)保持相對協(xié)調(diào)，物質(zhì)和能量的輸出接近相等，結(jié)構(gòu)與功能長期處于穩(wěn)定狀態(tài)，在外來干擾下，能通過自我調(diào)節(jié)恢復(fù)到最初的穩(wěn)定狀態(tài)，則這種狀態(tài)可稱為生態(tài)平衡。生態(tài)平衡包括三個方面：即結(jié)構(gòu)上的平衡、功能上的平衡以及輸入和輸出物質(zhì)數(shù)量上的平衡。生態(tài)平衡是相對的平衡、動態(tài)的平衡。,生態(tài)系統(tǒng)的動態(tài)變化,生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定取決于平衡的相互關(guān)系,生態(tài)系統(tǒng)的演替,一些生態(tài)系統(tǒng)，依靠自身的發(fā)展和活動的本性，一方面消滅某些物種，另一方面又允許別的物種侵入，以此來改變它們的環(huán)境。因而，在占領(lǐng)這個地區(qū)的各種生物中，存在著一種漸近的變化。最后，一個

21、生態(tài)系統(tǒng)可能被另一個生態(tài)系統(tǒng)全部代替。生態(tài)系統(tǒng)中的這種變化過程就叫做演替。,1、原生演替,如果這個地域先前沒有生物占領(lǐng)，那么，一個生態(tài)系統(tǒng)被另一個生態(tài)系統(tǒng)所代替的過程就稱為原生演替。,裸露的巖石表面被生物逐步侵入，最后變成了森林生態(tài)系統(tǒng)就是一個典型的范例。,原生演替,2、次生演替,開始于次生裸地或原生蕪原（不存在植被，但在土壤或基質(zhì)中保留有植物繁殖體的裸露地段）上的演替。比如，當一個地區(qū)被開墾，后又被廢棄時，這個地區(qū)在開墾前的優(yōu)勢生態(tài)系統(tǒng)，將經(jīng)過一系列明顯的階段而得到恢復(fù)。由于這是重建原來就已經(jīng)有的生態(tài)系統(tǒng)，所以把這個過程叫做次生演替。,次生演替,原生態(tài),山區(qū)高速公路生態(tài)恢復(fù)研究,生態(tài)破壞,生態(tài)恢復(fù),3、頂極生態(tài)系統(tǒng),這是演替到最后階段的一種生態(tài)系統(tǒng)。全部已有的物種繼續(xù)彼此按比例繁殖，并不再發(fā)生變化的平衡狀態(tài)稱為頂極。這個系統(tǒng)也就叫做頂極生態(tài)系統(tǒng)。頂極生態(tài)系統(tǒng)的類型依這個地區(qū)占優(yōu)勢的非生物因素的不同而異。在炎熱的干旱地區(qū)，頂極是熱帶荒漠生態(tài)系統(tǒng)；在炎熱的