《环境学导论》电子教案 3.docx
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《环境学导论》电子教案3
《环境学导论》电子教案
教学内容（讲稿）
备注
（包括：
教学手段、时间分配、临时更改等）
第三章生态学基础
第一节生态学概述
导言：
由于生态学的许多基本原理可以应用于环境科学中，用来研究和解决人类生活与环境问题，因而有必要学习生态学的基本理论。
一、生态学及其发展
1、生态学
Ø是一门研究生物与其生活环境相互关系的科学，是生物学的主要分支之一。
Ø如果把生物看成是一个生命系统，环境看成是一个环境系统，又可以说，生态学就是研究生命系统和环境系统之间相互作用的规律和机理的一门学科。
2、生态学的发展
（1）研究对象：
植物动物人类，形成了人类生态学。
（2）与基础科学和应用科学相结合，发展了生态学，扩大了生态学的领域。
如：
数学生态学、系统生态学、经济生态学等。
二、生态系统的概念、组成与作用
1、生态系统的概念
（1）有关概念
种群（Population）：
一个生物物种在一定范围内所有个体的总和。
群落（Community）：
在一定的自然区域中许多不同种的生物的总和。
生态系统（Ecosystem）任何一个生物群落与其周围非生物环境的综合体。
按现代生态学观点，生态系统就是生命系统和环境系统在特定空间的组合。
Ø地球上最大的生态系统是生物圈，它包括地球上的全部生物及其无机环境（非生物环境）。
Ø在生物圈这个最大的生态系统中，还可以分出很多个生态系统，例如：
一片森林、一块草地、一个池塘、一块农田、一座城市等，都可以个自成为一个生态系统。
Ø生态系统（ecosystem）是英国生态学家Tansley于1935年首先提上来的，
Ø指在一定的空间内,生物成分和非生物成分通过物质循环和能量流动相互作用、相互依存而构成的一个生态学功能单位。
Ø它把生物及其非生物环境看成是互相影响、彼此依存的统一整体。
对生态系统这一概念的理解
⏹今天，人们对生态系统这一概念的理解是：
生态系统是在一定的空间和时间范围内，在各种生物之间以及生物群落与其无机环境之间，通过能量流动和物质循环而相互作用的一个统一整体。
⏹例如：
为了生存和繁衍，每一种生物都要从周围的环境中吸取空气、水分、阳光、热量和营养物质；生物生长、繁育和活动过程中又不断向周围的环境释放和排泄各种物质，死亡后的残体也复归环境。
2、生态系统的组成和作用
（1）生态系统的组成
生态系统包括四个主要的组成成分:
即非生物环境、生产者、消费者和分解者。
非生物环境包括：
气候因子 无机物质 有机物质，如蛋白质、碳水化合物、脂类和腐殖质等。
生产者（producers）主要指绿色植物，也包括蓝绿藻和一些光合细菌，是能利用简单的无机物质制造食物的自养生物。
在生态系统中起主导作用。
消费者（consumers）异养生物，主要指以其他生物为食的各种动物，包括草食动物、肉食动物、杂食动物和寄生动物等。
分解者（decomposers）异养生物，主要是细菌和真菌，也包括某些原生动物和蚯蚓、白蚁、秃鹫等大型腐食性动物。
它们分解动植物的残体、粪便和各种复杂的有机化合物，吸收某些分解产物，最终能将有机物分解为简单的无机物，而这些无机物参与物质循环后可被自养生物重新利用,使物质流动在大自然中形成循环。
在这四大角色的作用下，整个生态系统始终发生着物质和能量的循环与交流。
⏹例如，绿色植物利用微生物活动从土壤中释放出来的氮、磷、钾等营养元素；
⏹食草动物以绿色植物为食物；
⏹肉食性动物又以食草动物为食物；
⏹各种动植物的残体则既是昆虫等小动物的食物，又是微生物的营养来源；
⏹微生物活动的结果又释放出植物生长所需要的营养物质；
⏹经过长期的自然演化，每个区域的生物和环境之间、生物与生物之间，都形成了一种相对稳定的结构，具有相应的功能，这就是人们常说的生态系统。
（2）生态系统的作用
由生物成分（生物群落）和非生物成分（自然环境）组成，生物成分由生产者、消费者和分解者组成，其主要作用分别是：
生产者主要指绿色植物，也包括蓝绿藻和一些光合细菌，是能利用简单的无机物质制造食物的自养生物。
在生态系统中起主导作用。
消费者即异养生物，主要指各种动物，包括草食动物、肉食动物、杂食动物和寄生动物等。
如草食动物和肉食动物。
它们依赖食用植物或动物而生长、繁衍。
它们直接或间接地将生产者产生的有机物利用而生长、繁衍，把自己的粪便和尸体排向大自然；
分解者异养生物，主要是细菌和真菌，也包括某些原生动物和蚯蚓、白蚁、秃鹫等大型腐食性动物。
Ø它们分解动植物的残体、粪便和各种复杂的有机化合物；
Ø吸收某些分解产物；
Ø最终能将有机物分解为简单的无机物，而这些无机物参与物质循环后可被自养生物重新利用,使物质流动在大自然中形成循环。
非生物成分指生态系统中的各种无生命的无机物、有机物和各种自然因素（如土壤、空气、水等）。
在生产者、消费者、分解者及非生物成分这四大角色的作用下，整个生态系统始终发生着物质和能量的循环与交流。
（3）生态系统的类型
按生态系统的环境性质和形态特征分：
（a）陆地生态系统：
自然生态系统（森林生态系统、草原生态系统、荒漠生态系统等）和人工生态系统（农田、城市、工矿区等）；
（b）淡水生态系统：
包括湖泊、河流、水库等；
（c）海洋生态系统：
包括海岸、河口、浅海、大洋、海底等。
▲森林生态系统是自然生态系统，分布在湿润或较湿润的地区，其主要特点是动物种类繁多，群落的结构复杂，种群的密度和群落的结构能够长期处于较稳定的状态。
★森林的作用 森林不仅能够为人内提供大量的木材和多种林副业产品，而且在维持生物圈的稳定、改善生态环境等方面起着重量的作用。
例如，森林植物通过光合作用，每天都消耗大量的二氧化碳，释放出大量的氧，这对于维持大气中二氧化碳和氧含量的平衡就有重要意义。
又如，在降雨时，乔木层、灌木层和草本植物层都能够截留一部分雨水，大大减缓雨水对地面的冲刷，最大限度地减少地表径流。
枯枝落叶层就像一层厚厚的海绵，能够大量地吸收和贮存雨水。
因此，森林在涵养水源、保持水土方面而起着重要作用，有“绿色水库”之称。
▲农田生态系统是人工建立的生态系统，其主要特点是人的作用非常关键，人们种植的各种农作物是这一生态系统的主要成员。
农田中的动物种类较少，群落的机构单一。
人们必须不断地从事播种、施肥、灌溉、除草和治虫活动，才能够使农田生态系统朝着对人有益的方向发展。
因此，可以说农田生态系统是在一定程度上受人工控制的生态系统。
一旦人的作用消失，农田生态系统就会很快退化，占据优势的作物就会被杂草和其他植物所取代。
（4）生态系统的特征
生物自从在地球上出现以来就与自然环境有着密不可分的关系，长期以来形成了相互依存、相互制约的关系。
地球上的生物十分庞杂，其中包括动物2000万种以上，植物30多万种，微生物10多万种。
Ø这些生物通过新陈代谢不断与环境进行着物质的交换、能量的传递和信息的交流，从而引起环境与生物自身的变化。
Ø生物在长期的进化中对环境具有依附性和适应性，但生物也不是被动的适应环境，生物也具有其本身独特的遗传特性。
生物受到环境的影响，反过来又作用于环境。
（5）生态系统的结构
Ø构成生态系统的各组成部分，各种生物的种类、数量和空间配置，在一定时期内均处于相对稳定的状态，使生态系统能够各自保持一个相对稳定的结构。
Ø主要有形态结构和营养结构。
①形态结构
生态系统的生物种类，种群数量、种的空间配置（水平分布、垂直分布）、种的时间变化（发育、季相）等构成了生态系统的形态结构。
如：
在森林生态系统中，有各种乔木、灌木和草本植物，有各种动物和复杂的微生物种群。
它们各自的数量、空间的分布和种的时间的变化就构成了森林生态系统特有的形态结构。
②营养结构
生态系统各组成部分之间建立起来的营养关系，构成了生态系统的营养结构。
它是生态系统中能量流动和物质循环的基础。
营养结构是以营养为纽带，把生物和非生物紧密结合起来的功能单位，构成以生产者、消费者和分解者为中心的三大功能类群，它们与环境之间发生密切的物质循环和能量流动。
（6）食物链及营养级
生物圈中的各种生物基于生产者和各级消费者之间的营养关系，构成了生态系统中的食物链。
食物链：
就是一种生物以另一种生物为食，彼此形成一个以食物连接起来的链锁关系。
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。
食物网：
在一个生态系统中，食物关系往往很复杂，各种食物链互相交错，形成食物网。
能量的流动、物质的迁移和转化都是通过食物链和食物网进行的。
生物富集作用
例如，DDT在某水生食物链中的富集：
DDT在水中、浮游生物体中、小鱼体内、大鱼体内、鱼鹰体内浓度增大了1000万倍。
2、生态系统的功能
生态系统中能量流动、物质循环和信息联系构成了生态系统的基本功能。
（1）能量流动
（a）太阳辐射的电磁波情况；
（b）太阳辐射及地球吸收太阳能的情况；
来自太阳的能量只有一半左右（47%）能够到达地表，其余的34%反射、散射到空间，19%被大气所吸收。
生态系统中全部生命活动所需要的能量均来自太阳。
太阳能在生态系统中的流动是按热力学定律进行的。
能量流动的实现途径：
Ø光合作用和有机成分的输入；
Ø呼吸的热消耗和有机物的输出。
环境卡片——能量流动的1/10规律
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。
能量流动方向：
Ø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；
Ø而后者所获得的能量大体等于前者所含能量的1/10，即在能量流动过程中，约有9/10的损失掉了。
（2）物质循环
包括水循环、碳循环、氮循环、磷循环等。
生态系统中的一切生物（动物、植物、微生物）和非生物的环境，都是由运动着的物质构成的。
并在地球长期的演化过程中建立起来了各种循环体系。
其中，碳、氢、氧、氮、硫、磷等的循环是生态系统基本的物质循环。
锰、锌、铜、钼、钴、钙、镁、钾等微量元素，也在生态系统中的构成了各自的循环。
而与人类环境关系比较密切的主要有水、碳、氮、三大循环。
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。
Ø如：
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。
Ø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。
Ø北极兔的数量多，怀双胎；数量少则怀单胎。
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。
三、生态平衡
1、生态平衡的概念
如果某生态系统各组成成分在较长时间内保持相对协调，物质和能量的输出接近相等，结构与功能长期处于稳定状态，在外来干扰下，能通过自我调节恢复到最初的稳定状态，则这种状态可称为生态平衡。
生态平衡包括三个方面：
•结构上的平衡;
•功能上的平衡;
•输入和输出物质数量上的平衡。
2、生态平衡的特点
Ø生态平衡是相对的、动态的平衡。
Ø在系统各组分之间、生物与环境之间不断的物质、能量与信息的流动，使得生态系统中旧的平衡不断打破，新的平衡不断建立。
只有这样，地球才会由一片死寂变得生机盎然。
Ø绝对的平衡则意味着没有发展和变化。
但这种变化如果太快，则系统各组分之间不可能有一个相对稳定的相互关系，会产生一系列严重的问题，生物不能适应这种变化则导致物种的大量灭绝。
3、生态系统的动态变化
生态系统的稳定取决于平衡的相互关系。
4、生态平衡的原因
生态平衡内部具有自动调节的能力。
生态系统的组成成分越多样，能量流动和物质循环的途径越复杂，其调节能力也越强。
生态系统的调节能力有一定限度的。
超出了限度，调节就不再起作用，生态平衡就会遭到破坏。
生态平衡内部具有自动调节的能力。
生态系统的组成成分越多样，能量流动和物质循环的途径越复杂，其调节能力也越强。
生态系统的调节能力有一定限度的。
超出了限度，调节就不再起作用，生态平衡就会遭到破坏。
5、破坏生态平衡的因素
破坏生态平衡的因素包括自然因素和人为因素。
（1）自然因素
主要是指自然界发生的异常变化或自然界本来就存在的对人类和生物的有害因素。
如火山爆发、山崩海啸、水旱灾害、地震、台风、流行病等自然灾害。
（2）人为因素
主要指人类对自然资源的不合理利用、工农业发展带来的环境污染等。
主要有三种：
物种变化引起平衡的破坏；
环境因素改变引起平衡破坏；
信息系统的破坏，引起平衡破坏。
人类对生态系统的影响
1、过去一个世纪来，地球上有一半的湿地消失。
2、毁林造田使得地球森林覆盖率下降了20％－50％。
3、地球上有9％的树种濒临灭绝。
4、地球上70％的海洋鱼类面临滥捕滥捞的威胁，有些已处于生存极限状态。
5、近半个世纪来，全球有2／3的农业用地发生水土流失现象。
6、由于拦河造坝或修建其它水利设施，使全球60％的大型河流系统遭到破坏、水流速度减缓，河流源头与其入海口之间的落差增加了2倍。
四、生物多样性
1、生物多样性定义
指的是地球上生物圈中所有的动物、植物和微生物，以及它们所拥有的基因和生存环境。
2、生物多样性的内容
（1）基因多样性（也叫遗传多样性）；
（2）物种多样性；
（3）生态环境多样性。
3、生物多样性的意义
（1）是大自然造就的基因资源库
生物多样性具有很高的价值，最为宝贵的是：
它是大自然造就的基因资源库。
每一个物种都有一套自己独特的基因，这是物种在漫长的进化过程中既顺应了自然，又保留下了自己物种特性的基因组合，极为珍贵，而且不可再生。
在这方面，人类的知识几乎为零。
（2）是一座巨大的、可再生的资源宝库
对于人类的使用价值来说，许多植物成分是人类治疗疾病所离不开的药物成分。
人类在日常生活中使用的各类纤维、油脂、芳香油、去污剂、胶和建筑材料等，就能来自大自然中多种不同的生物资源。
所以说，充满了生物多样性的地方是一座巨大的、可再生的资源宝库。
在地球的陆地生态系统中，生物多样性最为丰富的区域是热带雨林。
那里生活着世界上50%的物种。
但由于森林砍伐、滥捕乱猎和环境污染，全世界的物种在以每天几十种的速度消失。
这是地球资源的巨大损失。
因为一个物种灭绝之后，永不再生，而消失的物种还会通过生物链引起其它物种的消失。
所以，保护生物多样性是当今保护地球环境的重大课题之一。
五、生态学的一般规律
1、相互依存与相互制约规律
——反映了生物间的协调关系
（1）普遍的依存和制约——“物物相关”规律。
就是系统中各种生物间相互依存、相互制约关系是普遍存在的；
（2）通过“食物”而相互联系与制约——“相生相克”规律
就是每一种生物在食物链和食物网中，都占据一定的位置，并具有特定的作用。
2、物质循环转化与再生规律
注意：
要防止有毒物质进入环境、生态系统，以免有毒物质经多次循环后富集到危害人类的程度。
3、物质输入输出的动态平衡规律
防止输入不足（如施肥不足）、输入过多（如富营养化、重金属）。
4、相互适应与补偿的协同进化规律
生物与环境之间存在着作用与反作用的过程，如地衣的生长。
见P45
5、环境资源的有效极限规律
生物赖以生存的环境资源在质量、数量、空间和时间等方面都有一定的限度，因而不能过度放牧、捕鱼、狩猎、超标排放污染物等。
第二节生态学在环境保护中的应用
一、利用生态系统的整体观念，全面考察人类活动对环境的影响。
Ø人类活动对环境的影响要从时间和空间上全盘考虑，统筹兼顾，不仅要考虑现在，还要考虑将来；
Ø不仅要考虑本地区，还有考虑有关的其它地区。
（建设项目必须进行环境影响评价）
二、充分利用生态系统的调节能力。
如大气污染物的高烟囱排放、水体自净、土地处理系统（污水灌溉）等。
三、解决近代城市中的环境问题。
1、编制生态规划（环境规划）
是指在编制国家或地区的发展规划时，不是单纯考虑经济因素，还有考虑地球物理因素、生态因素和社会因素。
（各类规划必须进行环境影响评价）
2、进行城市生态系统的研究
利用生态学原则和系统论的方法来研究，即把城市作为特殊的人工环境系统来研究。
四、综合利用资源和能源
1、生态工艺（无污染工艺）
输入的物质和能量获得最大限度的利用，资源和能源的浪费最少，且废弃物完全能被自然界分解、吸收或利用。
2、生态农场
五、在环境保护其他方面的应用
1、阐明污染物质在环境中的迁移转化规律（食物链）；
2、环境质量和生物监测和生物评价
（1）利用植物对大气污染进行监测和评价（如菠菜监测二氧化硫等）；
（2）利用水生生物监测和评价水体污染。
3、为环境标准的制定提供依据；
4、人工生态系统及其在污染防治研究中的应用
如曝气池中指示生物：
⏹水处理中发挥作用的微生物主要有：
细菌、古菌、真菌、藻类、原生动物和后生动物等。
⏹原生动物多属好氧微生物，其中的鞭毛纲、肉足纲、纤毛纲在废水处理中起着重要作用；
⏹原生动物主要以细菌为食，其种属和数量随处理出水的水质而变化，可作为指示生物。
⏹如：
柄纤毛虫占优时，表示处理系统运转正常；
鞭毛虫、肉足虫大量出现时，表示处理系统可能出现异常。
⏹废水处理中常见后生动物有：
轮虫、线虫、甲壳虫；后生动物以原生动物为食；
⏹也可作为指示生物，如：
轮虫常出现在较清洁的水中，可以判断处理效果；
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