生物与环境生态学基础.pptx

本章内容1生物与环境2种群生态3生物群落4生态系统5人口、资源与生态平衡第1页/共73页基本概念1环境：某一特定生物或生物群体周围一切的总和，包括在一定空间内直接或间接影响该生物或生物群体生存的各种因素2生态系统：指在一定空间中各种生物及与其相关联的环境因子的集合，全球生态系统的总和称为生物圈!第2页/共73页现代工业文明现代工业文明人类社会的发展与环境问题的产生及演变人类社会的发展与环境问题的产生及演变人类社会的发展与环境问题的产生及演变人类社会的发展与环境问题的产生及演变人类对自人类对自然的适应然的适应生态破坏生态破坏问题问题环境污染与生环境污染与生态破坏由区域态破坏由区域性扩展为全球性扩展为全球性性人类社会发展的几个阶段农业文明农业文明原始文明原始文明第3页/共73页工业文明时代工业文明时代农业文明时代农业文明时代原始文明时代原始文明时代索取索取索取索取加工加工消费消费弃置弃置弃置弃置索取索取弃置弃置消费消费加工加工分配分配消费消费人类社会人类社会自然环境自然环境人类社会的基本生存方式人类社会的基本生存方式人类社会的基本生存方式人类社会的基本生存方式第4页/共73页环境与生态问题产生的根源环境与生态问题产生的根源环境与生态问题产生的根源环境与生态问题产生的根源1.1.经济超速增长的结果经济超速增长的结果2.2.人口的快速增长的结果人口的快速增长的结果3.3.科学技术发展的结果科学技术发展的结果4.4.人对自然贪欲的结果人对自然贪欲的结果第5页/共73页生态学的定义生态学的定义生态学的定义生态学的定义生态学的不同定义能够反应生态学不同发展阶段的研究重点。生态学的不同定义能够反应生态学不同发展阶段的研究重点。研究有机体与其周围环境（生物环境和研究有机体与其周围环境（生物环境和非生物环境）相互关系的科学。非生物环境）相互关系的科学。（HaeckelHaeckel，18661866）研究生态系统结构和功能的科学。研究生态系统结构和功能的科学。（E.OdumE.Odum，19561956）研究生命系统和环境系统相互关系的科研究生命系统和环境系统相互关系的科学。学。（马世骏）（马世骏）第6页/共73页生生物物学学与与生生态态学学研研究究对对象象的的组组织织层层次次生态学的研究对象生态学的研究对象生态学的研究对象生态学的研究对象分子生物学分子生物学生物化学生物化学细胞学细胞学生理学生理学形态学形态学遗传学遗传学发育生物学发育生物学生态学生态学进化论进化论其他其他 其他其他 微生物学微生物学 鸟类学鸟类学 兽类学兽类学 昆虫学昆虫学 寄生虫学寄生虫学l有机体：从分子到整个生物圈l环境：无机环境、生物环境、人类社会环境 第7页/共73页生态学发展简史生态学发展简史生态学发展简史生态学发展简史奠基阶段奠基阶段建立初期建立初期发展及成熟期发展及成熟期生态科学体系的兴起生态科学体系的兴起19001900年被公年被公认为生物学认为生物学的独立分支，的独立分支，2020世纪世纪2020年年代生态学研代生态学研究处于定性究处于定性描述阶段。描述阶段。2020世纪世纪3030年代，年代，开始分析生态开始分析生态现象，研究种现象，研究种群动态变化的群动态变化的以及提出生态以及提出生态系统的概念，系统的概念，生态学已经成生态学已经成为一门独立的为一门独立的学科。学科。1 61 6世 纪 文世 纪 文艺 复 兴 之艺 复 兴 之后，后，18661866年年HaeckelHaeckel给 出 了 生给 出 了 生态 学 的 定态 学 的 定义。义。2020世纪世纪6060年代后，生年代后，生态学发展进入高潮期。态学发展进入高潮期。在研究方法和研究对在研究方法和研究对象，以及和其他学科象，以及和其他学科融合上都有了较大的融合上都有了较大的发展。生态学已经发发展。生态学已经发展成为一个庞大的科展成为一个庞大的科学体系。学体系。第8页/共73页生态学的发展历史建立前期：16世纪以前建立时期和巩固时期：16世纪到20世纪50年代。1895年达尔文出版了物种起源；1895年，丹麦的Warming出版了植物分布学，1899年波恩大学的Schimper出版了植物地理学，这2部划时代的巨著全面总结了19世纪末以前的生态学成就，标志着植物生态学的诞生。1949年，Allee 与Emerson合写了动物生态学原理，是动物生态学进入成熟的标志。第9页/共73页20世纪20-50年代，动物生态学是以种群为研究重点，而植物生态学是以群落为研究重点。动物种群生态学形成了气候学派和生物学派，植物群落生态学形成了北欧学派、法瑞学派、英美学派和前苏联学派。现代生态学发展时期：1960年至今，成为举世瞩目的学科 生态学的发展历史第10页/共73页 几个生态学法则1.每一种事物都与别的事物相关2.一切事物都必然要有它的去向3.自然界所懂得的是最好的4.没有免费的午餐 每次获得都要付出一定代价第11页/共73页生态学的分支学科生态学的分支学科生态学的分支学科生态学的分支学科1.1.按照研究对象的组织层次按照研究对象的组织层次2.2.按照生物分类的划分按照生物分类的划分3.3.按照生物栖息地类型划分按照生物栖息地类型划分4.4.交叉和渗透形成的新学科交叉和渗透形成的新学科个体生态学个体生态学 种群生态学种群生态学 群落生态学群落生态学行为生态学行为生态学 进化生态学进化生态学植物生态学植物生态学微生物生态学微生物生态学动物生态学动物生态学鸟类生态学鸟类生态学鱼类生态学鱼类生态学淡水生态学淡水生态学 海洋生态学海洋生态学河口生态学河口生态学 陆地生态学陆地生态学森林生态学森林生态学草地生态学草地生态学荒漠生态学荒漠生态学数学生态学数学生态学污染生态学污染生态学经济生态学经济生态学渔业生态学渔业生态学农业生态学农业生态学城市生态学城市生态学第12页/共73页环境科学的研究内容环境科学的研究内容环境科学的研究内容环境科学的研究内容n研究人类社会经济行为引起的环境污染研究人类社会经济行为引起的环境污染和生态破坏；和生态破坏；n环境系统在人类干扰环境系统在人类干扰(侧重于环境污染侧重于环境污染)影响下的变化规律；影响下的变化规律；n确定当前环境恶化的程度及其与人类社确定当前环境恶化的程度及其与人类社会经济活动的关系；会经济活动的关系；n寻求人类社会经济发展与环境协调持续寻求人类社会经济发展与环境协调持续发展的途径和方法，以争取人类社会与发展的途径和方法，以争取人类社会与自然界的和谐。自然界的和谐。第13页/共73页环境科学的分支学科环境科学的分支学科环境科学的分支学科环境科学的分支学科环环境境科科学学环环境境学学基基础础环环境境学学应应用用环环境境学学环境社会学环境社会学环境数学环境数学环境物理学环境物理学环境化学环境化学环境生态学环境生态学环境毒理学环境毒理学环境地质学环境地质学环境控制学环境控制学环境工程学环境工程学环境经济学环境经济学环境医学环境医学环境法学环境法学环境工效学环境工效学环境污染环境污染防治工程技术及原理防治工程技术及原理环境污染综合防治技术和环境规划环境污染综合防治技术和环境规划环境系统工程环境系统工程环境水利工程环境水利工程大气污染防治工程大气污染防治工程水污染防治工程水污染防治工程固体废物治理及利用工程固体废物治理及利用工程核工业环境工程核工业环境工程噪声及热污染控制工程噪声及热污染控制工程环境声学环境声学辐射污染及其控制辐射污染及其控制热污染及其控制热污染及其控制第14页/共73页一、生物与环境环境的范围与生态学的层次生态系统是指在一定空间中各类生物以及与其相关联的环境因子的集合。在不同的生态系统中，各种生命通过一张极其复杂的食物网来获取和传递太阳的能量，同时完成物质的循环。全球生态系统的总和称为生物圈。第15页/共73页环境的范围与生态学的层次生态学的层次从个体、种群、群落、生态系统到整个生物圈逐级放大，其涉及到的环境范围也越来越广。第16页/共73页环境的范围与生态学的层次在一定环境中的一群同种生物个体称为种群。在一个特定的环境区域内生存的多种不同的种群便组成为群落。!第17页/共73页环境与生态因子对于一个生物，其周围一切客观存在都是它的环境。一个生物的环境因素按性质可分为非生物因素和生物因素两大类。生物生存不可缺少的环境条件称为生态因子，而对于生物体外部的全部环境要素则称为环境因子。第18页/共73页气候因子在各类环境和生态因子中，气候因素包括了影响生物活动和生命过程最重要的物理和化学因子。各种生物对生态因子（如温度）所能耐受的上限与下限之间的幅度称为生态幅，它反映了生物对环境因素的适应能力。第19页/共73页气候因子降雨和湿度影响着生物的生长、发育、行为和寿命。全球的气候特征主要是由太阳能的输入和地球在宇宙中的运动决定的。地球表面各处太阳光照不均衡。第20页/共73页气候因子6类气候区全球大陆不同地区的气候类型也有该地区的生物群落型（9种陆生生物群落型）。第21页/共73页环境对生物习性和行为的影响动物的许多有规律的行为就是动物适应其环境定向进化的结果。动物的许多复杂应变行为体现了物种内和物种间特殊的生态关系。第22页/共73页二、种群生态种群的结构种群密度种群的大小是指种群内个体数量的多少，单位面积或体积中个体的数量称为种群密度。研究野生动物种群结构的采样技术：野外拉样方采样标记-再捕捉方法第23页/共73页种群的结构种群分布型种群分布型是指全部个体在种群界定范围内的空间分布类型。分为：群集型平均型随机型第24页/共73页种群的结构种群的年龄结构种群的年龄结构从生态学的角度可以分成增长型、稳定型和衰退型3类。种群的性别结构和生存能力的性别差异也是种群结构的一个方面。各种生物的生存策略影响着该物种的生存和年龄分布，也反映了种群结构的重要特征。第25页/共73页种群增长特征指数增长模式在没有限制的指数增长中，增长速度（G）与个体数量（N）成正比，也就是说，个体数量越大，增长速度越快。指数增长模式只是一种理想的状态。第26页/共73页种群的指数式增长模型 自然种群只有在食物丰盛、没有拥挤现象、没有天敌等等条件下才能表现出短时间的指数式增长。如浮游植物的水华期、害虫的爆发或细菌在新培养基中的生长。赤赤潮潮水水华华第27页/共73页种群增长特征逻辑斯蒂增长模型在细菌实际增长曲线，分为三段：最初的阶段，个体数量的增长在加速；减速阶段；动态平衡。种群生长限制因子、环境限制因子。第28页/共73页种群增长的调节环境对一个物种的承受容量决定于这个物种对环境的需求和该物种繁衍的各种决定因素。正常情况下，大多数种群个体的数量基本都是稳定的，种群的数量在环境承受容量K值上下波动。种群中个体数量的变化与其天敌有直接的关系。第29页/共73页人口的结构和增长地球上每20 min，人类就增加3500个新成员。同样这20 min内，地球上便有一种动物或者植物绝灭。世界人口的指数增长曲线。第30页/共73页人口的结构和增长人口的年龄结构分析也可以帮助我们预测不同国家未来人口增长的趋势。完全家庭尺度方法、人口惯性、计划生育。第31页/共73页三、生物群落 群落的基本特征与结构占据特定空间和时间的多种生物种群的集合体和功能单位被称为群落。群落具有一定的结构、一定的种类组成和一定的种间相互关系。群落的基本特征包括生物组成的多样性、群落的外貌、优势种群、各物种的相对数量与比例、群落的稳定性等5个方面。物种数量相同、各物种相对数量不同的两种森林群落!第32页/共73页群落的基本特征与结构群落具有稳定性，也就是群落在受到一定外界因素作用后可恢复到原来的种群组成。群落稳定性取决于群落本身特性和环境的相对稳定性两个方面。对一个群落的剖析可以从物理结构和生物结构两方面进行。群落的物理结构主要体现在其垂直层次上，陆地群落的分层与光的最大程度利用有关。群落的生物结构主要是指群落内各物种之间的取食关系和各自所处的位置，这种取食关系决定了物质和能量的流动方向，也决定了群落中各物种的相对数量和比例及其变化。松树林具有较强的稳定性第33页/共73页地球上的主要群落类型 热带雨林稀树草原沙漠极地冰原灌木林温带草原温带落叶林针叶林冻原淡水生物群落海洋生物群落第34页/共73页热带雨林分布在亚洲东南部、非洲中部和西部以及南美洲和大洋洲以北赤道附近。垂直分布明显。生物种类多。包括：高大常绿乔木、灌木层、草本层、藤本植物等；灵长类、鸟类、各种昆虫等。第35页/共73页稀树草原主要分布在非洲、南美洲和大洋洲的热带季节性干旱地区。有周期性的雨季和旱季。生物种类包括：大量草本植物、有些散生矮小的小片阔叶丛林等；草食性动物和肉食性动物、鸟类、爬行动物等。第36页/共73页沙漠非洲的撒哈拉沙漠、中东的阿拉伯沙漠和中国的戈壁沙漠呈不连续的条状分布横贯非洲和亚洲大陆。年降雨量少，温差大。植被少：仙人掌、仙人球等。动物种类少：骆驼、黄羊、沙漠兔等。动植物发育了适应干旱少水的特殊机能。第37页/共73页极地冰原主要位于北极地区，终年冰雪覆盖。动物仅有北极熊、企鹅等少数以海洋动物为食物的极端耐寒性种类。第38页/共73页灌木林主要发生在中纬度靠近海岸的地区，气候特征为冬季多雨，夏季干热。致密常绿的矮生灌木为优势种群。第39页/共73页温带草原主要分布在欧亚大陆、南美洲、北美，中国黄河中游、内蒙古和东北大兴安岭以西，属于温带大陆性气候地区旱生草本植物群落。温带草原乔木很少，以草本植物为主。代表动物有羚羊、黄羊和各种鼠类等。第40页/共73页温带落叶林主要分布在北美、西欧、中欧的温带湿润海洋性气候地区，中国的华北和东北沿海地区也有分布。湿度高，四季分明，雨水集中在夏季。以阔叶乔木为主，树种多，林下分布各种灌木和阔叶草本植物。优势草食性动物是鹿，优势肉食性动物为黑熊。有多种多样的鸟类、爬行类动物和昆虫等。第41页/共73页针叶林主要由常绿的针叶树如松、杉、柏等树种所组成，大部分分布在北半球高纬度的温带到亚寒带地区。林下植被不发达，地表常被枯枝落叶所覆盖。动物种类较多，如野鸡、松鼠、鹿、狼、熊和各种鸟类；针叶林中昆虫的种类也很多。第42页/共73页冻原又被称为苔原，分布于北极圈以南环绕北冰洋的严寒地带，大约占地球陆地面积的20%。气候严寒，降雨少，冻原区的土壤终年冻结。没有树木，典型植物是地衣，偶然有很矮小的植物和苔草。动物也较少，有驯鹿、麝牛、旅鼠、北极狐和狼等。第43页/共73页淡水生物群落包括溪流、河流、池塘、湖泊和沼泽等类型。植物包括浮游藻类、漂浮植物和挺水植物动物包括各种蛤、蚌、鱼、虾等；一些爬行类和两栖类动物大都栖息在沿岸地带。第44页/共73页海洋生物群落根据位置和海水的深度分为海岸带、浅海带、远洋带和海底带等类型。不同的海洋带分布的海藻类植物和海洋动物的类群差别很大。第45页/共73页群落内生物之间的相互关系 竞争、捕食、寄生和共生4种主要类型。可能存在以下状态：互惠一方受益一方无害一方受益一方有害一方有害一方无益双方都有害对双方既无害也无益!第46页/共73页竞争生活在同一区域的两个物种如果利用相同的资源，它们便形成了竞争的关系。由于对资源不平等的利用，两个物种竞争的结果会导致竞争利用资源能力较弱的物种种群数量下降，激烈的竞争甚至可导致一个物种从该区域完全被排除。第47页/共73页竞争竞争实例：两种藻类竞争利用同一种营养盐。背景：微藻生长速率及其营养吸收速率在营养盐浓度增大到一定程度时有饱和现象。生活在同一环境中的两种微藻同时竞争利用某一种营养盐时可能出现的结果：第48页/共73页群落内生物之间的相互关系捕食也是群落中普遍存在的种群间的一种相互关系，是一种生物摄取另一种生物为食物。寄生是指一种生物生存于另一种生物的体内或体表并从中获利。共生是另一类种群间互利的相互关系，这种互利的关系被固定以后，如果失去一方，另一方便不能生存，例如地衣就是藻类和真菌的共生体。群落中物种的相互关系和相互作用还包括互惠、共栖、抗生等多种形式。第49页/共73页群落的演替和扰动群落是一个动态系统。一种群落取代另一种群落的过程称为群落的演替或生态演替，演替达到的最终相对稳定状态，就是顶级群落。只要气候条件合适，从裸露的岩石最终演变到出现顶级群落通常要经历地衣阶段、苔藓阶段、草本植物阶段、灌木阶段和森林阶段。这一自然发生的完整过程称为初生演替.群落的演替与生物的进化是一个协同的过程，其间穿插着生物多样性的变化。第50页/共73页四、生态系统生态系统是生物群落与非生物因子通过能量流动和物质循环相互作用而构成的生态集合体。第51页/共73页生态系统的共同特征1.生态系统内部在一定范围和限度下具有自我调节的能力，这种自我调节的能力与生物多样性程度成正比；2.生态系统中的能量流动、物质循环和信息传递体现了生态系统的动力学特征，生态系统内部始终处于运动之中，能量的流动是单向的，物质流动是循环式的；3.生态系统吸收的太阳能量一般都通过4-5个不同营养等级的生物进行传递；4.从地球上生物起源到现在，生态系统经历了从简单到复杂的发育阶段。第52页/共73页生态系统的营养结构 通过处于不同营养水平的生物之间的食物传递形成了一环套一环的链条式关系结构，称为食物链。!第53页/共73页生态系统的营养结构在生态系统中，一种生物往往并不只固定在一条食物链上，它们可以同时加入几条食物链。生态系统中的营养关系是一种网状结构，因此称为食物网。食物网越复杂，生态系统就越稳定；食物网越简单，生态系统就越容易发生波动或遭受毁灭。第54页/共73页生态系统中的能量流动生态系统中总的有机体物质称为生物量。光合细菌和植物等生产者所制造的有机质被称为生态系统的初级生产力。地球上总的初级生产力是一定的，因此，生态系统中的能量分配和利用也是有限度的。第55页/共73页生态系统中的能量流动生态系统中的能量流动是单一方向的。输入生态系统中的能量（太阳能）总是和生物有机体贮存、转换的能量和释放的热量相等。以热的形式散失的能量不能再回到生态系统参与流动和被利用。!第56页/共73页生态系统中的能量流动由于通过食物链后能量的逐级损失，食物链中的能量也由下向上呈现下宽上窄的金字塔型，称为能量金字塔。从能量的角度考虑，生态系统是一个开放系统，不断的能量输入和能量的散失，使该开放系统维持一种稳定的平衡状态。!第57页/共73页与生命活动相关联的物质循环碳、氮、磷和水等许多与生命活动相关联的物质以多种形式生物的或非生物的形式，原子的、分子的或生物大分子的形式等在自然界中循环，这些物质的循环叫生物地球化学循环。生态系统中所有物质的生物地球化学循环共同的特点：碳、氮、磷和水等都有一个非生物的库；有一些物质的一部分可以完全通过地学过程进行循环；有些需要经过微生物的加工才能被生物所利用；微生物对各级别营养水平生物有机质的分解作用是生物地球化学循环的关键环节。!第58页/共73页水的循环水的循环涉及非生物过程和生物过程。从陆地上看，凡是水的循环越活跃的地方，生命的活动就越活跃。第59页/共73页碳循环碳循环在生态系统物质循环中具有特殊重要的作用每年海洋中浮游植物（包括藻类和光合细菌）和陆生植物通过光合作用将大量的无机碳转化成为有机碳，这些有机碳在全球范围的食物网中流动。第60页/共73页氮循环固氮细菌的作用非常关键。各类生物通过体内的呼吸与氧化作用来分解蛋白质等，使之转变成NH3再排出体外。这些又可以再次被植物所吸收利用。第61页/共73页磷的循环植物一般只利用H2PO4-形式的磷。陆地的异养动物主要依靠摄食植物和其他动物获得其所需要的磷。第62页/共73页五、人口、资源与生态平衡2011年10月31日将是一个令人警醒的日子，据联合国人口基金的预测，这一天世界人口即将达到70亿。1999年世界人口突破了60亿大关。到2100年将达到100亿。联合国人口基金的统计显示，世界人口从10亿增长到20亿用了一个多世纪，从20亿增长到30亿用了32年，而从1987年开始，每12年就增长10亿。人口激增意味着人类对自然资源的需求激增，粮食、水资源、宜居土地的供给将承受更大的压力，这些需求又将向生态环境传递更大压力；人口激增也意味着人类对社会资源的需求激增，教育、医疗、就业、养老等问题，将考验着每一个国家。第63页/共73页五、人口、资源与生态平衡地球上的自然资源对于人口的供养是有限的！科学家们称，以生活标准计算，如果每个地球人都能享受发达国家普通人的饮食的话，地球的最大承受力只有20亿人；而如果按照每天维持最低生活必需的食物标准计算，地球可以承载120亿人。许多科学家，如哈佛大学的社会科学家爱德华威尔逊认为，地球的最大承载力大约为90亿到100亿人口，如果把所有的谷物都用来喂养人类而不是牲口，并且所有人都愿意成为素食主义者的话，现在的14亿公顷耕地可养活100亿人口。但实际上，这14亿公顷的耕地现在只能养活25亿人口，因为相当一部分人不愿意只吃素菜。因此，威尔逊认为，从粮食的角度出发，地球养活的人数不可能达到100亿。其他限制地球承载力的环境因素包括氮循环、可被利用的磷元素以及大气中的碳浓度等。但是，一个最大的影响因素却无从考量没有人知道，什么时候，地球人口将达到极大值，而这个极大值又会是多少。第64页/共73页五、人口、资源与生态平衡人口增长和生态环境的人口承载容量从1800年到2000年间，中国人口增长总体上是按指数增长模型进行的。按照中国人口战略的第一个目标，到2030年，将争取实现人口数量的“零增长”。第65页/共73页资源压力及生态环境恶化土地资源压力水资源压力能源危机森林资源减少环境污染加剧第66页/共73页环境污染加剧大气中CO2捕捉热量的方法与温室类似，大气中的二氧化碳能够阻止地面向空间辐射热量，导致大气层增温，形成了温室效应。第67页/共73页环境污染加剧许多化学物质对食物链上的影响正在增强。例如DDT可以聚集在生物组织内，特别是动物的脂肪中。当这些物质进入人体后将增加人类患癌症和其他疾病的可能性，并对大脑结构产生长期影响。第68页/共73页太湖蓝藻爆发第69页/共73页生态平衡和人类社会可持续发展的策略生态系统中的能量流动、物质循环与信息交流总是不断地进行着，在一定时间内，生态系统内的生物种类与数量相对稳定，它们之间及它们与环境之间的能量流动、物质循环与信息交流也保持稳定，达到统一协调的状态，这种平衡状态就叫生态平衡。生态平衡是动态的和相对的平衡，其主要特征包括：生物的种类和数量保持相对稳定；物质与能量的输入和输出保持相对的稳定；物质与能量的循环与流动保持合理的比例与速度；生态系统具有良好的自我调节能力。!第70页/共73页生态平衡和人类社会可持续发展的策略人工改造的农业生态系统是不稳定的。在人工生态系统中，病虫害可以很容易找到并聚集在一小片地域上，随即在大量单一的动植物种群中迅速传播，造成严重的危害。大规模发生在欧洲等地的口蹄疫和疯牛病，导致一些国家畜牧业遭到灭顶之灾，就是这样例证。保持一定比例的自然生态系统和维持全球整个生态系统的平衡对人类是有利的。第71页/共73页可持续发展的理论和战略核心思想：建立在生态平衡和持续基础上健康的经济发展。可持续发展总体策略的内容包括人口、生产和环境保护3方面多项政策和行动计划。生态文明在人类科学技术生态化水平上达到人与自然的真正和谐。第72页/共73页感谢您的观看！第73页/共73页