生态学基础教材课件.ppt

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1、第一章 生态学基础,第一节 生态学的概念,一、经典的概念研究生物与其环境相互关系的科学自然经济学,3,图片：生物与环境的关系,4,图片：生物与生物的关系,生物与生物的关系,二、60年代以来生态学的新定义,EPOdum(1971)曾提出：“生态学是研究自然界结构和功能的科学，这里需要指出的是人类也是自然界的一部分。”在其撰写的新书生态学一科学与社会的桥梁(1997)中，进一步指出，起源于生物学的生态学越来越成为一门研究生物、环境及人类社会相互关系的独立于生物学之外的基础学科，一门研究个体与整体关系的科学。,马世骏（1980）也提出：“生态学是一门多学科的自然科学，研究生命系统与环境系统之间相互作

2、用规律及其机理。”,所谓生命系统，就是自然界具有一定结构和调节功能的生命单元，如动物、植物和微生物等。通常把生命系统分为基因、细胞、器官、个体、种群以及群落和生态系统六个水平（图11）,三、新定义的新含义,生物有机体与环境间的相互关系,1,生命系统与环境系统间的相互关系。,扩展,2,人类,是生命系统中最重要的部分，也是许多生态系统的结构成分,生态学不仅要研究动物、植物、微生物和环境间的相互关系，更需要研究人和环境间的相互关系。,3,人类,是一种生物，必然具有生物的一切基本属性。,但是人类生活在特殊的社会中，具有不同于一般生物的社会属性。,因而，在研究人与环境相互关系的时候，不能不涉及社会和经济

3、的层面。,生态学不仅要阐述生物（包括人）与其环境间的一般相互关系,4,揭示它们之间相互作用的基本规律及机理；要用生态学理论去解决人类面临的生存和发展问题。,更要,第二节 生态系统现代生态学的研究核心,生态系统（ecosystem）指由生物群落与无机环境构成的统一整体。是一定空间内生物和非生物成分通过物质循环、能量流动和信息交换而相互作用、相互依存所构成的一个生态功能单位。,与生态系统有联系的一个概念是“生物圈”(biosphere)。“生物圈”指地球上有生命活动的领域及其居住环境的整体。包括大气圈的下层，岩石圈的上层，整个土壤圈和水圈。生物圈是地球上最大的生态系统。,一、生态系统的结构,一个生

4、态系统的组成成分包括：,有生命的生物成分即生物群落,无生命的非生物成分即自然环境,一定空间内全部动物、植物、微生物的同住结合，它们之间构成一定的相互关系。根据各类生物之间的营养关系可以把它们区分为：生产者(producer)、消费者（consumer）和分解者（decomposer）。,生物群落：在相同时间聚集在同一地段上的各物种种群的集合,生产者指能够利用太阳能等能源，将CO2、水和无机盐等简单的无机物制造成复杂的有机物，供生物群落中各种生命活动之所需的自养生物。消费者指生物成分中以其他生物为食的异养生物，主要是各类动物。分解者又称还原者（reducer）这类生物也是异养生物，又有小型消费者

5、之称，它们包括细菌、真菌、放线菌和原生动物等。,可见生态系统中各种生物通过营养上的关系彼此联系着。食物链又互相交叉连结，构成所谓“食物网”（food web）,二、生态系统的功能,1.生态系统中的物质生产（material production）主要是由绿色植物担当。绿色植物初级生产者(primary producer)或称第一性生产者，过程初级生产或第一性生产(primary production)初级生产是人类食物的根本来源。,生态系统的结构决定了它的基本功能，即物质生产、物质循环、能量流动和信息传递。,生产力（生产量）单位时间、单位面积（或体积）内生产的产量称为生产力(productiv

6、ity)或生产量(production)常以 kg（m2a）表示。净初级生产力(net primary productivity)=初级生产力-呼吸消耗粗初级生产力(gross primary productivity)：未除去呼吸消耗积累的速率，又称总初级生产力现存量（生物量）指一特定观测时刻一定面积上（或一定空间范围内）现有的生物体的数量，常以 kg/m2表示，它也称为生物量(biomass)。生产量不同于现存量(standing crop)。,十分之一定律无论是初级生产还是次级生产过程，能量在传递或转变中总有一部分被耗散，通过生产者的呼吸作用以热量形式散失到环境中。研究表明，食草动物摄食

7、量中仅有1020的能量转变为次级生产量。RLLinderman（1942）通过大量的野外和室内实验，得出各营养级间能量转化效率平均为10，这就是生态学中的所谓“十分之一定律”。,2.生态系统中的能量流动（energy flow）指能量通过食物网在系统内的传递和耗散过程。,能量金字塔食物链中上一个营养级总是依赖于下一个营养级的能量，而下一个营养级的能量只能满足于上一个营养级有限的消费者需要，致使营养级的能量呈阶梯状递减，于是形成了底部宽顶部窄的宝塔状，称作“能量锥体”或“能量金字塔”(energy pyramid)。,单方向性生态系统中能量流动的另一个显著特征是单方向性。能量流经食物链中各营养级

8、时，只能以做功或以热的形式降解，而绝不可能逆向进行。逆向的进行只能借助于外界做功（eg.光合作用）,非单向、可循环生命必要元素两条主要的流动途径：生物循环（biological circulation）和地球化学循环（geochemical circulation）。前者是在生态系统内进行的循环，有人称为闭路循环；后者是元素在生态系统外部进行的循环，相应地被称之为开路循环。这两种循环最终必将连接在一起成为生物地球化学循环(biogeochemical circulation)。,3.生态系统中的物质循环（material cycle）指生命活动所需的各种营养物质通过食物链各营养级的传递和转化。

9、,碳循环 碳循环对于生命的意义十分重要，有机体干重约49都是由碳元素构成的。自然界中碳源的数量很大，种类也多种多样，然而只有空气中气态的碳（在空气中的含量约为0.03）或溶解在水中的碳（呈各种碳酸氢盐状态）才能成为有机体制造食物的碳源。,氮循环 氮是蛋白质、核酸、叶绿素的组成成分，是生命的基本物质，氮循环是地球上维持生命系统的最基本环节之一。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。在地球上参与生物圈氮循环的氮 99.4存在于空气圈中，0.5在水圈中，0.05在土壤里，0.0005在生物量中。,磷循环 磷循环是沉积型循环，磷

10、的主要储存库是地壳中的磷酸盐等沉积物，鸟类等动物化石中也含有磷。磷通过侵蚀和开采从岩石中移出而进入生态系统。,水循环 水循环是地球上由太阳能推动的各种物质循环的一个中心循环，照射到地球表面的太阳能约有l4用于蒸发水分，水分不仅能从水面、陆地表面蒸发，而且也能通过植物叶面的蒸腾作用进入大气。大气中的水遇冷后凝结成雨、雪等，降落到地表，其中一部分渗人土壤，供植物吸收，或形成地下水储存起来；一部分成为地表径流，流人江河，汇入海洋，供水面蒸发从而成了水循环。,自然生态系统中的信息可分为两大类：物理信息和化学信息。物理信息是以物理过程为传递形式的信息，如光、声、电等。动物的求偶、报警等行为都与物理信息有

11、关。化学信息是将生物代谢过程中产生的一些化学物质作为传递信息物质，借它们传递信息，这种化学物质称为信息素。,4.生态系统中的信息流（information flow）指生态系统内各生命组分之间的信息传递。,三、生态系统的发展,生态系统发展（ecosystem development）常常被称为生态演替（ecological succession），它是指一个群落被另一个群落，或者说一个生态系统被另一个生态系统代替的过程。,演替的三个特征（Odum，1971）：,（1）演替是群落发展的有顺序过程，它有规律地向一定方向发展，因而是能预见的；（2）演替是由于物理环境改变的结果，但演替是受群落本身控制

12、的；（3）演替一般以稳定的生态系统为发展的顶点，在稳定的生态系统中常拥有最大的生物量和生物间共生功能。,演替可以从原生裸地开始，这类演替称原生演替（primary succession）。演替也可以从次生裸地开始，即从以前曾经生长过植物的地方，此类演替称次生演替（secondary succession）。在陆地上开始的演替叫陆生演替（terrestrial succession）。在水中开始的演替称水生演替(aquatic succession)。,演替可以是前进的，也可以是后退的，前者称为进展演替（progressive succession），后者称为逆行演替（retrogressive

13、 succession），它们的区别见下表。,第三节 种群一通向宏观生态学的桥梁,种群（population）,也译为居群，人口学上就是人口，是一定空间中同种个体的集合，也就是说它是在一定空间中、特定的时间内一起生活和繁殖的同种个体的总称。自然种群有三个基本特征：数量特征、空间特征和遗传特征。,一、种群统计,(1)种群的大小和密度：一个种群全体数目的多少，即种群的大小(size)，单位面积或容积的个体数目来表示种群大小，即为密度（density）。（2）出生率和死亡率：出生率（natality）是指种群增加新个体的能力。死亡率（mortality）描述种群个体死亡的情况。,（3）迁入和迁出：迁

14、入（immigration）和迁出(emigration）也是影响种群变动的两个主要因子，它描述各地方种群之间进行基因交流的生态过程。(4)年龄结构和性比：一个种群的所有个体一般具有不同的年龄，某一龄级的个体数目与种群总个体的比例，叫做年龄比例（age ratio），各个龄级年龄比例的配置状况，即年龄结构（age structure）。,分析年龄结构的方法是用年龄锥体图或称年龄金字塔图（age pyramid）。它是按从大到小个体龄级的比例作图，纵坐标表示从幼年到老年的各个龄组，横坐标表示各个龄组的个体数或所占百分比。利用年龄锥体可以预测未来种群动态。,性比（sex ratio）反映了种群中雌

15、性个体和雄性个体的比例。受精卵的雌与雄比例，大致是50：50，这是第一性比。从幼体出生到性成熟这段时间里，由于种种原因，雌雄比例会继续变化，到性成熟为止，叫做第二性比。,（5）生命表及存活曲线：生命表是描述死亡过程的有用工具。根据研究者获取数据的方式不同，可以分为动态生命表和静态生命表。,Deevey(1947)以相对年龄或以平均寿命百分比表示年龄，记作x）作为横坐标，存活数Lx的对数作为纵坐标，画成曲线图称为存活曲线(survivorship curve)，它能够比较生物的不同寿命形式，存活曲线有三种基本类型（图l16）。,A型一凸型存活曲线，表示种群在接近于生理寿命之前，只有个别死亡，即几

16、乎所有个体都能达到生理寿命。死亡率直到末期才升高。B型一对角线存活曲线，表示各年龄期死亡率是相等的。C型一凹型存活曲线，表示幼体的死亡率高，以后死亡率低而稳定。,二、种群动态,种群动态（population dynamic）是一个很复杂的概念，它包括种群的数量动态、空间动态、种群调节以及种群对环境变化的生态对策等。,1种群的指数增长,如果食物、资源和空间都不受限制，r为一常数，且种群的世代是不重叠的，即此种生物生命只局限在一段时间，而在这段时间内只能繁殖一次，所以世代不相重叠，这个种群的增长理论上应按下式进行：NtN0,2种群的逻辑斯谛增长,自然种群不可能长期地按几何级数增长，一个种群在有限的

17、空间中，随着密度的上升，受资源和空间的限制，种内竞争的加剧，必然影响到种群的出生率和死亡率，从而降低种群的增长率，一直到停止增长，甚至使种群下降。逻辑斯谛增长（logistic growth）就是种群在有限环境条件下增长的一种简单形式，又称为阻滞增长。,60,不同的组织水平,第四节 生态平衡及其调节,一、生态平衡生态系统演替到“顶极”阶段，即处于一种稳定状态。两层含义：一是生态系统的结构和功能长期和持久地保持不变，即具有长期的稳定性；二是，生态系统在环境改变和人类干扰的情况下，能通过内部的调整，以维持结构和机能的稳定。,生态学中用稳态机制（homeostation mechanism）来表达正

18、反馈和负反馈相互作用和稳态控制的极限。这个能够自动调节的界线，称为“阈值”（threshold），如果条件改变超出这个界线，调节就不能再起作用，系统遭到伤害以致破坏。,在自然生态系统中，物质循环和能量流动的相互作用建立了自校稳态（selfcorrecting homoeostasis）而无需外界控制。但是，稳态机制是有限度的，超过这个限度，不受限制的正反馈导致系统崩溃。,生态系统的稳定性和生态平衡这两个概念是密切相关的，一个稳定的生态系统必然是生态平衡的。因此，RHMacArthur（1955）认为，生态平衡应该用生态系统内部结构的稳定性来表达。但是，“平衡”和“稳定”之间又是有区别的。,生态

19、平衡（ecological balance or ecological equilibrium）至少有以下三点含义：（1）生态系统中各组分间相互作用的平衡。（2）生态系统中能量和物质输出和输入的平衡。这种平衡也意味着个体的增加和减少的平衡，特别是出生率和死亡率的平衡。（3）生态系统中有机体与环境之间的协调一致，或者说资源利用与资源更新的平衡。,据上所述，我们认为生态平衡是指一定时间内，生态系统中各部分的结构及相互作用的平衡，物质和能量流入和流出的平衡，物质产生和消耗的平衡，有机体和环境的协调一致。,二、生态平衡的调节,各类生态系统，当外界施加的压力（自然的或人为的）超出了系统自身调节能力或代偿

20、能力后，都将造成结构的破坏、功能的受阻和正常关系的紊乱，这种状态称之为生态平衡的失调。,生态系统对于外界的干扰，在结构和功能上产生一系列对策，以保存其内部的稳定。它包括以下四个基本原则（trojan，1984）。,（1）物质保护原则。保证生态系统内部物质循环的连续性。（2）生产保护原则。生态系统的生产者总是调整自己以适应环境的变化。例如生态系统净初级生产力总是低于该系统潜在生产力，这就表明该系统有生产量贮存，以备需要时变为流通量。（3）结构保护原则。生态系统的结构是内稳态机制的载体，所有生态系统都有趋向于恢复因突变事件造成破坏的机制。（4）关系保护原则。发生在生态系统中的各种过程都是由群落内稳

21、态机制控制的，稳态机制的作用导致群落对生境条件进行调节，尤其是使某些因素和压力造成的波动减少。,生态平衡的调节主要通过系统的抵抗力、恢复力、自治力以及内稳态机制来实现。,（1）抵抗力（resistance）。它是生态系统抵抗外部干扰、维持系统结构功能原状的能力。（2）恢复力（resilience）。它是指生态系统遭受外部干扰后，系统恢复到原状的能力。,（3）自治力（autonomy）。它是指生态系统对于发生在内部的各种现象的自我控制能力。（4）稳态机制（homeostasis）。是指内部组织（internal organization）和结构的一种调节功能，即调节能量流动和物质循环的能力，调节

22、生态系统中各种成分之间的营养关系的能力。,生态系统总稳定性(抵抗力与恢复力)关系示意图,生态系统功能,时 间,干扰,抵抗力的量度：当一次干扰的强度和作用时间一定时，此区域的面积越大(轨迹偏离正常范围越晚和幅度越小)，生态系统的抵抗力越强,功能轨迹曲线,正常作用范围,生态系统总稳定性(抵抗力与恢复力)关系示意图,生态系统功能,时 间,干扰,恢复力的量度：当一次干扰的强度和作用时间一定时，此区域的面积越大(轨迹回复到正常范围越早)，生态系统的恢复力越强,功能轨迹曲线,正常作用范围,思 考 题,1.生态系统的功能有哪些？2.十分之一定律是什么？3.什么是能量金字塔？4.年龄金字塔的基本类型有哪些？分布表征什么？5.存活曲线的基本类型有哪些？4何谓生态平衡？谈谈你对生态平衡的看法。重要概念：生态学、生态系统、生物圈、生产者、消费者、分解者,