環境生態學 主講 曹裕松TelQ 504905934E mail caoyusongrc 環境生態學 教學內容 第一章緒論第二章生物與環境第三章種群生態學第四章群落生態學第五章生態系統與生態平衡 第六章生態系統退化與恢復第七章自然資源與生態保護第八章環境污染的生態防治第九章生態評價與生態管理第十章生態監測與生態管理 第一章緒論 1 環境問題的產生與發展 2 環境生態學的現狀及發展 3 環境生態學的研究內容和任務 一 生態學基礎 1 何謂生態學 Thetotalrelationsoftheanimaltobothitsorganicanditsinorganicenvironment Haeckel 1869 Thescientificstudyofthedistributionandabundanceoforganisms Andrewartha 1961 Thestudyofthestructureandfunctionofnature Odum 1963 Thescientificstudyoftheinteractionsthatdeterminethedistributionandabundanceoforganisms Krebs 1994 Ecology 來自希臘文 Oikos 住所 棲息地 和 Logos 學問 研究 生態學在創建之初被表達為研究生物有機體與其棲息場所之間相互關系的科學 生態學 Ecology 是研究生物與其環境之間相互關系的科學 動物 植物 微生物 非生物環境 生物環境 當前人類面臨三大難題 環境污染 人口爆炸 資源短缺 對生態學提出了更高的要求 1 環境污染 從登上月球后拍攝的照片看 地球上已無處不被污染 工業三廢 廢氣 廢水 廢渣 農藥和放射形物質污染 核污染主要指核物質泄露后的遺留物對環境的破壞 包括核輻射 原子塵埃等本身引起的污染 還有這些物質對環境的污染后帶來的次生污染 比如被核物質污染的水源對人畜的傷害 1979年3月28日三英里島核電站發生的放射性物質外泄事故是美國歷史上最為嚴重的核電站事故 1986年4月26日切爾諾貝利核電站發生爆炸 并引發大火 致使放射性塵降物進入空氣中 此次事故產生的放射性塵降物數量是在廣島投擲的原子彈所釋放的400倍 被稱為歷史上最嚴重的核電站災難 溫室效應使氣溫升高 海平面升高 大氣中CO2濃度1850年為290ppm 1970年為320ppm 1978年 330ppm 1984年 343ppm 1986年 345ppm 圖中記錄了自1860年以來的全球溫度 近年來 氣溫在持續地激烈上升 圖中所記錄的21個最熱的年份當中 有20個都屬于最近的25年 世界上幾乎所有的冰川都在融化 其中很多融化得特別快 喜馬拉雅冰川群 坐落于青藏高原上 是受全球變暖影響最大的地區之一 該冰川群為世界上40 的人口提供了一半以上的飲用水 而今半個世紀以內 世界上40 的人口將可能面臨非常嚴重的飲用水短缺危機 1970年 2000年 2005年的非洲乞力馬扎羅山 2 人口爆炸 馬爾薩斯的 人口論 1 人口增長有超過食物供應增長的趨勢 人口有幾何增長的趨勢 即按指數增長的趨勢 而食物供應只有算術增長的趨勢 人口會有無限增長的趨勢 直至到食物供應的極限為止 2 可以用某種其它方法來抑制人口的增長 即把實行晚婚 婚前守潔和自愿限制同房的頻率等方法結合起來 馬爾薩斯的思想對查理 達爾文的 進化論 和卡爾 馬克思 資本論 都有著強烈的影響 節育運動是馬爾薩斯所倡導的運動的繼續 3 資源短缺 土地資源 農用耕地日減 如中國人口增加1400萬 a 耕地減少500萬畝 水資源尤其是淡水資源日趨緊張 污染和浪費嚴重 本世紀以來 隨著人口膨脹與工農業生產規模的迅速擴大 全球淡水用量飛快增長 從1900 1975年 世界農業量增加了7倍 工業用水量增加了20倍 并且近幾十年來 用水量正以每年4 8 的速度持續增加 淡水供需矛盾日益突出 水資源短缺 已不是神話 1977年 聯合國警告全世界 水不久將成為一項嚴重的社會危機 石油危機之后的下一個危機是水 全球能源危機 電荒 煤荒 油價上漲 目前 全球性的能源危機已經成為世界各國不得不面對的現實 各國都開始為尋找新的能源解決方案而努力 我國近年來面臨著嚴重的 電荒 全國24個省區出現了 拉閘限電 尋找能源解決方案成了迫在眉睫的問題 地球可再生能源瀕臨枯竭 石油等化石燃料都是不可再生的有限資源 BP世界能源統計2005 的數據表明 以目前的開采速度計算 全球石油儲量可供生產40多年 天然氣和煤炭則分別可供應67年和164年 生物資源 森林被毀 生物種類日減 生物多樣性銳減 因此 生態學的任務不僅僅是研究生物有機體與其棲息場所之間相互關系 更加關注生物包括人類生存環境以及環境問題的解決方案的探討 例如太陽能 核能的開發利用 纖維素類能源草本植物是目前最有發展前途的生物質資源之一 歐洲和美國把它作為首選的生物質能源植物 2 生態學的研究對象 傳統的生態學要在有機體 種群 群落和生態系統水平上探索生命系統的奧秘 因此 生態學是以生物個體 種群 群落和生態系統 甚至是生物圈作為它的研究對象 因此 生態學按其研究的生命體的水平可分為 a 個體生態學 主要研究生物的個體發育與環境的相互關系b 種群生物學 主要研究同種個體組成的種群與環境的相互關系 c 群落生態學 主要研究群落的結構與功能 形成和發展方面與環境間的相互關系 d 生態系統學 主要研究由群落與其周圍理化環境構成的生態系統的結構與功能 系統的平衡與調控機制 3 生態學的分支 按生命層次 分子 基因 細胞 器官 個體 種群 群落 生態系統 景觀 生物圈和全球生態學 生物分類 動物 植物 微生物 昆蟲 魚類等 按棲所 淡水 海洋 河口 陸地 森林 草地 荒漠等 邊緣科學 數學生態學 化學生態學 進化生態學 生理生態學 經濟生態學 生態經濟學 應用生態學 農業 漁業 污染生態學等 二 生態學的發展史 對生態學的不同定義代表了生態學的不同發展階段 強調了不同的基礎生態學分支和領域 迄今為止 從研究范圍和發展階段來看 生態學發展經歷了五次飛躍和四個階段 具體描述如下 1 五次飛躍 生物科學生態化 環境科學生態化 生產科學生態化 如 產業生態化是指產業自然生態有機循環機理 在自然系統承載能力內 對特定地域空間內產業系統 自然系統與社會系統之間進行耦合優化 達到充分利用資源 消除環境破壞 協調自然 社會與經濟的持續發展 自然科學生態化 社會科學生態化 如生態倫理學 所謂生態化是指把生態學的原則滲透到人類的全部活動范圍中 用生態學的理論和觀點去思考問題 分析問題 最優地處理人和自然 人與人的關系 2 生態學發展的四個階段 1 生態學的萌芽時期 公元16世紀以前 以古代思想家 農學家對生物環境相互關系的樸素的整體觀為特點 如秦漢時期的二十四節氣的應用就反映了農作物 昆蟲與氣候的關系 2 生態學的建立時期 公元17世紀至19世紀 歐洲文藝復興時期開始 歐洲科學探索活動再度興起 崇尚科學調查與科學實驗 1866年Heackel提出Ecology一詞 并首次明確生態學的定義 一些生態學的理論開始形成 3 生態學的鞏固時期 20世紀初至20世紀50年代 這一時期是生態學理論形成 生物種群和群落由定性描述向定量描述 生態學實驗方法發展的輝煌時期 形成幾個著名的生態學派 四大學派 北歐學派 以注重群落分析為特點 法瑞學派 把植物群落生態學稱為 植物社會學 用特征種和區別種劃分群落類型 建立嚴密的植被等級分類系統 常被稱為植被區系學派 1953年后 與北歐學派合流 被稱為西歐學派或大陸學派 英美學派 以研究植物群落演替和創建頂極群落著名 前蘇聯學派 注重建群種和優勢種 重視植被生態 植被地理與植被制圖工作 4 現代生態學時期 20世紀60年代至今 1935年英國生物學家坦斯勒 A G Tansley 提出了 生態系統 的概念 將生物與環境視作一個動態的整體 對生態系統的結構與功能的研究日趨深入 標志著生態學的發展進入了現代生態學階段 現代生態學的主要特征 研究層次上向宏觀和微觀兩極發展 生態學的研究層次已囊括了分子 基因 個體直到整個生物圈 研究手段的更新 自計電子儀 同位素示蹤 穩定性同位素 3S 全球定位系統 GPS 遙感 RS 與地理信息系統 GIS 生態建模 系統論等技術與理論被引入到生態學 研究范圍的拓展 結合人類活動對生態過程的影響 從純自然現象研究擴展到自然 經濟 社會復合系統的研究 三 環境生態學 環境生態學 是指以生態學的基本原理為理論基礎 結合系統科學 物理學 化學 儀器分析 環境科學等學科的研究成果 研究生物與受人干預的環境相互之間的關系及其規律性的一門科學 環境生態學是環境科學的組成部分 是個新興的 綜合性很強的學科 是一門運用生態學理論 研究人為干擾下 生態系統內在的變化機制 規律和對人類的反效應 尋求受損生態系統恢復 重建和保護對策的科學 從學科發展上看 環境生態學的理論基礎是生態學 它由生態學分支而來 但同時又不同于生態學 環境生態學與生態學的區別在于它是 以人為中心來探討其生活環境的科學 研究人類與環境相互關系的科學 研究人為干擾下 生態系統內在的變化原理 規律及尋求受損生態系統恢復 重建和保護對策的科學 環境生態學發展趨勢 從靜態的結構研究到動態的功能研究 從描述現狀的定性研究到預報未來的定量研究 野外調查和室內實驗相結合 宏觀研究和微觀研究相結合 生物學與地理 化學 物理和數學互相滲透 運用自動化測試 計算機和遙感技術等現代化實驗手段 開展國際協作 環境生態學主要研究領域 人為干擾下生態系統內在變化原理與規律生態系統受損程度的判斷各類生態系統的功能與保護措施的研究 環境生態學的研究對象 環境生態學研究重點是環境污染的生態學原理和規律 環境污染的綜合治理 自然資源的保護和利用 廢棄物的能源化和資源化技術 研究目的是改善不斷惡化的生態環境 達到資源的永續利用 促進經濟 環境和人類社會的可持續發展 生命系統與人為干預的環境系統兩者之間的相互作用 可以表現為各級水平 所以 環境生態學的研究對象既包括從宏觀上研究環境中污染物和人為干預的環境對生物的個體 種群 群落和生態系統產生影響的基本規律 也包括從微觀上研究污染物和人為干預的環境對生物的分子 細胞和組織器官產生的毒害作用及其機理 環境生態學的研究對象是污染的環境對整個生態系統 以生物為主 的影響 它是研究生態系統中的生物與污染的環境兩者之間作用與反作用 對立與統一 相互依賴與相互制約 物質的循環與代謝等一系列相互作用的規律 以及支配這些規律的內在機理 環境生態學的研究內容 環境生態學是一門新興的邊緣學科 其內容和體系尚在不斷地發展之中 研究內容主要包括以下幾個方面 自然資源的合理利用與保護 環境污染的生物效1 2 環境污染的綜合治理 環境污染的監測與評價 環境污染對生態系統的結構與功能的影響 環境生物效應是指各種環境因素變化而導致生態系統變異的效果 環境生物效應種類繁多 數量巨大 成因多樣 現代大型水利工程的建設 切斷了魚 蝦 蟹等的回游途徑 致使這些水生生物的生長繁殖受到影響 并導致其生活習性發生變化 工業廢水 生活污水及農業污水大量排入江河湖海 改變了水體的物理 化學和生物條件 致使魚類受害 數量減少 甚至滅絕 森林的大量砍伐 植被的大規模破壞 既能引起水土流失 降低土壤肥力 引發干旱 風沙等自然災害 造成農業減產 又能造成鳥類棲息場所縮減 鳥類減少 蟲害加劇 而致畸 致癌 致突變物質的污染則可引起染色體突變 機體畸變和癌癥發病率上升 環境生物效應事件 日本水俁病事件 日本熊本縣水俁灣外圍的 不知火海 海產豐富 是漁民們賴以生存的主要漁場 1925年 日本氮肥公司在這里建廠 后又開設了合成醋酸廠 1949年開始生產氯乙烯 沒有經過任何處理的廢水被排放到水俁灣中 水俁病 的罪魁禍首是甲基汞 氯乙烯和醋酸乙烯在制造過程中要使用含汞 Hg 的催化劑 這使排放的廢水含有大量的汞 當汞被水生生物食用后 轉化成甲基