1、第一節第三節第二節 隨著糧食、人口、能源和環境等一系列隨著糧食、人口、能源和環境等一系列世界性問題世界性問題的出現，推動了生態學的發展，的出現，推動了生態學的發展，生態學的基本原則不僅被看作是環境科學重生態學的基本原則不僅被看作是環境科學重要的理論基礎，也被看成是社會經濟持續發要的理論基礎，也被看成是社會經濟持續發展的理論基礎。展的理論基礎。v生態學（生態學（EcologyEcology）是研究）是研究生物生物與與環境環境之間相之間相互關系及其作用機理的科學?；リP系及其作用機理的科學。 德國生物學家恩斯特德國生物學家恩斯特海克爾?？藸杔生物：植物、動物和微生物；生物：植物、動物和微生物；l環境

2、：各種生物特定的生存環境，包括環境：各種生物特定的生存環境，包括非生物環境非生物環境和和生物環境生物環境。非生物環境非生物環境由光、熱、空氣、水分和各種無機元由光、熱、空氣、水分和各種無機元素組成；素組成；生物環境生物環境由作為主體生物以外的一切生物組成。由作為主體生物以外的一切生物組成。 個體生態學個體生態學研究研究一個生物一個生物個體個體或或一種生物一種生物多個個體多個個體與與環境環境之間的關系；之間的關系；族群生態學族群生態學研究研究一種一種或或親緣關系較近的幾種生物親緣關系較近的幾種生物種種群群與與環境環境之間的關系；之間的關系；群落生態學群落生態學研究生活在研究生活在同一環境中同一環

3、境中的的所有生物所有生物與與環環境境之間的關系之間的關系.陸地生態學陸地生態學水域生態學水域生態學森林生態學森林生態學草原生態學草原生態學荒漠生態學荒漠生態學土壤生態學土壤生態學海洋生態學海洋生態學湖泊生態學湖泊生態學流域生態學流域生態學與與非生命科學非生命科學結合結合數學生態學數學生態學物理生態學物理生態學化學生態學化學生態學經濟生態學經濟生態學生理生態學生理生態學行為生態學行為生態學遺傳生態學遺傳生態學與與生命科學其他分支生命科學其他分支結合結合進化生態學進化生態學 農業生態學農業生態學 醫學生態學醫學生態學 工業資源生態學工業資源生態學 環境保護生態學環境保護生態學 環境生態學環境生態學

4、 生態信息學生態信息學 城市生態學城市生態學 景觀生態學景觀生態學 .個體生態學個體生態學研究研究一個生物一個生物個體個體或或一種生物一種生物多個個體多個個體與與環境環境之間的關系；之間的關系；族群生態學族群生態學研究研究一種一種或或親緣關系較近的幾種生物親緣關系較近的幾種生物種種群群與與環境環境之間的關系；之間的關系；群落生態學群落生態學研究生活在研究生活在同一環境中同一環境中的的所有生物所有生物與與環環境境之間的關系之間的關系文化生態學文化生態學研究研究文化的集群文化的集群和和競爭的環境競爭的環境對于對于文化文化進程的進程的影響與推動作用影響與推動作用.v生態系統（生態系統（Ecosyst

5、emEcosystem）是自然界一定空間的）是自然界一定空間的生物與環境之間相互作用、相互制約，不斷演生物與環境之間相互作用、相互制約，不斷演變，達到動態平衡、相對穩定的統一整體，是變，達到動態平衡、相對穩定的統一整體，是具有一定結構和功能的單位。具有一定結構和功能的單位。 英國生態學家阿瑟英國生態學家阿瑟喬治喬治斯坦利斯坦利（原文）Ecosystem is the whole system, including not only the organism-complex, but also the whole complex of physical factors forming what

6、we call the environment 生態系統無生命物質生產者消費者分解者1 1）生產者：指能進行光合作用的各種綠色植物、藍綠藻）生產者：指能進行光合作用的各種綠色植物、藍綠藻和某些化能合成細菌。又稱為自養生物。和某些化能合成細菌。又稱為自養生物。2 2）消費者：指以其他生物為食的各種動物（植食動物、）消費者：指以其他生物為食的各種動物（植食動物、肉食動物、雜食動物和寄生動物等）肉食動物、雜食動物和寄生動物等）3 3）分解者：指分解動植物殘體、糞便和各種有機物的細）分解者：指分解動植物殘體、糞便和各種有機物的細菌、真菌、原生動物、蚯蚓和禿鷲等食腐動物。消費者菌、真菌、原生動物、蚯蚓和

7、禿鷲等食腐動物。消費者和分解者又稱為異養生物。和分解者又稱為異養生物。4 4）無生命物質：包括無機物、有機物和自然因素；）無生命物質：包括無機物、有機物和自然因素； 無機物：包括氮、氧、二氧化碳和各種無機鹽等。無機物：包括氮、氧、二氧化碳和各種無機鹽等。 有機物：包括蛋白質、糖類、脂類和土壤腐殖質等。有機物：包括蛋白質、糖類、脂類和土壤腐殖質等。 自然自然因素：包括太陽輻射、溫度、濕度、風和降水等因素：包括太陽輻射、溫度、濕度、風和降水等v根據生態條件：水生生態系統和陸地生態系統根據生態條件：水生生態系統和陸地生態系統l水生生態系統：海洋生態系統和淡水生態系統；水生生態系統：海洋生態系統和淡水

8、生態系統；淡水生態系統：流水生態系統和靜水生態系統。淡水生態系統：流水生態系統和靜水生態系統。l陸地生態系統：森林、草原、荒漠、高山等。陸地生態系統：森林、草原、荒漠、高山等。森林生態系統：熱帶、亞熱帶、溫帶和寒溫帶森林等。森林生態系統：熱帶、亞熱帶、溫帶和寒溫帶森林等。l過渡生態系統：濕地生態系統。過渡生態系統：濕地生態系統。 濕地生態系統：濕地生態系統：不問其為天然或人工、常久或暫時之沼澤地、濕不問其為天然或人工、常久或暫時之沼澤地、濕原、泥炭地或水域地帶原、泥炭地或水域地帶, ,帶有靜止或流動、或為淡水、半咸水或帶有靜止或流動、或為淡水、半咸水或咸水水體者咸水水體者, ,包括低潮時水深不

9、超過包括低潮時水深不超過6m6m的水域的水域。（19711971年，拉姆薩爾，年，拉姆薩爾，關于特別是作為水禽棲息地的國際重要濕地公約關于特別是作為水禽棲息地的國際重要濕地公約）v根據人為的影響或干預程度根據人為的影響或干預程度l自然生態系統：沒有或者沒有明顯地被人類改造的生態系統自然生態系統：沒有或者沒有明顯地被人類改造的生態系統熱帶雨林、海洋、江河湖泊、高山；熱帶雨林、海洋、江河湖泊、高山；l人工生態系統：以人類活動為生態環境中心，按照人類的理想要人工生態系統：以人類活動為生態環境中心，按照人類的理想要求建立的生態系統。求建立的生態系統。城市、農田、人工造林、人工濕地、草坪等。城市、農田、

10、人工造林、人工濕地、草坪等。l半自然生態系統：半自然生態系統：一個經過人類改造，但仍保留著本身重要元素一個經過人類改造，但仍保留著本身重要元素的生態系統的生態系統。自然保護區、農業生態系統等。自然保護區、農業生態系統等。v生物圈生物圈2 2號工程（號工程（Biosphere 2Biosphere 2）v 美國為了美國為了探索生態系統奧秘探索生態系統奧秘，試驗人類離開地球能否生存，試驗人類離開地球能否生存，在在亞利桑那州圖森市亞利桑那州圖森市以北沙漠中建造的幾乎完全與外部世界隔絕以北沙漠中建造的幾乎完全與外部世界隔絕的、內部有著的、內部有著類似地球的各種生態系統類似地球的各種生態系統的科學實驗基

11、地。的科學實驗基地。生物圈生物圈2 2號實驗失敗最主要的啟示是：號實驗失敗最主要的啟示是：目前最好的辦法還是保護和目前最好的辦法還是保護和利用好地球，進行環境保護和生態恢復是實現人類可持續發展的利用好地球，進行環境保護和生態恢復是實現人類可持續發展的必由之路必由之路。 v由美國前橄欖球運動員由美國前橄欖球運動員 約翰約翰艾倫發起艾倫發起, ,并與幾家財團聯手出資并與幾家財團聯手出資, ,委托空委托空間生物圈風險投資公司承建間生物圈風險投資公司承建, ,歷時歷時8 8年年, ,耗資耗資1.51.5億美元，占地億美元，占地1.31.3萬萬m m2 2，采用，采用了全封閉的鋼筋與玻璃結構，僅有陽光、

12、電和信息與外界相通。引入了了全封閉的鋼筋與玻璃結構，僅有陽光、電和信息與外界相通。引入了38003800多種生物多種生物( (植物、動物、微生物植物、動物、微生物) )布置成森林生態系統、草地生態系統、布置成森林生態系統、草地生態系統、水和沼澤生態系統、農田生態系統和海洋生態系統，還有供研究人員生活水和沼澤生態系統、農田生態系統和海洋生態系統，還有供研究人員生活用的樓房和人造風雨設施。設計壽命用的樓房和人造風雨設施。設計壽命100100年。年。19911991年年9 9月月2626日投入運行，并日投入運行，并進行實驗。進行實驗。19961996年年9 9月，由數百名科學家組成的委員會對實驗進行

13、了總結。月，由數百名科學家組成的委員會對實驗進行了總結。到后期，到后期，“生物圈生物圈2 2號號”中的植物幾乎滅絕，必須注入氧氣才能維持人員生中的植物幾乎滅絕，必須注入氧氣才能維持人員生存。他們認為，在現在技術條件下，人類無法模擬一個類似地球、可供人存。他們認為，在現在技術條件下，人類無法模擬一個類似地球、可供人類生存的生態環境。類生存的生態環境。 生物圈生物圈2 2號實驗失敗的原因：氧氣未能順利循環。號實驗失敗的原因：氧氣未能順利循環。v迷你地球迷你地球v迷你地球迷你地球”位于日本北部沿海的青森縣六所村，面積只有位于日本北部沿海的青森縣六所村，面積只有47004700平平方米方米，是，是3

14、3個由不銹鋼走廊連接的體育館式建筑。整套設施耗資個由不銹鋼走廊連接的體育館式建筑。整套設施耗資65006500萬美元萬美元，于，于20002000年建成，眼下研究人員已經開始進行前期試驗。年建成，眼下研究人員已經開始進行前期試驗。v模擬封閉空間內氧氣和二氧化碳在植物、人類和動物之間的循環模擬封閉空間內氧氣和二氧化碳在植物、人類和動物之間的循環v2 2個人，個人，2 2只羊只羊v新華網東京月日電（記者何德功）日本在封新華網東京月日電（記者何德功）日本在封閉空間閉空間“迷你地球迷你地球”進行的為期一周自給自足的實驗進行的為期一周自給自足的實驗日順利結束，日順利結束，“迷你地球迷你地球”送走了第一批

15、送走了第一批“迷你迷你地球人地球人”。參加實驗的研究員筱原正典在當天的記者招待會參加實驗的研究員筱原正典在當天的記者招待會上說：上說：“兩名兩名迷你地球人迷你地球人靠自己培育的植物釋放靠自己培育的植物釋放出的氧氣度過一周時光，我感到實在了不起。通過這出的氧氣度過一周時光，我感到實在了不起。通過這次實驗自己對植物更加情有獨鐘，今后會更珍愛植次實驗自己對植物更加情有獨鐘，今后會更珍愛植物。物?！斌阍錅蕚淠暝隗阍錅蕚淠暝凇懊阅愕厍蛎阅愕厍颉本幼【幼€月，向封閉空間發起新的挑戰。個月，向封閉空間發起新的挑戰。“迷你地球迷你地球 ” ”實驗從本月日開始，實驗的目的之一實驗從本月日開始，實驗的目的

16、之一是，調查食物等所含的碳是如何在生態系統中循環的。是，調查食物等所含的碳是如何在生態系統中循環的?！懊阅愕厍蛎阅愕厍颉笔侨毡矩攬F法人環境科學技術研究所是日本財團法人環境科學技術研究所年建造的，總面積平方米，其中的空間年建造的，總面積平方米，其中的空間全部密封，在密封空間里除了植物栽培區外，還有羊圈和全部密封，在密封空間里除了植物栽培區外，還有羊圈和供兩名研究人員居住的一室一廳。兩名研究人員和兩只山供兩名研究人員居住的一室一廳。兩名研究人員和兩只山羊靠吃在植物栽培室收獲的大米和蔬菜生活了一周。羊靠吃在植物栽培室收獲的大米和蔬菜生活了一周?？茖W家預計，人類到年可以到月球旅行，科學家預計，人類到年

17、可以到月球旅行，年登上火星會夢想成真，年登上火星會夢想成真，“迷你地球迷你地球”作為一種宇作為一種宇宙空間生存技術將來不可缺少。宙空間生存技術將來不可缺少。h http:/ 2號最大的區別之一是，我們花費了大量號最大的區別之一是，我們花費了大量的金錢和時間來設計和建立支持生命的系統。的金錢和時間來設計和建立支持生命的系統?！薄懊阅愕厍蛎阅愕厍颉睕]有使用土壤和依賴微生物，而是沒有使用土壤和依賴微生物，而是使用使用機器來人工分解和處理廢料機器來人工分解和處理廢料。這個人工支持部分占據了整。這個人工支持部分占據了整個場地的個場地的 1/41/4。支持系統的中心部分是復原氧氣的處理機，支持系統的中心部

18、分是復原氧氣的處理機，使用高溫和電解水的辦法從二氧化碳中重新獲得氧氣。使用高溫和電解水的辦法從二氧化碳中重新獲得氧氣。新新田認為，田認為，“迷你地球迷你地球”所使用的機械甚至比美國航空航天所使用的機械甚至比美國航空航天局為國際空間站研發的同類設備效率更高。局為國際空間站研發的同類設備效率更高?！拔蚁嘈旁谶@我相信在這里開發的技術將來可以用于航天項目里開發的技術將來可以用于航天項目”。 兩位科學家的兩位科學家的生活區域生活區域也也占據占據了了“迷你地球迷你地球”的的1/41/4面積面積，有兩張床、電腦和固定的腳踏健身車。房間的角落，有兩張床、電腦和固定的腳踏健身車。房間的角落安置著攝像頭，以監控他

19、們的安全狀況。相鄰的房間是用安置著攝像頭，以監控他們的安全狀況。相鄰的房間是用來飼養動物的。目前已有兩頭山羊接受了來飼養動物的。目前已有兩頭山羊接受了3 3周的血壓、體周的血壓、體溫和心臟情況監視，以確定它們是否能夠適應封閉的環境。溫和心臟情況監視，以確定它們是否能夠適應封閉的環境。研究人員還嘗試在可以調控溫度、濕度和光線的房間里種研究人員還嘗試在可以調控溫度、濕度和光線的房間里種植水稻和大約植水稻和大約3030種蔬菜。居住在種蔬菜。居住在“迷你地球迷你地球”內部的人只內部的人只能能從外部得到電力供應和信息從外部得到電力供應和信息。內外聯系是通過電話、電內外聯系是通過電話、電子郵件和因特網來實

20、現的子郵件和因特網來實現的。http:/ 食物鏈食物鏈和和食食物網物網是實現這是實現這些功能的保證些功能的保證 v食物鏈：各種生物之間存在著的取食和被取食物鏈：各種生物之間存在著的取食和被取食關系，物質和能量通過這種關系在生態系食關系，物質和能量通過這種關系在生態系統內傳遞。統內傳遞。 英國動物學家英國動物學家埃爾頓埃爾頓（C.S.EitonC.S.Eiton），），19271927年，首年，首次提出，次提出，“大魚吃小魚，小魚吃蝦米大魚吃小魚，小魚吃蝦米” 食物鏈類型：捕食性、寄生性、腐生性、碎食性等食物鏈類型：捕食性、寄生性、腐生性、碎食性等v食物網：實際上許多食物鏈經常相互交叉，食物網：

21、實際上許多食物鏈經常相互交叉，形成復雜的捕食關系，這種關系又稱為食物形成復雜的捕食關系，這種關系又稱為食物網。網。 v一般情況下，食物網越復雜生態系統就越穩一般情況下，食物網越復雜生態系統就越穩定。因為食物網中某個環節（物種）缺失時，定。因為食物網中某個環節（物種）缺失時，其他相應環節能起補償作用。相反食物網越其他相應環節能起補償作用。相反食物網越簡單，則生態系統越不穩定。簡單，則生態系統越不穩定。v物種之間的關系：競爭關系、共生關系物種之間的關系：競爭關系、共生關系 J食物鏈上的各個環節稱為營養級。生產者為第一營養級，一食物鏈上的各個環節稱為營養級。生產者為第一營養級，一級消費者為第二營養級

22、，依此類推。級消費者為第二營養級，依此類推。J營養級一般只有營養級一般只有4 45 5級。凡在同一層次上的生物都屬于同一級。凡在同一層次上的生物都屬于同一營養級，同一生物也可能隸屬于不同的營養級。營養級，同一生物也可能隸屬于不同的營養級。J低位營養級是高位營養級營養和能量的供應者。但是，能量低位營養級是高位營養級營養和能量的供應者。但是，能量在食物網中流動時，轉移效率很低。低位營養級儲存的能量在食物網中流動時，轉移效率很低。低位營養級儲存的能量只有只有1010左右被高位營養級利用，這在生態學上稱為左右被高位營養級利用，這在生態學上稱為1010定定律。為了保證生態系統中能量的流通，自然界就形成了

23、生物律。為了保證生態系統中能量的流通，自然界就形成了生物量金字塔和能量金字塔。量金字塔和能量金字塔。 生態系統中能量的生態系統中能量的輸入輸入、傳遞傳遞和和散失散失的過的過程。程。v地球是一個開放系統存在著能量的輸入和輸出；地球是一個開放系統存在著能量的輸入和輸出；v能量輸入的根本來源是太陽能；能量輸入的根本來源是太陽能；v光合作用是植物固定太陽能的唯一有效途徑；光合作用是植物固定太陽能的唯一有效途徑；v化石燃料則在過去地質年代固定和儲存了太陽能；化石燃料則在過去地質年代固定和儲存了太陽能；v根據熱力學第一定律，能量可以從一種形式轉化為另一根據熱力學第一定律，能量可以從一種形式轉化為另一種形式

24、，在轉化的過程中，能量既不會消失，也不會增種形式，在轉化的過程中，能量既不會消失，也不會增加，這就是能量守恒原理；加，這就是能量守恒原理； v根據熱力學第二定律，能量的流動總是從集中到分散，根據熱力學第二定律，能量的流動總是從集中到分散，從能量高向能量低的方向傳遞。從能量高向能量低的方向傳遞。 1941 1941年美國耶魯大學生態學家林德曼發表了年美國耶魯大學生態學家林德曼發表了一個老年一個老年湖泊內的食物鏈動態湖泊內的食物鏈動態的研究報告。他對萬平方米的湖的研究報告。他對萬平方米的湖泊作了野外調查和研究后用確切的數據說明，生物量從綠色泊作了野外調查和研究后用確切的數據說明，生物量從綠色植物向

25、食草動物、食肉動物等按食物鏈的順序在不同營養級植物向食草動物、食肉動物等按食物鏈的順序在不同營養級上轉移時，有穩定的數量級比例關系，通常后一級生物量只上轉移時，有穩定的數量級比例關系，通常后一級生物量只等于或者小于生物量的。林德曼把生態系統中能量等于或者小于生物量的。林德曼把生態系統中能量的不同利用者之間存在的這種必然的定量關系，叫做的不同利用者之間存在的這種必然的定量關系，叫做“十分十分之一定律之一定律”。 林德曼的理論為生態科學打下了理論基礎。林德曼的理論為生態科學打下了理論基礎。 在生態系統的各個組成部分之間，不在生態系統的各個組成部分之間，不斷進行著物質循環。斷進行著物質循環。氫、氧、

26、二氧化碳氫、氧、二氧化碳、碳碳、氮氮、硫硫、磷磷是構成生命有機體的主要是構成生命有機體的主要物質，也是自然界中的主要元素。生物圈物質，也是自然界中的主要元素。生物圈中這些元素的循環在生命活動中起著重要中這些元素的循環在生命活動中起著重要作用。作用。 v碳是構成生物體的基本元素，占生物總質量碳是構成生物體的基本元素，占生物總質量約約25%。在無機環境中，大多以二氧化碳和。在無機環境中，大多以二氧化碳和碳酸鹽的形式存在。碳酸鹽的形式存在。v 碳循環以（通過植物呼吸或發酵；通過動物碳循環以（通過植物呼吸或發酵；通過動物呼吸；通過化石、礦物質、天然氣等燃燒）呼吸；通過化石、礦物質、天然氣等燃燒）三種方

27、式實現。三種方式實現。v氮是形成蛋白質、氨基酸和核酸的主要成份，氮是形成蛋白質、氨基酸和核酸的主要成份，是生命的基本元素。是生命的基本元素。v大氣中含量豐富的氮絕大部分不能被生物直大氣中含量豐富的氮絕大部分不能被生物直接利用。大氣氮進入生物有機體的主要途徑接利用。大氣氮進入生物有機體的主要途徑有：有：生物固氮；生物固氮；工業固氮；工業固氮；巖漿固氮；巖漿固氮；大氣固氮大氣固氮( (閃電固氮、宇宙線作用等）閃電固氮、宇宙線作用等） 地球上的硫大部分地球上的硫大部分存在于巖石、礦物存在于巖石、礦物和海底沉積物中。和海底沉積物中。 大氣圈中硫的大氣圈中硫的1/3來來自人類活動，其中自人類活動，其中2

28、/3來自含硫化石燃來自含硫化石燃料（煤和石油）的料（煤和石油）的燃燒，其余來自煉燃燒，其余來自煉油、冶金工業和其油、冶金工業和其它工業過程。它工業過程。 l磷是生物的重要營養成份，主要以磷酸磷是生物的重要營養成份，主要以磷酸鹽的形式存在。鹽的形式存在。l磷是攜帶遺傳信息磷是攜帶遺傳信息DNA的組成元素，是的組成元素，是動物骨骼、牙齒和貝殼的重要組成。動物骨骼、牙齒和貝殼的重要組成。 l物質循環具有全球范圍性、物質循環具有全球范圍性、反復性。反復性。l信息傳遞是生態系統的重要功能之一。信息傳遞是生態系統的重要功能之一。 生物之間交流的信息是生態系統中的重要內容生物之間交流的信息是生態系統中的重要

29、內容, ,通過通過它可以把同一物種之間它可以把同一物種之間, ,以及不同物種之間的以及不同物種之間的“意愿意愿”表表達給對方達給對方, ,從而在客觀上達到自己的目的。從而在客觀上達到自己的目的。l信息信息（覓食、求偶、警告）（覓食、求偶、警告）形式主要有四種形式主要有四種: :1 1）物理信息）物理信息2 2）化學信息）化學信息3 3）營養信息）營養信息4 4）行為信息）行為信息1 1）物理信息）物理信息由聲、光和顏色等構成；由聲、光和顏色等構成； （貓頭鷹、螢火蟲、毒蛇）（貓頭鷹、螢火蟲、毒蛇）2 2）化學信息）化學信息生物代謝作用產物產生的生物代謝作用產物產生的化學物質；化學物質； （酶、生長素、性誘激素）（酶、生長素、性誘激素） 動物的氣味；動物的氣味； 豬籠草豬籠草3 3）營養信息）營養信息由食物和養分構成（食物鏈）；由食物和養分構成（食物鏈）；4 4）行為信息）行為信息（無論是否同一種群）用不同的（無論是否同一種群）用不同的行為動作傳遞不同的信息行為動作傳遞不同的信息。（蜜蜂的（蜜蜂的8 8字舞、）字舞、）能量流動能量流動是單向流動是單向流動, ,逐級遞減逐級遞減; ;物質循環物質循環具有全