环境学课件第六章大气污染及其控制2.ppt

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1、第三章 生态学基础,Ecological Principles,3,生态学的含义、研究内容及其发展,第一节,本章内容,生态系统,第三节,生态系统的功能,第四节,生态平衡与失衡,第五节,生态学的一般规律,第六节,生态学在环境保护中的应用,第七节,种群、群落的基本知识,第二节,环境学和生态学有何关系？,非洲的毛里求斯，曾有两种特有的生物，一种是渡渡鸟，另一种是大颅榄树。渡渡鸟是一种不会飞的鸟，它身体大，行动迟缓，样子有点丑陋。由于没有天敌，它们在树林里建窝孵蛋，繁殖后代。大颅榄树是一种珍贵的树木，树干挺拔，木质坚硬，树冠秀美。渡渡鸟在其间生活。 十六七世纪，带着来福枪和猎犬的欧洲人来到毛里求斯。不

2、会飞、跑不快的渡渡鸟被枪打狗咬，鸟飞蛋打，没有多少年越来越少。1681年，最后一只渡渡鸟也被人类杀死了！,案例,奇怪的事情发生了，自从渡渡鸟灭绝以后，大颅榄树也日渐稀少，似乎患上了不育症。到20世纪80年代，毛里求斯只剩下13株大颅榄树了，眼看这种树木就要从地球上消失了。 1981年，美国生态学家坦普尔来到毛里求斯，他细心地测定了大颅榄树的年轮，发现树龄正好是300年，也就是说，渡渡鸟灭绝之日，也正是大颅榄树绝育之时。他终于在找到的一个渡渡鸟遗骸中发现了秘密：在渡渡鸟的遗骸中发现了几颗大颅榄树的种子，原来渡渡鸟喜欢吃这种树木的果实。 他把大颅榄树的种子给与渡渡鸟比较相似的吐绶鸟吃下后，从粪便中

3、排出种子的外壳被消化了一层，种在苗圃后，终于发出了新芽。,第一节 生态学的含义、研究内容及其发展,一、生态学的含义,生态学（Ecology）一词最早是由德国生物学家黑格尔于1869年提出的。他把生态学定义为“自然界的经济学”。其英文词首和经济学（Economics）是相同的，均来自于希腊文，表示家庭居处或环境的意思，可见，生态学与经济学、家庭、环境等有着密切的关系。后来有的学者把生态学定义为“研究生物或生物群体与其环境的关系，或生活着的生物与其环境之间相互联系的科学”。,我国著名生态学家马世骏把生态学定义为“研究生物与环境之间相互关系及其作用机理的科学”。生态学中所说的生物包含植物、动物和微生

4、物。最近，由于人类环境问题和环境科学的发展，生态学也扩展到人类生活和社会形态等方面，把人类这一生物物种也列入生态系统中，来研究并阐明整个生 物圈内生态系统的相互关系问题。,二、生态学的研究内容,1、以自然生态系统为对象：探索环境对生物的作用，以及生物对环境的反作用，及其相互关系的规律。,2、以人工生态系统或半自然生态系统为对象：研究不同区域系统的组成、结构、功能。当前研究的主要内容。纯粹自然生态系统已很少，大多为受干扰的（disturbed）生态系统。,3、以社会生态系统为对象：生态学与社会经济的结合。,生态学原是一门研究生物与其生活环境相互关系的科学，是生物学的重要分科之一。初期主要研究植物

5、，后来逐渐涉及动物和人类。目前，随着现代科学技术的发展并向生态学的不断渗透，赋予它新的内容和动力，使其成为多学科、较活跃的科学领域之一。,三、生态学的发展,生态学发展过程中的三个主要特点： 从定性探索生物与环境的关系，到定量研究。 从个体生态系统到复杂生态系统，由单一到综合，由静态到动态地认识自然界的物质循环与转化规律。 与基础科学、应用科学相结合，发展了生态学，扩展了生态学的领域。,第二节 种群、群落的基本知识,种群（Population）：某特定时间，栖居在某个自然区域内的同种有机体的组合（一定空间里某种个体的组合）。 种群大小: 指一个种群的个体数目多少。可以用以下指标来衡量。 种群数量

6、：一定面积或容积中某个种的个体总数。 种群密度：单位面积或单位容积内的个体数目。,一、种群的定义及其数量变动原因,迁出 （）,迁入 （）,出生 （）,种群 数量,死亡 （）,种群数量变动取决于出生率和死亡率，迁入和迁出这两组因素。,种群数量变动的因素,A型（凸型）：绝大多数个体都能活到生理年龄，早期死亡率极低 ，但一旦达到一定生理年龄时，短期内几乎全部死亡。 B型（对角线型）：种群各年龄的死亡基本相同。 C型（凹型）：生命早期有极高的死亡率，但是一旦活到某一年龄，死亡率就变得很低而且稳定。,以存活数量的对数值为纵坐标，以年龄为横坐标作图，从而把每一个种群的死亡存活情况绘成一条曲线，这条曲线即是

7、存活曲线（survivorship curve ）。,存活曲线,性比（sex ratio）:种群中雌性与雄性在数量上的比例,是推测种群未来发展趋势的一项指标。 年龄结构（年龄组成、年龄分布,age ratio）：种群内各个体的年龄分布状况，即各个年龄级的个体数在整个种群个体总数中占的百分数，可反映种群当时的发育阶段，并预示种群数量变化动态和发展趋势。,性比和年龄结构,A增长型：幼年个体占最大百分数，老年最少，总数呈上升趋势。 B稳定型：各年龄级的个体数分布比较均匀，种群的大小趋于稳定。 C衰退型：与A相反,老年个体数很大,幼年个体数很少，种群数量趋于减少。,二、种群数量变动规律,时间t之末的种

8、群数NtN0(b-d） N0为起始种群数，b为出生数，d为死亡数。 种群在单位时间内或某一瞬间增长率（r） r（）（Nt-N0）/N0100 dN/dt=rN （设环境资源不受限制，增长率r为一恒值） 其指数式为Nt = N0ert (e为自然对数的底），表示 种群在这种环境状况下呈指数式增长。 按指数当r0时，种群曲线形式无限制地增长，呈“J”字型指数生长曲线；当r=0时，则Nt=N0；当r0时，种群衰退。,逻辑斯谛增长方程（Logistic growth equation）曲线,环境负荷量：实际上，在一定的空间时间下，环境条件（包括资源、食物、生活空间等）是有限的，它所能支持的种群最大数量

9、也是有限的，其极限值，即环境负荷量用K表示。 Verhulst(1839)及Pearl和Reed(1920)最早提出描述公式，即逻辑斯谛增长方程：dN/dt=rN(K-N)/K;K为环境负荷量 当KN0,种群增长； 当KN0,种群个体数目减少； 当KN=0,种群大小基本处于稳定的平衡状态； 上式积分得：NK/(1+ea-rt);式中a=r/K 此方程画出的曲线开始时呈指数增长趋势，后来增长趋势 逐渐缓慢，最后（在接近环境负荷量K时）达到比较稳定的停滞 水平，呈现“S”形。,生物势：生物在没有任何限制的环境中增长的潜在速率。又称内禀增长率（r）。,环境阻力：环境因素限制生物增殖的力量。（KN）/

10、K表示在J形和S形曲线之间。,生物势与环境阻力,三、群落的基本概念,群落（population ）：由不同种的种群有规律的集合体。 “有规律”体现在: 1、通过一定的发展过程,植物群落是强调在长期历史过程中发展而成。 一定的外貌 结构 种类组成。,群落并不是各种生物杂乱的堆积或相加。注意区别偶然的“群聚”。,一个池塘生物群落,多种水生植物种群 多种浮游动物种群 多种浮游植物种群 多种底栖生物种群 多种细菌种群 多种鱼类种群 ,外貌 结构 种类组成,具有一定功能，并与环境相互影响,2、群落内种群和种群之间，种群和环境之间已建立一定的联系。,外部的“样子”（外观），是群落长期适应外界环境的一种外部

11、表征。 生活型：指植物在外界综合环境的长期作用下，所显示的适应形态。 生活型谱：不同的气候区域中的植物区系里，各种植物类型（生活型）的对比关系是不同的， 这种对比关系，叫生活型谱。,植物群落的外貌,若恩开尔生活型（C. Raunkiaer）：分类基础是以植物渡过不利时期对恶劣条件的适应形式，即根据抵抗芽（休眠芽）所处的位置高低来划分，把高等植物划分成5类： 高位芽植物：乔、灌木、热带草本；15亚类 地上芽植物：抵抗芽离地不超过30 cm；4亚类 地面芽植物：仅地面处有芽；3亚类 地下芽（隐芽）植物：土表之下或水面之下有芽存活；7亚类 一年生种子植物：以种子的形式渡过不良季节。,群落的水平结构：

12、群落的水平结构主要表现特征是镶嵌性。镶嵌性表明植物种类在水平方向上的不均匀配置，它使群落在外形上表现为斑块相间的现象，具有这种特征的群落叫做镶嵌群落。在镶嵌群落中，每一个斑块就是一个小群落，小群落具有一定的种类成分和生活型组成，它们是整个群落的一小部分。 生态位（niche）：指生态系统中（或群落中）一个生物种群的功能作用以及它在时间和空间上的地位。,四、群落的结构与分布,群落的垂直结构：大多数群落的内部都有垂直分化现象，即成层现象。,演替（succession）是指群落经过一定历史发展的时期，由一种类型变为另一种类型的顺序进程。 演替的动力 内因动态演替 外因动态演替 演替的基本类型 原生演

13、替（primary succession ） 次生演替（secondary succession）,五、群落的演替与环境因子的关系,原生演替,次生演替,演替的顶级理论,演替顶级（Climax）是Clements首先提出。Oosting(1956)给予完整概念。 演替顶级就是这样的一个群落，它们的种类在综合彼此之间发展起来的环境中很好地互相适合；它们能够在群落内繁殖而且能排除新的种类，特别是可能成为优势种的种类在群落内的定居。也就是说，群演替顶级是群落演替的最终阶段。,第三节 生态系统,1935年，英国生态学家，阿瑟乔治坦斯利爵士受丹麦植物学家叶夫根尼温的影响，首次提出生态系统的概念。认为：生态

14、系统是一个“系统的”整体。这个系统不仅包括有机复合体，而且包括形成环境的整个物理因子复合体这种系统是地球表面上自然界的基本单位，它们有各种大小和种类）。,一、生态系统概述,海洋生态系统,湿地生态系统,森林生态系统,城市生态系统,生态系统的组成成分是指系统内所包括的若干类相互联系的各种因素。生态系统是由两大部分、四个基本成分组成。 两大部分：生物和非生物环境，也称之为生命系统和环境系统或称生命成分和非生命成分； 四个基本成分：生产者，消费者，还原者和非生物环境。其中前三者属于生命成分部分，后者为非生命成分部分。,二、生态系统的组成,生态系统的组成成分及其相互关系,生产者：主要是绿色植物，凡能进行

15、光合作用制造有机物的植物种类，包括单细胞藻类，均属于生产者。还有一些能利用化学能把无机物转化为有机物的化能自养型微生物，也应列入生产者之列。,消费者:主要是动物，又分为：一级消费者（如草食性动物）；二级消费者（如肉食动物）；等等。,分解者：指各种具有分解能力的微生物，也包括一些微型动物，如鞭毛虫，土壤线虫等。,微生物（真菌）橙盖伞分解者,无生命物质：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）。,岩石,矿物,土壤,空气,水体,三、生态系统的结构,生态系统的群落结构,生态系统中，由食物关系把多种生物联接起来，一种生物以另一种生物为食，另一种生物再以第三种生物为食，

16、彼此形成一个以食物联接起来的链锁关系，称为食物链。 在一个生态系统中，食物关系往往复杂，各种食物链相互交错，形成所谓食物网。,生态系统的营养结构,营养级：指处于食物链某一环节上的全部生物种的 总和，因此营养级之间的关系是指一类生物和处于不 同营养层次上另一类生物之间的关系。,生态金字塔：指 各个营养级之间某 种数量关系，这种 数量关系可采用生 物量单位、能量单 位或个体数量单位， 采用这些单位构成 的生态金字塔分别 称为生物量金字塔、 能量金字塔和数金 字塔。,为什么肉类食品的价格比小白菜价格高? 为什么说“一山不容二虎”？ 食物链一般不超过五个营养级？,生态系统的空间结构,1、按生态系统空间

17、环境性质 即按生态系统所处的地 理区域的空间性质分类： （1）淡水生态系统 （2）海洋生态系统 （3）陆地生态系统 根据植被类型和地貌的不 同，陆地生态系统又可分为 森林、草原、荒漠、湿地等 生态系统。,四、生态系统的类型,淡水生态系统,海洋生态系统,森林生态系统,草原生态系统,荒漠生态系统,湿地生态系统,2、按人类对生态系统的影响程度 （1）自然生态系统 （2）人工生态系统 （3）半自然生态系统,（一）生态系统是开放的“自持系统” （二）生态系统是动态功能系统 （三）生态系统具有自动调节的功能 （四）生态系统具有一定的区域特征,五、生态系统的特征,第四节 生态系统的功能,一、生态系统中能量流

18、动 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。 热力学第二定律告诉我们：“熵在增加”。根据这一定律， 从一种能向另一种能的任何转换都不是完全有效的，能的消费 是不可逆的过程。在能量的转换过程中，总有一些能量失掉 了。因此，如果没有新的能量从外部投入，一个封闭系统最终 会耗尽其能量。,生态系统中能量流动,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。一般说来，能量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，而后者所获得的能量大体等于前者所含能量的1/10

19、，这就是说，在能量流动过程中，约有9/10的损失掉了。,环境卡片能量流动的1/10规律,二、生态系统中物质流动 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。,三、生态系统中信息流动 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

20、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。,环境专栏北极狐和北极兔 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。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。北极兔的数量多，怀双胎；数量少则怀单胎。这对于维持生态系统的平衡是至关重要的。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。,北极狐,北极兔,第五节 生态平衡与失衡,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

21、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：即结构上的平衡、功能上的平衡以及输 入和输出物质数量上的平衡。,一、生态平衡,生态平衡是相对的平衡、动态的平衡。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。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。,1、自然因素：火山、海啸、地震、台风、水旱灾等

22、；,二、破坏生态平衡的因素,火山爆发,海啸,地震,台风,2、人为因素：主要指人类对自然资源的不合理利 用、盲目发展生产带来的环境污染等问题。 （1）物种改变引起生态平衡破坏； （2）环境因素改变引起生态平衡 破坏； （3）信息系统的破坏引起生态平 衡破坏。,杀人蜂,澳大利亚兔子成灾,环境污染,信息系统的破坏,环境专栏人类对生态系统的影响达到极限,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

23、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。,第六节 生态学的一般规律,相互依存与相互制约，反映了生物间的协调关系，是构成生物群落的基础。生物间的这种协调关系主要分为两类： 1、普遍的依存与制约，亦称“物物相关”规律。有相同生理、生态特性的生物，占据与之相适宜的小生境，构成生物群落或生态系统。系统中不仅同种生物相互依存、相互制约，异种生物（系统内各部分）间也存在依存与制约的关系；不同群落或系统之间，也同样存在依存与制约关系，亦 可说彼此影响。,一、相互依存与相互制约规律,2、通过“食物”而相互联系与制

24、约的协 调关系，亦称为“相生相克”规律。 具体形式就是食物链和食物网。即每一种生物在食物链或食物网中，都占据一定的位置，并具有特定的作用。各生物物种之间相互依赖、彼此制约、协同进化。被食者为捕食者提供生存条件，同时又为捕食者控制；反过来，捕食者又受制于被食者，彼此相生相克，使整个体系（或群落）成为协调的整体。,二、物质循环与再生规律,生态系统中，植物、动物、微生物和非生物成分，借助能量的不停流动，一方面不断地从自然界摄取物质并合成新的物质，另一方面又随时分解为原来的简单物质，即所谓“再生”，重新被植物所吸收，进行着不停顿的物质循环。,三、物质输入输出的动态平衡 规律,物质的输入输出规律又称为协

25、调稳定规律，它涉及生物、环境和生态系统三个方面。当一个生态系统不受人类活动干扰时，生物与环境之间的输入与输出，是相互对立的关系，生物体进行输入时，环境必然进行输出，反之亦然。生物体一方面从环境摄取物质，另一方面又向环境排放物质，以补偿环境的损失（这里的物质输入和输 出，包含着量和质两个指标）。,四、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。或者说，生物给环境以影响，反过来环境也会影响生物。如：生物在土壤形成过程中的作用。,五、环境资源的有效极限规律,任何生态系统中作为生物赖以生存的各种环境资源，在质量、数量、空间和时间等等方面，都有其一定的限度，不能无限制地供给，

26、因而其生物生产力通常都有一个大致的上限。也因此，每一个生态系统对任何的外来干扰都有一定的忍耐极限；当外来干扰超过这一极限时，生态系统就会被损伤、破坏、以致瓦解。如：草场的退化、森林的过度采伐和过量捕鱼等。,第七节 生态学在环境保护中的应用,即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；不仅要考虑本地区，还要考虑有关的其他 地区。（建设项目必须进行环境影响评价）,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,案例一：南水北调工程,案例二：三峡工程,产生的生态与环境问题,1、不可逆转的生态环境问题：可以补救、挽回部分损失,淹没耕地； 淹没文物古

27、迹； 影响珍稀水生生物,2、可逆转的生态环境问题：可以有效控制、减轻不利影响,水土流失和库区人地矛盾：调整农业结构，发展大农业和生态农业；改造中低产田，建高标准水平梯田；移民外迁；加强生态治理和水土保持工作 泥沙问题：蓄清排浑；整治港口，疏浚航道,3、负面效应小：防止危害发生或者减小到最低限度,水库诱发地震； 影响珍稀陆生生物,如大气污染物的高烟囱排放、水体净化、 土地处理系统（污水灌溉）。,二、充分利用生态系统的调节能力,实例 土地处理系统,净化机制,植物根系的吸收、转化、降解与合成作用； 土地中真菌、细菌等微生物还原降解、转化及生物固定化作用； 土壤中有机和无机胶体的物理化学吸附、络合和沉

28、淀等作用； 土壤的离子交换作用； 土壤中的机械截留过滤作用； 土壤的气体扩散或蒸发作用,1.编制生态规划（环境规划）； 2.进行城市生态系统的研究即利用生态学的原理和系统论的方法来研究城市环境系统。,三、解决近代城市中的环境问题,1.生态工艺（无污染工艺） 输入的物质和能量得到最大限度的利用，资源和能量的浪费最少，且废弃物完全能被自然界分解、吸收和利用。,四、综合利用资源和能源,清洁生产工艺,2.生态农场,粮桑渔畜农业生态系统,生态农场,1.阐明污染物质在环境中的迁移转化规律（食物链)； 2.环境质量的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）。,五、在环境保护其他方面的应用,本章思考题,何谓生态系统？它具有哪些结构和功能特性？研究生态系统的结构和功能对环境保护有何意义？ 生态学具有哪些一般规律？研究生态系统的能量流动和物质循环对指导生产活动有何意义？ 何谓生态平衡？破坏生态平衡的因素有哪些？试列举你熟悉的破坏生态系统的例子。 以三峡工程为例，试述人类活动会对生态环境造成什么样的破坏？,谢谢各位同学 请多提宝贵意见！,