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1、生命科学纵横,理学院生命科学与生物工程研究院,生态学,个体和种群生态学 群落和生态系统 人类对环境的影响,本章内容,个体和种群生态学,生态学概述 生物的进化适应 什么是种群生态学 生活史及进化,生态学概述,定义：研究生物与其环境之间相互作用的科学研究。 环境包括： （1）非生物成分，由无生命的化学物质和各种物理因素 组成，如温度、光、水、矿物质和空气等。 （2）生物成分，包括所有其他生物，它们是构成一个生物 个体环境的一部分。 生态科学能使我们更好地理解生物之间是如何相互作用的并为我们提供了一个工具以便能更好地对地球的有限资源进行长期管理。,生态学的研究层次：（逐渐提升） 个体生态学 种群生态
2、学 群落生态学 生态系统生态学,生物与环境相互作用的层次,个体生态学：主要研究生物的进化适应，即研究生物如何应对非生物环境向它们提出的挑战。如：鲸；蚯蚓。（图a） 种群生态学：种群即生活在一个特性地理区域内同一物质的个体集合体。 种群生态学主要是研究影响种群密度和种群增长的各种因素。（图b）,群落生态学：群落是由生活在一个特定地区的所有生物构成，它是不同物种种群的一个集合体。 群落生态学主要研究物种之间如何让相互作用的。如：捕食、竞争和共生对群落结构和组织的影响。（图c） 生态系统生态学：生态系统包括某一特定地区的群落加上全部非生物因素，例如：森林生态系统不仅包括各种植物和动物，而且也包括突然
3、、水源、阳光和其他环境因素。 生态系统主要研究在各种生物和非生物成分之间的能量流动和物质循环。 （图d）,生物圈：是全球生态系统，是地球全部生态系统的总和，或者说是所有生命及其栖息地的总和。 生物圈是最复杂的生态学研究层次，包括厚达 数千米的大气圈，深达约1500 m的含水层，还 包括湖泊、溪流、岩洞和几千米深的海洋。 除了光合作用生产者需要从日光获取能量和向 宇宙空间发散热量外，生物圈在空间上是隔 离、封闭和自我维持的。,生物圈中的非生物因素包括： 阳光 水 温度 风 岩石和土壤 周期性的干扰,个体生态学中，主要介绍3种适应类型： 生理反应 形态反应 行为反应,生物的进化适应,形态反应,很多
4、生物是以体形或身体结构的某些改变来 应对环境挑战的。 在一些情况下，这些反应实际上是驯化，因 为它们是可逆的。 其他的形态改变在个体的一生中是不可逆的。 环境的变化对生物的生长和发育有很大的影 响，以致同一种群内的个体在形态上存在很大 差异。,行为反应,行为反应扩展了人类的地理分布范围。穿衣服是人类独一无二的行为反应。,什么是种群生态学,种群生态学主要是研究影响种群大小、种群密度和种群结构的各种因素。 种群是指生活在特定时间和特定地区的同一物种个体的集合体。,种群密度,种群密度是一个物种在单位面积或单位体积内的个体数量。,种群密度,种群密度如何测定？ 在少数情况下可以统计种群分布边界内全部个体
5、数。 生态学家利用各种取样方法估算种群密度。 标志重捕法。,分布型,种群的分布型是在种群分布范围内个体的间隔方式。 集团分布 均匀分布型 随机分布,集团分布：最常见，指个体聚集成一个个斑块状。因环境资源的不均匀分布引起的，受气候、季节、生殖方式和社会行为影响。 均匀分布型：经常发生于匀质环境中，因种群内个体之间的相互作用而引起。也会因社会相互作用引起。 随机分布：即种群内个体之间的距离是无固定格式和不可预测的。这种分布型只出现在种群内个体间既无吸引也无排斥的情况下。,尺度不同，分布型也不同,有些种群既表现有集团分布也表现有均匀分布，但它们是在 不同的空间尺度上。,种群增长模型,指数增长模型：环
6、境无限条件下的理想增长 逻辑斯谛增长模型：环境有限条件下的现实增长,种群在理想的无调控条件下的爆炸式增长就称为指数增长模型。 此时种群会在特定的时间间隔（如世代）内按固定的比例倍增。例如：细菌菌落的指数增长。,指数增长模型：环境无限条件下的理想增长,指数增长模型的重要特点： 种群的增长速度决定于种群中已有的个体数量。 指数增长模型描绘了种群无调控增长的一幅理想画面。在现实世界中，指数增长是不可能长期维持下去的。 在自然界，只有当生物被引入到一个新的或尚未被利用的环境时，才能观察到短时间的指数增长。,逻辑斯谛增长模型：环境有限条件下的 现实增长,限制种群增长的环境因素称为种群限制因子。,种群限制
7、因子对动物种群 增长的影响。,种群增长的调节,密度制约因子：是种群限制因子中其作用强度随种群大小的增加而增加的因子。 非密度制约因子：其作用强度与种群密度无关的种群限制因子。 大多种群都可能受密度制约因子和非密度制约因子的双重调节。,种群周期,雪兔和猞猁的种群 周期。 这是研究种群周期 的一个经典实例。,影响人口增长的两个基本参数：出生率和死亡率,发展中国家（斯里兰卡）人口增长实例,生活史及其进化,能影响生物生殖和死亡时间安排的那些特征就构成了这种生物的生活史。 生命表和存活曲线 作为进化适应的生活史特征,存活曲线,存活曲线：用曲线图表示生命表中的一些数据。方法是用每个年龄或年龄组的存活个体数
8、作图。 可以根据不同生物把存活曲线分为3种基本类型。,3种理想的存活曲线,影响种群增长的一些生活史特征：第一次生殖的年龄、每次生殖的产仔数、亲代为子代提供照顾的程度、生殖的总能量消耗。 对于生活在某一特定环境的一个种群来说，自然选择倾向于选择的那些生活史特征常常能使生物产生最大量有活力和有生育力的后代。换句话说，类似形态特征的那些生活史特征是被适应性进化所塑造的。,作为进化适应的生活史特征,群落和生态系统,群落的主要特性 群落中的种间相互关系 群落干扰 生态系统动态概述 生态系统中的能量流动 生态系统中的化学循环 生物带,群落的主要特性,肯尼亚稀数草原群落中不同动物之间的相互关系,密切生活在一
9、起并发生各种相互关系的物种的总和就称为群落。,群落的4个主要特性,多样性 植物优势型 稳定性 营养结构,多样性,群落多样性是指组成群落的各种不同生物的多样化。包括两种成分： （1）物种的丰度，即群落中不同物种的总数。 （2）不同物种的相对数量。,群落1: 25A,25B,25C,25D 群落2: 80A,10B,5C,5D 两个群落的丰度 是一样的。 物种所含的株树 很不相同。 物质多样性，通常包 含两个多样性因素， 即物种丰度和物种的 相对数量。,主要应用于陆地群落。 例如：落叶树是温带落叶林中的优势种。 更仔细观察：会看到哪些植物占有优势，植物是如何排列的，即 “结构如何”。 植物的类型和
10、结构特征决定着栖息在群落中的动物类型。,植物优势型,稳定性指群落具有抵制变化并在受干扰后恢复其原有物种组成的能力。 稳定性依赖于群落的类型以及干扰的性质。,稳定性,营养结构,营养结构指组成群落的物种间的捕食关系。 群落的营养结构决定了能量和营养物由植物和其他光合生物到植食动物，再由植食动物到肉食动物的传递。,种间竞争 捕食 共生 群落关系网的复杂性,群落中的种间相互关系,种间竞争,竞争排除原理 生态位 资源划分,竞争排除原理,草履虫实验种群的竞争排除现象,生态位,一个物种利用其环境中生物和非生物资源的总和就称为生态位。 理解生态位？ 一种说法（比喻）：如果一种生物的栖息地是它的住所的话，那么生
11、态位就是它的住所加职位。 另一种说法：生态位是指生物所发挥的生态作用，即它如何适合于它所在的生态系统。,资源划分,生态位相同物种之间的竞争可能 有两种结果： （1）竞争力较弱的物种被迫走向 局部灭绝。 （2）其中的一个物种通过进化而 能利用另一些资源。 这种能使近缘物种在同一群落中 共存的生态位分化称为资源划分。,蜥蜴的资源划分,捕食者的适应 植物对植食动物的防御 动物对捕食者的防御 捕食与群落中的物种多样性,捕 食,动物对捕食者的防御,隐藏 逃跑 共同防御 转移注意力 保护色 机械的或化学的防御方法 拟态,群落关系网的复杂性,三方面的群落关系,干扰是指各种破坏群落的事件，它能毁灭生物和改变矿
12、质营养物和水资源的可利用性。 干扰事件包括：暴风雨、火灾、洪水泛滥、干旱和人类活动。 大多数群落的大多数时间都是处在干扰恢复过程中的各个阶段上。对大多数群落来说，变化似乎比稳定和平衡更具有代表性。,群落干扰,生态演替,生态演替：在经过洪水、火烧、冰川前进和退缩或者火山爆发之后，群落常常会发生剧烈的变化，甚至会造成植被完全消失，此后便会有各种生物到受干扰地区定居，后来，这些物种也可能又被其他在这里定居的物种所取代，群落的这种变化过程就称为生态演替。 （1）原生演替：群落是从一个没有生物没有土壤的地区开 始演替。 （2）次生演替：指演替发生在这样的地点：一次干扰曾毁 灭了那里现存的群落，但土壤仍完
13、好无损。,生态系统动态概述,动物饲养箱生态系统,两个主要的生 态系统过程： 能量流动和物 质循环。,营养级和食物链,营养关系决定着生态系统的能量流动和物质循环路线。 生态学家根据生物的主要营养来源把生态系统中的物种分为不同的营养级。 食物从营养级到营养级的传递序列就称为食物链。,生态系统的生产力和能量收支,不同生态系统的生产力，初级生产力是植物和其他生产者每单位时间（这里是年）把化学能贮存在生物量中的速率。,能量金字塔,鳞翅目幼虫的食物转变成了什么？,生态系统能量学和人类营养,不同营养级的人所利用的食物能,生态系统中的化学循环,生物地球化学循环的一般图示 3个要点： （1）每一个循环，无论是生
14、物所需的碳、氮还是其他化学物质，都有一个非生物的贮存库，化学物质流经此库进行循环。 （2）部分化学循环可以绕过生物成分并完全依赖地理过程。 （3）有些化学元素需要经过某些微生物的”加工“才能以无机营养物的形式被植物利用。,生物地球化学循环实例,碳循环,生物地球化学循环实例,氮循环,生物地球化学循环实例,磷循环,生物地球化学循环实例,水循环,覆盖着广大地理区域的主要生态系统类型就被称为生物带。 生物带的分布主要决定于气候，而温度和降雨常常是决定某一特定地区是否存在某种生物带的关键因素。 气候如何影响生物带的分布？ 地球主要的生态系统：陆地生物带、淡水生物带、海洋生物带,生物带,人类对环境的影响,
15、人类对生物群落的影响 人类对生态系统的影响 生物多样性危机 保护生物学 可持续发展,人类对生物群落的影响,人类对群落的干扰：降低了群落的物种多样性。,大规模的人类干扰。这是蒙大拿州的一个深达.08 km的矿坑。,引入物种：又称外来物种，是指人类从该物种原产地带到新地理区的物种。 不管是有意还是无意，引入物种一旦获得立足之地，就会对它们所进入的群落造成破坏，主要是通过捕食当地物种或者资源上利用比当地物种占有竞争优势。 引入物种的第二位危害是栖息地的破坏。,人类对生物群落的影响,对化学循环的影响： 对碳循环的影响 对氮循环的影响 对磷循环的影响 对水循环的影响,人类对生态系统的影响,生物多样性危机
16、,生物多样性包括3个层次： 生态系统多样性 构成生物群落和任何生态系统的物种多样性 每个物种内的遗传变异性,物种灭绝 生物发展史上的第7次大灭绝正在进行之中。 现今的物种大灭绝不仅范围广而且速度快，物种灭绝的速度至少是几百年前的50倍。 与以往的生物多样性破坏不同的是，以前的物种灭绝主要是由自然过程引起的，如火山爆发或者小行星撞击地球所引起的气候变化。而最近这一次的灭绝则是由于单个物种人的进化引起的。,生物多样性危机,已有足够的迹象告诉我们，生物圈正面临着大麻烦： 在全世界已知的9 040种鸟类中有大约11%处于濒危状态。 全世界有970种树木属于濒危物种，其中至少5种存活个体已下降到不足10
17、株。 全世界已知淡水鱼类大约有20%要么已经走向灭绝，要么正面临严重的威胁。 研究人员估计，按目前的破坏速度，到这个新世纪末，将会有一半以上的现存植物和动物物种灭绝。,生物多样性危机,生物多样性危机的3个主要原因： 栖息地破坏 物种引入 过度开发,生物多样性危机,生物多样性危机,生物多样性为什么很重要： 首先，我们的衣、食、住、氧气的供应和土壤的肥力都依赖于很多其他的物种。 其次，人类本身正在受到生物圈大规模变化的威胁。,保护生物学,保护生物学是寻求制止生物多样性下降办法的一门目标明确的科学。 1985年，国际上的一些科学家和教育家发起成立了一个保护生物学学会。 保护生物学的前沿是在生物多样性
18、危机比较大的那些地理区域。,生物多样性 “热点”： 是指在一个相对较小的区域内有特别多的物种存在。,一些生物多样性的热点,在种群和物种层次上的保护： 栖息地破碎和种群再分 什么是优质栖息地？ 在对立需求下的物种保护,在生态系统层次上的保护： 保护生态学越来越多的工作是转向了保持整个群落和生态系统的生物多样性。 在一个甚至更大的范围内，保护生物学考虑的是整个景观的生物多样性。 在生态学上，景观是相互作用的生态系统的一个区域综合体。 景观生态学是把生态学原理用于研究陆地使用格局，它的目的是使生态系统保护称为陆地利用计划的一部分。 生态系统之间的边缘和运动走廊是景观的一个显著特征。 为了减缓生态系统
19、的破坏过程，一些国家建立了他们称之为保留地带的保留地，所谓保留地带就是一片广大的陆地，其中含有一个或多个未受人类影响的区域。,可持续发展的涵义 自然资源的持续利用 中国环保及策略,可持续发展,可持续发展的涵义(sustainable development) 既满足当代人的需要，又不对后代人满足其需要的能力构成危害的发展。,可持续发展社会的基本特征,人与自然协调 经济、社会、自然环境多因素共同发展 开放的社会 公民有社会整体观和地球责任感,自然资源的持续利用,土地资源 水资源 生物资源 气候和工业自然资源等,土地资源,土地资源定义 人类栖息和生物生存空间 土地具有生产性 现状 土地资源趋于缩减 土壤流失 沙漠化,合理利用土地,发挥土地生产潜力，防止沙化，沙漠再利用 综合利用土地资源 科学开垦宜农、宜林、宜牧荒地 加强土地管理，保护耕地,水资源,天然淡水资源 地表水 土壤水 地下水 其他水资源 海水 咸水,生物资源,森林的采伐与保护 野生动物的保护 现状 人类长期乱捕乱伐 环境污染 措施 建设自然保护区 全球范围控制污染 建立国际禁猎禁捕协议,农业生态系统,农林牧副渔合理发展 保护农田生态平衡 提高农作物产量和质量,