城市生态学.ppt

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1、1绪 论,11 城市生态学的概念 111 城市（City） 特点：人口集中，工商业发达，居民以非农业人口为主的地区。常为周围地区的政治、经济、文化中心。城市是由村、镇发展来的。 科学的定义：城市是经过人类创造性劳动加工而拥有更高“价值”的人类物质、精神环境和财富，是更符合人类自身需要的社会活动的载体场所，是人类进步的合理的生活方式之一。是以人类占绝对优势的生态系统（ecosystem）。,112 城市生态学（Urban Ecology） 以生态学（ecology）的概念、理论和方法研来研究城市的结构、功能、动态调控的一门学科。 城市生态学是生态学一分支，也是城市科学（urban science

2、）分支，城市生态学将城市视为一个生态系统，研究其形态结构外，更侧重于各组分之间的关系，及组分之间的能量流动、物质代谢、信息流通，人为活动形成的格局及其过程。,RMckenzie(麦肯齐，1925)： 城市生态学是人们的空间关系、时间关系，如何受城市环境影响的研究。（社会生态学） 城市生态学是研究城市人类活动与城市环境之间的关系的学科。将城市视为以人为中心的人工生态系统。 理论上：研究其发生、发展的动因、组合和分布规律，结构和功能的关系，调节和控制的机理。 应用上：规划、建设和管理城市，提高资源利用率，改善城市系统关系，增加城市活力。,1.1.3 城市生态学的研究内容及其分支学科,1.1.3.1

3、 城市生态系统的组成形态与功能（Component, Function）: 各组分之间的关系，功能. 1.1.3.2 城市人口（Population）: 人口动态 , 分布与类别. 1.1.3.3 生态环境（Ecological environment）: 居民与自然环境、 社会环境相互关系, 城市的形成、发展和演变与环境之间的关系. 1.1.3.4 城市灾害(Disaster): 类型、发生、防范.,1.1.3.5 城市景观生态( Landscape ecology): 景观类型、演变、规划. 1.1.3.6 城市与区域可持续发展 (Sustainable development): 城市及

4、所在区域的可持续发展. 1.1.3.7 城市生态学原理的应用（Practice）: 城市规划、建设、管理、处理城市生态环境问题 .,Sustainable development,Development that meets the needs of the present without compromising the ability of future generations to meet their own needs (World Commission on Environment and Development, WCED, 1987). 可持续发展： 既满足当代人的需要，又不对

5、后代人满足其需求能力构成危害的发展。,城市自然生态学（Urban Natural ecology） 人类活动对所在地域自然生态系统的积极和消极影响，以及地域自然要素对人类活动的影响，即人的城市活动与地域的自然生态系统要素之间的相互关系。 城市景观生态学 （Urban landscape ecology） 从景观尺度研究城市不同生态系统之间代谢过程的物流、能流和信息流的转化、利用效率等问题。,城市经济生态学（Urban economic ecology）： 从经济学角度重点研究城市代谢过程的物流、能流和信息流的转化、利用效率等问题。 城市社会生态学（Urban socio-ecology）：城市

6、人工环境对人的生理和心理的影响、效应及人在建设城市、改造自然过程中所遇到的城市问题，如人口、交通、能源问题等。 城市社会生态学源于1920s芝加哥学派及德国学者的城市演替研究。前者重于城市系统的功能，后者强调城市的影响，目前这两个学派趋于结合，形成了西方较为流行的结构，功能学说 。,113 研究意义,城市是人类文明的标志，是一个时代的经济、政治、社会、科学、文化、生态环境发展和变化的焦点和结晶体。 城市的优势在于工业、人口、市场、文化和科学技术的集中，这有利于生产的专业化、协作化和新型高度精尖技术密集工业的发展，有利人员流动、物质流通。,但是城市的缺点也恰恰在于人口和工业的过量集中和密度过大，

7、在城市化地区，进行着大量的资源利用、物质变换、能量流动、产品消费等活动，从而使自然资源大量耗用和各种生产、生活废料大量产出，引起了一系列城市问题。如人口密集、住房困难、土地资源紧张、工业资源短缺、水源短缺、交通拥挤、环境污染、疾病流行、犯罪增多、就业困难等等。(3R, reduce, reuse, recycle). 城市化迅速发展的实践证明，随着城市人口的迅速增加、城市工业化水平的不断提高、城市数量的不断增加等，城市经济发展和城市生态环境之间的矛盾日益复杂尖锐，从而使解决城市经济发展和城市生态环境保护的问题提到了世界各国的议事日程(Agenda)。,12 城市生态学发展简史,121 中国古代

8、的城市生态学思想反映在人口、人与土地和人与食物的关系上。390B.C.,商鞅第一个提出了具有城市生态学思想的认识：在一个地区的土地组成上，城镇道路要占10，才较为合理；主张增加农业人口，农业人口与非农业人口的比例为100：1，最多不小于10：1，鼓励从事农业，不准开设旅店和不准擅自迁居。荀子（238B.C.）提出减少工业人口，国家才能强盛的主张。170A.D.，崔姓学者第一个提出人口的合理布局思想，1885年，包世臣提出农业与非农业劳动力比例关系应为5：1，限制非农业人口的发展。这些“重农抑商”的思想在一定程度上影响了我国城市的发展。,122 巴黎的改建 自17世纪以来，巴黎一直按着古典美学原

9、则进行建设，把城市的道路和广场构成美丽的图案，推崇圆广场放射线型的路，讲究轴线、构图。 巴黎的改建使城市的交通有了明显的改善，适应了当时马车快速行驶的要求，以及后来出现的机动车交通。1852巴黎改建, 在改建中，在重点地段加强了街道绿化，建了许多街心花园。,1.2.3 “田园城市”理论（garden city）,1898年霍华德(E. Howard) 提出田园城市的理论。 霍华德在他的著作明日，一条通向真正改革的和平道路中认为应该建设一种兼有城市和乡村优点的理想城市，他称之为“田园城市”。田园城市实质上是城和乡的结合体。 1919年，明确提出田园城市的含义：田园城市是为健康、生活以及产业而设计

10、的城市，它的规模能足以提供丰富的社会生活，但不应超过这一程度；四周要有永久性农业地带围绕，城市的土地归公众所有，由一委员会受托掌管。,1903年在伦敦附近建立了第一座田园城市莱奇沃思（Letchworth），1920年又在韦林（Welwyn）开始建设第二座田园城市。田园城市的建立引起社会的重视，欧洲各地纷纷效法；但多数只是袭取“田园城市”的名称，实质上是城郊的居住区。 霍华德从城市规模、布局结构、人口密度、绿带等城市规划问题，提出一系列独创性的见解，是一个比较完整的城市规划思想体系。 该理论对后来出现的一些城市规划理论，如“有机疏散”论、卫星城镇的理论颇有影响。1940s后, 在一些重要的城市

11、规划方案和法规中也反映了霍华德的思想。,1.2 现代城市生态学的产生与发展,2.1 芝加哥学派（Chicago school of sociology） 1916年，美国芝加哥学派创始人帕克（RPark）发表城市：关于城市环境中人类行为研究的几点意见一文，将生物群落学的原理和观点用于研究城市社会并取得了可喜的成果，奠定了城市生态学的理论基础，并在后来的社会实践中得到发展。美丽如画，类似花园的芝加哥城的建设深受其影响。,19世纪以前芝加哥是美国中西部的一个小镇，1837年仅有4000人。由于美国的西部开拓，这个位于东部和西部交通要道的小镇在19世纪后期急速发展起来，到1890年人口已增至100万

12、。经济的兴旺发达、人口的快速膨胀刺激了建筑业的发展。而1871年10月8日发生在芝加哥市中心的一场毁掉全市1/3建筑的大火灾，更加剧了以新建房屋的需求。在当时的这种形势下，芝加哥出现了一个主要从事高层商业建筑的建筑师和建筑工程师的群体，后来被称作“芝加哥学派”。,主要理论: 城市土地价值变化与植物对空间的竞争相似，土地的利用价值反映了人们对最愿意和有价值地点的竞争。这种竞争作用下导致经济上的分离，按土地价值支付能力分化出不同阶层。例如，美国许多城市的内城地区通常为少数民族居住区。 帕克的追随者应用植物优势概念解释了有形群体的发展形式，土地价值决定市民各种活动水平和形式的优势。此外还将类似植物的

13、侵入，演替概念应用于有形群体，特别是研究特殊的种族及商业活动逐渐进入居住区附近的情况。,1925年伯吉斯（RBurgess）提出了城市的 “同心圆增长理论”: 认为城市的自然发展将形成56个同心圆形式，它是竞争优势及侵入演替的自然生态的结果（图13）。,在图13a中，1区为社会、商业和市民生活的中心（CBD, central business district），土地价值最高。2区为过渡区，居住条件恶化，由移民居住。当CBD区向外扩大时, 该区的土地价值增高，对土地价值竞争逐渐使该区发展较密的多层住宅。3区为独立的工人住宅区，这些工人已远离中心，但仍愿意生活于工厂附近，这一区的许多居民大都为第

14、二代，因而解释了上述演替理论，该区的住宅价格低廉。4区为较好的住宅区。5区为郊区或卫星城镇，为高收入者住宅区。,赫特（HHoyt）于1933年提出了扇形理论（图13b）。 认为城市从CBD区沿主要交通干道向外发展形成星形城市，总的仍是圆形，从中心向外形成各种扇形辐射区，各扇形向外扩展时仍保持了居住区特点，其中有较多住宅出租的扇形区是城市发展的最重要因素，因为它影响和吸引整个城市沿着该方向发展。这一理论与美国和加拿大当前许多城市的空间形成较相一致。,哈里斯（Harris）, 厄曼（Uiman）提出了多核理论。 指出许多北美城市的土地利用形式并不围绕一个中心，而围绕离散的几个中心发展，虽然市区有的

15、核心不明显，有的核心是在迁移等原因下形成的，这最可能是由于汽车增长，成为上下班的主要交通工具所致。,1.2.2 卫星城与新城市,卫星城的出现是受霍华德田园城市理论的启发，在恶性膨胀的大城市周围，建立一些小城镇，以合理的建设规模和布局，创造良好的生活环境，以疏散大城市的人口，缓解大城市的矛盾。 1. 最初只是附属于大城市的近郊，仅供居住。2. 以后又出现了半独立的卫星城，它有一批工业和服务设施，部分可以就地工作. 3.完全独立的卫星城，它距母城较远，有自己的工业，有全套的服务设施。,1.2.3 新建的大城市,巴西利亚规划（planning of Brasilia）-从平地建设起来的新城。 为了改

16、变巴西的工业和城市过分集中在沿海地区的状况，开发内地不发达区域,1891年巴西宪法规定迁都内陆。1956年，巴西政府决定在戈亚斯州海拔1100米的高原上建设新都，定名为巴西利亚；规划人口50万，规划用地152平方公里。,城市由东西向和南北向两条功能迥异的轴线相交构成，平面形状犹如有后掠翼的飞机。 东西主轴线长6km,东段置中央政府各部的办公大楼，严整地排列在大道两侧。主轴线东端是三权广场广场平面基本呈三角形，议会大厦、最高法院和总统府鼎足而立；在布局构图上、建筑空间上都是视线集中的地方。西段置市政机关，西端是城市的铁路客运站。 南北向轴线呈弧形的翼状，两翼各长5km,有一条主干道贯穿其间，与公

17、路连接。主干道两旁布置着长方形的居住街区。每一街区内有高层、多层的公寓以及商店等设施，布置格式基本统一。,城市两条主轴线的交汇处，有一座 4层的大平台，以疏导各个方向的交通, 也是全市的商业中心、文化娱乐中心，公共客运也大多在这里转站换乘。稍西有体育场。东西轴线的南北两片地段分设动物园和植物园。城市的北、东、南三面有人工湖围绕，城市绿化率60%，人均100平方米。城市有少数小型工厂，布置在火车站的一侧。,1.2.3 城市生态学的发展,城市生态学的大规模发展是在1960s，联合国教科文组织(UNESCO, United Nations Educational, Scientific and Cu

18、ltural Organization)的“人与生物圈”（MAB）计划提出了从生态学角度研究城市居住区的项目，指出城市是一个以人类为活动中心的人类生态系统，开始将城市作为一个生态系统来研究。,1975年巴黎“人类居住地综合生态研究”工作会议, 1977年波兰的（“城市系统的生态学研究”）协调会议上，正式确认“用综合生态方法研究城市系统及其他人类居住地”。1975年正式列入UNESCO “MAB” 国际计划的“关于人类聚居地的生态综合研究”专题是该计划的重点研究内容，出版了城市生态学杂志（Urban Ecology）。1980年在柏林召开的第二届欧洲生态学会议，涉及：城市系统的特征、人类活动对城

19、市生境和生物群落的影响及生态学在城市规划和土地管理中的应用。,德国法兰克福将城市与郊区视为一个生态系统，用生物指标显示大气污染的情况，建立了该市的敏感度系统模型，预测城市的发展方向，并通过调控使城市向最优化方向发展； 意大利罗马，涉及到的内容有：交通、能源、城市扩展、污染、动植物区系和土壤等环境条件多个方面。,日本的城市生态研究可分为四个阶段： 1. 19711974年，城市环境影响下的动植物、微生物群落的动态以及城市环境的特征；2. 19751977年，以动植物为中心的多学科综合研究；3. 19781980年，是以人为中心的多学科综合研究，包括大气、土壤、水文、植被、动物、人类行为、土地利用

20、、人口统计学与健康和城市规划等多个方面，4. 1980年后, 主要围绕着水资源及其循环，以及城市生态系统结构与功能的综合研究等等。,城市生态系统的研究主要有以下四个方面： （1）以城市人口为研究中心，以人口为基本变量，探讨城市人口生物学特征、行为特征和社会特征在城市化过程中的地位和作用。 （2）以城市能流、物流和信息流为主线，侧重于城市生态经济系统以及以城市为中心的区域生态经济系统的功能方面的研究。,（3）以城市动植物及非生物环境的演变过程为主线，侧重于城市的自然生态系统研究和城市动植物与城市居民、城市生态环境的相互关系研究。 （4）将城市视为社会经济自然复合生态系统，研究城市生态系统中物质、

21、能量的利用，社会和自然的协调，以及系统动态的自身调节等。,1984年中国生态学会在上海举行了“首届全国城市生态科学研究会”，会上成立了“中国生态学会城市生态学专业委员会”，标志着中国城市生态研究工作的开始。 1988年，城市生态与城市环境期刊在天津出版发行，1989年马传栋编写了城市生态经济学，1992年于志熙编写了城市生态学，1993年杨士弘出版城市生态研究，1993年董雅文编写了城市景观生态和1998年沈清基的城市生态与城市环境等。 中国一些大中城市，如北京、天津、上海、广州、常州、苏州、广州和石河子等城市都进行了城市生态研究工作，取得的成绩较为显著。,上海市的城市生态研究, 主要有：上海

22、典型街区和卫星工业城镇的生态研究，能量利用和能量流动格局研究、水和其他物质利用和循环利用的研究、居民生活环境的研究和典型区域或城镇的生态研究；上海郊区乡镇的生态研究，近郊乡镇的生态区划和发展规划的研究、农工商复合的农村系统优化模式的开发研究、城乡生态系统评价指标体系、预测技术和数学模型的研究；上海农牧渔副业复合生态经济系统的环境工程研究等。,城市生态系统的中心问题是人类与城市环境的相互关系，但城市生态系统不同于自然生态系统，如热带雨林生态系统。在城市生态系统中，消费者主要是人类，人类占绝对优势；城市生态系统的还原功能主要由城市所依靠的区域自然生态系统中的还原者来完成。因此，对于城市中的人类与环

23、境如何协调共存，人类的主要生产和消费活动，即人类的经济活动与城市生态环境如何进行协调处理，以及对城市生态系统如何进行生态调控，使其沿着人类要求的方向发展，是城市生态系统的中心问题。,1.3 城市生态学的学科基础与研究方法,1.3.1 生态学（ecology） 是由德国赫克尔（Emst Heinrich Haeckel）于1869年提出，并于1886年创立了生态学这门学科。Ecology来自希腊语“oikos” (居住地、隐蔽处、家庭)与“logos” 科学研究。 生态学研究的基本对象是两个方面的关系，其一为生物与生物之间的相互关系，其二为生物与环境之间的相互。因此，生态学是研究生物之间、生物与

24、环境之间的相互关系的学科。,1.3.2 城市学（urbanology）,一词最早见于日本几村英一的城市学（1975）。城市学是以城市为研究对象，从不同角度、不同层次观察、剖析、认识、改造城市的各种学科的总称。 城市地理学、城市管理学、城市经济学等相继被纳入城市学的范畴之中，加上原有的城市规划学的内容，城市学成为一个相结综合性较强、包容性较广的学科。,1.3.3 人类生态学（anthropo-ecology） 研究人与周围环境之间的相互关系及其规律的学科。即研究当代人口、资源、环境与发展的关系，研究人类生态系统中各要素之间能量、物质和信息的交换关系。其研究方法是把人口、资源、环境视为一个巨大的生

25、态系统进行综合研究。,人类生态学的产生和发展，是与人们对面临的生存危机的本质的认识及环境意识的提高分不开的。当今人类面临的五大危机的挑战，其核心问题是“人口爆炸”(population explosion, 人口激增)。随着“生态冲击”(ecological impact)的日益突出，人类生态学的研究和论著与日俱增，特别是1972年联合国在斯德哥尔摩召开了“人类环境会议”，会上提出了“只有一个地球”的口号，通过了人类环境宣言，它标志着人类环境意识有了重大的变化，强有力地推动着人类生态学的发展。,人类生态学注重分析人与其空间场所的相互关系，而城市生态学则更关注这种关系在城市中的表现。 传统人类生

26、态学研究: 第一类是借鉴生态学的某些概念和原理，从竞争、演替及生态优势的角度研究和分析人类社会系统的状况，此方面的代表人物除帕克之外，还有麦肯齐（RDMckenzie）；第二类主要是以佐尔鲍和沃尔斯（Zorbaugh & Wirth）为代表的对社会区位、经济区位和居住区位等某些特定区域外部形态特征的分析；第三类如肖尔（Shaw）、法里斯（Faris）和多恩海姆（Dunbam），主要是对城市犯罪、心理失调等社会问题的探讨。,1.3.4 “生态位”（niche）,生态位：物种在群落中在时间、空间和营养关系方面所占的地位。 生态位的宽度据该种的适应性而改变，适应性较大的物种占据较宽广的生态位。 城市

27、生态位（urban niche）：城市给人们生存和活动提提供的生态位。 反映了一个城市的现状对于人类经济活动,生活活动的适宜程度，既城市的性质、功能、地位、作用及其人口、资源、环境的优劣势。,城市生态位： 生产生态位：城市的经济水平（物质和信息生产及流通水平）、资源丰盛度（如水、能源、原材料、资金、智力、土地、基础设施等）。 生活生态位：社会环境（物质，精神及社会服务水平等）及自然环境（物理环境质量、生物多样性、景观适宜度等）。 总之，城市生态位是指城市满足人类生存发展所提供的各种条件的完备程度。,1.3.5 多样性与稳定性(diversity & stability),生物群落与环境之间保持

28、动态平衡的稳定状态的能力，是同生态系统物种及结构的多样性、复杂性呈正相关的。 生态系统的结构愈多样、复杂，则其抗干扰的能力愈强，因而也愈易于保持其动态平衡的稳定状态。,在结构复杂的生态系统中，当食物链（网）上的某一环节发生异常变化，造成能量、物质流动的障碍时，可以由不同生物种群间的代偿作用给予克服。 如在物种十分丰富多样的热带雨林中，某些物种的缺失就会因这种代偿作用而不致对整个生态系统的功能造成大的影响。而在仅有地衣、苔藓的北极苔原，这种植被一旦受到破坏，就立即会使以地衣为食的驯鹿以及靠捕食驯鹿为生的食肉兽无法生存，因为结构过于简单的的苔原生态系统是无法发挥物种间的代偿作用的。,人力资源多样性

29、，保证了城市各项事业的发展对人才的需求； 土地的多样性，保证了城市各类活动的展开； 城市功能与交通方式的多样性，使城市具有更大的吸引力与辐射力； 行业和产业结构的多样性，使了城市经济稳定，整体经济效益提高等.,1.3.6 食物链(网)原理,食物链（food chain）: 以能量和营养物质形成的各种生物之间的联系。 食物网（food web）：生物群落中许多食物链彼此相互交错连接而成的复杂营养关系。,用于城市系统：各企业之间相互提供生产原料，某一企业的产品是另一企业生产的原料；某些企业生产的“废品”也可能是另一些企业的原料。 如此可以对城市食物网“加链”和“减链”。 减链：除掉或控制那些影响食

30、物网传递效益，利润低、污染重的链环。 加链：增加新的生产环节，将不能直接利用的物质、资源转化为价值高的产品。 反映了：城市的各个组分之间是相互依赖、互相制约的关系。,食物链（网）原理表明： 人类居于食物链的顶端，人类依赖于其他生产者及各营养级的“供养”而维持其生存；人类对其生存环境污染的后果最终会通过食物链的作用（即污染物的富集(enrichment)作用）而归结于人类自身。,1.3.7 系统整体功能最优,整体大于部分之和, 11/2+1/2. 子系统功能和系统整体功能相辅相成； 子系统都有无限制地满足自身发展的需要，而不顾其他个体的潜势存在。 城市各组分之间的关系并非总是协调一致的。 理顺系

31、统结构，改善系统运行状态，要以提高整个系统的整体功能和综合效益为目标，局部功能与效率应当服从于整体。,1.3.8 环境承载力原理,环境承载力（environmental load capacity）: 某一环境状态和结构在不发生对人类生存发展有害变化的前提下，所能承受的人类社会作用. 体现在规模、强度和速度上。三者的限制，是环境本身具有的有限性自我调节能力的量度。,包括： （1）资源承载力： 自然资源：淡水、土地、矿藏、生物等。社会资源：劳动力资源、交通工具与道路系统、市场因子、经济发展实力等。 现实的：在现有技术条件下，某一区域范围内的资源承载能力； 潜在的：技术进步，资源利用程度提高或外部

32、条件改善而提高本区的资源承载力。,（2）技术承载力：劳动力素质、文化程度与技术水平所能承受的人类社会作用强度。包括现实的与潜的两种类型。 （3）污染承载力：反映本地自然环境的自净能力大小的指标。,环境承载力原理具体内容： （1）环境承载力会随城市外部环境条件的变化而变化。 （2）环境承载力的改变引起系统结构和功能的变化，从而推动系统的正向演替或逆向演替。,（3）生态演替（succession）：一种更新过程，指一个群落被另一个群落，或一个生态系统被另一个生态系统代替的过程。 正向演替（progressive succession ）：生态系统向结构复杂、能量最优利用、生产力最高的方向的演化称为

33、；反之称为逆向演替（retrogressive succession） 。 （4）演替方向: 当城市活动强度小于环境承载力时，城市生态系统可表现为正向演替；反之，则相反。,正向演替 逆向演替 1.结构的复杂化 1.结构的简单化 2.从大型植物为主趋向于小型 2.以低级小型植物为主朝 植物占优势 着高级大型植物发展 3.物种多样性有减少趋势 3.物种多样性有增加趋势 4.生活型的简化 4.生活型多样化 5.生态幅较宽的种增加 5. 窄生态幅种增加 6.群落趋向中生化 6.群落趋向于旱生化或湿生化 7.群落生物量趋向增加 7.群落生物量趋向减少 8.土地生产力利用趋于增加 8.土地生产力利用趋于减

34、少 9.土壤剖面的发育成熟 9.土壤剖面弱化 10. 群落生境的优化 10.群落生境的恶化,1.3.9 城市生态学研究思路,1.3.9.1 系统思想 系统（system）: 相互联系、依存、制约、作用的各事物及其过程所形成的统一体. 体现这种整体性和相互联系性的思想，就是系统思想。 系统思想要求：全面地、连贯地、灵活地看问题。,1.3.9.2 系统的特征 整体性：由许多元素按一定方式组合起来的，元素虽各具不同的性能，但根据逻辑统一性的要求构成整体。 关联性：各个组分之间相互联系、制约、有机地结合在一起。 目的性：具有一定的功能，达到一定的目的。 环境适应性：系统与其所处的环境不断进行能量、物质

35、与信息的交换，系统必须适应它的环境。 反馈机制：系统是一个信息反馈(feedback)系统，系统内部都有反馈机制。,1.3.9.3 系统研究思路 系统输入：系统在边界确定以后，所有跨越边界进入系统的流动； 系统输出：跨越边界离开系统的流动。,（1）黑箱理论（Black box theory）: 完全忽略系统内部结构，只通过输入和输出的信息来研究系统的转化特性和反应特性的系统研究思路。 由于技术原因对系统内部难以了解，或仅对系统整体功能感兴趣时，都采用黑箱研究思路。,（2）白箱理论(White box theory)： 对系统的组分构成及其相互联系有透彻的了解，揭示系统内部的结构和功能来认识系统

36、输入与输出在内的整体特性。 如生物的形态解剖研究、各种电器设计等常采用白箱研究思路。,（3）灰箱理论(Grey box theory)： 兼用黑箱和白箱的研究思路。 系统内部结构与功能只有部分已知，其余部分则是未知的。在这种情况下，采用灰箱研究思路来认识分析系统。,2. 生态系统基础理论,1935年坦斯利（ATansley）提出了生态系统（ecology system）的概念，经林德曼（RLindeman）和奥德姆（EPOdum）等的发展，生态学从生态系统的组成与结构、能量流动与物质循环、生态因子及其作用和生态系统平衡等方面开展研究。,生态系统：在一定时间和空间内，生物的非生物的成分之间，通过

37、不断的物质循环和能量流动而相互依存的统一整体。,2.1 生态系统的组成与结构,2.1.1 无生命类： （1）太阳辐射能(solar energy). （2）无机物质(inorganic matter)，如O2、N2、CO2、H2O，Fe等。 （3）有机物质(organic matter)，如碳水化合物、蛋白质、脂类和核酸等。,2.1.2 有生命类：,（1）生产者（producer）： 主要绿色植物，能用简单的无机物质合成复杂的有机物质的自养生物（autophyte），也包括一些光合细菌。 其作用是进行初级生产，即光合作用。太阳能只有通过生产者，才能输入生态系统，成为消费者和还原者唯一的能源。,

38、（2）消费者（consumers）： 以其他生物或有机物为食的动物，是异养生物（heterophyte）。 据其食性区分为草食动物（herbivores), 肉食动物（carnivores）两类。 寄生者（parasite）是特殊的消费者，另外还有杂食者（omnivores ），介于草食动物与肉食动物之间的消费者。,(3) 还原者（decomposers）: 主要是细菌和真菌，也包括某些原生动物及腐食性动物,属于异养生物。 把复杂的动植物有机残体最终分解为无机物，归还到环境中，被生产者再次利用，又称为分解者。,生态系统还可以根据物质和能量的活动性，分为： (1)贮存库（reservoir po

39、ol） (2)交换库（循环库）（exchange of cycling pool）两大类。,（1）贮存库： 生态系统中，除运转的物质和能量外，有一部分属于贮存的物质和能量。 包括生产者自身的一部分碳素，经过长期矿化作用形成为泥炭，如化石，珊瑚礁等；有的则转化成为化石燃料，例如石油和煤等；有的则流入大海形成沉积物，它们都暂时或长期地离开了生态系统的循环而贮存起来。,（2）交换库或循环库： 生物体与大气圈、水圈和生物圈之间的物质循环和能量流动。 与贮存库相反，它们之间的交换是迅速的，但容量小，而且很活跃。,2.1.2 生态系统的结构 生态系统中生物种类、种群数量、种的空间配置（水平的和垂直的分布）

40、，时间变化（发育、演替和季节性变化）是生态系统的结构特征，这些特征与植物群落的结构特征相一致。,城市生态系统，不同阶层的人，或不同经济收入的人，同样具有不同的空间分布格局。 生态系统的营养结构：以营养为纽带和链条，把生物与非生物紧密的结合起来，构成以生产者、消费者、还原者为中心的三大功能类群。,(1)物质循环：环境中的营养物质被生产者吸收，经光合作用转变成化学能，通过消费者的取食，再经还原者分解成无机物质归还给环境，供生产者再吸收，使物质发生循环传递。 (2)能量流动：太阳能输入生态系统后，能量不断地沿着生产者、消费者和还原者等逐级流动。能量流动是单方向的，它不会循环，只有消耗（转变成其它的形

41、式）。 物质循环与能量的单向流动是生态系统的基本规律。,2.2 生态系统的能量流动与物质循环 能量（energy）来源于太阳。 （1）热能，它温暖大地，推动水分循环，产生空气和水的环流； （2）光化学能，为植物光合作用所利用和固定，而形成有机化合物，成为生命活动的能源。,2.2.1 能量的流动和转化，服从于热力学第一定律和第二定律的。 热力学第一定律: “在自然界的一切现象中，能量既不能创造，也不能消灭，而只能以严格的当量比例，由一种形式转变为另一种形式。” E=QW， 其中，E是系统内能的改变；Q是系统从外界吸收的热量；W是系统对外界所作的功。,热力学第二定律：非生命的自然界发生的变化，都不

42、必借助于外力的帮助而能自动实现，即自发过程或自动过程。热自发的从高温物体传到低温物体，直到两者温度相等。 当顶级生态系统达到平衡时，即自由能最小或等于零，熵值最大。系统能够自发地向顶级方向发展，到自由能最小和熵值最大时为限度。,2.2.2 生态系统的能量流动规律 (1)初级生产（primary production）：生态系统通过光合作用进行能量积累的过程。 初级生产力（primary productivity）：初级生产积累能量的速率。 生态系统的能量流动和物质循环，都以初级生产为基础，它又是生态系统能源的基础。,初级生产就是植物光合作用过程。 6CO2+12H2O C6H12O6+6O2+

43、6H2O 能量转变为112 kcal/mol.,(2)总初级生产（gross primary production）:植物光合作用中固定的总太阳能. 净初级生产(net primary production)，总初级生产减去植物呼吸所消耗的能量. 总初级生产仅仅能利用总太阳能的3.6%，减去呼吸作用所消耗的能量，仅有2.4%的总太阳能用于净生产力，绝大部分太阳能不为植物利用而被丢失。,能量输入 能量丢失 百分率 总太阳能 5000 100 植物色素不吸收 2780 -55.8 植物色素吸收 2200 44.2 植物表面反射 185 -3.7 非活性吸收 220 -4.4 光合作用的有效能 18

44、15 36.1 能量不稳定状态 1633 -32.5 总生产力（Pg） 182 3.6 呼吸作用（R） 61 -1.2 净生产力（Pn） 121 2.4,水生生态系统的有效能量利用，能提供给净生产的不过0.52%。荒地能量的估算指出，最后用于生产力的只有1.2%。,各种生态系统类型总生产力（Pn）的估算,生态系统类型 Pg（千卡/米2*日） 沙 漠 2 海 洋 4 大 陆 架 草 地 2-12 冷气侯森林 一般的森林 农 业 12-40 湿 地 沼 泽 珊 瑚 礁 40-100 热带农业,系统的初级生产力随发育年龄而改变,（(2) 次级生产（secondary production）：除初级生

45、产之外的其他有机体的生产，即消费者和还原者利用初级生产量进行同化作用（assimilation）。 消费者的次级生产仅仅利用初级生产能量的很小部分。这样便产生了生态效率（ecology efficiency。 生态效率：在一个营养级内，同化作用的能量和可利用的能量之间的关系；一个食物链营养级上，有多少能量供给下一营养级。,2.2.3 能量流动分析 Linderman 的“百分之十定 律”： 从一个营养级到另一个营养级的能量转化效率为10%，则生产效率顺营养级逐级递减，也就是说能量流动过程中有90%的能量是损失了，这就是营养级不超过VI级的原因。,2.2.4 物质循环 生态系统的物质循环就是生物

46、地球化学循环（biogeochemical cycles）. 生物循环（biological circulation）：生命必要元素在生态系统内进行的循环，称为闭路循环（closed cycle）。 地球化学循环（geochemical circulation）：元素在生态系统外部进行的循环，称为开路循环（open cycle）。 而这两种循环最终必将连接在一起成为生物地球化学循环。,碳循环 自然界中只有空气中的CO2，或溶解在水中的CO2（呈各种碳酸盐状态）才能成为有机体制造食物的碳源。 氮循环 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

47、是土壤中的腐殖质。,磷循环 沉积型循环, 主要储存库是地壳中的磷酸盐等沉积物,磷通过侵蚀和开采从岩石中移出而进入生态系统。磷不进入大气，逐渐向海洋沉积。陆地上越来越少。 全世界每年大约消耗磷酸盐岩石940万吨，按此速度，全球的蕴藏量只能维持100年，磷将成为人类和陆生生物的限制因子。 水循环 水分从水面陆地蒸发，从植物蒸腾，以雨雪霜冰雹等形式降落。一部分渗入土壤一部分流入河海。,2.3 生态因子及其作用 2.3.1 生境（habitat）：任何一种生物都不可能脱离特定的生活环境，在一定时间内对生命有机体生活、生长发育、繁殖以及有机体存活数量有影响的空间条件及其他条件的总和。 组成生境的因素称生

48、态因子。,（1）非生物因子（abiotic factor)：即物理因子，如光、热、水、风、矿物质养分等； （2）生物因子(biotic factor )：各类其他生物，如动物、植物、微生物。 也有一种观点认为生态因子还应包括第三方面的因素即人为因素。,2.3.2 生态因子作用的一般特征 (1)综合作用 环境中各种生态因子不是孤立的，而是彼此联系、互相促进、互相制约，任何一个单因子的变化，必将引起其他因子不同程度的变化及其反作用。 (2)主导因子作用 在众生态因子中，有一个生态因子对生物起决定作用，称为主导因子(leading factor )，主导因子发生变化会引起其他因子也发生变化。,(3) 直接作用和间接作用 (4) 因子作用的阶段性 由于生物生长发