生态学基本原理 第一节生态学的基本理论 生态学的基本概念 )生态学的概念 生态学的概念是德国生物学家海克尔1866年提出的,他将生态学 定义为研究生物与其环境相互作用的科学。生态学的发展经过了一段 漫长的历程。第一代是个体生态学,研究的是个体生物和环境之间相 互关系的学科;第二代是群体生态学,研究的是生物群落与环境之间 的关系,还包括生物与生物之间的关系;第三代就是生态系统生态学, 它认为应当把生物和环境,把有生命的生物群体和无生命的环境作为 个统一的整体来研究。是什么把生物和环境联成一个整体呢?就是 物质和能量。 (二)生态系统 1生态系统的概念生态系统就是在一定的时间和空间内由生 物群体与其生存环境共同组成的动态平衡系统,或者说,是生命系统 与无机环境系统在特定空间的组合。按类型则可分为水域的淡水生态 系统、海洋生态系统,陆地的沙漠生态系统、草甸生态系统、森林生 态系统;按由来又可分为自然生态系统(如极地、原始森林)、半人工 生态系统(如农田、薪炭林、养殖湖)、人工生态系统(城市、工厂、 矿区)等 2生态系统的组成在生态系统中存在着永不停息的物质循环和 能量流动。物质循环是由生产者、消费者和分解者所组成的营养级转 化,从无机物→有机物→→无机物,最后归还给环境 无机环境:包括日光、大气(O2、CO2等)、水、土壤及营养物质 是生物生存发展的重要物质基础 生产者:亦称自养生物,主要是绿色植物,具有光合作用特殊功 能,能从环境中吸收CO2、水分和营养物质,在日光作用下合成蛋白 质、脂肪、碳水化合物等有机物质,将太阳能转化为化学潜能,贮存 在有机体内,供给自身生长、发育需要,也供给其他生物和人类食用 或提供能源,亦称初级生产者。 消费者:主要是动物,取食植物或其他动物,是异养生物,对于
1 生态学基本原理 第一节 生态学的基本理论 一、生态学的基本概念 （－）生态学的概念 生态学的概念是德国生物学家海克尔 1866 年提出的，他将生态学 定义为研究生物与其环境相互作用的科学。生态学的发展经过了一段 漫长的历程。第一代是个体生态学，研究的是个体生物和环境之间相 互关系的学科；第二代是群体生态学，研究的是生物群落与环境之间 的关系，还包括生物与生物之间的关系；第三代就是生态系统生态学， 它认为应当把生物和环境，把有生命的生物群体和无生命的环境作为 一个统一的整体来研究。是什么把生物和环境联成一个整体呢？就是 物质和能量。 （二）生态系统 1.生态系统的概念 生态系统就是在一定的时间和空间内由生 物群体与其生存环境共同组成的动态平衡系统，或者说，是生命系统 与无机环境系统在特定空间的组合。按类型则可分为水域的淡水生态 系统、海洋生态系统，陆地的沙漠生态系统、草甸生态系统、森林生 态系统；按由来又可分为自然生态系统（如极地、原始森林）、半人工 生态系统（如农田、薪炭林、养殖湖）、人工生态系统（城市、工厂、 矿区）等。 2.生态系统的组成 在生态系统中存在着永不停息的物质循环和 能量流动。物质循环是由生产者、消费者和分解者所组成的营养级转 化，从无机物 有机物 无机物，最后归还给环境。 无机环境：包括日光、大气（O2、CO2等）、水、土壤及营养物质， 是生物生存发展的重要物质基础。 生产者：亦称自养生物，主要是绿色植物，具有光合作用特殊功 能，能从环境中吸收 CO2、水分和营养物质，在日光作用下合成蛋白 质、脂肪、碳水化合物等有机物质，将太阳能转化为化学潜能，贮存 在有机体内，供给自身生长、发育需要，也供给其他生物和人类食用 或提供能源，亦称初级生产者。 消费者：主要是动物，取食植物或其他动物，是异养生物，对于
生态系统的物质循环和能量转化起着重要作用,也称次级生产者。 分解者:又称还原者,主要是微生物,能分解动植物残体、死体 和排泄物,为生产者提供营养物质和能源,在生态系统的能流和物流 中起重要作用 3生态系统的基本特点生态系统具有一般系统所具有的共同 性质但又与其他系统有所不同,其基本特点如下: (1)在组成成分方面,它是由有生命的和无生命的两种物质组成 不仅包括植物、动物、微生物,还包括无机环境中作用于生物的物理 化学成分,这是与其它系统最本质的区别。 (2)通常与特定空间相联系,因而能反映一定地区的自然地理特 点一定空间的结构特点(包括水平结构与垂直结构)。 (3)生物具有生长、发育、繁殖与衰亡的特征,相应地生态系统 也可分为幼年期、成长期和成熟期等阶段,即有自身发展的演替规律。 (4)生态系统是一个开放系统,需要不断从外界输入物质和能量, 通过变换与转化以维持物质和能量的流动。 (5)具有复杂的动态平衡特征系统内不仅存在生物种内、种间 的协调,也存在生物与环境的功能协调,以维持其相对平衡,且这种 平衡也处于不断变化之中,存在着正反馈与负反馈的不平衡。系统又 具有自我调控和人为调控的特点,使不平衡又趋于平衡状态,使整个 系统不断向前发展。 生态学的基本规律 生态学研究的主要内容是生物与环境之间的关系,生态学的基本 原理也体现着生物与环境之间的相互关系与规律,主要表现在以下四 个方面 (一)相互作用的协同进化关系 生物为了生存和繁衍,必须经常从环境中摄取物质和能量,包括 空气、水、光、热及营养物,另外也不断释放、排泄废物(气),死后 将遗体归还给环境,使环境得到物质的补充。环境影响生物,生物也 影响环境,它们之间的相互作用关系,可称为生态学的作用与反作用 规律。人类生产活动得益于自然环境,又破坏了自然环境,所以不可 避免地受到自然环境的惩罚,这就是说明此规律的例证。 (二)链索式的制约关系 自然界存在着多种生物,任何一种生物的存在都不是孤立的,它
2 生态系统的物质循环和能量转化起着重要作用，也称次级生产者。 分解者：又称还原者，主要是微生物，能分解动植物残体、死体 和排泄物，为生产者提供营养物质和能源，在生态系统的能流和物流 中起重要作用。 3.生态系统的基本特点 生态系统具有一般系统所具有的共同 性质但又与其他系统有所不同，其基本特点如下： （1）在组成成分方面，它是由有生命的和无生命的两种物质组成， 不仅包括植物、动物、微生物，还包括无机环境中作用于生物的物理 化学成分，这是与其它系统最本质的区别。 （2）通常与特定空间相联系，因而能反映一定地区的自然地理特 点一定空间的结构特点（包括水平结构与垂直结构）。 （3）生物具有生长、发育、繁殖与衰亡的特征，相应地生态系统 也可分为幼年期、成长期和成熟期等阶段，即有自身发展的演替规律。 （4）生态系统是一个开放系统，需要不断从外界输入物质和能量， 通过变换与转化以维持物质和能量的流动。 （5）具有复杂的动态平衡特征 系统内不仅存在生物种内、种间 的协调，也存在生物与环境的功能协调，以维持其相对平衡，且这种 平衡也处于不断变化之中，存在着正反馈与负反馈的不平衡。系统又 具有自我调控和人为调控的特点，使不平衡又趋于平衡状态，使整个 系统不断向前发展。 二、生态学的基本规律 生态学研究的主要内容是生物与环境之间的关系，生态学的基本 原理也体现着生物与环境之间的相互关系与规律，主要表现在以下四 个方面： （一）相互作用的协同进化关系 生物为了生存和繁衍，必须经常从环境中摄取物质和能量，包括 空气、水、光、热及营养物，另外也不断释放、排泄废物（气），死后 将遗体归还给环境，使环境得到物质的补充。环境影响生物，生物也 影响环境，它们之间的相互作用关系，可称为生态学的作用与反作用 规律。人类生产活动得益于自然环境，又破坏了自然环境，所以不可 避免地受到自然环境的惩罚，这就是说明此规律的例证。 （二）链索式的制约关系 自然界存在着多种生物，任何一种生物的存在都不是孤立的，它
们之间相互依存,相互克制。“大鱼吃小鱼,小鱼吃虾米”,它们一环 一环地构成链索,通常称为食物链。 (三)物质循环不息的再生关系 植物从土壤和空气中吸取无机物,通过光合作用,合成有机物 部分供动物食用,另一些残破和衰老的部分归还给土壤。动物取食 植物,一部分用于建造机体和维持生命,同时通过呼吸和排泄把一些 物质和能量分别输送给大气和土壤,微生物对动植物归还给土壤的有 机物进行加工分解,被分解的简单化合物和元素,又归还给自然,如 此循环往复,使自然界成为具有一定程度的自生自灭和自给自足性能 的自动调节系统。 (四)相生相克交织而成的协调关系 自然界的各种生物相互依存,许多生物由于对某一两个环境条 件的相近要求,共生在一起,例如森林中不同层次的植物(上层乔木、 中层乔木、下层灌木、地面草丛)以及依靠这些植物为生的动物对于 森林中的小气候税环境有相互依存的关系。但动、植物和动物与动物 之间也有相克的关系。某一动、植物发展过快,形成优势,就会影响 其他动植物。一些动物存在着自己的天敌。各种生物相生相克,维持 着自然界的生态平衡。由生物组成的生态系统和生物本身一样,也有 幼期、中期、鼎盛期和衰老期,所以生态系统发育到一定阶段后,即 发生自然稀疏或周期演替的现象。 、生态系统中的能量流动和物质循环 (-)生态系统中的能量流动 1能量流动的基本规律所谓能量流动是指物体做功的能力, 是可以测量的。能量有多种形式,按运动形式可分为动能和潜能。生 态系统中的动能是生物与其环境之间,以传导和对流的形式互相传递 和转化的一种能量,包括热和辐射。潜能主要是储藏在光合产化学键 内处于静态的能量,只能通过生物与生物之间进行传递与转化。这种 生物与生物、生物与环境之间能量传递和转化过程,就是生态系统的 能量流动过程,这一过程服从热力学第一定律和第二定律 2能量流动的主要渠道在生态系统中,能量流动的渠道主要是 通过“食物链”和“食物网”来实现的。在食物链或食物网中,某种 生物距离初级生产者的梯级称为营养级,通常以绿色植物为第一营养 级,草食动物为第二营养级,肉食动物为第三、四营养极,人处在营
3 们之间相互依存，相互克制。“大鱼吃小鱼，小鱼吃虾米”，它们一环 一环地构成链索，通常称为食物链。 （三）物质循环不息的再生关系 植物从土壤和空气中吸取无机物，通过光合作用，合成有机物， 一部分供动物食用，另一些残破和衰老的部分归还给土壤。动物取食 植物，一部分用于建造机体和维持生命，同时通过呼吸和排泄把一些 物质和能量分别输送给大气和土壤，微生物对动植物归还给土壤的有 机物进行加工分解，被分解的简单化合物和元素，又归还给自然，如 此循环往复，使自然界成为具有一定程度的自生自灭和自给自足性能 的自动调节系统。 （四）相生相克交织而成的协调关系 自然界的各种生物相互依存，许多生物由于对某一两个环境 条 件的相近要求，共生在一起，例如森林中不同层次的植物（上层乔木、 中层乔木、下层灌木、地面草丛）以及依靠这些植物为生的动物对于 森林中的小气候税环境有相互依存的关系。但动、植物和动物与动物 之间也有相克的关系。某一动、植物发展过快，形成优势，就会影响 其他动植物。一些动物存在着自己的天敌。各种生物相生相克，维持 着自然界的生态平衡。由生物组成的生态系统和生物本身一样，也有 幼期、中期、鼎盛期和衰老期，所以生态系统发育到一定阶段后，即 发生自然稀疏或周期演替的现象。 三、生态系统中的能量流动和物质循环 （－）生态系统中的能量流动 1.能量流动的基本规律 所谓能量流动是指物体做功的能力， 是可以测量的。能量有多种形式，按运动形式可分为动能和潜能。生 态系统中的动能是生物与其环境之间，以传导和对流的形式互相传递 和转化的一种能量，包括热和辐射。潜能主要是储藏在光合产化学键 内处于静态的能量，只能通过生物与生物之间进行传递与转化。这种 生物与生物、生物与环境之间能量传递和转化过程，就是生态系统的 能量流动过程，这一过程服从热力学第一定律和第二定律。 2.能量流动的主要渠道 在生态系统中，能量流动的渠道主要是 通过“食物链”和“食物网”来实现的。在食物链或食物网中，某种 生物距离初级生产者的梯级称为营养级，通常以绿色植物为第一营养 级，草食动物为第二营养级，肉食动物为第三、四营养极，人处在营
养级的最顶端,是最高的营养级。营养级越高,能为更高一级生物提 供的能量越少。在生态系统中,食物的营养级通常有4~5级 在能量从一个营养级到另一个营养级流动的过程中,有一部分被 固定下来形成有机物的化学潜能,而另一部分则通过多种途径被消耗, 直到最后消耗完为止。据美国生态学家林德曼研究,平均每个营养级 的转化效率约为10%,这样,营养级从低级到高级,其个体数目、生 物量与能量的分布,形成了底宽而顶尖的金字塔,称为生态金字塔。 这就是著名的“金字塔定律”,亦称“十分之一定律”。生态金字塔有 三种形式: ①数量金字塔表示在一定时间和空间内,各营养级之间的生 物数量关系,以生物个体数目来表示。例如,067hm2豆科饲料作物、 5头奶牛和一个小孩的营养关系。 ②生物量金字塔表示各营养级之间的生物重量关系,以“干 重/单位面积/年”表示。例如,1/15hm2地一年内能生产8925kg 豆科作物,可生产牛肉1125kg,小孩食用后体重增加525kg。 ③能量金字塔表示各营养级之间能量配置关系,以“kJ/ m2·年”表 这三种金字塔,数量金字塔由于在同一级上,生物个体大小,因 种类不同差别很大,可比性小;能量金字塔与生物量金字塔,可比性 强,但能量金字塔最能说明问题,故被广泛采用 (二)生态系统的物质循环 l物质循环的基本形式——“环”、“流”“库”地球表面的物 质在风力、水力、热力等自然动力和生物活动动力的作用下,各种化 学元素从环境到生物体,再从生物体到环境以至生态系统之间进行流 动和转化的运动,称为物质的生物化学循环,或简称为“环”。生物地 球化学循环是物质循环的基本形式 在循环过程中,物质被暂时固定、贮存的场所,称为物质贮存“库” 按照场所的类型和固定、贮存物质的不同,可分为“大气库”、“水圈 库”、“土壤库”、“动物库”和“植物库”。物质在前三库中多以无机状 态存在,在后二库中多以有机状态存在,在大气和水库中相对流动性 大,在土壤、动物和植物库中相对流动性小 在生态系统中,物质和能量以一定的数量由一个库转移到另一个 库中,这个过程叫做“流”,即物质流和能量流。没有植物库和动物库
4 养级的最顶端，是最高的营养级。营养级越高，能为更高一级生物提 供的能量越少。在生态系统中，食物的营养级通常有 4～5 级。 在能量从一个营养级到另一个营养级流动的过程中，有一部分被 固定下来形成有机物的化学潜能，而另一部分则通过多种途径被消耗， 直到最后消耗完为止。据美国生态学家林德曼研究，平均每个营养级 的转化效率约为 10%，这样，营养级从低级到高级，其个体数目、生 物量与能量的分布，形成了底宽而顶尖的金字塔，称为生态金字塔。 这就是著名的“金字塔定律”，亦称“十分之一定律”。生态金字塔有 三种形式： ①数量金字塔 表示在一定时间和空间内，各营养级之间的生 物数量关系，以生物个体数目来表示。例如，0.67 hm2豆科饲料作物、 5 头奶牛和一个小孩的营养关系。 ②生物量金字塔 表示各营养级之间的生物重量关系，以“干 重／单位面积／年”表示。例如，1／15 hm2地一年内能生产 8925 kg 豆科作物，可生产牛肉 1125 kg，小孩食用后体重增加 52.5 kg。 ③能量金字塔 表示各营养级之间能量配置关系，以“kJ／ m2·年”表示。 这三种金字塔，数量金字塔由于在同一级上，生物个体大小，因 种类不同差别很大，可比性小；能量金字塔与生物量金字塔，可比性 强，但能量金字塔最能说明问题，故被广泛采用。 （二）生态系统的物质循环 1.物质循环的基本形式——“环”、“流”、“库” 地球表面的物 质在风力、水力、热力等自然动力和生物活动动力的作用下，各种化 学元素从环境到生物体，再从生物体到环境以至生态系统之间进行流 动和转化的运动，称为物质的生物化学循环，或简称为“环”。生物地 球化学循环是物质循环的基本形式。 在循环过程中，物质被暂时固定、贮存的场所，称为物质贮存“库”。 按照场所的类型和固定、贮存物质的不同，可分为“大气库”、“水圈 库”、“土壤库”、“动物库”和“植物库”。物质在前三库中多以无机状 态存在，在后二库中多以有机状态存在，在大气和水库中相对流动性 大，在土壤、动物和植物库中相对流动性小。 在生态系统中，物质和能量以一定的数量由一个库转移到另一个 库中，这个过程叫做“流”，即物质流和能量流。没有植物库和动物库
能量和物质就散失在空中、水中、土中,不能贮存固定。没有“流” 和“库”就不能构成“环”,因此,环、流、库构成彼此关联、不可分 割的统一整体。研究环、流、库对于发展农业和保护环境有重要意义。 2物质循环的基本类型根据物质循环的路径和所通过的贮存 库和交换库的种类,可分为水循环、气态循环和沉积循环三种主要循 环类型。 (1)水循环大多数生物所需物质多溶于水或随水移动,其贮 存库为水体或土壤水分,交换库则是陆生与水生动植物。水在阳光下 不断蒸发,形成蒸汽,凝结后重返地面和海洋,称之为水的循环。 (2)气态循环以氧、氮、二氧化碳、其他气体和水蒸气为主, 循环范围广,贮存库是大气,交换库主要是有生命的动植物 3)沉积循环多数矿物元素参加这种循环,贮存库是土壤岩 石,交换库多为水和陆生动植物。 磷循环——磷以地壳作为主要贮存库,磷循环是典型的沉积型循 环。在生态系统中,岩石和土壤风化所释放出来的磷素以及施入农田 的磷肥,均可为植物吸收利用。被植物有机化的磷素,有两条循环支 路,一是进入食物链,进一步转化循环;二是以枯枝落叶及残体形式 归还给土壤,进入再循环。脱离生态系统的磷素,也有两条去路: 是植物遗体在陆地表面的磷矿化;二是磷酸盐流入海洋被沉积。 3污染物质的生物浓缩随着工业和化学型集约农业的发展, 大量的化学物质进入环境,并随着物质循环进入生物体中。污染物质 被植物吸收后,将沿着食物链各个营养级陆续传递,在传递过程中也 逐级累积和被浓缩。 污染物质初级浓度甚低,但经过生物浓缩后,浓度急剧升高。如 有机氯农药DDT,在大气中浓度为3×106mg/L,落入水中,经浮 游生物的浓缩,其浓度便升至4×102mg/L(1.3万倍),小鱼吞食了 浮游生物,其浓度又进一步升高,达到0.5mg/L(163万倍),大鱼 吞食小鱼又增至20mg/L(667万倍),水鸟食大鱼,其体内DDT浓 度已达到25mg/L(830万倍)。如果人们摄食了受污染的鱼类,人 体内DDT的浓度就更高了。可见,当前物质循环的特点之一就是污染 物的生物浓缩。要想保护农业环境,保证人体健康,就要尽量减少有 害的污染物进入生态系统
5 能量和物质就散失在空中、水中、土中，不能贮存固定。没有“流” 和“库”就不能构成“环”，因此，环、流、库构成彼此关联、不可分 割的统一整体。研究环、流、库对于发展农业和保护环境有重要意义。 2.物质循环的基本类型 根据物质循环的路径和所通过的贮存 库和交换库的种类，可分为水循环、气态循环和沉积循环三种主要循 环类型。 （1）水循环 大多数生物所需物质多溶于水或随水移动，其贮 存库为水体或土壤水分，交换库则是陆生与水生动植物。水在阳光下 不断蒸发，形成蒸汽，凝结后重返地面和海洋，称之为水的循环。 （2）气态循环 以氧、氮、二氧化碳、其他气体和水蒸气为主， 循环范围广，贮存库是大气，交换库主要是有生命的动植物。 （3）沉积循环 多数矿物元素参加这种循环，贮存库是土壤岩 石，交换库多为水和陆生动植物。 磷循环——磷以地壳作为主要贮存库，磷循环是典型的沉积型循 环。在生态系统中，岩石和土壤风化所释放出来的磷素以及施入农田 的磷肥，均可为植物吸收利用。被植物有机化的磷素，有两条循环支 路，一是进入食物链，进一步转化循环；二是以枯枝落叶及残体形式 归还给土壤，进入再循环。脱离生态系统的磷素，也有两条去路：一 是植物遗体在陆地表面的磷矿化；二是磷酸盐流入海洋被沉积。 3.污染物质的生物浓缩 随着工业和化学型集约农业的发展， 大量的化学物质进入环境，并随着物质循环进入生物体中。污染物质 被植物吸收后，将沿着食物链各个营养级陆续传递，在传递过程中也 逐级累积和被浓缩。 污染物质初级浓度甚低，但经过生物浓缩后，浓度急剧升高。如 有机氯农药 DDT，在大气中浓度为 3×10-6 mg／L，落入水中，经浮 游生物的浓缩，其浓度便升至 4×10-2 mg／L（1.3 万倍），小鱼吞食了 浮游生物，其浓度又进一步升高，达到 0.5 mg／L（16.3 万倍），大鱼 吞食小鱼又增至 2.0 mg／L（66 7 万倍），水鸟食大鱼，其体内 DDT 浓 度已达到 2 5 mg／L（830 万倍）。如果人们摄食了受污染的鱼类，人 体内 DDT 的浓度就更高了。可见，当前物质循环的特点之一就是污染 物的生物浓缩。要想保护农业环境，保证人体健康，就要尽量减少有 害的污染物进入生态系统