现代环境科学概论第5章-环境生态学基本理论与应用课件.ppt

1、第五章第五章 环境生态学基本理论与应用环境生态学基本理论与应用1.生态学与环境生态学生态学与环境生态学n从定义出发理解从定义出发理解 生态生态:Ecology 源于希腊文源于希腊文Oikos 自然界的经济学自然界的经济学 生态学定义：生态学定义：研究研究生物或生物群体生物或生物群体与其与其环境环境相互关系的科学相互关系的科学 研究生物与其环境间研究生物与其环境间相互关系相互关系及及作用机理作用机理的科学的科学（马世骏）（马世骏）生生 命命 系系 统统 动物动物 人人 植物植物 微生物微生物 环环 境境 系系 统统 自然环境自然环境 社会环境社会环境 作用、反作用作用、反作用 对立、统一对立、统

2、一 相互关系相互关系 相互依赖、制约相互依赖、制约 物质循环、代谢物质循环、代谢n从研究内容理解从研究内容理解 一般生态学：以特定生物为研究对象一般生态学：以特定生物为研究对象 环境生态学：环境生态学：以人为主体的生态系统为研究对象以人为主体的生态系统为研究对象 生态学的分支生态学的分支 植物生态学植物生态学 动物生态学动物生态学 按种类划分按种类划分 微生物生学微生物生学 人类生态学人类生态学 个体生态学个体生态学 按存在状态划分按存在状态划分 种群生态学种群生态学 群落生态学群落生态学 生态系统生态系统 种群种群 特定时间、空间同种个体的组合特定时间、空间同种个体的组合 物种存在、繁殖、进

3、化的基本单位物种存在、繁殖、进化的基本单位 空间特征：种群的发展潜力空间特征：种群的发展潜力空间数量空间数量 基本特征基本特征 数量特征：种群密度数量特征：种群密度 遗传特征：遗传、变异性遗传特征：遗传、变异性生物进化遗传学基础生物进化遗传学基础 群落群落 特定时间、空间不同种生物的总和特定时间、空间不同种生物的总和 一定的物种组成：种类、数量，群落多样性基础一定的物种组成：种类、数量，群落多样性基础 物种间相互影响：竞争、捕食、互利、寄生物种间相互影响：竞争、捕食、互利、寄生 影响环境的功能；群落环境影响环境的功能；群落环境 基本特征基本特征 一定的外貌和结构：生态结构、形态结构、营养结构一

4、定的外貌和结构：生态结构、形态结构、营养结构 动态特征：季节、年际演替、演化动态特征：季节、年际演替、演化 一定分布范围一定分布范围 边界特征边界特征 n从研究方法理解从研究方法理解 当代生态学当代生态学多学科交叉多学科交叉 定性定性定量定量 社会生态学社会生态学 宏观宏观 微观微观 复合生态系统复合生态系统 工业生态学工业生态学 单一单一综合综合 应用生态系统应用生态系统 城市生态学城市生态学 静态静态动态动态 文化生态学文化生态学 基础基础应用应用 环境生态学环境生态学生生 物物生 态 学环 境 系统工程学系统工程学 系统生态学系统生态学 整体观（整体观（核心核心）工艺学工艺学 工业生态学

5、工业生态学 功能观功能观 经济学经济学 经济生态学经济生态学 经济观经济观 +化学化学 化学生态学化学生态学 生态信息生态信息 物理学物理学 物理生态学物理生态学 +数学数学 数学生态学数学生态学 数学模型数学模型 最优化方案最优化方案 经济效益经济效益社会效益社会效益生态效益生态效益 发展趋势涵盖一切传统领域，形成许多现代观念：发展趋势涵盖一切传统领域，形成许多现代观念：生态工艺生态工艺 生态城市生态城市 生态安全生态安全 生态文明生态文明 生态价值生态价值 生态哲学生态哲学 生态美学生态美学2.生态系统生态系统n 含义含义 马世骏：马世骏：“生命系统与环境系统在特定空间的组合生命系统与环境

6、系统在特定空间的组合”p 一定空间生物与周围环境的集合体一定空间生物与周围环境的集合体p 自然界基本单位，具有一定结构和功能自然界基本单位，具有一定结构和功能p 生物生物环境相互作用、影响、制约环境相互作用、影响、制约p 不断进行物质循环、能量交换不断进行物质循环、能量交换p 一定时间内处于动态平衡、相对稳定状态一定时间内处于动态平衡、相对稳定状态 无机物无机物 非生物组成：非生物组成：环境要素环境要素 有机物有机物 自然因素自然因素n 组成组成 生产者生产者绿色植物绿色植物 食草动物（一级消费者）食草动物（一级消费者）生物组成生物组成 消费者消费者动物动物 分解者分解者微生物微生物 食肉动物

7、（二级消费者）食肉动物（二级消费者）微型动物微型动物 n 类型类型 自然生态系统自然生态系统 静水生态系统静水生态系统 淡水淡水生态系统生态系统 水域生态系统水域生态系统 流水生态系统流水生态系统 咸水生态系统：咸水生态系统：海洋海洋、远洋、珊瑚礁、远洋、珊瑚礁按要素类型按要素类型 荒荒漠漠生态系统生态系统 草原生态系统草原生态系统 陆地生态系统陆地生态系统 森林生态系统森林生态系统 稀树干草生态系统稀树干草生态系统 湿地生态系统湿地生态系统 按人类影响程度按人类影响程度 半自然生态系统半自然生态系统人工生态系统人工生态系统 n 结构结构 生物种类生物种类 形态结构形态结构 种群数量种群数量

8、骨架骨架 形态结构标志形态结构标志 种的空间配置种的空间配置 种的时间变化（发育、季相）种的时间变化（发育、季相）营养结构：生态系统组成部分间营养关系营养结构：生态系统组成部分间营养关系环环 境境生生 产产 者者分分 解解 者者消消 费费 者者食物链：生态系统中生物以食物联系建立起来的链索关系食物链：生态系统中生物以食物联系建立起来的链索关系 食物网：多个食物链相互交织构成的网状结构食物网：多个食物链相互交织构成的网状结构 生态系统功能过程载体生态系统功能过程载体 食物链种类：食物链种类：捕食性食物链捕食性食物链 腐生性食物链腐生性食物链 寄生性食物链寄生性食物链 食物链研究意义食物链研究意义

9、 组成及量的调节对保护生物资源意义大，具有经济价值组成及量的调节对保护生物资源意义大，具有经济价值 食物链生物富集作用（重金属、有毒难降解物质）食物链生物富集作用（重金属、有毒难降解物质）海水海水 浮游生物浮游生物 小鱼小鱼 鱼鱼 鱼鹰鱼鹰 人人 DDT 310-12 410-8 510-7 210-6 2.510-5 310-5 富集富集107 营养级：食物链的各个环节，同样方式、获相同性质食物，营养级：食物链的各个环节，同样方式、获相同性质食物，同一食性层次同一食性层次 生态同位生态同位 典型森林生态系统营养级典型森林生态系统营养级：植物植物 食草动物食草动物 一级食肉动物一级食肉动物 二

10、级食肉动物二级食肉动物 分解者分解者 植物植物 生物个体数生物个体数 生物数量金字塔生物数量金字塔 营养级的表示营养级的表示 生物量生物量 生物量金字塔生物量金字塔 能量（营养）能量金字塔能量（营养）能量金字塔 P1500000 C1200000C290000（单位：个体（单位：个体/0.1h）C31 生产者生产者 低位营养级低位营养级 消费者消费者 高位营养级高位营养级 45级（级（7级级）每级利用率每级利用率10%寄生性食物链寄生性食物链倒置生物量金字塔倒置生物量金字塔 C121P4n 功能功能 能量流动能量流动环环 境境生生 产产 者者分分 解解 者者消消 费费 者者太阳光量子 太阳光量

11、子以波的形式传递至绿色植物体表太阳光量子以波的形式传递至绿色植物体表 遵循热力学第一定律：能量守恒与转换定律遵循热力学第一定律：能量守恒与转换定律 遵循热力学第二定律：关于有限空间、时间内遵循热力学第二定律：关于有限空间、时间内 一切和热运动有关的物理、化学过程具不可逆性一切和热运动有关的物理、化学过程具不可逆性 能量单向流动能量单向流动：集中：集中 分散分散 高高 低低 能量传递中熵增加，熵不变能量无传递能量传递中熵增加，熵不变能量无传递 生态系统保持稳定是由于负熵的不断输入生态系统保持稳定是由于负熵的不断输入 每一营养级都有能量损失每一营养级都有能量损失 生态系统能量平衡保证生态系统平衡生

12、态系统能量平衡保证生态系统平衡 能量在营养级流动的特点：有损失或剩余能量在营养级流动的特点：有损失或剩余 同化中产生废物、排泄物同化中产生废物、排泄物 同化中耗能，维持生命同化中耗能，维持生命物质循环物质循环 化学元素在生物圈中的物质循环过程化学元素在生物圈中的物质循环过程 基本元素：基本元素：C、H、O、N、S、P 大量元素：大量元素：Na、Ca、Mg、K 微量元素：微量元素：Cu、Zn、Mn、B 包括生物、地质、化学系统的循环：生物地球化学循环包括生物、地质、化学系统的循环：生物地球化学循环 物质在库间转移而流动物质在库间转移而流动 元素在环境中的贮库：水（元素在环境中的贮库：水（H、O）

13、大气、水体大气、水体 N 大气、生物、地壳大气、生物、地壳 周转时间周转时间=库量库量/流通率流通率 H2O在大气库在大气库 10.5d Si在海洋库在海洋库 8000a N在大气库在大气库 100万万a Na在海洋库在海洋库 2.061028 a 个体水平个体水平生物新陈代谢生物新陈代谢 物质循环的三级水平物质循环的三级水平 生态系统生态系统生产者生产者 消费者消费者 分解者分解者 环境环境 生物圈生物圈生物地球化学循环生物地球化学循环 物质循环的特点：物质重复再利用性物质循环的特点：物质重复再利用性 物质循环周期性物质循环周期性 主要元素的循环主要元素的循环 水循环：水循环：动力动力太阳辐

14、射太阳辐射 （H、O）蒸发蒸发 降雨降雨 主要过程主要过程 地下水地下水 地表水地表水 动植物吸收动植物吸收 渗出渗出 碳循环碳循环：大气、水圈、生物圈为碳循环库：大气、水圈、生物圈为碳循环库 大气库大气库CO2 71011t 地质库地质库CO32 2.71016 t 主要过程主要过程 呼吸呼吸 CO2 光合作用光合作用 燃烧燃烧 植物植物 CO32 分解分解 动物动物 化石燃料化石燃料 氮循环：氮循环：大气氮大气氮 固氮固氮 氨氨 硝化作用硝化作用NO2、NO3 生物合成生物合成 反硝化作用反硝化作用 游离氮游离氮分解分解 有机氮有机氮 大气固氮大气固氮 岩浆固氮岩浆固氮固氮形式固氮形式 生

15、物固氮生物固氮 工业固氮工业固氮 磷循环磷循环 硫循环硫循环 气态循环气态循环 SO2 H2S 沉积循环沉积循环 SO42 生物循环生物循环 SO42 H2S 磷酸盐（岩、矿）磷酸盐（岩、矿）鸟粪层鸟粪层海鸟、鱼海鸟、鱼 天然侵蚀天然侵蚀浅海沉积浅海沉积 深海沉积深海沉积 食物链食物链 人工开采人工开采 原生质原生质 磷细菌磷细菌 溶解溶解PO43n 生物生产生物生产 生物性产品的生产过程生物性产品的生产过程 在能量代谢、物质循环中完成在能量代谢、物质循环中完成 物质、能量的重新分配、组合形成有机物物质、能量的重新分配、组合形成有机物 初级生产（第一性生产）：初级生产（第一性生产）：绿色植物光

16、合作用中无机物转化为有机物绿色植物光合作用中无机物转化为有机物 总初级生产量总初级生产量 GP 净初级生产量净初级生产量 NP=GPR R：呼吸消耗的物质、能量：呼吸消耗的物质、能量 次级生产：次级生产：各级消费者转化的物质、能量各级消费者转化的物质、能量 以初级生产为基础，受条件、自身局限以初级生产为基础，受条件、自身局限 有机物与化学能再加工与转化有机物与化学能再加工与转化 净次级生产量净次级生产量 P=IFuR I：采食量：采食量 ：Fu：排泄量：排泄量 营养级能量转化效率营养级能量转化效率生态效率生态效率 营养级能量转化（营养级能量转化（Ceder Bog 湖能流分析）湖能流分析）呼吸

17、代谢呼吸代谢R0=96.3呼吸代谢呼吸代谢R1=18.8总初级生产量总初级生产量GP=464.7食草动物捕食食草动物捕食 I1 =62.8食肉动物食食肉动物食 I2=12.6 未利用未利用M0=305.6 未利用未利用M1=31.4LA=23200能量摄取效率：能量摄取效率：It/It1 初级能量摄取效率：初级能量摄取效率：I0/I=GP/LA 同化效率：同化效率：At/At1 初级同化效率：初级同化效率：Ao/A=Io/I生产效率：生产效率：Pt/P t1 初级生产效率：初级生产效率：Po/P=Io/I初级生态效率初级生态效率 =464.7/23200=2%次级能量摄取效率次级能量摄取效率=

18、I1/GP=13.5%次级同化效率次级同化效率=I2+M1/GP=9.5%次级生产效率次级生产效率=I2/GP=2.7%次级利用效率次级利用效率=I2+R1/GP=6.8%n 信息联系信息联系 信息把生态系统联成统一整体信息把生态系统联成统一整体 营养信息：食物链为一个营养信息系统营养信息：食物链为一个营养信息系统 化学信息：化学分泌物化学信息：化学分泌物 物理信息：声、光、色物理信息：声、光、色 行为信息：行为格式行为信息：行为格式 多样性多样性 复杂性复杂性信息流特点信息流特点 种类多种类多 储量大储量大 未知因素多未知因素多信息流动过程：信息流动过程：产生产生 获取获取 处理处理 再生再

19、生 施效施效3.系统的状态与平衡系统的状态与平衡l生态系统的状态生态系统的状态调节、反馈机制调节、反馈机制 正反馈正反馈个体及种群数量增加导致远离平衡状态个体及种群数量增加导致远离平衡状态 负反馈负反馈个体数量增加，食物资源减少，个体死亡增加，个体数量增加，食物资源减少，个体死亡增加，种群数量减少，系统一般可保持平衡种群数量减少，系统一般可保持平衡：l生态平衡生态平衡 含义：含义：生态系统在较长时间内生态系统在较长时间内 组成成分相对协调组成成分相对协调 物质能量输出入接近相等物质能量输出入接近相等 结构功能基本稳定结构功能基本稳定 在一定的外来干扰下通过自我调节恢复稳定状态在一定的外来干扰下

20、通过自我调节恢复稳定状态 特征：特征：结构平衡结构平衡 功能平衡功能平衡 收支平衡收支平衡 特点：特点：平衡是动态的、相对的、有限度的平衡是动态的、相对的、有限度的 平衡按一定规律运动、变化平衡按一定规律运动、变化 平衡的原因是生态系统内部自动调节能力平衡的原因是生态系统内部自动调节能力环境自净能力环境自净能力 环境自净能力程度取决于生态系统环境自净能力程度取决于生态系统 结构多样性结构多样性 功能完整性功能完整性 生态平衡破坏因素：生态平衡破坏因素：自然原因自然原因自然界异常变化自然界异常变化 人为原因人为原因人类活动影响人类活动影响 物种消失物种消失 物种改变物种改变 物种引进物种引进 基

21、因工程基因工程 污染物进入环境污染物进入环境环境因素改变环境因素改变 植被破坏植被破坏 地貌改变地貌改变信息破坏信息破坏 环境污染破坏信息物质环境污染破坏信息物质生态平衡失调的标志：生态平衡失调的标志：结构上的标志结构上的标志 一级结构缺损：一级结构缺损：生产者、消费者、还原者、非生物成分间结构生产者、消费者、还原者、非生物成分间结构 二级结构缺损：二级结构缺损：生产者、消费者、还原者、非生物成分各自内部结构生产者、消费者、还原者、非生物成分各自内部结构 功能上的标志功能上的标志 能量流动受阻能量流动受阻 物质循环中断物质循环中断生态平衡的恢复与重建生态平衡的恢复与重建 恢复恢复 使受损生态系

22、统从远离初始状态回到干扰、破坏前状态使受损生态系统从远离初始状态回到干扰、破坏前状态 重建重建 对生态系统改善，减少不希望的特点，增加人类期待的特点对生态系统改善，减少不希望的特点，增加人类期待的特点 生态平衡的相对性：动态的过程，不可能停留在某状态生态平衡的相对性：动态的过程，不可能停留在某状态 目标目标 使重建向有利的方向发展使重建向有利的方向发展 已破坏的生态平衡得到恢复，并在更高层次重建已破坏的生态平衡得到恢复，并在更高层次重建 改变、阻止生态系统退化的主导因子改变、阻止生态系统退化的主导因子 措施措施 调整、配置、优化系统内外功能过程调整、配置、优化系统内外功能过程 采用生态工程技术

23、采用生态工程技术4.生态学的规律与应用生态学的规律与应用l生态学的基本规律生态学的基本规律 相互依存、相互制约规律相互依存、相互制约规律物物相关、相生相克律物物相关、相生相克律 物质循环、转化与再生规律物质循环、转化与再生规律能流物复律能流物复律 物质输出入的动态平衡规律物质输出入的动态平衡规律协调稳定律协调稳定律 相互适应与补尝的协同进行规律相互适应与补尝的协同进行规律协同进行律协同进行律 环境资源的有效极限规律环境资源的有效极限规律负载有额律负载有额律l应用应用 全面考察人类活动对环境的影响全面考察人类活动对环境的影响 充分利用生态系统的调节能力，保护生态平衡充分利用生态系统的调节能力，保

24、护生态平衡 制订生态规划方案制订生态规划方案 综合利用资源、能源综合利用资源、能源 科学制订国民经济计划科学制订国民经济计划 阐明污染物在环境中的迁移转化规律阐明污染物在环境中的迁移转化规律 在环境保护中的应用在环境保护中的应用 环境质量的生物监测、评价环境质量的生物监测、评价 制订环境标准和环境容量制订环境标准和环境容量l生态工程生态工程 利用生态系统中利用生态系统中物种共生、物质循环再生物种共生、物质循环再生原理原理 结构、功能协调结构、功能协调原理原理 以以结构最优化结构最优化方法设计的方法设计的分层利用物质分层利用物质的生产系统的生产系统 相关词：生态工艺技术相关词：生态工艺技术 以最

25、小的代价措施，对环境损害最小的技术以最小的代价措施，对环境损害最小的技术 目标：目标：促进自然界良性循环促进自然界良性循环 充分发挥物质的生产潜力充分发挥物质的生产潜力 防治环境污染防治环境污染 经济效益、生态效益同步发展经济效益、生态效益同步发展 核心：整体、协调、循环、再生核心：整体、协调、循环、再生 马世骏马世骏 范畴：工业、农业、林业、水利、沙漠化防治、污染防治范畴：工业、农业、林业、水利、沙漠化防治、污染防治5.生态系统服务生态系统服务 Costanza：生态系统提供的商品和服务的总称生态系统提供的商品和服务的总称 Daliy：人类社会对自然生态系统的依赖性人类社会对自然生态系统的依

26、赖性q内涵内涵 提供生产、生活原料提供生产、生活原料 创造、维持地球生命支持系统创造、维持地球生命支持系统 形成人类生存环境条件形成人类生存环境条件 生态系统功能的另一种表现形式生态系统功能的另一种表现形式q效用效用 有机质的生产有机质的生产 形成和维持生物多样性形成和维持生物多样性 调节气候调节气候 调节水循环调节水循环 保持水土保持水土 控制有害生物、病虫害控制有害生物、病虫害 净化环境、环境自净力净化环境、环境自净力 文化休闲文化休闲q价值评价价值评价 生态系统服务的经济估算生态系统服务的经济估算 生态系统种类生态系统种类每种生态系统现存面积每种生态系统现存面积单位面积年均价值单位面积年

27、均价值 =生态系统服务总价值生态系统服务总价值n意义意义 建立环境建立环境经济综合核算体系经济综合核算体系 制订自然资源价格体系制订自然资源价格体系 科学决策科学决策 提高环境意识提高环境意识n方法方法 市场价值法市场价值法 生态环境作为生产要素生态环境作为生产要素成本对生产量、生产率、利成本对生产量、生产率、利 润的影响程度润的影响程度 恢复费用法恢复费用法 用修复费作为生态破坏的经济损失用修复费作为生态破坏的经济损失 影子工程法影子工程法 用恢复工程投资估算表示（恢复费用法的特殊形式）用恢复工程投资估算表示（恢复费用法的特殊形式）机会成本法机会成本法 资源的多种使用资源的多种使用“机会机会

28、”中，以最大获益为机会成本中，以最大获益为机会成本 调查评价法调查评价法 由专家、环境利用者评定由专家、环境利用者评定 替代性市场法替代性市场法 用间接的商品、劳务替代市场价值法中的产品用间接的商品、劳务替代市场价值法中的产品 人力资本法人力资本法 用人体健康受损、人员死亡的医疗费用、收入损用人体健康受损、人员死亡的医疗费用、收入损 失估算失估算6.生态系统管理生态系统管理l含义含义 具有明确的目标具有明确的目标 有政策、协议和实践活动保证有政策、协议和实践活动保证 以对生态系统最佳认识为基础以对生态系统最佳认识为基础 进行研究、监测、不断适应性的管理进行研究、监测、不断适应性的管理 达到人类活动和保护自然和谐统一达到人类活动和保护自然和谐统一l实施实施 提出目标提出目标 生态系统状态评估生态系统状态评估 整体性管理整体性管理 （生态系统（生态系统“健康诊断）健康诊断）受损生态系统恢复、重建受损生态系统恢复、重建 生态安全与生态风险评估生态安全与生态风险评估 工业生态学与清洁生产工业生态学与清洁生产