1、第第2 2章章 生态学基础生态学基础Fundamentals of Ecology 2022年8月4日22时06分环境科学导论环境科学导论 1导读导读：一一个新兴学科的产生和形成是与人类历史发展密切相关的。过去，人类一直从地球上自由索取各种资源，个新兴学科的产生和形成是与人类历史发展密切相关的。过去，人类一直从地球上自由索取各种资源，又自由地通过再循环途径，消除使用后的废物。这种索取方式，已使自然循环系统局部超负荷，但没有引起人又自由地通过再循环途径，消除使用后的废物。这种索取方式，已使自然循环系统局部超负荷，但没有引起人们的注意。直到上世纪，各资本主义国家工业加速发展，对环境的污染带来了严重
2、的问题，从出现过震惊世界们的注意。直到上世纪，各资本主义国家工业加速发展，对环境的污染带来了严重的问题，从出现过震惊世界的的“八大公害八大公害”事件到目前的温室效应、臭氧层破坏，以及酸雨产生等新问题，已使地球生态系统失去平衡，事件到目前的温室效应、臭氧层破坏，以及酸雨产生等新问题，已使地球生态系统失去平衡，直接威胁到人类的生存。因此，人们开始了从不同角度去研究环境问题，使人类和环境协调发展，这就使生态直接威胁到人类的生存。因此，人们开始了从不同角度去研究环境问题，使人类和环境协调发展，这就使生态学这一分支学科随着环境科学的产生发展和形成而发展起来。学这一分支学科随着环境科学的产生发展和形成而发
3、展起来。生态学生态学是一门新兴的渗透性很强的边缘学科。它是研究在人类干扰下，生态系统内在变化机理、规律和对是一门新兴的渗透性很强的边缘学科。它是研究在人类干扰下，生态系统内在变化机理、规律和对人类的反效应，寻求受损生态系统的恢复、重建及保护生态对策的科学。即是运用生态学的原理，阐明人类对人类的反效应，寻求受损生态系统的恢复、重建及保护生态对策的科学。即是运用生态学的原理，阐明人类对环境影响及解决环境问题的生态途径的科学。它是环境科学的重要分支。环境影响及解决环境问题的生态途径的科学。它是环境科学的重要分支。提要提要：本章重点介绍与环境科学密切相关的生态学基础知识、理论和应用。首先从环境与生态的
4、区别和内在联本章重点介绍与环境科学密切相关的生态学基础知识、理论和应用。首先从环境与生态的区别和内在联系入手，深入剖析生态的基本内涵，系统阐述生态系统的组成和结构，重点论述对环境保护最为重要的生态系系入手，深入剖析生态的基本内涵，系统阐述生态系统的组成和结构，重点论述对环境保护最为重要的生态系统两大基本功能统两大基本功能物质循环和能量流动，最后延展性地分析生态学对环境保护的意义及应用。物质循环和能量流动，最后延展性地分析生态学对环境保护的意义及应用。要求要求：通过本章的学习，了解生态学基本概念、生态系统和生态学在环境保护中的应用。通过本章的学习，了解生态学基本概念、生态系统和生态学在环境保护中
5、的应用。2022年8月4日22时06分环境科学导论环境科学导论 第第2页页第第2 2章章 生态学基础生态学基础2.1生态学概述生态学概述2.1.1生态学生态学定义定义 生态学生态学（EcologyEcology）一词是由德国生物学家Ernst Haeckel于1869年首次提出，并于1886年创立了生态学这门学科。Ecology来自于希腊语“oikos”与“logos”，前者意为“住所”，后者指“科学研究”，Haeckel把生态学定义为：“研研究有机体与环境相互关系的科学究有机体与环境相互关系的科学”。此后，又先后提出了生态学各种定义，都不同程度地反映出当时生态学的主流和发展趋势。著名生态学家
6、E.Odum把生态学定义为“研究生态系统结研究生态系统结构和功能的学科构和功能的学科”。生态学是研究生物之间、生物与环境之间相互关系及其作用机理的科学。生态学定义反映出了该学科最基本的特点，即生物是具有适应能力的，环境是复杂变化的统一系统。2022年8月4日22时06分环境科学导论环境科学导论 第第3页页第第2 2章章 生态学基础生态学基础2.1.2生态学生态学研究研究对象对象 生态学研究的对象包括生物分子、个体、种群、群落、生态系统直到生物生物分子、个体、种群、群落、生态系统直到生物圈圈。生态学涉及的环境从。生态学涉及的环境从无机环境，生物环境到人与人类社会，以及由人类活无机环境，生物环境到
7、人与人类社会，以及由人类活动所导致的环境问题。动所导致的环境问题。几个有关生态学的基本概念：（1）种群（种群（Population）:种群是一个生物物种在一定范围所有个体的总和，生物只有形成一个群体，才能繁衍和发展，群体是个体发展的必然结果。（2）群落（群落（Community）:群落是一定自然区域中许多不同种生物的总和。各种群落的范围有大有小，有的边界明显，有的边界又难以划分，大的如一个热带雨林，小的如一洼积水，一块农田。（3）生态系统（生态系统（Ecosystem）:生态系统是任何一个生物群落与周围非生物环境的综合体，是自然界一定空间内的生物与环境之间相互作用、相互制约、不断演变而达到动态
8、平衡的相对稳定的统一体。（4）生物圈（生物圈（Ecosphere）:生物圈是地球表面全部有机体及与之发生作用的物理环境的总称。2022年8月4日22时06分环境科学导论环境科学导论 第第4页页第第2 2章章 生态学基础生态学基础2.1.3生态学分生态学分类类（1）根据研究对象组织水平可将其划分为 分子生态学(Melecular Ecology)进化生态学(Evolutionary Ecology)个体生态学(Autecology)生理生态学(Physiological Ecology)种群生态学(Population Ecology)群落生态学(Community Ecology)生态系统生态
9、学(Ecosystem Ecology)景观生态学(Landscape Ecology)和全球生态学(Global Ecology)2022年8月4日22时06分环境科学导论环境科学导论 第第5页页第第2 2章章 生态学基础生态学基础（2）根据研究对象生境分 陆地生态学(Terrestrial Ecology)海洋生态学(Marian Ecology)淡水生态学(Freshwater Ecology)岛屿生态学(Island Ecology).（3）根据研究性质划分 理论生态学（数学生态）应用生态学（农业生态学、森林生态学、草地生态学、家畜生态学、自然资源生态学等）。此外，还有学科间相互渗透而
10、产生的边缘学科，如数量生态学、化学生态学、物理生态学和经济生态学等。近年来，生态学家把注意力转向生物与污染环境之间相互关系及对生态系统的影响方面，产生了污染生态学(Pollution ecology)。2022年8月4日22时06分环境科学导论环境科学导论 第第6页页第第2 2章章 生态学基础生态学基础2.1.4生态学发展史生态学发展史u 四时期划分：四时期划分：生态学的萌芽时期（公元16世纪以前）生态学的建立时期（公元17世纪至19世纪）生态学的巩固时期（20世纪初20世纪50年代）现代生态学时期（20世纪60年代至今）u 两个阶段划分：两个阶段划分：生物学分支学科阶段（20世纪60年代以前
11、）综合性学科阶段（20世纪60年代以后）2022年8月4日22时06分环境科学导论环境科学导论 第第7页页第第2 2章章 生态学基础生态学基础2.1.5生态学生态学发展趋势发展趋势 现代生态学较传统生态学在研究层次，研究手段和研究范围上有所不同，发展趋势表现为：（1）研究层次上向宏观与微观两极发展 宏观扩展到生态系统、景观、全球研究（全球变化、生物多样性、臭氧空洞等研究都有较大进展），从区域扩展到整个生物圈。微观已发展了分子生态学和基因生态学水平。（2）研究手段随科学技术发展更加多样化、自动化和精确化 传统的着重研究对象的描述，所用方法和仪器都很简单。现代生态学研究体现于以下几个方面：1)野外
12、自动电子仪器的应用（测植物光合作用、呼吸作用、蒸腾作用，水分状况、叶面积、生物量及微环境等）；2)用同位素示踪来测物质转移与物质循环等；3)稳定同位素用于研究生物进化、物质循环和全球变化等；4)遥感与地理信息系统用于时空现象的定量、定位与监测；5)生态建模用于生态过程的动态模拟等。以上技术支持了现代生态学的长远发展。（3）研究范围的扩展 经典生态学以研究自然现象为主。现代生态学结合人类活动对生态过程的影响，从纯自然现象研究扩展到自然-经济-社会复合系统的研究。生态学在解决资源、环境、可持续发展等重大问题上具有重要作用，从而受到社会的普遍重视。2022年8月4日22时06分环境科学导论环境科学导
13、论 第第8页页第第2 2章章 生态学基础生态学基础2.2生态系统生态系统2.2.1生态系统生态系统 “生态系统生态系统(Ecological system)(Ecological system)就是就是包括特定地段中的全部包括特定地段中的全部生物和物理环境的统一体生物和物理环境的统一体”-E.P.Odum。2022年8月4日22时06分环境科学导论环境科学导论 第第9页页第第2 2章章 生态学基础生态学基础图图2-1组织层次谱系组织层次谱系2.2.2生态系统组成生态系统组成 (1)非生物环境（Abiotic environment）(2)生产者（Producer）(3)消费者（Consumer
14、）(4)分解者（Decomposer）2022年8月4日22时06分环境科学导论环境科学导论 第第10页页第第2 2章章 生态学基础生态学基础图图2.2.生态系统的组成成分生态系统的组成成分图图2-3 生态系统组成成分性质及相互关系生态系统组成成分性质及相互关系2.2.3生态系统生态系统分类分类 1.按生物成分 植物生态系统（Plant ecological system）动物生态系统（Animal ecological system）微生物生态系统（Microbia ecological system）人类生态系统(Human ecological system）2022年8月4日22时06
15、分环境科学导论环境科学导论 第第11页页第第2 2章章 生态学基础生态学基础2.按生态系统结构和外界物质和能量交换状况 开放系统(Open system)封闭系统(Closed system)隔离系统(Isolated system)3.按人类活动及其影响程度 自然生态系统(Natural ecological system）半自然生态系统(Half the natural ecological system）人工复合生态系统(Artificial complex ecological system）社会-经济-自然复合生态系统(Social-economic-natural compound
16、 ecological system)4.按生态系统大环境条件的不同 陆地生态系统(Terrestrial ecological system)水生生态系统(Aquatic ecological system)2022年8月4日22时06分环境科学导论环境科学导论 第第12页页第第2 2章章 生态学基础生态学基础2.2.4生态系统生态系统结构结构 1.空间结构 2.时间结构 3.营养结构 食物链(Food chain)食物网（Food web）2022年8月4日22时06分环境科学导论环境科学导论 第第13页页第第2 2章章 生态学基础生态学基础图图2-4 陆地生态系统食物网陆地生态系统食物网
17、2.2.5生态系统基本功能生态系统基本功能1.物质生产(Material production)初级生产(Primary production)式中：CO2和H2O是原料，糖（葡萄糖/C6H12O6，有时写成CH2O）是光合作用的主要产物，由其再合成蔗糖、淀粉和纤维素等。植物在单位面积，单位时间内通过光合作用固定的太阳能的量称为总初级生产量（GPP），常用单位：J/(m2a)。总初级生产量减去植物的呼吸量（R），余下的有机物质即为净初级生产量（NPP）。总初级生产量与净初级生产量之间的关系可用下式表示：NPP=GPPR (2-2)次级生产（Secondary production）Ps=CFu
18、R (2-3)Ps为次级生产量；C为摄入的能量，Fu为排泄物中的能量；R为呼吸所消耗的能量。2022年8月4日22时06分环境科学导论环境科学导论 第第14页页第第2 2章章 生态学基础生态学基础2.能量流动能量流动(Energy flow)2022年8月4日22时06分环境科学导论环境科学导论 第第15页页图图2-5 生态系统能流模式图生态系统能流模式图L=太阳总辐射；PG=总初级生产固定能量；PN=净初级生产固定能量；R=呼吸耗能量；C=摄入的能量；A=同化固定能量；P=次级生产能量；NU=为利用能量；FU=随粪尿流失能量生态系统的能量流动有以下四个基本模式，如见图2-5所示。（1）能量形
19、式的转变（2）能量的转移（3）能量利用（4）能量耗散 第第2 2章章 生态学基础生态学基础生态系统能量流动类型生态系统能量流动类型1)第一能流 生态系统中牧食食物链传递的能量。如小麦-麦蚜虫-肉食性瓢虫-食虫小鸟-猛兽。2)第二能流 生态系统中腐生性食物链传递的能量。如动植物残体-微生物-土壤动物；有机碎屑-浮游动物-鱼类。3)第三能流 生态系统能流过程中，被贮存和矿化的能量。如森林蓄积的大量木材和植物纤维等。又如地质年代中大量动植物被埋藏于地层形成的化石燃料。这部分能量经燃烧或风化而散失，从而完成其能流过程。2022年8月4日22时06分环境科学导论环境科学导论 第第16页页第第2 2章章
20、生态学基础生态学基础生态系统生态系统能量流动特点能量流动特点 1)能流是变化着的 2)能流的不可逆性 3)能量的耗散 4)能量利用率低 2022年8月4日22时06分环境科学导论环境科学导论 第第17页页 以各营养级所含能量绘制成图，形似塔状，称为“生态金字塔（Ecological pyramid）”，如图2-6所示。图图2-6 生态系统能量金字塔生态系统能量金字塔 3.物质循环（物质循环（Material circulation）(1)研究生态系统物质循环常用的几个概念 1)库（库（Pool）:是指某一物质在生物或非生物环境中暂时滞留（被固定或贮存）的数量。2)流通率流通率(Flow rat
21、e):指物质在生态系统中单位时间、单位面积（或体积）内移动的量。3)周转率周转率(Turnaround rate):是指某物质出入一个库的流通率与库量之比。周转率=流通率/库中该物质的量 （2-4）4)周转时间周转时间(Turnaround time):就是周转率的倒数。2022年8月4日22时06分环境科学导论环境科学导论 第第18页页第第2 2章章 生态学基础生态学基础（2）生态系统中的物质）生态系统中的物质 1)能量元素(Energy element)-也称结构元素 构成生命体（如蛋白质（Protein）、核酸(Nucleic acid)、多糖(Polysaccharide)和脂类(li
22、pid)）所必需的基本元素必需的基本元素，包括碳、氢、氧、氮。2)大量元素(Constant element)生命过程大量需要的元素大量需要的元素，包括钙、镁、磷、钾、硫、钠等；3)微量元素(Trace elements)以人体为例，上述两类元素约占99.95%，而微量元素，在人体只占0.05%，包括铁、锌、铜、硼、锰、钼、钴、氟、碘、硒、硅、锶等。微量元素的需要量很少，但需要量很少，但却是不可缺少的却是不可缺少的。在人体中，铁元素是血红素的主要成分，钴是维生素B2不可缺少的元素，钼、锌、锰是多种酶的组成元素。这些物质主要存在于水域和土壤中。2022年8月4日22时06分环境科学导论环境科学导
23、论 第第19页页第第2 2章章 生态学基础生态学基础（3）生态系统物质循环和能量流动关系）生态系统物质循环和能量流动关系 生态系统的能量流和物质流紧密结合，维持着生态系统的生长发育和进化生态系统的能量流和物质流紧密结合，维持着生态系统的生长发育和进化（见图2-7）。生态系统能量来自太阳，物质来自地球，即地球上的大气圈(Atmosphere)、水圈(Hydrosphere)、岩石圈(lithosphere)和土壤圈(Soil circle)。“天”与“地”结合，才有了生命和生态系统。2022年8月4日22时06分环境科学导论环境科学导论 第第20页页图图2-7 生态系统能量流动与物质循环生态系统
24、能量流动与物质循环第第2 2章章 生态学基础生态学基础(4)生态系统物质循环分类生态系统物质循环分类 1)生物个体层次的物质循环 主要指生物个体吸收营养物质建造自身的同时，还经过新陈代谢活动把体内产生的废物排出体外，经分解者作用归还于环境。2)生态系统层次的物质循环 指在一个具体范围内进行的（某一生态系统内），在初级生产者代谢的基础上，通过各级消费者把营养物质归还于环境之中的营养物质循环。3)生物圈层次的物质循环 指营养物质在各生态系统之间输入和输出，以及它们在大气圈、水圈和土壤圈之间的交换，称生物地球化学循环或生物地质化学循环。2022年8月4日22时06分环境科学导论环境科学导论 第第21
25、页页第第2 2章章 生态学基础生态学基础(5)主要的生物地球化学循环主要的生物地球化学循环 1)水循环（Water cycle）：属于液相循环，是太阳能驱动的全球性循环。2022年8月4日22时06分环境科学导论环境科学导论 第第22页页图图2-8 生物圈中水循环简图生物圈中水循环简图第第2 2章章 生态学基础生态学基础2)碳循环（Carbon cycle）：是生物圈（Biosphere）中一个很重要的循环。2022年8月4日22时06分环境科学导论环境科学导论 第第23页页图图2-9 生物圈中碳循环示意图生物圈中碳循环示意图第第2 2章章 生态学基础生态学基础3)氧循环（Oxygen cyc
26、le）：氧存在于大气圈、水圈、岩石圈与生物体中。大气中的氧气，是在生物圈漫长的岁月中植物光合作用所积累形成的，是人类、动物和好氧微生物呼吸所需氧气的来源。2022年8月4日22时06分环境科学导论环境科学导论 第第24页页4）氮循环（Nitrogen cycle）氮主要是在大气、生物、土壤和海洋之间进行。2022年8月4日22时06分环境科学导论环境科学导论 第第25页页图图2-10 生物圈中氮循环示意图生物圈中氮循环示意图第第2 2章章 生态学基础生态学基础5)硫循环（Sulfur cycle）硫循环兼有气相循环和固相循环的双重特征。SO2和H2S是硫循环中的重要组成部分，属气相循环；硫酸盐
27、被长期束缚在无机沉积物中，释放十分缓慢，属于固相循环。2022年8月4日22时06分环境科学导论环境科学导论 第第26页页第第2 2章章 生态学基础生态学基础(6)生物地球化学循环与全球环境变化生物地球化学循环与全球环境变化 工业革命以来，人类的生产和生活活动强度大大增加，产生了大量的C、N、P和S污染物，导致了C、N、P和S的大气、水体、土壤和动植物，及至整个生态系统的污染，使全球生态环境日益恶化。当这些污染物加入到原有的C、N、P和S的生物地球化学循环中，可能出现两种结局：生物地球化学循环一方面使环境中的这些污染物的数量减少了，而且可能转化为毒性较小或没有毒性的其他物质；另一方面，也有可能
28、转化为毒性更大的二次污染物，从而表现为使C、N、P和S的局部污染有可能成为全球性的环境问题(Globular environmental problems)。全球生态环境恶化是C、N、P和S等元素生物地球化学循环受到破坏的必然结果。反过来，全球生态环境不断恶化，必然打乱C、N、P和S等元素的生物地球化学循环，甚至使他们终止而成为“非循环”状态。例如：温室效应（Greenhouse effect）、臭氧层耗竭、酸雨、湖泊富营养化与海洋赤潮（Marine red tide）的发生。2022年8月4日22时06分环境科学导论环境科学导论 第第27页页第第2 2章章 生态学基础生态学基础 4.信息传递
29、（信息传递（Information transfer）生态系统信息传递又称信息流(Information flow)，是生态系统中生命成生态系统中生命成分之间相互作用、相互影响的一种特殊形式分之间相互作用、相互影响的一种特殊形式。可以认为整个生态系统中的能流和物质流的行为是由信息决定的。而信息又寓于物质和能量流动之中，物质流和能量流是信息流的载体。信息流分类：(1)营养信息（Nutrition information）（2）物理信息（Physical information）（3）化学信息 化学信息（Chemical information）（4）行为信息（Behavior informati
30、on）2022年8月4日22时06分环境科学导论环境科学导论 第第28页页第第2 2章章 生态学基础生态学基础2.2.6生态系统平衡生态系统平衡1.生态系统平衡（Ecosystem balance）广义的生态平衡是指生命各个层次上，主体与环境的综合协调生命各个层次上，主体与环境的综合协调。2.保持生态平衡的因素 (1)结构多样性 生态系统的结构越复杂，自我调节能力就越强；结构越简单，自我调节能力越弱。(2)功能完整性 生态系统能量流动和物质循环再生的合理的运转。运转得越合理，自我调节能力就越强。2022年8月4日22时06分环境科学导论环境科学导论 第第29页页第第2 2章章 生态学基础生态学
31、基础3.破坏生态平衡的因素破坏生态平衡的因素（1）自然因素 （Natural factors）主要是指自然界发生的异常变化或自然界本来就存在的对人类和生物的有害因素。由自然因素引起的生态平衡破坏，称为第一环境问题。（2）人为因素 主要指由于人类对自然资源不合理利用，以及人类生产和社会活动产生的有害因素。人为因素（Human factors）是引起生态失衡的主要原因。由人为因素引起的生态平衡破坏，称为第二环境问题。主要表现方面：1)物种改变引起的生态失衡 2)环境因素引起的生态失衡 3)信息系统的破坏引起的生态失衡2022年8月4日22时06分环境科学导论环境科学导论 第第30页页第第2 2章章
32、 生态学基础生态学基础4.生态系统平衡调节生态系统平衡调节 （1）反馈机制 自然生态系统可以看作是一个反馈控制系统（Feedback control system），如图2-11所示。2022年8月4日22时06分环境科学导论环境科学导论 第第31页页第第2 2章章 生态学基础生态学基础图图2-11 生态平衡的反馈调控生态平衡的反馈调控（2）抵抗力抵抗力（Resistance force）自然生态系统具有抵抗外来干扰并维持系统结构和功能原状的能力，是维持生态平衡的重要途径之一。环境容量（Environmental capacity）、自净作用（Self-purification）等是系统抵抗力
33、的表现形式。生态系统抵抗力与稳定性的关系如图2-12所示。(3)恢复力恢复力 (Restoring force)恢复力是指生态系统遭受外来干扰破坏后，系统恢复到原状的能力生态系统遭受外来干扰破坏后，系统恢复到原状的能力。2022年8月4日22时06分环境科学导论环境科学导论 第第32页页第第2 2章章 生态学基础生态学基础图图2-12 生态系统抵抗力与稳定性的关系生态系统抵抗力与稳定性的关系 抗力和恢复力是生态系统稳定性的两个方面，两者正好相反，抵抗力强的生态系统其恢复力一般较弱，反之亦然。森林生态系统对干扰的抵抗力很强，然而，一旦遭到破坏，恢复起来则十分困难。抵抗力、恢复力与生态系统稳定性有
34、关（图2-12）。2.2.7生态系统特征生态系统特征 (1)生态系统具有生物学特征 (2)生态系统具有一定的区域特征 (3)生态系统是开放的“自律系统”(4)生态系统是一种反馈系统 2022年8月4日22时06分环境科学导论环境科学导论 第第33页页第第2 2章章 生态学基础生态学基础2.3生态学在环境保护中生态学在环境保护中的应用的应用2.3.1 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 以我国三峡工程为例以我国三峡工程为例：2022年8月4日22时06分环境科学导论环境科学导论 第第34页页第第2 2章章 生态学基础生态学基础1.兴建三峡工程有利影响（1）防洪（2）发电 （
35、3）航运2.兴建三峡工程不利影响（1）淹没土地（2）毁坏历史名城（3）淹没无价古迹（4）自然遗产被破坏（5）珍稀物种的灭绝 建三峡大坝后，三峡地区以奇、险为特色的自然景观会有所改变，但将呈现“高峡出平湖”的新壮丽景色，沿三峡库区各支流险礁的自然风光将待开发。三峡沿岸地少人多，如开发利用不当，可能加剧水土流失，使水库中泥沙淤积。1992年全国人民代表大会经过认真热烈的讨论之后，认为兴建三峡工程利大于弊，从而通过了兴建三峡工程的议案。通过这一实例说明，“生态学的一个中心思想是整体和全局的概念”。不仅考虑现在，还要充分考虑到将来；不仅考虑本地区，还要考虑有关的其它地区；要在时间和空间上全面考虑，统筹
36、兼顾。2.3.2生态系统生态系统自净作用自净作用1.绿色植物对大气污染的净化作用2022年8月4日22时06分环境科学导论环境科学导论 第第35页页第第2 2章章 生态学基础生态学基础图图2-13绿色植物对大气污染的净化作用示意图绿色植物对大气污染的净化作用示意图（1）绿色植物对有害气体的吸收作用 2022年8月4日22时06分环境科学导论环境科学导论 第第36页页（2）绿色植物的减尘作用2022年8月4日22时06分环境科学导论环境科学导论 第第37页页（3）绿色植物的除菌和杀菌作用（4）绿色植物吸收CO2、放出O2（5）绿色植物减弱噪声、吸滞放射性物质的作用 2022年8月4日22时06分
37、环境科学导论环境科学导论 第第38页页2.水体对污染物的净化作用水体对污染物的净化作用 水体自净作用(Self-purification of water body)包括沉淀、稀释、混合等沉淀、稀释、混合等物理过程，氧化还原、分解化合、吸附凝聚等化学和物理化学过程以及物理过程，氧化还原、分解化合、吸附凝聚等化学和物理化学过程以及生物化学过程，各个过程相互影响、交织进行。生物化学过程，各个过程相互影响、交织进行。2022年8月4日22时06分环境科学导论环境科学导论 第第39页页第第2 2章章 生态学基础生态学基础图图2-14 河流水体污染物自净化作用过程示意图河流水体污染物自净化作用过程示意图
38、3.土壤污染净化土壤污染净化作用作用 土壤-植物系统的生物净化（Biological purification）作用可通过以下几个方面来实现：植物根系的吸收，转化，降解和合成。土壤中细菌，真菌和放线菌等微生物区系对污染物的降解转化和生物固定作用。土壤中动物区系对含有氮磷钾的有机物质的作用。土壤污染物植物自净化作用如图2-15所示2022年8月4日22时06分环境科学导论环境科学导论 第第40页页图图2-15土壤污染物植物自净化作土壤污染物植物自净化作用过程示意图用过程示意图第第2 2章章 生态学基础生态学基础2.3.3污染生态监测与污染生态监测与评价评价 生态监测(Ecological mon
39、itoring)利用生物系统的各层次对自然或人为因素引起环境变化的反映来判定环境质量。生物监测（Biological monitoring）利用生物对环境中污染物质的反应，也就是生物在污染环境中所发生的信息，来判断环境污染状况的一种手段。生物评价（Biological evaluation）利用生物学方法按一定标准对一定范围内的环境质量进行评价和预测。2022年8月4日22时06分环境科学导论环境科学导论 第第41页页第第2 2章章 生态学基础生态学基础 生态监测和生物生态监测和生物评价评价方法方法(1)指示生物法(Biological indicator method)利用指示生物来监测环境
40、状况的一种方法。指示生物就是对环境中某些物质，包括污染物的作用或环境条件的改变能较敏感和快速地产生明显反应的生物，通过其所做出的反应可了解环境的现状和变化。(2)群落和生态系统层次的生态监测 （Ecological monitoring）人为干扰或污染对群落和生态系统压迫导致的的结构-功能变化的检测。监测指标包括生物多样性指数、营养指数等表征生命成分结构信息为基础的生态指数(Ecological index)。(3)生物测试(Biological detection)利用生物受到污染物毒害作用后产生的生理机能等微观水平的变化来测试污染状况的方法。2022年8月4日22时06分环境科学导论环境科
41、学导论 第第42页页第第2 2章章 生态学基础生态学基础 目前，生态监测对象主要是大气和水体。大气污染的生态监测主要指植物监测(Plant monitoring)。一些植物对污染物的反应往往比动物和人体敏感得多，且症状也比较明显，利用指示生物(Biological indicator)进行环境监测的主要方法有以下几种：(1)利用植物受害情况对大气质量做出判断 (2)利用地衣、苔藓作检测生物 (3)其他方法 水体污染的生态监测是利用水生生物群落变化、种的类型、个体数量、受害程度、水生生物体内毒物、污染物的富集程度等为监测手段，来监测、评价水体污染的程度。主要有以下几种监测手段：（1）利用指示生物
42、监测 （2）利用水生生物群落结构变化监测 （3）水污染的生物测试2022年8月4日22时06分环境科学导论环境科学导论 第第43页页 除大气生态监测和水体生态监测外，还有土壤生态监测。土壤生态监测是利用动物、植物除大气生态监测和水体生态监测外，还有土壤生态监测。土壤生态监测是利用动物、植物变异性能的特征和耐性作用来做检测的。如利用蚯蚓为指示生物，来指示土壤重金属污染变异性能的特征和耐性作用来做检测的。如利用蚯蚓为指示生物，来指示土壤重金属污染（Soil heavy metal pollution）程度。）程度。第第2 2章章 生态学基础生态学基础2.3.4生态工程生态工程1.生态工程生态工程（
43、Ecology Engineering）概念概念 H.T.Odum教授将生态工程定义为“为了控制系统，人类应用主要来自自然的能源作为辅助能对环境的控制”（1962）。我国著名生态学家马世骏定义生态工程为“生态工程是应用生态系统中物种共生与物质循环再生原理，结构与功能协调原则，结合系统最优化方法设计的分层多级利用物质的生产工艺系统。生态工程的目标就是在促进自然界良性循环的前提下，充分发挥物质的生产潜力，防止环境污染，达到经济效益与生态效益同步发展。它可以是纵向的层次结构，也可以发展为几个纵向工艺链锁横向联系而成的网状工程系统”(1987)。2022年8月4日22时06分环境科学导论环境科学导论
44、第第44页页第第2 2章章 生态学基础生态学基础2.生态工程的生态工程的特点特点(1)研究和处理对象的整体性(2)目的和目标的多元化(3)以自我组织和调控为基础(4)从自然界获取主要资源和能源2022年8月4日22时06分环境科学导论环境科学导论 第第45页页第第2 2章章 生态学基础生态学基础3.生态工程、环境工程与生态工程、环境工程与生物工程生物工程 环境工程（Environmental engineering）的目标很明确，就是利用一系列科学原理，去净化或防治环境污染。环境工程已有一系列有价值的环境技术(Environmental technology)，如污水处理“活性污泥法”和“厌氧
45、消化法”等。生态工程与之最大的差别在于：生态工程考虑利用生态系统的自我设计特点，是有利于人类和自然两者的设计；生物工程（Biological engineering）和生物技术（Biological technology）是通过改变基因结构开发新物种或新变异体，以满足人类多种需要的先进技术。生物工程的实施不可避免地对自然关系产生干扰，不可避免地改变了自然界的生物多样性结构，完全有可能对自然界乃至人类构成威胁。因此，生物工程产物的使用，必须进行小区域试验，进行其生态安全性评价，确信其对人类、自然界不构成威胁后，方可大规模推广利用。而生态工程只是利用自然界现有的物种、现有的生态系统结构和功能，遵循
46、生态工程原理和方法，经过合理的设计，以满足人类生态保护和发达经济需求的技术。2022年8月4日22时06分环境科学导论环境科学导论 第第46页页第第2 2章章 生态学基础生态学基础4.生态工程的主要应用类型生态工程的主要应用类型（1）生态恢复生态工程 生态恢复（Ecological restoration）是相对于生态破坏而言的，就是要恢复被破坏了的生态系统的合理的结构、高效的功能和协调的关系。(2)生物防治病虫害工程 生物防治（Biological control）是指用生物或生物产物来防止有害生物的方法。主要有以虫治虫，和以菌治虫两种。此外，还有利用耕作防治（改变农业环境），不育昆虫防治（
47、控制昆虫繁殖能力）和遗传防治（改变昆虫基因）等方法。2022年8月4日22时06分环境科学导论环境科学导论 第第47页页第第2 2章章 生态学基础生态学基础（3）生态农业（）生态农业（Ecological agriculture简称简称ECO）按照生态学原理和经济学原理，应用现代科学技术方法、现代管理手段以及传统农业的有效经验所建立起来的一种多层次、多结构、多功能的集约经营管理的综合农业生产体系，它不同于传统农业，是世界农业发展史上的一次重大变革。2022年8月4日22时06分环境科学导论环境科学导论 第第48页页图图2-16 农业生态系统结构农业生态系统结构1）生态农业主要特点：l 综合性l
48、 多样性l 高效性l 持续性第第2 2章章 生态学基础生态学基础2)生态农业模式类型：生态农业模式类型：l 时空结构 一种根据生物种群的生物学、生态学特征和生物之间的互利共生关系而合理组建的农业生态系统，使处于不同生态位置的生物种群在系统中各得其所，相得益彰，更加充分的利用太阳能、水分和矿物质营养元素，是在时间上多序列、空间上多层次的三维结构，其经济效益和生态效益均佳。具体有果林地立体间套模式、农田立体间套模式、水域立体养殖模式，农户庭院立体种养模式等。l 食物链型一种按照农业生态系统的能量流动和物质循环规律而设计的一种良性循环的农业生态系统。系统中一个生产环节的产出是另一个生产环节的投入，使
49、得系统中的废弃物多次循环利用，从而提高能量的转换率和资源利用率，获得较大的经济效益，并有效的防止农业废弃物对农业生态环境的污染。具体有种植业内部物质循环利用模式、养殖业内部物质循环利用模式、种养加工三结合的物质循环利用模式等。l 综合型 时空结构型和食物链型的有机结合，使系统中的物质得以高效生产和多次利用，是一种适度投入、高产出、少废物、无污染、高效益的模式类型。2022年8月4日22时06分环境科学导论环境科学导论 第第49页页第第2 2章章 生态学基础生态学基础3)生态农业举例生态农业举例 菲律宾马雅农场生态系统2022年8月4日22时06分环境科学导论环境科学导论 第第50页页图图2-1
50、7 马雅农场生态系统示意图马雅农场生态系统示意图玛雅农场把农田、林地、鱼塘、畜牧场、加工厂和沼气池巧秒地连接成一个有机整体，使能源和物质得到充分利用，把农场建成了一个高效、和谐的农业生态系统。在这个农业生态系统中，农作物和林业生产的有机物经过三次重复使用，通过两个途径完成物质循环。用农作物生产的的粮食和秸秆，林业生产的枝叶喂养牲畜，用牲畜粪便和肉食加工厂的废水生产沼气，是对营养物质的二次利用；沼气经过氧化塘处理，被用来养鱼、灌溉，沼气渣生产的肥料肥田，生产的饲料喂养牲畜，是对营养物质的第三次利用。第第2 2章章 生态学基础生态学基础珠江三角洲地区桑基鱼塘生态系统2022年8月4日22时06分环
