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第一章 生态学基础知识 第一节 概述
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一、生态学及其发展 （一）生态学的定义 A. 传统定义： 研究生物或生物群体与其环境的关系，或生活着的生物与其环境之间相互联系的科学 。(侧重于植物、动物)
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B.现代生态学：研究生命系统与环境系统之间相互作用的规律及机理
1)生命系统：自然界具有一定结构和调节功能的生命单元。 2)环境系统：是自然界的光、热、空气、水分以及各种有机物和无机元素相互作用所共同构成的空间
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（二）生态学的发展 生态学原是一门研究生物与其生活环境相互关系的科学，是生物学的重要分科之一。初期主要研究植物，后来逐渐涉及动物和人类。
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（三）生态学与环境学的异同 a.相同：研究范围---生物圈 研究问题--基本相同 b.不同点：
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二、生态系统 （一）生态系统的概念 生物种群（Population）:一个生物物种在一定的范围内所有个体的总和。
生物群落（Community）：在一定自然区域的环境条件下，许多不同种的生物相互依存，构成了有着密切关系的群体。 生态系统（Ecosystem）：生物群落与其周围非生物环境的综合体。也即生命系统和环境系统在特定空间的组合。
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种群 群落 生态系统
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（二）生态系统的组成
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生产者：主要是绿色植物，凡能进行光合作用制造有机物的植物种类，包括单细胞藻类，均属于生产者。
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消费者：主要是动物，又分为一级消费者（如草食性动物）；二级消费者（如肉食动物）；……等等。
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分解者：指各种具有分解能力的微生物，也包括一些微型动物，如鞭毛虫，土壤线虫等。
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无生命物质：指生态系统中的各种无生命的无机物、有机物和各种自然因素（如土壤、空气、水等）。
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（三）生态系统的结构 1、生态系统的形态结构：生态系统的生物种类，种群数量、种的空间配置（水平分布、垂直分布）、种的时间变化（发育、季相）等构成了生态系统的形态结构。
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生态系统中物种的类型、分布、空间配置
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生态系统中种的时间变化（发育、季相）
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2、生态系统的营养结构 生态系统的营养结构，是通过营养这一纽带，把生物和非生物之间紧密结合起来，构成以生产者、消费者和分解者为中心的物质循环和能量流动。即在太阳能的作用下，环境的营养物质被生产者吸收，转化为有机物，供消费者使用，而后消费者被分解者分解为无机物返回环境，再供生产者使用，完成物质循环。它是生态系统中能量流动和物质循环的基础。
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（1）食物链（网）和营养级 生态系统中各种生物之间由于食物关系而形成的一种联系称为食物链。
一个生态系统中许多食物链彼此相互交错形成的复杂的营养关系叫食物网。 食物链上的每一个环节称为营养级。
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按照生物间的相互关系，一般可把食物链分为：
（1）捕食性食物链：即由一些以其他动物为食的动物构成的食物链。 （2）碎食性食物链：是由一些食碎屑生物构成的。 （3）寄生性食物链：是由一些寄生性生物构成的。 （4）腐生性食物链：是由腐生性生物构成的。
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在一个生态系统中，食物关系往往复杂，各种食物链相互交错，形成所谓食物网。能量的流动，物质的迁移和转化，就是通过食物链或食物网进行的。见下图 ：
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食 物 网
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大甲虫 杜鹃 鹰 蛇 兔 毛虫 鼠 植物 结论：（1）消费者在不同的食物链中所 处的营养级不同 （2）植物在食物链中所处的营养级 是固定的
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（四）生态系统的功能 能量流动 物质循环 信息联系
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1、生态系统中的能量流动 1)媒介：通过食物链（网）完成 2)能量流动特点： 生产者(绿色植物)对太阳能的利用率低，只有1·2%
为单向流动； 流动中能量逐渐减少，每经过一级均有能量以热量形势散失； 各级能量流动遵循1/10 定律，即各级能量利用率低 只有当生态系统生产的能量与消耗的能量相平衡时，生态系统的结构和功能才保持动态平衡
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3) 1/10定律： 能量在各能量级之间流动时，各级所吸收的能量为前一级传递的总能量的10%（平均值)
人 kcal 二级消费者 kcal 一级消费者 kcal 绿色生产者 kcal 能量金字塔
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2、生态系统的物质循环 生态系统中物质循环在不断地进行着。碳、氢、氧、氮、磷、硫是构成有机体地主要元素，因而这些物质的循环是生态系统的基本物质循环。另外，还有几十种微量元素也是生命活动必不可少的。在生态系统中也构成了各自的循环，与环境污染密切相关的主要有水、碳和氮的循环。
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2、生态系统中的物质循环 （1）水循环 （2）碳循环 （3）氮循环
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（1）水循环
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（2）碳循环
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（3）氮循环
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氮循环 生物固氮：每年约为54X106吨。 工业固氮：每年大约30X106吨 电离固氮：每年大约7.6X106吨
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（4） 硫 循 环
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（5）磷 循 环
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3、生态系统中的信息联系 信息在生态系统中表现为多种形式，主要有营养信息、化学信息、物理信息、遗传信息和行为信息。
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3.信息联系
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北极狐和北极兔 据科学家们观察，生活在北极地区的北极狐是以北极兔为食的。北极狐一胎可以怀单胎，也可以怀双胎。而这是取决于北极兔的多少。北极兔的数量多，怀双胎；数量少则怀单胎。这对于维持生态系统的平衡是至关重要的。难道是北极兔告诉北极狐自己的数量吗？显然不可能，这只能是生态系统中某些类似物理、化学等信息在起作用。
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第二节生态平衡及生态系统 的动态变化 一、生态平衡的概念 生态系统发展到一定的阶段，它的生产者、消费者、分解者之间能够较长时间地保持着一种动态平衡；也就是说，它的能量流动和物质循环能较长时间地保持着一种动态平衡，这种平衡状态就叫做生态平衡。
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生态平衡特点： 1) 为一暂时的、相对的动态平衡： 由生态系统内部的自动调节能力所致。
1) 为一暂时的、相对的动态平衡： 由生态系统内部的自动调节能力所致。 2) 生态系统结构越复杂，组成越多，物质与能量的途径越多，调节能力越强，平衡易保持。反之，调节能力越弱，平衡就不易保持。 3) 生态系统的变化与发展，是在不平衡 平衡 不平衡中的物质与能量流动中进行的。
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二、生态系统的动态变化 （一）生态系统的演替 1、原生演替
如果这个地域先前没有生物占领，那么，一个生态系统被另一个生态系统所代替的过程就称为原生演替。
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原生演替
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2、次生演替 开始于次生裸地或原生芜原（不存在植被，但在土壤或基质中保留有植物繁殖体的裸露地段）上的演替。
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次生演替
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3、顶极生态系统 这是演替到最后阶段的一种生态系统。全部已有的物种继续彼此按比例繁殖，并不再发生变化的平衡状态称为顶极。这个系统也就叫做顶极生态系统。
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顶极生态系统
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（二）影响生态系统演替变化的因素 1、自然因素 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。
1、自然因素 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。 2、人为因素 主要指人类对自然资源的不合理利用、盲目发展生产带来的环境污染等问题。
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自然因素
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人类对生态系统的影响达到极限 1、过去一个世纪来，地球上有一半的湿地消失。 2、毁林造田使得地球森林覆盖率下降了20－50％。 3、地球上有9％的树种濒临灭绝。 4、地球上70％的海洋鱼类面临滥捕滥捞的威胁，有些已处于生存极限状态。 5、近半个世纪来，全球有2／3的农业用地发生水土流失现象。 6、由于拦河造坝或修建其它水利设施，使全球60％的大型河流系统遭到破坏、水流速度减缓，河流源头与其入海口之间的落差增加了2倍。
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三、生态学的一般规律 （一）相互依存与相互制约规律 非洲的毛里求斯，曾有两种特有的生物，一种是渡渡鸟，另一种是大颅榄树。
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生态学的一般规律 （二）物质循环与再生规律 （三）物质输入输出的动态平衡规律 （四）相互适应与补偿的协同进化规律
（五）环境资源的有效极限规律
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第三节生态学在环境保护中的应用 一、全面考察人类活动对环境的影响 二、充分利用生态系统的调节能力 三、解决近代城市中的环境问题
四、综合利用资源和能源 五、在环境保护其他方面的应用
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一、全面考察人类活动对环境的影响 三峡工程 南水北调
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三峡工程
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南水北调
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二、充分利用生态系统的调节能力 1、应用实例 土地处理系统
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对污染环境的生物净化 大气污染物的生物净化 水体污染的生物净化
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三、解决近代城市中的环境问题 1、编制生态规划 2、进行城市生态系统的研究
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北京的空气流 单位:万砘 输入 输出 产生 消费 空气 283900 氧 65580.9 65542.7 3.34 41.5 二氧化碳
北京的空气流 单位:万砘 输入 输出 产生 消费 空气 283900 氧 3.34 41.5 二氧化碳 130.59 182.64 57.06 5.01
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四、综合利用资源和能源 闭路循环工艺 把两个以上的流程组合成一个闭路体系，使一个过程中产生的废料或副产品成为另一个过程的原料，从而使废物减少到生态系统的自净能力限度以内。 1、生态工艺 2、生态农场
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1、生态工艺 生态工艺要求在生产过程中输入的物质和能量获得最大限度的利用，即资源和能源的浪费最少，排出的废物最少，而且是废弃物完全能被自然界的动植物所分解、吸收或利用。
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2、生态农场 是依据生态学原理建立起来的新型农业生产模式。
例：菲律宾的马雅农场 它由庄稼地、牛场、饲料加工厂、沼气厂以及其他农牧产品加工厂、污泥处理厂和养鱼池等组成。1982年以前，每年可生产1200吨饲料原料和可供灌溉的肥料水以及66万立方米沼气。1983年则可满足农场各方面能源的需求。
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五、在环境保护其他方面的应用 1、阐明污物物在环境中的迁移转化规律
通过污染物质在生态系统中迁移和转化规律的研究，弄清污染物质对环境危害的范围、途径和程度（或者后果）。
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生物监测: 是指利用生物对环境中污染物质的反应，即利用生物在各种污染环境下所发出的各种信息，来判断环境污染状况的一种手段。
2、 对环境质量的生物监测与生物评价 生物监测: 是指利用生物对环境中污染物质的反应，即利用生物在各种污染环境下所发出的各种信息，来判断环境污染状况的一种手段。 案例介绍： 以鹭鸟为指示生物监测湿地环境污染
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该项目是用群栖的鹭科水鸟——小白鹭作为指示生物,来评估中国和巴基斯坦境内湿地污染水平及其影响
这项欧盟与发展中国家科技合作项目是由江西省科学院、意大利帕维亚大学、西班牙巴塞罗那大学、巴基斯坦农业研究中心等单位共同完成的。
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其内容包括: 分别从受工业污染的湿地、农业污染的湿地以及相对未受污染的湿地上,采用非侵害方式采集雏鸟羽毛、鸟卵和捕食物样品进行化学分析,以确定污染物和污染程度, 通过观测小白鹭的生态行为学变化,确立种群和生态系统受污染的程度。
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通过指示生物来监测环境质量能清晰准确地揭示出污染对人类健康的潜在威胁,是传统环境监测的一项突破。
这一研究成果对指导控制污染的湿地保护政策的制定,为强化污染控制力度等提供重要依据。据了解,目前有关部门正在着手制定具体措施,将这一研究成果用于沿海和内陆的湿地管理。
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生物评价: 是指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定和预测。
通常采用的方法: 指示生物法 生物指数法 种类多样性指数法等
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目前，国内外已广泛利用生物对环境尤其是对大气和水体进行监测和评价。
（1）利用植物对大气污染进行监测和评价 研究证明：菠菜、胡萝卜等可监测二氧化硫；杏、桃、葡萄等可监测氟化氢；蕃茄可监测臭氧；棉花可监测乙烯。 （2）利用水生生物监测和评价水体污染 ①污水体系法 ②指示物种法
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①污水体系法 表 不同污水中的生物体系和指示生物
①污水体系法 表 不同污水中的生物体系和指示生物 污水类型 在显微镜下观察到的生物（个/升） 指示生物 新排出的城市生活污水和类似的工业废水 纤毛虫 鞭毛虫 细菌大量，真菌大量 腐生草履虫，豆形虫，闪瞬目虫、小口钟虫，旋毛虫等。 含大量硫化氢的腐败废水 纤毛虫 鞭毛虫0-5 细菌大量 长尾波豆虫、大鞭毛虫、多毛虫、旋毛虫等。 刚排出的高浓度工业废水、亚硫酸法造纸厂的废水 细菌少量（真菌少量）无生物 虫类生物大致不存在 有毒废水 无生物，最多仅见少数的休眠孢子
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②指示物种法 例如：美国对伊利湖污染的调查，就是利用湖中指示生物颤蚓的数量作为指标，进行湖水质量评价的。湖水颤蚓的数量与湖水受污染程度的关系如下： 颤蚓数量（个/立方米水面） 水域受污染的程度 ＜100 不污染 轻污染 中度污染 ＞5000 重污染
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3、为环境标准的制定提供依据 环境标准主要包括以上三大总部分： （1）空气标准 （2）土壤标准 （3）水质标准
（1）空气标准 （2）土壤标准 （3）水质标准 以上每一部分标准又可分为：环境质量标准、污染源排放标准、技术设计标准、警报标准等。
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为了确定允许的污染物浓度，要求得综合研究污染物浓度与人体健康和生态系统关系的资料，并进行定量的相关分析。它们的关系如下：
为了确定允许的污染物浓度，要求得综合研究污染物浓度与人体健康和生态系统关系的资料，并进行定量的相关分析。它们的关系如下： 环境 容量 环境 标准 污染物浓度与人体健康和生态系统关系
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生态安全 概念：是指一个国家生存和发展所需的生态环境处于不受或少受破坏与威胁的状态。
生态破坏将使人们丧失大量适于生存的空间，并由此产生大量生态灾民而冲击周边的社会稳定。
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生态安全的意义 反映了人类对由环境问题引起的安全问题以及安全问题所涉及的环境问题的深切关注，分别拓展了环境观和安全观的内涵。
生态安全是免于因环境恶化而造成的对人类生存的威胁， 生态安全是免于因环境争端或冲突而形成的对人类群际关系上的威胁。
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生态安全的意义 生态安全对于社会稳定与国际稳定具有重要意义，对于整个人类及其后代的生存与发展具有深远意义。
生态安全观的形成对国家的防务活动、外交事务以及环境保护具有广泛、深远的影响，生态安全问题的解决大大加强了国际间广泛的合作。
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确保生态安全的措施 第一，必须探索建立一套有效的国际环境合作机制及国际环境危机自理机制，这是国际生态安全领域的当务之急。
第二，建立卓有成效的环境保护机构。 第三，开展生态安全的理论研究，树立正确的生态安全观。 第四，研究生态安全的具体政策问题，制定正确的生态安全政策和规划，将生态安全工作法定化、制度化。
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