1、第二章 生态环境的形成与演变,地球与生命 1.1 地球的形成与生命的起源根据地质学家的研究和同位素的测定，科学家认为地球形成约有45亿年。地球形成的原始状况与我们现在的状况明显不同。,1.1.1 原始地球表面的环境原始地球表面的环境是一个无生物的世界，即无生界。其表面特征为：大气圈以CO2、CH4、NH3、H2O为主，不含O2。地球表面的矿物特征：大量的CO2使Fe、Mn以Fe(HCO3)2、Mn(HCO3)2的形式迁移。由于无氧化作用，FeS在地球表面广布。地球表面的元素特征：K、Na、Ca、MgCl、S、P、V，呈碱性反应。无生命。,1.1.2 现在地球表面的环境 大氧圈以O为主。 矿物特
2、征：在氧化作用下，Fe2O3、Mn2O3的红色沉积物和氧化态的硫酸盐广布。 元素特征：K、Na、Ca、MgCl、S、P、V，呈中或酸性反应。 有生命。,1.1.3 生命起源的假说 石生说： 对于生物而言，绝对有机发生元素只有种，即H、C、O、N、P、S、K、Mg。这些元素是形成原始生命的基础，30亿年前在地球表面形成了细菌和藻类（隐生界）。 活有机体利用光合作用合成有机质，并促使大气圈从还原的环境变为氧化的环境。 6CO2+6H2O+674C6H12O6+O2,氧化圈的形成使表生地球化学环境作用发展到一个新的阶段。许多原来被禁固的元素在氧化作用下大量地被释放、迁移，使地球上的活有机体蓬勃发展，
3、并不断改变其地球化学环境，促进元素的生物循环。同时，地球化学环境又促进了生物的发展和进化，人类的出现。这一过程大约经历了30亿年。 其图式：氧化圈活有机体元素的生物循环进化人类。,海生说: 海生说认为生命起源于海洋，大气中的H2O、H2S、NH3、CH4等气体分子在太阳能与核聚变的轰击下产生简单的有机物。 有机物与无机物进行反应生成单个生物化学分子，即氨基酸和糖。 这些单个生物化学分子在海洋的环境中，最优的环境是海滩，生成生物高聚物，即蛋白质和多糖核酸，生物高聚物再形成原始细胞，进化成人类。这一过程需要35亿年。,此假说的理论是单个生物化学分子发展成高聚物的一系列反应必须在海洋里和海滩上进行。
4、 这些反应需要较高化学浓度的海水，而且需要干躁的无水的条件。 许多科学家从事着生命起源的研究，并认为海洋中的各种生命的起源、进化与环境有关，海洋中各种动物血液中的主要化学成分与海水的化学成分相类似。 其图式： 有机物-单个生物化学分子-生物高聚物-原始细胞(氨基酸,糖) (蛋白质,多糖核酸) -人类,无论是石生说，还是海生说，地球表面环境与活有机体是一个统一的整体，相互依存、促进，共同发展演化，而且，目前仍继续进行着。 这种演化也正是本学科研究的内容。, 生态环境的组成生态环境由大气圈、水圈、岩石圈、土壤圈、生物圈组成。 2.1 大气圈 分布于地壳岩石圈表层及外部空气层称为大气圈。大气圈的厚度
5、约为1000km,我们赖以生存的空气主要是地面10-20km范围内的那部分空气。,大气由多种气体组成，主要成分为N、O2、Ar、CO2。 恒定的组分：N,占78.09%；O2占20.96%；Ar(氩)为0.93%。三者共占总气体的99.97%。 可变成分:CO2和H2O，CO2占总气体的0.02-0.04%，H2O4%。 不定组分:与自然因素和人为因素有关。火山爆发、森林火灾、海啸等可使大气中含有一定量的S、H2S、NO。人为生活，特别是煤烟可使空气中含有NO、SO2和微粒的固体尘埃，固体尘埃中有一定的重金属。,大气中氧约占大气总体积的/，植物的光合作用可以产生氧。氧不断产生又被消耗，生物呼吸
6、需要大量的氧，机体死亡分解时消耗氧，在地表条件下元素由低价变为高价时需要氧。氧的循环对元素的迁移有着重大的影响。 大气中的CO2很少，但意义很大。岩石的风化，植物的光合作用，碳酸盐的产生以及气候的调节都需要CO2的参与。 O2、CO2和不定组分与生态环境密切有关.,2.2岩石圈 地球由表及里大体可分为地壳、地幔和地核三部分。 关于地球内部壳层分带的原因，许多科学家认为是由于化学组分不同所造成的。 地壳又可分为大陆地壳和大洋地壳。,莫霍面,大陆地壳约为0-33km，上地壳约为0-20km,下地壳约为20-33km。 大陆地壳以硅铝层和硅镁层为主。其硅铝层相当于花岗闪长岩的成份，硅镁层经实验研究推
7、测，其组成矿物主要为角闪石、绿帘石、以及少量的石英、蛇纹石和金属矿物等。 大洋地壳的厚度约为5-10km，平均厚度为8km。,由洋壳上部至莫霍面分为三层。 第一层为沉积物，由沉积淤泥、碎屑、页岩和泥灰岩组成，其最大厚度为2-4km。 第二层以海洋钻探证实为玄武岩质熔岩1-2.5km。 第三层为洋壳的主要岩石，由辉长岩组成，厚度约为2.4-7.5km。 自莫霍面至400km深处称上地幔，主要稳定矿物为橄榄岩类。深度自400-2898km为过渡带和下地幔。,2.3 水圈 水圈由海水和陆地水所组成。包括海洋、河流、湖泊、冰川、土壤水和地下水。水资源量的多寡、水质的好坏直接影响生态环境质量。天然水是大
8、地的血液，人类的生命。水量：水圈以海洋水为主体，占97.2%，淡水水资源仅占3.8%，其中地表水的体积为24.15104km3，占0.01776%。水质：由于水具有许多特点，所以与生态有极密切的关系。水是溶剂、营养液、毒液、化学场和载体。,表2-1 地球表部水体的分布,林芝,日喀则,那木措,布达拉宫,西 藏,水是一种广泛存在有很好的溶剂，它可以溶解各种元素、矿物质、有机质、化肥、农药、工业污染物。水中含有各种促进生物、人类生长的微量元素，如Mn、Se、Zn等。 水中含有某些毒性较大的有机化合物或某些过量的元素，对人体产生毒理作用。 水化学场，为有机、无机物分解、化合、合成的场所，许多化学生化反
9、应可以在水中进行。 水载体，可以运载各种矿物质、有机质、微生物，这些物质通过水进入人体。,在92种天然元素中，水中已发现了70余种元素，在人体中发现60余种，它们均属迁移元素或可迁移元素，其中约有35种元素在生物体中，特别是在人体中的不足和过剩都会引起疾病。 这些元素是Li、Be、B、N、F、Na、Mg、Si、P、S、K、Ca、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、As、Se、Br、Sr、Mo、Cd、Sb、I、Ba、Hg、Tl、Pb、Ra、U。,2.4土壤圈 土壤是独立的、复杂的生物滋生的地球外壳，亦称土壤圈。 土壤圈是岩石圈经过生物圈、大气圈和水圈长期的综合的影响而形成的与生态
10、、生物直接有关的环境，土壤是陆地生态系统的组成要素或子系统。也称土壤生态系统。 土壤生态系统是相互联系、相互制约的多种因素有机结合的网络模式，它有各种复杂多变的组成、特定的结构、功能和演变规律。,在土壤生态系统中，物质流和能量流不断地由外界环境向土壤输入，通过体内的迁移转化，引起土壤成分，结构、性质和功能的改变，促使土壤的发展与演变。 反之，物质和能量流从土壤向环境的输出也必然导致环境成分、结构和性质的改变，推动环境的不断发展。,土壤生态系统也具有保持生态平衡相对稳定的调节能力。土壤是陆地生态系统中处于各环境要素紧密交接的地带，有人认为是连接各环境要素的枢纽，也是结合无机界和生物界的中心环节，
11、是环境要素中物质和能量迁移转化的复杂、活跃的场所。 土壤生态系统包括自然生态系统和人工生态系统。,2.5 生物圈 生物圈在整个地球上是一个厚度很薄而又十分特殊的圈层，是由生物物质形成了一个环绕地球的由生活物质所组成的连续层，称之“生物圈”。 由于生物的生命活动所要求的外部环境条件具有比较严格的限制，尤其是高级生物，选择适合其生存的外部条件尤为严格。生物所选择的这一狭窄的空间主要位于地球固相、液相、气相的交界面附近，围绕着该界面的高度集中了地球上达99%的生物物质 存在生命的地方都是生物圈的范围，即整个水圈、气圈的下层和岩石圈的上层都包括在生物圈内。,生物圈具有一个稳定而有效的太阳辐射能源，满足
12、生物生命过程所必须得到的能量 在生物圈中存在或交替存在着固、液、气三种状态，并具备充分大的三相物质界面，如农作物的生长，它的根伸入到固体的土壤中，茎、叶充分伸展于大气中，液态水通过植物体联系着物质和能量的转换和流通。,生态环境中能量转换和生态平衡 3.1 生态系统 3.1.1 系统与生态系统把极其复杂的研究对象称为系统，即由相互作用和相互依赖的若干组成部分结合，具有特定功能的有机体，而且这个系统又是它所从属的一个更大系统的组成部分。 生态系统：有机体（个体与种群）的聚集在空间呈有规律的排列在其运转中需利用能量和原材料。动、植物这种类似机器的群落与控制它的环境加在一起称为一个生态系统。 生态学的
13、基本单位是生态系统。,3.1.2 生态系统的组成 生态系统由两部分组成，即由环境和生物群落组成。 自然环境提供能量、原始物质和生存空间，自然环境包括能量、水分、空气、地形、地质和土壤。生物群落为了生长、生活，需要利用自然环境。 环境又包括自然环境和人工环境。,自然环境： 光：幅射有利于生物的生长，不足则叶绿素合成不足。 温度:东北，一季作物，华北二季作物，长江以南双季稻加上冬作物。 空气：CO2，O2 土地：土壤的持水性，通气性有利于CO2的排除，保持温度 和养分。 地貌: 全国山地有30，平原10，盆地16，丘陵10，高原34。 水：地表水、地下水量和质 人工环境：植树水利工程、渠道、灌溉、
14、人工湖泊、农田,生态系统是一个相互作用着的生物与其环境所组成的综合体，是由生物群及其无机环境所构成的自然界的基本功能单位。 生态系统处在不停的运动、变化、发展之中，运动的实质是系统中进行的物质循环和能量流通，由于这种循环和流通，系统得以不断更新，因而保持一种适于生命的环境。 我们必须对这种更新和再生循环的物质和能量进行研究，采取有效的环境保护措施，以达到新的生态平衡。,3.1.3 生态系统的时空变化 1、周期性变化日周期、月周期、年周期和多年周期。植物按其周期性变化。2、空间变化 水平变化：太阳幅射水平的空间分布值由南向北降低，降水量减小。土壤由北向南：由棕壤、褐土、黄棕壤、黄壤到红壤。植物由
15、玉米、大豆、早熟水稻、二季稻、棉花、花生。 垂直变化： 喜玛拉雅山：5000m 寒带2250-5000m 温带1000-2000m 亚热带1000m 热带秦岭： 3600m 寒带2800-3600m 寒温带1500-2800m 温带1500m以下 暖温带,3.2 能量、物质、信息的循环与转换 3.2.1 能量流 照射到植物群落中的光，一部分从植物群落表面反射出去，一部分透过植物的茎叶间隙射入群落内部，剩下的部分才能被植物群落所吸收，而大部分被反射的光，多用于蒸发、蒸腾或提高土壤、植物和空气的温度，最后返回空间，因而地球的热量平衡就得到保持。 在太阳幅射中，实际上只有百分之一或更少的能量被光合作
16、用所吸收，并进入生态系统中和生命部分，但这样少的能量已足以维持热带雨林以及海洋中的大量生物。,在生态系统中，当能量从一个有机体转移到另一个有机体时，其中大部分化学能转化成热能，只有一小部分又重新构成新原生质的化学能。即能量流动存在着定量的联系，有人称为“十分之一”法则。在自然界里进入任何群体的能量中只有一小部分可以用来转移给以它为食的群体，其转移量约为十分之一。 生产者绿色植物把自己固定能量的十分之一转移给它的直接消费者，一级消费者或素食者。 一级消费者再把本身的十分之一的能量转移给它的直接消费者，即二级消费者（肉食者），这样转移下去，这形成了能量传递的金字塔。,能量在向营养级传递过程中，越来
17、越减少，营养级越多，则食物链越长，能量在各级传递中减少的也越多。 一般一个发展较好的植物群落可以支持三到四个营养级的动物群体。,3.2.2 物质循环 在生态系统的各种组成部分之间，不断进行着物质循环，而物质循环在生态系统中又起着重要作用。 物质是作为一种储存化学形式潜在能量的场所，同时物质又是作为支持生物化学活动的天然结构。 生态系统中的物质循环主要包括养分循环、气体循环和水分循环。,(1) 养分循环生态系统中所需的各种营养成分主要来自于土壤，然后通过植物根系的吸收或土壤微生物的固定，进行入生态系统中的生物部分。 养分循环中包括氮循环、碳循环、磷循环、硫循环、钙循环等。,氮是大气中含量最丰富的
18、气体，约占，大气中的游离氮通过固氮菌、光合细菌和异养微生物等的作用下，可转变成硝酸盐进入土壤。这些含氮分子在植物体内与复杂的含碳分子结合形成各种氨基酸，由氨基酸进而构成植物蛋白质，动物以食物为食，将植物蛋白改变成动物蛋白质。在动物的新陈代谢中，一部分蛋白质分解为含氮的废物排到土壤，动物死亡后，其身体里的蛋白质分解成氮、CO2和水，其中的氮又排到土壤里，土壤中的氮经硝化作用形成硝酸盐，又成为植物的养料-生态系统中的氮循环。,植物通过光合作用吸收空气中CO2制成糖类而放出氧气，供动物需用。同时植物和动物又通过呼吸作用吸入氧气而放出CO2 ，重返空气中。 动植物死亡后的遗体经微生物分解破坏，氧化成C
19、O2、水和其它无机盐。,磷的主要来源是磷灰石类的矿物和沉积物，还有鸟类及化石动物。在一个生态系统中，多数磷来自于死有机物的分解，另外还有磷矿床的开采，使环境中富磷。磷与粘粒有很强的亲合力，使土壤富磷，但很少为根系吸收，造成植物缺磷。表生环境中多数磷被冲刷到海洋中，只有一少部分通过浅海的鱼类和鸟类又返回到陆地，参加生物地球化学循环。这一循环需要几百万年。,（）气体循环 在生态系统中的气体循环主要是氮和碳的循环，从氮的循环来看，其中一部分为矿质养分的循环。 碳的循环则是在光合作用过程中，绿色植物直接从大气中吸收CO2，结合成碳水化合物分子，然后经过消费者和分解者，在呼吸和残体腐烂分解(陆地碳循环研
20、究的重点）时再进入大气。,（）水分循环在生态系统中，一切生命有机体大部分是由水组成，水又是生态系统中能量流支与物质循环的介质，对调节气候和净化环境也起到重要的作用。水分通过水面、陆面的蒸发和植物叶面的蒸腾进入大气中，大气中的水分遇冷凝结成雨、雪等降落到地面，其中一部分流经河川重返大海，一部分渗入地下或被植物所吸收，这就是自然界的水循环。,3.2.3 生态系统中的信息流生态系统中的信息流与能量流和物质循环一样，以各种各样的信息形式在生态系统中起着作用。 （1)营养信息 营养网络代表着一种通信系统，营养交换把信息从一个种群传递到另一个种群。如富营养化的过程就是一个例子，污水排入池塘后，促使水体中植
21、物营养物含量增加，将导致各种藻类大量繁殖，随着有机物质的分解和藻类等水生生物大量耗氧，致使水体严重缺氧，影响鱼类死亡。 营养物质的输送对生物的种群影响是十分重要的。,（）物理化学信息 信息可以通过声、色和外激素等物理和化学现象传导。生物界的许多动物具有靠超声波传达和接受信息的导航、通信器官，这些特点在仿生学中得到了应用。对于化学信息而言，研究较多的是昆虫的信息激素，又称外激素，如雄蛾很容易通过性外激素找到雌蛾，科学家应用这种性外激素诱杀害虫收到了很好的效果。,3.3 生态平衡一个生态系统在一定时期内，系统中的各组份保持动态平衡状态，也就是说物质和能量的组成和循环保持相对稳定的状态，这就是生态平
22、衡。 生态系统能保持相对稳定状态，与生态系统中的自我调节能力有关，而系统的调节能力又与系统中生物的多样性和复杂性有关。生物成分多样，能量流和物质循环复杂的生态系统易于保持相对稳定。与此相反，成分越单调，结构越简单，其调节能力也越小。生态环境的自我调节能力是有限的，超出了这限度，生态平衡就会受到破坏。 研究资源的开发和生态环境的自我调节能力是维护生态平衡的关键。这正是环境生态学所要研究的内容。,生态平衡的破坏可分为自然因素和人为因素： 自然因素主要指自然界发生的异常变化或自然界已存在的对动植物生长发育的有害因素。如火山、地震、洪水、台风等自然灾难，会给生态环境带来巨大的破坏。 地球外部的宇宙因素也是应考虑的，小行星或流星对地球的撞出对生物界而言可导致毁灭性的灾难，如恐龙灭绝的假说之一就是宇宙轰击论。,人为因素主要指人类对自然资源不合理的开发利用所带来的环境污染、环境破坏。砍伐森林、改草为田、肆意猎兽等，使物种灭绝、水土流失、土地沙化沙漠化。 随着工农业的发展，使大量污染物进入水土环境，导致环境污染，人类生存环境受到威胁。林、改草为田、肆意猎兽等，使物种灭绝、水土流失、土地沙化沙漠化。,四平地区辽河支流-条子河,四平地区辽河支流-招苏台河,
