1、课时编号 9-16 课目名称 第三章 生态学基础（校选课）授课时间 20094 授课班级 北校区 2006-2008 级学生教学目的了解并掌握生态学的基本概念和规律以及其与环境保护的关系，为深入研究和解决人类的环境问题提供必要的理论依据。重点与难点重点：生态学的含义；生态系统的概念；生态系统的组成成分；生态系统的功能；生态平衡的概念及影响因素；生态学原理在环境保护中的应用。难点：生态学原理及其在环境保护中的应用。课 堂 教 学 设 计一、生态学的含义及其发展1、 生态学定义的提出与生态学的发展2、生态学的含义二、生态系统的基本概念1、 生态系统的概念 2、 生态系统的组成成分3、 生态系统的类
2、型 4、四 生物圈三、生态系统的功能1、 生物生产 2、生态系统中的能量流动3、 生态系统中的物质循环 4、 生态系统中的信息联系三、 生态平衡1、 生态平衡的含义 2、 破坏生态平衡的因素四、生态学原理在环境保护中的应用1、 利用生态平衡原理合理利用自然资源2、利用生态学原则编制生态规划3、利用生态系统的自净能力消除环境污染4、 利用生态学方法拟订环境容量和环境标准5、 环境质量的生物监测和生物评价6、阐明污染物质在环境中的迁移转化规律7、 发展生态农业8、 人工生态系统及其在污染防治中的应用参考书目中国抉择扬帆主编，石油出版社，2001 年 8 月普通环境学杨思之、郭友琳编著，陕西师范大学
3、出版社，1995.12 月教案实施效果追记系统讲述了生态学的基本概念、基本知识及生态学原理，并对应用进行了重点讲解，结合课后复习思考题展开讨论，给学生留下深刻印象，学习效果不错。河北经贸大学教案纸1第三章 生态学基础知识及其应用引言 近半个世纪以来，随着工 业经济的长足发展和人口的膨 胀，我们赖以生存的地球出现了“生态危机”。这种危机产生的原因，主要是由于人 们在利用和改造自然的过程中违背了客观规律，尤其是违反了生态学规律，是由于人 们在各项活动中缺乏整体 观念和系统观念，更缺乏多学科的共同合作。生态学本来是生物科学的一个基础分支学科，它研究 生物与其生活 环境之间的相互关系，以往，它同其它分
4、支一样，只有生物学工作者才熟知它。近年来，随着粮食、人口、环境、资源、等一系列直接关系到人类生存的许多重大问题的出现，推 动了生态 学的发展，使它超越了自然科学的范畴，迅速发展为当代最热门、最活 跃的前沿学科之一。近年来，生态学的基本原则不仅被看作环境科学重要的理论基础，也被看成社会 经济持续发展的理论基础 。从生态学观点来看待今日的环境、人口、资源等问题，以下几点是我们应该认识到的：1. 虽然宇宙是无限的，但地球是有限的 ，地球上适合人 类 和生物生存的空间和物质资源也是有限的，科学家将地球比喻为“一个小小的宇宙飞船”，而把人类比作这个飞船中的乘客。2. 虽然人类是地球上生物圈的主人，人 类
5、能改变和控制自然，但人类毕竟是生物圈这个地球上最大的一个组成成员，人类并不能凭自己意志 为所欲为，而必须服从和运用生态学规律。3. 地球是脆弱的，虽然人类 能按照自己需求，改 变地球环 境，但有利于人类生存的生态环境是一个极其脆弱的平衡，以人类 今天的能力， 破坏它容易，而维持或恢复它却十分困难。这里有两个绝好的例子：“生物圈二号”的失败和韩德柬无人区的欣欣向荣，意味着 现代人类活动在生态平衡中已经成为一个负数。第一节生态学的含义及其发展一、生态学的定义：“生态学”(eco)一词最早出现在 19 世纪下半叶（eco-表示住所、栖息地；logy 表示学问） ，德国生物学家赫克尔(Ernst Ha
6、eckel)1869 年在有机体普通形态学一书中首先对生态学作了定义：“研究生物有机体和无机环境相互关系的科学” 。但当时并未引起人们的重视，直到 20 世纪初才逐渐公认生态学是一门独立的学科。后来，有的学者把生态学定义为：“研究生物或生物群体与其环境的关系。 ”（1）我国著名生态学家马世骏把生态学定义为：“研究生物与其生活环境之间相互关系及其作用机理的科学” 。这里所说的生物有：动物、植物、微生物（包括人类在内） ；而环境是指各种生物特定的生存环境，包括非生物环境和生物环境。 （非生物环境如：空气、阳光、水和各种无机河北经贸大学教案纸2元素等；生物环境：指主体生物以外的其它一切生物） 。生物
7、与环境的相互作用：一方面生物的生存离不开环境；生物要从环境中取得生活所必需的能量和物质以建造自身，每种生物都有相对狭窄的特定环境，如鱼离不开水，青蛙虽然能在岸上觅食 若没有水域，也无法“传宗接代” ，人是“万物之灵”但科技再发达，也离不开新鲜的空气、洁净的饮用水及足够的食物。另一方面，生物的活动也在时刻影响和改变着环境。倘若没有生物源源不断地提供有机物，就不会有什么良田沃土，野兔以牧草为食料，但它们的过度繁殖也会使草地沦为荒漠，人类对环境的影响就更大了。生生态学研究对象：生态学不是孤立地研究生物，也不是孤立地研究环境，而是研究生物与其环境之间地相互关系。这种相互关系具体体现在生物与其环境之间地
8、作用与反作用、对立与统一、相互依赖与相互制约、物质循环与能量循环等几个方面，现代生态学研究范围已扩大到包括经济、社会、人文等领域。（2）现代生态学是一门综合性的边缘学科，它研究生命系统与环境系统之间相互作用的规律及机理。生命系统是自然界具有一定结构和调节功能的生命单元，对于自然生态系统，生命系统就是生物群落，对于社会生态系统、城市生态系统等，生命系统就是人类；环境系统是自然界的光、热、空气及各种有机物和无机元素相互作用所构成的空间。现代生态学更注重生物与环境的整体性。 （30 页）现代生态学不仅需要吸取各种自然科学的知识，如与生理学、遗传学、行为学、进化论等生物学各个分支领域相结合形成了一系列
9、新的领域，与数学、地学、化学、物理学等自然科学相交叉，产生了许多边缘学科；另外，它还要超越自然科学界限，与经济学、社会学、法学、城市科学相结合，以解决有关的生态问题，如需要颁布森林法、草原法、土地法等，从法律上保证合理利用自然资源；恰当的生态措施还需要考虑当地的民族文化传统及社会风俗习惯等。因此，现代生态学已成为 自然科学 和 社会科学 相接的真正 桥梁 ，涉及面广，与人类生产、生活环境联系紧密，被认为是目前最复杂的科学之一。二、生态学的发展-在实践中产生和发展的科学纵观生态学的发展，可分为二个阶段：（一）生物学分支学科阶段（1866-1960）20 世纪 60 年代以前，生态学基本上局限于研
10、究生物与环境之间的相互关系，属于生物学的一个分支学科，初期生态学主要是以各大生物类群与环境相互关系为研究对象，因而出现了植物生态学、动物生态学、微生物生态学等。进而以生物有机体的组织层次与环境的相互关系为研究对象出现了个体生态学、种群生态学和生态系统。河北经贸大学教案纸3个体生态学（autecology）-主要研究各种生态因子对生物个体的影响。各种生态因子包括光照、温度、大气、水、湿度、土壤、地形、环境中的各种生物以及人类的活动等。各种生态因子对生物个体的影响，主要表现在引起生物个体新陈代谢的质和量的变化，物种的繁殖能力和种群密度的改变，以及对种群地理分布的限制等。种群生态学(populati
11、on ecology)从 20 世纪 30 年代开始，就成为生态学中的一个主要领域。种群是在一定空间和时间内同一种生物的集合（如一个池塘里的全部鲤鱼、一块草地上的所有黄羊；某一城市中的人口等都可以看作一个种群） ，但是，它是通过种内关系调节组成的一个新的有机统一体，它具有个体所没有的特征，如种群增长型、密度、出生率、死亡率、年龄结构、性别比、空间分布等。种群生态学主要是研究种群与其环境相互作用下，种群在空间分布和数量变动的规律。如种群密度、出生率、死亡率、存活率和种群增长规律及其调节等。群落生态学（community ecology）是以生物群落为研究对象。生物群落是在某一时间内某一区域中不同
12、种生物的总和。一般来说，一个群落中，有多个物种，生物个体也是大量的。群落的多样性和稳定性已成为群落生态学的重点研究课题。生态系统生态学：到 20 世纪 60 年代开始了以生态系统为中心的生态学。这是生态学发展史上的飞跃。生态系统是指在自然界一定空间内，生物与环境构成的统一整体。即把生物与生物、生物与环境以及环境各因子之间的相互联系、相互制约的关系，作为一个系统来研究（下一节专门阐述） 。生态系统-含义是：“群落 + 环境”（二）综合性学科阶段（1960-至今）20 世纪 50 年代后半期以来，由于工业的迅猛发展、人口膨胀，导致粮食短缺、环境污染、资源紧张等一系列世界性问题出现，迫使人们不得不以
13、极大的关注去寻求协调人与自然的关系，探求全球持续发展的途径，这一社会需求推动了生态学的发展，使其超越了自然科学的范畴迅速发展为当代最活跃的前沿科学之一。近代系统科学、控制论、电子计算机、遥感和超微量物质分析的广泛应用，为生态学对复杂大系统结构的分析和模拟创造了条件，为深入探索复杂系统的功能和机理提供了更为科学和先进的手段，这些相邻学科的“感召效应”促进了生态学的高速发展。与过去相比较，现代生态学具有下列特点：（30 页）1、 定性探索生物与环境的相互作用到定量研究；从描述性科学走向实验科学。由于现代科学技术和实验手段的发展，使生态学从种群到系统的实验研究成为可能。例如，示踪原子的应用，可以追踪
14、生态系统营养物质的转移范围、途径及速率；利用电子仪器和生物遥测技术，可在不破坏动植物种群的情况下对它们取样和测量；利用现代数学和电子计算机，有可河北经贸大学教案纸4能对系统作定量描述，建立模拟实际生态系统的模型，以便分析了解系统的结构和功能并预测其变化等。2、生态学的研究重点，从个体水平转移到种群和群落，进而发展到以生态系统研究为中心；。3、生态学原理与人类的各个实验领域结合得更加紧密。4、生态学与相邻学科相互交融，产生了若干新的生长点如：化学生态学、经济生态学（29 页）总之，生态学不仅限于研究生物圈内生物与环境的辨证关系及相互作用的规律，也不仅限于人类活动（主要是经济活动）与生物圈（自然生
15、态系统）的关系，而是扩展到了研究人类与社会圈或技术圈的关系。如文化生态学、教育生态学、社会生态学、城市生态学、工业生态学等，当前，我国对环境污染与破坏的控制，仍然以城市环境综合整治与工业污染防治为重点，运用城市生态学和工业生态学理论制定城市和工业污染防治规划，制定城市生态规划和制定工业生态规划方案，发展生态农业。由上可见，生态学正以前所未有的速度，在原有学科理论与方法的基础上，与环境科学及其它相关学科相互渗透，向纵深发展并不断拓宽自己的领域。生态学已逐渐发展成为一门指导人类以系统、整体观念来对待和管理地球和生物圈的科学。第二节 生态系统的概念与组成一、 “系统”观念地引入：所谓系统是由若干个各
16、自独立又相互联系、相互作用的组分构成的统一整体，他们共同来完成某种特定的功能。我们周围的环境充满着系统。比如人的消化系统由口腔、咽喉、食道、胃、肠和各种消化腺等器官组成。消化系统依靠这种结构来完成吞咽、分解、吸收营养和排泄糟粕等功能。再如自行车就是一个“系统” ，它是由许多相互关联的部件组成，而各个部件又必须是按照一定规格和严密的程序、有序地结合起来，才能完成它的特定功能行驶、运载。自行车=车把+车架+车轮+ ，但自行车作为一个“系统” ，决不是各个部件的简单拼凑，而是必须具有一定的结构，即系统内部相互关联的各组成部分总是按一定规格和严密程序有规律的结合在一起，才能完成自行车这个系统的功能 行
17、驶、运载。总之， “系统”决不是各组成部分的简单加和；由系统结构表现出来的整体功能要大于它的各部分之和。我们在运用系统的观点考察和分析问题时，必须重视系统的整体性和个组成部分的关联性，凡系统必有它的特定功能，这是某一系统区别于其他系统的主要标志。二、生态系统的概念：地球上的生物不可能单独存在，如同一个人离不开人类社会一样，而总是多种生物通过各种方式，彼此联系而共同生活在一起，组成一个“生物的社会”叫生物群落（植物群落、动物群落、河北经贸大学教案纸5微生物群落） ，生物群落与环境之间的联系是密不可分的，它们彼此联系、相互依存，相互制约，共同发展，形成一个有机联系的整体叫生态系统。这种观点早在十九
18、世纪末二十世纪初已形成，1935 年英国生态学家坦斯利首次提出生态系统这一科学概念。中国生态学专家马世骏教授提出：生态系统是指一定的地域或空间内，生存的所有生物和环境相互作用，具有一定的能量流动、物质循环和信息联系的统一体。简言之， “生态系统是指生命系统与环境系统在特定空间的组合” （30页） 。在这个统一整体中，生物与环境之间相互影响，相互制约，不断演变，并在一定时期内处于相对稳定的动态平衡状态。生态系统具有一定的组成、结构和功能，是自然界的基本结构单元。生态系统的范围可大可小（由研究的需要而定） 。大至整个生物圈、整个海洋、整个大陆；小至一片草地、一个池塘、一片农田、一滴有生命存在的水。
19、小的生态系统可以组成大的生态系统，简单的生态系统可构成复杂的生态系统，丰富多彩的生态系统合成一个最大的生态系统叫生物圈。生态系统除自然的外，还有人工生态系统，如水库、农田、城市、工厂。现在人类已逐渐认识到自己和周围环境是一个整体，把自己的事和环境联系成一个系统来考虑。产生了人类生态系统、社会生态系统以便更好地保持人类和环境之间的平衡。三、生态系统的组成：地球表面任何一个生态系统（不论是陆地还是水域，或大或小） ，都是由生物和非生物环境两大部分组成。或者分为非生物环境、生产者、消费者和分解者四种基本成分。（一）生物部分：生态系统中有许许多多的生物。按照它们在生态系统中所处的地位和作用不同，可以分
20、为生产者、消费者、分解者三大类群。1、生产者（自养者）-是生态系统的基础指能制造有机物质的自养生物，主要是绿色植物，也包括少数能自营生活的微生物（如光能合成细菌和化能合成细菌也能把无机物合成为有机物）绿色植物体内含有叶绿素，通过光合作用把吸收来的 CO2、H 2O 和土壤中的无机盐类转化为有机物质（糖、蛋白质、脂肪） ，把太阳能以化学能的形式固定在有机物质中。这些有机物质是生态系统中其它生物维持生命活动的食物来源，故把绿色植物称为生产者。如果没有这个绿色加工厂源源不断地“生产”有机物质，整个生态系统的其它生物就无法生存。因此，破坏森林、草原植被就等于破坏整个生态系统。除绿色植物外，光能合成细菌
21、和化能合成细菌，也能把无机物合成为有机物质。但化能合成细菌在合成有机物时，不是利用太阳能，而是靠氧化无机物取得能量。如硝化细菌，能把氨氧化为亚硝酸和硝酸，利用氧化过程中释放出来的能量，把二氧化碳和水合河北经贸大学教案纸6成为有机物。虽然光能合成细菌或化能合成细菌合成的有机物不多，但它们对某些营养物质的循环却有重要意义。2、消费者（异养生物）-是指直接或间接利用绿色植物所制造的有机物质为食的异养生物。主要指动物，也包括某些腐生或寄生的菌类。根据食性不同或取食的先后，又可以将它们分为：（1）草食动物（一级消费者）-以植物的叶、果实、种子为食的动物，如动物中的牛、羊、兔，骆驼，昆虫类中的菜青虫、蝉等
22、等；在生态系统中，绿色植物所制造出的有机质首先由它们来“享受” ，所以又称初级消费者。（2）肉食动物（二级和三级消费者等）-以草食动物或其它弱小动物为食，如：狐狸、青蛙、狼、虎、豹鹰、鲨鱼等，古谚：“螳螂捕蝉，黄雀在后” ，消费者的级别没有严格界限，有许多为杂食动物。 （3）寄生动物-寄生在其它动、植物体内，靠吸取宿主营养为生。如虱子、蛔虫、兔丝子、线虫等，有益昆虫赤眼蜂，寄生在危害农作物螟虫的卵块中，吸取螟虫卵块的养分；金小蜂产卵在棉铃虫体内，腐化后的幼虫吸取棉铃虫体内的养分生活。（4）腐食动物-以腐烂的动植物残体为食，如老鹰、屎克郎等。（5）杂食动物-它们的食物是多种多样的，既吃植物，也吃
23、动物。如麻雀、熊、鲸鱼、人等。消费者在生态系统中的作用：一是实现物质和能量的传递，如草兔子狼；二是实现物质的再生产，如草食动物把植物蛋白生产为动物蛋白；三是对整个生态系统起自动调节的能力，尤其是对生产者过度生长、繁殖起控制作用。3、分解者和转变者（共称为还原者）-主要指具有分解能力的细菌和真菌等微生物，也包括某些以有机碎屑为食的小型动物（如蜈蚣、蚯蚓、土壤线虫等） ，属于异养生物。分解者的作用在于将生产者和消费者的残体分解为简单的无机物质。转变者也是细菌，它是将分解后的无机物转变为可供植物吸收利用的养分。所以，还原者对于生态系统的物质循环，具有非常重要的作用。分解者是生态系统的“消洁工” 。如
24、果没有分解者，死亡的有机体就会堆积起来，使营养物质不能在生物和非生物之间循环，最终使生态系统成为无水之源。生态系统分解者的数量十分惊人，1 万平方米农田中细菌的数量可达 18 公斤。所以分解者起到物质循环、能量流动、净化环境的重要作用。在研究生态系统时，我们千万不要忘记这些“无名英雄” 。植物是基础是一切生物食物的来源，没有生产者，一切消费者就会饿死；而没有分解者。物质循环也会中止，其后果也不堪设想；动物是名副其实的消费者，它们不会进行初级生产，只会河北经贸大学教案纸7消耗现成的有机物，没有它们，似乎生态系统仍然能够存在，但从长远看，没有动物，植物同样难以持久生存。如许多植物要靠昆虫传粉或其他
25、动物传播种子，如果没有动物啃食，草原也会由于生长过盛而导致衰亡。大自然就是如此微妙，物种与物种之间、生物与环境之间互相作用、互相依存，在漫长的进化过程中，逐渐形成了一个统一的整体，这个整体就是由环境、生产者、消费者和分解者共同组成的、不断进行物质循环、能量循环及信息传递的生态系统。（二）非生物部分：非生物环境简言之指各种环境要素，它包括：原料部分：阳光、CO 2、H 2O、O 2、 、 无机盐类及非生命有机物质（蛋白质、碳水化合物、脂类和腐殖类动植物残体及排泄物）等媒质部分（介质）：水、土壤、温度和风等基质（基层部分）：岩石、砂、泥非生物成分在生态系统中的作用，一方面是为各种生物提供必要的生存
26、环境，另一方面是为各种生物提供必要的营养元素，是生态系统正常运转的物质和能量基础。大部分自然生态系统都具有上述四个组成成分。一个独立发生功能的生态系统至少应包括非生物环境，生产者和还原者三个组成成分。生态系统四个基本成分间的相互关系和作用可示为图3-4。 四、生态系统的重要特征:1、整体性：生态系统是大小不同地区中植物、动物、微生物及其环境的综合体，各要素稳定的网络式联系，保证了系统的整体性。如果硬性将各要素分解成独立的要素而孤立存在，将不再有整体的生态系统和功能。-存在“物物相关”规律2、开放性：自然界中不存在孤立的生态系统（与外界既无能量又无物质的交换） ，而封闭的生态系统（与外界只有能量
27、交换）也属罕见。全方位开放是生态系统的首要特点，生态系统通过上下左右、方方面面与外界沟通。即便一个池塘或水库，貌似封闭，其实它的四面八方都与外界是相通的。总是有输入和输出，而输入的变化总会引起输出的变化。正由于开放性，使得生态系统本身的结构和功能得到不断发生和发展。3、自我调控性：一个自然生态系统是生物与其环境经过长期进化适应、逐渐建立起来的，若未受到人类或者其它因素的严重干扰和破坏，其结构和功能是非常和谐的，这是因为生态系统具有自动调节的功能，所谓自动调节功能是指生态系统受到外来干扰而使稳定状态改变时，系统靠自身内部的机制再返回稳定、协调状态的能力。生态系统自动调节功能表现在三个方面，即同种
28、生物种群密度调节；异种生物种群间的数量调节；生物与环境之间相互适应的调节。主要通过生河北经贸大学教案纸8物过窄的适应性，强大的繁殖能力和环境资源的有限性来完成。4、动态的生命特征：生态系统也和自然界许多事物一样，都有着其发生、形成和发展的过程，经历着由简单到复杂，从幼年到成熟的进化阶段，因此，生态系统是动态的，总是处于不断发展，进化和演变之中。人们可根据发育的状况将其分为幼年期、成长期、成熟期等不同发育阶段。每个发育阶段都具有各自特点。五、生态系统的类型：（了解）对于千差万别的生态系统如何划分，目前还没有统一的原则。人们可从不同角度对其进行划分，常见的是按以下两方面为依据进行类型划分； 1、按
29、环境中水体状况陆地生态系统：荒漠生态系统、草原生态系统、森林生态系统（热带、亚热带、温带等） ；水生生态系统：淡水生态系统（河、江等流动水生态系统和湖、库等静止水） 、海洋生态系统2、按人为干预程度划分：自然生态系统（原始森林、未经放牧的草原、人迹罕见的沙漠等）-没有或基本没有人为干预半自然生态系统（农田、养殖湖泊、人工森林等）-受到人为干预，但其环境仍保持一定自然状态人工生态系统（城市、矿区、工厂）-完全按照人类的意愿，有目的、有计划地建立起来的3、按生态系统大小：-可根据人们研究需要而划定自然界的生态系统大小不一，多种多样。小如一滴湖水、培养着细菌的平皿、小沟、小池、花丛、草地，大至湖泊、
30、海洋、森林、草原以至包罗地球上一切生态系统的生物圈。六、生物圈生物圈：是指地球上有生命活动的领域及其居住环境的整体。它在地面以上达到大致 23 千米的高度，在地面以下延伸到 12 千米（太平洋最深处）的深处，其包括平流层的下层、整个对流层以及水圈和岩石圈的上部。人们居住的地球的外层即地壳是由岩石、水和浮土组成，相应称之为岩石圈、水圈（在水圈中几乎到处都是生命和土圈） ，地球最外一层为大气包围称之为大气圈。大气圈：由各种气体组成，其中 O2和 N2含量最多。大气圈没有明显的上限，很难说天有多高，大气圈的生物主要分布在底层。即在大气圈、水圈、岩石圈交汇处，常说“天高任鸟飞” ，大多数鸟类只能在 1
31、000 米以下空中活动，只有极少数能飞到 5000 米以上的高空，原因是越往上空气越稀薄；绿色植物能够生活的高限约为 6200 米（在喜马拉雅山上）从 6200 米再向上，只有大气环流带上去的少数昆虫，甚至高达 22000 米的平流层也会出现少量成休眠状态生物（如细菌、真菌的孢子） 。河北经贸大学教案纸9第三节 生态系统的结构与功能生态系统中各个组成部分之间决不是毫无关系的堆积，它们是有一定结构的。生态系统的结构包括两个方面的含义：一是组成成分及其营养关系；二是各种生物的空间配置（分布）状态。具体地说，生态系统的结构包括形态结构（物种结构和空间结构）和营养结构。一、生态系统的结构（一）生态系统
32、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）和时间变化等，构成了生态系统的形态结构。1.物种结构-是指在生态系统中各类物种在数量上的分布特征。生态系统中组成成分之间存在一定的数量关系，如排列组合关系、数量比例关系等。例如森林生态系统乔木、灌木和草本植物都有不同的数量和比例关系，单一树种的单纯林、多树种的混交林和无乔木的灌木林的结构与功能肯定不同。2.空间结构-生物群落的空间格局状况（垂直结构和水平结构） 。水平结构指在水平分布上，林缘和林内的植物、动物的分布也明显不同。垂直结构指不同生物占据不同的空间，它们在空间分布上有明显的分层现象，例如：在森林生态系统中，乔木
33、占据上层空间，灌木占据下层空间；鸟类在林冠上层，兽类在林地上；在森林中栖息的各种动物，也都有其各自相对的空间分布位置。形态结构的另一种表现是时间变化。3.时间结构。指由于时间变化而产生的结构波动。同一生态系统，在不同的时期或不同季节，存在着有规律的时间变化。如随着时间的变化，森林在幼年、中年及老年期的结构是有变化的。又如，一年四季中森林的结构也有波动，春季发芽，夏季鲜花遍野，秋季硕果累累，冬季白雪覆盖，昆虫和鸟类迁移，气象万千。不仅在不同季节有着不同的季相变化，就是昼夜之间，其形态也会表现出明显的差异。生态系统中各种成分之间最本质的联系是通过营养联系来实现的，即通过食物链把生物与非生物，生产者
34、与消费者，消费者与消费者连成一个整体。（二）生态系统的营养结构生态系统各组成部分之间建立起来的营养关系，构成了生态系统的营养结构。营养结构是生态生态系统能量流动、物质循环的基础。生态系统的功能就是通过食物链（网）来实现的。1、食物链河北经贸大学教案纸10（1）食物链的概念（P 32）：各种生物以食物为联系建立起来的链索；或生态系统中的生物通过吃与被吃关系构成的一条锁链。古谚：“螳螂捕蝉，黄雀在后” 、 “大鱼吃小鱼，小鱼吃虾米，虾米吃泥巴”都包含了食物链的意思。（2）食物链的类型：A 捕食性食物链（草牧链）-以生产者为基础，其构成形式为：植物-小动物-大动物。后者可以捕食前者（弱肉强食） 。如
35、在陆地上，麦-麦蚜- 肉食性瓢虫-食虫小鸟- 猛禽；在草原上，青草野兔狐狸狼；在湖泊中，藻类-甲壳类-小鱼-大鱼。B 腐生性食物链（腐解链）-以腐烂的动植物尸体为基础。腐烂的动植物残体被土壤或水中微生物或小型动物分解，在这种食物链中，分解者起主要作用，故也称分解链。如枯枝落叶-蚯蚓线虫类节肢动物；动植物残体-霉菌-跳虫-肉食性壁蚤-腐败菌。两链紧密联系，共同维持着生态系统的平衡，自然生态系统中以分解链占优势，如果二者之一中断，都会给生态系统带来影响。除此之外，还有寄生、碎食性食物链。C 寄生性食物链-以大的、活的动植物为基础，再寄生以寄生生物，前者为后者的寄主。这是食物链中一种特殊的类型。如哺
36、乳类或鸟类-跳蚤鼠疫细菌；D 碎食性食物链以碎食物为基础，所谓碎食物是由高等植物叶子的碎片经细菌和真菌的作用再加入微小的藻类构成。这种食物链的构成形式为：碎食物-碎食物消费者-小肉食性动物-大肉食性动物。例如，在某些湖泊或沿海，树叶碎片及藻类-虾蟹-鱼-食鱼的鸟类。食物链在各个生态系统中都不是固定不变的。动物个体的不同发育阶段，其食性也会改变，某些动物在不同季节，食性也会不同，此外自然界食物条件的改变等都会改变食物链，因此，食物链是具有暂时性的。食物链上某一环节的变化，往往会引起整个食物链的变化，甚至影响生态系统的结构。此外，生态系统中各种生物的食物关系往往是很复杂的，各种食物链互相交织，形成
37、一个复杂的网状结构食物网。生态系统的功能（能量流动，物质的循环和转化）就是通过食物链或食物网进行的。2、食物网：（1）概念：一种消费者不只吃一种食物，而同一种食物又可能被不同消费者所食，所以，各链之间相互交错，形成复杂的网状食物关系，称其为食物网，见图 3-5（2）食物网的作用：一是维系着生态系统的平衡和自我调节能力，食物网越复杂生态系统越稳定。例如草原上流行鼠疫而使野鼠大量死亡，以捕鼠为食的猫头鹰并不因鼠类减少而发生食物危机。这是因为鼠类减少后，使草类生长茂盛，从而为野兔的生长和繁育提供了良好的条件，野兔数量开始增多，于河北经贸大学教案纸11是猫头鹰把捕食目标转移到野兔身上了。我们可以利用食
38、物链原理来保护植物，如以鸟治虫，以虫治虫，以菌治虫。食物链上的各种生物相互影响、相互制约，一环扣一环。如果某一环节发生故障，链条就失去整体性，生态平衡发生紊乱。如第二次世界大战后，南非探险队登上南极的马时思岛后，船上的几只老鼠也被带上了小岛，因为老鼠没有了天敌，两年后，这个岛就成了鼠岛，为了消灭老鼠探险队运来了 4 只家猫，结果老鼠逐渐少了，而猫迅速繁殖最终成了灾难。6 万只猫每天要吃掉60 多万鸟。为了挽救鸟类。南非当局用直升飞机向猫扫射，并派百名士兵捕杀猫。由此可见，食物链对环境有十分重要的影响，对维系生态平衡有着重要作用，另见课本 45 页澳大利亚兔子危机。二是推动着有机界的进化。三是对
39、某些元素或稳定难分解的物质有“生物放大作用” 。“生物放大”-某些元素或难分解物质随着食物链的延长和营养级增加而增加的现象。它是针对有“食物链”关系而言。如不存在这种关系，机体中浓度高于环境介质的现象，则分别使用生物积累、生物浓缩两个名词。“生物积累”-指同一生物个体在其生活的不同阶段，机体内来自环境的元素或难分解化合物浓度不断增加的现象。“生物富集或生物浓缩” - 指生物机体从周围环境中吸收某种元素或稳定不易分解的化合物，在体内积累，使生物体内这种物质的浓度超过环境中浓度的现象。如有机氯农药的生物放大现象（DDT 是一种有机氯杀虫剂，易溶于脂肪而积累于动物的脂肪体内。经检验证实，通过生物放大
40、，在水鸟脂肪体内，DDT 的浓度竟比湖水高出 800 万倍） 。60 年代，日本的“骨痛病” “水俣病”都是典型例子。癌症就是通过这条渠道暗自潜伏起来，使人 们毫无觉察地通 过食物链把有害物质摄入体内，因此，为了我们自己，为了子孙后代的健康，我 们必须保护好环境。深入研究“生物放大”作用，特别使鉴别食物链对哪些污染物具有生物放大潜力，对人类 的安全、生 态平衡都具有重要意义。3、营养级（营养层次）（1）营养级：食物链的每一环节，称为营养级。各营养级上的生物不会只有一种，凡是处在同一层次上的生物都属于一个营养级。生产者（绿色植物、藻类和一些自养微生物）属于第一营养级，一级消费者属第二营养级，二级
41、消费者属第三营养级，依次类推。分解者是建立在第一、二、三、四等营养级之上的另一个营养级。不同生态系统，食物链的长短不同，营养级数目也不一样。一般海洋生态系统食物链较长，有 6-7 个营养级，陆地生态系统不超过 4-5 个，人为干预河北经贸大学教案纸12下的生态系统如农田生态系统食物链只有 2-3 个。因为生态系统中的物质和能量沿着食物链的营养级向前传递时是有耗损的，其转移效率很低（10%） ，大部分被消耗在营养级的呼吸作用上，以热的形式释放到大气中，呈金子塔形。（2）生态金字塔（能量金字塔、生物量金字塔、生物数量金字塔）：一般来说每一级的生物能量仅有 10%左右转移到下一营养级，即通常所说的“
42、十分之一法则” ，由于能量递减生物的个体数目也急剧减少。我国有“一山不容二虎”说法。表明在有限的生存环境条件下不可能供养许多位于能量金字塔顶端的老虎。人类处于最高位的营养级，各种环境污染物可通过食物链逐级富集或转化，进入人体，危害人类健康。生态系统的结构与功能是相互依存的， 组成要素和结构是功能的内在根据和基 础，而一定的性状和功能是一定结构的外在表现。这就是结构功能统一律 ，二者密不可分。二、生态系统的功能生态系统的功能主要有生物生产、能量流动、物质循环和信息传递四种。1、生态系统的生物生产：生态系统不断运转，生物有机体在能量代谢过程中，将能量、物质重新组合，形成新的产品（糖类、脂肪和蛋白质
43、等）的过程，称为生态系统的生物生产。其实质就是太阳能转变为化学能，再经过动物的生命活动转化为动能的过程。显然生物生产包括植物生产（初级生产）和动物生产（次级生产）两大类。(1)初级生产：是指绿色植物的生产，即植物通过光合作用，吸收和固定太阳能，把无机物合成转化为有机物的过程。初级生产的过程可用下列化学方程式概述：6CO2+12H2O C6H12O6 +6O2+6H2O 6光 能 （ 2.10J）叶 绿 素总初级生产量植物在单位时间、单位面积内通过光合作用合成有机物质的总量称为总产量（gross primary production,GPP） 。可用生物量、能量或生物数量来表示，常用能量单位表示
44、：焦尔/米 2.年。 （见37页）净初级生产量植物的总初级生产量减去呼吸作用消耗的（R） ，余下的量称为净产量（net primary production,NPP）总产量与净产量之间的关系为：GPP = NPP + R生物量单位面积内动物、植物等生物体的重量称为生物量。生物量只指有生命的活体，以鲜重或干重表示。 （主要由植物量构成）现存量绿色植物初级生产量被植食动物取食及枯枝落叶掉落后，所省下的存活部分称现存量。（2）次级生产：初级生产以外的生物有机体的生产，即消费者和分解者利用初级生产的物质河北经贸大学教案纸13建造自身和繁衍后代的过程。次级生产所形成的有机物（消费者体重增长和后代繁衍）的
45、量叫做次级生产量。简单地说，次级生产就是异养生物对初级生产物质的利用和再生产过程。净初级生产是生态系统生物生产的主要环节，是增加次级生产的基础。因此，千方百计提高净初级生产量是我们研究生态系统的根本任务。2.生态系统的能量流动。生态系统的能量流动（energy flow of ecosystem）是指能量通过食物网在系统内的传递和耗散过程。能量流动是生态系统的主要功能之一。没有能量流动就没有生命，就没有生态系统。能量是生态系统的动力，是一切生命活动的基础。生态系统中的全部生命活动所需要的能量均来自太阳。绿色植物通过光合作用吸收和固定太阳能，将太阳能变为化学能，这一方面满足自身生命活动的需要，另
46、一方面供给异养生物生命活动的需要。太阳能进入生态系统，并作为化学能，沿着生态系统中生产者、消费者、分解者流动，在生态系统中的流动和转化是遵循热力学定律进行的，即服从于热力学第一定律（能量守恒） 、第二定律（单向流）和十分之一法则（能量损耗规律） 。热力学第一定律是能量守恒定律，即能量无中生有，也不能自行自灭，它只能由一种形式转变为另一种形式，在转化过程中既不消失也不增加（能量守恒） 。生态系统中能量形式的变换完全符合这一定律。例如，绿色植物吸收太阳能后，即将光能转化为化学能，而当绿色植物被草食动物采食后，将化学能转化为草食动物活动的机械能或其他形式的能量，包括转变为热量的耗散，但能量总量是不变
47、的。热力学第二定律指出：能量的转化是有一定方向性的，不能从单一热源取得热量使其全部转化为功而不留下其它变化。在能量传递和转换过程中，除一部分可以继续传递和做功的能量外（自由能） ，总有一部分不能继续传递和做功，而以热的形式耗散（消散） ，这部分能量使熵和无序性增加。在生态系统中，当能量从一种形式转换为另一种形式时，转换效率绝不可能是100。这是因为绿色植物对太阳光能的利用率很低，一般仅有 1.2左右；绿色植物所固定的能量也不可能全部被草食动物所利用，因为植物的根、枯落物等不能被草食动物全部采食，即使在采食的食物中，也还有部分不被消化而作为粪便排出体外。由于这一系列原因，草食动物一般仅能利用绿色
48、植物所含能量的 5%20%。同样道理，肉食动物利用的能量也要小于草食动物的能量。由此可见，生态系统中能量流动有两个特点，一是能量流动沿生产者和各级消费者顺序逐步被减少（见图 1） 。二是能量流动是单一方向，不可逆的。由图 1 可见，能量在流动过程中，一部分用于维持新陈代谢活动和呼吸作用而被消耗（损耗），一部分构成各级生物有机体和组织而被固定，一部分在各营养级残体、排泄物分解时被还原释河北经贸大学教案纸14放。由此可知，在生态系统中能量传递效率是较低的，能流愈流愈细。一般来说，能量沿绿色植物向草食动物再向肉食动物逐级流动，通常后者获得的能量大约只为前者所含能量的 10%即1/10，故称为“十分之
49、一法则” 。这种能量的逐级递减是生态系统中能量流动的一个显著特点。小结如下：能流起点从生产者固定的太阳能开始。能流的总数量生产者所固定的全部太阳能。 能流途径光能第一营养级第二 分解者生态系统能量流动的特点：（详见 37-38 页）单向流动； 逐级递减，传输效率约 10%研究目的为人类自身服务，人们虽然不能改变能量流动的客观规律，但可设法调整生态系统能流的方向，使能量流向对人类最有益的部分。例如在森林中，最好使能量多储存在林木中，在草原上则最好使能量多流向牛、羊等牲畜体内以获得更多的毛、肉、皮、奶等产品。3.生态系统的物质循环。生态系统中，生物为了生存不仅需要能量，也需要物质，没有物质满足有机体的生长发育需要，生命就会停止。与能量流动不同，物质在生态系统中的流动则构成一个循环的通道，称为物质循环。有了物质循环运动，资源才能更新，生命才能维持，系统才能发展。例如：生物呼吸要消耗大量氧气，而空气中的氧气含量并
