生态学基本概念.docx

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生态学基本概念

生态学基本概念

1生态学是研究有机体与其周围环境相互关系的科学（Haeckel）

2生态学是研究生物的形态、生理和行为的适应性的科学

3生态学是研究动物种群的分布和多度及与环境相互作用的科学

4生态学是研究影响植物生活的因子，植物群落分布的决定因子的科学

5生态学是研究生态系统结构与功能的科学

重要的概念

1种群：

栖息在同一地域中同种个体组成的复合体

2群落：

栖息在同一地域中动物、植物、微生物组成的复合体

3生态系统：

同一地域中生物群落和非生物环境的复合体

4生物圈：

地球上全部生物和一切适合生物栖息的场所

生态学的研究对象

研究方法：

1）野外观察和定位站2）实验方法：

原地实验和人工控制实验3）数学模型和数量分析方法

光周期：

指生物对光周期变化发生各种生理、生态反应的现象。

C4比C3植物光饱和点高。

生态因子（ecologicalfactors）是指环境中对生物生长、发育、生殖、行为和分布有直接或间接作用的环境要素。

所有生态因子构成生态环境。

生境：

特定生物体或群体的栖息地的生态环境。

生态因子的分类

•气候因子

–光、温、水、空气等因子；

•土壤因子

–土壤物理性质、化学性质、肥力和土壤生物等因子；

•生物因子

–动物、植物、微生物等因子；

•地形因子

–海拔高度、坡度、坡向等；

•人为因子

-人类活动对自然的破坏和环境污染等；

•火因子

生态因子的作用特点

1综合作用

每一个生态因子都是与其他生态因子相互影响、相互制约中起作用的，任何一个因子的变化都会在不同程度上引起其他因子的变化

2主导因子作用

诸多因子中，其中必定有1－2个是起主导作用的主导因子，主导因子的改变常常会引起其他生态因子发生明显变化或使生物的生长发育发生明显变化。

3阶段性作用

由于生态因子规律性变化，导致生物生长发育出现阶段性，在不同的发育阶段，生物需要不同的生态因子或生态因子的不同强度。

4不可替代性和补偿性作用

对生物作用的诸多生态因子都很重要，一个不能少，不能由另一因子替代。

但在一定的条件下，当某一因子的数量不足，可以依靠相近生态因子的加强得到补偿，而获得相似的生态效应。

5直接作用和间接作用

生态因子对生物的行为、生长、繁殖、分布的作用可以是直接的，也可以是间接的，有的甚至要经过几个中间因子。

植物与环境的相互作用

•一、环境对植物的限制作用

“耐受性”

•二、植物对环境的适应

“内稳态”

环境对植物的限制作用

•最小因子定律

低于某种生物需要的最小量的任何特定因子，是决定该种生物生存和分布的根本因素。

•限制因子定律

任何生态因子，只要接近或超过某种生物的耐受性极限，就会影响生物的生存、生长、繁殖或扩散。

–生态因子低于最低状态时，生理现象完全停止；

–在最适状态下，显示生理状态的最大观测值；

–在最大状态之上，生理现象又停止了。

耐受性定律：

任何一个生态因子在数量上和质量上的不足或过多，都会导致该生物的衰退和不能生存。

•每一种生物对不同生态因子的耐受范围存在差异。

•生物在整个个体发育过程中，对环境因子耐受限度不同。

•不同生物种对同一生态因子的耐受性是不同的。

•生物对某一生态因子处于非最适状态时，对其他因子的耐受限度也会下降。

适应主要机理——内稳态

1适应的基础：

内稳态机制的进化

生物控制自身的体内环境使其保持相对稳定。

从而增加生态因子的耐受幅度，提高对环境的适应力。

2稳态有其生理和行为基础

动物体温调节和渗透压调节体内盐分浓度

3内稳态生物和非内稳态生物

根据生物对非生物因子的反应或依据外部条件变化对生物体内状态的影响划分。

最后产量恒值法则（植物）

三叶草的密度与产量实验：

不管初始播种的密度如何，在一定范围内，当条件相同，植物的最后产量差不多总是一样的。

最后密度产量恒值法则：

•Y=W×d

–Y:

单位面积产量

–W：

个体平均重量

–d：

密度

－3/2自疏法则（植物）

密度和个体重量的关系：

竞争结果是较大个体存活，密度下降

w=C×d-3/2或logw=logC-3/2logd

•w：

个体平均重量

•C：

常数

•d：

密度

种间关系的类型

关系类型关系特点

竞争（--）彼此互相抑制

捕食（+-）种群A杀死或吃掉种群B一些个体

寄生（+-）种群A寄生于种群B,并有害于后者

中性（00）彼此互不影响

共生（++）彼此互相有利,专性或兼性

偏利（+0）对A种群有利,对种群B无利害

偏害（-0）对A种群有害,对种群B无利害

种间竞争一般是指两个物种或更多物种共同利用相同的有限资源时产生的相互竞争作用。

竞争的类型和特点

1利用性竞争：

一个物种所利用的资源对第二个物种也非常重要,但两个物种并不发生直接接触.如:

蚂蚁、啮齿动物都以植物种子为食.

2干扰性竞争：

一种动物借助于行为排斥另一种动物使其得不到资源.如:

红翅鸫和黄头鸫；他感作用.

•竞争的特点

1竞争的不对称性：

通常竞争各方影响的大小和后果不同

2对一种资源的竞争能影响对另一种资源的竞争结果

Lotka-Voterra种间竞争模型

•种间竞争对每个种群的数量增长的影响

•α——物种2对物种1的竞争系数

•β——物种1对物种2的竞争系数

•r

•k

两个种群竞争动态——结果1

两个种群竞争动态——结果2

两个种群竞争动态——结果3

两个种群竞争动态——结果4

结果评价——种内竞争和种间竞争指标

•种内竞争强度指标（S）

•物种1：

1/K1=S11

•物种2：

1/K2=S22

•S值越大，种内竞争越激烈

•种间竞争强度指标（T）

•物种2（对物种1）：

a/K1=T21

•物种1（对物种2）：

β/K2=T12

•T值越大，种间竞争越强

生态位：

物种在群落和生态系统中的地位和角色

•竞争释放：

缺乏竞争者时，物种会扩张其实际生态位

•性状替换：

竞争激烈时，物种的实际生态位收缩，表现在物种的某些性状发生改变

共生

•偏利共生——附生动植物与被附生物

•互利共生——不同物种的两个个体之间互惠关系，可以增加双方的适合度。

例子：

蚂蚁和金合欢的互利共生

植物为蚂蚁提供蜜和蛋白质空的叶刺可以筑巢

生物群落的概念

•在相同时间聚集在同一地段上的各物种种群的集合.

•特定空间或特定生境下生物种群有规律的组合，它们之间以及它们与环境之间彼此影响，相互作用，具有一定的形态结构与营养结构，执行一定的功能。

•生物群落=植物群落+动物群落+微生物群落

生物群落的基本特征

•具有一定的种类组成

•具有一定结构特征

•具有一定的动态特征

•具有一定的分布范围

•具有一定边界

•各物种相互联系

•群落具有自己的内部环境

垂直结构

❑北温带不同生活型调查的样方面积：

苔藓：

0.01-0.1m2

低草：

1-2m2

高草：

4m2

矮灌木：

4m2

高灌木：

16m2

树木：

100m2

Raunkiaer生活型系统

Ø选择以休眠芽或枝梢在不良季节（寒温带的冬季、热带的旱季）所处的位置，把高等植物划分为五个生活型。

Ø高位芽植物（Phanerophytes）休眠芽位于距地面较高的位置，一般25㎝以上。

Ø地上芽植物（Chamaephytes）休眠芽位于土壤表面之上，25㎝之下，多为半灌木或草本植物。

Ø地面芽植物（Hemicryptophytes）休眠芽位于近地面土层内，冬季地上部分全部枯死，多为多年生草本植物。

Ø地下芽植物（Geophytes）隐芽植物（Cryptophytes）休眠芽位于较深土层中或水中，多为鳞茎类、块茎类和根茎类多年生草本植物或水生植物。

Ø一年生植物（Therophytes）以种子形式渡过不利季节。

水平结构：

小群落引发的镶嵌性和复合性的分布格局。

层片——群落的结构单元

•层片不是简单的分层，每一个层片均由同一生活型的植物所构成；而某些层可能由几个层片组成。

•层片具有一定的种类组成，这些种具有一定的生态生物学一致性，而且特别重要的是它具有一定的小环境，这种小环境构成植物群落环境的一部分。

•层片的特点：

–同一层片的植物是同一个生活型类别。

–每个层片在群落中都具有一定小环境。

–每一个层片具有时空变化特征。

–每一个层片都具有相对独立性

群落交错区

又称生态交错区或生态过渡带，是两个或多个群落之间（或生态地带之间）的过渡区域。

边缘效应

群落交错区是一个交叉地带或种群竞争的紧张地带，发育完好的群落交错区，可包含相邻两个群落共有的物种以及群落交错区特有的物种，在这里，群落中物种的数目及一些种群的密度往往比相邻的群落大。

群落交错区种的数目及一些种的密度有增大的趋势。

演替（Succession）

•通常生态演替被定义为：

一个自然群落中，物种的组成连续地、单方向地、有顺序地变化。

•植物群落的演替：

在植物群落的发展变化过程中，由低级到高级、由简单到复杂、一个阶段接着另一个阶段，一个群落取代另一个群落的自然演变现象。

•演替系列：

密西根湖边的沙丘弃耕地的植物演变

原生演替（primarysuccession）

–原生裸地：

指以前完全没有植物的地段，或原来存在过植被，但被彻底消灭，甚至植被下的土壤条件也不复存在。

例如：

火山喷发熔岩破坏植被形成的裸地、湖泊等。

–原生演替特点：

从极端条件开始，向水分适中方向，即中生化方向发展，经历的时间长，阶段多。

次生演替（secondarysuccession）

▪次生裸地：

是植物现已被消灭，土壤中仍保留原来群落中的植物繁殖体。

例如森林采伐后的皆伐迹地、开垦草原、火灾和毁灭性的病虫害，都能造成次生裸地。

▪次生演替特点：

由外部干扰所引起，演替速度往往较快。

按演替初始生境水分条件归类的演替系列模式

Ø旱生演替系列：

原生演替中开始于裸露岩石、山地等干旱基质上的演替。

地衣阶段苔藓阶段旱生草本阶段木本植物阶段

Ø水生演替阶段：

从积水发生的原生演替。

沉水植物阶段浮水植物阶段挺水植物阶段湿生草本植物阶段

Ø中生演替系列：

原生演替中开始于具有一定肥力土壤母质上的演替。

裸露矿质土阶段草本植物阶段木本植物阶段

按演替方向归类的演替模式

•进展演替：

植物群落由低级阶段向高高级阶段发展的演替。

–特征：

–逆行演替：

植物群落由高级阶段退向低级阶段的演替。

–特征：

强烈放牧的草原会向旱生化方向发展，甚至接近荒漠带的植被群落

–循环演替：

很少见

–特征：

进展演替和逆行演替对比

单元演替顶级学说

•单元演替顶级学说（mono-climaxtheory）

–由美国的Clements（1916）提出

–认为一个气候区中，植物群落演替朝向一个共同的终点，其终点的植物群落是该气候作用下的最中性的稳定群落，称气候顶级群落。

–即，一个气候相当一致的区域，最终将有一个连续的和整齐一致的植被普遍地覆盖着。

–对于一些特殊情况的解释：

–亚顶级：

到达顶级前的一个相当稳定的阶段。

–后顶级：

特定气候区域内，因局部气候条件较差而产生的稳定群落。

–先顶级：

由于局部气候条件较好而产生的较优越气候区的顶级

–偏途演替顶级：

由于强烈而频繁的干扰而引起的相对稳定的群落

多元演替顶极学说

❑多元演替顶极（Poly-climaxtheory）学说

Ø英国学者坦斯利提出

Ø如果一个群落在某种生境中基本稳定，能自行繁殖并结束它的演替过程，就可看作是顶极群落，而不必汇集于一个共同的气候顶极终点。

Ø因此除气候顶极之外，也有土壤顶极，地形顶极，火烧顶极等。

顶极格式假说

❑顶极格式假说（Climaxpatternhypothesis）

Ø由美国Whittaker（1953）提出

Ø任何区域的环境因子都是不断变化的，随着环境梯度的变化，各种类型的顶极群落不是截然呈离散状态，而是连续变化的。

Ø一个区域的植被形成连续的顶极类型，构成一个顶极群落连续变化的格局。

Ø优势顶极＝气候顶极

顶极概念的讨论

Ø许多学者质疑演替顶极概念。

（气候波动，新种侵入）

Ø认为大面积的统一模式的渐变过程的观点是不现实的，因此注重局部演替。

ØGapdynamics

初级生产：

自养生物的生产过程，其提供的生产力为初级生产力。

初级生产的基本概念

⏹初级生产量（primaryproduction）：

❑生态系统中绿色植物通过光合作用合成有机物质的数量称为初级生产量，也称第一性生产。

❑在初级生产过程中，植物固定的能量有一部分被植物自己的呼吸消耗掉，剩下的可用于植物的生长和生殖，这部分生产量称净初级生产量。

❑总初级生产量（grossprimaryproduction）：

GP=NP+R（呼吸）

⏹初級生产力（primaryproductivity）：

❑植物群落在一定空间一定时间内所生产的有机物质积累的速率称为生产率，或生产力。

❑生物量（biomass）:

是指某一时刻调查时单位面积上积存的有机物质，以鲜重或干重表示。

❑现存量（standingcrop）：

是指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剩下的存活部分。

全球初级生产力分布特点

1.陆地比水域的初级生产量大。

2.陆地上初级生产量有随纬度增加逐渐降低的趋势

3.海洋中初级生产量由河口湾向大陆架和大洋区逐渐降低。

初级生产量的测定方法

⏹收获量测定法

❑定期收获植被，烘干至恒重，然后以每年每平方米的干物质重量表示。

⏹氧气测定法——黑白瓶法

❑通过氧气变化量测定初级生产量，黑瓶、对照瓶、白瓶。

⏹二氧化碳测定法

❑通过二氧化碳变化量测定初级生产量，透明罩：

测定净初级生产量；暗罩：

测定呼吸量。

⏹放射性标记物测定法

❑放射性元素以碳酸盐的形式，放入含有自然水体浮游植物的样瓶中，沉入水中经过一定时间，滤出浮游植物，干燥后在计数器测定放射活性，确定光合作用固定的碳量。

⏹叶绿素测定法

❑植物定期取样，丙酮提取叶绿素，分光光度计测定叶绿素浓度，每单位叶绿素的光合作用是一定的，通过测定叶绿素的含量计算取样面积的初级生产量。

次级生产：

消费者利用初级生产的产品进行新陈代谢，经过同化作用形成自身的物质，称为次级生产，亦称第二性生产。

次级生产的生态效率

⏹消费效率：

食草动物对植物净生产量的利用

❑植物种群增长率高，世代短，更新快，被利用的百分比高；

❑草本植物维管束少，能提供较多的净初级生产量；

❑浮游动物利用的净初级生产量比例最高。

❑同化效率

❑草食、碎食动物同化效率低，肉食动物高。

❑生产效率

❑不同动物类群有不同的生长效率，无脊椎动物生产效率较高。

营养级位内的生态效率：

1）同化效率Ae

–被植物吸收的日光能中被光合作用所固定的能量比例，或被动物摄食的能量中被同化了的能量比例。

–动物往往比植物同化效率高。

Ae=An/In

–An——同化量

–In——摄食量

2）生长效率Pe

❑形成新生物量的能量占同化能量的百分比

Pe=Pn/An

❑营养级越高，生长效率越低。

植物的生长效率>动物。

❑植物将光合能量大约40%呼吸，60%生长，肉食动物同化能量大约65%用于呼吸，35%用于生长。

哺乳动物呼吸消耗的能量最多，大约占同化量的97-99%，只有1%-3%用于净生产量。

营养级之间的生态效率：

⏹林德曼效率LeLe=In+1/In

⏹后一营养级所获得的能量占前一营养级获得能量的比例

⏹Le=Ae*Pe*Ce

⏹林德曼效率＝同化效率×生产效率×消费效率

生态系统中的分解

⏹概念：

是有机物质的逐步降解过程。

还原为无机物，释放能量。

❑分解的过程：

1）碎化——把尸体分解为颗粒状的碎屑。

2）异化——有机物在酶的作用下，进行生物化学的分解，从聚合体变成单体（如纤维素降解为葡萄糖）进而成为矿物成分（如葡萄糖降为CO2和H2O）。

3）淋溶——可溶性物质被水淋洗出，完全是物理过程。

分解过程的决定因素

⏹分解者生物的种类

⏹待分解资源的质量

⏹分解时的理化环境条件

生物多样性的概念

•生物多样性是生物及其环境形成的生态复合体以及与此相关的各种生态过程的总和。

其内涵十分广泛，包括多个层次或水平。

•Biodiversity≠Speciesdiversity

•China:

8thMegadiversitycountryintheworld

•物种水平：

物种多样性

•低于物种水平：

遗传多样性

•高于物种水平：

群落多样性、生态系统多样性

物种多样性两方面含义:

•物种丰富度（SpeciesRichness）:

–群落中物种的数目

•物种均匀度（SpeciesEvenness）

–各物种的相对多度

•综合性α多样性指数

综合性α多样性指数

❑Pi：

第i个物种数量占群落总个体数量的比例

❑S：

物种总数

γ多样性指数

•α多样性，指某个群落或生境内部的种的多样性

•β多样性，指在一个梯度上从一个生境到另一个生境所发生的种的多样性变化的速率和范围，它研究群落之间的种多度关系。

•γ多样性，在一个地理区域内（如一个岛屿），一系列生境中种的多样性，它就是用这些生境的α多样性和生境之间的β多样性的研究范围结合起来表示。

β多样性指数

•

β多样性可以定义为沿着环境梯度，两个相邻群落之间组成的变化程度。

•群落系数

•

•Sab：

a群落和b群落共有的物种数

•Sa：

a群落独有的物种数

•Sb：

b群落独有的物种数

生态位：

物种在群落和生态系统中的地位和角色

中度干扰假说

–中等水平的干扰使群落具有较高的多样性

–干扰是影响群落物种多样性的主要因素之一

生物多样性保护

•物种消失的速率是自然灭绝的1000倍。

原因：

–1.栖息地丧失/片断化/隔离

–2.栖息地环境质量恶化

–3.资源过度开发

–4.外来种入侵

–生物多样性保护不是单纯的物种保护，从基因、物种、生态系统、景观四个层次上全方位开展保护活动，而且更重要的任务是全球性和区域性生物多样性的保护。

生物多样性保护的理论基础

•岛屿生物学理论

•集合种群理论

•最小生存种群理论

•系统胁迫和最大持续产量

岛屿生物学理论

•真正的岛屿

•生境岛屿

–许多自然生境，例如溪流、山洞以及其它边界明显的生态系统都可看作是大小、形状和隔离程度不同的岛屿。

–有些陆地生境也可看成是岛屿，例如，林中的沼泽、被沙漠围绕的高山、间断的高山草甸、片段化的森林和保护区等。

–由于人类活动的影响，自然景观的片段化，也是产生生境岛屿的重要原因。

岛屿的面积效应——物种－面积关系

岛屿生物地理的平衡理论

MacArthurandWilson（1967）

–岛屿的物种数量S取决于迁入和灭绝的平衡

–这种平衡是一种动态的平衡

岛屿生物地理平衡理论的预测

1.岛屿上的物种数S最后为定值

2.物种不断地迁入和灭绝，表现为动态平衡

3.岛屿越大，物种数量越多（面积效应）

4.岛屿距大陆越远，物种数量越少（距离效应）

保护区设计原则

•Diamond等（1976）根据平衡假说提出的几个原则：

–保护区面积越大越好

–单个保护区要比面积相同，但分隔成若干小保护区好

–若干个分隔的小保护区越靠近越好

–若干个分隔的小保护区排列越紧凑越好，线性排列最差

–有廊道连接的若干个小保护区比无廊道连接的好

–圆形的保护区比条形的保护区好

集合种群：

许多亚种群的集合体，每一个亚种群都能随机灭绝和定居，通过所有亚种群的随机灭绝和定居状态的平衡，复合种群保持稳定状态。

保护区设计原则

•异质性原则：

–从较大的地理尺度上选择多个小型保护区，因为物种数随面积增加主要由于栖息地异质性增加。

–若干小保护区比一个大保护区好

–抵御环境灾害，灭顶之灾

–现实情况下很难建立大的保护区

–有利于基因多样性形成

–强调廊道连接栖息地碎片

最小生存种群理论

•种群一旦变得太小，很多随机因素就变得很重要

–种群统计随机性

–环境随机性

–遗传随机性

–灾害随机性

–最小生存种群（MVP）是指种群为了保持长期生存持久力和适应力应具有的最小种群数量

–长期生存持久力是指种群具有不受统计随机性、环境随机性、遗传随机性、灾害随机性影响的能力

–适应力指种群能保持一定活力、生育力和遗传多样性，以适应自然界的变化

保护区设计原则

•MVP对于划分物种保护等级，确定物种保护优先权有重要意义。

•MVP对于确定保护区面积也有重要参考价值，保护一些稀有濒危物种，保护区面积不能小于相应的MVP所需生存面积。

生物地球化学循环的概念

⏹生态系统从大气、水体和土壤等环境中获得营养物质，通过绿色植物吸收，进入生态系统，被其他生物重复利用，最后，再归还于环境中。

这些循环的路径包括生物与非生物二者,同时也包含一些地质与地理作用在內,因此称为生物地球化学循环。

生物地球化学循环的类型

⏹水循环

❑生态系统中所有的物质循环都是在水循环的推动下完成的，因此，没有水的循环，也就没有生态系统的功能，生命也将难以维持。

❑气体型循环

❑元素或化合物可以转化为气体形式参与循环过程，其贮存库是大气和海洋。

气相循环把大气和海洋相联系，具有明显的全球性，循环性能最为完善，气体循环速度比较快。

例如CO2、N2、O2等。

❑沉积型循环

❑参与沉积循环的物质，其分子或化合物主要通过岩石的风化和沉积物的溶解转变为可被生物利用的营养物质，而海底沉积物转化为岩石圈成分则是相当长的、缓慢的、单向的物质转移过程，时间要以千年计算，这类循环速度比较慢。

主要储库在土壤、沉积物和岩石。

因此沉积循环的全球性不如气体型循环，循环性能也很不完善。

❑

1.2城市森林的指标 

城市森林的指标应包含以下5个方面：

（1）生物量的主体地位。

绿地生态系统中5m以上的乔木生物量达到和超过城市绿地总生物总量的50%。

（2）生态效益的主体地位。

森林的吸碳制氧、调节气温、净化环境、保持水土等方面功能居主体地位，功能大于或等于城市绿地总功能的50%。

（3）枝叶覆盖率的优势地位。

乔木覆盖面积大于或等于城市绿地总面积的40%。

（4）景观格局的合理性。

景观分布合理，大、中、小型斑块分布均匀，并有绿色廊道连接为一个整体，有利于物种的交流及生物运动。

（5）经营的可持续性。

大小森林斑块应保持地面土壤裸露，防止任何形式的人工硬化，保证城市森林的可持续发展。

使叶落归根，形成枯落物层，促进物质循环，保持水土，促使林木天然更新。

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　2城市森林建设对城市生态系统的影响 

　　城市森林的建设对于城市生态系统的影响要体现在以下5方面：

（1）维持碳氧平衡。

（2）净化空气，削减噪音。

（3）调节城市小气候，消除城市“热岛效应”。

（4）防风固沙，保持