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污染学生态课件

•第1章　绪论

•《污染生态学》

•第一章　绪论

v§1.1生态系统

v§1.2生态环境问题

v§1.3污染生态学

•1.1生态系统

v1.1.1、生态系统基本概念

v1.1.2、生态系统组成成分和结构

v1.1.3、生态系统基本功能

v1.1.4、生态系统基本特征

v1.1.5、生态系统类型划分

•1.1.1　生态系统概念发展

v1935英国植物生态学家坦斯利，生态系统：

在任何规模的时空单位内由物理-化学-生物学活动所组成的一个系统。

强调生态系统各组分之间功能上的统一

v1944年前苏联生态学家卡乔夫，生物地理群落：

在一定地表范围内相似的自然现象即大气、岩石、植物、动物、微生物、土壤、水文等条件的总和

v1965年哥本哈根国际生态学会上决定，生态系统和生物地理群落是同义语

v1971年，世界著名生态学家E.P.奥德姆，生态系统：

包括特定地段中的全部生物和物理环境的统一体

v生态系统＆生物圈只是研究的空间范畴及其复杂程度不同。

小的生态系统联合成大的生态系统，简单的生态系统组合成复杂的生态系统，而最大、最复杂的生态系统就是生物圈。

•1.1.1　生态系统概念

v生态系统：

自然界一定空间的生物与环境之间相互作用、相互制约不断演变、达到动态平衡、相对稳定的统一整体，是具有一定结构和功能的单位。

生态系统的核心问题，是结构、功能及其调节机制。

•1.1.2　生态系统组成成分

v生态系统的组成成分：

v两大部分：

生物+非生物环境/生命系统+环境系统

v四个基本成分：

Ø生产者:

是生态系统的必要成分，它们将光能转化为化学能，是生态系统所需一切能量的基础。

Ø消费者

Ø还原者

Ø非生物环境

•1.1.2　生态系统组成成分

v非生物环境

v包括气候因子（如光照、热量、降水、温度、空气等）和营养因子（无机物质），如C、H、O、N及矿物质盐分等；有机物质，如碳水化合物、蛋白质、脂类及腐殖质等，以及生物赖以生存的无机介质（土壤和水体）。

v生产者

v是生物成分中能利用太阳能等能源，将简单无机物合成复杂有机物的自养生物，如陆生的各物植物、水生的高等植物和藻类，还包括一些光能细菌和化能细菌。

生产者是生态系统的必要成分，它们将光能转化为化学能，是生态系统所需一切能量的基础。

•1.1.2　生态系统组成成分

•消费者

–是靠自养生物或其他生物为食而获得生存能量的异养生物，主要是各类动物。

消费者包括的范围很广。

–初级消费者:

直接以植物为食的食草动物，如牛、马、兔、池塘中的草鱼以及许多陆生昆虫等。

–次级消费者：

以食草动物为食的食肉动物，如食昆虫的鸟类、青蛙、蜘蛛、蛇、狐狸等。

–食肉动物之间“弱肉强食”，可进一步分为三级消费者、四级消费者，这些消费者通常是生物群落中体型较大、性情凶猛的种类。

–杂食性消费者：

消费者中最常见的消费者，如池塘中的鲤鱼、大型兽类中的熊等，它们的食性很杂，食物成分季节性变化大，在生态系统中。

杂食性消费者的营养特点构成了极其复杂的营养网络关系。

–生态系统中还有两类特殊的消费者

•一类是腐食消费者，它们是以动植物尸体为食，如白蚁、蚯蚓、兀鹰等；

•另一类是寄生生物，它们寄生于生活着的动植物体表或体内，靠吸收寄主养分为生，如虱子、蛔虫、线虫和菌类等。

•1.1.2　生态系统组成成分

•还原者

–亦称为分解者，这类生物也属异养生物，故又称为小型消费者，包括细菌、真菌、放线菌和原生动物。

–它们在生态系统中的重要作用是把复杂的有机物分解成简单的无机物，归还到环境中供生产者重新利用。

•生态系统四个基本组分相互关系

•1.1.2　生态系统的结构

v营养结构

v物种结构

v空间结构

v时间结构

•生态系统的营养结构

•生态系统的营养结构：

生态系统各组成成分之间建立起来的营养关系，如图所示。

–是生态系统中能量流动和物质循环的基础。

–一般地，生态系统通过营养关系建立起来的链锁关系，又称为“食物链”，可以分为这样四类：

•（a）捕食性食物链，以植物为基础，其基本形式为：

绿色植物小动物大动物；

•（b）碎食物食物链，以碎屑物（由经微生物作用的植物性半降解性物质及微小藻类构成）为基础，其基本形式为：

碎屑物碎屑物消费者小肉食性动物大肉食性动物；

•（c）寄生性食物链，以大动物为基础，由小动物寄生到大动物身上构成，如大型动物跳蚤原生动物细菌过滤性病毒；

•（d）腐生性食物链，以腐烂的动植物尸体为基础，由微生物的降解作用构成这类食物链。

•生态系统的营养结构

---生态系统营养结构的一般模式

•生态系统的物种结构

•生态系统中生物的组成，各类生态系统的差异很大，如水生生态系统的生产者主要是浮游藻类。

而森林生态系统中的生产者是一些高达几米，甚至几十米的乔木和各种灌木。

而且，即使一个比较简单的生态系统，要全部搞清它的物种结构也比较困难。

在实际工作中，人们主要是以群落中的优势种类，生态功能上的主要种类或类群作为研究对象。

•目前，一些学者还将生态系统中的物种，按其对资源利用方式划分为同资源功能组和异资源功能组。

同资源功能组内物种间竞争激烈，异资源功能组内物种竞争不强。

在维持生态系统结构稳定性方面，关键种具有最重要的作用。

这种作用，主要表现在，如果系统中不存在关键种、关键种消失或被其他非关键种取代，生态系统面貌就会完全改变。

•生态系统中的指示种，具有重要的实际应用价值，它包括对污染生态系统进行诊断、监测以及指示生态系统受到其他人为干扰或破坏，或系统结构和功能的恢复或变异性规律。

•生态系统的空间结构

•是生物群落的空间格局状况，包括群落的垂直结构（或层现象）和水平结构（种群的水平配置格局）。

–例如，一个森林生态系统，在空间分布上，自上而下具有明显的成层现象，地上有乔木、灌木、草本植物、苔鲜植物，地下有深根系、浅根系及根系微生物和微小动物。

–在森林中栖息的各种动物，也都有其相对的空间位置，包括在树上筑巢的鸟类、在地面行走的兽类和在地下打洞的鼠类等。

–在水平分布上，林缘、林内植物和动物的分布也有明显的不同。

•生态系统的时间结构

•主要是指物种的时间变化关系和发育特征，构成一个完整的季相。

–例如，一个位于南方地区的农田生态系统，春天小麦和油莱生长，到了夏季，则变成生长的水稻；到了秋季开满花的紫云英则又取代了水稻作物。

•1.1.3　生态系统基本功能

v生态系统中生物的生产、物质循环以及相应的能量流动和信息传递过程，是生态系统的四大基本功能。

v生物生产：

净初级生产力NPP＝GPP－R

v物质循环

v能量流动

v信息传递

•基本功能---生物生产

•生态系统中的生物生产包括初级生产和次级生产两个过程。

前者是生产者（主要是绿色植物）把太阳能转变为化学能的过程，故又称之为植物性生产。

后者是消费者（主要是动物）的生命活动将初级产品转化为动物能，故称为动物性生产。

•与生态系统初级生产相对应，是初级生产力这一重要的定量指标。

它通常是指太阳能转化为潜在生物质能的速率，单位为每年每平方米产生的千卡生物质能[kcal/（m2·a）]。

其中，生物质生产总速率被称为总初级生产力（GPP）。

对于植物来说，由于还有一部分能量用于其自身生长的需要，即细胞呼吸（R）。

因此，净初级生产力（NPP）为：

•NPP=GPP-R

–应用举例：

海湾和礁石区是海洋生态系统在单位面积上有着最大总初级生产力的地区。

在陆地上，则以温带森林、燃料辅助农业和湿热带-亚热带森林地区的总初级生产力最大。

因此，对这些区域的保护，对于维持全球的繁荣、保证人类生活质量，是至关重要的。

•有关生产系统生产力以及它与输入的营养流之间关系的研究，是生态学最基础的研究课题；而关于化学污染对生态系统生产力影响及其机制的研究，是污染生态学的一个重要内容。

•基本功能---物质循环

•生态系统中的物质主要是指维持生命活动正常进行所必需的各种营养元素，包括C、H、O、N、P和S等。

这些物质也是通过食物中营养级传递和转化的，从而构成了生态系统的物质流动。

•物质循环不是单方向的。

同一种物质可以在食物链的同一营养级内被生物多次利用，生态系统中各种有机物质经过分解者分解成可被生产者利用的形式归还到非生物环境中而被重复利用，周而复始地循环，这个过程分为两个阶段：

环境循环阶段和有机体循环阶段

•重要的物质循环过程

•碳循环

–其基本的生物地球化学过程是：

大气分室中的CO2被陆地分室和海洋分室中的植物和介质吸收后，通过绿色植物的光合作用把无机碳转化为有机碳，然后通过生物学过程、生态化学过程以及人类活动的作用把有机碳转化为CO2再返回大气分室。

–在这些互逆的转化过程中，包含了有机体分室和大气分室之间的碳转化，大气分室和海洋分室之间的CO2交换，以及矿质燃料的形成与降解和人类活动的干预等这些复杂的过程。

在正常情况下，碳进入分解亚系统和碳再以CO2的形式从分解亚系统中排出，二者处于动态平衡状态。

•水循环

–包括蒸发作用、蒸散作用、降水作用、径流与入渗作用等基本过程。

•氮循环对于生态系统的可持续发展，也相当重要。

它兼有气体循环和沉积型循环的特点。

–由于合成作用的发生，当分子氮被同化为有机氮化合物（诸如蛋白质、核苷酸和维生素等），使氮的气体循环转化为沉积型循环。

–与合成作用过程相反，降解作用过程则使蛋白质降解为氨基酸和氨。

这两个“互逆”的转化过程，构成了氮的一个完整的循环体系。

–在全球水平上，火山喷发和森林火灾则是氮从沉积型循环转化为气体型循环的两个主要自然生物地球化学过程，它与合成作用在地质学时间内构成了氮的另一个完整的循环体系。

•碳循环

•氮循环---生态系统中氮循环过程的定性模式

•水循环

•1.1.4　生态系统的基本特征

v是动态功能系统

v生态系统具有有机体的一系列生物学特性，如发育、代谢、繁殖、生长和衰老。

任何一个生态系统总是处于不断发展、进化和演变之中，即生态系统的演替。

不同阶段的生态系统在结构和功能上都具有各自特点。

v具有区域特征

v生态系统都与特定的空间相联系，包含一定地区和范围的空间概念。

这种空间都存在着不同的生态条件，栖息着与之相适应的生物类群。

生命系统与非生物环境系统的相互作用以及生物对非生物环境的长期适应结果，使生态系统的结构和功能反映了一定的地区特性。

•1.1.4　生态系统的基本特征

•1.1.5　生态系统的类型

•第一章　绪论

v§1.1生态系统

v§1.2生态环境问题

v§1.3污染生态学

•1.2生态环境问题

v一、生态系统的化学品污染

v二、全球大气污染与气候变化及生态灾难

v三、酸雨对生态系统的污染

v四、水生生态系统污染与湖泊富营养化及海洋赤潮

v五、臭氧层耗竭及其对人类生态系统的危害

v六、土壤侵蚀与沙漠化加剧及其对生态系统的污染胁迫

•我国生态环境状况---国家环保局2004.12

v第一是环境污染严重，流经城市的河段90%受到了严重污染，有近3亿农村人口饮用不合格的水，全国近三分之一的城市人口生活在严重污染的空气环境中；酸雨区约占国土面积的三分之一。

v第二是生态环境仍在恶化，沙化土地面积以每年3436平方公里速度增加；天然林不足10%；全国90%以上的天然草原出现退化；地下水超采严重，华北平原出现大面积的地下漏斗，面积达7万平方公里，引起地下沉降等一系列生态危机。

v第三是受工业污染的耕地面积达1.5亿亩，占全国耕地面积的8.3%；化肥和农药使用量过大，造成农产品安全受到影响。

•2004淮河污染事故

v一次一大的降雨导致的严重污染事故

v2004年7月20日至27日，淮河突然爆发有史以来最大的污染团，如同巨大的黑蘑菇，从上游奔腾而下，横扫千里淮河，充斥河面的黑色污染水团全长133公里，总量超过5亿吨，一路浩浩荡荡杀奔洪泽湖，顺者昌，逆者亡，满河黑暗，伏尸（鱼虾蟹）千里。

v灾难性情景

v先锋是鱼鳖，蟹虾是殿卫，无数水族抢着潮头夺命狂奔，无数鱼类跳到岸上逃生，无数龟鳖爬上堤岸乞命。

污水的锋头浅黑带亮，阴沉中透出杀机；中腰是稠脓一样的黄绿色，表层水藻欣欣向荣；最后是酱鸭色的“大部队”，满河道浩浩荡荡走了近两天，污团所及处，肃杀一片。

•淮河污染

•淮河污染

•水污染和水缺乏在怎样绞杀中国人

•奄奄一息的大西北！

•西部大开发

•这样的发展有什么意义？

•第一章　绪论

v§1.1生态系统

v§1.2生态环境问题

v§1.3污染生态学

•1.3污染生态学

v一、学科定义与内涵

v二、学科来源及归属

v三、学科分支及划分

v四、学科的基本原理

•1.3.1　污染生态学学科定义与内涵

v污染生态学：

研究生物系统与被污染的环境系统之间的相互作用规律及采用生态学原理和方法对污染环境进行控制和修复的科学。

v两个方面的基本内涵：

v生态系统中污染物的输入及其对生物系统的作用过程和对污染物的反应及适应性，即污染生态过程；

v人类有意识地对污染生态系统进行控制、改造和修复的过程，即污染控制与污染修复生态工程。

•1.3.2　污染生态学学科来源及归属

---污染生态学发展的三个阶段

•1.3.3　污染生态学学科分支及划分---生态组分划分

•污染生态学学科分支及划分---生态系统类型划分体系

•1.3.4　污染生态学学科的基本原理

v整体优化原理

v循环再生原理

v区域分异原理

•整体优化原理

v在污染生态学研究中，把地球看成是一个复杂的整体,即生物圈，它是由许许多多的生态系统所组成。

其中，每个生态系统，则包含着物质、信息和运动三部分。

在污染的生态系统中，物质有大气、水和土壤等介质，又有化学污染物质。

而化学污染物质的运动，构成了污染生态系统中主要的循环模式，也使得生态系统各分室之间存在着“千丝万缕”的联系。

因此，对污染生态系统进行改造和修复，要具有整体优化的观念。

•循环再生原理

v生态系统通过生物成分，一方面利用非生物成分不断地合成新的物质，一方面又把合成物质降解为原来的简单物质，并归还到非生物组分中。

如此循环往复，进行着不停顿的新陈代谢作用。

这样，生态系统中的物质和能量就进行着循环和再生的过程。

v“循环”和“再生”的原理必须成为污染生态学研究的主要目标之一。

例如，水的循环与再生，为生态系统中化学物质和能量交换提供了基础，有利于水资源的保护和可持续利用，而且还起到了调节气候、清洗大气和净化环境的作用。

因此，从广义上来说，自然资源和生态环境保护的目的，就是使生态系统中的非循环过程成为可循环的过程，使化学物质的循环和再生的速度能够得以维持或加大。

•区域分异原理

v生态系统在其生物学和非生物学（物理和化学）特征上存在着经度和纬度的地域差异，从而导致污染物质在迁移转化和生态行为上的区域分异。

v这种区域分异不但表现为空间位置的不同，也表现为污染物的毒性、循环通量、作用时间、积累或降解等生态行为上的差异。

v生态系统的区域分异，还包括时间分异。

•END

•2、地球上生态系统的主要类型及其分布

•《污染生态学》

•2、地球上生态系统的主要类型及其分布

v§2.1陆地生态系统分布的基本规律

v§2.2淡水生态系统的类型及其分布

v§2.3海洋生态系统的类型及其分布

v§2.4世界陆地主要生态系统的类型及其分布

•§2.1　陆地生态系统分布的基本规律

v2.1.1陆地生态系统水平分布的基本规律

v2.1.2植被分布的垂直地带性

v2.1.3局部地形对植被的影响

•植被

　　覆盖一个地区的植物群落的总体叫做这个地区的植被。

地球表面的任何地区总生长的许多植物（个别地区除外）它们形成各群落，如森林、草原、荒漠、冻原、草甸、沼泽群落等等。

它们总起来就称作该地区的植被。

覆盖整个地球表面的植物群落，则称为地球植被。

　一个地区出现什么植被，主要取决于该地区的气候和土壤条件。

但从全球看，气候条件的影响更为重要。

地球植被分布的模式，基本上是由气候，特别是水热组合状况决定的。

每种气候下都有它特有的植被类型。

•2.1.1陆地生态系统水平分布的基本规律

v自然界地带性是一种世界现象

v地带性是自然界各种现象相互作用的结果，其中气候条件起着支配作用

v植被分布的水平地带性是地球表面植被分布的基本规律之一

v地球表面的水热条件等环境要素,沿纬度或经度方向发生递变,从而引起植被也沿纬度或经度方向呈水平更替的现象,称为植被分布的水平地带性。

v植被分布主要取决于气候和土壤，它是气候和土壤的综合反映，所以地球上气候带、土壤带和植被带是相互平行，彼此对应的

v每一地区既具有地带性植被，也具有非地带性植被。

v地带性植被就是指分布在“显域地境”上的植被类型。

v非地带性植被或隐域植被的分布不是固定在某一植被带，而是出现在二个以上的植被带。

v显域地境上的植被能最充分地反映一个地区的气候特点。

•植被分布的纬向地带性

•沿纬度方向有规律地更替的植被分布，称为植被分布的纬向地带性。

•植被在陆地上的分布，主要取决于气候条件，特别是其中的热量和水分条件，以及二者状况。

•由于太阳辐射提供给地球的热量有从南到北的规律性差异，因而形成不同的气候带，如热带、亚热带、温带、寒带等。

与此相应，植被也形成带状分布，在北半球从低纬度到高纬度依次出现热带雨林、亚热带常绿阔叶林、温带夏绿阔叶林、寒温带针叶林、寒带冻原和极地荒漠。

•植被分布的经向地带性

•以水分条件为主导因素，引起植被分布由沿海向内陆发生更替，这种分布格式，称为经向地带性。

–由于海陆分布、大气环流和大地形等综合作用的结果，从沿海到内陆降水量逐步减少，因此，在同一热量带，各地水分条件不同，植被分布也发生明显的变化。

–例如，我国温带地区；在沿海空气湿润，降水量大，分布夏绿阔叶林；离海较远的地区，降水减少，旱季加长，分布着草原植被；到了内陆，降水量更少，气候极端干旱，分布着荒漠植被。

•植被分布---气候---土壤

•植被分布主要取决于气候和土壤，它是气候和土壤的综合反映，所以地球上气候带、土壤带和植被带是相互平行，彼此对应的，这种情况在东欧平原表现最为清楚。

那里由于地形的均一和母岩在很大程度上的一致，气候从西北到东南平稳地发生改变；夏季温度和可能蒸发量向东南增高，而降雨量减少，干旱性变的越来越明显。

森林带和森林草原带之间的界限相当于湿润区和干旱区之间的界限。

这意味着此线以北年降水量可能超过蒸发量；此线以南，可能蒸发量高于年降水量，植被自西北至东南，依次为：

冻原→森林冻原→泰加林→针阔叶混交林→落叶阔叶林→森林草原→草原→荒漠。

•在北美洲植被的经向变化也表现得非常明显。

这是由于北美大陆东临大西洋，西濒太子洋，东西两岸降水多、湿度大、温度高，发育着各类森林植被，又由于南北走向的落基山脉，阻挡了太平洋湿气向东运行，使中西部形成干旱气候。

因此，从东向西，植被依次更替为森林→草原→荒漠→森林。

•图示中国植被分布的水平地带性规律

•中国植被分布的水平地带性规律---经度地带性

•中国的地理气候特点：

–我国位于世界上最广阔的欧亚大陆东南部的太平洋西岸，西北部深入大陆腹地。

冬季盛行着大陆来的极地气团或北冰洋气团，常形成寒潮由北向南运行。

夏季盛行着由海洋来的热带气团和赤道气团，主要是太平洋东南季风和印度洋西南季风带着湿气吹向大陆。

–我国地形十分复杂，高山众多。

东西走向的山脉对寒潮向南流动起着不同程度的阻挡作用，成为温度带的分界线。

东北至西南走向的山脉对太平洋东南季风深入内陆起着明显的屏障作用，与划分东南湿润气候区和西北干燥气候区的分界上有着密切的关系。

西藏高原南部东西走向的山脉和南北走向的横断山脉，对印度洋西南季风的入境起着严重的阻碍作用。

另外，来自北赤道的暖洋流在接近我国台湾东岸时，顺着琉球群岛转向日本本州东岸方向向东流去，因此这支暖洋流对我国大陆，特别是对北方气候未能发生直接增温加湿的作用，

–在上述所有自然地理条件的综合影响下，我国从东南沿海到西北内陆受海洋季风和湿气流的影响程度逐渐减弱，依次有湿润、半湿润、半干旱、干旱和极端干旱的气候。

相应的植被变化也由东南沿海到西北内陆依次出现了三大植被区域，即东部湿润森林区、中部半干旱草原区、西部内陆干旱荒漠区，这充分反映了中国植被的经度地带性分布。

•中国植被分布的水平地带性规律---纬度地带性

•中国植被水平分布的纬向变化，由于地形的复杂可分为东西两部分。

–在东部湿润森林区，由于温度随着纬度的增加而逐渐降低，在气候上自北向南依次出现寒温带、温带、暖温带、亚热带和热带气候，因此受气候影响，植被自北向南依次分布着针叶落叶林→温带针叶落叶阔叶林→暖温带落叶阔叶林→北亚热带含常绿成分的落叶阔叶林→中亚热带常绿阔叶林→南亚带常绿阔叶林→热带季雨林、雨林。

–西部由于位于亚洲内陆腹地，在强烈的大陆性气候笼罩下，再加上从北向南出现了一系列东西走向的巨大山系，如阿尔泰山、天山、祁连山、昆仑山等，打破了纬度的影响，这样，西部从北到南的植被水平分布的纬向变化如下：

温带半荒漠、荒漠带→暖温带荒漠带→高寒荒漠带→高寒草原带→高原山地灌丛草原带。

•2.1.2　植被分布的垂直地带性

•植被带大致与山坡等高线平行，并且具有一定的垂直厚（宽）度，称之为植被垂直带性。

每一个植被垂直带都具有反映该带特征的显域植被类型。

–区域地带垂直气候变化特征：

从山麓到山顶，随着海拔的升高，年平均气温逐渐降低，生长季节逐渐缩短。

通常海拔高度每升高100m，气温下降0.5o.6℃。

在一定范围内，随着海拔的升高，降水量也逐渐增加（降水最初随高度的增加而增加，达到一定界限后，降水量又开始降低），风速增大，太阳辐射增强，土壤条件也发生变化，在这些因素的综合作用下，植被也随海拔升高而发生改变。

通常表现为依次成条带状更替。

例如长白山植被垂直带结构自下而上依次为：

落叶阔叶林→针阔叶混交林→寒温性常绿针叶林→矮曲林→高山冻原。

–山地植被垂直带的组合排列和更迭顺序形成一定的体系，称为植被垂直带谱，或称植被垂直带结构。

•长白山植被

•植被垂直带性与水平带性的关系

•同一气候带内，由于距离海洋远近不同，而引起干旱程度不同，因此植被垂直带谱也不相同。

因而可以把植被垂直带分为海洋型植被垂直带谱和大陆型植被垂直带谱两类。

–大陆型的垂直带谱，每一个带所处的海拔高度，比海洋型同一植被带的高度要高些，而且垂直带的厚度变小。

–在不同气候带，垂直带谱差异更大。

一般来说，从低纬度的山地到高纬度的山地，构成垂直带谱的带的数量逐渐减少，同一个垂直带的海拔高度逐渐降低，到冻原带，山地植被和干地植被同属于一个类型。

–植被垂直带谱大致反映了不同植物群落类型沿纬度方向交替分布的规律，相当于将纬向地带性给垂直竖立起来了。

•2.1.3局部地形对植被的影响

•在局部地区，由于中、小地形或坡向的影响，也能观察到植被分布遵循一定的格局。

–坡度和坡向对植被的分布具有很大的意义。

在山地的北坡和南坡之间可以观察到植被有显著的差异；南向坡的植被通常比所在平地的植被具有更南方的特征（更