园林生态学原理一、生态学简介 1、生态学(Ecology）定义 Ecology源希腊词“Oikos”和“logos”，前者表示住所和栖息地，后者表示学科，原意是研究生物栖息环境的科学。生态学是研究生物/生命系统与环境/环境系统间相互关系的科学。生物/生命系统，生命层次环境/环境系统相互关系：相互作用本质:自然科学；验证性其他定义层次观：系统观：生态学研究不同层次生命体系中生物与环境的关系，每一层次都有各自的结构和功能特征，高级层次的结构和功能是低级层次分工协作而来的。低级层次的结构功能必须在高层次中体现。整体观：生态学研究生态系统中生物与环境的关系，系统内各要素相互联系、相互影响、关系复杂，牵一发而动全身。系统中某一要素受多种要素作用，它本身也作用于多种要素，多种要素相互作用还形成关系链，关系网。综合观：系统中的各个要素分工协作，构成一个整体，不可分工。进化观：群落随时间演替，生命结构也处于时时变动之中，环境时时在变化， 2、生态学知识体系的三个层面的知识生态学原理： 生命与环境的相互作用生物进化、群落的演替、物质循环、能量流动等生态学方法论：从不同的角度去探索和运用生态学原理，并活学活用，充实和拓展生态文化。生态文化 3、生态学的研究对象及分支学科根据研究对象的组织水平划分 第二节 园林生态学原理 4、生态学的形成与发展生态学的萌芽时期（公元 16 世纪以前）生态学的建立时期（公元 17 世纪至 19 世纪）生态学的巩固时期（20 世纪初至 20 世纪 50 年代）现代生态学时期（20 世纪 60 年代至今）生态学萌芽时期（公元 16 世纪以前）自然现象观察、淳朴的生态观在我国：元前 1200 年《尔雅》--草木两章；对 200 多种植物的形态和生态环境进行了描述。公元前 200 年《管子》“地员篇”专门论及水土和植物的关系；公元前 100 年前后，农历确立了 24 节气，反映作物、昆虫与气候的关系，同时《禽经》一书（鸟类生态）问世； 在欧洲：公元前 285 年也有类似著作问世，区分植物类型，动物色泽变化与环境的关系。 1753 年，瑞典植物学家林奈（Linneucs）《植物种志》--植物分类学成熟的标志 1807 年，德国植物学家红堡德（A.Humboldt）《植物地理学知识》，提出植物群落、群落外貌等概念，并结合气候和地理因子描述了物种的分布规律，是世界植物分布研究的基石。 1859 年，英国的达尔文（Darwin）《物种起源》，创立了生物进化学说。以上这些经典著作，为生态学的诞生奠定了基础。生态学建立时期（公元 17 世纪至 19 世纪） 1866 年，德国科学家海克尔 Heackel 在《普通生物形态学》一书中首次提出 Ecology 一词，并首次明确生态学的定义，标志生态学的诞生。  1877 年，墨比乌斯（Karl Mobius）-----生物群落，认为生物群落或自然群落中相互之间的关系以及他们对象是生态环境的长期适应的结果。 1896 年，Schroter提出个体生态学（auto- ecology）和群体生态学（synecology）。 1895 年，丹麦哥本哈根大学的瓦尔明（E.Warming）德文版《以植物生态地理为基础的植物分布学》（1909 年译英文版时改为《植物生态学》）和 1898 年德国波恩大学的新柏尔（Schimper）《以生理学为基础的植物地理学》全面总结了 19 世纪末以前的植物生态学的研究成就，标志着植物生态学作为一门生物学的独立分支而诞生，同时也标志着生态学作为一门系统的理论真正出现。生态学的巩固时期（20 世纪初至 20 世纪 50 年代）是生态学理论形成、生物种群和群落由定性向定量描述、生态学实验方法发展的辉煌时期。形成四个著名的生态学派。英美学派：代表人为美国的克里门茨次 F.E.Clements 和英国的坦斯利 A.G.Transley，以研究植物群落演替和创建顶极群落著名。克里门茨《植物演替：植被发展的分析》1916 是植物生态学的里程碑著作。生态学的巩固时期前苏联学派：以苏卡乔夫为代表，以生态地理植物学（Ecological geobtany）及生物地理群落学的研究而闻名。法瑞学派：代表人为法国的布朗布朗克 J. Braun-Blanquet。把植物群落生态学称为“植物社会学”，用特征种和区别种划分群落类型，建立严密的植被等级分类系统。常被称为植被区系学派。1953 年后，与北欧学派合流，被称为西欧学派或大陆学派。北欧学派：由瑞典乌普萨拉（Uppsala）大学的 R. Sernauder创建。以注重群落分析为特点。现代生态学时期研究层次上向宏观和微观两极发展：生态学的研究层次已囊括了分子、基因、个体直到整个生物圈。 研究手段的更新：自计电子仪、同位素示踪、稳定性同位素、“3S”（全球定位系统（GPS）、遥感（RS）与地理信息系统（GIS））、生态建模，系统论引入生态学。研究范围的拓展：结合人类活动对生态过程的影响，从纯自然现象研究扩展到自然-经济-社会复合系统的研究。二、生态系统生态系统（ecosystem）的定义:由英国植物生态学家 A.G.Tansley(1935)提出指在一定的空间内，生物成分和非生物成分通过物质循环和能量流动互相作用、互相依存而构成的一个生态学功能单位。 生态系统就是指在一定的时空范围内，由生物因素与环境因素相互作用、相互影响所构成的综合体，或者说是占据一定空间的自然界客观存在的实体，是生命系统与环境系统在特定空间的组合。生态系统概念的提出，为研究生物与环境的关系提供了新的观点和基础。生态系统已经成为当前生态学及系统生态学研究领域中最活跃的一方面。 (一)生态系统的基本组成部分 (二)生态系统的分类 1、按环境性质划分：陆地生态系统(aquatic ecosystem)：森林生态系统、草原生态系统、荒漠生态系统、农田生态系统、城市生态系统等水域生态系统(terrestrial ecosystem)：河流生态系统、池塘生态系统、海洋生态系统…由于生态系统是生物与环境相互作用形成的综合体，因此它存在着各种各样的形态。通常根据形态特征、地理位置、功能目标及人们的研究需要而对生态系统进行分类。 2、按人类对生态系统的影响程度 1．自然生态系统(natural ecosystem)没有受到人类活动影响或仅受到轻度人类影响的生态系统，在一定空间和时间范围内，依靠生物与环境本身的自我调控能力来维持相对稳定的生态系统；如原始森林、荒漠、冻原、海洋等生态系统。 2．半自然生态系统(seminatural ecosystem)在自然生态系统的基础上，通过人工对生态系统进行调节管理，使其更好地为人类服务的生态系统属于半自然生态系统。又叫人工驯化生态系统(domesticecosystem)，如人工草场、林场、农田、农业生态系统等。 3．人工生态系统(arti=cial ecosystem)按人类的需求，由人类设计制造建立起来，并受人类活动强烈干预的生态系统为人工生态系统，如城市、宇宙飞船、生长箱、人工气候室等。 3、按照生态系统的生物成分划分植物生态系统(phytoecosystem)：主要是由植物和其所处的无机环境构成的生态系统，以绿色植物吸收太阳能为主的生态系统。如森林生态系统、园林生态系统等。动物生态系统(zooecosystem)：主要由植物和动物组成的生态系统，以动物的行为为主导作用而影响该生态系统。如鱼塘、牧场等生态系统。微生物生态系统(bacterioecosystem)：主要由细菌和真菌等微生物和无机环境组成的生态系统，以微生物对有机物的分解为主导作用。如落叶层和活性污泥等生态系统。人类生态系统(human ecosystem)：以人类为主体的生态系统，如城市生态系统等。 (三)生态系统的结构与特点生态系统的结构主要指构成生态系统的诸要素及其在时间、空间上的分布状况，生态系统内物质和能量流动的途径等。 1、物种结构：是指生态系统中的不同品种、物种、类型以及它们之间的不同的量比关系所构成的系统结构。 2、时空结构：是指生物各个种群在空间上和时间上的不同配置构成的生态系统在形态结构上的特点，表现在水平分布上的镶嵌性，垂直分布上的成层性，时间发展的演替性。 3、营养结构：是指生态系统中生物与生物之间，生产者、消费者和分解者之间以食物营养为纽带所形成的食物链和食物网结构。自然界的生态系统多种多样，其结构与功能也不尽相同。如园林中的植物之间的相互作用，对植物群体的构成与稳定有重要的作用。在园林中，采取有相互促进作用的园林植物相配置，园林生态上能相互适应，相互促进，共同营造出协调发展的生态种群。生态系统的特征  (1)生态系统由生物和非生物的两种成分组成，并且生态系统中营养级的数目受限于生产者所固定的最大能量和这些能量在流动过程中的巨大损失，因此，营养级的数目通常不超过 5－6 个； (2)生态系统具有一定的自然地理特点和一定的空间结构特点。 (3)生态系统是一个动态系统，要经历一系列发育阶段。幼年期、成长期和成熟期等阶段， (4)生态系统具有能量流动、物质循环和信息传递三大功能； (5)生态系统具有一定的自我调节能力同一般的系统相比，具有一般系统所具有的共同性质，但又与其他系统不同不仅包括植物、动物、微生物，还包括无机环境中作用于生物物质的物理化学成分，具有复杂的动态平衡特征生态系统中的生物存在着种内与种间的关系、生物与环境的关系，这些关系在不断发展变化，以维持其相对平衡。这种平衡处在不断的变化之中，存在着正反馈与负反馈的作用。任何自然力或人类活动干扰，都会对系统的某一环节或环境因子造成影响，甚至导致生态系统的崩溃，影响系统的生态平衡。 (四)生态系统的物质循环、能量流动和信息传递 1．生态系统中的能量流动 2．生态系统的物质循环 3．生态系统的信息传递 4．生态系统的反馈调节和生态平衡 1．生态系统中的能量流动能量是一切生命活动的基础，能量的运动与转化始终贯穿于生态系统的生物成分与非生物环境相互作用的过程中。生态系统中的能量流动符合热力学定律。能量守恒与转换定律：在任何过程中，能量既不能创生，又不能消灭，只能以严格的当量比例，由一种形式变为另一种形式。一个系统发生变化，环境的能量也同时发生相应的变化。系统能量增加，环境能量就减少，反之亦然。当日光进入生态系统后，一部分转变为化学潜能贮存在有机体中，另一部分用于代谢活动散逸于环境中，但不会消灭。热力学第二定律，即能量递降规律，其基本内容是：在一个封闭系统内能量的传递和转化过程中，除了一部分可以继续传递和作为做功的能量(自由能)外，总有一部分不能传递和做功，而以热的形式消散，使熵的无序性增加，因此任何能量都不能百分之百地转化为化学潜能，由于能量消耗的不可逆性，决定了能量流动的单方向性。林德曼定律[十分之一定律(ten percent law)]生态系统中的能量沿营养级的顺序传递时，由于生物本身对能量的消耗呈急剧的阶梯状递减趋势，每一个营养级为下一个营养级提供的能量仅在 10％左右。由于生物与生物、生物与环境之间不断进行物质循环和能量转化的过程，不但使生物得以维持生存、繁衍与发展，而且也使得生态系统保持平衡与稳定。能量流动的渠道在生态系统中能量流动主要是从初级生产者向次级生产者流动。能量流动的渠道主要是通过食物链与食物网来实现。在生态系统中，能量流动的基本过程通常有三种过程。 (1)能量在生物个体中的流动过程 (2)能量沿食物链的流动过程 (3)能量沿营养级的流动过程 (1)能量在生物个体中的流动过程 能量的输入主要来自太阳能转化的有机能量或以食物的形式输入，进入生物个体的能量，一部分用于生物个体本身的呼吸消耗，以维持生物个体生命活动的正常运行，同时，生物体在生殖、粪便排放、自然脱落等方面也要进行能量消耗，剩余的能量用于生物体本身的生长，以增加其生长量和提供给下一个营养级。(2)能量沿食物链的流动过程 绿色植物通过光合作用固定太阳能，贮存在植物体中；这部分能量除去自身消耗外，一部分以食物的形式提供给草食动物；草食动物同样进行自身消耗并提供给肉食动物；而生物的最终其残体将被分解者分解释放，以热能的形式散失到环境中去。首先，绿色植物通过光合作用吸收太阳能，将太阳能转变为可以被固定的有机能量，贮存在植物体中，作为生物界能量利用的基础。事实上，植物所能利用的太阳能只是照射到地球表面的 1％左右，进入绿色植物体内的能量，除去自身的能量消耗外，一部分以食物的形式提供给草食动物，草食动物提供给肉食动物，动物除其本身呼吸、运动等消耗以外，最终其残体被分解者分解释放，以热能的形式散失掉；另一部分最终以植物残体的形式被分解者分解，以热能的形式释放到环境中去。 (3)能量沿营养级的流动过程生态系统中的能量沿营养级的顺序传递时，遵循“十分之一定律”。这种阶梯递减状态，好像一个金字塔，因此生态学上称之为生态金字塔。按生物数量、生物量和能量排列的生态金字塔分别称为数量金字塔、生物量金字塔和能量金字塔。这种阶梯递减状态，好像一个金字塔，因此生态学上称之为生态金字塔，按生物数量、生物量和能量排列的生态金字塔分别称为数量金字塔、生物量金字塔和能量金字塔。生态金字塔的运用，对于生态系统的能量流动的研究起到了重大的影响，特别是能量金字塔的应用最为广泛。能量流动的基本特点 (1)能量的流动是单向、不可逆的：不管是在生物个体还是沿食物链，能量的流动都是单向的，最终以热能的形式散发掉。 (2)能量在沿食物链传递过程中，是逐级递减的：在沿食物链传递过程中，能量每经过一个营养级，都会有大量的能量被消耗掉，食物链的营养级数目大约是 3—5 个，一般不会超过 6 个。 (3)生物体对能量的利用率非常低：绿色植物对太阳能的固定率大约为照射到地球表面能量的 1％左右；各消费者之间的能量利用率大约在 4．5％-17％之间，平均约为 10％。 2．生态系统的物质循环生态系统的物质循环是指生态系统中构成生命有机体的物质元素以及构成非生命的物质元素的传递和转化的动态过程。物质循环与能量流动不同，能量流动是单向的，必须从外界不断地获得能量；而物质流动是循环式的，各种物质从非生物环境进入生物体后最终又返回到非生物环境而被重新利用。物质循环可在以下几个层次上进行 (1)生物个体层次上的物质循环 (2)生态系统内部的物质循环(3)生态系统之间的物质循环生态系统中的生命有机体要完成自身的生存和繁衍，能量是必不可少的。物质(或元素)作为能量的载体，是维持生命活动的基础，也是贮存、运载能量的工具。所以说，能量和物质是生态系统中紧密结合、不可分割的两部分，二者共同运行，相互配合，维持着生态系统的生长发育和进化演替。3．生态系统的信息传递 生态系统的信息传递是指生态系统中各生物成分之间及非生物环境之间的信息交流与反馈过程。 一般将生态系统信息传递方式分为物理信息传递、化学信息传递、营养信息传递与行为信息传递等。 (1)物理信息传递以物理过程为传递形式的信息称为物理信息。声音、光、颜色等都属于生态系统中的物理信息，鸟鸣、兽吼等声音可以传递惊慌、安全、恫吓、警告、嫌恶、有无食物和要求配偶等信息；生物对光照的强度、波长等的反应也是信息的传递；昆虫可以根据光的颜色判断食物的有无；艳丽的花朵、醒目的外界色彩也传递着吸引、排斥、警告或恐吓等信息。你知道哪些物理信息传递的案例？生物界的物理信息传递(2)化学信息传递生物在某一特定条件下或某个生长发育阶段其本身的代谢过程中产生的一些特殊的化学物质，尤其各种腺体分泌的各类激素等，不是对生物提供营养，而是在生物个体或种群之间传递各种不同的信息，即化学信息。如蚂蚁可以通过自己的分泌物留下化学痕迹，以便后面的蚂蚁跟随。不同生物之间也存在着广泛的化学信息联系，这种联系不仅见于动物与动物之间，也常见于动物与植物之间，植物与植物之间。你知道哪些化学信息传递的案例？同种动物间以释放化学物质来传递信息是相当普遍的现象，如蚂蚁可以通过自己的分泌物留下化学痕迹，以便后面的蚂蚁跟随。 (3)营养信息传递通过营养交换的形式，将信息在生物之间、种群之间进行传递，即营养信息传递。这种信息传递主要沿食物链在食物网互相传递，影响着生物的生长、取食方式、数量等，从而通过营养调控生态系统的各个方面。以云杉种子为食的松鼠数量的消长为例，每当云杉种子丰收的次年，由于食物的充沛，松鼠的数量出现高峰，随着云杉种子 2—3年歉收，松鼠的数量也随之下降。你知道哪些营养信息传递的案例？如拿以云杉种子为食的松鼠数量的消长为例，每当云杉种子丰收的次年，由于食物的充沛，松鼠的数量出现高峰，随着云杉种子 2—3 年歉收，松鼠的数量也随之下降。 (4)行为信息传递有些动物通过不同的行为方式向对方传递不同的信息，以表示对同伴的识别、威胁、挑战、炫耀、从属、配对等。现在科学家们对行为信息的认识逐渐深入，并已发展为一门独立的学科行为生态学。你知道哪些行为信息传递的案例？植物有行为吗？　　植物行为是欧美近年来新兴的植物生态学研究领域。 4．生态系统的反馈调节和生态平衡（营养信息）反馈：如果一个系统的输出能够决定系统未来功能的输入，就说明有反馈机制的存在。要使反馈系统能起控制作用，系统应具有某个理想的状态或位置点，系统就能围绕位置点而进行调节。反馈分为正反馈和负反馈，负反馈控制可使系统保持稳定，正反馈使偏离加剧。自然生态系统几乎都属于开放系统，只有人工建立的、完全封闭的宇宙舱生态系统才可归属于封闭系统。因为地球和生物圈是一个有限的系统，其空间、资源都是有限的，所以应该考虑用负反馈来管理生物圈及其资源，使其成为能持久地为人类谋福利的系统。