第 36 章 生态
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1. 人口
2. 社区
3. 生态系统
a. 环境微生物学
1. 人口
⑴ 种群：生活在特定区域的一个物种的所有个体。
⑵ 种群密度波动
① 增长因素：高出生率、移民
② 减少因素：高死亡率、移民
⑶ 种群生存
①人类生存型（I型）：老年死亡率高
② 九头蛇生存曲线（II型）
③ 牡蛎存活曲线（Ⅲ型）：青年死亡率高
⑷ 人口结构
① 种群结构：密度（丰度）和空间分布（分散）特征
② 人口规模测量：普查、标记重捕、样方法、线样线法、带样线法等。
○ 样方法：在研究区域上放置一个样方框并计算其中的人数。
图 1. 样方法
○ 密度 = 个体数 ÷ 总面积； A = 10/25，B = 4/25，C = 6/25
○ 相对密度=个体数÷个体总数； A = 10/20，B = 4/20，C = 6/20
○ 频率 = 该物种出现的样方数 ÷ 样方总数； A = 6/25，B = 4/25，C = 6/25
○ 覆盖面积 = 物种占据的面积 ÷ 总面积
○ 重要性 = 相对密度、相对频率和相对覆盖度之和
○ 物种丰富度
○ 物种多样性
○ 优势种：最重要的种；即具有高生物量的物种或对群落产生重大影响的许多个体
○ 重点物种：灭绝对生态系统影响最大的物种；即个体相对较少但生态效应较大的一种
○ 指示物种：仅（或典型地）在特定群落中发现的物种
○ 稀有物种：群落内个体很少的物种
○ 基础物种：捕食者的消失会导致其他物种消失的物种
○ 先锋物种：在新地点创造或改变栖息地条件的物种（例如海狸）
③ 人口空间分布
○ 聚集（聚集）分布：资源丰富的地方密度高
○ 均匀（规则）分布：与领地行为相关
○ 随机分布：见于具有广泛环境耐受性的非社会性物种；没有特定的模式驱动因素
④ 阿利效应：种群具有最佳密度的原理
○ 极低的密度会降低生长或存活率。
○ 与此相关的是，人口规模与栖息地面积成正比。
⑸ 指数增长模型
① 增长率（r）：一年内人口规模变化的百分比
○ r = 出生率 − 死亡率
○ 出生率和死亡率是常数：假设出生和死亡人数与人口规模成比例增加。
② 种群规模（S） = S0(1 + r)n
○ S0: 初始种群规模
○ n：自参考年以来经过的年数
③ 局限性1.人口过度增长导致高死亡率：灭绝风险高。
○ 密度相关因素：资源短缺、疾病增加、污染物增加
○ 与密度无关的因素：干旱、极端气温和自然灾害等事件> ④ 限制2.个体的出生和繁殖之间存在时间滞后→环境影响不会立即显现。
○ 人口惯性：出生率下降与人口增长开始下降之间的时间差
⑹ 逻辑增长模型：解决限制1
① 假设单位时间人口增长率受人口规模和环境阻力的影响。
○ 承载力（K）：环境所能容纳的最大人口数
○ 环境耐受性：对于人口规模 N，对应于 1 − K/N
○ ∴ dN/dt = rN(1 − N/K)
② r-选择：人口增长率高；机身尺寸小；许多后代；生成时间短
○ 环境阻力接近于零，因此增长大致遵循J形指数模型：密度无关增长
○ J型的特点：以繁殖为导向；寿命短；机身尺寸小
③ K-选择：人口增长率低；车身尺寸大；后代虽少但品质优良
○ 随着人口接近承载能力，增长率接近于零。
○ 寿命长、体积大；重复繁殖；发育时间长；个人之间的激烈竞争
○ K选择的生物倾向于在较老的年龄繁殖；他们的后代较少，人口也较少。
图 2. 人口增长模型
(?): 指数增长模型，(나): 逻辑增长模型
⑺ 人口转变：当出生率不变但死亡率下降时，增长率增加
①工业革命之前：大多数国家都具有高出生率和高死亡率。
② 工业革命后：卫生条件的改善和医学的进步降低了死亡率。
③ 死亡率和出生率之间的时间差对人口规模有重大影响。
④ 许多发展中国家正处于人口转型阶段→计划生育政策的实施。
⑤ 发达国家已经历转型，人口增长率较低→育儿/教育福利和移民政策。
图 3. 人口转变
2. 社区
⑴ 社区：居住在一定区域内的所有居住人口的集合体。
⑵ 食物网：谁吃谁的关系网络。
①生态位（niche）：生物体在生态系统中所扮演的角色——其利用的生物和非生物资源的总和。
○ 受栖息地和饮食/喂养方式的影响。
○ 物种的基本生态位和实现的生态位可能会因环境条件而异。
② 群落内的物种占据独特的生态位并相互影响。
○ 生态型：同一物种适应不同环境时出现的不同形态。
③ 社区互动
○ 相互作用 1. 互利共生 (+/+)：相互作用的物种都受益。
○ 示例： 蜜蜂和开花植物；大型鱼和干净的鱼；蚂蚁和金合欢树。
○ 示例： 豆科植物中的根瘤细菌。
○ 示例：菌根中真菌和植物根部之间的养分交换。
○ 相互作用 2. 共栖 (+/0)：只有一个物种受益，其他物种不受影响。
○ 交互 3. 捕食 (+/-)：捕食者消耗猎物生物。
○ 示例： 植物 → 昆虫 → 鸟类。
○ Lotka-Volterra 模型：当捕食者与被捕食者关系简单时，种群规模会波动。
图。 4. Lotka-Volterra 模型
○ 数学公式：对于ni（第i个种群的种群规模）、ri（体重）和Ai←j（表示第j个种群如何影响第i个种群的相互作用系数），dni/dt = ni ( ri + Σj Ai←j nj）。
○ 相互作用 4. 寄生 (+/-)：寄生虫从宿主那里获取营养的一种关系。
○ 体内寄生虫：绦虫、疟疾等。
○ 体外寄生虫：蜱虫等。
○ 相互作用 5. Amensalism (0/−)：一种只有一个物种受到伤害的关系。
○ 互动 6. 竞争（−/−）：竞争相同的资源。
○ 示例：蚊子、蜗牛和蝌蚪争夺池塘资源。
○ 补充1.竞争排除原则
○ 两个种群争夺有限的资源；如果竞争加剧，可能会出现竞争排斥。
○ 竞争排斥：一个物种垄断食物和空间资源，使另一个物种无法建立。
○ 示例： 防止S 的策略。肠炎球菌在小鸡的肠道中定殖。
○ 孵化出来的小鸡的肠道基本上没有细菌。
○ 未经处理：肠道内很少或没有细菌 → S。肠炎杆菌感染进展活跃。
○ 有益菌的摄入：肠道内表面形成大量有益菌菌落。
○ 接触肠炎沙门氏菌。
○ 未处理：S。肠炎杆菌感染进展活跃。
○ 摄入有益细菌：S。肠炎球菌无法找到形成菌落的空间并被排出体外。
○ 补充2.模仿
○ 贝氏拟态：可口、无害的物种模仿不可口、有害的模型。
○ 缪勒拟态：两个或多个难吃的物种彼此相似，促使捕食者避开所有这些物种。
○ 补充3.汉密尔顿规则
○ B：对接受者的好处，即如果接受者存活下来，预期的后代数量。
○ C：利他行为的成本，即因利他行为导致的死亡（或其他成本）而导致后代减少。
○ r：个体之间的相关系数，即共享特定等位基因的概率。
○ 当 B × r > C 时，利他主义受到青睐。
○ 补充4.边缘效应
○ 可用栖息地斑块的边缘表现出与内部不同的特征。
○ 特征1：在边缘，与邻近栖息地竞争的频率增加。
○ 特征2：如果栖息地是森林，风暴露增加，温度升高，湿度降低，光照强度增加。
○ 因此，边缘物种和邻近栖息地的物种比内部专家更受青睐。
○ 补充5.栖息地破碎化
○ 定义：由于人类活动等原因，栖息地逐渐遭到破坏，使得剩余的栖息地变得越来越小、越来越孤立。
○ 结果 1： 只有能够生活在小栖息地的种群才能持续存在。
○ 结果 2： 边缘效应增加。
④ 群落内的角色：生产者、消费者（掠食者）、分解者
○ 生产者：提高社区的能量水平；由无机物合成有机物的绿色植物。
○ 消费者：降低社区的能量水平；通过消耗有机物获取能量的动物。» ○ 分解者：降低群体的能量水平；通过分解植物和动物的尸体和排泄物而生存的生物体，主要是微生物。
⑤ 关键物种：在构建食物网中发挥关键作用的物种。
○ 示例： 海星以贻贝为食；如果没有关键海星，贻贝数量就会激增并破坏生态系统。
⑥ 生态系统能量流：每个营养级只有~10%转化为下一级的生物量。
○ 太阳能量和水的供应量是能量流的关键驱动因素。
○ 生物多样性也影响能量流。
○ 示例：草原产生大量生物量。
⑶ 养分循环：通过食物网循环利用无机养分
① 养分效率：从一个营养级转移到下一营养级的能量比例，一般在10%左右。
② 氮气循环
图 5. 氮气循环
○ 固氮及其他：大气氮（N2）→氨（NH3）→铵（NH4+）
○ 情况1： 高能固定（闪电、陨石）
○ 案例2： 固氮（厌氧条件）：土壤细菌、根瘤菌、固氮菌、蓝藻菌
○ 情况 3： 来自尸体或废物的氮气
○ 硝化过程：铵(NH4+)→亚硝酸盐(NO2-)→硝酸盐(NO3-)
○ 亚硝化单胞菌：铵 (NH4+) → 亚硝酸盐 (NO2-)
○ 硝化细菌：亚硝酸盐 (NO2-) → 硝酸盐 (NO3-)
○ 化学合成：亚硝化单胞菌和硝化细菌利用有机物氧化过程中释放的能量合成糖。
○ 反硝化工艺：硝酸盐（NO3-）→氮气（N2）
○ 反硝化细菌：硝酸盐（NO3-）→氮气（N2）。厌氧异养生物。在呼吸电子传递链中，它们使用亚硝酸盐和硝酸盐代替氧气作为末端电子受体。
○ 植物可以使用铵 (NH4+) 或硝酸盐 (NO3-)。
③ 当浮游植物增加时，分解者会消耗更多的氧气来分解其死亡的生物量，导致水质恶化。
⑷ 灭绝
① 灭绝：一个物种完全消失。
② 测量灭绝率
○ 灭绝率：在某一年灭绝的所有物种的百分比。
○ 背景灭绝率：物种通过正常进化过程消失的速度；每年 0.0001%。
○ 目前的灭绝率：每年0.0037%，清楚地表明人类活动的参与。
③ 原因1.栖息地破坏
○ 人口增长增加了对自然区域的压力。
○ 物种-面积曲线：自然区域可以支持的物种数量。
④ 原因2.栖息地破碎化
○ 第一第一。减少食物链中生产者可用的面积。
○ 第二第二。顶级消费者需要大量卡路里和大范围的居住范围，这增加了环境压力。
○ 第三第。顶级消费者的人口规模下降。
○ 第 4。顶级消费者之间的近亲繁殖加速了灭绝。
⑤ 原因 3. 入侵物种
○ 入侵（非本地）物种：通过人类活动新引入的物种。
○ 由于它们不与当地物种共同进化，因此通常缺乏天敌并且具有破坏性。
○ 示例：翻车鱼、美国牛蛙、红耳巴西龟。
⑥ 原因 4. 过度采伐：以超过其繁殖能力的速度使用自然资源。
⑦ 原因 5. 污染
○ 除草剂：威胁青蛙和蝾螈。» ○ 使用农业肥料 → 水道富营养化导致藻类过度生长 → 氧气消耗 → 鱼类大量死亡。
○ 二氧化碳：一种与气候变化相关的空气污染物。
⑧ 原因6. 近亲繁殖：爱尔兰马铃薯大饥荒（1847-1852）是一个典型案例。
○ 当时种植的是南美进口品种“Lumper”。
○ 消退机制：正反馈。
○ 第一第一。种群小→近亲繁殖、遗传漂变。
○ 第二第二。近亲繁殖和遗传漂变→遗传变异的丧失。
○ 第三第。遗传变异的丧失→适应性和种群适应性降低。
○ 第四th。适应性和适应性降低→死亡率高、繁殖率低。
○ 第 5。高死亡率和低繁殖率→种群数量甚至更少。
○ 马铃薯饥荒机制
○ 第一第一。马铃薯无性繁殖 → 遗传多样性 = 0。
○ 第二第二。晚疫病菌来了，田里的土豆腐烂了。
○ 第三第。马铃薯作物崩溃（灭绝）。
○ 第四th。 900 万人中，150 万人死亡，100 万人移民到北美。
3.生态系统
⑴ 生态系统和生物群落
①生态系统：非生物环境因素（光、温度、水、空气、土壤）+生物环境因素。
② 生物群落：分布在广阔区域的典型生态系统。
○ 生物群落是一个广阔的地理区域，以植被的主要形式为特征。
③ 生态系统中的能量
○ 初级生产总值（GPP）：生产者通过光合作用生产的有机物总量；即，GPP = 呼吸作用 + 净初级生产力。
○ 净初级生产（NPP）：GPP 减去光合生物的呼吸作用。
○ NPP可细分为食草动物消耗的生物量、植物死亡率、落叶物（litterfall）和生长增量。
○ 主要消费者的摄入量：等于生产者消耗的生物质量。
○ 初级消费者摄入的命运可细分为呼吸、排泄、屠体（死亡）、生长等。
○ 群落净生产量（NCP）：NPP 减去异养生物的呼吸。
○ 生产效率=生长量÷摄入量。
○ 恒温动物（吸热动物）的生产效率较低，因为需要消耗大量能量来维持体温。
④ 营养（生态）金字塔
○ 数字金字塔：用图表表示每个营养级的个体数量。
○ 生物量金字塔：绘制生物量（干质量）图表；清晰地反映了食物链。
○ 能量金字塔：显示营养级之间的能量流动和损失。
④ 生态系统发展（植物演替）
○ 第 1 阶段。 演替：同一地点植物群落随时间的变化。
○ 阶段 1-1. 初级演替：从先前不存在植物群落的地方开始的演替；地衣成为优势种。
○ 阶段 1-2。 次生演替：干扰（例如野火）后开始的演替，土壤养分和一些群落残余物仍然存在；草本植物成为优势植物。
○ 第 2 阶段。 草本植物 → 灌木 → 乔木。
○ 第3阶段。 需要光照的森林：出现不耐荫的物种。
○ 定义：适应强光的植物。
○ 特点：高光补偿点、高光饱和点。
○ 示例： 松树。
○ 第四阶段。 耐荫森林：出现耐荫物种。
○ 定义：适应弱光的植物。
○ 特点：低光补偿点、低光饱和点。
○ 示例： 橡树。
○ 第五阶段 极限：生态系统发展的最后阶段。»> ○ 首先出现不耐荫的物种，然后是耐荫的物种。
○ 物种多样性在早期阶段增加，然后又下降。
⑵ 陆地生物群落：由植被类型决定——森林、草原、沙漠和苔原
① 植被：覆盖地球表面的植物覆盖层； “气候→植被”（∴取决于海拔和纬度）
②森林：以木本植物为主的植物群落；覆盖约 1/3 的陆地表面并容纳约 70% 的地球生物量
②―① 热带森林：强烈的太阳辐射；全年 25–29 °C；降雨量充沛（≥2,500毫米）；赤道至亚赤道地带
○ 非常高的生物多样性——例如，每公顷多达 750 个木本物种 → 为多种生物提供栖息地。
○ 有机质快速分解，植物快速重新吸收养分 → 土壤有机质低
○ 大部分矿质养分被锁在植被中；如果不大量施肥，土壤贫瘠，不适合农业生产。
○ 刀耕火种地只能维持4-5年；恢复需要几十年。
○ 热带群落比大多数其他生物群落更古老 → 物种形成周期更长 → 物种多样性更高
○ 一般来说，蒸发量越大，物种多样性越高。
②―② 温带落叶林：生长季水分充足（750-2,500毫米）、光照充足，冬季光照不足； ~23°–50° 北纬
○ 主要生物型：阔叶树
○ 典型演替：杂草→灌木→阔叶树→阔叶树+遮荫植物
○ 地区：北半球中纬度地区；澳大利亚
○ 落叶习性的进化是为了节约用水；随着叶绿素降解，先前被糖和叶绿素掩盖的辅助色素（例如单宁、花青素、类胡萝卜素等）会产生秋天的颜色。
○ 耐荫植物在阳光照射到森林地面时会迅速生长和开花。
②―③ 针叶林（北方/针叶林）：冬季至 -50 °C，夏季至 ~20 °C；降水量300-700毫米；副极地附近（北美、亚洲、北欧）
○ 优势类群：松树和其他针叶树（例如松属、冷杉）
○ 地球上最大的陆地生物群落。
○ 适应漫长寒冷的冬季和潮湿的夏季。
○ 常绿习性的进化：冬季组织冻结时光合作用停止；一旦解冻，现有的叶绿素可以立即恢复光合作用。
②―④ 地中海型灌丛（chaparral）：春季10~12℃，夏季~30℃；每年 300–500 毫米（干燥的夏季）；发现于地中海盆地、加利福尼亚州南部和澳大利亚西南部
○ 主要生命形式：常绿灌木（如橄榄、无花果）
○ 漫长、干燥的夏季和频繁的火灾 → 火灾适应（例如，种子在暴露于高温后发芽。）
○ 示例： 地中海地区夏季炎热干燥；冬季凉爽湿润。
③草原：降水量250~500毫米； 8-9个月的旱季；以草本植物为主。
○ 示例 1. 稀树草原：赤道至亚赤道；热带草原
○ 全年温暖。
○ 示例 2. 草原：温带草原（例如南非草原、匈牙利 Puszta、潘帕斯草原、北美中部草原）
○ 冬季平均气温低于-10°C；夏季平均气温 ~30 °C
○ 主要生长形式：具有基部分生组织、放牧后重新生长的草类。
○ 旱季定期发生火灾；雨季期间植被恢复。
④ 沙漠：平均24-29°C；年降水量<250毫米；通常约为~30° N/S
○ 昼夜温度范围大：−30 至 50 °C
○ 一年生植物的栖息地，在短暂的雨季 2-3 周内完成生命周期。» ○ 植物适应性：蜡质涂层、刺、柱状茎中的储水；适应频繁的火灾
○ 动物适应性（例如袋鼠）：夜间活动并最大限度地减少水分流失。
○ 示例： 袋鼠只在夜间活动，依靠种子中所含的水以及分解种子脂肪产生的代谢水生存。
⑤ 苔原：冬季低于-30℃；夏季短，气温≤10°C
○ 示例： 挪威北部；加拿大北部
○ 植物生长季节：夏季~50-60天（约两个月）
○ 永久冻土：冻土阻碍排水，限制植物生长。
○ 强风和低温有利于匍匐（贴地）生长形式。
○ 全球变暖的影响：一些苔原地区正在转变为针叶林。
○ 动物适应性：脂肪储存、毛皮/羽毛绝缘、冬眠、迁徙行为
图 6. 陆地生态系统
⑶ 水生生物群落（水生系统）
①淡水：盐度≤0.1%
①―① 湖泊和池塘（淡水）：被陆地包围的水体
○ 可能会季节性干涸，是青蛙和蝾螈的主要栖息地。
○ 风和温度的季节性变化驱动湖泊和池塘的养分循环。
○ 附近农田和草坪施肥造成富营养化，导致藻类大量繁殖。
①―② 江河溪流（淡水）：单向流动的水道
○ 水源：寒冷、清澈、水流湍急
○ 中游：偏暖；藻类生长增加，为更多动物提供食物。
○ 下游：缓慢流向含沙量高的海域；透光率低会降低光合作用；分解者增加；溶解氧下降；以底栖沉积物为食的动物增加。
①―③ 湿地（淡水）：水生植物生长的静水区域
○ 与湖泊/池塘的区别：湿地周围的土壤也是高度水饱和的。
○ 物种丰富如热带雨林。
○ 功能：减缓水流至中等淹没；过滤水中的有毒物质和沉积物。
○ 在美国，超过 50% 的湿地已经消失或退化。
② 海洋：约占地球表面的 75%
②―① 海洋（海洋）：~地球表面的三分之二；盐度 ~3.4–3.5%
○ 例1. 潮间带：水随潮汐涨落；营养丰富。
○ 例2. 深海平原：低温、高压；热液喷口独特的生物群。
○ 最不为人所知的生物群落之一。
○ 大气中约50%的氧气是由海洋中的藻类进行光合作用产生的。
○ 通过蒸发产生大部分淡水。
○ 由于过度捕捞，过去 50 年海洋生物多样性下降了约 50%。
②―② 珊瑚礁（海洋）：由珊瑚的外骨骼构建的栖息地
○ 生长于热带大陆架（<200 m 深度），水温温暖、清澈。
○ 最多样化的水生栖息地；每单位面积的物种密度可与热带雨林相媲美。
○ 珊瑚过滤有机物并与藻类共生，使它们对环境变化敏感。
②―③ 河口（海洋）：河流淡水流入大海的地方
○ 盐度变化很大：旱季接近海洋，雨季接近淡水
○ 约 75% 商业贸易鱼类种群和丰富贝类的繁殖地。
○ 盐沼植被可以缓冲侵蚀并稳定海岸线。
○ 受到人类活动造成的栖息地丧失和富营养化的威胁。
⑷环境微生物学
⑸ 人类栖息地：人类已经改变了约50%的地球表面。> ① 能源和自然资源
○ 能源使用（例如化石燃料）：对进口能源的依赖可能会削弱对环境破坏的认识。
○ 自然资源：维持生命需要大量的天然物质——食物、住房、水等。
○ 生态足迹：支持人类活动所需的土地面积，远大于实际占用面积。
② 废弃物产生量
○ 污水污染：工厂以污泥的形式排放半固体废物，以工业废水的形式排放化学品→发达国家更先进的废水处理
○ 固体废物：大多数固体废物储存在卫生填埋场（发达国家）或露天垃圾场（发展中国家）。
③ 空气污染
○ 一次污染物：煤炭、石油等化石燃料燃烧排放。
○ CO2、CH4：吸收红外线辐射，造成温室效应。
○ SO2、SO3：溶于水形成酸，产生酸雨；地衣是酸雨的指示物种。
○ N2O、NO、NO2：导致酸雨或作为二次污染物。
○ 碳氢化合物：二次污染物的前体；刺激眼睛和支气管。
○ CFCs：消耗臭氧层。
○ 细颗粒物 (PM)
○ 二次污染物：一次污染物在紫外线照射下发生反应而形成。
○ 臭氧、甲醛、PAN：引起呼吸道疾病。
○ 烟雾事件：涉及甲醛、PAN、SO2
④ 水污染
○ 溶解氧（DO）
○ 生化需氧量（BOD）
○ 化学需氧量（COD）
⑤ 土壤污染与生物放大
○ 化肥、农药造成的土壤酸化
○ 汞（水俣病）、镉（痛痛病）
输入： 2020.10.25 19:34