生物与环境

生物选考笔记，对应浙科版《生物与环境》（选择性必修二），按专题整理。

第一章 种群

种群的概念

• 种群（Population）：在一定空间和时间内，同种生物所有个体的集合；
• 种群是繁殖和进化的基本单位，也是群落的基本组成单位；
• 判断要点：同一物种、同一区域、所有个体。一片森林里所有的马尾松是一个种群，所有的树则不是。

种群不是个体的简单相加，它具有个体所没有的特征——种群密度、年龄结构、性别比例、出生率与死亡率、迁入率与迁出率。这些统称为 种群的特征。

种群的特征

种群密度

• 种群密度：单位面积或单位体积内某种群的个体数量，是种群最基本的数量特征；
• 种群密度只反映数量的多少，不能直接反映种群数量的变化趋势。

不同物种在同一环境中密度不同，同一物种在不同环境中密度也不同。种群密度过大或过小都不利于种群的生存。

出生率和死亡率、迁入率和迁出率

• 出生率：单位时间内新产生的个体数占该种群个体总数的比率；
• 死亡率：单位时间内死亡的个体数占该种群个体总数的比率；
• 迁入率、迁出率：单位时间内迁入或迁出的个体数占该种群个体总数的比率。

出生率、死亡率与迁入率、迁出率是 直接决定种群密度 的因素。种群密度的增减，取决于出生率与迁入率之和是否大于死亡率与迁出率之和。控制人口过快增长，关键就是降低出生率。

年龄结构

年龄结构：一个种群中各年龄期个体数目的比例。通常分为三种类型：

类型	特点	种群密度变化趋势
增长型	幼年个体多，老年个体少	出生率 $>$ 死亡率，种群数量将增多
稳定型	各年龄期个体比例适中	出生率 $\approx$ 死亡率，数量基本不变
衰退型	幼年个体少，老年个体多	出生率 $<$ 死亡率，种群数量将减少

年龄结构通过影响出生率和死亡率，预测种群数量的变化趋势，是预测未来的重要依据。

性别比例

• 性别比例：种群中雌雄个体数目的比例；
• 性别比例通过影响出生率间接影响种群密度；
• 应用：用性引诱剂诱杀某种害虫的雄性个体，破坏其正常性别比例，可降低出生率，从而降低种群密度。

各特征之间的关系可以归纳为：年龄结构与性别比例通过出生率、死亡率、迁入率、迁出率来影响种群密度，而种群密度是数量特征的核心。

种群密度的调查方法

自然界中种群数量往往无法逐一计数，需要用抽样估算的方法。

样方法

• 适用对象：植物，以及活动能力弱、活动范围小的动物（如蚯蚓、蚜虫、跳蝻、昆虫卵）；
• 方法：在被调查种群的分布范围内，随机选取若干样方，计数每个样方内的个体数，求平均值，以此估算种群密度；
• 关键：随机取样，不能带主观意愿；样方数量足够多，取平均值；
• 取样方法：常用五点取样法和等距取样法；
• 计数原则：位于样方边线上的个体，只计相邻两条边及其顶角上的（「计上不计下，计左不计右」）。

标志重捕法

• 适用对象：活动能力强、活动范围大的动物（如鸟类、哺乳类、鱼类）；
• 方法：在调查区域内捕获一部分个体，做标记后放回，一段时间后重新捕获，根据重捕个体中被标记的比例估算种群密度。

设第一次捕获并标记 $M$ 只，第二次捕获 $n$ 只、其中带标记 $m$ 只，种群总数为 $N$，则

$\frac{M}{N}=\frac{m}{n}\implies N=\frac{Mn}{m}$

误差分析：若标记物脱落、标记导致个体更易被捕食、标记个体放回后未充分混匀，都会使 $m$ 偏小，从而 估算值 $N$ 偏大；若标记使个体更难被重新捕获，同样使 $N$ 偏大。

种群的数量变化

$J$ 形增长

• 条件：食物和空间条件充裕、气候适宜、没有天敌和传染病等 理想条件；
• 特点：种群数量连续增长，增长率保持不变。

设起始数量为 $N_0$，年增长率使数量每年变为上一年的 $\lambda$ 倍，则第 $t$ 年的数量为

$N_t=N_0\lambda^t$

其中 $\lambda$ 为该种群数量是一年前的倍数。$\lambda>1$ 时种群增大，$\lambda=1$ 时不变，$\lambda<1$ 时减小。$J$ 形增长的种群数量随时间指数上升，没有上限。

$S$ 形增长

• 条件：食物、空间等资源有限的 自然条件；
• 成因：种群密度增大 $\to$ 种内竞争加剧、天敌增多 $\to$ 出生率下降、死亡率升高 $\to$ 增长变慢，最终趋于稳定。

$K$ 值（环境容纳量）：在环境条件不受破坏的情况下，一定空间中所能维持的种群最大数量。

• $K$ 值由环境资源决定，同一种群的 $K$ 值随环境改变而改变；
• 种群数量在 $K$ 值附近上下波动，达到相对稳定；
• 增长速率（单位时间增加的个体数）在 $\frac{K}{2}$ 时最大，到达 $K$ 值时为零。

	$J$ 形增长	$S$ 形增长
前提	理想条件（无限）	自然条件（有限资源）
增长率	恒定，$\lambda$ 不变	逐渐减小，趋于零
增长速率	随数量增加而增大	先增大后减小，$\frac{K}{2}$ 时最大
有无 $K$ 值	无上限	有 $K$ 值上限

理解 $\frac{K}{2}$ 的应用价值：

• 灭鼠、捕鱼等害物防治，应使种群数量维持在远低于 $\frac{K}{2}$ 的水平，让其增长速率始终较低；
• 渔业捕捞后应使剩余量维持在 $\frac{K}{2}$ 附近，此时种群增长速率最大，最有利于持续获得高产量。

种群数量的波动与影响因素

• 大多数种群的数量总是在波动之中，在不利条件下还会急剧下降甚至消亡；
• 非密度制约因素：气候、季节、天灾等，其作用强度与种群密度无关（如寒潮冻死大量昆虫）；
• 密度制约因素：食物、传染病、天敌等，其作用强度随种群密度升高而增强；
• 影响种群数量变化的因素有食物与天敌（生物因素）、气候与季节（非生物因素）以及人为因素。

第二章 群落

群落的概念与物种组成

• 群落（Community）：在相同时间聚集在一定地域中各种生物种群的集合；
• 群落是比种群更高层次的系统，研究对象是不同物种之间的关系及群落的结构。

物种组成是区别不同群落的重要特征。

• 物种丰富度：一个群落中物种数目的多少；
• 一般而言，越靠近热带地区，单位面积内物种越丰富；从热带到两极，丰富度逐渐降低；
• 不同群落丰富度不同，同一群落的丰富度也会随季节和环境而变化。

种间关系

不同物种的种群之间存在多种相互作用，是决定群落结构的重要因素。

关系	含义	数量变化特点	举例
原始合作	两种生物共同生活时双方受益，分开后各自也能独立生活	双方数量协同上升	海葵与寄居蟹
互利共生	两种生物共同生活，彼此有利，分开后双方或一方不能独立生存	数量同步变化，「同生共死」	豆科植物与根瘤菌、大肠杆菌与人
捕食	一种生物以另一种生物为食	「先增先减，后增后减」，被捕食者峰值在前	狼与兔、羊与草
种间竞争	两种生物争夺资源和空间	「你死我活」或此消彼长，实力悬殊则一方被淘汰	大草履虫与双小核草履虫
寄生	一种生物寄居在另一种生物体内或体表，摄取营养	寄主受害、寄生者受益	蛔虫与人、菟丝子与大豆

区分要点：互利共生的数量曲线同步变化、彼此依存；捕食曲线中被捕食者数量总是先于捕食者变化，且被捕食者峰值高、在时间上靠前；竞争曲线中弱势一方最终可被完全排除。

群落的空间结构

群落中的各种生物在空间上有规律地分布，形成一定的空间结构，主要是垂直结构和水平结构。

垂直结构

• 表现为明显的 分层现象；
• 植物分层的决定因素是 光照强度（森林自上而下：乔木层、灌木层、草本层、地被层）；
• 动物分层依赖于植物提供的食物和栖息空间；
• 意义：显著提高了群落利用阳光等资源的能力。

水平结构

• 表现为不同地段上生物种类和密度的差异，常呈镶嵌分布；
• 影响因素：地形起伏、光照明暗、湿度高低、土壤差异、人与动物的影响等。

分层与镶嵌都是群落长期适应环境、减少竞争、充分利用资源的结果。

群落演替

群落演替：随着时间的推移，一个群落被另一个群落代替的过程。

初生演替与次生演替

	初生演替	次生演替
起点	从未有过生物、或原有生物被彻底消灭的地方	原有植被虽已不存，但保留了土壤条件（甚至种子、繁殖体）
举例	裸岩、沙丘、火山岩、冰川泥	弃耕农田、火灾后的草原、过量砍伐的森林
速度	缓慢，历时漫长	较快
经历阶段	地衣 $\to$ 苔藓 $\to$ 草本 $\to$ 灌木 $\to$ 森林	从已有土壤直接开始，跳过前期阶段

初生演替的典型过程（以裸岩为例）：裸岩阶段 $\to$ 地衣阶段 $\to$ 苔藓阶段 $\to$ 草本植物阶段 $\to$ 灌木阶段 $\to$ 森林阶段。地衣分泌有机酸加速岩石风化，为后来者创造土壤条件。

演替的方向与人类活动

• 自然演替总是向着物种多样化、群落结构复杂化、总生产量提高的方向发展，直到达到与环境相适应的相对稳定状态；
• 若气候适宜，演替一般能发展到森林阶段（顶极群落）；
• 人类活动往往会 改变群落演替的速度和方向（如封山育林加速正向演替，过度放牧使草原退化）。

群落的主要类型

陆地上主要有荒漠、草原和森林等群落类型，其分布主要由 温度和水分 决定。

类型	分布环境	特点
荒漠	极度干旱区，降水稀少	物种少，生物具耐旱特征（仙人掌、骆驼刺）
草原	半干旱、不同季节降水不均	以草本为主，动物多善奔跑或穴居
森林	湿润或较湿润地区	物种丰富，群落结构最复杂稳定

第三章 生态系统

生态系统的结构

生态系统（Ecosystem）：在一定空间内，生物群落与它的无机环境相互作用而形成的统一整体。地球上最大的生态系统是 生物圈。

生态系统的结构包括 组成成分 和 营养结构（食物链和食物网）两方面。

生态系统的组成成分

成分	代表	作用	地位
非生物的物质和能量	阳光、水、空气、无机盐、热能	为生物提供物质和能量	必要条件
生产者	绿色植物、光合细菌、化能合成细菌	把无机物合成有机物，固定能量	基石（主要成分）
消费者	各级动物、寄生生物	加速物质循环，帮助传粉传播种子	重要成分
分解者	腐生细菌、真菌	把有机物分解为无机物，归还环境	物质循环的关键

生产者是生态系统的基石，是自养生物；分解者是不可缺少的成分，负责把动植物遗体、排泄物中的有机物分解归还无机环境。若缺少分解者，物质循环无法进行，生态系统将崩溃。

食物链和食物网

• 食物链：生态系统中各生物之间由于食物关系形成的营养联系；
• 起点一定是 生产者（第一营养级），只包含生产者和消费者，不含分解者和非生物成分；
• 营养级：食物链上每一个环节。生产者是第一营养级，初级消费者是第二营养级，依此类推；
• 食物网：许多食物链彼此交错连接形成的复杂营养关系。

食物链示例：草 $\to$ 兔 $\to$ 狐 $\to$ 狼。其中草是生产者、第一营养级；兔是初级消费者、第二营养级；狐是次级消费者、第三营养级。

食物网使生态系统的营养结构更复杂，某一环节的波动可由其他食物链补偿，因而 营养结构越复杂，生态系统的自我调节能力越强，抵抗力稳定性越高。同一种消费者在不同食物链中可占据不同营养级。

生态系统的能量流动

能量流动：生态系统中能量的输入、传递、转化和散失的过程。

能量的输入与流动过程

• 能量的源头：太阳能；
• 输入总量：生产者固定的太阳能总量（总初级生产量）；
• 流动渠道：食物链和食物网；
• 每一营养级能量的去向有三条：自身呼吸消耗、流入下一营养级、被分解者分解；此外未被利用的部分暂存于该营养级。

某一营养级同化的能量 $=$ 呼吸消耗 $+$ 流入下一营养级 $+$ 被分解者利用 $+$ 未被利用。摄入量 $=$ 同化量 $+$ 粪便量（粪便属于上一营养级同化量的一部分）。

能量流动的特点

• 单向流动：能量只能沿食物链从低营养级流向高营养级，不可逆、不循环。原因是捕食关系不可逆，且散失的热能不能被生物重新利用；
• 逐级递减：输入到某一营养级的能量，大部分在呼吸中以热能形式散失，只有一小部分流入下一营养级。

能量传递效率：相邻两个营养级之间，后一营养级同化量占前一营养级同化量的百分比，一般为

$10\%\sim 20\%$

正是由于传递效率只有 $10\%\sim 20\%$，营养级一般不超过 4 – 5 个：营养级越高，可利用的能量越少，无法维持更高营养级的生存。

若某营养级同化量为 $E$，最高经过 $n$ 个营养级传递，则末端营养级至多得到 $E\times 20\%^{n-1}$、至少得到 $E\times 10\%^{n-1}$ 的能量。求「至少消耗」用 $10\%$，求「最多获得」用 $20\%$。

能量金字塔

• 将各营养级的能量值由低到高绘制成图，得到 能量金字塔；
• 能量金字塔 总是上窄下宽，绝不会倒置——这是能量逐级递减的必然结果；
• 数量金字塔和生物量金字塔则可能出现倒置（如一棵大树上有大量昆虫，昆虫数目远多于树）。

研究能量流动的意义

• 帮助人们科学地规划、设计人工生态系统，使能量得到最有效的利用；
• 调整能量流动关系，使能量持续高效地流向对人类最有益的部分（如除草除虫、合理放牧、桑基鱼塘）。

生态系统的物质循环

物质循环：组成生物体的 C、H、O、N、P、S 等元素，在无机环境与生物群落之间反复循环的过程。物质循环具有 全球性，又称生物地球化学循环。

碳循环

• 碳在无机环境中主要以 $\text{CO}_2$ 和碳酸盐的形式存在；
• 碳在生物群落内部以 含碳有机物 的形式沿食物链传递；
• 碳进入生物群落的途径：生产者的 光合作用（及化能合成作用）；
• 碳返回无机环境的途径：动植物的 呼吸作用、微生物的分解作用、化石燃料的燃烧；
• 碳在无机环境与生物群落之间以 $\text{CO}_2$ 的形式循环。

碳循环中的关键判断：图解中有多个箭头指出的一般是 大气中的 $\text{CO}_2$ 库；只有生产者能把大气中的碳固定进群落；生产者与大气之间是 双向箭头（既光合又呼吸），其余成分指向大气的都是单向箭头。

温室效应：化石燃料的大量燃烧使大气中 $\text{CO}_2$ 浓度升高，打破了碳循环的平衡，导致全球气候变暖。缓解措施是减少化石燃料燃烧、开发清洁能源、大力植树造林。

物质循环与能量流动的关系

• 二者同时进行、彼此依存，是生态系统的两大基本功能；
• 能量流动 是物质循环的动力，物质 是能量流动的载体；
• 能量流动 单向递减、不循环，物质循环则 往复循环、全球性；
• 二者都以食物链和食物网为渠道，把生态系统各成分联系成统一整体。

生态系统的信息传递

生态系统中除了物质和能量，还存在信息的传递。

类型	含义	举例
物理信息	光、声、温度、湿度、磁力等	萤火虫发光、蜘蛛网的振动
化学信息	生物代谢产生的化学物质	昆虫的性外激素、植物的花香
行为信息	生物的特殊行为	蜜蜂的舞蹈、孔雀开屏

信息传递的作用：

• 有利于个体的 正常生命活动（如植物开花需光信息）；
• 有利于 种群的繁衍（如求偶、发情信息）；
• 能调节 种间关系，维持生态系统的稳定（如捕食者与被捕食者之间的气味信息）。

与能量流动、物质循环不同，信息传递往往是 双向 的。应用：利用信息素诱捕害虫、模拟动物信息吸引传粉动物，属于对有害动物的生物防治，可减少农药污染。

生态系统的稳定性

生态系统的稳定性：生态系统所具有的保持或恢复自身结构和功能相对稳定的能力。

• 基础是生态系统具有一定的 自我调节能力，其大小取决于营养结构的复杂程度；
• 自我调节的主要机制是 负反馈调节——某一成分变化引起其他成分发生一系列相应变化，最终抑制或减弱这一变化本身；
• 自我调节能力有一定限度，外界干扰超过限度，稳定性就会遭到破坏。

	抵抗力稳定性	恢复力稳定性
含义	抵抗干扰、保持原状的能力	受破坏后恢复原状的能力
与复杂度关系	营养结构越复杂，抵抗力越强	营养结构越简单，恢复力往往越强
典型	热带雨林抵抗力强	苔原、荒漠恢复力相对强

一般而言，抵抗力稳定性与恢复力稳定性 呈负相关。生物种类越多、营养结构越复杂的生态系统，抵抗力稳定性越高，但一旦被破坏则越难恢复。提高稳定性的措施：控制干扰强度在自我调节能力之内；对利用强度大的生态系统适当投入物质和能量。

第四章 人与环境

人口增长与环境

• 人口增长对资源、环境的影响是当今最突出的全球性问题；
• 人口过快增长会加剧对粮食、水、土地、能源等资源的消耗，加重环境污染；
• 我国实行计划生育、协调人口与资源环境的关系，走可持续发展道路。

人口增长曲线接近 $J$ 形，但地球的资源和空间有限，人口不可能无限增长，必然受到环境容纳量的制约。

全球性生态环境问题

当前主要的全球性生态环境问题包括：

问题	主要成因	危害
全球气候变暖	化石燃料燃烧，$\text{CO}_2$ 等温室气体增多	冰川融化、海平面上升
臭氧层破坏	氟氯烃等的排放	紫外线增强，危害人体和生物
酸雨	硫、氮氧化物排放（$\text{SO}_2$ 等）	破坏水体、土壤、植被和建筑
水资源短缺	用水量激增、水污染	生产生活缺水
土地荒漠化	过度放牧、滥垦滥伐	可利用土地减少
环境污染	工业废水废气、生活垃圾	危害健康、破坏生态
生物多样性锐减	生境破坏、过度利用、外来物种入侵	物种灭绝加速

这些问题都具有 全球性，需要全人类共同面对、协作解决。

生物多样性及其保护

生物多样性的层次

生物多样性：生物圈内所有的植物、动物和微生物，它们所拥有的全部基因，以及各种各样的生态系统，共同构成生物多样性。包括三个层次：

• 基因多样性（遗传多样性）：物种内部基因的多样性，是最根本的层次；
• 物种多样性：地球上生物种类的丰富程度；
• 生态系统多样性：生物圈内生态系统的多样化。

生物多样性的价值

价值	含义	举例
直接价值	对人类有食用、药用、工业原料、旅游观赏、科研文化等实用意义	药材、木材、观赏植物
间接价值	对生态系统起重要调节功能（生态功能）	森林与湿地涵养水源、调节气候
潜在价值	目前尚不清楚的价值	大量野生生物的未知用途

间接价值（生态功能）明显大于 直接价值。凡是「涉及生态系统调节」的都属间接价值。

保护措施

• 就地保护：建立自然保护区及国家公园，是保护生物多样性 最有效 的措施；
• 易地保护（迁地保护）：把濒危物种迁到动物园、植物园、濒危动物繁育中心等地保护，是就地保护的补充；
• 利用生物技术建立精子库、种子库、基因库，保护遗传资源；
• 加强立法、执法和宣传教育，反对盲目开发和掠夺利用。

保护生物多样性并非禁止一切开发利用，而是 合理、适度、持续 地利用，反对的是掠夺式开发。

生态工程

生态工程：应用生态学和系统学等原理，对已被破坏的生态环境进行修复、重建，或对造成环境污染和破坏的传统生产方式进行改善的技术方法。追求经济效益与生态效益的同步发展。

生态工程遵循的基本原理：

原理	含义	实例 / 反例
自生	遵循物质循环、能量流动规律，实现物质和能量的多级利用	无废弃物农业、桑基鱼塘
循环	物质在系统内循环利用，减少废弃物	「桑—蚕—鱼」链、秸秆还田
协调	生物与环境、生物与生物相协调，考虑环境容纳量	引种要考虑当地气候，不超载放牧
整体	遵循自然规律的同时，还要考虑社会、经济与自然的整体协调	「退耕还林」需兼顾农民生计

生态工程的意义：遵循 循环 原理可减少环境污染，遵循 协调 原理可避免超出环境容纳量导致的破坏。它是实现人与自然和谐、走可持续发展道路的重要途径。