环境生物学与生态工程

出处：按学科分类—工业技术 企业管理出版社《工程师手册》第80页（3788字）

近年来，由于人类对资源不合理的开发利用和工农业生产对环境的污染，使生态环境发生了一系列变化，不同程度地改变了某些生态系统的结构与功能，破坏了生态平衡，严重地影响了一些生物种类的正常生长、发育和繁殖，也直接危及到人类的生存。因此，在研究解决环境问题的同时，环境生物学与生态工程就应运而生并蓬勃发展，成为环境科学的一个重要组成部分。

环境生物学及其发展

环境生物学是环境科学的一个分支。它是研究生物与受人类干预的环境之间相互作用规律及其机理的科学，它以英国植物生态学家A．G．坦斯利1935年提出的“生态系统”概念作为主要的理论基础，因而可以认为环境生物学就是生态学。

生态学最早是由德国生物学家黑格尔1869年提出来的，它原是一门研究生物与其生存环境之间相互关系的科学，是生物学的一个重要组成部分。最初偏重于植物，后来逐渐涉及到动物。最近，由于人类环境问题和环境科学的发展，生态学扩展到人类生存和社会活动等各个方面，把人类这个生物种也列入生态系统中，来研究并阐明整个生物圈内生态系统的相互关系。它既不是孤立地研究生物有机体，也不是孤立地研究环境，而是研究生物与其生存环境之间的相互关系。如果把生物看成是一个生命系统，把环境看成是一个环境系统，生态学就是研究生命系统与环境系统之间相互作用规律及其机理的一门科学。随着人们对生物与其生存环境之间相互关系研究的深入，从60年代开始，环境生物学从生物学分化出来，逐渐发展成为环境科学中的一个独立的学科。

环境科学和生态学研究的问题基本上是相近的。只是环境科学是以人类为主要对象，把环境与人类活动的相互影响作为一个整体来研究，从而与社会科学关系密切。生态学则以一般生物为对象，着重研究自然环境因素与生物的相互关系，属于单纯自然科学的范畴。因此，生态学的许多基本原理同样也适用于环境科学用来研究和解决人类活动与环境问题。确切地说，环境生物学研究的对象就是受人类干预的生态系统，即人类活动对生态系统造成的污染、影响和破坏。研究的内容是运用在应用生物学研究方法的基础上已形成的一套独特的研究方法，来研究环境污染引起的生态效应，生物或生态系统对污染的净化功能，利用生物对环境进行监测、评价的原理和方法，以及自然保护等。其目的在于保护环境，保护人类赖以生存的物质基础，维护人类的生存和发展。

生态系统及其功能

一个生物物种在一定范围内所有个体的总和称为种群。在一定的自然区域中许多不同种的生物的总和称为群落。由生物群落和其生存环境构成的系统就是生态系统，它是生命系统和环境系统在特定空间的组合。在大自然中，生态系统是各式各样的，有大有小，大的生态系统中，包含小的生态系统。正是这许许多多的复杂的生态系统构成了生物圈，构成了人类目前赖以生存的自然环境。

生态系统中能量和物质在不断地运动。每个生态系统都有自己的结构和相应的能量流动以及物质循环的方式和途径。地球上无数生态系统的能量流动和物质循环汇合成生物圈的总能量流动和物质循环。整个自然界就是在这种能量和物质运动过程中不断地变化和发展。自然界中，生物有机体约由40多种化学元素所组成。其中最主要的元素是碳、氮、氢、氧，磷、硫。它们来自环境，构成生态系统中的生物群落，并经由生产者(主要是植物)、消费者(动物)、分解者(微生物)所组成的营养级依次转化，从无机物转化成有机物，再由有机物转化成无机物，最后归还给环境，构成物质循环。这种循环在生态系统中周而复始地运动，因此能被反复利用。各种物质都有自己的循环，与环境污染关系较密切的主要有水、碳、氮等三大循环。各种元素所组成的千变万化的物质，就是多种元素在各种循环运动过程中不同阶段的产物。各种元素的循环，甚至是极稀有元素的循环，对生命来说，都是不可缺少的。

生态系统中一切生命活动所需的能量都来自太阳。唯一的例外是少数几种化学合成的细菌，它们能借无机物质的氧化获得能量。来自太阳的能量在生态系统中的流动是按热力学定律进行的。热力学第一定律指出：能量可从一种形式转变为另一种形式，在转换过程中不会消灭，也不会增加，即能量守恒。热力学第二定律指出：能量总是沿着从集中到分散，从能量高到能量低的方向传递。在传递的过程中又总会有一部分成为无用的能量失散。太阳能的流动也遵循这些规律。太阳的能量来自其中的热核聚变过程，即太阳上的氢原子经过一系列反应，聚变为氦并释放出大量的能。这种能量以电磁波的形式通过宇宙空间输送到地球上来。太阳能量输送到地球后，通过植物的光合作用进入生态系统，将简单的无机物(二氧化碳和水)转化成复杂的有机物(葡萄糖等)，即转化为化学能贮存在这些有机物质中，提供给消费者。这种化学能以食物的形式沿着生态系统的食物链的各个环节依次流动。能量通过食物链转移给草食动物，再转移给肉食动物。动植物死后的尸体被分解者分解，把复杂的有机物转变成简单的无机物，在分解过程中把有机物中贮存的能量散到环境中去。同样，生产者、消费者和分解者的呼吸作用，又都要消耗一部分能量，被消耗的能量也放散到环境中去，这就是生态系统的能量流动。可见，生态系统中的能量流动是单方向的，是不能一成不变地被反复循环利用的。

我们常常发现，在同一环境中，原有的生物群落会暂时或永久消失，而由新生了群落所代替，这种交替现象称为生态演替，现有的生态系统是自然历史发展演替的产物，今后它还会随时间的变迁而发生变化。生态演替部分由于人类和生物的行为所引起。这些行为导致并决定了生态演替。因此人类必须认真研究自己的一切活动对生态系统的影响。

生态平衡和生态危机

任何一个正常的生态系统中，能量流动和物质循环总是不断地进行着，但在一定的时间内，生产者、消费者和分解者之间都保持着一种相对的平衡状态，也就是系统的能量流动和物质循环较长时期地保持稳定，这种平衡叫做生态平衡。在自然生态系统中，平衡还表现为生物的种类和数量的相对稳定。

生态系统是开放的动态系统，不断有能量和物质的输入和输出。太阳辐射能和无机物通过生产者(植物)的光合作用被转化为有机物贮存于生态系统中，供给一切生命的需要，而生态系统中的有机物被各级消费者(动物)摄取，并在转化、呼吸、排泄等生理过程中不断地消耗掉。生态系统的分解者(微生物)，又把生态系统中的植物和动物残体分解，转化为无机物，归还给环境，供植物再利用。生态系统中的能量和物质每时每刻都在生产者、消费者和分解者之间不停地流动和转化。因此，生态平衡是动态的平衡。生态系统内部因素和外界因素的变化，尤其是人为的因素，都可能对系统发生影响，引起系统的改变，甚至破坏系统的平衡，所以说，平衡是暂时的、相对的、动态的。

生态系统之所以能够保持相对的平衡状态，主要是由于其内部具有自动调节的能力，对污染物质来说，就是环境的自净能力。当系统某一部分出现了机能异常时，就可能被不同部分的调节所抵消。生态系统的组成成分越多样，能量流动和物质环境的途径越复杂，其调节能力也越强。相反，成分越单纯，结构越简单，调节能力也越小。但是，一个生态系统的调节能力再强也是有一定限度的，超出了这个限度，调节就不再起作用，生态平衡就会遭到破坏，从而引起生态失调，甚至造成生态系统的崩溃。

影响生态平衡的因素有自然因素和人为因素。自然因素包括火山喷发、地震、海啸、泥石流和雷击火灾等。这些因素都可能在很短时间内使生态系统遭到破坏，甚至毁灭。但自然因素对生态系统的破坏和影响的出现频率不高，并具有一定的局限性。影响生态平衡的人为因素包括毁坏植被，引进或消灭某一生物种群，建造水坝等大型工程，以及现代工农业生产过程中排出的污染物质等。这些因素都能破坏生态平衡，引起生态失调，使人类生态环境质量下降，甚至造成生态危机。

由于自然和人为的因素，主要是由于人为的因素，导致局部地区、甚至整个生态系统平衡的严重破坏，从而威胁人类的生存和发展称为生态危机。

一个世纪以来，由于人口急剧增长，工农业生产迅猛发展，战争和社会动乱不断，人类对大自然干预的规模和强度不断扩大，全球多处出现植被缩小，草原退化，水土流失，沙漠扩大，环境污染，水源枯竭，气候异常，平衡失调等。这些现象威胁着人类的生存和发展，因此研究人类活动对生态平衡所造成的影响，避免和消除生态危机的发生和发展是环境生物学或生态学的一项重要任务。