環境生態學

游繁結

民國100年9月19日

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環境生態學目錄

1、生態與環境概論

2、環境生態學之發展

3、環境之範疇-(Ⅰ)生物圈

4、環境之範疇-(Ⅱ)大氣圈

5、環境之範疇-(Ⅲ)水圈

6、環境之範疇-(Ⅳ)岩石圈

7、生態系統之組成

8、生態系統之功能

9、環境因子之生態作用-(Ⅰ)大氣環境

10、環境因子之生態作用-(Ⅱ)水文環境

11、環境因子之生態作用-(Ⅲ)土壤環境

12、環境問題-(Ⅰ)氣候變遷

13、環境問題-(Ⅱ)生物多樣性

14、環境問題-(Ⅲ)天然災害與人為災害

15、生態工程之概念與應用

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第1講 生態與環境概論

一、生態的意義 (一)生態的詞意 (二)生態學的起源

二、生態學的內涵 (一)生態學的研究目的 (二)生態學的研究內涵

三、生態學的分支

(一)按生物類別分類： 生物生態學、人類生態學、 動物生態學、植物生態學、 微生物生態學…

(二)按環境性質分類： 湖沼生態學、海洋生態學、 島嶼生態學、山地生態學、 森林生態學… 3

三、生態學的分支

(一)按生物類別分類：

生物生態學、人類生態學、

動物生態學、植物生態學、

微生物生態學…

(二)按環境性質分類：

湖沼生態學、海洋生態學、

島嶼生態學、山地生態學、

森林生態學…

(三)按生命系統分類：

個體(生理)生態學、種群生態學…

(四)按環境破壞分類：

污染生態學、異常環境生態學、

景觀生態學…

(五)其他

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四、環境的內涵

(一)自然環境

生物環境

非生物環境

(二)人為環境

人類經濟活動環境

(物質文明)-都市、產業

人類精神文明環境-古蹟遺址

人類社會文化環境-廟孙、教堂、墳墓

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第2講 環境生態學之發展 一、環境科學的發展

(一)環境問題的產生 (1)自然環境的律動與現象

太陽黑子變動 地球自轉軸的律動－4萬年 地球繞太陽運行軌道的律動 － 10萬年 氣候變遷 洪水、颱風、土石流、地震、 森林火災、砂漠化的形成。

(2)人類開發所造成的環境問題

土地開發與資源利用之不當而產生對環境的破壞。

各種產業生產過程及人類生活對環境排放廢棄物的污染問題。

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(二)環境科學的形成及其分支

(1)環境問題的出現促使環境科學的形成。

(2)環境科學的分支與發展：

環境學、環境地理學、

環境化學、環境生物學、

環境物理學、環境工程學、

環境經濟學、環境保育學…

二、生態保育與環境科學的關係

(一)生態與環境之關係

1、空間的特殊性與有限性

2、資源的有限性

3、再生資源之延伸問題

(二)生態保育之目標－棲地的環境保育

(三)環境生態學之內容

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第3講 環境之範疇 (Ⅰ)生物圈

一、定義：

自然界中各類生物分布所在及其組成之有機的整體。

二、分布範圍

1、上自大氣10km高空，下至深海 12km。

2、大部分集中在地表上、下100m 三、生物分類與物種(推估300萬~400萬種)

1、動物：約150萬種，以無脊椎動物佔多 數。

2、植物：約100多萬種，包括藻類、菌 類、地衣、苔蘚、蕨類、及 種子植 物。

3、微生物：約3萬種，包括細菌、霉菌、 酵母菌、病毒。

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四、運動方式

1、漂(飄)流

2、遷徙

3、侵移(吞食、入侵等侵略)

4、繁殖(種子) 五、生物系統之層次 (一)生物個體(物種)－具有生命之個體 1、適應環境所存在之個體 (包括演化而新生的物種)。 2、有其生命之特徵。 (二)種群－ 相同物種在相同環境下的總合體 1、基本特徵 (1)分布在一定地域之相同物種 (空間特徵)

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(2)具有一定年齡結構與穩定之遺傳特性(遺傳特徵)

(3)為繁殖與進化之基本單位

(數量特徵)

2、種間之關係

(1)競爭：

種內競爭

種間競爭

(2)捕食－消耗另一種生物活體之行 為，包括肉食者、草食者、寄生者。

(3)寄生－寄居於另一種(宿主)的體內或體表，並攝取寄主養分，包括病毒、細菌、真菌、原生動物。

(4)共生－不同種兩個體之互惠關係，如豆科植物與根瘤菌。

因利用共同資源而產生

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(三)群落－許多種群組成

1、基本特徵

(1)物種之多樣性與數量之適當性。

(2)種群間之相互影響。

(3)具有形成群落環境之功能。

(4)具有演替之動態特徵。

(5)具有分布之邊界特徵－如氣候、海拔、森林、草原、水線等。

2、群落的結構

(1)垂直結構

植物－

森林之喬木層、灌木層、草本 層與地被層。

動物－

鳥之活動、水域、土壤之上下 層所構成動物之分布。

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(2) 水帄結構

斑塊狀鑲嵌－鑲嵌群落

(物種聚集)

均勻分布－斑塊相間(規則性)

廊道－鑲嵌群落間之通道

3、群落演替

(1)初生演替：

裸地 植物入侵 頂級群落

(穩定群落)，如：砂丘之演替。

(2)次生演替：

已有其他生物定居 破壞(火、 風、水) 其他入侵演替。

(3)逆行演替：

頂級群落 原始階段之群落， 如：森林層次性減少。

進展演替

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第4講 環境之範疇 (Ⅱ)大氣圈

一、定義：包圍地球之大氣層，由多種 氣體成分組成。

二、分布範圍： 1、對流層：10~16km 2、帄流層：50~55km 3、中氣層：80km 4、增溫層：80~500km (500km~5000km外氣層)

三、大氣成分 1、恒定成分：N2 78.09%；O2 20.95%；

Ar 0.93%

2、可變成分：CO2 0.035%(350ppm) 、

H2O(4%)。 受地域、季節、氣候、人類生產活動之影響。

3、不定成分：塵埃、硫化氫(H2S)、NOx、

CFCs(氟氯碳化物)。 受自然現象(火山)、人為因素(森林火災、工

業污染)所影響。

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註：京都議定書管制之溫室氣體：

CO2、CH4、N2O、PFCs、SF6

等6種。

四、運動方式

1、大氣環流

2、局部風之影響

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第5講 環境之範疇 (Ⅲ)水圈

一、定義：地球上各類水體 (包括汽、 液、固三相)所分布的空間。

二、分布範圍：

1、自地殼下之地下水至大氣對流層之水汽。

2、地殼最深之地下水位置不確定。

3、最深海洋之深度10924m(太帄洋)

4、最大冰床：南極大陸 13,500,000km2

5、最大冰河：格陵蘭1,650,000km2

6、最長冰河：馬拉斯皮納(阿拉斯加) 100km

7、最大河流：亞馬遜河，流域70500km2

，長度650km

8、最透明的湖：北海道摩周湖(透明度

35.8m，1979年) 15

三、賦存型態

1、海洋(鹽水)：

面積－3.61×108km2(全球之70.8%)

水量－1.45×1018公噸 (全球之97%)

帄均深－3795m

2、淡水：河川、湖泊、地下水、冰河、積雪佔全球2.59%之水量，

3/4分布在南、北極冰帽。

3、水汽：佔全球0.001%之水量(大氣中小於4%)

四、運動方式

1、大氣環流

2、降雨

3、蒸發

4、洋流

5、河川、地下水之流動(重力)

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第6講 環境之範疇 (Ⅳ)岩石(土壤)圈

一、定義：自地表面以下至30~40km厚之 地殼。

二、分布型態： (一)縱向分布： 1、表土

2、岩屑

3、岩層

(二)橫向(水帄)分布：各種地形之形成 1、山脈、丘陵、台地 2、帄原、帄地 3、低地 4、其他特殊地形

三、資源賦存： (一)土壤－有機界與無機界之聯繫； 自然淨化之完整系統。

(二)各種化學物質－營養源、放射性物質

(三)礦產－煤、石油、鐵…

(四)生物之最終棲地

土壤圈

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四、運動方式

(一)板塊運動

(二)隆起：斷層、火山

(三)沈陷：斷層、火山

(四)冲蝕：崩塌、土石流、冲蝕等

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第7講 生態系統之組成 一、兩大系統 (一)生物系統

(二)環境系統

二、兩個層帶 (一)自養層：吸收陽光之綠帶，如樹冠、

浮游藻類、珊瑚。

(二)異養層：累積與分解有機物之棕色 帶，如土層或深層水中之 生物。

三、六個成分

(一)無機物

(二)有機物

(三)氣候因素

(四)生產者

(五)消費者：初級(食草)、次級(食肉)

(六)分解者

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四、生態系統之類型

(一)依人類活動及其影響程度劃分：

1、自然生態系統－沒有人為干擾，如自然保護區之森林、草原等。

2、人為生態系統－人類干擾或管理的生態系統，如農田、人造林。

(二)依環境性質劃分：

1、陸地自然生態系統－森林、草原、

荒漠、濕地等。

2、水域生態系統－可分淡水、海洋。

3、農田生態系統－以耕地為基質。

4、城市生態系統－以人工建設為基質。

(三)依系統與外界質、能交換之狀況分：

1、開放生態系－如森林、草原。

2、密閉生態系－如太空梭。

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第8講 生態系統之功能 一、食物鏈與食物網－營養關係

(一)食物鏈具有之特點

1、食物鏈為不同營養層次的能量傳

遞系列，生物之間的“食”與“被食”。

2、食物鏈的每一環節均為一營養層次。

3、自然生態系統中存在多條食物鏈。

4、食物鏈不是恒定，受系統內、外之干擾均可能變化。

(二)食物網

1、食物鏈相互交織而成

2、反應生態系統中營養關係的複雜性

3、為生態系統中的能量－“營養網”

(三)營養層次與生態金字塔

二、能量流通

(一)能量流通過程

(二)能量流通特點

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三、物質循環

(一)物質循環過程

(二)物質循環特點

(三)物質循環類型

四、生物生產

(一)初級生產

(二)次級生產

五、信息流通

(一)訊息的分類與傳遞

(二)信息流通的特點

(三)信息流通的過程

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第9講 環境因子之生態作用 (Ⅰ)大氣環境

一、大氣的物理作用

(一)光與熱的要素

(二)水的三相變化

(三)能量的傳遞與交換

二、大氣的化學作用

(一)O3的形成與破壞

(二)NOx、Sox的形成

(三)CO2的變動

三、氣象因子的生態作用

(一)太陽光譜的生態作用

(二)氣溫為支配生物的最直接因子

(三)CO2與O2之交互影響

(四)O3的保護

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第10講 環境因子之生態作用 (Ⅱ)水文環境

一、降水的現象與變化

雨、雪、霜、露、雹…

二、河流的特性

(一)溫度的變化

(二)流量的變化

(三)水質的變化

三、湖泊、海洋的環境特性

(一)溫度的變化

(二)流動的現象

(三)水質的變化

四、地下水的流出

(一)地下水的補注

(二)地下水的流出

(三)水溫的特性

1、溫泉水

2、地熱水

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第11講 環境因子之生態作用 (Ⅲ)土壤環境

一、土壤形成

1、土壤之定義：

地殼表面岩石風化後形成一層有機與無機物之鬆軟混合層，含有空氣、水分及植物、微生物賴以生存之養分。

2、土壤之形成

(1)風化作用：機械風化

化學風化

生物風化

(2)土壤發育：土壤層理之形成

岩石風化之鬆軟物為土壤之母質。

母質受外在各種因子作用產生性狀不同之層數，方為真正的土壤。

土壤層次之作用即為土壤之 發育，

包括：A、淋(溶)洗 B、沈積(沈澱) 25

二、土壤之理化性質

1、土壤之物理性質 (1)土壤之粒徑分布與質地

(2)土壤之孔隙

(3)土壤之比重

(4)土壤之構造：大小粒子之排列

(5)土壤團粒

(6)土壤水分(保水力)

(7)土壤空氣

(8)土壤顏色

(9)土壤溫度

2、土壤之化學性質

(1)土壤之化學組成

無機：A.來自原始的岩石

B.次生礦物－由原生礦物分解而來

＊無機主要包含氧、矽、鋁、鐵等4種元素，

依SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO、K2O、 MgONa2O漸少。

有機：有機膠體－呈陰性帶電

化學反應：絮聚、分散、膨漲、收縮。

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三、土壤之熱傳輸 1、地溫之變化定律

深度呈等差級數增加，溫差呈等比級數減少。

深度愈深，最高(低)溫出現時間會延遲。(深度增加1cm，日溫變化延遲約25分鐘)

日溫不變層之深度和年溫不變層之深度的比值為其週期帄方根的比值。

2、土壤熱傳導之影響因素

(1)土壤濕度

(2)土壤顏色

(3)土壤密度

(4)土壤有機質

(5)地形

(6)地面植生覆蓋

1.19

1

365

1

2

1

2

1 T

T

Z

Z

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四、土壤之棲地環境特性 1、生物之基地

2、與水圈、大氣圈之最終物質與 能量交換的穩定空間。

(海洋與大氣因流動作用較顯著， 其空間較不穩定)

3、水資源保育之最佳空間

4、自淨能力－經由生物、化學反 應達到自淨的作用，包 括吸附、 分解、轉化、合成等作用。

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第12講 環境問題 (Ⅰ)氣候變遷

一、臭氧層的破壞

UV-C(200~280nm)－可殺死生物，但可全被O3層吸收，不會到達地面。

UV-B(280~320nm)－可殺死生物，引起生理效應，大部分可被O3吸收。(為主要關注部分)

UV-A(>320nm)－對生物、人類危害小， O3

亦很少吸收。

O3對紫外線之總吸收率可達70~90%

(一)低層空氣O3增加－人為產生

1、O3亦為溫室氣體。

2、低層O3可吸收地面輻射之紅外線，使地球氣溫回升。

(二)高空(同溫層、帄流層)O3減少－破洞

1、太陽輻射之紫外線被吸收減少。

2、到達地面之紫外線增多，氣溫升高。

3、同溫層因吸收紫外線少，而變冷 ，其向下之紅外線輻射亦將減少，可能導致地球變冷。

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例證：

1、O3減少25%，大豆產量降低 20%~25%，大豆品質亦降低。

2、UV-B對植物照射後，200種 植物中有2/3呈現不同的受害。

3、UV-B減少，浮游生物亦光合 作用減少15%。

4、空氣中O3減少10%，水生生物 帅體之畸形率增加18%。

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二、溫室效應的加劇

(一)CO2的增加

1、石化燃料的燃燒

2、森林砍伐

3、工業污染

(二)CO2的變動

1958年－315ppm (1950年工業革命 前為280ppm)

1988年－350ppm

CO2若增一倍；氣溫將增2~4℃

(三)CH4的之變動

1850年－0.7ppm

1977年－1.52ppm

(四)CFCs的之變動

CFCs之合成自1928年開始，1950

年代開始生產使用，1970年代已 達86萬噸/年。 31

三、酸雨

(一)定義：pH<5.6。

(二)1872年，英國化學家R.A.Smith提出。

(三)1950年開始設置監測網。

(四)主要為硫酸與硝酸，佔總酸雨量之90%以上，硫酸：硝酸約2：1。

(五)空氣中氨的減少，會減少酸的中和。

例案：

1、酸雨將使耐酸的藻類、真菌增多，而 有根的植物、無脊椎動物、兩棲動物 減少。

2、安大略地區：

綠藻由26種減少為5種；

藍藻由22種減少為10種

3、挪威：5000個湖泊中有1750個無魚。

4、瑞典：1800個湖泊酸化，900個失去 帄衡。

5、土壤酸化－森林生長量少2~7%

6、名勝古蹟受損

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第13講 環境問題 (Ⅱ)生物多樣性

一、定義與內涵

1992年生物多樣性公約定義：

所有來源的各種生物體及其構成的生態綜合體，包括遺傳(基因)、物種、生態系統、景觀等4個層次。

1、基因多樣性：包括分子、細胞、個體

三方面之遺傳變異多樣

性，及訊息之特性。

2、物種多樣性：

3、生態系統多樣性：包括

(1)生物圈之生境(棲地)、生物群落、

生態過程等多樣性。

(2)生態系統內生境(棲地)、生物群落

、生態過程變化的多樣性。

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4、景觀多樣性：

景觀是由斑塊、廊道、背景基質所構成。

-斑塊：景觀的均質單元。

-廊道：聯繫斑塊的橋樑或軸線。

-基質：景觀中面積最大，最連續的部分。

景觀多樣化即在提供多種小型棲地，使物種可採遷徙方式用來躲避不利之環境。

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二、生物多樣性的價值

1、直接利用價值：

生物資源供人類消費的價值。

＊地球上約有7~8萬種植物可食用，

其中已加以栽培(大規模)約150

種，而被廣泛利用的只有20多種

(糧食為主)。

＊野生漁類在1989年即提供31億噸

食物。

2、生態價值

指維持生物圈的功能，包括 光合 作用、淨化功能

3、科學研究價值

研究生物之變化，以阻止可能的影

響。

4、美質價值

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類群 已知的物種(萬)

推估可能存在的物種(萬)

病毒 0.4 40

細菌 0.4 100

真菌 7.2 150

原生動物 4.0 20

藻類 4.0 40

高等植物 27.0 32

線蟲 2.5 40

甲殼動物 4.0 15

蛛蜘類 7.5 75

昆蟲 95.0 800

軟體動物 7.0 20

脊椎動物 4.5 5

其他 11.5 25

總計 175.0 1362

三、生物多樣性的現狀

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四、生物多樣性的危機

1、棲地喪失與破碎化

2、外來種的入侵

3、生物資源過度開發

4、污染

5、氣候變化

6、人口增加

五、保護對策

1、國際公約－

華盛頓公約－野生動植物的交易 與管理。

拉姆薩爾公約－保護濕地

波恩公約－保護遷徙性動物(候鳥)

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2、保護策略

(1)棲地保護

(2)物種保護－自然保護區、國家公園

(3)禁止或限制狩獵、採集與人為干擾

(4)基因庫之設立

(5)教育、宣導

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第14講 環境問題 (Ⅲ)災害

一、災害之定義：各種災難所引致的禍害。

二、災害種類

1、天然災害：風災、水災、震災、旱災、寒害、土石流等災害。

2、人為災害：火災、爆炸、公用氣體、油料、電線等管線、空難、海難、陸上交通事故、毒化物等災害。

三、災害現象

1、地震、海嘯。

2、氣候(氣象)：

(1)颱風、豪雨－洪水、土石流、旱象。

(2)風災－林木倒折、房屋、船隻、飛機。

(3)氣溫－高溫、低溫

3、污染：空氣污染、水污染、土污染、

放射性污染。

4、疾病：各種傳染病。

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四、災害防治對策

1、法規面

2、技術面

3、社會面

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一、定義：

1、應用生態系統中，物種共生與物質循環再生的原理，結合系統工程的最優化設計與營造。

2、基於對於環境中各種自然生態及生物棲地的尊重，所做的環境保存、維護、永續利用、復舊及改良工程。包括以生物與非生物材料之最適利用，而達到環境之和諧性。

3、採用天然資材為主要材料，以融合周邊地形自然景觀，減少造成生態環境之衝擊為理念。構築可供動植物棲息、營造生物多樣性生存空間，創造兼具防災的生態復育功能之工法。

4、公共工程委員會：「基於對生態系統的深切認知，為落實生物多樣性保育及永續發展，採取以生態為基礎、安全為導向，減少對生態系統造成傷害的永續系統工程。」

第15講 生態工程之概念與應用

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二、生態工程之規劃原則

(一)棲地環境特性掌握－各種生態因子 之調查分析

(二)棲地改善與復育

1、棲地多樣化

2、工程自然化：表面粗糙化、多孔化、緩坡化、廊道化、材料自然化

三、生態指標之建立與評估

1、生物整合指標(IBI)－

適用水域環境

2、昆蟲指標

3、溪流狀況指數

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