生态学与生活――故事背后的生态科学（第5版）

生态学是研究生物与环境之间相互关系及作用机理的科学，在世界走向可持续发展的今天正发挥着越来越重要的作用。本书是经典的生态学教材与科普图书，共分7个单元：第1单元概述生物体及其环境，包括自然环境、生物圈、环境因子等内容；第2单元讲述进化生态学，包括进化与生态、生活史、行为生态学等；第3单元介绍种群，包括种群分布和丰度、种群动态、种群增长与调节等；第4单元简介物种相互作用，包括捕食、寄生、竞争、互利共生等；第5单元介绍群落，阐述群落的性质与动态、多样性等内容；第6单元介绍生态系统，包括物质生产、能量流动及食物网等；第7单元介绍应用和宏观生态学，讲述保护生物学、全球生态学。本书内容翔实、图文并茂、案例丰富，既具有专业书籍的严谨性，又具有科普书籍的可读性，对生态保护教学、研究和决策等具有重要参考价值，可作为生态学、环境科学等相关专业学生的导论性教材，也可作为生态学工作者和爱好者的参考资料，还可作为中小学生拓展知识面的科普书籍。

第1章 生命之网 1
1.1 引言 2
1.2 自然界中的联系 2
1.2.1 早期观察表明寄生虫导致了两栖动物畸形 2
1.2.2 实验室实验检验了寄生虫的作用 3
1.2.3 野外实验表明多种因素会影响青蛙畸形 4
1.2.4 自然界中的联系可能会导致意想不到的影响 6
1.3 什么是生态学 7
1.3.1 公众和专业人士对生态的看法往往不同 7
1.3.2 生态研究的尺度影响对事物的认识 8
1.3.3 生态学的研究范围广泛 8
1.3.4 有助于研究自然界中的联系的一些关键术语 10
1.4 回答生态问题 12
1.4.1 生态学家使用实验、观察和模型来回答生态问题 13
1.4.2 以一致的方式设计和分析实验 14
1.4.3 我们对生态学的了解一直在不断深入 15
1.5 复习题 17
第1单元 生物体及其环境
第2章 自然环境 20
2.1 引言 21
2.2 气候 21
2.2.1 气候控制生物体的生存位置和方式 22
2.2.2 全球能量平衡驱动气候系统 23
2.2.3 大气环流和海洋环流 24
2.2.4 大气环流圈是以规则的纬度模式建立的 24
2.2.5 大气环流单元产生不同类型的地表风 26
2.3 洋流由表面风驱动 28
2.4 全球气候模式 30
2.4.1 海洋环流及大陆的分布和地形影响全球温度 30
2.4.2 气压和地形的模式影响降水 31
2.5 区域气候影响 32
2.5.1 靠近海洋会影响区域气候 32
2.5.2 山脉影响风向以及温度和降水的梯度 33
2.5.3 植被通过地表能量交换影响气候 34
2.6 气候随时间的变化 36
2.6.1 地轴倾斜导致季节变化 36
2.6.2 水生环境的季节变化与水温和密度的变化有关 38
2.6.3 气压单元变化导致数年或数十年的气候变化 38
2.7 化学环境 39
2.7.1 所有的水中都含有溶解的盐 40
2.7.2 生物对其环境的酸度敏感 41
2.7.3 含氧量随海拔高度、扩散和消耗变化 41
2.8 复习题 43
第3章 生物圈 44
3.1 引言 45
3.2 陆地生物群落 45
3.2.1 陆地生物群落反映全球降水和温度模式 46
3.2.2 陆地生物群落的潜在分布与实际分布存在差异 47
3.2.3 热带季节性森林和稀树草原 50
3.2.4 山区的生物群落按海拔带分布 60
3.3 淡水生物区 62
3.3.1 江河中的生物群落因溪流大小及其在河道中的位置而异 62
3.3.2 湖泊中的生物群落随水深和透光度的不同而变化 63
3.4 海洋生物区 64
3.4.1 近岸带反映潮汐和基质稳定性的影响 64
3.4.2 开阔海洋和底栖带取决于透光区和接近底部的程度 68
3.4.3 海洋生物区受到人类活动的影响 69
3.5 复习题 70
第4章 应对环境变化：温度和水 71
4.1 引言 72
4.2 对环境变化的反应 72
4.2.1 物种分布反映环境对能量获取和生理耐受性的影响 72
4.2.2 个体通过适应来应对环境变化 74
4.2.3 种群通过适应对环境变化做出反应 74
4.3 温度变化 75
4.3.1 温度控制生理活动 75
4.3.2 生物体通过改变能量平衡来影响其温度 77
4.4 水资源可用性的变化 84
4.4.1 水沿能量梯度流动 84
4.4.2 必须补偿水损失和溶质损失 84
4.5 复习题 91
第5章 应对环境变化：能量 92
5.1 引言 93
5.2 能量来源 93
5.3 自养 95
5.4 光合作用途径 99
5.4.1 光呼吸降低光合作用的效率 99
5.4.2 C4光合作用降低光呼吸能量损失 100
5.5 异养 105
5.6 复习题 110
第2单元 进化生态学
第6章 进化与生态 112
6.1 引言 113
6.2 什么是进化 113
6.2.1 进化是等位基因频率变化 113
6.2.2 进化是经过改变的继承 114
6.2.3 种群进化，个体不进化 115
6.3 进化机制 115
6.3.1 突变为进化提供原料 116
6.3.2 自然选择增加有利等位基因的频率，降低有害等位基因的频率 116
6.3.3 随机事件导致的遗传漂变 118
6.3.4 基因流动是种群之间等位基因的转移 120
6.4 适应性进化 120
6.4.1 适应是自然选择的结果 121
6.4.2 适应性进化可迅速发生 122
6.4.3 基因流动促进或限制当地的适应性 124
6.4.4 适应性并非完美无缺 124
6.5 生命进化史 125
6.5.1 随着时间的推移，种群的遗传分化导致物种形成 125
6.5.2 生命的多样性反映了物种形成和灭绝速率 126
6.5.3 大规模灭绝和适应性辐射塑造了长期的进化模式 127
6.6 生态和进化的联合效应 129
6.6.1 生态相互作用导致进化 130
6.6.2 进化可以改变生态相互作用 130
6.6.3 生态?进化反馈可以在短时间内发生 130
6.7 复习题 132
第7章 生活史 133
7.1 引言 134
7.2 生活史的多样性 134
7.2.1 生活史特征的个体差异无处不在 134
7.2.2 繁殖方式是一种基本的生活史特征 137
7.2.3 生命周期通常很复杂 139
7.3 权衡 140
7.3.1 后代数量和大小之间的权衡 141
7.3.2 当前繁殖和其他生活史特征之间存在权衡 142
7.4 生命周期演化 144
7.4.1 体形小有好处也有坏处 144
7.4.2 复杂的生命周期可能源于特定阶段的选择压力 146
7.5 生活史的连续性 147
7.5.1 有些生物繁殖一次，有些生物繁殖多次 147
7.5.2 是快生快死还是慢而稳健 148
7.5.3 植物生活史可以根据栖息地的特征分类 149
7.5.4 生活史可以独立于体形和时间分类 150
7.6 复习题 152
第8章 行为生态学 153
8.1 引言 154
8.2 行为的进化方法 154
8.2.1 自然选择随时间塑造动物行为 154
8.2.2 行为由基因和环境条件决定 155
8.3 觅食行为 156
8.3.1 最佳觅食理论强调提高能量收益率的行为选择 156
8.3.2 捕食者出现时个体通常改变觅食决策 159
8.3.3 猎物表现出防止被捕食者发现或威慑捕食者的行为 161
8.4 交配行为 162
8.4.1 雄性和雌性之间的差异可能是性选择的结果 163
8.4.2 配子大小、亲代抚育和生态因素影响交配行为 165
8.5 群居 166
8.5.1 群体生活的好处包括获得配偶、免受捕食者伤害和提高觅食成功率 167
8.5.2 集体生活的成本包括更多的能量消耗、更多的食物竞争和更高的疾病风险 167
8.5.3 群体规模反映群体生活成本与收益之间的平衡 168
8.6 复习题 169
第3单元 种群
第9章 种群分布和丰度 172
9.1 引言 173
9.2 种群和个体 173
9.2.1 什么是个体 173
9.2.2 生态学家通过基于面积的计数法、距离法和标记-重捕法来估算丰度 174
9.3 分布和丰度模式 177
9.3.1 物种的地理范围大小不一 177
9.3.2 物种的地理范围错落有致 178
9.3.3 物种分布模型可用于预测物种地理范围 179
9.4 分布和丰度的重要过程 180
9.4.1 栖息地适宜性决定分布和丰度 180
9.4.2 分布和丰度反映进化和地质历史 183
9.4.3 扩散是在整个景观中分布生物体的过程 183
9.5 集合种群 185
9.5.1 集合种群的特点是反复灭绝和殖民 185
9.5.2 即使适宜栖息地仍然存在，集合种群也可能灭绝 186
9.5.3 灭绝率和殖民率通常因地块而异 186
9.6 复习题 190
第10章 种群动态 191
10.1 引言 192
10.2 种群增长模式 193
10.2.1 条件有利时发生指数增长 193
10.2.2 在逻辑斯蒂增长中，种群接近平衡状态 194
10.2.3 所有种群规模都在波动 194
10.2.4 一些物种表现出种群周期 196
10.3 延迟密度依赖 197
10.3.1 种群密度的影响往往随着时间的推移而延迟 197
10.3.2 延迟密度依赖使得丽蝇种群发生周期性变化 198
10.4 种群灭绝 199
10.4.1 种群规模波动增加灭绝的风险 199
10.4.2 小规模种群与大规模种群相比面临更大的灭绝风险 199
10.5 复习题 205
第11章 种群增长与调节 206
11.1 引言 207
11.2 几何增长和指数增长 207
11.2.1 当繁殖以固定的时间间隔进行时，种群规模几何增长 207
11.2.2 当繁殖持续进行时，种群规模指数增长 208
11.2.3 种群规模可以快速增长，因为它是按乘法增加的 209
11.2.4 种群规模增长是有限的 210
11.3 密度的影响 211
11.3.1 密度无关因素决定种群规模 211
11.3.2 在许多种群中观察到密度有关因素 213
11.4 逻辑斯蒂增长 214
11.4.1 逻辑斯蒂方程模拟密度有关的种群增长 214
11.4.2 逻辑斯蒂增长能否预测美国人口的环境承载能力 215
11.5 生命表 216
11.5.1 年龄或体形结构影响种群增长的速度 216
11.5.2 三类存活曲线 217
11.5.3 生命表可以基于年龄、大小或生命周期阶段 219
11.5.4 人类有大量的生命表数据 220
11.6 复习题 223
第4单元 物种相互作用
第12章 捕食 226
12.1 引言 227
12.2 食肉动物和食草动物的饮食偏好 229
12.2.1 许多食肉动物的饮食范围很广 229
12.2.2 大多数食草动物的饮食范围相对狭窄 230
12.3 捕食的重要机制 231
12.3.1 一些食肉动物主动搜索和捕获猎物，而其他食肉动物则选择守株待兔 231
12.3.2 逃离食肉动物：物理防御、毒素、拟态和行为 232
12.3.3 植物与食草动物的相互作用 232
12.3.4 进化影响植物与食草动物的相互作用 235
12.4 捕食者-猎物种群周期 236
12.4.1 捕食者-猎物种群周期可用数学模型建模 236
12.4.2 捕食者-猎物周期可在实验室条件下重现 238
12.5 捕食对群落的影响 239
12.5.1 食草动物能以惊人的方式改变群落 241
12.6 复习题 245
第13章 寄生 246
13.1 引言 247
13.2 寄生虫自然史 248
13.2.1 体外寄生虫生活在宿主的体表 249
13.2.2 体内寄生虫生活在宿主的体内 250
13.2.3 体内寄生和体外寄生各有优缺点 250
13.3 防御与反防御 251
13.3.1 免疫系统、生化防御和共生生物可保护宿主免受寄生虫侵害 251
13.3.2 寄生虫具有绕过宿主防御的机制 252
13.4 寄生虫-宿主共同进化 254
13.4.1 选择有利于宿主和寄生虫基因型的多样性 255
13.4.2 宿主防御和寄生虫反防御都有代价 257
13.5 宿主-寄生虫种群动态 257
13.5.1 寄生虫可使宿主种群灭绝 257
13.5.2 寄生虫可以影响宿主种群周期 258
13.5.3 宿主-病原体动态的简单模型提出了控制疾病建立和传播的方法 259
13.6 寄生虫可以改变生态群落 261
13.6.1 物种相互作用的变化 261
13.6.2 群落结构的变化 262
13.7 复习题 264
第14章 竞争 265
14.1 引言 266
14.2 竞争的基本特点 267
14.2.1 物种可以直接或间接竞争 267
14.2.2 竞争的强度因资源可利用性和类型而异 268
14.2.3 竞争往往是不对称的 268
14.2.4 竞争可能发生在亲缘关系较近或较远的物种之间 269
14.2.5 资源竞争在自然群落中普遍存在 270
14.3 竞争共存 270
14.3.1 以相同方式使用有限资源的竞争者无法共存 271
14.3.2 竞争者以不同方式使用资源时可能共存 272
14.3.3 竞争会导致特征分化和资源分割 273
14.4 洛特卡-沃尔泰拉竞争模型 274
14.4.1 预测竞争结果 275
14.4.2 竞争相互作用的强度影响共存 277
14.5 改变竞争结果 278
14.5.1 自然环境影响竞争并最终影响物种的分布 279
14.5.2 干扰可以阻止竞争正常进行 280
14.6 复习题 281
第15章 互利共生和偏利共生 282
15.1 引言 283
15.2 正相互作用 283
15.2.1 互利共生和偏利共生无处不在 283
15.2.2 正相互作用可以是义务性的或选择性的，且结构松散 285
15.2.3 正相互作用在某些情况下可能不再有益 286
15.2.4 正相互作用在压力环境中可能更常见 287
15.3 互利共生的特征 288
15.3.1 互利共生可以根据它们提供的益处进行分类 289
15.3.2 互利共生者都是为了自身利益 289
15.3.3 一些互利共生者有防止过度开发的机制 290
15.4 正相互作用的生态后果 292
15.4.1 正相互作用影响种群的丰度和分布 292
15.4.2 正相互作用可以改变群落和生态系统 294
15.5 复习题 296
第5单元 群落
第16章 群落的本质 298
16.1 引言 298
16.2 什么是群落 299
16.2.1 生态学家通常根据自然或生物特征来划分群落 299
16.2.2 生态学家可使用物种子集来定义群落 300
16.3 群落结构 301
16.3.1 物种多样性是群落结构最常用的衡量标准 301
16.3.2 群落内的物种在共性或稀有性上有所不同 304
16.3.3 物种多样性估计因采样工作和规模而异 305
16.3.4 物种组成告诉我们谁在群落中 306
16.4 多个物种的相互作用 306
16.4.1 间接物种相互作用可产生巨大影响 307
16.4.2 物种相互作用的强度和方向差异很大 310
16.4.3 环境背景可以改变物种相互作用的结果 313
16.5 复习题 315
第17章 群落变化 316
17.1 引言 317
17.2 变化的动因 317
17.2.1 变化的因素既可以是非生物因素，又可以是生物因素 318
17.2.2 变化的动因在强度、频率和范围方面各不相同 319
17.3 演替基础 319
17.3.1 原生演替和次生演替在初始阶段是不同的 320
17.3.2 生态学的早期历史是对演替的研究 320
17.3.3 缺乏科学共识催生了多种演替模式 322
17.4 演替机制 323
17.4.1 没有一个模型适合任何一个群落 323
17.4.2 阿拉斯加冰川湾的原生演替 323
17.4.3 新英格兰盐沼的次生演替 326
17.4.4 岩石潮间带群落的原生演替 327
17.4.5 实验表明促进在初始阶段很重要 329
17.5 替代性稳定状态 330
17.5.1 替代性状态由强相互作用者控制 331
17.5.2 人类行为导致群落转向替代性状态 332
17.6 复习题 334
第18章 生物地理学 335
18.1 引言 336
18.2 生物地理学和空间尺度 336
18.2.1 不同空间尺度下的物种多样性模式是相互关联的 338
18.2.2 局部和区域过程相互作用决定了局部物种多样性 339
18.3 全球生物地理学 341
18.3.1 生物地理区域的生物群落反映了进化隔离 342
18.3.2 物种多样性随纬度变化 345
18.3.3 纬度梯度有多种相互关联的原因 346
18.4 区域生物地理学 350
18.4.1 物种丰度随着面积增加而增加，随着距离增大而减少 350
18.4.2 物种丰度是迁入和灭绝之间的平衡 352
18.4.3 岛屿生物地理学的平衡理论适用于大陆地区 355
18.5 复习题 356
第19章 群落中的物种多样性 357
19.1 引言 358
19.2 群落组成 358
19.2.1 物种供应是影响群落组成的“第一道关卡” 359
19.2.2 环境条件在限制群落组成方面起重要作用 360
19.2.3 相互作用对群落构成产生重大影响 360
19.3 资源划分 363
19.4 资源调节和物种多样性 366
19.4.1 调节资源的过程可以让物种共存 366
19.4.2 中等干扰假说探讨了变化条件下物种多样性的问题 367
19.4.3 中等干扰假说已有多种阐述 368
19.4.4 门格-萨瑟兰模型区分了捕食与干扰和压力的影响 371
19.4.5 彩票模型和中性模型依赖于平等与机会 372
19.5 多样性的后果 373
19.5.1 物种多样性与群落功能之间的某些关系是正相关的 374
19.5.2 关于物种多样性与群落功能关系及其解释的争议 375
19.6 复习题 377
第6单元 生态系统
第20章 生产 380
20.1 引言 381
20.2 初级生产力 381
20.2.1 总初级生产力是总生态系统光合作用 382
20.2.2 净初级生产力是呼吸消耗后剩余的能量 382
20.2.3 生态系统发展过程中的NPP变化 383
20.3 NPP的环境控制 388
20.3.1 陆地生态系统中的NPP受气候控制 388
20.3.2 水生生态系统中的NPP受养分的控制 391
20.4 NPP的全球格局 393
20.4.1 陆地和海洋NPP几乎相等 393
20.4.2 不同生物群落间NPP的差异反映了气候和生物变异 395
20.5 次级生产力 395
20.5.1 从食物来源的同位素组成可以确定异养生物的取依偏好 395
20.5.2 净次级生产力等于异养生物生长 396
20.6 复习题 397
第21章 能量流和食物网 398
21.1 引言 399
21.2 取食关系 399
21.2.1 生物可以划分出不同营养级 399
21.2.2 所有生物要么被消费，要么最终变成碎屑 400
21.3 营养级之间的能量流动 401
21.3.1 营养级之间的能量流动可用能量或生物量金字塔描绘 401
21.3.2 营养级之间的能量流动因生态系统类型而异 402
21.3.3 能量转移效率因消费者而异 403
21.3.4 营养效率影响种群动态 404
21.4 营养级联 406
21.4.1 营养相互作用可通过多个营养级向下渗透 406
21.4.2 什么决定了营养级的数量 409
21.5 食物网 410
21.5.1 食物网是复杂的 411
21.5.2 营养相互作用的强度是可变的 412
21.5.3 复杂性会增加食物网的稳定性吗 413
21.6 复习题 415
第22章 营养供应和循环 416
22.1 引言 417
22.2 营养需求和来源 417
22.2.1 生物有特定的营养需求 417
22.2.2 矿物质和大气中的气体是营养的最终来源 419
22.3 营养转化 421
22.3.1 微生物改变养分的化学形式 424
22.3.2 植物可在内部循环中利用养分 425
22.4 营养循环和流失 425
22.4.1 养分循环速率随元素特性和生态系统类型的不同而不同 426
22.4.2 流域研究用于测定生态系统中的养分损失 427
22.4.3 生态系统的长期发展影响养分循环并制约初级生产力 429
22.5 水生生态系统中的养分 430
22.5.1 溪流和河流中的养分在顺流而下的过程中不断循环 431
22.5.2 湖泊中的养分在水体中高效循环 432
22.5.3 河流输入和上升流是海洋生态系统中养分的重要来源 434
22.6 复习题 435
第7单元 应用和宏观生态学
第23章 保护生物学 438
23.1 引言 439
23.2 保护生物学 440
23.2.1 保护生物多样性在实践和道德上都很重要 440
23.2.2 保护生物学领域是为应对全球生物多样性的丧失而兴起的 440
23.2.3 保护生物学是一门以价值为基础的学科 441
23.3 生物多样性下降 442
23.3.1 地球物种消失的速度正在加快 442
23.3.2 灭绝是生物逐渐衰退的终点 443
23.3.3 地球上的生物群落正变得越来越同质化 444
23.4 对多样性的威胁 446
23.4.1 栖息地丧失和退化是对多样性最重要的威胁 447
23.4.2 入侵物种可以取代本地物种并改变生态系统特性 447
23.4.3 物种过度开发对生态群落有很大影响 449
23.4.4 污染、疾病和气候变化削弱了种群的生存能力 450
23.5 保护方法 452
23.5.1 遗传分析是保护物种的重要工具 453
23.5.2 种群数量统计学模型可以指导管理决策 454
23.5.3 迁地保护是拯救濒危物种的最后手段 455
23.6 保护物种排名 456
23.6.1 最稀有和衰退最快速的物种是优先保护对象 456
23.6.2 保护替代物种可为具有类似栖息地要求的其他物种提供保护 457
23.7 复习题 459
第24章 全球生态学 460
24.1 引言 461
24.2 全球生物地球化学循环 461
24.2.1 全球范围内动态的碳循环 461
24.2.2 生物通量主导全球氮循环 464
24.2.3 全球磷循环由地球化学通量主导 467
24.2.4 生物和地球化学通量共同决定全球硫循环 468
24.3 全球气候变化 469
24.3.1 气候变化的证据是充分的 469
24.3.2 观察到的气候变化原因 469
24.3.3 对气候变化的生态反应正在发生 472
24.3.4 气候变化将继续产生生态后果 474
24.4 酸沉降和氮沉降 475
24.4.1 酸沉降导致营养失衡和铝中毒 475
24.4.2 氮沉降：物极必反 477
24.5 大气臭氧 479
24.5.1 平流层臭氧的丧失增加了有害辐射的传播 479
24.5.2 对流层臭氧对生物有害 481
24.6 复习题 483