第九节 生态学与环境科学
第九节 生态学与环境科学
一、生态学
（一）生态学的产生与发展
生态学（ecology）一词源于希腊文"Oikos"和"Logos"，前者意为"住所、房屋或栖息地"，后者意为"研究或学科"，1865年由德国植物学家莱特（Reiter，1834～1919）合并为生态学，其原意是研究生物与其栖息地之间关系的学科。1866年德国动物学家海克尔（Hacekel）首次把生态学定义为：研究生命有机体与环境相互关系的科学。后来，也有其他学者对生态学进行不同的定义，如,1966年史密斯(Smith)定义为：研究有机体与生活之地相互关系的科学，因此又可称为"环境生物学（environmental biology）"；1971年，美国著名生态学家奥德姆(E.P.Odum，1913～)定义为：研究生态系统的结构与功能的科学。此外还有其他定义，如"科学自然史"、"动物的社会学和经济学"、"生物经济学"、"研究生物形态、生理和行为的适应性的科学"等等。
生态学家普遍认为，生态学是研究生物与环境之间相互关系及其作用机理的科学。对生态学的不同定义则代表了生态学的不同发展阶段，强调了不同的基础生态学分支和领域。
我国著名生态学家马世俊（1985）认为：生态学不仅是包括人类在内的自然科学，也是一门包括自然在内的人文科学。随着人类生存问题的不断凸现，生态学研究的不断深入，生态学真正成为联系自然科学和社会科学的桥梁，其归宿是人类生态学。
迄今为止，从研究范围和发展阶段看，生态学发展经历了五次飞跃和三个阶段，具体描述如下：
1.五次飞跃：
（1）生物科学生态化 即生态学渗透到生物科学中, 由此产生植物生态学、 动物生态学、微生物生态学、生态遗传学等生态学分支科学；
（2）环境科学生态化 即生态学渗透到环境科学中，由此产生海洋生态学、土壤生态学、湖泊生态学等生态学分支；
（3）生产科学生态化 即生态学渗透到生产科学中，由此产生农业生态学、作物生态学、草原生态学、森林生态学等生态学分支；
（4）自然科学生态化 即生态学渗透到自然科学中，由此产生物理生态学 、化学生态学、数学生态学等生态学分支；
（5）社会科学生态化 即生态学渗透到社会科学中，产生生态经济学、人类生态学、信息生态学、建筑生态学、城市生态学等生态学分支。
2.三个阶段
（1）古典生态学 大约从我国秦汉生态思想萌芽开始到十八世纪初期，如秦汉时期的二十四节气的应用，就反映农作物、昆虫与气候的关系。
在长期的农牧渔猎生产中，古人积累了朴素的生态学知识，诸如作物生长和季节、土壤、水分的关系。古典生态学的产生可以追溯到公元前8世纪，我国战国时代的《管子·地员篇》是最早记载生态现象的著作，它叙述了植物生态知识的两个方面：一是植物的生长与土壤的性质有关，不同质地的土壤所适应的植物不同。二是植物的分布与地势有关，即已注意到植物分布的生态系列现象。公元前1～2世纪《吕氏春秋》所反映的"三才"思想，明确地指出"夫稼，稼之者人也，生之者地也，养之者天也"，天时地利人和是万物生长的基础。而后，北魏贾思勰的《齐民要术》则把生态学知识系统化，认为"凡栽一切树木，欲记其阴阳，……，阴阳易位则难生,……"。国外，公元前4世纪，希腊学者亚里士多德（Aristole,公元前384～322）不仅描述了不同类型动物的栖息地，而且按动物活动的环境类型将其分为陆栖和水栖两类。古希腊哲学家奥弗拉斯特、罗马柏里尼等也注意到气候、土壤与植物生长及病虫害的关系，同时还注意到不同植物群落的差异。当然，所有这些只是粗略的记载，当时也没有生态学的概念、理论和方法，更没有旨在发展生态学的专门研究，纯属于包含在其它学科的生态思想和生态现象的观察，但这些朴素生态思想的孕育和积累，必定带来生态学的产生和发展。
（2）近代生态学 以1749年法国博物学家布丰（XXXXXX Buffon,1707～1780）提出《生命律》为标志，它研究动物与环境的关系的科学，首次把生态学的知识系统化。
随后，瑞典博物学家林奈把物候学、生态学和地理学结合起来，综合考察了外部环境对动植物的影响。农牧业的发展使人们逐渐认识到环境因素对作物、家畜也有影响。1865年达尔文的《物种起源》提出自然选择理论，强调生物进化是生物和环境相互作用的产物。
1903年马尔萨斯(T.R.Malthus,1766～1834)的《人口论》阐述人口增长与粮食的关系，他认为人口将呈几何级增长，而粮食则呈算术级增长，有朝一日人口的增长将超过粮食，世界将陷入粮食危机之中。现在看来，事实正如马氏之预料，由于人口爆炸，人类正为如何养活自己而伤尽脑筋。正因为这样，1866年生态学产生后，很快得到世界的承认，并迅速产生许多分支学科和学派。
（3）现代生态学 以1935年英国生物学家坦斯勒（A.G.Tansley）提出"生态系统"的概念，把生物与环境看作一个动态整体为开端，对生态系统的结构和功能的研究日趋深入，标志着生态学的发展进入现代生态学阶段。
1935年，坦斯勒提出"生态系统"概念。"所谓的生态系统包括整个生物群落及其所在的环境物理化学因素。它是一个自然系统的整体。因为它是以一个特定的生物群落及其所在的环境为基础的这样一个生态系统的各部分--生物和非生物、生物群落和环境可以看作是处在相互作用中的因素，且在成熟的生态系统中。这些因素处于平衡状态，整个系统通过这些因素的相互作用而得以维持。" 生态系统中生物因素和环境因素按照一定规律相互作用，在结构和功能上形成一个有机统一体。由此可见，生态系统概念的提出是生态学的重大突破，随后，埃尔顿(Elton，1900～)1941年提出能量金字塔；1942年，林德曼（Linedeman）在美国《生态学杂志》发表关于食物链和金字塔营养结构的研究报告，其研究方法也从经验观察进入综合分析阶段，确立了生态系统物质循环和能量流动理论。植物作为生态系统的生产者，通过光合作用生产有机物质，光合作用产生的有机物质维持着地球上的全部生命。植物生产的物质经过草食动物、肉食动物逐渐转移，组成食物链，有机食物链从一种生物传递到另一种生物，最后被微生物分解，返回自然环境。食物链的能量传递和各级能量利用者之间存在着一定的数量关系，进入任何一个营养级的物质和能量只有一部分转移到次一级生物即十分之一定律，为研究现代生态学奠定了科学基础。
（二）生态学的研究对象和内容
1. 生态学的研究对象
生态学的研究对象就是A.G.Tansley提出的"生态系统（ecosystem）"。
本世纪前半叶出现的系统论、信息论和控制论对生态学发展产生深远的影响。系统科学的创立如同生态学的出现一样在近代科学史上是两个里程碑。虽然两者研究或解决问题的对象不同，前者主要着眼于工业工程，后者主要着眼于自然生态工程，但两者相互渗透、交互影响推动两类学科的发展。其中，1935年Tansley的"生态系统"概念集中体现系统科学对完善生态学的理论和原则的深远意义，成为近代生态学研究的基本单元，也使生态学从近代生态学阶段跃进现代生态学阶段，并对现代科学的思维观等方面产生巨大的影响。
（1）生态系统的定义
1935年England生态学家A.G.Tansley首先提出"生态系统"的概念, 他说:只有我们从根本上认识有机体不能与它们的环境分开,而与它们的环境形成一个自然生态系统,它们才能引起重视"。生态系统的定义是由美国生态学家E.P.Odum提出的。他认为, 所谓生态系统是指由生境和占据该生境并联结在一起的生命有机体所构成的动态整体。
可以这样理解:在生态系统中生命有机体及其生存环境彼此密切联系,并相互作用, 成为占据一定空间,具有一定结构，完成一定功能（物质交换、能量转换和信息传递）的动态平衡整体。
(2）生态系统的组成
生态系统的组成如下图所示：
其中，在环境系统中，太阳辐射是生态系统的主要能量来源, 经生产者的光合作用，将它转化为有机化学潜能,并创造生态系统的温热环境。无机组分和有机组分是生态系统的原始物质来源。生态系统的生物组分，按其生态位可分为生产者、消费者和分解者。生产者是指能够进行光合作用将太阳能转化为有机化学潜能的自养型生物，也包括一些光合细菌。生产者创造的能量源源不断地输入生态系统中，成为消费者和分解者的能量与物质的来源，称为生态系统的初级生产，生态系统生产力的高低决定于生产者的总初级生产力；消费者指以初级生产产物为食物的异养生物，按食性分为草食动物、肉食动物、寄生动物和杂食动物；分解者即还原者，以生产者和消费者及其产物为食的微生物，其作用为了将有机化了的营养物质重新分解，把生态系统中的生物与环境之间的能量转化和物质循环联系起来，为腐生生物生产食物，产生激素类物质调节生物及其环境，如土壤中的微生物。
(3)生态系统的结构与功能
首先，生态系统组分的关系决定其功能。 和一般的系统相似，生态系统的生物之间及其与环境之间的相互联系方式决定生态系统的生产力、稳定性和持续性。如果外部环境不能正常的为它提供输入，或不能正常地接受环境的输入，或人为地对它不断干扰和破坏，这个生态系统的功能将根本无法发挥出来。
其次，生态系统各生物之间的关系有互依、吞食、竞争和破坏等四种类型。 这种关系至少告诉人们：第一，生物之间存在是复杂的链式关系，自然界的生物之间存在千丝万屡的联系，动一环而牵全局。第二，只有从整体出发把网络内的各种关系综合起来分析才能全面地认识这个网络。例如在普通的森林生态系统中，松树、阔叶乔木、灌木、松毛虫、黑卵蜂、小茧蜂和微生物与土壤组成的一个网络。在这个网络中，松毛虫吃松叶，因此,松毛虫和松树之间的关系是破坏关系。黑卵蜂和小茧蜂都以阔叶乔木和灌木的花蜜为食，因此它们与两种树木的关系是互依关系。各种树木的落叶都落到土壤上供微生物分解后一部分再被树木吸收，因此树木和土壤之间的关系是相互依存的关系。总而言之，阔叶乔木和灌木一方面通过养育黑卵蜂和小茧蜂破坏松毛虫的繁殖，减轻松毛虫对它们的危害程度，另一方面又由于阔叶乔木和灌木的落叶经土壤微生物分解增加土壤的自肥能力和养分向松树反馈。阔叶乔木和灌木的存在对松树总是有利的，充分说明混交林的生态效果优于单一树种林的机理。
2.生态学的主要研究内容
现代生物学研究的层次从微观到宏观依次是基因、细胞、器官、生物个体、生物种群和生物群落，它们与环境相互作用分别形成基因系统、细胞系统、器官系统、有机体系统、种群系统和生态系统。生态学是研究以个体、种群、群落和生态系统为中心的宏观生物学（李振基等，1999）。此外。由于生态学与其它学科的不断渗透，景观生态学和全球生态学也成为研究热点。
（1）个体生态学（ individual ecology） 经典生态学研究的最低层次是生物个体，它与生理生态学同义，偏重于对各种环境条件的生理适应及其机制研究上。主要讨论生物个体是如何通过特定的生物化学、形态解剖、生理行为的机制去适应其生存环境，如生物对极端环境的适应研究（包括寒冷、干旱、沙漠、高海拔等），由此产生协迫生态学(stress ecology)。
（2）种群生态学(population ecology) 有机体种群大小如何调节，它们的行为以及它们是怎样进化的等问题是讨论的重点。种群被认为是进化选择的基本单位，它由独立的、生理行为等机能各异的，甚至是自私的个体组成的一个有组织的整体，因此种群既包含每个个体的特性，又有独特的群体特性，这个有秩序的群体如何适应环境而生存下去，就是一个策略问题。
（3）群落生态学（community ecology） 该领域中最感兴趣的问题，可能就是自然界中为什么存在如此缤纷各异的动植物种类？它们为什么像这样分布着？它们是怎样相互作用而共存的？是什么机制使这些不同的生物适应生存得如此美妙、协调而复杂呢？对于生物多样性及其之间相互关系这一迷人的问题，进化论提供了有力的工具，它说明自然选择、随机因子和历史压力相互作用的方式而决定了自然界的万物和现象。
（4）生态系统生态学（eco～system ecology） 其任务主要是研究生态系统的结构、功能、动态与演替，以及人为影响与调控机理的生态学分支。它目前正在发展之中，并已经为生态学提出了许多创新的概念，并且使生态学在人类社会经济发展中的作用发生了改观。生态系统生态学所强调的"整体性"是人类认识自然的生态的系统的具有革命性的进步，此外，它的许多新的概念，如有关结构的关键种（keystone species）、有关功能的功能团（Yodzis 1982）、体现能（包被能， embodied energy）、能质等等有关调控结构与功能的控制阀、切换器、增益放大器、自我限制能的接受器、信息流以及系统的串联、并联等，乃至一整套的语言和符号，这些都对深入理解系统的功能、建模有重要贡献，无疑也是对生态工程（ecological engineering）的有力推动，它是生态工程的理论指导和技术基础。
（5）景观生态学(landscape ecology) 在资源持续利用和环境保护的客观要求下，一门以更大规模的地域单元，即生态系统以上的景观层次单元作为研究对象的景观生态学获得蓬勃的发展。景观观念虽脱胎于传统的景观地理学，但它在生物学基础上赋予了更严密的结构、功能和动态方面的含义，在概念、理论和研究方法上也完全不同于景观地理学。它虽然提出不久，但发展的速度超过其他生态学分支，它将在区域性土地规划和管理，资源持续利用（特别是野生生物的管理），农、林、牧、渔业经营，城乡土地利用规划、森林和牧场管理、环境与自然保护、旅游规划等方面发挥重要的作用，而且景观生态学也是生态系统研究向全球生态研究发展的一个重要中间层次。
（6）全球生态学（global ecology） 近年来人们普遍关心的一些重大问题，如核污染、酸雨、人口递增、土地资源减少、臭氧层耗竭、温室气体增加、森林砍伐与植被破坏对全球气候的影响、全球热带雨林面积减少、物种灭绝和遗传多样性贫乏等，正严重威胁人类居住其中的生物圈的安全和健康，全球生态学的目的在于培养人类树立全球观念，探讨人类生存之对策。
（三）应用生态学的任务
1972年，罗马俱乐部在《增长的极限》一书中指出当今世界面临着五大生态危机即 人口爆炸、粮食短缺、资源衰竭、能源缺乏、环境污染等五大生态危机，而首要的危机是人口的危机。世界环境与发展委员会把之概括为环境危机、发展危机和能源危机。许多生态学家也积极参与全球问题的解决中来，开辟了生态学的应用领域，即应用生态学。
应用生态学致力于探索解决经济发展和环境保护之间的矛盾，辨识能流、物流、信息流之间的耦合，合理开发自然资源，提高生产力水平，实现社会的持续发展。应用生态学从以下几个领域进行研究：
1.生态系统中种群规模的调控：在研究种群数量的时间变化过程中，最有影响的两种群相互作用的方程，即，Nicholson－Bailey模型。该模型的基本形式为：
Nt+1＝ λNtexp（－αPt）
Pt+1=Nt{1～ exp（－αPt）
λ是寄主种群的净增长率，Nt、Pt分别是第t代的寄主和寄生物（猎物和捕食者）种群密度。通过研究生态系统中种群的适应结构和数量动力学，控制生态系统中有害因素的蔓延，规划合理开发生物资源的规模，预测不同条件下的可能结果。
2.生物生产力的管理：通过改善光合作用的程度，提高不同营养级生物产品利用效率，最大限度地利用像海洋浮游动物这样的初级异养级生物，采用多级利用生态工程，促进生态农业发展。例如，传统的秸秆还田是提高土壤有机质的有效措施，秸秆不经处理直接返回土壤，需经过很长时间的发酵，才能发挥肥效。而秸秆分级利用不仅维持秸秆的肥效，而且增加了生产食用菌的经济效益。
3.人工生物群落的稳定性：利用生态学演替理论，通过建立了生态系统数学摸型，研究人工生物群落稳定性的最佳组合、技术措施、约束因素。实现世界自然保护大纲的三大目标：保护生态过程和生命支持系统；保护遗传基因多样性；保护现有物种和促进生物资源的永续利用。
4.生态指标体系：通过监测个体、大气、土壤的质量，建立生态定位站和数据库，动态地监测物种的变化趋势，为决策部门制订合理利用自然资源、保护生态环境的政策提供科学依据。
（四）生态学的思想在现代科学技术变革中的地位
从Hackel定义生态学到今天，生态学已发展成为一门非常庞大的热门学科。它的基本概念、思想和方法对现代科学技术的变革和发展产生巨大的影响。目前生态学涵盖了70个分支学科，生态学已基本替代了以往生物学成为现代科学的前沿学科，因为生态学发展所崛起的现代科学思维方式的革命，正影响现代科学的走向：
1.生态学为现代科学技术发展提供多维的系统观
1935年A.G.Tansley"生态系统"概念提出后，Birge、Judy、Linedeman等人对生态系统的实验研究和定量分析，使生态系统的概念具体化为一个系统的综合实体。Tansley曾说过："只有我们从根本上认识到生命有机体不能与其所处的环境分离，而是与其所处的环境形成一个自然生态系统，它们才能引起重视"，这句话指明现代科学的研究应改变以往以人或生物为中心的指导原则，把生物和环境看成一个不可分割的整体来研究。在此概念的基础上，与系统论相结合，产生现代科学的认识和研究方法的变革。不论是薛定锷（1943）开创的量子化学和申农（Shannon，1948）创立的信息论或维纳（Weiner，1948）提出的控制论等前三论，还是Prigogine等人７０年代创立的耗散结构理论、协同论和突变论等后三论，都离不开Tansley的生态系统概念及其思维观的影响。一句话，生态学的系统思维观推进现代科学和学科间的综合思想登上思想舞台做出突出的贡献。
2.生态学提高了对现代自然科学对象是人化的自然的自觉认识
生态学首次提醒人类，人的行为对自然界演变的影响，即人类的目标和价值取向会自觉或不自觉的和科学研究对象相结合。从而使当代科学的社会功能得以空前的强化，加速了科学迅速转化生产力的进程。
3.生态学为现代自然科学和社会人文科学的结合架设了桥梁
生态学使自然与人类结合，也促进自然科学走向社会。1962年，美国海洋学家卡尔逊(Carlson)出版的《寂静的春天（ Silent Spring)》拉开了社会科学生态化的序幕。卡氏曾参加美国参议院贸易委员会出庭作证，指控美国化工业生产大量农药、化肥污染环境的事实。该书被翻译成多种文字，也促进当代环境科学的诞生，也为自然科学和社会人文科学的结合起推波助澜作用。
在现代科学研究中占有重要的一席。Prigogine也认为，现代科学革命的集中表现在自然科学与人文科学逐渐集中到统一轨道上，人类生态学是生态学的最终归宿。
4.生态学为交叉学科的形成提供丰富的原科学材料
Prigogine说过：无论人们专心致志于哪种专业，都无法逃避这样一种感受，即我们在一个转变的时代，必须要求和探索新的资源，更好地了解自身的环境，并与大自然建立一种和谐的共存关系。生态学打破学科间的壁垒，渗透到人类知识的方方面面。从而为人类更好的生存和发展做出贡献。
（五）面向21世纪的生态学
21世纪生态学发展的总趋势，一是从资源和环境的管理角度出发，研究现代科学技术条件下的人类持续发展问题，它在一定程度上将影响人类长期生存和生活的哲学观念；二是使用生物学已有的成就（包括分子生物学和基因工程技术）和方法研究现代人类影响下的生物进化问题，这一研究有利于挽救当今地球生物，为后代保存较多的生物资源。
1.作为生命系统基础的个体生理生态学，建立在个体基础上的种群生态学、群落生态学、生态系统生态学由于是与直接解决人类生存有关的提高地球承载能力（即生物生产力和环境质量）的最基础的（最基层的、最基本的）研究任务，尚有大量理论与实际问题需要解决，这类研究也是人类最重要的科学积累。这一范畴的研究，将是生态学的重要核心而继续得到发展。
2.生态学继续向各学科的渗透，将出现或加强城市生态学、行为生态学、化学生态学、灾害生态学、建筑生态学、数学生态学、景观生态学、城市生态学、微生态学、进化生态学、能量生态学、工业生态学等学科。它们作为生态学与其他学科交叉渗透的新分支学科的发展，将是生态学理论和方法发展最活跃的部分。
3.生态学致力于生物圈的功能研究。生态功能的正常发挥直接关系到生态环境状况，而自然环境的优劣关系到能否为人类提供充分的生产、生活条件。酸雨、温室效应、臭氧层破损等影响到全球气候变化，危害生态系统的正常功能发挥，不利于已受害生态系统的再造与恢复。能源开发、再生资源是农业生产的自然基础，资源枯竭、能源不足制约着全球经济的发展，由于人类活动范围的日益扩大，自然形成的物质循环、能量转化受到干扰，影响到生态圈的新陈代谢，增加了人类进一步开发资源、利用能源的难度，这就要求生态学研究水陆界面的相互作用机制，探讨海气、水气、地气之间的能量交换机理，考察其中的物理、化学、生物学的作用。生态圈功能的开发给生态学提出了工艺性的技术问题，也要求生态学提供现实生态问题的科学对策。
4.生态学为可持续发展提供理论基础。当代， 人类正以前所未有的规模改变生态环境导致全球生命支持系统的持续性受到威胁。运用生态学原理，考察制约可持续发展因素，通过各种技术、行政、管理的方法，调节生态系统内部不合理的生态关系，增加生态系统自生、共生能力，实现可持续发展。生物圈的物质生产是把太阳能转化地球有效能量的过程。 植物作为生产者，通过光合作用生产有机质；动物消费植物积累的能量；微生物作为分解者，分解生命过程的"废物"，释放能量，重新被植物利用，构成生命运动的无限发展过程。
二、环境科学
环境科学是研究人类活动和环境质量关系的科学：宏观上研究人类和环境之间相互作用、相互促进、相互制约的统一关系，揭示经济发展和环境保护两者协调发展的规律；微观上研究环境的各组成部分尤其是人类活动排放的污染物在有机体迁移、转化、积累中的运动规律。
1.环境问题和环境科学的产生
环境问题早在远古时代就己存在，并且古人采用相应的简单措施对付。人类从野蛮时代发展到农业文明，创造了灿烂的埃及文明、巴比伦文明、古希腊文明、玛雅文明、哈巴拉文明、中华文明；同时，也带来了森林植被的过度砍伐和土地被破坏的环境问题。大约200多年，欧美发达国家由于电力和蒸汽机的发明和使用，率先进入工业化时代，而使社会生产力水平大幅度提高的同时，也带来严重的环境污染，威胁着人类的生存。1952年12月5日至8日的伦敦烟雾事件、1961年日本四国市的哮喘事件、1949年日本熊本县水俣市的"水俣病"事件、1955～1972年日本富山县神通川流域的骨痛病事件、1968年3月日本九州、四国等地的米糠油事件等"大公害事件"震撼了世界公众，使人们认识到全球环境恶化的趋势，并促使人类反思自身的行为，重新认识环境问题。
20世纪50年代，美国女海洋生物学家卡尔逊从使用杀虫剂造成的环境污染人手，通过考察农药污染物迁移、转化过程，揭示了人类和大气、海洋、土壤、动物、植物之间的关系，分析了环境污染对自然环境的影响，提出了人类所面临的环境污染问题，1962年，卡尔逊的《寂静的春天》一书在美国波士顿出版后，引起全球性轰动，并很快被翻译成多种文字，作为世界上第一部环境科学的研究力作，它最早论述了环境污染不仅危及了许多生物的生存，并且还在危害人类自身，从而掀起了一场全球性的环境运动。
1968年4月，来自意大利、瑞士、德国、日本、土耳其、印度、伊朗等国家的三十位专家，其中有教育家、人类学家、经济学家，在意大利经济学家贝切伊的倡导下，聚会于世界上最古老的林赛罗马科学院，讨论人类当前和未来的困境，成立了一个非政府之间交流的国际性组织--罗马俱乐部。1972年，罗马俱乐部发表了第一份研究报告《增长的极限》，被西方报纸称为"70年代的爆炸性杰作"。该报告运用系统方法，建立"零增长模型"，研究了当代世界的五个重要参数：工业化、人口增长、营养不良、不可再生资源的耗尽、环境恶化，分析了人口增长、工业生产、农业生产、资源消耗、环境污染都按指数增长，预测人类面临的真正危机的规模在今后几十年达到严重程度，并在21世纪上述各项参数的增长达到极限，从而导致全球性危机：非再生资源枯竭、耕地面积下降、人均食品减少、人口死亡率剧增，提出只有停止人口增长才能维持生态平衡。该报告发表不久，西方的石油危机证明了罗马俱乐部的观点，扩大了罗马俱乐部的国际影响。围绕增长的极限问题，展开了国际性辩论，形成悲观派、乐观派之争。继罗马俱乐部的第一份研究报告《增长的极限》之后，又发表了《人类处在转折点》、《走出浪费的时代》、《能源，倒过来计数》、《回答未来的挑战--学无止境》等十几份报告。研究领域日益拓宽，研究层次逐步加深，该俱乐部从第一份研究报告着重探讨自然极限，过渡到探讨自然因素和社会因素、技术因素和人文因素相结合。
随着环境运动的深人，人们走上街头，游行、示威、抗议，要求政府采取有力的措施治理环境污染。1972年原联邦德国成立了"环境保护――全国自发组织联合会"，有30万成员，到1985年，成员则超过了150万。到1976年，日本也有1000多个民间组织投人环境运动。参加环境运动的人员有老师、学生、医生、法官、律师、工人、农民、家庭妇女，环境运动也从无严密组织发展到不仅有组织，而且有领导协调机构，甚至在分工、任务上有所侧重，为环境科学的产生奠定了群众基础，
另一方面，环境科学的理论探索也在深化，一批环境科学的专著像瓦特的《环境科学原理》、马斯特斯的《环境科学技术导论》相继出版。各个不同领域的科学家、生物学家、化学家、地理学家、医学家运用不同的方法、理论研究环境问题，产生了像环境地学、环境生物学、环境化学、环境医学、环境法学等分支学科，曼纳汉的《环境化学》、科斯特的《环境地质学》、卡贝利的《环境系统与工程》到跨学科的综合性专著像库普切拉的《环境科学，生活在自然系统中》、米勒的《环境科学导沦》、内贝尔的《环境科学：世界运作方式》，有力推动了环境科学向纵深发展，也为环境保护提供了理论依据。
（二）环境科学的研究内容
环境科学的研究内容大体上可以概括为如下几个方面：
1.探索全球范围内自然环境的演化现律。自然环境总量不断地变化，环境变异也随时随地发生。在人类发展的自然过程中，为了使自然环境向有利于人类生存的方向演替，避免向不利于人类生存的方向发展，就必须了解包括自然的基本特性、环境结构、演化机理。
2.揭示人类活动和自然环境的关系。人类通过生产、消费，不断影响自然环境的质量。例如，人类对植被的改变会引起土壤、气候、地貌、水体的一系列变化。人类必须使物流、能流的输人和输出保持相对平衡，不仅排放环境的废弃物不能超过环境的自净能力，以免造成环境污染，而且要合理开发、利用不可再生资源，以保障自然资源的永续使用，包括研究人类行为对自然环境的相应变化，增加人类对自然环境的恢复能力。
3.考察环境变化对人类生存的影响。环境变化是由物理的、化学的、生物的、社会的因素以及这些因素的相互作用引起的；环境科学必须研究污染物在自然环境中的物理、化学变化过程，分析污染物在自然环境中迁移的机理以及进人体后的各种效应，像致畸效应、致突变效应、致癌效应，为制定各项环境标准、控制污染物的排放量提供科学依据。
4.研究区域环境污染综合防治的技术。引起环境问题的因素很多，需要动用多种环境技术。环境科学从区域环境出发，运用系统分析和环境技术，寻找解决环境问题的最佳方案。
5.加强对自然系统的研究。开发新的预测工具，考察地球承载力和生命支持能力的关系，研究土地、海洋、大气之间的能量流动关系，分析生物多样性、遗传物质的丧失对自然环境的影响，预防自然灾害。
（三）面向21世纪的环境科学
包括空气污染、水污染、土壤污染、温室效应、臭氧层破坏、生态系统破坏在内的环境退化是21世纪人类面临的最严峻的挑战之一。它将有力推动环境科学走向应用，研究环境退化的原因和机制。在众多环境科学分支学科中，环境化学、环境生物学、环境伦理学将是优先发展的学科。
1.环境化学
环境化学可定义为：研究化学物质在环境介质中的存在、化学特性、行为和效应及其控制的化学原理和方法的科学。它是环境科学的核心组成部分。环境化学是在化学科学基本理论和方法的基础上，以化学物质（主要是污染物）引起的环境问题为研究对象，以解决环境问题为目标发展起来的一门新兴学科。它的主要研究内容和任务是：研究化学物质在环境介质中的存在、化学行为及其对环境（生态系统）和人体健康产生影响的途径、机制和风险，探讨缓解或消除它们已造成的影响或防止可能发生影响的方法和途径。
2.环境生物学
《中国大百科全书》（1983）认为环境生物学是环境科学的一个分支，是研究生物系统与人为逆境相互关系的科学，即研究生物与受人类干预的环境之间相互作用的规律及其机理。人为逆境（anthropogenic stress）是由人类活动产生的不利于生物生存的环境状态。生物系统与人为逆境的相互关系有两方面的含义。一方面，各种逆境因子对生物系统产生不利或有害的影响（或效应），如大气中的SO2、污染物对动植物生长发育的抑制，电离射线对细胞中DNA分子损伤，过量砍伐使森林衰退等等。另一方面，生物系统同时也对逆境因子的行为（或归宿）产生影响，如有机磷农药在生物体内的代谢降解，电离辐射通过有机体时被吸收而衰减，绿色植物吸收大气中过量CO2, 而放出氧气等。根据具体情况，这种相互关系可以发生在生物系统各级组构水平与各种逆境因子的不同组合之间，从而形成相当复杂的相互作用模式。
今后环境生物学的研究内容是：人为胁迫因子对生物系统的效应和生物系统对人为胁迫因子行为的影响。
3.环境伦理学
人为因素对环境变迁有重要的影响，反之，环境的变迁对人类的生存也有重要的影响，表现为， 环境的变迁对人类生育、区域经济和人类心理的冲击，进而对人类社会文化进化的影响。这些都是环境伦理学的研究范畴。目前环境伦理学至为重要的领域是，生物技术的突飞猛进，转基因作物的田间种植以及动物克隆技术的应用对环境带来的风险评价，乃至由此引起的对人类进化、心理和伦理的影响。
4.现代前沿科学对环境科学研究的渗透
（1）生物学对环境科学研究的渗透
生物学依然是21世纪的最前沿的学科，同时其两大分支学科～～～生态学和分子生物学更是21世纪生物学发展的领头科学。它们不但成为探索自然生命奥秘的工具，而且在治理环境问题，提高生命和生存质量中起重要作用。环境科学与生物学的相互渗透必将在21世纪的科学发展中展现灿烂的前景。归纳起来，生物学在推动环境科学发展中的应用领域有：应用生物监测环境污染状况研究、应用生物修复环境污染研究和环境生物技术研究。
（2）信息科学对环境科学研究的渗透
早在20世纪70年代，罗马俱乐部的科学家们就应用了计算机模拟技术对全球的环境状况进行了定量研究，发表了包括《增长的极限》在内的一系列报告，推动现代环境科学的进步。进入21世纪，除了加强信息科学在上述环境科学领域研究外，最有前景的莫过于应用地理信息系统（geographic information system，GIS）对全球、地区或国家的环境和资源状况进行精确的观测、分析，以促进人类采取合理的资源开发和环境保护策略。
GIS 是 用于存贮、处理、查询地理空间信息的计算机系统，最早于50 年代源于加拿大，主要用于监测土地覆盖类型。美国从六十年代开始用于军事探测，后逐渐在环境、农业和城市管理中应用。目前，ＧＩＳ在环境科学研究的中主要表现在以下几个方面：
①基于ＧＩＳ的城市交通噪音预测模型和规划系统研究；
②基于ＧＩＳ的资源和环境预警系统研究；
③基于ＧＩＳ的农药、化肥对地下水系统风险预测与评估系统研究；
④基于ＧＩＳ的自然灾害预测及其风险区规划系统研究。
一、生态学
（一）生态学的产生与发展
生态学（ecology）一词源于希腊文"Oikos"和"Logos"，前者意为"住所、房屋或栖息地"，后者意为"研究或学科"，1865年由德国植物学家莱特（Reiter，1834～1919）合并为生态学，其原意是研究生物与其栖息地之间关系的学科。1866年德国动物学家海克尔（Hacekel）首次把生态学定义为：研究生命有机体与环境相互关系的科学。后来，也有其他学者对生态学进行不同的定义，如,1966年史密斯(Smith)定义为：研究有机体与生活之地相互关系的科学，因此又可称为"环境生物学（environmental biology）"；1971年，美国著名生态学家奥德姆(E.P.Odum，1913～)定义为：研究生态系统的结构与功能的科学。此外还有其他定义，如"科学自然史"、"动物的社会学和经济学"、"生物经济学"、"研究生物形态、生理和行为的适应性的科学"等等。
生态学家普遍认为，生态学是研究生物与环境之间相互关系及其作用机理的科学。对生态学的不同定义则代表了生态学的不同发展阶段，强调了不同的基础生态学分支和领域。
我国著名生态学家马世俊（1985）认为：生态学不仅是包括人类在内的自然科学，也是一门包括自然在内的人文科学。随着人类生存问题的不断凸现，生态学研究的不断深入，生态学真正成为联系自然科学和社会科学的桥梁，其归宿是人类生态学。
迄今为止，从研究范围和发展阶段看，生态学发展经历了五次飞跃和三个阶段，具体描述如下：
1.五次飞跃：
（1）生物科学生态化 即生态学渗透到生物科学中, 由此产生植物生态学、 动物生态学、微生物生态学、生态遗传学等生态学分支科学；
（2）环境科学生态化 即生态学渗透到环境科学中，由此产生海洋生态学、土壤生态学、湖泊生态学等生态学分支；
（3）生产科学生态化 即生态学渗透到生产科学中，由此产生农业生态学、作物生态学、草原生态学、森林生态学等生态学分支；
（4）自然科学生态化 即生态学渗透到自然科学中，由此产生物理生态学 、化学生态学、数学生态学等生态学分支；
（5）社会科学生态化 即生态学渗透到社会科学中，产生生态经济学、人类生态学、信息生态学、建筑生态学、城市生态学等生态学分支。
2.三个阶段
（1）古典生态学 大约从我国秦汉生态思想萌芽开始到十八世纪初期，如秦汉时期的二十四节气的应用，就反映农作物、昆虫与气候的关系。
在长期的农牧渔猎生产中，古人积累了朴素的生态学知识，诸如作物生长和季节、土壤、水分的关系。古典生态学的产生可以追溯到公元前8世纪，我国战国时代的《管子·地员篇》是最早记载生态现象的著作，它叙述了植物生态知识的两个方面：一是植物的生长与土壤的性质有关，不同质地的土壤所适应的植物不同。二是植物的分布与地势有关，即已注意到植物分布的生态系列现象。公元前1～2世纪《吕氏春秋》所反映的"三才"思想，明确地指出"夫稼，稼之者人也，生之者地也，养之者天也"，天时地利人和是万物生长的基础。而后，北魏贾思勰的《齐民要术》则把生态学知识系统化，认为"凡栽一切树木，欲记其阴阳，……，阴阳易位则难生,……"。国外，公元前4世纪，希腊学者亚里士多德（Aristole,公元前384～322）不仅描述了不同类型动物的栖息地，而且按动物活动的环境类型将其分为陆栖和水栖两类。古希腊哲学家奥弗拉斯特、罗马柏里尼等也注意到气候、土壤与植物生长及病虫害的关系，同时还注意到不同植物群落的差异。当然，所有这些只是粗略的记载，当时也没有生态学的概念、理论和方法，更没有旨在发展生态学的专门研究，纯属于包含在其它学科的生态思想和生态现象的观察，但这些朴素生态思想的孕育和积累，必定带来生态学的产生和发展。
（2）近代生态学 以1749年法国博物学家布丰（XXXXXX Buffon,1707～1780）提出《生命律》为标志，它研究动物与环境的关系的科学，首次把生态学的知识系统化。
随后，瑞典博物学家林奈把物候学、生态学和地理学结合起来，综合考察了外部环境对动植物的影响。农牧业的发展使人们逐渐认识到环境因素对作物、家畜也有影响。1865年达尔文的《物种起源》提出自然选择理论，强调生物进化是生物和环境相互作用的产物。
1903年马尔萨斯(T.R.Malthus,1766～1834)的《人口论》阐述人口增长与粮食的关系，他认为人口将呈几何级增长，而粮食则呈算术级增长，有朝一日人口的增长将超过粮食，世界将陷入粮食危机之中。现在看来，事实正如马氏之预料，由于人口爆炸，人类正为如何养活自己而伤尽脑筋。正因为这样，1866年生态学产生后，很快得到世界的承认，并迅速产生许多分支学科和学派。
（3）现代生态学 以1935年英国生物学家坦斯勒（A.G.Tansley）提出"生态系统"的概念，把生物与环境看作一个动态整体为开端，对生态系统的结构和功能的研究日趋深入，标志着生态学的发展进入现代生态学阶段。
1935年，坦斯勒提出"生态系统"概念。"所谓的生态系统包括整个生物群落及其所在的环境物理化学因素。它是一个自然系统的整体。因为它是以一个特定的生物群落及其所在的环境为基础的这样一个生态系统的各部分--生物和非生物、生物群落和环境可以看作是处在相互作用中的因素，且在成熟的生态系统中。这些因素处于平衡状态，整个系统通过这些因素的相互作用而得以维持。" 生态系统中生物因素和环境因素按照一定规律相互作用，在结构和功能上形成一个有机统一体。由此可见，生态系统概念的提出是生态学的重大突破，随后，埃尔顿(Elton，1900～)1941年提出能量金字塔；1942年，林德曼（Linedeman）在美国《生态学杂志》发表关于食物链和金字塔营养结构的研究报告，其研究方法也从经验观察进入综合分析阶段，确立了生态系统物质循环和能量流动理论。植物作为生态系统的生产者，通过光合作用生产有机物质，光合作用产生的有机物质维持着地球上的全部生命。植物生产的物质经过草食动物、肉食动物逐渐转移，组成食物链，有机食物链从一种生物传递到另一种生物，最后被微生物分解，返回自然环境。食物链的能量传递和各级能量利用者之间存在着一定的数量关系，进入任何一个营养级的物质和能量只有一部分转移到次一级生物即十分之一定律，为研究现代生态学奠定了科学基础。
（二）生态学的研究对象和内容
1. 生态学的研究对象
生态学的研究对象就是A.G.Tansley提出的"生态系统（ecosystem）"。
本世纪前半叶出现的系统论、信息论和控制论对生态学发展产生深远的影响。系统科学的创立如同生态学的出现一样在近代科学史上是两个里程碑。虽然两者研究或解决问题的对象不同，前者主要着眼于工业工程，后者主要着眼于自然生态工程，但两者相互渗透、交互影响推动两类学科的发展。其中，1935年Tansley的"生态系统"概念集中体现系统科学对完善生态学的理论和原则的深远意义，成为近代生态学研究的基本单元，也使生态学从近代生态学阶段跃进现代生态学阶段，并对现代科学的思维观等方面产生巨大的影响。
（1）生态系统的定义
1935年England生态学家A.G.Tansley首先提出"生态系统"的概念, 他说:只有我们从根本上认识有机体不能与它们的环境分开,而与它们的环境形成一个自然生态系统,它们才能引起重视"。生态系统的定义是由美国生态学家E.P.Odum提出的。他认为, 所谓生态系统是指由生境和占据该生境并联结在一起的生命有机体所构成的动态整体。
可以这样理解:在生态系统中生命有机体及其生存环境彼此密切联系,并相互作用, 成为占据一定空间,具有一定结构，完成一定功能（物质交换、能量转换和信息传递）的动态平衡整体。
(2）生态系统的组成
生态系统的组成如下图所示：
其中，在环境系统中，太阳辐射是生态系统的主要能量来源, 经生产者的光合作用，将它转化为有机化学潜能,并创造生态系统的温热环境。无机组分和有机组分是生态系统的原始物质来源。生态系统的生物组分，按其生态位可分为生产者、消费者和分解者。生产者是指能够进行光合作用将太阳能转化为有机化学潜能的自养型生物，也包括一些光合细菌。生产者创造的能量源源不断地输入生态系统中，成为消费者和分解者的能量与物质的来源，称为生态系统的初级生产，生态系统生产力的高低决定于生产者的总初级生产力；消费者指以初级生产产物为食物的异养生物，按食性分为草食动物、肉食动物、寄生动物和杂食动物；分解者即还原者，以生产者和消费者及其产物为食的微生物，其作用为了将有机化了的营养物质重新分解，把生态系统中的生物与环境之间的能量转化和物质循环联系起来，为腐生生物生产食物，产生激素类物质调节生物及其环境，如土壤中的微生物。
(3)生态系统的结构与功能
首先，生态系统组分的关系决定其功能。 和一般的系统相似，生态系统的生物之间及其与环境之间的相互联系方式决定生态系统的生产力、稳定性和持续性。如果外部环境不能正常的为它提供输入，或不能正常地接受环境的输入，或人为地对它不断干扰和破坏，这个生态系统的功能将根本无法发挥出来。
其次，生态系统各生物之间的关系有互依、吞食、竞争和破坏等四种类型。 这种关系至少告诉人们：第一，生物之间存在是复杂的链式关系，自然界的生物之间存在千丝万屡的联系，动一环而牵全局。第二，只有从整体出发把网络内的各种关系综合起来分析才能全面地认识这个网络。例如在普通的森林生态系统中，松树、阔叶乔木、灌木、松毛虫、黑卵蜂、小茧蜂和微生物与土壤组成的一个网络。在这个网络中，松毛虫吃松叶，因此,松毛虫和松树之间的关系是破坏关系。黑卵蜂和小茧蜂都以阔叶乔木和灌木的花蜜为食，因此它们与两种树木的关系是互依关系。各种树木的落叶都落到土壤上供微生物分解后一部分再被树木吸收，因此树木和土壤之间的关系是相互依存的关系。总而言之，阔叶乔木和灌木一方面通过养育黑卵蜂和小茧蜂破坏松毛虫的繁殖，减轻松毛虫对它们的危害程度，另一方面又由于阔叶乔木和灌木的落叶经土壤微生物分解增加土壤的自肥能力和养分向松树反馈。阔叶乔木和灌木的存在对松树总是有利的，充分说明混交林的生态效果优于单一树种林的机理。
2.生态学的主要研究内容
现代生物学研究的层次从微观到宏观依次是基因、细胞、器官、生物个体、生物种群和生物群落，它们与环境相互作用分别形成基因系统、细胞系统、器官系统、有机体系统、种群系统和生态系统。生态学是研究以个体、种群、群落和生态系统为中心的宏观生物学（李振基等，1999）。此外。由于生态学与其它学科的不断渗透，景观生态学和全球生态学也成为研究热点。
（1）个体生态学（ individual ecology） 经典生态学研究的最低层次是生物个体，它与生理生态学同义，偏重于对各种环境条件的生理适应及其机制研究上。主要讨论生物个体是如何通过特定的生物化学、形态解剖、生理行为的机制去适应其生存环境，如生物对极端环境的适应研究（包括寒冷、干旱、沙漠、高海拔等），由此产生协迫生态学(stress ecology)。
（2）种群生态学(population ecology) 有机体种群大小如何调节，它们的行为以及它们是怎样进化的等问题是讨论的重点。种群被认为是进化选择的基本单位，它由独立的、生理行为等机能各异的，甚至是自私的个体组成的一个有组织的整体，因此种群既包含每个个体的特性，又有独特的群体特性，这个有秩序的群体如何适应环境而生存下去，就是一个策略问题。
（3）群落生态学（community ecology） 该领域中最感兴趣的问题，可能就是自然界中为什么存在如此缤纷各异的动植物种类？它们为什么像这样分布着？它们是怎样相互作用而共存的？是什么机制使这些不同的生物适应生存得如此美妙、协调而复杂呢？对于生物多样性及其之间相互关系这一迷人的问题，进化论提供了有力的工具，它说明自然选择、随机因子和历史压力相互作用的方式而决定了自然界的万物和现象。
（4）生态系统生态学（eco～system ecology） 其任务主要是研究生态系统的结构、功能、动态与演替，以及人为影响与调控机理的生态学分支。它目前正在发展之中，并已经为生态学提出了许多创新的概念，并且使生态学在人类社会经济发展中的作用发生了改观。生态系统生态学所强调的"整体性"是人类认识自然的生态的系统的具有革命性的进步，此外，它的许多新的概念，如有关结构的关键种（keystone species）、有关功能的功能团（Yodzis 1982）、体现能（包被能， embodied energy）、能质等等有关调控结构与功能的控制阀、切换器、增益放大器、自我限制能的接受器、信息流以及系统的串联、并联等，乃至一整套的语言和符号，这些都对深入理解系统的功能、建模有重要贡献，无疑也是对生态工程（ecological engineering）的有力推动，它是生态工程的理论指导和技术基础。
（5）景观生态学(landscape ecology) 在资源持续利用和环境保护的客观要求下，一门以更大规模的地域单元，即生态系统以上的景观层次单元作为研究对象的景观生态学获得蓬勃的发展。景观观念虽脱胎于传统的景观地理学，但它在生物学基础上赋予了更严密的结构、功能和动态方面的含义，在概念、理论和研究方法上也完全不同于景观地理学。它虽然提出不久，但发展的速度超过其他生态学分支，它将在区域性土地规划和管理，资源持续利用（特别是野生生物的管理），农、林、牧、渔业经营，城乡土地利用规划、森林和牧场管理、环境与自然保护、旅游规划等方面发挥重要的作用，而且景观生态学也是生态系统研究向全球生态研究发展的一个重要中间层次。
（6）全球生态学（global ecology） 近年来人们普遍关心的一些重大问题，如核污染、酸雨、人口递增、土地资源减少、臭氧层耗竭、温室气体增加、森林砍伐与植被破坏对全球气候的影响、全球热带雨林面积减少、物种灭绝和遗传多样性贫乏等，正严重威胁人类居住其中的生物圈的安全和健康，全球生态学的目的在于培养人类树立全球观念，探讨人类生存之对策。
（三）应用生态学的任务
1972年，罗马俱乐部在《增长的极限》一书中指出当今世界面临着五大生态危机即 人口爆炸、粮食短缺、资源衰竭、能源缺乏、环境污染等五大生态危机，而首要的危机是人口的危机。世界环境与发展委员会把之概括为环境危机、发展危机和能源危机。许多生态学家也积极参与全球问题的解决中来，开辟了生态学的应用领域，即应用生态学。
应用生态学致力于探索解决经济发展和环境保护之间的矛盾，辨识能流、物流、信息流之间的耦合，合理开发自然资源，提高生产力水平，实现社会的持续发展。应用生态学从以下几个领域进行研究：
1.生态系统中种群规模的调控：在研究种群数量的时间变化过程中，最有影响的两种群相互作用的方程，即，Nicholson－Bailey模型。该模型的基本形式为：
Nt+1＝ λNtexp（－αPt）
Pt+1=Nt{1～ exp（－αPt）
λ是寄主种群的净增长率，Nt、Pt分别是第t代的寄主和寄生物（猎物和捕食者）种群密度。通过研究生态系统中种群的适应结构和数量动力学，控制生态系统中有害因素的蔓延，规划合理开发生物资源的规模，预测不同条件下的可能结果。
2.生物生产力的管理：通过改善光合作用的程度，提高不同营养级生物产品利用效率，最大限度地利用像海洋浮游动物这样的初级异养级生物，采用多级利用生态工程，促进生态农业发展。例如，传统的秸秆还田是提高土壤有机质的有效措施，秸秆不经处理直接返回土壤，需经过很长时间的发酵，才能发挥肥效。而秸秆分级利用不仅维持秸秆的肥效，而且增加了生产食用菌的经济效益。
3.人工生物群落的稳定性：利用生态学演替理论，通过建立了生态系统数学摸型，研究人工生物群落稳定性的最佳组合、技术措施、约束因素。实现世界自然保护大纲的三大目标：保护生态过程和生命支持系统；保护遗传基因多样性；保护现有物种和促进生物资源的永续利用。
4.生态指标体系：通过监测个体、大气、土壤的质量，建立生态定位站和数据库，动态地监测物种的变化趋势，为决策部门制订合理利用自然资源、保护生态环境的政策提供科学依据。
（四）生态学的思想在现代科学技术变革中的地位
从Hackel定义生态学到今天，生态学已发展成为一门非常庞大的热门学科。它的基本概念、思想和方法对现代科学技术的变革和发展产生巨大的影响。目前生态学涵盖了70个分支学科，生态学已基本替代了以往生物学成为现代科学的前沿学科，因为生态学发展所崛起的现代科学思维方式的革命，正影响现代科学的走向：
1.生态学为现代科学技术发展提供多维的系统观
1935年A.G.Tansley"生态系统"概念提出后，Birge、Judy、Linedeman等人对生态系统的实验研究和定量分析，使生态系统的概念具体化为一个系统的综合实体。Tansley曾说过："只有我们从根本上认识到生命有机体不能与其所处的环境分离，而是与其所处的环境形成一个自然生态系统，它们才能引起重视"，这句话指明现代科学的研究应改变以往以人或生物为中心的指导原则，把生物和环境看成一个不可分割的整体来研究。在此概念的基础上，与系统论相结合，产生现代科学的认识和研究方法的变革。不论是薛定锷（1943）开创的量子化学和申农（Shannon，1948）创立的信息论或维纳（Weiner，1948）提出的控制论等前三论，还是Prigogine等人７０年代创立的耗散结构理论、协同论和突变论等后三论，都离不开Tansley的生态系统概念及其思维观的影响。一句话，生态学的系统思维观推进现代科学和学科间的综合思想登上思想舞台做出突出的贡献。
2.生态学提高了对现代自然科学对象是人化的自然的自觉认识
生态学首次提醒人类，人的行为对自然界演变的影响，即人类的目标和价值取向会自觉或不自觉的和科学研究对象相结合。从而使当代科学的社会功能得以空前的强化，加速了科学迅速转化生产力的进程。
3.生态学为现代自然科学和社会人文科学的结合架设了桥梁
生态学使自然与人类结合，也促进自然科学走向社会。1962年，美国海洋学家卡尔逊(Carlson)出版的《寂静的春天（ Silent Spring)》拉开了社会科学生态化的序幕。卡氏曾参加美国参议院贸易委员会出庭作证，指控美国化工业生产大量农药、化肥污染环境的事实。该书被翻译成多种文字，也促进当代环境科学的诞生，也为自然科学和社会人文科学的结合起推波助澜作用。
在现代科学研究中占有重要的一席。Prigogine也认为，现代科学革命的集中表现在自然科学与人文科学逐渐集中到统一轨道上，人类生态学是生态学的最终归宿。
4.生态学为交叉学科的形成提供丰富的原科学材料
Prigogine说过：无论人们专心致志于哪种专业，都无法逃避这样一种感受，即我们在一个转变的时代，必须要求和探索新的资源，更好地了解自身的环境，并与大自然建立一种和谐的共存关系。生态学打破学科间的壁垒，渗透到人类知识的方方面面。从而为人类更好的生存和发展做出贡献。
（五）面向21世纪的生态学
21世纪生态学发展的总趋势，一是从资源和环境的管理角度出发，研究现代科学技术条件下的人类持续发展问题，它在一定程度上将影响人类长期生存和生活的哲学观念；二是使用生物学已有的成就（包括分子生物学和基因工程技术）和方法研究现代人类影响下的生物进化问题，这一研究有利于挽救当今地球生物，为后代保存较多的生物资源。
1.作为生命系统基础的个体生理生态学，建立在个体基础上的种群生态学、群落生态学、生态系统生态学由于是与直接解决人类生存有关的提高地球承载能力（即生物生产力和环境质量）的最基础的（最基层的、最基本的）研究任务，尚有大量理论与实际问题需要解决，这类研究也是人类最重要的科学积累。这一范畴的研究，将是生态学的重要核心而继续得到发展。
2.生态学继续向各学科的渗透，将出现或加强城市生态学、行为生态学、化学生态学、灾害生态学、建筑生态学、数学生态学、景观生态学、城市生态学、微生态学、进化生态学、能量生态学、工业生态学等学科。它们作为生态学与其他学科交叉渗透的新分支学科的发展，将是生态学理论和方法发展最活跃的部分。
3.生态学致力于生物圈的功能研究。生态功能的正常发挥直接关系到生态环境状况，而自然环境的优劣关系到能否为人类提供充分的生产、生活条件。酸雨、温室效应、臭氧层破损等影响到全球气候变化，危害生态系统的正常功能发挥，不利于已受害生态系统的再造与恢复。能源开发、再生资源是农业生产的自然基础，资源枯竭、能源不足制约着全球经济的发展，由于人类活动范围的日益扩大，自然形成的物质循环、能量转化受到干扰，影响到生态圈的新陈代谢，增加了人类进一步开发资源、利用能源的难度，这就要求生态学研究水陆界面的相互作用机制，探讨海气、水气、地气之间的能量交换机理，考察其中的物理、化学、生物学的作用。生态圈功能的开发给生态学提出了工艺性的技术问题，也要求生态学提供现实生态问题的科学对策。
4.生态学为可持续发展提供理论基础。当代， 人类正以前所未有的规模改变生态环境导致全球生命支持系统的持续性受到威胁。运用生态学原理，考察制约可持续发展因素，通过各种技术、行政、管理的方法，调节生态系统内部不合理的生态关系，增加生态系统自生、共生能力，实现可持续发展。生物圈的物质生产是把太阳能转化地球有效能量的过程。 植物作为生产者，通过光合作用生产有机质；动物消费植物积累的能量；微生物作为分解者，分解生命过程的"废物"，释放能量，重新被植物利用，构成生命运动的无限发展过程。
二、环境科学
环境科学是研究人类活动和环境质量关系的科学：宏观上研究人类和环境之间相互作用、相互促进、相互制约的统一关系，揭示经济发展和环境保护两者协调发展的规律；微观上研究环境的各组成部分尤其是人类活动排放的污染物在有机体迁移、转化、积累中的运动规律。
1.环境问题和环境科学的产生
环境问题早在远古时代就己存在，并且古人采用相应的简单措施对付。人类从野蛮时代发展到农业文明，创造了灿烂的埃及文明、巴比伦文明、古希腊文明、玛雅文明、哈巴拉文明、中华文明；同时，也带来了森林植被的过度砍伐和土地被破坏的环境问题。大约200多年，欧美发达国家由于电力和蒸汽机的发明和使用，率先进入工业化时代，而使社会生产力水平大幅度提高的同时，也带来严重的环境污染，威胁着人类的生存。1952年12月5日至8日的伦敦烟雾事件、1961年日本四国市的哮喘事件、1949年日本熊本县水俣市的"水俣病"事件、1955～1972年日本富山县神通川流域的骨痛病事件、1968年3月日本九州、四国等地的米糠油事件等"大公害事件"震撼了世界公众，使人们认识到全球环境恶化的趋势，并促使人类反思自身的行为，重新认识环境问题。
20世纪50年代，美国女海洋生物学家卡尔逊从使用杀虫剂造成的环境污染人手，通过考察农药污染物迁移、转化过程，揭示了人类和大气、海洋、土壤、动物、植物之间的关系，分析了环境污染对自然环境的影响，提出了人类所面临的环境污染问题，1962年，卡尔逊的《寂静的春天》一书在美国波士顿出版后，引起全球性轰动，并很快被翻译成多种文字，作为世界上第一部环境科学的研究力作，它最早论述了环境污染不仅危及了许多生物的生存，并且还在危害人类自身，从而掀起了一场全球性的环境运动。
1968年4月，来自意大利、瑞士、德国、日本、土耳其、印度、伊朗等国家的三十位专家，其中有教育家、人类学家、经济学家，在意大利经济学家贝切伊的倡导下，聚会于世界上最古老的林赛罗马科学院，讨论人类当前和未来的困境，成立了一个非政府之间交流的国际性组织--罗马俱乐部。1972年，罗马俱乐部发表了第一份研究报告《增长的极限》，被西方报纸称为"70年代的爆炸性杰作"。该报告运用系统方法，建立"零增长模型"，研究了当代世界的五个重要参数：工业化、人口增长、营养不良、不可再生资源的耗尽、环境恶化，分析了人口增长、工业生产、农业生产、资源消耗、环境污染都按指数增长，预测人类面临的真正危机的规模在今后几十年达到严重程度，并在21世纪上述各项参数的增长达到极限，从而导致全球性危机：非再生资源枯竭、耕地面积下降、人均食品减少、人口死亡率剧增，提出只有停止人口增长才能维持生态平衡。该报告发表不久，西方的石油危机证明了罗马俱乐部的观点，扩大了罗马俱乐部的国际影响。围绕增长的极限问题，展开了国际性辩论，形成悲观派、乐观派之争。继罗马俱乐部的第一份研究报告《增长的极限》之后，又发表了《人类处在转折点》、《走出浪费的时代》、《能源，倒过来计数》、《回答未来的挑战--学无止境》等十几份报告。研究领域日益拓宽，研究层次逐步加深，该俱乐部从第一份研究报告着重探讨自然极限，过渡到探讨自然因素和社会因素、技术因素和人文因素相结合。
随着环境运动的深人，人们走上街头，游行、示威、抗议，要求政府采取有力的措施治理环境污染。1972年原联邦德国成立了"环境保护――全国自发组织联合会"，有30万成员，到1985年，成员则超过了150万。到1976年，日本也有1000多个民间组织投人环境运动。参加环境运动的人员有老师、学生、医生、法官、律师、工人、农民、家庭妇女，环境运动也从无严密组织发展到不仅有组织，而且有领导协调机构，甚至在分工、任务上有所侧重，为环境科学的产生奠定了群众基础，
另一方面，环境科学的理论探索也在深化，一批环境科学的专著像瓦特的《环境科学原理》、马斯特斯的《环境科学技术导论》相继出版。各个不同领域的科学家、生物学家、化学家、地理学家、医学家运用不同的方法、理论研究环境问题，产生了像环境地学、环境生物学、环境化学、环境医学、环境法学等分支学科，曼纳汉的《环境化学》、科斯特的《环境地质学》、卡贝利的《环境系统与工程》到跨学科的综合性专著像库普切拉的《环境科学，生活在自然系统中》、米勒的《环境科学导沦》、内贝尔的《环境科学：世界运作方式》，有力推动了环境科学向纵深发展，也为环境保护提供了理论依据。
（二）环境科学的研究内容
环境科学的研究内容大体上可以概括为如下几个方面：
1.探索全球范围内自然环境的演化现律。自然环境总量不断地变化，环境变异也随时随地发生。在人类发展的自然过程中，为了使自然环境向有利于人类生存的方向演替，避免向不利于人类生存的方向发展，就必须了解包括自然的基本特性、环境结构、演化机理。
2.揭示人类活动和自然环境的关系。人类通过生产、消费，不断影响自然环境的质量。例如，人类对植被的改变会引起土壤、气候、地貌、水体的一系列变化。人类必须使物流、能流的输人和输出保持相对平衡，不仅排放环境的废弃物不能超过环境的自净能力，以免造成环境污染，而且要合理开发、利用不可再生资源，以保障自然资源的永续使用，包括研究人类行为对自然环境的相应变化，增加人类对自然环境的恢复能力。
3.考察环境变化对人类生存的影响。环境变化是由物理的、化学的、生物的、社会的因素以及这些因素的相互作用引起的；环境科学必须研究污染物在自然环境中的物理、化学变化过程，分析污染物在自然环境中迁移的机理以及进人体后的各种效应，像致畸效应、致突变效应、致癌效应，为制定各项环境标准、控制污染物的排放量提供科学依据。
4.研究区域环境污染综合防治的技术。引起环境问题的因素很多，需要动用多种环境技术。环境科学从区域环境出发，运用系统分析和环境技术，寻找解决环境问题的最佳方案。
5.加强对自然系统的研究。开发新的预测工具，考察地球承载力和生命支持能力的关系，研究土地、海洋、大气之间的能量流动关系，分析生物多样性、遗传物质的丧失对自然环境的影响，预防自然灾害。
（三）面向21世纪的环境科学
包括空气污染、水污染、土壤污染、温室效应、臭氧层破坏、生态系统破坏在内的环境退化是21世纪人类面临的最严峻的挑战之一。它将有力推动环境科学走向应用，研究环境退化的原因和机制。在众多环境科学分支学科中，环境化学、环境生物学、环境伦理学将是优先发展的学科。
1.环境化学
环境化学可定义为：研究化学物质在环境介质中的存在、化学特性、行为和效应及其控制的化学原理和方法的科学。它是环境科学的核心组成部分。环境化学是在化学科学基本理论和方法的基础上，以化学物质（主要是污染物）引起的环境问题为研究对象，以解决环境问题为目标发展起来的一门新兴学科。它的主要研究内容和任务是：研究化学物质在环境介质中的存在、化学行为及其对环境（生态系统）和人体健康产生影响的途径、机制和风险，探讨缓解或消除它们已造成的影响或防止可能发生影响的方法和途径。
2.环境生物学
《中国大百科全书》（1983）认为环境生物学是环境科学的一个分支，是研究生物系统与人为逆境相互关系的科学，即研究生物与受人类干预的环境之间相互作用的规律及其机理。人为逆境（anthropogenic stress）是由人类活动产生的不利于生物生存的环境状态。生物系统与人为逆境的相互关系有两方面的含义。一方面，各种逆境因子对生物系统产生不利或有害的影响（或效应），如大气中的SO2、污染物对动植物生长发育的抑制，电离射线对细胞中DNA分子损伤，过量砍伐使森林衰退等等。另一方面，生物系统同时也对逆境因子的行为（或归宿）产生影响，如有机磷农药在生物体内的代谢降解，电离辐射通过有机体时被吸收而衰减，绿色植物吸收大气中过量CO2, 而放出氧气等。根据具体情况，这种相互关系可以发生在生物系统各级组构水平与各种逆境因子的不同组合之间，从而形成相当复杂的相互作用模式。
今后环境生物学的研究内容是：人为胁迫因子对生物系统的效应和生物系统对人为胁迫因子行为的影响。
3.环境伦理学
人为因素对环境变迁有重要的影响，反之，环境的变迁对人类的生存也有重要的影响，表现为， 环境的变迁对人类生育、区域经济和人类心理的冲击，进而对人类社会文化进化的影响。这些都是环境伦理学的研究范畴。目前环境伦理学至为重要的领域是，生物技术的突飞猛进，转基因作物的田间种植以及动物克隆技术的应用对环境带来的风险评价，乃至由此引起的对人类进化、心理和伦理的影响。
4.现代前沿科学对环境科学研究的渗透
（1）生物学对环境科学研究的渗透
生物学依然是21世纪的最前沿的学科，同时其两大分支学科～～～生态学和分子生物学更是21世纪生物学发展的领头科学。它们不但成为探索自然生命奥秘的工具，而且在治理环境问题，提高生命和生存质量中起重要作用。环境科学与生物学的相互渗透必将在21世纪的科学发展中展现灿烂的前景。归纳起来，生物学在推动环境科学发展中的应用领域有：应用生物监测环境污染状况研究、应用生物修复环境污染研究和环境生物技术研究。
（2）信息科学对环境科学研究的渗透
早在20世纪70年代，罗马俱乐部的科学家们就应用了计算机模拟技术对全球的环境状况进行了定量研究，发表了包括《增长的极限》在内的一系列报告，推动现代环境科学的进步。进入21世纪，除了加强信息科学在上述环境科学领域研究外，最有前景的莫过于应用地理信息系统（geographic information system，GIS）对全球、地区或国家的环境和资源状况进行精确的观测、分析，以促进人类采取合理的资源开发和环境保护策略。
GIS 是 用于存贮、处理、查询地理空间信息的计算机系统，最早于50 年代源于加拿大，主要用于监测土地覆盖类型。美国从六十年代开始用于军事探测，后逐渐在环境、农业和城市管理中应用。目前，ＧＩＳ在环境科学研究的中主要表现在以下几个方面：
①基于ＧＩＳ的城市交通噪音预测模型和规划系统研究；
②基于ＧＩＳ的资源和环境预警系统研究；
③基于ＧＩＳ的农药、化肥对地下水系统风险预测与评估系统研究；
④基于ＧＩＳ的自然灾害预测及其风险区规划系统研究。