11·生態(tài)系統(tǒng)的一般特征2012

1、第四部分 生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)學(xué),主要內(nèi)容,生態(tài)系統(tǒng)的一般特征生態(tài)系統(tǒng)中的能量流動生態(tài)系統(tǒng)中的物質(zhì)循環(huán)地球上生態(tài)系統(tǒng)的主要類型及其分布,第十一章 生態(tài)系統(tǒng)的一般特征,,一、生態(tài)系統(tǒng)的基本概念 1 定義 在一定空間中共同棲息著的所有生物的與其環(huán)境之間由于不斷進(jìn)行物質(zhì)循環(huán)和能量流動過程而形成的統(tǒng)一整體。,,1936 Tansley 生態(tài)系統(tǒng)的概念 (ecosystem) 一定地域中各種生物相互之間、它們與環(huán)境之間

2、功能 上的統(tǒng)一性。 生態(tài)系統(tǒng)主要是功能上的單位，而不是生物學(xué)中分類學(xué)的單位。 1944 蘇卡切夫 生物地理群落（Biogeocoenosis）,,系統(tǒng)：彼此間相互作用，互相依賴的事物，有規(guī)律聯(lián)合的集合體，是有序的作用的整體。條件：由許多成分組成各個(gè)成分之間互相聯(lián)系各系統(tǒng)具有獨(dú)立的功能,生態(tài)系統(tǒng)概念時(shí)，對其范圍和大小并沒有嚴(yán)格的限制,,生態(tài)系統(tǒng)研究成為生態(tài)學(xué)主流，它與人類社會的持續(xù)發(fā)展有密切關(guān)系 人類面臨

3、：環(huán)境、人口、資源 生態(tài)系統(tǒng)的概念和原理，已經(jīng)為許多學(xué)科和許多實(shí)踐領(lǐng)域所接受,2 生態(tài)系統(tǒng)的特征,生態(tài)學(xué)的一個(gè)主要結(jié)構(gòu)和功能單位，屬于生態(tài)學(xué)研究的高層次。內(nèi)部具有自我調(diào)節(jié)能力能量流動、物質(zhì)循環(huán)和信息傳遞是生態(tài)系統(tǒng)的三大功能。 信息：營養(yǎng)、化學(xué)、物理、行為等,,生態(tài)系統(tǒng)中營養(yǎng)級不會超過5-6個(gè) （生態(tài)系統(tǒng)中營養(yǎng)級的數(shù)目受限于生產(chǎn)者所固定的最大能值和這些能量在流動中巨大損失）生態(tài)系統(tǒng)是一個(gè)動態(tài)系統(tǒng),,,二、生態(tài)系統(tǒng)

4、的組成與結(jié)構(gòu),無機(jī)物有機(jī)化合物氣候因素②生產(chǎn)者 (producer)③消費(fèi)者 (consumer)④分解者 (還原者)(decomposer),,,①非生物成分,生物成分(生物群落),1 非生物環(huán)境無機(jī)元素和化合物有機(jī)物質(zhì)氣候或其他物理?xiàng)l件,2 生產(chǎn)者（producer）,能以簡單的無機(jī)物制造食物的自養(yǎng)生物(autotroph)，主要指綠色植物，也包括一些化能合成細(xì)菌，是自然界生命系統(tǒng)中唯一能將太陽

5、能轉(zhuǎn)化為生物化學(xué)能的媒介,3 消費(fèi)者（consumer）,指那些直接或間接依賴于生產(chǎn)者所制造的有機(jī)物質(zhì)生存的異養(yǎng)生物。,食草動物(herbivores) 食肉動物(carnivores) 大型食肉動物或頂級食肉動物(top carnivores):,4.分解者（decomposer）,利用動植物殘?bào)w及其它有機(jī)物分解為生產(chǎn)者能重新利用的簡單化合物，并釋放出能量。主要有真菌、細(xì)菌、放線菌等微生物。分解作用不是一類

6、生物所能完成的，往往有一系列復(fù)雜的過程，各個(gè)階段由不同的生物去完成。池塘中的分解者有兩類：一類是細(xì)菌和真菌；另一類是蟹、軟體動物和蠕蟲等無脊椎動物。草地中也有生活在枯枝落葉和土壤上層的細(xì)菌和真菌，還有蚯蚓、螨等無脊椎動物，它們也在進(jìn)行著分解作用。,,5 生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的一般性模型,6 水域生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能特點(diǎn),（1）結(jié)構(gòu)特點(diǎn)非生物組分（生境）有3-4個(gè)自然體，如水、水底、大氣和冰蓋，而陸地通常僅有土壤和空氣兩個(gè)自然體。水域生

7、態(tài)系統(tǒng)生境有垂直分層明顯。溫度較陸地穩(wěn)定，光照條件較差。水域生態(tài)系統(tǒng)的生境是活動的水域生態(tài)系統(tǒng)中有固著動物,（2）功能特點(diǎn)浮游植物整個(gè)身體可以進(jìn)行光合作用，生產(chǎn)效率高，但現(xiàn)存量低，遠(yuǎn)低于陸地水草。如池塘為5 g/m2 (干重)，而草原為500 g/m2 (干重)。水中物質(zhì)循環(huán)速度比陸地快，藻類所形成的全部有機(jī)質(zhì)都是較易利用的成分，陸地植物則因木質(zhì)部存在少數(shù)動物利用之。水生生物滲透營養(yǎng)發(fā)達(dá)，且細(xì)菌、腐質(zhì)具有重要營養(yǎng)意義。即腐質(zhì)

8、鏈作用大；而陸地生態(tài)系統(tǒng)腐生微生物豐富。,三、食物鏈和食物網(wǎng),1 食物鏈（1）定義 食物鏈(Food chain) ：生產(chǎn)者所固定的能量和物質(zhì)，通過一系列取食和被食的關(guān)系在生態(tài)系統(tǒng)中傳遞，各種生物按其食物關(guān)系排列的鏈狀順序,一個(gè)食物鏈的例子“螳螂捕蟬，黃雀在后”,,螳螂捕蟬，黃雀在后！,植物汁液,蟬(初級消費(fèi)者),螳螂(二級消費(fèi)者),黃雀(三級消費(fèi)者),鷹(四級消費(fèi)者)(頂極食肉動物),,,,,Aquatic f

9、ood chain,(2) 食物鏈原理的應(yīng)用,淡水漁業(yè)充分利用水體的餌料資源，最大限度地提高魚產(chǎn)量。多放養(yǎng)食物鏈短的魚類(如鰱、鳙、草魚、鳊等)，以有效地利用生產(chǎn)者生物所固定的能量；控制肉食性魚類種群(如鱸、鱖等)的發(fā)展，以減少能量多級傳遞所造成的損失和對放養(yǎng)魚類的危害；注意天然雜食性魚類(如鯉、鯽等)的繁殖保護(hù)，并適當(dāng)增加碎屑食性魚類(如細(xì)鱗斜頜鲴)的放養(yǎng)量，以提高水體中死亡有機(jī)物質(zhì)的利用率。,（3）上行效應(yīng)和下行效應(yīng),上行效應(yīng)

10、(bottom-up effect) ：生態(tài)系統(tǒng)中理化環(huán)境、較低營養(yǎng)級上的生物對較高營養(yǎng)級生物的影響或調(diào)節(jié)作用。理化因素→浮游植物→浮游動物→魚類。,下行效應(yīng),下行效應(yīng)（top-down effect）： 即與“理化因子→浮游植物→浮游動物→魚類這一經(jīng)典系列（上行效應(yīng)）正好相反，是指生態(tài)系統(tǒng)中較高營養(yǎng)級上的生物對較低營養(yǎng)級生物乃至理化環(huán)境的控制或調(diào)節(jié)作用。生物操縱(biomanipulation): 在富營養(yǎng)湖泊的治理中，歐美國

11、家廣泛地采用以改變魚類的組成和/或多度為主要內(nèi)容的，來調(diào)整湖泊的營養(yǎng)結(jié)構(gòu)和促進(jìn)其水質(zhì)的恢復(fù)。,（4） 食物鏈類型,捕食食物鏈(grazing food chain)綠色植物為起點(diǎn)到食草動物進(jìn)而到食肉動物的食物鏈。,碎屑食物鏈(detritus food chain),以動、植物的遺體被食腐性生物（小型土壤動物、真菌、細(xì)菌）取食，然后到他們的捕食者的食物鏈。 植物殘?bào)w——蚯蚓——節(jié)肢動物,（5） 生物擴(kuò)大作用,生物擴(kuò)大作用（Bio

12、logical magnification）DDT含量海水 5×10-11浮游植物 4×10-8蛤 0.42銀鷗 75.5,2 食物網(wǎng)（Food web）,（1）定義： 食物網(wǎng)：食物鏈彼此交錯(cuò)連結(jié)，形成一個(gè)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。,,食物網(wǎng)越復(fù)雜，生態(tài)系統(tǒng)抵抗外力干擾的能力就越強(qiáng)，反之亦然。,3 微型食物網(wǎng),在海洋食物網(wǎng)中，由

13、浮游生物的自養(yǎng)和異養(yǎng)微生物群之間，從超微藻類 （pico-）和微型（nano-）至小型(micro-)生物之間，構(gòu)成一類微型食物網(wǎng)(microfood web)，在海洋生態(tài)系統(tǒng)的能流和物質(zhì)流中具有重要作用。小型浮游動物實(shí)際上包括一個(gè)以上的營養(yǎng)層次，因而形成一個(gè)相對獨(dú)立的所謂微型食物網(wǎng)，它是聯(lián)系大量微細(xì)初級生產(chǎn)者與橈足類等浮游動物的重要營養(yǎng)結(jié)構(gòu)。,浮游植物,小型（micro-）（硅藻）,微型（nanno-和超微型（pico-）,浮

14、游動物（橈足類等）,原生動物（鞭毛蟲 纖毛蟲類）,異養(yǎng)浮游細(xì)菌,魚類,有機(jī)糞便和分泌產(chǎn)物,經(jīng)典食物鏈,微型生物食物環(huán),,,,,,,,,,,,DOM,死亡,,網(wǎng)采浮游植物—橈足類—魚類DOM—異養(yǎng)浮游細(xì)菌—微型異養(yǎng)浮游動物（原生動物鞭毛蟲為主）—原生動物—橈足類 （微食物環(huán)）超微型自養(yǎng)生物（藍(lán)細(xì)菌原核生物和超微型光合真核生物）—原生動物—橈足類,（微食物網(wǎng)）,微型食物網(wǎng)的能流特點(diǎn),能量轉(zhuǎn)

15、換效率高 各營養(yǎng)層次的能量轉(zhuǎn)換效率可高達(dá)50％以上 營養(yǎng)物質(zhì)更新快 原生動物的個(gè)體小，世代時(shí)間短，單位體重營養(yǎng)物質(zhì)再礦化率比后生動物的高一個(gè)數(shù)量級，且原生浮游動物并不像后生動物那樣產(chǎn)生高沉降率的糞團(tuán)，對穩(wěn)定真光層初級生產(chǎn)水平有重要作用微型食物網(wǎng)在海洋中常與數(shù)量很大的碎屑有機(jī)物相聯(lián)系 碎屑因受細(xì)菌和原生動物所“侵襲”，形成一個(gè)微生物小生境，大大提高碎屑有機(jī)物的營養(yǎng)價(jià)值,,富營養(yǎng)水域，微型食物網(wǎng)作為捕食鏈的一個(gè)側(cè)

16、支，為海域生態(tài)系統(tǒng)的能流補(bǔ)充途徑，從而提高生產(chǎn)效率在貧營養(yǎng)海域，微食物環(huán)在海洋食物鏈的起始階段的作用遠(yuǎn)大于經(jīng)典捕食食物鏈，是能流的主渠道。自大洋至沿岸帶，超微型自養(yǎng)生物的光合作用產(chǎn)量相對穩(wěn)定，而異養(yǎng)細(xì)菌的二次生產(chǎn)則是沿岸帶比開闊大洋高得多。,四、營養(yǎng)級和生態(tài)金字塔,1 營養(yǎng)級定義 處于食物鏈某一環(huán)節(jié)上的所有生物種的總和。,生態(tài)系統(tǒng)中的營養(yǎng)級一般只有四、五級，很少有超過六級 ?,各營養(yǎng)級消費(fèi)者不可能百分之百地利用前一營

17、養(yǎng)級的生物量，總有一部分會自然死亡和被分解者所利用；各營養(yǎng)級的同化率也不是百分之百的，總有一部分變成排泄物而留于環(huán)境中，為分解者生物所利用；各營養(yǎng)級生物要維持自身的生命活動，總要消耗一部分能量，這部分能量變成熱能而耗散掉,,2 生態(tài)金字塔(ecological pyramid),指各個(gè)營養(yǎng)級之間的數(shù)量關(guān)系。,能量金字塔生物量金字塔數(shù)量金字塔,能量金字塔,各營養(yǎng)級所固定的總能量值的多少來構(gòu)成的生態(tài)金字塔。以相同的單位面積

18、和單位時(shí)間內(nèi)的生產(chǎn)者和各級消費(fèi)者所積累的能量比率來構(gòu)造（千卡/平方米.年）。,An energy pyramid for a prairie ecosystem.,,生物量金字塔,以相同單位面積上生產(chǎn)者和各級消費(fèi)者的生物量即生命物質(zhì)總量建立的金字塔。,陸地、淺水生態(tài)系統(tǒng)生物量金字塔,湖泊和開曠海洋，第一性生產(chǎn)者主要為微型藻類，生活周期短，繁殖迅速，大量被植食動物取食利用，在任何時(shí)間它的現(xiàn)存量很低，導(dǎo)致這些生態(tài)系統(tǒng)的生物量金字塔呈倒金字塔

19、形。,數(shù)量金字塔,單位面積內(nèi)生產(chǎn)者的個(gè)體數(shù)目為塔基，以相同面積內(nèi)各營養(yǎng)級有機(jī)體數(shù)目構(gòu)成塔身及塔頂。一般每一個(gè)營養(yǎng)級所包括的有機(jī)體數(shù)目，沿食物鏈向上遞減。,,數(shù)量金字塔有時(shí)會倒置,,,,,,,,,,浮游植物,浮游動物等,雜食性魚類,肉食性魚類,自然水體能量結(jié)構(gòu),,,,,,,,浮游動物和扇貝,,浮游植物,扇貝筏式養(yǎng)殖系統(tǒng),,,,,,,對蝦等,,人工飼料,對蝦池塘養(yǎng)殖系統(tǒng),養(yǎng)殖生態(tài)系統(tǒng)的特性,1. 其營養(yǎng)結(jié)構(gòu)是在人工干預(yù)下形成的,2. 有些增

20、加了飼料鏈,3. 生態(tài)金字塔畸形,4. 低生態(tài)緩沖能力和脆弱性,5. 養(yǎng)殖生物對水環(huán)境影響大,五、生態(tài)效率（ecological efficiencies）,各種能流參數(shù)中的任何一個(gè)參數(shù)在營養(yǎng)級之間或營養(yǎng)級內(nèi)部的比值關(guān)系。,攝食量（I）: 表示一個(gè)生物所攝取的能量。對于植物來說，它代表光合作用所吸收的日光能；對于動物來說，它代表動物吃進(jìn)的食物的能量。同化量（A）: 對于動物來說，它是消化后吸收的能量，對分解者是指對細(xì)胞外的吸收能量；

21、對于植物來說，它指在光合作用中所固定的能量，常常以總初級生產(chǎn)量表示。,1 能流參數(shù),,呼吸量（R）: 生物在呼吸等新陳代謝和各種活動中消耗的全部能量。生產(chǎn)量（P）: 生物在呼吸消耗后凈剩的同化能量值，它以有機(jī)物質(zhì)的形式累積在生物體內(nèi)或生態(tài)系統(tǒng)中。對于植物來說，它是凈初級生產(chǎn)量。對于動物來說，它是同化量扣除呼吸量以后的凈剩的能量值 。,同化效率 = 被植物固定的能量 / 植物吸收的日光能 =

22、 被動物消化吸收的能量 / 動物攝食的能量 即 Ae = An / In；,生產(chǎn)效率= n營養(yǎng)級的凈生產(chǎn)量 / n營養(yǎng)級的同化能量 即 Pe = Pn / An,2 生態(tài)效率,,消費(fèi)效率= n+1營養(yǎng)級的消費(fèi)能量/ n營養(yǎng)級的凈生產(chǎn)量  即 Ce = In+1 / Pn；,林德曼效率=n+1營養(yǎng)級所

23、獲得的能量/n營養(yǎng)級獲得能量,,林德曼定律 被綠色植物固定的能量，按10％一20％的效率沿食物鏈逐級傳遞－百分之十定律,,1 系統(tǒng)分類,隔離系統(tǒng) 有嚴(yán)格邊界，邊界阻止任何物質(zhì)和能量的輸入和輸出,六、生態(tài)系統(tǒng)的反饋調(diào)節(jié)與生態(tài)平衡,封閉系統(tǒng) 有邊界，其邊界只能阻止系統(tǒng)和周圍環(huán)境之間的物質(zhì)交換，卻允許能量的輸入和輸出,biosphere 2 ( science, v.302, 19 December 2003, p

24、2053),,開放系統(tǒng) 系統(tǒng)邊界開放，同時(shí)允許物質(zhì)和能量與系統(tǒng)的環(huán)境進(jìn)行交換,2 反饋 當(dāng)生態(tài)系統(tǒng)中某一成分發(fā)生變化的時(shí)候，它必然會引起其他成分出現(xiàn)一系列的響應(yīng)變化，這些變化最終又反過來影響最初發(fā)生變化的那種成分,,生態(tài)系統(tǒng)中的反饋（正反饋（左）和負(fù)反饋（右））,狼↑,狼↓,兔↓,兔↑,植物↓,植物↑,狼餓死,狼吃飽,吃了較多兔子,吃了較少兔子,兔吃飽,兔餓死,吃了較少的草,吃了大量的草,污染↑ ↑,魚死亡↑,污染↑,魚死

25、亡↑ ↑ ↑,魚死亡↑ ↑,污染↑ ↑ ↑,3 生態(tài)平衡,（1） 定義 生態(tài)系統(tǒng)通過發(fā)育和調(diào)節(jié)所達(dá)到的一種穩(wěn)定狀況，它包括結(jié)構(gòu)上的穩(wěn)定、功能上的穩(wěn)定和能量輸入、輸出上的穩(wěn)定。生態(tài)平衡是一種動態(tài)平衡在自然條件下，生態(tài)系統(tǒng)總是朝著種類多樣化、結(jié)構(gòu)復(fù)雜化和功能完善化的方向發(fā)展，直到使生態(tài)系統(tǒng)達(dá)到成熟的最穩(wěn)定狀態(tài)為止。,當(dāng)生態(tài)系統(tǒng)達(dá)到動態(tài)平衡的最穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，它能夠自我調(diào)節(jié)和維持自己的正常功能，并能在很大程度上克服和消除外

26、來的干擾，保持自身的穩(wěn)定性。 生態(tài)系統(tǒng)自我調(diào)節(jié)功能有一定限度生態(tài)危機(jī)：人類盲目活動而導(dǎo)致局部地區(qū)甚至整個(gè)生物圈結(jié)構(gòu)和功能的失衡，從而威脅到人類的生存,（2） 生態(tài)系統(tǒng)的自我調(diào)節(jié)功能,云南滇池暴發(fā)藍(lán)藻出現(xiàn)腥臭味 http://www.sina.com.cn 2007年06月25日18:23 新華網(wǎng),,,小結(jié),生態(tài)系統(tǒng)定義生態(tài)系統(tǒng)：生產(chǎn)者、消費(fèi)者、分解者和非生物環(huán)境食物鏈、食物網(wǎng)和營養(yǎng)級生態(tài)金字塔微型食物網(wǎng)水體：養(yǎng)殖