生态系统生态学.docx
《生态系统生态学.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《生态系统生态学.docx（22页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
生态系统生态学
第四章生态系统生态学
生态系统的结构
生态系统的基本功能
主要生态系统的类型
生态系统的结构
●生态系统的组成要素及功能
●生态系统物种结构
●生态系统营养结构
●生态系统的空间与时间结构
生态系统的基本概念
⏹生态系统（ecosystem）的定义:
指在一定的空间内，生物成分和非生物成分通过物质循环和能量流动互相作用、互相依存而构成的一个生态学功能单位，这个生态学功能单位称生态系统。
（英国植物生态学家A.G.Tansley（1935）提出）
生态系统的组成成分
■无机物
■有机化合物
■气候因素
■生产者
（producer）
■消费者
（consumer）
■分解者
（还原者）（decomposer）
•生产者（producers）又称初级生产者（primaryproducers），指自养生物，主要指绿色植物，也包括一些化能合成细菌。
这些生物能利用无机物合成有机物，并把环境中的太阳能以生物化学能的形式第一次固定到生物有机体中。
初级生产者也是自然界生命系统中唯一能将太阳能转化为生物化学能的媒介。
♦消费者不能利用无机物质制造有机物质，而是直接或间接依赖于生产者所制造的有机物质。
它们属于异养生物。
⏹分解者（composers），指利用动植物残体及其它有机物为食的小型异养生物，主要有真菌、细菌、放线菌等微生物。
小型消费者使构成有机成分的元素和贮备的能量通过分解作用又释放到无机环境中去。
生态系统各成份的相互关系
线条粗细表示作用强弱和物质能量流通的总量多寡
无机物质有机物质气候因素
生态系统各成份的相互关系
线条粗细表示作用强弱和物质能量流通的总量多寡
无机物质有机物质气候因素
生态系统的物种结构
⏹物种结构
⏹关键种
⏹冗余种
⏹物种在生态系统中的作用
⏹镏钉假说
⏹冗余假说
生态系统的营养结构
•食物链
•食物网
–食物网的结构特点
–食物网的控制机理
食物链及其类型
•生产者所固定的能量和物质，通过一系列取食和被食的关系而在生态系统中传递，各种生物按其取食和被食的关系而排列的链状顺序称为食物链。
•捕食食物链：
以植食动物吃植物的活体开始。
•碎屑食物链：
从分解动植物尸体或粪便中的有机物质颗粒开始。
•寄生食物链：
寄生物和食腐动物形成辅助食物链。
•水体生态系统中的食物链如：
浮游植物→浮游动物→食草性鱼类→食肉性鱼类。
•比较长的食物链如：
植物→蝴蝶→蜻蜓→蛙→蛇→鹰。
食物网
•生态系统中的食物链彼此交错连接，形成一个网状结构，这就是食物网。
•物种在食物网中的位置类型：
顶位种，中位种，基位种
一个食物链的例子“螳螂捕蝉，黄雀在后”（（据周立志）
食物链的特征
Ø食物链的长度通常不超过6个营养级，最常见的4—5个营养级，因为能量沿食物链流动时不断流失；
Ø食物链越长，最后营养级位所获得的能量也越少。
因为从起点到终点经过的营养级越多，其能量损耗也就越大；
Ø食物链或食物网的复杂程度与生态系统的稳定性直接相关；
Ø生态系统中的食物链不是固定不变的，它不仅在进化历史上有改变，在短时间内也会发生变化。
食物链和食物网的意义
•食物链是生态系统营养结构的形象体现；
•生态系统中能量流动和物质循环正是沿着食物链和食物网进行的；
•食物链和食物网还揭示了环境中有毒污染物转移、积累的原理和规律。
食物网的控制机理
•自上而下机理
•自下而上机理
•实际结果:
两种效应同时控制
空间与时间结构
■空间结构
—分层现象
—森林生态系统
—动物的空间分布
—水域生态系统的分层现象
■时间结构
第二节生态系统的基本功能
■生物生产
■能量流动
■物质循环
■信息传递
■自我调节
生物生产
-----初级生产者的概念
■生产力是指单位时间、单位面积上的有机物质生产量。
单位：
g／（m2·a）
■生物量是指在某一定时刻调查时单位面积上积存的有机物质。
单位是干重g／m2或J／m2。
生物生产
-----初级生产者的概念
■植物所固定的太阳能或所制造的有机物质称为初级生产量或第一性生产量。
■植物固定的能量有一部分被植物自己的呼吸消耗掉，剩下的可用于植物生长和生殖，这部分生产量称为净初级生产量。
■包括呼吸消耗在内的全部生产量，称为总初级生产量。
■总初级生产量（GP）、呼吸所消耗的能量（R）和净初级生产量（NP）3者之间的关系是：
GP＝NP+R
NP＝GP－R
生物生产
-----初级生产量的测定方法
1.收获量测定法
2.氧气测定法
3.CO2测定法
4.放射性标记物测定法
5.叶绿素测定法
生物生产
-----初级生产力的分布
次级生产
■次级生产指消费者通过摄取、吸收直接或间接来自植物生产的有机物质，通过消费者自身的生物过程将这些物质转化为自身有机物质的过程，在此过程中，植物制造的有机物质所包含的能量也有部分转化为消费者制造有机物质中储存的能量
生物生产
-----次级生产过程
■C=A+FU
■A=P+R
P=C－FU—R
其中：
P代表净生产量，C代表动物从外界摄食的能量，FU代表粪、尿能量，R代表呼吸能量。
生物生产-----次级生产量的测定方法
1．按同化量和呼吸量估计生产量
P=A—R
按摄食量扣除粪尿量估计同化量，即
A=C—FU
2．测定次级生产力的另一途径
P=Pg+Pr
式中：
Pr代表生殖后代的生产量，
Pg是个体增重的部分
生态系统中的能量流动
-----热力学定律
■热力学第一定律：
在自然界发生的所有现象中，能量既不能消失也不能凭空产生，它只能以严格的当量比例由一种形式转变为另一种形式。
（又称为能量守恒定律）
■热力学第二定律：
在封闭系统中，一切过程都伴随着能量的改变，在能量的传递和转化过程中，除了一部分可以继续传递和作功的能量（自由能）外，总有一部分不能继续传递和作功，而以热的形式消散，这部分能量使系统的熵和无序性增加。
能流特点
⏹与物理系统中的区别
⏹单向流
⏹不断递减
⏹质量提高
能量流动规律
-----林德曼效率
■所谓林德曼效率是指n+1营养级所获得的能量占n营养级获得能量之比。
■既：
林德曼效率＝（n+1）营养级摄取的食物/n营养级摄取的食物
■平均10％
物质循环
■循环模式
■循环类型
■有渡物质循环
生物地化循环（biogeochemicalcycle）
■矿物元素在生态系统之间的输入和输出，它们在大气圈、水圈、岩圈之间以及生物间的流动和交换称生物地（球）化（学）循环，即物质循环（cyclingofmaterial）。
生物地化循环的特点
■①物质循环不同于能量流动，后者在生态系统中的运动是循环的；
■②生物地化循环可以用库和流通率两个概念来描述。
库是由存在于生态系统某些生物或非生物成分中一定数量的某种化学物质所构成的，可分为贮存库和交换库。
前者的特点是库容量大，元素在库中滞留的时间长，流动速率小，多属于非生物成分；交换库则容量较小，元素滞留的时间短，流速较大。
物质在生态系统单位面积（或单位体积）和单位时间的移动量称流通率。
■③生物地化循环在受人类干扰以前一般是处于一种稳定的平衡状态。
■④元素和难分解的化合物常发生生物积累、生物浓缩和生物放大现象。
生物积累、生物浓缩和生物放大
■生物积累（bioaccumlation）:
指生态系统中生物不断进行新陈代谢的过程中，体内来自环境的元素或难分解的化合物的浓缩系数不断增加的现象。
■生物浓缩（bioconcentration）:
指生态系统中同一营养级上许多生物种群或者生物个体，从周围环境中蓄积某种元素或难分解的化合物，使生物体内该物质的浓度超过环境中的浓度的现象，又称生物富集。
■生物放大（biomagnification）:
指生态系统的食物链上，高营养级生物以低营养级生物为食，某种元素或难分解化合物在生物机体中浓度随营养级的提高而逐步增大的现象。
生物放大的结果使食物链上高营养级生物体中该类物质的浓度显著超过环境中的浓度。
生物地化循环的类型
■水循环
■气体型循环
■沉积型循环
水循环（aquaticcycle）
■水循环的意义：
Ø水是所有营养物质的介质；
Ø水对物质是很好的溶剂；
Ø水是地质变化的动因之一。
■水循环的途径
■人类活动对水循环的影响：
Ø空气污染和降水；
Ø改变地面，增加径流；
Ø过度利用地下水；
Ø水的再分布。
水循环示意图
气体型循环（gaseouscycle）
■氧循环
■碳循环
■氮循环
氧循环（oxygencycle）
碳循环（carboncycle）
氮循环（nitrogencycle）
沉积型循环（sedimentarycycle）
■磷循环
■硫循环
磷循环（phosphoruscycle）
沉积型循环
硫循环（sulfurcycle）
有毒物质的迁移和转化
■有毒物质的类型
■有毒物质的迁移和转化
■有毒物质循环的典型代表----汞循环
有毒物质的类型
■有毒物质（toxicsubstance）又称污染物（pollutant），按化学性质分两类。
无机有毒物质主要指重金属、氟化物、和氰化物；有机有毒物质主要有酚类、有机氯药等。
■按污染物的作用分一次污染物和二次污染物。
前者由污染源直接排入环境的，其物理和化学性状未发生变化的污染物，又称原发性污染物；后者是由前者转化而成，排入环境中的一次性污染物在外界因素作用下发生变化，或与环境中其它物质发生反应形成新的物理化学性状的污染物，又称继发性污染物。
有毒物质的迁移和转化
■迁移（transport）是重要的物理过程,包括分散、混合、稀释和沉降等；
■转化（transformation）主要是通过氧化、还原、分解和组合等作用，会发生物理的化学的和生物化学的变化。
汞循环（mercurycycle）
元素循环的相互作用
■自然界中的元素循环是密切关联和相互作用着的，而且表现在不同的层次上。
■例如在光合作用和呼吸作用中，碳和氧循环是互相联结的。
海洋生态系统的初级生产的速率受到浮游植物的氮／磷比影响，从而使碳循环与氮和磷循环联结起来。
淡水生态系统中磷的有效性也受到底部沉积物中的硝酸盐和氧多少的间接影响。
■由于大气二氧化碳含量的增加，可能使光合作用速率上升，全球气候变暖，并伴随着出现光强度的减弱和土壤湿度的降低。
植物在生理上对于二氧化碳含量的反应，又与对温度的反应强烈相关，同时还受到氮的有效性所约束
信息传递
⏹信息与信息量
⏹信息及其传递
⏹行为信息传递
⏹营养信息传递
生态系统的信息流动
----信息的概念及其特征
•狭义：
通讯系统中的消息、情报、指令、数据和信号灯的传送。
•广义：
事物存在的方式或运动状态以及各种方式、状态的表达。
•信息是客观存在，来源于物质，与能量有密切的关系。
•信息是重要的资源，可以采集、生成、压缩、更新和共享。
信息的类型及其传递
•物理信息及其传递
•化学信息
–动植物之间
–动物之间
–植物之间
•行为信息及其传递
•营养信息及其传递
生态系统的信息流动
----信息化的生态系统
1.阳光与植物间的信息联系
•植物形态建成功能受阳光信息控制。
•光信息对植物种子的萌发作用有两重性。
•在量上，比光合作用需要的要少；在质上，超出了可见光的范围，在作用上，仅能启动植物发生和分化方式的转化。
生态系统的信息流动
----信息化的生态系统
2.植物间的信息交流
•次生代谢物质，对基础代谢物质作用不大，但影响其它植物的生长强力地改变着生态系统的结构和组成。
•植物信息物质的种类是多样的，信息的传播途径是多种的（树叶、树脂、根部；大气、雨水、土壤）。
生态系统的信息流动
----信息化的生态系统
3.植物与动物间的信息交流
•通过形态、生理生化、生态对策等方面采取各种手段保卫自己。
•皮刺、细毛、次生代谢物等。
•花的颜色吸引昆虫。
生态系统的信息流动
----信息化的生态系统
4.视觉信号通讯
•具有一定的作用距离。
•包括光的变化、物体的形状、结构、移动等。
•易于定位，只能直线传播，易受光线的影响。
生态系统的信息流动
----信息化的生态系统
5.声音信号通讯
•具有种属的特异性，需要对声音信息检测、定向、确定距离和位置。
•动物为主，尤其是昆虫、鸟类等。
6.化学信号通讯
•原生动物到哺乳动物都能分泌化学信息物质。
称为信息素或外激素。
•皮肤、腺体、器官、排泄物等。
生态系统的信息流动
----信息化的生态系统
7.触觉信号通讯
•近距离，身体接触。
8.舞蹈信号通讯
•蜜蜂、蚂蚁等。
生态系统的自我调节
•反馈调节
–正反馈
–负反馈
•生态平衡
反馈调节
•反馈（feedback）
–系统的一个组分的变化，引起了另外组分的变化反过来又导致或调整前一组分的变化就是反馈
•正反馈（positivefeedback）
–上述变化中，如果另外组分的变化导致前一组分变化的进一步加强就是正反馈，如麦克风对着扩音器会导致啸叫
•负反馈（negativefeedback）
–上述变化中，另外组分的变化导致前一组分的变化的减弱从而调整或控制变化的幅度即负反馈，如恒温箱的控制即负反馈
•生态系统中较多表现负反馈，某些生境中有正反馈
生态平衡
•在一定时空条件下，生态系统的结构与功能表现为相对稳定，能量与物质的输入、输出接近相当，外来干扰所引起的变化可由自我调节而恢复到原初的稳定状态，生态系统的这种状况即为生态平衡。
影响生态平衡的因素
•自然因素
–主要表现在环境突变上。
如陨石撞击、影响的局限性和广泛性火山爆发、地震、山洪、水/旱灾难、海啸、泥石流、电击火烧。
特点：
局限性。
•人为因素
–特点普遍性和加剧表现。
①关键物种人为灭绝（猎捕、生境、经济原因）；②引种导致食物链破坏：
物种的引入（有意、无意）；③砍伐森林，破坏植被木材需求（人口增长）、战争、政治原因；范围：
水体、陆地；④污染，农业、生活、工业原因（如除草剂、化学药品、除虫剂）；；⑤人类的大型工程建设；⑥人类工业重大事故；此外如基因工程的潜在危险等等。
调整被破坏的生态平衡
•①收获量与生产量关系
•②调整食物链
•③从生态系统整体性考虑问题：
如大型工程综合考虑。
•④从生态学角度和整体角度考虑和规划生态区域及工业、农、林、牧业发展方向；
•⑤人造高产生态系统的发展；
•⑥建立自然保护区；
•⑦控制和治理污染。
第三节生态系统的类型
•地球上的生态系统，根据人类活动的影响大小可以分为自然生态系统和人工生态系统。
根据能源的来源可以分为四种主要类型，它们分别是无补助的太阳供能生态系统、自然补助的太阳供能生态系统、人类补助的太阳供能生态系统、燃料供能的城市—工业系统。
但一般较少以这种方式来划分地球上的生态系统。
而以下面的划分方式来划分:
世界主要生态系统的类型
•森林生态系统
•草地生态系统
•河流生态系统
•湖泊生态系统
•海洋生态系统
•湿地生态系统
•城市生态系统
分布示意图
森林生态系统
•森林生态系统占世界陆地面积的22%，森林生态系统的生产者包括林内的乔木、灌木、草本、藤本植物，其中木本植物是主要建群者，同时也是主要生产者。
•森林生态系统无论是形态结构还是营养结构，都是极端复杂的，具有最复杂的营养级和食物网关系，也是生产力最大的生态系统。
它以巨大的生产力维持着各种类型的消费者，从最大型的食草类消费者例如大象，到最凶猛的肉食类消费者，构成长短不一的食物链和食物网，因此研究它们的功能和结构也是最困难的。
•热量的多少，生长季节的长度，决定着森林生态系统的结构成分、能量流动和物质循环的速率以及生物生产量的高低。
根据这些特征，森林生态系统可划分出热带雨林、热带季雨林、亚热带常绿阔叶林、温带落叶阔叶林、亚寒带针叶林等一系列不同的类型生态系统。
我国的森林资源现状
•我国森林生态系统的主要问题
Ø森林生态系统比例小，地理分布不均匀；
Ø森林生态系统生物群落结构发生变化，系统自身调节能力下降；
Ø恢复和重建速度慢。
•森林生态系统破坏的生态危害：
Ø促进沙漠化的过程；
Ø对大气化学产生影响；
Ø引起气候变化、增加自然灾害发生的频率。
•我国森林生态系统恢复和重建对策：
Ø加快森林生态战略工程的建设，增大比例、改变格局；
Ø积极推广农林复合生态系统的建设；
Ø尽快建立南方用材林基地；
Ø加强科学管理，发挥现有森林综合效益潜力。
热带雨林
•一般认为热带雨林是指耐阴、喜雨、喜高温、结构层次不明显、层外植物丰富的乔木植物群落。
•热带雨林主要分布于赤道南北纬5～10?
以内的热带气候地区。
这里全年高温多雨，无明显的季节区别，年平均温度25～30℃，最冷月的平均温度也在18℃以上，极端最高温度多数在36℃以下。
年降水量通常超过2000mm，有的竟达6000mm，全年雨量分配均匀，常年湿润，空气相对湿度90％以上。
热带雨林特点
（1）种类组成特别丰富，大部分都是高大乔木。
（2）群落结构复杂，树冠不齐，分层不明显。
（3）藤本植物及附生植物极丰富，在阴暗的林下地表草本层并不茂密。
在明亮地带草本较茂盛。
（4）树干高大挺直，分枝小，树皮光滑，常具板状根和支柱根。
（5）茎花现象（即花生在无叶木质茎上）很常见。
（6）寄生植物很普遍。
（7）热带雨林的植物终年生长发育。
热带雨林在世界的分布
•世界上的热带雨林分成三大群系类型，即印度马来雨林群系、非洲雨林群系和美洲雨林群系。
热带雨林在中国的分布
•我国的热带雨林主要分布在台湾省南部、海南岛、云南南部河口和西双版纳地区。
此外，在西藏自治区墨脱县境内也有热带雨林的分布。
•由于我国雨林是世界雨林分布的最北边缘，因此，林中附生植物较少，龙脑香科的种类和个体数量不如东南亚典型雨林多，小型叶的比例较大，一年中有一个短暂而集中的换叶期，表现出一定程度上的季节变化，这是由于纬度偏高所至。
亚热带常绿阔叶林
•亚热带常绿阔叶林发育在湿润的亚热带气候地带。
常绿阔叶林主要由樟科、壳斗科、山茶科、金缕梅科等科的常绿阔叶树组成。
•常绿阔叶林在地球上分布于亚热带地区的大陆东岸，南北美洲、非洲、大洋洲均有分布，但分布的面积都不大；在亚洲除朝鲜、日本有少量分布外，以我国分布的面积最大。
•我国原始的常绿阔叶林保存很少，常绿林大多已被砍伐，而为人工或半天然的针叶林所替代。
此外，竹林也是我国亚热带气候区的一种十分重要的植被类型。
夏绿阔叶林
•由夏季长叶冬季落叶的乔木组成的森林称为夏绿阔叶林或落叶阔叶林。
它是在温带海洋性气候条件下形成的地带性植被。
•主要分布在西欧，并向东伸延到前苏联欧洲部分的东部。
日本北部、朝鲜、北美洲的东部和南美洲的一些地区也有分布。
•我国主要分布在东北和华北地区。
•夏绿阔叶林主要由杨柳科、桦木科、壳斗科等科的乔木植物组成。
北方针叶林
•北方针叶林是指寒温带针叶林，它是寒温带的地带性植被。
•主要分布在欧洲大陆北部和北美洲，此带是整个森林带的最北界线。
•通常由云杉属和冷杉属树种组成。
•在我国温带、暖温带、亚热带和热带地区，寒温性针叶林则分布到高海拔山地。
•是我国森林覆盖面积最大、资源蕴藏最丰富的森林。
草地生态系统
•全世界的草原有3000万km2，约占陆地面积的24%。
欧亚大陆，自匈牙利中部开始，向东经中亚西亚、西伯利亚、蒙古直到我国的内蒙古、东北大草原，形成了一条宽阔的草原带。
此外，在北美中部、南美南部、非洲南部和澳洲等地也有草原分布。
•结构可分为三层：
草本层、地面层和根层。
•北美草原年平均降水量约1000mm，地上部分的净初级生产力为482～570g/m2·a。
•稀树干草原生态系统又称为Savanah，是地球表面最大的生态系统之一。
其特点是降雨不多，但降雨集中，全年干湿季节交替出现。
初级生产者常以热带型干旱草本植物为背景，上面生长着稀疏的伞形树冠状乔木。
动物主要以斑马、长颈鹿、狮子等大型动物为主。
稀树草原的净初级生产力，依植物生活型的不同而有较大的变幅，一般在生长季节中，初级生产力变动在37～800g/m2·年之间。
•放牧是草原生态系统能量流动和物质循环的一个重要因子，适度放牧可以促进草原生产力的发展，因为草食类动物剩余的不能利用的物质如粪便等又归还给草原，使初级生产者得到丰富的养分而提高生产力；并且牲畜的适当践踏还有助于种子进入土壤。
但是如果放牧量过大，或有过量的啮齿类动物活动，草原都将向逆向演替。
淡水生态系统-河流和湖泊
•淡水生态系统可根据水的流速分为流水和静水生态系统两大类型。
•流水主要是河流、溪流、水渠等水体。
水的流动性受落差垂直变化的影响，流速受流量及河床大小之间比率的影响。
在流水型水生生态系统中，初级生产者为藻类构成的黏附性群落、水生植物等，另外陆地植物叶片的凋落物也是水生生态系统重要的物质和能量来源。
消费者主要是一些昆虫、无脊椎动物、两栖类、以及鱼类。
其食物链的基本形式是：
水生植物→无脊椎动物→鱼类。
•静水生态系统是指陆地上的淡水湖泊、沼泽、池塘和水库等不流动的水体所形成的生态系统。
湖泊生态系统是一个典型的静水生态系统。
•任何一个湖泊生态系统在结构上可分为三个层次：
沿岸带、表水层和深水层。
在沿岸带，湖水较浅，阳光较强，O2充足，温度也高，营养物质丰富。
因此，沿岸带聚集着大量的植物和动物。
其中，水生绿色维管植物和浮游藻类等生产者尤为繁盛，并且由湖岸向湖心的方向深入，植物带呈同心圆状分布。
浅水层也叫湖沼带，以浮游植物及其他自养生物占优势，包括硅藻、蓝藻、绿藻、双鞭甲藻等等，水域中的O2含量高，因此吸引了许多消费者，如浮游动物中的原生动物、轮虫、枝角类或桡足类等，浮游生物又为各种鱼类提供了丰富的食饵。
所以很多鱼类也在表水层中生活。
在深水层中，因为光线微弱，不能满足绿色植物光合作用的需要，所以深水层以异养动物和嫌气性细菌为主。
海洋生态系统
■海洋面积占地球表面的71%，平均深度是3750m，最深处为太平洋的马里亚纳海沟，11036m。
平均含盐量30‰，海水具有流动性，溶于水中的所有物质都可以扩散，因此，海洋环境具有一定的均一性和稳定性。
■海洋生态系统包括海岸带、浅海带、上涌带、远洋带和珊瑚礁。
远洋带约占整个海洋面积的90%，浅海带7.5%，海岸带、上涌带和珊瑚礁占2.5%。
—海岸带是海洋与陆地交界的区域，主要生产者是固着生长的大型藻类，如海带、裙带菜以及紫菜等，形成水下植被。
消费者是许多消费大型藻类的海洋动物和滤食性动物。
—浅海带水深200m左右，主要是大陆架。
接受了河流带来的大量有机物，光线充足，温度适宜，有大量生物，是海洋生命最活跃的地带。
主要生产者是单细胞浮游藻类，如各种硅藻。
第一级消费者是草食性的浮游动物。
浮游植物和草食性浮游动物为其他更高营养级
升级会员 