第二十三章生态系统

1第二十三章生态系统本章重点：1.生态系统的组成；2.生态系统的物质循环与能量流动；3.生态平衡。本章难点：1.生态系统的物质循环与能量流动。第一节生态系统的组成和结构一、生态系统的基本概念生态系统是指在一定的时间和空间内，由生物群落与其环境组成的一个整体，各组成要素间藉助物种流动、能量流动、物质循环、信息传递和价值流动，而相互联系、相互制约，并形成具有自调节的复合体的一个生态学功能单位。生态系统的范围可大可小，通常是根据研究的目的和具体的对象而定。最大是生物圈，可看作是全球生态系统，小的如一块草地。生态系统生态学是以生态系统为对象，研究生态系统的组成要素、结构与功能、发展与演替，以及影响与调控机制的生态科学。二、生态系统的基本特征任何系统都是有一定的结构、各组分之间发生一定联系并执行一定功能的有序整体。生态系统具有不同于机械系统的许多特征，这些特征主要表现在以下几个方面：①有时空概念的复杂的大系统，任何一个生态系统都存在一定的时间和空间概念。例如，以北美洲为整体，整个北美洲就是一个生态系统，这个生态系统包括了美国的阿尔卑斯山脉、墨西哥沙漠和加拿大魁北克的雪山，而它们又可以分别是一个生态系统。我国内蒙古的部分地区在100年前还是草原生态系统，由于沙漠化，现在已经是沙漠生态系统了。②有一定的负荷力，每个生态系统都可以负荷一定的外力破坏，但是不同生态系统的负荷大小不一样。生态系统越复杂负荷能力就越大，就越不容易被破坏，森林生态系统的负荷能力最大。③有明确功能和公益服务性功能，草原生态系统为牛、羊提供食物，牛羊又为人类生活所需，牛羊的粪便又给牧草的生长提供肥料。④有自维持、自调控功能，在一定的条件下，生态系统能够自动调节和维持外来环境压力的影响，压力解除又可以恢复到原来的生态系统的状态。一个森林生态系统在遭受一场火灾后，在几年后小树长大又恢复了原来的生机。⑤有动态的、生命的特征，生态系统区别于一个物理系统的根本就是有生命的存在，并且是随着生命的变化而变化的。⑥有可持续发展特性，每个生态系统如果没有外力的作用都会一直持2续健康稳定的发展。三、生态系统的组成要素生态系统由生物成分和非生物成分组成，非生物成分提供生物生存的环境和空间，多种多样的生物在生态系统中扮演重要的角色。根据生物在生态系统中发挥的作用和地位，可划分为生产者、消费者和分解者三大类功能群。生态系统的成分可以概括为生命支持系统（非生物环境）、生产者、消费者和分解者四种基本成分。1.生产者生产者包括所有绿色植物和某些细菌，是生态系统中最基础的成分，它们是利用简单的无机物制造有机物的自养生物。具有能量固定的光合作用、环境改造和促进物质循环三大功能。2.消费者消费者是不能用无机物直接制造有机物，直接或间接地依赖于生产者所制造的有机物的生物，称为异养生物。根据取食地位和食性不同可以分为植食动物、肉食动物、杂食动物和腐食动物等。3.分解者分解者是异养生物，包括细菌、真菌、放线菌及土壤原生动物和一些小型无脊椎动物。在生态系统中不断地进行着分解作用，把复杂的有机物逐步分解为简单的无机物，最终以无机物的形式回归环境中，成为自养生物的营养物质，因此又称为还原者。四、生态系统的营养结构1.食物链Ⅰ非生物部分（生命支持系统）生态系统能源—太阳能、其他能源气候—光照、温度、降水、风等基质和介质—岩石、土壤、水、空气等物质代谢原料CO2、H2O、O2、N2等无机盐（矿物质原料）腐殖质、脂肪、蛋白质、碳水化合物等Ⅱ生物部分生产者－绿色植物、光合细菌、化能细菌等消费者（动物）食草动物－一级消费者一级食肉动物—二级消费者二级食肉动物—三级消费者杂食动物—杂食消费者腐食消费者、其他消费者分解者（还原者）—微生物（细菌、真菌等）3食物链是指生态系统内不同生物之间在营养关系中形成一环套一环的链条式的关系。食物链上每一环节称为营养级，植物所固定的能量通过一系列的取食和被取食关系通过食物链在生态系统中传递。自然生态系统主要有三种类型食物链：①牧食食物链或捕食性食物链是以活的绿色植物为基础，从食草动物开始的食物链，如小麦—蚜虫—瓢虫—食虫小鸟。②碎屑食物链或分解链是以死的动植物残体为基础，从真菌、细菌和某些土壤动物开始的食物链，如动植物残体—蚯蚓—动物—微生物—土壤动物。③寄生食物链是以活的动植物有机体为基础，从某些专门营寄生生活的动植物开始的食物链，如鸟类—跳蚤—鼠疫细菌。牧食食物链和碎屑食物链在生态系统中往往是同时存在的，相辅相成的起着作用。2.食物网在生态系统中，生物成分之间通过能量传递关系存在着一种错综复杂的普遍联系的关系，一种生物不可能固定在一条食物链上，而往往同时属于数条食物链。实际上，生态系统中的食物链很少是单条、孤立的出现，它们往往是交叉链索，形成复杂的网络式结构，即食物网。它形象地反映了生态系统内各生物有机体间的营养位置和相互关系。生物正是通过食物网发生直接和间接的联系，保持着生态系统结构和功能的相对稳定性。在一个具有复杂食物网的生态系统中，一般不会由于一种生物的消失而引起整个生态系统的失调，但是任何一种生物的绝灭都会在不同程度上使生态系统的稳定性有所下降。当一个生态系统很简单的时候，任何外力都可能引起这个生态系统发生剧烈的波动。3.营养级和生态金字塔一个营养级是指处于食物链某一个环节的所有生物种的总和，营养级之间的关系已经不是指一种生物和另一种生物之间的营养关系，而是指一类生物和处在不同营养层次上的另一类生物之间的关系。例如，作为生产者的绿色植物和所有自养生物都位于食物链的起点，即食物链的第一环节，它们构成了第一个营养级。所有以生产者（主要是绿色植物）为食的动物都属于第二个营养级，即植食动物营养级，第三个营养级包括所有以植食动物为食的肉食动物。依此类推，还可以有第四个营养级和第五个营养级等。由于食物链环节数目受到限制，所以营养级的数目不可能很多，一般限于3~5个。营养级的位置越高，归于这个营养级的生物种类和数量就越少，当少到一定程度的时候，就不可能在维持另一个营养级中的生物的生存了。由于动物在食物网中交错复杂的关系，一个营养级的动物很难被划分为某一个特定的营养级。生态金字塔是指各个营养级之间的数量关系，这种数量关系可采用生物量单位、能量单位和个体数量单位，采用这些单位所构成的生态金字塔就分别称为生物量金字塔、能量金字塔和数量金字塔。在生态系统中，植食动物到顶位的肉食动物有三个趋势和规律：第一，生物种类逐渐减少，种群密度渐低，繁殖速度渐慢；第二，体型增大，4取食专一性降低；第三，行为更为复杂，利用不同生境的能力增大。五、生态系统的类型生态系统根据不同的研究对象具有不同的分类类型，常见类型如下：第二节生态系统的能量流动和物质循环地球上生命的存在完全依赖于生态系统的能量流动和物质循环，二者不可分割，紧密结合为一个整体，成为生态系统的动力核心。一、能量流动的特点生态系统的能量流动具有以下几方面的特点：①生态系统中的能量流动是严格遵循热力学第一定律和第二定律。②生态系统中能量是单向流动的。能量一般以太阳能－植物－植食动物－一级肉食动物－二级肉食动物的方向流动而不能逆转。③能量在生态系统内流动的过程就是能量不断递减的过程。一般来说，生态系统中的能量在沿着捕食食物链的传递过程中，每从一个环节到另一个环节，能量大约损失90％，也就是只有10％的能量转化。这就造成了地球上动物比植物少，越处于食物链的顶端，数量越少。一般来说能量从太阳能开始沿着捕食食物链传递几次后就所剩无几了，所以食物链一般很短，通常只有4~5个环节，很少超过6个的。④能量在流动，能的质量在提生态系统的类型按照生态系统的生物成分按照生态系统结构和外界物质与能量交换按照人类活动及其影响程度按照能量来源植物生态系统动物生态系统微生物生态系统人类生态系统开放系统封闭系统隔离系统自然生态系统半自然生态系统人工生态系统自然无补加的太阳供能生态系统自然补加太阳供能生态系统人类补加的太阳供能系统燃料供能的城市工业生态系统按照生态系统的非生物成分陆地生态系统水域生态系统海洋生态系统淡水生态系统5高。位于生态金字塔顶端的生物获得的能量少，但是获得的能量所从事的生物活动就越复杂。⑤能量流动的速率不同，生态系统中能量流动的速率与生态系统的类型和不同的生物有密切关系。二、生态系统中的初级生产和次级生产1.初级生产初级生产又称第一生产，是指绿色植物和某些细菌的生产。植物通过光合作用，吸收和固定光能，把无机物转化为有机物的生产过程。影响初级生产的主要因素有阳光、水、营养物质等理化因素和植物类型、品系、消费者等。2.次级生产次级生产是指生态系统初级生产以外的生物有机体生产。次级生产是异养生物的生产，动物的肉、蛋、奶、毛皮、体壁、骨骼等都是次级生产的产物。次级生产最终是以初级生产为基础的，初级生产的质和量对次级生产有直接和间接的影响。三、物质循环的特点生态系统中的物质循环又称为生物地化循环，是指营养元素在生态系统之间的输入和输出、生物间的流动和交换以及它们在大气圈、水圈、岩石圈之间的流动。物质循环是个复杂的过程，其中有多种介质参加，涉及众多的元素，发生多种化学反应。能量流动和物质循环是生态系统的两个基本过程，正是这两个基本过程使生态系统各个营养级之间和各种成分之间组织成为一个完整的功能单位。但是能量流动和物质循环的性质不同，能量流动经生态系统最终以热的形式消散，能量流动是单方向的，因此生态系统必须不断的从外界获得能量。而物质循环的流动是循环式的，各种物质都能以可被植物利用的形式重返环境。能量流动和物质循环都是借助于生物之间的取食过程而进行的，但这两个过程是密切相关不可分割的，因为能量是储存在有机分子键内，当能量通过呼吸过程被释放出来用以做功的时候，该有机化合物就被分解并以较简单的物质形式重新释放到环境中去。四、几个主要的物质循环1.水循环水循环是最基本的地球化学循环，它强烈的影响着其他物质的循环，其主要循环路线是从地球表面通过蒸发进入大气圈，同时又不断的从大气圈通过降水而回到地球表面。蒸发、降水和水的滞留、传送（如地表径流）使地球上的水量维持一定的平衡。2．碳循环碳对生物和生态系统的重要性仅次于水，它构成生物体重量（干重）的49％。碳循环是在生态系统中伴随着光合作用和能量流动的过程而进行的，绿色植物通过光合作用将大气中的CO2和水转化为有机物，构成全球的基础6生产。通过食物链，碳水化合物转化成动物体的营养物质，一部分通过呼吸作用回到大气；另一些排泄物和动植物的遗体中的碳由细菌等的分解作用也返回到大气中，被植物再利用。3．氮循环自然界的氮总是不断的流动的，大气含氮为3.9×1021g，是最大的氮库，通过高能固氮、生物固氮和工业固氮三种途径进行固氮作用。氮循环中主要有氨化作用、硝化作用、反硝化作用和固氮作用四个基本的生物化学过程。五、有毒物质的富集作用有毒物质很多，包括有机的和无机的两类，它们进入生态系统的途径多种多样。从生态系统生物地球化学循环的观点看，自然资源和污染物之间是可以相互转化的。生物富集（放大）作用是指某些物质元素或难分解的化合物通过食物链在有机体内逐级累积起来，并随着食物链中营养级越高，累积剂量越大的现象。如DDT通过海水—浮游植物—浮游动物—鱼类—燕鸥—银鸥，原来在海水中的浓度为5×10－11ml/L增加至银鸥体内的浓度为75.5×10－6ml/L，放大作用150万倍。第三节生态系统的稳定性和平衡为了深入研究生态系统的结构和功能，美国科学家于1984年开始兴建一个完全封闭的生态实验室。由于这个实验室是模拟生物圈结构而建造的，因此叫“生物圈Ⅱ号”。这个实验室有半个足球场那么大，在巨大的玻璃罩里面，有微型的森林、沙漠、农田、海洋和溪流。1993年1月，8位科学家进入这个实验室，它们计划在完全与外界隔绝的情况下，自己生产食物，喝溪流水，吸收植物释放的氧，在这个实验室内生活两年。但是，仅仅过了一年多，这个实验室的氧气含量大幅减少，粮食严重减产，他们只好提前撤出。其原因就是这样的生态系统是很难像真正的生物圈那样长期保持稳定。一、生态系统稳定的概念生态系统中的生