基础生态学42

第12章生态系统中的能量流动一、生态系统中的初级生产1、初级生产量和生物量的基本概念总初级生产量（GP）、呼吸消耗的能量（R）、净初级生产量（NP）之间的关系：GP=R+NPNP=GP–R→供生长、生殖之需—动物和人可以利用的能量初级生产量通常是用每年每平方米所生产的有机物质干重（g／m2·a）或每年每平方米所固定能量值（J／m2·a）表示生物量的概念生物量：在某一特定时刻调查时，生态系统单位面积内所积存的这些活有机质就叫生物量。生物量实际上就是净生产量的累积量，某一时刻的生物量就是在此时刻以前生态系统所累积下来的活有机质总量。生产量含有速率的概念，是指单位时间单位面积上的有机物质生产量，而生物量是指在某一特定时刻调查时单位面积上积存的有机物质。2、地球上初级生产力的分布陆地上湿地（沼泽和盐沼）生产量最高，≥2500g/m2海洋中藻类和珊瑚礁生产量最高，≥2000g/m2净初级生产力纬度分布前三名：赤道附近；北半球的中温带；南半球的中温带陆地季节波动大：夏季＞冬季垂直变化：乔木层＞灌木层＞草被层3、初级生产量的限制因素1，陆地生态系统——水、温度、营养物质2，水域生态系统——营养物质、光和食草动物的捕食二、生态系统的次级生产1，次级生产的一般过程模型2，动物种群的能量收支公式P=C–FU–RC代表动物从外界摄食的能量，A被同化的能量；FU代表排泄的能量；P净生产量；R呼吸能量。3，次级生产的生态效率消费效率：世代周期短高于世代周期长的草本植物、浮游生物世代短，更新快，消费效率高同化效率：肉食动物的高于植食动物，净生长效率：营养级越高，净生长效率越低。植食动物肉食动物；植物动物生产效率：无脊椎动物外温性脊椎动物内温性脊椎动物林德曼定律林德曼定律（十分之一定律）：能量沿营养级的移动时，逐级变小，后一营养级只能是前一营养级能量的十分之一左右。三、生态系统中的分解1，分解过程的性质概念：死有机物质的逐步降解过程性质:将有机物还原为无机物、释放能量分解的生态意义建立和维持全球生态系统的动态平衡通过死亡物质的分解，使营养物质再循环，给生产者提供营养物质维持大气中CO2浓度稳定和提高土壤有机质的含量，为碎屑食物链以后各级生物生产食物改善土壤物理性状分解作用的三个过程碎化：把尸体分解为颗粒状的碎屑异化：有机物在酶的作用下，进行生物化学的分解从聚合体变成单体(如纤维素降解为葡萄糖)进而成为矿物成分(如葡萄糖降为CO2和H2O)淋溶：可溶性物质被水淋洗出，完全是物理过程影响分解过程的因素分解者生物待分解资源质量分解时的理化环境2，分解者生物（1）细菌、真菌：分解过程的开始生长型：群体生长——酵母、细菌（繁殖、扩散）丝状生长——真菌、放线菌（穿透）营养方式：（节能）分解细胞外酶——催化分解底物——再吸收（2）动物A，陆地生态系统分解者主要是食碎屑的无脊椎动物小型：100μm以下，不能碎裂枯枝落叶，属粘附类型中型：100μm-2mm，调节微生物种群的大小和处理和加工大型动物粪便大型和巨型：2mm-20mm,碎裂植物残叶和翻动土壤,对分解和土壤结构有明显影响B，水生生态系统动物的分解过程分为搜集、刮取、粉碎、取食或捕食等几个环节碎裂者：以落入河流中的树叶为食颗粒状有机物质搜集者：一类从沉积物中搜集；另一类从水体中滤食有机颗粒刮食者：其口器适应在石砾表面刮取藻类和死有机物以藻类为食的食草性动物：捕食动物：以其他物脊椎动物为食3.资源质量物理、化学性质影响分解速率物理性质：表面特性和机械结构化学性质：随其化学组成而不同单糖半纤维纤维素木质素C:N最适的C：N=25-30：14，理化环境对分解的影响水热条件温度高、湿度大的地带，有机质分解速率高低温干燥地带，分解速率低分解速度随纬度增高而降低分解生物的相对作用无脊动物在地球上的分布随纬度的变化呈现地带性的变化规律低纬度热带地区起作用的主要是大型土壤动物，其分解作用明显高于温带和寒带高纬度寒温带和冻原地区多为中、小型动物，它们对物质分解起的作用很小分解指数K=I/XK：分解指数，I：死有机物年输入总量，X：系统中死有机物质现存量规律：热带雨林最高、温带草地高于温带阔叶林、冻原最低四、生态系统中的能量流动热力学第一定律(能量守恒定律):能量既不能创生，也不会消灭，只能按严格的当量比例由一种形式转变为另一种形式。热力学第二定律(熵定律)在能量传递和转化过程中，除了一部分传递和作功外，总有一部分以热的形式消散，使系统的熵增加熵是系统无序性的指标，是系统热量与温度之比若用熵概念表示热力学第二定律内能不变的封闭系统中，其熵值只朝一个方向变化，常增不减开放系统的一切过程使系统与环境熵值之和增加生态系统是一个开放系统，它不断地与环境进行能量交换。通过光合同化，引入负熵；通过呼吸，把正熵值转出系统。生态系统中能量流动的主要路径：能量以日光形式进入生态系统，以植物物质形式贮存起来的能量，沿着食物链和食物网流动通过生态系统，以动物、植物物质中的化学潜能形式贮存在系统中，或作为产品输出，离开生态系统，或经消费者和分解者生物有机体呼吸释放的热能自系统中丢失。能量是单向性和逐级减少的：生态系统能量的流动是单一方向的能量以光能的状态进入生态系统后，就只能以热的形式不断地逸散于环境中从太阳辐射能到被生产者固定，再经植食动物，到肉食动物，能量是逐级递减的过程各营养级消费者不能百分之百地利用前一营养级的生物量各营养级的同化作用也不是百分之百的生物的新陈代谢要消耗一部分能量本章小结分解包含几个过程？分解效率主要取决于几个方面的因素？生态系统中能量流动的特点？第十三章生态系统中的物质循环物质循环不同于能量流动，前者在生态系统中的运动是循环的；一、物质循环的一般特征生态系统的物质循环——又称生物地球化学循环：指无机化合物和单质通过生态系统的循环运动。——无机化合物和单质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。物质循环的模式生态系统中的物质循环可以用库和流两个概念概括——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合物所构成物质在生态系统中的循环——实际上是在库与库之间彼此流通的流通量：单位时间、单位面积内通过的营养物质的绝对值。表示方法：周转率与周转时间周转率=流通率/库中营养物质总量周转时间=库中营养物质总量/流通率二、生物地球化学循环的类型1.水循环2.气体型循环——物质分子或其化合物以气体的形式参与循环过程，循环快。有CO2、氮、氧、氯、氟等3.沉积型循环——物质分子或其化合主要通过岩石风化和沉积物溶解转变为可被生物利用的营养物质参与循环过程，循环速度极为缓慢。如硫、磷循环***水循环（一）全球水循环——由太阳能推动，大气、海洋和陆地共同形成的一个全球性水循环系统，是地球上各种物质循环的中心循环水循环的两种方式：——降水、蒸发特点：（1）地球降水和蒸发量总体相等（但不同地表和地区降水及蒸发量不同）2）水循环可实现营养物质在生态系统间的搬运（二）生态系统中的水循环包括：截取、渗透、蒸发、蒸腾、地表径流***气体型循环（一）碳循环全球C贮存量约为26×1015t，绝大部分90%以上以碳酸盐的形式禁锢在岩石圈中。而只有7500×109吨是以有机态埋藏在地下(如煤、石油)。生物可直接利用的碳是水圈和大气圈中以CO2形式存在的C。1、碳循环途径①绿色植物通过光合作用，把大气中的CO2固定，转化为碳水化合物②光合作用产物供各营养级利用、重组、呼吸、分解等，以CO2形式回到大气；③通过燃烧煤炭、天然气、石油等产生的CO2④脱离循环，被永久禁锢2、碳在生态系统中循环不平衡引起的生态效应CO2增加，引起温室效应对6个生物层次的产生潜在影响：生物圈：海平面上升，淹没大片海岸湿地，陆地生物区变化生态系统：农业生态系统；森林生态系统；水生生态系统；生物群落：影响生物群落结构，使植物群落中有些优势种竞争能力下降种群：改变某些植食性动物的食性，导致某些种群的互相作用强度增强物种：加速物种的灭绝，加速某些物种的迁移植物个体：提高水分利用，提高光合作用，促进作物生长，改变植物形态结构3、保持碳循环相对平衡的生态对策(1)减少CO2的排放提高能源的利用效率大力发展不含碳的能源和低碳能源代替煤炭(2)大力开展对CO2的吸收，固定和利用——植树种草、保护森林（二）氮的地球化学循环氮循环中的主要作用途径固氮作用——3条途径：闪电、宇宙射线、火山爆发等高能固氮，形成氨或硝酸盐，随降雨到达地面，为8.9kg/hm2·a工业固氮（化肥制造），目前全世界已达1×108t生物固氮（最重要途径），为100∽200kg/km2·a氨化作用——由氨化细菌和真菌的作用将有机氮分解成为氨与氨化合物硝化作用——氨化合物被亚硝酸盐细菌和硝酸盐细菌氧化为亚硝酸盐和硝酸盐反硝化作用——也称脱氨作用，反硝化细菌将亚硝酸盐转变成大气氮，回到大气库中「蓝婴症」饮用水如果含有太高的硝酸盐，用它来冲泡婴儿奶，可能为导致婴儿的「蓝婴症」，这是因为硝酸盐在胃酸环境下生成亚硝酸，会和血红素结合，大大降低了血红素的携带氧气的功能，造成婴儿的全身缺氧而呈现肤色发蓝紫。***沉积型循环（一）磷P的地球化学循环特点：（1）P无任何形式的气体化合物，是典型的沉积型循环物质（2）具有两种存在相：岩石相、溶盐相（3）循环：起始于岩石风化，终止于水中沉积（二）硫S的地球化学循环特点：（1）主要蓄库是——岩石圈，但有时可自由移动于大气圈（有气态化合物SO2）（2）具有两个循环阶段：沉积阶段（时间较长）气体阶段（时间较短）伦敦烟雾事件伦敦1952年2月5日到8日，雾大无风，家庭和工厂排出的烟尘经久不散，大气中SO2含量3.8毫克/立方米，烟尘4.5毫克，居民普遍呼吸困难、咳嗽、喉痛、呕吐和发烧，4天内死亡约4000人。第十四章陆地生态系统的主要类型及其分布第一节陆地生态系统分布的基本规律一、陆地生态系统水平分布的基本规律植被(vegetation)的概念覆盖一个地区的所有植物群落就叫这个地区的植被。覆盖地球表面的植物群落就叫地球植被。——主要有森林、草原、荒漠、苔原、沼泽等群落组成。影响植被分布的主要因素：气候和土壤水热条件：水分和温度水热条件变化的主要因素纬度：纬向地带性；经度：经向地带性；海拔：垂直地带性1，纬向地带性纬向地带性由于热量沿纬度的变化，出现生态系统类型有规律的更替从赤道向两极依次出现热带雨林亚热带常绿阔叶林温带落叶阔叶林寒温带北方针叶林苔原2，经向地带性在北美大陆和欧亚大陆，由于海陆分布格局与大气环流特点，水分梯度常沿经向变化植被因水分状况而按经度呈带状依次更替沿海的湿润区的森林半干旱的草原干旱区的荒漠我国植被分布纬度地带性从南自南沙群岛，北至黑龙江，跨50多个纬度从南向北形成各种热量带：热带、亚热带、温带和寒温带在湿润森林区域内，植被类型由南到北顺序为：热带雨林亚热带常绿阔叶林区温带落叶阔叶林寒温带针叶林区2，经向地带性在北美大陆和欧亚大陆，由于海陆分布格局与大气环流特点，水分梯度常沿经向变化植被因水分状况而按经度呈带状依次更替沿海的湿润区的森林半干旱的草原干旱区的荒漠我国植被分布经度地带性我国东西横跨经度约62度陆地上大气降水的主要来源是海洋蒸发的水汽，我国东临太平洋，西连内陆，受海洋季风影响的程度不同我国从东到西水分条件从湿润到干旱的明显变化，依次分布三大植被区域湿润森林半干旱草原干旱荒漠二、植被分布的垂直地带性温度、降水随海拔变化海拔每上升100米，气温下降0.6度。相当于平地北移60公里降水随高度的增加而增加，但达到一定界限后，降水量又降低垂直地带性由于海拔高度的变化，引起自然生态系统有规律地垂直交替垂直带谱随着海拔的升高而依次出现的植被带具体顺序依不同地区而异垂直带特点垂直带谱的基带与该山体所地区的水平地带性植被相一致越向高纬度，垂直带谱越简单，极地为冻原带，水平带与垂直带重合在同一纬度内，经度不同也影响山体植被的垂直带谱如长白山（东经128度）、西部的天山（东经86度），两者均北纬42度。但