生态学课件

第三章植物在生态系统中的作用3初级生产3.1初级生产力的概念3.2影响初级生产的主要因素3.3初级生产力的分布4植物与生态系统的平衡4.1植物在生态平衡中的基础4.2植物的生物多样性与生态平衡5植物与生态系统的生态服务5.1资源保障5.2环境支持一主要内容1本节重点(1)初级生产的形成过程；(2)影响初级生产的因素;(3)初级生产在地球上的分布。2本节难点(1)C3、C4和CAM植物在环境中表现出来的光合效率的差异性；(2)植物在生态系统中是如何发挥作用的。二本节重难点三讲授新课初级生产者的光合作用光太阳水、二氧化碳氧气、有机物（糖类）消费者、分解者及植物的呼吸废热宇宙植物作为初级生产者示意图3.1初级生产力的概念1概念:是指单位面积和时间内生态系统中的植物固定能量、生产有机质的数量。有时也称为初级生产量。其表示方法有两种：(1)以固定能量的多少来表示（cal.m-2.a-1)；(2)以生产有机质的多少来表示(g.m-2.a-1)。总初级生产力(GrossPrimaryProductivity，Pg)：植物在单位面积和时间内生产有机物质的总量或固定同化的总能量。净初级生产力(NetPrimaryProductivity，Pn)：植物呼吸消耗(Respiration，R)后剩下的有机物质的量或能量。公式为：Pn=Pg-R2其形式3净增生物量(NetGainableBiomass，△B)：单位时间内单位面积所增加的植物生产量,公式为△B=Pn-L-G；其中L为一定时间内植物的凋落物(Litter)；G为被动物或其他消费者所啃食(Grazing，G)的量。4生物量(Biomass)：地表单位面积内现存的活植物体总量或贮存的总能量，即现存量(StandingCrop)，常用kg.m-2或t.hm-2表示。△Pn=△B+△L+△G不同生态系统的植物、同一生态系统中植物的不同发育阶段△L、△G的大小不同。一般成熟的生态系统中，净初级生产力主要用于维持系统中动物的取食和变成凋落物，基本没有净增生物量。C4植物纤毛蒺藜草68甘蔗属64苏丹草57玉米55C3植物草本植物波依奥小麦45宽叶香蒲43稻40向日葵28大豆27凤眼蓝20表3-1不同植物或植被的净初级生产力（以固定CO2量表示，u.mol.m-2.s-2)木本植物柳属20～35杨属20～25三叶胶20～26臭椿20少花桉15～20欧洲赤松17CAM植物梅皮萨加龙舌兰34富尔克罗依德龙舌兰23印度仙人掌20表3-1不同植物或植被的净初级生产力（以固定CO2量表示，u.mol.m-2.s-2)总初级生产效率经常用总初级生产量的能量与同一时期内相应面积所吸收太阳的辐射能来表示。一般地，植物能够利用的太阳能总量是很有限的。热带雨林和湿地大多数森林草原和高原干草原、半荒漠＞＞3.2.1光合能力3.2.1.1光合效率a光合作用的基本过程3.2影响初级生产的主要因素光反应：植物叶绿体把光能俘获，形成高能电子。可表述为：2H2O+2NADP++2ADP+2Pi8hv（光量子）叶绿体2NADPH2+2ATP+O2暗反应：发生在叶绿体内部，利用从光反应中得到的能量和还原性物质，固定二氧化碳并形成糖类的过程。可表述为：nCO2+2nNADPH2+2nATP酶（CH2O)n+2nADP+2nNADP+2nPi+nH2ObCO2的固定和还原C3途径（戊糖磷酸途径、卡尔文-本森循环）C4途径（二羧酸途径、哈奇-斯莱克-科特萨克途径）CAM途径（景天酸途径）cC3植物、C4植物、CAM植物把二氧化碳以C3途径的形式固定和还原的植物称为C3植物，其他相应地称为C4植物、CAM植物。植物在二氧化碳固定方式的差异，是同它所在环境的水、热条件密切联系在一起的。C4植物在热量条件好、水分相对充足时，光合效率高于C3植物；CAM植物更适合在干旱环境中，避免在高温条件下开放气孔吸收二氧化碳，对保存水分特别有利。特征C3C4CAM叶结构片状叶肉，薄壁组织维管束鞘叶肉呈辐射状排列在绿色薄壁组织维管束鞘周围大液泡叶绿体颗粒状（层积类囊体）叶肉：颗粒状；维管束鞘细胞：颗粒状或非颗粒状（片状类囊体）颗粒状叶绿素a/b约为3约-10%～-20%约-10%～-20%CO2最初受体RuBP(底物：CO2)约-10%～-20%约-10%～-20%光合作用最初产物C3酸（PGA)约-10%～-20%约-10%～-20%光和产物中碳与同位素的比率约-20%～-40%约-10%～-20%约-10%～-35%光合作用的氧抑制有无有在光下CO2的释（表观光呼吸）有无无最适温度CO2补偿浓度30～50umol﹤10umol在光下：0～200mol在暗中：﹤5umol叶肉阻力与最小气孔阻力的比率4～50.5～1特征C3C4CAM净光合能力微小至高高至非常高在光下：微小在暗中：中等光合用的光饱和作在中等强度时无饱和，甚至在最强光时在中等至高强度同化产物再分配慢快不定干物质生产中等高低表3-2具有不同二氧化碳固定方式的植物的特征在正常大气条件下，光合作用效率由高到低依次为C4植物、C3植物、CAM植物。如表3-3所示：植物类群CO2吸收umol/m2/smg/g/hC4植物30～60（70）60～140C3植物作物20～4030～60向阳生境的中生植物20～30（40）30～60阴地植物2（5）～1010～30干燥生境的植物15～3015～40CAM植物在光照下2（5）～120.3～2在黑暗下6～10（20）1～1.520406080100C4植物的比率/%100020003000400015202530生物量的δ15C值/%海拔高度/mδ15C值C4的比率图3-8不同海拔条件下C4植物的比例如上图所示，在C4植物不断降低。物丰富地区，随着海拔高度增加，C4植物比例不断降低。几种植物分布如下：植物主要分布地区C3植物分布极广，主要分布在温带和寒带C4植物热带、亚热带半湿润地区CAM植物分布十分广泛，大多是在周期性干旱环境和贫瘠的生境中1光合时间(PhotosyntheticTime)：植物在整个生育期，或者全年中进行光合作用的时间。2自然条件下，不同水、热条件地区的植物，能够进行光合作用的时间有很大差异。一般地，热带、亚热带湿润和半湿润地区的植物光合时间最长；热带和亚热带干旱和半干旱地区、温带地区光合时间较短。3相应措施：①人工补充光照时间，如早播和育苗移栽等；②合理施肥3.2.1.2光合时间3.2.1.3光合面积1光合面积：是进行光合作用的植物叶片的面积。对于一个植物个体或植物群体而言，叶面积通常用叶面积指数(LeafAreaIndex,简称LAI)来衡量，它的计算公式是：LAI=相应土地面积上叶片总面积土地面积2最适叶面积指数：是植物群体达到最大光合作用效率的叶面积指数，因不同的植物，以及同一植物在不同的生长发育阶段而有较大差别。在自然植物群落中，尤其是在极端的生境中，虽然植物的叶面积较大，其光合效率也较低，这也与它们对极端温度和水分条件的适应有关。3在栽培植物群落中，一般采取培育新品种和间作套种、及施肥来提高群落的总的光合效率。光合面积在生产上的应用对光合作用的影响外因合理密植、修剪反应速率叶面积指数24680ABC光合作用实际量净光合作用量呼吸作用量净光合作用量＝光合作用实际量－呼吸作用量光合面积饱和点问：叶面积指数超过哪点，植物无法生活下去？D3.2.2光照、温度和水分条件光合速率光饱和点光照强度0吸收量光照强度ABCB：光补偿点：C：光饱和点③C：光饱和点：光合速率最大时的光照强度。释放量CO2①A点：光照强度为零，只有呼吸作用主要受光反应产物的限制光照强度CO2温度在生产上的应用对光合作用的影响外因光合速率温度10203040500AB温度会直接影响酶的活性.（主要是影响暗反应）1.适时播种2.温室栽培时,白天适当提高温度,晚上适当降温（增加昼夜温差）。水在生产上的应用对光合作用的影响外因1.水是光合作用的原料2.水是体内各种化学反应的介质3.水还影响气孔的开闭,间接影响CO2进入植物体预防干旱合理灌溉3.2.3二氧化碳和其他营养条件acbdea—b:CO2太低，农作物消耗光合产物；b—c:随CO2的浓度增加，光合作用强度增强；c—d:CO2浓度再增加，光合作用强度保持不变；d—e:CO2浓度超过一定限度，将引起原生质体中毒或气孔关闭，抑制光合作用。二氧化碳营养条件积极影响：增施氮、磷、钾肥等矿质元素；消极影响：富营养化3.3初级生产力的分布初级生产力的分布有以下特点：1陆地生态系统中，水、热综合配置好的，初级生产力高；2水域生态系统中，营养条件比较丰富的，初级生产力高。陆地生态系统中，热带、亚热带、温带的湿润地区，初级生产力高，热带干旱地区（湿度小）和高纬度地区（温度低、光合效率低）初级生产力低。1生态平衡:一定空间尺度的生态系统单元内，在一定的时间范围中，对外来的干扰具有一定的缓冲能力，这就是生态平衡。2生态平衡是一个成熟生态系统的重要特征，它主要包括(1)生产者、消费者、分解者三大功能类群之间相对平衡，如生物种类组成及数量比例，营养结构联系和物质循环与能量流动的相对稳定性；（2）生物群落与无机环境之间相对稳定，物质和能量的输入和输出呈现动态平衡；（3）对外界的干扰和影响具有自我修复、自我恢复的能力。4植物与生态系统的平衡4.1植物在生态平衡中的基础地位1植物是生态系统中占据主导作用的功能成分，其数量动态、生产力决定了其他生物存在的规模，进而决定生态平衡的层次和水平。2生态系统处于相对平衡的成熟阶段，其中最重要的时期是群落演替进入顶级阶段。3生态系统的平衡水平，关键在于其自我调节能力，包括抗干扰的恢复能力和对污染的自净能力，而植物往往处于一种基础地位。在恢复和重建受损的生态系统中，恢复植被是生态建设的中心环节。生态系统的自动调节能力的大小，取决于生态系统的生物多样性，即多样性导致稳定性。其功能成分越复杂，物质循环和能量流动的渠道越多，在外来干扰和破坏下，可替换的途径就越多，从而生态系统的平衡水平就越高。4.2植物的生物多样性和生态平衡1生态系统的平衡，是通过负反馈(NegativeFeedback)方式进行自动调节的。负反馈的作用是使生态系统达到和保持平衡或稳态，反馈的结果是抑制和减弱最初发生变化的那种成分所导致的变化。2正反馈和负反馈的区别抑制和减弱最初发生变化的那种成分所导致的变化-负反馈加速最初发生的变化-正反馈1生态系统服务（EcosystemService)：是指自然生态环境、物种、生物学状态、性质和生态过程所产生的物质和能量，及其所维持的良好环境对人类的效用的总称。5.1资源保障（1）生物产品生产5植物与生态系统的生态服务栽培植物畜牧产品重要药源（2）生物多样性的产生和维持5.2环境支持土壤的形成和改良生态水文作用为动物的生存和发展提供生态条件保护和改善环境质量1哪些因素影响初级生产力？如何挖掘初级生产力？2比较分析C3、C4和CAM植物应对所在环境表现出来的光合效率的差异性。3生态系统的服务包括哪些方面？植物在生态系统提供服务中是如何发挥作用的？4植物在维护其他生物多样性方面是如何发挥作用的？5生态平衡维持中植物的作用主要体现在哪些方面？