生态学基础知识生态系统生态学

第五节生态系统生态学一二三四生态系统的一般特征生态系统中的能量流动生态系统中的物质循环生态系统中的信息传递一、生态系统的一般特征1、生态系统的基本概念2、生态系统的组成与结构3、食物链和食物网4、营养级和生态金字塔5、生态效率6、生态系统的反馈调节和生态平衡•生态系统(ecosystem)：在一定空间中共同栖居着的所有生物(生物群落)与其环境之间由于不断进行物质循环和能量流动过程而形成的统一整体•系统(system)：相互作用、相互依赖的事物有规律地联合的集合体–许多成分组成–独立的、特定的功能–各成分间相互联系、相互作用•生态系统主要在于强调一定地域中各种生物相互之间、它们与环境之间功能的统一性，是一个功能上的单位。1、生态系统的基本概念•是动态的功能单位，属于经典生态学研究的最高层次；•内部具有自我调节能力；•能量流动、物质循环和信息传递是生态系统的三大功能；•营养级的数目受限于生产者所固定的最大能值和能量在流动中巨大损失，生态系统中营养级不会超过5-6个。生态系统的特征2、生态系统的组成和结构•1）生物群落•生产者(producer)•消费者(consumer)：食草动物、食肉动物、大型食肉动物•分解者(decomposer)•2）非生物环境•无机物质•有机物质•气候因素(及其他物理条件）生产者•能利用简单的无机物质制造食物的自养生物，包括绿色植物、蓝绿藻和一些自养细菌。念珠蓝细菌化能自养细菌－产甲烷细菌生产者作用•只有生产者才能将无机物转化成有机物，在生态系统中是为其它生物提供能流的唯一来源。•制造氧气。氧气是大部分生物生存的条件。•提供其它必需元素：KＮａＣａＭｇ等。•生产者是生态系统营养结构中的基础，它决定着生态系统的生产力高低，是生态系统中最基本、最重要的组成部分。消费者•消费者：依靠活的动植物为食的动物。直接或者间接以植物为食。寄生物也属于消费者。•对初级生产物进行加工、再生产的作用，对其他生物种群数量起到调节作用。分解者•主要是细菌，真菌和某些营腐生生活的原生生物和食腐动物；•在生态系统中的基本功能是分解死亡动植物的躯体，变成简单化合物，最终分解为简单的无机物并释放到环境中，供生产者重新利用吸收；•对其他生物的生长产生重大影响；•改造表面惰性物质；•为碎屑食物链提供食物和物质基础。池塘生态系统示意图一个简单的陆地生态系统模式图生态系统各成份的相互关系无机物质有机物质气候因素消费者分解者生产者植物，化能合成细菌动物，包括大型消费者小型消费者细菌真菌日光能表示出三个亚系统的生态系统结构一般模型3、食物链和食物网•1）食物链(foodchain)：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在生态系统中传递，各种生物按其食物关系排列的链状顺序•2）食物网(foodweb)：食物链彼此交错连结，形成一个网状结构食物链类型•捕食食物链•碎屑食物链•寄生食物链捕食食物链•绿色植物为起点到食草动物进而到食肉动物的食物链•植物-食草动物-食肉动物•草原上：青草-野兔-狐狸-狼•湖泊中：藻类-甲壳类-小鱼-大鱼碎屑食物链•动、植物的遗体被食腐性生物(小型土壤动物、真菌、细菌)取食，然后到他们的捕食者的食物链•植物残体-蚯蚓-线虫类-节肢动物寄生食物链•由宿主和寄生物构成•以大型动物为食物链的起点，继之以小型动物、微型动物、细菌和病毒•后者与前者是寄生关系•哺乳动物或鸟类-跳蚤-原生动物-细菌-病毒一个食物链的例子“螳螂捕蝉，黄雀在后”螳螂捕蝉，黄雀在后！哈！哈！植物汁液蝉(初级消费者)螳螂(二级消费者)黄雀(三级消费者)鹰(四级消费者)(顶极食肉动物)食物网•一种生物常常以多种食物为食，而同一种食物又常常为多种消费者取食，于是食物链交错起来，多条食物链相联，形成了食物网；•食物网维持着生态系统的相对平衡，推动着生物的进化，成为自然界发展演变的动力；•食物网以营养为纽带，把生物与环境、生物与生物紧密联系起来的结构，称为生态系统的营养结构。食物网4、营养级与生态金字塔•营养级(trophiclevel)：处于食物链某一环节上的所有生物种的总和。生态系统中营养级数目•各营养级消费者不可能100%利用前一营养级的生物量；•各营养级同化率也不是100%，总有一部分排泄出去；•各营养级生物要维持自身的活动，消耗一部分热量；•由于能流在通过各营养级时会急剧减少，食物链就不可能太长，生态系统中的营养级一般只有四、五级，很少超过六级。生态金字塔(ecologicalpyramid)•营养级之间的数量关系•数量关系可采用生物量、能量和个体数量单位来表示•能量金字塔•生物量金字塔•数量金字塔能量金字塔•由各营养级所固定的总能量值的多少来构成的生态金字塔•以相同的单位面积和单位时间内的生产者和各级消费者所积累的能量比率来构造，千卡/平方米·年energypyramid生物量金字塔•以相同单位面积上生产者和各级消费者的生物量即生命物质总量建立的金字塔。对陆地、浅水生态系统中比较典型，因为生产者是大型的，所以塔基比较大，金字塔比较规则生物量金字塔•湖泊和开旷海洋，第一性生产者主要为微型藻类，生活周期短，繁殖迅速，大量被植食动物取食利用，在任何时间它的现存量很低，导致这些生态系统的生物量金字塔呈倒金字塔形数量金字塔•单位面积内生产者的个体数目为塔基，以相同面积内各营养级位有机体数目构成塔身及塔顶。一般每一个营养级所包括的有机体数目，沿食物链向上递减。数量金字塔•有时植食动物比生产者数目多。如昆虫和树木•个体大小差别很大，只用个体数目多少来说明问题有局限性。不同类型金字塔的比较•能量金字塔表达营养结构最全面，确切表示食物通过食物链的效率，永远是正塔型；•数量金字塔过分突出小生物体的重要性；•生物量金字塔过分突出大生物体的重要性。5、生态效率•1）生态效率：是指能量经过食物链各个环节时的传递效率，或是能量在营养级内部或上下营养级之间的输入输出的比例。常用百分数表示。•2）能量参数：•摄取量（I）：表示各生物所摄取的能量；•同化量(A)：动物消化道内被吸收的能量，即消费者吸收所采食的食物能；植物光合作用所固定的日光能；•呼吸量(R)：生物在呼吸等新陈代谢和各种活动所消耗的全部能量；•生产量(P)：生物呼吸消耗后所净剩的同化能量值。P=A-R营养级位之内的生态效率同化效率=An/In􀂄=被植物固定的能量/植物吸收的日光能（植物）􀂄=被动物消化吸收的能量/动物摄食的能量（动物）生长效率=NPn/An􀂄=n营养级的净生产量/n营养级的同化能量（同级）影响同化效率和生长效率的因素同化效率——受食物质量影响一般来说，动物性食物比植物性食物质量高营养级同化效率食草动物30-50%(吃种子和果实的动物较高)食肉动物60-90%食碎屑者~15%或更少生长效率——受生活方式和温度策略恒温动物vs.变温动物~1-5%~20-35%恒温动物单位生产率比呼吸作用高10倍左右(R/P)A/I(%)P/I(%)P/A(%)营养级位之间的生态效率•消费效率：消费效率量度一个营养级对前一营养级的相对取食压力。•消费效率=In+1/NPn•=n+1营养级的摄入量/n营养级的净生产量•一般在20-35%范围内，每一营养级净生产的65%-75%进入碎屑食物链，但对不同类型生态系统具有较大的差异。林德曼效率•林德曼效率：即相邻营养级摄取的食物比，n+1营养级所获得的能量占n营养级所获得的能量之比：•Le=In+1/In林德曼效率：是同化效率，生长效率，消费效率的乘积，即:10%定律——林德曼效率•林德曼效率：从一个营养级到另一个营养级的能量转换效率为10％。•由于能量在通过营养级时会急剧地减少，所以食物链不可能太长，生态系统中的营养级一般只有4-5级，很少有超过6级的。•食物链越长，损失的能量越多。所以，应当尽量缩短食物链的长度。直接以谷物为食，生态效率较高。林德曼效率6、生态系统的反馈调节和生态平衡•反馈调节：当生态系统某一成分发生变化，它必然引起其他成分出现一系列相应变化，这些变化又反过来影响最初发生变化的那种成分。•负反馈：系统中某一成分的变化所引起的其他一系列变化，结果是抑制和减弱最初发生变化的那种成分的变化，使生态系统达到或保持平衡或稳态；•正反馈：系统中某一成分的变化所引起的其他一系列变化，反过来加速最初发生变化的成分所发生的变化，使生态系统远离平衡状态或稳态。如湖泊污染，导致鱼的数量因死亡而减少，由于鱼体腐烂，加重湖泊污染并引起更多鱼类的死亡。生态系统中的反馈（正反馈（左）和负反馈（右））狼↑狼↓兔↓兔↑植物↓植物↑狼饿死狼吃饱吃了较多兔子吃了较少兔子兔吃饱兔饿死吃了较少的草吃了大量的草污染↑↑鱼死亡↑污染↑鱼死亡↑↑↑鱼死亡↑↑污染↑↑↑•生态平衡：生态系统通过发育和调节所达到的一种稳定状态，它包括结构、功能和能量输入和输出的稳定；•生态阈值：生态系统受外界干扰后，自动调节的极限；•生态危机：由于人类盲目活动而导致局部地区甚至整个生物圈结构和功能的失衡，从而威胁人类的生存。二、生态系统中的能量流动•1、生态系统中的初级生产•2、生态系统中的次级生产•3、生态系统中的分解•4、生态系统中的能量流动1、生态系统中的初级生产•1）初级生产的基本概念•2）地球上初级生产力的分布•3）初级生产的生产效率•4）初级生产量的限制因素•5）初级生产量的测定方法1）初级生产的基本概念•初级生产：自养生物的生产过程，其提供的生产力为初级生产力•次级生产：异养生物再生产过程，提供的生产力为次级生产力•生产过程：•生产者通过光合作用合成复杂的有机物质，使植物的生物量(包括个体数量和生长)增加•消费者摄食植物已经制造好的有机物质(包括直接和间接取食植物的食草动物和食肉动物)，通过消化、吸收再合成为自身所需的有机物质，增加动物的生产量。初级生产的基本概念•初级生产量(primaryproduction)：绿色植物通过光合作用合成有机物质的数量称为初级生产量，也称第一性生产量•净初级生产量(netprimaryproduction)：初级生产过程植物固定的能量一部分被植物自己的呼吸消耗掉，剩下的可用于植物的生长和生殖，这部分生产量成为净初级生产量(NP)•总初级生产量(grossprimaryproduction)：初级生产过程植物固定的能量的总量GP=NP+R•初级生产力：植物群落在一定空间一定时间内所生产的有机物质积累的数量；•生物量（现存量）：是指某一时刻单位面积上积存的有机物质的量，以鲜重或干重表示。•陆地森林生态系统现存量多而生产量少，海洋富有植物现存量少而生产量多。初级生产的基本概念初级生产生产量P、生物量B、呼吸量R之间的关系•PG总初级生产量=∆B生物量增量+R呼吸量•P/R系数：生产量与呼吸量之比，反映某一种群或群落生物的代谢水平，称为代谢率，表示种群对环境的适应性。P/R1，种群增长，生态系统不稳定P/R1，种群减少，生态系统不稳定P/R=1，种群不增减，生态系统稳定2）地球上初级生产力的分布•不同生态系统类型的初级生产力不同•陆地比水域的初级生产力总量大•陆地上初级生产力有随纬度增加逐渐降低的趋势•海洋中初级生产力由河口湾向大陆架和大洋区逐渐降低•生态系统的初级生产力随群落的演替而变化•水体和陆地生态系统的生产力有垂直变化•初级生产力随季节变化不同生态系统的初级生产力（陆地）（水域）（北方森林）（温带森林）（萨王纳，稀树草原）（农田）（灌丛带）（温带草原）（苔原和高山）（沙漠）（珊瑚礁）（河流入海口）（河流、湖泊）（大陆架）（开阔海洋）初级生产力的分布•全球初级生产力可划分为三个等级：低、中、高。•生产力极低的区域：100g、/2.a或者更少，如大部分海洋和荒漠。•中等生产力区域：100-1000g/m2.a，如草地、沿海区域、深湖和一些农田。•高生产力的区域：1000-2000g/m2.a或者更多，如大部分湿地生态系统、河口湾、泉水、珊瑚礁、热带雨林和精耕细作的农田、冲积平原上的植物群落等。地球主要陆地生态系统的初级生产力强烈受温度和降水的影响P:prod