【海洋生態(tài)學(xué)】生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)學(xué)

1、生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)學(xué),第一節(jié) 生態(tài)系統(tǒng)的一般特征第二節(jié) 生態(tài)系統(tǒng)的能量流動(dòng)第三節(jié) 生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)第四節(jié) 自然生態(tài)系統(tǒng),內(nèi)容提要單元測(cè)試,第二節(jié) 生態(tài)系統(tǒng)的能量流動(dòng),§1 生態(tài)系統(tǒng)的生物生產(chǎn)§2 生態(tài)系統(tǒng)中的分解§3 生態(tài)系統(tǒng)的能流過程§4 生態(tài)系統(tǒng)能流分析,參考文獻(xiàn)思考題預(yù)習(xí)內(nèi)容,課堂討論,§1 生態(tài)系統(tǒng)的生物生產(chǎn),生物生產(chǎn)的基本概念生物生產(chǎn)生物量與生產(chǎn)量初級(jí)生產(chǎn)

2、總初級(jí)生產(chǎn)與凈初級(jí)生產(chǎn)影響初級(jí)生產(chǎn)的因素初級(jí)生產(chǎn)量的測(cè)定方法次級(jí)生產(chǎn)次級(jí)生產(chǎn)的基本特點(diǎn)次級(jí)生產(chǎn)量的測(cè)定方法,生物生產(chǎn),生物生產(chǎn)：是生態(tài)系統(tǒng)重要功能之一。生態(tài)系統(tǒng)不斷運(yùn)轉(zhuǎn)，生物有機(jī)體在能量代謝過程中，將能量、物質(zhì)重新組合，形成新的產(chǎn)品的過程，稱生態(tài)系統(tǒng)的生物生產(chǎn)。生物生產(chǎn)常分為個(gè)體、種群和群落等不同層次。生態(tài)系統(tǒng)中綠色植物通過光合作用，吸收和固定太陽(yáng)能，從無(wú)機(jī)物合成、轉(zhuǎn)化成復(fù)雜的有機(jī)物。由于這種生產(chǎn)過程是生態(tài)系統(tǒng)能量貯存的基

3、礎(chǔ)階段，因此，綠色植物的這種生產(chǎn)過程稱為初級(jí)生產(chǎn)（primary production），或第一性生產(chǎn)。初級(jí)生產(chǎn)以外的生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)，即消費(fèi)者利用初級(jí)生產(chǎn)的產(chǎn)品進(jìn)行新陳代謝，經(jīng)過同化作用形成異養(yǎng)生物自身的物質(zhì)，稱為次級(jí)生產(chǎn)（secondary production），或第二性生產(chǎn)。,生物量和生產(chǎn)量,生物量（biomass）:某一特定觀察時(shí)刻，某一空間范圍內(nèi)，現(xiàn)有有機(jī)體的量，它可以用單位面積或體積的個(gè)體數(shù)量、重量（狹義的生物量）或含能量來

4、表示，因此它是一種現(xiàn)存量(standing crop)。 現(xiàn)存的數(shù)量以N表示，現(xiàn)在的生物量以B表示。現(xiàn)存生物量通常用平均每平方米生物體的干重(g·m-2)或平均每平方米生物體的熱值來表示(J ·m-2 )。生產(chǎn)量(production): 是在一定時(shí)間階段中，某個(gè)種群或生態(tài)系統(tǒng)所新生產(chǎn)出的有機(jī)體的數(shù)量、重量或能量。它是時(shí)間上積累的概念，即含有速率的概念。有的文獻(xiàn)資料中，生產(chǎn)量、生產(chǎn)力(pr

5、oduction rate)和生產(chǎn)率(productivity)視為同義語(yǔ)，有的則分別給予明確的定義。生物量和生產(chǎn)量是不同的概念，前者到某一特定時(shí)刻為止，生態(tài)系統(tǒng)所積累下來的生產(chǎn)量，而后者是某一段時(shí)間內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)中積存的生物量。,,,,生產(chǎn)量和現(xiàn)存量關(guān)系示意圖,,,,,,,,,,,,,現(xiàn)存量,現(xiàn)存量,P＝△B＋E,B,生產(chǎn)量P,A,減少量E,生產(chǎn)量P,減少量E,總初級(jí)生產(chǎn)與凈初級(jí)生產(chǎn),初級(jí)生產(chǎn)過程可用下列方程式概述：

6、 光能 6CO2＋6H2O C6H12O6 ＋ 6O2 葉綠素總初級(jí)生產(chǎn)(gross primary production,GP)與凈初級(jí)生產(chǎn)(net primary production,NP)：植物在單位面積、單位時(shí)間內(nèi)，通過光合作用固定太陽(yáng)能的量稱為總初

7、級(jí)生產(chǎn)(量)，常用的單位：J · m -2 · a-1 或 gDW · m -2 · a-1；植物總初級(jí)生產(chǎn)（量）減去呼吸作用消耗掉的（R），余下的有機(jī)物質(zhì)即為凈初級(jí)生產(chǎn)（量）。二者之間的關(guān)系可表示如下： GP＝NP+R ； NP＝GP－R,,影響初級(jí)生產(chǎn)的因素,NP,R,,,,,,,,,,,,,CO2,光,H2O,營(yíng)養(yǎng),取食,O2＋溫度,,,陸地生態(tài)系統(tǒng)中，初級(jí)生產(chǎn)量是由光、二氧化碳

8、、水、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)(物質(zhì)因素) 、氧和溫度(環(huán)境調(diào)節(jié)因素)六個(gè)因素決定的。,,污染物,⑥,①,②,③,④,⑤,光合作用生物量,GP,初級(jí)生產(chǎn)量的測(cè)定方法,產(chǎn)量收割法：收獲植物地上部分烘干至恒重，獲得單位時(shí)間內(nèi)的凈初級(jí)生產(chǎn)量。氧氣測(cè)定法：總光合量＝凈光合量＋呼吸量二氧化碳測(cè)定法：用特定空間內(nèi)的二氧化碳含量的變化，作為進(jìn)入植物體有機(jī)質(zhì)中的量，進(jìn)而估算有機(jī)質(zhì)的量。pH測(cè)定法：水體中的pH值隨著光合作用中吸收二氧化碳和呼吸過程中釋放二氧化碳

9、而發(fā)生變化，根據(jù)pH值變化估算初級(jí)生產(chǎn)量。葉綠素測(cè)定法：葉綠素與光合作用強(qiáng)度有密切的定量關(guān)系，通過測(cè)定體中的葉綠素可以估計(jì)初級(jí)生產(chǎn)力。放射性標(biāo)記測(cè)定法：把具有14C的碳酸鹽(14CO32-)放入含有天然水體浮游植物的樣瓶中，沉入水中，經(jīng)過一定時(shí)間的培養(yǎng)，濾出浮游植物，干燥后，測(cè)定放射性活性，確定光合作用固定的碳量。由于浮游植物在黑暗中也能吸收14C，因此，還要用“暗吸收”加以校正。,,黑白瓶法,黑瓶（呼吸作用）,,白瓶(凈光合作

10、用),,對(duì)照瓶（消除誤差）,,放置于水樣深度處,一定時(shí)間后，測(cè)各瓶的含氧量變化，求初級(jí)生產(chǎn)量,次級(jí)生產(chǎn)的基本特點(diǎn),次級(jí)生產(chǎn)過程模型,食物資源,未采食,拒食,未食,糞便(Fu),呼吸(R),分解,被采食,可利用,食用(C),同化(A),動(dòng)物產(chǎn)品產(chǎn)生能量(P),,潛在能量,,,,,,,,,,,,保持能量,,,,損失能量,Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ,Ⅳ,Ⅴ,Ⅵ,,,,,,C=A+FuA=P+RC=P+Fu+RP=C-Fu-R,次級(jí)生產(chǎn)量

11、的測(cè)定方法,按已知同化量A和呼吸量R，估計(jì)生產(chǎn)量P P=C-Fu-R， Fu-尿糞量根據(jù)個(gè)體生長(zhǎng)或增重的部分Pg和新生個(gè)體重Pr，估計(jì)P P＝ Pg ＋Pr根據(jù)生物量?jī)糇兓鰾和死亡損失E，估計(jì)P P＝ △B＋ E,§2 生態(tài)系統(tǒng)中的分解,資源分解的過程：分碎裂過程、異化過程和淋溶過程等三個(gè)過程。資源分解的意義：理論意義：通過死亡物質(zhì)的分解，使?fàn)I養(yǎng)物質(zhì)再循環(huán)，給生產(chǎn)者提供營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)；維持大

12、氣中二氧化碳的濃度；穩(wěn)定和提高土壤有機(jī)質(zhì)含量，為碎屑食物鏈以后各級(jí)生物生產(chǎn)食物；改善土壤物理性狀，改造地球表面惰性物質(zhì)；實(shí)踐意義：糞便處理污水處理,§3 生態(tài)系統(tǒng)的能流過程,生態(tài)系統(tǒng)能量流動(dòng)規(guī)律生態(tài)系統(tǒng)中能流途徑能量流動(dòng)的生態(tài)效率,生態(tài)系統(tǒng)能量流動(dòng)規(guī)律,生態(tài)系統(tǒng)是一個(gè)熱力學(xué)系統(tǒng)，生態(tài)系統(tǒng)中能量的傳遞、轉(zhuǎn)換遵循熱力學(xué)的兩條定律：第一定律：能量守恒定律，能量可由一種形式轉(zhuǎn)化為其他形式的能量，能量既不能消滅，又不能憑

13、空創(chuàng)造。第二定律：熵律，任何形式的能（除了熱）轉(zhuǎn)化到另一種形式能的自發(fā)轉(zhuǎn)換中，不可能100％被利用，總有一些能量作為熱的形式被耗散出去，熵就增加了。生態(tài)系統(tǒng)中能流特點(diǎn)（規(guī)律）：能流在生態(tài)系統(tǒng)中是變化著的；能流是單向流；能量在生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)流動(dòng)的過程，就是能量不斷遞減的過程；能量在流動(dòng)過程中，質(zhì)量逐漸提高。,生態(tài)系統(tǒng)中能量流動(dòng)的途徑,牧食食物鏈和腐食食物鏈?zhǔn)巧鷳B(tài)系統(tǒng)能流的主要渠道。能量流動(dòng)以食物鏈作為主線，將綠色植物與消費(fèi)者之間

14、進(jìn)行能量代謝的過程有機(jī)地聯(lián)系起來。牧食食物鏈的每一個(gè)環(huán)節(jié)上都有一定的新陳代謝產(chǎn)物進(jìn)入到腐屑食物鏈中，從而把兩類主要的食物鏈聯(lián)系起來。能量在各營(yíng)養(yǎng)級(jí)之間的數(shù)量關(guān)系可用生態(tài)金字塔表示。,生態(tài)錐體(Charles Elton,1927),生態(tài)錐體（ecological pyramid）: 能量通過營(yíng)養(yǎng)級(jí)逐級(jí)減少，如果把通過各營(yíng)養(yǎng)級(jí)的能流量由低到高用圖型表示，就成為一個(gè)金字塔形，稱能量錐體或能量金字塔。同樣如果以生物量或個(gè)體數(shù)目來表示，可

15、能得到生物量錐體（pyramid of energy）和數(shù)量錐體（pyramid of number） 。三類錐體合稱為生態(tài)錐體。,a 生物量錐體(gDW · m-2 ),b 能量錐體(kcal · m-2 · a -1 ),c 數(shù)量錐體(個(gè)體 · ha-1),,,,,,,,,,,,,,1,2,,,,1,2,生態(tài)錐體,數(shù)量錐體以各個(gè)營(yíng)養(yǎng)級(jí)的生物個(gè)體數(shù)量進(jìn)行比較，忽視了生物量因素，一些生物的數(shù)量可能

16、很多，但生物量卻不一定大，在同一營(yíng)養(yǎng)級(jí)上不同物種的個(gè)體大小也是不一樣的。生物量錐體以各營(yíng)養(yǎng)級(jí)的生物量進(jìn)行比較，過高強(qiáng)調(diào)了大型生物的作用。能量錐體表示各營(yíng)養(yǎng)級(jí)能量傳遞、轉(zhuǎn)化的有效程度，不僅表明能量流經(jīng)每一層次的總量，同時(shí)，表明了各種生物在能流中的實(shí)際作用和地位，可用來評(píng)價(jià)各個(gè)生物種群在生態(tài)系統(tǒng)中的相對(duì)重要性。能量錐體排除了個(gè)體大小和代謝速率的影響，以熱力學(xué)定律為基礎(chǔ)，較好地反映了生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)能量流動(dòng)的本質(zhì)關(guān)系。,能量流動(dòng)的生態(tài)效率,生態(tài)

17、效率（ecological efficiencies）: 是指各種能流參數(shù)中的任何一個(gè)參數(shù)在營(yíng)養(yǎng)級(jí)之間或營(yíng)養(yǎng)級(jí)內(nèi)部的比值關(guān)系。最重要的生態(tài)效率(Kozlovsky,1969)有同化效率、生長(zhǎng)效率、消費(fèi)或利用效率、林德曼效率。同化效率(assimilation efficiency,AE): 衡量生態(tài)系統(tǒng)中有機(jī)體或營(yíng)養(yǎng)級(jí)利用能量和食物的效率。AE=An/In, An為植物固定的能量或動(dòng)物吸收同化的食物，In為植物吸收的能或動(dòng)物攝取的食物

18、。生長(zhǎng)效率(growth efficiency, GE) : 同一個(gè)營(yíng)養(yǎng)級(jí)的凈生產(chǎn)量（Pn）與同化量（An）的比值。GE＝Pn／An。消費(fèi)或利用效率(comsumption efficiency,CE) : 一個(gè)營(yíng)養(yǎng)級(jí)對(duì)前一個(gè)營(yíng)養(yǎng)級(jí)的相對(duì)攝取量。CE＝ In＋1／Pn， In＋1為n＋1營(yíng)養(yǎng)級(jí)的攝取量， Pn為n營(yíng)養(yǎng)級(jí)的凈生產(chǎn)量。林德曼效率(Lindeman efficiency) : 指n與n＋1營(yíng)養(yǎng)級(jí)攝取的食物量能量之比。它

19、相當(dāng)于同化效率、生長(zhǎng)效率和利用效率的乘積，即：In＋1／In＝ An/In· Pn／An · In＋1／Pn,能流分析,研究生態(tài)系統(tǒng)能流的途徑生態(tài)系統(tǒng)層次上能流研究的原理生態(tài)系統(tǒng)能流分析的內(nèi)容生態(tài)系統(tǒng)層次上能流研究的步驟生態(tài)系統(tǒng)能流分析的方法能流分析的實(shí)例,研究生態(tài)系統(tǒng)能流的途徑,生態(tài)系統(tǒng)能流分析可以在個(gè)體、種群、群落、和生態(tài)系統(tǒng)層次上進(jìn)行。,生態(tài)系統(tǒng)層次上能流研究的原理,依據(jù)物種的主要食性，將每個(gè)物種

20、都?xì)w屬于一個(gè)特定的營(yíng)養(yǎng)級(jí)，然后精確地測(cè)定每一個(gè)營(yíng)養(yǎng)級(jí)能量的輸入值和輸出值。,生態(tài)系統(tǒng)層次上能流研究的步驟,⑴確定組成生態(tài)系統(tǒng)生物組成部分的有機(jī)體成份；⑵ 確定消費(fèi)者的食性，確定消費(fèi)者的分類地位；⑶ 確定有機(jī)體的營(yíng)養(yǎng)級(jí)歸屬，進(jìn)而確定：①各營(yíng)養(yǎng)級(jí)的生物量，②各營(yíng)養(yǎng)級(jí)能量或食物的攝入率，③同化率，④呼吸率，⑤由于捕食、寄生等因素而引起的能量損失率；⑷ 結(jié)合各個(gè)營(yíng)養(yǎng)級(jí)的信息，獲得營(yíng)養(yǎng)金字塔或能流圖。,湖泊能流分析的內(nèi)容,水生生

21、態(tài)系統(tǒng)的生物生產(chǎn)初級(jí)生產(chǎn)次級(jí)生產(chǎn)水生生態(tài)系統(tǒng)的能量收支水生生態(tài)系統(tǒng)的能量格局營(yíng)養(yǎng)關(guān)系生態(tài)錐體生態(tài)效率水生生態(tài)系統(tǒng)的能流過程,生態(tài)系統(tǒng)能流分析的方法,直接觀察法腸胃法血清技術(shù)同位素示蹤分析法,穩(wěn)定同位素法對(duì)生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行能流分析,元素、核素、同位素、穩(wěn)定同位素許多化學(xué)元素有幾種穩(wěn)定同位素，如C的穩(wěn)定同位素包括 和12C和 13C，N的穩(wěn)定同位素包括15N和14N，S的穩(wěn)定同位素包括34S和32S，它們?cè)诓煌沫h(huán)境以

22、及不同的生物體中的含量不同。用穩(wěn)定同位素進(jìn)行能流分析的原理：由于不同的生物的穩(wěn)定同位素來源不同、對(duì)穩(wěn)定同位的選擇性利用，因此，所含的輕重穩(wěn)定同位素的比例不同。如生物在蛋白質(zhì)合成過程中，輕的N同位素被選擇性地排出，結(jié)果體內(nèi)的15N相對(duì)于食物較高，因而當(dāng)物質(zhì)從一個(gè)營(yíng)養(yǎng)級(jí)進(jìn)入下一個(gè)營(yíng)養(yǎng)級(jí)，組織中的15N濃度變得較為豐富。生態(tài)系統(tǒng)中，最高的營(yíng)養(yǎng)級(jí)15N的相對(duì)濃度最高，最低的營(yíng)養(yǎng)級(jí)15N的相對(duì)濃度最低。由于C4植物含有相對(duì)高的13C ，因此，穩(wěn)

23、定同位素分析可以物種食物中的C3和C4的相對(duì)濃度。,穩(wěn)定同位素濃度的計(jì)算公式,穩(wěn)定同位素通常用較重的同位素相對(duì)于某個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的偏離值，單位為偏離值（±）的千分之一（±‰）。偏離值的計(jì)算公式為： δx= [ (R樣品/ R標(biāo)準(zhǔn))-1] ×103 δ = ± x = 較重同位素的相對(duì)濃度，如13C、15N、34S的‰ R樣品＝樣品中穩(wěn)定同位素的比，如13C: 12C 、15N

24、: 14N R標(biāo)準(zhǔn)＝標(biāo)準(zhǔn)的穩(wěn)定同位素的比，如13C: 12C 、15N: 14N用作C、N、S標(biāo)準(zhǔn)的參照物是大氣氮的15N: 14N比；PeeDee 石灰?guī)r中的13C: 12C比，Canyon Diablo 隕石中的 34S:32S比。如果δx ＝0，那么，樣品和參照物中穩(wěn)定同位素比相等；如果 δx= － x ‰，那么樣品中較重的穩(wěn)定同位素的濃度較低；如果δx= ＋ x ‰，那么，樣品中較重的穩(wěn)定同位素含量較高。由于生態(tài)

25、系統(tǒng)中不同的組成部分這些比值是不同的，因此，生態(tài)學(xué)家可以用穩(wěn)定同位素的比值來研究生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及其過程。,肋螺體內(nèi)穩(wěn)定同位素的空間變化,肋螺體內(nèi)的穩(wěn)定同位素含量表明，灣口附近許多地點(diǎn)以浮游植物為食，而內(nèi)陸的主要以一種C4植物Spartina為主要食物。,課堂討論題：試用能量生態(tài)學(xué)原理，從環(huán)境保護(hù)的角度，論述秸桿的充分利用。,原理：能量沿生態(tài)系統(tǒng)的食物鏈或食物網(wǎng)定向逐級(jí)流動(dòng)并被各級(jí)營(yíng)養(yǎng)級(jí)上的生命有機(jī)體逐級(jí)利用。生態(tài)工程設(shè)計(jì)：能量多層分級(jí)

26、利用,作物,家畜,食用菌,蚯蚓,,,,籽實(shí),秸桿飼料,,糖化,一級(jí)利用,,產(chǎn)品輸出,,,,,糞便,二級(jí)利用,接種,,,菌床雜屑,三級(jí)利用,產(chǎn)品輸出,,接種,,排泄物,,,肥料,光能,產(chǎn)品輸出,,秸桿,,秸桿飼料,,第二節(jié) 思考題,名詞解釋：同化效率生態(tài)效率林德曼效率生物量金字塔、數(shù)量金字塔和能量金字塔生態(tài)金字塔問答題簡(jiǎn)述生態(tài)系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)和功能。簡(jiǎn)述生態(tài)系統(tǒng)的基本組成及各功能類群的基本功能。簡(jiǎn)述次級(jí)生產(chǎn)力的測(cè)定