生物系統(tǒng)(bioticsystem)

1、生物系統(tǒng)( Biotic system),AL GEOG,生物圈(Biosphere)地球上所有生物及其生活領(lǐng)域的總和。生物系統(tǒng)( Biotic system)由生物圈所組成的自然系統(tǒng), 生物系統(tǒng)與其他系統(tǒng)的關(guān)係： 生物參與化學(xué)元素的遷移。生物改變大氣圈和水圈的組成。生物參與巖石的風(fēng)化和土壤的形成。生態(tài)系統(tǒng)(Ecosystem),,,,,,,Biosphere,Ecosystem,Community,Population,

2、Organism,,,,,,,,,,,,,,生態(tài)系統(tǒng)(Ecosystem),生物群落與環(huán)境之間通過(guò)能量與物質(zhì)流動(dòng)而聯(lián)結(jié)而成的統(tǒng)一整體。 強(qiáng)調(diào)於一個(gè)空間內(nèi)生物與環(huán)境間的互相連繫和功能上的統(tǒng)一性。 通過(guò)生物的生存、養(yǎng)份的循環(huán)、能量的流動(dòng)，令生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)長(zhǎng)久維持，達(dá)致一個(gè)生態(tài)平衡 生態(tài)系統(tǒng)的組成  (兩大組元) : 非生物組元(abiotic components)生物組元(biotic components),,,,,,

3、,,,,Abiotic components,Biotic components,sunlight,Producers,CO2,decomposer,consumers,Nutrient in soil,Water in soil,Energy loss,,1. 非生物組元(abiotic components),以功能區(qū)分： 參加循環(huán)的無(wú)機(jī)物質(zhì)(inorganic substance)。包括水、二氧化碳、氧、氮、磷、鉀、鈉、鈣…….

4、等。 聯(lián)結(jié)生物及非生物部份的有機(jī)化合物(organic substance)。如蛋白質(zhì)、糖類(lèi)、脂肪和腐殖質(zhì)等。 環(huán)境狀況(environment)﹕氣候如溫度、濕度、風(fēng)速…….等。泥土如酸鹼度、肥沃性…….等。 以形態(tài)區(qū)分：氣態(tài) ==> 大氣圈。 液態(tài) ==> 水圈。 固態(tài) ==> 巖石圈和土壤圈。,,2. 生物組元(biotic components),按生態(tài)系統(tǒng)中的功能為﹕ 生產(chǎn)者(producers)

5、消費(fèi)者(consumers)分解者(decomposer),,a. 生產(chǎn)者(producers),利用太陽(yáng)能由簡(jiǎn)單的無(wú)機(jī)化合物製造出有機(jī)物質(zhì)。又稱(chēng)為自養(yǎng)生物(autotroph)。 例如綠色植物、藻類(lèi)植物和苔蘚植物等。 光合作用(photosynthesis)﹕6CO2 + 6H2O -> C6H12O6 + 6O2,,b. 消費(fèi)者(consumers),自己不能製造食物，以取食其他有機(jī)體營(yíng)生的生物，也稱(chēng)為異養(yǎng)生物(het

6、erotroph)。 按其取食特點(diǎn)的不同，可分為四種類(lèi)型： 食草動(dòng)物或初級(jí)消費(fèi)者(herbivores) 食肉動(dòng)物或次級(jí)消費(fèi)者 (carnivores) 雜食動(dòng)物或三級(jí)消費(fèi)者 (omnivores) 腐屑動(dòng)物 (detritivores),,食草動(dòng)物或初級(jí)消費(fèi)者：直接以植物為食的動(dòng)物。(herbivores) 食肉動(dòng)物或次級(jí)消費(fèi)者：以其他動(dòng)物為食的動(dòng)物。(carnivores) 雜食動(dòng)物或三級(jí)消費(fèi)者：兼以植物和動(dòng)物兩者為食

7、的動(dòng)物。(omnivores) 腐屑動(dòng)物：以死亡和腐敗的動(dòng)植物殘?bào)w為食的動(dòng)物。大多屬小型動(dòng)物、依土壤而居。它們與微生物合作，轉(zhuǎn)化和分解有機(jī)物質(zhì)。(detritivores),,c. 分解者(decomposer),在生態(tài)系統(tǒng)中擔(dān)當(dāng)有機(jī)物的破壞、分解和還原作用的生物。 主要由微生物進(jìn)行，包括細(xì)菌和真菌。 分解者將複雜有機(jī)化合物，還原成為最基本的無(wú)機(jī)化合物和營(yíng)養(yǎng)元素。 如果沒(méi)有分解者的存在，物質(zhì)循還的途徑將會(huì)中斷，生態(tài)系統(tǒng)走向毀滅。

8、,,生態(tài)系統(tǒng)的功能,生態(tài)系統(tǒng)的基本功能是以生物為核心的能量流動(dòng)和物質(zhì)循環(huán)能量流動(dòng) (energy flow) 物質(zhì)循環(huán) (matter cycle),,1. 能量流動(dòng) ( energy flow ),熱力學(xué)第一定律 (First law of thermodynamics)：能量可以從一種形態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N形態(tài)，但不能創(chuàng)選它或消滅它。熱力學(xué)第二定律 (Second law of thermodynamics)：由於某些能量常消散為不

9、能利用的熱能，所以沒(méi)有任何能量能完全有效變?yōu)闈撃?熵 entropy)。因此，能量只會(huì)向用處越小及消散越大的狀態(tài)轉(zhuǎn)化，最終轉(zhuǎn)為分佈均勻的熱能型。,,熱力學(xué)第二定律,,在生態(tài)系統(tǒng)中，能量的來(lái)源是太陽(yáng)能。但將太陽(yáng)能固定下來(lái)在於生物的生產(chǎn)，也是把太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為不同形式化學(xué)能的過(guò)程。 能量的固定(fixing of energy) --- 生物生產(chǎn) 能量的轉(zhuǎn)移(transfer of energy),,a. 能量的固定(fixing of e

10、nergy),初級(jí)生產(chǎn)(primary production) 次級(jí)生產(chǎn)(secondary production) 生物量(Biomass) 生產(chǎn)(Production),,i. 初級(jí)生產(chǎn)(primary production),植物通過(guò)光合作用把太陽(yáng)能轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)能，生產(chǎn)出植物性產(chǎn)品的過(guò)程，稱(chēng)為初級(jí)生產(chǎn)。 在光合作用中，每生產(chǎn)１克的碳水化合物，我們需要６７４千卡的太陽(yáng)能。 植物光合作用中所累積的能量是進(jìn)入生態(tài)系統(tǒng)的基本能量，

11、稱(chēng)為初級(jí)生產(chǎn)量(primary production)。 淨(jìng)初級(jí)生產(chǎn)量(net primary production)﹕由太陽(yáng)能進(jìn)入生態(tài)系統(tǒng)的基本能量，部份被植物自身用於呼吸而消耗，其餘部份則貯藏於植物的身體內(nèi)用以增加本身的成份。NPP = GPP – RA淨(jìng)初級(jí)生產(chǎn)量 = 總初級(jí)生產(chǎn)量 – 植物呼吸作用,,ii. 次級(jí)生產(chǎn)(secondary production),生態(tài)系統(tǒng)中，初級(jí)生產(chǎn)者以外的其他異養(yǎng)生物，利用淨(jìng)初級(jí)生產(chǎn)品，合

12、成自身物質(zhì)的生產(chǎn)，稱(chēng)為次級(jí)生產(chǎn)。 初級(jí)生產(chǎn)是有機(jī)物質(zhì)的製造，次級(jí)生產(chǎn)是有機(jī)物質(zhì)的的被利用和再生產(chǎn)。 初級(jí)生產(chǎn)品依靠食草動(dòng)物進(jìn)入次級(jí)生產(chǎn)者的身體，所食入的能量經(jīng)過(guò)大量的消耗，僅有一小部份被利用。 次級(jí)生產(chǎn)每上升一個(gè)層次，其轉(zhuǎn)化效率都降低一次。 NSP = GSP – RH淨(jìng)次級(jí)生產(chǎn)力 = 總次級(jí)生產(chǎn)力 – 異養(yǎng)呼吸,,iii. 生物量(Biomass),生物量是指在一定時(shí)間內(nèi)、地表單位面積存在的有機(jī)質(zhì)重量。 這重量包括所有植物

13、、動(dòng)物和微生物的有機(jī)物量，所以又叫現(xiàn)存量。通常以單位面積上的乾物質(zhì)重量表示。(千克／平方米) 在陸地生態(tài)系統(tǒng)中，由於動(dòng)物和微生物的數(shù)量很少，僅及植物量的１％，所以生物量主要由植物量組成。,,iv. 生產(chǎn)量(Production),生產(chǎn)量(Production)是指在一個(gè)特定時(shí)間內(nèi)，一個(gè)生態(tài)系統(tǒng)所生產(chǎn)的生物量。 不同生態(tài)系統(tǒng)，其生產(chǎn)量和生物量的差異很大。 以下是不同陸地生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)量和生物量： 生態(tài)系統(tǒng)平均淨(jìng)初級(jí)生產(chǎn)量平均生物量

14、 --->熱帶雨林2000克/米2 /年,  溫帶落葉林1200克/米2/年,   熱帶荒漠71克/米 2/年,   苔原地帶144克/米 2/年 。,,各生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力的差異主要受水分、陽(yáng)光和養(yǎng)分等因子影響。 例如熱帶荒漠受水因子的限制，生產(chǎn)量和生物量都甚低。 熱帶雨林因環(huán)境理想，生產(chǎn)量和生物量都是最高,,b. 能量的轉(zhuǎn)移(Transfer of energy),在生態(tài)系統(tǒng)中，能量的轉(zhuǎn)移是靠食

15、物關(guān)係相連，以維持整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)的運(yùn)作。 能量轉(zhuǎn)移的渠道﹕食物鏈(Food chain)食物網(wǎng)(Food web)食物塔(Food pyramid),,i. 食物鏈 (Food chain),食物鏈---生物靠排攝食而建立的關(guān)係。能量通過(guò)營(yíng)養(yǎng)關(guān)係，即食與被食的關(guān)係來(lái)建立的。 按照食物鏈的性質(zhì)不同，主要分為兩類(lèi)型﹕ 捕食性食物鏈 : 生產(chǎn)者提供物質(zhì)通過(guò)動(dòng)物間的捕食行為傳遞。 例子﹕草→食草動(dòng)物→食肉動(dòng)物 碎屑性食物鏈﹕小型腐屑

16、動(dòng)物和微生物對(duì)動(dòng)植物死亡後的殘?bào)w、碎屑的利用和處理。通過(guò)這些過(guò)程，能量和物質(zhì)傳遞到碎屑動(dòng)物或還原到環(huán)境之中。碎屑性食物鏈在能量流動(dòng)和物質(zhì)循環(huán)中起著重要的作用。,捕食性食物鏈,腐屑食物鏈,陸地生態(tài)系統(tǒng)和水生生態(tài)系統(tǒng)的比較 :陸地生態(tài)系統(tǒng) --- 綠色植物是整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)的核心，但植物有大量的支持組織是難以進(jìn)食的，這些組織的能量就倚靠碎屑性食物鏈中的腐屑動(dòng)物和分解者來(lái)傳遞。所以在陸地生態(tài)系統(tǒng)中，碎屑性食物鏈的能量流動(dòng)比捕食性食物鏈高得多。

17、水生生態(tài)系統(tǒng) ---水體中的光合作用主要由藻類(lèi)植物和浮游植物負(fù)責(zé)。藻類(lèi)植物幾乎沒(méi)有不可食的組織。浮游動(dòng)物大量捕食藻類(lèi)產(chǎn)品，形成一個(gè)龐大的生物群體。能量主要通過(guò)捕食性食物鏈而流動(dòng)。,,ii. 食物網(wǎng)(Food web),食物網(wǎng)–在真正的生態(tài)系統(tǒng)中，食物關(guān)係並不是鏈狀，而是更加複雜的網(wǎng)狀。數(shù)個(gè)食物鏈串連成一起稱(chēng)為食物網(wǎng)。 例子﹕植物 →牛 →人 植物 →羊 →人 植物 →人 動(dòng)物界很少是嚴(yán)格單食性的種類(lèi)。絕大部份的動(dòng)物都有取食不同種類(lèi)

18、食物的習(xí)性，而同一種食物又會(huì)被不同的獵物捕食。各種生物互相吞食的情況十分複雜，互相連接，形成食物網(wǎng)。,陸地生態(tài)食物網(wǎng),,iii.食物塔 (Pyramid of biomass),綠色植物(生產(chǎn)者) →食物基本來(lái)源→第一級(jí)營(yíng)養(yǎng)層 食草動(dòng)物(初級(jí)消費(fèi)者) →以植物為食料→第二級(jí)營(yíng)養(yǎng)層 食肉動(dòng)物(次級(jí)消費(fèi)者) →以食草動(dòng)物為食料→第三級(jí)營(yíng)養(yǎng)層 營(yíng)養(yǎng)層次一般分為三至五級(jí)，各營(yíng)養(yǎng)層由食物鏈來(lái)啣接。 各組營(yíng)養(yǎng)層的生物量和能量都以塔型來(lái)顯示，

19、因?yàn)殡S著營(yíng)養(yǎng)層的上升，生物量和能量都急速下降。這些流失能量的比率稱(chēng)為熵值。熵值越大，其遞減的速率則越快。這種關(guān)係稱(chēng)為食物塔或生態(tài)塔。,食物塔根據(jù)生物量、生物數(shù)目和生產(chǎn)率分為三類(lèi)： 生物數(shù)目塔：生物數(shù)目隨營(yíng)養(yǎng)層上升而下降。越高級(jí)的動(dòng)物，其數(shù)目則越少。 生物量塔：在一定的時(shí)間內(nèi)，一個(gè)生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)所擁有的各級(jí)生物總量。即是綠色植物最多，食草動(dòng)物次之，食肉動(dòng)物最少。 生產(chǎn)塔率或能量塔：以各級(jí)動(dòng)、植物的生產(chǎn)率和能量來(lái)排列。綠色植物的生產(chǎn)率最大

20、，而隨著營(yíng)養(yǎng)層的遞增，生產(chǎn)率隨之下降。,能流分析 ： 通用模型,,,,B biomass 生物量I input 能量輸入NA not assimilated 未被同化A assimilation 同化作用P production 生產(chǎn)R respiration 呼吸,I = NA + A 或 I = NA + R + P,三級(jí)生態(tài)系統(tǒng)的能流模,,物質(zhì)

21、循環(huán) (Matter Cycle/Material Cycle),在生態(tài)系統(tǒng)中，僅有能量不足以維持生命，還需要有物質(zhì)基礎(chǔ)。 生態(tài)系統(tǒng)中的能量來(lái)自太陽(yáng)，物質(zhì)則由地球供給。 生態(tài)系統(tǒng)中的物質(zhì)，主要是指生物生命必須的各種營(yíng)養(yǎng)元素。 物質(zhì)從大氣、水域或土壤中，通過(guò)綠色植物進(jìn)入食物鏈，然後轉(zhuǎn)移給食草動(dòng)物，進(jìn)而轉(zhuǎn)給食肉動(dòng)物，最後被微生物分解轉(zhuǎn)化回到環(huán)境中。這些被釋放的物質(zhì)，又一被植物吸收，重新進(jìn)入食物鏈。這一個(gè)過(guò)程稱(chēng)為物質(zhì)循環(huán)。 物質(zhì)是不滅

22、的，生態(tài)系統(tǒng)中的物質(zhì)不斷循環(huán)，構(gòu)成物質(zhì)流動(dòng)。,,,,生態(tài)系統(tǒng)的養(yǎng)分循環(huán) (Nutrient cycle),營(yíng)養(yǎng)循環(huán)在環(huán)境、生產(chǎn)者、消費(fèi)者和分解者之間進(jìn)行。 養(yǎng)份循環(huán)表現(xiàn)在下列過(guò)程中﹕巖石風(fēng)化→形成土壤→動(dòng)、植物生長(zhǎng)→有機(jī)物的合成、代謝和分解→水分溶解→土壤 營(yíng)養(yǎng)元素通過(guò)上述過(guò)程不斷遷移、積累和循環(huán)。 生態(tài)系統(tǒng)還可能從雨水、空氣流動(dòng)、動(dòng)物遷移中得到營(yíng)養(yǎng)元素。元素亦可以從動(dòng)物遷出、地表徑流和地下水流中移出生態(tài)系統(tǒng)以外，形成一個(gè)開(kāi)放系統(tǒng)

23、。 營(yíng)養(yǎng)循環(huán)主要是養(yǎng)分循環(huán)於土壤(Soil)、殘落物(Litter)和生物量(Biomass)之間。,地球上不同的生境(habitat)中，養(yǎng)分循環(huán)的不同貯存庫(kù)和流動(dòng)過(guò)程各有不同　 生物地球化學(xué)循環(huán) (Biogeochemical Cycle)：生物系統(tǒng)之間的礦物元素的輸入和輸出，以及它們?cè)诖髿馊?、水圈、巖石圈和土壤圈之間的交換。 例：碳循環(huán)、氮循環(huán),,碳循環(huán),,,,,,,,氮循環(huán),,,,生態(tài)系統(tǒng)的平衡 Ecological eq

24、uilibrium,生態(tài)平衡﹕在一定時(shí)間內(nèi)，生態(tài)環(huán)境中生物與環(huán)境、生物各種群之間，通過(guò)能量流動(dòng)，物質(zhì)循環(huán)，使它們互相適應(yīng)、協(xié)調(diào)而達(dá)致統(tǒng)一的穩(wěn)定狀態(tài)。這種狀態(tài)稱(chēng)為 生態(tài)平衡。生態(tài)平衡的特性 投入 -- 產(chǎn)出平衡 結(jié)構(gòu)上平衡 功能上平衡 如果生態(tài)系統(tǒng)中的調(diào)節(jié)能力比干擾大，系統(tǒng)會(huì)逐漸回復(fù)正常。相反如果生態(tài)系統(tǒng)中的干擾比調(diào)節(jié)能力大，系統(tǒng)會(huì)步向崩潰。,,生態(tài)平衡的特性,投入–產(chǎn)出平衡 生態(tài)系統(tǒng)是一個(gè)開(kāi)放系統(tǒng)，有物質(zhì)能量的投入，亦有物質(zhì)

25、能量的產(chǎn)出。 投入＝產(chǎn)出﹔生態(tài)平衡。 投入＞產(chǎn)出﹔生態(tài)系統(tǒng)增長(zhǎng)。 投入＜產(chǎn)出﹔生態(tài)系統(tǒng)衰退。 人類(lèi)從生態(tài)系統(tǒng)中取得資源和能量，應(yīng)給予適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償，使系統(tǒng)得以維持。,,2. 結(jié)構(gòu)上平衡,生態(tài)系統(tǒng)中各成份應(yīng)不可缺少，生產(chǎn)者、消費(fèi)者和分解者缺一不可。 生物的種類(lèi)和數(shù)目亦要保持相對(duì)穩(wěn)定。物種應(yīng)該維持多元化(bio-diversity)，各種生物的比例應(yīng)該恰當(dāng)。 生物通過(guò)食物鏈，控制著物種間的數(shù)量和比例。 人類(lèi)如果破壞這種協(xié)調(diào)的關(guān)係和

26、比例，使某些物種減少，另一物種大量增加，就會(huì)帶來(lái)危害。 例如﹕ 農(nóng)藥令害蟲(chóng)的天敵減少，害蟲(chóng)大量增加。 大量捕殺捕鼠類(lèi)動(dòng)物，便會(huì)造成鼠害。,,生態(tài)平衡的特性,3. 功能上平衡,系統(tǒng)內(nèi)元素的組成保持緊密的穩(wěn)定狀況。 生態(tài)系統(tǒng)通過(guò)調(diào)節(jié)化學(xué)循環(huán)的速度來(lái)符合物質(zhì)轉(zhuǎn)化的規(guī)律。 生態(tài)系統(tǒng)通過(guò)一連串的反饋，對(duì)外界的干擾進(jìn)行內(nèi)部結(jié)構(gòu)和功能的調(diào)整，以保護(hù)系統(tǒng)的穩(wěn)定和平衡。,生態(tài)平衡的特性,生態(tài)系統(tǒng)的自我調(diào)節(jié)能力受下列因素影響﹕ 生物的種類(lèi)和成分越多

27、，生態(tài)系統(tǒng)越穩(wěn)定。 能量流、物質(zhì)流途徑的複雜程度越多，生態(tài)系統(tǒng)越穩(wěn)定。 營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的貯備量越大，生態(tài)系統(tǒng)越穩(wěn)定。 生物的遺傳和變異能力越大，生態(tài)系統(tǒng)越穩(wěn)定。 生態(tài)系統(tǒng)中的非生物環(huán)境，可通過(guò)物理和化學(xué)作用來(lái)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)。,,生態(tài)平衡的特性,生態(tài)系統(tǒng)的類(lèi)型,,,,,,,,,,,,,Coastal,Shallow sea,Oceanic,Flowing water,Slack water,Desert,Tundra,Steppe,Fo