第五章-生態(tài)系統(tǒng)的一般特征

1、基礎(chǔ)生態(tài)學(xué),11 生態(tài)系統(tǒng)的一般特征,本章內(nèi)容,生態(tài)系統(tǒng)的基本概念生態(tài)系統(tǒng)的組成與結(jié)構(gòu)食物鏈和食物網(wǎng)營養(yǎng)級(jí)和生態(tài)金字塔生態(tài)效率生態(tài)系統(tǒng)的反饋調(diào)節(jié)和生態(tài)金字塔,生態(tài)系統(tǒng)的基本概念,生態(tài)系統(tǒng)：在一定空間中共同棲居著的所有生物(生物群落)與其環(huán)境之間由于不斷進(jìn)行物質(zhì)循環(huán)和能量流動(dòng)過程而形成的統(tǒng)一整體系統(tǒng)：相互作用、相互依賴的事物有規(guī)律地聯(lián)合的集合體許多成分組成各成分間相互聯(lián)系、相互作用獨(dú)立的、特定的功能生物地理群落,生態(tài)

2、系統(tǒng)的特征,是生態(tài)學(xué)的一個(gè)主要結(jié)構(gòu)和功能單位，屬于生態(tài)學(xué)研究的最高層次內(nèi)部具有自我調(diào)節(jié)能力能量流動(dòng)、物質(zhì)循環(huán)和信息傳遞是生態(tài)系統(tǒng)的三大功能生態(tài)系統(tǒng)中營養(yǎng)級(jí)的數(shù)目受限于生產(chǎn)者所固定的最大能值和這些能量在流動(dòng)中巨大損失，因此生態(tài)系統(tǒng)中營養(yǎng)級(jí)不會(huì)超過5-6個(gè)生態(tài)系統(tǒng)是一個(gè)動(dòng)態(tài)系統(tǒng),目前有關(guān)生態(tài)系統(tǒng)的研究工作,自然生態(tài)系統(tǒng)的保護(hù)和利用生態(tài)系統(tǒng)調(diào)控機(jī)制的研究生態(tài)系統(tǒng)退化的機(jī)制、恢復(fù)及其修復(fù)研究全球性生態(tài)問題的研究生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展

3、的研究,自然生態(tài)系統(tǒng)的保護(hù)和利用,和諧、高效和健康是自然生態(tài)系統(tǒng)有的共同特點(diǎn)自然生態(tài)系統(tǒng)中具有較高的物種多樣性和群落穩(wěn)定性健康的生態(tài)系統(tǒng)比退化的更有價(jià)值，具有較高的生產(chǎn)力，能滿足人類物質(zhì)的需求，還給人類提供生存的優(yōu)良環(huán)境研究自然生態(tài)系統(tǒng)的形成和發(fā)展過程、合理性機(jī)制、以及人類活動(dòng)對(duì)自然生態(tài)系統(tǒng)的影響，對(duì)于有效利用和保護(hù)自然生態(tài)系統(tǒng)均有較大的意義,生態(tài)系統(tǒng)調(diào)控機(jī)制的研究,生態(tài)系統(tǒng)是一個(gè)自我調(diào)控的系統(tǒng)自然、半自然和人工等不同類型生態(tài)系

4、統(tǒng)自我調(diào)控的閾值自然和人類 活動(dòng)引起局部和全球環(huán)境變化帶來的一系列生態(tài)效應(yīng)生物多樣性、群落和生態(tài)系統(tǒng)與外部限制因素間的作用效應(yīng)及其機(jī)制,生態(tài)系統(tǒng)退化的機(jī)制、恢復(fù)及其修復(fù)研究,在人為干擾和其他因素的影響下，有大量的生態(tài)系統(tǒng)處于不良狀態(tài)，承載著超負(fù)荷的人口和環(huán)境負(fù)擔(dān)、水資源枯竭、荒漠化和水土流失在加重等，脆弱、低效和衰退已成為這一類生態(tài)系統(tǒng)的明顯特征由于人類活動(dòng)而造成逆向演替或?qū)ι鷳B(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、重要生物資源退化機(jī)理及其恢復(fù)途徑防止人類

5、與環(huán)境關(guān)系的失調(diào)自然資源的綜合利用以及污染物的處理,全球性生態(tài)問題的研究,近幾十年來，許多全球性的生態(tài)問題嚴(yán)重威脅著人類的生存和發(fā)展，要靠全球人類共同努力才能解決的問題，如臭氧層破壞、溫室效應(yīng)、全球變化等全球變化對(duì)生物多樣性和生態(tài)系統(tǒng)的影響及其反應(yīng)敏感地帶和生態(tài)系統(tǒng)對(duì)氣候變化的反應(yīng)氣候與生態(tài)系統(tǒng)相互作用的模擬建立全球全球變化的生態(tài)系統(tǒng)發(fā)展模型提出全球變化中應(yīng)采取的對(duì)策和措施等,生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展的研究,過去以破壞環(huán)境為代價(jià)來

6、發(fā)展經(jīng)濟(jì)的道路使人類社會(huì)走進(jìn)了死胡同，人類要擺脫這種困境，必須從根本上改變?nèi)伺c自然的關(guān)系，把經(jīng)濟(jì)發(fā)展和環(huán)境保護(hù)協(xié)調(diào)一致，建立可持續(xù)發(fā)展的生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)系統(tǒng)資源的分類、配置、替代及其自我維持模型發(fā)展生態(tài)工程和高新技術(shù)的農(nóng)業(yè)工廠化探索自然資源的利用途徑，不斷增加全球物質(zhì)的現(xiàn)存量研究生態(tài)系統(tǒng)科學(xué)管理的原理和方法，把生態(tài)設(shè)計(jì)和生態(tài)規(guī)劃結(jié)合起來加強(qiáng)生態(tài)系統(tǒng)管理、保持生態(tài)系統(tǒng)健康和維持生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能,Biosphere 2,,生態(tài)系統(tǒng)的構(gòu)

7、成和結(jié)構(gòu),生物群落生產(chǎn)者消費(fèi)者：食草動(dòng)物、食肉動(dòng)物、大型食肉動(dòng)物分解者非生物環(huán)境無機(jī)物質(zhì)有機(jī)物質(zhì)氣候因素(及其他物理?xiàng)l件）成份之間的相互作用關(guān)系,池塘生態(tài)系統(tǒng)示意圖,一個(gè)簡單的陸地生態(tài)系統(tǒng)模式圖,生態(tài)系統(tǒng)各成份的相互關(guān)系,無機(jī)物質(zhì) 有機(jī)物質(zhì) 氣候因素,消費(fèi)者,分解者,生產(chǎn)者,,,,,,,,,,,植物，化能合成細(xì)菌,動(dòng)物，包括大型消費(fèi)者小型消費(fèi)者,細(xì)菌真菌,日

8、光能,,,,生態(tài)系統(tǒng)各成份的相互關(guān)系,無機(jī)物質(zhì) 有機(jī)物質(zhì) 氣候因素,線條粗細(xì)表示作用強(qiáng)弱和物質(zhì)能量流通的總量多寡,消費(fèi)者,分解者,生產(chǎn)者,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,植物，化能合成細(xì)菌,動(dòng)物，包括大型消費(fèi)者小型消費(fèi)者,細(xì)菌真菌,日光能,,,食物鏈和食物網(wǎng),食物鏈：生產(chǎn)者所固定的能量和物質(zhì)，通過一系列取食和被食的關(guān)系在生態(tài)系統(tǒng)中傳遞，各種生物按其食物關(guān)系排列

9、的鏈狀順序食物網(wǎng)：食物鏈彼此交錯(cuò)連結(jié)，形成一個(gè)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),食物鏈類型,捕食食物鏈碎屑食物鏈寄生食物鏈,捕食食物鏈,綠色植物為起點(diǎn)到食草動(dòng)物進(jìn)而到食肉動(dòng)物的食物鏈植物-食草動(dòng)物-食肉動(dòng)物草原上：青草-野兔-狐貍-狼湖泊中：藻類-甲殼類-小魚-大魚,碎屑食物鏈,動(dòng)、植物的遺體被食腐性生物(小型土壤動(dòng)物、真菌、細(xì)菌)取食，然后到他們的捕食者的食物鏈植物殘?bào)w-蚯蚓-線蟲類-節(jié)肢動(dòng)物,捕食食物鏈和碎屑食物鏈,寄生食物鏈,由宿主和寄生物

10、構(gòu)成以大型動(dòng)物為食物鏈的起點(diǎn)，繼之以小型動(dòng)物、微型動(dòng)物、細(xì)菌和病毒后者與前者是寄生性關(guān)系哺乳動(dòng)物或鳥類-跳蚤-原生動(dòng)物-細(xì)菌-病毒,微型浮游植物(小鞭毛藻),小型浮游動(dòng)物(植食性原生動(dòng)物),的型浮游動(dòng)物(肉食性甲殼動(dòng)物),大型浮游動(dòng)物(毛顎類、磷蝦),燈籠魚、秋刀魚(食浮游動(dòng)物魚類),烏賊、鮭、金槍魚(食魚動(dòng)物),,,,,,,大型浮游植物,大型浮游動(dòng)物,鯨以浮游生物為食,,鯷魚以浮游生物為食,1,大型浮游植物,

11、,,2,3,海洋食物鏈1,小型浮游植物大型硅藻、甲藻和微型浮游植物,大型浮游動(dòng)物,食浮游生物魚類如鯡等,底棲植食動(dòng)物蛤,牡蠣,多毛類等,底棲肉食魚類鱈魚等,大型肉食魚類鯊魚鮭魚等,,,,,,,海洋食物鏈2,南極海洋浮游食物網(wǎng),凍原生態(tài)系統(tǒng)食物鏈,狼、狐、雪鸮、賊鷗、隼,麝牛、馴鹿、雪兔旅鼠、雷鳥、雁,鷸、雀類,昆蟲,植被,,,,,,,,,,,,,食物關(guān)系,能量關(guān)系,,,,,,,主線,,食物網(wǎng),一種生物常常以多種食物為食

12、，而同一種食物又常常為多種消費(fèi)者取食，于是食物鏈交錯(cuò)起來，多條食物鏈相聯(lián)，形成了食物網(wǎng)食物網(wǎng)不僅維持著生態(tài)系統(tǒng)的相對(duì)平衡，并推動(dòng)著生物的進(jìn)化，成為自然界發(fā)展演變的動(dòng)力食物網(wǎng)以營養(yǎng)為紐帶，把生物與環(huán)境、生物與生物緊密聯(lián)系起來的結(jié)構(gòu)，稱為生態(tài)系統(tǒng)的營養(yǎng)結(jié)構(gòu),食物網(wǎng),,北極島嶼簡單的食物網(wǎng),FOOD WEB,A few of the organisms in a temperate tall-grass prairie and the f

13、ood web that connects them,FOOD WEB,營養(yǎng)級(jí)與生態(tài)金字塔,營養(yǎng)級(jí)：處于食物鏈某一環(huán)節(jié)上的所有生物種的總和,營養(yǎng)級(jí),生態(tài)系統(tǒng)中營養(yǎng)級(jí)數(shù)目,各營養(yǎng)級(jí)消費(fèi)者不可能100%利用前一營養(yǎng)級(jí)的生物量各營養(yǎng)級(jí)同化率也不是100%，總有一部分排泄出去各營養(yǎng)級(jí)生物要維持自身的活動(dòng)，消耗一部分熱量能流在通過各營養(yǎng)級(jí)時(shí)會(huì)急劇減少，食物鏈就不可能太長生態(tài)系統(tǒng)中的營養(yǎng)級(jí)一般只有四、五級(jí)，很少超過六級(jí),TERRESTRIA

14、L FOOD CHAIN,In a food chain, energy is passed from one trophic level to the next BUT the transfer of energy is NEVER 100% efficient. That is, there is always some energy lost per the 2nd Law of Thermodynamics. This lo

15、st energy is called entropy.,The length of food chains,生態(tài)金字塔,營養(yǎng)級(jí)之間的數(shù)量關(guān)系這種數(shù)量關(guān)系可采用生物量、能量和個(gè)體數(shù)量單位來表示能量金字塔生物量金字塔數(shù)量金字塔,能量金字塔,由各營養(yǎng)級(jí)所固定的總能量值的多少來構(gòu)成的生態(tài)金字塔以相同的單位面積和單位時(shí)間內(nèi)的生產(chǎn)者和各級(jí)消費(fèi)者所積累的能量比率來構(gòu)造千卡/平方米.年,energy pyramid,An energy p

16、yramid for a prairie ecosystem. Each trophic level from producer to tertiary consumer has less energy stored in it. The width of the rectangles represents energy found in the organisms at each trophic level.,energy pyr

17、amid,,P,H,C,矮草草原生產(chǎn)力金字塔,生物量金字塔,以相同單位面積上生產(chǎn)者和各級(jí)消費(fèi)者的生物量即生命物質(zhì)總量建立的金字塔。對(duì)陸地、淺水生態(tài)系統(tǒng)中比較典型，因?yàn)樯a(chǎn)者是大型的，所以塔基比較大，金字塔比較規(guī)則,生物量金字塔,,生物量金字塔,湖泊和開曠海洋，第一性生產(chǎn)者主要為微型藻類，生活周期短，繁殖迅速，大量被植食動(dòng)物取食利用，在任何時(shí)間它的現(xiàn)存量很低，導(dǎo)致這些生態(tài)系統(tǒng)的生物量金字塔呈倒金字塔形,數(shù)量金字塔,單位面積內(nèi)生產(chǎn)者的個(gè)體數(shù)

18、目為塔基，以相同面積內(nèi)各營養(yǎng)級(jí)位有機(jī)體數(shù)目構(gòu)成塔身及塔頂。一般每一個(gè)營養(yǎng)級(jí)所包括的有機(jī)體數(shù)目，沿食物鏈向上遞減。,數(shù)量金字塔,有時(shí)植食動(dòng)物比生產(chǎn)者數(shù)目多。如昆蟲和樹木個(gè)體大小差別很大，只用個(gè)體數(shù)目多少來說明問題有局限性。,不同類型金字塔的比較,能量金字塔表達(dá)營養(yǎng)結(jié)構(gòu)最全面，確切 表示食物通過食物鏈的效率，永遠(yuǎn)是正塔型數(shù)量金字塔過分突出小生物體的重要性生物量金字塔過分突出大生物體的重要性,,P-809,,,,TC-1.5C-11

19、H-37,現(xiàn)存量金字塔kcal.m2,能量金字塔kcal.m2.y-1,D-5,,P-20810,H-3368,C-,383,TC -21,,D-5060,P- ProductorsH- Herbivorers C- Carnivorers TC- Top carnivorers D- Decomposers,現(xiàn)存量(生物量)錐體與能量錐體,,P-1.5×106,H-2×105,C,,9 

20、5;104,TC-1,P,H-1.5×105,C-1.2 ×105,,TC-2,200,數(shù)量錐體1/1000m2,生物量錐體g/m2,夏季草原 夏季溫帶森林,P-4×104,H,,,,,-4,C-1,D-10,H+C -21,P -4,熱帶雨林 海洋,數(shù)量金字塔與生物量金字塔,,Eltonian Py

21、ramids,生態(tài)效率,生態(tài)效率：各種能流參數(shù)中的任何一個(gè)參數(shù)在營養(yǎng)級(jí)之間或營養(yǎng)級(jí)內(nèi)部的比值，常以百分?jǐn)?shù)表示。能量參數(shù)：攝取量（I）：表示各生物所攝取的能量同化量(A)：動(dòng)物消化道內(nèi)被吸收的能量，即消費(fèi)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)：生物在呼吸等新陳代謝和各種活動(dòng)所消耗的全部能量生產(chǎn)量(P)：生物呼吸消耗后所凈剩的同化能量值。P= A- R,營養(yǎng)級(jí)位之內(nèi)的生態(tài)效率,量度一個(gè)物種利用食物能的效率，即

22、同化能量的有效程度,同化效率,被植物吸收的日光能中被光合作用所固定的能量比例，或被動(dòng)物攝食的能量中被同化了的能量比例：Ae = An / In肉食動(dòng)物的同化效率高于植食動(dòng)物,生長效率,組織生長效率：Pe = Pn / An生態(tài)生長效率: Ee = Pn/ In營養(yǎng)級(jí)越高，生長效率越低植物的生長效率>動(dòng)物植物將光合能量大約40%呼吸，60%生長肉食動(dòng)物同化能量大約65%用于呼吸，35%用于生長哺乳動(dòng)物呼吸消耗的能

23、量最多，大約占同化量的97-99%，只有1%-3%用于凈生產(chǎn)量,Production Efficiencies,,Production Efficiencies,,營養(yǎng)級(jí)位之間的生態(tài)效率,量度營養(yǎng)級(jí)位之間的轉(zhuǎn)化效率消費(fèi)效率：消費(fèi)效率量度一個(gè)營養(yǎng)級(jí)對(duì)前一營養(yǎng)級(jí)的相對(duì)取食壓力。Ce = In+1 / Pn一般在20-35%范圍內(nèi)，每一營養(yǎng)級(jí)凈生產(chǎn)的65%-75%進(jìn)入碎屑食物鏈利用效率：利用效率的高低，說明前一營養(yǎng)級(jí)的凈生產(chǎn)量被后一營

24、養(yǎng)級(jí)同化多少Ue = An+1 / Pn,林德曼效率,林德曼效率：n+1營養(yǎng)級(jí)所獲得的能量占n營養(yǎng)級(jí)所獲得的能量之比：Le=In+1/In林得曼定律（十分之一定律）：能量沿營養(yǎng)級(jí)的移動(dòng)時(shí)，逐級(jí)變小，后一營養(yǎng)級(jí)只能是前一營養(yǎng)級(jí)能量的十分之一左右。,A：利用效率，能量攝取效率，同化效率，生產(chǎn)效率 B：生態(tài)生長效率，同化效率，組織生長效率,A,B,,,,,,,,,1-2 2-3

25、 3-4,營養(yǎng)級(jí),302010,,,,,,,,,,,,,,,,,,,1-2 2-3 3-4,營養(yǎng)級(jí),302010,,,,,,,,,林德曼效率,利用效率,對(duì)多個(gè)生態(tài)系統(tǒng)實(shí)測(cè)值比較生態(tài)效率,上屏返回,生態(tài)系統(tǒng)的反饋調(diào)節(jié)和生態(tài)平衡,反饋調(diào)節(jié),反饋調(diào)節(jié)：當(dāng)生態(tài)系統(tǒng)某一成分發(fā)生變化，它必然引起其他成分出現(xiàn)一系列相應(yīng)變化，這些變化又反過來影響最初發(fā)

26、生變化的那種成分負(fù)反饋：系統(tǒng)中某一成分的變化所引起的其他一系列變化，結(jié)果是抑制和減弱最初發(fā)生變化的那種成分的變化，使生態(tài)系統(tǒng)達(dá)到或保持平衡或穩(wěn)態(tài)正反饋：系統(tǒng)中某一成分的變化所引起的其他一系列變化，反過來加速最初發(fā)生變化的成分所發(fā)生的變化，使生態(tài)系統(tǒng)遠(yuǎn)離平衡狀態(tài)或穩(wěn)態(tài)。如湖泊污染，導(dǎo)致魚的數(shù)量因死亡而減少，由于魚體腐爛，加重湖泊污染并引起更多魚類的死亡。,負(fù)反饋,生態(tài)平衡,生態(tài)平衡：生態(tài)系統(tǒng)通過發(fā)育和調(diào)節(jié)所達(dá)到的一種穩(wěn)定狀態(tài)，它包括結(jié)

27、構(gòu)、功能和能量輸入和輸出的穩(wěn)定生態(tài)閾值：生態(tài)系統(tǒng)受外界干擾后，自動(dòng)調(diào)節(jié)的極限生態(tài)危機(jī)：由于人類盲目活動(dòng)而導(dǎo)致局部地區(qū)甚至整個(gè)生物圈結(jié)構(gòu)和功能的失衡，從而威脅人類的生存,初級(jí)生產(chǎn)量的測(cè)定方法,收獲量測(cè)定法氧氣測(cè)定法二氧化碳測(cè)定法放射性標(biāo)記物測(cè)定法葉綠素測(cè)定法,收獲量測(cè)定法,陸生定期收獲植被，烘干至恒重以每年每平方米的干物質(zhì)重量表示以其生物量的產(chǎn)出測(cè)定，但位于地下的生物量，難以測(cè)定地下的部分可以占有40%至85%的總生產(chǎn)量

28、，因此不能省略,氧氣測(cè)定法,通過氧氣變化量測(cè)定總初級(jí)生產(chǎn)量1927年T.Garder, H.H.Gran用于測(cè)定海洋生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)量從一定深度取自養(yǎng)生物的水樣，分裝在體積為125-300ml的白瓶(透光)、黑瓶(不透光)和對(duì)照瓶中對(duì)照瓶測(cè)定初始的溶氧量IB黑白瓶放置在取水樣的深度，間隔一定時(shí)間取出，用化學(xué)滴定測(cè)定黑白瓶的的含氧量DB、LB計(jì)算呼吸量(IB-DB)，凈生產(chǎn)量(LB-IB)，總生產(chǎn)量(LB-DB),二氧化碳測(cè)定法,用

29、塑料罩將生物的一部分套住測(cè)定進(jìn)入和抽出空氣中的CO2透明罩：測(cè)定凈初級(jí)生產(chǎn)量暗罩：測(cè)定呼吸量,放射性標(biāo)記物測(cè)定法,用放射性14C測(cè)定其吸收量，即光合作用固定的碳量放射性14C以碳酸鹽的形式提供，放入含有自然水體浮游植物的樣瓶中，沉入水中經(jīng)過一定時(shí)間，濾出浮游植物，干燥后在計(jì)數(shù)器測(cè)定放射活性，然后計(jì)算：14CO2/CO2=14C6H12O6/C6H12O6確定光合作用固定的碳量需用“暗呼吸”作校正,葉綠素測(cè)定法,植物定期取樣