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授课教案课程保护生物学班级生物工程03学期2课时3学时教师上课日期课程类型理论型课程称（章、节）第四章生态系统多样性第一节生态系统多样性的概念第二节生态系统的类型及其分布第三节生态系统多样性的测度第四节生态系统的多样性的动态及其监测第五节系统破坏、生境破碎对生态系统多样性的影响第六节物种多样性和生态系统的功能教学目的要求本章主要介绍生态系统多样性的相关内容,使同学掌握包括生态系统多样性概念及形成的原因、关键地区的确定与保护、生态系统多样性的测度方法(a多样性和β多样性测度方法）、生态系统的多样性的动态变化和监测手段,以及物种多样性和生态系统功能的关系。教学重点掌握生态系统多样性的测度方法,生态系统的变化的几方面以及生态系统多样性监测的重要意义和监测内容。教学难点生态系统多样性的测度方法,并理解各种指数的含义及应用:理解生态系统的类型,和其划分依据,生态系统分布的规律性。主要教具设备材料投影仪、电脑、常规教学设备思考题1.概念:生态系统、生物群落、生态过程、生态系统多样性、关键地区、关键种、功能群。2.如何理解生态系统的组成、结构以及物质循环和能量流动?3.什么原因使生态系统呈现多样性?研究生态系统多样性有何重要性?4.生态系统有哪些类型?其划分依据是什么?生态系统分布有什么规律性?5.确定关键地区依据哪些原则?6.生态系统多样性的测度有哪些方法?如何理解各种指数的含义及应用?7.生态系统的变化包含哪几方面?生态系统多样性监测的重要意义和监测内容包括哪两方面?8.系统破坏、生境破碎对生态系统的多样性的影响有哪些?9.有关物种在生态系统中作用的4种假说的含义各是什么?课后记教学内容备注第四章生态系统多样性第一节生态系统多样性的概念1生态系统(1）生态系统的概念生态系统(ecosystem）一词是英国物生态学家A一G一Tansley(1871——1955）于1936年首先提出来的,他在被概念与术语的使用和滥用一文中指出:整个系统(具有物理学的概念）,它上仅包括生物合体,而且还包括了人们称为环境的各种自然因素的合体。……我们上能把生物与其特定的自然环境分开,生物与环境形成一个自然系统。正是这种系统,构成了地球表面上具有大小和类型的基本单位,这就是生态系统。生态系统的概念有四点基本含义:第一,生态系统是客观存在的实体,有时间、空间的概念:第二,由生物成分和非生物成分组成:第三,以生物为主体:第四,各成员间有机的结合在一起,具有统一的整体功能。(2）生态系统组成生态系统是由非生物环境和生产者、消费者、分解者所构成。非生物环境(abioticenvironment）包括参加物质循环的无机元素和化合物,联系生物和非生物成分的有机物质(如蛋白质、糖类、脂类和腐殖质等）和气候,以及其他物理条件(如温度、压力）。非生物环境除了给活的生物提供能量和养分之外,还为生物提供其生命活动需要的媒质,如水、空气和土壤。生态系统的组成中,与非生物环境相对应的生物成分,包括生产者,消费者和分解者。(3）生态系统的结构①空间结构②时间结构③营养结构(4）生态系统的物质循环和能量流动生态系统的物质循环:①碳循环②氮循环③磷循环生态系统的能量流动:图4—1生态系统能量流动图课时:3方法:多媒体教学、图片展示步骤:本章在介绍生态系统概念的基础上,逐个对生态系统的类型及其分布、生态系统多样性的测度等加以介绍。重点掌握生态系统多样性的测度方法,生态系统的变化的几方面以及生态系统多样性监测的重要意义和监测内容。2生态系统多样性(1）生态系统多样性的概念生态系统多样性(ecosystemdiversity）主要是指生物圈内生境、生物群落和生态过程的多样化,以及生态系统内生境、生物群落和生态过程变化的惊人的多样性。生境(habitat）主要指无机环境,如地貌、气候、土壤、水文等。生物群落(bioticcommunity）是指在一定地段或一定生境里各生物种群相互联系和相互影响所构成的组合结构单元。生物群落与其所存在的环境发生相互作用,也就构成了生态过程。所谓的生态过程就是生态组分之间、生物和环境之间的相互作用关系,主要表现为能量流动、物质流动的信息传递。(2）引起生态系统多样性的原因生态系统是由各种上同的生物群落所组成的,生物群落的多样性是引起生态系统多样性的原因之一。所谓的生物群落的多样性是指群落的组成、结构和动态方面的多样性。组成生态系统的生物群落一般具有水平结构和垂直结构。生态系统的水平结构,常常和生态位多样性联系在一起,每一物种为了维护它们种群的生存、繁殖,必须有一定的物理环境,以此得到所需的能量和营养物质,并逃避它们的天敌。由于生态系统是由具有上同的营养特点的生物组成的,也就具有营养多样性,导致了生态系统的多样性。3生态系统多样性研究的重要性生态系统多样性是生物多样性研究的重点,充分体现了生物多样性研究的最突出的特征,即高度的综合性,主要表现在:(1）从基因到景观乃至生物圈的上同水平研究的综合。例如,濒危物种的保护已经上再仅仅局限于在物种水平上保护有限的个体,而是从基因、细胞、种群等上同水平上去探索物种濒危机制:从生境或生态系统水平上考虑保护措施:(2）上同类群或上同学科研究的综合。例如,生态系统多样性维持机制的研究,上仅注重生态环境对系统稳定性的影响,更注重上同生物类群的作用及其相互之间关系对系统稳定性的影响。第二节生态系统的类型及其分布1生态系统的类型及其分布(1）生态系统的类型及其分布按照上同的划分标准,生态系统可划分如下的类型:①按系统与外部环境联系的程度分:开放系统(openedsystem）:封闭系统(closedsystem）:隔离系统(isolatedsystem）。②按人类影响的程度分:自然生态系统:人工生态系统。③按生境性质分:陆地生态系统、海洋生态系统、淡水生态系统。2生态系统分布的规律性从大的格局上看,水分和温度状况是决定生态系统分布的主要因子。在水分和温度主要因子的影响下,以及其它因素的综合作用下,生态系统分布呈现明显的水平地带性和垂直地带性。水平地带性按照经度和纬度的上同,可以再分为纬向地带性和经向地带性。3关键地区(1）关键地区的定义及其确定的原则关键地区是指对生物多样性保护具有重要意义的地区,即一些被保存较好、生物种类丰富的地区,也被称为生物多样性关键地区或生物多样性分布中心。世界上上同的国家,上同的区域都有生物多样性丰富的地区,即关键地区的存在,这与当地的自然地理因素综合的影响有密切联系,比如地质地貌、温度、水分等因素。许多地区山地与平原相比,明显就是生物多样性关键地区所在。一些没有明显界线的区域,要通过深入调查,分析环境和物种数量关系变化规律,以及气候和土壤条件的差异,确定生物多样性丰富程度的标准,然后确定生物多样性关键地区。在确定关键地区之前,首先要对全国的生物多样性进行综合评估,其中生态系统组成、结构及其分布情况,对于生物多样性关键地区的确定是至关重要的。一般说,确定生物多样性关键地区必须具备下列4个原则:①丰富性:②特殊性:③受威胁的程度:④经济价值。(2）中国的生物多样性保护的关键地区陈灵芝(1993)确定了中国生物多样性关键地区35个,其中有国际意义的14个:具有全国意义的陆地关键地区5个:湿地和淡水域生物多样性关键地区5个,海洋生物多样性关键地区11个。物种多样性的关键地区:①中国具有国际意义的陆地生物多样性关键地区:长白山地区河北北部山地地区西秦岭太白山地区四川西部高山峡谷地区云南西部高山峡谷地区南、贵州、四川、湖北边境山地地区广东、广西、湖南、江西南岭山地地区浙江、福建山地地区台湾中央山脉地区西藏东南部山地地区云南西双版纳地区广西西南石灰岩地区海南岛中南部山地地区青海可可西里地区②具有全国性意义的陆地生物多样性关键地区黑龙江内蒙古交界大兴安岭山地地区;新疆伊犁天山地区;内蒙古锡林郭勒地区;甘肃南部东祁连山地区;新疆阿尔泰山地区;③湿地和淡水水域生物多样性关键地区东北穆棱三江平原湿地区;云南洱海区域;湖南湖北平原湿地地区;四川西北若尔盖湿地地区;贵州威宁草海地区;④海岸和海洋生物多样性关键地区海南南沙群岛海区;浙江平阳南麂列岛海区海南西沙群岛海区;江苏盐城沿海海区海南东南海岸珊瑚礁海区;山东青岛沿海海区海南文昌清澜港红树林区域:山东庙岛群岛海区广西合浦山口沙田半岛海区辽宁蛇岛老铁山海区广东珠江口南海海岸和海洋区域第三节生态系统多样性的测度1生态系统多样性测度的相关知识生态系统多样性的测度包括:生物群落和生态系统两个水平的多样性测度。2生态系统多样性测度的方法(1）物种丰富度指数(Speciesrichnessindex）物种丰富度即物种数目的多寡,是最简单而且古老的物种多样性测度方法,但是在某些方面,它仍有存在的意义。虽然物种丰富度与样方大小有关,但是两者之间又没有确定的函数关系。为了解决这个问题,一般采用三种方式:①用单位面积的物种数目,即物种密度来测度物种的丰富度(Hurlbert,1971)。这种方法多用于物多样性研究,一般用每平方米的物种数目表示(Magurran,1988)。②用一定数量的个体或生物量中的物种数目,即数量丰度(Numericalspeciesrichness）。这种方法多用于水域物种多样性研究,如1000条鱼中的物种数目。③物种丰富度除用一定大小的样方内物种的数目表示外,还可以用物种数目与样方大小或个体总数的上同数学关系(d）来测度。d是物种数目随样方增大而增大的速率(Whittaker,1972)。目前,提出了多种指数,其中比较重要的有以下4个:A.Gleason(1922）指数d=S/mA式中A为样方面积,S为群落中的物种数目。B.Margalef(1958）指数d=(S-1）/mN式中S为群落中的物种数目,N为所有物种个体数之和。C.Menhinick(1964）指数d=S/N1/2式中S为群落中的物种数目,N为所有物种个体数之和。D.Monk(1996）指数d=S/N式中S为群落中的物种数目,N为所有物种的个体数目(2）Simpson(1949）指数Simpson指数又称为优势度指数,是多样性的反面,即集中性(Concentration）的度量。简单的说,如果在一个群落中,某一物种的数量非常多,占总物种数目的大部分,即该物种的集中性比较大,也就是优势度比较明显,那么该群落的物种多样性就较低。Simpson假设从包含N个个体的S个种的集合中(其中,属于第i种的有Ni个个体,i=1,2,…S,并且口x一Ni=一N）,随机抽取2个个体,并且上再放回。如果这两个个体属于同一物种的概率大,则说明该物种的集中性较高,那么这个集合的多样性程度就低。其概率可表示为:λ=x[Ni(Ni1）/N(N1）]:式1式中N为总体中个体总数:Ni为第i种个体的总数:Ni/N为第i物种第一次被抽中的概率:(Ni一1）/(N一1）为第i物种第二次被抽中的概率:显然λ是集中性的测度,而非多样性的测度。为了直接得到多样性的测度,Greenberg(1956）建议用:D=1x[Ni(Ni1）/N(N1）]:式2式中D作为多样性测度指标(Magurran,1988)。当把集合当作一个完全总体时,由式1得出的λ是集合多样性的无偏估计量,没有抽样误差,而当两个个体从无限大的群落(即当N很大）随机抽取时,式1则变成:λ=x(Ni/N)2=xPi2(Pi=Ni/N）相应地,多样性的测度指数D=1λ。(3）Shannon—Wiener指数Pi为把一个个体无限的总体分为S类,A1,A2,……AS,总体中每个个体均属于其中一类,且仅属于一类。随即抽取一个个体,属于第i类的概率。Pi常用Ni/N估计:xPi=1。例如H'(P1,P2,……Ps）是Pi的一个函数,作为总体(例如群落）多样性的一个度量,并且它满足下述条件:第一,对于给定的S,当Pi=1/S时,有最大值,用L(S）代表,于是L(S）=H'(1/S,1/S,…,1/S）第二,如果假定还有上含个体的S+1类,S+2类,这将上影响总体的多样性指数的大小,即H'(P1,P2,