环境生态学导论生态系统

环境生态学导论第一节生态系统的结构英国生物学家A.G.Tansley首先提出美国动物学家L.Lindeman继承和发展目前已成为大家普遍接受的理论。一、生态系统的基本概念环境生态学导论A.G.Tansley“生态系统的基本概念是物理学上使用的‘系统’整体，这个系统不仅包括有机复合体，而且也包括形成环境的整个物理因子复合体”。环境生态学导论生态系统：在一定的时间和空间内，生物的和非生物的成分之间，通过不断的物质循环和能量流动而互相作用，互相依存的统一整体，构成一个生态学的功能单位。环境生态学导论二、生态系统的组成成分四个主要成分：非生物环境、生产者、消费者和还原者。环境生态学导论⒈非生物环境⑴气候因子，如太阳光辐射、温度以及其它物理因素；⑵无机物质，如碳、氮、水、氧、二氧化碳及矿物盐类等；⑶有机物质，如蛋白质、碳氢化合物、脂类及腐殖质等。非生物环境包括：环境生态学导论⒉生产者主要是绿色植物，能利用简单的物质制造食物的自养生物，也包括一些光合细菌。它们在生态系统中的作用是进行初级生产，即光合作用。环境生态学导论⒊消费者属于异养生物,由动物组成。它们以其它生物或有机质为食料，自己不能生产食物，只能利用植物所制造的有机物质，直接或间接从植物食物得到能量。环境生态学导论1）草食动物（第Ⅰ级消费者）直接以植物为营养的动物，如马、牛、羊、大象、线虫、啮齿类动物等。根据食谱可分为如下几个类型：环境生态学导论第一级肉食动物（第Ⅱ级消费者），以草食动物为食，如某些鸟类、蜘蛛、蛙、肉食昆虫、蝙蝠等。第二级肉食动物（第Ⅲ级消费者），以第一级肉食动物为食，如狐、狼、蛇等。第三级肉食动物（第Ⅳ级消费者），以第二级肉食动物为食，又称为“顶部肉食动物”，如狮、虎、豹、鹰鹫等凶禽猛兽。2）肉食动物环境生态学导论3）寄生者特殊的消费者，根据食性可看成是草食动物或肉食动物。但某些寄生植物如桑寄生、槲寄生等属于生产者。环境生态学导论4）杂食类消费者介于草食动物和肉食动物之间，既吃植物，也吃动物，如熊、鲤等。人属于杂食性。环境生态学导论⒋还原者属于异养生物，主要是细菌和真菌，也包括某些原生动物及腐食性动物（如食枯木的甲虫、白蚁、蚯蚓和某些软体动物等）。它们把复杂的动植物有机残体分解为简单的化合物，最终分解为无机物质，归还到环境中，被生产者再利用。环境生态学导论生态系统的成分归结如下：生态系统无生命成分太阳辐射能无机物质有机物质生命成分生产者（绿色植物）消费者（动物）还原者（细菌和真菌）环境生态学导论根据它们所处的地位和作用，又可划分为基本成分和非基本成分。基本成分：绿色植物、还原者非基本成分：草食者、肉食者、寄生者和腐生者等环境生态学导论三、生态系统的基本特征生态系统具有有机体的一系列生物学特性，总是处于不断发展、进化和演变之中，这就是生态系统的演替。⒈生态系统是动态功能系统环境生态学导论⒉生态系统具有一定的区域特征生态系统都与特定的空间相联系，包括一定地区和范围的空间概念。这种空间都存在着不同的生态条件，栖息着与之相适应的生物类群。生命系统与环境系统的相互作用以及生物对环境的长期适应结果，使生态系统的结构和功能反映了一定的地区特性。环境生态学导论⒊生态系统是一个开放的自维持系统自然生态系统所需的能源是生产者对光能的转化，消费者取食植物，而动植物残体以及动物的排泄物通过分解者的分解作用，把复杂的有机物质转变为简单的无机物质，又归还给环境，让植物重新利用，这个过程往复循环，从而不断地进行着能量和物质的交换、转移，保证生态系统发生功能并输出系统内生物过程所制造的产品或剩余的物质和能量。环境生态学导论⒋生态系统具有自动调节的功能所谓自动调节功能是指生态系统受到外来干扰而使稳定状态改变时，系统靠自身内部的机制再返回稳定、协调状态的能力。环境生态学导论生态系统自动调节功能表现在三个方面：同种生物种群密度调节；异种生物种群间的数量调节；生物与环境之间相互适应的调节。环境生态学导论第二节生态系统的基本功能一、生态系统的生物生产生态系统中的生物生产包括初级生产和次级生产两个过程。环境生态学导论初级生产是生产者（主要是绿色植物）把太阳能转变为化学能的过程，称之为植物性生产。次级生产是消费者（主要是动物）的生命活动将初级生产品转化为动物能，称之为动物性生产。环境生态学导论⒈生态系统的初级生产过程初级生产过程的结果：太阳辐射能转变成化学能，简单无机物转变为复杂的有机物。初级生产实质：能量的转化和物质的积累过程，是绿色植物的光合作用过程。生态系统的初级生产可分为总初级生产量和净初级生产量。总初级生产量：在测定阶段，包括生产者自身呼吸作用中被消耗掉的有机物在内的总积累量，常用PG表示。净初级生产量则指在测定阶段，植物光合作用积累量中除去用于生产者自身呼吸所剩余的积累量，常用PN表示。环境生态学导论总初级生产量和净初级生产量的关系可以用下式表示：PG－RA＝PN或PG＝PN＋RA式中PA＝生产者自身用于呼吸的消耗量。环境生态学导论生物群落净生产量：生态系统的净初级生产量中有相当一部分被消费者所消耗和利用，从净生产量中再扣除异养呼吸这一部分的消耗量，所剩的积累量，用PNC表示，所以PNC＝PN－RH式中RH＝群落中异养生物的呼吸消耗量。环境生态学导论处于发育幼年期的生态系统，PG值比较低，但RH值小，PNC值高。成熟的雨林生态系统则是PG值大，RH值大（通常要消耗PG的70%左右），PN值很低，而PNC值几乎为零。表4－1发育阶段不同的生态系统的生产量和呼吸量指标总初级生产量（PG）自养呼吸（RA）净初级生产量（PN）异养呼吸（RH）群落净生产量（PNC）PN／PG（%）PNC／PG（%）紫蓿苜地（人工）24,4009,20015,20080014,40062.359.0幼松林（西欧）12,2004,7007,5004,6002,90061.523.8成熟雨林（中美洲）45,00032,00013,00013,000很少至无28.90.0中龄松栎林（北美）11,5006,4005,0003,0002,000143.517.4表中数字单位为千卡／米2·年，引自E.P.Odum，1974。注：1卡＝4.186焦耳。环境生态学导论⒉生态系统的次级生产过程消费者和分解者利用初级生产物质进行同化作用建造自身和繁衍后代的过程。即异养生物对初级生产物质的利用和再生产过程。次级生产量：次级生产所形成的有机物（消费者体重增长和后代繁衍）的量。环境生态学导论二、生态系统的能量流动生态系统的最初能量来自于太阳。太阳辐射照到地球表面之后，产生两种能量形式：一种是热能，它推动水分循环，产生空气和水的环流；另一种是光化学能，为植物光合作用所利用和固定，形成碳水化合物，成为生命活动的最基本能源。环境生态学导论⒈关于能量的基本概念生态系统内的能量转换服从热力学第一定律和第二定律。根据热力学第一定律，系统内的能量可以从一种形式转变成另一种形式，但能的总量在任何时候总是守恒的。根据热力学第二定律，能量只能从集中形式降低成分散形式，不能自发产生能量的转换；任何一种能量的转换，总有一些能量损失掉，但损失的能与用的能之和等于总能量。环境生态学导论⒉生态系统中的食物链在生态系统中，植物摄取太阳辐射能源制造了初级食物能源，通过一系列有机体进行转运，一种有机体被另一种有机体所食，该有机体又被第三种有机体所食，依此类推，形成一种食物的链索关系，叫做食物链。环境生态学导论例如，猫头鹰吃田鼠，田鼠吃植物，这是一个最简单的食物链。又如，草→蚱蜢→田鼠→鹰。藻类腐屑和细菌→摇纹虫→鲤，等等，都是食物链。环境生态学导论动物的食性是多样的，因此食物链互相连环构成一个食物网。食物链上的每一链环叫营养级。有机体的食物如来自同一链环，便属于同一个营养级。环境生态学导论生态系统中食物链主要有草牧食物链和腐屑食物链两种类型。草牧食物链或称捕食食物链是以绿色植物为基础，从草食动物开始的食物链。环境生态学导论环境生态学导论第一营养级是绿色植物，又称初级生产者。第二营养级由草食动物组成，它们消化从第一营养级来的有机物质，从这些物质中得到能量。第二营养级又称第二级生产者、草食动物或初级消费者。在陆地生态系统中，绝大多数草食动物是昆虫、啮齿和有蹄动物。环境生态学导论第三和第四营养级由肉食动物组成，第三营养级肉食动物靠草食动物取得能量，如蜘蛛和鸟类。第四营养级是以第三营养级肉食动物为食，如鹰等。环境生态学导论以动、植物死亡之后的有机物质为基础，构成第二种类型的食物链，即腐屑链。它主要由土壤中的植物和动物组成，其中最重要的是真菌和细菌。它们利用死的植物和动物作为食物繁殖生长，从而破坏有机物质，并释放养分元素和能量返回环境。环境生态学导论环境生态学导论生态系统中还有一些寄生的动、植物，如蚊子、蚂蟥、寄生蜂、菌根菌等。这些可以看作是另一种食物链，如树叶→尺蠖→寄蝇→寄生蜂，称为寄生食物链，或者把寄生物表示为草牧食物链中的一个营养级。环境生态学导论草牧食物链和腐屑食物链在绝大多数生态系统中同时存在，但有的前者为主，有的后者为主。森林是以腐屑链为优势的生态系统。草原和水生生态系统是以草牧食物链为主的生态系统。环境生态学导论⒊生态金字塔在生态系统中，把食物链中每一个营养级的有机体的生物量合在一起，再按照营养级顺序排列，生物量的排列顺序呈金字塔形，把生物量换算成能量,按序排列也呈金字塔形。环境生态学导论809.037.04.6还原者顶部肉食类肉食类草食类生产者根据H.T.Odum.1957图4－1A生物量金字塔（克／米2）。数据来自Florida银泉的营养级排列10.71.5环境生态学导论8833460还原者顶部肉食类肉食类草食类生产者图4－1B生物力金字塔（千卡／米2／年）。数据来自Florida银泉的营养级排列根据H.T.Odum.19511478676环境生态学导论每一营养级比前一营养级物质或能量变低的原因，主要是生态效率问题。环境生态学导论生态效率：在一个营养级内，同化作用的能量和可利用的能量之间的关系，即能量输出和输入之间的比率。从能量流动来讲，生态效率就是次一营养级的生产力与前一营养级的生产力的比率。这一比率大约只有10%，也称这10%定律或林德曼(Linderman)定律环境生态学导论食物链上营养级的数目受到限制，一般不超过4个营养级，很少有5个营养级。环境生态学导论⒋能量流能量从一个营养级转向下一营养级，即通过食物关系使能量在生物间发生转移。环境生态学导论第一个能量流：绿色植物（初生产者）将太阳能转化学能，再由第一级消费者，如草食动物取食消化构成第二级生产者；再由第二级消费者，如肉食动物构成第三级生产者；还可以有第三级消费者等，能量逐级损失，产量逐次下降，最终能量全部以热能的形式归还于环境。环境生态学导论第二个能量流：还原过程或腐化过程。死的生物有机体，由一级、二级和三级等不同性质的腐生生物进行分化分解，最后还原为水和二氧化碳等无机物质，能量也是以热能的形式归还于环境。环境生态学导论生产者费者分解者消消者者呼吸太阳生产者呼吸腐生生物分解和呼吸图4－2一个稳定群落内的能量流环境生态学导论第三个能流：贮存过程和矿化过程。由初级生产者转化过来的生物物质和能量，在以上两个过程中，只能消耗一部分，还保留着一大部分物质和能量，转入贮存过程和矿化过程，为人类的需要蓄积丰富的财富。这些被贮存和矿化的物质，最终还是以热能形式归还于环境。环境生态学导论能量的单向流动是生态系统中的基本规律之一。环境生态学导论1）无补加的自然的太阳供能生态系统完全依赖太阳的直接辐射，如开旷的大洋，大片的高山森林和草地以及巨大的深湖等。生产力低，但由于它们巨大的面积，作用重要，如空气净化，水分循环，调节气候等。根据能量的补给形式和E.P.Odum的研究，生态系统可分为4类：环境生态学导论2）自然补加的太阳供能生态系统具有某些自然提供能源的因素，以补助太阳辐射，增加有机物质产量，功率水平能被大大地提高，甚至提高一个数量级。如沿海河口和热带雨林。环境生态学导论3）人类补加的太阳供能生态系统用人工的方法，向