第一章 生态系统及其功能

厦门大学精品课程之海洋生态学第一章生态系统及其功能概论厦门大学精品课程之海洋生态学第一节生态系统的组成结构与功能生态系统是指在一定的空间内生物的成分和非生物的成分通过物质循环和能量流动互相作用、互相依存构成的一个具有自动调节机制的生态学功能单位。生态系统具有自然整体性，在任何情况下，生物群落都不可能单独存在，它总是和环境密切相关、相互作用，组成有序的整体。如一个湖泊、一片草地。一、什么叫生态系统（ecosystem）厦门大学精品课程之海洋生态学生态系统概念的提出为生态学研究和发展奠定了新的理论基础，极大推动了生态学的发展，生态系统成为现代生态学研究的中心。生物大分子基因细胞组织全球都是生命系统器官个体生态系统厦门大学精品课程之海洋生态学二、生态系统的基本组成成分厦门大学精品课程之海洋生态学1、非生物成分(abioticcomponent)：生命支持系统2、生物成分（bioticcomponent）：生态系统的主体功能性组分——功能群：生产者(producers)消费者(consumers)：植食动物、肉食动物、杂食动物、寄生动物、异养微生物分解者(decomposers)流通者（circulator）：昆虫传粉调控者（regulator）：顶级生物厦门大学精品课程之海洋生态学食草动物食肉动物1食肉动物2腐殖质分解自养生物亚系统CO2消费者亚系统分解者亚系统再循环无机营养元素图1.1生态系统划分为三个亚系统(Anderson1981,转引自戈峰2002)厦门大学精品课程之海洋生态学三、生态系统的营养结构和空间结构（一）生态系统的营养结构１、食物链（foodchain）生物之间通过食与被食形成一环套一环的链状营养关系。食物链类型：牧食食物链或称植食食物链（grazingfoodchain）碎屑食物链（detritusfoodchain）寄生食物链厦门大学精品课程之海洋生态学２、食物网（foodweb）食物链彼此交错连接，形成网状营养结构，称为食物网。生态系统中生物种类繁多，一种生物往往有多种食物对象，同一种生物也可被多种摄食，因此一种生物不可能固定在一条食物链上。食物网更能真实地反映生态系统内各种生物有机体之间的营养位置和相互关系。厦门大学精品课程之海洋生态学图1.2一个陆地生态系统的部分食物网(引自孙儒泳等2002)山狮蛇枭狼鼠鹿鸟兔黄鼠植被草树分解者一级消费者二级消费者鼩鼱厦门大学精品课程之海洋生态学厦门大学精品课程之海洋生态学厦门大学精品课程之海洋生态学（二）生态系统的空间结构图1.3陆地生态系统(草地)和水域生态系统(池塘)的结构比较(引自Odum1989)Ⅰ.非生物环境：太阳、水等；Ⅱ.生产者：陆地是绿色植物，水域中是浮游植物；Ⅲ.消费者：A.陆地有蝗虫、田鼠等，水域中是浮游动物，B.食碎屑动物，陆地土壤有无脊椎动物，水域中多为底栖无脊椎动物，C.食肉动物（鹰或大鱼）；Ⅳ.分解者：细菌和真菌ⅢCⅡⅢAⅠⅢBⅢAⅢBⅢCⅠⅡ太阳能自养层异养层土壤母质母质沉积物空气Ⅳ厦门大学精品课程之海洋生态学四、生态系统能量流动和物质循环的基本过程（一）生态系统的能量流动(energytransfer)光叶绿素CO2＋H2O（CH2O）＋O2食物种群＝动物得到的＝动物未得到的动物吃进的＝动物未吃进的被同化的＝未同化的次级生产量＝呼吸代谢被更高营养级取食未被取食厦门大学精品课程之海洋生态学LPGPNCNuFuAPRR热生产者图1.4生态系统能流模式图(引自Odum1971)L=太阳总辐射；PG=总初级生产量；PN=净初级生产量；R=呼吸量；C=消耗量；A=同化量；P=次级生产量；Nu=未利用量；Fu=粪尿量厦门大学精品课程之海洋生态学（二）生态系统的物质循环（cycleofmatter）生物地化循环（biogeochemicalcycle）：生态系统之间各种物质或元素的输入和输出以及它们在大气圈、水圈、土壤圈、岩石圈之间的交换。厦门大学精品课程之海洋生态学图1.5生态系统内部的物质循环和能量流动(引自夏伟生1984)分解者(微生物)生产者(绿色植物)初级消费者(草食动物)次级消费者(肉食动物)太阳能热热热生态系统有机物的流通无机物的流通能量的流动空气中水中土壤中厦门大学精品课程之海洋生态学库(pool)：研究生态系统中某一物质在生物或非生物环境中贮存的数量。贮存库（reservoirpool）、交换库或循环库(exchangeorcyclingpool)流通率、周转率、周转时间周转率＝流通率库中营养物质量周转时间＝库中营养物质量流通率厦门大学精品课程之海洋生态学水循环（watercycle）：由太阳能所推动的由大气、海洋和陆地形成的一个全球性水循环系统。气态循环（gaseouscycle）：指循环物质的主要贮存库是大气，并在大气中以气态出现。属气态循环的物质以氧、碳、氮为代表。沉积循环（sedimentarycycle）：指循环物质的主要贮存库是岩石圈和土壤圈，以磷、硅等为代表。厦门大学精品课程之海洋生态学1、反馈机制（feedbackmechanism）反馈：当生态系统中某一成分发生变化的时候，它必然会引起其他成分出现一系列的相应变化，这些变化最终又反过来影响最初发生变化的那种成分，这个过程就叫反馈。五、生态系统的自校稳态和生态平衡厦门大学精品课程之海洋生态学正反馈（positivefeedback）和负反馈（negativefeedback）正、负反馈作用在生态系统中同时存在，在系统发展的不同阶段作用强度不同，大发展阶段系统调节以正反馈为主，系统生物量、体积、多样性、复杂性迅速增加，大发展过后，随即是一段减速增加阶段，负反馈逐渐起作用，系统的各个参数趋向于在一个恒定水平附波动。厦门大学精品课程之海洋生态学厦门大学精品课程之海洋生态学图1.4（A）开放系统，表示系统的输入和输出；（B）具有一个反馈环的系统使系统成为控制论系统；（C）具有一个置位点的控制论系统（引自Smith1980）系统系统置位点输入环境输出反馈环环境输入输出稳态时期－偏离输出输入正反馈正反馈（A）（B）（C）负反馈＋偏离１－7厦门大学精品课程之海洋生态学2、生态平衡（ecologicalequilibrium）如果生态系统能量和物质的输入和输出在较长时间趋于相等，系统的结构与功能长期处于稳定状态（这时动、植物的种类和数量也保持相对稳定，环境的生产潜力得以充分发挥，能流途径畅通），在外来干扰下能通过自我调节恢复到原初的稳定状态，生态系统的这种状态就叫做生态平衡。厦门大学精品课程之海洋生态学生态阈限：生态系统自我调节功能是有限度的，只有在某一限度内可以自我调节自然界或人类施加的干扰。生态平衡失调(生态失调)的主要因素：自然因素、人类干扰生态失调表现：群落中生物种类减少；种的多样性降低；结构渐趋简化。当外界压力太大而持久的话，系统内各种结构的变化更加厉害，甚至使某个基本成分从系统中消失，最后整个结构崩溃。厦门大学精品课程之海洋生态学第二节生物圈的形成与进化原始生命起源于一系列复杂的化学进化。地球上的生物从无到有，从简单到复杂，当今丰富多彩的生物圈是经过非常漫长的地质年代发展起来的，并且是诸物种协同进化（coevolution）的历史。生物的进化不仅是诸物种协同进化的历史，同时生物圈生态系统的形成与发展，也是生物与环境协同进化的历史。厦门大学精品课程之海洋生态学有机的和具壁的绿藻或蓝绿藻→主要是钙质的藻类等厌氧微生物占优势仅单细胞生物仅厌氧微生物光合自养生物的起源和种群繁荣增加植食动物和生物原性钙沉积后生动物起源和迅速进化脊椎动物和陆生植物起源高等动物和植物进化形成化石燃料→陆地动物种群繁荣人类种群繁荣钙质和硅质的藻类等具波动的稳定状态初级生产海洋浮游生物一般的生物圈进化前寒武纪寒武纪志留纪奥陶纪泥盆纪石炭纪二叠纪三叠纪侏罗纪白垩纪古生代中生代新生代地质年代10含氧量（对现有–0.1大气的–0.01百分率）极低→迅速增长→高稳定状态→下降→低稳定状态→增加→→第三纪还原大气……含氧大气01002003004005006002000（?）距今时间（百万年）图1.6生物圈及其含氧大气的进化（Odum1983，转引自蔡晓明、尚玉昌1995）厦门大学精品课程之海洋生态学l．陆地生态系统1.1森林生态系统热带森林生态系统温带森林生态系统1.2草原生态系统1.3荒漠生态系统生态系统的主要类型厦门大学精品课程之海洋生态学2．水域生态系统2.1湖泊生态系统2.2河流生态系统2.3海洋生态系统海岸带生态系统（潮上带、潮间带、河口）岛屿生态系统浅海生态系统外海和大洋生态系统厦门大学精品课程之海洋生态学3．人工生态系统3.1农田生态系统3.2城市生态系统厦门大学精品课程之海洋生态学第三节生态系统服务一、生态系统服务的概念及其基本特征（一）什么是生态系统服务由自然生态系统（包括其中的各种生物种群）在其生态运转过程中所产生的物质及其所维持的生活环境对人类产生的服务功能就称为生态系统服务（ecosystemservice）。厦门大学精品课程之海洋生态学（二）生态系统服务的基本特征⑴生态系统服务是客观存在的。“它们并不需要人类，而人类却需要它们。”⑵生态系统服务是生态系统的自然属性。⑶自然生态系统在进化发展过程中，生物多样性（包括生态系统多样性、物种多样性和基因多样性）越来越丰富。正是这种进化过程才形成对人类很完善的服务效益。厦门大学精品课程之海洋生态学二、生态系统服务的主要内容1．食物、药物和其他原料2．水的调节与供应3．大气组分调节和空气净化4．养分循环5．传粉与生物防治6．休闲旅游与文化教育