4生态系统生态学-《基础生态学》课件

基础生态学天津师范大学生命科学学院第四部分生态系统生态学1234生态系统的一般特征生态系统中的能量流动生态系统中的物质循环陆地生态系统主要类型11.生态系统的一般特征11.1生态系统的基本概念11.2生态系统的组成与结构11.3食物链和食物网11.4营养级和生态金字塔11.5生态效率11.6生态系统的反馈调节和生态金字塔•生态系统(ecosystem)：在一定空间中共同栖居着的所有生物(生物群落)与其环境之间由于不断进行物质循环和能量流动过程而形成的统一整体•系统(system)：相互作用、相互依赖的事物有规律地联合的集合体–许多成分组成–独立的、特定的功能–各成分间相互联系、相互作用•生物地理群落(biogeocoenosis)11.1生态系统的基本概念•生态学的一个主要结构和功能单位，属于生态学研究的最高层次•内部具有自我调节能力•能量流动、物质循环和信息传递是生态系统的三大功能•营养级的数目受限于生产者所固定的最大能值和能量在流动中巨大损失，生态系统中营养级不会超过5-6个•动态系统生态系统的特征11.2生态系统的构成和结构•11.2.1生物群落•生产者(producer)•消费者(consumer)：食草动物、食肉动物、大型食肉动物•分解者(decomposer)•11.2.2非生物环境•无机物质•有机物质•气候因素(及其他物理条件）•11.2.3成份之间的相互作用关系池塘生态系统示意图一个简单的陆地生态系统模式图生态系统各成份的相互关系无机物质有机物质气候因素消费者分解者生产者植物，化能合成细菌动物，包括大型消费者小型消费者细菌真菌日光能表示出三个亚系统的生态系统结构一般模型11.3食物链和食物网•11.3.1食物链(foodchain)：生产者所固定的能量和物质，通过一系列取食和被食的关系在生态系统中传递，各种生物按其食物关系排列的链状顺序•11.3.2食物网(foodweb)：食物链彼此交错连结，形成一个网状结构食物链类型•捕食食物链•碎屑食物链•寄生食物链捕食食物链•绿色植物为起点到食草动物进而到食肉动物的食物链•植物-食草动物-食肉动物•草原上：青草-野兔-狐狸-狼•湖泊中：藻类-甲壳类-小鱼-大鱼碎屑食物链•动、植物的遗体被食腐性生物(小型土壤动物、真菌、细菌)取食，然后到他们的捕食者的食物链•植物残体-蚯蚓-线虫类-节肢动物寄生食物链•由宿主和寄生物构成•以大型动物为食物链的起点，继之以小型动物、微型动物、细菌和病毒•后者与前者是寄生关系•哺乳动物或鸟类-跳蚤-原生动物-细菌-病毒一个食物链的例子“螳螂捕蝉，黄雀在后”螳螂捕蝉，黄雀在后！哈！哈！植物汁液蝉(初级消费者)螳螂(二级消费者)黄雀(三级消费者)鹰(四级消费者)(顶极食肉动物)食物网•一种生物常常以多种食物为食，而同一种食物又常常为多种消费者取食，于是食物链交错起来，多条食物链相联，形成了食物网•食物网不仅维持着生态系统的相对平衡，并推动着生物的进化，成为自然界发展演变的动力•食物网以营养为纽带，把生物与环境、生物与生物紧密联系起来的结构，称为生态系统的营养结构食物网11.4营养级与生态金字塔•营养级(trophiclevel)：处于食物链某一环节上的所有生物种的总和生态系统中营养级数目•各营养级消费者不可能100%利用前一营养级的生物量•各营养级同化率也不是100%，总有一部分排泄出去•各营养级生物要维持自身的活动，消耗一部分热量•能流在通过各营养级时会急剧减少，食物链就不可能太长•生态系统中的营养级一般只有四、五级，很少超过六级生态金字塔(ecologicalpyramid)•营养级之间的数量关系•数量关系可采用生物量、能量和个体数量单位来表示•能量金字塔•生物量金字塔•数量金字塔能量金字塔•由各营养级所固定的总能量值的多少来构成的生态金字塔•以相同的单位面积和单位时间内的生产者和各级消费者所积累的能量比率来构造•千卡/平方米·年energypyramid生物量金字塔•以相同单位面积上生产者和各级消费者的生物量即生命物质总量建立的金字塔。对陆地、浅水生态系统中比较典型，因为生产者是大型的，所以塔基比较大，金字塔比较规则生物量金字塔•湖泊和开旷海洋，第一性生产者主要为微型藻类，生活周期短，繁殖迅速，大量被植食动物取食利用，在任何时间它的现存量很低，导致这些生态系统的生物量金字塔呈倒金字塔形数量金字塔•单位面积内生产者的个体数目为塔基，以相同面积内各营养级位有机体数目构成塔身及塔顶。一般每一个营养级所包括的有机体数目，沿食物链向上递减。数量金字塔•有时植食动物比生产者数目多。如昆虫和树木•个体大小差别很大，只用个体数目多少来说明问题有局限性。不同类型金字塔的比较•能量金字塔表达营养结构最全面，确切表示食物通过食物链的效率，永远是正塔型•数量金字塔过分突出小生物体的重要性•生物量金字塔过分突出大生物体的重要性11.5生态效率•生态效率：各种能流参数中的任何一个参数在营养级之间或营养级内部的比值。•能量参数：•摄取量（I）：表示各生物所摄取的能量•同化量(A)：动物消化道内被吸收的能量，即消费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)：生物在呼吸等新陈代谢和各种活动所消耗的全部能量•生产量(P)：生物呼吸消耗后所净剩的同化能量值。P=A-R营养级位之内的生态效率•量度一个物种利用食物能的效率，即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，或被动物摄食的能量中被同化了的能量比例：Ae=An/In•肉食动物的同化效率高于植食动物生产效率•生产效率=n营养级的净生产量/n营养级的同化能量•生态生长效率=n营养级的净生产量/n营养级的摄入能量•营养级越高，生长效率越低•植物的生长效率动物•植物将光合能量大约40%呼吸，60%生长•肉食动物同化能量大约65%用于呼吸，35%用于生长•哺乳动物呼吸消耗的能量最多，大约占同化量的97-99%，只有1%-3%用于净生产量营养级位之间的生态效率•消费效率：消费效率量度一个营养级对前一营养级的相对取食压力。•消费效率=n+1营养级的消费能量/n营养级的净生产量•一般在20-35%范围内，每一营养级净生产的65%-75%进入碎屑食物链林德曼效率•林德曼效率：n+1营养级所获得的能量占n营养级所获得的能量之比：•Le=In+1/In•林得曼定律（十分之一定律）：能量沿营养级的移动时，逐级变小，后一营养级只能是前一营养级能量的十分之一左右。11.6.1反馈调节•反馈调节：当生态系统某一成分发生变化，它必然引起其他成分出现一系列相应变化，这些变化又反过来影响最初发生变化的那种成分•负反馈：系统中某一成分的变化所引起的其他一系列变化，结果是抑制和减弱最初发生变化的那种成分的变化，使生态系统达到或保持平衡或稳态•正反馈：系统中某一成分的变化所引起的其他一系列变化，反过来加速最初发生变化的成分所发生的变化，使生态系统远离平衡状态或稳态。如湖泊污染，导致鱼的数量因死亡而减少，由于鱼体腐烂，加重湖泊污染并引起更多鱼类的死亡生态系统中的反馈（正反馈（左）和负反馈（右））狼↑狼↓兔↓兔↑植物↓植物↑狼饿死狼吃饱吃了较多兔子吃了较少兔子兔吃饱兔饿死吃了较少的草吃了大量的草污染↑↑鱼死亡↑污染↑鱼死亡↑↑↑鱼死亡↑↑污染↑↑↑11.6.2生态平衡•生态平衡：生态系统通过发育和调节所达到的一种稳定状态，它包括结构、功能和能量输入和输出的稳定•生态阈值：生态系统受外界干扰后，自动调节的极限•生态危机：由于人类盲目活动而导致局部地区甚至整个生物圈结构和功能的失衡，从而威胁人类的生存12.生态系统中的能量流动•12.1生态系统中的初级生产•12.2生态系统中的次级生产•12.3生态系统中的分解•12.4生态系统中的能量流动12.1生态系统中的初级生产•12.1.1初级生产的基本概念•12.1.2地球上初级生产力的分布•12.1.3初级生产的生产效率•12.1.4初级生产量的限制因素•12.1.5初级生产量的测定方法12.1.1初级生产的基本概念•生产过程：•生产者通过光合作用合成复杂的有机物质，使植物的生物量(包括个体数量和生长)增加•消费者摄食植物已经制造好的有机物质(包括直接的取食植物和间接的取食食草动物和食肉动物)，通过消化、吸收在合成为自身所需的有机物质，增加动物的生产量•初级生产：自养生物的生产过程，其提供的生产力为初级生产力•次级生产：异养生物再生产过程，提供的生产力为次级生产力初级生产的基本概念•初级生产量(primaryproduction)：绿色植物通过光合作用合成有机物质的数量称为初级生产量，也称第一性生产量•净初级生产量(netprimaryproduction)：初级生产过程植物固定的能量一部分被植物自己的呼吸消耗掉，剩下的可用于植物的生长和生殖，这部分生产量成为淨初級生产量(NP)•总初级生产量(grossprimaryproduction)：初级生产过程植物固定的能量的总量GP=NP+R•初级生产力：植物群落在一定空间一定时间内所生产的有机物质积累的数量•生物量(biomass)：是指某一时刻单位面积上积存的有机物质的量。以鲜重或干重表示•现存量：是指绿色植物初级生产量被植食动物取食及枯枝落叶掉落后所剩下的存活部分SC=GP-R-H-D初级生产的基本概念初级生产11.1.2地球上初级生产力的分布•不同生态系统类型的初级生产力不同•陆地比水域的初级生产力总量大•陆地上初级生产力有随纬度增加逐渐降低的趋势•海洋中初级生产力由河口湾向大陆架和大洋区逐渐降低•生态系统的初级生产力随群落的演替而变化•水体和陆地生态系统的生产力有垂直变化•初级生产力随季节变化不同生态系统的初级生产力世界上主要生物群带的初级生产力AveragenetprimaryproductivityingramsoforganicmaterialpersquaremeterperyearofsometerrestrialandaquaticecosystemsNETPRIMARYPRODUCTIVITY初级生产力的分布•生产力极低的区域：1000kcal/m2.a或者更少，如大部分海洋和荒漠。•中等生产力区域：1000-10000kcal/m2.a，如草地、沿海区域、深湖和一些农田。•高生产力的区域：10000-20000kcal/m2.a或者更多，如大部分湿地生态系统、河口湾、泉水、珊瑚礁、热带雨林和精耕细作的农田、冲积平原上的植物群落等。地球主要陆地生态系统的初级生产力强烈受温度和降水的影响P:productivity(thm-2a-1)B:biomass(thm-2)R:radiation(kcalcm-2d-1)NPRCO2光H2O营养取食O2＋温度陆地生态系统中，初级生产量是由光、二氧化碳、水、营养物质(物质因素)、氧和温度(环境调节因素)六个因素决定的。污染物⑥①②③④⑤光合作用生物量GP12.1.4初级生产量的限制因素陆地生态系统•辐射强度和日照时间：光强升高，光照时间长，提高产量•光合途径：光合作用途径的不同，直接影响初级生产力的高低•水：光合作用的原料，缺水显著抑制光合速率•温度：温度升高，总光合速率升高•营养元素•二氧化碳•食草动物水域生态系统•光–P=R*C*3.7/kP：浮游植物的净初级生产力，R：相对光合率，k：光强度随水深度而减弱的衰变系数，C：水中的叶绿素含量•营养物质：N/P12.1.5初级生产量的测定方法收获量测定法氧气测定法二氧化碳测定法放射性标记物测定法叶绿素测定法收获量测定法•陆生定期收获植被，烘干至恒重•以每年每平方米的干物质重量表示•以其生物量的产出测定，但位于地下的生物量，难以测定•地下的部分可以占有40%至85%的总生产量，因此不能省略氧气测定法•通过氧气变化量测定总初级生产量•1927年T.Garder,H.H.Gran用于测定海洋生态系统生产量•从一定深度取自养生物的水样，分装在体积为125-300ml的白瓶(透光)、黑瓶(不