环境生态学(曲向荣版)——第四章生态系统

一、生态系统的概念和基本特征二、生态系统的组成及结构三、生态系统的基本功能四、生态系统的平衡及自我调节五、世界主要生态系统类型及特点第四章生态系统一、生态系统的概念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的循环和能量的流动互相作用，互相依存而构成的一个生态学功能单位。在自然界只要在一定空间内存在生物和非生物两种成分，并能互相作用达到某种功能上的稳定性，这个整体就可以视为一个生态系统。因此在我们居住的这个地球上有许多大大小小的生态系统，大至生物圈(biosphere)或生态圈(ecosphere)，海洋，陆地，小至森林，草原、湖泊和小池塘。第一节生态系统的概念和基本特征一个简化了的陆地生态系统二、生态系统的基本特性：1．生态系统是生态学上的一个主要结构和功能单位，属于生态学研究的最高层次。2．生态系统内部具有自我调节能力。生态系统的结构越复杂，物种数目越多，自我调节能力也越强。但生态系统的自我调节能力是有限度的，超过了这个限度，调节也就失去了作用3．能量流动，物质循环和信息传递是生态系统的三大功能。能量流动是单方向的，物质流动是循环式的，信息传递则包括营养信息、化学信息、物理信息和行为信息，构成了信息网。通常，物种组成的变化、环境因素的改变和信息系统的破坏是导致自我调节失效的三个主要原因。4．生态系统中营养级的数目受限于生产者所固定的最大能值和这些能量在流动过程中的巨大损失。因此生态系统营养级的数目通常不会超过5～6个。5.生态系统是一个动态系统，要经历一个从简单到复杂，从不成熟到成熟的发育过程，其早期发育阶段和晚期发育阶段具有不同的特性。生态系统概念的提出为生态学的研究和发展奠定了新的基础，极大地推动了生态学的发展。一、生态系统是由四个部分组成生产者消费者分解者无生命物质能量物质热量第二节生态系统的组成及结构生产者：主要是绿色植物，凡能进行光合作用制造有机物的植物种类，包括单细胞藻类，均属于生产者。还有一些能利用化学能把无机物转化为有机物的化能自养型微生物，也应列入生产者之列。消费者：主要是动物，又分为一级消费者（如草食性动物）；二级消费者（如肉食动物）；……等等。一级消费者－草食动物二级消费者－肉食动物分解者：指各种具有分解能力的微生物，也包括一些微型动物，如鞭毛虫，土壤线虫等。微生物（真菌）橙盖伞—分解者无生命物质：指生态系统中的各种无生命的无机物、有机物和各种自然因素（如土壤、空气、水等）。岩石矿物土壤空气水体P——生产者；C1——初级消费者；C2～3——二、三级消费者；Cn——四级消费者；D——分解者任何一个生态系统都是由生物成分和非生物成分两部分组成的，但是为了分析的方便，常常又把这两大成分区分为以下六种构成成分：1.无机物质包括处于物质循环中的各种无机物，如氧、氮、二氧化碳，水和各种无机盐等。2.有机化合物包括蛋白质、糖类、脂类和腐殖质等。3.气候因素如温度、湿度、风和雨雪等。4.生产者(producers)指能利用简单的无机物质制造食物的自养生物，主要是各种绿色植物，也包括蓝绿藻和一些能进行光合作用的细菌。5.消费者(consumers)异养生物，主要指以其他生物为食的各种动物，包括植食动物、肉食动物、杂食动物和寄生动物等。6.分解者(decomposers或reducers)异养生物，它们分解动植物的残体、粪便和各种复杂的有机化合物，吸收某些分解产物，最终能将有机物分解为简单的无机物，而这些无机物参与物质循环后可被自养生物重新利用。分解者主要是细菌和真菌，也包括某些原生动物和蚯蚓、白蚁、秃鹫等大型腐食性动物。按生态系统中的生物成分的作用可划分为三大类群：生产者、消费者和分解者，由于它们是依据其在生态系统中的功能划分的而与分类类群无关，所以又被称为生态系统的三大功能类群。二、生态系统的结构空间结构生态系统的空间结构：指生态系统中各种生物的空间配置（分布）状况，亦即生物群落的空间格局状况，包括群落的垂直结构（成层现象）和水平结构（种群的水平配置格局）物种结构物种结构：是指生态系统中各类物种在数量方面的分布特征。陆地生态系统和水生生态系统营养结构的比较草本植物食草性昆虫和哺乳动物陆地土壤无脊椎动物陆地鸟类和其他腐食性生物、细菌和真菌陆地生态系统：浮游植物浮游动物水中底栖无脊椎动物水中鱼类腐食性生物、细菌和真菌水生生态系统：生产者消费者分解者营养结构即食物网及其相互关系。所谓食物链(foodchain)，是指生态系统内不同生物之间通过食与被食形成的一环套一环的链状营养关系。食物链的突出特性就是生物富集作用（又称生物放大）。捕食性食物链又称放牧式食物链。它以植物为基础．其构成形式是：植物-小动物-大动物。后者可以捕食前者。如在草原上，青草-野兔-狐狸-狼；在湖泊中，藻类-甲壳类-小鱼-大鱼。寄生性食物链这种食物链以大型生物为基础．由小型生物寄生到大型生物身上构成。例如老鼠一跳蚤一细菌一病毒。腐生性食物链这种食物链以腐烂的动植物遗体为基础。如植物残体一蚯蚓一节肢动物。2）食物网指生态系统中各种食物链互相交错连接形成的网状结构。食物网揭示了生态系统中生物之间的食与被食的关系。食物链和食物网的概念是很重要的。正是通过食物营养，生物与生物、生物与非生物环境才有机地联结成一个整体；生态系统中能量流动和物质循环正是沿着食物链(网)这条渠食物链(网)概念的重要性还在于它揭示了环境中有毒污染物质转移、积累的原通过食物链有毒物质可以在环境中扩散，增大危害范围。生物还可以在食物链上使有毒物质逐级增大至百倍、千倍，甚至万倍、百万倍。3.生态金字塔生态金字塔(ecologicalpyramid)是反映食物链中营养级之间数量及能量比例关系的一个图解模型。生态金字塔有三种基本类型:数量金字塔生物量金字塔能量金字塔。第三节生态系统的基本功能一、生物生产二、生态系统的能量流动三．生态系统的物质循环四．生态系统的信息传递一、生物生产1.生态系统的初级生产2.生态系统的次级生产3.生态系统的分解1.生态系统的初级生产初级生产力：单位面积植物初级生产者形成自身生物量的速率。（J/m2﹒d）（t/hm2﹒a)总初级生产力(GP)：植物光合作用所固定的太阳能的总量。净初级生产力(NP):总初级生产力与呼吸消耗量（R）的差值。NP=GP-R2.生态系统的次级生产次级生产力：异养生物形成生物量的速率。决定三个方面。利用率(CE)：一个营养级食物摄入量In占上一营养级被食生物可利用量Pn-1的百分比。Ce=In/Pn-1﹒100%同化率(AE)：吸收同化量An占摄取食物量In的百分比。Ae=An/In﹒100%生产效率(Pe):新产生的生物量(Pn=An-Rn)占被同化能量(An)的百分比。Pe=Pn/An﹒100%次级生产1.次级生产依赖于初级生产，两者在生态系统中成正相关关系；在统一生态系统中次级生产力小于初级生产力；高一营养级的次级生产力小于低一营养级的生产力，整个生态系统成营养金字塔。原因：一个营养级内有机物不是100％可以取食，相邻营养级之间取食率小于100％，同化率小于100％，生产率小于100％。生物量单位：能量（J/m2）、干有机物（t/hm2)生物量：单位面积地面的生物有机物的重量。包括生、死有机物。初级生产与次级生产影响初级生产力的主要因素：1.光照2.温度3.水分4.土壤或养分初级生产力高的生态系统：沼泽地、河口湾、珊瑚礁、红树林、耕地等。生产力与生物量的关系每kg现存生物量每年可形成新生物量（kg）1.森林平均0.042kg2.其他陆地生态系统平均0.29kg3.水体生态系统平均17.0kg为什么水体的最大：1.水体生物活细胞占比重大，都参与光合；2.浮游植物生活周期短，更新快；二、生态系统的能量流动能量流动的概念能量在生物与环境之间、生物与生物之间的传递与转换过程。能量流动的特点1.单向性2.开放性3.遵循热力学第一定律，能量守恒4.遵循热力学第二定律。能量转移和转换会导致生态系统自由能流失而减少，部分被用来做功，导致系统的负熵减少，无序性增加。三、生态系统的物质循环生物从环境（大气圈、水圈、土壤岩石圈）中获得的营养元素，经过食物链在生物之间流动，最后由分解者分解回归于环境，部分元素又可以重新被植物吸收利用，再次进入食物链，如此反复。物质循环的类型－按范围分类1.生物化学循环：营养元素在植物体内的在分配。如根据生理功能需要、器官衰老死亡前转移（有效成分损失可减少50％以上）等。范围小，周期短。2.生物地球化学循环：在生态系统内，以生物为主体与环境之间进行的化学元素迅速交换，流速快，周期短。3.地球化学循环：化学元素在不同生态系统之间甚至整个生物圈内的循环。范围大、周期长。陆地生态系统的物质循环模式图土壤圈物质循环的类型－按循环物质性质1.气相循环：如氧气、氮气、二氧化碳、水等，参与循环的物质以气体的形式在大气中扩散，可以被植物重新吸收利用。具有明显的全球性。2.沉积循环：通过岩石风化释放出来的元素如磷、硫、钾等，被植物吸收利用转变为生态系统各种生物的营养物质，分解后一部分留在土壤中，一部分流入海洋并沉积。3.有毒污染物质循环：如重金属、农药等。伴随着食物链的延伸，或浓度增大，或毒性加剧－－生物放大作用。二氧化碳循环气相循环沉积循环自然界固氮的途径及其氮的循环高能固氮生物固氮氮的循环磷的来源及其循环磷的蓄库及其循环磷的循环水循环水循环生物放大作用1.放射性锶：青草中浓度是土壤中21倍，吃此青草的牛体内浓度为青草的700倍；2.汞：水体1ug/L，海藻100ug/L，鱼体1122ug/L；并且部分转化为有机汞；3.其他：DDT、六六粉等农药。物质循环的生态学意义1.物质是能量的载体，物质循环是能量流动的基础；2.物质再生利用，提高生态系统生产能力；3.减少物质流失，促进生态平衡。四、生态系统的信息传递营养信息：构建各种营养关系，形成相应的食物链行为信息：如异常行为物理信息：如光、行为、颜色、声音化学信息：如气味、激素作用：相互制约、相互促进、相互吸引、相互排斥，从而协调生态系统的功能。1.生态平衡的概念《环境科学词典》：生态平衡是一定的动植物群落和生态系统发展过程中，各种对立因素（相互排斥的生物种和非生物条件）通过相互制约、转化、补偿、交换等作用，达到一个相对稳定的平衡阶段。2.生态平衡的标志生态系统中物质和能量的输入、输出相对平衡在生态系统整体上，生产者、消费者、分解者应构成完整的营养结构生物种类和数量相对稳定生态系统之间的协调第四节生态系统平衡和自我调节3.生态系统平衡的调节机制反馈机制生态系统的一个普遍特性是存在着反馈现象。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。反馈有两种类型，即负反馈(negativefeedback)和正反馈(positivefeedback)。正反馈是比较少见的，它的作用与负反馈相反，即生态系统中某一成分的变化所引起的其他一系列变化，反过来不是抑制而是加速最初发生变化的成分所发生的变化，因此正反馈的作用常常使生态系统远离平衡状态或稳态。负反馈是比较常见的一种反馈，它的作用是能够使生态系统达到和保持平衡或稳态，反馈的结果是抑制和减弱最初发生变化的那种成分所发生的变化。例如，如果草原上的食草动物因为迁入而增加，植物就会因为受到过度啃食而减少，植物数量减少以后，反过来就会抑制动物数量。抵抗力是生态系统抵抗外干扰并维持系统结构和功能原状的能力恢复力指生态系统遭受外干扰破坏后，系统恢复到原状的能力当生态系统达到动态平衡的最稳定状态时，它能够自我调节和维持自己的正常功能，并能在很大程度上克服和消除外来的干扰，保持自身的稳定性。这实质上就是生态系统的反馈调节。但是，生态系统的这种自我调节功能是有一定限度的，当外来干扰