森林生态系统的组成与结构.ppt

第七章第七章 森林生森林生态态系系统组统组成与成与结结构构生生态态系系统统及森林生及森林生态态系系统统的基本概念的基本概念 生生态态系系统统的的组组成与成与结结构构 食物食物链链与食物网与食物网营营养养级级和生和生态态金字塔金字塔生生态态效率效率生生态态系系统统的生的生态态平衡与反平衡与反馈调节馈调节生生态态系系统统的特征的特征.1本章本章导读导读识记：生态系统、营养结构、食物链与食物网、营养级、生态金字塔、生态效率、生态平衡、生态失衡、反馈调节等概念；生态系统的基本类型、营养结构、三大功能(能量流动、生物生产、物质循环)及其功能群；生态失衡及其表现领会：森林生态系统的组成；生态系统的特征；生态金字塔及其表示方法简单应用：食物链与食物网及其与生态系统的稳定性的关系；生态金字塔及其表示方法。综合应用：生态平衡，生态失衡及其表现，反馈调节.21生生态系系统及森林生及森林生态系系统的基本概念的基本概念1.1 ecological system,eco-system：在一定空间中共同栖居着的所有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。类似概念：小宇宙(microcosm,S.A.Forbes,1887)、生物系统(biosystem,Thienemann,1939)、生物地理群落(biogeocoenosis,B.H.，1940，1942，1945，1947，1957)等.3构成系构成系统统的条件的条件由若干要素所组成要素之间要相互联系，相互作用，相互制约要素之间通过相互作用，产生跟各个组成成分不同的新功能，即整体功能。为什么对系统感兴趣？.4biosphere 2(science,v.302,19 December 2003,p2053).5生生态态系系统统是如何是如何发发展起来的？展起来的？英国学者Tansley于1935年提出生态系统的概念，强调生物和环境的不可分割性。20世纪60年代以来，成为国际上生态学研究的焦点。发展背景：随着世界工农业发展，出现了举世瞩目的世界性问题:人口增加，资源短缺、环境污染等问题日益严重。空间技术、遥感技术、计算机、环境监测仪器设备、放射性同位素等的发展，使人们可以精确地测定生态环境的变化。.61.2.1根据基根据基质性性质 陆地生态系统：森林生态系统、农田生态系统、城市生态系统。水域生态系统：河流生态系统、池塘生态系统、海洋生态系统。1.2生生态系系统类型型.71.2.2根据范根据范围不同不同大生态系统：如海洋生态系统等。中生态系统：如农田生态系统等。小生态系统：如水簇箱生态系统等。.81.2.3根据人的参与与根据人的参与与否否自然生态系统：如原始森林、河流等。半自然生态系统：如人工渔塘、人工林等。人工生态系统：如城市、矿区等。.91.2.4根据生根据生态系系统中能量供中能量供应情情况况(E.P.Odum)(1)无补加的自然的太阳供能生态系统主要或完全依赖太阳辐射的自然生态系统，经常受到其它生态因子的限制，但并不需要人们去管理。供能量低，生产力低；不能维持高密度的生物种群。所占面积最大，对于维持全球生态平衡起重要作用。此外还有不能按经济效益计算的美学、旅游价值以及提供其他财富的潜力。.10(2)自然自然补加的太阳供能生加的太阳供能生态系系统有自然提供的其他能源，从而增加有机物质的产量，可较大幅度地提高生产量和种群密度。得到补助能量的形式：潮汐、流水、海浪和海流、有机物质和养分输入等。.11(3)人人类补加的太阳供能生加的太阳供能生态系系统有人类投入的补助能量(附加能量)，包括耕种、灌溉、施肥、除草、选种、育种及病虫害防治等。人力、家畜及化石燃料的应用对农业生态系统能量的输入，几乎与太阳辐射输入的能量一样多。.12(4)燃料供能的工燃料供能的工业生生态系系统需要不断从系统外部输入能量和物质，又向外部排出大量废物。大量矿物燃料的势能代替了太阳能(不仅是补充)。从维持生命的角度来说是一种不完全或者是依赖性的生态系统。即依赖于前三类生态系统提供食物、燃料和原料以维持此类系统的存在和发展。高效能的燃料供能生态系统，会给邻近低效能的太阳供能生态系统造成巨大的压力，研究城市生态系统的能量流动，要用新的方法和途径，目标是高效、和谐。.13森森林林生生态态系系统统.14草原生草原生态态系系统统.15沼沼泽泽生生态态系系统统双溪布洛自然公园中的沼泽地Okefenokee Swamp.16水域生水域生态态系系统统.17农农田生田生态态系系统统.18塑料大硼塑料大硼.19水簇箱水簇箱.20城城镇镇生生态态系系统统.211.3森林生森林生态系系统的的基本概念基本概念？只只见树见树木木不不见见森林森林森林是在一定地域上，以大量乔木为主体，林木(树木)彼此之间及其与环境之间相互作用的，并能生产大量木材、林副产品和起着关键性的维持陆地良好的生态环境的生物群体。.22森林树木树木获取支持、营养和水分的土壤层与树木具有共生、竞争、互利或相生相克等相互作用的其它植物取食植物并栖息于植物下层或对植物有益处的动物直接或间接地对树木或其它有机体产生有益、互利或相克影响的微生物土壤和气候，包括水灾和降水，它们影响森林中所有有机体的分布和数量森林生森林生态态系系统统.23z森林是生态系统z森林生态系统是生物圈生态系统中分布最广、结构最复杂、类型最丰富的一种生态系统。z森林生态系统具有结构、功能、动态、相互作用和相互联系、稳定平衡、对外开放的特征森林生森林生态态系系统统.24我国森林我国森林营营造中的造中的败败笔笔人工人工针叶叶纯林林后果：后果：生生态态功能低下功能低下病虫害病虫害问题问题经济经济效益有限效益有限.252生生态系系统的的组成与成与结构构基本基本结结构构(1)形形态结构构:包括物种包括物种结构和空构和空间结构构空间结构可有垂直与水平两个方面的特征，也可将时间结构包含在内，它主要是指生物的位置和环境结构两个方面。空间结构中，生物部分与群落结构基本一致；环境部分在时空四维结构上也有一定的配置方式及关系，并由此而决定了生物部分的结构，从而形成了生态系统各种各样的结构。物种结构主要是指物种在生态系统中的组成成分及其配置特点与方式等。.26基本基本结结构构(2)营养养结构构指生态系统中营养走向，如能量的流动状态等营养结构是当今生态系统研究的重点。营养结构是生态系统动力学的本质结构，也是生态系统中物质循环和信息传递的动力学基础，同时又是解决目前能源短缺、生态系统利用率低下的主要焦点。一般称谓生态系统的结构即是指其营养结构。.27生生态态系系统统的的营营养养结结构构无机环境：各种生态因子生物群落：生产者(producer)-光能合成植物（绿色植物）；化能合成微生物（某些细菌等）消费者(consumer)-第一消费者：食草动物；第二消费者：肉食动物分解者(decomposer)：有机营养微生物、土壤原生动物、小型无脊椎动物、大型动物生态系统的营养结构是以营养为纽带，把生物和非生物紧密地结合起来，构成以生产者、消费者、还原者（分解者）为中心的三大功能类群，它们和环境之间有着各种各样的联系，共同完成生态系统的生态过程和功能。.28陆陆地生地生态态系系统统(草地草地)和水生生和水生生态系系统(池池塘塘)营养养结构的比构的比较(仿仿Odum，1983).29生生态态系系统结统结构的一般模型构的一般模型(仿Anderson,1981)粗线包围的3个大方块表示3个亚系统，连线和箭头表示系统成分间物质传递的主要途径。有机物质库以方块表示，无机物质库以不规则块表示.30生生态态系系统统的的营营养养结结构构(仿仿Clarke,1954)草食性草食性动动物物杂杂食性食性动动物物寄生性寄生性动动物物腐生性腐生性动动物物肉食性肉食性动动物物还还原者原者转转 变变者者营营养物养物质质光能光能绿绿色植物色植物还原者消费者生产者非基本成分非生物成分生物成分基本成分.313食物食物链与食物网与食物网生态系统营养结构的表示食物链(food chain)与食物网(food web)生态金字塔(ecological pyramid)生态效率(ecological efficiency).32食物食物链链(Food chain)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，称为食物链。.33food chain能量转换的途径，或称能量流动的渠道.34陆陆地与海洋食物地与海洋食物链链的例子的例子.35食物食物链类链类型型生食食物链：是以绿色植物为基础，以草食动物为开始的食物链。草牧食物链（捕食食物链）:从植物开始，经过小型食草动物，再到稍大型的食肉动物捕食，进而再被更凶猛的食肉动物捕食。草原和水体生态系统是以草牧食物链为主的生态系统。寄生性食物链:由宿主和寄生物构成。它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。后者与前者是寄生性关系。腐生食物链（碎食食物链）:指以死有机物质为基础，从腐生物开始的食物链。森林是以腐生食物链为优势的生态系统。在森林中，有90%的净生产是被腐生生物所分解消耗的。.36两条食物两条食物链链.37食物食物链链特点特点在同一个食物链中，常包含有食性和其它生活习性极不相同的多种生物。在同一个生态系统中，可能有多条食物链，它们的长短不同，营养级数目不等。由于在一系列取食与被取食的过程中，每一次转化都将有大量化学能变为热能消散。因此，自然生态系统中营养级的数目是有限的。在不同的生态系统中，各类食物链的比重不同。在任一生态系统中，各类食物链总是协同起作用。.38food web生物之间捕食和被食的关系不是简单的一条链，而是错综复杂的相互依赖的网状结构，即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。这种以营养为纽带，把生物与环境、生物与生物紧密联系起来的结构，称为生态系统营养结构.39食物网食物网.40食物食物链链或食物网的意或食物网的意义义生物富集现象生态农业中增环加链食物网的复杂性与生态系统的稳定性食物链或食物网与种群的调节.41生物富集生物富集当一些有害有毒物质特别是脂溶性的农药和杀虫剂等进入自然生态系统后，首先进入初级生产者体内，然后沿着食物链和营养级逐级向前传递，并且在通过食物链的过程中，其浓度逐渐提高，这种物质浓度逐渐提高的现象称为生物富集作用。DDT浓集作用示意图(Banton&Werner,1974).42生生态农业态农业西安生态养殖场的系统结构共由四部分组成，即初级生产者系统、次级生产者系统、水生生态系统和有机污水净化系统.43食物食物链长链长度与度与环环境的关系假境的关系假设设(1)能量假能量假设(energetic hypothesis)食物链的长度由于受到能量在食物链中传递的损耗和捕食者的最低能量要求所限制而不能无限制地增长。太少的能量不可能支持远离基位物种的那些营养物种有足够的个体维持种群，或者那些物种的个体不能找到足够的猎物而存活。预测只有较高初级生产力的系统，食物链应当更长。但较小范围内的人工生态系统的实验否定了这一假设，尽管这一点还有待进一步验证。Pimm曾评述了从能量贫乏系统到高生产力系统有关食物网的9项研究，其结论是无明显证据表明系统的生产力越高，食物链就越长。.44(2)动态稳定性假定性假说(dynamical stability hypothesis)基于生态系统的特定数学模型发现，食物链越长，为维持系统平衡或稳定而对模型参数的限制就越严格。就实际情况来看，具有较长食物链的生态系统，一旦受到内外因素的干扰，不仅易于遭到破坏，而且恢复原状的时间也长，因此具长食物链的食物网，或者说食物网的长食物链在自然界难于存在。预测：在没有大的干扰的系统，食物链应该更长，但现在还没有更多的证据支持或者否定这个假设设。.45(3)一些一些经验性的性的结论Briand等分析34个食物网的环境系统后得出结论，认为三维生态系统的食物链比二维生态系统的食物链长。所谓二维生态系是指系统环境基本上是扁平的(flat)，例如草原、冻原、海底、湖底、河床等；如果系统环境是立体的(so1id)，则认为它是三维生态系统，例如深水海洋、森林等；如果一个食物网来自既包含扁平又包含立体环境的栖境，则认为是混维生态系统。.464营养养级和生和生态金字塔金字塔营营养养级级(Trophic levels)食物链中的每一个环节就是一个食性层次，就是一个营养级生产者为第一营养级，二级消费者为第二营养级，余类推。营养级不是物种的分类，而是营养关系的分类，对于研究生态系统营养结构非常有用。任何生物都必然属于一定的营养级，每一种生物又可能属于不同的营养级，同一个营养级又可能有不同的生物，形成了自然生态系统中错综复杂的食物关系，也是构成生态系统中食物网的原因。.47生生态态系系统统中中营营养养级级数目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。由于能流在通过各营养级时会急剧减少，所以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。.48生生态态金字塔金字塔(ecological pyramid)概念：概念：指各营养级之间的数量关系，这种数量关系可采用生物量、能量和个体数量生物量、能量和个体数量单位。类类型型数量金字塔(pyramid of numbers)生物量金字塔(pyramid of biomass)能量金字塔(energy pyramid).49pyramid of numbers每一营养级用长方形框的长短相应表示生物的数目。数量金字塔弊端：(1)生物体数量与其重量或生物量不是完全成正相关的，过分强调小个体的地位；(2)生物体个体的大小与其代谢率成反比；(3)倒置金字塔不能表明所传递的能量状况。p1C2C3C4Cp1C2C3C落叶林草地.50pyramid of biomass生物量金字塔虽然能说明一个生态系统的储量，但不能表示出生产力。单位：公斤1000100101浮游动物鱼浮游植物生物量金字塔一般呈正金字塔形，但也有倒置情况，如在湖泊和开阔海洋水域生态系统中。生物量金字塔不能区分植物性和动物性干物质能量含量上的差异。浮游动物浮游植物.51energy pyramid各层长度是取所代表能量数值的对数，因为各营养级的数值相差甚大，不便直接按实数绘出。可以推断出各营养级生物量积累的速率。p1C2C3C4Cp1C2C3C落叶林草地.52energy pyramid.53ecological pyramid仅有能量流金字塔难以完整地说明一个生态系统的能量学如将能量和生物量金字塔结合起来就能更完整地说明生态系统的能量，若再把数量金字塔加进来则就更加完善。但目前很少在一个生态系统中取得三方面类型的完整资料。.545生生态效率效率(1)同化效率同化效率(assimilation efficiency)同化效率指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。同化效率=被植物固定的能量/植物吸收的日光能或同化效率=被动物消化吸收的能量/动物摄食的能量.55(2)生生产效率效率(production efficiency)生产效率指形成新生物量的生产能量占同化能量的百分比生产效率=n营养级的净生产量/n营养级的同化能量有时人们还分别使用组织生长效率(即生产效率)和生态生长效率生态生长效率=n营养级的净生产量/n营养级的摄入能量.56(3)消消费效率效率(consumption efficiency)消费效率指n+1营养级消费(即摄食)的能量占n营养级净生产能量的比例消费效率=n+1营养级的消费能量/n营养级的净生产量.57(4)林德曼效率林德曼效率(Lindeman efficiency)指n+1营养级所获得的能量占n营养级获得能量之比，这是Lindeman 的经典能流研究所提出的，它相当于同化效率、生产效率和消费效率的乘积林德曼效率=(n+1)营养级摄取的食物/n营养级摄取的食物也有学者把营养级间的同化能量比值，即An+1/An视为标准效率(Krebs，1985)。.586生生态系系统的生的生态平衡与反平衡与反馈调节生生态态平衡平衡(Ecological balance)当生态系统各组成成分之间彼此保持一定的比例关系，能量、物质的输入与输出在较长时间内趋于相等，结构和功能处于相对稳定的状态，在受到外来干扰时能通过自我调节恢复到初始的稳定状态生态系统的这种状态称为生态系统的平衡，简称生态平衡。.59Ecological balance生态平衡或自然界的平衡(Balance of nature)就是指生态系统的稳定性(stability)，其实生态平衡的原意即是指顶极稳定状态生态系统，顶极群落就是一种相对稳定的生态系统。自然群落和生态系统稳定性的因素群落自身特点(进化史的长短、物种数目及其相互作用的特征和强度等)群落受到干扰的状况(干扰的性质、大小、持续时间等)估计稳定性的指标(抵抗力、恢复力等)。.60生生态态平衡的机制平衡的机制开放系统如果具有调节其功能的反馈机制(feedback mechanism)，该系统就成为控制系统(cybernetic system)。所谓反馈，就是系统的输出变成了决定系统未来功能的输入；一个系统，如果其状态能够决定输入，就说明它有反馈机制的存在。要使反馈系统能起控制作用，系统应具有某个理想的状态或位置点，系统就能围绕位置点而进行调节。.61兔与植物种群之兔与植物种群之间间的的负负反反馈环馈环兔的食兔的食物增加物增加兔数量减少兔数量减少兔因兔因饥饥饿饿死亡死亡兔吃少兔吃少量植物量植物植物增加植物增加兔数量增加兔数量增加兔吃大兔吃大量植物量植物植物减少植物减少.62生生态态系系统调节统调节能力能力 结结构的多构的多样样性性生态系统自动调节能力的大小与其组成和结构的复杂程度密切相关。一般来说，生态系统的组成与结构越复杂、自动调节能力就越强，组成与结构越简单，自动调节能力就越弱。功能的完整性功能的完整性指生态系统的能量流动和物质循环在生物控制下得到合理的运转。运转越合理，自动调节能力就越强。.63生生态阈态阈限限 生态系统虽有自我调节能力，但只能在一定范围内、一定条件下起作用，如果干扰过大，超出了生态系统本身的调节能力，生态平衡就会被破坏，这个临界限度称为生态阈限度。生态阈限决定与环境的质量和生物的数量。当外界干扰远远超过了生态阈限，生态系统的自我调节能力已不能抵御，从而不能恢复到原初状态时，则称为“生态失调”。.64破坏生破坏生态态平衡的因素平衡的因素(1)使使环境因素境因素发生改生改变一方面人类的生产活动和生活活动产生大量的废气、废水、废物，不断排放到环境中，使环境质量恶化，产生近期或远期效应，使生态平衡失调或破坏。一方面是对自然和自然资源不合理的利用，譬如盲目开荒、滥砍森林、水面过围、草原超载等。.65(2)使生物种使生物种类发生改生改变在生态系统中，盲目增加一个物种，有可能使生态平衡遭受破坏。在一个生态系统中减少一个物种，也有可能使生态平衡遭受破坏。我国50年代曾大量捕杀过麻雀，致使一些地区虫害严重。究其原因，就是由于害虫的天敌麻雀被捕杀，害虫失去了自然抑制因素。.66(3)信息系信息系统的破坏的破坏生物与生物之间彼此靠信息联系，才能保持其集群性和正常的繁衍。人为向环境中施放某种物质,干扰或破坏了生物间的信息联系，就有可能使生态平衡失调或遭受破坏。例如自然界中有许多雌性昆虫靠分泌释放性外激素引诱同种雄性成虫前来交尾，如果人们向大气中排放的污染物能与之发生化学反应，则性外激素就失去了引诱雄虫的生理活性，结果势必影响昆虫交尾和繁殖，最后导致种群数量下降甚至消失。.67生生态态平衡失平衡失调调的的标标志志 结构生态平衡失调首先表现在结构上，一方面是结构缺损，即生态系统的某一个组成成分消失；另一方面是结构变化，即生态系统的组成成分内部发生了变化。功能也包括两个方面：一方面是能量流动受阻；另一方面是物质循环的中断。.68生生态态平衡的恢复与再建平衡的恢复与再建 不 超 负 荷受害(可逆的)消除压力自 然 恢 复过程恢复超负荷受害(不可逆的)消除压力人 的 帮 助和 自 然 恢复过程恢复生态系统.69(1)结构特构特征征生态系统生物成分非生物环境 生产者（producers）消费者(consumers)还原者(decomposers)太阳辐射能无机物质有机物质7生生态系系统基本特征基本特征.70(2)功能特征功能特征生态系统的物质循环和能量流动第二级食肉动物空气水无机盐生产者食草动物食肉动物分解者热热热热热物质流能量流.71(3)动态特征特征生态系统是不断变化的系统。随着时间的推移，生态系统总是从比较简单的结构向复杂结构状态发展，最后达到相对稳定的阶段。.72(4)相互作用和相互相互作用和相互联系的特征系的特征生态系统内各生物和非生物成分的关系是紧密相连不可分割的整体。任一成分的变化不仅会影响所有其他成分的变化，同时也受所在系统内环境因子的制约。森林生态系统内不论生物和非生物成分怎样复杂，但各有其位置和作用，彼此密切相连。所以研究林木个体、种群或群落都不应脱离系统整体。.73(5)稳定平衡的特征定平衡的特征自然界生态系统总是趋向于保持一定的内部平衡关系，使系统内各成分间完全处于相互协调的稳定状态。生态系统内的负反馈机制是达到和维持平衡或稳定的重要途径。例如：森林的自然稀疏过程昆虫数量与食物的供应思考：森林病虫害的防治.74(6)对外开放的特征外开放的特征生态系统之间都存在着能量和物质的交换。森林与河流之间营养的流通；森林植物得到来自太阳的能量。系统太阳其它能源能量、物质迁出的生物物质和生物环境环境输出输入一个开放的生态系统模型.75本章回本章回顾顾生态系统的概念生态系统的类型生态系统的结构(营养结构)营养结构的表示生态平衡与生态恢复生态系统的特征.76The The EndEnd.77