生态学基础1生态系统生态学.pptx

1.Concepts and features of Ecosystem1.1 生态系统(ecosystem)的定义l定义：在一定空间中共同栖居着的所有生物（即生物群落）与其环境之间由于不断进行的物质循环和能量流转过程而形成的统一整体。l生态系统=生物群落+非生物环境 ecosystem（Tansley，1936，英国）=biogeocoenosis（生物地理群落，俄国，苏卡切夫，1944）l生态系统可大可小，小到动物的肠道是微生态系统，大到整个生物圈，是地球上最大的生态系统。l 生态系统的特点生态学上一个主要的结构功能单位，生态学研究上的最高层次；具有自我调节能力；具有三大功能：物质循环、能量流动和信息传递；生态系统营养级数目的多少受限于生产者固定的最大能值和能量在流动中的巨大损失；生态系统是一个动态系统，要经历一系列的发育阶段。l Types of ecosystem陆地生态系统(Terrestrial ecosystem)(forest,grassland,desert,tundra),水生生态系统(aquatic ecosystem)(freshwater,marine),湿地生态系统(wetland ecosystem).自然生态系统 (Natural ecosystem),半自然生态系统(seminatural ecosystem),人工生态系统 (artificial ecosystem)开放生态系统 (Opened ecosystem),封闭生态系统(closed ecosystem),隔离生态系统(isolated ecosystem)。1.2 生态系统的组成成分（components）Three functional groupSix components(Four fundamental components)1.3 生态系统的营养结构(trophic structure)l 营养级位、食物链/网 生态系统的各种成分，不断进行物质交换和能量流动而形成紧密联系的网络结构。生态系统内各种生物之间通过营养关系，建立各种食物链和食物网。（请分析池塘生态系统的结构）图 一个简化的草原生态系统食物网l 下行控制（topdown effect）和上行控制（bottomup effect）根据食物链的理论，物质和能量沿着食物链传递。即有：浮游植物浮游动物食浮游动物鱼类食鱼性鱼类。处于食物链中间位置的这些物种种群数量，是受食物限制还是受捕食者控制？即所谓的上行控制和下行控制。下行效应：是指较低营养阶层的种群结构（多度、生物量、物种多样性等）依赖于较高营养阶层物种（捕食者控制）的影响（自上而下）。上行效应：是指较低营养阶层的密度、生物量等决定较高营养阶层的种群结构（由资源限制，自下而上）。应用：水体富营养化（水华暴发）受什么控制？l 生态系统的基本功能（Basic function）物质循环（Matter cycles）能量流动（Energy flow）信息交换（Information exchange）1.4 生态系统的功能(ecosystem function)2.生态系统的物质生产与能量流动2.1 生态系统物质生产的基本概念 初级生产和次级生产 初级生产（Primary production）：绿色植物（自养生物）通过光合作用将无机物转变成有机物并把太阳能转变成化学能的过程（严格说来，应包括化能合成生物）。次级生产（Secondary production）：除了自养生物以外的其它有机体生产有机物质的过程。包括各级消费者和分解者生产有机物质的过程。生产力（量）和生物量（现存量）生产力(productivity)或生产量(production)：用P表示。是指在一定时间段内某一种群生产出的有机物质的定量（数量、重量或能量）。生产率(production rate)：单位时间内的生产量。生产力、生产量和生产率通常不加以严格区分。生物量(biomass)（现存量standing crop)：某一特定观察时刻，某一空间范围内现有有机体的多少。用B表示，单位：数量、重量或能量/单位面积。周转率(turnover rate)和周转期(turnover time)周转率：是指在特定时间段内新加入的生物量占总生物量的比率。（其倒数为周转期）生产量与生物量的比较 经调查，某池塘现有鱼类数量1000kg/ha应称为？该池塘每年每公顷生产1000kg鱼，可称为 ；一般，生产量与生物量之间的关系比较复杂，生物量大，生物量大，生产量不一定大，同样，生物量小，生产量也不一定小。生产量不一定大，同样，生物量小，生产量也不一定小。如浮游植物生物量小，但生产量通常较大；而大型植物生物量大，但生产量不一定大，如下图。生物量、生产量和周转率的关系生产量生产量减少量减少量现存量现存量2.2 生态系统中的初级生产1)初级生产的能量来源 主要来自绿色植物光合作用固定的太阳能：12H2O+6CO2+2968kJ(光能)C6H12O6+6O2+6H2O 通过光合作用，每吸收6摩尔CO2就等于固定709千卡能量（1焦耳=0.239卡，或者，1卡=4.18焦耳）。一般通过氧弹卡式热量仪可测出任何一种生物的热当量。如，经测定，植物的叶每克干重的能量为17.694焦耳，根19.748焦耳，种子21.192焦耳。2)初级生产力、总初生产力和净初生产力总初级生产量（总初级生产量（Gross primary productivity，GP）：植物在单位面积、单位时间内，通过光合作用固定太阳能的量。净初级生产量（净初级生产量（Net primary productivity，NP）：生态系统中自养生物自身呼吸消耗（R）后剩余的有机物质的量（或能量）。NP=GP R3)初级生产力的测定（Measurement of primary productivity）收获量测定法 适用：陆地生态系统 方法：定期收割，干燥，折算成每年每平米干物质的重量或能量；氧气测定法（黑白瓶法）：水生态系统 CO2测定法：陆地生态系统 放射性标记测定法（14CO32）叶绿素测定法（叶绿素量与光合作用强度有密切 的定量关系）氧气测定法2.3 生态系统中的次级生产1)次级生产（Secondary production）的一般过程 2)次级生产力的测定(Measurement of secondary productivity)根据同化量和呼吸量计算 C=A+FU A=P+R 次级生产力 P=AR=CFUR方法二 P=Pg+Pr 式中，Pr：生殖后代的生产量；Pg：个体增重。根据生物量变化B+死亡损失E，估计P（B、P两点区别）P=B+E2.4 生态系统的能量流动（Energy flow）1)能量流动与热力学定律 生态系统的能量流动，同样遵守热力学定律，即：热力学第一定律：能量守衡定律热力学第二定律：熵律2)生态系统能量流动特点能量在生态系统中是变化着的；能流是单向的；能量在生态系统内流动的过程，就是能量不断递减的过程；能量在流动过程中，质量逐渐提高。3)生态锥体(金字塔)（ecological pyramid）生态锥体的概念 生态锥体：是指生态系统中不同营养级的生物量、数量或能量的组成比例，通常用图解表示。生态锥体的种类数量锥体（Pyramid of numbers）生物量锥体（Pyramid of biomass）能量锥体（Pyramid of energy）记住：只有能量金字塔才能够总能保持逐级减小的金字塔型。浮游植物809gm2植食者37gm2一级肉食者11gm2二级肉食者1.5gm2分解者5gm21.生物量金字塔 a.淡水生态系统 b.海洋生态系统浮游和底栖动物21gm2浮游植物4gm22.数量金字塔 3.能量金字塔浮游植物41091.1105净生产量8763kcalm2d1细菌3890kcal 植食者596kcal一级肉食者48kcal 4)生态效率（Ecological efficiency）生态效率是指能量在生态系统各营养级之间或食物链上的传递效率，是各营养级或食物链各点之间的能量比值。主要有以下参数：消费或利用效率：第n+1营养级所消费的能量占n营养级的净生产能量的比例。利用效率=In+1/Pn 同化效率：植物光合作用固定的日光能占入射光能的比例；或者动物同化的食物能占总摄入的食物能的比例。同化效率=An/In 生产效率：形成新生物量的生产能占同化能的比例。即 生长效率=Pn/An 林德曼效率（生态效率,Lindemms efficiency）：n+1营养级所摄入的能量占n营养级摄入能。（十分之一法则）生态效率=In+1/Pn An/In Pn/An=In+1/In能量单位：能量单位：calcm2a3.生态系统的物质循环 3.1 物质循环（cycling of material）的 基本概念l 定义 生物地化循环(biogeochemical cycle)：是指各种化学物质在生态系统内部不同生物成分之间、生物成分与物理成分之间的流动与交换以及化学物质在不同生态系统之间的流动与交换。l 物质循环的模式 库（Pool）指某一物质在生物或非生物环境暂时滞留（被固定或贮存）的地方。如植物库、动物库、大气库、土壤库和水体库。库的类型 贮存库(reservoir pool)：特点是库容量大，元素在库中滞留的时间长，流动速度慢，一般为非生物成分，如岩石、沉积物等。交换库(exchange pool)：特点是库容量小，元素在库中滞留的时间短，流动速度快，一般为生物成分，如植物库、动物库等。l 物质的循环速率 循环速率 周转率=流通率/库中的营养物质总量 周转时间=1/周转率 3.2 地球上主要物质的循环 根据物质循环过程中是否有气相的存在，可将生物地化循环分为气循环和沉积型循环。水是生命的先躯，没有水循环，就没有整个生物地化循环，因此，水循环也常独立出来。由于这三大循环与全球性环境问题如温室效应、臭氧层破坏和酸雨等密切相关，因而特别受关注。1)水循环（如图）2)气体型循环：C、N循环（如图）3)沉积型循环：P（如图）、S循环 S循环既是沉积型循环，又是气循环，是酸雨的主要原因。3.3 生物放大作用 DDT二战时由miller（瑞典）发明（并因此获诺贝尔奖），曾经在全世界得到了广泛使用，其贡献是，他有效地控制了很多害虫，使农业得到了丰收，然而，它却给人类环境带来了严重的生态学后果，现在已在全世界被禁用了。海水DDT含量0.00005ppm浮游植物0.04刚毛藻0.08ppm 大米草0.33螺0.26蛤0.42鱼1.24海鸥18.5ppm银鸥75.5ppm 从左图可见，DDT从海水到银鸥其浓度扩大了成百万倍。营养级越高，积累剂量越大。据报道，南极企鹅体内也有DDT。据调查，爱斯基摩人体内脂肪中含3ppm，匈牙利等国人12.419.2ppm，美国人520ppm。DDT引起人类内分泌失调，如使妇女排卵受阻而不孕。害虫产生抗药性，而天敌因富集反而更敏感。4 生态系统的发育与稳定 4.1 生态系统的发育 1)生态系统发育的概念 生态系统也象有机体的个体发育，有从幼年期到成熟期的发育过程。这种过程称为生态系统发育。生态系统在发育过程中，往往以形成相对稳定的生态系统而告终，因此在生态系统发育过程会发生一系列的特征变化。2)生态系统发育过程中的特征变化 生态能量学特征：幼年期P/R1；成熟期P/R接近1；食物网特征：幼年期简单，直线型；成熟期网状。营养物质循环特征：成熟期循环更封闭；群落结构特征：发育过程多样性增加；选择压力：幼年期r选择多，成熟期多K选择。稳定性：幼年期不良，成熟期良好 4.2 生态系统稳定性（ecosystem stability）与生态平衡 1)生态平衡与生态失衡 生态平衡（Ecological balance）：是生态系统在一定时间内结构和功能的相对稳定状态，其物质和能量的输入和输出接近相等，在外来干扰下，能通过自我调节（或人为控制）恢复到原初的稳定状态。生态失衡：当外来干扰超越生态系统自我调节能力使其不能恢复到原初的稳定状态，称为生态失衡。2)生态系统的稳定性OVER!基本成分 非基本成分 光能 绿色植物 生产者 草食性动物 肉食性动物 杂食性动物 消费者 寄生性生物 腐生性生物 还原者 还原者营养物质 转变者非生物成分生物成分生态系统的结构生态系统的结构食草动物食肉动物1食肉动物2生产者亚系统 碎 屑分解者CO2O2无机营养物消费者亚系统分解者亚系统环境太阳能生态系统结构模型生物地化循环水循环生物地化循环：C循环0.03%0.06%平均2.9，赤道1.45=两极8-9 南极1 1 cm 氮含量：79%固氮途径生物固氮大气固氮岩浆固氮工业固氮红萍氮循环氮循环磷循环：不完全循环陆地进海洋易，海洋返陆地难洗衣粉破坏环境吗？磷酸盐高效助洗剂 350万t/a 15%1g P=100 g Algal Service function of ecosystem(生态系统的服务功能)In modern ecology,ecosystem service has been considered an ecosystem function.uDefinition Ecosystem service is the goods and services provided by ecosystem which help human being to improve survival condition and life quality.uFor example Gas regulation,climate regulation,disturbance mitigation,water regulation,water provision,the conservation of soil and water,raw and processed materials,refuge,biological prevention and cure,genic resource,food production,recreation and life fallow,nutrient cycle,soil formation,and so on.