备课资料（第1节生态系统的结构）.doc

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1.生态系统的概念
生态系统的概念是由英国生态学家坦斯利(A.G.Tansley, 1871~1955)在1935年提出来的,他认为,“生态系统的基本概念是物理学上使用的‘系统’整体。这个系统不仅包括有机复合体,而且包括形成环境的整个物理因子复合体”。“我们对生物体的基本看法是,必须从根本上认识到,有机体不能与它们的环境分开,而是与它们的环境形成一个自然系统。”“这种系统是地球表面上自然界的基本单位,它们有各种大小和种类。”
随着生态学的发展,人们对生态系统的认识不断深入。20世纪40年代,美国生态学家林德曼(R.L.Lindeman)在研究湖泊生态系统时,受到我国“大鱼吃小鱼,小鱼吃虾米,虾米吃泥巴”这一谚语的启发,提出了食物链的概念。他又受到“一山不能存二虎”的启发,提出了生态金字塔的理论,使人们认识到生态系统的营养结构和能量流动的特点。今天,人们对生态系统这一概念的理解是:生态系统是在一定的空间和时间范围内,在各种生物之间以及生物群落与其无机环境之间,通过能量流动和物质循环而相互作用的一个统一整体。生态系统是生物与环境之间进行能量转换和物质循环的基本功能单位。
2.系统研究方法在生态学中的应用
生态系统是极其复杂的综合系统，单凭传统的定性方法研究，已不能适应深入研究的需要，因此必须借助于系统分析（system analysis）的方法和技术。所谓系统分析就是利用数学的概念和方法，采用系统科学的研究途径来解决复杂的系统问题。这一方法来源于系统科学，其理论基础有：运筹学、控制论、数学及电子计算机原理。自20世纪中叶系统分析方法引入生态学后，它在解决复杂的生态学问题上发挥了巨大的作用，用系统分析方法研究生态系统各部分的相互联系及其整体功能已成为生态学研究的发展趋势。
把系统分析的方法应用于生态学，就称为系统生态学（system ecology）或生态系统分析（ecosystem analysis）。生态学的系统可以很大，也可以很小，大的系统可以包括有很多生物群落的复杂生态系统，小的系统可以是两个种群组成的捕食—被捕食系统。生态系统分析是以数学模型为中心的。建立一个系统的模型通常有以下六个逻辑步骤（图515）：

图5-1-5 建立系统模型的步骤
（1）确定模拟对象首先应明确要解决什么问题，并且划定它在系统中空间与时间上的界限与范围。这一步骤不能一次完成，以后还会有变动。
（2）确定系统结构即确定组分与组分之间的相互作用。一般来说，模型越复杂越能准确地描述现实系统，因为所考虑的因素和变量多。但是由于因素增多，参数、变量的数目就变得庞大，使系统模型难以确切地建立。因此，应根据研究目的及系统本身的特点，确定适当的变量以及它们之间的相互关系。
（3）建立数学模型用一系列数学方程将系统的各个组分之间的相互关系定量描述。建立数学模型的方法应尽可能简单，着重于有应用价值的模型，而不是追求数学理论与方法的高深研究。
（4）模型的有效性检验也称为模型的验证（verification）。在数学模型建立之后，需要对模型在执行模型对象方面的效应进行分析，如果发现模型的模拟效果很差，即模型未能将系统的真实性结构包含进去，就需要对模型进一步改进。
（5）灵敏度分析即研究输入变量与参数的变化对模型行为的影响。
（6）系统的模拟和控制一旦构成了一个有效的模型，就可以应用于模拟自然系统，预测预报系统的变化趋势，其中包含改变一些参数来预测系统的发展。
3.生态系统的营养结构
生态系统内各要素之间的作用是通过以食物联系连接的营养结构实现的。营养结构包括食物链与食物网。
（1）食物链
食物链是指生产者所固定的能量和物质，通过一系列取食和被食关系在生态系统中传递，各种生物按其食物联系排列的链状顺序。食物链上的每一环节，称为营养阶层（营养级）。自然生态系统主要有三种类型的食物链。
①牧食食物链或捕食食物链：是以活的绿色植物为基础，从食草动物开始的食物链，例如，小麦→蚜虫→瓢虫→食虫鸟。
②碎屑食物链或分解食物链：是以死亡的动植物残体为基础，从真菌、细菌和某些土壤动物开始的食物链，例如，死亡的动植物残体→跳虫、螨类→食虫昆虫、蜘蛛→食虫鸟、小型哺乳动物。
③寄生食物链：以活的动植物有机体为基础，从某些专门营寄生生活的动植物开始的食物链，例如，鸟类→跳蚤→鼠疫细菌。
生态系统中的食物链不是固定不变的，它不仅在进化历史上有改变，在短时间内也有改变。动物在个体发育的不同阶段里，食物的改变（如蛙）就会引起食物链的改变。动物食性的季节性变化也会引起食物链的改变。因此，食物链往往具有暂时的性质，只有在生物群落组成中成为核心的、数量上占优势的种类，食物链才是比较稳定的。
一般生态系统中的能量在沿着食物链的传递过程中，从前一环节到后一环节，能量大约要损失90％左右（能量转化效率大约是10％）。因此，越是处于食物链顶端的动物，生物量越小，能量也就越少。处于顶位的肉食动物最少，以至于不可能再有别的动物以它们为食，因为从它们身上所获得的能量不足以弥补为搜捕它们所消耗的能量。一般说来，能量从太阳开始沿着食物链传递几次以后就所剩无几了，所以食物链一般都很短，通常只由4~5个环节构成，很少有超过6个环节的。
（2）食物网
在生态系统中，一种生物不可能固定在一条食物链上，而往往同时属于数条食物链。实际上，生态系统中的食物链很少单条、孤立地出现（除非食性是专一的），它们往往相互交叉，形成复杂的网络式结构，即食物网。食物网形象地反映了生态系统内各生物有机体间的营养位置和相互关系，生物正是通过食物网发生直接和间接的联系，保持着生态系统结构和功能的相对稳定。
一般地说，具有复杂食物网的生态系统，一种生物的消失不致引起整个生态系统的失调，但食物网简单的系统，尤其是在生态系统功能上起关键作用的种，一旦消失或遭受严重破坏，就可能引起这个系统的剧烈变动。例如，如果构成苔原生态系统食物链基础的地衣，因大气中SO2含量超标而逐渐死亡，就会使整个系统遭到破坏。
4.3 000米深的海底还有生物吗
海水对阳光具有吸收功能，在2 000～3 000米深的海底，无疑是没有一缕阳光的，按理说那里不该有生物生存了。但事实却相反，1977年，法国科学家乘坐“阿尔2”号深潜艇在太平洋的加拉帕格斯群岛海域，在距海面3 000米深，水温高达250 ℃的热泉口附近发现5个生物群落：有粉红色的鱼、白色的螃蟹，以及成千上万棕色的贻贝和巨大的白蛤等。在火山口，一大片巨大的蠕虫在一根高达4米的竖管状顶端摆弄着松软的鲜红色羽毛状的东西。类似的发现还有1979年4月，加利福尼亚湾外侧海底，2 500米深处，水温高达350 ℃的热泉口附近也有成千上万的红色大蛤、管状蠕虫、螃蟹、藤壶等生物。
为何在3 000米深的海底还有生物生存呢？科学家从海底采取的海水样品有一股臭鸡蛋味中发现了其中的奥妙。原来海底热泉水从地下带上来许多硫酸盐，硫酸盐在高温高压下变成了硫化氢，硫化细菌将其氧化的同时取得能量，并依此能量将二氧化碳和水合成有机物，从而大量繁殖，小动物以细菌为食物，大动物又以小动物为食，它们形成一条不依靠阳光而依靠地球内部的热量和物质的特殊食物链。
5.深海热泉口生态系统
1977年,美国的一些研究人员在加拉帕格斯群岛附近,在距海平面25 km的海底发现一个热泉口。这里的水温在200 ℃以上,就在如此高温高压的环境中,竟然有硫细菌等生物存在。
这些硫细菌可以利用氧化硫化物所获得的能量,来固定海水中的二氧化碳,合成有机物。现在人们在太平洋海底已经找到了十几个这样的热泉口,在这些热泉口周围有许多能进行化能合成作用的细菌,如硫细菌、氢细菌等。特别有趣的是,在这些细菌周围,还有多种高等无脊椎动物,如大海蛤、环节动物、蟹、章鱼等,其中有一种环节动物,没有口,也没有消化管,但是它们体内有化能合成细菌,显然,它们是靠这些细菌来获得有机养料的。
深海热泉口生物的发现,给科学界提出了许多值得研究的课题。在没有阳光的深海,化能合成细菌和周围的生物及其无机环境构成一个复杂的生态系统,这种生态系统的能量流动和物质循环是怎样进行的：在海底高温高压的环境中,这些特殊的生物竟能生存,这打破了人们对生物的常规理解。为什么在高温下蛋白质不变性：有人认为这是因为蛋白质分子构象发生了变化,也有人认为这是因为这些生物的蛋白质的一级结构与普通的蛋白质不同的缘故。现在仍然没有定论。至于热泉口周围的高等无脊椎动物来自何处,它们适应深海环境的特性和机制等问题,也是需要深入研究的。
6.城市生态系统
城市生态系统是城市居民与其环境相互作用而形成的统一整体,也是人类对自然环境的适应、加工、改造而建设起来的特殊的人工生态系统。
城市生态系统不仅有生物组成要素(植物、动物和细菌、真菌、病毒)和非生物组成要素(光、热、水、大气等),还包括人类和社会经济要素,这些要素通过能量流动、生物地球化学循环以及物资供应与废物处理系统,形成一个具有内在联系的统一整体。
在城市生态系统中,人起着重要的支配作用,这一点与自然生态系统明显不同。在自然生态系统中,能量的最终来源是太阳能,在物质方面则可以通过生物地球化学循环而达到自给自足。城市生态系统就不同了,它所需求的大部分能量和物质,都需要从其他生态系统(如农田生态系统、森林生态系统、草原生态系统、湖泊生态系统、海洋生态系统)人为地输入。同时,城市中人类在生产活动和日常生活中所产生的大量废物,由于不能完全在本系统内分解和再利用,必须输送到其他生态系统中去。由此可见,城市生态系统对其他生态系统具有很大的依赖性,因而也是非常脆弱的生态系统。由于城市生态系统需要从其他生态系统中输入大量的物质和能量,同时又将大量废物排放到其他生态系统中去,它就必然会对其他生态系统造成强大的冲击和干扰。如果人们在城市的建设和发展过程中,不能按照生态学规律办事,就很可能会破坏其他生态系统的生态平衡,并且最终会影响到城市自身的生存和发展。