第四章生态系统生态学一ppt课件

第四章生态系统生态学生态系统的结构生态系统的基础功能世界主要生态系统的类型本章聚焦\n1.生态系统的概念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。一个池塘、一块草地、一条河流、一片森林、一洼稻田都可以看成一个生态系统。\n我们以一个池塘为研究对象来分析一下：1．池塘中有哪些生物？鱼、虾、浮游植物（浮萍、藻类、水草）、藻类植物、小甲壳动物等。2．池塘中的所有鱼类是一个种群吗？为什么？不是一个种群，因为鱼有许多种，不符合种群的概念。3．池塘中的鱼、虾、浮游植物等总称什么？生物群落4．池塘中除了我们说到的这些生物以外，还有什么？水、溶解在水中的各种物质、照射在池水上的阳光等无机环境。\n种群、群落、生态系统种群：在一定时间和空间内，同种生物的总和。群落：在一定自然区域内，相互之间具有直接或间接关系的各种生物的总和。生态系统：生物群落及其无机环境相互作用的自然系统。三者关系：种群是由同种的生物个体组成，种群组成群落，群落组成生态系统。种群内只有一种生物；而群落内有不同种的生物。生态系统内除包括有生物群落，还包括有无机环境。许多单一的生物个体（同种）组成种群，种群具有单一生物个体所没有的特征。生态系统=群落+无机环境。\n例1：在一阴湿山洼草丛中，有一堆长满苦踪的腐木，其中聚集蚂蚁、蚯蚓、蜘蛛、老鼠等动物，它们共同构成一个（）（A）生态系统；（B）生物群落。下列地点或区域不能认为是生态系统的是（　）A．一个湖泊B．一个城市C．一块麦地D．一个池塘中的全部鱼BD\n3.一个充满生机的鱼缸构成了（　）A种群B群落C生态系统D以上都不是分析：一个充满生机的鱼缸，说明鱼缸中生长着各种鱼类、植物等生物种类。具体地说：有水、光、无机盐和水中溶解的氧气等，它们构成了无机环境；还有水中的浮游植物、浮游动物、鱼类、细菌等，它们又构成了生物群落。这些生物之间以及生物与无机环境发生着复杂而又不可缺少的相互作用，符合一个生态系统的概念。答案：C\n4.以下可以称作生态系统的是（　）A．一个湖泊中的浮游生物和所有分解者B．取自池塘的水、泥土和浮游生物C．一个池塘中的所有水蚤和分解者D．一个鱼缸中所有金鱼和水草分析：此题旨在考查对生态系统概念的理解。生态系统的结构包括两部分：一是非生物的物质和能量，二是生物群落。A、C、D三个选项都只有生物成员或生物成员中的部分生物，因此，它们都不是生态系统。B选项水中含有溶解O2、无机盐和各种营养物质，足以构成无机环境，浮游生物包括各种植物和动物，泥土中还含有细菌等各种微生物，足以构成生物群落，并且无机环境和群落间发生着相互作用。答案：B\n5.下列组合中，依次属于种群、群落、生态系统的一组是（　）①生活在人大肠中的细菌②某一池塘中的全部鱼类③肺炎患者肺部的肺炎双球菌④一根枯木及其上的所有生物A．①②④B．②③④C．③②①D．③①④D\n生态系统的共同特性（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。其结构越复杂，物种数越多，自我调节能力越强。（3）能量流动、物质循环是生态系统的两大功能。（4）生态系统营养级的数目因生产者固定能值所限及能流过程中能量的损失，一般不超过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。\n2.生态系统的组成成分生态系统有四个主要的组成成分。即非生物环境、生产者、消费者和分解者。（1）非生生物因素包括：气候因子，如光、温度、湿度、风、雨雪等；无机物质，如C、Ｈ、O、N、CO2及各种无机盐等。有机物质，如蛋白质、碳水化合物、脂类和腐殖质等。（2）生产者（producers）主要指绿色植物：自养生物，也包括蓝绿藻和一些光合细菌和化能细菌，是能利用简单的无机物质制造食物的自养生物。在生态系统中起主导作用。\n2.生态系统的组成成分（3）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。（4）分解者（decomposers）异养生物，主要是细菌和真菌，也包括某些原生动物和蚯蚓、白蚁等大型腐食性动物。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。\n澳大利亚进口屎克螂因牛粪覆盖每年损毁牧场3600万亩60年代，澳大利亚引入了羚羊粪蜣(Onthophagusgazella)和神农蜣螂(Catharsiusmolossus)等异地金龟，对分解牛粪发挥了明显的作用。\n必不可少的成份：非生物成份、生产者、分解者\n3.生态系统的结构生态系统的结构可以从两个方面理解。其一是物种结构，如生物种类，种群数量，生物群落各部分在生态系统中的功能和作用等等。其二为营养结构，营养结构是以营养为纽带，把生物和非生物紧密结合起来的功能单位，构成以生产者、消费者和分解者为中心的三大功能类群，它们与环境之间发生密切的物质循环和能量流动。\n关键种和冗余种的概念关键种：是它们的消失或削弱能引起整个群落和生态系统发生根本性的变化的物种。关键种的个体数量可能稀少，但也可能多，其功能或是专一的也可能是多样的。冗余种：是指这些种的去除不会引起生态系统内其他物种的丢失，同时对整个群落和生态系统的结构和功能不会造成太大的影响的物种。这说明群落中的物种在生态功能上有相当程度的重叠性。生态系统的物种结构1.蜣螂（屎壳郎）2.传粉昆虫3.专食仙人掌的夜蝴蝶。\n优势种和关键种有什么区别？优势种指的是对群落结构和群落环境的形成有明显控制作用的种，它通常指的是那些个体数量多，生物量高，生活能力较强，即优势度较大的物种。关键种指的是其消失或削弱能引起整个群落和生态系统发生根本性的变化的物种。关键种一定是食物链最顶端的物种吗？关键种不一定是食物链最顶端的物种。传粉的昆虫在维持群落结构中扮演着关键性的作用，因而传粉昆虫可以被认为是关键种。生态系统的物种结构\n铆钉假说、冗余假说铆钉假说：1981年美国生态学家埃利希（Ehrlich）等人提出，生命的多样性就像飞机上的铆钉，每个物种就像一颗铆钉，任何一颗铆钉的丢失，都会导致飞机无法飞行或坠落。冗余假说：澳大利亚的瓦尔赫（B.Walker）认为大多数物种是多余的，即更像“过路人”而不是铆钉，要维持生态系统的正常功能，只要位数不多的几个关键物种就够了。生态系统的物种结构\n食物链的概念植物所固定的能量通过一系列的取食和被取食关系在生态系统中的传递，这种生物之间的传递关系称为食物链（foodchains）。一般食物链是由4~5环节构成的，如草→昆虫→鸟→蛇→鹰。生态系统的营养结构\n食物链的类型捕食食物链:以生产者为基础，后者与前者是捕食性关系，构成方式是：植物→植食性动物→肉食性动物。如草原上的青草→野兔→狐狸→狼；碎食食物链:以碎食为基础，碎食是由高等植物的枯枝落叶等形式被其它生物所利用，分解成碎屑，然后再为其它多种动物所食。构成方式为：碎食物→碎食物消费者→小型肉食动物→大型肉食动物；\n一个食物链的例子“螳螂捕蝉，黄雀在后”（（据周立志）植物蝉(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)\n\n\n食物链的理论是美国生态学家林德曼在1942年首先提出的。他曾描述了这样一个场景。这是一个风和日丽的春天，一只彩蝶翩翩飞来落在鲜花上津津有味地吮吸花蜜，冷不防背后划过一道绿色刀影，转眼之间，蝴蝶已在螳螂的绿色大刀下奄奄一息。螳螂正要品尝美餐，蛤蟆出其不意地吐射长舌，一下子把它卷入口中。蛤蟆还没来得及吞咽螳螂，悄悄爬到近旁的长蛇猛地一窜，准确无误地一口咬住蛤蟆。正在这时，盘旋在天空中的鹰一个猛子扎下去用利爪紧紧攫住蛇。在大自然里，这只是一个很普通的场面。\n食物网的概念在生态系统中生物之间的取食和被取食的关系错综复杂，这种联系象是一个无形的网把所有生物都包括在内，使它们彼此之间都有着某种直接或间接的关系，这就是食物网（foodweb）。一般而言，食物网越复杂，生态系统抵抗外力干扰的能力就越强，反之亦然。\n北极地区食物网\n一个陆地生态系统的部分食物网\n\n\n图9-5落叶林食物网\n\n海洋食物网\n食物链和食物网的意义食物链是生态系统营养结构的形象体现；生态系统中能量流动和物质循环正是沿着食物链和食物网进行的；食物链和食物网还揭示了环境中有毒污染物转移、积累的原理和规律。\nDDT污染通过食物链产生的生物放大作用\n“下行效应”，“上行效应”“自上而下”是指较低营养阶层的种群结构依赖于较高营养阶层物种的影响，成为下行效应；“自下而上”是指较低营养阶层的种群结构决定较高营养阶层的种群结构，成为上行效应；食物网的控制机理\n营养级、生态金字塔的概念一个营养级（trophiclevels）是指处于食物链某一环节上的所有生物种群的总和，在对生态系统的能流进行分析时，为了方便，常把每一生物种群置于一个确定的营养级上。生产者属第一营养级，植食动物属第二营养级，第三营养级包括所有以植食动物为食的肉食动物，一般一个生态系统的营养级数目为3~5个。生态金字塔（ecologicalpyramids）是指各个营养级之间的数量关系，这种数量关系可采用生物量单位、能量单位和个体数量单位,分别构成生物量金字塔、能量金字塔和数量金字塔。\n生物量金字塔\n根据H.T.Odum.1957生物量金字塔（克／米2）。数据来自Florida银泉的营养级排列809.037.04.6还原者顶部肉食类肉食类草食类生产者10.71.5\n能量金字塔\n生态系统的空间结构森林生态系统：光照动物：食物、不同层次的微气候水域生态系统：阳光、温度、食物、含氧量空间结构时间结构总之，生态系统的分层现象是自然选择的结果。它显著提高了生物利用自然资源的能力。\n第二节生态系统的基本功能生物生产能量流动物质循环信息传递\n生态系统的基本功能生态系统中的能量流动开始于绿色植物的光合作用。光合作用积累的能量是进入生态系统的初级能量，这种能量的积累过程就是初级生产。初级生产积累能量的速率称为初级生产力（primaryproductivity），所制造的有机物质则称为初级生产量或第一性生产量（primaryproduction）。生物生产\n生态系统的基本功能在初级生产量中，有一部分被植物自己的呼吸所消耗，剩下的部分才以可见有机物质的形式用于植物的生长和生殖，我们称这部分生产量为净初级生产量（netprimaryproduction,NPP），而包括呼吸消耗的能量（R）在内的全部生产量称为总初级生产量（grossprimaryproduction,GPP）。它们三者之间的关系是GPP=NPP+R。GPP和NPP通常用每年每平方米所生产的有机物质干重（g/m2.a）或固定的能量值（J/m2.a）来表示，此时它们称为总（净）初级生产力，生产力是率的概念，而生产量是量的概念。\n生态系统的基本功能某一特定时刻生态系统单位面积内所积存的生活有机物质量叫生物量（biomass）。通常用平均每平方米生物体的干重（g/m2）或能值（J/m2）来表示。生物量和生产量是两个不同的概念。生产量含有速率的概念，是指单位时间单位面积上的有机物质生产量，单位是g/m2.a或者J/m2.a。\n生态系统的基本功能动物和其它异养生物靠消耗植物的初级生产量制造的有机物质或固定的能量，称为次级生产量或第二性生产量（secondaryproduction），其生产或固定率称次级（第二性）生产力（secondaryproductivity）。动物的次级生产量可由下一公式表示：P=C-FU-R，式中，P为次级生产量，C代表动物从外界摄取的能量，FU代表以粪、尿形式损失的能量,R代表呼吸过程中损失的能量。\n次级生产过程被高营养级取食次级生产量被同化的未被取食动物吃进的呼吸代谢动物得到的未同化的食物动物未吃进的种群动物未得到的\n生态系统中的能量流动能量是生态系统的基础，一切生命都存在着能量的流动和转化。没有能量的流动，就没有生命和生态系统。能量流动是生态系统的重要功能之一，能量的流动和转化是服从于热力学第一定律和第二定律的。能量在生物之间每传递一次，一大部分的能量就被转化为热而损失掉，因此食物链的环节和营养级数一般不会多于5-6个，能量金字塔呈尖塔型。\n能量流动渠道：食物链、食物网第三能流（贮存和矿化）\n能量在生态系统中流动的特点1.能流在生态系统中和物理系统中不同2.能量是单向流①太阳辐射通过光合作用被植物固定，此后不能再以光能的形式返回；②能量只能由自养生物进入异样生物体内，不能返回给自养生物；③能量的流动途径是不可逆的。\n能量在生态系统中流动的特点3.能量在生态系统中的流动过程是不断递减①各级消费者不可能完全利用前一营养级的生物量；②同化作用不是百分之百的；③生物的新陈代谢总要消耗能量。4.能量在流动中质量不断提高\n生产者费者分解者消消者者呼吸太阳生产者呼吸腐生生物分解和呼吸一个稳定群落内的能流模型（自Spurr,1973）\n生态系统的物质循环\n物质循环和能量流动的区别能量流动和物质循环是生态系统的两个基本过程，它们使生态系统各个营养级之间和各种组成成分之间组织为一个完整的功能单位。但是能量流动和物质循环的性质不同，能量流经生态系统最终以热的形式消散，能量流动是单方向的，因此生态系统必须不断地从外界获得能量；而物质的流动是循环式的，各种物质都能以可被植物利用的形式重返环境。同时两者又是密切相关不可分割的。\n生态系统的物质循环生态系统中各种有机质经过分解者分解，以可被成产者利用的形式归还于环境重复利用，周而复始地循环，这个过程叫做物质循环（circulationofmaterials）。\n物质循环三个层次：生物个体：生物个体吸取营养物质建造自身，经过代谢活动又把物质排出体外，经过分解者的作用归还于环境。生态系统层次：在初级生产者的代谢基础上，通过各级消费者和分解者把营养物质归还于环境之中。生物小循环或营养物质循环。生物圈层次：物质在整个生物圈各圈层之间循环。生物地球化学循环。\n生态系统的物质循环生态系统从大气、水体和土壤等环境中获得营养物质，通过绿色植物吸收，进入生态系统，被其他生物重复利用，最后再归入环境中，称为物质循环（circulationofmaterials）。又称为生物地球化学循环（biogeochemicalcycle）。\n物质循环模式生物地球化学循环可以用库和流通率两个概念加以描述。库（pools）是由存在于生态系统某些生物或非生物成分中一定数量的某种化学物质所构成的。物质在生态系统单位面积（或体积）和单位时间的移动量就称为流通率（fluxrates）。一个库的流通率（单位/天）和该库中的营养物质总量之比即周转率（turnoverrates），周转率的倒数为周转时间（turnovertimes）。例如CO2的周转时间大约是一年多，大气圈中N2的周转时间约一百万年，大气圈中水的周转时间只有10.5天。海洋中主要物质的周转时间，硅最短，约8000年；钠最长，约2.06亿年。\n物质循环的类型生物地球化学循环可分为三大类型，即水循环（watercycles）、气体型循环（gaseouscycles）和沉积型循环（sedimentarycycles）。气体型循环和沉积型循环都受到能流的驱动，并都依赖于水循环。水循环是物质循环的核心。\n生产者草食动物肉食动物还原者磷酸盐岩石海洋可溶性磷酸盐有机磷酸盐磷在生态系统中的循环磷是典型的沉积型循环物质\n磷循环（phosphoruscycle）沉积型循环沉积物中的磷（约为土壤和海洋中千倍以上）陆地海洋死有机物土壤中的无机磷活有机物死有机物深海的磷活有机物捕鱼鸟粪悬浮在水中随河水带走摄取排泄死亡下,沉分解沉积溶解于水上升风化开采摄取排泄死亡上涌\n氮循环(nitrogencycle)陆地陆地其它动植物蓝藻浅层死有机物溶解死有机物土壤中无机氮库丢失于深层沉积中动植物活体共生或自由生活的固氮微生物死有机体陆地河流带走生物固氮大气库N2大气库HN3,NO,NO2,N2O，工业固氮（汽车,化肥,电厂）脱氮闪电化学反应海洋火山作用降水大气\n大多数气体型循环物质如碳、氮和氧的循环，由于有很大的大气储蓄库，他们对于短暂的变化能够迅速的自我调节。磷、硫等元素的沉积物循环则易受人为活动的影响，主要因为地壳中的磷、硫库比较稳定，不易被调节。水循环是物质循环的核心。\n碳循环(carboncycle)化泥碳煤大气中CO2CO2碳化作用石油水生植物光合作用腐烂燃料呼吸作用光合作用腐烂扩散\n氧循环(oxygencycle)H2O+CO2→H2CO3→HCO3-+H+↑CO2HCO3-→CO32-Ca2+→CaCO3O2水体臭氧层沉积物火山作用4FeO+O2→2FeO3CO2CO↑O2+2COCO2O2O3O2OO2HOHH2OH2OOCO2高能紫外辐射\n硫循环（sulfurcycle）陆地海洋沉积物（CaSO4,FeS2）溶解的SO42-SO2H2SSCaSO4FeS2死有机物活有机物SO42-降水SO2,SO42-扩散海浪SO42-大气上升，分化SO2FeS2死有机物活有机物SO42-H2SS分解化肥工业SO42-摄取扩散火山活动H2S,SO2,SO42-植物摄取SO2,SO42-降水SO2,SO42-化石燃烧SO2H2S,SO2,SO42-\n汞循环(mercurycycle)火山活动化石燃烧降水挥发挥发沉积物农田风化和淋溶作用农药喷洒径流(CH3)2HgHg2＋CH3Hg鱼水生植物水鸟工厂汞的废物捕鱼由河水带走(中性pH)(酸性pH)\n生态系统的功能能量流动：遵循热力学第一定律和热力学第二定律。生产者→消费者→分解者物质循环：生物←→环境。包括碳循环、氮循环、硫循环、磷循环信息传递：包括营养信息、化学信息、物理信息和行为信息等，构成信息网。