11·生态系统的一般特征2012

1、第四部分 生态系统生态学,主要内容,生态系统的一般特征生态系统中的能量流动生态系统中的物质循环地球上生态系统的主要类型及其分布,第十一章 生态系统的一般特征,一、生态系统的基本概念1 定义在一定空间中共同栖息着的所有生物的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。,1936 Tansley 生态系统的概念 (ecosystem)一定地域中各种生物相互之间、它们与环境之间功能 上的统一性。生态系统主要是功能上的单位，而不是生物学中分类学的单位。 1944 苏卡切夫 生物地理群落（Biogeocoenosis）,系统：彼此间相互作用，互相依赖的事物，有规律联合的集合体，是有序的作用的整体。 条件： 由许多成分组成 各个成分之间互相联系 各系统具有独立的功能,生态系统概念时，对其范围和大小并没有严格的限制,生态系统研究成为生态学主流，它与人类社会的持续发展有密切关系人类面临：环境、人口、资源 生态系统的概念和原理，已经为许多学科和许多实践领域所接受,2 生态系统的特征,生态学的一个主要结构和功能单位，属于生态学研究的高层次。 内部具有自我调节能力 能量流动、物质循环和信

2、息传递是生态系统的三大功能。信息：营养、化学、物理、行为等,生态系统中营养级不会超过5-6个（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中巨大损失）生态系统是一个动态系统,二、生态系统的组成与结构,无机物 有机化合物 气候因素 生产者(producer) 消费者(consumer) 分解者(还原者) (decomposer),非生物成分,生物成分 (生物群落),1 非生物环境无机元素和化合物 有机物质 气候或其他物理条件,2 生产者（producer）,能以简单的无机物制造食物的自养生物(autotroph)，主要指绿色植物，也包括一些化能合成细菌，是自然界生命系统中唯一能将太阳能转化为生物化学能的媒介,3 消费者（consumer）,指那些直接或间接依赖于生产者所制造的有机物质生存的异养生物。,食草动物(herbivores) 食肉动物(carnivores)大型食肉动物或顶级食肉动物(top carnivores):,4.分解者（decomposer）,利用动植物残体及其它有机物分解为生产者能重新利用的简单化合物，并释放出能量。 主要有真菌、细菌、放线菌等微

3、生物。分解作用不是一类生物所能完成的，往往有一系列复杂的过程，各个阶段由不同的生物去完成。 池塘中的分解者有两类：一类是细菌和真菌；另一类是蟹、软体动物和蠕虫等无脊椎动物。 草地中也有生活在枯枝落叶和土壤上层的细菌和真菌，还有蚯蚓、螨等无脊椎动物，它们也在进行着分解作用。,5 生态系统结构的一般性模型,6 水域生态系统的结构和功能特点,（1）结构特点非生物组分（生境）有3-4个自然体，如水、水底、大气和冰盖，而陆地通常仅有土壤和空气两个自然体。 水域生态系统生境有垂直分层明显。 温度较陆地稳定，光照条件较差。 水域生态系统的生境是活动的 水域生态系统中有固着动物,（2）功能特点 浮游植物整个身体可以进行光合作用，生产效率高，但现存量低，远低于陆地水草。如池塘为5 g/m2 (干重)，而草原为500 g/m2 (干重)。 水中物质循环速度比陆地快，藻类所形成的全部有机质都是较易利用的成分，陆地植物则因木质部存在少数动物利用之。 水生生物渗透营养发达，且细菌、腐质具有重要营养意义。即腐质链作用大；而陆地生态系统腐生微生物丰富。,三、食物链和食物网,1 食物链 （1）定义 食物链(Food

4、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,一个食物链的例子“螳螂捕蝉，黄雀在后”,螳螂捕蝉，黄雀在后！,植物汁液,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),Aquatic food chain,(2) 食物链原理的应用,淡水渔业充分利用水体的饵料资源，最大限度地提高鱼产量。 多放养食物链短的鱼类(如鲢、鳙、草鱼、鳊等)，以有效地利用生产者生物所固定的能量； 控制肉食性鱼类种群(如鲈、鳜等)的发展，以减少能量多级传递所造成的损失和对放养鱼类的危害； 注意天然杂食性鱼类(如鲤、鲫等)的繁殖保护，并适当增加碎屑食性鱼类(如细鳞斜颌鲴)的放养量，以提高水体中死亡有机物质的利用率。,（3）上行效应和下行效应,上行效应(bottom-up effect) ：生态系统中理化环境、较低营养级上的生物对较高营养级生物的影响或调节作用。理化因素浮游植物浮游动物鱼类。,下行效应,下行效应（top-down effect）： 即与“理化因子浮游植物浮游动物鱼类这一经典系列

5、（上行效应）正好相反，是指生态系统中较高营养级上的生物对较低营养级生物乃至理化环境的控制或调节作用。生物操纵(biomanipulation): 在富营养湖泊的治理中，欧美国家广泛地采用以改变鱼类的组成和/或多度为主要内容的，来调整湖泊的营养结构和促进其水质的恢复。,（4） 食物链类型,捕食食物链(grazing food chain) 绿色植物为起点到食草动物进而到食肉动物的食物链。,碎屑食物链(detritus food chain),以动、植物的遗体被食腐性生物（小型土壤动物、真菌、细菌）取食，然后到他们的捕食者的食物链。植物残体蚯蚓节肢动物,（5） 生物扩大作用,生物扩大作用（Biological magnification）DDT含量 海水 510-11 浮游植物 410-8 蛤 0.42 银鸥 75.5,2 食物网（Food web）,（1）定义：食物网：食物链彼此交错连结，形成一个网状结构。,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。,3 微型食物网,在海洋食物网中，由浮游生物的自养和异养微生物群之间，从超微藻类 （pico-）和微型（nano-）至小型(

6、micro-)生物之间，构成一类微型食物网(microfood web)，在海洋生态系统的能流和物质流中具有重要作用。小型浮游动物实际上包括一个以上的营养层次，因而形成一个相对独立的所谓微型食物网，它是联系大量微细初级生产者与桡足类等浮游动物的重要营养结构。,浮游植物,小型（micro-） （硅藻）,微型（nanno- 和超微型（pico-）,浮游动物 （桡足类等）,原生动物 （鞭毛虫 纤毛虫类）,异养浮游 细菌,鱼类,有机粪便和分泌产物,经典食物链,微型生物食物环,DOM,死亡,网采浮游植物桡足类鱼类 DOM异养浮游细菌微型异养浮游动物（原生动物鞭毛虫为主）原生动物桡足类（微食物环） 超微型自养生物（蓝细菌原核生物和超微型光合真核生物）原生动物桡足类,（微食物网）,微型食物网的能流特点,能量转换效率高各营养层次的能量转换效率可高达50以上 营养物质更新快原生动物的个体小，世代时间短，单位体重营养物质再矿化率比后生动物的高一个数量级，且原生浮游动物并不像后生动物那样产生高沉降率的粪团，对稳定真光层初级生产水平有重要作用微型食物网在海洋中常与数量很大的碎屑有机物相联系碎屑因受细菌和原生动

7、物所“侵袭”，形成一个微生物小生境，大大提高碎屑有机物的营养价值,富营养水域，微型食物网作为捕食链的一个侧支，为海域生态系统的能流补充途径，从而提高生产效率在贫营养海域，微食物环在海洋食物链的起始阶段的作用远大于经典捕食食物链，是能流的主渠道。自大洋至沿岸带，超微型自养生物的光合作用产量相对稳定，而异养细菌的二次生产则是沿岸带比开阔大洋高得多。,四、营养级和生态金字塔,1 营养级定义处于食物链某一环节上的所有生物种的总和。,生态系统中的营养级一般只有四、五级，很少有超过六级 ?,各营养级消费者不可能百分之百地利用前一营养级的生物量，总有一部分会自然死亡和被分解者所利用；各营养级的同化率也不是百分之百的，总有一部分变成排泄物而留于环境中，为分解者生物所利用；各营养级生物要维持自身的生命活动，总要消耗一部分能量，这部分能量变成热能而耗散掉,2 生态金字塔(ecological pyramid),指各个营养级之间的数量关系。,能量金字塔生物量金字塔数量金字塔,能量金字塔,各营养级所固定的总能量值的多少来构成的生态金字塔。以相同的单位面积和单位时间内的生产者和各级消费者所积累的能量比率来构造（

8、千卡/平方米.年）。,An energy pyramid for a prairie ecosystem.,生物量金字塔,以相同单位面积上生产者和各级消费者的生物量即生命物质总量建立的金字塔。,陆地、浅水生态系统生物量金字塔,湖泊和开旷海洋，第一性生产者主要为微型藻类，生活周期短，繁殖迅速，大量被植食动物取食利用，在任何时间它的现存量很低，导致这些生态系统的生物量金字塔呈倒金字塔形。,数量金字塔,单位面积内生产者的个体数目为塔基，以相同面积内各营养级有机体数目构成塔身及塔顶。一般每一个营养级所包括的有机体数目，沿食物链向上递减。,数量金字塔有时会倒置,浮游植物,浮游动物等,杂食性鱼类,肉食性鱼类,自然水体能量结构,浮游动物和扇贝,浮游植物,扇贝筏式养殖系统,对虾等,人工饲料,对虾池塘养殖系统,养殖生态系统的特性,1. 其营养结构是在人工干预下形成的,2. 有些增加了饲料链,3. 生态金字塔畸形,4. 低生态缓冲能力和脆弱性,5. 养殖生物对水环境影响大,五、生态效率（ecological efficiencies）,各种能流参数中的任何一个参数在营养级之间或营养级内部的比值关系。,摄食

9、量（I）: 表示一个生物所摄取的能量。对于植物来说，它代表光合作用所吸收的日光能；对于动物来说，它代表动物吃进的食物的能量。同化量（A）: 对于动物来说，它是消化后吸收的能量，对分解者是指对细胞外的吸收能量；对于植物来说，它指在光合作用中所固定的能量，常常以总初级生产量表示。,1 能流参数,呼吸量（R）: 生物在呼吸等新陈代谢和各种活动中消耗的全部能量。生产量（P）: 生物在呼吸消耗后净剩的同化能量值，它以有机物质的形式累积在生物体内或生态系统中。对于植物来说，它是净初级生产量。对于动物来说，它是同化量扣除呼吸量以后的净剩的能量值 。,同化效率 = 被植物固定的能量 / 植物吸收的日光能= 被动物消化吸收的能量 / 动物摄食的能量即 Ae = An / In；,生产效率= n营养级的净生产量 / n营养级的同化能量即 Pe = Pn / An,2 生态效率,消费效率= n+1营养级的消费能量/ n营养级的净生产量即 Ce = In+1 / Pn；,林德曼效率=n+1营养级所获得的能量/n营养级获得能量,林德曼定律被绿色植物固定的能量，按10一20的效率沿食物链逐级传递百分之十定律,1 系统分类,隔离系统有严格边界，边界阻止任何物质和能量的输入和输出,六、生态系统的反馈调节与生态平衡,封闭系统有边界，其边界只能阻止系统和周围环境之间的物质交换，却允许能量的输入和输出,biosphere 2 ( science, v.302, 19 December 2003, p2053),开放系统系统边界开放，同时允许物质和能量与系统的环境进行交换,2 反馈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响应变化，这些变化最终又反过来影响最初发生变化的那种成分,生态系统中的反馈（正反馈（左）和负反馈（右）,狼,狼,兔,兔,植物,植物,狼饿死,狼吃饱,吃了较多兔子,吃了较少兔子,兔吃饱,兔饿死,吃了较少的草,吃了大量的草,污染 ,鱼死亡,

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