北京大学环境生态学课件第五章生态系统生态学.ppt

第五章 生态系统生态学¨第一节第一节 生态系统的基本结构和功能生态系统的基本结构和功能 ¨第二节第二节 生态系统的主要过程生态系统的主要过程¨第三节第三节 生态系统的物质平衡生态系统的物质平衡知识点回顾¨ 个体生态Ø生物与环境¨ 种群生态Ø 种群及其基本特征Ø 种群的遗传与进化Ø 种内、种间关系¨ 群落生态Ø生物群落的组成与结构Ø 生物群落的动态Ø 生物群落的分类 第一节第一节 生态系统的基本结构和功能生态系统的基本结构和功能 ¨生态系统的概念生态系统的概念¨生态系统的组成成分生态系统的组成成分¨生态系统的结构生态系统的结构 ¨生态系统的功能生态系统的功能¨生态系统的稳定性生态系统的稳定性 §1 生态系统的基本概念¨ 生态系统（ecosystem）的定义: 指在一定的空间内，生物成分和非生物成分通过物质循环和能量流动互相作用、互相依存而构成的一个生态学功能单位，这个生态学功能单位称生态系统 （英国植物生态学家A.G.Tansley(1935)提出）¨生态系统是现代生态学的重要研究对象，20世纪60年代以来，许多生态学的国际研究计划均把焦点放在生态系统Ø国际生物学研究计划（IBP）：其中心研究内容是全球主要生态系统（包括陆地、淡水、海洋等）的结构、功能和生物生产力；Ø人与生物圈计划（MAB）：重点研究人类活动与生物圈的关系；Ø生态系统保持协作组（ECG）：中心任务是研究生态平衡与自然环境保护，以及维持改进生态系统的生物生产力。

¨目前有关生态系统的研究，主要集中在5个方面：Ø自然生态系统的保护和利用Ø生态系统调控机制的研究Ø生态系统退化的机制、恢复及其修复研 究Ø全球性生态问题Ø生态系统可持续发展的研究§2 生态系统的组成成分¨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)六大组成成分六大组成成分l①①生产者生产者：自养生物，主：自养生物，主要是各种绿色植物，也包要是各种绿色植物，也包括蓝绿藻和一些能进行光括蓝绿藻和一些能进行光合作用的细菌合作用的细菌l②②消费者消费者：异养生物，主：异养生物，主要指以其他生物为食的各要指以其他生物为食的各种动物l③③分解者分解者：异养生物，把：异养生物，把复杂的有机物分解成简单复杂的有机物分解成简单无机物，包括细菌、真菌、无机物，包括细菌、真菌、放线菌和动物等放线菌和动物等非生物成分非生物成分生物成分生物成分(生物群落生物群落) 三大功能群三大功能群 ¨生产者（producers）又称初级生产者（primary producers），指自养生物，主要指绿色植物，也包括一些化能合成细菌。

这些生物能利用无机物合成有机物，并把环境中的太阳能以生物化学能的形式第一次固定到生物有机体中初级生产者也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 ¨消费者 不能利用无机物质制造有机物质，而是直接或间接依赖于生产者所制造的有机物质它们属于异养生物¨分解者（composers），指利用动植物残体及其它有机物为食的小型异养生物，主要有真菌、细菌、放线菌等微生物小型消费者使构成有机成分的元素和贮备的能量通过分解作用又释放到无机环境中去¨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(Onthophagus gazella)和神农蜣螂(Catharsius molossus)等异地金龟，对分解牛粪发挥了明显的作用主要环境组分 辐射 大气 水体 土壤§3 生态系统的结构¨空间结构¨时间结构¨营养结构Ø食物链Ø食物网一个食物链的例子 “螳螂捕蝉，黄雀在后螳螂捕蝉，黄雀在后” （ （ 据周立志）植物植物蝉蝉(初级消费者初级消费者) 螳螂螳螂(二级消费者二级消费者)黄雀黄雀(三级消费者三级消费者)鹰鹰(四级消费者四级消费者)(顶极食肉动物顶极食肉动物) 食物链¨食物链（food chain）和营养级（trophic level） 食物链指生态系统中不同生物之间在营养关系中形成的一环套一环似链条式的关系，即物质和能量从植物开始，然后一级一级地转移到大型食肉动物。

食物链上的每一个环节称为营养阶层或营养级，指处于食物链某一环节上的所有生物种的总和 食物链的类型Ø捕食食物链（grazing food chain）：又称捕食食物链，以活的动植物为起点的食物链，如草食动物、各级食肉动物 牧草→ 羊、牛→ 狼 以绿色植物为起点，是活的生物体Ø腐食食物链（detrital food chain）：又称碎屑食物链，从死亡的有机体或腐屑开始 动植物残体→ 腐食性动物 →肉食性动物 →顶级肉食动物 以动、植物残体为起点，数量越来越少 食物链的类型Ø寄生型食物链：以活的生物为寄主，夺取寄主的物质和能量来维持生存体型越来越小，数量越来越多 植物 →动物 →寄生物 →更小的寄生物 食物链的特征Ø食物链的长度通常不超过6个营养级，最常见的4—5个营养级，因为能量沿食物链流动时不断流失；Ø食物链越长，最后营养级位所获得的能量也越少因为从起点到终点经过的营养级越多，其能量损耗也就越大；食物链的特征Ø食物链或食物网的复杂程度与生态系统的稳定性直接相关；Ø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，在短时间内也会发生变化。

食物网¨食物网 (food web)：生态系统中的食物链很少是单条、孤立出现的，它往往是交叉链索，形成复杂的网络结构－食物网 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§4 生态系统的功能¨能量流动：生产者→消费者→分解者¨物质循环：生物 ← →环境¨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 生态系统的营养结构及能流和物流间的关系 （据周立志）生产者生产者(绿色植物绿色植物)消费者消费者(动物动物)还原者还原者(细菌、真菌细菌、真菌)放牧系统放牧系统净初级净初级生产生产分解系统分解系统死有机物死有机物太太阳阳辐辐射射能能呼吸散失呼吸散失呼吸散失呼吸散失生态系生态系统的营统的营养结构养结构(能量能量流动流动)能流物流环境环境(土壤、空气、水土壤、空气、水)生态系生态系统的营统的营养结构养结构(物质物质循环循环)§5 生态系统的稳定性¨生态系统的稳定性（stability）: 生态系统通过发育和调节达到一种稳定的状态，表现为结构上、功能上、能量输入和输出上的稳定，当受到外来干扰时，平衡将受到破坏，但只要这种干扰没有超过一定限度，生态系统仍能通过自我调节恢复原来状态。

¨生态系统稳定性包括了两个方面的含义 :一方面是系统保持现行状态的能力 ,即抗干扰的能力（抵抗力resistance）;¨另一方面是系统受扰动后回归该状态的倾向 ,即受扰后的恢复能力（恢复力 resilience）¨生态系统稳定性机制：生态系统具有自我调节的能力，维持自身的稳定性，自然生态系统可以看成是一个控制论系统，因此，负反馈（negative feedback）调节在维持生态系统的稳定性方面具有重要的作用 生态系统中的反馈（据周立志）狼狼↑狼狼↓兔兔↓兔兔↑植物植物↓植物植物↑狼狼饿饿死死狼狼吃吃饱饱吃了吃了较多较多兔子兔子吃了吃了较少较少兔子兔子兔兔吃吃饱饱兔兔饿饿死死吃了吃了较少较少的草的草吃了吃了大量大量的草的草污染污染↑ ↑ 鱼死亡鱼死亡↑污染污染↑ 鱼死亡鱼死亡↑ ↑ ↑鱼死亡鱼死亡↑ ↑污染污染↑ ↑ ↑ 正反馈正反馈负反馈负反馈第三节 生态系统的物质循环¨§1 生物地化循环的概念¨§2 水循环¨§3 气体型循环¨§4 沉积型循环¨§5 有毒物质的迁移和转化¨§6 放射性核素循环¨§7 生物地化循环与人体健康§1 生物地化循环的概念¨生物地化循环¨生物地化循环的特点¨生物地化循环的类型生物地化循环(biogeochemical cycle)¨矿物元素在生态系统之间的输入和输出，它们在大气圈、水圈、岩圈之间以及生物间的流动和交换称生物地(球)化(学)循环，即物质循环(cycling of material) 。

生物地化循环的特点¨①物质循环不同于能量流动，后者在生态系统中的运动是循环的；¨②生物地化循环可以用库和流通率两个概念来描述库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，可分为贮存库和交换库前者的特点是库容量大，元素在库中滞留的时间长，流动速率小，多属于非生物成分；交换库则容量较小，元素滞留的时间短，流速较大物质在生态系统单位面积(或单位体积)和单位时间的移动量称流通率 ¨③生物地化循环在受人类干扰以前一般是处于一种稳定的平衡状态¨④元素和难分解的化合物常发生生物积累、生物浓缩和生物放大现象生物积累、生物浓缩和生物放大¨生物积累(bioaccumlation): 指生态系统中生物不断进行新陈代谢的过程中，体内来自环境的元素或难分解的化合物的浓缩系数不断增加的现象¨生物浓缩(bioconcentration): 指生态系统中同一营养级上许多生物种群或者生物个体，从周围环境中蓄积某种元素或难分解的化合物，使生物体内该物质的浓度超过环境中的浓度的现象，又称生物富集¨生物放大(biomagnification): 指生态系统的食物链上，高营养级生物以低营养级生物为食，某种元素或难分解化合物在生物机体中浓度随营养级的提高而逐步增大的现象。

生物放大的结果使食物链上高营养级生物体中该类物质的浓度显著超过环境中的浓度生物地化循环的类型¨水循环¨气体型循环¨沉积型循环§2 水循环(aquatic cycle)¨水循环的意义：Ø水是所有营养物质的介质；Ø水对物质是很好的溶剂；Ø水是地质变化的动因之一¨水循环的途径 ¨人类活动对水循环的影响：Ø空气污染和降水；Ø改变地面，增加径流；Ø过度利用地下水；Ø水的再分布水循环示意图西德地区的水循环示意图西德地区的水循环示意图（（Clodius and Keller,1951））§3 气体型循环气体型循环(gaseous cycle)¨氧循环¨碳循环¨氮循环氧循环氧循环(oxygen cycle)H2O+CO2 → H2CO3 → HCO3- +H+↑CO2HCO3- →CO32 - Ca2+→CaCO3O2水体水体臭氧层臭氧层沉积物沉积物火火山山作作用用4FeO+O2→2FeO3CO2CO↑O2+2CO CO2O2O3O2OO2HOHH2OH2OOCO2高能紫外辐射高能紫外辐射碳循环碳循环(carbon cycle)化化泥碳泥碳煤煤大气中大气中CO2CO2碳化作用碳化作用石油石油水生植物水生植物光合作用光合作用腐烂腐烂燃料燃料呼吸呼吸作用作用光合光合作用作用腐烂腐烂扩散扩散氮循环氮循环(nitrogen cycle)陆地陆地陆地陆地其它其它动植物动植物蓝藻蓝藻浅层死有机物浅层死有机物溶解死溶解死有机物有机物土壤土壤中无中无机氮机氮库库丢失于深丢失于深层沉积中层沉积中动植物动植物活体活体共生或共生或自由生活自由生活的固氮的固氮微生物微生物死有机体死有机体陆地陆地河流带走河流带走生物固氮生物固氮大气库大气库N2大气库大气库HN3,NO,NO2, N2O ，，工业固氮工业固氮（汽车（汽车,化肥化肥,电厂）电厂）脱氮脱氮闪电闪电化学反应化学反应海洋海洋火火山山作作用用降降水水大气大气§4 沉积型循环(sedimentary cycle)¨磷循环¨硫循环磷循环（phosphorus cycle）沉积型循环沉积物中的磷沉积物中的磷（约为土壤和海洋中千倍以上）（约为土壤和海洋中千倍以上）陆地陆地海洋海洋死死有机物有机物土壤中的土壤中的无机磷无机磷活有机物活有机物死死有机物有机物深海的磷深海的磷活有机物活有机物捕鱼捕鱼鸟粪鸟粪悬浮在水中随河水带走悬浮在水中随河水带走摄取摄取排泄排泄死亡死亡下下,沉沉分解分解沉积沉积溶解于水溶解于水上升风化上升风化开采开采摄取摄取排泄死亡排泄死亡上涌上涌硫循环（sulfur cycle）陆地陆地海洋海洋沉积物（沉积物（CaSO4,FeS2））溶解的溶解的SO42-SO2H2SSCaSO4FeS2死有机物死有机物活有机物活有机物SO42-降水降水SO2,SO42-扩散扩散海浪海浪SO42-大气大气上升，分化上升，分化SO2FeS2死有机物死有机物活有机物活有机物SO42-H2SS分解分解化肥工业化肥工业SO42-摄取摄取扩散扩散火山活动火山活动H2S ,SO2,SO42-植物摄取植物摄取SO2,SO42-降水降水SO2,SO42-化石化石燃烧燃烧 SO2H2S ,SO2,SO42-§5 有毒物质的迁移和转化¨有毒物质的类型¨有毒物质的迁移和转化¨有毒物质循环的典型代表----汞循环有毒物质的类型¨有毒物质(toxic substance)又称污染物(pollutant)，按化学性质分两类。

无机有毒物质主要指重金属、氟化物、和氰化物；有机有毒物质主要有酚类、有机氯药等¨按污染物的作用分一次污染物和二次污染物前者由污染源直接排入环境的，其物理和化学性状未发生变化的污染物，又称原发性污染物；后者是由前者转化而成，排入环境中的一次性污染物在外界因素作用下发生变化，或与环境中其它物质发生反应形成新的物理化学性状的污染物，又称继发性污染物有毒物质的迁移和转化¨迁移(transport)是重要的物理过程,包括分散、混合、稀释和沉降等；¨转化(transformation)主要是通过氧化、还原、分解和组合等作用，会发生物理的化学的和生物化学的变化汞循环(mercury cycle)火山活动火山活动化石化石燃烧燃烧 降水降水挥发挥发挥发挥发沉积物沉积物农田风农田风化和淋化和淋溶作用溶作用农药喷洒农药喷洒径流径流(CH3)2HgHg2＋＋CH3Hg鱼鱼水生植物水生植物水鸟水鸟工厂工厂汞的废物汞的废物捕鱼捕鱼由河水带走由河水带走(中性中性pH)(酸性酸性pH)复习思考题1.1. 为什么说一个复杂的食物网是使生态系统保持稳定的重要条件？2.生态系统中反馈机制是如何形成的？其意义何在？3.概述生态系统中碳循环的主要过程和特点，并对“温室效应” 的形成机制作一说明。