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1、第4章 生态系统生态学 第一节 生态系统的基本概念 1.概念(ecosystem) ：在一定空间中共同 栖居着的所有生物群落与其环境之间由 于不断进行物质循环和能量流动过程而 形成的统一整体。 2.特征 （1）是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。 （2）内部具有自我调节能力。 （3）能量流动、物质循环和信息传递是生态 系统的三大功能。 （4）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，因此生态系统中营养级不会超过5-6个。 （5）生态系统是一个动态系统。 第二节 生态系统的组成与结构 一、非生物环境 包括参加物质循环的无机元素和化合
2、物、联 系生物和非生物成分的有机物质和气候或其 他物理条件。 二、生产者 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。 三、消费者 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。 2.按营养方式的不同可分为： （1）食草动物：直接以植物体为营养的动物 。（一级消费者） （2）食肉动物：以食草动物为食者。（二级 消费
3、者） （3）大型食肉动物或顶极食肉动物：以食肉 动物为食者。（三级消费者） 四、分解者 分解者（decomposers），异养生物。指 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 微生物。 第三节 食物链(Food chain)和食物网（Food web ） 1.食物链(Food 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 ，称为食物链 。 2. 食物链类型 （1）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
4、动物的食物 链。 如植物植食性动物肉食性动物。 如草原上的青草 野兔 狐狸 狼； 在湖泊中，藻类甲壳类小鱼大鱼。 （2）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。植物残体蚯蚓线虫类 节肢动物。 （3）寄生性食物链： 由宿主和寄生物构成。它以大型动物为食物链 的起点，继之以小型动物、微型动物、细菌和 病毒。后者与前者是寄生性关系。如哺乳动物 或鸟类跳蚤原生动物细菌病 毒。 3.食物网（Food web） 第四节 营养级与生态金字塔 1.营养级（Trophic level） 处于食物链某一环节
5、上的所有生物种的 总和。 2.生态系统中营养级数目 （1）各营养级消费者不可能100%利用前一 营养级的生物量； （2）各营养级同化率也不是100%，总有一 部分排泄出去； （3）各营养级生物要维持自身的活动，消耗 一部分热量。 由于能流在通过各营养级时会急剧减少，所 以食物链就不可能太长，生态系统中的营养 级一般只有四、五级，很少超过六级。 3.生态金字塔 （1）概念：指各营养级之间的数量关系 ，这种数量关系可采用生物量、能量和 个体数量单位，采用这些单位构成的生 态金字塔分别为生物量、能量和数量金 字塔。 （2）类型 A 能量金字塔： B 生物量金字塔 C 数量金字塔 A 能量金字塔： 各
6、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（千卡/平方 米.年）。 An energy pyramid for a prairie ecosystem. Each trophic level An energy pyramid for a prairie ecosystem. Each trophic level from producer to tertiary consumer has less energy stored in it. from producer to tertiary consumer ha
7、s less energy stored in it. The width of the rectangles represents energy found in the The width of the rectangles represents energy found in the organisms at each trophic level.organisms at each trophic level. CONCEPT OF PYRAMIDSCONCEPT OF PYRAMIDS B 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。对陆地、浅
8、 水生态系统中比较典型，因为生产者是大型的 ，所以塔基比较大，金字塔比较规则； 但对于湖泊和开旷海洋，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。 C 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 积内各营养级位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。 缺点：有时植食动物比生产者数目多。如昆虫和 树木；个体大小差别很大；个体大小有很大差别 ，只有个体数目多少来说明问题有局限性。 Eltonian Pyramids 能量金字塔表达营养结
9、构最全面，确切 表示食物通过食物链的效率，永远是正 塔型； 数量金字塔过分突出小生物体的重要性 ； 生物量金字塔过分突出大生物体的重要 性。 第五节 生态效率与能量流动 Should we feed grain to beef cattle or should we eat the grain? 生态效率： 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， 常以百分数表示。 一、能量参数 （一）摄取量（I）：表示各生物所摄取的能量。 （二）同化量(A)：动物消化道内被吸收的能量，即消 费者吸收所采食的食物能；植物光合作用所固定的日光 能。 （三）呼吸量(R)：生物在呼吸等新陈代谢
10、和各种活动 所消耗的全部能量。 （四）生产量(P)：生物呼吸消耗后所净剩的同化能量 值。 P= A- R 二、营养级位之内的生态效率 量度一个物种利用食物能的效率，即同化能量的有效程度 。 （一）同化效率Assimilation efficiency ： 被植物吸收的日光能中被光合作用所固 定的能量比例，或被动物摄食的能量中 被同化了的能量比例。 Ae=An/In 肉食动物的同化效率高于植食动物。 (二)生长效率(growth efficiency) 组织生长效率(TGe)=NPn/An 生态生长效率(EGe)= NPn/ In 营养级越高，生长效率越低。植物的生长 效率动物。植物将光合能量大
11、约40%呼吸 ，60%生长，肉食动物同化能量大约65%用 于呼吸，35%用于生长。哺乳动物呼吸消耗 的能量最多，大约占同化量的97-99%，只 有1%-3%用于净生产量。 三、营养级位之间的生态效率 量度营养级位之间的转化效率。 （一）消费效率（利用效率）（consumption efficiency） 消费效率(Ce)=In+1/NPn 消费效率量度一个营养级对前一营养级的相对取食压 力。一般在20-35%范围内。每一营养级净生产的65%- 75%进入碎屑食物链，被损失到系统之外。 利用效率（Ue）=An+1/NPn 利用效率的高低，说明前一营养级的净生产量被后一 营养级同化多少。 初级生产
12、 (一)基本概念 1.初级生产量(primary production)：生态系统中绿 色植物通过光合作用，吸收和固定太阳能，由无机 物合成、转化成复杂的有机物。绿色植物通过光合 作用合成有机物质的数量称为初级生产量，也称第 一性生产。 2.淨初級生产量(net primary production) ：在初级生 产过程中，植物固定的能量有一部分被植物自己的 呼吸消耗掉，剩下的可用于植物的生长和生殖，这 部分生产量。 3.总初級生产量(gross primary production)： GP=NP+R 4. 初級生产力(primary productivity)：植物群落在一定 空间一定时间
13、内所生产的有机物质积累的速率称为生 产率(productivity rate)，或生产力 (productivity)。 5.生物量(biomass):是指某一时刻调查时单位面积上积 存的有机物质(kg/m2)。以鲜重(fresh weight,FW)或 干重(dry weight，DW)表示。 6.现存量(standing crop)：是指绿色植物初级生产量 被植食动物取食及枯枝落叶掉落后所剩下的存活部分 。SC=GP-R-H-D （二）初级生产量的限制因素 次级生产 1.次级生产：消费者利用初级生产的产 品进行新陈代谢，经过同化作用形成自 身的物质，称为次级生产。 2. 次级生产量的生产过
14、程 3.能量收支 C=A+FU C：动物从外界摄食的能量 A：被同化能量 FU：排泄物 A=P+R P：净次级生产量 R：呼吸能量 二、次级生产量的测定 1.同化量和呼吸量估计生产量： P=A-R; A=C-FU 2.P=Pg+Pr （净生产量为种群中个体的生长和出生之和 ） Pr：生殖后代的生产量 Pg：个体增重 三、次级生产的生态效率 1.消费效率：食草动物对植物净生产量的 利用。 （1）植物种群增长率高，世代短，更新 快，被利用的百分比高； （2）草本植物维管束少，能提供较多的 净初级生产量； （3）浮游动物利用的净初级生产量比例 最高。 2.同化效率 草食、碎食动物同化效率低，肉食动物
15、 高； 3.生长效率 肉食动物的净生长率低于草食动物。 不同动物类群有不同的生长效率。 4.林德曼效率 5. 生态系统能量流动的特点 生态系统能量的流动是单一方向的。能量以光能的状态进 入生态系统后，就不能再以光的形式存在，而是以热的形 式不断地逸散于环境中。 从太阳辐射能到被生产者固定，再经植食动物，到肉食动 物，再到大型肉食动物，能量是逐级递减的过程，这是因 为：（1）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；（2）各营养级的同化作用也不是百分之 百的，总有一部分不被同化；（3）生物在维持生命过程 中进行新陈代谢，总要消耗一部分能量。 第六节 生态系统中的物质循环 （1）物质
16、循环（生物地球化学循环） ： 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，再归还于环境中。 这些循环的路径包括生物与非生物二者, 同时也包含一些地质与地理作用在內, 因 此称为生物地球化学循环。 （2） 生物小循环：环境中元素经生物吸收，在 生态系统中被相继利用，然后经过分解者的 作用再为生产者吸收、利用。 三、生物地球化学循环的类型 根据物质在循环时所经历的路径不同，从 整个生物圈的观点出发，并根据物质循环过 程中是否有气相的存在，生物地球化学循环 可分为： 1.气体型循环（gaseous type)：其贮存库是 大气和海洋。气相循环把大气和海洋相联系 ，具有明显的全球性，循环性能最为
