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1、第六章 草地生态系统与景观,第一节 生态系统概述一、生态系统的基本概念与特征1.生态系统的基本概念 生态系统(Ecosystem):是指一定空间区域内生物群落与非生物环境之间通过不断地进行物质循环能量流动和信息传递过程而形成的相互作用和相互依存的统一整体.草地生态系统是其中的一个类型.生态系统的概念由英国生态学家A.G.Tansley于1935年首次提出.,2.生态系统的特征(1)生态系统是生态学上一个主要的结构和功能单位,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.(3)能量流动物质循环信息传递是生态系统的三大功能.(4)营养级数目受限于生产者所固定的最大能值和这些能量在流
2、动过程中的巨大损失,通常不会超过56级.(5)是一个动态系统,早期与晚期具有不同特征.,3.生态系统的研究内容(1)自然生态系统的保护与利用(2)生态系统调空机制的研究(3)生态系统的退化机理恢复模型及其修复的研究(4)全球性的生态问题研究(5)生态系统的可持续发展研究4.生态系统的研究意义(1)生态系统方法为我们研究生态问题提供了新方法;(2)系统研究属于整体研究,分科不等于系统;(3)是自然资源合理利用与开发的基础;(4)具有现实意义,二、生态系统的组成部分与基本结构1.组成成分(1)非生物环境:气候因子,基质和媒介,生长和代谢的基本材料等(2)生产者:绿色植物和化能细菌(3)消费者:植食
3、动物,肉食动物,寄生动物,杂食动物(4)分解者:异养生物,如细菌真菌原生动物土壤动物,2.生态系统的结构(1)构成生态系统的3个条件: 系统是由许多成分组成的； 各成分之间不是孤立的； 系统具有独立的特定的功能.(2)构成系统的3个亚系统: 生产者亚系统,消费者亚系统,分解者亚系统,（3）生态系统的结构 形态结构是指生态系统中生物种类、种群数量物种空间配置以及物种随时间而发生的变化等； 生态系统的营养结构是指一种以营养为纽带，把生态系统的生物成分和非生物成分紧密结合起来，构成生产者、消费者、分解者三大功能群，能量流动、物质循环和信息传递成为三大功能的有机整体。营养结构是研究生态系统的基础。,（
4、3）生态系统的结构 形态结构是指生态系统中生物种类、种群数量物种空间配置以及物种随时间而发生的变化等； 生态系统的营养结构是指一种以营养为纽带，把生态系统的生物成分和非生物成分紧密结合起来，构成生产者、消费者、分解者三大功能群，能量流动、物质循环和信息传递成为三大功能的有机整体。营养结构是研究生态系统的基础。,三、食物链和食物网1、食物链（Food chain）,（1）食物链：生态系统中各种生物之间通过采食与被采食、捕食与被捕食的食物关系，相互间结成一个整体，按取得食物的顺序排成一列，就象一环扣一环的链条，这叫做“食物链”。,一个草地生态系统常见的食物链,(2)食物链的类型捕食食物链（graz
5、ing food chain）：是以活的动植物为起点的食物链，直接以生产者为基础继之以植食性动物和肉食性动物，能量沿着太阳生产者植食性动物肉食动物流动。青草野兔狐狼藻类甲克虫小鱼大鱼碎屑食物链（detrital food chain ）：以碎屑为基础高等植物的枯枝落叶被分解者利用，然后再为多种动物所食。寄生食物链（parasite food chain ）：,2.食物网（food web） 生态系统中生物之间的关系并不象上述描述的那样简单，而是存在着错综复杂的关系。许多食物链彼此交错连接，形成网状结构。越复杂抵抗外界的能力强；简单容易发生波动和灭亡，尤其是关键种的消失；研究中还是要尽量简化，研
6、究主要食物路径。,一个温带草原生态系统的食物网（简化）,四、营养级与生态金字塔1.营养级(Trophic level ):一个营养级指处于食物链某一环节上所有生物的总合.能量趋于减少,原因有:各级消费者不可能100%利用上一个营养级的生物量,总有自然死亡和被分解者利用;同化率小于100%,大部分作为排泄物进入环境,为分解者所利用;维持自身生命活动总要消耗掉一部分能量.一般45级,很少有超过6级的.2.生态金字塔(1)数量金字塔;(2)生物量锥体;(3)能量锥体能量10%定律,即Linderman efficiency,3.生态效率是指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,
7、在生产力生态学研究中,用来估测各环节的能量流动,是一个非常重要的概念.五、生态系统的稳定性1.封闭系统和开放系统2.系统的稳定和自我调节,3.系统的反馈(feed back)现象反馈:系统的输出变成了决定系统未来输入的功能性因子,一个系统,如果其状态能够决定其输入就说明它有反馈机制存在.(1)负反馈:他的作用是能够使生态系统达到平衡和保持稳定,反馈的结果是抑制和减弱最初引发变化的那种成分所发生的变化.草原上的家畜数量与草地牧草之间,畜多草少降低家畜数量.,(2)正反馈:即生态系统中某一成分的变化引起其它一系列变化,反过来不是抑制而是加速最初引发变化的成分所发生的变化,它是使生态系统远离平衡态或
8、稳定,鱼塘污染鱼死亡导致更多鱼的死亡.,六、生态系统的类型划分1.人类活动的影响:自然和人工2.环境性质:水生生态系统,陆生生态系统3.能源来源:(1)无补加太阳能(2)自然补加太阳供能(3)人类补加(4)燃料供能的城市工业系统,4.生态平衡(balance):生态系统通过批发育和调节所达到的一种相对稳定的状态,它包括结构上功能上和能量输出输入上的稳定,但这种平是相对的和动态的，自然条件下，生态系统总是朝着种类多样化、结构复杂化和功能完善化的方向发展直到系统达到成熟的稳定的状态。5.生态危机:是由于人类的盲目活动而导致局部地区,甚至整个生物圈结构和功能的失衡.,第二节 草地生态系统的能量流动一
9、、 生态系统能量流动的基本概念,1、生态系统的能量来源： 能量的基本来源太阳,维持生命 空间位移 合成新的原生质 形成贮存物,太阳能,热能,光能,化学能,温暖大地 推动大气和水循环,光合作用,2、生态系统的能量平衡与热力学定律：,能量是生态系统的动力，是一切生命活动的基础。 能量有两种形式：动能和潜能。 生态系统的动能是生物与环境之间互相传递和转化的一种能量（热和辐射）； 生态系统中的潜能是蕴藏在光合产物中被束缚的能量（化学能），它通过食与被食关系在生物之间转移、转化和释放。,能量在生态系统内的传递和转化规律服从热力学的两个定律： 热力学第一定律：在自然界发生的所有现象中，能量既不能消失也不能
10、凭空产生，它只能以严格的当量比例由一种形式转变为另一种形式能量守恒定律。 热力学第二定律：在封闭系统中，一切过程都伴随着能量的改变，在能量的传递和转化过程中，除了一部分可以继续传递和作功的能量（自由能）外，总有一部分不能继续传递和作功，而以热的形式消散。这部分能量使系统的熵和无序性增加能量转化定律。,3、生态系统的“能流”：,定义：在特定的时间和空间范围内，能量在生态系统各组分间的运动与转移是一种连续的动态过程，因而，形成能量流动（能流） 生物与环境、生物与生物之间的能量转移和转化，就是生态系统中能量的流动过程。 生态系统的重要功能之一就是能量流动。 生态系统的能量流动也遵循热力学两个定律：能
11、量转化和能量守恒定律。,植物,食肉动物,太阳,食草动物,分解者,能量在草地生态系统中的流动,4、生态系统能量流动的特点：,能量在生态系统内的流动是单流程，能量只能一次通过生态系统，并不进行循环。 生态系统是一个开放的系统。要维持生态系统的正常运转，该系统必须接受源源不断的能量。生态系统是能量贮存与逸散的系统。能量进入生态系统通过固定、流动和最后返回环境。 能量进入到生态系统中后，能量的数量逐级锐减，能流越来越细，直到以废热形式全部散失为止。 能量流动和物质循环两个过程是同时进行、不可分割的。它们是生态系统的动力核心，能量流和物质流共同驱动着草地生态系统的运转。,二、 草地生态系统能量流动的渠道
12、 食物链和食物网是生态系统能量流动的渠道。 能量沿食物链的流动： 食物链是生态系统中能量流动的渠道，能量流动沿着食物链一级一级地进行。 通过生态系统的能量流动是连续的，始于太阳辐射能的截获和转化，终于有机物的完全分解。 能量数量沿食物链逐级减少。每一营养级的生物类群都把从前一个营养级所获得的能量，一部分用来维持自己的生活和繁殖，其余部分能量转移到下一个营养级去。,生态系统中能量的分配与消耗 引自周寿荣等，1994,R,R,R,R,R,R,DN,DN,DN,DN,DN,C1,S,C2,C3,C4,太阳光,生产者,分解者,C1、C2、C3、C4分别指第一、二、三、四级消费者； S指太阳能；R指呼吸
13、消耗能；B指现存生物量； DN指粪便及死亡有机体,B,B,B,B,三、 草地生态系统中能量的流动1、能量流动的通用模式,I：能量的总输入； NU：未被利用的能量； A：同化的能量； R：代谢消耗的能量； P：用于生产的能量； G：用于生长的能量； B：生物量； S：体内贮藏的能量； E：排泄的能量,能量流动的基本模式，引自Odum，1983,上述能量流动的基本模式充分反映了生态系统中任何生命层次和生态层次能量流动的共同特点，它不仅可用来表示植物、动物和微生物的能流，也可以用来表示个体、种群、群落及至生态系统的能流。 能流的分析： AINU ； I为输入的能量，A为被同化的能量，NU为未被利用的
14、能量； 同化率（A/I%）的生态意义。同化率的变化很大。 PAR P为用于生产的能量，R为呼吸消耗的能量 P/A%和B/A%都具有很大的生态意义。,2、能量流动的基本类型,1）草地生物个体能流 2）草地生物种群能流 3）群落能流 4）生态系统能流,（1）草地生物个体能流,通过个体的能量流动模式，G.O.Batzli，1974,分析个体水平上的能流，是了解群体水平乃至生态系统水平上能量流动的基础。 生物个体的能量关系： 同化消费（粪便尿） ACFu APR C为动物从外界摄食的能量，A为被同化的能量，Fu为粪尿能，P为净生产能，R为呼吸耗能 个体能量关系的分析：用于进行生态预测 同化效率（A/C
15、%） 农业生产效率（P/C%） 生物生产效率（P/R）,单位：KCal/g.d,短耳野兔个体水平上的能量流动 引自D.R.Johnson，1966,同化率,（2）草地生物种群能流,种群是生态系统能量流动的基本单位，种群的能流密度常常决定了整个生态系统的能流密度。 研究草地生物种群的能流的经济意义在于，了解草地生产的净初级和次级生产力的生产效率及影响因素，进而提出改进的办法。,羊草种群能量流动过程 祖元刚等，1987,单位：kcal/m2.d,CSR.总辐射，RR.反射辐射，TR.透射辐射，GAR.羊草种群吸收的总辐射， Tr.蒸虅作用，Pg.总光合作用，Rp.光呼吸，Rd.暗呼吸作用，Pn.净
16、光合作用,（3）群落能流,群落能流是群落的基本功能之一。 群落能流有阶段现象： 第一个阶段：群落代谢阶段。特点：绝大部分的太阳辐射能（98.49%）在此阶段被消耗。能量转化效率低。 第二个阶段：群落能量生产阶段。特点：能流被多次分割，越流越细。群落形成各种含能产品，但能为人类所利用的极少。 一个群落能量的转化效率，主要取决于群落自身的能量吸收能力和能量利用能力。,群落的能量流动具有明显的层次性，每一层次都靠前一层次提供能量。,GAR,GP,NP,NTP,GSR,GSP.总辐射能；GAP.总同化能和呼吸损耗能； GP.总生产能；NP.净生产能；NTP.净产品能,一个羊草群落的能量转化阶,紫花苜蓿草地群落的能量流动， 祝廷成，1983,草地吸收 1650,收割饲草 23.4,光合作用 有效部分720,固定干物质 贮存46.5,摄入家畜体内,0.25,0.55,0.20,55%,0.56,0.44,0.936,0.064,0.50,0.25,0.25,24.2%,0.77%,单位
