第十一章 生态系统

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1、第十一章生态系统第一节生态系统的基本概念一、生态系统的概念生态系统是在一定时间、空间范围内，生物群落与其环境组成的一个整体，该整体具有一定的 大小和结构，各成员借助能量流动、物质循环和信息传递而相互联系、相互依存，并形成具 有自我组织、自我调节功能的复合体。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，生物圈是地球最大的生态系统。生态系统的必备条件： 生态系统是客观存在的实体，有时间和空间的概念。 生态系统是由生物成分和非生物成分组成的。 生态系统是以生物为主体的。 各成员有机的结合在一起，具有统一的整体功能。二、生态系统的成分、结构和分类(一) 生态系统的基本成分任何一个生态系统都

2、是由生物成分和非生物成分两部分组成的，但是为了分析的方便，常常又把这两大成分区分为以下六种构成成分：1. 无机元素和化合物：C、H、02、N2及矿质盐分等。2. 有机物质：碳水化合物、蛋白质、脂类、腐殖质等。3. 气候因子：光、热、水、空气、压力等。4. 生产者(producers)指能利用简单的无机物质制造食物的自养生物，主要是各种绿色植物， 也包括蓝绿藻和一些能进行光合作用的细菌。5. 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。6. 分解者异养生物，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

3、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。分解者主要是细菌和真菌，也包括某些原生动物和蚯蚓、白蚁、秃鹫等大型腐食性 动物。(二) 生态系统的结构.空间结构时间结构.营养结构 食物链(C.Elton,1927)食物网食物链和食物网概念的意义生态系统的营养结构及能流和物流间的关系生态系统的空间结构：垂直结构是生态系统的分层现象。水平结构是指植物在空间的水平分化或镶嵌现象。生态系统的时间结构： 长时间：以生态系统进化为主要内容。 中等时间：以群落演替为主要内容。 短时间：以昼夜季节和年份的周期变化为主要内容。生态系统的营养结构：是以营养为纽带，把生物、非

4、生物结合起的。四、生态系统的基本特征.生态系统是生态学上一个主要结构和功能单位。.生态系统是一个动态系统。.生态系统具有一定的区域特征。.生态系统是一个开放性的自持系统。.生态系统具有自我调节的功能。结构越复杂、物种数目越多，自我调节能力就越强。.能量流动、物质循环和信息传递是生态系统的三大功能。.营养级的数目受限于生产者所固定的最大能值以及能流过程中能量的损失，一般不超过5 6 个。第二节：生态系统的能量流动一、食物链与食物网(一) 食物链：一个食物链的例子“螳螂捕蝉，黄雀在后”食物链.食物链(food chain):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

5、，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。食物链的类型.草牧食物链(grazing food chain):又称捕食食物链，以绿色植物为基础、从草食动物开 始的食物链。即一种活的生物取食另一种活的生物所构成的食物链。食物链以生产者为起点。口如植物一植食性动物一肉食性动物。口草原上的青草野兔狐狸狼。口湖泊中的藻类f甲壳类f小鱼f大鱼。.腐生食物链(detrital food chain):又称分解食物链，以死有机物质为基础、从腐生物(动、植物的遗体或粪便)开始的食物链。如动植物遗体或粪便f真菌、细菌f原生动物f 土壤动物f节肢动物。(二) 食物网在生态系统中，存在许多食物链，这

6、些食物链彼此间交错连接，形成网状结构。食物网越复杂，生态系统抵抗外力干扰的能力就越强，生态系统也就越稳定食物链和食物网概念的意义食物链是生态系统营养结构的形象体现。生产者所固定的能量和物质，通过一系列取食和被 取食关系在生态系统中传递，生物按其食物关系排列的链状顺序。由于能量在传递过程中损失很大，因此食物链一般由45个营养级组成。各生物成分间通过食物网发生直接和间接的联系，保持着生态系统结构和功能的稳定性。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。. DDT杀虫剂通过食物链的逐步浓缩。（三）营养级与生态金字塔生态金字塔类型：能量金字塔保持金字塔形，因为能量逐级减少。生物量和数量

7、金字塔有时会出现倒置现象。 1/10定律：在自然生态系统中，营养级之间能量的转化，大致十分之一转移到下一个营养 级，以组成生物量，十分之九被消耗掉，因而称为十分之一定律，或林得曼（Lindeman）定 律。1. 数量金字塔：各营养阶层以生物的个体数量比较，所得的图形称为数量金字塔。能反映各营 养级间个体数量的关系。2. 生物量金字塔：以生物的干重或湿重表示每一营养级中生物的总量，所得图形称为生物量金 字塔。能反映各营养级中生物重量的关系。3. 能量金字塔：将各营养级的生物量换算成能量单位进行比较，所得的图形为能量金字塔。能 表达各营养级间能量的传递、转化的效率。.数量金字塔和生物量金字塔在某些

8、生态系统中可以呈倒锥体形，但能量金字塔绝不会这样， 因为生产者在单位时间单位面积上所固定的能量绝不会少于靠吃它们为生的植食动物所生 产的能量；同样，肉食动物所生产的能量是靠吃植食动物获得的，因此依据热力学第二定律， 它们的能量也绝不会多于植食动物。从植食动物到顶位的肉食动物有以下的趋势和规律： 生物种类逐渐减少，种群密度逐渐低，繁殖速率渐慢； 体型增大，取食专一性降低； 行为更为复杂，利用不同生境的能力增大。(四) 生态效率生态效率就是两个营养级之间能量转化的效率。利用效率=摄取能量/前一营养级净生产量同化效率=同化能量/吸收能量净生产效率=净生产量/同化能量总生产效率=净生产量/吸收能量生态

9、效率=净生产量/前一营养级净生产量二、生产力的基本概念 生产量：一定面积上经过一定的时间，有机物质增加的总量。 生物量：任一时间，一定面积的种群，营养级或生态系统有机物质的总量等于先存量与未 收获量或非收获性有机物的量之和。 生产力：单位时间、单位面积的生产量称生产力。初级生产量生态系统中的能量流动开始于绿色植物的光合作用和绿色植物对太阳能的固定。所以绿色植 物是生态系统最基本的组成成分，没有绿色植物就没有其他的生命(包括人类)，也就没有生 态系统。绿色植物固定太阳能是生态系统中第一次能量固定，所以植物所固定的太阳能或所制造的有 机物质就称为初级生产量或第一性生产量(primary produ

10、ction) 0动物是靠消耗植物的初级生产量来合成自身物质，因此动物和其他异养生物的生产量就称为 次级生产量或第二性生产量(secondary production) 0在初级生产量中，有一部分是被植物自己的呼吸(R)消耗掉了，剩下的部分才以有机物质 的形式用于植物的生长和生殖，所以我们把这部分生产量称为净初级生产量(net primary production，NP)，而把包括呼吸消耗在内的全部生产量称为总初级生产量(gross primary production,GP)。这三者之间的关系是：.GP=NP+R.NP=GP-R.初级生产量通常是用每年每平方米所生产的有机物质干重(g/m2a)

11、或每年每平方米所固定能量值(J/m2a)表示，所以初级生产量也可称为初级生产力，它们的计算单位是完全一 样的，但在强调率的概念时，应当使用生产力。克干重和焦之间可以互相换算，其换算关系 依动植物组织而不同，植物组织平均每千克干重换算为1.8X104J，动物组织平均每千克干 重换算为2.0X104焦热量值。地球上的生产力分级： 最低级：荒漠和深海 较低级：山地森林、热带稀树草原、半干旱草原、深湖等。 较高级：热带雨林、农耕地和浅湖。 最高级：农业高产田、河漫滩、红树林等少数特殊的生态系统。三、初级生产者的能量转移和贮存 能量的输入：绿色植物吸收太阳能来组织和推动生态系统的运转。 能量消耗：呼吸、

12、食草动物引起的消耗、凋落。 生物量在植物体内的分配：由于各器官如树皮、茎、枝、叶、根系的用途和价值不一，生 物量在树冠、茎、根系中的分配显得更重要。 植物器官中的能量：不同植物群落各器官的能量不一。 能量周转期：.对生态系统来说也是如此，当能量以食物的形式在生物之间传递时，食物中相当一部分能 量被降解为热而消散掉（使熵增加），其余则用于合成新的组织作为潜能储存下来。所以一个 动物在利用食物中的潜能时常把大部分转化成了热，只把一小部分转化为新的潜能。因此能 量在生物之间每传递一次，一大部分的能量就被降解为热而损失掉，这也就是为什么食物链 的环节和营养级的级数一般不会多于56个以及能量金字塔必定呈

13、尖塔形的热力学解释。食物链层次上的能流分析.在食物链层次上进行能流分析是把每一个物种都作为能量从生产者到顶位消费者移动过程 中的一个环节，当能量沿着一个食物链在几个物种间流动时，测定食物链每一个环节上的能 量值，就可提供生态系统内一系列特定点上能流的详细和准确资料。这就是说，被同化能量的绝大部分都以热的形式消散掉了，而只有很小一部分被转化成了净 次级生产量。由于能量在沿着食物链从一种生物到另一种生物的流动过程中，未被利用的能 量和通过呼吸以热的形式消散的能量损失极大，致使鼬的数量不可能很多，因此鼬的潜在捕 食者（如猫头鹰）即使能够存在的话，也要在该研究地区以外的大范围内捕食才能维持其种 群的延

14、续。生态系统的营养结构及能流和物流间的关系生态系统的营养结构及能流和物流间的关系第三节：生态系统的物质循环一、物质循环的概念生态系统从大气，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 命系统，被其它生物重复利用，最后归还于环境中，这个过程就叫做物质循环。二、物质循环的种类1. 地球化学循环：指生态系统之间的化学物质交换。2. 生物地球化学循环：指系统内的化学物质循环。主要通过食物链进行。3. 生物化学循环：主要是指植物个体体内化学物质的交换在分配。三种养分的循环 碳循环：P 291图11-6在森林生态系统的生物地球化学循环中存留时间比在草地生态系 统长。 氮循环：P 292图11

15、-7硝化作用阔叶林比针叶林、南方比北方、低海拔地区比高海拔地 区明显。 硫循环：P 293图11-8碳循环.碳是生命骨架元素，对生物和生态系统的重要性仅次于水，它构成生物体重量（干重）的49%。最大量的碳被固结在岩石圈中，其次是在化石燃料（石油和煤等）中，约占碳总量的99.9%,仅煤和石油中的含碳量就相当于全球生物体含碳量的50倍。在生物学上有积极作用 的两个碳库是水圈和大气圈（主要以CO2的形式）。.环境中的CO2通过光合作用被固定在有机物质中，然后通过食物链的传递，在生态系统中进 行循环。其循环途径有：口在光合作用和呼吸作用之间的细胞水平上的循环；口大气CO2和植物体之间的个体水平上的循环；口大气CO2植物动物微生物之间的食物链水平上的循环。.这些循环均属于生物小循环。此外，碳以动植物有机体形式深埋地下，在还原条件下，形成 化石燃料，于是碳便进入了地质大循环。当人们开采利用这些化石燃料时，CO2被再次释放 进入大气。.生物圈和大气圈中植物光合作用摄取碳的速率和呼吸及分解作用