生态系统多样性及保护

Tuesday, July 06, 20211 一、生态系统的概念和基本功能 （一）生态系统的概念 （二）生态系统的结构 （三）生态系统的功能 （四）生态系统的特征 Tuesday, July 06, 20212 一、生态系统的概念和基本功能 （一）生态系统的概念 生态系统（Ecosystem）： 就是在一定空间中共同栖居着的所有生物（即生物群落） 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。 最初由英国生态学家A.G.Tansley提出； 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； 生态系统是生命系统中重要的组织层次，是现代生态学的基本单元； Tuesday, July 06, 20213 生物成分 基因 细胞 器官 有机体 种群 群落 + 非生物成分 | 生物系统 基因系统 细胞系统 器官系统 有机体系统 种群系统 生态系统 物质 能量 图：组织层次的谱 Tuesday, July 06, 20214 生态系统的构成：生物群落及其无机环境。 一、生态系统的概念和基本功能 （二）生态系统的结构 生态系统模拟图 超级微生物群落 Tuesday, July 06, 20215 能量因子：辐射能、热能、化学能等。 物质因子：无机物质（大气、矿物质等）、联系生物和非生物成分的 有机物质（蛋白质、糖类、脂类、腐殖质等）。 气候：能量因子和物质因子相互作用的产物。 无机环境: 生产者：能够将太阳能转化为化学能；将简单的无机物质制造成复杂 的有机物质。绿色植物、光能自养和化能自养细菌。 消费者：不能从无机物质制造有机物质，直接或间接依赖于生产者所 制造的有机物。食草动物、食肉动物等。 分解者：将复杂的有机物分解为生产者能重新利用的简单化合物，并 释放能量。细菌和真菌、一些无脊椎动物。 生物群落: Tuesday, July 06, 20216 一、生态系统的概念和基本功能 （三）生态系统的功能 生态系统在特定环境中发挥的作用称为生态系统的功能。 生态系统具有不断进行着物质循环、能量流动和信息传递，并 具有系统自我调节的功能。 物质循环：系统内物质通过食物网流动的，是一种循环运动 能量流动：是伴随着物质循环进行的，但能量流动是一种单向的过程，最终以 热能的形式散失掉。 信息传递：生态系统中产生着大量、复杂的信息，进行着不断运送和交流。 自我调节：生态系统具有在一定范围内保持系统处于动态平衡的能力。 Tuesday, July 06, 20217 一、生态系统的概念和基本功能 （四）生态系统的特征 结构特征结构特征 生态系统是生命系统（生物群落）与非生命系统（无机环境）构 成的有机整体。 功能特征功能特征 生命系统与非生命系统之间进行能量流动和物质循环，从而保持 系统的运转，并发挥其正常功能。（生态系统的功能发挥与结构关系密 切。结构合理，功能才得以正常发挥，结构最优，功能发挥最隹，二者相 统一） 动态特征动态特征 生态系统是一个动态系统，都有随时间推移而不断地发生、发展、 进化、演化的过程，随昼夜、季节、年份而变化，即生态演替。 Tuesday, July 06, 20218 相互作用相互联系特征相互作用相互联系特征 生态系统各组分之间相互作用，相互联系。某一成分的变化 将影响 其它成分和整体功能的变化。 稳定平衡特征稳定平衡特征 生态系统内部各成分间保持一定平衡关系，使系统各成分间处于稳 定、持久、物种间相互协调共存的特点。外力干扰在一定限度内，生 态系统具有自动较正平衡能力和自我调节机制。 对外开放特征对外开放特征 生态系统是一个开放系统，必需有物质、能量的输入和输出。（如 生物地球化学循环），因此，任一生态系统并不是狐立的，从而形成 了系统之间的联系性。 Tuesday, July 06, 20219 二、生态系统的多样性 （一）生态系统类型划分的依据 （二）全球生态系统多样性的概况 （三）中国生态系统多样性的概况 Tuesday, July 06, 202110 二、生态系统的多样性 （一）生态系统类型划分的依据 生态系统多样性： 是指生物圈内环境系统、生物系统和生态过称的多样化以 及生态系统内环境系统差异、生态过程的多样性。 生态系统类型的划分主要依据地理分布、环境水分和热量 条件，同时也要考虑动物群落及其作用。采用的标准和分类方 法不同，划分的结果也不尽相同。 Tuesday, July 06, 202111 按McNaughton观点分类 按人为影响程度分类 按利用方式分类 按生态系统与外界环境的联系程度来分 按系统的能量来源分类 常用的分类标准： 二、生态系统的多样性 Tuesday, July 06, 202112 淡水生态系统 海洋生态系统 陆地生态系统 流水（河、流） 静水（湖、池） 浅岸线 浅海 上涌带 珊瑚礁 远洋 荒漠 冻原 极地 高山 草原 针叶林 雨林 急流 缓流 滨 带 表 水 层 深 水 层 海岸线 石岸 沙岸 浅海 上涌带 珊瑚礁 远洋 荒漠冻原 高山、极地 草原 针叶林热带雨林 Tuesday, July 06, 202113 自然生态系统（自然生态系统（natural ecosystemnatural ecosystem）：）：是在一定时间和空间范围内，依靠 自然调节能力维持的相对稳定的生态系统。如原始森林、海洋等。由于人 类的强大作用，绝对未受人类干扰的生态系统已经没有了。 人工生态系统（artificial ecosystem ）：是指以人类活动为生态环境中心， 按照人类的理想要求建立的生态系统。如城市生态系统、农业生态系统等。 生态经济系统（eco-economic system）：）：是由生态系统和经济系统相互交织、 相互作用、相互耦合而成的复合系统。 Tuesday, July 06, 202114 放牧生态系统（grazing ecosystem）：由植物和食草动物构成的一个相互 作用的整体系统。 农田生态系统（ecosystem of cropland ）：一定农田范围内，作物和其他生 物及其环境通过复杂的相互作用和相互依存而形成的统一整体，即一定 范围内农田构成的生态系统。 Tuesday, July 06, 202115 开放系统(open ecosystem)：与外界环境发生能量与物质交换的生态系统。 封闭系统(closed ecosystem)：与外界环境只有能量交换的生态系统。 人工封闭生态系统(artificial closed ecosystem)：人工建立的完全封闭的生态 系统。 生物圈2号 空间站 Tuesday, July 06, 202116 太阳供能的自然生态系统(natural unsubsidized solar powered ecosystem) 海洋、森林和草地等多数自然生态系统属于此类。 有自然辅加能量的太阳供能系统(natural solar powered ecosystem subsidized by other natural energies) 生态系统具有自然提供的其他能源以补充太阳能，从而增加系统的能流规模。 具有人类辅加能量的太阳供能生态系统(human subsidized solar ecosystem) 农田、养殖等通常以辅加能量的大量输入来维持。 燃料供能的城市-工业系统(fuel-powered urban-industrial system) 能量来源的化石燃料、有机染料和核燃料，燃料的高度密集代替了太阳供能。 按系统的能量来源分类 Tuesday, July 06, 202117 （二）全球生态系统多样性概况 二、生态系统的多样性 热带雨林 稀树草原 红树林 亚热带常绿阔叶林 常绿硬叶林 除了在极端环境条件下无植物生长外，地球表面的大多数地区 都生长着各种不同的植物，它们的有机组合构成了各种各样的群落 类型。全球生态系统主要包括： 温带落叶阔叶林 针叶林 温带草原 荒漠 冻原 Tuesday, July 06, 202118 热带雨林：是现存地球表面物种最丰富、结构最复杂的生态系统。世界 上热带雨林可以分为3个区：美洲热带雨林区、印度-马来西亚热带雨林 区和非洲热带雨林区。 稀树草原：是指热带和亚热带较干旱地区，其中含有散生乔木或灌木的 草原生态系统。 Tuesday, July 06, 202119 红树林：是分布在热带和亚热带海滩上 的一种单层森林生态系统类型。构成群 落的主要是红树科植物。 亚热带常绿阔叶林：是分布在亚热带地 区的大陆东岸的生态系统。群落层次明 显，可分为乔木、灌木和草本3个基本 层次。 Tuesday, July 06, 202120 常绿硬叶林：是在夏季炎热干燥、冬季温和湿润的亚热带气候条 件下发育而形成的生态系统类型。只分布于地中海沿岸以及纬度 在30-40范围内的各大陆西部边缘地区。 温带落叶阔叶林：是在温带海洋性气候条件下形成的生态系统类 型。夏季盛叶、冬季落叶。 Tuesday, July 06, 202121 针叶林：为寒温带由裸子植物为主组成的地带性森林系统。针叶林的北界也 是地球森林带的北方界线。 温带草原：为温带气候条件的一种以草本植物为主的群落类型，它是由多年 生丛生性禾草本植物占优势构成的草本植物群落。 Tuesday, July 06, 202122 荒漠：是在干燥的大陆气候条 件下发育形成的极度耐旱的稀 疏植被类型。主要分布于亚热 带和温带地区，年均降水小于 200mm。 冻原：是以低矮灌木、草本植 物、苔藓植物和地衣构成的灌 木植被或草本植被类型。有极 地冻原和高山冻原两种类型。 Tuesday, July 06, 202123 （三）中国生态系统多样性概况 森林生态系统 热带季雨林、雨林亚热带常绿阔叶林和针叶林暖温带落叶阔叶林和针叶林 温带针阔混交林寒温性针叶林 草原生态系统 温带草原高寒草原荒漠区山地草原 荒漠生态系统 农田生态系统 湿地生态系统 湖泊河流沼泽 海岸与海洋生态系统 海岸滩涂河口湾海岸湿地红树林珊瑚礁海岛大洋 二、生态系统的多样性 Tuesday, July 06, 202124 三、生态系统的物种多样性 （一）多样性的测度方法 （二）多样性的测度方法 Tuesday, July 06, 202125 （一）多样性的测度方法： 多样性反映群落内部物种数和物种相对多度的一个指标， 只具有数量特征而无方向性。主要表明群落本身的物种组成和 个体数量分布的特征。包括4种含义：物种丰富度指数、物种相 对多度模型、物种丰富度与相对多度综合形成的指数、物种均 匀度指数。 物种丰富度指数物种多样性指数 物种均匀度指数群落多样性测度方法的比较 三、生态系统的物种多样性 Tuesday, July 06, 202126 物种丰富度指数： 物种丰富度即群落中物种的数目。物种丰富度与样方大小有关， 而且二者之间没有确定的函数关系。物种丰富度是物种多样性测度中 较为简单且生物学意义显著的指数。实践中，关键环节是样方大小的 控制。 解决方法： 用单位面积的物种数目，即物种密度来测度物种的丰富程度。 用一定数量的个体或生物量中的物种数目，即数量丰富度表示。 物种丰富度另外一种表示方法：物种数目随样方增大而增大的速率d。 a) Gleason (1922) 指数： d = S / lnA b) Margalef (1958) 指数：d = (S1) / lnN，等 式中：S为物种数目；N为所有物种的个体之和；A为样方面积。 Tuesday, July 06, 202127 物种多样性指数： Simpson指数：又称为优势度指数，是对多样性的反面即集中性的度量。 对于稀有种作用较小，而对于普通种作用较大。 假设某一群落中有S个物种，共有N个个体，第i种有Ni个个体，抽取2个 个体为同一种的概率为： (1) (1) ii N N N N 对于一个很大的群落来说，Ni和N是不可知的量，转换得： 2 2 (1) (/) (1) iii N NN PiPiNi N N NN Greenberg(1956)建议D=1-，作为多样性的度量。显然，和D是有偏的 估计量。 Tuesday, July 06, 202128 Shannon-Weaver指数：借用于信息论方法，预测未来事件的不确 定性。如果从群落中随机抽取一个个体，它将属于哪个种是不确 定的，不确定性大，则多样性就高。 2 1 log S ii i HPP 式中H为群落的物种多样性指数, Pi为样地中属于种i的个体占全部个体 的比例，S为种数。 Tuesday, July 06, 202129 物种均匀度指数： Pielou均匀度指数：群落的实测多样性(H)与最大多样性(Hmax)，即 在给物种数S下完全均匀群落的多样性之比率。 max 1/log 1/1 log1 loglogHSSSS max /JHH log/logJPiPiS J的取值范围是01。 Tuesday, July 06, 202130 群落多样性测度方法的比较 目前已经提出较多的群落多样性测度的指数和模型，如何 选择合适的具有针对性的方法？ 参考指标： 对数据的应用效果 对某些既定标准的符合程度 综合多数学者的分析结果 Tuesday, July 06, 202131 多样性指物种与种的多度沿群落内部或群落间的环境梯度从 一个生境到另一生境的变化速率与范围。主要用以表明群落内或群 落间环境差异性的大小对物种数和相对多度的影响。也就是说，不 同群落或环境梯度上不同点之间的共有种越少，多样性越大。 （二）多样性的测度方法 测度多样性的意义： 指示生境被物种分隔的程度； 用来比较不同地段的生境多样性； 与多样性一起构成总体多样性或一定地段的生物差异性。 Tuesday, July 06, 202132 二元属性数据的多样性测定 Whittaker指数(w)为 w=(S/m)-1 式中： S为所研究系统中记录的物种总数；m为各样方或样本的平均物种数。 如果两个样本A、B物种数分别为a+c和b+c (c为两个样本都出现的物种数)， 那么w=(a+b+c)/(a+b+2c)/2-1 由式可知，0w1，完全相同为0，完全不同为1。 Cody指数(c)为 c=g(H)+l(H)/2 式中： g(H)是沿生境梯度H增加的物种数，l(H)是沿生境梯度H失去的物 种数。 Tuesday, July 06, 202133 相似性系数测度： 与群落多样性相反的含义是群落的相似性。 Jaccard指数：Cj=j/(a+b-j) Sorenson指数：Cs=2j/(a+b) 式中：j为两个群落或样地共有种数，a和b分别为样地A和B的物种数。 二元属性数据的多样性没有考虑每一物种的个体数量或相对多 度，仅考虑了群落中的物种数，虽计算简便，易于使用，但势必会 高估稀疏种的作用，导致不合理的结论。 Tuesday, July 06, 202134 数量数据的多样性测度 Bray-Curtis指数： 式中：aN为样地A的物种数量；bN为样地B的物种数量；jN为样地A(jNa) 和B(jNb)共有种中个体数量较小者之和。 Morisita-Hom指数： 2/() N CjNaNbN 2222 2() /() (/,/) MHii ii CaNbNdadb aNbN daaNaNdbbNbN 式中： aN为样地A的物种数量；bN为样地B的物种数量； aNi和bNi为A和 B样地中第i种的个体数量。 Tuesday, July 06, 202135 四、生态系统多样性的维持 （一）生态系统多样性的发生与演替 （二）生态系统多样性与稳定性 （三）生态系统的退化 （四）生态系统的恢复 Tuesday, July 06, 202136 四、生态系统多样性的维持 （一）生态系统多样性的发生与演替 在一定的区域内，由于物理环境条件的改变，生态系统的结 构和功能发生改变并逐步趋向稳定，称之为生态系统的发展或演 替。由于生物与环境相互作用导致群落环境不断改变，使群落内 的生物组成也发生相应变化，这又直接导致生态系统结构和功能 的改变。 生态系统多样性的发生与演替是紧密联系在一起的。 Tuesday, July 06, 202137 生态系统多样性的发生 水域生态系统水域生态系统 陆地生态系统陆地生态系统 森林生态系统森林生态系统 城市生态系统城市生态系统 生态系统的发生与进化史长期的物理环境的变化同生态系 统中生物成员的活动引起的内部动态过程相互作用的结果。 总战略：增加对物理的抑制，与物理环境保持平衡，对外界扰 乱达到最大的防护。 Tuesday, July 06, 202138 生态系统多样性的演替 群落演替(community succession)： 又称为生态演替(ecological succession)，是指在一定区域内，群落 随时间而变化，由一种类型转变为另一种类型的生态过程。 群落演替一般包括以下5个过程： 裸地形成生物侵移、定居及繁殖环境变化 物种竞争群落水平上的相对稳定和平衡 Tuesday, July 06, 202139 生态系统多样性在演替中物种丰富度的特征： 演替的早期阶段，物种种类和个体数量均趋向于增加； 起初多样性的增加速度快，之后逐步减慢； 不同种的数目在顶级群落形成之前是一直增加的，在演替趋于 结束时，多样性减少； 在演替中间阶段常常含有最大的种数，后期，只有少数几个种 在系统中占优势； 如果群落的结构和能量的供应允许其他物种迁入并定居的话， 种的多样性可能继续增加，直到顶级阶段。 Tuesday, July 06, 202140 （二）生态系统多样性与稳定性 四、生态系统多样性的维持 生态系统稳定性： 当一个生态系统经过干扰后，所有考察的对象都能回到扰动以前的 状态，才认为该系统是稳定的。 弹性：指一个系统经扰动后，再回到原来平衡状态的快慢； 抗性：指一个系统经扰动后，产生变化的大小； 持久性：指一个系统经扰动后，在产生变化之前所能维持的时间； 变异性：指一个系统给予扰动后，种群密度随时间变化的程度。 局域稳定：系统受到小的扰动后，能回到原来的平衡点，受到大的扰动后， 无法回到原来的平衡点，则称该平衡点的稳定为局域稳定。 全局稳定：系统受到大的扰动后，远离平衡点，但仍能回到原来的平衡点， 则称该平衡点的稳定为全局稳定。 Tuesday, July 06, 202141 生态系统稳定性与多样性的关系： 多样性导致稳定性规律，系统的组成和结构越复杂，其稳定 性也就越大； Tuesday, July 06, 202142 （三）生态系统的退化 四、生态系统多样性的维持 退化生态系统：是指生态系统在自然或人为干 扰下形成的偏离自然演替序列的生态系统。 与自然系统相比，退化的生态系统种类组 成、群落或系统结构发生改变，生物多样性减 少，生物生产量降低，土壤和微环境恶化，生 物间相互关系改变。 退化生态系统形成原因： 人类活动：环境破坏、过度开发、农业活动、人为引种、核 泄漏等。 自然灾害：地震、海啸、火山、水灾等。 Tuesday, July 06, 202143 （四）生态系统的恢复 四、生态系统多样性的维持 生态系统 不超负荷 （可逆的） 超负荷 （不可逆） 消除压力 消除压力 自然恢复过程 人工辅助的自然恢复过程 恢复 恢复 受损生态系统恢复的两种模式受损生态系统恢复的两种模式 恢复到可恢复到可 接受的状态接受的状态 恢复后又恢复后又 出现退化出现退化 设计的设计的 理想状态理想状态 退化状态退化状态 持续退化持续退化 时间时间 复复 杂杂 的的 状状 态态 退化生态系统恢复退化生态系统恢复 Tuesday, July 06, 202144 恢复的一般步骤： 对恢复的对象进行分类和描述，明确退化的原因和过程； 确定切合实际的恢复所需要达到的目标，并确定优先恢复目标； 设计恢复方案，选择参照系统； 对恢复过程进行检测和评估； 恢复后的后续检测和评价管理。 Tuesday, July 06, 202145 五、生态系统保护的意义和途径 （一）生态系统多样性的价值 （二）生态系统保护的途径 Tuesday, July 06, 202146 （一）生态系统多样性的价值 五、生态系统保护的意义和途径 生态系统多样性的直接价值： 为人类提供食物、药物、工业原料、观赏等 生态系统多样性的间接价值： 能量固定调节气候 稳定水文保护土壤 贮存、促进元素循环维持进化过程 对污染物质吸收和分解作用 Tuesday, July 06, 202147 （二）生态系统保护的途径 五、生态系统保护的意义和途径 就地保护： 就地保护维持了所在区域生态系 统中能量和物质运动的过程，保证了 物种的正常发育、进化过程以及物种 与其环境之间的生态学过程，并保护 了物种在原生环境下的生存能力和种 内遗传便一度。是生态系统保护最为 有效的保护方法。 主要途径：自然保护区、国家公园等 Tuesday, July 06, 202148 生物防治： 通过天敌的作用，将大面积发生的有害生物控制在一定的密 度之下，对于减少污染和提高环境质量有十分积极的作用。 生态系统整体性保护： 自然生态系统有其整体运动的规律，应从整体上去保护才能发 挥生态效益，打破行政条块的分割局面，使生态系统保护更有效。 加强生态恢复和重建工作： 我国极度退化的生态系统面积大，根据当地生境条件有针对性 地开展生态系统重建、恢复是生态系统多样性保护的有效途径。 Tuesday, July 06, 202149 谢谢大家！ Tuesday, July 06, 202150 生态系统的构成：生物群落及其无机环境。 一、生态系统的概念和基本功能 （二）生态系统的结构 生态系统模拟图 超级微生物群落 Tuesday, July 06, 202151 能量因子：辐射能、热能、化学能等。 物质因子：无机物质（大气、矿物质等）、联系生物和非生物成分的 有机物质（蛋白质、糖类、脂类、腐殖质等）。 气候：能量因子和物质因子相互作用的产物。 无机环境: 生产者：能够将太阳能转化为化学能；将简单的无机物质制造成复杂 的有机物质。绿色植物、光能自养和化能自养细菌。 消费者：不能从无机物质制造有机物质，直接或间接依赖于生产者所 制造的有机物。食草动物、食肉动物等。 分解者：将复杂的有机物分解为生产者能重新利用的简单化合物，并 释放能量。细菌和真菌、一些无脊椎动物。 生物群落: Tuesday, July 06, 202152 淡水生态系统 海洋生态系统 陆地生态系统 流水（河、流） 静水（湖、池） 浅岸线 浅海 上涌带 珊瑚礁 远洋 荒漠 冻原 极地 高山 草原 针叶林 雨林 急流 缓流 滨 带 表 水 层 深 水 层 海岸线 石岸 沙岸 浅海 上涌带 珊瑚礁 远洋 荒漠冻原 高山、极地 草原 针叶林热带雨林 Tuesday, July 06, 202153 多样性指物种与种的多度沿群落内部或群落间的环境梯度从 一个生境到另一生境的变化速率与范围。主要用以表明群落内或群 落间环境差异性的大小对物种数和相对多度的影响。也就是说，不 同群落或环境梯度上不同点之间的共有种越少，多样性越大。 （二）多样性的测度方法 测度多样性的意义： 指示生境被物种分隔的程度； 用来比较不同地段的生境多样性； 与多样性一起构成总体多样性或一定地段的生物差异性。 Tuesday, July 06, 202154 生态系统多样性的发生 水域生态系统水域生态系统 陆地生态系统陆地生态系统 森林生态系统森林生态系统 城市生态系统城市生态系统 生态系统的发生与进化史长期的物理环境的变化同生态系 统中生物成员的活动引起的内部动态过程相互作用的结果。 总战略：增加对物理的抑制，与物理环境保持平衡，对外界扰 乱达到最大的防护。 Tuesday, July 06, 202155 生态系统多样性的演替 群落演替(community succession)： 又称为生态演替(ecological succession)，是指在一定区域内，群落 随时间而变化，由一种类型转变为另一种类型的生态过程。 群落演替一般包括以下5个过程： 裸地形成生物侵移、定居及繁殖环境变化 物种竞争群落水平上的相对稳定和平衡 Tuesday, July 06, 202156 恢复的一般步骤： 对恢复的对象进行分类和描述，明确退化的原因和过程； 确定切合实际的恢复所需要达到的目标，并确定优先恢复目标； 设计恢复方案，选择参照系统； 对恢复过程进行检测和评估； 恢复后的后续检测和评价管理。 Tuesday, July 06, 202157 五、生态系统保护的意义和途径 （一）生态系统多样性的价值 （二）生态系统保护的途径