生态系统的一般特征.ppt

中国农业大学资源与环境学院 基础生态学 第十一讲 生态系统一般特征 * 王 冲 博士 副教授 资环学院生态科学与工程系 联系：新综合楼2-124办公室 Tel: 62734710(O) E-mail： 第十一讲第十一讲 生态系统生态学生态系统生态学 All things are difficult before they are easy. 凡事总是由难而易。 中国农业大学资源与环境学院 基础生态学 第十一讲 生态系统一般特征 * 生态系统生态学主要内容 生态系统的一般特征 生态系统的能量流动 生态系统的物质循环 自然生态系统 思考题 中国农业大学资源与环境学院 基础生态学 第十一讲 生态系统一般特征 * 生态系统的概念 生态系统的组成成分 生态系统的结构 生态系统的功能 生态系统的调控与稳定性 生态系统的服务功能 生态系统生态学的发展与挑战 生态系统的一般特征 中国农业大学资源与环境学院 基础生态学 第十一讲 生态系统一般特征 * 生态系统的概念 生态系统(ecosystem)一词是英国植物生态学家AGTansley (187l一1955)于1935年首先提出来的。 Tansley兴趣广泛，他对植物群落学进行了深入的研究，发现土 壤、气候和动物对植物的分布和丰度有明显的影响，于是提出 了一个概念，即居住在同一地区的动植物与其环境是结合在一 起的。 “更基本的概念是整个系统(具有物理学的概念)，它不仅 包括生物复合体，而且还包括了人们称为环境的各种自然因素 的复合体。我们不能把生物与其特定的自然环境分开，生 物与环境形成一个自然系统。正是这种系统构成了地球表面上 具有大小和类型的基本单位，这就是生态系统。 中国农业大学资源与环境学院 基础生态学 第十一讲 生态系统一般特征 * 生态系统的概念 Tansley提出生态系统概念时，强调了生物和环境是 不可分割的整体；强调了生态系统内生物成分和非 生物成分在功能上的统一，把生物成分和非生物成 分当作一个统一的自然实体，这个自然实体生 态系统就是生态学的功能单位。例如：森林群落与 其环境就构成了森林生态系统，草原群落与其环境 就构成了草原生态系统，而池塘中的鱼、虾和藻类 等生物与水域环境就构成了池塘生态系统。 中国农业大学资源与环境学院 基础生态学 第十一讲 生态系统一般特征 * 生态系统的概念 R. E. Ricklefs (1979)在生态学一书中描绘了生态系统 中物质循环和能量流动的基本格局，形象的表明生态系统中生 物和非生物成分间相互作用和相互依赖的关系；它们通过物质 交换而联系在一起；驱使生态系统物质循环的能量来自太阳。 F. B. Golley (1960,1968)较深入地揭示了生态系统能流的 渠道是食物链；能量在沿着各营养阶层流动时逐级减少的。他 是陆地生态系统能量流动研究的奠基人。1990年在日本举行了 第五届国际生态学大会。他作为国际生态学会主席在开幕式上 作了“生态系统概念的发展-对序(order)的探讨”的报告，强调 人类活动对生态系统、生物圈和全球变化影响的研究。 中国农业大学资源与环境学院 基础生态学 第十一讲 生态系统一般特征 * 生态系统的概念 E. P. Odum和H. T. Odum兄弟二人及W. E. Odum都是当 代著名的生态学家，他们对生态系统概念的发展做出过杰出 的贡献。 从20世纪50年代以来，E. P. Odum就一贯强调生态系统 研究工作的重要意义，在营养动态和能量流动方面提出了许 多新思想和新方法，并创建了生态学和社会科学相结合的模 式。H. T. Odum对佛罗里达州银泉(Silver Spring)生态系统能 流收支的研究，是当今生态系统水平上能量流动分析的一个 范例。 中国农业大学资源与环境学院 基础生态学 第十一讲 生态系统一般特征 * 生态系统的概念 他们的著作甚为丰富，E. P. Odum的生态学基础不仅 是一本现代生态学的教科书，而且是一部很有新意的著作。 H. T. Odum的人和自然的能量基础一书被誉为能量研究 方面的经典著作。 针对全球环境恶化、地球出现多种胁迫的现实， Costanza (1992) 和Rapport (1985) 开展了生态系统健康 (ecosystem health) 的基本理论和评估的研究，发现现在地球 上的生态系统为人类服务已不能像过去一样，而且还对人类 产生了潜在威胁。呼吁人们关心全球各类生态系统的健康。 中国农业大学资源与环境学院 基础生态学 第十一讲 生态系统一般特征 * 生态系统的概念 20世纪70年代，有人指出，现有森林管理方法可能影响 生态系统的功能(Likens 1970)。美国一些机构，特别是环境保 护局在关注建立健康生态系统的同时，强调了生态系统管理 (ecosystem management)。管理是着眼于保持和维护生态系统 的结构、功能的可持续性，保证生态系统的长远健康。 随后，人们越来越关注生态系统健康，深刻认识到地球 是人类目前唯一的家园。人们在审视和反思的基础上，可持 续发展成为全人类生存的战略思想。在实现经济和社会发展 的同时，要保证生态系统的可持续发展(Luchenco J et al 1991) 。 中国农业大学资源与环境学院 基础生态学 第十一讲 生态系统一般特征 * 生态系统的概念 生态系统指一定空间区城内共同栖居着的所有生物（生物 群落）与非生物环境之间通过不断的进行物质循环、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。 森林生态系统草地生态系统农田生态系统荒漠生态系统湿地生态系统淡水生态系统海洋生态系统 许多生态系统合在一起构成的镶嵌体，形成了流域、山脉、城 镇等景观单位。地球上所有各种镶嵌体联合起来就构成复杂程 度更高的生物圈。 中国农业大学资源与环境学院 基础生态学 第十一讲 生态系统一般特征 * 生态系统的特征 生态系统是生态学的一个主要结构和功能单位，属于经典 生态学研究的最高层次； 能量流动、物质循环和信息传递是生态系统的三大功能； 营养级的数目通常不超过56个； 生态系统具有自我调节能力； 生态系统是一个动态系统，要经历一系列发育阶段。 中国农业大学资源与环境学院 基础生态学 第十一讲 生态系统一般特征 * 生态系统的组成成分 非生物成分 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) 生物成分 (生物群落) 中国农业大学资源与环境学院 基础生态学 第十一讲 生态系统一般特征 * 生态系统的生物组分三大功能群 l生产者：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。 l消费者：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（一级） 、肉食动物（二 四级） 、杂食动物和寄生动物等。 l分解者：异养生物，把复杂的有机物分解成简单无 机物，包括细菌、真菌、放线菌和动物等。 中国农业大学资源与环境学院 基础生态学 第十一讲 生态系统一般特征 * 池塘生态系统模式图 中国农业大学资源与环境学院 基础生态学 第十一讲 生态系统一般特征 * 一个简单的陆地生态系统模式图 中国农业大学资源与环境学院 基础生态学 第十一讲 生态系统一般特征 * 生态系统的结构 空间结构 时间结构 营养结构 l食物链(C.Elton,1927) l食物网 l食物链和食物网概念的意义 A B C D A草被层；B灌木层；C下木层；D林冠层 在水平方向上由于地形的起伏、光照的明暗 、湿度的高低等环境因素影响，不同生物分 布于不同地段的现象。 中国农业大学资源与环境学院 基础生态学 第十一讲 生态系统一般特征 * 食物链 螳螂捕蝉，黄雀 在后！哈！哈！ “ “螳螂捕蝉，黄雀在后 ” ” 黄雀 (三级消费者) 植物汁液 蝉 (初级消费者) 螳螂(二级消费者) 鹰(四级消费者) (顶极食肉动物) 中国农业大学资源与环境学院 基础生态学 第十一讲 生态系统一般特征 * 食物链和食物网 食物链（food chain）：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。 营养级（trophic level）：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，此即 食物网。 中国农业大学资源与环境学院 基础生态学 第十一讲 生态系统一般特征 * 思考：食物网有几条食物链？ 草 兔 鹰 草 兔 狐 草 鼠 狐 草 鼠 鹰 草 鼠 蛇 鹰 中国农业大学资源与环境学院 基础生态学 第十一讲 生态系统一般特征 * 食物链的类型 根据食物链的起点不同，可将其分成两大类: 牧食食物链（grazing food chain）：又称 捕食食物链，以活的动植物为起点的食物 链，如绿色植物，草食动物、各级食肉动 物。寄生食物链可以看作捕食食物链的一 种特殊类型。 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。 在湖泊中，藻类甲壳类小鱼大鱼 中国农业大学资源与环境学院 基础生态学 第十一讲 生态系统一般特征 * 食物链和食物网的意义 生态系统中能量流动物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。 食物链是生态系统营养结构的体现。反映了生态系统中各 生物有机体之间的营养位置和相互关系；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。 中国农业大学资源与环境学院 基础生态学 第十一讲 生态系统一般特征 * 生态系统的功能 能量流动：生产者 消费者 分解者，单向 ( 在第二节详述) 物质循环：生物 环境，双向(在第三节详述) 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。 中国农业大学资源与环境学院 基础生态学 第十一讲 生态系统一般特征 * 生态系统的调控 反馈调节：当生态系统某一成分发生变化，它必然引起其 他成分出现一系列相应变化，这些变化又反过来影响最初发 生变化的那种成分 负反馈：系统中某一成分的变化所引起的其他一系列变化 ，结果是抑制和减弱最初发生变化的那种成分的变化，使生 态系统达到或保持平衡或稳态 正反馈：系统中某一成分的变化所引起的其他一系列变化 ，反过来加速最初发生变化的成分所发生的变化，使生态系 统远离平衡状态或稳态。 中国农业大学资源与环境学院 基础生态学 第十一讲 生态系统一般特征 * 反馈调节 正反馈（左）和负反馈（右 ） 污染 鱼死亡 污染 鱼死亡 鱼死亡 污染 狼 狼 兔 兔 植物 植物 狼 饿 死 狼 吃 饱 吃了 较多 兔子 吃了 较少 兔子 兔 吃 饱 兔 饿 死 吃了 较少 的草 吃了 大量 的草 中国农业大学资源与环境学院 基础生态学 第十一讲 生态系统一般特征 * 生态系统的稳定性 生态系统的稳定性（生态平衡）：生态系统通过发育和调节 所达到的一种稳定状态，它包括结构、功能和能量输入和输 出的稳定。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） 中国农业大学资源与环境学院 基础生态学 第十一讲 生态系统一般特征 * 生态系统的稳定性 A C B A是稳定的，且是全局稳定的， B是不稳定的，C是局域稳定的。 中国农业大学资源与环境学院 基础生态学 第十一讲 生态系统一般特征 * 生态系统的开放性 生态系统是一个开放系统（open system）。正因为开放， 生态系统各成分才能不断的交流，促使系统内各成分始终处于动 态之中。 系统方框图 中国农业大学资源与环境学院 基础生态学 第十一讲 生态系统一般特征 * 生态系统的服务功能 生态系统服务(ecosystem service)：由自然系统的生境、物种、生 物学状态、性质和生态过程所生产的物质及其所维持的良好生活环 境对人类的服务性能称生态系统服务。 生态系统服务的主要内涵： 生物生产 生物多样性的维护 传粉、传播种子 生物防治 环境净化 土壤形成及其改良 减缓干旱和洪涝灾害 调节气候 休闲、娱乐 文化、艺术素养生态美的感受 中国农业大学资源与环境学院 基础生态学 第十一讲 生态系统一般特征 * 生态系统的服务功能 例如： 湿地在养分循环、抗干扰和调节、废物处理上具有特别重要意义； 湖泊河流对水调节和水供应、闲旅游具有重要作用； 热带森林的提供项目较多，从养分循环、原材料提供、到防侵蚀、气 候调节和休闲旅游、基因资源等； 近海水域对于养分循环、食品生产和抗干扰调节也具有不少贡献。 把这些点与我们以前所学的生态学知识相联系起来，不但很容易 得到理解，而且证明我们所学生态学原理的应用价值，并说明生态学 工作者年对各级领导能提出有价值的建议。 中国农业大学资源与环境学院 基础生态学 第十一讲 生态系统一般特征 * 生态系统生态学的发展与挑战 生态学 生态系统生态学 个体生态学 种群生态学 Autecology 种群生态学 群落生态学 Population ecology 群落生态学 生态系统生态学 Community ecology 三次 飞跃 研究生态系统的组成要素、结构与功能、发展与演替，以 及人为影响与调控机制的生态科学。 Study of interactions among organisms and their physical environment as an integrated system. 中国农业大学资源与环境学院 基础生态学 第十一讲 生态系统一般特征 * 生态系统生态学在生态学分支中的位置生态系统生态学在生态学分支中的位置 分子生态学 个体生态学 种群生态学 群落生态学 生态系统生态学 景观生态学 区域生态学 全球生态学 生态系统研究水平尺度 ABC 生 态 系 统 研 究 时 间 尺 度 图1 生态系统生态学在生态学科中的定位与研究工作的时空尺度 区域A为微观研究尺度，区域B为核心研究尺度，区域C为宏观研究尺度 中国农业大学资源与环境学院 基础生态学 第十一讲 生态系统一般特征 * 生态系统生态学重点研究内容生态系统生态学重点研究内容 全球 变化 生态 系统 影响与响应 反馈与适应 全球环境变化、生态系统，人类福利的关系 人类福利 传统生态的研 究重点是: 生物与环境的 关系 生态系统生态 学研究重点是 : 全球环境变化 、生态系统， 人类福利的关 系 中国农业大学资源与环境学院 基础生态学 第十一讲 生态系统一般特征 * 生态系统生态学的学科定位 为更好地理解地球系统提供机理基础。 为生态系统管理和可持续发展提供科学依据。 为生态系统的可持续利用提供管理模式和规划。 为政府决策及行业发展提供理论指导和政策依据 。 中国农业大学资源与环境学院 基础生态学 第十一讲 生态系统一般特征 * 生态系统生态学的发展历程生态系统生态学的发展历程 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 60年代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； 70年代人与生物圈计划（MAB）：重点研究人类活动与生物圈关系； 80年代的国际地圈-生物圈计划（IGBP）：主要的目标是：解释和了解调节地 球独特生命环境的相互作用的物理、化学和生物学过程，系统中正在出现的变 化，人类活动对它们的影响方式。 90年代：生物多样性计划（DIVERSITAS），二十一世纪议程，生态系统生 态学走向可持续发展 21世纪:主要研究温室气体浓度的增加；全球氮循环的变化；臭氧层变化；全 球气温升高；海平面上升；土地覆盖变化；生态系统及生物多样性的变化等全 球生态学问题。 中国农业大学资源与环境学院 基础生态学 第十一讲 生态系统一般特征 * 目前有关生态系统的研究工作 自然生态系统的保护和利用 生态系统调控机制的研究 生态系统退化的机制、恢复及其修复研究 全球性生态问题的研究 生态系统可持续发展的研究 中国农业大学资源与环境学院 基础生态学 第十一讲 生态系统一般特征 * 自然生态系统的保护和利用 各种各样的自然生态系统有和谐、高效和健康的共同特点， 许多野外研究表明，自然生态系统中具有较高的物种多样性和群 落稳定性。一个健康的生态系统比一个退化的更有价值，它具有 较高的生产力，能满足人类物质的需求，还给人类提供生存的优 良环境。因此，研究自然生态系统的形成和发展过程、合理性机 制、以及人类活动对自然生态系统的影响，对于有效利用和保护 自然生态系统均有较大的意义。 中国农业大学资源与环境学院 基础生态学 第十一讲 生态系统一般特征 * 生态系统调控机制的研究 生态系统是一个自我调控（Self- regulation）的系统， 这方面的研究包括：自然、半自然和人工等不同类型生态系统 自我调控的阈值；自然和人类 活动引起局部和全球环境变化 带来的一系列生态效应；生物多样性、群落和生态系统与外部 限制因素间的作用效应及其机制。 中国农业大学资源与环境学院 基础生态学 第十一讲 生态系统一般特征 * 生态系统退化的机制、恢复及其修复研究 在人为干扰和其他因素的影响下，有大量的生态系统处于不良 状态，承载着超负荷的人口和环境负担、水资源枯竭、荒漠化和水 土流失在加重等，脆弱、低效和衰退已成为这一类生态系统的明显 特征。这方面的研究主要有：由于人类活动而造成逆向演替或对生 态系统结构、重要生物资源退化机理及其恢复途径；防止人类与环 境关系的失调；自然资源的综合利用以及污染物的处理。 中国农业大学资源与环境学院 基础生态学 第十一讲 生态系统一般特征 * 全球性生态问题的研究 近几十年来，许多全球性的生态问题严重威胁着人类的生 存和发展，要靠全球人类共同努力才能解决的问题，如臭氧层 破坏、温室效应、全球变化等。这方面的研究重点在：全球变 化对生物多样性和生态系统的影响及其反应；敏感地带和生态 系统对气候变化的反应；气候与生态系统相互作用的模拟；建 立全球全球变化的生态系统发展模型；提出全球变化中应采取 的对策和措施等。 中国农业大学资源与环境学院 基础生态学 第十一讲 生态系统一般特征 * 生态系统可持续发展的研究 过去以破坏环境为代价来发展经济的道路使人类社会走进 了死胡同，人类要摆脱这种困境，必须从根本上改变人与自然 的关系，把经济发展和环境保护协调一致，建立可持续发展的 生态系统。研究的重点是：生态系统资源的分类、配置、替代 及其自我维持模型；发展生态工程和高新技术的农业工厂化； 探索自然资源的利用途径，不断增加全球物质的现存量；研究 生态系统科学管理的原理和方法，把生态设计和生态规划结合 起来；加强生态系统管理（ecosystem management）、保持生 态系统健康（ecosystem health）和维持生态系统服务功能（ ecosystem service） 中国农业大学资源与环境学院 基础生态学 第十一讲 生态系统一般特征 * 现代生态学发展的新特征 现代生态学的研究焦点集中在全球的可持续发展； 研究的主要目标是人类如何设计世界经济发展的新 模式，设计生物圈可持续利用计划，保护人类共同 的生存环境(地球生态系统、全球变化生态学)； 研究的核心内容是研究如何实现生态系统可持续管 理； 生态学的研究重点，由研究生物与环境关系转向生 态系统与人类福利关系。 中国农业大学资源与环境学院 基础生态学 第十一讲 生态系统一般特征 * 生态学系统生态学发展的新趋势 全球规模的生态学研究走向以地球生态系统为对 象的综合集成 生态学研究从定性到定量，从系统模拟走向科学 预测 生态学从科学发现、机理认识走向服务于经济、 社会发展和国家利益目标 中国农业大学资源与环境学院 基础生态学 第十一讲 生态系统一般特征 * 现代生态学科学研究工作的新特征 （1）研究对象空间尺度的全球化； （2）研究对象时间尺度的长期化； （3）研究问题的复杂化和综合化； （4）定位式网落观测的自动化； （5）观测项目的综合化和手段多元 化； （6）区域生态环境数据获取的3S化 （RS、GIS和GPS）； （7）研究成果表达的数字化和图象 化； （8）研究目的在以往的现象发现、 规律解释、机理阐明的同时，更加 重视生态系统的调控和管理）。 网络式长期 定位观测 大型国际 科学行动 计划 目标 生态系统的适应性管理 生态环境-经济协调发展 地球生命支持系统的维持 全球变化的人为调节 研究手段 定量化信息技术 组织形式 中国农业大学资源与环境学院 基础生态学 第十一讲 生态系统一般特征 * 生态学系统生态学研究的新思路 多尺度、多过程、多学科、多途径的综合集成 基于生态系统网络的长期观测与联网实验 生态过程研究与数据模型的跨尺度融合 中国农业大学资源与环境学院 基础生态学 第十一讲 生态系统一般特征 * 多尺度、多过 程、多学科、 多途径的综合 集成 基于生态过程的生态系统模型基于生态过程的生态系统模型 气候、土壤、植被气候、土壤、植被, , 碳和水热通量，土地利用和土地覆被碳和水热通量，土地利用和土地覆被 变化的地面观测系统变化的地面观测系统 Bottom - upBottom - up 卫星遥感、航空遥测和近地层定位观测 土壤、植被和生态系统格局和环境要素变化 基于遥感信息的生态系统模型 Top downTop down 生态系统的结构、格局、过程的变化机理 生态系统变化的趋