生态系统生态学.ppt

DepartmentofEnvironmentalScienceandEngineering 1 群落的概念及基本特征2 群落的种类组成3 群落的结构4 影响群落结构的因素5 主要生物群落类型6 生物群落分布规律7 群落的演替 回顾 上篇 环境生态学基础知识 五 生态系统生态学 1 生态系统的概述2 生态系统的生物生产3 生态系统的能量流动4 生态系统的物质循环5 自然生态系统功能 5 1生态系统的概述 5 1 1生态系统的定义指在一定的空间内 生物成分和非生物成分通过物质循环和能量流动互相作用 互相依存而构成的一个生态学功能单位 这个生态学功能单位称生态系统 英国植物生态学家A G Tansley 1935 提出 5 1生态系统的概述 5 1 2生态系统的共同特征生态系统是生态学上一个主要结构和功能单位 属于生态学研究的最高层次 生态系统内部具有自我调节能力 能量流动 物质循环和信息传递是生态系统的三大功能 生态系统中营养级数目受限于生产者所固定的能值和能量在流动过程中的损失 通常不会超过5 6个 生态系统是一个动态系统 5 1生态系统的概述 5 1 3生态系统的研究内容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理 恢复模型及其修复的研究全球性生态问题的研究生态系统可持续发展研究 5 1生态系统的概述 5 1 4生态系统的组成成分 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 六大组成成分 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 消费者 异养生物 主要指以其他生物为食的各种动物 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 非生物成分 生物成分 生物群落 三大功能群 7 一个简单的陆地生态系统模式图 5 1生态系统的概述 5 1 4生态系统的结构 空间结构时间结构营养结构食物链食物网 5 1生态系统的概述 螳螂捕蝉 黄雀在后 植物 蝉 初级消费者 螳螂 二级消费者 黄雀 三级消费者 鹰 四级消费者 顶极食肉动物 5 1生态系统的概述 1 食物链的定义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 由于受能量传递效率的限制 食物链的长度不可能太长 一般食物链都是由4 5个环节构成的 生态系统中的食物链不是固定不变的 生物扩大作用 biologicalmagnification 如 DDT在海水中浓度为5 0 10 11g 浮游植物含4 0 10 8g 蛤中4 2 10 7g 到银鸥达75 5 10 6g 扩大了百万倍 营养级越高 积累剂量越大 5 1生态系统的概述 2 食物链的类型捕食食物链 grazingfoodchain 又称放牧食物链 以活的动植物为起点的食物链 如草食动物 各级食肉动物 牧草 羊 牛 狼以绿色植物为起点 腐食食物链 detritalfoodchain 又称碎屑食物链 从死亡的有机体或腐屑开始 动植物残体 腐食性动物 肉食性动物 顶级肉食动物以动 植物残体为起点 数量越来越少 5 1生态系统的概述 寄生型食物链 以活的生物为寄主 夺取寄主的物质和能量来维持生存 体型越来越小 数量越来越多 植物 动物 寄生物 更小的寄生物 5 1生态系统的概述 3 食物链的特征食物链的长度通常不超过6个营养级 最常见的4 5个营养级 因为能量沿食物链流动时不断流失 食物链越长 最后营养级位所获得的能量也越少 因为从起点到终点经过的营养级越多 其能量损耗也就越大 食物链或食物网的复杂程度与生态系统的稳定性直接相关 生态系统中的食物链不是固定不变的 它不仅在进化历史上有改变 在短时间内也会发生变化 5 1生态系统的概述 4 食物网生态系统中许多食物链彼此交错连接 形成的一个网状结构 一般说来 生态系统中的食物网越复杂 生态系统抵抗外力干扰的能力就越强 其中一种生物的消失不致引起整个系统的失调 生态系统的食物网越简单 生态系统就越容易发生波动和毁灭 尤其是在生态系统功能上起关键作用的种 一旦消失或受严重损害 就可能引起这个系统的剧烈波动 一个复杂的食物网是使生态系统保持稳定的重要条件 5 1生态系统的概述 5 1 5营养级与生态金字塔 1 营养级指处于食物链某一环节上的所有生物种的总和 营养级间的关系已经不是一种生物同另一种生物之间的关系 而是指某一层次上的生物和另一层次上的生物之间的关系 生态系统中的能流是单向的 通过各个营养级的能量是逐级减少的 减少的原因是 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 各营养级的同化率也不是百分之百的 总有一部分变成排泄物 各营养级生物要维持自身的生命活动 总是有一部分能量变成热能而耗散掉 5 1生态系统的概述 2 生态锥体是表示生态系统中能流量 生物量和生物个体数量在各营养级分布比例的图形 以方框长度代表各级能流量 生物量或个体数量的大小 并按营养级顺序由下而上叠置在一起 也称为生态金字塔 能量金字塔 生物量金字塔 数量金字塔 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 数量金字塔 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 只用个体数目多少来说明问题有局限性 5 2生态系统的生物生产 生物生产的基本概念生物生产生物量与生产量初级生产总初级生产与净初级生产影响初级生产的因素初级生产量的测定方法次级生产次级生产的基本特点次级生产量的测定方法 5 2 1生物生产的概念 生物生产 是生态系统重要功能之一 生态系统不断运转 生物有机体在能量代谢过程中 将能量 物质重新组合 形成新的产品的过程 称生态系统的生物生产 生物生产常分为个体 种群和群落等不同层次 生态系统中绿色植物通过光合作用 吸收和固定太阳能 从无机物合成 转化成复杂的有机物 由于这种生产过程是生态系统能量贮存的基础阶段 因此 绿色植物的这种生产过程称为初级生产 primaryproduction 或第一性生产 初级生产以外的生态系统生产 即消费者利用初级生产的产品进行新陈代谢 经过同化作用形成异养生物自身的物质 称为次级生产 secondaryproduction 或第二性生产 5 2 1生物生产的概念 生物量 biomass 某一特定观察时刻 某一空间范围内 现有有机体的量 它可以用单位面积或体积的个体数量 重量 狭义的生物量 或含能量来表示 因此它是一种现存量 standingcrop 现存的数量以N表示 现在的生物量以B表示 现存生物量通常用平均每平方米生物体的干重 g m 2 或平均每平方米生物体的热值来表示 J m 2 生产量 production 是在一定时间阶段中 某个种群或生态系统所新生产出的有机体的数量 重量或能量 它是时间上积累的概念 即含有速率的概念 有的文献资料中 生产量 生产力 productionrate 和生产率 productivity 视为同义语 有的则分别给予明确的定义 生物量和生产量是不同的概念 前者用量表示 反映种群或生态系统改变的瞬时结果 后者用速度表示 反映其改变的连续过程 如一个池塘 1000公斤 米3表示生物量 而1000公斤 米3 年表示生产量 5 2 1生物生产的概念 5 2 2初级生产 1 初级生产过程 初级生产过程可用下列方程式概述 光能6CO2 6H2OC6H12O6 6O2叶绿素 5 2 2初级生产 2 总初级生产与净初级生产总初级生产 grossprimaryproduction GP 与净初级生产 netprimaryproduction NP 植物在单位面积 单位时间内 通过光合作用固定太阳能的量称为总初级生产 量 常用的单位 J m 2 a 1或gDW m 2 a 1 植物总初级生产 量 减去呼吸作用消耗掉的 R 余下的有机物质即为净初级生产 量 二者之间的关系可表示如下 GP NP R NP GP R 5 2 2初级生产 3 影响初级生产的因素 5 2 2初级生产 4 初级生产量的测定方法 产量收割法 收获植物地上部分烘干至恒重 获得单位时间内的净初级生产量 氧气测定法 总光合量 净光合量 呼吸量二氧化碳测定法 用特定空间内的二氧化碳含量的变化 作为进入植物体有机质中的量 进而估算有机质的量 pH测定法 水体中的pH值随着光合作用中吸收二氧化碳和呼吸过程中释放二氧化碳而发生变化 根据pH值变化估算初级生产量 5 2 2初级生产 叶绿素测定法 叶绿素与光合作用强度有密切的定量关系 通过测定体中的叶绿素可以估计初级生产力 放射性标记测定法 把具有14C的碳酸盐 14CO32 放入含有天然水体浮游植物的样瓶中 沉入水中 经过一定时间的培养 滤出浮游植物 干燥后 测定放射性活性 确定光合作用固定的碳量 由于浮游植物在黑暗中也能吸收14C 因此 还要用 暗吸收 加以校正 5 2 2初级生产 黑白瓶法 通过氧气变化量测定总初级生产量1927年T Garder H H Gran用于测定海洋生态系统生产量 从一定深度取自养生物的水样 分装在体积为125 300ml的白瓶 透光 黑瓶 不透光 和对照瓶中 对照瓶测定初始的溶氧量IB 黑白瓶放置在取水样的深度 间隔一定时间取出 用化学滴定测定黑白瓶的的含氧量DB LB 计算呼吸量 IB DB 净生产量 LB IB 总生产量 LB DB 5 2 3次级生产 1 次级生产过程净初级生产量是生产者以上各营养级所需能量的唯一来源 次级生产是指动物和其他异养生物的生产 次级生产量的一般生产过程可概括于下面的图解中 37 次级生产量 5 2 3次级生产 2 次级生产量的测定方法 按已知同化量A和呼吸量R 估计生产量PP C Fu R Fu 尿粪量根据个体生长或增重的部分Pg和新生个体重Pr 估计PP Pg Pr根据生物量净变化 B和死亡损失E 估计PP B E 5 3生态系统的能量流动 生态系统能量流动规律生态系统中能流途径能量流动的生态效率 5 3 1生态系统能量流动规律 生态系统是一个热力学系统 生态系统中能量的传递 转换遵循热力学的两条定律 第一定律 能量守恒定律 能量可由一种形式转化为其他形式的能量 能量既不能消灭 又不能凭空创造 第二定律 熵律 任何形式的能 除了热 转化到另一种形式能的自发转换中 不可能100 被利用 总有一些能量作为热的形式被耗散出去 熵就增加了 5 3 1生态系统能量流动规律 生态系统中能流特点 规律 能流在生态系统中是变化着的 能流是单向流 能量在生态系统内流动的过程 就是能量不断递减的过程 能量在流动过程中 质量逐渐提高 5 3 2生态系统能量流动的途径 捕食食物链和腐食食物链是生态系统能流的主要渠道 能量流动以食物链作为主线 将绿色植物与消费者之间进行能量代谢的过程有机地联系起来 捕食食物链的每一个环节上都有一定的新陈代谢产物进入到腐食食物链中 从而把两类主要的食物链联系起来 能量在各营养级之间的数量关系可用生态金字塔表示 5 3 2能量流动的生态效率 生态效率 ecologicalefficiencies 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关系 最重要的生态效率有同化效率 生长效率 营养级内部 消费或利用效率 林德曼效率 营养级之间 5 3 2能量流动的生态效率 同化效率 assimilationefficiency AE 衡量生态系统中有机体或营养级利用能量和食物的效率 对生产者来说 同化效率 被植物固定的能量 吸收的能量 对消费者来说 同化效率 同化量 摄取量 生长效率 growthefficiency GE 同一个营养级的净生产量与同化量的比值 即生长效率 营养级位N的净生产量 营养级位N的同化量 2020 3 18 45 可编辑 5 3 2能量流动的生态效率 消费或利用效率 comsumptionefficiency CE 一个营养级对前一个营养级的相对摄取量 即 消费效率 在营养级位N的摄取量 在营养级位N 1的净生产量 林德曼效率 Lindemanefficiency 某营养级位对上一个营养级位的能量利用效率 即 林德曼效率 营养级位N的同化量 营养级位N 1的同化量 林德曼效率 5 4生态系统的物质循环 生物地化循环水循环气体型循环沉积型循环 5 4 1生物地化循环 矿物元素在生态系统之间的输入和输出 它们在大气圈 水圈 岩圈之间以及生物间的流动和交换称生物地 球 化 学 循环 1 概念 指组成生物体的C H O N P S等基本元素在生态系统的生物群落与无机环境之间反复循环运动叫生态系统的物质循环 5 4 1生物地化循环 物质循环不同于能量流动 前者在生态系统中的运动是循环的 生物地化循环可以用库和流通率两个概念来描述 库是由存在于生态系统某些生物或非生物成分中一定数量的某种化学物质所构成的 可分为贮存库和交换库 前者的特点是库容量大 元素在库中滞留的时间长 流动速率小 多属于非生物成分 交换库则容量较小 元素滞留的时间短 流速较大 物质在生态系统单位面积 或单位体积 和单位时间的移动量称流通率 2 特点 5 4 1生物地化循环 生物地化循环在受人类干扰以前一般是处于一种稳定的平衡状态 元素和难分解的化合物常发生生物积累 生物浓缩和生物放大现象 影响物质循环速率的因素 1 元素的性质 有的元素循环的速率快 而有的则比较慢 这是元素化学特性和被生物有机体利用的方式不同所决定的 如CO21年 N100万年 2 生物的生长速率 决定生物对物质吸收的速率以及物质在食物网中运动的速度 3 有机物质腐烂的速率 适宜的环境有利于分解者的生存 并使有机体很快分解 供生物重新利用 4 人类活动的影响 开垦农田和砍伐森林引起土壤矿物质的流失 影响物质循环速率 化石燃烧把硫和二氧化硫释放大气中 5 4 1生物地化循环 2 类型 水循环气体型循环沉积型循环 5 4 2水循环 水循环的意义 水是所有营养物质的介质 水对物质是很好的溶剂 水是地质变化的动因之一 水循环的途径人类活动对水循环的影响 空气污染和降水 改变地面 增加径流 过度利用地下水 水的再分布 5 4 2水循环 5 4 3气体型循环 氧循环碳循环氮循环 碳的重要性 生命元素 能量流动碳库 海洋和大气 生物体碳的存在形式 CO2 无机碳 有机碳主要循环过程生物的同化和异化过程大气和海洋间的CO2交换碳酸盐的沉淀作用人类活动对碳循环造成严重影响 引起气候变化的主要原因 碳循环 carboncycle 碳循环 carboncycle 氮循环 氮的重要性 组成蛋白质和核酸的主要成分 氮库 大气 土壤 陆地植被生物可利用的氮的形式 NO32 NO22 NH4 氮循环的主要过程 固氮作用 nitrogenfixation 氨化作用 ammonification 硝化作用 nitrification 反硝化作用 detrification 氮循环 nitrogencycle 5 4 4沉积型循环 磷循环硫循环 磷循环 1 磷循环属典型的沉积循环 2 磷以不活跃的地壳作为主要贮存库 3 磷的循环过程 岩石经土壤风化释放的磷酸盐和农田中施用的磷肥 被植物吸收进入植物体内 沿食物链传递 并以粪便 残体或直接以枯枝落叶 秸秆归还土壤 含磷有机化合物经土壤微生物的分解 转变为可溶性的磷酸盐 可再次供给植物吸收利用 这是磷的生物小循环 一部分磷脱离生物小循环进入地质大循环 动植物遗体在陆地表面的磷矿化磷受水的冲蚀进入江河 流入海洋 磷循环 phosphoruscycle 硫循环 硫的主要蓄库是岩石圈 有机和无机沉积物 沉积物的硫酸盐主要通过自然侵蚀和风化或生物的分解以盐溶液形式进入陆地和海洋生态系统 循环过程 陆地和海洋中的硫通过生物分解 火山爆发等进入大气 大气中的硫通过降水和沉降 表面吸收等作用 回到陆地和海洋 地表径流又带着硫进入河流 输往海洋 并沉积于海底 在人类开采和利用含硫的矿物燃料和金属矿石的过程中 硫被氧化成为二氧化硫 SO2 和还原成为硫化氢 H2S 进入大气 硫还随着酸性矿水的排放而进入水体或土壤 硫循环 sulfurcycle 5 5自然生态系统功能 生态系统格局森林生态系统草原生态系统荒漠和苔原生态系统水域生态系统 5 5 1自然生态系统格局 5 5 1 1生态系统类型及分布 5 5 1自然生态系统格局 5 5 1 2陆地生态系统的分布规律 纬度地带性经度地带性垂直地带性 5 5 1自然生态系统格局 1 纬度地带性 由于太阳高度角及其季节变化因纬度而不同 太阳辐射量及与其相关的热量也因纬度而异 从赤道向两极温度递减 由于热量沿纬度变化 出现群落和生态系统类型的有规律更替 如从赤道向北极依次出现热带雨林 常绿阔叶林 落叶阔叶林 北方针叶林与苔原 5 5 1自然生态系统格局 2 经度地带性 在北美和欧亚大陆 由于海陆分布格局与大气环流特点 水分梯度常沿经向变化 因而导致群落和生态系统经向分异 即由沿海湿润区的森林 经半干旱的草原至干旱的荒漠 与纬度地带性表现的自然规律不同 经度地带性是局部大陆的自然地理现象 5 5 1自然生态系统格局 3 垂直高度地带性 在北美和欧亚大陆 由于海陆分布格局与大气环流特点 水分梯度常沿经向变化 因而导致群落和生态系统经向分异 即由沿海湿润区的森林 经半干旱的草原至干旱的荒漠 与纬度地带性表现的自然规律不同 经度地带性是局部大陆的自然地理现象 海拔高度每升高100米 气温下降0 4 0 6 降水最初随高度增加而增加 超过一定高度增加而降低 由于海拔高度的变化 常引起群落和生态系统有规律的更替 表现垂直带谱 山地季雨林 山地常绿阔叶林 落叶阔叶林 针阔混交林 针叶林 高山矮曲林 高山草原与高山草甸 高山永久冻土带 5 5 2森林生态系统 5 5 2 1森林生态系统的特征 生物种类多 结构复杂 系统稳定性高 物质循环的封闭程度高 生产效力高 5 5 2森林生态系统 5 5 2 2森林生态系统的功能 具有综合的环境效益 调节气候 涵养水源 保持水土 作为生物遗传资源库 5 5 2森林生态系统 5 5 2 3我国的森林资源现状 我国森林生态系统的主要问题 森林生态系统比例小 地理分布不均匀 森林生态系统生物群落结构发生变化 系统自身调节能力下降 恢复和重建速度慢 森林生态系统破坏的生态危害 促进沙漠化的过程 对大气化学产生影响 引起气候变化 增加自然灾害发生的频率 5 5 2森林生态系统 我国森林生态系统恢复和重建对策 加快森林生态战略工程的建设 增大比例 改变格局 积极推广农林复合生态系统的建设 尽快建立南方用材林基地 加强科学管理 发挥现有森林综合效益潜力 5 5 3草原生态系统 5 5 3 1草原生态系统的类型 我国有大面积的温带草原 且类型丰富 主要类型有以下几类 1 疏林草原分布在气候湿润的森林边缘或疏林地区 适宜发展畜牧业 2 草甸草原分布在气候适宜 雨量适中的地区 也比较适宜发展畜牧业 3 干草原分布在半干旱地区 草况不如上两种草原 可适当发展畜牧业 4 荒漠草原分布在干旱地区 草很少 不适宜发展畜牧业 5 高山或高原草原分布在高山和高原 有些发展畜牧业 5 5 3草原生态系统 5 5 3 2草原生态系统的特点 草原生态系统中生产者的主体是禾本科 豆科和菊科等草本植物 优势植物以丛生禾本科为主 垂直结构通常分为三层 草本层 地面层和根层 气候 温度 对草原植物有明显的影响 草原生态系统中的初能消费者有适于奔跑的大型草食动物 穴居的啮齿动物以及小型的昆虫等 食肉动物有狼 狐 鼬 猛禽等 初级生产量在所有的陆地生态系统中居中等或中等偏下水平 5 5 3草原生态系统 5 5 3 3草原生态环境恶化的原因 超载过牧 不适宜的农垦 人类对资源的掠夺性开采 5 5 3草原生态系统 5 5 3 4草原生态系统恢复和保护政策 实行科学管理 发展人工草场 建立牧业生产新体系 5 5 4荒漠和苔原生态系统 5 5 4 1荒漠生态系统类型 荒漠生态系统 desertecosystem 是地球上最为干旱的地区 其气候干燥 蒸发强烈 由超旱生的小乔木 灌木和半灌木占优势的生物群落与其周围环境所组成的综合体 有石质 砾质和沙质之分 习惯上称石质 砾质的荒漠为戈壁 gobi 或戈壁沙漠 gobidesert 沙质荒漠为沙漠 sandydesert 5 5 4荒漠和苔原生态系统 5 5 4 2荒漠生态系统的特征 生态环境严酷 荒漠生物群落极为稀少 植被丰富度极低 植物群落以超旱生小乔木和半木本植物为优势物种 生态系统生物物种极度贫乏 种群密度稀少 生态系统脆弱 5 5 4荒漠和苔原生态系统 5 5 4 3荒漠化及荒漠化防治 荒漠化 desertification 是指在干旱 半干旱地区和一些半湿润地区 生态环境遭到破坏 植被稀少或缺少 土地生产力有明显的衰退或丧失 呈现荒漠或类似荒漠景观的变化过程 我国的荒漠化土地占国土面积的8 5 5 4荒漠和苔原生态系统 荒漠化的主要危害 对土地资源的损害 造成作物死亡 毁坏各种建设工程 损害水利 河道的正常效益 对通讯和输电线路的危害 引起沙尘暴 荒漠化防治对策 加强领导 重视保护濒临荒漠化的生产性用地 加强综合整治工作 因地制宜进行治理 5 5 4荒漠和苔原生态系统 5 5 4 4苔原生态系统的特征 苔原生态系统 tundraecosystem 是由极地平原和高山苔原的生物群落与其生存的环境所组合成的综合体 主要特征是低温 生物种类贫乏 生长期短 降水量少 我国的苔原为山地苔原 存在于温带东部的长白山和西部的阿尔泰山高山带 5 5 5水域生态系统 5 5 5 1水域生态系统的类型可分为淡水和海洋两