高中生物《生态系统的结构》文字素材7 中图版必修3

1 生态系统的结构生态系统的结构 拓展提高拓展提高 1 1 系统研究方法在生态学中的应用系统研究方法在生态学中的应用 生态系统是极其复杂的综合系统 单凭传统的定性方法研究 已不能适应深入研究的 需要 因此必须借助于系统分析 system analysis 的方法和技术 所谓系统分析就是利 用数学的概念和方法 采用系统科学的研究途径来解决复杂的系统问题 这一方法来源于 系统科学 其理论基础有 运筹学 控制论 数学及电子计算机原理 自 20 世纪中叶系统 分析方法引入生态学后 它在解决复杂的生态学问题上发挥了巨大的作用 用系统分析方 法研究生态系统各部分的相互联系及其整体功能已成为生态学研究的发展趋势 把系统分析的方法应用于生态学 就称为系统生态学 system ecology 或生态系统 分析 ecosystem analysis 生态学的系统可以很大 也可以很小 大的系统可以包括有 很多生物群落的复杂生态系统 小的系统可以是两个种群组成的捕食 被捕食系统 生态 系统分析是以数学模型为中心的 建立一个系统的模型通常有以下六个逻辑步骤 图 5 3 图 5 3 建立系统模型的步骤 确定模拟对象首先应明确要解决什么问题并且划定它在系统中空间与时间上的界限 与范围 这一步骤不能一次完成 以后还会有变动 确定系统结构即确定组分与组分之间的相互作用 一般来说 模型越复杂越能准确 地描述现实系统 因为所考虑的因素和变量多 但是由于因素增多 参数 变量的数目就 变得庞大 使系统模型难以确切地建立 因此 应根据研究目的及系统本身的特点 确定 适当的变量以及它们之间的相互关系 建立数学模型用一系列数学方程将系统的各个组分之间的相互关系定量描述 建立 数学模型的方法应尽可能简单 着重于有应用价值的模型 而不是追求数学理论与方法的 高深研究 模型的有效性检验也称为模型的验证 verification 在数学模型建立之后 需要 对模型在执行模型对象方面的效应进行分析 如果发现模型的模拟效果很差 即模型未能 将系统的真实性结构包含进去 就需要对模型进一步改进 灵敏度分析即研究输入变量与参数的变化对模型行为的影响 系统的模拟和控制一旦构成了一个有效的模型 就可以应用于模拟自然系统 预测 预报系统的变化趋势 其中包含改变一些参数来预测系统的发展 2 2 生态系统的开放性 整体性原理生态系统的开放性 整体性原理 1 1 生态系统是开放的系统 生态系统是开放的系统 自然生态系统总是与外界进行物质 能量与信息的交流 即使是相对独立的池塘生态 系统也是这样 它的四面八方亦都是与外界相通的 不断有能量和物质的进入和输出 2 生态系统的开放性也表现在熵 entropy 的交换 生态系统不断地摄入能量 并将代谢过 程中所产生的熵排向环境 生态系统的开放性具有重要意义 具体体现为 有开放 才有输入 对一个系统而 言 有输入才有输出 输入的变化总会引起输出的变化 输出是输入的结果 而输入是原 因 开放促进了要素间的交流 开放使生态系统各要素间有了不断的交换 促使系统内 各要素间关系始终处于动态之中 例如 系统内生物个体生理活动和适应性对策的变动 种群之间交流的变化 种与种之间关系的改变等都能在开放环境中得到改善 开放使系 统得到发展 例如 外界气候常常决定生物群落的分布和外貌 也影响到群落的结构和生 产力 无论从长期还是短暂的角度看 气候都是生态系统发生演替的诱发原因 可以说 生态系统的开放性决定了系统的动态和变化 开放给生态系统提供了可持续发展的可能性 开放性原理提示人们在研究生态系统时 应持开放动态的思维 要把研究的对象和生 态系统一起放到周围环境之中 运用开放性原理就能更全面 深刻地揭示事物的本质 2 2 整体性原理 整体性原理 整体性 holism 原理是生态系统的另一重要原理 整体性是指系统的有机整体 其 存在的方式 目标 功能都表现出统一的整体性 任何一个生态系统都是多个要素综合而成的统一体 这个统一体不再是各要素结合前 的分散状态 而是发生了巨大变化 整体性是生态系统要素与结构的综合体现 主要有三 个论点 整体大于各部分之和 当要素按照一定规律组织起来具有综合性的功能时 各 要素在相互联系 相互制约 相互作用下出现了不同的性质 功能和运动规律 尤其是出 现了新质 emergent properties 这是各要素独立存在时所没有的 一旦形成了系统 各要素不能再分解成独立要素存在 如果要硬性分开的话 分解出去的要素就不再具有系 统整体性的特点和功能 各要素的性质和行为对系统的整体性是有作用的 这种作用是 在各要素相互作用过程中表现出来的 各要素是整体性的基础 系统整体如果失去其中一 些关键性要素 也难以成为完整的形态而发挥作用 生态系统的整体性越强 就越像一个无结构的整体 在一定条件下 可以以一个要素 的身份参加到更大的系统中去 这种整体性正是生态系统的实质和核心 生态环境的治理 局部的行动已不能彻底扭转 迫切需要以整体性原则来处理 3 3 生态系统的营养结构生态系统的营养结构 生态系统内各要素之间的作用是通过以食物联系连接的营养结构实现的 营养结构包 括食物链与食物网 1 1 食物链 食物链 食物链是指生产者所固定的能量和物质 通过一系列取食和被食关系在生态系统中传 递 各种生物按其食物联系排列的链状顺序 食物链上的每一环节 称为营养阶层 营养 级 自然生态系统主要有三种类型的食物链 牧食食物链或捕食食物链 是以活的绿色植物为基础 从食草动物开始的食物链 例如 小麦 蚜虫 瓢虫 食虫鸟 碎屑食物链或分解食物链 是以死亡的动植物残体为基础 从真菌 细菌和某些土 壤动物开始的食物链 例如 死亡的动植物残体 跳虫 螨类 食虫昆虫 蜘蛛 食虫鸟 小型哺乳动物 寄生食物链 以活的动植物有机体为基础 从某些专门营寄生生活的动植物开始的 3 食物链 例如 鸟类 跳蚤 鼠疫细菌 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 在短时间内也有 改变 动物在个体发育的不同阶段里 食物的改变 如蛙 就会引起食物链的改变 动物 食性的季节性变化也会引起食物链的改变 因此 食物链往往具有暂时的性质 只有在生 物群落组成中成为核心的 数量上占优势的种类 食物链才是比较稳定的 一般生态系统中的能量在沿着食物链的传递过程中 从前一环节到后一环节 能量大 约要损失 90 左右 能量转化效率大约是 10 因此 越是处于食物链顶端的动物 生 物量越小 能量也就越少 处于顶位的肉食动物最少 以致于不可能再有别的动物以它们 为食 因为从它们身上所获得的能量不足以弥补为搜捕它们所消耗的能量 一般说来 能 量从太阳开始沿着食物链传递几次以后就所剩无几了 所以食物链一般都很短 通常只由 4 5 个环节构成 很少有超过 6 个环节的 2 2 食物网 食物网 在生态系统中 一种生物不可能固定在一条食物链上 而往往同时属于数条食物链 实际上 生态系统中的食物链很少单条 孤立地出现 除非食性是专一的 它们往往相互 交叉 形成复杂的网络式结构 即食物网 食物网形象地反映了生态系统内各生物有机体 间的营养位置和相互关系 生物正是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