生态学期末总复习资料（完整版）

生态学主讲刘家武单位生命科学学院动物学教研室联系JIAWULIUSOHUCOM电话6309856020世纪20年代起，由于人口增长、工业发展、城市化速度加快，人类开始面临许多新的问题和挑战，这些都涉及人类的生存与发展。例如人口问题、环境问题、资源问题、能源问题、粮食问题等。第一章生态学概述尤其是60年代以后，这些问题日益严重，出现了多方面的危机。这些危机的控制和解决，都要以生态学为基础。因而引起各国政府和科学家对生态学的关注。地球人意识到，人类只是地球生物圈大家庭的一个成员，且只能与这个星球同命运、共存亡。人类社会的发展如果不按生态学规律办事，只能带来人类与地球的共同厄运。很少有象生态学这样一门科学与人类的生存在时空尺度，在自然、社会和经济等方面有如此紧密的联系。人类要以生态学原则来调整人类与自然、资源和环境的关系。所以生态学应该是我们每个人必需认真学习的科学。目前，生态学研究的重点从理论生态学向应用生态学扩展，并且渗透到地学、经济学及农、林、牧、渔、医药卫生、环境保护、城乡建设等各个部门。一、生态学的定义不同学者对生态学有不同的定义德国动物学家HAECKEL（1866年）最早给生态学定义（ECOLOGY）生态学是研究有机体与周围环境之间相互关系的科学。澳大利亚生态学家ANDREWARTHA1954生态学是研究有机体的分布与多度的科学。强调了对种群动态的研究。美国生态学家ODUM1953，1959，1971，1983生态学是研究生态系统的结构与功能的科学。我国著名生态学家马世骏生态学是研究生命系统和环境系统相互关系的科学。综合生态学是研究生物与环境相互作用过程及其规律的科学，其目的是指导人与生物圈的协调发展。由于各地自然条件、植物区系、植被特征与利用是巨大差异，使植物生态学在研究理论、研究方法、研究重点上有所不同，形成了不同的生态学派，主要有四大学派。英美学派代表人物是美国CLEMENTS和英TANSLEY，研究对象主要是美洲大陆的植被，以研究植物群落的演替和创建顶级学说而著名。北欧学派代表人物为RIETZ，研究对象主要是斯堪的纳维亚地区结构单一的植被，以注重群落结构分析为特点。法瑞学派代表人物是BRAUMBLANQUET，注重群落生态外貌，强调特征种的作用，研究中首先对样地中植物区系进行调查、记录和分析。俄国学派代表人物是CYKAYEB，植物（群落）与地学结合。4、现代生态学时期（20世纪60年代至今）生态学研究已在宏观方向上扩展到生态系统、景观和全球生态研究。在生态系统水平上，对各生态类群的生产力、能量流动与物质循环研究取得了丰硕成果。生态学在微观方向上取得了进展，出现了分子生态学等分支学科。研究手段进展较快，野外自动电子仪器、放射性同位素示踪、稳定性同位素、遥感与地理信息系统、生态建模等技术应用到现代生态学。生态学与生理学、遗传学、行为学、进化论等生物学各分支领域结合形成新领域，与数学、地学、化学、物理学等自然科学相交叉，产生边缘学科；并与经济学、社会学、城市科学相结合。生态系统理论与农、林、牧、渔各业生产、环境保护和污染处理相结合，并发展为生态工程。生态学成为自然科学和社会科学相接的真正桥梁之一。（ODUM生态学1997）目前（现代生态学）研究的几个热点生物多样性及其保护；全球变化的生态效应及其对策；可持续发展。近10年，在迫切要求解决环境、自然保护、资源管理、害虫控制等影响下，现代生态学以整体观和系统观为指导思想，研究生态系统的结构、功能和调控，甚至自然一社会一经济复合生态系统的研究已成为最时髦的领域。从理论走向应用。生态学原理与人类各个实践领域密切结合，产生良好的经济、生态和社会效益。许多学者认为，生态学原理是指导解决世界环境问题的理论基础环境学家应用生态学原理解决了许多环境问题；农学家运用生态学理论研究农业生态系统、解决粮食问题；生态学与经济学密切结合，生态经济学应运而生，大型经济活动对生态环境影响及其宏观经济价值，均要以生态学观点进行评价和分析。城市规划也要求生态学家参加研究、设计和评价。以模拟自然生态系统的物质多层利用和物种共生原理的生态工程思想开始明确，并逐渐为社会广泛接受。（一）生态学是研究生物与环境、生物与生物之间相互关系的一门生物学分支学科1、按生物学组织层次分，研究对象为基因、细胞、器官、有机体、种群、群落、生态系统等，研究它们与环境之间的相互关系。2、按生物类群分，研究对象为植物、微生物、昆虫、鱼类、鸟类、兽类等单一的生物类群，研究它们与环境之间的相互关系。三、生态学研究的对象和内容生态学一览生物大分子DNA细胞CELL组织器官TISSUE各成分之间的联系是营养1、食物链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。三、食物链和食物网食物链中每一个生物成员称为营养级。生态系统中的食物链不是固定不变的，在动物发育的不同阶段、不同季节、不同年分中，自然界食物条件的改变都会引起食物链结构的变化。食物链类型1）捕食食物链指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。如植物植食性动物肉食性动物。草原上的青草野兔狐狸狼。湖泊中的藻类甲壳类小鱼大鱼。2）碎食食物链以碎食（植物的枯枝落叶等）为起点的食物链。森林中90的净生产以食物碎食方式被消耗。例如碎食物碎食物消费者小型肉食性动物大型肉食性动物。3）寄生性食物链生物间以寄生物与寄主的关系而构成食物链。它以大型动物为食物链起点。如哺乳类或鸟类跳蚤原生动物细菌病毒。4）腐生性食物链以动、植物的遗体或粪便为食物链起点，也称分解链。如动植物遗体或粪便真菌、细菌原生动物土壤动物节肢动物。食物链的特点1）在同一个食物链中，常包含有食性和其它生活习性极不相同的多种生物。2）在同一个生态系统中，可能有多条食物链，它们的长短不同，营养级数目不等。由于在一系列取食与被取食的过程中，每一次转化都将有大量化学能变为热能消散。因此，自然生态系统中营养级的数目是有限的。在人工生态系统中，食物链的长度可以人为调节。3）在不同的生态系统中，各类食物链的比重不同。4）在任一生态系统中，各类食物链总是协同起作用。2、食物网在生态系统中，一种生物往往以多种生物为食，食物链彼此交错连结形成一个网状结构。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。四、生态系统的物种流动1、物种流（SPECIESFLOW）指物种在生态系统内的时空变化的状态。物种流是生态系统一个重要过程，它扩大和加强了不同生态系统间的交流和联系。2、对物种流的理解（1）生物与环境相互作用产生的时间和空间变化过程；（2）物种在生态系统内格局和数量的动态，反映了物种关系状态，如寄生、捕食、共生等；（3）生物群落中物种组成、配置，营养结构变化，外来种和本地种的相互作用，生态系统对物种增加和空缺的反应等。（4）物种既是遗传单元，又是适应变异的单元。同一物种个体可自由交配，共享共有的基因库，所以物种流意味着基因流。3物种流的特点（1）迁移和入侵。物种的空间变动分为无规律的生物入侵和有规律的迁移两类。迁移指动物依靠主动和自身行为进行扩散和移动，有一定的途径和线路，跨越不同的生态系统。生物入侵指生物由原发地侵入到另一个新的生态系统的过程，入侵成功与否决定于多方面因素。（2）有序性。个体移动有季节先后；有年幼、成熟个体的先后。（3）连续性。个体在生态系统内运动常连续不断。（4）连锁性。物种向外扩展常是成批的。如东亚飞蝗先是少数个体起飞，然后带动大量蝗虫起飞。4、物种流对生态系统的影响（1）物种的增加和去除对生态系统产生影响关岛的18种本地鸟中有17种处于濒危和绝灭境地。原因是该岛引进了一种天敌黑尾林蛇。它不仅捕食岛上鸟类，造成大量鸟类绝灭，而且对岛上的夜行蜥蜴亦产生了同样的结果。（2）入侵物种通过资源利用改变了生态过程晶态冰树入侵美国加利福尼亚的群岛，带来土壤盐份变化。这种树在利用土壤盐份方面不同于群落中其他物种，它能使土壤表面的盐份加重和沉积。改变了土壤的营养输送过程，沉积盐又抑制了其他植物萌发和生长。这些岛屿就成为单一晶态冰树的生长区。消除了不能以冰树为食的动物，从而改变了群岛生态系统的营养结构。有的入侵物种改变资源的利用或资源更新，从而改变资源的利用率。大西洋加那利群岛上生长的一种固氮植物称为火树，侵入夏威夷，占据了岛上大部分湿地和干树林。这些树每年给土壤所固定的氮是本地植物固氮的4倍，早在1800年夏威夷火山周围的灰质壤，缺乏氮肥。火树入侵后，土壤含氮量大增，提高了生产力，促进了矿质营养的循环，为新的入侵物种提供了沃土。（3）物种丧失、空缺对分解作用及其速率产生影响印度洋马里恩岛上缺乏食草性哺乳动物，生态系统中的食碎屑动物占重要位置，如象鼻虫、蜗牛和蚯蚓等。马里恩无翅蛾是本地特有种，是处理有机物的主要物种，CRAFFORD1990估算，无翅蛾每年分解的落叶占该岛最大初级生产量的50。SMITH做试验，把幼虫放入有落叶的微环境中，氮和磷的矿化作用得到加强，氮提高到10倍，磷提高到3倍。结论无翅蛾是岛上营养物质矿化作用中的最主要角色。1818年，猎海豹的海轮把小家鼠偶尔带到岛上。小家鼠多以无脊椎动物为食，取食无翅蛾占食物总量的5075，造成至少1000KG/HM2落叶不能分解。如果没有小家鼠，蛾类幼虫处理落叶应是2500KG/（HM2年）。显然，小家鼠的进入，使无翅蛾和其他无脊椎动物空缺，改变了马里恩岛生态系统物质循环过程。（4）对生态系统的间接影响外来种侵入后改变原有生态系统的干扰机制，从而改变了生态过程。热带一些岛屿普遍受到火的干扰。例如，在大洋州岛屿上引入外来草种，通过增加落叶层积累燃料，增加了火的发生频率，而本地种原先几乎没有和火接触的机会。因此区域内火燃烧后，本地种的多度和数量会急剧下降。总之，外来种一旦入侵成功对生态系统的影响是多方面的1）改变原有系统内的成员和数量；2）改变了系统内营养结构；3）改变了干扰、胁迫的机制；4）获取和利用资源上不同于本地物种。只要具备其中的一条，许多入侵的外来种就能够直接或间接地改变生态系统过程。五、生态系统的能量流动1、生态系统中能量存在的形式（1）辐射能。太阳的辐射能在植物光化学反应中起重要作用。（2）化学能。是生命活动基本的能量形式。（3）机械能。动物能够独立活动就是基于肌肉释放的机械能。（4）电能。电子运动对生命有机体的能量转化非常重要。（5）生物能。凡参与生命活动任何形式的能量均称为生物能。上述各种形式的能，最终都要转化为热能。生态系统中不同形式的能量可以贮存和相互转化。2、生态系统中的能源太阳辐射能是生态系统中的能量的最主要来源。红外线产生热效应，形成生物的热环境；紫外线具有消毒灭菌和促进维生素D生成的生物学效应；可见光为植物光合作用提供能源。除太阳辐射外，对生态系统发生作用的一切其他形式的能量统称为辅助能。辅助能分为自然辅助能（如潮汐作用、风力作用、降水和蒸发作用）和人工辅助能（如施肥、灌溉）。辅助能不能直接转换为生物化学潜能，但可以促进辐射能的转化，对生态系统中光合产物的形成、物质循环、生物的生存和繁殖起着极大的辅助作用。3、生态系统中的能流路径路径为能量以日光形式进入生态系统，以植物物质形式贮存起来的能量，沿着食物链和食物网流动通过生态系统，以动物、植物物质中的化学能形式贮存在系统中，或作为产品输出，离开生态系统；或经消费者和分解者的呼吸释放的热能自系统中丢失。这是因为1）各营养级消费者不可能100利用前一营养级的生物量；2）各营养级的同化作用也不是100，总有一部分不被同化；3）生物维持生命过程中进行新陈代谢，总要消耗一部分能量。4、能量流动特点1）能量转换符合热力学第一定律（能量转化和守恒）。2）能量流动是单方向、非循环的。3）能量沿食物链方向流动，逐级递减。每经一个营养级的剩余能量为原有能量的1/10，其余的都消耗了。5、营养级和能量金字塔（1）营养级营养级是食物网内从生物到生物的消费者阶梯，处于食物链某一环节上所有生物种的总和。营养级一般不超过6级；为了分析方便，常根据动物的主要食性来决定它们的营养级。生产者（绿色植物等）为第一营养级；所有以生产者为食的动物（即一级消费者）为第二营养级。二级消费者为第三营养级。以此类推。生态金字塔类型数量金字塔生物量金字塔能量金字塔能量能量流失能量金字塔（2）生态金字塔由于能量经过一个营养级时被净同化的部分要大大少于前一营养级，当营养级由低到高、其个体数目、生物量或所含能量就呈现塔形分布，称为。能量锥体保持金字塔形，因为能量逐级减少。生物量和数量锥体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。六、生态效率生态效率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例。特指某一营养级的能量输出和输入间的比率。1、常用的几个能量参数1）摄取量（I）一个生物所摄取的能量。对植物来说就是光合作用所吸收的日光能；对动物而言就是动物吃进的食物能。2）同化量（A）动物消化道内被吸收的能量；分解者对细胞外产物的吸收能；植物光合作用所固定的日光能，即总初级生产量（GP）。3）呼吸量（R）生物在呼吸等新陈代谢和各种活动中所消耗的全部能量。4）生产量（P）生物呼吸消耗后所净剩的同化能量值。它以有机物质的形式积累在生物体内或生态系统中。PAR2、营养级位之内生态效率1）同化效率被植物固定的能量/吸收的日光能被动物吸收的能量/动物的摄食能一般肉食性动物的同化效率高于植食性动物。2）生长效率，包括组织生长效率和生态生长效率。组织生长效率N营养级的净生产量/N营养级的同化能量生态生长效率N营养级的净生产量/N营养级的摄入量生长效率通常植物动物；小型动物大型动物；幼年的年老的；变温动物恒温动物；组织生长效率生态生长效率。3、营养级位之间生态效率1）消费效率（或利用效率）消费效率（N1）营养级的摄入量/N营养级的净生产量利用效率（N1）营养级的同化量/N营养级的净生产量消费效率可用来度量一个营养级位对前一营养级位的相对采食压力，此值一般为2535。2）林德曼效率林德曼效率N1营养级的同化量/N营养级的同化能量或生态生长效率N1营养级的摄取量/N营养级的摄入量相当于同化效率、生长效率和消费效率的乘积。林德曼效率的比值大约为1/10，不同的生态系统不一样，高可达30，低则1或更低。第二节生态系统的反馈调节和生态平衡一、生态系统的反馈调节反馈分为正反馈和负反馈。负反馈调节使生态系统保持稳定，较常见。正反馈调节使生态系统偏离加剧，比较少见。生态系统具有负反馈的自我调节机制，因此生态系统通常会保持自身的生态平衡。二、生态平衡1、生态平衡指生态系统通过发育和调节所达到的动态平衡状态。在这种状态下，其结构和功能相对稳定，能量输入、输出稳定；在外来干扰下，通过自然调节（或人为调控）能恢复原来的稳定状态。2、生态平衡的特征动态平衡；整体性。生态平衡是生态系统结构和功能统一的体现。三、生态平衡的失调和破坏当外来干扰超越生态系统自我调节能力，而不能恢复到原来状态的现象称为生态失调，或生态平衡破坏。1、发生的原因1）生物种类的改变。生态系统中引进一个新种或某个主要成分突然消失，都可能给生态系统造成巨大影响。据估计，每消失1种植物，将引起相关的2030种动物随之消失。原因2）生态系统结构的破坏（物种减少、食物链破坏）。如森林和植被的破坏，不仅减少了固定太阳能量，必将引起异养生物的大量死亡。森林和植被的破坏原因3）环境破坏，污染物增加。如不合理的资源利用、水土流失、气候干燥、水源枯涸等，都会使生态系统失调，生态平衡遭到破坏。水源枯涸环境污染原因4）大型工程等（人为因素）；天灾，如地震（自然因素）。大型工程（如水利水电工程）2、生态失调的标志生态系统生产力下降；资源退化；污染物增多；灾害增多；生物多样性下降。3、解决生态平衡失调的对策时刻关注生态系统，尽早发现失调信号。以生态学原理为指导保护生态系统，预防生态失调。1）协调人与自然的矛盾，实行利用和保护兼顾的策略。其原则是收获量要小于净生产量；保护生态系统自身调节机制（保护森林植被，保护生物多样性）；用养结合；实施生物能源的多级利用。2）提高生态系统抗干扰能力，建设高产、稳产的人工生态系统。3）注意政府的干预和政策的调节。4）正确处理几种关系正确处理保持生态平衡与开发资源的关系；正确安排环境供需相对平衡；维持生物间的制约关系；妥善处理部分与全局的关系，使生态系统处于优化状态。第三节生态系统的生物生产力一、生态系统的初级生产1、初级生产的基本概念初级生产生产者（主要为绿色植物）把太阳能转变为化学能的过程。也称第一性生产。初级生产量（第一性生产量）植物所固定的太阳能或所制造的有机物质的数量。净初级生产量NP在初级生产过程中，植物固定的能量一部分被植物自己呼吸消耗掉，剩下的可用于植物的生长和生殖的这部分生产量。净初级生产量代表着植物净剩下来可供生态系统中其它生物（主要是各种动物和人）利用的能量。总初级生产量GP包括呼吸消耗在内的全部生产量。GPNPRGP总初级生产量；NP净初级生产量；R呼吸消耗的能量。生产率PRODUCTIVITYRATE或生产力PRODUCTIVITY植物群落在一定时间内所生产的有机物质积累的速率。现存量指绿色植物初级生产量被植食动物取食及枯枝落叶掉落后所剩下的存活部分。生产量（PRODUCTION）单位时间单位面积上有机物质的生产量。有速率的概念。单位（G/MAJ/MA生物量BIOMASS、某一时刻调查时单位面积上积存的有机物质。生物量只指有生命的活体，单位（个/M；G/M；J/M）全球陆地净初级生产量总计为每年115109吨干物质；全球海洋初级生产量总计为每年55109吨干物质。2、全球初级生产量概况及分布特点（1）陆地比水域的初级生产量大。陆地占地球表面1/3，而初级生产量占全球的2/3。主要原因是海洋中的大洋区缺乏营养物质，其生产力很低，平均仅125G/M2YR，有“海洋荒漠之称”。（2）陆地上初级生产量有随纬度增加逐渐降低的趋势。以热带雨林生产力为最高，平均为2200G/M2YR。由热带雨林温带常绿林落叶林北方针叶林稀树草原温带草原荒漠，依次减少。太阳辐射、温度和降水是导致初级生产量随纬度增大而降低的原因。（3）海洋中初级生产量由河口湾向大陆架和大洋区逐渐降低。河口湾由于有大陆河流的辅助输入，它们的净初级生产力平均为1500G/M2YR，产量较高。（4）全球初级生产量可划分为三个等级。生产量极低区域。如大部分海洋和荒漠。中等生产量区域。如许多草地、沿海区域、深湖和一些农田，生产量为209106419106J/M2YR。高生产量的区域。如大部分湿地、河口湾、泉水、热带雨林和精耕细作的农田、冲积平原的植物群落等，生产量为419105107J/M2YR或更多。热带森林仅覆盖地球5的面积，但生产量占全球总生产量的28。有的水域、河口湾、海藻床和珊瑚礁等面积仅占04，但其生产量达全球的23。（5）初级生产量的其它情况1）生产量的垂直变化乔木层灌木层草本。水体里生产量最高在深数米左右。2）生产量随群落演替的变化开始低后增加，到叶面积指数达到4时，净初级生产量最高，达到顶级时生物量接近最大，净生产量反而最小。3、初级生产的生产效率一般来说，初级生产的生产效率不高。在自然条件下，总初级生产效率很难超过3。人类精心管理的农业生态系统曾有68。肥沃的地区总初级生产效率可达到12。贫瘠荒凉的地区总初级生产效率只有01。全球平均总初级生产效率为0205。4、影响初级生产力的主要因子影响的主要因子有光、水、营养元素、植物类型、污染等。（1）光光质、光强、光量及光照时间都是影响因素。我国兰州以西辐射较强；东半部辐射量较少，其中华北平原和内蒙古较高；长江流域较低，尤其成都平原最低。（2）光合途径植物光合作用途径不同，直接影响到初级生产力的高低。（3）污染对初级生产量的影响。污染物质被排入大气、土壤和河流，进入生态系统后，引起初级生产的下降，严重的污染还使绿色植物生产衰减，使生态系统结构及作用发生变化。5、初级生产量的测定方法（1）收获量测定法定期收割植被，烘干至恒重；此法适宜估计农作物和牧场的初级生产力；多次取样比较准确。（2）黑白瓶法（氧气测定法）多用于水生生态系统。基本原理测定水中含氧量的变化，利用光合作用方程计算出总初级生产量。实验设计对照瓶（初始瓶）测定水中原来的溶氧量（IB）。黑瓶（不透光瓶）只进行呼吸作用，水中溶氧量降低，用来测定呼吸耗氧量（DB）。白瓶（透光瓶）同时进行光合作用和呼吸作用（LB）。净光合量LBIB；呼吸量IBDB；总光合量LBDB黑白瓶法的变型昼夜氧曲线法，即在24小时内每隔23小时对水生生态系统的含氧量进行自动监测，根据含氧量的变化计算生产量。此法适宜流水系统、河口湾和污水系统。（3）CO2测定法原理同黑白瓶法，适宜于陆生生态系统。实验设计暗罩CO2量的增加作为植物呼吸量的一个测度。透明罩CO2量的减少代表光合作用量和光合作用率。增加量与减少量之和经换算后就为总初级生产量。CO2含量的测定可通过红外气体分析仪测定或者经典的KOH吸收法测定（4）放射性标记物测定法适宜水生生态系统。在一定深度取水样分装于黑瓶和白瓶，在两瓶中分别加入已知数量的NAH14CO3后，再放回原水深处培养水样过滤干燥计数器中测定放射活性计算确定光合作用固定的碳量（净生产量）。计算方法614CO2/6CO214C6H12O6/C6H12O6（黑瓶为校正瓶，因浮游植物在暗中也能吸收14C）。（5）叶绿素测定法原理植物叶绿素含量与光合作用量和光合作用率之间的密切产量关系。水样薄膜过滤丙酮提取分光广度计测量吸光值计算叶绿素含量取样面积内的初级生产量。优点（1）野外可以短时间取大量样品。（2）无需装入透光瓶和不透光瓶。另黄色苏（类葫芦卜素）与绿色素（叶绿素）的比例，反映了整个群落中异氧代谢和自氧代谢的比值。另飞机或人造卫星，以多分光摄影和其他遥感技术进行研究。二、生态系统的次级生产1、次级生产量的概念及生产次级生产量生态系统中初级生产以外的生物生产，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类生物自身物质的生产量，称为次级生产量，亦称第二性生产量。IFURPPIFUR同化效率A/I；生长效率P/AI摄取量；A同化量；R呼吸量；P生产量；FU粪尿能量。2、次级生产量的测定（1）根据公式PIFUR，分别测定公式右边的各项，再根据种群数量、性比、结构等特征结合，估计动物种群的净生产量。（2）利用种群个体生长和出生资料来计算动物的净生产量。PPGPRPG个体增重；PR生殖后代的生产量。3、次级生产的生态效率不同生态系统中的食草动物利用或消费植物净初级生产量的效率不同。生态系统类型主要植物及其特征被捕食百分比成熟落叶林乔木，种群增长率低122517年弃耕田一年生草本,种群增长率中等12非洲草原多年生草本,种群增长率高2860人工管理牧场多年生草本,种群增长率高3045海洋浮游植物,种群增长率高6099同化效率在食草动物和碎食动物低，净生长效率相对高。食肉动物同化效率高，净生长效率相对低呼吸运动消耗大。如填鸭式喂养方法。三、生态系统的资源分解1、概念及意义（1）概念将残株、尸体等复杂的有机物分解为简单有机物的逐步降解过程，称为分解作用。分解作用过程正好与植物光合作用过程相反，可表示成C6H12O66O26CO26H2O能量。（2）意义维持全球生产和分解的平衡。生态系统的能量和物质流中，植物的初级生产和资源的分解是两个主要过程。资源分解的主要作用是通过死亡物质的分解，使营养物质再循环，给生产者提供营养物质；维持大气中CO2浓度；稳定和提高土壤有机质的含量，为碎屑食物链以后各级生物生产食物；改善土壤物理性状，改造地球表面惰性物质。2、分解者（1）微生物细菌和真菌是主要的分解者。在细菌体内和真菌菌丝体内具有各种完成多种特殊化学反应所需的酶系统。（2）动物类群主要是食碎屑的无脊椎动物。包括弹尾目、双翅目和鞘翅目昆虫，原尾虫、螨类、线蚓类、千足类、等足类、蜗牛、蚯蚓等。3、资源分解作用的三个过程降解、碎化和溶解。（1）降解在酶的作用下，有机物进行生物化学的分解，分解为单分子的物质（如纤维素降解为葡萄糖）或无机物（葡萄糖降为CO2和H2O）。（2）碎化颗粒体的粉碎。包括动物的生命活动过程和非生物的作用（如风化、结冰、解冻和干湿作用等）。（3）溶解指水将资源中的可溶解成分解脱出来，其速率受前两个过程的影响。4、影响分解的生态因素有机质的分解过程受物质的性质、发生作用的生物及分解过程中的理化条件的控制。影响土壤微生物活动的因素都是影响有机质转化的因素。这些因素包括土壤温度、土壤湿度和通气状况、土壤PH值等。第四节生态系统的信息传递一、生态系统中的信息生态系统除了能量流动、物质循环外，还存在着信息联系。在生态系统的各个组成成员之间及成员内部都存在着信息传递。信息传递是双向的。1、信息的种类物理、化学、营养和行为信息。（1）物理信息以物理因素引起生物之间感应作用的一类信息。如光、声、热、电、磁等信息。1）光信息太阳能是光信息的重要初级信源。光的强弱，光质和光照时间长短是重要的光信息。光信息对植物的生长、发育、形态建成极其重要。2）声信息鸟类婉转多变的叫声；蝙蝠、鲸类发达的声纳定位系统等。3）电信息有300多种鱼类能产生022伏微弱电压，电鳗产生的电压达600伏。4）磁信息动物的迁移靠自己的电磁场与地球磁场互相作用确定方向、方位。（2）化学信息生物在代谢过程中分泌出一些物质，被其它生物所接受而传递。如次生化合物、酶、维生素、生长素、抗生素、性引诱剂和促老激素等。1）动植物间的化学信息植物产生气味，不同动物对植物气味有不同反应。主要是植物产生次生代谢物，如生物碱、萜类、黄酮类、甙类、芳香族化合物等，表现为威慑、拒食、诱引作用。2）动物间的化学信息通过外分泌腺向体外分泌信息素，它携带着特定的信息。如动物利用信息素标记表现出领域行为。性信息素沟通两性个体的交流。动物间的信息传递捕食、居住、防卫、性行为、群集。3）植物间的化学信息化学他感作用。有亲和性或拮抗性。（3）营养信息食物链是一个生物的营养信息系统。食物链中的各级生物要求一定的比例关系，即生态金字塔规律。例如草原的载畜量必须根据牧草的生长量而定。（4）行为信息借光、声及化学物质等信息传递，同类生物表现出各种行为信息传递。如出现敌情时，雄鸟急速起飞，扇动两翅，给雌鸟发出警报。2、信息的特征生态系统中信息传递具有可传扩性、永续性、时效性、分享性与转化性。3、生态系统中动物间的信息传递（1）捕食动物的取食有一定特点。食草动物通过眼睛辨别植物。在取食过程中，通过口腔感触辨别食物的味道。食肉动物眼睛辨别、耳朵对声音的反应来追捕或威胁它的敌人。（2）居住动物总是栖息在最有利的环境中，环境和食物信息的变化会引起生物对居住环境的改变。（3）防卫生物的体形和体色有尽量与其生存环境相一致的特性。并发展出多种防卫策略和机制。（3）防卫甲壳虫喷出毒液蚜虫在遭天敌昆虫捕食时，当敌人接触蚜虫体表时，蚜虫腹部后方的一对角状管立即分泌一种萜烯类挥发性物质，通知它的伙伴迅速逃脱。瓢虫被鸟类啄食时，体内分泌出强心甙，使鸟感到难以下咽而吐出，这是一种行为信息。蝴蝶用鲜艳的“眼睛”吓走敌人（3）防卫有的动物以其特别姿态变化来吓唬敌人得到保护。如豪猪遭遇敌人时，将其体刺竖直，赶跑敌人；家猫见到狗，则“猫装虎威”以克敌；乌贼喷出黑液赶跑敌人。生物具有寻找与其体色相同的环境居住下来的机能，免遭敌人杀害，是一种行为信息在生物保护中的作用。（4）性行为生物在繁衍后代过程中都有特殊的性行为。某些生物能分泌与性行为有关的物质散发到环境中诱引异性。这种化学信息只有同类生物才能感触到，如鳞翅目昆虫。（5）群集食物、环境等因素和信息会引起生物的群集。二、信息在农业生态系统中的应用1、光信息的应用1）利用昆虫的趋光性，夜间点灯诱杀。2）根据各种植物光周期特性和经济器官不同，人工控制光周期达到早熟高产，多应用于花卉。3）在育种上利用光照处理调节不同光周期的植物，在同一时间开花进行杂交，培育优良品种。4）养鸡业在增加营养的基础上延长光照时间可以提高产蛋率。2、化学信息的应用如粘虫成虫具有趋光性，对蜡味特别敏感。生产上利用这一点，在杀菌剂中调以蜡类以诱杀之。人工合成性外激素用于防治害虫，效果显著。如利用性外引诱剂防治害虫，具体做法在田间释放过量的人工合成性引诱剂，使雄虫无法辨认雌虫方位，或者使其气味感染器不适应或疲劳，不再对雌虫有反应，从而干扰害虫的正常交尾活动。国外用此防治森林害虫舞毒蛾比较成功。我国最近进行了“迷向法”防治棉红铃虫试验，处理区的监测诱捕器的诱蛾量上升99以上，交配率和铃害均下降20。3、声信息的应用用一定频率的声波处理蔬菜、谷类作物及树木等种子，可以提高发芽率，获得增产。如法国园艺家用耳机套在番茄上，让它每天“欣赏”3小时音乐，结果番茄重达25KG。前苏联、美国也有类似的报道。第五节生态系统的物质循环一、物质循环的概念物质循环指各种化学元素在不同层次、不同大小的生态系统内，乃至生物圈里，沿着特定的途径从环境到生物体，又从生物体再回归到环境，不断地进行着流动和循环的过程。又称生物地球化学循环。二、物质循环的特点可循环利用；质能守恒和物质不灭。三、物质循环与能量流动的关系生态系统中物质与能量流动是互相依存，互相制约，密不可分的。能量在生态系统中是被消耗、单向流动，不可逆的。而物质循环是可逆多向的，可返回原来的化学形态，并可逃循、脱离生态系统。四、生物地球化学循环的类型（1）气相型其贮存库是大气和海洋。气相循环把大气和海洋相联系，循环迅速，具有明显的全球性。如CO2、N2、O2和水等。气相循环与全球性三个环境问题（温室效应，酸雨，臭氧层破坏）密切相关。（2）沉积型矿物元素贮存在地壳里。经过自然风化和开采冶炼，从岩石中释放出来为植物吸收，并沿食物链转移，经微生物的分解再返回环境。一部分在土壤中，一部分随水汇入海洋，经过沉降、淀积和成岩作用变成岩石，当岩石被抬升并遭受风化作用时，该循环才算完成。这类循环缓慢易受干扰。沉积循环通常无全球性影响。1、水循环水循环是各种物质循环的中心循环。植被在水循环中起重要作用。水循环通过地表径流将各种营养物质从一个生态系统搬到另一个生态系统，补充某些生态系统营养物质不足。五、几种重要物质的循环及其与全球变化（1）水循环途径水受到太阳辐射而蒸发进入大气，并聚集为云、雨、雪、雾等形态，其中一部分降至地表。到达地表的水1）一部分直接流入江河，汇入海洋；2）一部分渗入土壤为植物吸收利用，通过地下迳流进入海洋。植物吸收的水分中，大部分用于蒸腾，小部分为光合作用形成同化产物，进入生态系统，后经过生物呼吸与排泄返回环境。水循环（2）水循环的调节靠蒸发与降水来调节。土地裸露时蒸发量大，由于缺少植被的截留，地面迳流量增大。因此，保护森林和草地植被，在调节水分平衡上有着重要作用。森林可截留降水量的2030，草地可截留513。树冠的强大蒸腾作用，可使林区比无林区、少林区降水量增多30。森林可减轻水对土壤的侵蚀作用。（3）人类对水循环的影响修筑水库等可扩大自然蓄水量；而围湖造田又使自然蓄水容积减小；地下水的过度开采利用，使某些地下水位和水质量下降，如我国许多北方城市的地下水分布出现“漏斗”。2、碳循环全球碳贮存量约261015吨，绝大部分以碳酸盐的形式禁锢在岩石圈中。生物可直接利用的碳以CO2形式存在。（1）碳循环途径植物通过光合作用，把大气中的CO2固定，转化为碳水化合物；光合作用产物供各营养级利用、重组、呼吸、分解等，以CO2形式回到大气；碳循环通过燃烧煤炭、天然气、石油等产生的CO2。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，进入地质大循环。当人们开采利用化石燃料时，CO2被再次释放进入大气。脱离循环，被永久禁锢。（2）碳在生态系统中循环不平衡引起的生态效应CO2增加，引起温室效应，致使全球变暖，将产生对6个生物层次的潜在影响1）生物圈海平面上升，淹没海岸湿地，陆地生物区变化。2）生态系统农业生态系统农作物减产；病虫害加重；影响牲畜食。森林生态系统导致干旱、增加森林大火风险。森林害虫增加，影响森林对物质的吸收。水生生态系统使海洋静水层和沉淀层的微生物活动加快，水中含氧量减少，影响许多海洋动物的生存；导致藻类繁殖速度加快，使鱼类产量减少。3）生物群落影响生物群落结构，使植物群落中有些优势种竞争能力下降。4）物种加速物种的灭绝；加速某些物种的迁移。5）种群改变某些植食性动物的食性，导致某些种群的互相作用强度增强。6）个体提高水分利用，提高光合作用，促进作物生长，改变植物形态结构。（3）保持碳循环相对平衡的生态对策1）减少CO2的排放提高能源的利用效率发电、采用高效先进技术；大力发展不含碳的能源和低碳能源代替煤炭水力发电、核能发电；充分利用各种再生能源（太阳能、风能、潮汐能等）、天然气、生物能（如沼气利用）等。2）大力开展对CO2的吸收，固定和利用海洋交换吸收、陆地植树种草、保护森林植被。3、氮循环大气中氮总量3851015吨，不能为生物直接利用。（1）氮循环中的主要作用（固氮作用）1）生物固氮（最重要途径），为100200KG/KM2A。2）闪电、宇宙射线、火山爆发活动等的高能固氮，形成氨或硝酸盐，随降雨到达地面，为89KG/HM2A。3）工业固氮（化肥制造）,目前全世界达1108吨。氨化作用由氨化细菌作用将有机氮分解成为氨与氨化合物。硝化作用氨化合物被亚硝酸盐细菌和硝酸盐细菌氧化为亚硝酸盐和硝酸盐。反硝化作用（脱氨作用）反硝化细菌将亚硝酸盐转变成大气氮，回到大气中。（2）氮循环的主要过程植物从土壤中吸收硝酸盐，与其它化合物制造有机体，为动物取食，转变为含氮的动物蛋白质。动植物排泄物或残体等经微生物分解为CO2、H2O和NH3返回环境，NH3可被植物再次利用，进入新的循环。（3）氮循环中氨的损失因有机物的燃烧而挥发损失；因土壤通气不良，硝态氮经反硝化作用变为游离氮而挥发损失；因灌溉、水蚀、风蚀、雨水淋洗而流失。损失的氮变为不能直接利用的氮素。因此，必须通过各种固氮途径来补充，从而保持生态系统中氮素的循环平衡。4、磷循环磷是生命信息元素。磷循环属典型的沉积循环。（1）磷循环的途径岩石经风化释放的磷酸盐和农田施用的磷肥，被植物吸收，含磷有机物沿两条支路循环1）沿食物链传递，以粪便、残体归还土壤；2）以枯枝落叶、秸秆归还土壤。经土壤微生物分解，转变为可溶性磷酸盐，可再次被植物吸收利用，这是磷的生物小循环。（2）也有部分磷脱离生物小循环进入地质大循环，支路有两条1）动植物遗体磷矿化；2）磷流入海洋。农业生产上大量施用磷肥不仅使磷资源面临枯竭的威胁，且磷矿石、磷肥中含重金属和放射性物质，长期大量施用，使土壤污染。磷素随水土流失进入水域或水体富营养化，殃及鱼类等水生生物。5、有毒有害物质的循环有毒有害物质的循环的定义指那些对有机体有害的物质进入生态系统，通过食物链富集或被分解的过程。生物放大（生物富集）环境中某元素或难分解化合物通过食物链，在生物体中的浓度随着营养级的提高而逐渐增大的现象。有毒物质（如DDT、重金属元素）进入生态系统后，沿着食物链在生物体内富集浓缩，营养级越高，生物体内有毒物质的残留浓度愈高。（1）DDT（二氯二苯三氯乙烷）DDT是一种人工合成有机氯杀虫剂。它最初应用于二战英美盟军的皮肤病治疗（瑞典的MILER发明，并以此获诺贝尔奖）。后对农业害虫的防治起了很大作用，但它是有机毒物，性质稳定，不易分解，并引起害虫的抗性。危害影响生殖，导致人类、动物产生怪胎等。陆生生态系统通过两个途径吸收DDT通过植物茎、叶、根系进入植物体，草食动物吃，肉食动物食，逐级浓缩；喷洒的DDT落入地面经土壤动物富集，陆上动物逐级浓缩。营养级越高，富集能力越强，积累量越大。DDT的富集作用（2）汞（HG）汞作为工业催化剂和电极材料，不断输入生态系统。它以痕量出现在大气、土壤、岩石及动植物组织中，但通过生物浓缩从水中不到1UG/L到海藻中100UG/L，到鱼体中达1122UG/L。汞的危害1）与神经系统某些酶类结合，产生神经错乱；2）与某种蛋白质形成专一性结合，引起汞中毒。3）转化为有机化合物如甲基汞，毒性更强，进入人体可分布全身，尤其进入肝、肾，最后到达脑部，且不易排泄。（3）放射性核素的循环天然放射性核素在自然界很普遍。不论裂变或不裂变，通过核试验或核作用物都进入大气层。然后通过降水、尘埃和其他物质以原子状态回到地球上。放射性核素可在多种介质中循环，并能被生物富集。人和生物既可直接受到环境放射源危害，也可因食物链带来的放射性污染而间接受害。放射性物质由食物链进入人体，随血液遍布全身。有的放射性物质在体内可存留14年。（4）有毒有害物质循环的特点1）在食物链营养级上进行循环流动并逐级浓缩富集；2）在生物体代谢过程中不能被排泄而被生物体同化，长期停留于生物体内；3）有些有毒有害物质不能分解而相反经生态系统循环后使毒性增加。因此，有毒物质的生态系统循环与人类的关系最为密切，但也最为复杂。有毒物质循环的途径，在环境中滞留时间，在有机体内浓缩的数量和速度，以及作用机制和对有机体影响的程度等等都是十分重要的研究课题。第六节生态系统的功能一、生态系统的生产功能生态系统最显著的特征之一是生产力，生产者为地球上一切异养生物提供营养物质，是全球生物资源的营造者。而异养生物对初级生产物质进行取食加工和再生产而形成次级生产。初级生产和次级生产为人类提供几乎全部食品和工农业生产原料。二、生态系统的服务功能1生物多样性的维护生物多样性是自然生态系统生产和生态服务的基础和源泉，为人类提供了食物来源等。2传粉、传播种子的功能在已知繁殖方式的24万种植物中，约有22万种植物的种子包括农作物，需要动物帮助传播扩散。参与授粉的野生动物有10万种以上。3生物防治功能世界各国因为虫害损失粮食约1015，棉花约2025。在自然生态系统中，这些有害生物往往受到天敌的有效控制。利用天敌或某些生物的代谢物去防治有害生物，称为生物防治（BIOLOGICALCONTROL）。天敌多种多样有瓢虫、甲虫、蜘蛛和鸟类等捕食性天敌；有寄生蜂、寄生蝇和线虫等寄生性天敌；有真菌、细菌和病毒等致病菌，如BT。现代农业多种植单一作物，施用大量化肥。极易引起病、虫害的猖獗危害。人们过多依赖化学农药来防治病虫害，给生态系统造成一系列恶劣的影响，如伤害天敌，农药常常造成环境污染，引起人、畜中毒等。4保护和改善环境质量功能空气、水和土壤中的有毒物质可以被生物吸收和降解，环境质量得到改善。先锋生物群落的组建表明生态破坏的终结和生态重建的开始。可以使环境质量得到逐步改善。5土壤形成及其改良功能在土壤形成的过程中，土壤生物参与土壤有机质的捣碎、分解和腐烂等过程，从而提高土壤肥力。6减缓干旱和洪涝灾害森林和植被在减缓干旱和洪涝灾害中起着重要作用，成为水利的屏障。植被破坏会改变局部水分循环过程，大大增加地表径流和水土的流失。造成一系列生态环境恶化问题。7净化空气和调节气候绿色植物有防治大气污染、净化空气、调节气候的功能。本章思考题1、名词解释生态系统、食物链、食物网、营养级、1/10定律、初级生产量、次级生产量2、生态系统能量流动的特点。3、初级生产量的限制因素有哪些作水域和陆地两大生态系统间的比较。4、初级生产量测定方法有哪些5、分解过程的特点和速率决定于哪些因素6、自养生态系统和异养生态系统的区别有哪些7、简述水的循环8、简述碳的循环9、简述氮的循环10、简述磷的循环11、气体型循环物质与沉积型循环物质在生态系统中循环有哪些异同12、有毒物质在生态系统中循环有哪些特点13、生态系统有哪些功能14、生态平衡破坏的原因及其解决对策。15、举例分析我国垂直地带性更替规律。16、分析我国陆地生态系统类型的纬向地带性和经度地带性更替规律。17、红树林生态系统有哪些特点第一节人类发展面临的挑战进入20世纪，随着科技进步和经济迅猛发展，人类干预大自然的能力和规模空前增长。在创造了物质文明的同时，也陷入了严重困扰人口激增、资源破坏、能源短缺、环境污染、食物供应不足等问题对人类社会的持续发展提出了严峻挑战。第十五章可持续发展一、人口激增世界人口出现较大的增长有3次人口增长第一次高峰由灵长类进化到人。约500万人，火的使用，人类生存力提高，死亡率降低。人口增长第二次高峰距今8000年前，世界人口不到1000万；到公元初期，世界人口不过15亿。当时人类与自然环境的关系处于相对协调状态。人口增长第三次高峰从17世纪中叶开始。工业革命后，随着人类生存环境的改善、医药科学的进步和人类生活水平的日益提高，死亡率不断下降，人口平均寿命增加，人口增长成了典型的指数增长。表1、世界人口增长率变化简表人口问题地球资源是有限的，对人口承载力有一定限度。人口无节制地增长必然带来一系列严重后果。由于人口猛增和消费量增长，能源利用、资源消耗、土地开垦和森林砍伐、废水废气废物排放、噪音增加都达到了严重程度。环境破坏、能源匮乏、资源短缺、食物供应紧张等是当今社会发展中面临的重大问题。这是人口爆炸的必然结果。二、自然资源严重破坏人口剧烈增加，对资源的巨大消耗，已引发世界性自然资源破坏。全世界已经开垦的16亿HM2农田中，水土流失超过250亿T。美国每年耕地流失达64亿T，100年前厚40CM的表层土壤，如今不到20CM。印度近50的耕地受到水土流失侵害，每年流失肥沃表土为60亿T。据记载，地球森林面积曾经达到76亿HM2，即2/3土地为森林覆盖。由于人类破坏，1862年森林面积减少到55亿HM2。1963年只剩下38亿HM2。目前森林面积以每小时2000HM2速度消失。1950年至今，世界森林已损失一半。森林破坏主要在发展中国家。过去30年，40热带雨林已被人类毁灭。目前全球土地沙漠化日趋严重，沙漠化每年以600万HM2速度蔓延，每分钟有10HM2土地变为沙漠。受沙漠化威胁面积已占全球总面积的35，人口约占世界总人口20。我国的资源问题表现在以下主要方面1水土流失面积由建国初期116万KM2增加到目前的179万KM2，每年流失表土50亿T。2森林覆盖率不到14，分布极不均衡。森林年生长量平均为26亿M3，而年采伐量为294亿M3。由于长期严重超采，森林质量和生态功能不断降低。3草原和荒漠365万KM2，占国土总面积38。草原主要分布在干旱或高寒地区，生态环境十分脆弱。过度放牧和垦荒，造成草原退化面积已达13亿亩，占草场面积的1/3。4北方沙漠化面积149万KM2，占国土面积155。沙漠化还在以每年1560KM2的速度扩展。三、能源短缺当今世界对能源需求日益增加。目前石油储量约为889亿T；煤6600亿T；天然气2000MM3折合石油489亿T。根据储藏量和目前消费情况，可以开采的天然气能维持69年；石油48年；焦油和油页岩79年；褐煤173年；烟煤102年。假如人口增长率过快，人类对化石能消费增加，这些化石能源维持的时间还要大大缩短