自然地理学：第7章生物圈与生态系统-H

1、第七章 生物圈与生态系统,第一节 生物圈的组成 第二节 生物圈的结构 第三节 生物圈的形成与演化 第四节 生态系统 第五节 人与生物圈,第一节 生物圈的组成,物质组成 元素组成 系统组成 生物组成,一、物质组成由有机物质和无机物质组成。 有机物质：生物体(生产者、消费者和分解者) 无机物质：作为环境的岩石、水和大气,生物圈是大气圈、水圈和岩石圈的交集,活的有机体 + 相互作用的环境 = 生物圈,二、元素组成,H、O、C 占 99.6%其它 N、Ca、K、Si、Mg等,G.E.赫钦逊生物圈,三、系统组成,生物圈由陆地和海洋生态系统组成,陆地包括：森林（热带雨林、亚热带常绿阔叶林、温带落叶阔叶林、

2、寒带针叶林）、沼泽、湖泊等 海洋包括：浅海、半深海、深海、河口与近岸生态系统,四、生物组成,250万种：动物200万种，植物34万种，微生物 3.47万种 过去：植物和动物。而眼虫藻能运动和进行光合作用现在：原核微生物、原生生物、后生植物和后生动物,（一）原核微生物,单细胞、多细胞集合 没有明显的细胞核 通过直接分裂而繁殖 包括细菌、蓝藻,蓝藻,细菌,（二）原生生物,属于真核生物，细胞结构比较完善，有明显的细胞核，有单细胞个体和多细胞有机体。 通过无性生殖（孢子）和有性生殖（配子）繁衍后代 主要分布于水环境 包括：藻类，真菌，原生动物等,（三）后生植物,包括全部的高等植物 根、茎、叶分化 体内

3、出现了运输水分和养料的输导组织维管束,（四）后生动物,多细胞生物，起源于单细胞动物 细胞 组织 器官 器官系统 重要特征运动 异养型植物、动物、寄生,第二节 生物圈的结构,垂直准正态分布结构 水平连续不均匀结构 多级嵌套结构 结构特性 生物的地域分异与区系性,一 、垂直准正态分布结构,在垂直方向上，集中分布在某一范围内，向上或向下都逐渐减少。 主要集中在海平面及地面附近,如：浅海区1500种鱼类 200-1000m，850种 1000-4000m，只有150种 陆地上 0-500m， 约51.6% 500-1000m ，约20% 1000-2000m，只有15.2% 2000-4000m，只有

4、11%,陆地面积随海拔的变化,二、水平连续不均匀结构,连续性：地球上任何地方都有生物分布 不均匀性：不同生态系统净初级生产率不同 P171，表7-2：陆地 海洋； 近岸浅海 开阔大洋； 森林 草原； 沼泽 河流湖泊； 草原 沙漠； 草甸 冻原；等,三、多级嵌套结构,生物圈是多级的：陆地与海洋 生物圈是嵌套的：河口与海岸带 即：空间上相互交叉、叠置，相互联系、相互作用多级镶嵌结构,四、结构特性,亲岩性：营养物质 亲水性：需要水 亲气性：需要氧等 亲光性：光合作用及食物来源 温控性：热量,亲岩性,陆地生物量高于海洋 近地面高于高空 近海面高于水下,反映了岩石圈对于生物圈的重要影响，是生物的支撑和生

5、物营养物质的来源。,亲水性,湿润地区生产率高于干旱地区 沿海区高于内陆,净初级生产率与年降水量的关系（Strahler）,生物圈结构上的亲水性，反映了水圈对于生物圈的重要影响。,亲气性,海平面附近空气最充足 向上向下空气减少,生物圈的垂直准正态分布结构，在一定程度上反映了生物圈结构上的亲气性。,地表生产率大于地下 海面大于水下,亲光性,地表的光强大于地下和水下，水深或者埋深越大光强越小，生物的生产率的高低，取决于光合作用的强弱。生物圈结构上的亲光性反映了太阳辐射对于生物生长发育的重要性。,温控性,热带生产率高于寒带,生物圈结构上的温控性，是指生物圈的结构特征受到温度分布控制的性质，反映了温度或

6、者热量对于生物的影响。,五、生物地域分异与区系性,动植物随地理环境空间变化，而产生一定的地理格局，形成不同动植物区域，表现出地带性和非地带性特征； 与生物的系统演化和地史变迁相适应，而具有区系性特征。,1. 地带性,纬度地带性：地球上生物的分布，大致呈带状沿纬线方向延伸，按经度方向有规律地变化。,热带雨林-亚热带常绿阔叶林-暖温带落叶阔叶林-寒温带针叶林-寒带苔原和极地荒漠,2. 干湿度分带性,因距海洋远近引起水分条件不同，使生物由沿海向内陆方向有规律变化 湿润的森林生物群半湿润的森林草原生物群半干旱草原生物群干旱的荒漠生物群,3. 垂直带性,随山地高度变化，生物呈现规律性的变化 垂直带谱与水

7、平带谱相对应,4. 地方性与区系性,地方性：生物在局部地区的分异规律,区系性：在生物演化过程中，由于分布区相同而组成一定的生物区系，反映了生物的亲缘性、系统发育过程和地理隔离情况。,一个生物区系中，特有类群愈多，分类等级愈高，说明它们愈古老，地理隔离愈久，即区系性愈强。,第三节 生物圈的形成与演化,生命的起源 生物圈的演化,一、生命的起源,无机物到简单的有机物阶段 简单有机物到复杂有机物阶段 高分子有机物到具有新陈代谢机能的蛋白质阶段,胡佛在“CI1碳基球粒陨石”中发现的微生物化石痕迹,二、生物圈的演化,生物种类由少到多 生物圈结构由简单到复杂 生物分布空间范围由小到大，由海洋向陆地扩展,生物

8、圈的形成与演化,寒武纪生物面貌,志留纪生物面貌,泥盆纪古生物,奥陶纪生物面貌,石炭纪古生物,二叠纪古生物,三叠纪古生物,侏罗纪、白垩纪生物,新生代古生物,人类的出现,第四节 生态系统,生态系统是生物群落与其环境间不断进行物质循环和能量流动而成的统一体。 即：生物群落与非生物环境共同组成的物质-能量系统,生态系统 = 生物群落 + 环境,生物圈是最大的生态系统。它包括陆地生态系统、海洋生态系统。,一、生态系统的组成,非生物物质: H2O、 CO2 、 O 、 N 、盐类 生物有机体，根据获取能量的方式不同划分为：,生产者有机体（自养/植物、蓝藻及细菌） 消费者有机体（异养/食草、食肉、杂食） 分

9、解者有机体（异养/细菌、真菌等）,生态系统,非生物部分提供能量和原料，生物对环境又起作用 生物体与非生物体、生物体之间相互作用、彼此制约,生态系统的组成及其相互关系(Mackenzie, 1998),池塘生态系统 组 成,-浮游植物和水生植物,-鱼、虾、浮游动物,-细菌和真菌,-阳光、水、氧气等,生产者,消费者,分解者,无机环境,与小麦有关的生态因素图解,二、生态系统的结构,以食物关系把各类生物连接起来的营养结构,营养级 食物链 食物网 生物放大作用,1. 营养级,生态系统的生物部分，从绿色植物开始的各个环节，通常称为营养级。,第一营养级：绿色植物，初级生产者 第二营养级：食草动物（第一性消费

10、者） 第三营养级：第一级食肉动物（第二性消费者） ,2. 食物链,在生态系统中，一类生物被另一类生物所食，另一类生物又被第三类生物所食，从而沿着营养级形成了食物的链锁关系。,3. 食物网,许多动物在食物链上占据不止一个位置，既吃植物又吃动物，本身也被其他消费者所食。 食物链常有多个分支，它们彼此交织、错综联结形成食物网。,4. 生物放大作用,污染物通过食物链产生逐级富集现象,金字塔与倒金字塔的关系,DDT通过食物链而不断积聚（杨持生态学）,三、生态系统的功能,生物生产 能量流动 物质循环 是一切生命活动的动力。,1. 生物生产,生态系统的特征之一 绿色植物的光合作用,光合作用：绿色植物在阳光照

11、射下，吸收水与CO2，并将之合成成为碳氢化合物(葡萄糖)，释放出氧气。 12H2O + 6CO2+光能 = C6H12O6 + 6O2 + 6H2O,呼吸作用：有机质（碳氢化合物）氧化变成CO2和水的过程。 C6H12O6 +6O2 = 6H2O+ 6CO2+ 化学能,总初级生产率：植物在地表单位面积和单位时间内经光合作用生产的有机物质的速率 净初级生产率：总初级生产率减去植物呼吸作用消耗有机质的速率,生物生产的区域分异,2. 生态系统的能量流动,通过生态系统的能量单向流动的现象叫能量流,太阳辐射能通过绿色植物的固定输入到生态系统，保存在有机物质中，并随着食物链逐级传递，最后由腐生生物分解死亡

12、的动、植物残体,将有机物中的能量释放逸散到环境中。,能量其转化效率大约为10%林德曼百分之十率。,在每一个生态系统中，从绿色植物开始，能量沿着捕食食物链或营养级转移流动时，每经过一个营养级数量都要大大减少，最后只有少部分能量留存下来用于生长，形成动物的组织。美国学者林德曼在研究淡水湖泊生态系统的能量流动时发现，在次级生产过程中，后一营养级所获得的能量大约只有前一营养级能量的10%，约90%的能量损失掉了，这就是著名的百分之十定律。,如何损失？,生态系统中的能量流动,生产者,初级 消费者,次级 消费者,三级 消费者,分解者,单向、逐级递减,生态金字塔,能量流动五个特点,绿色植物对太阳能的利用 1

13、.2% 能量只朝单一方向流动 流动能量逐渐减少 各级能量利用率也不高，约 4.5-17% 生产的能量与消耗的能量相平衡时，生态系统的结构和功能才能保持动态平衡。,3. 生态系统物质循环,生态系统中的物质循环途径：（1）环境生产者环境，（2）环境消费者环境，（3）环境分解者环境， (4)环境生产者消费者环境,(5)环境生产者分解者环境，（6）环境消费者分解者环境，（7）环境生产者消费者分解者环境。,四、生态系统中信息传递,物理信息：光、声音、颜色 化学信息：黄鼠狼、墨鱼、胡桃树,五、生态系统的稳定性生态平衡,生态系统内部物质和能量的输入和输出处于相对稳定状态 生态系统内部动、植物的种类和数量相对

14、稳定 生态系统是一个复杂的、动态的系统 动态平衡：不平衡-平衡-不平衡 生态系统的维持与调节：反馈机制、抵抗力及恢复力,反馈机制,正反馈与负反馈,两个负反馈之间的相互关系（潘树荣等）,既表现在生物组分与环境之间，也表现在生物各组分之间和结构与功能之间。,生态系统抵抗外界干扰，并维持系统结构和功能原状的能力 系统发育越成熟，结构越复杂，抵抗力越强,抵抗力,一般认为，食物网越复杂，生态系统抵抗外力干扰的能力就越强，食物网越简单，生态系统就越容易发生波动和毁灭。,假如在一个岛屿上只生活着草、鹿和狼。这种情况下，鹿一旦消失，狼就会饿死；如果除了鹿以外还有其他的食草动物（如牛或羚羊），那么鹿一旦消失，对

15、狼的影响就不会那么大。 反过来说，如果狼首先绝灭，鹿的数量就会因失去控制而急剧增加，草就会遭到过度啃食，结果鹿和草的数量都会大大下降；如果除了狼以外还有另一种肉食动物，那么狼一旦绝灭，这种肉食动物就会增加对鹿的捕食压力而不致使鹿群发展得太大，从而防止生态系统的崩溃。,生态系统遭受外干扰破坏后，系统恢复到原状的能力。,恢复力,野火烧不尽 污染影响自净作用,生态系统抵抗力越强，其恢复力就越低；反之亦然。,自我调节能力是有限的 引起生态平衡失调的因素,生态平衡失调,自然因素：如陨星撞击、火山喷发、海陆变迁、 海啸、地震等 人为因素：如虫害、滥砍、滥伐、过度放牧、 工业三废等,破坏食物链导致的结果,蒙

16、古草原上，狼吃羊和马，是人和牲畜的大敌，但是狼也吃田鼠，田鼠吃草，草是羊和马的主要粮食，羊和马又是人的主要食物来源，草原上的这些生物组成了一个庞大的生物王国，形成了环环相扣的食物链，它们相互制约相互繁衍，与草原共同生存了几万年。 可是人们来到了草原，采用各种方法消灭狼，甚至举枪，射杀狼群，以保护他们的牛羊。,经过一段时间的杀戮，最终狼群被杀得七零八落，消无音迹。人们以为这样牛羊就会多起来，可是事情并不是这样的。 因为狼也吃田鼠，才使得草原上没有太多的田鼠，保住了绿草，使得牛羊有充足的食物来源。狼口脱生的田鼠大量繁殖，将大片大片的绿草吃光，经常将草连根拔起。 牛羊因为没有了鲜嫩的绿草，数量急剧减少。,在内蒙古乌拉特草原生活了40多年的牧民苏雅拉图从来没见过这么多的老鼠。他说：“到处是老鼠洞，都不敢在草原上骑马了，马蹄要是陷进去很容易摔倒” 。 草原植被覆盖度和植被高度是鼠类选择栖息地的主要限制因素，当植被达到一定高度时，即不适应鼠类栖息。也就是说，草原的植被越好，越不利于鼠类生长；草原的植被越不好，鼠害就越猖獗。长期超载过牧导致草原退化，正是引发鼠害的根本原因。,苹果螺-吞食秧苗,空心莲子草,生物入侵,棕榈科入侵害虫椰心叶甲,美国白鹅幼虫,互花米草,野葛,人兔大战,欧洲椋鸟,亚洲鲤鱼,认识自然规律，利用科学方法管理、防止生态系统平衡失调，使之向有利于人类生活和生产的方