生态学基础生态系统课件

1、生态学基础生态系统,1,生态学基础课程主要内容,第一章 绪论 第二章 生物与环境 第三章 种群生态 第四章 群落生态 第五章 生态系统生态 第六章 应用生态学,生态学基础生态系统,2,第五章 生态系统生态,第一节 生态系统概述 第二节 生态系统的能量流动 第三节 生态系统的生产力 第四节 生态系统的物质循环 第五节 生态系统的发展与稳定 第六节 全球生态问题域可持续发展,生态学基础生态系统,3,第一节 生态系统概述,一 、生态系统 (ecosystem) 的概念 1、生态系统：在一定空间内，生物和非生物成分之间，通过不断的物质循环和能量流动而相互作用、相互依存，构成的一个生态学功能单位。 生态

2、系统由英国Tansley A.G. （1935年）提出。 生态系统的核心是生物群落。 生态系统已成为当前生态学最重要的概念。 生态系统是现代生态学的重要研究对象,生态学基础生态系统,4,二、生态系统的组成成分,1、非生物环境（abiotic environment） 无机元素和化合物：C、H、O2、N2及矿质盐分等。 有机物质：碳水化合物、蛋白质、脂类、腐殖质等。 气候因子：光、热、水、空气、压力等。 2、生物成分（biotic components） （1）生产者：绿色植物、藻类、光能和化能细菌。 （2）消费者：异养生物包括各种动物（草食、肉食、大型食肉），特殊的如腐食消费者和寄生动物。 （

3、3）分解者：异养生物如细菌、真菌、原生动物等,生态学基础生态系统,5,三、生态系统的功能,1、能量流动 绿色植物通过光合作用固定的能量，成为世界上一切生活有机体进行生命活动的能量来源。光合作用积累能量的过程就是初级生产，初级产品被动物逐级取食，一些动植物的废弃物被微生物利用，大部分能量散失到系统以外，只有一小部分储存在下一个营养级。 2、物质循环 在能量的推动下，环境中的无机物经光合作用形成生物有机体物质，并通过食物链而流动，最后被微生物还原为无机物质，归还环境，重新被吸收利用。 3、信息传递：生态系统中的信息室指引生物行为和生理变化的“信号”，动植物通过各自特殊的方式感知外界的变化，以此调节

4、自己的行为,生态学基础生态系统,6,生态系统结构的一般模型,生态学基础生态系统,7,一、生态系统中能源及能流途径 1、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,第二节 生态系统的能量流动,生态学基础生态系统,8,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

5、环、生物的生存和繁殖起着极大的辅助作用。 2、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,生态学基础生态系统,9,二、热力学定律 生态系统的能量转换符合两大定律： 1）热力学第一定律（能量转化和守恒） 能量既不能消失，也不能凭空产生，它只能以严格的当量比例，由一种形式转化为另一种形式。 2）热力学第二定律（能量衰变定律或能量逸散定律） 生态系统的能量在转化、流转过程中总存在衰变、逸散的现象，即总

6、有一部分从浓缩的有效态变为稀释的不能利用的状态。 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,生态学基础生态系统,10,1、Food Chain,生产者最基本和最关键,消费者是不可缺少的成分;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4 5个营养级组成,三、食物链和食物网,生态学基础生态系统,11,食物链中每一个生物成员称为营养级。 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

7、的食物链。食物链以生产者为起点。 2）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。 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）混合食物链：包含活食性和腐食性的生物。 如稻田草牛，牛粪-养蚯蚓，蚯蚓-鸡，鸡,生态学基础生态系统,12,四、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

8、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,生态学基础生态系统,13,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,生态学基础生态系统,14,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

9、耗掉，因而称为十分之一定律，或林得曼（Lindeman)定律,生态学基础生态系统,15,五、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,生态学基础生态系统,16,3）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

10、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。P=A-R 2、营养级之内生态效率 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,生态学基础生态系统,17,2） 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=（n+

11、1）营养级的摄入量/ n营养级的净生产量 利用效率= （n+1）营养级的同化量/ n营养级的净生产量,生态学基础生态系统,18,2）林德曼效率 林德曼效率=n+1营养级的同化量/n营养级的同化能量 或生态生长效率= n+1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,生态学基础生态系统,19,第三节 生态系统的生产力,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

12、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,生态学基础生态系统,20,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。 GP = NP+R GP总初级生产量；NP净初级生产量；R呼吸消耗的能量。 生产率(productivity rate)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

13、所剩下的存活部分,生态学基础生态系统,21,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/m.a; J/m.a) 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,生态学基础生态系统,22,2、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，有“海洋荒漠之称

14、”。 （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。 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,生态学基础生态系统,23,3）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1500 g/m2.yr，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2.091064.19106 J/m2.yr。 高生产量的区域

15、。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，生产量较高。 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0.4%，但其生产量达全球的2.3,生态学基础生态系统,24,3、影响初级生产力的主要因子 （1）环境条件 影响的初级生产力的环境因素除日光外，还有三种重要物质：水、二氧化碳和营养物质，和两种重要的环境调节物质（温度和氧气） （2）生物群落的内在因素：初级生产者对日光的吸收、利用能力、群落物种的结构的多样性、初级生产的消费和分配状况等对初级生产力也有重要影响，这些因素决定了理论生产力的实现程度。 （3

16、）补加能源的作用。 添加太阳能以外的其他形式的辅助能，可提高作物对光能的利用，从而增加初级生产力,生态学基础生态系统,25,二、生态系统的次级生产 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。 I = FU+R+P P = I-FU-R 同化效率 = A / I ； 生长效率 = P / A I- 摄取量； A-同化量； R-呼吸量； P-生产量； FU-粪尿能量,生态学基础生态系统,26,第四节 生态系统的物质循环,一、物质循环的概念 物质循环：指各种

17、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,生态学基础生态系统,27,三、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

18、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,生态学基础生态系统,28,2）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,生态学基础生态系统,29,1、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

19、质的循环及其与全球变化,生态学基础生态系统,30,1）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,生态学基础生态系统,31,2）水循环的调节： 靠蒸发与降水来调节。 （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

20、分布出现“漏斗,生态学基础生态系统,32,2、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,生态学基础生态系统,33,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，

21、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,生态学基础生态系统,34,2）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,生态学基础生态系统,35,3）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

22、、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,生态学基础生态系统,36,3、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,生态学基础生态系统,37,DDT的富集

23、作用,生态学基础生态系统,38,第五节 生态系统的发展与稳定,一、生态系统稳定的条件 1、系统的多样性 2、干扰 3、生态系统的演化阶段 1）正过度状态 2）稳定状态 3）负过度状态 4、环境的影响,生态学基础生态系统,39,二、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,生态学基础生态系统,40,三、生态系统的稳态机制 个体水平的生态适应机制； 个体的生理、遗传适应；形成生活型、生态型等增加物种多样性提高资源利用率。 种群水平的反馈调节机

24、制；（种群数量的动态平衡） 群落水平的种间关系机制； 生物种间通过相互作用，调节彼此间的种群数量和对比关系，同时又受到共同的最大环境容量的制约。 系统水平的自组织机制,生态学基础生态系统,41,四、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,生态学基础生态系统,42,3、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，

25、或生态平衡破坏,1、生态失衡发生的原因 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,生态学基础生态系统,43,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,生态学基础生态系统,44,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,生态学基础生态系统,45,2、生态失调的标志 生态系统生产力

26、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,生态学基础生态系统,46,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

27、全局的关系，使生态系统处于优化状态,生态学基础生态系统,47,世界陆地主要植被及生态系统的类型,1. 热带雨林 2. 亚热带常绿阔叶林 3. 温带落叶阔叶林 4. 北方针叶林 5. 草原 6. 沙漠 7. 苔原/冻原,生态学基础生态系统,48,1、热带雨林,生态学基础生态系统,49,热带雨林生物多样性及其丰富,生态学基础生态系统,50,2. 亚热带常绿阔叶林,生态学基础生态系统,51,3. 温带落叶阔叶林 Temperate Deciduous Forest/ Summer Green Broad-leaved Forest,生态学基础生态系统,52,3. 温带落叶阔叶林 Temperate

28、Deciduous Forest/ Summer Green Broad-leaved Forest,生态学基础生态系统,53,4. 北方针叶林 Boreal Forest,生态学基础生态系统,54,草原 1. Steppe(欧亚大陆草原） 2. Prairie（北美大陆草原） 3. Pampas（南美草原） 4. Savanna（稀树草原） 5. Meadow（草甸草原,生态学基础生态系统,55,草原 1. Steppe(欧亚大陆草原） 2. Prairie（北美大陆草原） 3. Pampas（南美草原） 4. Savanna（稀树草原） 5. Meadow（草甸草原,生态学基础生态系统,5

29、6,6. 沙漠、荒漠 Desert,7. 苔原/冻原 Tundra,生态学基础生态系统,57,第六节 全球生态问题及可持续发展,一 、全球生态问题 二、可持续发展与生态农业,生态学基础生态系统,58,人口增长和生态环境的人口承载容量,1999年世界人口突破了60亿大关。到2050年将达到100多亿 。 从1800年到2000年间，中国人口增长总体上是按指数增长模型进行的。 按照中国人口战略的第一个目标，到2030年，将争取实现人口数量的“零增长,地球上的自然资源对于人口的供养是有限的,人类活动对生物圈的影响,生态学基础生态系统,59,土地资源压力 水资源压力 能源危机 森林资源减少 环境污染加剧,资源压力及生态环境恶化,生态学基础生态系统,60,大气中CO2捕捉热量的方法与温室类似，大气中的二氧化碳能够阻止地面向空间辐射热量，导致大气层增温，形成了温室效应,资源压力及生态环境恶化,环境污染加剧,生态学基础生态系统,61,许多化学物质对食物链上的影响正在增强。例如DDT可以聚集在生物组织内，特别是动物的脂肪中,资源压力及生态环境恶化,环境污染加剧,当这些物质进入人体后将增加人类患癌症和其他疾病的可能性，并对大脑结构产生长期影响,生态学基础生态系统,62,生态平衡和人类社会可持续发展的策略,人工改造的农业生态系统是不稳定的,在人