第七章 生物圈与生态系统

1、 第七章第七章 生物圈与生态系统生物圈与生态系统 n第一节第一节 生物圈的组成生物圈的组成 n第二节第二节 生物圈的结构生物圈的结构 n第三节第三节 生物圈的形成与演化生物圈的形成与演化 n第四节第四节 生态系统生态系统 n第五节第五节 人与生物圈人与生物圈 生物圈的组成生物圈的组成 n物质组成物质组成：生物体为有机物质，作为环境的岩石、大气和水则是生物体为有机物质，作为环境的岩石、大气和水则是 无机物质。无机物质。 n元素组成：元素组成：主要是氢、氧和碳，它们分别占主要是氢、氧和碳，它们分别占49.8%、24.9%和和 24.9%，三种元素占到生物有机体的，三种元素占到生物有机体的99.6%

2、。此外，还有微量。此外，还有微量 的氮、钙、钾、硅、镁、磷、硫、铝等。的氮、钙、钾、硅、镁、磷、硫、铝等。 n系统组成：系统组成：陆地生态系统；海洋生态系统。陆地生态系统；海洋生态系统。 n生物组成：生物组成：原核微生物，原生生物，后生植物，后生动物。原核微生物，原生生物，后生植物，后生动物。 第第 七七 章章 生物圈的物质组成生物圈的物质组成 生物圈 有机物质 有机物质 无机物质 无机物质 生产者 消费者 还原者 大气 水 岩石、土壤 阳光 其它无机物 第第 七七 章章 生物体的原子组成（生物体的原子组成（% %）（G.E.G.E.赫钦逊赫钦逊生物圈生物圈） 研究表明，生物体的元素组成成分主

3、要是氢、氧和碳，它研究表明，生物体的元素组成成分主要是氢、氧和碳，它 们分别占们分别占49.8%、24.9%和和24.9%，三种元素占到生物有机体的，三种元素占到生物有机体的 99.6%。此外，还有微量的氮、钙、钾、硅、镁、磷、硫、铝。此外，还有微量的氮、钙、钾、硅、镁、磷、硫、铝 等。等。 第第 七七 章章 生物圈的系统组成生物圈的系统组成 第第 七七 章章 生物圈的生物组成生物圈的生物组成 过去通常来说，生物过去通常来说，生物 主要包括动物、植物主要包括动物、植物 和微生物。但后来研和微生物。但后来研 究表明，还存在一些究表明，还存在一些 生物，其结构与功能生物，其结构与功能 介于动物与植

4、物之间。介于动物与植物之间。 故科学家建议将生物故科学家建议将生物 划分为四大类，即原划分为四大类，即原 核微生物、原生生物、核微生物、原生生物、 后生植物和后生动物。后生植物和后生动物。 生物 生物 原核微生物 原生生物 后生植物 后生动物 第第 七七 章章 生物圈的结构生物圈的结构 生物圈的结构生物圈的结构 垂直准正态分布式结构垂直准正态分布式结构 水平连续不均匀结构 水平连续不均匀结构 多级嵌套结构 多级嵌套结构 第第 七七 章章 生物圈的结构生物圈的结构 n垂直准正态分布式结构：垂直准正态分布式结构：在垂直方向上，集中分布在某一范围内，在垂直方向上，集中分布在某一范围内， 而向上和向下

5、都逐渐减小。而向上和向下都逐渐减小。 n水平连续不均匀结构：水平连续不均匀结构：地球表面任何一个地方都有生物分布，生地球表面任何一个地方都有生物分布，生 物在地球表面的分布是连续的。生物圈不是一个很均匀的圈层，物在地球表面的分布是连续的。生物圈不是一个很均匀的圈层， 生物在地表的分布是不均匀的。生物在地表的分布是不均匀的。 n多级嵌套结构：多级嵌套结构：多级系统在空间上相互交叉、叠置，并且相互联多级系统在空间上相互交叉、叠置，并且相互联 系、相互作用的。系、相互作用的。 第第 七七 章章 生物圈的垂直准正态分布式结构生物圈的垂直准正态分布式结构 在海洋里，随着深度的增大，在海洋里，随着深度的增

6、大， 生物种类与数量逐渐减少。生物生物种类与数量逐渐减少。生物 种类与数量有随离海平面距离的种类与数量有随离海平面距离的 增大逐渐减少的规律。在陆地上，增大逐渐减少的规律。在陆地上， 生物的种类与数量随高度的增加生物的种类与数量随高度的增加 而减少。陆地上生物集中分布于而减少。陆地上生物集中分布于 低海拔的范围内，随着海拔高度低海拔的范围内，随着海拔高度 的增大，生物的种类与数量逐渐的增大，生物的种类与数量逐渐 减少。总上所述，我们可以用一减少。总上所述，我们可以用一 个简化的图式来表示生物圈的垂个简化的图式来表示生物圈的垂 直结构。从整体上看，类似正态直结构。从整体上看，类似正态 分布，可以

7、称为准正态分布模式。分布，可以称为准正态分布模式。 因此生物圈的垂直结构可以叫做因此生物圈的垂直结构可以叫做 垂直准正态分布式结构。垂直准正态分布式结构。 从生物圈的垂直结构来看，具有垂直准正态分布式结构的特征。所从生物圈的垂直结构来看，具有垂直准正态分布式结构的特征。所 谓垂直准正态分布，是指在垂直方向上，集中分布在某一范围内，而向谓垂直准正态分布，是指在垂直方向上，集中分布在某一范围内，而向 上和向下都逐渐减小。地球上生物的分布，具有准正态分布的特征：生上和向下都逐渐减小。地球上生物的分布，具有准正态分布的特征：生 物集中分布在平均海平面附近，从海平面向上或者向下随着高度或深度物集中分布在

8、平均海平面附近，从海平面向上或者向下随着高度或深度 的增大，生物的种类和数量依次减少。的增大，生物的种类和数量依次减少。 （王建，2000） 第第 七七 章章 生物圈的结构特性生物圈的结构特性 亲亲 岩岩 性性亲亲 水水 性性亲亲 气气 性性 亲 光 性温 控 性 结 构 特 性 第第 七七 章章 生物的地域分异与区系性生物的地域分异与区系性 生物的地域分异与区系性生物的地域分异与区系性 地带性 干湿度分带性 垂直带性 地方性 区系性 第第 七七 章章 生物的地域分异与区系性生物的地域分异与区系性 纬度地带性纬度地带性：地球上生物的分布，大致呈带状沿纬线方地球上生物的分布，大致呈带状沿纬线方

9、向延伸，按纬度方向有规律地变化。向延伸，按纬度方向有规律地变化。 干湿度分带性干湿度分带性：由于距海远近等引起的水分条件的不同由于距海远近等引起的水分条件的不同, 从而使动植物分布由沿海向内陆依次发生变化。从而使动植物分布由沿海向内陆依次发生变化。 垂直带性垂直带性：生物分布随山地海拔高度的升高而发生规律生物分布随山地海拔高度的升高而发生规律 性的交替的现象。性的交替的现象。 地方性地方性：生物在局部地域的分异规律。生物在局部地域的分异规律。 区系性区系性：不同的动、植物不同的动、植物,在漫长的历史演变过程中在漫长的历史演变过程中, 在在 一定的地理条件下一定的地理条件下,由于分布区相同而组成

10、一定的生物区系。由于分布区相同而组成一定的生物区系。 第第 七七 章章 陆地植物的水平地域分布与纬度、干燥度的关系陆地植物的水平地域分布与纬度、干燥度的关系 地带性，即纬度地带性。是指地球上生物的分布，大致呈带状沿纬线地带性，即纬度地带性。是指地球上生物的分布，大致呈带状沿纬线 方向延伸，按纬度方向有规律地变化。方向延伸，按纬度方向有规律地变化。 生物的这种地带性生物的这种地带性 分异规律，是由于太阳分异规律，是由于太阳 辐射随纬度的梯度变化，辐射随纬度的梯度变化， 引起气候（温度、降水）引起气候（温度、降水） 呈带状分布，从而使动、呈带状分布，从而使动、 植物也相应地呈带状分植物也相应地呈带

11、状分 布。在水分充足的条件布。在水分充足的条件 下，从赤道向极地应该下，从赤道向极地应该 依次分布着热带雨林、依次分布着热带雨林、 亚热带常绿阔叶林、温亚热带常绿阔叶林、温 带落叶阔叶林、寒温带带落叶阔叶林、寒温带 针叶林、寒带冻原和极针叶林、寒带冻原和极 地荒漠。地荒漠。 第第 七七 章章 植被垂直带性与纬度地带性的关系植被垂直带性与纬度地带性的关系 山地地势是形成垂直山地地势是形成垂直 带性的前提。山地气候条带性的前提。山地气候条 件随着海拔高度发生变化件随着海拔高度发生变化， 是形成垂直带性的直接原是形成垂直带性的直接原 因。由于地势抬高因。由于地势抬高，气候气候 等发生垂直变化等发生垂

12、直变化,从而使从而使 生物也随之发生相应的垂生物也随之发生相应的垂 直变化。垂直带性既受地直变化。垂直带性既受地 带性因素制约带性因素制约,又受非地又受非地 带性因素影响带性因素影响，是两者派是两者派 生的区域性分异规律。垂生的区域性分异规律。垂 直带性与纬度地带性在结直带性与纬度地带性在结 构与性质上有一定的相似构与性质上有一定的相似 性性, ,但其成因机制不完全但其成因机制不完全 相同相同. . 垂直带性是指生物分布随山地海拔高度的升高而发生规律性垂直带性是指生物分布随山地海拔高度的升高而发生规律性 的交替的现象。的交替的现象。 第第 七七 章章 世界植物区系及其分区世界植物区系及其分区

13、所谓区系性所谓区系性,是指不同的动是指不同的动、植物植物，在漫长的历史演变过程在漫长的历史演变过程 中中， 在一定的地理条件下在一定的地理条件下,由于分布区相同而组成一定的生物区系。由于分布区相同而组成一定的生物区系。 区系性反映生物彼此间的亲缘关系和系统发育过程以及地理隔离区系性反映生物彼此间的亲缘关系和系统发育过程以及地理隔离 情况。一个生物区系中情况。一个生物区系中，特有类群愈多特有类群愈多，分类等级愈高分类等级愈高，说明它说明它 们愈古老们愈古老，地理隔离愈久地理隔离愈久，即区系性愈强。即区系性愈强。 （塔赫他间，（塔赫他间，19781978） 第第 七七 章章 生物圈的形成与演化生物

14、圈的形成与演化 生命的起源：生命的起源： 从无机物到简单有机物阶段；从无机物到简单有机物阶段； 从简单有机物到复杂有机物阶段；从简单有机物到复杂有机物阶段； 从高分子有机物到具有新陈代谢机能的蛋白体阶段。从高分子有机物到具有新陈代谢机能的蛋白体阶段。 生物圈的演化生物圈的演化： 生物种类由少到多生物种类由少到多 生物圈结构由简单到复杂；生物圈结构由简单到复杂； 生物分布的空间范围由小到大生物分布的空间范围由小到大 并由海洋向陆地扩展。并由海洋向陆地扩展。 第第 七七 章章 生态系统生态系统 n生态系统的组成生态系统的组成：非生物物质（水、二氧化碳、氧、氮、矿非生物物质（水、二氧化碳、氧、氮、矿

15、 物盐类、酸、碱物盐类、酸、碱,以及任何一定时间在生物有机体之外出现的元以及任何一定时间在生物有机体之外出现的元 素或化合物）；生物有机体（生产者；消费者；分解者）素或化合物）；生物有机体（生产者；消费者；分解者） n 生态系统的结构生态系统的结构 n 营养级：营养级：生态系统的生物部分，从绿色植物开始的各个环节生态系统的生物部分，从绿色植物开始的各个环节 。 n 食物链：食物链：在生态系统中，一类生物被另一类所食，另一类又在生态系统中，一类生物被另一类所食，另一类又 被第三类所食，从而沿着营养级形成了食物的链锁关系被第三类所食，从而沿着营养级形成了食物的链锁关系 n 食物网：食物网：一个食物

16、链常常有许多不同的分支，各个食物链彼一个食物链常常有许多不同的分支，各个食物链彼 此交织、错综联结成更加复杂的食物网此交织、错综联结成更加复杂的食物网 第第 七七 章章 生态系统的组成生态系统的组成（Mackenzie,1998） 生态系统主要由两大部分组成：生物有机体和非生物物质。生态系统主要由两大部分组成：生物有机体和非生物物质。 第第 七七 章章 营养级、食物链、食物网营养级、食物链、食物网 生态系统除了具有垂直和水平空间结构外，以食物关系把各类生态系统除了具有垂直和水平空间结构外，以食物关系把各类 生物有机体连接起来形成的营养结构是最主要的。生态系统主要是生物有机体连接起来形成的营养结

17、构是最主要的。生态系统主要是 由营养关系组织起来的。由营养关系组织起来的。 第第 七七 章章 生态系统的功能生态系统的功能 n生物生产生物生产 n生态系统的能量流生态系统的能量流：通过生态系统的能量单向流动。林德曼：通过生态系统的能量单向流动。林德曼 (Lindeman)的百分之十率：后一营养级上的生产量远小于前的百分之十率：后一营养级上的生产量远小于前 一级一级,其能量转化效率大约为其能量转化效率大约为10%。 n生态系统的物质循环生态系统的物质循环：生态系统中各种有机物质，经过分解者：生态系统中各种有机物质，经过分解者 分解成可被生产者利用的形式归还环境中重复利用，周而复始分解成可被生产者

18、利用的形式归还环境中重复利用，周而复始 地循环。地循环。 n生态系统中的信息传递生态系统中的信息传递 n生态系统的稳定性生态系统的稳定性生态平衡生态平衡 ：达到稳定或平衡状态的生态达到稳定或平衡状态的生态 系统系统,其生产、消费和分解之间其生产、消费和分解之间,也就是系统的能量流动和物质也就是系统的能量流动和物质 循环循环,能较长时间地保持平衡状态。能较长时间地保持平衡状态。 第第 七七 章章 生物放大作用生物放大作用 从污染生态学来看从污染生态学来看,食物链的研究具有十分重要的意义。因为污染物食物链的研究具有十分重要的意义。因为污染物 通过食物链产生逐级富集的现象通过食物链产生逐级富集的现象

19、,即生物放大作用。营养级越高的生物体内即生物放大作用。营养级越高的生物体内 所含有的污染物的数量或浓度越大所含有的污染物的数量或浓度越大,从而严重地危害较高营养级生物的生长从而严重地危害较高营养级生物的生长 发育或人体健康。以发育或人体健康。以DDT为例来说，如果散布在大气中的浓度为为例来说，如果散布在大气中的浓度为0.000， 003 ppm,当降落到海水中为浮游生物摄取后当降落到海水中为浮游生物摄取后,在体内富集到在体内富集到0.04 ppm (1.3万万 倍倍)；浮游生物被小鱼吞食后；浮游生物被小鱼吞食后,其体内其体内DDT浓度达浓度达0.5 ppm (14.3万倍万倍)；小鱼；小鱼 再

20、被大鱼吞食后再被大鱼吞食后,体内浓度增加到体内浓度增加到2.0 ppm (57.2万倍万倍)；如鱼再为水鸟所食；如鱼再为水鸟所食,可可 达达25 ppm (858万倍万倍)；人若食用水鸟；人若食用水鸟，DDT浓度可在体内进一步富集到浓度可在体内进一步富集到30 ppm，等于大气中浓度的等于大气中浓度的1，000万倍万倍! 在污染物的影响下，一个有机体在金在污染物的影响下，一个有机体在金 字塔中的位置越高，它的组织中污染物的浓度就可能越大。字塔中的位置越高，它的组织中污染物的浓度就可能越大。 第第 七七 章章 生态系统中能量流与物质流的关系生态系统中能量流与物质流的关系 任何生态系统要正常运转都

21、需任何生态系统要正常运转都需 不断地输入能量。生态系统中的能不断地输入能量。生态系统中的能 量来自太阳量来自太阳,它它是通过绿色植物的固是通过绿色植物的固 定而输入到系统里定而输入到系统里,保存在有机物质保存在有机物质 中。当植食动物吃植物时能量转移中。当植食动物吃植物时能量转移 到第二营养级动物体中到第二营养级动物体中, ,当肉食动物当肉食动物 吃植食动物时吃植食动物时,能量又转移到第三营能量又转移到第三营 养级的动物中，余者类推。最后由养级的动物中，余者类推。最后由 腐生生物分解死亡的动、植物残体腐生生物分解死亡的动、植物残体, 将有机物中的能量释放逸散到环境将有机物中的能量释放逸散到环境

22、 中。与此同时中。与此同时,在各营养级由于生物在各营养级由于生物 呼吸作用都有一部分能量损失。所呼吸作用都有一部分能量损失。所 以以,能量不能再次被生产者利用而进能量不能再次被生产者利用而进 行循环。这一通过生态系统的能量行循环。这一通过生态系统的能量 单向流动的现象，叫做能量流。单向流动的现象，叫做能量流。 第第 七七 章章 生态金字塔生态金字塔 在每一个生态系统中在每一个生态系统中,能能 量沿着营养级转移流动时量沿着营养级转移流动时,每每 经过一个营养级数量都要大经过一个营养级数量都要大 大减少。后一营养级上的生大减少。后一营养级上的生 产量远小于前一级产量远小于前一级,其能量转其能量转

23、化效率大约为化效率大约为10%,这就是林这就是林 德曼德曼(Lindeman)的百分之十的百分之十 率。于是顺着营养级序列向率。于是顺着营养级序列向 上上,生产量即能量急剧地、梯生产量即能量急剧地、梯 级般地递减，用图表示则得级般地递减，用图表示则得 到生产力金字塔；有机体的到生产力金字塔；有机体的 个体数目一般也向上急剧递个体数目一般也向上急剧递 减构成数目金字塔；各营养减构成数目金字塔；各营养 级的生物量顺序向上递减构级的生物量顺序向上递减构 成生物量金字塔，总称生态成生物量金字塔，总称生态 金字塔金字塔. . 第第 七七 章章 生态系统中的能量循环生态系统中的能量循环（生物小循环）（王建

24、，（生物小循环）（王建，20002000） 生态系统中的物质循环，包括这样几个途径：（生态系统中的物质循环，包括这样几个途径：（1）环境）环境- -生生 产者产者- -环境，（环境，（2）环境）环境- -消费者消费者- -环境，（环境，（3）环境）环境- -分解者分解者- -环环 境境,(4),(4)环境环境- -生产者生产者- -消费者消费者- -环境环境, ,(5)环境环境- -生产者生产者- -分解者分解者- -环环 境，境，（6）环境）环境- -消费者消费者- -分解者分解者- -环境，环境，（7）环境）环境- -生产者生产者- -消费者消费者 - -分解者分解者- -环境。环境。 第

25、第 七七 章章 反馈可分为正反馈和负反馈可分为正反馈和负 反馈，两者的作用是相反的。反馈，两者的作用是相反的。 特别是负反馈对系统的自我特别是负反馈对系统的自我 调节具有重要的意义。生态调节具有重要的意义。生态 系统中的反馈现象十分复杂，系统中的反馈现象十分复杂， 既表现在生物组分与环境之既表现在生物组分与环境之 间，也表现在生物各组分之间，也表现在生物各组分之 间及结构与功能之间。在一间及结构与功能之间。在一 个生态系统中，当被捕食者个生态系统中，当被捕食者 动物数量很多时，捕食者因动物数量很多时，捕食者因 获得充足食物而大量发展；获得充足食物而大量发展； 捕食者数量增加后，被捕食捕食者数量增加后，被捕食 者数量又减少；接着，捕食者数量又减少；接着，捕食 者动物由于得不到足够食物，者动物由于得不到足够食物， 数量自然减少。数量自然减少。 生态系统的