第8章 生态系统的功能

1、第八章第八章 生态系统的功能生态系统的功能13生态系统的物质生产生态系统的物质生产生态系统中的物质循环生态系统中的物质循环第一节第一节. .生态系统的物质生产生态系统的物质生产 生态系统中的初级生产生态系统中的初级生产 生态系统中的次级生产生态系统中的次级生产1 1 初级生产初级生产 初级生产的基本概念初级生产的基本概念 初级生产量的限制因素初级生产量的限制因素 初级生产量的测定方法初级生产量的测定方法初级生产的基本概念初级生产的基本概念 初级生产：初级生产：绿色植物通过光合作用固定太阳能，被称为初绿色植物通过光合作用固定太阳能，被称为初级生产。级生产。 生产过程：生产过程： 生产者通过光合作

2、用合成复杂的有机物质，使植物的生生产者通过光合作用合成复杂的有机物质，使植物的生物量物量( (包括个体数量和生长包括个体数量和生长) )增加增加 消费者摄食植物已经制造好的有机物质消费者摄食植物已经制造好的有机物质( (包括直接的取包括直接的取食植物和间接的取食食草动物和食肉动物食植物和间接的取食食草动物和食肉动物) )，通过消化、，通过消化、吸收在合成为自身所需的有机物质，增加动物的生产量吸收在合成为自身所需的有机物质，增加动物的生产量 次级生产：次级生产：异养生物再生产过程，提供的生产力为次级生异养生物再生产过程，提供的生产力为次级生产力产力初级生产的基本概念初级生产的基本概念 初级生产量

3、初级生产量(primary production)(primary production)：绿色植物通过光合绿色植物通过光合作用合成有机物质的数量称为初级生产量，也称作用合成有机物质的数量称为初级生产量，也称第一性第一性生产量生产量 净净初初级生产级生产量量(net primary production)(net primary production)：初级生产过初级生产过程植物固定的能量一部分被植物自己的呼吸消耗掉，剩程植物固定的能量一部分被植物自己的呼吸消耗掉，剩下的可用于植物的生长和生殖，这部分生产量成为下的可用于植物的生长和生殖，这部分生产量成为淨初淨初級級生产生产量量(NP)(NP)

4、 总总初初级生产级生产量量(gross primary production)(gross primary production)：初级生产初级生产过程植物固定的能量的总量过程植物固定的能量的总量 GP=NP+RGP=NP+R 初级生产力：初级生产力：植物群落在一定空间一定时间内植物群落在一定空间一定时间内所生产的有机物质积累的数量所生产的有机物质积累的数量 生物量生物量 (biomass)(biomass)：是指某一时刻单位面积上是指某一时刻单位面积上积存的有机物质的量。以鲜重或干重表示积存的有机物质的量。以鲜重或干重表示 现存生物量：现存生物量：是指绿色植物初级生产量被植食是指绿色植物初级

5、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动物取食及枯枝落叶掉落后所剩下的存活部分 SC=GP-R-H-DSC=GP-R-H-D初级生产的基本概念初级生产的基本概念初级生产地球上初级生产力的分布地球上初级生产力的分布 不同生态系统类型的初级生产力不同不同生态系统类型的初级生产力不同 陆地比水域的初级生产力总量大陆地比水域的初级生产力总量大 陆地上初级生产力有随纬度增加逐渐降低的趋势陆地上初级生产力有随纬度增加逐渐降低的趋势 海洋中初级生产力由河口湾向大陆架和大洋区逐海洋中初级生产力由河口湾向大陆架和大洋区逐渐降低渐降低 生态系统的初级生产力随群落的演替而变化生态系统的初级生产力随群落

6、的演替而变化 水体和陆地生态系统的生产力有垂直变化水体和陆地生态系统的生产力有垂直变化 初级生产力随季节变化初级生产力随季节变化不同生态系统的初级生产力世界上主要生物群带的初级生产力世界上主要生物群带的初级生产力NET PRIMARY PRODUCTIVITY初级生产力的分布初级生产力的分布 生产力极低的区域：生产力极低的区域：1000kcal/m2.a或者更少，如大部分海洋和荒漠。 中等生产力区域：中等生产力区域：1000-10000kcal/m2.a，如草地、沿海区域、深湖和一些农田。 高生产力的区域：高生产力的区域：10000-20000kcal/m2.a或者更多，如大部分湿地生态系统、

7、河口湾、泉水、珊瑚礁、热带雨林和精耕细作的农田、冲积平原上的植物群落等。地球主要陆地生态系统的初级生产力受温度和降水的强烈影响地球主要陆地生态系统的初级生产力受温度和降水的强烈影响P: productivity P: productivity ( (t t hmhm-2-2 a a-1-1) )B: biomass B: biomass ( (t t hmhm-2-2) )R: radiation R: radiation ( (kcalkcal cmcm-2-2 d d-1-1) )NPRCO2光光H2O营养营养取食取食O2温度温度陆地生态系统中，初级生产量是由光、二氧化碳、水、营养物陆地生

8、态系统中，初级生产量是由光、二氧化碳、水、营养物质质(物质因素物质因素) 、氧和温度、氧和温度(环境调节因素环境调节因素)六个因素决定的。六个因素决定的。污染物污染物光合作用光合作用生物量生物量GP 初级生产量的限制因素初级生产量的限制因素5 5 初级生产量的测定方法初级生产量的测定方法收获量测定法收获量测定法二氧化碳同化法二氧化碳同化法氧气测定法氧气测定法放射性标记物测定法放射性标记物测定法叶绿素测定法叶绿素测定法PHPH值测定法值测定法收获量测定法收获量测定法 陆生定期收获植被，烘干至恒重陆生定期收获植被，烘干至恒重 以每年每平方米的干物质重量表示以每年每平方米的干物质重量表示 以其以其生

9、物量生物量的的产产出出测定测定，但，但位于位于地下的地下的生物量生物量，难难以测定以测定 地下的部分可以地下的部分可以占占有有40%40%至至85%85%的的总生产量总生产量，因此，因此不不能能省略省略二氧化碳同化法二氧化碳同化法 用塑料罩将生物的一部分套住用塑料罩将生物的一部分套住 测定进入和抽出空气中的测定进入和抽出空气中的COCO2 2 透明罩：测定净初级生产量透明罩：测定净初级生产量 暗罩：测定呼吸量暗罩：测定呼吸量氧气测定法（黑白瓶法氧气测定法（黑白瓶法） 通过氧气变化量测定总初级生产量通过氧气变化量测定总初级生产量 19271927年年T.Garder, H.H.GranT.Gar

10、der, H.H.Gran用于测定海洋生态系统生产量用于测定海洋生态系统生产量 从一定深度取自养生物的水样，分装在体积为从一定深度取自养生物的水样，分装在体积为125-300ml125-300ml的白瓶的白瓶( (透光透光) )、黑瓶、黑瓶( (不透光不透光) )和对照瓶中和对照瓶中 对照瓶测定初始的溶氧量对照瓶测定初始的溶氧量IBIB 黑白瓶放置在取水样的深度，间隔一定时间取出，用化黑白瓶放置在取水样的深度，间隔一定时间取出，用化学滴定测定黑白瓶的的含氧量学滴定测定黑白瓶的的含氧量DBDB、LBLB 计算呼吸量计算呼吸量(IB-DB)(IB-DB)，净生产量，净生产量(LB-IB)(LB-I

11、B)，总生产量，总生产量(LB-(LB-DB)DB)黑白瓶法黑瓶黑瓶（呼吸作用呼吸作用）白瓶白瓶(净光合作用净光合作用)对照瓶对照瓶（消除误差）（消除误差）放放置置于于水水样样深深度度处处一定时间后，测各瓶的含氧量变化，求初级生产量一定时间后，测各瓶的含氧量变化，求初级生产量放射性标记物测定法放射性标记物测定法 用用放射性放射性1414C C測定其吸收量測定其吸收量，即光合作用固定的碳量，即光合作用固定的碳量 放射性放射性1414C C以碳酸盐的形式提供，放入含有自然水体浮以碳酸盐的形式提供，放入含有自然水体浮游植物的样瓶中，沉入水中经过一定时间，滤出浮游游植物的样瓶中，沉入水中经过一定时间，

12、滤出浮游植物，干燥后在计数器测定放射活性，然后计算：植物，干燥后在计数器测定放射活性，然后计算：1414COCO2 2/CO/CO2 2= =1414C C6 6H H1212O O6 6/C/C6 6H H1212O O6 6 确定光合作用固定的碳量确定光合作用固定的碳量 需用需用“暗呼吸暗呼吸”作校正作校正叶绿素测定法叶绿素测定法 植物定期取样植物定期取样 丙酮提取叶绿素丙酮提取叶绿素 分光光度计测定叶绿素浓度分光光度计测定叶绿素浓度 每单位叶绿素的光合作用是一定的，通过测定叶每单位叶绿素的光合作用是一定的，通过测定叶绿素的含量计算取样面积的初级生产量绿素的含量计算取样面积的初级生产量PH

13、PH测定法测定法 原理：初级生产量与溶于水中的二氧原理：初级生产量与溶于水中的二氧化碳有一定的关系，即水体中的化碳有一定的关系，即水体中的PHPH是是随着光合作用中吸收的二氧化碳和呼随着光合作用中吸收的二氧化碳和呼吸过程中释放的二氧化碳而发生变化吸过程中释放的二氧化碳而发生变化的。的。2 2 生态系统中的次级生产生态系统中的次级生产次级生产：次级生产：是指消费者或分解者对初级是指消费者或分解者对初级生产者生产的有机物及储存在其中的生产者生产的有机物及储存在其中的能量进行再生产和再利用的过程。能量进行再生产和再利用的过程。1 1 次级生产量的生产过程次级生产量的生产过程未捕获未捕获(876.1g

14、)猎物种群生产量猎物种群生产量(886.4g)被捕获被捕获(10.3g)被吃下被吃下(7.93g)I未吃下未吃下(2.37g)未同化未同化(0.63g)同化同化(7.3g)A净次级生产净次级生产(2.7g)P呼吸呼吸(4.6g)R次级生产量次级生产量次级生产的基本特点次级生产的基本特点次级生产过程模型食物食物资源资源未采食未采食拒食拒食未食未食粪便粪便(Fu)呼吸呼吸(R)分解分解被采食被采食可利用可利用食用食用(C)同化同化(A)动物产品动物产品产生能量产生能量(P)潜潜在在能能量量保持能量保持能量损损失失能能量量C=A+FuA=P+RC=P+Fu+RP=C-Fu-R2 2 次级生产量的测定

15、次级生产量的测定 用同化量和呼吸量估计生产量用同化量和呼吸量估计生产量( (用摄食量扣除粪尿量估用摄食量扣除粪尿量估计同化量计同化量) )： P=A-R=(C-FU)-RP=A-R=(C-FU)-R C C：动物从外界摄食的能量，：动物从外界摄食的能量，A A：被同化能量，：被同化能量， FUFU：排泄物，：排泄物，R R：呼吸量：呼吸量 用个体的生长和繁殖后代的生物量表示净生产量用个体的生长和繁殖后代的生物量表示净生产量: : P=Pg+PrP=Pg+Pr PrPr：生殖后代的生产量，：生殖后代的生产量， PgPg：个体增重：个体增重3 3 次级生产的生态效率次级生产的生态效率 消费效率消费

16、效率 同化效率同化效率 生长效率生长效率 消费效率：消费效率：食草动物对食草动物对植物净生产量植物净生产量的利用的利用植物种群增长率高，世代短，更新快，被利用植物种群增长率高，世代短，更新快，被利用的百分比高的百分比高草本植物维管束少，能提供较多的净初级生产草本植物维管束少，能提供较多的净初级生产量量浮游动物利用的净初级生产量比例最高浮游动物利用的净初级生产量比例最高食肉动物对猎物的消费效率研究较少食肉动物对猎物的消费效率研究较少脊椎动物捕食者脊椎动物捕食者5050100%100%，无脊椎动物捕食者，无脊椎动物捕食者25%25%次级生产的生态效率次级生产的生态效率几种生态系统中食草动物利用植物

17、净生产量的比例几种生态系统中食草动物利用植物净生产量的比例 生生态态系系统统 类类 型型 主主要要植植物物及及其其特特征征 被被捕捕食食 百百分分比比 成成熟熟落落叶叶林林 乔乔木木, 大大量量非非光光合合生生物物量量, 世世代代时时间间长长, 种种群群增增长长率率低低 1.22.5 17 年年弃弃耕耕田田 一一年年生生草草本本, 种种群群增增长长率率中中等等 12 非非洲洲草草原原 多多年年生生草草本本, 少少量量非非光光合合生生物物量量, 种种群群增增长长率率高高 2860 人人工工管管理理牧牧场场 多多年年生生草草本本, 少少量量非非光光合合生生物物量量, 种种群群增增长长率率高高 30

18、45 海海 洋洋 浮浮游游植植物物, 种种群群增增长长率率高高, 世世代代短短 6099 同化效率同化效率草食、碎食动物同化效率低，肉食动物草食、碎食动物同化效率低，肉食动物高高 生长效率生长效率肉食动物的净生长率低于草食动物肉食动物的净生长率低于草食动物不同动物类群有不同的生长效率不同动物类群有不同的生长效率次级生产的生态效率次级生产的生态效率第二节第二节. .生态系统中的物质循环生态系统中的物质循环1 1 物质循环的一般特征物质循环的一般特征2 2 全球水循环全球水循环3 3 碳循环碳循环4 4 氮循环氮循环5 5 磷循环磷循环6 6 硫循环硫循环物质循环的一般特征物质循环的一般特征 生物

19、地生物地球化学循环：球化学循环：生态系统从大气、水体和土壤生态系统从大气、水体和土壤等环境中获得营养物质，通过绿色植物吸收，进入等环境中获得营养物质，通过绿色植物吸收，进入生态系统，被其他生物重复利用，最后再归还于环生态系统，被其他生物重复利用，最后再归还于环境中的过程。这一过程境中的过程。这一过程包括生物包括生物与非与非生物二者生物二者的参的参与与, , 同同时时也包含一些地也包含一些地质与质与地理作用在內地理作用在內, , 因此因此称称为为生物地生物地球化学循环球化学循环 生物小循环：生物小循环：环境中元素经生物吸收，在生态系统环境中元素经生物吸收，在生态系统中被相继利用，然后经过分解者的

20、作用再为生产者中被相继利用，然后经过分解者的作用再为生产者吸收、利用吸收、利用生物小循环生物小循环物质循环的基本概念物质循环的基本概念 库（库（poolpool）： 贮存一定数量元素的某种生态系统组分称为贮存一定数量元素的某种生态系统组分称为该元素的库该元素的库 生态系统中各组分都是物质循环的库生态系统中各组分都是物质循环的库 植物库、动物库、土壤库、水体库等植物库、动物库、土壤库、水体库等 流通率：流通率：单位时间、单位面积单位时间、单位面积/ /体积的物质转体积的物质转移量移量 周转率：周转率：流通率流通率/ /库库中中营养物质总量营养物质总量 周转时间周转时间：库：库中中营养物质总量营养

21、物质总量/ /流通率流通率物质在库间的流通物质在库间的流通 流通量、周转率与周转时间流通量、周转率与周转时间是是相对于相对于库库而言的而言的 消费者库消费者库 流通率：流通率：4 4单位单位/ /天天 周转率：周转率：4/50=8%4/50=8% 周转时间：周转时间：50/4=12.550/4=12.5天天 影响物质循环速率的因素影响物质循环速率的因素1.1.元素的性质：元素的性质：有的元素循环的速率快，而有的则比有的元素循环的速率快，而有的则比较慢，这是元素化学特性和被生物有机体利用的方较慢，这是元素化学特性和被生物有机体利用的方式不同所决定的。如式不同所决定的。如COCO2 2 1 1年年

22、,N 100,N 100万年万年2.2.生物的生长速率：生物的生长速率：决定生物对物质吸收的速率以及决定生物对物质吸收的速率以及物质在食物网中运动的速度物质在食物网中运动的速度影响物质循环速率的因素影响物质循环速率的因素3.3.有机物质腐烂的速率：有机物质腐烂的速率：适宜的环境有利于分解者适宜的环境有利于分解者的生存，并使有机体很快分解，供生物重新利用的生存，并使有机体很快分解，供生物重新利用4.4.人类活动的影响：人类活动的影响： 开垦农田和砍伐森林引起土壤矿物质的流失，开垦农田和砍伐森林引起土壤矿物质的流失，影响物质循环速率影响物质循环速率 化石燃烧把硫和二氧化硫释放大气中化石燃烧把硫和二

23、氧化硫释放大气中2 2 全球水循环全球水循环 水循环是太阳能推动，在陆地、大气和海洋间循环水循环是太阳能推动，在陆地、大气和海洋间循环 地表总水量：地表总水量：1.41.4109km109km3 3，海洋约占，海洋约占97%97% 水的循环：水的循环： 陆地：蒸发陆地：蒸发( (蒸腾蒸腾)71,000km)71,000km3 3，降水，降水111,000km3 111,000km3 ，径流径流40,000km40,000km3 3 海洋：蒸发海洋：蒸发425,000km425,000km3 3，降水，降水385,000km385,000km3 3The Hydrologic Cycle(40)

24、(71)(111)(385)(425)(40)103km3生态系统中的水循环生态系统中的水循环降雨降雨截留截留穿透雨穿透雨蒸腾蒸腾渗透渗透土壤吸收土壤吸收地表地表径流径流地下径流地下径流消费者消费者地面蒸发地面蒸发3 3 碳循环碳循环 碳的重要性：生命元素、能量流动碳的重要性：生命元素、能量流动 碳库：海洋和大气、生物体碳库：海洋和大气、生物体 碳的存在形式：碳的存在形式：COCO2 2，无机盐，有机碳，无机盐，有机碳 主要循环过程主要循环过程 生物的同化和异化过程生物的同化和异化过程 大气和海洋间的大气和海洋间的COCO2 2交换交换 碳酸盐的沉淀作用碳酸盐的沉淀作用 人类活动对碳循环造成严

25、重影响，引起温室效应的人类活动对碳循环造成严重影响，引起温室效应的重要原因重要原因温室效应温室效应 温室效应（温室效应（ Greenhouse effects Greenhouse effects ）：）：大气中对长波辐射大气中对长波辐射具有屏蔽作用的温室气体浓度增加使较多的辐射能被截留具有屏蔽作用的温室气体浓度增加使较多的辐射能被截留在地球表层而导致温度上升在地球表层而导致温度上升 温室气体：温室气体：二氧化碳二氧化碳(CO2)(CO2)、甲烷、甲烷(CH4)(CH4)、氧化亚氮、氧化亚氮(N(N2 2O)O)、六氟化碳六氟化碳(SF6)(SF6)、氟氯碳化物、氟氯碳化物 (CFCs)(CF

26、Cs)、氢氟碳化物、氢氟碳化物(HFCs)(HFCs)等等 温室效应的影响温室效应的影响 海平面上升，淹沒陆地海平面上升，淹沒陆地 全球气候经常发生暴雨或干旱全球气候经常发生暴雨或干旱 土地沙漠化，生态环境改变土地沙漠化，生态环境改变CO2排放4 4 氮循环氮循环 氮的重要性氮的重要性 氮库：大气、土壤、陆地植被氮库：大气、土壤、陆地植被 生物可利用的氮的形式：生物可利用的氮的形式：NONO3 3- -、NONO2 22-2-、NHNH4 4+ + 氮循环的主要过程氮循环的主要过程 固氮作用固氮作用 氨化作用氨化作用 硝化作用硝化作用 反硝化作用反硝化作用固氮作用固氮作用 类型类型 闪电、宇宙

27、射线、火山爆发等高能固氮闪电、宇宙射线、火山爆发等高能固氮 生物固氮：固氮菌、与豆科植物共生的根瘤菌生物固氮：固氮菌、与豆科植物共生的根瘤菌和蓝藻等自养和异养微生物和蓝藻等自养和异养微生物 工业固氮：工业固氮：400400摄氏度，摄氏度，200200大气压下大气压下 意义意义 平衡反硝化作用平衡反硝化作用 对局域缺氮环境有重要意义对局域缺氮环境有重要意义 使氮进入生物循环使氮进入生物循环硝酸盐硝酸盐NO3-+R硝酸盐硝酸盐细菌细菌植体内蛋植体内蛋白质合成白质合成植植 食食动动 物物各级肉各级肉食动物食动物死体及排泄物死体及排泄物亚硝酸亚硝酸盐细菌盐细菌氨氨NH4+氨化作用氨化作用 (细菌、真菌细菌、真菌)反硝化细菌反硝化细菌蓝藻、闪电、固氮菌蓝藻、闪电、固氮菌大气大气N2损失到损失到水体中水体中火山活动火山活动氮在自然界的循环示意图氮在自然界的循环示意图氨化作用、硝化作用和反硝化作用氨化作用、硝化作用