生物奥林匹克竞赛培训(生态学)4

1、第第4章章 生态系统生态学生态系统生态学第一节第一节 生态系统的基本概念生态系统的基本概念 1.1.概念概念(ecosystem) ：在一定空间中共同栖居着的所有生物群落与其环境之间由于不断进行物质循环和能量流动过程而形成的统一整体。2.特征特征 （1）是生态学的一个主要结构和功能单位，属于生态学研究的高层次。 （2）内部具有自我调节能力。 （3）能量流动、物质循环和信息传递是生态系统的三大功能。 （4）生态系统中营养级的数目受限于生产者所固定的最大能值和这些能量在流动中巨大损失，因此生态系统中营养级不会超过5-6个。 （5）生态系统是一个动态系统。第二节第二节 生态系统的组成与结构生态系统的

2、组成与结构 一、非生物环境一、非生物环境 包括参加物质循环的无机元素和化合物、联系生物和非生物成分的有机物质和气候或其他物理条件。二、生产者二、生产者 生产者（producers），又称初级生产者（primary producers），指自养生物，主要指绿色植物，也包括一些化能合成细菌。这些生物能利用无机物合成有机物，并把环境中的太阳能以生物化学能的形式第一次固定到生物有机体中。初级生产者也是自然界生命系统中唯一能将太阳能转化为生物化学能的媒介。三、消费者三、消费者 指那些直接或间接依赖于生产者所制造的有机物质生存的异养生物。2.2.按营养方式的不同可分为：按营养方式的不同可分为：（1 1）食

3、草动物：）食草动物：直接以植物体为营养的动物。（一级消费者）（2 2）食肉动物：）食肉动物：以食草动物为食者。（二级消费者）（3 3）大型食肉动物或顶极食肉动物：）大型食肉动物或顶极食肉动物：以食肉动物为食者。（三级消费者）四、分解者四、分解者 分解者（分解者（dedecomposers），异养生物。指利用动植物残体及其它有机物分解为生产者能重新利用的简单化合物，并释放出能量。主要有真菌、细菌、放线菌等微生物。第三节第三节 食物链食物链(Food chain)和食物网（和食物网（Food web） 1.1.食物链食物链(Food chain) ：生产者所固定的能量和物质，通过一系列取食和被食的

4、关系在生态系统中传递，各种生物按其食物关系排列的链状顺序，称为食物链 。2. 2. 食物链类型食物链类型 （1）捕食食物链）捕食食物链(grazing food chain) 绿色植物为起点到食草动物进而到食肉动物的食物绿色植物为起点到食草动物进而到食肉动物的食物链。链。 如植物植食性动物肉食性动物。 如草原上的青草 野兔 狐狸 狼； 在湖泊中，藻类甲壳类小鱼大鱼。（2）碎屑食物链）碎屑食物链(detritus food chain) 以动、植物的遗体被食腐性生物（小型土壤动物、真菌、细菌）取食，然后到他们的捕食者的食物链。植物残体蚯蚓线虫类节肢动物。（3）寄生性食物链：）寄生性食物链： 由宿

5、主和寄生物构成。它以大型动物为食物链的起点，继之以小型动物、微型动物、细菌和病毒。后者与前者是寄生性关系。如哺乳动物或鸟类跳蚤原生动物细菌病毒。3.食物网食物网（Food web）第四节第四节 营养级与生态金字塔营养级与生态金字塔 1.营养级（营养级（Trophic level） 处于食物链某一环节上的所有生物种的总和。2.生态系统中营养级数目生态系统中营养级数目 （1）各营养级消费者不可能100%利用前一营养级的生物量； （2）各营养级同化率也不是100%，总有一部分排泄出去； （3）各营养级生物要维持自身的活动，消耗一部分热量。 由于能流在通过各营养级时会急剧减少，所以食物链就不可能太长，

6、生态系统中的营养级一般只有四、五级，很少超过六级。3.生态金字塔生态金字塔 （1）概念：）概念：指各营养级之间的数量关系，这种数量关系可采用生物量、能量和个生物量、能量和个体数量体数量单位，采用这些单位构成的生态金字塔分别为生物量、能量和数量金字塔。（2）类型）类型 A 能量金字塔：能量金字塔： B 生物量金字塔生物量金字塔 C 数量金字塔数量金字塔A 能量能量金字金字塔塔：各营养级所固定的总能量值的多少来构成的生态各营养级所固定的总能量值的多少来构成的生态金字塔。以相同的单位面积和单位时间内的生产金字塔。以相同的单位面积和单位时间内的生产者和各级消费者所积累的能量比率来构造（千卡者和各级消费

7、者所积累的能量比率来构造（千卡/平方米平方米.年）。年）。B 生物量金字塔生物量金字塔 以相同单位面积上生产者和各级消费者的生物量即生命物质总量建立的金字塔。对陆地、浅水生态系统中比较典型，因为生产者是大型的，所以塔基比较大，金字塔比较规则； 但对于湖泊和开旷海洋湖泊和开旷海洋，第一性生产者主要为微型藻类，生活周期短，繁殖迅速，大量被植食动物取食利用，在任何时间它的现存量很低，导致这些生态系统的生物量金字塔呈倒金字塔形。C 数量金字塔数量金字塔 单位面积内生产者的个体数目为塔基，以相同面积内各营养级位有机体数目构成塔身及塔顶。一般每一个营养级所包括的有机体数目，沿食物链向上递减。 缺点：缺点：

8、有时植食动物比生产者数目多。如昆虫和树木；个体大小差别很大；个体大小有很大差别，只有个体数目多少来说明问题有局限性。Eltonian Pyramids 能量金字塔能量金字塔表达营养结构最全面，确切 表示食物通过食物链的效率，永远是正塔型； 数量金字塔数量金字塔过分突出小生物体的重要性； 生物量金字塔生物量金字塔过分突出大生物体的重要性。第五节第五节 生态效率与能量流动生态效率与能量流动Should we feed grain to beef cattle or should we eat the grain?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值，常以

9、百分数表示。一、能量参数一、能量参数 （一）摄取量（一）摄取量（I）：）：表示各生物所摄取的能量。 （二）同化量（二）同化量(A)：动物消化道内被吸收的能量，即消费者吸收所采食的食物能；植物光合作用所固定的日光能。 （三）呼吸量（三）呼吸量(R)：生物在呼吸等新陈代谢和各种活动所消耗的全部能量。 （四）生产量（四）生产量(P)：生物呼吸消耗后所净剩的同化能量值。 P= A- R二、营养级位之内的生态效率二、营养级位之内的生态效率量度一个物种利用食物能的效率，即同化能量的有效程度。量度一个物种利用食物能的效率，即同化能量的有效程度。（一）同化效率（一）同化效率Assimilation effic

10、iency ： 被植物吸收的日光能中被光合作用所固定的能量比例，或被动物摄食的能量中被同化了的能量比例。 Ae=An/In 肉食动物的同化效率高于植食动物。(二二)生长效率生长效率(growth efficiency) 组织生长效率组织生长效率(TGe)=NPn/An 生态生长效率生态生长效率(EGe)= NPn/ In 营养级越高，生长效率越低。植物的生长效率动物。植物将光合能量大约40%呼吸，60%生长，肉食动物同化能量大约65%用于呼吸，35%用于生长。哺乳动物呼吸消耗的能量最多，大约占同化量的97-99%，只有1%-3%用于净生产量。三、营养级位之间的生态效率三、营养级位之间的生态效率

11、 量度营养级位之间的转化效率。量度营养级位之间的转化效率。 （一）消费效率（利用效率）（一）消费效率（利用效率）（consumption efficiency） 消费效率消费效率(Ce)=In+1/NPn 消费效率量度一个营养级对前一营养级的相对取食压力。一般在20-35%范围内。每一营养级净生产的65%-75%进入碎屑食物链，被损失到系统之外。 利用效率（利用效率（Ue）=An+1/NPn 利用效率的高低，说明前一营养级的净生产量被后一营养级同化多少。初级生产初级生产( (一一) )基本概念基本概念1.1.初级生产量初级生产量(primary production)(primary prod

12、uction)：生态系统中绿色植物通过光合作用，吸收和固定太阳能，由无机物合成、转化成复杂的有机物。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，也称第作用合成有机物质的数量称为初级生产量，也称第一性生产。一性生产。2.2.淨初級淨初級生产生产量量(net primary production) ：在初级生产过程中，植物固定的能量有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。3.3.总总初級初級生产生产量量(gross primary production)：GP=NP+R4. 4. 初級初級生产生产力力(primary productiv

13、ity)：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速率称为生产率(productivity rate)，或生产力(productivity)。5.5.生物量生物量(biomass(biomass):是指某一时刻调查时单位面积上积存的有机物质(kg/m2)。以鲜重(fresh weight,FW)或干重(dry weight，DW)表示。6.6.现存量现存量(standing crop)(standing crop)：是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。SC=GP-R-H-D（二）初级生产量的限制因素（二）初级生产量的限制因素次级生产次级生产 1.1.

14、次级生产次级生产：消费者利用初级生产的产品进行新陈代谢，经过同化作用形成自身的物质，称为次级生产。2. 次级生产量的生产过程次级生产量的生产过程3.能量收支能量收支 C=A+FU C：动物从外界摄食的能量 A：被同化能量 FU：排泄物 A=P+R P：净次级生产量 R：呼吸能量二、次级生产量的测定二、次级生产量的测定 1.同化量和呼吸量估计生产量：同化量和呼吸量估计生产量： P=A-R; A=C-FU 2.P=Pg+Pr（净生产量为种群中个体的生长和出生之和）（净生产量为种群中个体的生长和出生之和） Pr：生殖后代的生产量 Pg：个体增重三、次级生产的生态效率三、次级生产的生态效率 1.消费效

15、率：消费效率：食草动物对植物净生产量的利用。 （1）植物种群增长率高，世代短，更新快，被利用的百分比高； （2）草本植物维管束少，能提供较多的净初级生产量； （3）浮游动物利用的净初级生产量比例最高。2.同化效率同化效率 草食、碎食动物同化效率低，肉食动物高；3.生长效率生长效率 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。4.林德曼效率林德曼效率5. 生态系统生态系统能量流动的特点能量流动的特点 生态系统能量的流动是单一方向的。能量以光能的状态进入生态系统后，就不能再以光的形式存在，而是以热的形式不断地逸散于环境中。 从太阳辐射能到被生产者固定，再经植食动物，到肉食动物，

16、再到大型肉食动物，能量是逐级递减的过程，这是因为：（1）各营养级消费者不可能百分之百地利用前一营养级的生物量；（2）各营养级的同化作用也不是百分之百的，总有一部分不被同化；（3）生物在维持生命过程中进行新陈代谢，总要消耗一部分能量。第六节第六节 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（生物地球化学循环）：）物质循环（生物地球化学循环）： 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，进入生态系统，被其他生物重复利用，最后，再归还于环境中。 这些循环的路径包括生物与非生物二者, 同时也包含一些地质与地理作用在內, 因此称为生物地球化学循环。（2） 生物小循

17、环：生物小循环：环境中元素经生物吸收，在生态系统中被相继利用，然后经过分解者的作用再为生产者吸收、利用。三、生物地球化学循环的类型三、生物地球化学循环的类型 根据物质在循环时所经历的路径不同，从整个生物圈的观点出发，并根据物质循环过程中是否有气相的存在，生物地球化学循环可分为： 1.气体型循环（气体型循环（gaseous type)：其贮存库是大气和海洋。气相循环把大气和海洋相联系，具有明显的全球性，循环性能最为完善。元素或化合物可以转化为气体形式气体形式参与循环过程。气体循环速度比较快，例如CO2、N2、O2等。物质来源充沛，不会枯竭。一、碳循环一、碳循环碳是一切生物体中最基本的成分。碳是一

18、切生物体中最基本的成分。库在大气和海洋。库在大气和海洋。The Carbon Cycle海洋和大气海洋和大气CO2调节调节CO2CO2溶溶于海水于海水H2CO3水体中生物水体中生物H+CO3 2- CACO3海底沉积物海底沉积物Carbon accumulation CO2 has increased from its pre-industrial level data: recent records plus older data such as ice cores mostly fossil fuel burningGreenhouse effects温室气体主要包括：温室气体主要包括：二

19、氧化碳(CO2)、甲烷(CH4)、氟氯碳化物、(CFCs)、氧化亚氮(N2O)、六氟化碳(SF6)、全氟碳化物(PFCs)、氢氟碳化物(HFCs)等。 温室效应：温室效应：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在地球表层而导致温度上升。溫室效应的影响溫室效应的影响 1996年联合国气候变化政府间专家委员会(IPCC)评估报告，二氧化碳浓度已从工业革命前的280PPMV增加至1994年的358PPMV。预估2100年时全球平均地面气溫，将比1990年上升1.03.5，海平面將上升1595公分；全球气候与生态环境将产生下列变化： 海平面上升，淹沒陆地。 全球气候经常发生

20、暴雨或干旱。 土地沙漠化，生态环境改变。二、氮循环二、氮循环固氮作用固氮作用：（1）闪电、宇宙射线、火山爆发等高能固高能固氮，氮，形成硝酸盐；（2）工业固氮工业固氮：400摄氏度，200大气压下；（3）生物固氮生物固氮：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。 氨化作用：氨化作用：由氨化细菌和真菌的作用将有机氮分解成为氨和氨化合物，氨溶水成为NH4+，为植物利用。 硝化作用：硝化作用：在通气良好的土壤中，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，供植物吸收利用。 反硝化作用：反硝化作用：反硝化细菌将亚硝酸盐转变成大气氮，回到大气库中。2.水循环：水循环： 生态系

21、统中所有的物质循环都是在水循环的推动下完成的，因此，没有水的循环，也就没有生态系统的功能，生命也将难以维持。The Hydrologic Cycle3.3.沉积型沉积型(sedimentary type)： 这类循环速度比较慢，参与沉积循环的物质，其分子或化合物主要通过岩石的风化和沉积物的溶岩石的风化和沉积物的溶解解转变为可被生物利用的营养物质，而海底沉积物转化为岩石圈成分则是相当长的、缓慢的、单向的物质转移过程，时间要以千年计算。主要储主要储库在土壤、沉积物和岩石，而无气体状态。库在土壤、沉积物和岩石，而无气体状态。因此沉积循环的全球性不如气体型循环，循环性能也很不完善。磷循环磷循环l 磷循

22、环属典型的沉积循环。磷循环属典型的沉积循环。l 磷以不活跃的地壳作为主要贮存库。岩石经土磷以不活跃的地壳作为主要贮存库。岩石经土壤风化释放的磷酸盐和农田中施用的磷肥，被壤风化释放的磷酸盐和农田中施用的磷肥，被植物吸收进入植物体内。植物吸收进入植物体内。l 含磷有机物沿两条循环支路循环：一是沿食物含磷有机物沿两条循环支路循环：一是沿食物链传递，并以粪便、残体归还土壤；另一是以链传递，并以粪便、残体归还土壤；另一是以枯枝落叶、秸秆归还土壤。枯枝落叶、秸秆归还土壤。l 各种含磷有机化合物经土壤微生物的分解，转各种含磷有机化合物经土壤微生物的分解，转变为可溶性的磷酸盐。变为可溶性的磷酸盐。 硫循环硫循

23、环伦敦烟雾事件伦敦烟雾事件 伦敦1952年2月5日到8日，雾大无风，家庭和工厂排出的烟尘经久不散，大气中SO2含量3.8毫克/立方米，烟尘4.5毫克，居民普遍呼吸困难、咳嗽、喉痛、呕吐和发烧，4天内死亡约4000人。有毒有害物质循环有毒有害物质循环一、有毒有害物质循环的一般特点一、有毒有害物质循环的一般特点 有毒有害物质循环有毒有害物质循环是指对有机体有毒有害物质进入生态系统后，沿着食物链在生物体内富集或被分解的过程。 生物放大作用生物放大作用生物放大作用生物放大作用Bioaccumulation （食物链（食物链浓集效应）：浓集效应）：某些物质当他们沿食物链移动时，既不被呼吸消耗，又不容易被

24、排泄，而是浓集在有机体的组织中，这一现象称为生物放大作用。实例实例 （一）DDT 人工合成的有机氯杀虫剂。 1.危害：危害： （1）消灭害虫的同时，无选择地将益虫、）消灭害虫的同时，无选择地将益虫、益鸟和害虫的天敌杀死。益鸟和害虫的天敌杀死。 如美国加利福尼亚州，由于滥用DDT，1967年有19%的蜜蜂被杀死，导致水果和蜜糖急剧减产。（2） DDT不溶于水，而溶于脂肪，极易通过食物链而浓集。水体中的水体中的DTTDTT浓度约为浓度约为0.00005ppm0.00005ppm浮游生物浮游生物 0.04 ppm0.04 ppm刚毛藻刚毛藻 0.08 ppm0.08 ppm网茅网茅 0.33 ppm0.33 ppm螺螺 0.26 ppm 0.26 ppm 蛤蛤 0.42 ppm 0.42 ppm 鱼鱼 1.24 ppm1.24 ppm燕鸥燕鸥 3.42 ppm3.42 ppm河鸥幼体河鸥幼体 55.3 ppm 55.3 ppm 成体成体18.5 ppm18.5 ppm秋沙鸭秋沙鸭 22.8 ppm22.8 ppm鹭鸟鹭鸟 26.4 ppm26.4 ppm银