高中生物群落演替类型｜初生演替与次生演替课件

1绪论：群落演替的核心内涵与分类逻辑演讲人01.02.03.04.05.目录绪论：群落演替的核心内涵与分类逻辑初生演替的特征与典型过程次生演替的特征与典型过程两类演替的对比与实践应用核心内容总结高中生物群落演替类型｜初生演替与次生演替课件各位同学，今天我们学习群落演替的核心类型——初生演替与次生演替。去年我带高二的两个实践小组分别去了海口火山口地质公园和重庆北碚缙云山山火后的恢复区，两组同学回来后提交的观察报告差异极大：火山口小组的同学说，他们踩的玄武岩上只有薄薄一层灰白色的附着物，要抠半天才能找到几株苔藓，走半小时才能看到一小片草本；而缙云山小组的同学说，过火才半年的林地里，蕨类和草本已经长到了脚踝高，甚至有小灌木的幼苗冒了出来。同样是植被恢复，为什么两者的差异这么大？本质上就是两类演替的起始条件完全不同，这也是我们今天这节课要拆解的核心内容。01绪论：群落演替的核心内涵与分类逻辑1群落演替的基本定义首先我们要明确群落演替的核心概念：随着时间的推移，一个群落被另一个群落替代的过程，就叫做群落演替。这里我要特别提醒大家，这里的“替代”是优势取代而非完全取代，比如从草本群落演替到灌木群落的过程中，草本植物并没有消失，只是不再占据群落的优势地位，灌木成为了新的优势种。我之前批改作业的时候发现很多同学会误以为演替是原有物种全部灭绝，这个误区一定要纠正过来。2群落演替的核心驱动因素群落演替的驱动因素可以分为两类：一类是内部因素，包括种内竞争、种间关系（捕食、共生、竞争）的动态变化，比如当草本植物密度过高时，种内竞争会加剧，更高大的灌木就有了竞争阳光的优势；另一类是外部因素，包括气候变化、自然灾害、人类活动等，比如山火、洪水、砍伐、弃耕等，都会直接改变群落的结构，推动演替的启动或者方向改变。3演替类型的划分依据目前学界对群落演替的分类标准有很多，我们高中阶段核心掌握的是按照起始条件划分的两类：初生演替和次生演替。判断的唯一核心标准，就是演替发生的起始位点，是否保留了完整的土壤层以及植物的繁殖体（包括种子、地下茎、块根等可以萌发的结构）。明确了这个划分逻辑之后，我们首先来分析第一种演替类型——初生演替，也就是我带学生在火山口观察到的演替类型。02初生演替的特征与典型过程1初生演替的定义与常见发生场景初生演替是指在从来没有被植物覆盖的地面，或者原来存在过植被、但被彻底消灭（包括土壤和所有繁殖体都消失）的地方发生的演替。常见的发生场景包括：火山喷发后岩浆冷却形成的裸岩、冰川退缩后露出的冰川泥、风沙堆积形成的沙丘、露天煤矿开采后完全剥离表土的矸石层等。这些场景的共同特征就是没有土壤结构，也没有任何可以萌发的植物繁殖体，相当于演替要从零开始。2裸岩上初生演替的完整阶段我们以火山岩裸岩演替到森林的过程为例，拆解初生演替的完整阶段：2裸岩上初生演替的完整阶段2.1地衣先锋阶段地衣是初生演替的首个先锋物种，它是真菌和藻类的共生体，真菌的菌丝可以吸收空气中的水分和矿质元素，藻类可以进行光合作用生产有机物，这种共生结构让地衣可以在没有土壤、养分极度匮乏的裸岩上生存。我当时让学生把刮下来的地衣放在便携式显微镜下观察，能清晰看到真菌的菌丝包裹着藻类细胞，非常有特点。地衣会分泌有机酸腐蚀坚硬的玄武岩表面，让岩石逐渐风化形成细小的颗粒，同时地衣死亡后的残体也会积累在岩石缝隙中，形成最初的有机质。这个阶段通常要持续数十年甚至上百年，我们在火山口看到的裸岩区域，已经经过了近80年的演替才刚刚进入苔藓阶段的初期。2裸岩上初生演替的完整阶段2.2苔藓定居阶段当岩石缝隙中的腐殖质积累到1-2毫米厚的时候，苔藓的孢子就可以附着、萌发并存活下来。苔藓的植株比地衣更高，竞争阳光的能力更强，逐渐会取代地衣成为优势种。苔藓的生长会进一步加速岩石的风化，同时苔藓死亡后的残体也会让土壤层进一步加厚，这个阶段土壤中开始出现小型的土壤动物，比如螨类、跳虫等，它们的活动可以进一步改善土壤的透气性和肥力。2裸岩上初生演替的完整阶段2.3草本植物竞争阶段当土壤层厚度达到1厘米左右，能够留住足够的水分和养分时，一年生草本植物的种子就可以在这里萌发了，比如禾本科、菊科的耐旱物种。草本植物比苔藓更高大，竞争阳光的优势更明显，很快就会成为新的优势种。草本植物的根系更发达，能够深入岩石缝隙分解岩石，同时大量的枯落物会让土壤层快速加厚，这个阶段物种丰富度明显上升，会出现昆虫、小型啮齿类动物等，群落的结构逐渐变得复杂。我们在火山口南侧的缓坡上看到的草本群落，已经经过了150年左右的演替。2裸岩上初生演替的完整阶段2.4灌木拓展阶段当土壤层厚度达到5厘米以上时，灌木的种子就可以萌发存活了。灌木比草本植物更高，根系也更发达，会逐渐占据群落的上层空间，成为新的优势种。灌木的存在会为鸟类提供栖息和筑巢的场所，鸟类会带来更多的植物种子，进一步提升群落的物种丰富度，同时种间关系也会变得更加复杂，群落的稳定性明显提升。2裸岩上初生演替的完整阶段2.5顶级群落形成阶段如果当地的气候足够湿润，土壤层足够厚，最终会演替到乔木林阶段，也就是顶级群落。这里要特别注意：并不是所有的初生演替都能到达森林阶段，顶级群落的类型是由当地的年平均温度、年降水量、土壤条件共同决定的，比如我国西北干旱地区的沙丘初生演替，最多只能演替到草原或者灌木群落阶段，不可能形成森林。3初生演替的核心特征总结下来，初生演替有四个核心特征：第一是起始条件极端，完全没有土壤和植物繁殖体；第二是演替速度极慢，从裸岩演替到森林通常需要数百年甚至上千年的时间，长白山天池火山喷发后形成的裸岩，经过300多年的演替才刚刚进入针阔混交林的初期阶段；第三是先锋物种特异性，只能由能够耐受极端贫瘠环境的地衣、苔藓、固氮植物等作为先锋物种；第四是物种丰富度的上升速率先慢后快再趋稳，先锋阶段物种丰富度上升极慢，到草本和灌木阶段上升速度加快，到达顶级群落后物种丰富度趋于稳定。03次生演替的特征与典型过程次生演替的特征与典型过程和初生演替的极端起始条件不同，次生演替在我们的生活中更为常见，去年我带另一组学生去重庆北碚山火过后的缙云山，亲眼看到了次生演替的启动过程，大家甚至能在过火后的林地找到去年的草本新苗，和火山口的裸岩形成了极其鲜明的对比。1次生演替的定义与常见发生场景次生演替是指原有植被虽已不存在，但原有土壤条件基本保留，甚至还保留了植物的种子或者其他繁殖体的地方发生的演替。常见的发生场景包括：火灾过后的林地、弃耕的农田、过量砍伐的森林、洪水过后的草地、地震过后的植被恢复区等。这些场景的共同特征是土壤层完整保留，甚至土壤中还有大量可以萌发的种子，演替不需要从零开始。2弃耕农田上次生演替的完整阶段我们以我国东部湿润地区的弃耕农田为例，拆解次生演替的完整阶段：2弃耕农田上次生演替的完整阶段2.1一年生草本占据优势阶段弃耕的第一年，土壤中原本就存在的一年生草本种子会快速萌发，比如狗尾草、牛筋草、藜等，这些物种生长周期短、繁殖速度快，很快就会占据整个弃耕地，成为优势种。我老家山东有一块农田弃耕的第一年，狗尾草长到了1.8米高，走进去都看不到人。2弃耕农田上次生演替的完整阶段2.2多年生草本替代阶段弃耕2-3年后，多年生草本植物比如白茅、野菊花、蒿属植物会逐渐取代一年生草本成为优势种，这些植物的根系更发达，能够更好地利用土壤中的养分，而且可以多年生长，竞争优势更强。这个阶段土壤中的有机物含量会快速提升，保水能力进一步增强。2弃耕农田上次生演替的完整阶段2.3灌木定植阶段弃耕10年左右，土壤的肥力和厚度已经可以支持灌木的生长，酸枣、荆条、胡枝子等灌木会逐渐定植，逐渐取代草本成为优势种。我老家那块弃耕12年的农田，现在已经有近一半的区域被灌木覆盖，还能看到绣眼鸟、麻雀等鸟类在灌木丛中筑巢。2弃耕农田上次生演替的完整阶段2.4乔木林顶级群落阶段在湿润地区，弃耕30-50年就可以演替到乔木林阶段，比如浙江丽水的山区，很多弃耕40年的山地已经形成了茂密的马尾松、栲树混交林，群落的结构和原生林已经没有明显差异。3次生演替的核心特征总结下来，次生演替有四个核心特征：第一是起始条件优越，保留了完整的土壤层甚至大量的植物繁殖体；第二是演替速度快，不需要从零开始形成土壤，缙云山过火后半年就长出了10厘米高的草本和蕨类，1年就有灌木幼苗萌发，演替速度是初生演替的几十倍；第三是物种恢复有“记忆性”，原有群落的物种会优先恢复，缙云山原来的优势种是栲树，过火后第一年就有大量栲树的实生苗萌发，因为土壤中储存了前几年落下的种子，山火的高温反而打破了种子的休眠；第四是受人类活动影响极大，如果弃耕农田中途再次被开垦，或者人为引入外来物种，都会直接中断或者改变演替的方向。04两类演替的对比与实践应用两类演替的对比与实践应用我们分别了解了两类演替的特征之后，需要明确二者的核心差异，才能在解题和实际应用中准确判断，这也是这部分知识点的核心考点。1初生演替与次生演替的核心差异梳理我们可以从四个维度对两类演替做对比：第一是起始条件，初生演替无土壤、无植物繁殖体，次生演替保留土壤和繁殖体；第二是演替速度，初生演替极慢，次生演替较快；第三是经历的阶段，初生演替必须经历地衣、苔藓的先锋阶段，次生演替可以直接跳过这些阶段，从草本阶段开始；第四是影响因素，初生演替主要受自然因素影响，次生演替受自然因素和人类活动的共同影响，且人类活动的影响占比更高。2易混演替实例的辨析方法这里我给大家梳理几个高频易错的实例：第一，火山喷发后的区域不一定都是初生演替，如果只是火山灰覆盖了植被，土壤层还保留，就属于次生演替，只有岩浆冷却形成新的裸岩，才属于初生演替；第二，矿区的恢复不一定都是初生演替，如果只是破坏了植被，没有剥离表土，就属于次生演替，只有完全剥离了表土、只剩矸石层的矿区恢复才属于初生演替；第三，洪水过后的草地恢复属于次生演替，因为洪水只是冲走了地上的植被，土壤层和地下的繁殖体都还保留。3演替规律在生态领域的实践应用演替规律在当前的生态修复领域有非常广泛的应用：第一是矿区修复，完全剥离表土的矿区属于初生演替的起始条件，必须先引入地衣、固氮植物等先锋物种改良土壤，再逐步种植草本、灌木、乔木，不能一开始就种乔木，前几年我跟着团队在内蒙古鄂尔多斯的露天煤矿做修复，最开始直接种杨树成活率不到8%，先种3年沙棘和紫云英改良土壤后，杨树成活率提升到了72%；第二是森林灾害后的恢复，山火过后的林地属于次生演替，只要封山育林让其自然演替即可，不需要大规模人工造林，自然恢复的本土物种适应性更强，缙云山现在封山育林1年多，植被覆盖率已经恢复到了灾前的60%，比预期快了近一倍；第三是农业生产管理，我们定期除草、除虫，本质上就是阻止农田向灌木、森林的方向演替，保持农作物的优势地位，而退耕还林还草就是人为促进次生演替，恢复生态系统的稳定性。05核心内容总结核心内容总结讲到这里，我们今天的核心内容就基本梳理完了，最后我再带着大家把核心逻辑串一遍：首先，群落演替的本质是优势种的更替，而非原有物种的完全消失，我们判断演替类型的唯一核心依据，就是演替的起始点有