生态系统生态学课件

1、第4章生态系统生态学,一、生态系统概述 二、生态系统中的能量流动 三、生态系统中的物质循环 四、生态系统中的信息传递,当前全球所面临的人口问题、重大资源与环境问题的解决，都依赖于对生态系统结构、功能、多样性、稳定性以及生态系统的演替、受干扰后的恢复能力和自我调节能力等问题的研究。,一、生态系统概述,生态系统的基本概念与特征 生态系统的组成成分与基本结构 食物链和食物网 营养级与生态金字塔 生态系统的稳定性,（一）生态系统的基本概念与特征,1、生态系统的基本概念 生态系统(ecosystem) ：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

2、学功能单位。 英国坦斯利Tansley A.G. （1935年）提出。,生态系统(ecosystem),一个简单的陆地生态系统模式图,2、生态系统的共同特性,生态系统是生态学上的最主要的结构和功能单位。 生态系统具有自我调节能力。 能量流动、物质循环和信息传递是生态系统的三大功能。 营养级的数目受限于生产者所固定的最大能值以及能流过程中能量的损失，一般不超过5 6个。 生态系统是一个动态系统，要经历一个从简单到复杂、从不成熟到成熟的发育过程。,3、生态系统的研究内容,自然生态系统的保护和利用 生态系统调控机制的研究 生态系统退化的机制、恢复及其修复研究 全球性生态问题的研究 生态系统可持续发展

3、的研究,(二)生态系统的组成成分与基本结构,1、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）分解者：异养生物如细菌、真菌、原生动物等。,（二）生态系统的组成成分与基本结构,2、生态系统的结构营养结构,营养结构：一种以营养为纽带，把

4、生态系统中的生物成分和非生物成分紧密联合起来，构成生产者、消费者和分解者三大功能群，能量流动、物质循环和信息传递成为三大功能的有机整体,（三）食物链和食物网,1、食物链 定义：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。 食物链类型： 1）捕食食物链 2） 碎屑食物链 3）寄生食物链 4）腐生性食物链,（三）食物链和食物网,1）捕食食物链食物链以生产者为起点。(活体) 如植物 植食性动物 肉食性动物。 草原上的青草 野兔 狐狸 狼。 湖泊中的藻类 甲壳类 小鱼 大鱼。 2）碎食食物链：以碎食（植物的枯枝落叶等）为起点的食物链。 森林中9

5、0%的净生产以食物碎食方式被消耗。 例如：碎食物 碎食物消费者 小型肉食性动物 大型肉食性动物。,4.1.3食物链和食物网,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）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。,一个食物链的例子“螳螂捕蝉，黄雀在后”,植物汁液,蝉,螳螂,黄雀,鹰,（三）食物链和食物网,2、食物网 在生态系统中，一种生物往往以多种生物为食，食物链彼此交错连结形成一个网状结构。,南极海洋浮游食物网,北极岛屿

6、简单的食物网,食物网,（四）营养级与生态金字塔,1、营养级 营养级：处于食物链某一环节上的所有生物种的总和。 营养级一般不超过6 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（植食动物，即一级消费者）为第二营养级。二级消费者（肉食动物）为第三营养级。以此类推。,南极海洋浮游食物网,（四）营养级与生态金字塔,2、生态金字塔 定义：把生态系统中各个营养级有机体的个体数量、生物量或能量，按营养级位顺序排列并绘制成图，其形似金字塔，故称生态金字塔或生态锥体。 类型： 数量金字塔 生物量金字塔 能量金字塔,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有机体数目构成塔

7、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,数量金字塔,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，只用个体数目多少来说明问题有局限性,不同类型金字塔的比较,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 数量金字塔过分突出小生物体的重要性 生物量金字塔过分突出大生物体的重要性,二、生态系统中的能量流动,能量传递的热力学定律 初级生产 次级生产 生态系统中的分解,（一）能量传递的热力学定律,能量流动特点 ： 1）能量转化和守恒（热力学第一定律） 2）能量沿食物链方向流动，逐级递减（第二定律） 3）能量流动是单方向、非循环的,(二)生

8、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。 1、常用的几个能量参数 2、营养级内的生态效率 3、营养级间的生态效率,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）。 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。(NP，净初级生产

9、量) P=A-R NP=GP-R,2、营养级内生态效率,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 Ae=An/In n：营养级,2、营养级内生态效率,2） 生长效率(生产效率) 组织生长效率= n营养级的净生产量/n营养级的同化能量 Ae=Pn/An 生态生长效率= n 营养级的净生产量/n 营养级的摄入量 Pe=Pn/In 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。,蜘蛛的转化效率分析图,猎物种群生产量（886.4g）,被蜘蛛捕获的（10.3g）,未捕获的（876.1g）,被吃下

10、的（7.93g）,未吃下的（2.37g）,同化的（7.30g）,未同化的（0.63g）,净初级生产量（2.69g）,呼吸代谢（4.60g）,计算蜘蛛在次级生产过程中的两种生态效率？,3、营养级位之间生态效率,1）消费效率（或利用效率） 2）林德曼效率,1）消费效率（或利用效率） 消费效率=（n+1）营养级的摄入量/ n营养级的净生产量 Ce=In+1/Pn 消费效率可用来度量一个营养级对前一营养级的相对采食压力，此值一般为25%-35%。,3、营养级位之间生态效率,3、营养级位之间生态效率,2）林德曼效率 = n+1营养级的摄取量/n营养级的摄入量 Le=An/InPn/InPn/An In+

11、1/Pn=In+1/In =n+1营养级的同化量/n营养级的同化能量 Le=An+1/An 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。,(三)初级生产,初级生产的基本概念 全球初级生产量的分布特点 初级生产效率 初级生产效率的测定方法,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（第一性生产力）：植物所固定的太阳能或所制造的有机物质的数量。,1、初级生产的基本概念,总初级生产量：单位面积、单位时间内，通过光合作用所固定的太阳能。（GP） 净初级生产量(NP)：在初级生产过程中，植物固

12、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。 GP = NP+R R呼吸消耗的能量。 -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。,1、初级生产的基本概念,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 dB/dt=GP-R-H-D GP=dB/dt+R+H+D dB/dt 某一时期内生物量的变化；H 被较高营养级动物所取食的生物量 D 因死亡而损失的生物量,2、全球净初级生产量概况及分布特点,（1）陆地比海洋 （2）陆地上初级生产量 （3）海洋中初级生产量 （4）初级生产力垂直变化,初级生产量大。,随

13、随纬度增加逐渐降低的趋势,由河口湾向大陆架和大洋区逐渐降低,高到低，深到浅降低,3、初级生产的生产效率,Pe=Pn/An=NP/GP（组织生产效率）,同化效率？,组织生产效率,3、初级生产的生产效率,作物群体的最高太阳光能利用率12% 我国农业生产平均光能利用率0.4%，个别高产也不超过2% 世界平均光能利用率0.3% 如何提高农作物生产效率？,4、初级生产量的测定方法,（1）收获量测定法 （2）黑白瓶法（氧气测定法） （3）CO2测定法 （4）放射性标记物测定法 （5）叶绿素测定法 （6）ph测定法,4、初级生产量的测定方法,（1）收获量测定法 定期收割植被，70-80烘干至恒重，然后以每年

14、每平方米的干物质来表示； GP=dB/dt+R+H+D 适用范围：估计农作物和牧场的初级生产力；多次取样比较准确。,4、初级生产量的测定方法,（2）黑白瓶法（氧气测定法） 基本原理：测定水中含氧量的变化，利用光合作用方程计算出总初级生产量。 适用范围：多用于水生生态系统。 初始瓶（IB）、黑瓶(DB) 、白瓶（LB） LB-IB=净初级生产量 IB-DB=呼吸量 LB-DB=总初级生产量,4、初级生产量的测定方法,（3）CO2测定法 原理同黑白瓶法，适宜于陆生生态系统。,4、初级生产量的测定方法,4）放射性标记物测定法 在一定深度取水样分装于黑瓶和白瓶，在两瓶中分别加入已知数量的NaH14CO

15、3 后，再放回原水深处培养 水样过滤 干燥 计数器中测定放射活性 计算确定光合作用固定的碳量（净生产量）。 计算方法：614CO2/6CO2=14C6H12O6/C6H12O6 适宜范围：水生生态系统。,1、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养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。,（四）次级生产,2、次级生产量的测定 P = I-FU-R I- 摄取量； A-同化量； R-呼吸量； P-生产量； FU-粪尿能量。 测定 实验室 野外？ 呼吸量（实验室）；利用种群个体生长和出生资料来

16、计算动物的净生产量 P = Pg+Pr，Pg 个体增重；Pr 生殖后代的生产量。,（四）次级生产,3、次级生产的生态效率 生态系统类型 主要植物及其特征 被捕食百分比 成熟落叶林 乔木，种群增长率低 1.22.5 1-7年弃耕田 一年生草本,种群增长率中等 12 非洲草原 多年生草本,种群增长率高 2860 人工管理牧场 多年生草本,种群增长率高 3045 海洋 浮游植物, 种群增长率高 6099,植物种群的增长率越高，种群更新的越快，食草动物就能更多利用植物的初级生产量。 协同进化,（五）生态系统中的分解,1、概念 分解作用:将残株、尸体等复杂的有机物分解为简单无机物的逐步降解过程。 C6H

17、12O6+6O26CO2+6H2O+能量,（五）生态系统中的分解,1、概念 分解作用:将残株、尸体等复杂的有机物分解为简单无机物的逐步降解过程。 C6H12O6+6O26CO2+6H2O+能量,2、资源有机物分解作用的三个过程,（1）降解：在酶的作用下，有机物进行生物化学的分解，分解为单分子的物质（如纤维素降解为葡萄糖）或无机物（葡萄糖降为CO2和H2O）。 （2）碎化：颗粒体的粉碎。包括动物的生命活动过程和非生物的作用（如风化、结冰、解冻和干湿作用等）。 （3）溶解：指水将资源中的可溶解成分解脱出来，其速率受前两个过程的影响。,森林枯枝落叶层中的部分食物网,3、影响分解的生态因素,（1）分解

18、者生物 （2）待分解有机物质资源 （3）环境因素,3、影响分解的生态因素,（1）分解者生物 （1）微生物 ：细菌和真菌是主要的分解者。在细菌体内和真菌菌丝体内具有各种完成多种特殊化学反应所需的酶系统。直接作用 （2）土壤动物：主要是食碎屑的无脊椎动物。包括弹尾目、双翅目和鞘翅目昆虫，原尾虫、螨类、线蚓类、千足类、等足类、蜗牛、蚯蚓等。 分解作用：撕碎、物质转化、食菌作用 低纬度热带地区 高纬寒带、冻原地区,中小型土壤动物,大型土壤动物,3、影响分解的生态因素,（1）分解者生物 （2）待分解有机物质资源 碳和能量的来源不同分解速率 见教材178页表4.12 单糖分解率100%（年） 木质素分解率

19、50%（年） 酚分解率10%（年）,3、影响分解的生态因素,（1）分解者生物 （2）待分解有机物质资源 碳和能量的来源分解速率不同 营养物（C:N比）分解速率不同 微生物分解有机物C:N最适比例 25:1-30:1 动物性有机质接近最适比例 植物性有机质C:N 40:1-80:1,3、影响分解的生态因素,（1）分解者生物 （2）待分解有机物质资源 碳和能量的来源分解速率 营养物（C:N比）分解速率 调节剂引起分解微生物生理活性和行为特征变化的化学成分 单宁降低有效氮的数量 Cu Zn Cd Ni强大的杀真菌作用,3、影响分解的生态因素,（1）分解者生物 （2）待分解有机物质资源 （3）环境因素

20、 土壤温度、土壤湿度和通气状况、土壤pH值等。 分解指数K=I/X I：年输入死有机物质总量 X：系统中死有机物质现存总量 热带雨林 稀树草原 温带落叶阔叶林 冻原,4、分解意义,维持全球生产和分解的平衡 （1）通过死亡物质的分解，使营养物质再循环，给生产者提供营养物质； （2）维持大气中CO2浓度； （3）稳定和提高土壤有机质的含量，为碎屑食物链以后各级生物提供食物； （4）改善土壤物理性状，改造地球表面惰性物质。 应用 污水处理、固体废弃物处理微生物分解,三、生态系统中的物质循环,物质循环的概念及特点 物质循环的类型 元素循环的相互作用,（一）物质循环的概念及特点,物质循环：指各种化学元素

21、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。,（一）物质循环的概念及特点,物质循环的特点 可循环利用； 质能守恒和物质不灭,（一）物质循环的概念及特点,库物质在循环过程中暂时固定、储存的场所 贮存库 交换库,库容量 元素滞留时间 流动率,小 短 较高 多属于生物成分,大 长 低 多属于非生物成分,（一）物质循环的概念及特点,流通率物质在生态系统中单位时间、单位面积内移动量 周转率=流通率/库中该营养物质总量 周转时间=库中该营养物资总量/流通率 水体到生产者周转时间? 生产者的周转时间

22、?,池塘生态系统中库与库流通的模式图（面积1.62h ）,（二）物质循环的类型,1、水循环 2、气体型循环 CO2、N2、O2 全球性三个环境问题（温室效应、臭氧层破坏）密切相关 3、沉积型循环p 、 s,2、气体性循环,碳循环 氮循环,(1)碳循环,碳储存库 生态系统中的碳循环 人为活动破坏生态系统碳循环 保持碳循环相对平衡的生态对策,(1)碳循环,碳储存库 岩石圈（包括化石燃料）碳酸盐，约占碳总量的99.9% 水圈 大气圈 生物圈,(1)碳循环,循环过程: 同化过程和异化过程（光合作用和呼吸作用）； 大气和海洋之间二氧化碳的交换； 碳酸盐的沉淀作用、化石燃料燃烧,(1)碳循环,碳储存库 生

23、态系统中的碳循环 循环速度快 自我调节机制 人为活动破坏生态系统碳循环 化石燃料（6.9）+陆地植被破坏（0.9）=大气中含量上升（3.2）+海洋吸收（2.0）+未知的汇 （1.7） 温室效应 生态效应,(1)碳循环,碳储存库 生态系统中的碳循环 人为活动破坏生态系统碳循环 保持碳循环相对平衡的生态对策,(2)氮循环,氮储存库 氮循环主要作用 氮不平衡,(2)氮循环,氮储存库 大气、土壤、水 氮循环主要作用,(2)氮循环,氮储存库 大气、土壤、水 氮循环主要作用 固氮作用：生物固氮、高能固氮、工业固氮 氨化作用：由氨化细菌作用将有机氮分解成为氨与氨 化合物。 硝化作用：氨化合物被亚硝酸盐细菌和

24、硝酸盐细菌氧化为亚硝酸盐和硝酸盐。 反硝化作用：反硝化细菌将亚硝酸盐转变成大气氮，回到大气中。,(2)氮循环,氮储存库 氮循环主要作用 氮不平衡 工业固氮水体富营养化,3、沉积型循环p,磷重要性 构成核酸、细胞膜、骨骼的重要成分；代谢过程 磷循环途径,3、沉积型循环p,磷重要性 构成核酸、细胞膜、骨骼的重要成分；代谢过程 磷循环途径 陆地（土壤库）经河流到达海洋 海洋到陆地：三个途径,农业生产上大量施用磷肥不仅使磷资源面临枯竭的威胁，且磷矿石、磷肥中含重金属和放射性物质，长期大量施用，使土壤污染。 磷素随水土流失进入水域或水体富营养化，殃及鱼类等水生生物。,3、沉积型循环p,延伸有毒有害物质的

25、循环,1、有毒有害物质定义： 进入生态系统后对自然生物种群及人类健康有毒害作用的物质。 重金属、氟化物、氰化物、酚类、有机氯杀虫剂 2、有毒有害物质界定： 具有数量和时间的性质和要求 少量有利 DDT低剂量延长雄性大鼠的生命；铬能减缓动脉硬化过程，能协助胰岛素改善糖和脂肪的代谢 过量 具有易变性 硝酸盐亚硝酸盐；汞转变成甲基汞毒性增强,有毒有害物质在水、土壤、大气中极其微量、达标，对人否有危害？,有毒有害物质的循环,3、有毒有害物质循环的一般特点 有毒有害物质的迁移转化 生物富集作用 BCF富集系数=有毒物质在生物体内的浓度/有毒物质在环境介质中的浓度 生物富集 生物积累 生物放大,有毒有害物

26、质的循环,生物富集作用 生物富集：生物机体或处于同一营养级的大部分生物种群，从周围环境蓄积某种元素或难降解的物质，使其在机体内浓度超过周围环境中浓度的现象。 褐藻 对钼的富集系数11 对铅的富集系数70000,有毒有害物质的循环,生物富集作用 生物富集： 生物积累：生物在整个代谢活跃期利用吸收、吸附、吞食等各种方式，从周围环境中蓄积某些元素或难分解的化合物，以致随着生长发育，富集系数不断增大的现象。 水稻不同生育期对铅的吸收和富集 拔节期 分蘖期 苗期 抽穗期 结实期,有毒有害物质的循环,生物富集作用 生物富集： 生物积累： 生物放大：同一食物链上的高营养级生物，通过吞食低营养级生物积蓄某种元

27、素或难降解物质，使其在机体内的浓度随着营养级的提高而逐渐增大的现象。,有毒有害物质的循环,DDT（二氯二苯三氯乙烷）的富集作用,应用？,四、生态系统中的信息传递,信息的概念及其主要特征 生态系统中信息的类型及特点 信息传递过程的模式 生态系统中重要的信息传递,讨论：一只蜜蜂在找到蜜源之后，如何告诉巢中的其他同伴蜜源的位置呢？,生命系统中是否存在信息？,问题探讨,（一）信息的概念及其主要特征,信息：信息源发出的，被使用者接受和理解的各种信号 信号的主要特征： 普遍性 传广性 永续性 时效性 分享性 转化性,（二）生态系统中信息的类型,1、信息的种类 （1）物理信息：以物理因素引起生物之间感应作用

28、的一类信息。如光、声、热、电、磁等信息。,声波,阳光,热量,水的振动,温度、湿度,磁场,物理信息,（二）生态系统中信息的类型及特点,（2）化学信息：生物在代谢过程中分泌出一些物质 ，被其它生物所接受而传递。 1）动植物间的化学信息 2）动物间的化学信息 3）植物间的化学信息,水葫芦根部的分泌物可以明显地抑制藻类的生长。,水葫芦,化学信息,昆虫学家发现,一只雄飞蛾能够接收到几公里外雌飞蛾发出的某种信号,从而赶去相会。它们敏锐的触角能捕捉空气中不足1/3盎司的由雌飞蛾发出的该种信号(一种无色无味的特殊化学物质)。,化学信息,当蚜虫被捕食时，被捕食的蚜虫立即释放报警信息素，通知同类其他个体逃避。,化

29、学信息,戴胜是一种美丽的鸟，但其臭无比，因为它们的尾部能分泌一种极臭的物质，这样可以将它们的巢穴弄得臭气熏天，一般蛇鼠和其它肉食性鸟类及盗蛋的鸟都不愿光顾。,化学信息,（二）生态系统中信息的类型及特点,（2）化学信息：生物在代谢过程中分泌出一些物质 ，被其它生物所接受而传递。 1）动植物间的化学信息 2）动物间的化学信息 通过外分泌腺向体外分泌信息素，它携带着特定的信息。 3）植物间的化学信息,（二）生态系统中信息的类型及特点,（2）化学信息：生物在代谢过程中分泌出一些物质 ，被其它生物所接受而传递。 1）动植物间的化学信息 植物产生气味，不同动物对植物气味有不同反应。 主要是植物产生次生代谢

30、物，如生物碱、萜类、黄酮类、甙类、芳香族化合物等，表现为威慑、拒食、诱引作用 2）动物间的化学信息 3）植物间的化学信息,（二）生态系统中信息的类型及特点,（2）化学信息：生物在代谢过程中分泌出一些物质 ，被其它生物所接受而传递。 1）动植物间的化学信息 2）动物间的化学信息 3）植物间的化学信息 化学他感作用：植物通过向周围环境中释放化学物质影响邻近植物生长发育的现象。 大豆和玉米；马铃薯和菜豆；洋葱和甜菜；豌豆和小麦，槭树和苹果树；玫瑰和百合 高粱和芝麻；水仙与铃兰；荞麦与玉米；甘蔗与芹菜；黄瓜与番茄；番茄和茄子、卷心菜与油菜,相互促进,相互克制,（二）生态系统中信息的类型及特点,（3）营养信息：食物链是一个生物的营养信息系统。 （4）行为信息：借光、声及化学物质等信息传递，同类生物表现出各种行为信息传递。,行为信息：,贮食行为,取食行为,行为信息,攻击行为,行为信息,育雏行为,行为信息,求偶行为,求偶行为,行为信息,（三）信息在农业生态系统中的应用,1