生態(tài)系統(tǒng)和生物多樣性

1、專題九 個(gè)體、種群、群落、生態(tài)系統(tǒng)和生物多樣性邱國(guó)強(qiáng) (重慶市黔江中學(xué))*知識(shí)聯(lián)系框架個(gè)體個(gè)體是構(gòu)成種群的單位種群種群的概念及其基本特征群落 種群的數(shù)量變動(dòng)及其影響因素群落的基本概念群落的結(jié)構(gòu)特征及其影響因素生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)系統(tǒng)的概念及其類型生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能生態(tài)系統(tǒng)的平衡*重點(diǎn)知識(shí)聯(lián)系與剖析一、種群及其數(shù)量變動(dòng)*1.種群的概念及其基本特征種群是在一定空間中的同種個(gè)體的集群。作為一個(gè)種群不僅占有一定的空間，而且具有一定的結(jié)構(gòu)，同一種群內(nèi)的個(gè)體間具有交換基因的能力。種群雖然是有同種個(gè)體組成，但不等于個(gè)體數(shù)量的簡(jiǎn)單相加，從個(gè)體層次到種群層次是一個(gè)質(zhì)的飛躍，因?yàn)榉N群具有個(gè)體所沒(méi)有的一些“群體特征”:如

2、種群密度、年齡組成、性別比例、出生率、死亡率、平均壽命等。生物物種的生存、發(fā)展和進(jìn)化都是以種群為基本單位進(jìn)行的。因此個(gè)體與種群的關(guān)系是一個(gè)部分與整體的關(guān)系。*2.種群的數(shù)量變動(dòng)及其影響因素種群數(shù)量的變化包括增長(zhǎng)、波動(dòng)、穩(wěn)定和下降等，這里主要介紹一點(diǎn)有關(guān)種群的增長(zhǎng)方面的知識(shí)。種群數(shù)量的增長(zhǎng)有兩種基本模式：指數(shù)式增長(zhǎng)和邏輯斯諦增長(zhǎng)。指數(shù)式增長(zhǎng)：在食物(養(yǎng)料)和空間條件充裕，氣候適宜、沒(méi)有敵害等理想條件下，不受資源和空間的限制，種群的數(shù)量往往會(huì)連續(xù)增長(zhǎng)。以某種動(dòng)物為例，假定種群的數(shù)量為N0，年增長(zhǎng)率為，該種群每年的增長(zhǎng)速率都保持不變，那么：一年后該種群的數(shù)量應(yīng)為：N1=N0·二年后該種群的

3、數(shù)量為：N2=N1·=N0·2t年后該種群的數(shù)量應(yīng)為：Nt=N0·t如用坐標(biāo)表示，橫坐標(biāo)表示時(shí)間，縱坐標(biāo)表示種群數(shù)量，那么種群的增長(zhǎng)就會(huì)成“J”形曲線。如上圖所示。種群的指數(shù)式增長(zhǎng)模式在理論上是存在的，但在自然生態(tài)系統(tǒng)中幾乎是不可能存在的，因?yàn)橘Y源、空間和食物不可能是無(wú)限的，即使在實(shí)驗(yàn)條件下也無(wú)法做到。邏輯斯諦增長(zhǎng)：在自然條件下，環(huán)境條件是有限的，因此種群不可能按指數(shù)式增長(zhǎng)模式增長(zhǎng)。當(dāng)種群在一個(gè)有限的環(huán)境中增長(zhǎng)時(shí)，隨著種群密度的上升，個(gè)體間對(duì)有限空間、食物和其他生活條件的種內(nèi)斗爭(zhēng)必將加劇，以該種群為食的捕食者的數(shù)量也會(huì)增加，這就會(huì)使這個(gè)種群的出生率降低，死亡率增高

4、，從而使種群數(shù)量的增長(zhǎng)率下降。當(dāng)種群數(shù)量達(dá)到環(huán)境條件所允許的最大容納量時(shí)，種群數(shù)量將停止增長(zhǎng)。有時(shí)會(huì)在最大容納量上下 保持相對(duì)穩(wěn)定。據(jù)此生態(tài)學(xué)家邏輯斯諦建立了種群在有限環(huán)境條件的種群數(shù)量增長(zhǎng)的數(shù)學(xué)模型，稱為邏輯斯諦方程。它是一個(gè)微分方程，。式中:dN/dt是在某一時(shí)間、某一種群數(shù)量條件下的瞬時(shí)增長(zhǎng)率；r是內(nèi)稟增長(zhǎng)率，即該種群的最大增長(zhǎng)潛力；K為環(huán)境的容納量；N為某一時(shí)間的種群數(shù)量。按此方程繪制的曲線如圖所示。曲線成“S”形。在N=（1/2）K時(shí)，“S”形曲線有一個(gè)拐點(diǎn)A。在對(duì)野生動(dòng)植物資源的合理開(kāi)發(fā)和利用方面，一般將種群的數(shù)量控制在環(huán)境容納量的一半，即（1/2）K值時(shí)，此時(shí)種群增長(zhǎng)速度最快，可

5、提供的資源數(shù)量也最多，而又不影響資源的再生。當(dāng)種群數(shù)量大于（1/2）K 時(shí)，種群增長(zhǎng)的速度將開(kāi)始下降。所以在開(kāi)發(fā)動(dòng)植物資源時(shí)，種群數(shù)量大于（1/2）K時(shí)就可以獵取一定數(shù)量的該生物資源，而且獲得的量最大。當(dāng)過(guò)度獵取導(dǎo)致種群數(shù)量小于（1/2）K時(shí)，種群的增長(zhǎng)速度將減慢，獲取的資源數(shù)量將減少，而且還會(huì)影響資源的再生。種群數(shù)量的增長(zhǎng)速度是由出生率、死亡率、遷入和遷出決定的，所以凡是影響到出生率、死亡率、遷人和遷出的因素都可影響種群數(shù)量的變化，如氣候、食物、被捕食、傳染病等。*重點(diǎn)知識(shí)聯(lián)系與剖析二、群落及群落的結(jié)構(gòu)特征生物群落是指具有直接或間接關(guān)系的多種生物種群的有規(guī)律的組合，具有復(fù)雜的種間關(guān)系。組成群

6、落的各種生物種群不是任意地拼湊在一起的，而有規(guī)律組合在一起才能形成一個(gè)穩(wěn)定的群落。如在農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中的各種生物種群是根據(jù)人們的需要組合在一起的，而不是由于他們的復(fù)雜的營(yíng)養(yǎng)關(guān)系組合在一起，所以農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)極不穩(wěn)定，離開(kāi)了人的因素就很容易被雜草生態(tài)系統(tǒng)所替代。生物群落有一定的生態(tài)環(huán)境，在不同的生態(tài)環(huán)境中有不同的生物群落。生態(tài)環(huán)境越優(yōu)越，組成群落的物種種類數(shù)量就越多，反之則越少。任何群落都有一定的空間結(jié)構(gòu)。構(gòu)成群落的每個(gè)生物種群都需要一個(gè)較為特定的生態(tài)條件；在不同的結(jié)構(gòu)層次上，有不同的生態(tài)條件，如光照強(qiáng)度、溫度、濕度、食物和種類等。所以群落中的每個(gè)種群都選擇生活在群落中的具有適宜生態(tài)條件的結(jié)構(gòu)層次上

7、，就構(gòu)成了群落的空間結(jié)構(gòu)。群落的結(jié)構(gòu)有水平結(jié)構(gòu)和垂直結(jié)構(gòu)之分。群落的結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，對(duì)生態(tài)系統(tǒng)中的資源的利用就越充分，如森林生態(tài)系統(tǒng)對(duì)光能的利用串就比農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)和草原生態(tài)系統(tǒng)高得多。群落的結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，群落內(nèi)部的生態(tài)位就越多，群落內(nèi)部各種生物之間的競(jìng)爭(zhēng)就相對(duì)不那么激烈，群落的結(jié)構(gòu)也就相對(duì)穩(wěn)定一些。*重點(diǎn)知識(shí)聯(lián)系與剖析三、生態(tài)系統(tǒng)*1.生態(tài)系統(tǒng)的概念及其類型關(guān)于生態(tài)系統(tǒng)的概念有兩種理解：一是指生物群落與無(wú)機(jī)環(huán)境相互作用的自然系統(tǒng)，是無(wú)機(jī)環(huán)境與生物群落的有機(jī)結(jié)合，與生態(tài)系統(tǒng)的成分聯(lián)系起來(lái)，生物群落包括生產(chǎn)者、消費(fèi)者和分解者，無(wú)機(jī)環(huán)境是指非生物物質(zhì)和能量；另一種理解是指在一定的空間和時(shí)間內(nèi)，在各種生物之

8、間以及生物與無(wú)機(jī)環(huán)境之間通過(guò)能量流動(dòng)和物質(zhì)循環(huán)而相互作用的自然系統(tǒng)，這是從生態(tài)系統(tǒng)的功能方面來(lái)理解生態(tài)系統(tǒng)的概念，即生態(tài)系統(tǒng)中的各成分之間通過(guò)物質(zhì)循環(huán)和能量流動(dòng)而聯(lián)系在一起的一個(gè)有機(jī)整體。關(guān)于生態(tài)系統(tǒng)的類型，重點(diǎn)掌握各種類型生態(tài)系統(tǒng)的基本特征和分布地域。如森林生態(tài)系統(tǒng)是分布在水資源充沛的地區(qū)，特征是動(dòng)植物種類繁多，群落的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，種群的密度和群落的結(jié)構(gòu)能夠長(zhǎng)期處于較穩(wěn)定的狀態(tài)；草原生態(tài)系統(tǒng)是分布在水資源貧乏的地區(qū)，特征是動(dòng)植物種類少，群落結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，系統(tǒng)不穩(wěn)定；農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)是人工建立的生態(tài)系統(tǒng)，農(nóng)作物是其主要成分，其他的動(dòng)植物種類較少，特點(diǎn)是必須要有人的參與才能維持其穩(wěn)定。*2.生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)生

9、態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)包括生態(tài)系統(tǒng)的成分和生態(tài)系統(tǒng)的營(yíng)養(yǎng)結(jié)構(gòu)。生態(tài)系統(tǒng)的成分由兩部分組成；非生物成分和生物成分。非生物成分是指陽(yáng)光、空氣、水分和礦物質(zhì)等的非生物物質(zhì)和能量。生物部分包括生產(chǎn)者、消費(fèi)者和分解者：生產(chǎn)者以綠色植物為主，是生態(tài)系統(tǒng)的主要成分，屬于自養(yǎng)型生物，在營(yíng)養(yǎng)結(jié)構(gòu)中總是處于第一營(yíng)養(yǎng)級(jí)。消費(fèi)者主要是指各種動(dòng)物，它們的生存直接或間接依賴于綠色植物通過(guò)光合作用制造的有機(jī)物，消費(fèi)者屬于異養(yǎng)型生物。分解者主要是指營(yíng)腐生生活細(xì)菌、真菌等的微生物，也包括一些營(yíng)腐生生活的動(dòng)物，如蚯蚓等。分解者能將動(dòng)植物的尸體、排泄物和殘落物中的復(fù)雜有機(jī)物分解成為簡(jiǎn)單的無(wú)機(jī)物。分解者在生態(tài)系統(tǒng)中是一種不可缺少的成分，如果缺

10、少分解者，物質(zhì)循環(huán)將會(huì)中斷。生態(tài)系統(tǒng)的營(yíng)養(yǎng)結(jié)構(gòu)是指食物鏈和食物網(wǎng)：食物鏈?zhǔn)侵干鷳B(tài)系統(tǒng)中各種生物之間由于食物關(guān)系而形成的一種聯(lián)系，由于生態(tài)系統(tǒng)中動(dòng)物的食物來(lái)源大都不是單一的，而是多種多樣的，所以在生態(tài)系統(tǒng)中許多食物鏈常交錯(cuò)成網(wǎng)狀，形成復(fù)雜的營(yíng)養(yǎng)關(guān)系。*3.生態(tài)系統(tǒng)的功能生態(tài)系統(tǒng)的功能主要是進(jìn)行能量流動(dòng)和物質(zhì)循環(huán)：生態(tài)系統(tǒng)的能量流動(dòng)。生態(tài)系統(tǒng)中的能量歸根到底來(lái)自太陽(yáng)能，生態(tài)系統(tǒng)中綠色植物通過(guò)光合作用所固定的太陽(yáng)能便是流經(jīng)這個(gè)生態(tài)系統(tǒng)的總能量。每個(gè)營(yíng)養(yǎng)級(jí)所具有的能量一般流向3個(gè)方面：一部分是被該營(yíng)養(yǎng)級(jí)的生物本身的生命活動(dòng)所消耗的；一部分尸體、排泄物和殘落被分解者分解后以熱能的形式釋放出來(lái)；還有一部分

11、被下一個(gè)營(yíng)養(yǎng)級(jí)的生物所同化而流人下一個(gè)營(yíng)養(yǎng)級(jí)。能量流動(dòng)的特點(diǎn)是單向的、不循環(huán)的，而且是逐級(jí)遞減的。能量在沿食物鏈流動(dòng)時(shí)傳遞的平均效率為10%20%。生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)。物質(zhì)循環(huán)是指組成生物體的C、H、O、N等基本元素在生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)的生物群落和無(wú)機(jī)環(huán)境之間所形成的反復(fù)的循環(huán)運(yùn)動(dòng)。地球上最大的生態(tài)系統(tǒng)是生物圈，所以物質(zhì)循環(huán)帶有全球性，稱為生物地球化學(xué)循環(huán)。重點(diǎn)掌握碳循環(huán)過(guò)程，如圖所示：物質(zhì)循環(huán)和能量流動(dòng)的關(guān)系。生態(tài)系統(tǒng)的能量流動(dòng)是隨著物質(zhì)循環(huán)而進(jìn)行的，二者互為因果、相輔相成，具有不可分割的聯(lián)系。生態(tài)系統(tǒng)的各成分中，通過(guò)能量流動(dòng)和物質(zhì)循環(huán)而緊密地聯(lián)系在一起，形成一個(gè)統(tǒng)一的整體。*4.生物多樣性生物多樣

12、性是生物之間的多樣性和變異性及物種生存環(huán)境的復(fù)雜性。生物多樣性有3個(gè)層次：即物種的多樣性、遺傳的多樣性和生態(tài)系統(tǒng)的多樣性。物種的多樣性是指地球上生命有機(jī)體的多樣性，已被描述的物種約140萬(wàn)，估計(jì)物種總數(shù)在500萬(wàn)5000萬(wàn)種之間。遺傳的多樣性是指遺傳信息的總和，包含地球上所有植物、動(dòng)物、微生物個(gè)體的基因。生態(tài)系統(tǒng)的多樣性是指生物圈中的生態(tài)環(huán)境、生物群落和生態(tài)過(guò)程等的多樣性。生物多樣性是人類生存和發(fā)展的基礎(chǔ)。*5.生態(tài)平衡生態(tài)系統(tǒng)發(fā)展到一定的階段，它的生產(chǎn)者、消費(fèi)和分解者之間能夠較長(zhǎng)時(shí)間地保持著一種動(dòng)態(tài)的平衡，也就是它的能量流動(dòng)和物質(zhì)循環(huán)能夠較長(zhǎng)時(shí)間地保持著一種動(dòng)態(tài)的平衡。生態(tài)平衡的原理即為生態(tài)

13、系統(tǒng)的自我調(diào)節(jié)。自我調(diào)節(jié)能力的大小與生態(tài)系統(tǒng)中的成分和營(yíng)養(yǎng)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度呈正相關(guān)。但生態(tài)系統(tǒng)的自動(dòng)調(diào)節(jié)能力是有限度的，當(dāng)外來(lái)的干擾超過(guò)的這個(gè)限度，生態(tài)平衡就會(huì)遭到破壞。破壞生態(tài)平衡的因素有自然因素和人為因素兩類。自然因素是指自然中客觀存在的一些不可抗拒的力量，如火山爆發(fā)、山崩海嘯、臺(tái)風(fēng)等自然災(zāi)害；人為的因素是指人類對(duì)自然的不合理利用，工農(nóng)業(yè)發(fā)展帶來(lái)的環(huán)境污染所造成的。生態(tài)系統(tǒng)遭到破壞的3個(gè)標(biāo)志性特征是植被的破壞、食物鏈的破壞和環(huán)境污染。保持生態(tài)平衡是人類可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)。*6.生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性生態(tài)系統(tǒng)所具有的保持或恢復(fù)自身結(jié)構(gòu)和功能的相對(duì)穩(wěn)定的能力稱為生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。如當(dāng)氣候干旱時(shí)，森林中的

14、動(dòng)植物種類和數(shù)量一般不會(huì)有太大的變化，這說(shuō)明森林生態(tài)系統(tǒng)具有抵抗氣候變化、保持自身相對(duì)穩(wěn)定的能力。生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性包括抵抗力穩(wěn)定性和恢復(fù)力穩(wěn)定性等方面：抵抗力穩(wěn)定性是指生態(tài)系統(tǒng)抵抗外界干擾并使自身的結(jié)構(gòu)和功能保持原狀的能力。如森林生態(tài)系統(tǒng)對(duì)氣候變化的抵抗能力就屬于抵抗力穩(wěn)定性。生態(tài)系統(tǒng)之所以具有抵抗力是因?yàn)樯鷳B(tài)系統(tǒng)具有一定的自動(dòng)調(diào)節(jié)能力。生態(tài)系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)節(jié)能力的大小與生態(tài)系統(tǒng)中營(yíng)養(yǎng)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度有關(guān)，營(yíng)養(yǎng)結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，自動(dòng)調(diào)節(jié)能力就越大；反之則自動(dòng)調(diào)節(jié)能力就越小。自動(dòng)調(diào)節(jié)能力有大有小，抵抗力穩(wěn)定性也有大有小?；謴?fù)力穩(wěn)定性是指生態(tài)系統(tǒng)在遭到外界干擾因素的破壞以后恢復(fù)到原狀的能力。如河流生態(tài)系統(tǒng)被嚴(yán)重

15、污染后，導(dǎo)致水生生物大量死亡，使河流生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能遭到破壞。如果停止污染物的排放，河流生態(tài)系統(tǒng)通過(guò)自身的凈化作用，還會(huì)恢復(fù)到接近原來(lái)的狀態(tài)。這說(shuō)明河流生態(tài)系統(tǒng)具有恢復(fù)自身相對(duì)穩(wěn)定的能力。再如一片草地上發(fā)生火災(zāi)后，第二年就又長(zhǎng)出茂密的草本植物，動(dòng)物的種類和數(shù)量也能很快得到恢復(fù)。有許多證據(jù)表明，抵抗力和恢復(fù)力之間存在著相反的關(guān)系，具有高抵抗力穩(wěn)定性的生態(tài)系統(tǒng)，其恢復(fù)力的穩(wěn)定性是低的，反之亦然。但是一個(gè)抵抗力與恢復(fù)力都很低的生態(tài)系統(tǒng)，它的穩(wěn)定性當(dāng)然也是很低。如凍原生態(tài)系統(tǒng)，它的生產(chǎn)者主要是地衣，地衣對(duì)環(huán)境的變化很敏感，很容易被破壞，它的生長(zhǎng)又很慢，一旦因某種原因使地衣遭到破壞后就很難恢復(fù)，從而

16、導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)的崩潰。如森林生態(tài)系統(tǒng)與雜草生態(tài)系統(tǒng)相比較，森林生態(tài)系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)節(jié)能力強(qiáng)，抗干擾的能力也強(qiáng)。森林比較能忍受溫度的變動(dòng)，也較能抵抗干旱和蟲(chóng)害的危害。一次春寒可能把樹(shù)木的新葉凍死，但樹(shù)木很快就能長(zhǎng)出另外的新葉來(lái)。但如果將森林生態(tài)系統(tǒng)中的喬木全部砍掉，這個(gè)森林生態(tài)系統(tǒng)就很難恢復(fù)到原來(lái)的樣子。盡管雜草生態(tài)系統(tǒng)的抵抗力穩(wěn)定性不如森林生態(tài)系統(tǒng)，但如一場(chǎng)大火將雜草全部燒光，形成次生裸地，第二年又恢復(fù)成一個(gè)雜草生態(tài)系統(tǒng)。所以以恢復(fù)力穩(wěn)定性來(lái)衡量生態(tài)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)能力，雜草生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)力顯然比森林高。*7.生態(tài)農(nóng)業(yè)在農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中，為了保持農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展，人們?cè)O(shè)計(jì)了農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)良性循環(huán)的模式，如?；~(yú)塘生態(tài)農(nóng)業(yè)等。生態(tài)農(nóng)業(yè)是指運(yùn)用生態(tài)學(xué)原理，在環(huán)境與經(jīng)濟(jì)協(xié)調(diào)發(fā)展的思想指導(dǎo)下，應(yīng)用現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)建立起來(lái)的多層次、多功能的綜合農(nóng)業(yè)生產(chǎn)體系。生態(tài)系統(tǒng)中能量多級(jí)利用和物質(zhì)循環(huán)再生是生態(tài)學(xué)的一條基本原理。食物