環(huán)境概論-3生態(tài)系統(tǒng)

1、環(huán)境概論東北大學石忠寧 生態(tài)系統(tǒng)與生態(tài)平衡生態(tài)系統(tǒng)與生態(tài)平衡p生態(tài)學與環(huán)境科學生態(tài)學與環(huán)境科學p3.1 3.1 生態(tài)系統(tǒng)的基本概念及類型生態(tài)系統(tǒng)的基本概念及類型p3.2 3.2 生態(tài)系統(tǒng)的功能生態(tài)系統(tǒng)的功能p3.3 3.3 生態(tài)系統(tǒng)的平衡生態(tài)系統(tǒng)的平衡p3.4 3.4 影響生態(tài)系統(tǒng)平衡和變化的因素影響生態(tài)系統(tǒng)平衡和變化的因素p3.53.5生態(tài)平衡失調(diào)的原因生態(tài)平衡失調(diào)的原因引言：引言：生態(tài)學與環(huán)境科學生態(tài)學與環(huán)境科學p18591859年英國博物學家達爾文出版年英國博物學家達爾文出版物種起源物種起源，創(chuàng)立生物進，創(chuàng)立生物進化論，是生物學發(fā)展史上的一次革命?；?，是生物學發(fā)展史上的一次革命。p18

2、661866年年(1869(1869年年) ) 德國生物學家厄恩斯特德國生物學家厄恩斯特?？藸柼岢錾鷳B(tài)學概?？藸柼岢錾鷳B(tài)學概念。定義為念。定義為“自然界的經(jīng)濟學自然界的經(jīng)濟學”。p我國著名生態(tài)學家馬世駿把生態(tài)學定義為我國著名生態(tài)學家馬世駿把生態(tài)學定義為“研究生物與環(huán)境之研究生物與環(huán)境之間相互關(guān)系及其作用機理的科學間相互關(guān)系及其作用機理的科學”。p生態(tài)學是一門研究生物與其生活環(huán)境相關(guān)系的科學，是生物生態(tài)學是一門研究生物與其生活環(huán)境相關(guān)系的科學，是生物學的主要分支之一，初期重植物后涉動物，分植物生態(tài)學和學的主要分支之一，初期重植物后涉動物，分植物生態(tài)學和動物生態(tài)學。動物生態(tài)學。 生態(tài)學的含義及其發(fā)

3、展生態(tài)學的含義及其發(fā)展p1935 1935 年英國植物生態(tài)學家年英國植物生態(tài)學家AGAG坦斯利提出坦斯利提出生生態(tài)系統(tǒng)態(tài)系統(tǒng)的概念。的概念。p19421942年美國耶魯大學青年生態(tài)學家林德曼發(fā)表了年美國耶魯大學青年生態(tài)學家林德曼發(fā)表了“食物鏈食物鏈”、“金字塔營養(yǎng)級金字塔營養(yǎng)級”、“十分之一律十分之一律”的的報告。報告。p2020世紀世紀6060年代之后，著名的美國生物學家奧達姆年代之后，著名的美國生物學家奧達姆等人又提出了等人又提出了生態(tài)平衡生態(tài)平衡思想。思想。p生態(tài)學的發(fā)展分為兩個階段：生態(tài)學的發(fā)展分為兩個階段：生物學分支學科生物學分支學科階段和綜合性學科階段階段和綜合性學科階段生態(tài)學的含

4、義及其發(fā)展生態(tài)學的含義及其發(fā)展概括起來，生態(tài)學發(fā)展經(jīng)過三個階段從定性探索生物與環(huán)境的相互作用到定量研究從個體生態(tài)學到復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)，由單一到綜合，靜態(tài)到動態(tài)地認識自然界的物質(zhì)循環(huán)和轉(zhuǎn)化規(guī)律與基礎(chǔ)科學、應(yīng)用科學相結(jié)合，發(fā)展生態(tài)學，擴大領(lǐng)域生物學分支學科階段生物學分支學科階段p2020世紀世紀6060年代以前，基本局限于研究生物與環(huán)境年代以前，基本局限于研究生物與環(huán)境之間的相互關(guān)系，出現(xiàn)了植物生態(tài)學、動物生態(tài)之間的相互關(guān)系，出現(xiàn)了植物生態(tài)學、動物生態(tài)學、微生物生態(tài)學等。進而以生物有機體的組織學、微生物生態(tài)學等。進而以生物有機體的組織層次與環(huán)境的相互關(guān)系為研究對象，出現(xiàn)了個體層次與環(huán)境的相互關(guān)系為研究

5、對象，出現(xiàn)了個體生態(tài)學、種群生態(tài)學和生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)學。生態(tài)學、種群生態(tài)學和生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)學。綜合性學科階段綜合性學科階段p在基礎(chǔ)研究方面，達到一個新的水平。在基礎(chǔ)研究方面，達到一個新的水平。p與相臨學科相互交融，形成數(shù)學生態(tài)學、化學生與相臨學科相互交融，形成數(shù)學生態(tài)學、化學生態(tài)學、物理生態(tài)學、系統(tǒng)生態(tài)學等交叉學科。態(tài)學、物理生態(tài)學、系統(tǒng)生態(tài)學等交叉學科。p研究人類與其生存環(huán)境的關(guān)系及其相互作用的規(guī)研究人類與其生存環(huán)境的關(guān)系及其相互作用的規(guī)律，形成了人類生態(tài)學。律，形成了人類生態(tài)學。p人類生態(tài)學的分支學科：社會生態(tài)學、文化生態(tài)人類生態(tài)學的分支學科：社會生態(tài)學、文化生態(tài)學、教育生態(tài)學、城市生態(tài)學、工業(yè)

6、生態(tài)學學、教育生態(tài)學、城市生態(tài)學、工業(yè)生態(tài)學p本章主要介紹與環(huán)境科學密切相關(guān)的本章主要介紹與環(huán)境科學密切相關(guān)的-生態(tài)系生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)學。它是研究生物與環(huán)境相互關(guān)系的科學統(tǒng)生態(tài)學。它是研究生物與環(huán)境相互關(guān)系的科學，是研究人與自然環(huán)境關(guān)系的理論基礎(chǔ)，是研究人與自然環(huán)境關(guān)系的理論基礎(chǔ)。3.1 3.1 生態(tài)系統(tǒng)的基本概念及類型生態(tài)系統(tǒng)的基本概念及類型3.1.1 3.1.1 什么是生態(tài)系統(tǒng)？什么是生態(tài)系統(tǒng)？就是指存在于自然界一定范圍或區(qū)域內(nèi)的所有生物和環(huán)境相互就是指存在于自然界一定范圍或區(qū)域內(nèi)的所有生物和環(huán)境相互作用的具有能量轉(zhuǎn)換、物質(zhì)循環(huán)代謝和信息傳遞功能的統(tǒng)一體作用的具有能量轉(zhuǎn)換、物質(zhì)循環(huán)代謝和信息傳

7、遞功能的統(tǒng)一體。種群：同種生物在一定范圍內(nèi)所有個體的總和。種群：同種生物在一定范圍內(nèi)所有個體的總和。群落：在一定自然區(qū)域內(nèi)各種群的生物總和。群落：在一定自然區(qū)域內(nèi)各種群的生物總和。生態(tài)系統(tǒng)的共同特性：生態(tài)系統(tǒng)的共同特性： 地球表層是一個總的生態(tài)系統(tǒng)，這就是我們稱之為的生物地球表層是一個總的生態(tài)系統(tǒng)，這就是我們稱之為的生物圈，圈， 形形色色的生態(tài)系統(tǒng)彼此之間是有機聯(lián)系在一起的，形形色色的生態(tài)系統(tǒng)彼此之間是有機聯(lián)系在一起的，不是彼此隔離的，一個生態(tài)系統(tǒng)中發(fā)生的事情將肯定會影不是彼此隔離的，一個生態(tài)系統(tǒng)中發(fā)生的事情將肯定會影響到另一個或多個生態(tài)系統(tǒng)。響到另一個或多個生態(tài)系統(tǒng)。3.1.2 生態(tài)系統(tǒng)的構(gòu)

8、成構(gòu)成分為分為生物生物和和非生物非生物兩部分兩部分生物部分分為生物部分分為：生產(chǎn)者、消費者和分解者生產(chǎn)者、消費者和分解者。非生物因子非生物因子：溫度、光、空氣、土壤、水及各溫度、光、空氣、土壤、水及各種養(yǎng)分種養(yǎng)分，為生物的生存提供必要的空間、物質(zhì)，為生物的生存提供必要的空間、物質(zhì)和能量。和能量。限制因子限制因子：一個生態(tài)系統(tǒng)的總結(jié)構(gòu)也可能受單一個生態(tài)系統(tǒng)的總結(jié)構(gòu)也可能受單個非生物因子所決定，這種生物因子稱為限制個非生物因子所決定，這種生物因子稱為限制因子。因子。生態(tài)系統(tǒng)組成成分及相互關(guān)系草食動物肉食動物寄生動物食腐動物食渣動物分解者轉(zhuǎn)換者營養(yǎng)鹽綠色食物光照無生命成分 有生命成分 生產(chǎn)者消費者p

9、生產(chǎn)者（又稱自養(yǎng)生物） 是指利用光能把周圍環(huán)境中的無機（非生物）養(yǎng)分制造成有機物質(zhì)的綠色植物。其次是指某些光能合成細菌和化能合成細菌，它們也能將無機物合成為有機物。生物部分生物部分何為光合作用光合作用，即光能合成作用，是植物、藻類和某些細菌，在可見光的照射下，利用光合色素，將二氧化碳（或硫化氫）和水轉(zhuǎn)化為有機物，并釋放出氧氣（或氫氣）的生化過程。光合作用的實質(zhì)是把CO2和H2O轉(zhuǎn)變?yōu)橛袡C物（物質(zhì)變化）和把光能轉(zhuǎn)變成ATP中活躍的化學能再轉(zhuǎn)變成有機物中的穩(wěn)定的化學能（能量變化）。 6CO2+12H2O（ 光照、酶、 葉綠體）= C6H12O6 + 6O2 +6H2O相關(guān)的反應(yīng)式： H2O2H+

10、1/2O2（水的光解）NADP+ + 2e- + H+ NADPH（遞氫） ADP+PiATP （遞能） CO2+C5化合物2C3化合物（二氧化碳的固定） 2C3化合物+4NADPH + ATP（CH2O）+ C5化合物+H2O（有機物的生成或稱為C3的還原） ATPADP+PI（耗能） 能量轉(zhuǎn)化過程：光能不穩(wěn)定的化學能（能量儲存在ATP的高能磷酸鍵）穩(wěn)定的化學能（糖類即淀粉的合成）# 煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(nicotinamide adenine dinucleotide phosphate)縮寫NADP，曾稱為三磷酸吡啶核苷酸（TPN）或輔脫氫酶或輔酶。光合作用兩個階段、光反應(yīng)、卡爾文

11、文循環(huán)光合作用兩個階段、光反應(yīng)、卡爾文文循環(huán)卡爾文循環(huán)Calvin cycle，又稱光合碳循環(huán)是一種類似于Kerbs cycle的新陳代謝過程，其可使起動物質(zhì)以分子的形態(tài)進入和離開這循環(huán)后發(fā)生再生。碳以二氧化碳的形態(tài)進入并以糖的形態(tài)離開Calvin cycle。整個循環(huán)是利用ATP作為能量來源，并以降低能階的方式來消耗NADPH，如此可增加高能電子來制造糖。 ATP （adenosine triphosphate）結(jié)構(gòu)腺嘌呤核苷三磷酸：不穩(wěn)定的高能磷酸化合物，由1分子腺嘌呤，1分子核糖和3分子磷酸組成， A-PPP，A腺苷，T三個，P高能磷酸基，“-”表示普通的磷酸鍵，“”代表一種特殊的化學鍵

12、，稱為高能磷酸鍵。 動物是由線粒體的呼吸產(chǎn)生 植物體是由葉綠體的光合作用和呼吸作用產(chǎn)生， ATP在ATP水解酶的作用下遠離A（腺嘌呤）的“”斷裂，ATP水解成ADP+Pi（游離磷酸團）+能量。 在細胞中，它與ADP的相互轉(zhuǎn)化實現(xiàn)貯能和放能，從而保證細胞各項生命活動的能量供應(yīng)。生成ATP的途徑主要有兩條：一條是植物體內(nèi)含有葉綠體的細胞，在光合作用的光反應(yīng)階段生成ATP；另一條是所有活細胞都能通過細胞呼吸生成ATP。l消費者（他養(yǎng)生物）消費者（他養(yǎng)生物）消費者p是指直接或間接利用綠色植物作為食物和能量來源的生物是指直接或間接利用綠色植物作為食物和能量來源的生物。即消費者是以生產(chǎn)者為食物的他養(yǎng)生物。

13、即消費者是以生產(chǎn)者為食物的他養(yǎng)生物。p初級消費者：初級消費者：直接以生產(chǎn)者為食，食草動物，牛、馬、羊直接以生產(chǎn)者為食，食草動物，牛、馬、羊、野兔、野兔p二級消費者：二級消費者：以初期消費者為食，肉食動物，狼、狐貍以初期消費者為食，肉食動物，狼、狐貍p三級消費者：三級消費者：大型食肉動物大型食肉動物p四級消費者：四級消費者：頂級食肉動物頂級食肉動物p劃分是相對的，沒有嚴格的等級界限，只有捕食和被捕食劃分是相對的，沒有嚴格的等級界限，只有捕食和被捕食的關(guān)系。生態(tài)系統(tǒng)中生物之間的取食關(guān)系非常復(fù)雜。的關(guān)系。生態(tài)系統(tǒng)中生物之間的取食關(guān)系非常復(fù)雜。l分解者（還原者）分解者（還原者）分解者作用p分解者包括真

14、菌和細菌類等具有分解能力的各種微生物。也包括以有機碎宵為食物的微型動物和食腐動物。多為他養(yǎng)生物。p通過分泌酶到動、植物的殘體和排泄物上把復(fù)雜的有機物分解為簡單的無機物，重新供生產(chǎn)者吸收利用，從而構(gòu)成生態(tài)系統(tǒng)中營養(yǎng)物質(zhì)的循環(huán)。在這一過程中自己也從中獲得能量和營養(yǎng)。p扮演著地球的清道夫、凈化環(huán)境的天使、循環(huán)的發(fā)動機等重要角色。p分解作用對生態(tài)系統(tǒng)起著自凈的作用。非生物因子是指生物周圍的環(huán)境中所有的化學和物理的成分：溫度、光、空氣、土壤、水及各種養(yǎng)分，為生物的生存和發(fā)展提供必要的空間、物質(zhì)和能量。由于每種因子都對生物的生存有著深刻的影響，且每種因子之間也有許多相互作用，因而它們的綜合作用能夠決定一個

15、地區(qū)內(nèi)可以維持下去的生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和類型。即每種生物都必須適應(yīng)于它們所生活的那個地區(qū)的非生物因子。限制因子：一個生態(tài)系統(tǒng)的總結(jié)構(gòu)也可能受某個單個非生物因子所決定，這種生物因子稱為限制因子。如降雨量，對地球大陸而言是決定生態(tài)系統(tǒng)為森林、草原還是荒漠的限制因子。非生物因子作用功能3.1.3 3.1.3 食物鏈與食物網(wǎng)食物鏈與食物網(wǎng)食物鏈食物鏈 生態(tài)系統(tǒng)中，由食物關(guān)系把多種生物聯(lián)接起來，一種生物以另一種生物生態(tài)系統(tǒng)中，由食物關(guān)系把多種生物聯(lián)接起來，一種生物以另一種生物為食，另一種以第三種生物為食為食，另一種以第三種生物為食彼此形成一個以食物聯(lián)接起來的鏈彼此形成一個以食物聯(lián)接起來的鏈鎖關(guān)系，稱它為食物

16、鏈。鎖關(guān)系，稱它為食物鏈。p 捕食性食物鏈，它以植物為基礎(chǔ)。其構(gòu)成形式是捕食性食物鏈，它以植物為基礎(chǔ)。其構(gòu)成形式是: :植物植物小動物小動物大動物大動物。后者可以捕食前者，如在草原上，青草后者可以捕食前者，如在草原上，青草野兔野兔狐貍狐貍狼；在湖泊中，狼；在湖泊中，藻類藻類甲殼類甲殼類小魚小魚大魚。大魚。 p 碎食性食物鏈，它以碎食物為基礎(chǔ)。碎食物是由高等植物葉子的碎片經(jīng)碎食性食物鏈，它以碎食物為基礎(chǔ)。碎食物是由高等植物葉子的碎片經(jīng)細菌和真菌的作用，再加入微小的藻類構(gòu)成。這種食物鏈的構(gòu)成形式是：細菌和真菌的作用，再加入微小的藻類構(gòu)成。這種食物鏈的構(gòu)成形式是：碎食物碎食物碎食物消費者碎食物消費者

17、小肉食性動物小肉食性動物大肉食性動物。大肉食性動物。 p 寄生性食物鏈，以大型生物為基礎(chǔ)，由小型生物寄生到大型生物身上構(gòu)寄生性食物鏈，以大型生物為基礎(chǔ)，由小型生物寄生到大型生物身上構(gòu)成。成。例如例如老鼠老鼠 跳蚤跳蚤細菌細菌病毒。病毒。 p (4)(4)腐生性食物鏈，以腐爛動植物遺體為基礎(chǔ)。如腐生性食物鏈，以腐爛動植物遺體為基礎(chǔ)。如植物殘體植物殘體虹蛾虹蛾動物動物。 食物網(wǎng)食物網(wǎng) 在一個生態(tài)系統(tǒng)中在一個生態(tài)系統(tǒng)中, ,常常有許多條食常常有許多條食物鏈物鏈, ,這些食物鏈并不是相互孤立地存這些食物鏈并不是相互孤立地存在著。由于一種消費者常常不是只吃在著。由于一種消費者常常不是只吃一種食物一種食物

18、, ,而同一種食物又常常被多種而同一種食物又常常被多種消費者吃掉。這樣消費者吃掉。這樣, ,一個生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)的一個生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)的這許多條食物鏈就自然地相互交織在這許多條食物鏈就自然地相互交織在一起一起, ,從而構(gòu)成了復(fù)雜的食物網(wǎng)。從而構(gòu)成了復(fù)雜的食物網(wǎng)。 3.1.4 3.1.4 生態(tài)系統(tǒng)的類型生態(tài)系統(tǒng)的類型p自然生態(tài)系統(tǒng)：是指自然界中那些未受到人類活動的重大影響的生態(tài)系統(tǒng)。包括陸地生態(tài)系統(tǒng)（森林生態(tài)系統(tǒng)、草原生態(tài)系統(tǒng)和荒漠生態(tài)系統(tǒng)）和水生生態(tài)系統(tǒng)（淡水生態(tài)系統(tǒng)和海洋生態(tài)系統(tǒng)）。p人工生態(tài)系統(tǒng)：由人類支配和控制的生態(tài)系統(tǒng)。如城市、鄉(xiāng)村；耕種植物、馴養(yǎng)的動物所組成的生態(tài)系統(tǒng)。重要的是人工生態(tài)系統(tǒng)必須與

19、自然生態(tài)系統(tǒng)中物質(zhì)循環(huán)、能量流動與信息傳遞的原理相一致；否則，人工生態(tài)系統(tǒng)就會失去平衡而瓦解。按生態(tài)系統(tǒng)形成的原動力和影響力分為：按生態(tài)系統(tǒng)形成的原動力和影響力分為：自然生態(tài)系統(tǒng)和人工生態(tài)系統(tǒng)。自然生態(tài)系統(tǒng)和人工生態(tài)系統(tǒng)。3.2 生態(tài)系統(tǒng)的功能物質(zhì)循環(huán)、能量流動與信息傳遞稱為生態(tài)系統(tǒng)的三大基本功能還包括生物生產(chǎn)生產(chǎn)者、消費者和分解者通過這些基本功能彼此聯(lián)系在一起，使生態(tài)系統(tǒng)成為一個功能單位。生物生產(chǎn)也是生態(tài)系統(tǒng)的基本功能之一，是生態(tài)系統(tǒng)能量流動、物質(zhì)循環(huán)功能的具體體現(xiàn)，而且對生物或人類都是至關(guān)重要的。所謂生物生產(chǎn)即生物體或生態(tài)系統(tǒng)在能量代謝和物質(zhì)循環(huán)的過程中，在某一環(huán)節(jié)或過程中使物質(zhì)、能量重新

20、分配、組合，形成有機化合物，這些生物性產(chǎn)品的生產(chǎn)過程被稱為生物生產(chǎn)。生物生產(chǎn)生態(tài)系統(tǒng)基本功能是由生態(tài)系統(tǒng)中的生命物質(zhì)-生物群落實現(xiàn)的。生物生產(chǎn)包括初級生產(chǎn)和次級生產(chǎn)初級生產(chǎn)-植物性生產(chǎn) 將太陽能轉(zhuǎn)變成化學能、簡單無機物轉(zhuǎn)變成復(fù)雜有機物，其本質(zhì)是能量轉(zhuǎn)化和物質(zhì)的積累過程，是綠色植物的光合作用過程。次級生產(chǎn)-動物性生產(chǎn) 消費者和分解者利用初級生產(chǎn)物質(zhì)進行同化作用建造自身和繁衍后代的過程，簡之，異養(yǎng)生物對初級生產(chǎn)物質(zhì)的利用和再生產(chǎn)過程。3.2.1 3.2.1 生態(tài)系統(tǒng)中的能量流動生態(tài)系統(tǒng)中的能量流動能量形式（輻射能、化學能、電能、機械能、生物能、熱能）能量流動的規(guī)律生態(tài)系統(tǒng)的能量最初來源于太陽，太陽

21、光通過綠色植物的光合作用使太陽能進入生態(tài)系統(tǒng)，并沿著生產(chǎn)者、消費者和分解者的方向而流入和流出環(huán)境；所有生物的各種生命活動，都需要消耗能量。能量在流動過程中也會由一種形式轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N形式，在轉(zhuǎn)變過程中既不會消失，也不會增加。符合熱力學第一和第二定律。能量的傳遞是按照從集中到分散，從能量高到能量低的方向進行的，在傳遞過程中又總會有一部分成為無用的能釋放。 3.2.13.2.1生態(tài)系統(tǒng)中的能量流動生態(tài)系統(tǒng)中的能量流動p食物鏈食物鏈p食物網(wǎng)食物網(wǎng)p食物金字塔食物金字塔 營養(yǎng)級就是攝食級，能量和營養(yǎng)物的流動是從周圍環(huán)境進入第一營養(yǎng)級，又從第一營養(yǎng)級流向第二和第三營養(yǎng)級。生產(chǎn)者生產(chǎn)者初級消費者初級消費者次

22、級消費者次級消費者n n次次1000100 101能量流動的途徑十分之一定律能量流動光能生產(chǎn)者草食動物肉食動物分解者呼吸呼吸綠色植物 （100%） 草食動物（10%） 一級肉食動物 （1%） 二級肉食動物 （0.1%） 主機流動（0.01%）能量流動過程地球上除原子能和火山、地震以外，太陽能是一切能量的總源泉。每分鐘接收的太陽總輻射能量為8.24焦每平方厘米。這個數(shù)值叫太陽常數(shù)。如果將太陽常數(shù)乘上以日地平均距離作半徑的球面面積，這就得到太陽在每分鐘發(fā)出的總能量，這個能量約為每分鐘2.27310E28焦。太陽每秒輻射到太空的熱量相當于一億億噸煤炭完全燃燒產(chǎn)生熱量的總和，相當于一個具有5200萬億

23、億馬力的發(fā)動機的功率。太陽表面每平方米面積就相當于一個85000馬力的動力站。而地球上僅接收到這些能量的22億分之一。太陽每年送給地球的能量相當于100億億度電的能量。太陽能取之不盡，用之不竭，又無污染，是最理想的能源據(jù)計算，整個世界的綠色植物每天可以產(chǎn)生約4億噸的蛋白質(zhì)、碳水化合物和脂肪，與此同時，還能向空氣中釋放出近5億噸的氧，為人和動物提供了充足的食物和氧氣。通過對太陽光譜的分析，得知太陽的化學成分與地球幾乎相同，只是比例有所差異。太陽上最豐富的元素是氫，其次是氦，還有碳、氮、氧和各種金屬。 太陽能太陽能能量流動特點能量流動特點營養(yǎng)級間能量轉(zhuǎn)化效率營養(yǎng)級間能量轉(zhuǎn)化效率3.2.23.2.2

24、生態(tài)系統(tǒng)中的物質(zhì)循環(huán)生態(tài)系統(tǒng)中的物質(zhì)循環(huán)在生態(tài)系統(tǒng)中，生物的生存需要能量，而能量的提供需要靠各種物質(zhì)，物質(zhì)是構(gòu)成生物有機體的原材料。構(gòu)成生命體中的化學元素有60種基本元素：C、N、O、H占99%以上，生物大量需要的；宏量營養(yǎng)元素Ca 、Mg、P、K、S、Na、Si、Fe、Al微量營養(yǎng)元素Cu 、Zn、B、Mn、Co、Ni、Se等生物地球化學循環(huán)營養(yǎng)元素在生態(tài)系統(tǒng)中沿著周圍環(huán)境-生物體-周圍環(huán)境的反復(fù)運動H2O，O2和CO2循環(huán)C 碳的循環(huán): CO2、有機碳；MCO3、MHCO3N 氮的循環(huán)：主要在大氣中。與CO2不同不能被大多數(shù)植物直接利用；固氮途徑：豆科植物-根瘤菌生物圈中氮的循環(huán)有兩個主要

25、過程：消化和反硝化作用。人缺蛋白質(zhì)造成營養(yǎng)不良、施肥導致水體富營養(yǎng)化、光化學煙霧、酸雨，主要大氣污染物P 磷的循環(huán)：磷酸鹽礦、動物化石、鳥糞；自然循環(huán)能力差；水體富營養(yǎng)化碳循環(huán)圖碳循環(huán)圖磷的循環(huán)圖氮的循環(huán) 大氣中含有大量的氮氣，但不能被植物、動物直接利用。中有像茴宿，大豆等豆科植物的根瘤這一類固氮細菌或某些藍綠藻才能將空氣中的氮轉(zhuǎn)變成硝酸鹽固定下來。植物從土壤中吸收硝酸鹽和銨鹽， 并在體內(nèi)制成氨基酸再合成蛋白質(zhì)。3.2.3 生態(tài)系統(tǒng)中的信息傳遞p信息傳遞也是生態(tài)系統(tǒng)的重要功能之一，在溝通生物群與其生存環(huán)境之間、生物群落內(nèi)各種群生物之間的關(guān)系方面有著重要意義。包括營養(yǎng)信息、化學信息、物理信息和行

26、為信息。生態(tài)系統(tǒng)的生物與環(huán)境之間，通過物質(zhì)循環(huán)、能量流動和信息傳遞結(jié)成一個復(fù)雜而有序的整體。要想維持一個生態(tài)系統(tǒng)持續(xù)而有序地發(fā)展，就應(yīng)該使物質(zhì)循環(huán)、能量流動和信息傳遞的功能得以正常發(fā)揮作用。無論哪部分功能的發(fā)揮受到阻礙，都會給生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定和平衡帶來不良影響，嚴重時甚至會導致生態(tài)系統(tǒng)的瓦解和崩潰。意義與作用意義與作用3.2.3 3.2.3 生態(tài)系統(tǒng)中的信息傳遞生態(tài)系統(tǒng)中的信息傳遞p信息是指系統(tǒng)傳輸和處理的對象，通常是指在傳播形式中的情報、信號、消息、指令、數(shù)據(jù)、圖像等知識內(nèi)容。p生態(tài)系統(tǒng)中的信息是指各種環(huán)境因素。在溝通生物和環(huán)境之間，生物種群內(nèi)部、及各生物群落之間的關(guān)系方面，生態(tài)系統(tǒng)的信息傳遞

27、和聯(lián)系方式使生態(tài)系統(tǒng)結(jié)合成為一個有機的統(tǒng)一整體。p生態(tài)系統(tǒng)的信息傳遞往往是雙向可逆的，這是指既存在輸入到輸出的信息傳遞，也有從輸出向輸入的信息反饋。生態(tài)系統(tǒng)中的信息形式主要有營養(yǎng)信息、行為信息、化學信息和物理信息。生物界聯(lián)絡(luò)、溝通、表達、信號等信息及信息流分類3.2.3 生態(tài)系統(tǒng)中的信息傳遞p食物和營養(yǎng)也是一種信息，通過營養(yǎng)交換的形式把信息從一種群傳遞給另一種群。食物鏈就是一個營養(yǎng)信息系統(tǒng)。生態(tài)系統(tǒng)中的食物鏈和食物網(wǎng)構(gòu)成一個生物的營養(yǎng)信息系統(tǒng)。各種生物通過營養(yǎng)的方式把信息從一個個體、一個種群或一個群落傳遞給另一個個體、另一個種群或另一個群落。例如，食草動物與草原植被這兩個生物群落之間，當食草動

28、物少時，草原植被就繁茂昌盛，這一信息傳遞到其它食草動物之中，則草原上的食草動物將增加；反之，當食草動物過多時，草原植被減少，不足以供養(yǎng)全部的食草動物，這一信息使得部分食草動物遷移。因此，從草的多少可以得食草動物食物是否豐富的信息，以及食草動物數(shù)量的信息。又如，鼠類、鵪鶉和貓頭鷹組成的食物鏈：當鵪鶉數(shù)量較少時，貓頭鷹大量捕食鼠類，鵪鶉很少受害；當鵪鶉數(shù)量較多時，貓頭鷹轉(zhuǎn)而大量捕捉鵪鶉。這樣，通過貓頭鷹對鵪鶉捕食的輕重，向鵪鶉傳遞了鼠類數(shù)量多少的信息。1 1、營養(yǎng)信息：、營養(yǎng)信息：3.2.3 3.2.3 生態(tài)系統(tǒng)中的信息傳遞生態(tài)系統(tǒng)中的信息傳遞2 2、化學信息：、化學信息：化學信息化學信息由生物代

29、謝產(chǎn)物，尤其是分泌的各種激素組成的化學物質(zhì)生態(tài)系統(tǒng)中通過化學物質(zhì)傳遞的信息稱為化學信息，如某些生物在特定的條件下，或某個生長發(fā)育階段的代謝產(chǎn)物性激素、生長素等。生物分泌出的這些特殊化學物質(zhì)在生物的個體或種群之間起著某種信息的傳遞作用，協(xié)調(diào)個體之間的活動，并且維持生物的集群活動的整體性。例如，許多哺乳動物(虎、狗、貓等)通過排泄物標記自己的行蹤和活動領(lǐng)域，其中的雄性動物憑借種內(nèi)的雌性個體釋放的體外性激素尋求配偶。螞蟻通過自己的分泌物留下化學跟蹤痕跡，以保持群體活動。3.2.3 3.2.3 生態(tài)系統(tǒng)中的信息傳遞生態(tài)系統(tǒng)中的信息傳遞p由聲、光、電、磁和顏色等構(gòu)成。生態(tài)系統(tǒng)中通過物理過程傳遞的信息稱為

30、物理信息，如聲音、光線、氣溫、磁場等。各種動物發(fā)出的聲音傳達了警告、恫嚇、安全、驚慌、以及要求配偶等各種信息。含羞草在強烈聲音的刺激下，會表現(xiàn)出葉子合并，葉柄下垂的運動。空中的飛禽通過視覺發(fā)現(xiàn)地面的獵物是一個光信息的傳遞過程，獵物是發(fā)出信息的信息源。氣候由熱至冷的逐漸變化給動植物傳遞了食物減少和氣溫高低的信息，使得某些動物儲存脂肪、變換膚毛、有的進入冬眠，候鳥遷徙，植物落葉減少散熱。蜜蜂無數(shù)次將花蜜運回蜂巢，候鳥成群結(jié)隊南北長途往返飛行都能準確到達目的地，這些動物主要依靠自己身上的電磁場與地球磁場相互作用確定方位。3 3、物理信息：、物理信息：物理信息3.2.3 3.2.3 生態(tài)系統(tǒng)中的信息傳

31、遞生態(tài)系統(tǒng)中的信息傳遞各種動作和異常行為。無論是否同一種群，個體之間都存在著行為信息的表現(xiàn)。生態(tài)系統(tǒng)中通過生物的異常行為傳遞的信息稱為行為信息，如許多動物的異常表現(xiàn)和行動向同伙甚至其他物種發(fā)出識別、危險、警告、挑戰(zhàn)和求偶等信息。例如，蜜蜂發(fā)現(xiàn)蜜源時，用舞蹈動作“告訴”同一巢穴其他的蜜蜂去采蜜，并用不同的行為姿勢表示出蜜源的遠近，其他工蜂則以觸覺來感覺舞蹈的步伐，得到正確方向的信息。當某些自然災(zāi)害，如森林火災(zāi)發(fā)生時，離火源較近的動物紛紛逃離，這種異常行為信息可以傳遞給沿途其它物種的動物，使得更多的動物加入逃跑的行列。4 4、行為信息：、行為信息：生態(tài)系統(tǒng)3.3 生態(tài)系統(tǒng)的平衡 任何一個正常的、成

32、熟的生態(tài)系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)和功能，包括生物種類的組成、各種群數(shù)量比例，以及物質(zhì)、能量的輸入與輸出等方面，都處于相對穩(wěn)定的狀態(tài)，這種狀態(tài)稱為生態(tài)平衡。也就是說，生態(tài)平衡包括了生態(tài)系統(tǒng)中結(jié)構(gòu)上的平衡和功能上的平衡兩個方面：結(jié)構(gòu)平衡主要指生物種類的多樣性；功能平衡指生態(tài)系統(tǒng)中物質(zhì)循環(huán)保持正常，能量輸入和輸出接近相等，流動基本守恒，信息網(wǎng)絡(luò)完整，傳遞通暢。綜合起來，生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性取決于各子平衡系統(tǒng)之間的相互關(guān)系。這主要歸因于生態(tài)系統(tǒng)中的生產(chǎn)者、消費者和分解者之間不斷地進行能量流動、物質(zhì)循環(huán)和信息傳遞，使得生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部具有一定限度的自動調(diào)節(jié)能力，始終保持著動態(tài)平衡。一個生態(tài)系統(tǒng)隨著時間變化可以呈現(xiàn)三種狀態(tài)一

33、個生態(tài)系統(tǒng)隨著時間變化可以呈現(xiàn)三種狀態(tài) p生物環(huán)境中的物種產(chǎn)生、變化、以及種群的組合與改變永遠處于變動狀態(tài)，生物的進化就是為了增強對環(huán)境的適應(yīng)能力，是生物系統(tǒng)長期與地質(zhì)、大氣、溫度等外在理化因素的變化相互作用的結(jié)果。p就非生物環(huán)境而言，由于地球在運動之中，太陽能給予地球的能量會隨之改變，因而總有氣候、溫度、降雨量等的變化，使得非生物環(huán)境諸因素也隨之改變，并作用于生物，最后使生態(tài)系統(tǒng)發(fā)生了演替。演替的趨勢是生態(tài)系統(tǒng)朝著種類多樣化、結(jié)構(gòu)復(fù)雜化和功能完善化的方向發(fā)展，直到建立起更加穩(wěn)定的優(yōu)良生態(tài)系統(tǒng)。p由此可見，生態(tài)系統(tǒng)的各組成成分、結(jié)構(gòu)、功能是隨著時間而改變，不斷地按照一定的變化規(guī)律運動著，生態(tài)平

34、衡是一種相對的和非穩(wěn)態(tài)的平衡，即動態(tài)平衡。p 生態(tài)系統(tǒng)的平衡是一種動態(tài)平衡生態(tài)系統(tǒng)的平衡是一種動態(tài)平衡生態(tài)平衡的特征生態(tài)平衡的特征p生態(tài)系統(tǒng)的動態(tài)平衡表明：p當生態(tài)系統(tǒng)受到一定程度的外界干擾而引起不平衡時，具有恢復(fù)平衡狀態(tài)的能力，使其進入新的平衡狀態(tài)，即自身調(diào)節(jié)的能力。p生態(tài)系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力的大小，與生態(tài)系統(tǒng)生物的多樣性有關(guān)p例如，熱帶雨林和海洋分別是巖石圈和水圈內(nèi)生物物種最豐富的區(qū)域，具有非常穩(wěn)定的生態(tài)系統(tǒng)；而如我國青藏高原和干旱缺水地區(qū)，以及寒冷的南、北極地域，由于生物種類稀少，食物鏈單調(diào)，生態(tài)系統(tǒng)非常脆弱，輕微的干擾就會引起嚴重的失調(diào)。雖然生態(tài)系統(tǒng)對外界的干擾有很強的調(diào)節(jié)能力，但干擾超出其承

35、受能力，即一定的限度，達到破壞生態(tài)規(guī)律的程度，調(diào)節(jié)就不再起作用，生態(tài)平衡就會遭到嚴重破壞。 生態(tài)平衡的特征生態(tài)平衡的特征p在自然狀態(tài)下，生態(tài)系統(tǒng)的演替總是自動向著物種多樣性、結(jié)構(gòu)復(fù)雜化、功能完善化的方向發(fā)展。如果沒有外來因素干擾，最終必將達到成熟的穩(wěn)定階段。那時生物種類最多，種群比例適宜，總生物量最大，系統(tǒng)的內(nèi)穩(wěn)性最強。p生態(tài)平衡是靠一系列反饋機制維持的。生態(tài)系統(tǒng)本身具有自動調(diào)節(jié)能力。但是任何一個生態(tài)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)能力都是有限的。超出這個限度，調(diào)節(jié)就不再起作用，生態(tài)平衡就會遭到破壞。p生態(tài)系統(tǒng)的自我調(diào)節(jié)能力與a.結(jié)構(gòu)的多樣性、b.功能的完整性、等因素有關(guān)。生態(tài)平衡的特征生態(tài)平衡的特征3.4 3.4

36、 影響生態(tài)系統(tǒng)平衡和變化的因素影響生態(tài)系統(tǒng)平衡和變化的因素生態(tài)系統(tǒng)本身具有的自身調(diào)節(jié)的能力是保持生態(tài)系統(tǒng)動態(tài)平衡的主要因素。如果這種自身調(diào)節(jié)能力中的某一環(huán)節(jié)出現(xiàn)缺損，就會破壞生態(tài)系統(tǒng)的平衡。因此，生態(tài)系統(tǒng)自身調(diào)節(jié)能力的強弱是生態(tài)系統(tǒng)平衡的關(guān)鍵。生態(tài)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)機制分的三類反饋機制抵抗力恢復(fù)力影響生態(tài)系統(tǒng)自身調(diào)節(jié)能力的因素有生物多樣性的結(jié)構(gòu)生態(tài)功能的完整生物多樣性的結(jié)構(gòu)生物多樣性的結(jié)構(gòu)p生態(tài)系統(tǒng)的生物多樣性結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，生物種類越豐富，食物鏈的環(huán)節(jié)越多，自身調(diào)節(jié)能力越強；反之，自身調(diào)節(jié)能力越弱。p處于平衡狀態(tài)的生態(tài)系統(tǒng)，生產(chǎn)者、消費者、分解者構(gòu)成一個完整的食物網(wǎng)，缺一不可，否則營養(yǎng)結(jié)構(gòu)會缺損，導致生態(tài)系統(tǒng)的衰退和破壞，甚至系統(tǒng)可能會崩潰。p因此，若要維持穩(wěn)定的食物鏈，必須保持一定生物種類和數(shù)量的相對穩(wěn)定。p例如，一個草原生態(tài)系統(tǒng)，若只有植被、山羊和狼構(gòu)成簡單食物鏈，當狼群數(shù)量過多時，會使山羊數(shù)量急劇減少，狼群數(shù)量就會因食物的減少而隨之減少，整個系統(tǒng)遭到破壞；若山羊消失，這個系統(tǒng)就可能崩潰。如果狼的食物除了山羊外，還有野兔、鹿和其它食草動物等種類，那么狼的食物就有了更多的選擇，狼群數(shù)量不會因山羊數(shù)量減少而減少，同時，山羊數(shù)量又得以恢復(fù)，生態(tài)系統(tǒng)保持了生物物種的相對平衡。p這些表明，生物多樣性結(jié)構(gòu)提高了生態(tài)系統(tǒng)的自身調(diào)節(jié)能力。生態(tài)功能的完整性生態(tài)功能的完整性p生