備課資料(第1節(jié)生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu))

1、備課資料1生態(tài)系統(tǒng)的概念生態(tài)系統(tǒng)的概念是由英國(guó)生態(tài)學(xué)家坦斯利(A.G.Tansley, 18711955)在1935年提出來(lái)的他認(rèn)為，生態(tài)系統(tǒng)的基本概念是物理學(xué)上使用的系統(tǒng)整體。這個(gè)系統(tǒng)不僅包括有機(jī)復(fù)合體而且包括形成環(huán)境的整個(gè)物理因子復(fù)合體”。我們對(duì)生物體的基本看法是，必須從根本上認(rèn)識(shí)到，有機(jī)體不能與它們的環(huán)境分開，而是與它們的環(huán)境形成一個(gè)自然系統(tǒng)?！边@種系統(tǒng)是地球表面上自然界的基本單位，它們有各種大小和種類?！彪S著生態(tài)學(xué)的發(fā)展，人們對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)不斷深入。20世紀(jì)40年代，美國(guó)生態(tài)學(xué)家林德曼(R.L.Lindeman)在研究湖泊生態(tài)系統(tǒng)時(shí)，受到我國(guó)大魚吃小魚，小魚吃蝦米，蝦米吃泥巴” 這一

2、諺語(yǔ)的啟發(fā)，提出了食物鏈的概念。他又受到一山不能存二虎”的啟發(fā)，提出了生態(tài)金字塔的理論，使人們認(rèn)識(shí)到生態(tài)系統(tǒng)的營(yíng)養(yǎng)結(jié)構(gòu)和能量流動(dòng)的特點(diǎn)。今天，人們對(duì)生態(tài)系統(tǒng)這一概念的理解是：生態(tài)系統(tǒng)是在一定的空間和時(shí)間范圍內(nèi)，在各種生物之間以及生物群落與其無(wú)機(jī)環(huán)境之間，通過(guò)能量流動(dòng)和物質(zhì)循環(huán)而相互作用的一個(gè)統(tǒng)一整體。生態(tài)系統(tǒng)是生物與環(huán)境 之間進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換和物質(zhì)循環(huán)的基本功能單位。2.系統(tǒng)研究方法在生態(tài)學(xué)中的應(yīng)用生態(tài)系統(tǒng)是極其復(fù)雜的綜合系統(tǒng)，單憑傳統(tǒng)的定性方法研究，已不能適應(yīng)深入研究的需要，因此必須借助于系統(tǒng)分析(system an alysis)的方法和技術(shù)。所謂系統(tǒng)分析就是利用數(shù)學(xué)的概念和方法，采用系統(tǒng)科學(xué)

3、的研究途徑來(lái)解決復(fù)雜的系統(tǒng)問(wèn)題。學(xué)，其理論基礎(chǔ)有：運(yùn)籌學(xué)、控制論、數(shù)學(xué)及電子計(jì)算機(jī)原理。自 法引入生態(tài)學(xué)后，它在解決復(fù)雜的生態(tài)學(xué)問(wèn)題上發(fā)揮了巨大的作用，態(tài)系統(tǒng)各部分的相互聯(lián)系及其整體功能已成為生態(tài)學(xué)研究的發(fā)展趨勢(shì)。把系統(tǒng)分析的方法應(yīng)用于生態(tài)學(xué)，就稱為系統(tǒng)生態(tài)學(xué)(system ecology)或生態(tài)系統(tǒng)分 析(ecosystemanalysis)。生態(tài)學(xué)的系統(tǒng)可以很大，也可以很小，大的系統(tǒng)可以包括有很多生物群落的復(fù)雜生態(tài)系統(tǒng)，小的系統(tǒng)可以是兩個(gè)種群組成的捕食一被捕食系統(tǒng)。生態(tài)系統(tǒng)分析是以數(shù)學(xué)模型為中心的。建立一個(gè)系統(tǒng)的模型通常有以下六個(gè)邏輯步驟(圖515)：圖5-1-5建立系統(tǒng)模型的步驟(1)

4、確定模擬對(duì)象首先應(yīng)明確要解決什么問(wèn)題，并且劃定它在系統(tǒng)中空間與時(shí)間上的界限 與范圍。這一步驟不能一次完成，以后還會(huì)有變動(dòng)。(2) 確定系統(tǒng)結(jié)構(gòu)即確定組分與組分之間的相互作用。一般來(lái)說(shuō)，模型越復(fù)雜越能準(zhǔn)確地描述現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，因?yàn)樗紤]的因素和變量多。但是由于因素增多， 參數(shù)、變量的數(shù)目就變得龐大，使系統(tǒng)模型難以確切地建立。因此，應(yīng)根據(jù)研究目的及系統(tǒng)本身的特點(diǎn)，確定適當(dāng)?shù)淖兞恳约八鼈冎g的相互關(guān)系。(3) 建立數(shù)學(xué)模型用一系列數(shù)學(xué)方程將系統(tǒng)的各個(gè)組分之間的相互關(guān)系定量描述。建立數(shù)學(xué)模型的方法應(yīng)盡可能簡(jiǎn)單，著重于有應(yīng)用價(jià)值的模型，而不是追求數(shù)學(xué)理論與方法的高深 研究。(4)模型的有效性檢驗(yàn)也稱為模型的驗(yàn)

5、證(verification)。 在這一方法來(lái)源于系統(tǒng)科20世紀(jì)中葉系統(tǒng)分析方用系統(tǒng)分析方法研究生I模翌寶進(jìn)件檢齋1確定系統(tǒng)棋里基木資HI慮轍度好析ESggBE制I數(shù)學(xué)模型建立之后，需要對(duì)模型在執(zhí)行模型對(duì)象方面的效應(yīng)進(jìn)行分析，如果發(fā)現(xiàn)模型的模擬效果很差，即模型未能將系統(tǒng) 的真實(shí)性結(jié)構(gòu)包含進(jìn)去，就需要對(duì)模型進(jìn)一步改進(jìn)。（5）靈敏度分析即研究輸入變量與參數(shù)的變化對(duì)模型行為的影響。（6）系統(tǒng)的模擬和控制一旦構(gòu)成了一個(gè)有效的模型，就可以應(yīng)用于模擬自然系統(tǒng)，預(yù)測(cè)預(yù) 報(bào)系統(tǒng)的變化趨勢(shì)，其中包含改變一些參數(shù)來(lái)預(yù)測(cè)系統(tǒng)的發(fā)展。3.生態(tài)系統(tǒng)的營(yíng)養(yǎng)結(jié)構(gòu) 生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)各要素之間的作用是通過(guò)以食物聯(lián)系連接的營(yíng)養(yǎng)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)

6、的。 營(yíng)養(yǎng)結(jié)構(gòu)包括食物 鏈與食物網(wǎng)。（1）食物鏈 食物鏈?zhǔn)侵干a(chǎn)者所固定的能量和物質(zhì)，通過(guò)一系列取食和被食關(guān)系在生態(tài)系統(tǒng)中傳 遞，各種生物按其食物聯(lián)系排列的鏈狀順序。 食物鏈上的每一環(huán)節(jié)， 稱為營(yíng)養(yǎng)階層 （營(yíng)養(yǎng)級(jí)）。 自然生態(tài)系統(tǒng)主要有三種類型的食物鏈。1牧食食物鏈或捕食食物鏈：是以活的綠色植物為基礎(chǔ)，從食草動(dòng)物開始的食物鏈，例如， 小麥T蚜蟲T瓢蟲T食蟲鳥。2碎屑食物鏈或分解食物鏈： 是以死亡的動(dòng)植物殘?bào)w為基礎(chǔ)， 從真菌、 細(xì)菌和某些土壤動(dòng)物 開始的食物鏈，例如，死亡的動(dòng)植物殘?bào)wT跳蟲、螨類T食蟲昆蟲、蜘蛛T食蟲鳥、小型哺 乳動(dòng)物。3寄生食物鏈： 以活的動(dòng)植物有機(jī)體為基礎(chǔ)， 從某些專門營(yíng)寄生

7、生活的動(dòng)植物開始的食物鏈， 例如，鳥類T跳蚤T鼠疫細(xì)菌。生態(tài)系統(tǒng)中的食物鏈不是固定不變的， 它不僅在進(jìn)化歷史上有改變， 在短時(shí)間內(nèi)也有改 變。動(dòng)物在個(gè)體發(fā)育的不同階段里，食物的改變（如蛙）就會(huì)引起食物鏈的改變。動(dòng)物食性 的季節(jié)性變化也會(huì)引起食物鏈的改變。 因此， 食物鏈往往具有暫時(shí)的性質(zhì)， 只有在生物群落 組成中成為核心的、數(shù)量上占優(yōu)勢(shì)的種類，食物鏈才是比較穩(wěn)定的。一般生態(tài)系統(tǒng)中的能量在沿著食物鏈的傳遞過(guò)程中， 從前一環(huán)節(jié)到后一環(huán)節(jié)， 能量大約 要損失90左右（能量轉(zhuǎn)化效率大約是10）。因此，越是處于食物鏈頂端的動(dòng)物，生物量越小，能量也就越少。處于頂位的肉食動(dòng)物最少，以至于不可能再有別的動(dòng)物以

8、它們?yōu)槭常?因?yàn)閺乃鼈兩砩纤@得的能量不足以彌補(bǔ)為搜捕它們所消耗的能量。一般說(shuō)來(lái)， 能量從太陽(yáng)開始沿著食物鏈傳遞幾次以后就所剩無(wú)幾了， 所以食物鏈一般都很短， 通常只由45個(gè)環(huán)節(jié) 構(gòu)成，很少有超過(guò)6個(gè)環(huán)節(jié)的。（2）食物網(wǎng)在生態(tài)系統(tǒng)中， 一種生物不可能固定在一條食物鏈上， 而往往同時(shí)屬于數(shù)條食物鏈。 實(shí) 際上，生態(tài)系統(tǒng)中的食物鏈很少單條、孤立地出現(xiàn)（除非食性是專一的），它們往往相互交叉，形成復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)式結(jié)構(gòu)， 即食物網(wǎng)。 食物網(wǎng)形象地反映了生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)各生物有機(jī)體間的 營(yíng)養(yǎng)位置和相互關(guān)系， 生物正是通過(guò)食物網(wǎng)發(fā)生直接和間接的聯(lián)系， 保持著生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和 功能的相對(duì)穩(wěn)定。一般地說(shuō)， 具有復(fù)雜食物網(wǎng)的

9、生態(tài)系統(tǒng)， 一種生物的消失不致引起整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)的失調(diào)， 但食物網(wǎng)簡(jiǎn)單的系統(tǒng)， 尤其是在生態(tài)系統(tǒng)功能上起關(guān)鍵作用的種， 一旦消失或遭受嚴(yán)重破壞， 就可能引起這個(gè)系統(tǒng)的劇烈變動(dòng)。 例如， 如果構(gòu)成苔原生態(tài)系統(tǒng)食物鏈基礎(chǔ)的地衣， 因大氣 中SO2含量超標(biāo)而逐漸死亡，就會(huì)使整個(gè)系統(tǒng)遭到破壞。4.3 000米深的海底還有生物嗎海水對(duì)陽(yáng)光具有吸收功能，在2 0003 000米深的海底，無(wú)疑是沒有一縷陽(yáng)光的， 按理說(shuō)那里不該有生物生存了。但事實(shí)卻相反，1977年，法國(guó)科學(xué)家乘坐 “阿爾2”號(hào)深潛艇在太 平洋的加拉帕格斯群島海域，在距海面3 000米深，水溫高達(dá)250C的熱泉口附近發(fā)現(xiàn)5個(gè)生物群落： 有粉紅色

10、的魚、白色的螃蟹， 以及成千上萬(wàn)棕色的貽貝和巨大的白蛤等。在火山 口，一大片巨大的蠕蟲在一根高達(dá)4米的豎管狀頂端擺弄著松軟的鮮紅色羽毛狀的東西。 類 似的發(fā)現(xiàn)還有1979年4月，加利福尼亞灣外側(cè)海底，2 500米深處，水溫高達(dá)350C的熱泉 口附近也有成千上萬(wàn)的紅色大蛤、管狀蠕蟲、螃蟹、藤壺等生物。為何在3 000米深的海底還有生物生存呢？科學(xué)家從海底采取的海水樣品有一股臭雞蛋 味中發(fā)現(xiàn)了其中的奧妙。 原來(lái)海底熱泉水從地下帶上來(lái)許多硫酸鹽， 硫酸鹽在高溫高壓下變 成了硫化氫，硫化細(xì)菌將其氧化的同時(shí)取得能量，并依此能量將二氧化碳和水合成有機(jī)物， 從而大量繁殖， 小動(dòng)物以細(xì)菌為食物， 大動(dòng)物又以小

11、動(dòng)物為食， 它們形成一條不依靠陽(yáng)光而 依靠地球內(nèi)部的熱量和物質(zhì)的特殊食物鏈。5.深海熱泉口生態(tài)系統(tǒng)1977年，美國(guó)的一些研究人員在加拉帕格斯群島附近，在距海平面25 km的海底發(fā)現(xiàn)一個(gè)熱泉口。這里的水溫在200C以上，就在如此高溫高壓的環(huán)境中，竟然有硫細(xì)菌等生物存在。 這些硫細(xì)菌可以利用氧化硫化物所獲得的能量，來(lái)固定海水中的二氧化碳，合成有機(jī)物?，F(xiàn)在人們?cè)谔窖蠛５滓呀?jīng)找到了十幾個(gè)這樣的熱泉口，在這些熱泉口周圍有許多能進(jìn)行化能合成作用的細(xì)菌，如硫細(xì)菌、氫細(xì)菌等。特別有趣的是，在這些細(xì)菌周圍，還有多種高等無(wú)脊椎動(dòng) 物，如大海蛤、環(huán)節(jié)動(dòng)物、蟹、章魚等，其中有一種環(huán)節(jié)動(dòng)物，沒有口，也沒有消化管，但是

12、它們體內(nèi)有化能合成細(xì)菌，顯然，它們是靠這些細(xì)菌來(lái)獲得有機(jī)養(yǎng)料的。深海熱泉口生物的發(fā)現(xiàn)，給科學(xué)界提出了許多值得研究的課題。在沒有陽(yáng)光的深海，化能合成細(xì)菌和周圍的生物及其無(wú)機(jī)環(huán)境構(gòu)成一個(gè)復(fù)雜的生態(tài)系統(tǒng)，這種生態(tài)系統(tǒng)的能量流動(dòng)和物質(zhì)循環(huán)是怎樣進(jìn)行的：在海底高溫高壓的環(huán)境中，這些特殊的生物竟能生存，這打破了人們對(duì)生物的常規(guī)理解。 為什么在高溫下蛋白質(zhì)不變性： 有人認(rèn)為這是因?yàn)榈鞍踪|(zhì)分子構(gòu)象發(fā)生 了變化，也有人認(rèn)為這是因?yàn)檫@些生物的蛋白質(zhì)的一級(jí)結(jié)構(gòu)與普通的蛋白質(zhì)不同的緣故?，F(xiàn) 在仍然沒有定論。至于熱泉口周圍的高等無(wú)脊椎動(dòng)物來(lái)自何處，它們適應(yīng)深海環(huán)境的特性和機(jī)制等問(wèn)題，也是需要深入研究的。6.城市生態(tài)系統(tǒng)

13、城市生態(tài)系統(tǒng)是城市居民與其環(huán)境相互作用而形成的統(tǒng)一整體，也是人類對(duì)自然環(huán)境的適應(yīng)、加工、改造而建設(shè)起來(lái)的特殊的人工生態(tài)系統(tǒng)。城市生態(tài)系統(tǒng)不僅有生物組成要素（植物、動(dòng)物和細(xì)菌、真菌、病毒）和非生物組成要素（光、熱、水、大氣等），還包括人類和社會(huì)經(jīng)濟(jì)要素，這些要素通過(guò)能量流動(dòng)、生物地球化學(xué)循環(huán)以及物資供應(yīng)與廢物處理系統(tǒng)，形成一個(gè)具有內(nèi)在聯(lián)系的統(tǒng)一整體。在城市生態(tài)系統(tǒng)中，人起著重要的支配作用，這一點(diǎn)與自然生態(tài)系統(tǒng)明顯不同。在自然生 態(tài)系統(tǒng)中，能量的最終來(lái)源是太陽(yáng)能，在物質(zhì)方面則可以通過(guò)生物地球化學(xué)循環(huán)而達(dá)到自給自 足。城市生態(tài)系統(tǒng)就不同了，它所需求的大部分能量和物質(zhì)，都需要從其他生態(tài)系統(tǒng)（如農(nóng)田生 態(tài)系統(tǒng)、森林生態(tài)系統(tǒng)、草原生態(tài)系統(tǒng)、湖泊生態(tài)系統(tǒng)、海洋生態(tài)系統(tǒng)）人為地輸入。同時(shí)城市中人類在生產(chǎn)活動(dòng)和日常生活中所產(chǎn)生的大量廢物，由于不能完