5生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性

第5節(jié) 生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性問題探討地球上、亞馬遜森林，歐亞大陸草原，以及極地附近的苔原，都已經(jīng)存在至少上千萬年了，這些自然生態(tài)系統(tǒng)盡管經(jīng)常遭受洪澇、火燒、蟲害、也遭受人類的砍伐與放牧等活動的干擾。但是現(xiàn)在依然基本保持著正常的森林、草原與苔原景觀，仍能維系生態(tài)系統(tǒng)的正常功能。討論：為什么這些生態(tài)系統(tǒng)在受到干擾后，仍能保持相對穩(wěn)定呢？本節(jié)聚焦：1、什么是生態(tài)系統(tǒng)的自我調節(jié)？2、怎樣理解生態(tài)系統(tǒng)的抵抗力穩(wěn)定性和恢復力穩(wěn)定性?生態(tài)系統(tǒng)所具有的保持或恢復自身結構和功能相對穩(wěn)定的能力，叫做生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性(stabilityofecosystem)o生態(tài)系統(tǒng)之所以能維持相對穩(wěn)定，是由于生態(tài)系統(tǒng)具有自我調節(jié)(self-regulating)能力。生態(tài)系統(tǒng)的自我調節(jié)能力說明生態(tài)系統(tǒng)具有自我調節(jié)能力的實例很多。例如，當河流受到輕微的污染時，能通過物理沉降、化學分解和微生物的分解，很快消除污染，河流中的生物種類和數(shù)量不會受到明顯的影響。在森林中，當害蟲數(shù)量增加時，食蟲鳥類由于食物豐富，數(shù)量也會增多，這樣，害蟲種群的增長就會受到抑制。這是生物群落內部負反饋調節(jié)的實例。負反饋調節(jié)在生態(tài)系統(tǒng)中普遍存在，它是生態(tài)系統(tǒng)自我調節(jié)能力的基礎。旁欄思考：你還能舉出說明生態(tài)系統(tǒng)中負反饋調節(jié)的其他實例嗎？思考與討論經(jīng)小組討論后，用文字、箭頭，構建一個食蟲鳥種群與害蟲種群之間負反饋調節(jié)的概念模型。如果有條件，可以在計算機上用Flash動畫來模擬這種調節(jié)過程，構建動態(tài)的模型。

圖5-15浜林火宛（左）和火燒后的恢復（右）生態(tài)系統(tǒng)在受到外界干擾時，依靠自我調節(jié)能力來維持自身的相對穩(wěn)定。例如，一場火過后，森林中種群密度降低;但是由于光照更加充足、土壤中無機養(yǎng)料增多，許多種子萌發(fā)后，迅速長成新植株（圖5-15）。圖5-15浜林火宛（左）和火燒后的恢復（右）生態(tài)系統(tǒng)的自我調節(jié)能力不是無限的。當外界干擾因素的強度超過一定限度時，生態(tài)系統(tǒng)的自我調節(jié)能力會迅速喪失，這樣，生態(tài)系統(tǒng)就到了難以恢復的程度。我國西北的黃土高原（圖5-16），就是原有森林生態(tài)系統(tǒng)崩潰的鮮明例子！想像空間想像你每時每刻都在被病菌攻擊的情景。平時不得病是由于你的抵抗力，得病后能夠恢復健康靠的是恢復力。這對你理解生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性有幫助嗎？抵抗力穩(wěn)定性和恢復力穩(wěn)定性正是由于生態(tài)系統(tǒng)具有自我調節(jié)能力，生態(tài)系統(tǒng)才能維持相對穩(wěn)定。這種穩(wěn)定性表現(xiàn)在兩個方面：一方面是生態(tài)系統(tǒng)抵抗外界干擾并使自身的結構與功能保持原狀（不受損害）的能力，叫做抵抗力穩(wěn)定性（resistancestability）；另一方面是生態(tài)系統(tǒng)在受到外界干擾因素的破壞后恢復到原狀的能力，叫做恢復力穩(wěn)定性（resiliencestability）。例如，當草原遭受蝗蟲的采食后，草原植物就會增強其再生能力，盡可能減緩種群數(shù)量的下降；當森林遭遇持續(xù)的干旱氣候時，樹木往往擴展根系的分布空間，以保證獲得足夠的水分，維持生態(tài)系統(tǒng)正常的功能。這些都反映出生態(tài)系統(tǒng)本身對外界干擾具有一定的抗性。與社會的聯(lián)系在林業(yè)生產(chǎn)上，如果采用科學合理的間伐，使森林依然能夠保持持續(xù)的更新能力，就可以長期維持穩(wěn)定的生產(chǎn)。

生態(tài)系統(tǒng)遭到一定程度的破壞后，經(jīng)過一段時間，可以恢復到原來的狀態(tài)，這是由于生態(tài)系統(tǒng)具有恢復力穩(wěn)定性，如前述的森林局部火災后，森林仍能逐步恢復原狀。圖5-17北報苔原生態(tài)系統(tǒng)不同生態(tài)系統(tǒng)在這兩種穩(wěn)定性的表現(xiàn)上有著一定的差別。一般來說，生態(tài)系統(tǒng)中的組分越多，食物網(wǎng)越復雜，其自我調節(jié)能力就越強，氐抗力穩(wěn)定性就越高。例如，在北極苔原生態(tài)系統(tǒng)中，動植物種類稀少，營養(yǎng)結構簡單，其中生產(chǎn)者主要是地衣，其他生物大都直接或間接地依靠地衣來維持生活（圖5-17）。假如地衣受到大面積破壞，整個生態(tài)系統(tǒng)就會崩潰。相反，在熱帶雨林中，動植物種類繁多，營養(yǎng)結構非常復雜，假如其中的某種植食性動物大量減少，它在食物網(wǎng)中的位置還可圖5-17北報苔原生態(tài)系統(tǒng)旁欄思考：想一想，研究不同生態(tài)系統(tǒng)在抵抗力穩(wěn)定性和恢復力穩(wěn)定性兩方面存在的差別，對自然生態(tài)系統(tǒng)的利用和保護有什么意義？生態(tài)系統(tǒng)在受到不同的干擾（破壞）后，其恢復速度與恢復時間是不一樣的。如果河流與土壤被有毒物質輕微污染，通過自身的凈化作用，可以很快恢復到接近原來的狀態(tài)；如果被有毒物質重度污染，自身的凈化作用已不足以消除大部分有毒物質，這些河流或土壤的恢復力穩(wěn)定性就被破壞了。同樣，熱帶雨林在遭到嚴重的砍伐，草原受到極度放牧后，恢復原狀的時間漫長，難度極大！提高生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性圖5Tg農(nóng)田防護林提高生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，一方面要控制對生態(tài)系統(tǒng)干擾的程度，對生態(tài)系統(tǒng)的利用應該適度，不應超過生態(tài)系統(tǒng)的自我調節(jié)能力；另一方面，對人類利用強度較大的生態(tài)系統(tǒng)，應實施相應的物質、能量投入，保證生態(tài)系統(tǒng)內部結構與功能的協(xié)調。例如，如果要使單一作物的農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)保持穩(wěn)定，需要不斷施肥、灌溉，以及控制病蟲害；還可以人工建造"生態(tài)屏障”。我國在東北、華北和西北地區(qū)已經(jīng)建造了大規(guī)模的“三北防護林”，防護林可以有效地防風阻沙，保護了這些地區(qū)的草原和農(nóng)田（圖5-18）。圖5Tg農(nóng)田防護林制作制作設計并制作空的，觀察其穩(wěn)定性目的要求設計一個生態(tài)缸，觀察這一人工生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性?；驹碓谟邢薜目臻g內，依據(jù)生態(tài)系統(tǒng)原理，將生態(tài)系統(tǒng)具有的基本成分進行組織，構建一個人工微生態(tài)系統(tǒng)是可能的。要使人工微生態(tài)系統(tǒng)正常運轉，在設計時還要考慮系統(tǒng)內不同營養(yǎng)級生物之間的合適比例。應該注意，人工生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性是有條件的，也可能是短暫的。實驗材料蚯蚓8?10條，蝸牛5?7個，小烏龜2?3只。浮萍、水草、蕨類植物和一些低矮雜草，仙人掌或仙人球2?3株。玻璃板4?5m2粘膠足量；沙土8?10kg,含腐殖質較多的花土40?50kg，自來水足量。方法步驟按100cmx70cmx50cm的標準制作生態(tài)缸框架。在生態(tài)缸內底部鋪墊沙土和花土花土在下一邊高，一邊低；沙土在上，沙土層厚5?10cm。在缸內低處倒進水。將收集或購買的動物和植物放在生態(tài)缸中，其中浮萍、水草與小烏龜放在水中，仙人掌或仙人球移植到沙土上，蕨類植物和雜草移植到花土上，蚯蚓與蝸牛也放置在花土上。封上生態(tài)缸蓋。將生態(tài)缸放置于室內通風、光線良好的地方，但要避免陽光直接照射。每一個星期觀察一次生態(tài)缸內的生物種類與數(shù)量變化，并且進行記錄。結果和結論根據(jù)觀察結果完成實驗報告。討論:.設計時要考慮的生態(tài)系統(tǒng)各組成成分有哪些？.生態(tài)缸經(jīng)過多長時間才能達到比較穩(wěn)定的狀態(tài)？.達到穩(wěn)定狀態(tài)后，生態(tài)缸內的生物種類與數(shù)量有無變化？如有，是怎樣變化的？練習.判斷下列表述是否準確：⑴溫帶針闊混交林比熱帶雨林的抵抗力穩(wěn)定性低。（）⑵同等強度干擾下，草原生態(tài)系統(tǒng)比沙漠生態(tài)系統(tǒng)恢復的速度慢。（）⑶不同的生態(tài)系統(tǒng)，氐抗力穩(wěn)定性和恢復力穩(wěn)定性不同。（）.地球上有許多類型的生態(tài)系統(tǒng)。以下是其中的一部分：（1）森林生態(tài)系統(tǒng)；（2）草原生態(tài)系統(tǒng)；（3）荒漠生態(tài)系統(tǒng)；（4）湖泊生態(tài)系統(tǒng)；（5）苔原生態(tài)系統(tǒng);⑹農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)；（7）果園生態(tài)系統(tǒng)；（8）海洋生態(tài)系統(tǒng)；（9）池塘生態(tài)系統(tǒng)；（10）濕地生態(tài)系統(tǒng)；（11）人工林地生態(tài)系統(tǒng)；（12）高山草甸生態(tài)系統(tǒng)。上述各種類型的生態(tài)系統(tǒng)中，自我調節(jié)能力最強的兩個生態(tài)系統(tǒng)是（）；人的作用突出的生態(tài)系統(tǒng)有（）；陸地生態(tài)系統(tǒng)中抵抗力穩(wěn)定性較強的是（），較弱的是（）；水域生態(tài)系統(tǒng)在遭到較嚴重破壞后，恢復較快的是（），恢復較慢的是（）。二、拓展題舉例說明生態(tài)系統(tǒng)的復雜程度與生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性的關系?？茖W科學?技術?社會恢復生態(tài)學及其應用自然生態(tài)系統(tǒng)是人類生存的環(huán)境基礎。目前，自然生態(tài)系統(tǒng)幾乎都受到了不同程度的干擾，一些森林、濕地、草原等自然生態(tài)系統(tǒng)逐漸退化，甚至被破壞。為了有效遏制生態(tài)系統(tǒng)的退化，恢復生態(tài)系統(tǒng)的正常功能，維持生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)，保證人類生存環(huán)境的穩(wěn)定，就需要利用恢復生態(tài)學的理論和技術?；謴蜕鷳B(tài)的目標是，重建某一區(qū)域歷史上曾有的植物和動物群落，使這一區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的結構與功能恢復到（或接近）受干擾前的原狀?；謴蜕鷳B(tài)學主要利用的是生物群落演替理論，特別強調生態(tài)系統(tǒng)的自我調節(jié)能力與生物的適應性，充分依靠生態(tài)系統(tǒng)自身的能力，并輔以有效的人為手段（物質、能量的投入），從而盡快使生態(tài)系統(tǒng)從受損的退化狀態(tài)恢復到正常的健康狀態(tài)。人們可以采用許多恢復生態(tài)學技術來治理退化的生態(tài)系統(tǒng)。例如，利用植物群落演替規(guī)律，在不同階段種植不同植物，以改造鹽堿化草原。下面是一個簡化的技術流程：重度就堿化草地（減逸十破遹〕封育、種草（,先鋒植物）重度就堿化草地（減逸十破遹〕封育、種草（,先鋒植物）植被羽步滯混船和土壤中的有機物

，枯枝落葉】種草〔適應性強的優(yōu)良牧草）中度鹽堿化草地（虎尾草十雜類草）中度鹽堿化草地（虎尾草十雜類草）加強草地管理揩施Tf適度割草.施肥〕下圖所示）。下圖所示）。輕度盤誠化與良好草地［羊草+雜類草：）在破壞嚴重的區(qū)域，例如洪水沖刷后的河川，可以采用恢復生態(tài)學技術對兩側坡面進行設計，并采用生態(tài)工程的辦法進行生態(tài)恢復（如技能訓練運用術語準確雌生命是什么？這是一個古老而又充滿哲理的問題?？偨Y從細胞到生態(tài)系統(tǒng)多層次生命系統(tǒng)的共同特征，對你認識生命的本質會有幫助。這個活動，需要你綜合運用已經(jīng)學過的知識，甚至還需要你自己去進一步查找資料，獲取更準確的信息，并用準確的術語表達。.生命系統(tǒng)與環(huán)境的關系。與一般的非生命系統(tǒng)相比，生命系統(tǒng)的復雜程度高，而且任何生命系統(tǒng)都不能孤立地存在，而是與周圍環(huán)境時刻進行著物質和能量的交換。生命系統(tǒng)應該是什么樣的系統(tǒng)？.生命系統(tǒng)的結構。生命系統(tǒng)盡管結構復雜，但都是由各個組成部分構成的統(tǒng)一整體，組織性強。生命系統(tǒng)的結構特征是：.生命系統(tǒng)的功能。和非生命系統(tǒng)相比，生命系統(tǒng)能夠不斷地從外界環(huán)境獲取物質和能量，形成新的組織結構，也能不斷地排出物質、散失熱能，等等。細胞、個體，都能形成新的細胞、個體。生命系統(tǒng)具有什么功能？.生命系統(tǒng)的歷史。分析生命系統(tǒng)的由來，追尋生命系統(tǒng)的歷史，也是理解生命是什么的關鍵。從歷史的角度看，生命系統(tǒng) 本營^牽生態(tài)系統(tǒng)是在一定空間中生物群落與其無機環(huán)境相互作用而形成的統(tǒng)一整體。生態(tài)系統(tǒng)的結構包括兩方面的內容：生態(tài)系統(tǒng)的成分、食物鏈和食物網(wǎng)。生態(tài)系統(tǒng)含有生產(chǎn)者、消費者、分解者和非生物的物質與能量等基本成分。生態(tài)系統(tǒng)中，進行著物質循環(huán)、能量流動和信息傳遞過程，其中物質是可以被循環(huán)利用的，物質的循環(huán)帶有全球性；能量流動則是單向和逐級遞減的。生態(tài)系統(tǒng)中，各種各樣的信息在生物的生存、繁衍和調節(jié)種間關系等方面起著十分重要的作用。生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性包括抵抗力穩(wěn)定性和恢復力穩(wěn)定性。生態(tài)系統(tǒng)具有自我調節(jié)能力，這是生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性的基礎。生態(tài)系統(tǒng)中組成成分越多，食物網(wǎng)越復雜，氐抗外界干擾的能力就越強。當今全球出現(xiàn)的諸多環(huán)境問題，就與生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性遭到破壞有關。對系統(tǒng)內的組分和種種過程進行分析時，數(shù)學方法有著廣泛而重要的應用。整體的觀點、相互作用的觀點、動態(tài)平衡的觀點等，是隨著對生態(tài)系統(tǒng)的分析探討而加深理解的，這些觀點也是認識和理解其他許多問題的基礎。自我檢測一、概念檢測.判斷⑴生態(tài)系統(tǒng)中存在著物質循環(huán)和能量流動兩個相對獨立的過程。（）（2）太陽能只有通過生產(chǎn)者才能輸人到生態(tài)系統(tǒng)之中。（）⑶植食性動物一定是初級消費者。（）⑷在草一昆蟲一青蛙一蛇一狐一豹這條食物鏈中，豹是第五營養(yǎng)級。（）⑸抵抗力穩(wěn)定性高的生態(tài)系統(tǒng)，恢復力穩(wěn)定性可能比較低。（）.選擇⑴下列哪一種方法能增加生態(tài)系統(tǒng)的抵抗力穩(wěn)定性：A.減少該生態(tài)系統(tǒng)內捕食者和寄生生物的數(shù)量；B.增加該生態(tài)系統(tǒng)內各營養(yǎng)級生物的種類；C.使該生態(tài)系統(tǒng)內生產(chǎn)者和消費者在數(shù)量上保持平衡；D.減少該生態(tài)系統(tǒng)內各營養(yǎng)級生物的種類。答[]⑵與生態(tài)系統(tǒng)自我調節(jié)能力大小有關的主要因素是:A.生態(tài)系統(tǒng)的無機環(huán)境； B.生態(tài)系統(tǒng)的氣候環(huán)境；C.生態(tài)系統(tǒng)的成分； D.生態(tài)系統(tǒng)的地理位置。 答[]3.畫概念（1）將以下概念之間的關系用概念圖的形式表示出來。生態(tài)系統(tǒng)、食物鏈、食物網(wǎng)、生產(chǎn)者、消費者、分解者、生物群落、初級消費者、次級消費者、三級消費者、第一營養(yǎng)級、第二營養(yǎng)級、第三營養(yǎng)級、第四營養(yǎng)級。⑵在以下概念圖的問號和空白框內填寫適當?shù)脑~語。填表比較能量流動、物質循環(huán)與信息傳遞的特點，并闡述三者之間的關系比較項目能呈流動物質循環(huán)信息傳遞特點范用關系二,知識遷移1.現(xiàn)提供以下種植、養(yǎng)殖物種和其他一些生產(chǎn)因素（見下表），請你選擇種植、養(yǎng)殖物種各兩種，設計一個符合生態(tài)學原理的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)（用文字、方框、箭頭、線段等表示）。2.下圖是河流生態(tài)系統(tǒng)受到生活污水(含大量有機物)輕度污染后的凈化作用示意圖。請根據(jù)圖回答：⑴在該河流的AB段上，溶解氧大量減少的主要原因是什么？⑵在該河流的BC段上，藻類大量繁殖的主要原因是什么？⑶水中溶解氧含量逐漸恢復的主要原因是什么？⑷若釀造廠或味精廠將大量含有有機物的廢水排人該河流，對河流生態(tài)系統(tǒng)可能造成的最嚴重的后果是什么？三、技能應用.某同學在探究落葉在不同上壤中的變化時，提出了新的問題缺氧環(huán)境中的土壤是否也能分解落葉呢?請你幫助他完成實驗設計。.某地農(nóng)業(yè)部門在防治棉鈴蟲問題上，提出了兩種方案:一種是