臺灣休閑農(nóng)業(yè)課程教材生態(tài)系統(tǒng)

P1組成成員和過程要點生態(tài)系統(tǒng)的概念1935年Tansley提出生態(tài)系統(tǒng)的概念，最初的定義包括一個定義的空間中一切的動物、植物和物理的相互作用。近代生態(tài)學(xué)家更傾向于從能〔量〕流、碳流或營養(yǎng)物流來思索生態(tài)系統(tǒng)。水生生態(tài)系統(tǒng)陸地生態(tài)系統(tǒng)TheecosystemconceptwasproposedbyTansleyin1935,andwasoriginallydefinedtoincludealltheanimals,plantsandphysicalinteractionsofadefinedspace.Modernecologiststendtothinkofecosystemsintermsofenergyflow,carbonflowornutrientcycles.KeyNotesTheconcepttheecosystemP1COMPONENTSANDPROCESSES生態(tài)系統(tǒng)成分單位面積中活有機體的身體構(gòu)成了生物量〔biomass〕的現(xiàn)存量〔standingcrop〕：單位地〔或水〕面積的有機體的質(zhì)量，通常以能量或干有機質(zhì)為單位〔例如t/ha〕陸地群落大部分生物是植被。群落初級消費率是初級消費者植物所消費的單位面積生物量的速率。經(jīng)過光協(xié)作用固定的總能量是總初級消費量〔GPP〕，其中一部分從群落喪失于呼吸作用〔R〕。GPP與R之差稱為凈初級消費量〔NPP〕，它代表了新生物量的產(chǎn)生速率，并可供異養(yǎng)生物〔細菌、真菌和動物〕消費之用。被異養(yǎng)生物消費的生物量叫做次級消費量。Thebodiesoflivingorganismswithinaunitareaconstituteastandingcropofbiomass:themassoforganismsperunitareaoforganismsperunitareaofground(orwater),usuallyexpressedinunitsofenergyordryorganicmatter(e.g.tonsha-1).ThegreatmajorityofbiomassinaterrestrialcommunityIistherateatwhichbiomassisproducedperunitareabyplants,theprimaryproducers.Thetotalfixationofenergybyphotosynthesisisreferredtoasgrossprimaryproductivty(GPP)ofwhichaproportion(R)islostformthecommunityasrespiration.ThedifferencebetweenGPPandRisknownasnetprimaryproductivity(NPP)andrepresentstherateofproductionofnewbiomassthatisavailableforconsumptionbyheterotrophicorganisms(bacteria,fungiandanimals).Theproductionofbiomassbyheterotrophsiscalledsecondaryproduction.Ecosystemcomponents生態(tài)系統(tǒng)與熱力學(xué)定律熱力學(xué)第一定律闡明，能量既不能被發(fā)明，也不能被破壞。熱力學(xué)第二定律闡明，每一次“轉(zhuǎn)換都導(dǎo)致系統(tǒng)的自在能的減少〞。由于能量轉(zhuǎn)換不能夠100%的有效，因此異養(yǎng)生物的能量較少，必然比它們所吃的植物更少。生態(tài)相互作用的復(fù)雜性意味著，以這些熱力學(xué)定律為根底去構(gòu)建用于預(yù)測的數(shù)學(xué)模型是不能夠的。Thefirstlawofthermodynamicsstatesthatenergycanneitherbecreatednordestroyed.Thesecondlawofthermodynamicsstatesthateverytransformationresultsinareductionofthefreeenergyofthesystem.Becauseenergytransformationcannotbe100%efficient(fromthesecondlaw),heterotrophsmusthavelessenergy,andmustthereforeberaterthantheplantstheyfeedon.Thecomplexityofecologicalinteractionsmeansthatitisnotpossibletoconstructpredictivemathematicalmodelsoflivingsystemsbasedontheselawsofthermodynamics.Ecosystemsandthelawsofthermodynamics轉(zhuǎn)換效率凈初級消費力經(jīng)過營養(yǎng)級流動的比例，決議于能量從一級到下一級的利用、經(jīng)過途中的轉(zhuǎn)化效率。正是三類轉(zhuǎn)換效率的全部知識，是預(yù)測能量流動格局的全部要求，那就是消費效率〔CE〕、同化效率〔AE〕和消費效率〔PE〕。消費效率是指一個營養(yǎng)級的有效總消費力〔Pn-1〕中，后一營養(yǎng)級成員實踐消費〔被吃掉〕部分〔In〕所占的百分比。同化效率是指一個營養(yǎng)級的消費者吃入消化道的食物能量〔In〕中，被同化而穿過消化道壁、并成為參與生長或用于作功的有效能量〔An〕所占的百分比。消費效率是指被同化的能量中〔An〕，參與到新生物量〔Pn〕所占的百分比。剩留下來的完全以呼吸熱量而損失于群落。Theproportionofnetprimaryproductionthatflowsthroughtrophiclevelsdependsontransferefficienciesinthewayenergyisusedandpassedfromonesteptothenext.Aknowledgeofjustthreecategoriesoftransferefficiencyisallthatisrequiredtounderstandthepatternofenergyflow.Theseareconsumptionefficiency(CE),assimilationefficiency(AE)andproductionefficiency(PE).Consumptionefficiencyisthepercentageoftotalproductivityavailableatonetrophiclevel(Pn-1)thatisactuallyconsumed(ingested)byatrophiccompartmentonelevelup(In).Assimilationefficiencyisthepercentageoffoodenergytakenintothegutsofconsumersinatrophiccompartment(In)whichisassimilatedacrossthegutwall(An)andbecomesavailableforincorporationintogrowthorusedtodowork.Productionefficiencyisthepercentageofassimilatedenergy(An)whichisincorporatedintonewbiomass(pn).Theremainderisentirelylosttothecommunityasrespiratoryheat.Transferefficiencies經(jīng)過群落的能流假設(shè)凈初級消費量和CE、AE和PE是知的值，那么運用模型預(yù)測不同群落各個營養(yǎng)級的能流途徑是能夠的。從這種有野外數(shù)據(jù)支持的模型研討得到了一個有意義的發(fā)現(xiàn)，即分解者系統(tǒng)是非常重要的。有普遍意義的是，在形狀穩(wěn)定的群落里，動物呼吸所喪失的被NPP所平衡，所以現(xiàn)存生物量堅持一樣的程度。相關(guān)主題初級和次級消費力〔見P2〕群落、構(gòu)造和穩(wěn)定性〔見Q1〕食物鏈〔見P3〕群落格局、競爭和捕食〔見Q3〕RelatedtopicsPrimaryandsecondaryproductionThecommunity,structureand(P2)stability(Q1)Foodchains(P3)Communitypatterns,competitionandpredation(Q3)EnergyflowthroughacommunityGiventhatspecifiedvaluescanbeobtainedfornotprimaryproductionandCE,AEandPE,itispossibletopredict,usingmodels,thepathwayofenergyflowatdifferenttrophiclevelsfordifferentcommunities.Fromsuchmodelingstudies,whicharesupportedbyfielddata,themostsignificantfindingistheoverwhelmingimportanceofthedecomposersystem.Overall,inasteadystatecommunity,lossesthroughanimalrespirationbalanceNPPsothatstandingcropbiomassremainsthesame.P2初級和次級消費力要點初級消費力全球陸地的凈初級消費力大約為120×109t/a干物質(zhì)，而海洋的大約為50×109t/a干物質(zhì)。這種消費力在地球上分布是很不均勻的。最富有消費力的系統(tǒng)出如今沼澤、濕地、河口灣、珊瑚礁和耕田。消費力隨離赤道間隔增大而降低，它闡明溫度與輻射的重要性。紅樹林沼澤江源濕地Globalnetprimaryproductivityisapproximately120×109tonsfryweightperyearonland,and50×109tonsperyearinthesea.ThisproductivityisveryunevenlydistributedacrosstheEarth.Themostproductivesystemsarefoundamongstswampandmarshland,estuaries,reefsandcultivatedland.Productivitydecreasesmovingawayfromtheequator,indicationtheimportanceoftemperatureandradiation.KeyNotesPrimaryproductionP2PRIMARYANDSECONDARYPRODUCTION消費力對生物量的關(guān)系經(jīng)過消費力〔P〕與現(xiàn)存生物量〔B〕之比，可以把群落消費力與產(chǎn)生它的現(xiàn)存量聯(lián)絡(luò)起來。對于森林，所得到的P：B比率〔即每年每公斤現(xiàn)存量所消費出的公斤數(shù)〕平均為0.042，其他陸地系統(tǒng)是0.29，而水體群落是17.0。思索P：B比率的另一種選擇是以活組織的分量確定的生物量，它將減少群落之間的這些大的區(qū)別。當(dāng)然，準(zhǔn)確測定活的生物量比例是很困難的事。Communityproductivitycanbirelatedtothestandingcropthatproducesitbycomparingtheratioofproductivity(P)tostandingcropbiomass(B).TheresultingP:Bratios(I.ekgproducedyear-1kg-1standingcrop)average0.042forforests,0.29forotherterrestrialsystems,and17.0foraquaticcommunities.AnalternativewayoflookingatP:Bratioswouldbetodefinebiomassintermsofweightoflivingtissue,whichwouldreducetheselargedifferencesbetweencommunities.However,accuratemeasurementoftheproportionofbiomassaliveisdifficult.Relationshipofproductivitytobiomass次級消費力次級消費力的定義是異養(yǎng)有機體的新生物量的消費速率。異養(yǎng)生物如動物、真菌，要求能量豐富的有機分子。異養(yǎng)生物的次級消費力必然地依存于初級消費力。普通說來，在牧食者系統(tǒng)中，次級消費力是群落營養(yǎng)構(gòu)造中，依存于消費活植物生物量的那一部分，在數(shù)量級少于植物消費力，從而構(gòu)成了金字塔構(gòu)造。然而也有例外。西藏大型經(jīng)濟真菌Secondaryproductionisdefinedastherateofproductionofnewbiomassbyheterotrophicorganisms.Heterotrophsareorganisms,suchasanimalsandfungi,witharequirementforenergy-richorganicmolecules.Secondaryproductionbyheterotrophsisinevitablydependentonprimaryproductivity.Generally,ingrazersystems,thatpartofthetrophicstructureofacommunitywhichdependsontheconsumptionoflivingplantbiomass,secondaryproductivityisanorderofmagnitudelessthanprimaryproductionresultinginapyramidalstructure.However,thereareexceptionstothis.Secondaryproduction相關(guān)主題太陽輻射與植物〔見F1〕組成成員和過程〔見P1〕植物與消費者〔見G2〕食物鏈〔見P3〕物質(zhì)與能量的關(guān)系能量一旦轉(zhuǎn)化為熱，它就不再能被有機體用于作功或合成生物量的燃料。熱損失到大氣中，再也不能進入再循環(huán)。地球上生命所以可以存在，正是由于太陽輻射每天都提供著新穎的可用能量。相反，像碳一樣的營養(yǎng)物，就能被再利用。構(gòu)成生物量基塊的化學(xué)營養(yǎng)物可以被利用，以臨界的特征在再循環(huán)著。與太陽輻射的能量不同，營養(yǎng)物的供應(yīng)不是不會改動的。假設(shè)植物及其消費者沒有被最后分解掉，營養(yǎng)物的供應(yīng)將會耗盡，地球上的生命也將終止。太陽輻射RelatedtopicsSolarradiationandplants(F1)Componentsandprocesses(P1)Plantsandconsumers(G2)Foodchains(P3)TherelationshipbetweenmatterandenergyOnceenergyistransformedintoheat,itcannolongerbeusedbylivingorganismstodoworkortofuelthesynthesisofbiomass,theheatislosttotheatmosphereandcanneverberecycled.LifeonEarthispossiblebecauseafreshsupplyofsolarenergyismadeavailableeveryday,Incontrast,nutrientssuchascarboncanbereused.Chemicalnutrients,thebuildingblocksifbiomass,canbeusedagain,andrecyclingisacriticalfeature.Unliketheenergyinsolarradiation,nutrientsarenotinunalterablesupplyofnutrientswouldbecomeexhaustedandlifeonEarthwouldcease.Ｐ3食物鏈要點營養(yǎng)物流自養(yǎng)生物同化無機資源，生成有機分子的組件，這些組件成為異養(yǎng)生物的資源，后者又后為另一個消費者的資源。在這種食物鏈的每一個銜接，我們可以區(qū)分出通向下一個營養(yǎng)級的三條途徑：分解、寄生和捕食。消費者能夠是泛化種〔多食性的〕，吃廣范圍的獵物種，或者是特化為吃一個或一組有親密關(guān)系的種〔單食性的〕。血吸蟲寄生部位Autotrophicorganismsassimilateinorganicresourcesintopackagesoforganicmolecules.Therebecometheresourcesforheterotrophswhichthenbecomearesourceforanotherconsumer.Ateachlinkinthisfoodchainwecanrecognizethreepathwaystothenexttrophiclevel:decomposition,parasitismandpredation.Consumersmaybegeneralists(polyphagous),takingawidevarietyofpreyspeciesormayspecializeonsinglespeciesorarangeofcloselyrelatedspecies(monophagous).KeyNotesPathwaysofnutrientflowP3FOODCHAINS營養(yǎng)級間的相互作用生態(tài)系統(tǒng)的一個特征是：占據(jù)其各個營養(yǎng)級的種數(shù)及種的性質(zhì)。一個營養(yǎng)級的成員與臨近營養(yǎng)級的成員之間的相互關(guān)系可以用食物鏈來描畫。食物鏈?zhǔn)倾暯映耘c被吃的鏈，例如，食肉動物到它的最后的植物食物。任何生態(tài)系統(tǒng)都有許多食物鏈，并可以組成食物網(wǎng)。生態(tài)系統(tǒng)在能量-營養(yǎng)物網(wǎng)的方式上有很大的變化。食物鏈Acharacteristicofanecosystemisthenumberandnatureofthespeciesthatoccupyitsvarioustrophiclevels.Therelationshipbetweenconstituentsofonetrophiclevelandconstituentsofadjacenttrophiclevelsmaybedescribedbyafoodchain.Thisisachainofeatingandbeingeatenthatconnects,forexample,carnivorousanimalstotheirultimateplantfood.Manyfoodchainsexistinanygivenecosystemandvanbecombinedintofoodwebs.Ecosystemsvaryconsiderablyinthepatternoftheirenergy-nutrientwebs.Interactionsbetweentrophiclevels下行或上行曾經(jīng)有過爭辯，地球是綠色的、長滿植被的，這是由于食草動物被其捕食者所調(diào)理〔下行控制，top-downcontrol〕，而一切別的營養(yǎng)級都是被資源競爭所調(diào)理的〔上行控制，buttom-upcontrol〕。這個簡單的模型是吸引人的，但是其價值是值得疑心的。由于植物有防御，食草物種在它們所吃的植物組織的范圍方面是遭到很大限制的；因此，即使世界是綠色的，它們也能夠遭到競爭的限制。不僅如此，植物大體上并不受能量的限制，但卻遭到空間限制，所以任何被食草動物清出的空間，都為更多的植物開放的時機。食草動物食肉動物Top-downorbottom-up?Ithasb