5-第五章生態(tài)系-1

1、第五章 生態(tài)系統(tǒng),第一節(jié) 生態(tài)系統(tǒng)的一般特征 第二節(jié) 生態(tài)系統(tǒng)的能量流動 第三節(jié) 生態(tài)系統(tǒng)的物質循環(huán) 第四節(jié) 生態(tài)系統(tǒng)中的信息及其傳遞,生態(tài)系統(tǒng)研究是現代生態(tài)學研究的主流，當前全球所面臨的重大資源與環(huán)境問題的解決，都依賴于對生態(tài)系統(tǒng)結構與功能、多樣性與穩(wěn)定性以及生態(tài)系統(tǒng)的演替、受干擾后的恢復能力和自我調節(jié)能力。,本章要點,5.1生態(tài)系統(tǒng)的一般特征,1 生態(tài)系統(tǒng)的概念 2 生態(tài)系統(tǒng)的組成成分 3 生態(tài)系統(tǒng)的結構 4 生態(tài)系統(tǒng)的功能 5 生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性 6 生態(tài)系統(tǒng)的服務功能,5.1.1生態(tài)系統(tǒng)的概念,生態(tài)系統(tǒng)（ecosystem）的定義: 由英國植物生態(tài)學家A.G.Tansley(1935)提

2、出 指在一定的空間內，生物成分和非生物成分通過物質循環(huán)和能量流動互相作用、互相依存而構成的一個生態(tài)學功能單位，這個生態(tài)學功能單位稱生態(tài)系統(tǒng)。,5.1.1生態(tài)系統(tǒng)的概念,系統(tǒng)是指彼此間相互作用、相互依賴的事物，有規(guī)律的聯(lián)合集合體，是有序的整體。一般認為，構成系統(tǒng)至少要3個條件： 系統(tǒng)是由許多成分組成的； 各成分間不是孤立的，而是彼此互相聯(lián)系、互相作用的； 系統(tǒng)具有獨立的、特定的功能。,5.1.1生態(tài)系統(tǒng)的概念,生態(tài)系統(tǒng)的5個特點: 1.生態(tài)系統(tǒng)是生態(tài)學的一個主要結構和功能單位，屬于經典生態(tài)學研究的最高層次； 2.生態(tài)系統(tǒng)具有自我調節(jié)能力； 3.能量流動、物質循環(huán)和信息傳遞是生態(tài)系統(tǒng)的三大功能；,

3、結構越復雜、物種數目越多，自我調節(jié)能力就越強。,4.生態(tài)系統(tǒng)中營養(yǎng)級的數目受限于生產者所固定的最大能量和這些能量在流動過程中的巨大損失，因此，營養(yǎng)級的數目通常不超過56個； 5.生態(tài)系統(tǒng)是一個動態(tài)系統(tǒng)，要經歷一系列發(fā)育階段。,5.1.1生態(tài)系統(tǒng)的概念,5.1.2生態(tài)系統(tǒng)的組成成分,六大組成成分（四大基本成分）,無機物 有機化合物 氣候因素 生產者(producer) 消費者 (consumer) 分解者(還原者) (decomposer),非生物成分,生物成分 (生物群落),5.1.2生態(tài)系統(tǒng)的組成成分,無機物質：包括處于物質循環(huán)中的各種無機物，如氧、氮、二氧化碳、水和各種無機鹽等。 有機化合

4、物：包括蛋白質,此同時糖類、脂類和腐殖質等 氣候因素：如溫度、濕度、風合雨雪等。,1，生產者(producers) ：綠色植物、藍綠藻和光合細菌,2，消費者(consumers)：包括雜食動物、寄生生物,食草動物(herbivores) 食肉動物(carnivores) 大型食肉動物或頂級食肉動物(top carnivores):,3，分解者(decomposer),分解者主要是細菌和真 菌，也包括某些原生動物 和蚯蚓、白蟻以及禿鷲等 大型腐食性動物。,4，非生物環(huán)境,無機物質,有機化合物： 如蛋白質、糖類脂類和腐殖質。,氣候因素,5.1.2生態(tài)系統(tǒng)的組成成分,三大功能群,生產者：自養(yǎng)生物，主

5、要是各種綠色植物，也包括藍綠藻和一些能進行光合作用的細菌。 消費者：異養(yǎng)生物，主要指以其他生物為食的各種動物，包括植食動物（一級） 、肉食動物（二四級） 、雜食動物和寄生動物。 分解者：異養(yǎng)生物，把復雜有機物分解成簡單無機物，包括細菌、真菌、放線菌和動物。,Energy exchange in an ecosystem.,5.1.3 生態(tài)系統(tǒng)的結構,空間結構 時間結構 營養(yǎng)結構 食物鏈(C.Elton,1927) 食物網 食物鏈和食物網概念的意義 生態(tài)系統(tǒng)的營養(yǎng)結構及能流和物流間的關系,5.1.3 生態(tài)系統(tǒng)的結構,一個食物鏈的例子,植物汁液,蟬 (初級消費者),螳螂 (二級消費者),黃雀 (三

6、級消費者),鷹 (四級消費者) (頂極食肉動物),螳螂捕蟬，黃雀在后！哈！哈！,1，概念,各種生物按其取食和被食的關系而排列的鏈 狀順序稱為食物鏈(food chain) 。如：,浮游植物浮游動物食草性魚類食肉性魚類。,植物蝴蝶蜻蜓蛇鷹。,生物擴大作用(biological magnification) 如：DDT在海水中濃度為5.010-11g，浮游植物含 4.010-8g，蛤中4.210-7g，到銀鷗達75.510-6g， 擴大了百萬倍。營養(yǎng)級越高，積累劑量越大。,食物網越復雜，生態(tài)系統(tǒng)抵抗外力干擾的能力就越強，反之 亦然。,5.1.3 生態(tài)系統(tǒng)的結構,食物鏈（food chain）和營養(yǎng)

7、級（trophic level）： 食物鏈指生態(tài)系統(tǒng)中不同生物之間在營養(yǎng)關系中形成的一環(huán)套一環(huán)似鏈條式的關系，即物質和能量從植物開始，然后一級一級地轉移到大型食肉動物。 食物鏈上的每一個環(huán)節(jié)稱為營養(yǎng)階層或營養(yǎng)級，指處于食物鏈某一環(huán)節(jié)上的所有生物種的總和。,2，食物鏈的類型,捕食食物鏈(grazing food chain),以吃活的動植物為起點的食物鏈 。,碎屑食物鏈(detrital food chain),以吃死生物或腐屑為起點的食物鏈 。,3，食物鏈的特點,陸地和淺水生態(tài)系統(tǒng)中，能流是以碎屑食物鏈為主。,陸地生態(tài)系統(tǒng)中，凈初級生產量只有很少一部分通 向捕食食物鏈。,只在某些水生生態(tài)系統(tǒng)中

8、，捕食食物鏈才會成為能 流的主要渠道。,寄生食物鏈（parasitic chain）,沿著食物鏈動物個體越來越大的概念，只適用于一般情況。,5.1.3 生態(tài)系統(tǒng)的結構,食物鏈的類型：根據食物鏈的起點不同，可將其分成兩大類: 牧食食物鏈（grazing food chain）： 又稱捕食食物鏈，以活的動植物為起點的食物鏈，如綠色植物，草食動物、各級食肉動物。寄生食物鏈可以看作捕食食物鏈的一種特殊類型。 腐食食物鏈（detrital food chain）： 又稱碎屑食物鏈，從死亡的有機體或腐屑開始。,5.1.3 生態(tài)系統(tǒng)的結構,食物網 (food web)： 生態(tài)系統(tǒng)中的食物鏈很少是單條、孤立出

9、現的，它往往是交叉鏈索，形成復雜的網絡結構，此即食物網。,Each time an organism feeds,it becomes a link in a food chain. In an ecosystem, food chains become cross-connected when predators feed on more than one kind of prey,thus forming a food web.,5.1.3 生態(tài)系統(tǒng)的結構,食物鏈和食物網概念的幾點意義,1.食物鏈是生態(tài)系統(tǒng)營養(yǎng)結構的形象體現。通過食物鏈和食物網把生物與非生物、生產者與消費者、消費者與消費者

10、連成一個整體，反映了生態(tài)系統(tǒng)中各生物有機體之間的營養(yǎng)位置和相互關系；各生物成分間通過食物網發(fā)生直接和間接的聯(lián)系，保持著生態(tài)系統(tǒng)結構和功能的穩(wěn)定性。,5.1.3 生態(tài)系統(tǒng)的結構,食物鏈和食物網概念的意義,2.生態(tài)系統(tǒng)中能量流動物和物質循環(huán)正是沿著食物鏈和食物網進行的。 3.食物鏈和食物網還揭示了環(huán)境中有毒污染物轉移、積累的原理和規(guī)律。,生態(tài)系統(tǒng)的營養(yǎng)結構及能流和物流間的關系,生態(tài)系統(tǒng)的營養(yǎng)結構(物質循環(huán)),生態(tài)系統(tǒng)的營養(yǎng)結構(能量流動),凈初級 生產,生產者 (綠色植物),還原者 (細菌、真菌),分解系統(tǒng),放牧系統(tǒng),消費者 (動物),死有機物,能流,物流,環(huán)境 (土壤、空氣、水),太陽輻射能,呼

11、吸散失,呼吸散失,5.1.4 生態(tài)系統(tǒng)的功能,能量流動：生產者 消費者 分解者，單向 物質循環(huán)：生物 環(huán)境，雙向 信息傳遞：包括營養(yǎng)信息、化學信息、物理信息和行為信息等，構成信息網。,5.1.5 生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性,生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性（stability）(生態(tài)平衡):生態(tài)系統(tǒng)通過發(fā)育和調節(jié)達到一種穩(wěn)定的狀態(tài)，表現為結構上、功能上、能量輸入和輸出上的穩(wěn)定，當受到外來干擾時，平衡將受到破壞，但只要這種干擾沒有超過一定限度，生態(tài)系統(tǒng)仍能通過自我調節(jié)恢復原來狀態(tài).,5.1.5 生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性,生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性包括了兩個方面的含義 :一方面是系統(tǒng)保持現行狀態(tài)的能力 ,即抗干擾的能力（抵抗力resistan

12、ce）; 另一方面是系統(tǒng)受擾動后回歸該狀態(tài)的傾向 ,即受擾后的恢復能力（恢復力resilience）。,5.1.5 生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性,生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性機制： 生態(tài)系統(tǒng)具有自我調節(jié)的能力，維持自身的穩(wěn)定性，自然生態(tài)系統(tǒng)可以看成是一個控制論系統(tǒng)，因此，負反饋（negative feedback）調節(jié)在維持生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性方面具有重要的作用。,生態(tài)系統(tǒng)中的反饋 （正反饋（左）和負反饋（右）,魚死亡,魚死亡 ,魚死亡 ,污染,污染 ,污染 ,吃了較多兔子,吃了較少兔子,吃了較少的草,吃了大量的草,狼,狼,兔,兔,植物,植物,狼餓死,狼吃飽,兔吃飽,兔餓死,5.1.6 生態(tài)系統(tǒng)的服務功能,生態(tài)系統(tǒng)服務(e

13、cosystem service)： 由自然系統(tǒng)的生境、物種、生物學狀態(tài)、性質和生態(tài)過程所生產的物質及其所維持的良好生活環(huán)境對人類的服務性能稱生態(tài)系統(tǒng)服務.,5.1.6 生態(tài)系統(tǒng)的服務功能,生態(tài)系統(tǒng)服務的主要內涵： 生物生產、生物多樣性的維護 傳粉、傳播種子 生物防治 環(huán)境凈化 土壤形成及其改良 減緩干旱和洪澇災害 調節(jié)氣候 休閑、娛樂 文化、藝術素養(yǎng)生態(tài)美的感受,5.2 生態(tài)系統(tǒng)的能量流動,1 生態(tài)系統(tǒng)的生物生產 2 生態(tài)系統(tǒng)中的分解 3 生態(tài)系統(tǒng)的能流過程,5.2.1 生態(tài)系統(tǒng)的生物生產,生物生產的基本概念 生物生產 生物量與生產量 初級生產 總初級生產與凈初級生產 影響初級生產的因素 初

14、級生產量的測定方法 次級生產 次級生產的基本特點 次級生產量的測定方法,5.2.1 生態(tài)系統(tǒng)的生物生產,生物生產：是生態(tài)系統(tǒng)重要功能之一。生態(tài)系統(tǒng)不斷運轉，生物有機體在能量代謝過程中，將能量、物質重新組合，形成新的產品的過程，稱生態(tài)系統(tǒng)的生物生產。 生物生產常分為個體、種群和群落等不同層次。,5.2.1 生態(tài)系統(tǒng)的生物生產,生態(tài)系統(tǒng)中綠色植物通過光合作用，吸收和固定太陽能，從無機物合成、轉化成復雜的有機物。由于這種生產過程是生態(tài)系統(tǒng)能量貯存的基礎階段，因此，綠色植物的這種生產過程稱為初級生產，或第一性生產（primary production）。,地球上初級生產力的分布,全球凈初級生產力在沿地

15、球緯度分布上有三個高峰，第一高 峰接近于赤道，第二高峰出現在北半球的中溫帶，而最小的第三 高峰出現在南半球的中溫帶。,海洋凈初級生產力的季節(jié)變動是中等程度的，而陸地生產 力的季節(jié)波動則明顯的大，夏季比冬季平均高60%。,表 12-1 生物圈主要生態(tài)系統(tǒng)的年和季節(jié)凈初級生產力 (單位 1015 g) 海洋的 陸地的 季節(jié)的 V-VI 月 10.9 15.7 VII-I 月 13.0 18.0 X-XII月 12.3 11.5 I-III 月 11.3 11.2 生物地理的 貧營養(yǎng)的 11.0 熱帶雨林 17.8 中營養(yǎng)的 27.4 落葉闊葉林 1.5 富營養(yǎng)的 9.1 針闊混交林 3.1 大型水

16、生植物 1.0 常綠針葉林 3.1 落葉針葉林 1.4 稀樹草原 16.8 多年生草地 2.4 闊葉灌木 1.0 苔原 0.8 荒漠 0.5 栽培田 8.0 總計 48.5 56.4,我國陸地植被凈初級生產力及其季節(jié)變化，根據遙感信息 和地面氣候資料的模型初步估計，年總凈初級生產力約 為2.645109 t C （孫睿、朱啟疆，2000）。,生態(tài)系統(tǒng)的初級生產量，還隨群落的演替而變化。,早期由于植物生物量很低，初級生產量不高。,一般森林在葉面積指數達到4時，凈初級生產量最高,但當生態(tài)系統(tǒng)發(fā)育成熟或演替達到頂極時，雖然生物量接 近最大，系統(tǒng)由于保持在一動態(tài)平衡中，凈生產量反而最小。,水體和陸地生

17、態(tài)系統(tǒng)的生產量都有垂直變化。,如森林，一般喬木層最高，灌木層次之，草被層更低， 而地下部分反映了同樣情況。 水體也有類似的規(guī)律，不過水面由于陽光直射，生產量 不是最高，最高的是深數m左右，并隨水的清晰度而變化。,5.2.1 生態(tài)系統(tǒng)的生物生產,初級生產以外的生態(tài)系統(tǒng)生產，即消費者利用初級生產的產品進行新陳代謝，經過同化作用形成異養(yǎng)生物自身的物質，稱為次級生產，或第二性生產（secondary production）。,5.2.1 生態(tài)系統(tǒng)的生物生產,生物量（biomass）:某一特定觀察時刻，某一空間范圍內，現有有機體的量，它可以用單位面積或體積的個體數量、重量（狹義的生物量）或含能量來表示，

18、因此它是一種現存量(standing crop)。 現存的數量以N表示，現在的生物量以B表示?，F存生物量通常用平均每平方米生物體的干重(gm-2)或平均每平方米生物體的熱值來表示(J m-2 )。,5.2.1 生態(tài)系統(tǒng)的生物生產,生產量(production): 是在一定時間階段中，某個種群或生態(tài)系統(tǒng)所新生產出的有機體的數量、重量或能量。它是時間上積累的概念，即含有速率的概念。有的文獻資料中，生產量、生產力(production rate)和生產率(productivity)視為同義語，有的則分別給予明確的定義。,5.2.1 生態(tài)系統(tǒng)的生物生產,應當指出的是，生產量和生物量是兩個完全不同的概念

19、，生產量含有速率的概念，是指單位時間單位面積上的有機物質生產量，而生物量是指在某一特定時刻調查時單位面積上積存的有機物質。,5.2.1 生態(tài)系統(tǒng)的生物生產,總初級生產與凈初級生產,初級生產過程可用下列方程式概述： 光能 6CO26H2O C6H12O6 6O2 葉綠素,5.2.1 生態(tài)系統(tǒng)的生物生產,總初級生產(gross primary production,GP)與凈初級生產(net primary production,NP)：植物在單位面積、單位時間內，通過光合作用固定太陽能的量稱為總初級生產，常用的單位：J m -2 a-1 植物總初級生產減去呼吸作用消耗掉的（R），余下的有機物質即

20、為凈初級生產。二者之間的關系可表示如下： GPNP+R ； NPGPR,5.2.1 生態(tài)系統(tǒng)的生物生產,影響初級生產的因素,NP,R,CO2,光,H2O,營養(yǎng),取食,O2溫度,污染物,GP,陸地生態(tài)系統(tǒng)中，初級生產量是由光、二氧化碳、水、營養(yǎng)物質(物質因素) 、氧和溫度(環(huán)境調節(jié)因素)六個因素決定的。,光合作用 生物量,（1）陸地生態(tài)系統(tǒng),光、CO2、水和營養(yǎng)物質是初級生產量的基本資源，溫度是影響 光合效率的主要因素，而食草動物的捕食減少光合作用生物量。,2. 海洋生態(tài)系統(tǒng),光：是限制海洋初級生產量的一個重要因子。,1米深處，50%的光被吸收；20米深出，僅有510%的光。,浮游植物的凈生產力

21、 的計算公式：,其中：P為浮游植物的光合作用率（以每天每平方米海洋表面所固 定的表示；R為入射光亮的相對光合作用率；K為每米深光的消退 系數；C為每立方米海水所含葉綠素的克數。3.7是在光飽和的條 件下，每克葉綠素每小時在光合作用中可固定3.7克碳。,營養(yǎng)物質：,K、P為主要限制因子，但卻分布在深水層中。,肥沃的土壤可含5%的有機質和0.5%的N，可生長50kg/m2（干重）；富饒的 海水只有0.00005%的N，只能維持不足5g /m2 （干重）的浮游植物的生存。,5.2.1 生態(tài)系統(tǒng)的生物生產,初級生產量的測定方法 產量收割法：收獲植物地上部分烘干至恒重，獲得單位時間內的凈初級生產量。 氧

22、氣測定法：總光合量凈光合量呼吸量,5.2.1 生態(tài)系統(tǒng)的生物生產,二氧化碳測定法：用特定空間內的二氧化碳含量的變化，作為進入植物體有機質中的量，進而估算有機質的量。 pH測定法：水體中的pH值隨著光合作用中吸收二氧化碳和呼吸過程中釋放二氧化碳而發(fā)生變化，根據pH值變化估算初級生產量。,5.2.1 生態(tài)系統(tǒng)的生物生產,葉綠素測定法：葉綠素與光合作用強度有密切的定量關系，通過測定體中的葉綠素可以估計初級生產力。 放射性標記測定法：把具有14C的碳酸鹽(14CO32-)放入含有天然水體浮游植物的樣瓶中，沉入水中，經過一定時間的培養(yǎng)，濾出浮游植物，干燥后，測定放射性活性，確定光合作用固定的碳量。由于浮

23、游植物在黑暗中也能吸收14C，因此，還要用“暗吸收”加以校正。,5.2.1 生態(tài)系統(tǒng)的生物生產,黑瓶 （呼吸作用）,白瓶 (凈光合作用),對照瓶 （消除誤差）,放置于水樣深度處,一定時間后，測各瓶的含氧量變化，求初級生產量,黑白瓶法,5.2.1 生態(tài)系統(tǒng)的生物生產,首先是從池塘、湖泊或海水的一定深度采取含有自養(yǎng)生物的水樣，然后將水樣分裝在成對的小樣瓶中。在每對樣瓶中總是有一個白瓶和一個黑瓶，所謂白瓶就是透光瓶，里面可進行光合作用；所謂黑瓶就是不透光瓶，里面不能進行光合作用，但有呼吸活動。,用標準的化學滴定法或電子檢測器測定黑瓶和白瓶中的含氧量。根據白瓶中含氧量的變化可以確定凈光合作用量和凈光合

24、作用率，根據黑瓶中所測得的數據可以得知正常的呼吸好氧量。同時利用黑瓶和白瓶測氧資料就可以計算出總初級生產量。,5.2.1 生態(tài)系統(tǒng)的生物生產,次級生產量的生產過程,凈初級生產量是生產者以上各營養(yǎng)級所需能量的唯一來源。從理論上講，凈初級生產量可以全部被異養(yǎng)生物所利用，轉化為次級生產量，但實際上，任何一個生態(tài)系統(tǒng)中的凈初級生產量都可能流失到這個生態(tài)系統(tǒng)以外的地方去。還有很多植物是生長在動物達不到的地方，因此也無法被利用。,在動物吃進的食物中并不能全部被同化和利用，其中有相當一部分是以排糞、排尿的方式損失掉了。在被同化的能量中，有一部分用于動物的呼吸代謝和生命的維持，這一部分能量最終將以熱的形式消散

25、掉，剩下的那一部分才能用于動物各器官組織的生長和繁殖新的個體，這就是次級生產量。,次級生產量的生產過程,次級生產量的一般生產過程可以概括于下面的圖解中：,對一個動物種群來說，其能量收支情況可以用下列公式表示： C = A + F U 其中C代表動物從外界攝食的能量，A代表被同化能量，FU代表糞、尿能量。 A項又可分解如下： A = P + R 其中P代表凈生產量，R代表呼吸能量。綜合上述兩式可以得到： P = C F U R,次級生產的基本特點,食物資源,被采食,C=A+Fu A=P+R C=P+Fu+R P=C-Fu-R,未采食,拒食,可利用,食用 (C),未食,糞便 (Fu),呼吸 (R)

26、,保持能量,分解,同化(A),動物產品產生能量 (P),潛在能量,損 失 能 量,次級生產過程模型,按已知同化量A和呼吸量R，估計生產量P P=C-Fu-R， Fu-尿糞量 根據個體生長或增重的部分Pg和新生個體重Pr，估計P P Pg Pr 根據生物量凈變化B和死亡損失E，估計P P B E,次級生產量的測定方法,5.2.2 生態(tài)系統(tǒng)中的分解,資源分解的過程：分碎裂過程、異化過程和淋溶過程等三個過程。 資源分解的意義： 實踐意義： 糞便處理 污水處理,理論意義： 通過死亡物質的分解，使營養(yǎng)物質再循環(huán)，給生產者提供營養(yǎng)物質； 維持大氣中二氧化碳的濃度； 穩(wěn)定和提高土壤有機質含量，為碎屑食物鏈以

27、后各級生物生產食物； 改善土壤物理性狀，改造地球表面惰性物質；,5.2.2 生態(tài)系統(tǒng)中的分解,澳洲大陸距今1.4億年前就與其他陸地隔離，生物區(qū)系獨特，當地繁殖的最大獸類是有袋類的大袋鼠。移民于1788年運去了第一批5頭奶牛和2頭公牛，到19世紀未牛的頭超過4500萬頭。如以每頭牛一晝夜排便10次計算，每天就有4.5億堆又大又濕的牛糞。而當地的金龜子主要取食干硬的袋鼠糞，而對軟而濕的牛糞不感興趣。由于當地缺乏分解牛糞的生物，牛糞在草原上風干硬化，幾年內都難以分解，日積月積，牛糞數量驚人。,澳大利亞引進異地金龜處理牛糞,牛糞覆蓋并破壞大面積草原，形成草原上的一塊塊禿斑。每年被毀的牧場竟達3600萬

28、畝。澳大利亞學者M. H. Wallace(1978) 指出“澳大利亞的牛多，牛糞更多，牛屎多到鋪天蓋地，如果不到世界各地引種食糞金龜子處理，澳大利亞就將淹沒在牛屎堆里?！?5.2.2 生態(tài)系統(tǒng)中的分解,據實驗兩頭金龜子一前一后，能將100克牛糞在3040小時內，滾成球，埋入土層里，以備子代食用。由于牛糞中的蠅卵需96小時后才能孵化為幼蟲，牛糞埋入地下，蠅類無法孵化。因此，金龜子消除了牛糞，又破壞了蠅類滋生的條件。為此，60年代，澳大利亞引入了羚羊糞蜣(Onthophagus gazella)和神農蜣螂(Catharsius molossus)等異地金龜，對分解牛糞發(fā)揮了明顯的作用。,5.2.

29、2 生態(tài)系統(tǒng)中的分解,生態(tài)系統(tǒng)能量流動規(guī)律 生態(tài)系統(tǒng)中能流途徑 能量流動的生態(tài)效率,5.2.3 生態(tài)系統(tǒng)的能流過程,5.2.3 生態(tài)系統(tǒng)的能流過程,生態(tài)系統(tǒng)是一個熱力學系統(tǒng)，生態(tài)系統(tǒng)中能量的傳遞、轉換遵循熱力學的兩條定律： 第一定律：能量守恒定律，能量可由一種形式轉化為其他形式的能量，能量既不能消滅，又不能憑空創(chuàng)造。 第二定律：熵律，任何形式的能（除了熱）轉化到另一種形式能的自發(fā)轉換中，不可能100被利用，總有一些能量作為熱的形式被耗散出去，熵就增加了。,5.2.3 生態(tài)系統(tǒng)的能流過程,生態(tài)系統(tǒng)中能流特點（規(guī)律）： 能流在生態(tài)系統(tǒng)中是變化著的； 能流是單向流； 能量在生態(tài)系統(tǒng)內流動的過程，就是

30、能量不斷遞減的過程； 能量在流動過程中，質量逐漸提高。,5.2.3 生態(tài)系統(tǒng)的能流過程,牧食食物鏈和腐食食物鏈是生態(tài)系統(tǒng)能流的主要渠道。 能量流動以食物鏈作為主線，將綠色植物與消費者之間進行能量代謝的過程有機地聯(lián)系起來。,生態(tài)系統(tǒng)中能量流動的途徑,5.2.3 生態(tài)系統(tǒng)的能流過程,牧食食物鏈的每一個環(huán)節(jié)上都有一定的新陳代謝產物進入到腐屑食物鏈中，從而把兩類主要的食物鏈聯(lián)系起來。 能量在各營養(yǎng)級之間的數量關系可用生態(tài)金字塔表示。,5.2.3 生態(tài)系統(tǒng)的能流過程,生態(tài)錐體（ecological pyramid）: 能量通過營養(yǎng)級逐級減少，如果把通過各營養(yǎng)級的能流量由低到高用圖型表示，就成為一個金字塔

31、形，稱能量錐體或能量金字塔。同樣如果以生物量或個體數目來表示，可能得到生物量錐體（pyramid of energy）和數量錐體（pyramid of number） 。三類錐體合稱為生態(tài)錐體。,生態(tài)金字塔的類型,a 生物量錐體(gDW m-2 ),b 能量錐體(kcal m-2 a -1 ),c 數量錐體(個體 ha-1),1,2,浮游生物,植食者,一級肉食者,二級肉食者,分解者,浮游和底棲動物,浮游植物,細菌,植食者,一級肉食者,浮游生物,1,2,5.2.3 生態(tài)系統(tǒng)的能流過程,數量錐體以各個營養(yǎng)級的生物個體數量進行比較，忽視了生物量因素，一些生物的數量可能很多，但生物量卻不一定大，在同一

32、營養(yǎng)級上不同物種的個體大小也是不一樣的。 生物量錐體以各營養(yǎng)級的生物量進行比較，過高強調了大型生物的作用。,5.2.3 生態(tài)系統(tǒng)的能流過程,能量錐體表示各營養(yǎng)級能量傳遞、轉化的有效程度，不僅表明能量流經每一層次的總量，同時，表明了各種生物在能流中的實際作用和地位，可用來評價各個生物種群在生態(tài)系統(tǒng)中的相對重要性。能量錐體排除了個體大小和代謝速率的影響，以熱力學定律為基礎，較好地反映了生態(tài)系統(tǒng)內能量流動的本質關系。,能量流動的生態(tài)效率,生態(tài)效率（ecological efficiencies）: 是指各種能流參數中的任何一個參數在營養(yǎng)級之間或營養(yǎng)級內部的比值關系。最重要的生態(tài)效率(Kozlovsk

33、y,1969)有同化效率、生長效率、消費或利用效率、林德曼效率。,各種能流參數如下：,1，攝食量（I）: 表示一個生物所攝取的能量。對于植物來說， 它代表光合作用所吸收的日光能；對于動物來說，它代表動物 吃進的食物的能量。,2，同化量（A）: 對于動物來說，它是消化后吸收的能量，對 分解者是指對細胞外的吸收能量；對于植物來說，它指在光合 作用中所固定的能量，常常以總初級生產量表示。,3，呼吸量（R）: 指生物在呼吸等新陳代謝和各種活動中消耗 的全部能量。,4，生產量（P）: 指生物在呼吸消耗后凈剩的同化能量值，它以 有機物質的形式累積在生物體內或生態(tài)系統(tǒng)中。對于植物來說， 它是凈初級生產量。對

34、于動物來說，它是同化量扣除呼吸量以后 的凈剩的能量值 。,同化效率 = 被植物固定的能量 / 植物吸收的日光能 = 被動物消化吸收的能量 / 動物攝食的能量 即 Ae = An / In；,生產效率= n營養(yǎng)級的凈生產量 / n營養(yǎng)級的同化能量 即 Pe = Pn / An,消費效率= n+1營養(yǎng)級的攝取量/ n營養(yǎng)級的凈生產量 即 Ce = In+1 / Pn；,林德曼效率=n+1營養(yǎng)級所獲得的能量/n營養(yǎng)級獲得能量 In1In An/In PnAn In1Pn,能量流動的生態(tài)效率,生長效率,利用效率, An 1 /An,大型動物的生長率低于小型動物。,老年動物的生長率低于幼年動物。,肉食動

35、物的同化效率高于植食動物。,草原生態(tài)系統(tǒng)中的植食動物比森林生態(tài)系統(tǒng)中的植 食動物能利用較多的初級生產量。,恒溫動物的同化效率很高，但生長效率極低。,變溫動物的同化效率比較低，但生長效率極高。,變溫動物的總能量轉化效率要比恒溫動物高的多。,變溫動物是生態(tài)系統(tǒng)中更有效的“生產者”。,特點,生態(tài)系統(tǒng)中的能量流動,對生態(tài)系統(tǒng)中的能量流動進行研究可以在種群、食物鏈和 生態(tài)系統(tǒng)三個層次上進行，所獲資料可以互相補充，有助于了 解生態(tài)系統(tǒng)的功能。,5.3 生態(tài)系統(tǒng)的物質循環(huán),1 生物地化循環(huán)的概念 2 水循環(huán) 3 氣體型循環(huán) 4 沉積型循環(huán) 5 有毒物質的遷移和轉化 6 放射性核素循環(huán) 7 生物地化循環(huán)與人體

36、健康,5.3.1 生物地化循環(huán)的概念,生物地化循環(huán) 生物地化循環(huán)的特點 生物地化循環(huán)的類型,礦物元素在生態(tài)系統(tǒng)之間的輸入和輸出，它們在大氣圈、水圈、巖圈之間以及生物間的流動和交換稱生物地(球)化(學)循環(huán)，即物質循環(huán)(cycling of material) 。,5.3.1 生物地化循環(huán)的概念,物質循環(huán)不同于能量流動，后者在生態(tài)系統(tǒng)中的運動是循環(huán)的； 生物地化循環(huán)在受人類干擾以前一般是處于一種穩(wěn)定的平衡狀態(tài)。 元素和難分解的化合物常發(fā)生生物積累、生物濃縮和生物放大現象。,5.3.1 生物地化循環(huán)的概念,生物地化循環(huán)的4個特點,生物地化循環(huán)可以用庫和流通率兩個概念來描述。庫是由存在于生態(tài)系統(tǒng)某些

37、生物或非生物成分中一定數量的某種化學物質所構成的，可分為貯存庫和交換庫。前者的特點是庫容量大，元素在庫中滯留的時間長，流動速率小，多屬于非生物成分；交換庫則容量較小，元素滯留的時間短，流速較大。物質在生態(tài)系統(tǒng)單位面積(或單位體積)和單位時間的移動量稱流通率。,5.3.1 生物地化循環(huán)的概念,生物積累、生物濃縮和生物放大 生物積累(bioaccumlation): 指生態(tài)系統(tǒng)中生物不斷進行新陳代謝的過程中，體內來自環(huán)境的元素或難分解的化合物的濃縮系數不斷增加的現象。,5.3.1 生物地化循環(huán)的概念,5.3.1 生物地化循環(huán)的概念,生物濃縮(bioconcentration): 指生態(tài)系統(tǒng)中同一營

38、養(yǎng)級上許多生物種群或者生物個體，從周圍環(huán)境中蓄積某種元素或難分解的化合物，使生物體內該物質的濃度超過環(huán)境中的濃度的現象，又稱生物富集.,5.3.1 生物地化循環(huán)的概念,生物放大(biomagnification): 指生態(tài)系統(tǒng)的食物鏈上，高營養(yǎng)級生物以低營養(yǎng)級生物為食，某種元素或難分解化合物在生物機體中濃度隨營養(yǎng)級的提高而逐步增大的現象。生物放大的結果使食物鏈上高營養(yǎng)級生物體中該類物質的濃度顯著超過環(huán)境中的濃度。,5.3.1 生物地化循環(huán)的概念,水循環(huán) 氣體型循環(huán) 沉積型循環(huán),生物地化循環(huán)的類型,5.3.2 水循環(huán)(aquatic cycle),水循環(huán)的意義： 水是所有營養(yǎng)物質的介質； 水對物

39、質是很好的溶劑； 水是地質變化的動因之一。 人類活動對水循環(huán)的影響： 空氣污染和降水； 改變地面，增加徑流； 過度利用地下水； 水的再分布,水循環(huán)示意圖,西德地區(qū)的水循環(huán)示意圖 （Clodius and Keller,1951）,5.3.3 氣體型循環(huán)(gaseous cycle),氧循環(huán) 碳循環(huán) 氮循環(huán),氧循環(huán)(oxygen cycle),H2O+CO2 H2CO3 HCO3- +H+,沉積物,火 山 作 用,4FeO+O2,O2+2CO CO2,O2,H2O,H2O,高能紫外輻射,CaCO3,臭氧層,O2,O,O2,OH,O,CO2,CO2,HCO3- CO32 -,O2,水體,2FeO3

40、,CO2,O3,H,Ca2+,CO,整個地球碳的儲存數量約為261015噸。其中有90%以上以 碳酸鹽形式禁錮在巖石圈中，而只有7500109噸是以有機態(tài)埋 藏在地下(如煤、石油)。這些成為碳循環(huán)中的儲存庫。只有極少 量碳參與經常性流動和圈層間的交換。其中大氣圈中(二氧化碳 狀態(tài))約700109噸，水圈中(多為碳酸鹽態(tài)或二氧化碳狀態(tài))約 為35250109噸。而構成現有生物量的有機碳僅為1120109噸。 水圈、大氣圈和生物圈扮演著碳循環(huán)中活動庫的作用。,碳循環(huán)從大氣中二氧化碳儲庫開始，通過綠色植物的光合 作用，將大氣中的碳，轉移到植物體中形成碳水化合物，然后 被各級消費者利用，其生物殘體經過

41、微生物分解還原以及生物 的呼吸作用，再把碳回歸到大氣中。,碳循環(huán)(carbon cycle),氮循環(huán)(nitrogen cycle),氮是蛋白質的基本成分，因此，是一切生命結構的原料。植物從土壤中吸收無機態(tài)的氮，主要是硝酸鹽，用作合成蛋白質的原料。這樣，環(huán)境中的氮進入了生態(tài)系統(tǒng)。植物中的氮一部分為草食動物所取食，合成動物蛋白質。,氮循環(huán),據統(tǒng)計，物理化學(電化學和光化學)的固氮量平均7.6106噸/年， 生物固氮量為54106噸年。2000年時，化肥的產量達到 80106噸。,生物圈中氮(106噸)的分布,氮循環(huán)是一個復雜的過程，包括有許多種類的微生物參加：,1，固氮作用（nitrogen f

42、ixation）,2，氨化作用 （ammonification）,氨化作用是蛋白質通過水解降解為氨基酸，然后氨基酸中 的碳（不是氮）被氧化而釋放出氨（NH3）的過程。,3，硝化作用 （nitrification）： 是氨的氧化過程，最終氨轉化為硝酸鹽。,4，反硝化作用 （denitrification）,陸地,降 水,陸地陸地,土壤中無機氮庫,死有機體,氮循環(huán)(nitrogen cycle),藍藻,動植物 活體,共生或 自由生活 的固氮 微生物,大氣庫 N2,大氣庫 HN3,NO,NO2, N2O ，,閃電,化學反應,其它 動植物,淺層死有機物,溶解死有機物,丟失于深 層沉積中,河流帶走,生物

43、固氮,工業(yè)固氮 （汽車,化肥,電廠）,脫氮,火 山 作 用,大氣,海洋,氮循環(huán)(nitrogen cycle),自然界氮的固定有兩種方式，一是非生物固氮，即通過閃電、高溫放電等固氧，這樣形成的氮化物很少；二是生物固氮，即通過微生物的作用固氮，大氣中90%以上的分子態(tài)氮，都是由微生物的活性而固定成氮化物。,氮循環(huán)(nitrogen cycle),共生固氮微生物： 與其它生物形成共生體，在共生體內進行固氮的微生物稱為共生固氮微生物.根瘤菌與豆科植物共生，形成根瘤共生體。 能固定分子態(tài)氮為氨，然后通過根瘤細胞中的酶系統(tǒng)催化，轉變成谷氨酸，再運送到植物的其它部分。共生體系的固氮效率比自生固氮體系高得多

44、，每消耗1克葡萄糖大約能固定280毫克氮。,氮循環(huán)(nitrogen cycle),豆科植物,氮循環(huán)(nitrogen cycle),5.3.4 沉積型循環(huán)(sedimentary cycle),磷循環(huán) 硫循環(huán),磷循環(huán),磷循環(huán)是不完全的循環(huán)，有很多磷在海洋沉積起來。,全球磷循環(huán)的最主要途徑是磷從陸地土壤庫通過河流運輸 到海洋，達到21 1012 gP/a。磷從海洋再返回陸地是十分困 難的，海洋中的磷大部分以鈣鹽的形式而沉淀，因此長期地 離開循環(huán)而沉積起來。,磷循環(huán)（phosphorus cycle）,沉積物中的磷 （約為土壤和海洋中千倍以上）,死 有機物,土壤中的 無機磷,死 有機物,深海的磷

45、,懸浮在水中隨河水帶走,上升風化,開采,陸地,海洋,活有機物,捕魚,鳥糞,攝取,排泄 死亡,下沉,沉積,排泄死亡,上涌,沉積型循環(huán),活有機物,分解,溶解于水,攝取,五、硫循環(huán),硫循環(huán)（sulfur cycle）,死有機物,活有機物,死有機物,活有機物,火山活動H2S ,SO2,SO42-,H2S ,SO2,SO42-,沉積物（CaSO4,FeS2）,降水 SO2,SO42-,海浪 SO42-,大氣,化肥工業(yè) SO42-,植物攝取 SO2,SO42-,降水 SO2,SO42-,化石 燃燒,陸地,海洋,溶解的SO42-,SO2,H2S,S,CaSO4,FeS2,SO42-,擴散,上升，分化,SO2

46、,SO42-,H2S,S,分解,擴散,SO2,FeS2,攝取,5.3.5 有毒物質的遷移和轉化,有毒物質的類型 有毒物質的遷移和轉化 有毒物質循環(huán)的典型代表-汞循環(huán),5.3.5 有毒物質的遷移和轉化,有毒物質的類型 有毒物質(toxic substance)又稱污染物(pollutant)，按化學性質分兩類。無機有毒物質主要指重金屬、氟化物、和氰化物；有機有毒物質主要有酚類、有機氯藥等。,5.3.5 有毒物質的遷移和轉化,按污染物的作用分一次污染物和二次污染物。前者由污染源直接排入環(huán)境的，其物理和化學性狀未發(fā)生變化的污染物，又稱原發(fā)性污染物；后者是由前者轉化而成，排入環(huán)境中的一次性污染物在外界

47、因素作用下發(fā)生變化，或與環(huán)境中其它物質發(fā)生反應形成新的物理化學性狀的污染物，又稱繼發(fā)性污染物。,5.3.5 有毒物質的遷移和轉化,遷移(transport)是重要的物理過程,包括分散、混合、稀釋和沉降等； 轉化(transformation)主要是通過氧化、還原、分解和組合等作用，會發(fā)生物理的化學的和生物化學的變化。,汞循環(huán)(mercury cycle),火山活動,化石 燃燒,降水,揮發(fā),揮發(fā),農田風化和淋溶作用,農藥噴灑,Hg2,沉積物,(CH3)2Hg,魚,水生植物,水鳥,工廠 汞的廢物,由河水帶走,(中性pH),(酸性pH),徑流,CH3Hg,捕魚,5.3.6 放射性核素循環(huán),放射性核素

48、可在多種介質中循環(huán)，并能被生物富集。 放射性核素通過核試驗或核作用物進入大氣層，然后，通過降水、塵埃和其他物質以原原子狀態(tài)回到地球上。,5.3.6 放射性核素循環(huán),人和生物既可直接受到環(huán)境放射源危害，也可因食物鏈帶來的放射性污染而間接受害。 放射性物質由食物進入人體，隨血液循環(huán)遍布全身，有的放射物質在體內可存留14年之久。,5.3.7 生物地化循環(huán)與人體健康,A polish mother gives an oxygen treatment to her child who suffers from air pollution-related respiratory disease. In s

49、ome parts of Eastern Europe,up to 90 percent of all children suffer from environmentally-linked disease.,5.3.7 生物地化循環(huán)與人體健康,地方病：自然界由于環(huán)境條件的不同，地表元素發(fā)生遷移，常造成一些元素在地表分布的不均。這種生物地化循環(huán)時常導致某些生態(tài)系統(tǒng)中生命元素含量的異常，或不足，或過剩，從而造成植物、動物乃至人類的疾病。這種疾病常呈區(qū)域性，故稱“地方病”。,Development of this babys arms and legs was blocked when its m

50、other took the sedative thalidomide early in her pregnancy, although the drug has been banned in Europe and North America for twenty years.,5.3.7 生物地化循環(huán)與人體健康,微量元素循環(huán)：地方病大多數與微量元素有關。 碘的循環(huán)與分布特點：碘由陸地隨水進入海洋，由海洋逸出進入大氣，再通過降水進入陸地，形成一個大循環(huán)。在生物中，通過海洋、陸地兩個食物鏈保持碘的生態(tài)平衡。山區(qū)少于平原，平原少于沿海，沿海少于海洋。,5.3.7 生物地化循環(huán)與人體健康,微量元素與

51、人體健康： 碘缺乏：缺碘癥：甲狀腺腫大，智力低下，影響胎兒發(fā)育等。 硒缺乏：引起克山病、大骨節(jié)病，也被認為是引起癌癥的主要因素。,5.4 生態(tài)系統(tǒng)中的信息及其傳遞,5.4.1 信息與信息量 生態(tài)系統(tǒng)功能除體現在生物生產過程、能量流動和物質循環(huán)以外，還表現在系統(tǒng)中各生命成分之間存在著信息傳遞，信息傳遞是生態(tài)系統(tǒng)的基本功能之一，在傳遞過程中伴隨著一定的物質和能量的消耗。,5.4.1 信息與信息量,但是信息傳遞不像物質流那樣是循環(huán)的，也不像能流那樣是單向的，而往往是雙向的，有從輸入到輸出的信息傳遞，也有從輸出向輸入的信息反饋。按照控制論的觀點，正是由于這種信息流，才使生態(tài)系統(tǒng)產生了自動調節(jié)機制。,5

52、.4.1 信息與信息量,信息的傳輸不僅要求信源和信宿間要有信道溝通，還要求源和宿之間存在信息量的差值，因為信息只能從高信息態(tài)傳向低信息態(tài)，稱這個差值為“信息勢差”，信息勢差越大，信道中的信息流也越大。,5.4.2 信息及其傳遞,生態(tài)系統(tǒng)中包含多種多樣的信息，大致可以分為物理信息、化學信息、行為信息和營養(yǎng)信息。,5.4.2 信息及其傳遞,(1)物理信息及其傳遞 生態(tài)系統(tǒng)中以物理過程為傳遞形式的信息稱為物理信息，生態(tài)系統(tǒng)中的各種光、聲、熱、電、磁等都是物理信息。,5.4.2 信息及其傳遞,光信息 -太陽是光信息的主要初級信源，它通過折射、貯存、再釋放等過程，構成大量初級信源。高空的鷹通過視覺發(fā)現地面的兔子，這是一個光信息傳遞過程，兔子是發(fā)出信息的信源，但它本身并不能發(fā)光，而是反射太陽光，所以是次級信息源.,5.4.2 信息及其傳遞,聲信息 -聲信息對于動物具有更大的重要性。深入研究森林動物時發(fā)現，聽覺比視覺更為重要，動物多靠聲信息確定食物的位置或發(fā)現敵害的存在。生活在陸地上的蝙蝠和水中的鯨類其活動環(huán)境不是光線暗弱就是光線傳播距離短，接受信息的視覺系統(tǒng)不能很好的發(fā)揮