1、第五章 生态系统（结构、功能）,第五章 生态系统,5.1 生态系统的组成与结构5.2 生态系统基本功能5.3 生态平衡及调控,5.1.1 生态系统的概念,生态系统是生态学的一个基本功能单位，1935年由英国的生态学家A.G.Tansley提出。,5.1 生态系统组成和结构,生物群落与其生存的环境之间，以及生物种群相互之间密切联系、相互作用，通过物种交换、能量交换和信息传递，成为占据一定空间、具有一定结构、执行一定功能的动态平衡整体，称为生态系统。或生态系统=生物群落+环境条件,生态系统是现代生态学的重要研究对象，20世纪60年代以来，许多生态学的国际研究计划均把焦点放在生态系统国际生物学研究计
2、划（IBP）：其中心研究内容是全球主要生态系统（包括陆地、淡水、海洋等）的结构、功能和生物生产力；人与生物圈计划（MAB）：重点研究人类活动与生物圈的关系；生态系统保持协作组（ECG）：中心任务是研究生态平衡与自然环境保护，以及维持改进生态系统的生物生产力。,目前有关生态系统的研究，主要集中在5个方面：自然生态系统的保护和利用生态系统调控机制的研究生态系统退化的机制、恢复及其修复研 究全球性生态问题生态系统可持续发展的研究,5.1.2 生态系统的组成（两大部分四个基本成分）,由两大部分四个基本成分组成,生 生产者：绿色植物、蓝绿藻和光合细 物 消费者：包括杂食动物、寄生生物 部 分解者：细菌和
3、真菌，也包括某些原生动物和分 蚯蚓。非生物部分：无机物质、有机化合物（蛋白质、糖类脂类和腐殖质）、气候因素。,5.1.3 生态系统结构,空间结构（垂直结构、水平结构）物种结构（群落成员型或关键种、冗余种p142-143）营养结构：以营养为纽带，把生物与环境、生物 与生物联系起来的结构。即食物链和 食物网。,各种生物按其取食和被食的关系而排列的链状顺序称为食物链。如： 浮游植物浮游动物食草性鱼类食肉性鱼类。 植物蝴蝶蜻蜓蛇鹰。食物链类型,食物链的类型：,捕食食物链：以吃活的动植物为起点的食物链 。草、蝗虫、蛙、蛇、鹰碎屑食物链：以吃死生物或腐屑为起点的食物链 。植物残体、蚯蚓、线虫类、节肢动物
4、食物网,食物链彼此交错连结，形成一个网状结构，称为食物网。一般认为，食物网越复杂，生态系统抵抗外力干扰的能力就越强，反之亦然。 如：草 鹿 狼 牛,5.2 生态系统的基本功能p148,生物的生产能量流动物质循环信息传递,常用生态系统能量参数,摄取量（I、C）: 表示一个生物所摄取的能量。对于植物来说，它代表光合作用所吸收的日光能I；对于动物来说，它代表动物吃进的食物的能量C。同化量（A）: 表示在动物消化道内被吸收的能量，即消化后吸收的能量；对于植物来说，它指在光合作用中所固定的能量，常常以总初级生产量（PG）表示。,呼吸量（R）: 指生物在呼吸等新陈代谢和各种活动中消耗的全部能量。生产量（P
5、）: 指生物在呼吸消耗后净剩的同化能量值，它以有机物质的形式累积在生物体内或生态系统中。对于植物来说，它是净初级生产量（PN= PG -R ） 。对于动物来说，它是同化量扣除呼吸量以后的净剩的能量值 。即P=A-R,5.2.1 生物的生产,初级生产过程次级生产过程,初级生产过程,初级生产过程：生产者将太阳能转化为化学能，将简单无机物转化为复杂的有机物。制约因素：光照时间、强度、温度、降雨、人类干扰等。,初级生产过程可用下列方程式概述： 光能 6CO26H2O C6H12O6 6O2 叶绿素,初级生产包括总初级生产量PG 和净初级生产量PN 。总初级生产量PG ：植物所固定的太阳能或所制造的有机
6、物质。净初级生产量PN ：植物固定的能量有一部分被植物自己呼吸消耗掉，剩下的用于植物生长和生殖，称为净初级生产量。群落净生产量PNC：考虑被消费者消耗的部分RH关系： PNC = PG R RH,生态系统发育的各阶段，各参数是随群落的演替而变化的。 PNC = PG R RH早期：三者均比较低，所以PNC不会太低。当叶面积指数达到4时，净初级生产量PNC最大。但当生态系统发育成熟或演替达到顶极时，虽然PG接近最大，但 R 和RH也最大，净生产量PNC反而最小。,叶面积指数：单位土地面积上植物叶片总面积占土地面积的倍数。 即：叶面积指数=叶片总面积/土地面积,所以，从经济效益考虑，让生态系统保持
7、到“青壮年期”最有利可图，但从保护生态考虑，需从多目标间作合理权衡。这就是生态环境评价中为什么不能简单采用生产效益代替生态效益的理论依据之一。 次级生产,次级生产过程,是指消费者和分解者利用初级生产物质进行同化作用建造自身和繁衍后代的过程。次级生产量指次级生产形成的有机物的量，包括消费者体重增长和后代繁衍、动物的肉、蛋、奶和皮毛等。 生产过程,次级生产量的一般生产过程 净生产量,C,A,FU,NU,P,R,PN,净次级生产量：P = C F U R 其中 P-净生产量 C -动物从外界摄食的能量， A-被同化能量， R-呼吸能量， FU-粪、尿能量。 能量流动,5.2.2 生态系统的能量流动,
8、概念：是指能量通过食物网络在系统的传递和耗散过程。始于生产者的初级生产，止于还原者功能的完成。整个过程包括能量形态的转变、能量的转移、利用和耗散。PG、PN、R、C、A、NU、FU,图 生态系统的能量流动过程,PG、PN、R、C、A、NU、FU、P,未利用,PG,R,PN,NU,FU,C,A,R,P,图 生态系统的能量流动过程,能量流动基本模式：从太阳能转化开始的生态系统的能量流动必然随着传递层次的增多，耗散到环境的能量越来越多，两个营养级间的能量利用率均在10%的水平。所以，食物链营养级一般不会多于5-6级。特点： 能量是单向流； 能量在生态系统中的流动逐级递减。能量流动渠道：食物链,研究能
9、量传递规律的热力学定律,第一定律：能量守恒定律，能量可由一种形式转化为其他形式的能量，能量既不能消灭，又不能凭空创造。第二定律：熵律，在封闭系统中，一切过程都伴随能量的改变，在能量传递和转化过程中，除了一部分可以继续传递和做功外，总有一部分能量不能传递、做功，而以热的形式被耗散，使系统的熵和无序性增加。,课堂讨论题：试用能量生态学原理，从环境保护的角度，论述秸杆的充分利用。,原理：能量沿生态系统的食物链或食物网定向逐级流动并被各级营养级上的生命有机体逐级利用。生态工程设计：能量多层分级利用,作物,家畜,食用菌,蚯蚓,籽实,秸杆饲料,糖化,一级利用,产品输出,粪便,二级利用,接种,菌床杂屑,三级
10、利用,产品输出,接种,排泄物,肥料,光能,产品输出,秸杆,秸杆饲料,5.2.3 生态系统的物质循环,概念 生态系统从大气、水体和土壤等环境中获得营养物质，通过绿色植物，被其它生物重复利用，最后归还于环境，即物质循环。 物质主要是指维持生命活动正常进行所必须的各种营养元素。,物质循环模式生态系统物质循环可用库和流通率描述。库是指某一物质在生物或非生物环境暂时滞留的数量。物质在生态系统单位面积(或单位体积)和单位时间的移动量称流通率。（图） 类型,类型,物质循环的类型（按物质参与循环的形式）：水循环气体型循环: C N F Cl O等沉积型循环：P S Ca K 等,水循环,地球表面的总水量大约为
11、14亿km3, 其中大约有97%包含在海洋库中。 淡水中：两极冰盖29 000 km3、地下水8 000 km3 、湖泊河流100 km3 、土壤水分100 km3 、大气中水13 km3 、生物体中水1 km3 。,地球水循环,水和水循环对生态系统具有特别重要的意义：生物体的组分、生命活动不可或缺的成分；极大影响着各类营养物质在地球的分布，对补充生态系统营养物质的不足起重要作用；（高贫低肥）有防止环境温度发生剧烈波动的调节作用。,全球水问题： 水的时空分布不均匀，尤其与人类人口的集中有关，由于人类已经强烈参与了水循环，使自然界可以利用的资源减少，水的质量下降。南水北调,气体型循环,碳循环、氮
12、循环等整个地球碳的储存数量约为261015吨。其中有90%以上以碳酸盐形式禁锢在岩石圈中，仅7500109吨是以有机态埋藏在地下(如煤、石油)。这些成为碳循环中的储存库。只有极少量碳参与经常性流动和圈层间的交换。而构成现有生物量的有机碳仅为1120109吨。水圈、大气圈和生物圈扮演着碳循环中活动库的作用。,循环过程：碳循环从大气中二氧化碳储库开始，通过绿色植物光合作用，将大气中的碳转移到植物体中形成碳水化合物，然后被各级消费者利用，其生物残体经过微生物分解还原以及生物的呼吸作用，再把碳回归到大气中。（图）,氮循环,氮循环是一个复杂的过程： 1、固氮作用 (1)高能固氮(如闪电)8.9kg/hm
13、2.a (2)工业固氮 (3)生物固氮 100200kg/hm2.a,2、氨化作用 是蛋白质通过水解降解为氨基酸，然后氨基酸中的氮被氧化而释放出氨（NH3）的过程。 3、硝化作用 是氨的氧化过程，最终氨转化为硝酸盐。4、反硝化作用 脱氮作用 反硝化细菌将亚硝酸盐转变成大气氮，回到大气库中的过程。,沉积型循环,磷循环 磷循环是不完全的循环，有很多磷在海洋沉积起来。磷循环最主要途径是磷从陆地土壤库通过河流运输到海洋。磷从海洋再返回陆地是十分困难的，海洋中的磷大部分以钙盐的形式而沉淀，因此长期地离开循环而沉积起来。,有毒有害物质循环,有毒物质，按化学性质分两类。无机有毒物质主要指重金属、氟化物、和氰
14、化物；有机有毒物质主要有酚类、有机氯药等。如DDT是人工合成的有机氯杀虫剂，脂溶性，通过食物链加以浓缩的过程，称为富集或生物放大。,5.2.4 信息传递,生态系统中各生命成分间存在着信息传递，在传递中伴随着一定的物质和能量消耗。物质流动循环的 能量流动单向的 信息传递双向的自动调节机制 分类,信息传递的分类： 物理信息光、声、电、磁、色 化学信息动物与植物间：花与蜜蜂、 动物间：动物的性信息素、尿标记领地 植物间：植物化感作用 行为信息植物异常表现、动物异常行动 营养信息食物链中的营养级间能流和物质循环关系,生态系统的服务功能：p196-201（简略） 生物多样性维护 传粉、传播种子 生物防治
15、 土壤作用 减缓干旱和洪涝灾害 净化空气和调节气候,5.3 生态平衡及调控,生态平衡: 生态系统通过发育和调节达到一种稳定的状态，表现为结构上、功能上、能量输入和输出上的稳定，当受到外来干扰时，平衡将受到破坏，但只要这种干扰没有超过一定限度，生态系统仍能通过自我调节恢复原来状态。,生态系统稳定性包括了两个方面的含义 :一方面是系统具有抗性 ,即对干扰的抵抗力，能在很大程度上克服和消除外来干扰，保持自身稳定;（抵性与系统的发育阶段状况有关，其发育越成熟，结构越复杂，抵抗外干扰的能力越强。）另一方面是系统具有恢复性 ,即受扰后压力一旦解除就又逐渐恢复原初的状态。（恢复力强的生态系统，生物的生活世代
16、短，结构比较简单。如草原生态系统遭到破坏后恢复速度比森林生态系统快得多。）问题：生态系统为什么能保持相对稳定？,生态系统稳定性机制：生态系统具有自我调节的能力，维持自身的稳定性，自然生态系统可以看成是一个控制论系统，即具有其调节功能的反馈机制。反馈：就是系统的输出变成了决定系统未来功能的输入。p170反馈分为正反馈和负反馈。作用： 正反馈使系统偏离加剧；（不能维持稳定） 负反馈使系统保持稳定。（图）,生态系统中的反馈（据周立志）,狼,狼,兔,兔,植物,植物,狼饿死,狼吃饱,吃了较多兔子,吃了较少兔子,兔吃饱,兔饿死,吃了较少的草,吃了大量的草,污染 ,鱼死亡,污染,鱼死亡 ,鱼死亡 ,污染 ,正反馈,负反馈,思考题,1、简述生态系统的基本结构和基本功能。2、写出生态系统次级生产过程一般模式。3、画出生态系统的能流过程图；并说明其特点。4、按循环物质特性分类，物质循环的类型有哪几种？5、什么是反馈？正负反馈的作用分别是什么？6、生态系统稳定性（调控）包括哪两层含义？,
