海洋生态学ppt课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第五章,海洋水域生物生产,第五章 海洋水域生物生产,1,第一节 海洋初级生产力,第二节 海洋生态系统的能流及次级生产力,主要内容,第一节 海洋初级生产力主要内容,2,第一节 海洋初级生产力,一、海洋生物生产及初级生产力的测定,方法,二、影响海洋初级生产力的因素,三、海洋初级生产力的分布,四、海洋新生产力,五、海洋初级生产力的结构,第一节 海洋初级生产力一、海洋生物生产及初级生产力的测定,3,一、 海洋生物生产及初级生产力的测定方法,（一）生物生产力的有关概念,（二）初级生产过程的基本化学反应,（三）海洋初级生产力的测定方法,一、 海洋生物生产及初级生产力的测定方法（一）生物生产力的,4,生物生产力(productivity)：生物通过同化作用生产（或积累）有机物的能力，包括：,1、初级生产力(primary productivity)：自养生物通过光合作用或化学合成制造有机物的速率(mgC/m,2,d) 。,包括：,（1） 总初级生产力(gross primary productivity)：是指自养生物生产的总有机碳量；,（2） 净初级生产力(net primary productivity)： 总初级生产量扣除自养生物在测定阶段中呼吸消耗掉的量（呼吸作用通常估计为总初级生产力的10%左右）。,（一）生物生产力的有关概念,生物生产力(productivity)：生物通过同化作用生,5,2、 次级生产力(secondary productivity)：除生产者之外的各级消费者直接或间接利用已经生产的有机物经同化吸收、转化为自身物质（表现为生长与繁殖）的速率，也即消费者能量储蓄率。次级生产力不分为“总”的和“净”的量。,2、 次级生产力(secondary productivit,6,3、群落净生产力(net community productivity): 往往指在生产季节或一年的研究期间，未被异养者消耗的有机物质的储藏率：,群落净生产力=净初级生产力 - 异养呼吸消耗,上述净初级生产力是代表生态系统中自养生物的净产量，这些能量又被自养生物以外的全部生物所消耗和利用，并形成生态系统中生物成员的净生产量。,生产力(productivity) 生产率(rate of production),3、群落净生产力(net community product,7,4、现存量及周转率,(1) 现存量(standing crop)：指某一特定的时间、某一空间范围内存有的有机体的量，即个体数量乘以个体平均质量。它是在某一段时间内生物所形成的产量扣除该段时间内全部死亡量后的数值。与生物量(biomass)同义。,B,2,= B,1,+ P E = B,1,+B,单位：单位面积（或体积）中的有机碳量或能量来表示。自养者生物量出可以用叶绿素含量来表示。,4、现存量及周转率,8,(2) 周转率(turnover rate)：是在特定时间阶段中，新增加的生物量与这段时间平均生物量的比率(P/B)。,(3) 周转时间(turnover time)：周转率的倒数，它表示现存量完全改变一次或周转一次的时间。,5、生产力与现存量的关系：相互联系的不同概念。,(1) 现存量高生产力低：例如陆地森林；,(2) 现存量少生产力高：海洋浮游植物。,(2) 周转率(turnover rate)：是在特定时间,9,光合作用(photosynthesis),化学合成作用（chemosynthesis),（二）初级生产过程的基本化学反应,光合作用(photosynthesis)（二）初级生产过程的,10,光合作用(photosynthesis),1、光反应(light reaction),叶绿素吸收光能通过一系列的光化学反应产生O,2,，,同时把光能转化为化学能（ATP、NADH,2,）。,（1）吸收光能产生还原能：,H,2,O+H,2,O O,2,+4H,+,4e,-,（2）能量以ATP和NADH2形式贮存：,4H,+,+4E,-,+ADP+P,i,+(O,2,) 2H,2,O+ATP,2H,+,+2e,-,+NAD NADH,2,光能,叶绿素,光合作用(photosynthesis)光能叶绿素,11,2、暗反应(dark reaction),光反应产生的高能ATP和NADH,2,把CO,2,还原成高,能的碳水化合物（CH,2,O)。,nCO,2,2NADH,2,3ATP,(CH,2,O),n,H,2,O3ADP+3P,i,+2NAD,2、暗反应(dark reaction),12,(2) 不同色素的作用,叶绿素：将吸收的光能直接过通过电子传递给光和系统。其吸收峰仅限于某些波长范围。,海洋藻类的辅助色素(accessory pigment)：吸收的波长与叶绿素不同，可以吸收其它波长的可见光。,(3) 海水中的光谱组成：不同深度海水光谱的组成是不同的，红外辐射和紫外辐射在表层被吸收，只有400-700nm的有效辐照进入水深处。其中，有效辐照中的红光被很快吸收，只有蓝光穿透最深。,(2) 不同色素的作用,13,化学合成作用（chemosynthesis),1、化能自养生物(chemoautotroph)：海底沉积物次表层或少数缺氧的海区生活的某些化学合成细菌。,化学合成作用（chemosynthesis),14,2、化学合成作用(chemosynthesis)：化能自养生物能够借助简单的无机化合物（CH,4,、H,2,S等）氧化获得能量，还原CO2，制造有机物。,H,2,A+H,2,O AO+4H,+,+4e,-,4H,+,+4e,-,+ADP+P,i,+(O,2,) ATP + 2H,2,O,2H,+,+2e,-,+NAD NADH,2,CO,2,2NADH,2,3ATP,(CH,2,O)H,2,O3ADP+3P,i,+2NAD,脱氢酶,2、化学合成作用(chemosynthesis)：化能自养生,15,14,C示踪法,叶绿素同化指数法,（三）海洋初级生产力的测定方法,14C示踪法（三）海洋初级生产力的测定方法,16,14,C示踪法,1、原理：把一定数量的放射性碳酸氢盐H,14,CO,3,-,加入到已知二氧化碳总量的海水样品,中，经过一段时间培养，测定浮游植物,细胞内有机,14,C的数量，就可以计算出,浮游植物光合作用速率。,2、手段：黑白瓶法,。,14C示踪法,17,3、计算公式：,其中：,P,: 初级生产力,(mgC/m,2,h)；,Rs,:,白瓶中有机,14,C的放射性计数；,Rb,:黑瓶水样中有机,14,C的放射性计数；,R,为加入,14,C的总放射性；,W,为海水中二氧化碳量；,N,为培养时间。,4、具体方法: 现场法(in situ method)； 模拟现场法(simulated method)。,5、优点：准确度高。,3、计算公式：,18,叶绿素同化指数法,1、同化指数(assimilation index)或同化系数(coefficient of assimilation)：指单位Chl,a,在单位时间内合成的有机碳量，单位：mgC/(mg Chl,a,h),公式： P=Chl,a,含量Q,叶绿素（Chl,a,）含量以分光光度法测定；同化指数（Q）以,14,C法测定。,优点：研究海区不必每个站位都采用,14,C法，代表性站位用,14,C测得Q值，其它站位只测Chl a含量。,叶绿素同化指数法,19,2、叶绿素测定：分光光度法,(1) 过滤：用能够溶解于丙酮溶液的超滤膜过滤海水,15升，获取浮游植物；,(2) 提取：90丙酮；,(3) 测定：分光光度计测定叶绿素在丙酮溶液中的光,密度；,2、叶绿素测定：分光光度法,20,(4),计算：,叶绿素a含量11.85E,664,-1.54E,647,-0.08E,630,叶绿素b含量21.03E,647,-5.43E,664,-2.66E,630,叶绿素c含量24.52E,630,-1.67E,664,-7.60E,647,叶绿素含量(mg/m3)=CV,a,/V,w,10,其中：E：为经750nm波长校正后的吸光值；,V,a,：丙酮体积； V,w,：过滤海水体积；,C：三种叶绿素含量。,(4) 计算：,21,3、同化指数的用途：以光合作用速率结合其叶绿素a含量来表示光合作用活性的量值，它对于比较不同海区（或同一海区不同季节）的光合作用活性水平是一个很有用的指标。,4、影响同化指数的因素：藻类的适应性、环境的营养盐含量、光照、温度等。,3、同化指数的用途：以光合作用速率结合其叶绿素a含量来表示光,22,（一）光,（二）营养盐,（三）温度,（四）垂直混合和临界深度,（五）牧食作用,二、,影响海洋初级生产力的因素,（一）光二、影响海洋初级生产力的因素,23,（一）光,1、藻类的光合作用与光辐照度关系：抛物线关系,（一）光,24,在低的辐照条件下，光线有限，光合作用的速度被光化学反应所制约，光合作用生产与光强成正比；在稍强的辐照度下，曲线弯曲，逐渐变为与横轴平行，这是的光合作用被酶促反映的速度所制约，光合作用达到饱和；继续增大辐照度，光合作用中暗反应不能跟上光化学反应，后者导致光氧化 ，破坏叶绿体中的酶，从而光合作用的总速率下降。,在低的辐照条件下，光线有限，光合作用的,25,2、补偿深度（compensation depth）,（1）定义：太阳辐射进入海水后，随深度的增大而减弱，当至一深度处，光合作用所产氧的量恰好等于其呼吸作用时消耗的量，这一光照强度即称为补偿点（compensation point）或称补偿光强度（compensation light intensity）。,补偿点所在的深度即称为补偿深度。,（,2,）补偿深度的影响因素,纬度、季节、日照角度、天气、海况、海水浊度等。,2、补偿深度（compensation depth）,26,（3）补偿深度的测定：,I,D,=I,0,e,-KD,； ln I,D,lnI,0,-KD,D=(lnI,0,- ln I,D,)/K,D,c,=(lnI,0,- ln I,c,)/K,其中： I,D,：某一深度处的光强； I,0,：水表面光强；,K：光线海水体积衰减系数； D ：水深；,I,c,：补偿深度处的光强；D,c,：补偿深度。,（3）补偿深度的测定：,27,（二）营养盐,1、,主要营养盐种类,（1）潜在限制性营养盐：NO3-、PO43-、SiO3-,等；,（2）微量元素：Fe、Mn、Co、Cu、Zn等都有可,能成为限制性因子。,（二）营养盐,28,2、营养盐的吸收机制：透性酶(permease)控制营养盐化合物或离子进入植物细胞的速率，使藻类能够从营养物质浓度较低的环境介质中吸收营养元素到高浓度的细胞内。在低浓度条件下，吸收速率随着浓度的提高而迅速增大，达到一个平衡状态，吸收速率不再随浓度提高而加快。氮盐和磷酸盐都如此。,3、营养盐的吸收规律,米氏方程： 描述营养盐的吸收规律,:营养盐被吸收的速率；,Vm,:最大吸收速率；,Ks,:吸收半饱和常数;,S,:介质中的营养盐浓度。,2、营养盐的吸收机制：透性酶(permease)控制营养盐化,29,4、铁,(1) 作用：植物生命活动必需的微量元素（叶绿素合成、硝酸和亚硝酸还原酶合成）。在某些大洋海区，铁是影响海洋初级生产力的重要因子。,(2) 分布：近岸一般充足，大洋缺乏（东热带太平洋海区、东北亚极地太平洋海区、南半球部分海区）。,(3) 补充途径：近岸海区来源于陆地；大洋海区来源于大气灰尘沉降；,(4) 限制标准：参考浮游植物细胞C:Fe=100000:1，C:N=6.6:1,4、铁,30,（三）温度,1、对光合作用的影响,（1）光照条件很差时：光合作用主要受光反应的,影响；,（2）光照达到光饱和值时：温度对光合作用发生,影响，此时：光合作用的速率随温度的升高,而增加，开始光合作用迅速提高，然后增加,的比较缓慢，最后光合作用速率下降。,（三）温度,31,2、不同海区温度对光合作用的影响,（1）热带海域温度对光合作用的影响：由于温度,引起水体分层，分层现象阻碍了营养盐的上,升，使上层水初级生产力维持较低而稳定的,水平。,（2）温带海区温度对光合作用的影响：只有临时,性分层。,2、不同海区温度对光合作用的影响,32,（四）垂直混合和临界深度,1、 垂直混合,（1）海水垂直混合(对流：convection)的原因：,密度变化、风力作用等。,（2）海水垂直混合的结果：,将深水处的营养盐带到上层，浮游植物,被带到深水层。,（四）垂直混合和临界深度,33,2、临界深度（critical depth）,是指在这一深度以上的全部光合作用与水体中全部呼吸作用相等（包括动物的呼吸作用），或者说在这个深度之上，平均光强等于补偿光强。,临界深度通常大于补偿深度，与补偿深度上方和下方浮游植物的数量比例有关，并取决于垂直混合的深度。,2、临界深度（critical depth）,34,海洋生态学ppt课件,35,3、不同纬度海区海水的混合情况：,（1）高纬海区：热量不断从表面散失，对流混合,连续进行；,（2）温带海区：对流混合在冬季可达75200m处，,而在春夏季由于风的作用产生的,混合一般不会超过温越层的深度。,（3）低纬海区：表面海水稳定度高，没有明显的,对流混合。,3、不同纬度海区海水的混合情况：,36,（五）牧食作用,浮游动物种群对浮游植物数量的影响：,浮游动物摄食浮游植物，影响到浮游植物的数量和产量，同时，浮游动物通过新陈代谢作用释放出藻类所需要的营养物质。,（五）牧食作用,37,（一）不同纬度海区初级生产力的季节分布,（二）不同水文特征海域的初级生产力,（三）近岸水域的初级生产力,（四）全世界海洋初级生产力的估计,三、,海洋初级生产力的分布,（一）不同纬度海区初级生产力的季节分布三、海洋初级生产力的分,38,（一）不同纬度海区初级生产力的季节分布,、 中纬度海区：季节变化属于双周期型，包括,春、秋两个高峰；,、 高纬度地区：单周期型，季节变化不明显，,光照条件是影响初级生产力的,主要因素；,、 低纬度地区：没有明显的周期性波动。,（一）不同纬度海区初级生产力的季节分布,39,海洋生态学ppt课件,40,（二）不同水文特征海域的初级生产力,（二）不同水文特征海域的初级生产力,41,（三）近岸水域的初级生产力,、近岸水域的特征,（） 磷酸盐、硝酸盐充足，不成为限制因子；,（） 水深小于补偿深度；,（） 很少出现持久的温跃层；,（） 有大量的陆源碎屑，使透光层深度受到限制。,（三）近岸水域的初级生产力,42,、近岸水域初级生产力,温带近岸海域不出现明显的双周期生产模式，整个夏季都可能有较高的产量，这是因为营养盐不受限制和不存在持久性温越层的缘故。所以全年平均总产量比相应纬度的外海区的产量高很多。由于碎屑吸收大量的光线，生产仅限于最表层（10m左右）。,热带海区近岸区初级生产力可能高于外海区10倍，其主要原因是近岸区的营养盐得到充分的补充。,、近岸水域初级生产力,43,（四）全世界海洋初级生产力的估计,、现在海洋初级生产力的估算比过去高的原因：,（1）初级生产的产品不仅以颗粒有机碳（ POC,）的形式存在，还有相当部分以溶解有机碳（ DOC,）的形式释放到水中。过去的,14,C,方法只测定,POC,，而,DOC被忽略；,（2）原核和真核的超微型自养浮游生物被忽略，有时候他们对初级生产力的贡献高达60%；,（四）全世界海洋初级生产力的估计,44,、世界海洋初级生产力的分布：,、世界海洋初级生产力的分布：,45,四、,海洋新生产力,（一）新生产力的概念,（二）新生产力与营养盐供应特征的关系,（三）新生产力研究的意义,四、海洋新生产力（一）新生产力的概念,46,（一）新生产力的概念,、概念建立的基础：,新生产力概念是建立在源划分基础上。,Dugdale 和Goering 1967年提出：,进入植物细胞的营养元素来源：,透光层之外输入透光层内再循环。,（一）新生产力的概念,47,建立在以N源基础上的生产力研究的价值：,并非每一种元素的这种划分都能够用实测来实现，而是一种可供这种区分的较为理想的元素。 N是构成细胞的主要元素，而且其N和C含量的比值与N和P含量的比值也相对稳定，因此用N描述初级生产者的生长比用其它元素更为精确。此外，N常是海洋环境的营养元素，因而建立N源基础上的生产力研究更具实际意义。,建立在以N源基础上的生产力研究的价值：,48,、新生产力概念：,（）再生N(regeneration nitrogen)或再循环N(recycled nitrogen)：在真光层中再循环的N，主要是NH,4,+,N；,（）新N(new nitrogen)源：由真光层之外提供的N，主要是NO,3,N；,（）再生生产力(regenerated production)：由再生N源支持的那部分初级生产力；,（）新初级生产力(new production)：由新N源支持的那部分初级生产力；,（）总初级生产力：新生产力 再生生产力,、新生产力概念：,49,新N来源：,（）上升流或梯度扩散；,（）陆源供应；,（）大气沉降或降水；,（）固氮生物的固N作用。,再生N来源：,真光层中生物的代谢产物。,新N来源：,50,f-比：新生产力与总生产力的比值，据此可对全球,新生产力做出大致估计。 f=P,n,/P,G,输出生产力(export production)：初级生产力向水层,底部的碳输出，这部分输出脱离了真光层。,循环次数：颗粒态营养元素下沉出真光层之前的循,环次数。,光合作用商(photosynthetic quotient)：浮游植物光合,作用生产的O,2,与被吸收的CO,2,的比值。,f-比：新生产力与总生产力的比值，据此可对全球,51,（二）新生产力与营养盐供应特征的关系,1、新生产力水平高的富营养化海区：,沿岸、上升流区；,特点：表层NO,3,-,丰富，以颗粒有机氮(PON)为指标,的生物量很高，单位PON对NO,3,-,的相对吸收,率（V,NO,3,-,）和以NO,3,-,吸收为指标的新生产力,（,NO,3,-,）都很高，f比值很大。,（二）新生产力与营养盐供应特征的关系,52,2、新生产力水平低的贫营养海区：,贫营养海区。,特点：,表层NO,3,-,浓度很低；,生物量(PON)低；,相应的V,NO,3,-和,NO,3,-,也很低；,f比值小。,2、新生产力水平低的贫营养海区：,53,3、新生产力水平低的富营养海区（HNLC）：,南大洋、赤道; 太平洋区、东北太平洋中亚北,极区；,特点：,表层NO,3,-,含量几乎与沿岸和上升流海区相当；,新生产力水平和f比等均比沿岸上升流区低得,多，略高于贫营养海区；,缺铁。,3、新生产力水平低的富营养海区（HNLC）：,54,（三）新生产力研究的意义,1、新生产力研究有助于从更深层次阐明海洋生态,系统的结构和功能。,2、新生产力研究对阐明全球碳循环过程有重要意义。,3、新生产力是海洋渔业持续产量的基础。,（三）新生产力研究的意义,55,4、新生产力的概念把海洋初级生产力划分为新生、再生两大部分，从而使海洋上层生态系(pelagic ecosystem)的物质转移、能量传递、营养元素再循环的研究进入了一个更深的层次，也使估计海域高营养级生产力建立在更可靠的基础上。这无论对于生态系统理论研究，还是对生物资源潜力的评估，都具有重要意义。,5、新生产力是反映海洋真光层从大气中净吸收CO,2,能力的估计值。,4、新生产力的概念把海洋初级生产力划分为新生、再生两大部分,56,五、海洋初级生产力的结构,（一）提出海洋初级生产力结构概念的背景,（二）初级生产力结构概念的内容和意义,五、海洋初级生产力的结构（一）提出海洋初级生产力结构概念的背,57,（一）提出海洋初级生产力结构概念的背景,海洋初级生产力是一个人们所熟知的基本概念。自1952年Steemann Nielsen 建立,14,C示踪法以来，世界各大洋和重点海区都进行过大量观测，积累了大批的资料，并对全球的海洋初级生产力分布作出了基本的估计。过去的工作对了解海洋生态系的结构和功能以及指导海洋生物资源的开发和利用曾作出了巨大贡献。,（一）提出海洋初级生产力结构概念的背景海洋初级生产力是,58,但近年来，新技术、新方法的应用导致一系列的重大发现和进展，使许多传统理论和观念受到的挑战。海洋初级生产力内涵的不断丰富和扩展，要求有更细致、更精确的概念加以表达，而恰当的概念的归纳和概括，无疑会对促进研究向系统化和深入化发展。焦念志等（1993）在总结以往研究成果的基础上，提出了海洋初级生产力结构的概念。这个概念主要基于以下认识。,但近年来，新技术、新方法的应用导致一系列的重大发现和进,59,1、总初级生产力中包括功能不同的两部分,新生产力（new production）概念的提出，将总初级生产力划分为新生和再生（regenerated）两部分，而只有新生部分才是向高层次营养级的净输出 。,1、总初级生产力中包括功能不同的两部分,60,2、初级生产力的水平不仅与生产者种类组成有,关，还与其粒级组成有关,过去，由于采样方法（如浮游植物拖网）和观测方法（如光学显微镜）的限制，人们通常认为个体较大的硅藻和甲藻是浮游植物的优势类群。新近研究表明在大多数情况，初级生产力的主要贡献来自那些被人们忽略的微细类群,（nano phytoplankton， 20m；picophytoplankton，20m）对初级生产力贡献的比例；初级生产力的产品结构，即初级生产产品中POC，DOC的分配比例；初级生产力的功能结构，即总初级生产力中新生产力所占的比例（即,f,比）。,简言之，初级生产力的结构包括组分结构、粒级结构、产品结构和功能性结构。,（二）初级生产力结构概念的内容和意义1、“初级生产力结构”的,64,2、意义：,强调初级生产力结构（而不是生产者结构）的重要性在于，这是一个生态学概念，有利于用生态学的观点和方法解决问题。,2、意义：,65,第二节 海洋生态系统的能流及次级生产力,一、海洋食物链、营养级和生态效率,二、海洋食物网及能流分析,三、粒径谱、生物量谱的概念及其在海洋,生态系统能流研究中的应用,四、海洋微型生物食物环,第二节 海洋生态系统的能流及次级生产力一、海洋食物链、营,66,（一）海洋牧食食物链与碎屑食物链,（二）营养级与生态效率,一、海洋食物链、营养级和生态效率,（一）海洋牧食食物链与碎屑食物链一、海洋食物链、营养级和生态,67,（一）海洋牧食食物链与碎屑食物链,食物链：是生态系统中初级生产者吸收的太阳能,通过有序的食物关系而逐渐传递的线状,组合，是群落中不同生物种群通过取食,与被食的关系形成的营养链锁结构。,（一）海洋牧食食物链与碎屑食物链,68,1、 牧食食物链,（1）定义：以活体植物体为起点的食物链。,（2）分类：,A、大洋食物链：6个营养级,1、 牧食食物链,69,B、 沿岸大陆架食物链：4个营养级,C 、上升流生态系：3个营养级,B、 沿岸大陆架食物链：4个营养级,70,可以看出：海洋食物链所包含的环节数与初级生产者的粒径大小呈相反的关系：大洋区主要的浮游植物事极微细的种类，其食物链营养级最多，而上升流区主要是大型的浮游植物，其食物链平均只有3个营养级。,可以看出：海洋食物链所包含的环节数与初级生产,71,2、碎屑食物链,（1）定义：以碎屑为起点的食物链。,A、海洋中碎屑的数量：数量丰富，含量巨大。,B、碎屑来源：大部分来源于植物体，其它来源,于动物尸体、粪便、陆源径流等。,C、食碎屑动物的组成：包括食植动物、初级肉,食性动物、食微生物动物等，因此,食碎屑动物的营养层次较难确定。,2、碎屑食物链,72,（2）碎屑食物链的重要性：,其作用绝不亚于牧食食物链。,A 、碎屑食物链在海洋生态系统的物质循环和能量,流动中的作用比陆地上的作用重要得多，而且,碎屑的存在可以加强生态系统的多样性和稳定,性；,（2）碎屑食物链的重要性：,73,B 、碎屑可以对近岸和外海、大洋表层和底层的,能量流（和物质流）起到联结作用；,C、 中纬度海区夏季初级生产衰退时，异养生物,的营养也有一部分依靠春季水华期形成的碎,屑维持；,D 、很多碎屑是由无生命的有机颗粒和有生命的,生物组成的复合体，其营养价值也是很高的。,B 、碎屑可以对近岸和外海、大洋表层和底层的,74,（二）营养级与生态效率,1、营养级,（1）定义：食物链上按能量消费等级划分的各个环,节叫做营养级或营养层次(trophic level)。,每一营养级都包含着一系列的动物。,第一营养级：绿色植物；,第二营养级：草食性动物；,第三营养级：第一级肉食性动物；,第四营养级：第二级肉食性动物。,（二）营养级与生态效率,75,（2）食物链为什么不能无限加长：,能量在食物链上流动时，每经过一个营养级就有一个相当大部分的能量以呼吸作用损失，而且每一个种群都有其存活的最小生物量，捕食者也有其能量最低要求量。因此无论陆地或水域食物链都不可能无限加长。营养级通常为45级。,（3）海洋生态系统的食物链为什么比陆生食物链长：,海洋的初级生产者和食植性动物多为小型种类，所以大型动物多是肉食性种类，比陆地上的大型动物处于更高的营养级。,（2）食物链为什么不能无限加长：,76,2、生态效率,（1）生态效率(ecological efficiency)：,生态效率就是指从一个特定营养级获取的能量与向该营养级输入的能量之比。实际上就是营养级之间的能量传递（或转换）效率，可以用n营养级的生产量与(n-1)营养级的生产量之比来表示：,2、生态效率,77,（2）营养级间的利用效率（exploitation efficiency)：,某营养级每年的生产中被其消费者摄取得比例。,（3）总生长效率(gross growth efficiency)：,同一营养级内净产量（P）与其消耗的食物量（C）的比值。,K,1,P/C,（2）营养级间的利用效率（exploitation effi,78,（4）净生长效率(net growth efficiency) ：,同一营养级内净产量（P）与其食物同化量（A）的比值。,K,2,P/A,因此，生态效率（ E ）本身就包含有营养级之间的利用效率（Ec）和消费者的总生长效率（K1）两个系数： EEc,K,1,（5）组织生长效率(tissue growth efficiency)：,同一营养级中生产量占同化量的比重（P/A）。,（4）净生长效率(net growth efficiency,79,（6）营养级间同化效率(assimilation efficiency)：,各营养级间同化效率之比（A,n-1,/A,n,）。,（7）营养级间生产效率(trophic level production,efficiency)：,各营养级之间生产量之比（P,n-1,/P,n,）。,（8） 海洋生态系统生态效率：,海洋生态效率比陆地生态效率高；植食性动物生态效率约20，在较高营养级之间，生态效率1510。,（6）营养级间同化效率(assimilation effic,80,3、根据营养级和生态效率计算次级产量,（1）营养级的产量：,P,n+1,=P,1,E,n,（2）动物种群产量的影响因素：,A、 动物种群所处的营养级次；,B 、生态效率。,3、根据营养级和生态效率计算次级产量,81,食物网：群落中各生物种间的营养关系十分复杂，,从群落的食物链结构来看，一个群落可能,形成多条食物链，这些相互联系的食物链,通过营养联系，相互交叉，错综联结成的,网状结构。,二、海洋食物网及能流分析,食物网：群落中各生物种间的营养关系十分复杂，二、海洋食物网及,82,（一）营养结构分析的难题,1、 海洋食物关系（食物网）是非常复杂的，生态系统中一个动物种群通常不是固定消费其低一个营养级的物种种群；,2、 绝大多数海洋生态系统的能流并非只直接起始于活的植物（牧食食物链），而是有大量的能流沿着碎屑食物链传递；,3、如果以每个物种为基础来描绘生态系统的营养关系和进行能流分析，虽然是真实的反映客观实际，但绘出来的食物网关系图将乱如麻团，也不可能完整地进行能流分析。,（一）营养结构分析的难题,83,（二）简化食物网,1、简化食物网：采用“各营养层次之间有复杂相互作用的简单食物链”来进行能流分析的方法。以营养物种来描绘食物网结构就是简化食物网。它是以各营养层次的关键种作为核心开展研究工作的。,2、营养物种(trophic species)：就是将那些营养级别相同，取食同样的被食者，并具有同样的捕食者的一类物种（或相同物种的不同发育阶段）归并在一起作为一个物种对待。,（二）简化食物网,84,3、营养物种的类型：,(1) 顶位物种(top species)：不被任何其它生物所取食，是食物链的终点。,(2) 中位物种(intermediate species)：既可捕食其它物种，又可以被更高级的捕食者所食。,(3) 基位物种(basal species)：不取食任何其它物种，但被其它物种捕食。,(4) 孤立物种(isolated species)：既不捕食其它物种，又不被其它物种捕食。,3、营养物种的类型：,85,4、同资源种团(guild) ：以相同的方式利用共同资源的物种集团。实际上是将一些具有相似功能地位（生态位）的等值种(equivalent species)归为一类，称功能群(functional group)，或称同资源种团。同资源种团内的物种彼此之间生态位重叠很明显，其种间竞争是非常激烈的。,5、等价种(equivalent species)：如果具有同一功能地位、组成同资源种团的物种彼此之间可以相互取代，那么它们就是等价种。,4、同资源种团(guild) ：以相同的方式利用共同资源的物,86,（三）营养层次关键种,营养层次关键种：在简化食物网研究中特别重视在营养层次转化中发挥重要作用的种类，这些种类称为营养层次关键种，或简称关键种。对关键种的确认，不仅取决于它与其它种类的关系，也取决于它在群落结构中的地位。,（三）营养层次关键种,87,（四）同资源种团的特征及生态系统营养,结构的相对稳定性,1、同源种团（功能群）的主要特征：,（1）它由一群生态学特征上很相似的物种所组成，彼此之间生态位有明显的重叠，因而同一功能群内的种间竞争很激烈，而与群落其它功能群之间的联系则较松散，种间竞争也较不明显；,（四）同资源种团的特征及生态系统营养,88,（2）在同资源种团内的物种既然是处在同一功能地位上（等值种），因此物种之间是可以相互取代的，在不同年份中同资源种团内可以有不同的种类组合。,2、生态系统营养结构的相对稳定性：,在同一群落内，某些同资源种团间总种数的比例较为稳定，群落再拓殖研究证明，生态系统营养结构是相对稳定的。,（2）在同资源种团内的物种既然是处在同一功能地位上（等值种）,89,三、粒径谱、生物量谱的概念及其在,海洋生态系统能流研究中的应用,海洋生态系统能流特点：,在海洋生态系统食物网中，能流通过错综复杂的食物关系从被捕食者流向捕食者，随着营养层次的升高，生物的个体变大，生命周期增长。同时，随水体内各营养层次的升高，个体密度减小，但是相邻两营养级的总生物量并不像能流那样呈指数式下降。,三、粒径谱、生物量谱的概念及其在海洋生态系统能流特点：,90,（一）粒径谱、生物量谱,1、粒径谱,（1）粒度级：,把海洋中的生物，从微生物和单细胞浮游植物到浮游动物、直至鱼类和哺乳类，都视为“颗粒”，并以统一的相应的球形直径(equivalent spherical diameter, ESD)表示其大小，那么某一特定生态系统中，具有某一特定大小的“颗粒”，就称为粒度级。各粒度级上的生物量分布将遵循一定的规律，即顺营养级层次向上总生物量略有下降。,（一）粒径谱、生物量谱,91,（2）粒径谱(particle-size spectra)：,把粒度级按一定的对数级数排序，这种生物量在对数粒级上的分布就称为粒径谱。平衡状态下这条谱线是一条斜率很低的直线。,（3） 粒径谱应用的局限性：,尽管避免了不同生物体型上的差异，但相同ESD的颗粒（生物）其含能量差别很大（一条鱼所含的能量要比同体积的水母大几十倍）。同一生态系统在不同时期（季节）各粒级上的成员也有很大变化，不同生态系统之间的差别更大。,（2）粒径谱(particle-size spectra)：,92,2、生物量谱(biomass size spectra)：,（1）定义：,标准化了的生物量谱采用双对数坐标：横坐标为,个体生物量，以含能量的对数级数表示(lg kcal)；纵,坐标为生物量密度，以单位面积下的含能量的对数级,数表示（lg kcal/m,2,）。因此，生物量谱实际上是生物,量能谱，能够准确反映不同粒级成员的能量关系。,（2）应用范围：所有水域生态系统。,2、生物量谱(biomass size spectra)：,93,（二）粒径谱、生物量谱在海洋生态系统,能流中的应用,1、 粒径谱、生物量谱理论的生态学意义,该理论为生态学研究提供了一个简便、实用的手,段，它以生态学的观点和方法从总体上宏观地研究不,同海洋生态系统的状态（status）和动态（dynamics）,及其机制和影响因素，同时也可以比较不同类型生态,系统的差别，甚至还可以估计生产力和鱼产量。,（二）粒径谱、生物量谱在海洋生态系统,94,2、 应用：,（1）生物计数器的应用：,能够计数海水中的生物“颗粒”，它们虽然不能识别颗粒种类，但却能使生物学家摆脱繁琐费时的显微镜观察工作，生物计数器的发展为粒径谱和生物量谱的研究与应用奠定了基础。,2、 应用：,95,（2）粒径谱、生物量谱理论的实际应用：,A、 根据生物量的谱线在平衡（相对稳定的生态系统）状态下是一条斜率很低的直线这一普遍规律，实测过程中如果这条直线上出现高峰，就意味着存在过剩和积累，能流渠道受阻；相反,低谷则意味着空缺和不衔接；,B、 应用粒径谱、生物量谱原理可以对不同生态系统的特点进行比较；,（2）粒径谱、生物量谱理论的实际应用：,96,C、 由于平衡和稳定生态系统的粒径谱应该是一条直线，就可以根据作为该生态系统特征的粒径谱，从某一粒度级的生物量去推算其它粒度级的生物量或产量。,总之，以能量表示的生物量谱将是一次推动粒径谱新知识体系的革命。它以能量生态学的观点和方法，把复杂的海洋生态系统简化为生物量谱模型，从总体上宏观地研究海洋生态系统的状态和动态，为业已开拓的“全球生态系统动力学”（GLOBEC）研究提供一个准确、简捷的研究手段。,C、 由于平衡和稳定生态系统的粒径谱应该是一条直线，就可以根,97,（一）海洋微型生物食物环的组成和基本结构,（二）微型生物食物环中各类生物的生物量与生产力,（三）微型生物食物环在海洋生态系统能流、物流中,的重要作用,四、 海洋微型生物食物环,（一）海洋微型生物食物环的组成和基本结构四、 海洋微型生物食,98,（一）海洋微型生物食物环的组成和基本结构,1、海洋微型生物食物环,（1）细菌的二次生产(bacterial secondary production)：,海洋中数量巨大的异养细菌不仅是有机物的分解者，也是有机颗粒物的重要生产者，因为异养细菌可摄取大量溶解有机物(DOM)，而使其本身种群数量得到增长，即所谓细菌的二次生产。,（一）海洋微型生物食物环的组成和基本结构,99,（2）异养细菌与后生动物食物网的关系：,异养细菌微型异养浮游动物（鞭毛虫）个体较大的原生动物（纤毛虫）中型浮游动物（桡足类） 后生动物食物网,（3）微型生物食物环(微食物环或微生物环)(microbial loop)：,DOM 自由生活的异养细菌鞭毛虫、纤毛虫等原生动物桡足类等后生动物,上述的食物关系就称为微型生物食物环。,（2）异养细菌与后生动物食物网的关系：,100,（4）新近的研究：,A、DOM （异养细菌）原生动物桡足类,意义：将微型生物食物环缩短，提高了微型生物食物环的生态效率。,B、微微型自养浮游生物（2um）原生动物桡足类,（5）微型生物食物网(microbial food web)或微食物网：,包括异养浮游细菌和微微型自养浮游生物为起点的两个摄食营养途径。,海洋生态学ppt课件,101,（6）富营养海区和贫营养海区微型生物食物环的作用差别：,A、富营养海区：微型生物食物环作为牧食食物链的一个侧支，作为海域生态系统能量流动的补充途径，从而提高总生态效率。,B、贫营养海区：微型生物食物环在海洋食物链起始阶段远大于经典的牧食食物链，是能量的主渠道。,（6）富营养海区和贫营养海区微型生物食物环的作用差别：,102,（7）微型生物食物环中微微型自养生物生产与异养细菌的二次生产在不同海区的变化：,A、微微型自养生物：自大洋至沿岸带，微微型自养生物光合作用的产量相对稳定；,B、异养细菌的二次生产：沿岸带比大洋区高的多。,（7）微型生物食物环中微微型自养生物生产与异养细菌的二次生产,103,2、海洋微型生物食物环的结构,（1）微型生物食物环实际上包括几个不同营养层次，并且在内部形成一个相对独立的食物网结构，是维系大量微初级生产者与桡足类等浮游动物的重要营养结构。,（2）微型生物食物环中各个类型的生物组成是很复杂的，同一类生物包含很多种类，它们可能分别被不同层次的消费者利用。,（3）在微型生物食物环中，摄食者与被摄食者的个体大小有一定比例，通常摄食者与被摄食者的个体大小（标准粒径）约为10:1。,2、海洋微型生物食物环的结构,104,（二）微,型生物食物环中各类生物的生物量,与生产力,1、异养细菌,（1） 海水中溶解有机物质（DOM）的含量：,占总有机质（溶解态和颗粒态）(DOM+POM)的90以上，其中相当部分是不易分解的。,（二）微型生物食物环中各类生物的生物量,105,（2）海水中的细菌丰度：,A、营养丰富的海区：细菌丰度可达6.310,6,cell/ml。,B、营养缺乏的深海：细菌丰度3.410,4,cell/ml。,海洋细菌丰度与海水中叶绿素a的关系：正相关。,（3）海洋细菌的生产力：,依海域和深度的不同变化很大，但多数相当于初级生产速率的2030，而且这一比例在海洋和陆地环境中基本相同。,（2）海水中的细菌丰度：,106,2、 微微型（或超微型）光合自养生物,对海洋初级生产力具有巨大贡献，研究历史短。,（1）蓝细菌：,为光合原核生物，主要是聚球菌属(synechococcus)。,A、聚,球菌分布：热带和温带海域。,B、粒径：0.5-1.5um。,C、细胞丰度：通常10,3,-10,5,个/ml。,2、 微微型（或超微型）光合自养生物,107,D、生物量：,通常比其消费者微型原生动物至少高一个数量级，足以作为微型原生动物的重要食物源。,E、聚球菌对浮游植物总生物量的贡献：,热带太平洋：25-90；,世界大多数海区：20。,F、对总初级生产力的贡献：,热带太平洋：20-80；,世界大多数海区：60。,D、生物量：,108,（2）原绿球菌(Prochlorococcus)：,光和原核生物。,A、分布：广泛分布。,B、粒径：0.4-0.8um。,C、细胞丰度：高于蓝细菌。,（2）原绿球菌(Prochlorococcus)：,109,（3）微微型光和真核生物：,在形态上和分类上比上述两类原核生物有较高的多样性。,A、种类：绿藻纲、 真绿藻纲、金藻纲、 隐藻纲。,B、细胞丰度：比原绿球藻和蓝细菌要少。,C、贡献：在超微型浮游植物中，占叶绿素生物量的61，碳生物量的87，初级生产力的68。,（3）微微型光和真核生物：,110,3、 微型和小型浮游动物,（1）微微型浮游动物：2um，例如微微型的鞭毛虫,类。,（2）微型浮游动物：2-20um，主要鞭毛虫和部分纤,毛虫。,（3）小型浮游动物：20-200um，是微型生物食物环,中较高的层次，它们是连接桡足类等主要食物,链的环节。,3、 微型和小型浮游动物,111,（三）微型生物食物环在海洋生态系统,能流、物流中的重要作用,1、 在能流过程中的作用,（1）通过微型生物食物环使溶解有机物和微微型自养生物进入海洋的经典食物链。微型生物食物环是海洋生态系统能流结构中很重要的组成部分。,（2）微微型和微型自养生物的初级生产构成海洋初级生产力的最重要部分。,（3）微型和小型浮游动物是海洋生态系统能流的重要中间环节。,（三）微型生物食物环在海洋生态系统,112,2、在物质循环中的作用,微型生物食物环在生态系统有机物质矿化和再循环过程中起非常重要的作用。,（1）营养物质在微型生物食物环中的更新很快。,（2）微型生物食物环的消费者所产生的微细有机碎屑可长时间滞留在真光层水体中，使大部分营养物质可以在真光层内矿化与再循环。,（3）微型生物食物环产生的小颗粒有机物在细菌的作用下，形成有机凝聚体，其中有丰富的溶解有机物、细菌和微型异养生物，是营养物质快速循环的活性中心。,2、在物质循环中的作用,113,