生态系统34880

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,*,第九节 生态系统,一、概念：,生态系统是指在一定的时间和空间内生物成分和非生物成分通过物质循环和能量流动而相互作用、相互依存所形成的一个生态学功能单位。生态系统内部具有自我调节能力；能量流动、物质循环和信息传递是生态系统的三大功能。,1,二）、生态系统的营养结构,三）、生态系统的功能,一）、生态系统的概述,非生物成分,生物成分,气候因子(太阳辐射、温度、湿度、风等),无机物质,有机物质,生产者,消费者,分解者,二、组成：,(生物群落),(非生物的物,质和能量),2,三、生态系统的控制,（一）内环境稳定机制：存在各种生物体内，生态系统的负反馈和剩余两种方式,（二）负反馈：,可减少生态系统输出，维持结构和功能,（三）剩余机制：,生态系统的多个组分有维持生态系统正常运作的能力，但通常情况下这样的组分没有全部发挥作用，当一个组分的功能被破坏后，原来多余的组分就起作用代替被破坏的组分,3,四、生态系统的营养结构,1食物链和食物网, 碎屑食物链：,以死生物或腐屑为起点的食物链。在大多数陆地生态系统和浅水生态系统中，生物量的大部分不是被取食，因此能流是以通过碎屑食物链为主。,4, 捕食食物链：,又叫活食链，直接以生产者为基础。捕食食物链虽然是人们最容易看到的，但只在某些水域生态系统中才能成为能流的主要渠道。, 寄生食物链：,是以寄生方式取食活有机体而构成的食物链,（牧食食物链,）,5,2营养级和生态金字塔 （与课内相同）,3 生态效率：,指能流过程中各个不同点上能量输出和输入之间的比率（也就是所生产的物质量与生产这些物质所消耗的物质量的比率）。,a同化效率 = 固定的日光能/吸收的日光能（植物）,= 同化的食物能/摄取的食物能（动物）,b生长效率 = n营养级的净生产量能量/ n营养级的同化能量,6,c利用效率 = n+1营养级的摄食能量/n营养级的净生产量,d林德曼效率 = n+1营养级的摄食能量/ n营养级的摄食能量,7,影响生态效率的因素,1次级生产者效率（动物种类、体型等）；,2初级生产者的效率（饲料的性质和质量）；,3分解者的效率（种类、数量等）。,提高生态效率的技术措施,1合理搭配饲料资源；2合理组织畜群结构；3努力提高繁殖效率。,8,注： 一般大型动物的生长效率要低于小型动物；老年动物的生长效率要低于幼年动物；肉食动物的同化效率要高于植食动物。但随着营养级的增加，呼吸消耗所占的比例也相应增加，因而导致在肉食动物营养级净生产量的相应下降。但是林德曼效率在各个营养级之间的统计几乎都是一个常数即10%。以上也可以看出每个营养级的净生产量都绝大多数通向碎屑食物链,9,第十节、生态系统的功能,一生态系统的能量流动,(一）生态系统的初级生产和次级生产,1、生产量（或称生产力）：在一段时间内，生态系统中某个种群或群落生产出来的有机物总量。,10,2、初级生产量,：绿色植物通过光合作用，把太阳能转变成植物体内的化学能，这过程称为“初级生产”，它所固定的总能量（或形成的有机物总量）称为初级生产量。又分总初级生产量：在某单位时间内生产者所固定的全部太阳能；净初级生产量：总初级生产量减去生产者自身呼吸消耗后余下的数值。,11,3、 次级生产量：,在单位时间内动物体的同化量减去其呼吸量余下的值。实际上它就是动物用于生长、发育和繁殖的那部分能量。一级、二级、三级消费者的生产量都属于次级生产量。次级生产量=同化量次级呼吸量=个体增重+新个体重量,12,13,（二）初级生产量的测定,1收获法 将初级生产者进行定期的收获，然后称重并计算其不同部分的产量。通常以每年每平方米的鲜重或干草（公斤亩年）来表示。,2氧气测定法 生态系统的初级生产过程，主要是植物群落进行光合作用的过程，是吸收CO2和释放O2的过程，因此测定生态系统中O2和CO2的变化，可估测初级生产量。多用于水体生态系统。,14,3CO2测定法 测定CO2的释放与吸收量，是研究陆地生态系统初级生产力最常用的方法。用塑料帐将群落的一部分罩住，测定进入的和抽出的空气中的CO2含量。减少的CO2即是进入有机物质中的CO2量。,4pH测定法 原理是溶解于水中的CO2含量的增加，改变了水的酸碱度。很适用于实验室中对微生态系统的生产力研究。,5原料消耗量测定法 这种方法常用于海洋生态系统。在使用时，要注意的是非生命过程也会使矿质原料减少。,15,6同位素标记测定法 近代应用放射性14C，来测定植物对14C的吸收速度，作为初级生产力的指标。,7叶绿素测定法 在一定的光强度下，叶绿素含量与光合作用强度有密切关系。因此对某些生态系统，可以通过叶绿素含量和光辐射而估计初级生产力。测定方法是：通过薄膜将自然水进行过滤，然后用丙酮提取，将丙酮提出物在分光光度计中测量光吸收情况，再通过计算，换算成每平方米含叶绿素克数。,16,（三）影响初级生产的因素,1植物种类；2环境条件（水、CO2、光、营养物质、温度）。,17,（四）次级生产量的测定,1按同化量和呼吸量估计生产量，即P=AR；按摄食量扣除粪尿量估计同化量，即ACFU。测定动物摄食量可在实验室内或野外进行，按24h的饲养投放食物量减去剩余量求得。摄食食物的热量用热量计测定。在测定摄食量的试验中，同时可测定粪尿量。用呼吸仪测定耗O2量或CO2排出量，转为热值，即呼吸能量。此法通常是在个体水平上进行的，因此，要与种群数量、性比、年龄结构等特征结合起来，才能估计出动物种群的净生产量。,18,2测定次级生产量的另一途径,净生产量等于种数中个体的生长和出生之和：,PPg+Pr,Pr生殖后代的生产量（g）；Pg个体增重（g）。,净生产量生长+出生20+10+l0+l0+l0+30101070（生物量单位）。此外，我们也可以用另一种方式来计算净生产量，即：净生产量生物量变化+死亡损失30+4070（生物量单位）。因为死亡和迁出是净生产量的一部分，所以不应该将其忽略不计。,19,（五）影响次级生产量的因素,1动物本身（种类、品种、年龄、性别、体格大小、健康状况）；,2环境条件（温度、湿度、光照等）；3饲料的质与量。,20,（六）、能量流动的基本原理：,1、热力学第一定律：能量守恒和转换,2、热力学第二定律：熵定律：一部分能量不能继续做功和传递，而以热的形式消散,（七）能量流动特点：,单向流动，不可逆转，逐级递减。,21,二物质循环：,又称生物地化循环，特点：反复出现，循环流动。,1、 水循环，全球性,2、 气体型循环,3、沉积物循环,22,23,（一）水循环：,水的循环的动力是由太阳能和地心引力。从海洋表面蒸发的水，以雨的形式降回海洋中，称,水的内循环,。如果海洋蒸发的水，随着气流进入陆地，而降落在地面，其中部分水分再度蒸发重新返回大气圈，部分被陆地生态系统暂时保留，有些以地表径流的形式迅速返回水库、江、湖，重回海洋，称,水的海陆循环,。,（二）气体型循环,24,25,1、碳循环,首先是由绿色植物通过光合作用，吸收大气中的CO2和水生成碳水化合物。同时，植物在不断进行呼吸和发酵产生CO2和水，并释放能量，这是碳,最简单的循环形式,。植物被动物采食后，碳水化合物能进入动物体内。除部分被固定外，其余的又由呼吸作用回到大气。动物排泄物和动植物尸体中的碳，经微生物的分解作用再回到环境中，这是,碳循环的第二种形式,。地质中贮存大量的泥炭、煤、石油、天然气，各种动物的骨髂、介壳均可成为碳酸盐岩石。岩石的风化和溶解，矿物燃料的燃烧，火山的活动，均将碳释放回到大气中。这是,碳循环的第三种形式。,26,2氮循环,氮是氨基酸、蛋白质和核酸的主要成分，是一切生命结构的原料。氮是惰性气体，不能直接利用，只能通过固氮作用与氧结合成为NO,3,一,和NO,2,，或与氢结合成NH,3,后，才能被生物利用。,27,（三）沉积型循环,以岩石圈为贮库，特点是时间长，有非全球性。,28,1磷循环,磷是生物有机体的重要元素。高能磷酸键是细胞内一切生化作用的能量来源。植物在光合作用中产生的糖，如果没有磷酸化，碳就无法固定。没有磷也就没有生命。磷的主要贮库是地壳。岩石和土壤风化所释放的磷以及施入农田的磷肥，由植物吸收合成原生质，然后通过草食动物，肉食动物、寄生生物等在陆地或水体生态系统中循环，最后通过还原者把死物，废料、排泄物和尸体进行分解，再回到环境中去。,29,30,2硫循环,硫的循环属沉积型，也属气体型。大气中的硫化氢（H2S）和二氧化硫（SO2）主要来自岩石中的无机盐类。有机物质和矿石燃料的燃烧，火山的爆发，海水散发和分解等过程中释放含硫气体，再经过降雨的作用形成可溶性的硫酸盐及硫酸等进入土壤，经过微生物的作用，分解为可溶性盐类被植物根吸收利用。植物被草食动物利用后，其排泄物和尸体经微生物分解，硫又回到土壤和大气中，如果流入水系，则沉积在水底。,31,三、环境污染（一）水污染,1有机污染：,有机污染物在水中分解时需要消耗大量的氧，固又称需氧污染物。被有机物严重污染的水体中，溶解氧急剧下降，甚至产生无氧层，大部分鱼类会窒息死亡。同时，水中厌氧菌迅速发展，分解有机物并放出CH,4,和H,2,S等有毒气体，发出臭气。,2 水体富营养化：,由于生活污水、工业废水和农田排水中含较多的N、P等元素，这些元素大量的进入水体后使藻类植物等大量繁殖，这些生物死亡后，先被需氧微生物分解，使水体中溶解氧的含量明显减少。接着，生物遗体又会被厌氧微生物分解，产生出CH,4,和H,2,S等有毒气体，使鱼类和其他水生生物窒息或中毒死亡，水体变臭。富营养化发生在淡水中叫“水华或水花”，发生在海水中叫做“赤潮”。,32,3有毒污染物与生物富集作用：水体中的有毒污染物有两类,重金属（汞、铅、镉、铬、砷（类金属）等等）， 人工合成的有机物（有机氯、有机磷、多氯联苯和芳香族氨基化合物）。有毒污染物的危害除造成生物急性中毒外，还有一种重要危害是生物富集作用带来的不良后果。生物从环境摄取重金属和脂溶性的DDT、六六六等有机氯杀虫剂后，在体内积累，并延食物链转移。其结果是污染物的浓缩，营养级越高，富集能力越强，积累越多，呈现倒金字塔形。（著名例子是“水俣病”）,33,5、土壤污染：,是指人类活动产生的污染物通过各种途径输入土壤，其数量和速度超过了土壤净化作用的速度，导致土壤正常功能失调。,4水体热污染：许多工厂向水体排放废热水及其它形式的“废热”，使水体温度显著上升，影响水生生物的生存。（可以从生态幅的角度考虑）,34,不同污水中生物体系和指示生物,35,一、 生物多样性：,指各种各样的生物及其与环境形成的生态复合体，以及与此相关的各种生态过程的总和。,包括地球上所有的动物、植物、微生物和它们所拥有的基因、所形成的群落和所产生的各类生态现象。,生物多样性是概括性的术语，一般来说，包括,遗传多样性、物种多样性、生态系统多样性和景观多样性,4个层次。（行为多样性）,第十一节 生物多样性,36,景观多样性,37,1、遗传多样性,遗传多样性,又称基因多样性。它是指种内基因的变化，包括,种内不同种群,之间或,同一种群不同个体,之间的遗传变异，亦称为基因多样性。,38,39,遗传多样性的表现形式是多层次的，包括,分子、细胞和个体,三个水平。,分子水平,，可表现为核酸、蛋白质、多糖等生物大分子的多样性；,细胞水平,，可体现在染色体结构的多样性以及细胞的结构与功能的多样性；,个体水平,，可表现为生理代谢差异、形态发育差异以及行为习性差异等。,40,不同亚种的狗,不同基因的玉米,基因存在与脱,氧核糖核酸,41,2、物种多样性(species diversity),物种多样性,是一个地区内物种的多样性，系指有生命的有机体即动物、植物、微生物物种的多样性。,42,43,3、生态系统多样性,生态系统多样性,是指生物圈内,生境、生物群落和生态过程,的多样化，以及,生态系统内生境差异、生态过程变化,的多样性。,44,陆地生态系统,45,森林生态系统,46,奈曼生态站草地景观,鄂尔多斯高原草地,景观（油蒿）,47,亚热带人工林生态系统景观,内蒙古草地生态系统景观,48,青藏高原东缘山地森林生态系统,49,荒漠生态系统,50,草原生态系统,51,水生生态系统,52,湿地生态系统,53,湿地生态系统,54,4、景观多样性,景观多样性,是指由不同类型的景观要素或生态系统构成的景观在空间结构、功能机制和时间动态方面的多样性或变异性。,景观的基本要素可以分为,斑块、廊道和基质,三种类型。,55,新疆天池景观,东北三江平原自然湿地景观,56,非洲稀树草原生态景观,57,北京北海公园东部人工景观,58,二、生物多样性的价值,生物多样性价值,可以,分为,直接价值,和,间接价值,。,直接价值,是人们,直接收获或使用,的那些产品。,直接价值又分为产品用于,自用的消耗性使用价值和产品用于市场销售的生产使用价值,。,间接价值,是指,生物多样性的环境作用和生态系统服务,。,间接价值与生态系统功能有关，也即为人类所提供的生态系统服务。,59,三、生物多样性的测度,为了定量描述某一群落物种的多样性，可以用多样性指数来测定。多样性指数主要有以下3类,。,多样性,多样性,多样性,60,1,、,多样性,多样性,又称生境内多样性，是用来测度一个均质群落内物种组成状况的一个指标，包括物种,总数及个体,在物种上的分配状况。,多样性又可分为,物种丰富度指数、物种多样性指数和物种均匀度指数,。其中，物种多样性指数一般用Simpson多样性指数和ShannonWiener多样性指数计算。,61,(1)物种丰富度指数(S),d=SN,式中S物种数目；,N 所有物种个体数之和。,62,(2)物种多样性指数,Simpson多样性指数：,ShannonWiener多样性指数：,式中Pi第i个物种所占的比例；,S物种总数；,Ni第i个物种的个体数目；,N群落中所有种的个体总数。,63,下面用一个假设的简单数据为例子，说明Shannon,Wiener指数的含义。假设有A，B，C三个群落，各有两个种组成，其中各种个体数组成如下：,括号内数字即,P,i,。,64,因为群落A的所有个体均属于物种甲，没有任何不定性，从理论上说H应该为零，其Shannon,Wiener是H=（1.0log,2,1.0）+0=0,由于在群落B中两个物种各有50个体，其分布是均匀的，它的Shannon,Wiener是,H=（0.5log,2,0.5）+(0.5log,2,0.5)=1,群落C的两个物种分别具有99和个个体，则：,H=（0.99log,2,0.99）+(0.01log,2,0.01)=0.081,65,Simpson指数：,例如，前面所说的三个假设的群落：,群落：（1,2,+0,2,）,群落：（0.5）,2,+（0.5）,2,0.5,群落：（.99,2,）,+（0.01,2,）0.02,Simpson指数对稀有种的作用较小，而对普通种的作用较大，其变化范围自0到（1-1/S），S为种数。,66,显然，H值的大小与我们的直觉是相符的：群落B的多样性较群落C的大，而群落A的多样性等于零。,67,(3)物种均匀度指数,群落多样性指数无论以何种形式表达，都是把群落物种丰富度和均匀度结合起来的一个单一的统计量。因此，均匀度是研究群落多样性非常重要的概念。,均匀度,是,指生物群落中不同物种的多度分布的均匀程度,。,68,、多样性,多样性,是,用来测量群落的物种多样性沿着环境梯度变化的速率，它是说明森林群落物种组成及多样化程度对环境变化反映程度的量，是反映各物种对不同环境条件适应程度的一个特征,。多样性可以通过不同指数来计算，常见的指数有Whittaker指数、Cody指数、Wilson和Shmida指数以及BrayCurtis指数。,69,、,多样性,多样性,指,不同地理区域的群落间物种的更新替代速率，主要表明群落间环境异质性大小对物种数的影响,。多样性高的地区一般出现在地理上相互隔离但彼此相邻的生境中。它主要用来描述生物进化过程中的生物多样性。Wittaker认为多样性是地理区域尺度上的多样性，而Cody则将多样性定义为地理区域尺度上的多样性,。,70,四、生物多样性的消失原因与保护,1、消失原因,(,1)栖息地的改变、丧失和破碎化,(2)生境资源的过度开发利用,(3)环境污染,(4)农林业品种的单一化,(5)外来物种的入侵,71,、生物多样性的保护,.濒危物种等级的确定,划分物种濒危等级的标准兼顾,科学性和实用性,。,确定物种濒危等级的主要,定性指标,：种群数、种群大小、种群特性、分布或发生范围、分布格局、栖息地类型、栖息地质量、栖息地面积、致危因素、灭绝危险等等,。,72,主要的,定量指标,：,种群个体总数、亚种群数，亚种群个体数、分布或占有面积、分布地点数、栖息地面积、以及在一段时间内(年或代)以上各指标的上升或下降的比率和物种或种群灭绝机率。,73,自20世纪60年代以来，国际自然保护联盟(IUCN)沿用的濒危物种等级系,统主要包含了5个等级：,灭绝种,濒危种,易危种,稀有种,未定种,74,经过多年的不断修订，IUCN于1994年通过了新的濒危物种等级系统(图121)，并为各等级重新进行了界定，具体如下：,75,.生物多样性保护的途径,(3)回归引种,(1)就地保护,(2)迁地保护,76,(4)就地保护和迁地保护的优缺点比较,77,由此可见，就地保护和迁地保护是相辅相成、互为补充、互为后备，而不是互相排斥或可以互相替代的关系。植物的农庄保护、家庭园圃保护和回归引种在方法上介于迁地与就地保护之间，可见两者有时并无截然界限。,人们有必要根据保护的对象、目的、经费、土地、设施、技术可行性等选择合适的保护措施，但从整体来讲，应采用包括就地物种、遗传水平上的综合保护以及不同物种(包括协同进化的微生物、植物、动物)的综合保护，这样才能最大程度地有效地保护生物多样性。,78,由于自然或人为原因，导致生态系统退化，使得物种生存受到威胁甚至在原产地灭绝，种群范围缩小及数量减少，在这种情况下，可以通过回归引种的方法进行保护和增加生物多样性。,所谓,回归引种,是指将一种植物释放到它以前曾生存过但现在已经灭绝的地方并加以管理。,(3)回归引种,79,