第5章-生态系统生态学2

第二节生态系统的能量流动一、生态系统的生物生产二、生态系统中的分解三、生态系统的能流过程9/3/20211\n一、生态系统的生物生产生物生产的基本概念生物生产生物量与生产量初级生产总初级生产与净初级生产影响初级生产的因素次级生产次级生产的过程次级生产的生态效率9/3/20212\n（一）、生物生产的基本概念1.生物生产：是生态系统重要功能之一。生态系统不断运转，生物有机体在能量代谢过程中，将能量、物质重新组合，形成新的产品的过程，称生态系统的生物生产。2.初级生产：生态系统中绿色植物通过光合作用，吸收和固定太阳能，从无机物合成、转化成复杂的有机物。由于这种生产过程是生态系统能量贮存的基础阶段，因此，绿色植物的这种生产过程称为初级生产（primaryproduction），或第一性生产。3.次级生产：初级生产以外的生态系统生产，即消费者利用初级生产的产品进行新陈代谢，经过同化作用形成异养生物自身的物质，称为次级生产（secondaryproduction），或第二性生产。9/3/20213\n4.生物量和生产量生物量（biomass）:某一特定观察时刻，某一空间范围内，现有有机体的量.它可以用单位面积或体积的个体数量、重量（狭义的生物量）或含能量来表示，因此它是一种现存量(standingcrop)。现存的生物量以B表示。现存生物量通常用平均每平方米生物体的干重(g·m-2)或平均每平方米生物体的热值来表示(J·m-2)。生产量(production):一定时期内有机物质增加的总重量。某个种群或生态系统所新生产出的有机体的数量、重量或能量，它是时间上积累的概念。生产力(productivity)：是指单位时间单位面积上的有机物质生产量。g·m-2.a-1即含有速率的概念。有的文献资料中，生产量、生产力和生产率视为同义语，有的则分别给予明确的定义。生物量和生产量是不同的概念。前者到某一特定时刻为止，生态系统所积累下来的生产量，而后者是某一段时间内（单位时间）生态系统中生产的生物量。9/3/20214\n（二）、初级生产初级生产过程可用下列方程式概述：光能6CO2＋6H2OC6H12O6＋6O2叶绿素总初级生产(grossprimaryproduction,GP)与净初级生产(netprimaryproduction,NP)：植物在单位面积、单位时间内，通过光合作用固定太阳能的量称为总初级生产(量)，常用的单位：J·m-2·a-1或gDW·m-2·a-1；植物总初级生产（量）减去呼吸作用消耗掉的（R），余下的有机物质即为净初级生产（量）。二者之间的关系可表示如下：GP＝NP+R；NP＝GP－R1.总初级生产与净初级生产9/3/20215\n2.影响初级生产的因素NPRCO2光H2O营养取食O2＋温度陆地生态系统中，初级生产量是由光、二氧化碳、水、营养物质(物质因素)、氧和温度(环境调节因素)六个因素决定的。污染物⑥①②③④⑤光合作用生物量GP9/3/20216\n2.影响初级生产的因素植物群落呼吸损失掉的能量变化幅度在15％－90％以上。初级生产的损失量从极地到热带如何变化？损失量从极地到热带逐次提高。原因：温度增高，尤其是夜晚温度高。从而影响植物产量。9/3/20217\n3.初级生产力的变化奥德姆根据初级生产力将生态系统划分为4级：最低：荒漠和深海。较低：山地森林、热带稀树草原、某些临时农耕地、半干旱草原、深湖和大陆架。较高：热带雨林，长久性农耕地和浅湖。最高：少数特殊的生态系统（农业高产田、河漫滩、三角洲、珊瑚礁、红树林）。9/3/20218\n海洋中，由河口湾到大陆架到大洋区，单位面积净初级生产量和生物量有趋于降低的趋势。陆地上，由热带雨林向温带常绿阔叶林、落叶林、北方针叶林、稀树草原、温带草原、荒漠依次减少。9/3/20219\n（三）、次级生产净初级生产量是生产者以上个营养级所需能量的唯一来源。9/3/202110\n1.次级生产的基本过程次级生产过程模型食物资源未采食拒食未食粪便(Fu)呼吸(R)分解被采食可利用食用(I)同化(A)动物产品产生能量(P)潜在能量保持能量损失能量ⅠⅡⅢⅣⅤⅥI=A+FuA=P+RI=P+Fu+RP=C-Fu-R9/3/202111\n2.次级生产的生态效率（1）、消费效率消费效率=n+1营养级的消费能量/n营养级的净生产量草原生态系统中的植食动物通常比森林生态系统中的植食动物能利用较多的初级生产量。在水生生态系统中，食植物的浮游动物甚至可以利用更高比例的净初级生产量。1975年，Whittaker对不同生态系统中净初级生产量被动物利用的情况提供了一些平均数据，热带雨林大约有7％的净初级生产量被动物利用，温带阔叶林为5％，草原为10％，开阔大洋40％和海水上涌带35％。可见，在森林生态系统中，净生产量的绝大多数都通向了碎屑食物链。9/3/202112\n2.次级生产的生态效率（2）、同化效率同化效率=被植物固定的能量/植物吸收的日光能或=被动物消化吸收的能量/动物摄食的能量肉食动物的同化效率要高于植食动物9/3/202113\n2.次级生产的生态效率（3）、生产效率生产效率=n营养级的净生产量/n营养级的同化能量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。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。9/3/202114\n素食者比肉食者节约能源2.次级生产的生态效率林德曼效率（Lindemansefficiency）是指n+1营养级所获得的能量占n营养级获得能量之比。9/3/202115\n二、生态系统中的分解（一）、分解的性质死有机物逐步降解的过程。无机元素从有机物释放出来，称为矿化。包括碎裂（物理生物）、异化（酶）和淋溶（物理）三个过程交叉进行，相互影响。9/3/202116\n（二）、影响分解的因素分解过程的特点和速率，取决于资源的质量、生物的种类和理化环境条件三方面。9/3/202117\n1.分解的资源质量单糖分解快，半纤维素，纤维素和木质素难于分解。营养物质的浓度C/N=25-30/19/3/202118\n2.分解者生物的种类(1)细菌和真菌（2）动物：土壤原生动物、线虫、轮虫9/3/202119\n3.分解时的理化环境条件9/3/202120\n（三）生态系统中分解的意义资源分解的意义：理论意义：通过死亡物质的分解，使营养物质再循环，给生产者提供营养物质；维持大气中二氧化碳的浓度；改善土壤物理性状，改造地球表面物理状态，稳定和提高土壤有机质含量；实践意义：粪便处理污水处理9/3/202121\n澳大利亚引进异地金龟处理牛粪澳洲大陆距今14000万（1.4亿）年前就与其他陆地隔离，生物区系独特，当地繁殖的最大兽类是有袋类的大袋鼠。移民于1788年运去了第一批5头奶牛和2头公牛，到19世纪未牛的数量超过4500万头。如以每头牛一昼夜排便10次计算，每天就有4.5亿堆又大又湿的牛粪。而当地的金龟子主要取食干硬的袋鼠粪，而对软而湿的牛粪不感兴趣。由于当地缺乏分解牛粪的生物，牛粪在草原上风干硬化，几年内都难以分解，日积月积，牛粪数量惊人。牛粪覆盖并破坏大面积草原，形成草原上的一块块秃斑。每年被毁的牧场竟达3600万亩。澳大利亚学者M.H.Wallace(1978)指出“澳大利亚的牛多，牛粪更多，牛屎多到铺天盖地，如果不到世界各地引种食粪金龟子处理，澳大利亚就将淹没在牛屎堆里。”据实验两头金龟子一前一后，能将100克牛粪在30－40小时内，滚成球，埋入土层里，以备子代食用。由于牛粪中的蝇卵需96小时后才能孵化为幼虫，牛粪埋入地下，蝇类无法孵化。因此，金龟子消除了牛粪，又破坏了蝇类滋生的条件。为此，60年代，澳大利亚引入了羚羊粪蜣(Onthophagusgazella)和神农蜣螂(Catharsiusmolossus)等异地金龟，对分解牛粪发挥了明显的作用。9/3/202122\n三、生态系统的能流过程（自学）热力学定律能流特点能流模型9/3/202123\n1.生态系统中的能流特点“单向性”----单向流动太阳能光合作用绿色植物植食动物肉食动物（化学能）死亡被分解太阳能化学能热能环境“低效性”----逐级递减9/3/202124\n（1/10法则、10%定律）“低效性”----逐级递减金字塔形的营养级关系“一山不存二虎”？9/3/202125\n2.生态系统层次上能流研究的步骤⑴确定组成生态系统生物组成部分的有机体成份；⑵确定消费者的食性，确定消费者的分类地位；⑶确定有机体的营养级归属，进而确定：①各营养级的生物量，②各营养级能量或食物的摄入率，③同化率④呼吸率⑤由于捕食、寄生等因素而引起的能量损失率；⑷结合各个营养级的信息，获得营养金字塔或能流图。9/3/202126\n第三节生态系统的物质循环一、生物地化循环的基本概念二、水循环三、气体型循环四、沉积型循环9/3/202127\n一、生物地化循环的基本概念生物地化循环生物地化循环的基本术语生物地化循环的类型9/3/202128\n（一）、生物地化循环(biogeochemicalcycle)生态系统从环境中获得的营养物质，在大气圈、水圈、岩圈之间以及生命系统内部的流动和交换称生物地(球)化(学)循环。流动着的物质有着双重使命物质循环不同于能量流动，前者在生态系统中的运动是循环的。生物地化循环不同于地质循环9/3/202129\n（二）、生物地化循环的基本术语生物地化循环可以用库和流通率两个概念来描述。1.库：是由存在于生态系统某些生物或非生物成分中一定数量的某种化学物质所构成的。9/3/202130\n（二）、生物地化循环的基本术语2.流通率：单位时间、单位面积内通过的营养物质的量称流通率。为了衡量库的特征，以入周转率、周转时间3.周转率＝流通率／库中营养物质总量周转时间＝库中营养物质总量／流通率9/3/202131\n（三）、生物地化循环的类型水循环气体型循环沉积型循环9/3/202132\n1.水循环(aquaticcycle)（1）水循环的意义：水是所有营养物质的介质；水对物质是很好的溶剂（库）；水是地质变化的动因之一。9/3/202133\n为什么高处往往比较贫瘠，低地比较肥沃？由于携带着各种营养物质的水总是从高处往低处流动，所以高处往往比较贫瘠，低地比较肥沃。例如沼泽地和大陆架就是这种最肥沃的低地，也是地球上生产力最高的生态系统之一。9/3/202134\n水循环示意图（2）.某地水循环示意图（ClodiusandKeller,1951）9/3/202135\n（3）人类活动对水循环的影响空气污染和降水；改变地面，增加径流；过度利用地下水；水的再分布。9/3/202136\n2.气体型循环(gaseouscycle)（1）氧循环（2）碳循环（3）氮循环（4）特点是贮存库主要是大气和海洋，循环功能完善，其循环具有明显的全球性。9/3/202137\n（2）碳循环(carboncycle)碳库碳循环的意义：碳是构成生物有机体的最重要元素，生态系统碳循环研究是系统能量流动的核心问题。人类活动通过化石燃料的大规模使用，造成了对碳循环的严重影响，可能是当代气候变化的重要原因。9/3/202138\n碳循环(carboncycle)化泥碳煤大气中CO2CO2碳化作用石油水生植物光合作用腐烂燃料呼吸作用光合作用腐烂扩散9/3/202139\n碳循环(carboncycle)温室效应：由于二氧化碳等温室气体对来自太阳的短波辐射有高度的透过性，而对地球反射出来的长波辐射有高度的吸收性，这就有可能导致大气层低处的对流层变暖，而高处的平流层变冷，这一现象称为温室效应。9/3/202140\n(1)减少CO2的排放：提高能源的利用效率——发电采用高效先进技术；大力发展不含碳的能源和低碳能源代替煤炭——水力发电、核能发电、充分利用各种再生能源（太阳能、风能、潮汐能等）、天然气、生物能（如沼气利用）等。(2)大力开展对CO2的吸收，固定和利用——海洋交换吸收、陆地植树种草、保护森林植被。保持碳循环相对平衡的生态对策9/3/202141\n（3）氮循环(nitrogencycle)陆地陆地其它动植物蓝藻浅层死有机物溶解死有机物土壤中无机氮库丢失于深层沉积中动植物活体共生或自由生活的固氮微生物死有机体陆地河流带走生物固氮大气库N2大气库HN3,NO,NO2,N2O，工业固氮（汽车,化肥,电厂）脱氮闪电化学反应海洋火山作用降水大气9/3/202142\n（4）沉积型循环(sedimentarycycle)磷循环硫循环特点是：分子或化合物无气体形态，以固体颗粒存在；贮存库主要是岩石、沉积物、土壤等；循环过程缓慢；循环是非全球性的，容易出现局部短缺。9/3/202143\n磷循环（phosphoruscycle）沉积型循环沉积物中的磷（约为土壤和海洋中千倍以上）陆地海洋死有机物土壤中的无机磷活有机物死有机物深海的磷活有机物捕鱼鸟粪悬浮在水中随河水带走摄取排泄死亡下,沉分解沉积溶解于水上升风化开采摄取排泄死亡上涌9/3/202144\n硫循环（sulfurcycle）陆地海洋沉积物（CaSO4,FeS2）溶解的SO42-SO2H2SSCaSO4FeS2死有机物活有机物SO42-降水SO2,SO42-扩散海浪SO42-大气上升，分化SO2FeS2死有机物活有机物SO42-H2SS分解化肥工业SO42-摄取扩散火山活动H2S,SO2,SO42-植物摄取SO2,SO42-降水SO2,SO42-化石燃烧SO2H2S,SO2,SO42-9/3/202145\n第四节生态系统中的信息及其传递生态系统的功能除了体现在生物生产过程，能量流动和物质循环外，还表现在系统中各生命成分之间存在着信息传递。信息传递是双向的。环境是生态系统的一种信息源。生态系统中包含多种多样的信息，大致可分为物理信息、化学信息、行为信息和营养信息。9/3/202146\n1．物理信息及其传递光信息——光强弱，光质，光照时间长短是重要的光信息。太阳能是光信息的重要初级信源。声信息——鸟类婉转多变的叫声；蝙蝠、鲸类发达的声纳定位系统。电信息——特别是鱼类，大约有300多种能产生0.2~2伏微弱电压，电鳗产生的电压能高达600伏。磁信息——鱼类遨游迁徙于大海，候鸟成群结队长途飞行……都靠动物自己的电磁场与地球磁场互相作用确定方向，方位。9/3/202147\n2．化学信息及其传递动物和植物间的化学信息植物产生气味，不同动物对植物气味有不同反应。蜜蜂取食与传粉靠植物的化学信息息素。动物之间的化学信息动物通过外分泌腺向体外分泌某些信息素。动物可利用信息素标记所表现的领域行为。动物向体外分泌性信息素，以沟通种内两性个体的性信息素交流。植物之间的化学信息化学他感作用。有亲和性的，也有相互拮抗性的。9/3/202148\n3．行为信息和营养信息许多植物的异常表现和动物异常行动传递了某种信息，可通称行为信息。生态系统中，生物的食物链是一个生物的营养信息系统。9/3/202149