生态系统生态学
生态学课件第五章 生态系统生态学
生态系统分解作用
• 3、分解作用测定 • 网袋法： • 一般通过埋放装有残落物的网袋以观察土壤动物 的分解作用。 • 网袋具有不同孔径，允许不同大小的土壤动物出 入，从而可估计小型、中型和大型土壤动物对分 解的相对作用，并观察受异化、淋溶和碎裂三个 基本过程所导致的残落物失重量。
生态系统分解作用
P= R × C × 3.7 k
• P=浮游植物的净初级生产力；R=相对光合速率； k=光强度随水深度而减弱的衰变系数；C=水中的 叶绿素含量。
生态系统初级生产
• • • • • • 4、初级生产量的测定方法 收获量测定法 氧气测定法 CO2测定法 放射性标记物测定法 叶绿素测定法
生态系统次级生产
食物链与营养级
• 2、食物网(food web) • 食物链彼此交错连结，形成一个网状结构。
食物链与营养级
• 3、营养级(trophic levels)
• 营养级是指处于食物链某一环节所有生物种的 总和。 • 生态系统中的营养级一般只有四、五级，很少 有超过六级的。
营养级(trophic levels)
• 分解作用过程包括碎裂、异化和淋溶。
生态系统分解作用
•ห้องสมุดไป่ตู้2、分解者
• 细菌、真菌和土壤动物。 • • 动物分四个类群： • ①小型土壤动物（microfauna）：包括原生动物、线虫、 轮虫、最小的弹尾和螨； • ②中型土壤动物（mesofauna）：包括弹尾、螨、线蚓、 双翅目幼虫和小型甲虫； • ③大型（macrofauna）土壤动物：包括千足虫、等足目 和端足目，蛞蝓、蜗牛； • ④巨型（megafauna）土壤动物：包括蚯蚓等。
• 能量锥体或金字塔(pyramid of energy)
生态系统生态学
第四章生态系统生态学生态系统的结构生态系统的基本功能主要生态系统的类型生态系统的结构●生态系统的组成要素及功能●生态系统物种结构●生态系统营养结构●生态系统的空间与时间结构生态系统的基本概念⏹生态系统（ecosystem）的定义:指在一定的空间内，生物成分和非生物成分通过物质循环和能量流动互相作用、互相依存而构成的一个生态学功能单位，这个生态学功能单位称生态系统。
（英国植物生态学家A.G.Tansley(1935)提出）生态系统的组成成分无机物有机化合物气候因素生产者(producer)消费者(consumer)分解者(还原者)(decomposer)•生产者（producers）又称初级生产者（primary producers），指自养生物，主要指绿色植物，也包括一些化能合成细菌。
这些生物能利用无机物合成有机物，并把环境中的太阳能以生物化学能的形式第一次固定到生物有机体中。
初级生产者也是自然界生命系统中唯一能将太阳能转化为生物化学能的媒介。
♦消费者不能利用无机物质制造有机物质，而是直接或间接依赖于生产者所制造的有机物质。
它们属于异养生物。
⏹分解者（composers），指利用动植物残体及其它有机物为食的小型异养生物，主要有真菌、细菌、放线菌等微生物。
小型消费者使构成有机成分的元素和贮备的能量通过分解作用又释放到无机环境中去。
生态系统各成份的相互关系线条粗细表示作用强弱和物质能量流通的总量多寡无机物质有机物质气候因素生态系统各成份的相互关系线条粗细表示作用强弱和物质能量流通的总量多寡无机物质有机物质气候因素生态系统的物种结构⏹物种结构⏹关键种⏹冗余种⏹物种在生态系统中的作用⏹镏钉假说⏹冗余假说生态系统的营养结构•食物链•食物网–食物网的结构特点–食物网的控制机理食物链及其类型•生产者所固定的能量和物质，通过一系列取食和被食的关系而在生态系统中传递，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。
生态系统生态学
2. 生态锥体（ecological pyramid） 若以一个多层柱状体的横柱代表营养级， 横柱的宽度表示各营养级的量，且按食物 链中营养级的顺序，由低至高排列起来， 所组成的图形称为生态锥体，也可以称为 生态金字塔。 各营养级的量可以用数量、生物量或能量 来表示，因此，生态锥体有： 数量锥体 （pyramid of number） 生物量锥体（pyramid of biomass） 能量锥体 （pyramid of energy）
营养结构是指一种以营养为纽带，把生态系统中 的生物成分和非生物成分紧密结合起来，构成生 产者、消费者和分解者三大功能群，能量流动、 物质循环和信息传递成为三大功能的有机整体。 生态系统研究就是以营养结构研究为基础的。
生态系统可分为三个亚系统，即生产者亚系统、 消费者亚系统和分解者亚系统。
4.1.3 食物链和食物网
生态锥体的特点：
由于生物个体大小相差悬殊，数量锥体经常有倒 置现象。 生物量锥体的倒置是指在特定时间上进行调查可 能出现的结果，若以动态观点来看，高营养级的 多生物量肯定是依赖于更多前营养级的生物量， 不可能出现倒置。 能量锥体的典型金字塔形则强调的是在能量流动 过程中，由于部分能量在传递过程的损耗，不可 能出现倒置现象。 数量锥体可能过高地估计了小型生物的作用，而 生物量锥体则过高强调了大型生物的作用，能量 锥体以热力学为基础，较好地反映了生态系统内 能量流动的本质。
1. 食物链（food chain） (1) 食物链定义
生产者所固定的能量和物质，通过一系列取食和 被食的关系在生态系统中传递，各种生物按其食 物关系排列的链状顺序称为食物链。 由于受能量传递效率的限制，食物链的长度不可 能太长，一般食物链都是由4～5个环节构成的。 生态系统中的食物链不是固定不变的，只有在生 物群落组成中成为核心的、数量上占优势的种类 所组成的食物链才是稳定的。
第五章 生态系统生态学
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
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 土壤作用 减缓干旱和洪涝灾害 净化空气和调节气候
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
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 :
生态系统生态学
生态系统生态学简介生态系统生态学是生态学的一个重要分支，研究的是生物与环境之间的相互作用关系和能量流、物质循环的规律。
它关注的是整个生态系统的结构、组成与功能，以及生物与环境之间的相互关系。
生态系统生态学不仅对于理解生态系统的演变和稳定具有重要意义，还对于生态系统的可持续发展和生物多样性的保护具有深远的影响。
生态系统的定义生态系统是由生物群落、与之相互作用的非生物因素组成的一个相互联系的整体。
它包括了生物群落内的各种生物个体以及它们的生境环境。
生态系统一般分为陆地生态系统和水生生态系统两大类，其中陆地生态系统包括森林、草原、沙漠等，而水生生态系统则包括湖泊、河流、海洋等。
生态系统的组成生态系统由生物群落和环境因素组成。
生物群落是由不同物种的个体组成的群体，它包含了植物、动物和微生物等各种生物。
这些生物之间通过食物链或食物网相互联系，在共同的生境中共同生存和繁衍。
而环境因素则包括了光、温度、湿度、土壤因子等非生物因素，这些因素对于生物的生存和发展都有着重要的影响。
生态系统的功能生态系统具备多种功能，其中包括能量流动、物质循环和维持生物多样性等。
能量流动能量是生态系统中最基本的驱动力之一。
光合作用是能量输入的主要方式，通过植物的光合作用，将太阳能转化为化学能，再通过食物链和食物网传递给其他生物。
能量在生物体内经过代谢转化，最终以热能的形式散失到环境中。
能量的流动保证了生态系统中生物的生存和生活活动。
物质循环物质循环是生态系统中的另一个重要功能。
生态系统中的物质包括了水、碳、氮、磷等多种元素，它们在生物体内不断循环利用。
植物通过光合作用吸收二氧化碳，并将其转化为有机物，同时释放氧气。
动物则通过食物链获得有机物，并将其代谢产生的废物排出体外。
这些废物又成为其他生物的养分，形成了物质循环。
维持生物多样性生态系统中的生物多样性是生态系统的重要组成部分，也是生态系统正常运作的关键。
生物多样性包括了物种多样性、遗传多样性和生态系统多样性等。
生态系统生态学
第五章生态系统生态学第一节生态系统的一般特征第二节生态系统的能量流动第三节生态系统的物质循环第四节自然生态系统第一节生态系统的一般特征* § 1 生态系统的概念* § 2 生态系统的组成成分* § 3 生态系统的结构* § 4 生态系统的功能* § 5 生态系统的稳定性* § 6 生态系统的服务功能§1 生态系统的基本概念* 生态系统( ecosystem )的定义:* 由英国植物生态学家A.G.Tansley(1935) 提出* 指在一定的空间内，生物成分和非生物成分通过物质循环和能量流动互相作用、互相依存而构成的一个生态学功能单位，这个生态学功能单位称生态系统。
* 生态系统的特点:* 生态系统是生态学的一个主要结构和功能单位，属于经典生态学研究的最高层次；* 生态系统具有自我调节能力；* 能量流动、物质循环和信息传递是生态系统的三大功能；* 生态系统中营养级的数目受限于生产者所固定的最大能量和这些能量在流动过程中的巨大损失，因此，营养级的数目通常不超过5－6个；* 生态系统是一个动态系统，要经历一系列发育阶段。
§2 生态系统的组成成分* 无机物* 有机化合物* 气候因素* ②生产者(producer)* ③消费者(consumer)* ④分解者( 还原者)(decomposer)§3 生态系统的结构* 空间结构* 时间结构* 营养结构(生物结构)* 食物链(C.Elton,1927)* 食物网* 食物链和食物网概念的意义* 生态系统的营养结构及能流和物流间的关系一个食物链的例子“ 螳螂捕蝉，黄雀在后” 食物链* 食物链( food chain )和营养级( trophic level )：食物链指生态系统中不同生物之间在营养关系中形成的一环套一环似链条式的关系，即物质和能量从植物开始，然后一级一级地转移到大型食肉动物。
生态系统和生态学的概念和原理
生态系统和生态学的概念和原理人类是地球上生态系统的一份子，我们的健康和生存依赖于生态系统的稳定和健康。
生态学提供了解决我们与自然之间的关系的基础知识和工具，以及生态问题的解决方案。
本文将介绍生态系统和生态学的概念和原理。
一、什么是生态系统生态系统是包括生物（植物、动物和微生物）与非生物因素（水、大气和土壤）之间复杂互动的系统。
生态系统可以是山区、森林、河流、湖泊、海洋、草地和城市等广泛范围的生态环境区域。
生态系统中的生物组成一个生命群落，彼此之间存在着复杂的关系，从而形成种群。
而这些种群之间的关系和环境的关系，就构成了生态系统。
二、生态学的研究对象生态学研究生态系统的结构、功能和相互关系，以及如何保持生态系统的稳定和健康。
在生态学领域内，我们主要研究以下几个方面：1. 一物种的生与死生态学研究一种生物在生态系统中所扮演的作用，当这种生物死亡之后，对周围生态系统的影响是什么，这是很重要的。
因为，如果一物种死亡之后对周围的生态系统产生的影响非常大，那么在以后的生态循环中，也会对周围的生物产生很大的影响。
2. 群落的发展和演替生态学还研究生态系统中各种群落的发展和演替的规律。
从一个初期的生态系统出发，一步步发展到一个复杂的、多样化的生态系统，这个过程被称为演替。
每个演替阶段都形成一种不同的生态系统。
3. 生态系统中的物质和能量转移当谈到生态系统的时候，总会提到“食物链”，食物链是描绘一个群落内各种生物之间的关系和能量转移过程。
也就是说，食物链描绘了生态系统中物质和能量的流动和转移过程。
4. 生态系统的稳定性生态系统要想保持稳定，各种要素之间的相互关系需要达到一种均衡状态。
生态学研究这种稳定的状态，以及如何保持这种稳定状态。
例如：如果一个物种突然绝灭，这个物种对其他物种的约束将失去，这样生态系统就会失去这个物种的影响，最终导致生态系统的不稳定。
三、生态学的原理生态学按照生态学设备的不同，可以分为许多学科。
生态环境-4-5生态学 生态系统(组成、功能) 生态平衡
太阳能对地球表面上能量的传递特 点（2）
B 太阳辐射中的紫外线大部分没有到达地表。这 部分光谱有足够的能量能使化光键断裂，因此各 种生命系统都必须防护免于过分受其照射。
C达到地球表面的太阳能量中有小部分由地面即 反射回空间去，还有一小部分转变为量后再辐射 回空中。
D地球表面各处的太阳能辐射量是不同的。
5.生态系统的组成
必要部分：生物（自养者，分解者、转变者）和 非生物（阳光，营养分）组成
非必要部分：非必要的部分主要是各级消费者 （他养生物）
归纳起来，生产者、消费者、还原者（分解者和 转变者）以及无机营养分是生态系统的四个基本 组成
非必要的部分主要是各级消费 者，它是靠生产者的有机物质为
由上右知，一半用于饲养牲畜后，可供供养的农 民数量是原来的11/20倍。
9.生态系统中的物质循环
各种生物维持生命所必需的化学元素虽然为数众 多，但生物体全部原生质(Protoplasm)中约有 97%以上是由氧、碳、氢、氮和磷五种元素组成， 此外还有硫、钙、镁、钾等等。这些主要的化学 元素在生物圈中的物质循环过程，包含有生物的、 地质的和化学的系统，因而称为生物地质化学循 环
森林是地球之肺
氧与二氧化碳的循环变化是地球生物圈存在的基础。
二氧化碳的吸收者（生物的呼吸作用，特别是人类进行的 各种燃烧过程，消耗大量的氧，同时释放出相应数量的二 氧化碳。如果没有绿色植物的造氧作用，不难设想，总有 一天生物就会从地球上消失掉。
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生产量和现存量关系示意图
生产量 P 生产量 P 现存量 减少量E P＝△B＋E B 减少量E
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现存量 A
2013-2-6
总初级生产与净初级生产
• 初级生产过程可用下列方程式概述： 光能 6CO2＋6H2O C 6H12O6 ＋ 6O2 叶绿素 • 总初级生产 (gross primary production, GP)与净初级生 产(net primary production, 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 · a1；植物总初级生产（量）减去呼吸作用消耗掉的 2013-2-6 7 （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－R
� 营养关系 � 生态锥体 � 生态效率
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• 水生生态系统的能流过程
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生态系统能流分析的方法
• • • • 直接观察法 肠胃法 血清技术 同位素示踪分析法
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稳定同位素法对生态系统进行能流分析
• 元素、核素、同位素、稳定同位素 • 许多化学元素有几种稳定同位素，如 C的稳定同位素包 括 和12C和 13C，N的稳定同位素包括 15N和14N，S的稳 定同位素包括 34S和32S，它们在不同的环境以及不同的 生物体中的含量不同。 • 用稳定同位素进行能流分析的原理：由于不同的生物的 稳定同位素来源不同、对稳定同位的选择性利用，因 此，所含的轻重稳定同位素的比例不同。如生物在蛋白 质合成过程中，轻的 N同位素被选择性地排出，结果体 内的15N相对于食物较高，因而当物质从一个营养级进入 2013-2-6 26 下一个营养级，组织中的 15N浓度变得较为丰富。生态系 统中，最高的营养级 15N的相对浓度最高，最低的营养级 15N的相对浓度最低。由于 C4植物含有相对高的 13C ，因 此，稳定同位素分析可以物种食物中的 C3和C4的相对
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能量流动的生态效率
• 生态效率（ecological efficiencies ）: 是指各种能流参 数中的任何一个参数在营养级之间或营养级内部的比值 关系。最重要的生态效率 (Kozlovsky,1969) 有同化效率、 生长效率、消费或利用效率、林德曼效率。 � 同化效率(assimilation efficiency,AE): 衡量生态系统中 有机体或营养级利用能量和食物的效率。 AE=An/In, An 为植物固定的能量或动物吸收同化的食物， In为植物吸 收的能或动物摄取的食物。 � 生长效率(growth efficiency, GE) : 同一个营养级的净生 产量（Pn）与同化量（An）的比值。GE＝Pn／An。 消费或利用效率 (comsumption efficiency,CE) : 一个营 19 � 2013-2-6 养级对前一个营养级的相对摄取量。 CE＝ In＋1／Pn， In＋1为n＋1营养级的摄取量， Pn为n营养级的净生产量。 � 林德曼效率 (Lindeman efficiency) : 指n与n＋1营养级 摄取的食物量能量之比。它相当于同化效率、生长效率 和利用效率的乘积，即： I ／I ＝ A /I · P ／A · I
§3 生态系统的能流过程
• 生态系统能量流动规律 • 生态系统中能流途径 • 能量流动的生态效率
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生态系统能量流动规律
• 生态系统是一个热力学系统，生态系统中能量的传递、 转换遵循热力学的两条定律： � 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，任何形式的能（除了热）转化到另 一种形式能的自发转换中，不可能 100％被利用，总有 一些能量作为热的形式被耗散出去，熵就增加了。 • 生态系统中能流特点（规律）： � 能流在生态系统中是变化着的； 2013-2-6 15 能流是单向流； � � 能量在生态系统内流动的过程，就是能量不断递减的 过程； � 能量在流动过程中，质量逐渐提高。
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生态锥体(Charles Elton,1927)
• 生态锥体（ecological pyramid）: 能量通过营养级逐 级减少，如果把通过各营养级的能流量由低到高用图 型表示，就成为一个金字塔形，称能量锥体或能量金 字塔。同样如果以生物量或个体数目来表示，可能得 到生物量锥体（ pyramid of energy ）和数量锥体 1 （pyramid of number ） 。三类锥体合称为生态锥体。 1
黑白瓶法
放 置 于 黑瓶 对照瓶 白瓶 (净光合作用) 水 （呼吸作用） （消除误差） 样 深 度 2013-2-6 10 一定时间后，测各瓶的含氧量变化，求初级生产量 处
次级生产的基本特点
C=A+Fu A=P+R C=P+Fu+R P=C-Fu-R 食物 资源 Ⅰ
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被采 未采 食 食
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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 (standing crop) 。 现存的数量以N表示，现在的生物量以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): 是在一定时间阶段中，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，即含有速率的概念。有的文 2013-2-6 献资料中，生产量、生产力 (production rate) 和生产率 5 (productivity) 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 段时间内生态系统中积存的生物量。
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生物生产
• 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。生物生产常分为个体、 种群和群落等不同层次。 • 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（primary production），或第一性生产。 • 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（secondary production），或第二性生产。
生态系统生态学
• • • • 第一节 生态系统的一般特征 第二节 生态系统的能量流动 第三节 生态系统的物质循环 第四节 自然生态系统
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内容提要 � 单元测试
�
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第二节 生态系统的能量 流动
• • • • §1 生态系统的生物生产 §2 生态系统中的分解 §3 生态系统的能流过程 §4 生态系统能流分析
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§2 生态系统中的分解
• 资源分解的过程：分碎裂过程、异化过程和淋 溶过程等三个过程。 • 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； �稳定和提高土壤有机质含量，为碎屑食物链以 后各级生物生产食物； 2013-2-6 13 �改善土壤物理性状，改造地球表面惰性物质； � 实践意义： �粪便处理
能流分析
• • • • • • 研究生态系统能流的途径 生态系统层次上能流研究的原理 生态系统能流分析的内容 生态系统层次上能流研究的步骤 生态系统能流分析的方法 能流分析的实例
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2-6
研究生态系统能流的途径
• 生态系统能流分析可以在个体、种群、群落、 和生态系统层次上进行。
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– – – 2013-2-6 – – 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；
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• ⑷ 结合各个营养级的信息，获得营养金字塔 或能流图。
湖泊能流分析的内 容
� 初级生产 � 次级生产
• 水生生态系统的生物生产
• 水生生态系统的能量收支 • 水生生态系统的能量格局
�
课堂讨论
参考文献 � 思考题 2013-2-6 � 预习内容
�
2
§1 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 初级生产量的测定方法 次级生产 次级生产的基本特点 次级生产量的测定方法
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2 a 生物量锥 体 (gDW · m-2 ) b 能量锥体 (kcal · m-2 · a 1) c 数量锥体 (个体 · ha-1)
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生态锥体
• 数量锥体以各个营养级的生物个体数量进行比较， 忽视了生物量因素，一些生物的数量可能很多，但 生物量却不一定大，在同一营养级上不同物种的个 体大小也是不一样的。 • 生物量锥体以各营养级的生物量进行比较，过高强 调了大型生物的作用。 • 能量锥体表示各营养级能量传递、转化的有效程 度，不仅表明能量流经每一层次的总量，同时，表 2013-2-6 明了各种生物在能流中的实际作用和地位，可用来 评价各个生物种群在生态系统中的相对重要性。能 量锥体排除了个体大小和代谢速率的影响，以热力 学定律为基础，较好地反映了生态系统内能量流动
生态系统中能量流动的途径