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。

•捕食食物链：以植食动物吃植物的活体开始。

•碎屑食物链：从分解动植物尸体或粪便中的有机物质颗粒开始。

•寄生食物链：寄生物和食腐动物形成辅助食物链。

•水体生态系统中的食物链如：浮游植物→浮游动物→食草性鱼类→食肉性鱼类。

•比较长的食物链如：植物→蝴蝶→蜻蜓→蛙→蛇→鹰。

食物网•生态系统中的食物链彼此交错连接，形成一个网状结构，这就是食物网。

•物种在食物网中的位置类型：顶位种，中位种，基位种一个食物链的例子“螳螂捕蝉，黄雀在后” （（据周立志）食物链的特征➢食物链的长度通常不超过6个营养级，最常见的4—5个营养级，因为能量沿食物链流动时不断流失；➢食物链越长，最后营养级位所获得的能量也越少。

因为从起点到终点经过的营养级越多，其能量损耗也就越大；➢食物链或食物网的复杂程度与生态系统的稳定性直接相关；➢生态系统中的食物链不是固定不变的，它不仅在进化历史上有改变，在短时间内也会发生变化。

食物链和食物网的意义•食物链是生态系统营养结构的形象体现；•生态系统中能量流动和物质循环正是沿着食物链和食物网进行的；•食物链和食物网还揭示了环境中有毒污染物转移、积累的原理和规律。

食物网的控制机理•自上而下机理•自下而上机理•实际结果:两种效应同时控制空间与时间结构空间结构分层现象森林生态系统动物的空间分布水域生态系统的分层现象时间结构第二节生态系统的基本功能生物生产能量流动物质循环信息传递自我调节生物生产-----初级生产者的概念生产力是指单位时间、单位面积上的有机物质生产量。

单位：g／(m2·a)生物量是指在某一定时刻调查时单位面积上积存的有机物质。

单位是干重g／m2或J／m2。

生物生产-----初级生产者的概念植物所固定的太阳能或所制造的有机物质称为初级生产量或第一性生产量。

植物固定的能量有一部分被植物自己的呼吸消耗掉，剩下的可用于植物生长和生殖，这部分生产量称为净初级生产量。

包括呼吸消耗在内的全部生产量，称为总初级生产量。

总初级生产量(GP)、呼吸所消耗的能量(R)和净初级生产量(NP)3者之间的关系是：GP＝NP+RNP＝GP－R生物生产-----初级生产量的测定方法1.收获量测定法2.氧气测定法3.CO2测定法4.放射性标记物测定法5.叶绿素测定法生物生产-----初级生产力的分布次级生产次级生产指消费者通过摄取、吸收直接或间接来自植物生产的有机物质，通过消费者自身的生物过程将这些物质转化为自身有机物质的过程，在此过程中，植物制造的有机物质所包含的能量也有部分转化为消费者制造有机物质中储存的能量生物生产-----次级生产过程C=A+FUA=P+RP=C－FU—R其中：P代表净生产量，C代表动物从外界摄食的能量，FU代表粪、尿能量，R代表呼吸能量。

生物生产-----次级生产量的测定方法1．按同化量和呼吸量估计生产量P=A—R按摄食量扣除粪尿量估计同化量，即A=C—FU2．测定次级生产力的另一途径P=Pg+Pr式中：Pr代表生殖后代的生产量，Pg是个体增重的部分生态系统中的能量流动-----热力学定律热力学第一定律：在自然界发生的所有现象中，能量既不能消失也不能凭空产生，它只能以严格的当量比例由一种形式转变为另一种形式。

(又称为能量守恒定律)热力学第二定律：在封闭系统中，一切过程都伴随着能量的改变，在能量的传递和转化过程中，除了一部分可以继续传递和作功的能量(自由能)外，总有一部分不能继续传递和作功，而以热的形式消散，这部分能量使系统的熵和无序性增加。

能流特点⏹与物理系统中的区别⏹单向流⏹不断递减⏹质量提高能量流动规律-----林德曼效率所谓林德曼效率是指n+1营养级所获得的能量占n营养级获得能量之比。

既：林德曼效率＝（n+1）营养级摄取的食物/n营养级摄取的食物平均10％物质循环循环模式循环类型有渡物质循环生物地化循环(biogeochemical cycle)矿物元素在生态系统之间的输入和输出，它们在大气圈、水圈、岩圈之间以及生物间的流动和交换称生物地(球)化(学)循环，即物质循环(cycling of material) 。

生物地化循环的特点①物质循环不同于能量流动，后者在生态系统中的运动是循环的；②生物地化循环可以用库和流通率两个概念来描述。

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，可分为贮存库和交换库。

前者的特点是库容量大，元素在库中滞留的时间长，流动速率小，多属于非生物成分；交换库则容量较小，元素滞留的时间短，流速较大。

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。

③生物地化循环在受人类干扰以前一般是处于一种稳定的平衡状态。

④元素和难分解的化合物常发生生物积累、生物浓缩和生物放大现象。

生物积累、生物浓缩和生物放大生物积累(bioaccumlation): 指生态系统中生物不断进行新陈代谢的过程中，体内来自环境的元素或难分解的化合物的浓缩系数不断增加的现象。

生物浓缩(bioconcentration): 指生态系统中同一营养级上许多生物种群或者生物个体，从周围环境中蓄积某种元素或难分解的化合物，使生物体内该物质的浓度超过环境中的浓度的现象，又称生物富集。

生物放大(biomagnification): 指生态系统的食物链上，高营养级生物以低营养级生物为食，某种元素或难分解化合物在生物机体中浓度随营养级的提高而逐步增大的现象。

生物放大的结果使食物链上高营养级生物体中该类物质的浓度显著超过环境中的浓度。

生物地化循环的类型水循环气体型循环沉积型循环水循环(aquatic cycle)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；➢水是地质变化的动因之一。

水循环的途径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。

水循环示意图气体型循环(gaseous cycle)氧循环碳循环氮循环氧循环(oxygen cycle)碳循环(carbon cycle)氮循环(nitrogen cycle)沉积型循环(sedimentary cycle)磷循环硫循环磷循环（phosphorus cycle）沉积型循环硫循环（sulfur cycle）有毒物质的迁移和转化有毒物质的类型有毒物质的迁移和转化有毒物质循环的典型代表----汞循环有毒物质的类型有毒物质(toxic substance)又称污染物(pollutant)，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。

按污染物的作用分一次污染物和二次污染物。

前者由污染源直接排入环境的，其物理和化学性状未发生变化的污染物，又称原发性污染物；后者是由前者转化而成，排入环境中的一次性污染物在外界因素作用下发生变化，或与环境中其它物质发生反应形成新的物理化学性状的污染物，又称继发性污染物。

有毒物质的迁移和转化迁移(transport)是重要的物理过程,包括分散、混合、稀释和沉降等；转化(transformation)主要是通过氧化、还原、分解和组合等作用，会发生物理的化学的和生物化学的变化。

汞循环(mercury cycle)元素循环的相互作用自然界中的元素循环是密切关联和相互作用着的，而且表现在不同的层次上。

例如在光合作用和呼吸作用中，碳和氧循环是互相联结的。

海洋生态系统的初级生产的速率受到浮游植物的氮／磷比影响，从而使碳循环与氮和磷循环联结起来。

淡水生态系统中磷的有效性也受到底部沉积物中的硝酸盐和氧多少的间接影响。

由于大气二氧化碳含量的增加，可能使光合作用速率上升，全球气候变暖，并伴随着出现光强度的减弱和土壤湿度的降低。

植物在生理上对于二氧化碳含量的反应，又与对温度的反应强烈相关，同时还受到氮的有效性所约束信息传递⏹信息与信息量⏹信息及其传递⏹行为信息传递⏹营养信息传递生态系统的信息流动----信息的概念及其特征•狭义：通讯系统中的消息、情报、指令、数据和信号灯的传送。

•广义：事物存在的方式或运动状态以及各种方式、状态的表达。

•信息是客观存在，来源于物质，与能量有密切的关系。

•信息是重要的资源，可以采集、生成、压缩、更新和共享。

信息的类型及其传递•物理信息及其传递•化学信息–动植物之间–动物之间–植物之间•行为信息及其传递•营养信息及其传递生态系统的信息流动----信息化的生态系统1.阳光与植物间的信息联系•植物形态建成功能受阳光信息控制。

•光信息对植物种子的萌发作用有两重性。

•在量上，比光合作用需要的要少；在质上，超出了可见光的范围，在作用上，仅能启动植物发生和分化方式的转化。

生态系统的信息流动----信息化的生态系统2.植物间的信息交流•次生代谢物质，对基础代谢物质作用不大，但影响其它植物的生长强力地改变着生态系统的结构和组成。