第四节 海洋初级生产力和新生产力
海洋生态学讲稿第6章 海洋初级生产力
第六章海洋初级生产力第一节海洋生物生产及初级生产力的测定方法一海洋生物生产力(一) 生物生产力生物通过同化作用生产(或积累)有机物的能力1 初级生产力(primary productivity)自养生物通过光合作用和化学合成作用制造有机物。
初级生产力包括总初级生产力(gross, GPP)和净初级生产力(net, NPP):(1) 总初级生产力：自养生物生产的总有机碳量；(2) 净初级生产力：总初级生产量扣除呼吸消耗量。
呼吸作用通常估计为总初级生产力的10%左右。
2 次级生产力(secondary productivity)各级消费者直接或间接利用已生产的有机物经同化吸收，转化为自身物质(表现为生长、繁殖)的速率，即消费者能量储存率。
3 群落净生产力(net community productivity)在生产季节或一年的研究期间内未被异养者消耗的有机物质的储存率，即：群落净生产力=净初级生产力-异养呼吸消耗。
4 现存量与周转率(二) 初级生产过程的基本化学反应1 光合作用海洋中最主要的初级生产过程是光合作用过程。
叶绿素：将吸收的光能直接过通过电子传递给光合系统。
其吸收峰仅限于某些波长范围；叶绿素a吸收范围652~700 nm，吸收峰670~695 nm；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，但不能进行电子传递。
2 化学合成作用化学合成细菌(chemoautotroph) 借助简单的无机化合物(CH4、H2S等)氧化获得能量，还原CO2，制造有机物。
H2A+H2O → AO+4H++4e-H2A代表还原性无机物(如H2S)；AO为氧化终产物(如SO42-)。
以下步骤与光合作用的有关反应类似，即利用所产生的还原能[H++e-]一部分用于合成ATP，另一部分用于还原NAD。
4H++4e-+ADP+Pi+(O2) →ATP + 2H2O2H++2e-+NAD →NADH2再用来合成碳水化合物，与上述暗反应相同。
海洋生态学复习资料
1、海洋生态学：研究海洋生物有机体与其栖息地环境之间相互关系的科学。
2、分子生态学：以分子生物学方法研究分子进化，种群遗传，物种形成与进化生态学效应与规律的科学。
3、随着生态学的发展，关于生态学的定义有何新的内涵？现代生态学的发展已经不仅是生物科学中揭示生物与环境相互关系的一门分支学科，而已经成为指导人类对自然的行为准则的一门学科。
提出了“社会——经济——自然复合生态系统”的概念，高度概括为“人类生存的科学”。
研究生物生存条件、生物及其群体与环境相互作用的过程及其规律的科学；其目的是指导人与生物圈（即自然、资源与环境）的协调发展。
4、海洋生态学有哪些重要的研究成果？(1)在海洋初级生产力方面发现初级生产力是由再生产力和和新生产力两部组成，初步估计新生生产力在总初级生产力中所占比例，并且与海洋生物泵过程及海—气之间的CO2交换联系起来。
(2)在食物网结构研究中发现微型生物食物网结果及在海洋生态系统能流、物流中的作用。
(3)在生物地化循环方面对包括以碳为主的各种元素循环的源，汇集其与全球生态平衡的关系等方面都取得重要研究成果。
(4)发现热液口，冷渗口生态系统，对海底生物也有新的认识。
1、为什么说海洋是地球上最大的生态单位？联系海洋主要分区说明海洋在纬度、深度和从近岸到大洋三大环境梯度特征。
1) 地球表面大部分为海水覆盖，海洋约占地球面积的71%，平均深度为3820m，最深处超过10000m。
海洋的空间总体积达1370 ×106km3，比陆地和淡水中生命存在空间大300 倍。
所以，海洋是地球上最大的生态系统单位。
2) 大洋区是海洋的主体，包括太平洋，大西洋，印度洋，和北冰洋。
海洋具有三大环境梯度，即从赤道到两极的纬度梯度，从海面到深海海底的深度梯度以及从沿岸到开阔大洋的水平梯度。
①纬度梯度主要表现赤道向两极的太阳辐射强度逐渐减弱，季节差异逐渐增大，每日光照持续时间不同，从而直接影响光合作用的季节差异和不同维度海区的温跃层模式。
海洋生态学课后习题and解答
海洋生态学课后习题第一章生态系统及其功能1.生态系统概念所强调的核心思想是什么？生态系统是指一定时间和空间范围内，生物群落和非生物环境通过能量流动和物质循环所形成的相互联系相互作用并具有自动调节机制的自然整体。
生态系统概念所强调的核心思想是自然界生物与环境之间具有不可分割的整体性。
2.生态系统有哪些基本组分？各自执行什么功能？生态系统的基本组成可以概括为非生物和生物两部分，包括非生物环境，生产者、消费者、分解者。
①非生物成分：生态系统的生命支持系统，提供生态系统中各种生物的栖息场所、物质条件，也是生物能量的源泉。
②生物成分：执行生态系统功能的主体。
三大功能群构成三个亚系统，并且与环境要素共同构成统一整体。
只有通过这个整体才能执行能量流动和物质循环的基本功能。
（1）生产者：所有绿色植物、光合细菌、化能细菌等，制造的有机物是一切生物的食物来源，在生态系统能量流动和物质循环中居于首要地位。
（2）消费者：不能从无机物制造有机物的全部生物，直接或间接依靠生产者制造的有机物为生，通过摄食、同化和吸收过程，起着对初级生产者加工和本身再生产的作用。
（3）分解者：异养生物，包括细菌、真菌、放线菌、原生动物等。
在生态系统中连续进行与光合作用相反的分解作用。
每一种生物产生的有机物基本上都可以被已经存在于自然界的微生物所分解。
3.生态系统的能量是怎样流动的？有哪些特点？植物光合作用形成的有机物质和能量，一部分被其呼吸作用所消耗，剩下的才是可以供给下一营养级的净初级产量。
植食性动物只能同化一部分净初级生产量，其余部分形成粪团排出体外，被吸收的量又有一部分用于自身生命活动，还有一部分以代谢废物形式排出，剩下的才是能够提供给下一营养级的总能量。
服从热力学第一、第二定律，即能量守恒定律和能量转化定律。
能量单向流动，不循环，不断消耗和散失。
任何一个生态系统的食物链不可能很长，陆地通常3-4级，海洋很少超过6级，因为能量随营养级增加而不断减少，意味着生物数量必定不断下降，而维持种群繁衍必须要有一定数量保证。
第九章海洋初级生产力
辐散大陆锋； 海水辐聚带
湍流：在近岸海区，陆架的水下浅滩附近， 由于水深级生产所需营养物质的补充。
三、近岸水域的初级生产力
临界深度：在这个深度上方整个水柱浮游植物 的光合作用总量等于其呼吸消耗的总量。临界 深度通常大于补偿深度。
光合作用
深度
呼吸作用
补偿深度
临界深度 临界深度与补偿深度上 方和下方浮游植物的数 量比例及垂直混合的深 度有关。
六、牧食作用 过剩摄食：在浮游植物密度高的时候，被吞食的 植物细胞尚未被很好消化就从肠管排出的现象。
P：初级生产力； Rs：白瓶水样有机14C的放射计数； Rb：黑瓶水样有机14C的放射计数； R：加入14C的总放射性； W：海水总CO2量； N：培养时间。
P = (Rs-Rb) W/R·N
2、叶绿素同化指数法：在一定条件下，植物细胞 内叶绿素含量与光合作用产量之间存在一定的相 关性，根据叶绿素a与同化指数（Q）来计算初级 生产力。
五、海洋大型底栖植物的产量
海洋底栖植物的平均产量可能占海洋初级总产量的5-10％。
单细胞藻类
底栖植物
大型底栖植物 （海藻床、海草、 红树林等） 海藻床产量可达 很高水平
再生生产力：由再生N源（在真光层中再循环的N，主要是 氨态氮）支持的初级生产力，它主要反映真光层营养物质 循环的效率。 新生产力：由新N源（由真光层之外提供的N，主要是硝酸 态氮）支持的初级生产力，它主要反映从真光层之外的营 养物质补充的比例。从群落的相对稳定性这个观点来看， 可以认为在一个较长的时间周期中，新生产力与输出生产 力或群落净生产力的概念是一致的。
及海洋初级生产力评估
营养盐：营养盐是浮游生物生长和繁殖所必需的物质，不同营养盐浓度条件下海洋初级生产力 也会有所不同。
人为因素
海洋污染：人类活动产生的废弃物对海洋造成污染，影响海洋生物的 生存和繁殖
过度捕捞：过度捕捞导致海洋生物数量减少，影响海洋生态系统的 平衡
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海洋初级生产力评估
汇报人：
目录
01 02 03 04 05 06
添加目录项标题 海洋初级生产力概述 海洋初级生产力评估实践 海洋初级生产力影响因素 海洋初级生产力评估意义 未来研究方向与展望
01
添加目录项标题
02
海洋初级生产力概述
定义与意义
海洋初级生产力 定义
海洋初级生产力 的意义
引入新技术：积极引入大数据、人工智能等先进 技术，提高海洋初级生产力评估的效率和准确性， 为海洋生态保护和可持续发展提供有力支持。
拓展研究范围：将海洋初级生产力评估的 研究范围从近海扩展到远海，从浅海扩展 到深海，全面了解海洋初级生产力的分布 和变化情况。
加强国际合作：积极参与国际海洋科学研究合作， 引进国际先进技术和经验，推动我国海洋初级生 产力评估研究的国际化发展。
推动海洋保护与可持续发展
未来研究方向：提高海洋初级生产力的可持续性 未来研究方向：研究海洋生态系统与人类活动的相互作用 未来研究方向：探索海洋生态系 未来研究方向：加强国际合作与交流，共同推动海洋保护与可持续发展
感谢观看
汇报人：
海洋工程建设：海洋工程建设如海底隧道、港口等，对海洋环境造成 破坏，影响海洋生物的栖息和繁殖
气候变化：人类活动导致的气候变化，对海洋生态系统产生负面影 响，影响海洋初级生产力
海洋初级生产力
1. 简要说明光合作用中光反应、暗反应的基本化学反应及其作用。
2. 举例说明生产力与现存量、周转率之间是相互有联系，但却是完全不同的概念。
3. 结合酶动力学的米氏方程说明光合作用率与光照强度的关系以及浮游植物生长率与介质中无机营养盐的关系。
4. 海洋中有哪些HNLC海区？说明这些海区的特征以及浮游植物组成类别上与一般富营养海区的差别。
5. 分析不同纬度海区初级生产力的分布特征及其原因。
6. 为什么沿岸浅海区含有高的初级生产力水平？7. 什么叫新生产力和f比值？新生产力的光合作用商为什么比再生生产力的高？8. 如果大洋区和沿岸区初级生产力分别是70 gC/(m2•a)和300 gC/(m2•a)，f比值分别是0.1和0.5，则它们的新生产力相差多少倍？9. 不同海区物理、水文特征与生物组成及新生产力水平有什么关系？10. 研究海洋新生产力有何理论和实践意义？海洋初级生产力的测定1.14C示踪法2.叶绿素荧光测定法❖初级生产力（P）= 叶绿素含量（Chla）×同化指数（Q）❖优点：大大减轻工作量与费用，不必每个测站采用14C法❖影响因素：藻类适应性；环境营养盐含量；光照条件；温度等。
（三）黑白瓶测氧法（四）水色遥感扫描法❖收获量法、钟罩法、掉落物法等第二节影响海洋初级生产力的因素一、光the compensation depth:某一深度，植物24小时中光合作用生产量与呼吸作用消耗量相等，补偿深度上方才有净生产量。
纬度、季节、天气、浊度、时间、海况对补偿深度的影响。
二、营养盐1浮游植物生长需要的营养物质❖Redfield比值：C：N：P = 106：16：1❖海洋整体缺氮，部分海区缺磷2海水中营养盐含量与浮游植物生长的关系❖酶动力学Mechaelis-Menten方程：❖µ=µmax · N / (KN + N）❖吸收半饱和常数（KN）❖种群竞争限制性营养盐能力的一个重要指标3铁限制假说近岸有陆源补充，大洋表层依靠气溶胶沉降。
海洋生态学复习重点
海洋生态学复习重点第一章：生态系统及其功能1.生态系统的概念（P9）：指在一定时间和空间范围内，生物与非生物环境通过能量流动和物质循环所形成的一个相互联系、相互作用并具有自动调节机制的自然整体。
2.正负反馈的判断（P16）：正反馈是系统中的部分输出通过一定线路又变成输入，起到加强和促进作用；负反馈是输出反过来削弱和减低输入的作用。
3.生态系统服务的基本特征（P21）：①生态系统服务是客观存在的；②生态系统服务是生态系统的自然属性；③自然生态系统在进化发展规程中，生物多样性越来越丰富。
第二章：海洋环境和海洋生物生态类群1.海洋环境的三大梯度（P26）：①从赤道到两极的维度梯度；②从海面到深海海底的深度梯度；③从沿岸到开阔大洋的水平梯度。
2.海洋环境的特点（P27）：①由于海洋水体大，海水有较高的比热，加上混合作用，使得热量分布相对均匀，因而海洋温差小，温度变化缓慢；②海水组分稳定，缓冲性能好，即使有生物活动，其pH也相对稳定；③由于海洋表面与大气接触，加上光合作用产生氧气，所以表层氧气含量基本上饱和，高纬度表层海水冷却下沉冰箱低维度运动，就把氧含量高的表层水带到底层。
3.海洋生物生态类群包括：浮游生物、底栖生物和游泳动物。
4.浮游生物（P31-P32）：按体型①小型（<500um）②中型（500~1000um）③大型（>1000um）；按浮游时间①终生②阶段性③暂时性。
5.很多海洋游泳生物有周期性的洄游，鱼类洄游通常包括三个类型（P37-P38）：产卵洄游、索饵洄游、越冬洄游。
6.海洋浮游生物针对海洋环境的进化特征：P31-P36总结。
第三章：海洋主要生态因子及其对生物的作用1.谢尔福德耐受性定律（P48）：如果某一因子的量增加或降低到接近或超过这个界限，生物的生长和发育就受到影响，甚至死亡。
生物只能在耐受限度所规定的生态环境中生存，我们把这种最大量和最小量限制作用称为谢尔福德耐受性定律。
第4章 海洋初级生产力
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2.计算公式： P (Rs Rb)W RN
其中: P: 初级生产力(mgC/m2·h); Rs:白瓶中有 机14C的放射性计数；Rb:黑瓶水样中有机14C的放射 性计数；R为加入14C的总放射性；W为海水中CO2 量；N为培养时间。
3.具体方法: 现场法(in situ method); 模拟现场法 (simulated method)：
4.优点：准确度高
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（二）、现存量法
通过测算某一时间间隔始末，初级生产者现存量 的变化，推算出有机物质增量，即净初级生产量。
H2A+H2O
AO+4H++4e-
4H++4e-+ADP+Pi+(O2) →ATP + 2H2O 2H++2e-+NAD →NADH2 CO2＋2NADH2＋3ATP→(CH2O)＋H2O＋3ADP+ 3Pi+2NAD
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（三）海洋初级生产力的测定方法
（一）、14C示踪法 1. 原理：把一定数量的放射性碳酸氢盐
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。
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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。
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（CH4、H2S等）氧化获得能量， 还原CO2，制造有机物。
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6.现存量(standing crop)：是指绿色植物初级生产量被植食 动物取食及枯枝落叶掉落后所剩下的存活部分。 SC=GP-R-H-D
（2）化合作用
化能营养性的自养过程，仅在特殊情况下才有显著作用。
进行这一过程的主要是硝化细菌、硫化细菌、铁细菌、 氢细菌、沼气细菌等。这类细菌最常集中于好气条件和 嫌气条件的交界处，因为在它们的生命活动中既需要氧 又需要从有机质的嫌气性分解中形成的还原性化合物。
在水体中具备这种条件的主要是水底土壤和底层水中。 因此化合细菌的数量也是在水底土壤中最多，底层水中 次之，表层水最少。
2.淨初級生产量(net primary production) ：在初级生产 过程中，自养生物固定的能量有一部分被自己的呼吸消 耗掉，剩下的可用于自养生物的生长和生殖，这部分生 产量。
3.总初級生产量(gross primary production)：GP=NP+R
4. 初級生产力(primary productivity)：自养生物在一定空间 一定时间内所生产的有机物质积累的速率称为生产率 (productivity rate)，或生产力(productivity)。
初级生产量、次级生产量
根据生物的营养特点，生产量可分为初级产量 （primary production）和次级产量(secondary production)。
自养生物通过光合作用或化合作用在单位时间、 单位面 积或容积内所合成的有机质的量称为初级产量；
异养生物在单位时间内同化、生长和繁殖而增加的生物 量或所贮存的能量，称为次级产量。
海洋初级生产量平均为155g/ m2 · a；
在海洋初级生产者中，个体为0.2~20 µm的 浮游植物和自养原核生物的生产量约占海洋 初及生产量的90%~95%。
2 海洋初级生产力的测定方法
生物生产力就是生物通过同化作用生产（或积 累）有机物的能力，它包括：
初级生产力（primary productivity）
2(OH) → H2O2 → H2O + 1/2 O2
光分解时分离出来的氢原子(H)经过一段复杂的化学反应，
和二氧化碳形成碳水化合物。这段过程不需要光，为暗反应。
6CO2 + 6H2O + 2 826kJ＝C6H12O6 + 6O2 (二氧化碳) (水) (光能) (葡萄糖) (氧)
2 海洋初级生产力的测定方法
（1）黑白瓶测氧法； （2）14C示踪法 ； （3）叶绿素同化指数法。
黑白瓶测氧法
C白
C黑
C原
将几只注满水样的白瓶和黑瓶悬挂在采水深度处，曝光24 小时，黑瓶中的浮游植物由于得不到光照只能进行呼吸作用， 因此黑瓶中的溶解氧就会减少；
而白瓶完全曝露在光下，瓶中的浮游植物可进行光合作用， 因此白瓶中的溶解氧量一般会增加。因此，通过黑白瓶间溶 解氧量的变化，就可估算出水体的生产力。
( 2) 化学合成作用（chemosynthesis）
光合作用
绿色植物的光合作用是水体内自养生产过程的主要部分。
自养生物是借助太阳能合成有机质的，光合作用的全过程并不是 都需要光，而是需光的光反应和不需光的暗反应两个不可分割过 程的综合。
H2O → (H) + (OH)
两个OH-再形成H2O并放出O2
生产量是生产力的体现，一般说来，初级产量和初级生 产力是同义词，但次级产量不一定代表次级生产力。
生产量
生产量
现存量
现存量
A
减少量
B
减少量
两个平衡的群落（输入 ＝ 输出）的模式（A．输入和输出都较低、周 转慢；B．输入和输出都较高、周转快。）（引自 Krebs 1978 ）
生产者是生物群落中最基本和最关键的成分 海洋初级生产的重要意义：
第四节 海洋初级生产力和新生产力
（一） 生产力的各种基本概念 （二）初级生产力的测定方法 （三）影响初级生产力的因素 （四）海洋新生产力 (五) 海洋初级生产力的分布
海洋初级生产力研究一直是海洋科学的研究核心与热点之一， 尤其在生物海洋学中，几乎所有过程都与初级生产过程相关；
海洋初级生产力研究的历史
为海洋生态系统的运转提供能量来Leabharlann ；对全球的碳循环的重要影响;
估算渔业产量。
（二）海洋初级生产力的测定方法
1 初级生产过程的基本化学反应
（1）光合作用（photosynthesis） A．光反应（light reaction） B．暗反应（dark reaction）
辅助色素（accessory pigments）：包括胡萝卜素、岩 藻黄素、藻蓝蛋白等。 叶 绿 素 a （ Chla ） 吸 收 范 围 652~700 nm ， 吸 收 峰 670~695 nm，而可见光范围400~720 nm，辅助色素可 拓宽吸收范围，但不能进行电子传递
光能
CO2 ＋ H 2O 叶绿素 （CH2O）＋O2＋能量
• 单位：g(干重)/m2 ·a， g C/m2 ·a，J/m2 ·a。 • 说明：上式仅为代表式；强调时间过程。
光合作用的过程：
CO2 + H2O 叶绿日素光、能酶〔CH2O〕+ O2 由反应式可以看出氧气的生成量与有机质的生 成量之间存在着一定的当量关系，所以可以通 过测定瓶中溶解氧的变化，用O2量间接表示初 级生产力。
作为一门独立学科，始于20世纪20年代。 “奥斯陆海湾浮游生物生产力”调查报告
，标志海洋初级生产力研究的开始。 1952年引入14C示踪法后海洋初级生产力研
究出现了长足发展； 生物海洋学家开始引入新生产力的概念。
（一）生产力的各种基本概念、影响因素
1.初级生产量(primary production)：生态系统中自养生物 通过光合作用或化合作用，吸收和固定太阳能，由无机 物合成、转化成复杂的有机物。自养生物通过光合作用 或化合作用合成有机物质的数量称为初级生产量，也称 第一性生产。