生态系中的能量流动及物质循环.doc

2007 生態學 IV頁 8生態系中的能量流動及物質循環 (Energy flow and material cycling in ecosystem)生態系中的生物都被它們之間的能量及營養關係連繫著1.方向Direction能量流向(flow of energy):營養流向(flow of nutrients):經生產者及消費者:能量流, 營養流 能量以輻射散失到太空輸入:太陽土壤, 空氣及水體分解者Decomposer*- 能量的最終來源是太陽能 (solar energy)- 化學物質可以再循環 (recirculated )- 大部份能量的流動是單方向的 (unidirectional)，所以來自太陽的能量供應是必需的生產者(Producers)- 自養營養生物 (autotrophs)- 吸取: - 能量自太陽- 物質自無機物消費者 (Consumers)- 異養生物 (heterotrophs)- 從植物或動物中取得能量初級消費者 (Primary consumers) : - 草食性動物 (herbivores)次級消費者 (Secondary consumers): - 肉食性生物 (carnivores) 攝食初級消費者三級消費者 (Tertiary consumers): - 大的肉食性攝食次級消費者食腐動物 (Scavengers): - 攝食任何可得到的有機物質食碎屑生物 (Detritus-feeders): - 從吃下的泥中取得有機物 e.g. 蚯蚓（earthworms）, 蛆（maggots）, 海參（sea cucumbers）分解者 (Decomposer)- 異養生物 (腐生生物（saprobiont），主要是細菌（bacteria）及真菌（fungi)- 於死去生物聚積處最充裕- 分解有機廢物及生物死屍 (把有價值的營養再循環) 簡單無機物 綠色植物 (生產者)2.生態系統中的能量流2.1食物鏈（Food Chain）-能量的傳送自植物（生產者）經一系列生物（消費者）間吃與被吃-兩種基本類型:典型的捕食食物鏈中肉食生物體積沿食性層次上升而增加. i. 吃草的食物鏈（Grazing Food Chain）a.捕食食物鏈（Predator food chain）(陽光sunlight ) 綠色植樹 (生產者)草食性動物herbivores (初級消費者primary consumers)肉食性生物carnivores (次級消費者secondary consumers)更大的肉食生物greater carnivores (三級消費者tertiary consumers)典型的寄生食物鏈中寄生物體積沿食性層次上升而減少 b.寄生食物鏈（Parasitic food chain）(陽光sunlight ) 草grass 兔rabbit 蚤flea 鞭毛蟲flagellatesii.碎屑食物鏈（Detritus Food Chain）(植物plants 異養生物heterotrophs)(死去的有機物dead organic matter ) 微生物micro-organisms食碎屑動物 (detritivore / detritus feeding organisms)肉食性生物carnivores高級肉食性生物higher carnivores2.2食物網（Food Web）-互相連結的食物鏈 食物網-複雜的攝食關係-食物網越複雜便越穩定2.3.食性層次（Trophic level）-食物鏈中的位置-生物在食物鏈中經相同步數自植物取得食物的，屬於同一食性層次-所以同一生物在一個食物網中的不同食物鏈內可以是不同的食物層次-植物屬第一層食性層次第一食性層次First trophic level 植物(生產者) 第二食性層次Second trophic level草食性生物(初級消費者)第三食性層次Third trophic level 肉食性生物(次級消費者)第四食物層次Fourth trophic level 次級肉食性生物(三級消費者)-例:Community in生產者 (植物)初級消費者(草食性生物)次級消費者(肉食性生物)三級消費者(次級肉食性生物)淡水池塘Fresh water pondGreen algae protozoa mosquito larva fish 綠藻 原生動物 蚊幼蟲 魚岩岸Rocky shoreSea weeds mollusk starfish sea birds海藻 軟體動物 星魚 海鳥草地GrasslandGrass grasshopper lizard snake 草 草蜢 蜥蝪 蛇木林WoodlandGreen plants caterpillars tree sparrow merlin 綠色植物 毛蟲 麻雀 鴿艂隼2.4生態塔（Ecological Pyramids）-一生物群落中食性層次結構的圖形表達-最底層是生產者，而最高是頂級消費者i.數量塔（Pyramid of numbers）=顯示某一任何時間中每一食性層次的生物數量-通常沿著食物鏈自生產者到消費者的個體數目會減少，因為：- 能量於每一食性層次散失到環境中去 - 通常較高食性層次的生物體積會較大-好處:容易及方便-缺點:沒有考慮每一食性層次中的生長階段 (幼年及未成熟的階段與成體所需的能量不同), 、質量（mass）、 及能量（energy）-當生產者的體積較大時，倒轉金字塔（inverted pyramids）可能出現ii.生物量金字塔（Pyramid of biomass）=顯示於某一任何時間每一食性層次的有生命物質的總乾質量生物量（total dry weight of living material biomass) -好處:-比數量塔更準確（accurate）因為當能量於每一層次散失，於接著的一個食性層次所合成的生物量便會減少-缺點:-生物量樣本未必具代表性因為:-樣本數字未必夠大-只顯示某一時間的生物量而生物量的生產速率並未顯示-當生產者很細小、生命短及有快速繁殖率時，倒轉金字塔可能出現iii.能量或生產力金字塔（Pyramid of energy or productivity）=顯示於特定時間內每一平方米中不同食性層次內生物利用了的能量總和i.e. 於一單位時間內新組織或生物的生產量 (生產力productivity)-在研究生態系的運作時較生物量重要-金字塔形狀不受個體的不同大小及代謝速率影響- 沒有倒轉金字塔出現:總初級生產力Gross primary productivity = 每一單位面積及一單位時間中植物生產有機食物的速率淨初級生產力Net primary productivity =每一單位時間內植物生產的食物除去消耗後的剩餘次級生產力Secondary productivity =消費者合成體內生物量的速率草食性動物的生產力productivity of herbivores 植物的生產力productivity of plants由於 i.非所有植物被消費 ii.非所有被消費的植物被同化（assimilated ）(經排遺egestion散失) iii.非所有被同化了的能量被轉化成草食性動物的生物量(經呼吸作用 respiration散失) 只有小部份的能量可供同化作用成為活組織當能量沿著食物鏈再傳送上更高食性層次時相同事件會發生無論任何時候, 能量被生物利用時, 便會有部份散失到周圍去 所以能量傳遞（energy flow）是一單向過程，並且不可再循環-金字塔顯示的重要性:-限制了食物鏈的長度-約 10% 能量能傳至接著的層次:由於大量能量減少所以能量傳遞效率（efficiency of energy transfer）: 長鏈 短鏈- 食物鏈甚少長過 4 個食性層次-人類利用較低食性層次的食物較佳-利用縮短供給人類的食物鏈可解決食物短缺問題 e.g. 豆中的蛋白質取替牛肉中的蛋白質草grass 牛 cow 人 man豆pea 人man 不同食性層次間的能量傳遞及能量傳遞效率:respiration and decompositionMajority (70%) reflected and transmitted30% absorbed90% of GPPOnly 1.2% solar energy trapped by the plant as GPP10% of GPP 6.4 x 109 Jm-2 reaching the EarthPrimary consumer96% out of the 30% lost as heat10% in primary consumerSecondary consumer10% in secondary consumerTertiary consumer不同動物的能量關係：(a) 體積小 vs. 體質大e.g.兔與牛- 兔較牛每天散失較少熱量因為較小體積擁有較大的表面積對體積比例, 較少熱量經體表散失- Rabbits are more active than cows. They use more energy in moving about and thus much energy is lost in respiration.- Rabbits are more efficient in food assimilation than cows.(b) 草食性動物 (herbivores) vs. 肉食性動物 (carnivores); 變溫動物 (Poikilotherms) vs. 恆溫動物(Homoiotherms)(每頭動物消費 100 單位能量)Animalsfeeding preferenceEgested ( F )Assimilated( A )Respiration( R )Net production (P)R/P ratioPoikilothermsgrasshopperherbivore633724131.8wolf spidercarnivore8.291.857272.1Homoiothermsowlcarnivore1585850Highcowherbivore604039139- 草食性動物的同化效率(assimilation efficiencies) 較肉食性動物低 因植物中的纖維素(cellulose) 及木質素 (lignin) 較難消化-恆溫動物失去較多能量於維持體溫. 所以較少淨生產量2.6 生物放大 ( Biological Magnification )- 任何物質不可用於呼吸作用、不可體內分解或不易被排泄出的，將趨向累積於生物的組織內- 如高濃度的永久殺蟲劑及放射性物質 (較周圍環境可高出數以千倍)3.生態系統中的物質循環 (Recycling of Materials in the Ecosystem)-不斷循環流動-不可被創造-植物及動物皆互相依賴i.碳循環 ( Carbon cycle )主要的碳庫 : 空氣內及溶解於海洋中其他的 C 被封鎖於 : 化石燃料 (fossil fuels) e.g. 煤 (coal) , 石油 (oil) 植物及動物 碎屑 ( detritus), 腐植質 (humus) and 廢物 (wastes)圖：生態系中的碳循環化石燃料（煤、石油和天然氣）呼吸作用燃燒作用呼吸作用和分解作用初級消費者的碳化合物火山大氣中的二氧化碳(或溶解於水生生境水中)生產者的碳化合物光合作用攝食爆發次級消費者的碳化合物三級消費者的碳化合物屍體、廢物和殘餘身體組織的含碳化合物分解者的碳化合物屍體和排泄物分解作用攝食攝食總結:1. 空氣中的碳以二氧化碳形式被植物吸收進行光合作用進入生命體中，沿食物鏈逐步進入不同生物體內2. 生物體內的碳藉以下過程再成為空氣中的二氧化碳:i. 呼吸作用ii. 生物的屍體、廢物和殘餘身體組織的含碳化合物經分解者進行分解作用及呼吸作用iii. 任何含碳化合物的被燃燒 (生物的屍體、廢物和殘餘身體組織 + 化石燃料 + 火山爆發)ii.氮循環 ( Nitrogen cycle )圖：生態系中的氮循環豆科植物根瘤中的共生固氮細菌(Rhizopium) 進行固氮作用降雨大氣中的氮土壤中的硝酸離子化學肥料中的氨化物泥土中的自由固氮細菌 進行固氮作用閃電工業過程耕種施肥脫氮細菌進行反硝化作用 (脫氮作用)屍體和排泄物屍體、廢物和剩餘身體組織的氮化合物土壤中的氨三級消費者的蛋白質土壤中的亞硝酸離子硝酸細菌進行硝化作用 , e.g. Nitrobacter亞硝酸細菌進行硝化作用e.g. Nitrosomonaws攝食攝食攝食腐敗細菌進行腐敗作用生產者的蛋白質初級消費者的蛋白質次級消費者的蛋白質固氮細菌中的蛋白質供給豆科植物的氨吸收及同化作用空氣中的氮氧化物總結:1. 植物用以製造的蛋白質及核酸的氮元素必須從根部吸收土壤中的