第四章 农业生态系统的结构与功能ppt课件

.,第四章农业生态系统的结构与功能,生态系统的结构是指生态系统组分在空间、时间上的配置及组分间的能量物流顺序关系。生态系统的结构是功能的基础，只有具有合理的结构才能产生高效的功能。,.,2,系统的结构：,第一节农业生态系统的结构,构成系统的组分,系统组分在时间、空间上的分布,组分之间的联系方式和特点,.,3,农业生态系统的结构主要指农业生态系统中的构成要素即农、林、牧、副、渔各业以及各业内部的组成要素之间的配置方式，能量和物质在各成分或组分要素间的转移、循环途径。生态系统的结构包括层次结构、营养结构和时空结构,.,4,农业生态结构是一个多层次的复合大系统，它由许多子系统或亚系统组成，划分农业生态系统的层次结构的方法很多，根据系统占据的区域范围大小和物种组成来分，可将农业生态系统分成不同的层次结构。1、区域宏观结构2、农林牧副渔综合发展结构3、农田生态系统结构4、种群水平上的生产结构,一、层次结构,.,5,生态系统内，生物与生物之间，或生物与环境之间，通过营养食性关系联结起来的结构，称为营养结构。食物链和食物网是营养结构的基本单元，是物质、能量、信息流通的主要渠道。食物链及其类型食物链的特点食物网,二、营养结构,.,食物链指生物与生物之间，或生物与环境之间，通过营养关系所联系联结成链状序列。营养级指生物在食物链上所处的位置，食物链上的每一个环节就称为一个营养级。,.,食物链的类型,捕食食物链腐食食物链寄生食物链混合食物链,.,捕食食物链,草牧食物链，从绿色植物开始，再到草食动物，肉食动物，食物链成员有自小到大，从弱到强的趋势，这与捕食能力有关。如：青草兔子狐狸老虎。,.,腐食食物链,又叫碎屑食物链，主要以死的动植物有机体或生物排泄物为食物，通过腐烂、分解，将有机物质分解为无机物质的食物链。如：植物残体蚯蚓鸡；植物残体真菌。,.,寄生食物链,以寄生的方式取食活的有机体而构成的食物链如：大豆大豆兔丝子；牛蚊子蜘蛛，马马蛔虫。混合食物链构成食物链的各环节中，既有活食性生物，又有腐食性生物,.,食物链的特点,同一食物链中，常因食性和生活习性不相同而有多种生物，如动物、植物、微生物。同一生态系统中往往有多条食物链，它们长短不同，营养级数目不同。不同的生态系统所包含的各种类型的食物链的比重不同。任何生态系统中的各类食物链总是协同作用。,.,食物网,概念食物链之间交错纵横，彼此相连，构成一种网状结构，这就是食物网。食物网的本质是生态系统中有机体之间一系列反复地吃与被吃的相互关系，这种现象在自然界中极为普遍，它不仅维持着生态系统的相对平衡，并推动着生物的进化，成为自然界发展演变的动力。,.,森林生态系统食物网,.,14,（1）农业生态系统的食物链上各营养级的生物成员是人类按生产目的安排的（2）农业生态系统中食物链上的各生物成员的生长发育也受到人为控制（3）农业生态系统的营养结构简单，食物链简短而且种类很少（4）营养结构对无机物转化为有机物非常充分合理,农业生态系统营养结构的特点,.,15,农业生态系统的层次结构是对不同农业生态系统的一种分类方法，就某一个具体的现实系统而言，系统的边界已经确定，则边界内的元素都是系统的内容或组分，因此系统的组分种类及其量比关系、营养结构、时间结构和空间结构才是农业生态系统结构的具体内容。,三、时空结构,一、时间结构根据各种资源的时间节律和农业生物的生长发育规律，从时间上合理搭配各种类型的农业生物，使自然资源和社会资源得到最有效的利用，形成农业生态系统随着时间推移而表现出来的不同结构。二、空间结构1.水平结构2.垂直结构,.,16,农业生态系统的功能是指系统中的物质流动、物质循环、信息传递及价值转换的过程、特点及其转化效率一、能量流动二、物质循环三、信息传递四、价值转换,第二节农业生态系统的功能,.,17,能量是生态系统的原动力，生态系统中各种生物的生理状况、生长发育行为、分布和生态作用，主要由能量需求状况的满足程度所决定。对生物体而言，能量的主要形式为辐射能、生物化学能、机械能和热能,一、能量流动（太阳辐射能是生态系统中能量的最主要来源）,.,18,能量流动：生态系统的能量输入、传递、转化和丧失的过程。绿色植物通过光合作用，将太阳能转化为本身体内的化学能，固定在植物有机体内的化学能再沿着食物链，从一个营养级传递到另一个营养级，实现了能量在生态系统内的流动转化。特点：单向流动，逐级递减,.,19,能量在流动转化过程中严格遵守热力学定律1.热力学第一定律又称能量转化与守恒定律2.热力学第二定律即能量在转化过程中总存在着衰变现象，即总有一部分能量从浓缩的、较有序的形态，变为稀释的、不能利用的形态。热力学第一定律强调了农业生产上千方百计地固定更多的太阳能的重要意义。热力学第二定律强调在生态系统的存在与发展中，必须不断地输入能量和物质，以维持能量的消耗，同时也要注意改善系统的结构和功能，提高能量转化效率。,.,20,1.初级生产生态系统中的能量流动开始于绿色植物通过光合作用对太阳能的固定，这是生态系统第一次固定能量2.次级生产异养生物吸收和利用初级生产量转化为自身的营养和能量的过程3.分解生态系统的分解过程是死亡有机体的逐步降解分解者将无机元素从有机物之中释放出来，称为矿化（与光合作用无机营养元素的固定是相反过程）,生态系统中能量的实现过程,.,生态系统中能量沿食物链的流动,.,22,.,23,概念：各种化学元素，包括生命有机体所必需的营养物质，在不同层次、不同大小的生态系统内，乃至生物圈内，沿着特定的途径，从环境到生物，从生物到生物，从生物再回到环境，不断地进行这流动和循环特点：1.物质不灭，循环往复2.物质循环和能量流动相辅相成3.物质循环的生物富集4.各物质循环过程相互联系,二、物质循环,.,24,地球上的各种化学元素（包括原生质的所有的各种元素）在生物圈里沿着特定途径从环境到生物体，再从生物体回到环境，不间断地运动着，这些层次不同的循环称为生物地球化学循环，是生物圈中生物有机体与非生物环境之间物质交换的过程，是生态系统内部化学元素的交换。,生物地球化学循环,生物地球化学循环是物质循环的基本形式，根据物质循环的范围不同，又可分为地质大循环和生物小循环,.,25,地质大循环是指物质或化学元素经生物体的吸收作用，从环境进入生物有机体，然后生物有机体又以死体、残体和排泄物等形式返回环境，进入大气圈、水圈、岩石圈、土壤圈、生物圈等五大自然圈层的物质循环。生物小循环是指环境中的化学元素经生物体吸收并在生态系统中被相继利用，然后经分解者的作用，再被生产者吸收、利用的物质循环。,.,26,生物地球化学循环根据路径不同，可分为气相型循环和沉积型循环气相型循环的贮存库在大气圈或水圈中，元素或者化合物可以转化为气体形式，通过大气进行扩散，弥漫在陆地或海洋上空，在较短的时间内又可为植物所利用，循环速度比较快。沉积型循环发生在岩石圈，元素以沉积物的形式通过岩石的风化作用和沉积物本身的分解作用转变成生态系统可用的物质，沉积循环是缓慢的、非全球的、不显著的循环。,.,27,几种重要物质的循环1.碳循环2.氮循环3.水循环4.磷循环5.有毒物质的富集,.,28,碳是构成有机体的基本成分，生物体的碳来自于空气或水中溶解的二氧化碳通过植物的光合作用，二氧化碳被固定在有机物质中，并在食物链中传递，在生态系统进行循环，这是碳的生物小循环远古时期的生物有机体深埋于地下，经过地质作用和地质变迁，形成化石燃料（煤、石油、天然气），在人类开采利用这些化石燃料时，再以二氧化碳的形式进入大气，从而形成碳的地质大循环,碳循环,.,29,1.细胞水平上的循环：光合作用和呼吸作用2.个体水平的循环：大气二氧化碳与植物之间的循环3.食物链水平上的循环,碳的生物小循环的3条途径,.,30,海洋中的浮游植物每年固定的碳的总量与陆地上大约相等地球表面和近地表面的碳贮存量巨大，主要以无机沉积物和有机沉积物的形式存在，无机沉积物中磷酸盐最多，90%左右，有机沉积物主要是以油页岩、煤、石油等形式存在。碳的总贮存量只有千分之几在生物圈进行循环。农业生态系统的碳流动:碳通过作物光合作用从大气进入作物；作物与土壤的碳交换（作物从土壤吸收有机质，根系向土壤分泌有机物）；碳随有机物沿着食物链流动；作物、动物、人类的呼吸将碳返还大气；碳随着植物残体、人畜粪便及其遗体等重新进入土壤环境；人为施入土壤中的碳；作物收获移出农业生态系统的碳,.,31,由于二氧化碳可吸收太阳辐射中的红外线，二氧化碳浓度的升高将会提高地面温度，导致全球气候变暖，这就是所谓的温室效应温室效应虽然有利于增强植物的光合作用，但将导致：1.大气环流减弱，从海洋到大陆的水汽输送减少，陆地降水量减少而蒸发量增加，干旱加重，直接影响农业生产2.使极地冰盖层融化，导致海平面上升，陆地面积将受到威胁，粮田将会被大量淹没3.温室作用对作物生长造成不良影响，谷类作物株高降低，不育小穗增加，干物质产量和经济产量降低,温室效应,.,32,植物从土壤中吸收硝酸盐、铵盐等含氮化合物，与体内的含碳化合物生成氨基酸，氨基酸再构成蛋白质，再与其它化合物一起建造生物有机体，氮进入生产者体内，有机氮通过动物取食进入食物链，在不同营养级之间进行转化，动植物残体和排泄物等含氮有机物经土壤微生物分解为二氧化碳、水和氨返回环境，氨又可被植物再利用，进入新的循环，这就是氮的生物小循环。,氮循环,大气中的氮通过三个途径进入生态系统由植物吸收利用：自然固氮（闪电、宇宙射线等大气因素将氮转化为硝酸盐或铵盐等）、生物固氮（固氮菌、蓝绿藻等的生物固氮）、工业固氮（氮肥厂生产的铵盐、硝酸盐和尿素等）,.,33,进入生物圈的有机态氮有三个途径离开生态系统1.因有机物的燃烧而挥发2.因土壤通气不良，硝态氮经反硝化作用而变成游离氮或氮氧化物挥发3.灌溉，水蚀、风蚀、雨水淋洗等造成流失，进入水体或大气。氮在全球范围内的循环就构成了氮的地质大循环,.,34,氨化作用：动植物的遗体、排出物和残落物中的有机氮被微生物分解后形成氨，这一过程就叫做氨化作用硝化作用：在有氧的条件下，土壤中的氨或铵盐在硝化细菌的作用下最终氧化成硝酸盐反硝化作用：氨化作用和硝化作用产生的无机氮，都能被植物吸收利用。在氧气不足的条件下，土壤中的硝酸盐被反硝化细菌等多种微生物还原成亚硝酸盐，并进一步还原成分子态氮，分子态氮则返回大气中,.,35,大气中的氮只有被固定为无机氮化合物（主要是硝酸盐和氨）以后，才能被生物利用。而生物固氮消耗低能源，开发生物固氮的资源对农业生态系统的氮素输入，提高生物产量具有重要意义。工业固氮需要耗费大量的能源，极高的温度、压力，还可能造成环境污染,.,36,生态系统中的水循环是水的循环途径，生态系统的水循环包括截取、渗透、蒸发、蒸腾和地表径流。在循环中植物吸收的水分大部分通过叶片蒸腾返回大气参与再循环。水从进入生命系统到离开生命系统回到环境的循环构成生物小循环；水从水域开始，再回到水域而终止构成水的地质大循环,水循环,.,37,降至地表的水，径流量多少，渗透量多少，视植被、土壤性质、降水强度、地形、地势等因素而变化。如以裸地径流量100%计算，则草地截留5-13%，森林截留10-30%。植物截留的水一部分蒸发进入大气，一部分沿植被缓慢流入土壤。,.,38,生物圈的水循环平衡依靠全球性的蒸发和降水来调节。由于地球表面的差异、太阳辐射强度等因素的影响，使水的分布和降水极不均匀，从而形成地区性的气候、植被、土壤、动物的差异。每一区域的水分平衡受降水量、径流量、蒸发量、植被截留量以及自然蓄水量的影响。,.,39,根据水循环发生的范围可把水循环分成几类1.海陆间循环（大循环）2.陆地水循环3.海上水循环,.,40,我们知道，地球上的水资源数量是有限的，但是为什么没有用完呢？因为地球上的水处在不断循环运动中在太阳能及地球重力的作用下，水在陆地、海洋和大气间通过吸收热量或放出热量，以固、液、气三态的转化形成了总量平衡的循环运动。森林能涵养水源、增加蒸发和下渗、减少地表径流、促进水的良性循环，被称为“绿色天然水库”。大量砍伐树木会破坏当地水的良性循环，使水资源减少或枯竭。,.,41,1.维护了全球水量平衡（通过各个环节，把大气圈、水圈、生物圈、岩石圈有机地联系成为一个水循环系统，水在不断地运动、转化）2.使淡水资源不断更新（水循环使大气降水、地表水、地下水、土壤水乃至与海洋水之间相互交换转化，促使水资源形成不断更新的水循环系统）3.使地球各个圈层之间、海陆之间实现物质迁移与能量交换4.水循环影响全球的气候和生态，并不断塑造着地表形态,水循环的意义,.,42,植物根系从土壤中吸收磷素进入植物体内形成有机化合物含磷有机物沿两条支路循环：一条是沿食物链传递；另一条是以枯枝落叶、秸秆直接归还土壤。生物小循环地质大循环,磷循环,.,43,.,44,某种物质进入生态系统后在一定时间内直接或间接地有害于人或生物时，就称为有毒物质或污染物各种有毒物质一旦进入生态系统，便立即参与物质循环，在循环过程中性质稳定，易被生物体吸收的有毒物质沿着食物链传递，并不断富集、浓缩，这种现象就是有毒物质的富集作用，也称为生物放大作用。,有毒物质的富集,.,45,化学污染物沿着食物链积累三个条件1.化学物质在环境中相对比较稳定2.化学物质是生物能够吸收的3.化学物质不被生物代谢过程中所分解,.,46,信息是指能引起生物的生理变化和行为的信号，而信号是指能引起生物感知的各种因素,三、信息传递,.,47,1、物理信息（光信息、接触信息、声信息）2、化学信息生物在其活动和代谢过程中可能分泌一些特殊的物质，经外分泌或挥发作用散发出来，通过介质传递而被其他生物所接受3、营养信息外界营养物质数量和质量上的变化，通过生物感知，引起生物的生理代谢变化，并传递给其他个体或后代，以适应新的环境4、行为信息,生态系统中信息的种类,.,48,植物对土壤养分的感知很敏感，有人做过试验，重复在植株一侧施肥，过后再检查植物的根系，发现施肥一侧的根系很发达，说明植物根系有朝着养分丰富的方向发展的趋势。自然生态系统的食物网，都是通过系统内诸多生物种群对营养信息的感知