生态水文学导论(2)

1、生态水文学导论生态水文学导论生态系统中的水文循环 第二章 水文循环与生态系统 1.1 地球上的水文循环 2.1 生态系统基本知识 2.1.1生态学的基本概念生态学的基本概念 Haeckel(l869)：生态学是研究生物有机体与其周围环境(包括非生物环境和生物环境)相互关系的科学 公认：公认：生态学是研究生命系统与环境相互关系生态学是研究生命系统与环境相互关系的科学的科学行为生态学行为生态学 、生理生态学 、分子生态学 、种群生态学、群落生态学 生态学尺度：个体、种群、群落、生态系统个体、种群、群落、生态系统 2.2.2 种群种群 种群是指在特定时间内，由分布在同一区域的许种群是指在特定时间内，

2、由分布在同一区域的许多同种生物个体自然组成的生物系统多同种生物个体自然组成的生物系统 种群生态学是研究种群生物系统的规律的科学种群生态学是研究种群生物系统的规律的科学 ：研究种群内部各成员之间，种群(或其成员)与其他生物种群之间，以及种群与周围环境非生物因素的相互作用规律。 种群的主要特征种群的主要特征 ：数量特征(密度或大小) 空间分布特征 遗传特征 种群密度种群密度(density)是指单位面积是指单位面积(或体积或体积)空间中的生物个空间中的生物个体数量体数量 绝对密度是指单位面积(或体积)空间中的生物个体数量 相对密度则只是衡量生物数量多少的相对指标 出生率(natality 或 bi

3、rth rate)：是指单位时间种群的出生个体数与种群个体总数的比值 最大出生率(maxmium natality)和生态出生率(ecological natality) ，或称实际出生率(realized natality) 生育率和生殖力(fertility rate and fecundity) ：生育率指单位时间种群的出生个体数与种群雌性个体总数的比值；生殖力的量度是单位时间个体或种群所能产生的配子数或无性繁殖的合子数 死亡率(mortality 或 death rate)：是指单位时间种群的是指单位时间种群的死亡个体数与种群个体总数的比值死亡个体数与种群个体总数的比值 最低死亡率(m

4、inimum mortality)和生态死亡率(ecological mortality) 种群的年龄结构(age structure)又称年龄分布(age distribution)：是指种群中各年龄期个体在种群中所占是指种群中各年龄期个体在种群中所占的比例的比例 年龄分为三个时期：繁殖前期(prereproductive period)、繁殖期(reproductive period)和繁殖后期(postreproductive period) 种群的年龄结构常用年龄锥体(或称年龄金字塔)(age pyramids)来表示 性比例(sex ratio)是指种群中雄性与雌性个体数的比例，用每

5、100个雌性的雄性数来表示 2.2.3 群落 一、基本概念 1、群落的概念 ：指在一定时间内，居住于一定区域或生境内的各种生物种群的集合 2、群落的基本特征 群落中植物种类组成的确定：种类面积曲线图种类面积曲线图 研究表明：组成群落的植物种类越多，群落的最小面积相应地就越大；环境条件越优，群落的结构越复杂，组成群落的植物种类就越多。 3群落中的优势种 1)优势种的概念 。对群落的影响最大，影响或控制着该群落，决定群落的外形、结构和功能 2)确定优势种的指标体系 密度与相对密度：密度是指单位面积上物种的个体数是指单位面积上物种的个体数 频度与相对频度 ：频度是指某个物种在群落中分布的均匀性。 优

6、势度与相对优势度 ：优势度常以某物种底面积或胸高断面积或体积或干物质重量的多少来衡量该物种在群落中的优势程度 相对优势度相对优势度(%) 重要值 重要值重要值相对密度十相对频度十相对优势度相对密度十相对频度十相对优势度300 3)优势种的确定: 群落中重要值大的物种就是群落的优势种 4、生物多样性 1）生物物种多样性的概念 :又称物种丰富度，是指一个群落中的物种数、各物种的个体数以及均匀分布程度 多样性，即群落或生境内的种的多度 多样性，即在一个梯度上，从一个生境到另一个生境所发生的种的多度变化的速率和范围 多样性，即在一个地理区域内一系列生境中的种的多度 关系为/ 2)影响物种多样性变化的主

7、要因素：(1)时间因素 ；(2)空间异质性因素 ； (3)气候稳定性因素 ；(4)竞争因素 ；(5)生产因素 3)生物多样性计算 （下式中s为种群数）s 5、群落系数 S 1)Syrensen相似性系数 S2c/(a+b) a为A群落中的种数；b为B群落中的种数；c为A、B两个群落中的共有种数 2)Motyka相似系数 S=2Mw/(MA+MB) 式中 MW为A、B两个群落共有种较小定量值，MA是A群落中全部物种的定量值总和，MB是B群落中全部物种的定量值总和 3)相关系数 式中xi为A群落中第i个物种的定量值，yi为B群落中第i个物种的定量值，x 为A群落中全部物种定量值的平均数，y 为B群

8、落中全部物种定量值的平均数。 二、群落的外貌和结构 1群落的外貌和生活型 1)群落的外貌 2)生活型:是指植物长期适应环境条件而在外部形态表现出来的一种特性 高位芽植物，芽的位置距地面30cm以上； 地上芽植物，芽的位置距地面30cm以下； 地面芽植物，芽位于地表或接近地表； 地下芽植物，芽位于地下； 一年生草本，植物以种子的形式渡过不良季节 2群落的垂直结构 成层现象 森林群落：通常可以划分为乔木层、灌木层、草本层和地被层等四个基本结构层次，同一层次中，又可按同化器官在空中排列的高度划分亚层 水生群落：漂浮生物、浮游生物、游泳生物、底栖生物、附底生物和底内生物等 3群落的水平结构 群落的结构

9、特征不仅表现在垂直方向上的分层现象，而且在水平方向上也表现出差异性。在一个群落中的某些地点，植物种类的分布是不均匀的。 4群落的时间格局 气象因子有年变化和日变化，表现出明显的时间节律。群落中各种植物的生长发育，以及群落结构也随时间而有明显的变化，这就是群落的时间格局。 三、群落演替 1.群落演替的概念 克列门茨认为：群落演替是一个群落代替另外一个群落；所能看到的群落，都是处于运动发展过程中的某一瞬间；现有群落的外貌和结构也都是群落动态过程中某一阶段的具体表现；群落发展到最后，会形成与环境最为适应的顶极群落。 2群落发生、发育的一般过程 1)群落的发生 迁移或侵移 :从繁殖体开始传播到新定居的

10、地方为止，这个过程称为迁移 。繁殖体主要指植物种子、泡子、鳞茎、根状茎，以及能繁殖的植物体的任何部分 植物定居 ：定居过程指繁殖体被传播到新的地点以后能否进行发芽、生长和繁殖的全部过程 竞争 ：植物定居成功之后，繁殖体的数量和种类会不断增大，出现地上和地下两个部分营养空间不足，这时易产生竞争 反应 ：通过定居过程，群落内生物与非生物环境间的能量转换和物质循环不断进行，原有生态环境条件也随之逐渐发生变化，这就是“反应” 发育初期 ：在这一时期中，群落建群种的良好发育是一个主要标志 发育盛期 ：在这一时期，适应于群落生态环境的植物种类，能得到良好的发育 发育末期 ：原来的建群种生长势逐渐减弱，缺乏

11、更新能力 3群落演替的原因 1)外因动态演替 外因动态演替是指由于群落以外的因素所引起的演替。如：(1)气候性演替，是气候变化而引起的演替，其中，气候的干湿度变化是主要的演替动力。(2)土壤性演替，是由于土壤条件向一定方向改变而引起的群落演替。(3)动物性演替，是由于动物的作用而引起的群落演替，例如原来以禾本科植物为优势的草原，植株较高种类较多，在经常放牧或过渡放牧之后，即变成以细叶莎草为优势成分的低矮草原。(4)火成演替，是指出于火灾的发生引起的群落演替。(5)人为因素演替，是指在人为因素干扰之下，引起的群落演替。 2)内因动态演替 内因动态演替是指群落内部的植物体改变了生态环境而引起的演替

12、。 4群落演替的类型 1)划分类型的原则 按裸地性质 ：原生演替和次生演潜 按基质性质 ：水生基质演替系列和旱生基质演替系列 按水分关系： 分为水生演替系列、旱生演替系列和中生演替系列 按主导因素划分 ：分群落发生演替 、内因生态演替 、外因生态演替 、地因发生演替 2)群落的原生演替类型 在原生裸地进行的群落演替称为原生演替。所谓原生裸地是原来就没有植物群落的地方，分为二个类型。旱生演替系列和水生演替系列。 3)群落的次生演替类型 在次生裸地进行的群落演替称为次生演替。所谓次生裸地，是指那些原生群落虽被破坏，但原生群落下的土壤条件还保留了一部分，且土壤中还多少保留着原生群落中某些种类的繁殖体

13、的地段 5群落演替的“顶极”学说 1)单元演替顶极 克列门茨：在一定的地区内，按照演替的发生过程，群落相继替代，通过一系列的演替阶段，最后达到与该地区气候相适应的最稳定最平衡的状态，即顶极 2)多元演替顶极 英国的坦斯利：如果一个群落相对稳定，能自行繁殖，并终结了演替的过程，就可称为“顶极群落”，而并不会趋于一个气候顶极 3)顶极格局假说 演替的起因在不同程度上属于群落的外部或群落的内部，许多演替既涉及外因，也涉及内因，以及交互的影响。总之，变化着的环境梯度、种群梯度以及群落特征梯度，是彼此紧密联系着的。一个演替，就有一个时间上的生态系统演替系列。群落的相对稳定性沿着演替的顺序而提高：早期阶段

14、，在某些情况下，由于种群相互迅速更替而表现出明显的不稳定性，最后阶段的群落通常是稳定的。 2.2.4 生态系统 一、基本概念 生态系统定义：生态系统是指在一定时间和空间内，由生物群落与其环境组成的一个整体，各组成要素间藉助物质流动、能量流动、物质循环、信息传递和价值流动，而相互联系、相互制约，并形成具有自调节功能的复合体。 地球上有无数大大小小的生态系统、，大到整个海洋、整块大陆，小至一片森林、一块草地、个小池塘等，都可看成是生态系统。地球上的自然生态系统都是开放的，有物质和能量的流进和流出。 任何一个生态系统都具有以下共同特性： 是生态学上的一个结构和功能单位，属于生态学上的最高层次； 内部

15、具有自调节、自组织、自更新能力； 具能量流动、物质循环和信息传递三大功能 营养级的数目有限； 是一个动态系统。 二、生态系统的组成 生态系统的成分，不论是陆地还是水域，或大或小，都可概括为非生物和生物两大部分。或者分为非生物环境、生产者、消费者和分解者四种基本成分(图21) 生物成分生物成分 (1) 生产者(producer) 能进行光合作用制造有机物或能够利用化学能把动植物转化成有机物的绿色植物和自养微生物多属于生产者。绿色植物通过光合作用把CO2、H2O和无机盐转化成有机物，把太阳能转化成化学能。因此，绿色植物是整个生态系统（包括绿色植物本身）食物能量的供应者。 （2）消费者(consum

16、er) 消费者是指以有机物质作为食物来源的各种动物、某些寄生和腐生的菌类。按食性可分为： 草食动物(herbivore)以植物为营养的动物，又称植食动物，是初级消费者(primary consumer)如昆虫、啮齿类、马、牛、羊等；肉食动物(carnivore)是以草食动物或其他动物为食的动物。又可分为： 一级肉食动物，又称二级消费者(secondary consumer)，以草食动物为食的捕食性动物。 二级肉食动物，又称三级消费者（third consumer）以一级肉食动物为食的动物。 (3) 分解者(decomposer) 分解者又称还原者(reductor)，主要是指细菌和真菌等微生物

17、以及土壤中的小型动物。分解者的作用，就在于把生产者和消费者的残体分解为简单的物质(无机物)，再供给生产者。 非生物成分非生物成分 非生物成分提指生态系统中的原料部分(温度、阳光、水、土壤、各种矿物质)、媒质部分(水、土壤、空气等)和基质(岩石、泥、沙等)，是生态系统中生物赖以生存的物质、能量的源泉和活动的场所。 三、生态系统的基本特征 (一)生态系统是动态功能系统 发育、代谢、繁殖、生长与衰老 (二)生态系统具有一定的区域特征 生命系统与环境系统的相互作用以及生物对环境的长期适应结果，使生态系统的结构和功能反映了一定的地区特性 (三)生态系统是开放的“自维持系统” 自然生态系统则不同，它所需要的能源是生产者对光能的