第四部分 生态系统生态学 生态系统中的能量流动

1、 生态学生态学 (Ecology) 主讲人：唐利洲主讲人：唐利洲 Email： Phone:第四部分第四部分 生态系统生态学生态系统生态学（ecosystem ecology） 一、生态系统中的初级生产一、生态系统中的初级生产1，初级生产的基本概念，初级生产的基本概念 初级生产量或第一性生产量（初级生产量或第一性生产量（primary productionprimary production） 植物所固定的太阳能或所制造的有机物质植物所固定的太阳能或所制造的有机物质. . 净初级生产量（净初级生产量（net primary productionnet primary

2、production） 总初级生产量（总初级生产量（gross primary productiongross primary production） GP = NP + R NP = GP R 生产量生产量:指单位时间单位面积上的有机物质生产量。指单位时间单位面积上的有机物质生产量。 生物量：指在某一定时刻调查时单位面积上积存的有机物生物量：指在某一定时刻调查时单位面积上积存的有机物 质，单位是克干重质，单位是克干重/m/m2 2或或J/mJ/m2 2。 dB/dt = NP R H D 2，地球上初级生产力的分布，地球上初级生产力的分布 全球净初级生产力在沿地球纬度分布上有三个高峰，第一高

3、全球净初级生产力在沿地球纬度分布上有三个高峰，第一高峰接近与赤道，第二高峰出现在北半球的中温带，而最小的第三峰接近与赤道，第二高峰出现在北半球的中温带，而最小的第三高峰出现在南半球的中温带。高峰出现在南半球的中温带。 海洋净初级生产力的季节变动是中等程度的，而陆地生产海洋净初级生产力的季节变动是中等程度的，而陆地生产力的季节波动则明显的大，夏季比冬季平均高力的季节波动则明显的大，夏季比冬季平均高60%60%。 表表 12-1 12-1 生物圈主要生态系统的年和季节净初级生产力生物圈主要生态系统的年和季节净初级生产力 ( (单位单位 10101515 g) g) 海洋的海洋的 陆地的陆地的季节的

4、季节的 V-VI V-VI 月月 10.9 15.710.9 15.7 VII-I VII-I 月月 13.0 18.013.0 18.0 X-XII X-XII月月 12.3 11.512.3 11.5 I-III I-III 月月 11.3 11.211.3 11.2生物地理的生物地理的 贫营养的贫营养的 11.0 11.0 热带雨林热带雨林 17.817.8 中营养的中营养的 27.4 27.4 落叶阔叶林落叶阔叶林 1.51.5 富营养的富营养的 9.1 9.1 针阔混交林针阔混交林 3.13.1 大型水生植物大型水生植物 1.0 1.0 常绿针叶林常绿针叶林 3.13.1 落叶针叶林

5、落叶针叶林 1.41.4 稀树草原稀树草原 16.816.8 多年生草地多年生草地 2.42.4 阔叶灌木阔叶灌木 1.01.0 苔原苔原 0.80.8 荒漠荒漠 0.5 0.5 栽培田栽培田 8.08.0 总计总计 48.5 56.448.5 56.4 我国陆地植被净初级生产力及其季节变化我国陆地植被净初级生产力及其季节变化生态系统的初级生产量，还随群落的演替而变化。生态系统的初级生产量，还随群落的演替而变化。 早期由于植物生物量很低，初级生产量不高。早期由于植物生物量很低，初级生产量不高。 一般森林在叶面积指数达到一般森林在叶面积指数达到4 4时，净初级生产量最高时，净初级生产量最高 但当

6、生态系统发育成熟或演替达到顶极时，虽然生物量接但当生态系统发育成熟或演替达到顶极时，虽然生物量接 近最大，系统由于保持在一动态平衡中，净生产量反而最小。近最大，系统由于保持在一动态平衡中，净生产量反而最小。 如森林，一般乔木层最高，灌木层次之，草被层更低，如森林，一般乔木层最高，灌木层次之，草被层更低，而地下部分反映了同样情况。而地下部分反映了同样情况。 水体也有类似的规律，不过水面由于阳光直射，生产量水体也有类似的规律，不过水面由于阳光直射，生产量不是最高，最高的是深数不是最高，最高的是深数m m左右，并随水的清晰度而变化。左右，并随水的清晰度而变化。 3 3，初级生产量的限制因素，初级生产

7、量的限制因素 （1）陆地生态系统陆地生态系统 光、光、COCO2 2、水和营养物质是初级生产量的基本资源，温度是影响、水和营养物质是初级生产量的基本资源，温度是影响光合效率的主要因素，而食草动物的捕食减少光合作用生物量。光合效率的主要因素，而食草动物的捕食减少光合作用生物量。 （2）水域生态系统水域生态系统 淡水生态系统富养化（富养化（entrophication） N,P,C是造成湖泊富养化的主要营养物质，磷是植物生产量的主要限制因子。结果：硅藻、绿藻蓝绿藻蓝绿藻能成为优势浮游植物的原因：蓝绿藻能成为优势浮游植物的原因：浮游动物和鱼不愿以蓝绿藻为食。浮游动物和鱼不愿以蓝绿藻为食。很多蓝绿藻能

8、固定大气中的氮，但氮缺乏时，它们便处于很多蓝绿藻能固定大气中的氮，但氮缺乏时，它们便处于有利的竞争地位。有利的竞争地位。CO2光光温度温度O2 海洋生态系统海洋生态系统光：是限制海洋初级生产量的一个重要因子。光：是限制海洋初级生产量的一个重要因子。1 1米深出，米深出，50%50%的光被吸收；的光被吸收；2020米深出，仅有米深出，仅有5 510%10%的光。的光。7 . 3CKRP浮游植物的净生产力的计算公式：其中：其中：P P为浮游植物的光合作用率（以每天每平方米海洋表面所固为浮游植物的光合作用率（以每天每平方米海洋表面所固定的表示；定的表示；R R为入射光亮的相对光合作用率；为入射光亮的

9、相对光合作用率；K K为每米深光的消退为每米深光的消退系数；系数；C C为每立方米海水所含叶绿素的克数。为每立方米海水所含叶绿素的克数。3.73.7是在光饱和的条是在光饱和的条件下，每克叶绿素每小时在光合作用中可固定件下，每克叶绿素每小时在光合作用中可固定3.73.7克碳。克碳。营养物质：营养物质：K、P为主要限制因子，但却分布在深水层中。肥沃的土壤可含肥沃的土壤可含5%的有机质和的有机质和0.5%的的N，可生长，可生长50kg/m2（干重）；富饶的（干重）；富饶的海水只有海水只有0.00005%的的N，只能维持不足，只能维持不足5g /m2 （干重）的浮游植物的生存。（干重）的浮游植物的生存

10、。4，初级生产量的测定方法，初级生产量的测定方法（1）收获量测定法收获量测定法 （2）氧气测定法氧气测定法 （3）CO2测定法测定法 （4）放射性标记物测定法放射性标记物测定法 （5）叶绿素测定法叶绿素测定法 二、生态系统中的次级生产二、生态系统中的次级生产次级生产量的一般生产过程可以概括于下面的图解中：次级生产量的一般生产过程可以概括于下面的图解中： 被更高营养级取食 净次级生产量 被同化的 未被取食 食 动物吃进的 呼吸代谢 物 动物得到的 未同化的 种 = 动物未吃进的 群 动物未得到的 1，次级生产过程，次级生产过程对一个动物种群来说，其能量收支情况可以用下列公式表示：C = A +

11、F U其中其中C代表动物从外界摄食的能量，代表动物从外界摄食的能量，A代表被同化能量，代表被同化能量，FU代表粪、尿能量。代表粪、尿能量。A项又可分解如下：项又可分解如下：A = P + R其中P代表净生产量，R代表呼吸能量。综合上述两式可以得到：P = C F U R 2，次级生产量的测定次级生产量的测定 按同化量和呼吸量估计生产量，即按同化量和呼吸量估计生产量，即P = A P = A R R按摄食量扣除粪尿量估计同化量，即按摄食量扣除粪尿量估计同化量，即A = C A = C FU FU测定次级生产力的另一途径测定次级生产力的另一途径P = Pg + Pr 式中：式中：Pr是代表生殖后代

12、的生产量部分，是代表生殖后代的生产量部分，Pg是个体或增重的部分是个体或增重的部分 在这个假想的种群中，净生产量等于种群中个体的在这个假想的种群中，净生产量等于种群中个体的生长和出生之和：生长和出生之和：净生产量净生产量 = 生长生长 + 出生出生 = 20 +10 + 10 + 10 + 10 + 30 10 10 = 70 （生物量单位）（生物量单位） 此外，还有一种方式来计算净生产量，此外，还有一种方式来计算净生产量，即：净生产量即：净生产量=生物量变化生物量变化+死亡损失死亡损失=30+40=70（生物量单位）。（生物量单位）。因为死亡和迁出是净生产量的一部分，所以不应该将其忽略不计。

13、因为死亡和迁出是净生产量的一部分，所以不应该将其忽略不计。 3，次级生产的生态效率次级生产的生态效率 消费效率消费效率 植物种群增长率高，世代短，更新快，其消费效率就较高；草本植物的支持组织比木本植物的少，能提供更多的净初级生产量为食草动物所利用；小型的浮游植物的消费者（浮游动物）密度很大，利用净初级生产量比例最高。 三、生态系统中的分解三、生态系统中的分解1，分解过程的性质分解过程的性质 无机的元素从有机物质中释放出来，称为矿化。无机的元素从有机物质中释放出来，称为矿化。 分解作用是一个很复杂的过程，它包括碎裂、异化和淋溶三个分解作用是一个很复杂的过程，它包括碎裂、异化和淋溶三个过程的综合。

14、由于物理的和生物的作用，把尸体分解为颗粒状过程的综合。由于物理的和生物的作用，把尸体分解为颗粒状的碎屑称为碎裂；有机物质在酶的作用下分解，从聚合体变成的碎屑称为碎裂；有机物质在酶的作用下分解，从聚合体变成单体，例如由纤维素变成葡萄糖，进而成为矿物成分，称为异单体，例如由纤维素变成葡萄糖，进而成为矿物成分，称为异化；淋溶则是可溶性物质被水所淋洗出，是一种纯物理过程。化；淋溶则是可溶性物质被水所淋洗出，是一种纯物理过程。在尸体分解中，这三个过程是交叉进行、相互影响的。在尸体分解中，这三个过程是交叉进行、相互影响的。 分解过程是由一系列阶段所组成的，从开始分解后，物理的和生物的复杂性分解过程是由一系

15、列阶段所组成的，从开始分解后，物理的和生物的复杂性一般随时间进展而增加，分解者生物的多样性也相应增加。这些生物中有些一般随时间进展而增加，分解者生物的多样性也相应增加。这些生物中有些具特异性，只分解某一类物质，另一些无特异性，对整个分解过程起作用。具特异性，只分解某一类物质，另一些无特异性，对整个分解过程起作用。随分解过程的进展，分解速率逐渐降低，待分解的有机物质的多样性也降低，随分解过程的进展，分解速率逐渐降低，待分解的有机物质的多样性也降低，直到最后只有矿物的元素存在。最不易分解的是腐殖质（直到最后只有矿物的元素存在。最不易分解的是腐殖质（humus），它主要），它主要来源于木质。来源于木

16、质。 2，分解者生物分解者生物 3，资源质量资源质量 待分解资源在分解者生物的作用下进行分解，因此资源的待分解资源在分解者生物的作用下进行分解，因此资源的物理和化学性质影响着分解的速度。资源的物理性质包括表面物理和化学性质影响着分解的速度。资源的物理性质包括表面特性和机械结构，资源的化学性质则随其化学组成而不同。特性和机械结构，资源的化学性质则随其化学组成而不同。 营养物质的浓度常成为分解过程的限制因素。营养物质的浓度常成为分解过程的限制因素。 4，理化环境对分解的影响理化环境对分解的影响 一般说来，温度高、湿度大的地带，其土壤中的分解速率高，一般说来，温度高、湿度大的地带，其土壤中的分解速率高，而低温和干燥的地带，其分解速率低，因而土壤中易积累有机而低温和干燥的地带，其分解速率低，因而土壤中易积累有机物质。物质。 在同一气候带内局部地方也有区别，它可能决定于该地的在同一气候带内局部地方也有区别，它可能决定于该地的土壤类型和待分解资源的特点。例如受水浸泡的沼泽土壤，由土壤类型和待分解资源的特点。例如受水浸泡的沼泽土壤，由于水泡和缺氧，抑制微生物活动，分解速率极低，有机物质积于水泡和缺氧，抑制微生物活动，分解速率极低，有机物质积累量很大，这是沼泽土可供开发有机肥料和生物能源的原因。累量很大，这是沼泽土可供开发有机肥料和生物能源的原因。 一个表示