《环境生态学》第四章：生态系统生态学

1、第四章 生态系统生态学第一节 生态系统的结构第二节 生态系统的基本功能第三节 世界主要生态系统的类型第四章 生态系统生态学第一节生态系统的结构一、生态系统的组成要素及功能在一定空间中共同栖居着的所有生物与其环境之间由于不断地进行物质循环和能量流动过程而形成的统一整体。生态系统生态系统非生物部分生 物 部 分非生物成分生产者物质代谢成分消费者分解者生产者是能用简单的无机物制造有机物的自养生物，包括所有的绿色植物和某些细菌，是生态系统中最基础的成分。生产者通过光合作用不仅为本身的生存、生长和繁殖提供营养物质和能量，而且它所制造的有机物也是消费者和分解者唯一的能量来源。生产者是生态系统中最基本和最关

2、键的成分。生产者消费者消费者是不能用无机物制造有机物的生物，它们直接或间接地依赖于生产者所制造的有机物质，是异养生物。消费者在生态系统中起着重要的作用，它不仅对初级生产物起着加工、再生产的作用，而且对其他生物的生存、繁衍起着积极作用。分解者都属于异养生物，这些异养生物在生态系统中连续地进行着分解作用，把复杂的有机物质逐步分解为简单的有机物，最终以无机物的形式回归到环境中。分解者在生态系统中的作用是极为重要的，如果没有它们，动植物尸体将会堆积成灾，物质不能循环，生态系统将毁灭。分解者二、生态系统的物种结构（一）物种结构一些对其他物种具有不成比例影响的物种，在维护生物多样性和生态系统稳定方面起着重

3、要作用。如果它们消失或削弱，整个生态系统就可能要发生根本性的变化，这样的物种称为关键种。关键种冗余种在一些群落中有些种是冗余的，这些种的去除不会引起生态系统内其他物种的丢失，同时对整个群落和生态系统的结构和功能不会造成太大的影响。（二）物种在生态系统中的作用认为生态系统中每个物种都具有同样重要功能，一个铆钉或一个关键种的丢失或灭绝都会导致严重事故或系统变故。铆钉假说冗余假说认为生态系统中物种作用有显著的不同，某些在生态功能上有相当程度的重叠，而冗余种在短时间内似乎多余，但经过在变化环境中长期发展，次要种和冗余种就可能在新环境下变为优势种或关键种，改变和充实原来的生态系统。三、生态系统的营养结构

4、食物链食物网生态系统通过食物链把生物与非生物，生产者与消费者，消费者与消费者连成一个整体。食物链在自然生态系统中主要有牧食食物链和碎食食物链。 在生态系统中，一种生物同时属于数条食物链，而且食物链往往是交叉链索，形成复杂的网格式结构即食物网。生态系统中各生物成分间通过食物网发生直接和间接的联系，保持着生态系统结构和功能的相对稳定性。（一）食物网的结构特点不取食任何其他生物。食物网中，基位种称为源点，包括一种或数种被食者。为简化食物网结构，把营养阶层相同的不同物种或相同物种不同发育阶段作为一个营养物种。根据物种在食物网中所处的位置可分为三种类型：顶位种食物网中不被任何其他天敌捕食的物种。在食物网

5、中，顶位种常称为收点，描述一种或数种捕食者。中位种它在食物网中既有捕食者，又有被食者。基位种“自下而上”：较低营养阶层的密度、生物量等决定较高营养阶层的种群结构，称为上行效应。 “自上而下”：较低营养阶层的种群结构依赖于较高营养阶层物种的影响，称为下行效应。（二）食物网的控制机理三级消费者二级消费者一级消费者生产者分解者粪便、死亡体植物、藻类等细菌、真菌和微生物等四、生态系统的空间与时间结构自然生态系统一般都有分层现象，成层结构是自然选择的结果，它显著提高了植物利用环境资源的能力。（一）空间结构如水域生态系统：大量的浮游植物聚集于水的表层；浮游动物和鱼、虾等多生活在水中；底层沉积污泥层中有大量

6、细菌等微生物。（二）时间结构生态系统的结构和外貌会随时间不同而变化，这反应出生态系统在时间上的动态。短时间周期性变化在生态系统中是较为普遍的现象。第二节 生态系统的基本功能一、生态系统的生物生产（一）初级生产1初级生产量的计算初级生产量通过光合作用固定的太阳能或制造的有机物质，又称第一性生产量。净初级生产量初级生产过程中植物固定的能量有一部分用于呼吸消耗，剩下的可用于植物的生长和生殖的生产量。总初级生产量包括消耗在内的全部生产量。测定方法收获量测定法、氧气测定法、二氧化碳测定法、放射性标记物测定法和叶绿素测定法。海洋中珊瑚礁生海藻床是高生产量的，而且由河口湾向大陆架到大洋区，单位面积净初级生产

7、量和生物量有明显降低的趋势；陆地上，热带雨林是生产量最高的，而且热带雨林向温带常绿林、落叶林、北方针叶林、稀树草原、温带草原地、寒漠和荒漠依次减少。2初级生产量的变化水体和陆地生态系统的生产量都有垂直变化生态系统的初级生产量随群落的演替而变化在被同化的能量中，用于动物的呼吸代谢和生命维持的能量最终以热的形式消散掉，其余用于动物各器官组织的生长和繁殖新的个体，这就是我们所说的次级生产量。（二）次级生产次级生产量食物种群动物得到的动物未得到的动物吃进的动物未吃进的被同化的未同化的净次级生产量呼吸代谢被更高营养级取食未被取食次级生产量的一般生产过程二、生态系统的能量流动（一）研究能量传递规律的热力学

8、定律能量在生态系统内的传递和转化规律服从热力学的两个定律：热力学第一定律在自然界中，能量既不能消失也不能凭空产生，它只能以严格的当量比例由一种形式转变为另一种形式。热力学第二定律在封闭系统中，一切过程都伴随着能量改变，在能量的传递和转化过程中，除了一部分可以继续传递和做功的能量外，总有一部分不能继续传递和做功，而以热的形式消散，这部分能量使系统的熵和无序性增加。（二）能量在生态系统中流动的特点 太阳的辐射能以光能的形式输人生态系统后，通过光合作用被植物所固定，但不能再以光能的形式返回； 自养生物被异养生物摄食后，能量就由自养生物流到异养生物体内，不能再返回给自养生物； 从总的能流途径而言，能量

9、只是一次性流经生态系统，是不可逆的。2能流是单向流，主要表现在三个方面：1能流在生态系统中和在物理系统中不同4能量在流动中质量逐渐提高3能量在生态系统内流动的过程是不断递减的过程 各营养级消费者不可能百分之百地利用前一营养级的生物量； 各营养级的同化作用也不是百分之百的，总有一部分不被同化； 生物在维持生命过程中进行新陈代谢总是要消耗一部分能量。一个普适生态系统的能流模型（Odum, 1959）光合作用呼吸总生产量入射日光能草食动物肉食动物顶级肉食动物分解者贮存有机物质净生产量群落呼吸输出三、生态系统的物质循环 生态系统从大气、水体和土壤等环境中获得营养物质，通过绿色植物吸收，进入生态系统，被

10、其他生物重复利用，最后再归入环境中，称为物质循环，又称为生物地球化学循环。物质循环（一）物质循环的模式物质在生态系统中的循环实际上是在库与库之间彼此流通。由存在于生态系统某些生物或非生物成分中一定数量的某种化合物构成的，对于某一种元素而言，存在一个或多个主要的蓄库。库流通量常用单位时间、单位面积内通过的营养物质的绝对值表达。有机物分解的速率影响物质循环速率最重要的因素有：循环元素的性质生物的生长速率周转时间表达了移动库中全部营养物质所需要的时间。周转率=流通率库中营养物质总量周转时间=库中营养物质总量流通率为了表示一个特定的流通过程对有关库的相对重发性，用周转率和周转时间来表示。（二）物质循环

11、的类型物质的主要蓄库在土壤、沉积物和岩石中，因此这类物质循环的全球性不如气体型循环，循环性能也不完善。沉积型循环气体循环水循环所有的物质循环都是在水循环推动下完成的，水循环是物质循环的核心。物质的主要储存库是大气和海洋，循环与大气和海洋密切相连，具有明显的全球性，循环性能最为完善。（三）有毒物质循环1物质循环的特点 某种物质进入生态系统后，使环境正常组成和性质发生变化，在一定时间内直接或间接地有害于人或生物时，就称为有毒物质或称为污染物。 对有机体有毒的物质进入生态系统，通过食物链富集或被分解的过程。有毒物质有毒物质循环毒物进入生态系统的途径是多种多样的；大多数毒物在生物体内具有浓缩现象；毒物

12、进入环境经历迁移和转化的过程。特点物质交换废物处理循环原料提取加工生产贮存运输使用消耗进入生态系统2有机毒物DDT在生态系统中的循环DDT富集的途径有两个：（1）茎、叶及根系植物体草食动物肉食动物；（2）土壤动物（蚯蚓）肉食动物（小鸡）高级的肉食动物（鹰）类似DDT人工合成大分子化合物不能被生物消化与分解，沿食物链转移，食物链越复杂，逐级积累浓度越大，呈倒金字塔形。（3）水土壤植物人畜3重金属汞在生态系统中的循环（1）大气土壤植物人畜（2）废水水生植物水生动物人畜地壳中汞经过两种途径进入生态系统：汞循环（mercury cycle）是重金属在生态系统中循环的典型代表。（1）火山爆发、岩石风化、

13、岩熔等自然运动；（2）人类活动，如开采、冶炼、农药喷洒等。生态系统中的主要循环：四、生态系统的信息传递（一） 信息与信息量 信息是生态系统的基本功能之一，是自然、社会间的普遍联系，而且是双向的，有从输入到输出的信息传递，也有从输出向输入的信息反馈。（二） 信息及其传递1. 物理信息及其传递 生态系统中以物理过程为传递形式的信息为物理信息，生态系统中的各种光、声、热、电和磁都是物理信息 生态系统中包含多种多样的信息，大致可以分为物理信息、化学信息、行为信息和营养信息。2. 化学信息及其传递信息素生态系统的各个层次都有生物代谢产生的化学物质参与传递信息、协调各种功能，这种传递信息的化学物质通称为信

14、息素。通过种间信息素调节种群之间的活动。通过激素或神经体液系统协调各器官的活动。通过种内信息素协调个体之间的活动，以调节受纳动物的发育、繁殖和行为，并可提供某些情报贮存在记忆中。种群内部个 体 内群落内部 动物植物之间的化学信息 动物之间的化学信息 植物之间的化学信息 种间信息素主要是次生代谢物生物碱、萜类、黄酮类、非蛋白质有毒氨基酸，以及各种苷类、芳香族化合物等。 在生态系统中生物的食物链就是一个生物的营养信息系统，各种生物通过营养信息关系连成一个互相依存和相互制约的整体。3. 行为信息及其传递 许多植物的异常表现和动物异常行动传递了某种信息，可通称为行为信息。4. 营养信息及其传递五、生态系统的自我调节（一）生态系统的反馈调节 反馈就是系统的输出变成了决定系统未来功能的输入；一个系统，如果其状况能够决定输入，就说明它有反馈