第37章 生态系统的基本结构

吴相钰《陈阅增普通生物学》主讲教师：吕俊鸟国内外经典教材名师讲堂第三十七章生态系统及其功能主要内容37．1生态系统的基本结构37．2生态系统中的生物生产力37．3生态系统中的能量流动和物质循环37．4人类活动对生物圈的影响一个池塘生态系统生态系统是指在一定的空间内生物成分和非生物成分通过物质循环和能量流动而互相作用、互相依存而构成的一个生态学功能单位。任何生态系统都是由非生物成分（无机物、有机物、气候和能源）和生物成分组成的，生物成分按其在生态系统中的功能可划分为三大功能类群，即生产者、消费者和分解者。能量流动和物质循环是生态系统的两大重要功能。37．1生态系统的基本结构

37．1．1食物链相互交叉形成食物网

生产者所固定的能量通过一系列的取食和被取食关系在生态系统中传递，生物之间存在的这种单方向的营养关系就称为食物链能量沿着一个陆地食物链传递由于能量的每次传递都会损失大量能量，所以食物链通常只由4～5个环节组成在任何生态系统中都存在着两种类型的食物链，即捕食食物链和腐食食物链。前者是以活的生物为起点的食物链，后者是以死亡的动植物或腐败有机物为起点的食物链。实际上自然界生物之间所存在的取食和被取食关系远不像食物链所表达的那么简单，食虫鸟不仅捕食蛾类，也捕食蝗虫和其他动物，而且食虫鸟本身也是多种动物的捕食对象，可见食物链的每一个环节都与周围的很多生物有着错综复杂的普遍联系，这种联系像一个无形的网把所有生物都包括在内，使它们之间都有着直接或间接关系，这就是食物网食物网食物网越复杂生态系统就越稳定，食物网越简单生态系统就越容易发生波动和毁灭。37．1．2生态学家为什么要提出营养级和生态金字塔的概念

营养级（trophielevel）的概念是在食物链和食物网的基础上提出来的，是为了使生物之间复杂的营养关系变得更加简明和便于定量地对能量流动和物质循环进行分析。一个营养级是指处于食物链某一环节上的全部生物种的总和生态系统中的营养级由于食物链的环节数目是有限的，所以营养级的数目也是有限的，通常是4～5个。一般说来，营养级的位置越高，归属于这个营养级的生物种类和数量就越少，当少到一定程度的时候就不可能再维持另一个营养级中生物的生存了。生态金字塔（ecologicalpyramid）是指各营养级之间的某种数量关系这种数量关系可以采用个体数量单位、生物量单位或能量单位表示，采用这些单位所构成的生态金字塔分别称为数量金字塔、生物量金字塔和能量金字塔生态金字塔37．1．3生物圈是地球上最大的生态系统

生物圈的垂直剖面图37．2生态系统中的生物生产力

37．2．1初级生产量是生态系统的基石

初级生产量或称第一性生产量（primaryproduc-tion）是指绿色植物借助光合作用所制造的有机物质，因为这是生态系统中最基本的能量固定，所以具有奠基石的作用所有消费者和分解者都直接间接依赖初级生产量为生，因此没有初级生产量就不会有消费者和分解者，也就不会有生态系统。在初级生产量中，有一部分是被植物自己的呼吸（R）消耗掉了，剩下的部分才用于植物的生长和繁殖，这部分就是净初级生产量（NP），而把包括呼吸消耗在内的全部生产量称为总初级生产量（GP），这三者之间的关系是：GP=NP+R由于净初级生产量是用于植物的生长和繁殖，因此随着时间的推移，植株越长越大，株数越来越多，而构成植物体的有机物质（根、茎、叶、花、果实等）也就越积越多。逐渐积累下来的这些净生产量就称为生物量（biomass），可见生物量实际上就是净生产量的累积量。37．2．2次级生产量是消费者生产的有机物质

次级生产量或称第二性生产量（secondaryproduc-tion）是指动物靠吃植物、吃其他动物和吃一切现成有机物质而生产出来的有机物，包括动物的肉、蛋、奶、毛皮、血液、蹄、角以及内脏器官等。这类生产在生态系统中是有机物质的再生产，所以称为次级生产量，归根结底次级生产量还是要依靠植物在光合作用中所生产的有机物质。所有消费者和分解者（包括大多数细菌和真菌）都属于次级生产者，因为它们都是异养生物。次级生产量生产过程中的能量损失对一个动物种群来说，能量收支情况可以用一个公式表示，即C=A+FU其中C代表动物从外界摄取的能量，A代表被同化的能量，而FU代表以粪便形式损失的能量。A又可分为两项，即A=P+R，其中P代表次级生产量，R代表呼吸消耗。由此可以得到P=C-FU-R，其含意是：次级生产量等于动物吃进的食物减掉粪便中所含有的能量，再减掉呼吸代谢所释放的能。37．3生态系统中的能量流动和物质循环

37．3．1能量在流动过程中的传递效率很低

能量沿一个荒地食物链流动的示意图能量沿荒地食物链流动的定量分析从图中可以看出，食物链每个环节上的净初级生产量（NP）都只有很小的一部分得到了利用，例如，99.7％的植物没有被田鼠利用，其中包括未被取食的（b=99.6％）和取食后未被消化的（c=0.1％），而田鼠本身（包括外地迁入的）也有62.8％没有被鼬利用，其中包括未被捕食的（b=61.5％）和吃下后未被消化的（c=1.3％）。能量流动（energyflow）过程中能量损失的另一个重要方面是生物的呼吸消耗（R）,植物的呼吸消耗比较少，只占总初级生产量（GP）的15％，但田鼠和鼬的呼吸消耗相当多，分别占各自总次级生产量的97％和98％,而只有很小一部分转化形成了净次级生产量。也可研究能量沿着营养级流动，即从一个营养级流向另一个营养级CedarB09湖能量沿营养级流动的定量分析从对CedarBog湖各营养级之间能量流动的定量分析中可以看出两个重要特点：首先，能量流动是单方向的和不可逆的，所有能量迟早都会通过生物呼吸被耗散掉；其次，能量在流动过程中会急剧减少，主要是因为资源利用率不高和生物的呼吸消耗。因此，任何生态系统都需要不断得到来自外部的能量补给，如果在一个较长时期内断绝对一个生态系统的能量输入，这个生态系统就会自行消亡。37．3．2物质循环可分为3种不同类型

能量流动和物质循环是生态系统的两大基本功能生态系统中的能量流动（→）和物质循环（→）能量流动是单方向不可逆的，而物质的流动则是循环式的。生态系统中的物质循环又称为生物地球化学循环（biogeochemicalcycle），简称生物地化循环分为3种基本类型，即水循环、气体型循环（gaseouscycles）和沉积型循环（sedimentarycycles）。37．3．3水的全球循环带动着其他物质的循环

水的全球循环37．3．4碳的全球循环对生命至关重要

碳在全球陆地生态系统巾的循环37．3．5大气中的氮不能直接被植物利用

氮是构成生命蛋白质和核酸的主要元素，因此它与碳、氢、氧一样在生物学上具有非常重要的意义。在各种元素的生物地球化学循环中，氮的循环是最复杂的，其循环功能极为完善氮的生物地球化学循环

37．4人类活动对生物圈的影晌

37．4．1大量排放CO2导致全球变暖

温室效应CO2分子吸收地球的反射热，使地球升温。37．4．2臭氧减少是潜在的全球性生态灾难

在距地球表面15～20km处的平流层中，臭氧（O3）的含量非常丰富，它有选择地吸收对人体和生物有致癌和杀伤作用的紫外线、X射线和γ射线，从而保护着人类和其他生物免受短波辐射的伤害。最近30多年的研究表明，人类的活动正在干扰和破坏着大气圈上层臭氧的自然平衡，使臭氧的分解过程大于生成过程，从而正在造成一种潜在的全球性环境危机。氟利昂（CFCl3和CF2Cl2），它们被广泛用于各种喷雾器的雾化剂、除臭剂和制冷剂。这些化合物很稳定、不活泼也不易分解，但大量氟利昂逸散之后最终将会到达大气圈上层并在强紫外线的照射下通过化学反应使臭氧量减少。37．4．3全球各地普降酸雨

酸雨（acidrain）是燃烧煤、石油和天然气所产生的S02和NO与大气中的水结合而形成的产物,酸雨中所含的酸主要是硫酸和硝酸,这些悬浮在大气中直径只有1μm的硫酸和硝酸微粒随着雨雪回降到地面就是酸雨。酸雨不仅能杀死水生生物、破坏水体生态平衡，而且还能伤害陆地植物、农作物和各种树木，破坏土壤肥力，使树木生长缓慢并易感病害，同时还能腐蚀金属、建筑物和历史古迹，酸雨中含有的少量重金属对人体健康也会带来不利影响。37．4．4江河湖海受到普遍污染

被人类排放到水体中的污染物包括以下8类：即家庭污水，微生物病原菌，化学肥料，杀虫剂、除草剂和洗涤剂，其他矿物质和化学品，水土流失的冲积物，放射性物质和来自电厂的废热等。其中每一种都会带来不同的污染，使越来越多的江河湖海变质，使饮用水的质量越来越差。37．4．5物种灭绝速度加快和生物多样性下降