环境生态学课件 生态系统的一般特征和能量流动

环境生态学

第八章

生态系统的

一般特征和能量流动南京信息工程大学环境科学与工程学院讲课人：杨孟Email:yangmeng@生态系统的一般特征

和能量流动1生态系统的一般特征2生态系统中的能量流动3

反馈调节和生态平衡1生态系统的一般特征生态系统的基本概念生态系统的组成生态系统的营养结构生态系统的功能1.1

生态系统的基本概念生态系统（ecosystem）的定义:指在一定的空间内共同栖居着的所有生物(即生物群落)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。生态系统的概念最初是由英国植物生态学家A.G.Tansley(1935)提出。1.1生态系统的基本概念生态系统的特点:生态系统是生态学的一个主要结构和功能单位，属于经典生态学研究的最高层次；生态系统是一个动态系统，要经历一系列发育阶段；生态系统的三大功能是能量流动、物质循环和信息传递；生态系统具有自我调节能力。1.2生态系统的组成能源气候基质和介质物质代谢原料②生产者③消费者④分解者①非生物环境生物成分(生物群落)详见课本P140图4-1生态系统的三大功能类群生产者（producers）又称初级生产者（primaryproducers），指能利用无机物合成有机物的生物。为自养生物，主要指绿色植物，也包括一些化能合成细菌。初级生产者也是自然界生命系统中唯一能将太阳能转化为生物化学能的媒介。消费者（consumer）不能利用无机物质制造有机物质，而是直接或间接依赖于生产者所制造的有机物质。为异养生物。分解者（decomposers）指利用动植物残体及其它有机物为食的小型异养生物，主要有真菌、细菌、放线菌等微生物。小型消费者使构成有机成分的元素和贮备的能量通过分解作用又释放到无机环境中去。1.3生态系统的营养结构营养结构的基本概念食物链的类型生态金字塔污染物在食物链中的传递与放大1.3.1营养结构的基本概念食物链生产者所固定的物质和能量，通过一系列取食与被食关系在生态系统中传递，各种生物按期食物关系排列的链状顺序称为食物链。食物网食物链彼此交错连结，形成的一个网状结构。食物链和食物网的生态意义食物链和食物网是生态系统营养结构的形象体现，生态系统中能量流动和物质循环沿着食物链和食物网进行。1.3.2食物链的类型根据食物链起点不同，可将其分成两类:捕食食物链：又称牧食食物链，以植食动物吃植物的活体开始。寄生食物链可以看作捕食食物链的一种特殊类型。腐食食物链：又称碎屑食物链，从分解动植物尸体或粪便中的有机物颗粒开始。1.3.3生态金字塔营养级（trophiclevel）食物链上的每一个环节称为营养阶层或营养级，指处于食物链某一环节上的所有生物种的总和。生态金字塔（ecologicalpyramid）把生态系统中各个营养级有机体的个体数量、生物量或能量，按营养级位顺序排列并绘制成图，其形似金字塔，故称生态金字塔或生态锥体。1.3.3生态金字塔能量金字塔总是有一个正确的形状数量和生物量金字塔可能出现倒置浮游植物的生物量小于浮游动物昆虫的个体数多于树木1.3.4污染物在食物链中的

传递与放大生物放大(Biomagnification)：指在同一食物链上，生物富集系数从低营养级到高营养级逐级增大的现象。富集（浓缩）系数：生物体内某有毒物质的浓度与其生存环境中该物质浓度的比值。DDT的生物放大1.3.4污染物在食物链中的

传递与放大生物浓缩(Bioconcentration)又称生物富集(Bioenrichment)：指生物个体或处于同一营养级的生物种群从周围环境中吸收并累积某种元素或难分解的化合物，导致生物体内有毒物质的浓度超过环境浓度的现象。生物积累(Bioaccumulation)：指同一生物个体在生长发育的不同阶段生物富集系数不断增加的现象。营养级蓟运河汞含量(mg/kg-1)水0.0005浮游生物0.35无脊椎动物0.48草食性鱼类0.90杂食性鱼类1.30肉食性鱼类1.70水鸟3.30表不同营养级生物汞含量生物积累生物放大1.4

生态系统的功能能量流动：生产者→消费者→分解者物质循环：生物环境信息传递：包括营养信息、化学信息、物理信息和行为信息等，构成信息网。2生态系统中的能量流动2.1能量行为的两个法则2.2能量在生态系统中流动的特点2.3能量与生态系统生产力2.4生态系统层次上的能流分析2.1能量行为的两个法则能量（energy）：被定义为做功的能力。能量行为的两个法则：热力学第一定律（能量守恒定律）：一个热力学系统的内能增量等于外界向它传递的热量与外界对它做功的和。（如果一个系统与环境孤立，那么它的内能将不会发生变化。）热力学第二定律：热量可以自发地从温度高的物体传递到较冷的物体，但不可能自发地从温度低的物体传递到温度高的物体；不可能从单一热源吸取热量，并将这热量完全变为功，而不产生其他影响。。2.1能量行为的两个法则第一定律：通过光合作用，太阳能A转化为食物能（糖，C）（A=B+C）第二定律：由于能量转化过程中，热耗散B的存在，所以C总是小于A。2.2能量在生态系统中流动的特点生态系统中的能流是单向不可逆的；能量在生态系统内流动过程中数量逐步减少。各营养级的消费者不可能百分百地利用前一营养级的生物量；各营养级的同化率不是100%；各营养级的生物为了维持自身的生命活动，总要消耗一部分能量，这部分能量变成能量耗散掉。2.3能量与生态系统生产力生物生产机生产力的有关概念生态系统的初级生产生态系统的次级生产2.3.1生物生产力的有关概念生物生产生物有机体在能量代谢过程中，将能量、物质重新组合，形成新的生物产品（碳水化合物、脂肪和蛋白质等）的过程。初级生产和初级生产力自养生物的生产过程称为初级生产，其提供的生产力称为初级生产力或第一性生产量。次级生产和次级生产力异养生物再生产过程称为次级生产，其提供的生产力称为次级生产力或第二性生产量。2.3.2生态系统的初级生产绿色植物通过光合作用—固定太阳能的生产过程初级生产量与呼吸消耗

GPP=NPP+R总初级生产量净初级生产量呼吸消耗能量供生长、生殖之需；

通过食物链能被生态系统中其他生物利用的能量。同化量：植物通过光合作用固定的能量。地球生态系统净初级生产量2.3.3生态系统的次级生产次级生产的一般过程模型植物种群=动物得到的=动物未得到的动物吃进的=动物未吃进的同化的=未同化的（排泄物能量）净次级生产量呼吸代谢被更高营养级取食未被取食P=C–FU–R净次级生产量摄食能量呼吸损失量排泄物能量生态效率同化效率

Ae=An

/In生产效率

Pe=Pn

/An林德曼效率Le=(n+1)营养级摄取的食物/n营养级摄取的食物

Le

=(An/In)*(Pn/An)*(In+1/Pn)林德曼定律：Le

≈10%

猎物种群产量=886.4g蜘蛛未捕获量

876.1g蜘蛛捕获量=10.3g蜘蛛未吃量

2.37g蜘蛛吃进量I=7.93g蜘蛛未同化量

0.63g蜘蛛同化量A=7.30g呼吸代谢量

4.60g净次级生产量P

2.69g=7.30/7.93=92%=2.69/7.30=37%2.4生态系统层次上的能流分析常用于边界明显的水生生态系统将生态系统中每个物种都归属于特定的营养级（依据食性），精确地测定每一营养级能量的输入值和输出值CedarBog湖能流分析——

H.T.Odum，19573反馈调节和生态平衡生态系统的正反馈负反馈调节和生态平衡3.1负反馈调节和生态平衡生态平衡是指生态系统通过发育和调节所达到的一种稳定状态，它包括结构上的稳定、功能上的稳定和能量输入、输出上的稳定。负反馈调节能使系统维持平衡；由于生态系统具有负反馈的自我调节机制，所以在通常情况下，生态系统会保持自身的生态平衡。负反馈浮游动物增加小型鱼虾类增加食鱼性鱼类增加食鱼性鱼类减少小型鱼虾类增加浮游动物减少浮游植物增加水体富营养化加剧健康的太湖生态系统具有负反馈调节机制，能够客服和消除外来干扰，维持生态平衡。生态系统的这种自我调节功能是有限的，当外来干扰超过一定限度时，生态系统自我调节功能就会失调，甚至导致生态危机。3.2生态系统的正反馈正反馈是有机体生长和存活所必须的，但是正反馈不能维持系统稳定，会使偏离加剧。90年代以上，蓝藻成为太湖的优势藻类，且生物量持续增加。太湖生态系统中蓝藻优势度和生物量输入输出偏离正反馈顶级肉食性鱼类减少小鱼小虾增加浮游动物减少浮游植物增加高等水生植物减少底栖动物减少水体富营养化加剧有机碎屑分解受阻底泥氮磷增加正反馈太湖生态系统正反馈调节导致：藻类增加、水质恶化、生态系统退化正反馈正反馈正反馈3.3能量流动和生态平衡

太湖生态系统能量流动主要通过两条食物链完成：牧食食物链碎屑食物链浮游植物浮游动物小型鱼虾类食鱼性鱼类渔业捕捞有机碎屑底栖动物小型鱼虾类食鱼性鱼类渔业捕捞本章概念生态系统、食物链、食物网、生产者、消费者、分解者、营养级、生态金字塔、生物放大、富集（浓缩）系数、生物浓缩/富集、生物积累、生物生产、初级生产量、次级生产量、生物量、同化效率、生产效率、林德曼效率、林德曼定律思考题简述生态系统四种基本组成在生态系统运行过程中的生态功能。结合热力学第一和第二定律，回答生态系统能量流动过程的特点。结合一个例子，说明生态系统正负反馈和生态系统平衡的关系。从生态系统能量流动的角度，阐述你对生态平衡的理解。推荐资料李博主编.生态学[M].北京：高等教育出版社.pp197-241.李云凯,刘恩生,王辉,等.基于Ecopath模型的太湖生态系统结构与功能分析[J].应用生态学报,2014,25(7):2033-20