环境生态学第五章 生态系统生态学.ppt

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1、2019/3/20,第五章 生态系统生态学,第一节 生态系统的基本结构和功能 第二节 生态系统的主要过程 第三节 生态系统的物质平衡,2019/3/20,知识点回顾,个体生态 生物与环境 种群生态 种群及其基本特征 种群的遗传与进化 种内、种间关系 群落生态 生物群落的组成与结构 生物群落的动态 生物群落的分类,2019/3/20,第一节 生态系统的基本结构和功能,生态系统的概念 生态系统的组成成分 生态系统的结构 生态系统的功能 生态系统的稳定性,2019/3/20,1 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，生物成分和非生物成分通过物质循环和能量流动互

2、相作用、互相依存而构成的一个生态学功能单位，这个生态学功能单位称生态系统。 （英国植物生态学家A.G.Tansley(1935)提出）,2019/3/20,2019/3/20,2019/3/20,2019/3/20,2019/3/20,2019/3/20,2019/3/20,2019/3/20,生态系统是现代生态学的重要研究对象，20世纪60年代以来，许多生态学的国际研究计划均把焦点放在生态系统 国际生物学研究计划（IBP）：其中心研究内容是全球主要生态系统（包括陆地、淡水、海洋等）的结构、功能和生物生产力； 人与生物圈计划（MAB）：重点研究人类活动与生物圈的关系； 生态系统保持协作组（EC

3、G）：中心任务是研究生态平衡与自然环境保护，以及维持改进生态系统的生物生产力。,2019/3/20,目前有关生态系统的研究，主要集中在5个方面： 自然生态系统的保护和利用 生态系统调控机制的研究 生态系统退化的机制、恢复及其修复研 究 全球性生态问题 生态系统可持续发展的研究,2019/3/20,2 生态系统的组成成分,无机物 有机化合物 气候因素 生产者 (producer) 消费者 (consumer) 分解者 (还原者) (decomposer),六大组成成分,生产者：自养生物，主要是各种绿色植物，也包括蓝绿藻和一些能进行光合作用的细菌。 消费者：异养生物，主要指以其他生物为食的各种动物

4、。 分解者：异养生物，把复杂的有机物分解成简单无机物，包括细菌、真菌、放线菌和动物等。,非生物成分,生物成分 (生物群落),三大功能群,2019/3/20,生产者（producers）又称初级生产者（primary producers），指自养生物，主要指绿色植物，也包括一些化能合成细菌。这些生物能利用无机物合成有机物，并把环境中的太阳能以生物化学能的形式第一次固定到生物有机体中。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。,2019/3/20,消费者 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。它们属于异养生物。,2019/3/20,分解

5、者（composers），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。,2019/3/20,澳大利亚进口屎克螂 因牛粪覆盖每年损毁牧场3600万亩 60年代，澳大利亚引入了 羚羊粪蜣(Onthophagus gazella)和 神农蜣螂(Catharsius molossus)等异地金龟，对分解牛粪发挥了明显的作用。,2019/3/20,主要环境组分 辐射 大气 水体 土壤,2019/3/20,3 生态系统的结构,空间结构 时间结构 营养结构 食物链 食物网,2019/3/20,2

6、019/3/20,2019/3/20,一个食物链的例子 “螳螂捕蝉，黄雀在后” （ （ 据周立志）,植物,蝉 (初级消费者),螳螂 (二级消费者),黄雀 (三级消费者),鹰 (四级消费者) (顶极食肉动物),2019/3/20,食物链,食物链（food chain）和营养级（trophic level） 食物链指生态系统中不同生物之间在营养关系中形成的一环套一环似链条式的关系，即物质和能量从植物开始，然后一级一级地转移到大型食肉动物。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。,2019/3/20,食物链的类型,捕食食物链（grazing food ch

7、ain）：又称捕食食物链，以活的动植物为起点的食物链，如草食动物、各级食肉动物。 牧草 羊、牛 狼 以绿色植物为起点，是活的生物体。 腐食食物链（detrital food chain）：又称碎屑食物链，从死亡的有机体或腐屑开始。 动植物残体 腐食性动物 肉食性动物 顶级肉食动物 以动、植物残体为起点，数量越来越少。,2019/3/20,食物链的类型,寄生型食物链：以活的生物为寄主，夺取寄主的物质和能量来维持生存。体型越来越小，数量越来越多。 植物 动物 寄生物 更小的寄生物,2019/3/20,食物链的特征,食物链的长度通常不超过6个营养级，最常见的45个营养级，因为能量沿食物链流动时不断流

8、失； 食物链越长，最后营养级位所获得的能量也越少。因为从起点到终点经过的营养级越多，其能量损耗也就越大；,2019/3/20,食物链的特征,食物链或食物网的复杂程度与生态系统的稳定性直接相关； 生态系统中的食物链不是固定不变的，它不仅在进化历史上有改变，在短时间内也会发生变化。,2019/3/20,2019/3/20,食物网,食物网 (food web)：生态系统中的食物链很少是单条、孤立出现的，它往往是交叉链索，形成复杂的网络结构食物网。,2019/3/20,食物链和食物网的意义,食物链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正是沿着食物链和食物网进行的； 食物链和食物网

9、还揭示了环境中有毒污染物转移、积累的原理和规律。,2019/3/20,4 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。,2019/3/20,生态系统的营养结构及能流和物流间的关系 （据周立志）,生产者 (绿色植物),消费者 (动物),还原者 (细菌、真菌),放牧系统,净初级 生产,分解系统,死有机物,太阳辐射能,呼吸散失,呼吸散失,生态系统的营养结构(能量流动),能流,物流,环境 (土壤、空气、水),生态系统的营养结构(物质循环),2019/3/20,2019/3/20,5 生态系统的稳定性,生态系统

10、的稳定性（stability）: 生态系统通过发育和调节达到一种稳定的状态，表现为结构上、功能上、能量输入和输出上的稳定，当受到外来干扰时，平衡将受到破坏，但只要这种干扰没有超过一定限度，生态系统仍能通过自我调节恢复原来状态。,2019/3/20,生态系统稳定性包括了两个方面的含义 :一方面是系统保持现行状态的能力 ,即抗干扰的能力（抵抗力resistance）; 另一方面是系统受扰动后回归该状态的倾向 ,即受扰后的恢复能力（恢复力 resilience）。,2019/3/20,生态系统稳定性机制：生态系统具有自我调节的能力，维持自身的稳定性，自然生态系统可以看成是一个控制论系统，因此，负反馈

11、（negative feedback）调节在维持生态系统的稳定性方面具有重要的作用。,2019/3/20,生态系统中的反馈（据周立志）,狼,狼,兔,兔,植物,植物,狼饿死,狼吃饱,吃了较多兔子,吃了较少兔子,兔吃饱,兔饿死,吃了较少的草,吃了大量的草,污染 ,鱼死亡,污染,鱼死亡 ,鱼死亡 ,污染 ,正反馈,负反馈,2019/3/20,第三节 生态系统的物质循环,1 生物地化循环的概念 2 水循环 3 气体型循环 4 沉积型循环 5 有毒物质的迁移和转化 6 放射性核素循环 7 生物地化循环与人体健康,2019/3/20,1 生物地化循环的概念,生物地化循环 生物地化循环的特点 生物地化循环的

12、类型,2019/3/20,生物地化循环(biogeochemical cycle),矿物元素在生态系统之间的输入和输出，它们在大气圈、水圈、岩圈之间以及生物间的流动和交换称生物地(球)化(学)循环，即物质循环(cycling of material) 。,2019/3/20,生物地化循环的特点,物质循环不同于能量流动，后者在生态系统中的运动是循环的； 生物地化循环可以用库和流通率两个概念来描述。库是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学物质所构成的，可分为贮存库和交换库。前者的特点是库容量大，元素在库中滞留的时间长，流动速率小，多属于非生物成分；交换库则容量较小，元素滞留的时

13、间短，流速较大。物质在生态系统单位面积(或单位体积)和单位时间的移动量称流通率。 生物地化循环在受人类干扰以前一般是处于一种稳定的平衡状态。 元素和难分解的化合物常发生生物积累、生物浓缩和生物放大现象。,2019/3/20,生物积累、生物浓缩和生物放大,生物积累(bioaccumlation): 指生态系统中生物不断进行新陈代谢的过程中，体内来自环境的元素或难分解的化合物的浓缩系数不断增加的现象。 生物浓缩(bioconcentration): 指生态系统中同一营养级上许多生物种群或者生物个体，从周围环境中蓄积某种元素或难分解的化合物，使生物体内该物质的浓度超过环境中的浓度的现象，又称生物富集

14、。 生物放大(biomagnification): 指生态系统的食物链上，高营养级生物以低营养级生物为食，某种元素或难分解化合物在生物机体中浓度随营养级的提高而逐步增大的现象。生物放大的结果使食物链上高营养级生物体中该类物质的浓度显著超过环境中的浓度。,2019/3/20,生物地化循环的类型,水循环 气体型循环 沉积型循环,2019/3/20,2 水循环(aquatic cycle),水循环的意义： 水是所有营养物质的介质； 水对物质是很好的溶剂； 水是地质变化的动因之一。 水循环的途径 人类活动对水循环的影响： 空气污染和降水； 改变地面，增加径流； 过度利用地下水； 水的再分布。,2019

15、/3/20,水循环示意图,西德地区的水循环示意图 （Clodius and Keller,1951）,2019/3/20,3 气体型循环(gaseous cycle),氧循环 碳循环 氮循环,2019/3/20,氧循环(oxygen cycle),H2O+CO2 H2CO3 HCO3- +H+,CO2,HCO3- CO32 -,Ca2+,CaCO3,O2,水体,臭氧层,沉积物,火 山 作 用,4FeO+O2,2FeO3,CO2,CO,O2+2CO CO2,O2,O3,O2,O,O2,H,OH,H2O,H2O,O,CO2,高能紫外辐射,2019/3/20,碳循环(carbon cycle),化,

16、泥碳,煤,大气中CO2,CO2,碳化作用,石油,水生植物 光合作用,腐烂,燃料,呼吸作用,光合作用,腐烂,扩散,2019/3/20,氮循环(nitrogen cycle),陆地陆地,其它 动植物,蓝藻,浅层死有机物,溶解死有机物,土壤中无机氮库,丢失于深 层沉积中,动植物 活体,共生或 自由生活 的固氮 微生物,死有机体,陆地,河流带走,生物固氮,大气库 N2,大气库 HN3,NO,NO2, N2O ，,工业固氮 （汽车,化肥,电厂）,脱氮,闪电,化学反应,海洋,火 山 作 用,降 水,大气,2019/3/20,4 沉积型循环(sedimentary cycle),磷循环 硫循环,2019/3

17、/20,磷循环（phosphorus cycle）,沉积型循环,沉积物中的磷 （约为土壤和海洋中千倍以上）,陆地,海洋,死 有机物,土壤中的 无机磷,活有机物,死 有机物,深海的磷,活有机物,捕鱼,鸟粪,悬浮在水中随河水带走,摄取,排泄 死亡,下,沉,分解,沉积,溶解于水,上升风化,开采,摄取,排泄死亡,上涌,2019/3/20,硫循环（sulfur cycle）,陆地,海洋,沉积物（CaSO4,FeS2）,溶解的SO42-,SO2,H2S,S,CaSO4,FeS2,死有机物,活有机物,SO42-,降水 SO2,SO42-,扩散,海浪 SO42-,大气,上升，分化,SO2,FeS2,死有机物,

18、活有机物,SO42-,H2S,S,分解,化肥工业 SO42-,摄取,扩散,火山活动H2S ,SO2,SO42-,植物摄取 SO2,SO42-,降水 SO2,SO42-,化石 燃烧,SO2,H2S ,SO2,SO42-,2019/3/20,5 有毒物质的迁移和转化,有毒物质的类型 有毒物质的迁移和转化 有毒物质循环的典型代表-汞循环,2019/3/20,有毒物质的类型,有毒物质(toxic substance)又称污染物(pollutant)，按化学性质分两类。无机有毒物质主要指重金属、氟化物、和氰化物；有机有毒物质主要有酚类、有机氯药等。 按污染物的作用分一次污染物和二次污染物。前者由污染源直

19、接排入环境的，其物理和化学性状未发生变化的污染物，又称原发性污染物；后者是由前者转化而成，排入环境中的一次性污染物在外界因素作用下发生变化，或与环境中其它物质发生反应形成新的物理化学性状的污染物，又称继发性污染物。,2019/3/20,有毒物质的迁移和转化,迁移(transport)是重要的物理过程,包括分散、混合、稀释和沉降等； 转化(transformation)主要是通过氧化、还原、分解和组合等作用，会发生物理的化学的和生物化学的变化。,2019/3/20,汞循环(mercury cycle),火山活动,化石 燃烧,降水,挥发,挥发,沉积物,农田风化和淋溶作用,农药喷洒,径流,(CH3)2Hg,Hg2,CH3Hg,鱼,水生植物,水鸟,工厂 汞的废物,捕鱼,由河水带走,(中性pH),(酸性pH),