还剩13页未读,继续阅读
本资源只提供10页预览,全部文档请下载后查看!喜欢就下载吧,查找使用更方便
文本内容:
第三章生态系统基本理论[教学目标]了解生态学的概念,掌握生态系统的结构和功能,理解生态平衡的重要性[教学重点]生态系统[教学难点]生态平衡与生态破坏[教学时数]4本章重点生态学概念L.生态系统的组分
2.生态系统分类
3.食物网
4.生态危机5第一节生态系统的基本概念
一、生态学概念生态学的概念
1.生态学一词源于希腊文,表示住所和栖息地,原意是研究生物栖息环ecology o“ikos”境的学科年,德国的动物学家黑格尔首次为生态学下了定义生态学是研究有机1866haeckel体与其周围环境——包括非生物环境和生物环境相互关系的科学后来,一些著interaction名生态学家也对生态学进行了定义年,认认为生态学是研究有机体与生活之地1966smith相互关系的科学,所以又可把生态学称为环境生物学著名美国生态学evironmental biologoy家提出的定义是生态学是研究生态系统的结构和功能的科学我国著名生Eo.dum1956态学家马世骏先生认为,生态学
④是开放系统各类生态系统都是不同程度的开放系统,不断地从外界输人能量和物质,经过转换变为输出,从而维持系统的有序状态
三、生态系统的演替生态系统的结构和功能随着时间的推移而不断地改变过程称为生态演替生态系统演替的主要原因是生态系统内部的自我协调和外在环境因素的相互作用系统演替过程所涉及到的有机体的变化,所需的时间以及达到的稳定程度,均取决于生态系统内在的结构、功能以及地理位置、气候、天文、地质等外在环境因素普通来说,环境因素的变化只能改变演替的模式和速度,而当外界干扰特殊强大时,生态系统的演替会受到抑制或者终止当生态系统中能量和物质的输入量大于输出量时,生态系统的总生物量增加,反之则减少在自然条件下,生态系统的演替总是自动地向着生物种类多样化、结构复杂化、功能完善化的方向发展,最终导致顶极生态系统的形成,使生态系统中群落的数量、种群间的相互关系、生物产量达到相对平衡,生态系统进入成熟的稳定阶段生态系统的演替规律告诉人们首先,生态系统的演替是有方向、有次序的发展过程,是可以预测的;其次,演替是生态系统内外因素共同作用的结果,也是可控制的第三,演替的自然趋势是增加系统的稳定性,是生态系统的自我调节能力的体现第二节生态平衡与生态破坏
一、生态平衡的概念生态系统本身是一个动态系统,没有一成不变的东西,时刻进行着能量的流动和物质的循环,所以,我们看到的生态系统只是某一时刻或者某一片断过程在一定时期内,系统内生产者、消费者和分解者之间保持着一种动态平衡,系统内的能量流动和物质平衡在较长时期内保持稳定这种状态就是生态平衡,又称自然平衡如果生态系统中物质与能量的输入大于输出,其总生物量增加,反之则生物量减少生态平衡是靠一系列反馈机制维持的物种循环与能量流动中的任何变化,都是对系统发出的信号,会导致系统向进化或者退化的方向变化但是变化的结果又反过来影响信号本身,使信号减弱,最终使原有平衡的以保持自然生态系统普通属于开放系统开放系统是同外界有物质和能量交换的系统,它必须依赖于由外界环境的输入,如果输入一旦住手,系统也就失去了功能当开放系统具有了调节功能的反馈机制后,该系统就成为控制系统生态系统本身是个控制系统和反馈系统,它通过自我调节来达到或者维持一个生态系统的平衡反馈是指系统的输出变成为了决定系统未来功能得输入,一个系统如果其状feedback态能够决定输入,就说明它有反馈机制的存在反馈有正反馈和负反馈之分,负反馈控制可使系统保持稳定,维持平衡,而正反馈不能维持稳定,它可使偏离加剧也就是说,正反馈不能维持稳定,惟独负反馈才干使系统维持稳态普通系统越大,越复杂,自我调节能力越强,反之,越弱但是,生态系统的调节是有限度的,如果超出极限的话,平衡将受到破坏,产生严重后果
二、生态破坏的因素.影响生态平衡的因素1既有自然的,也有人为的自然因素自然因素如火山、地震、海啸、台风、林火、泥石流和水旱灾害等往往在短期内使生态系统破坏或者毁灭受破坏的生态系统在一定时期内有可能自然恢复或者更新人为因素包括人类故意识“改造自然”的行动和无意识造成对生态系统的破坏人为因素如砍伐森林、疏干沼泽、围湖造田和环境污染等,其都能破坏生态系统的结构与功能,从而引起生态失调所谓的“生态危机”大多是指人类活动引起的此类生态失调生态平衡的破坏往往出自人类的贪婪与无知,过分地向自然索取,或者对生态系统的复杂机理知之甚少而冒然采取行动环境污染与生态破坏
2.生态破坏主要表现为水土流失;沙漠化、荒漠化;森林锐减;草场退化、±地退化;湖泊的富营养化;生物多样性的减少生态平衡的破坏往往出自人类的贪婪与无知,过分地向自然索取,或者对生态系统的复杂机理知之甚少而冒然采取行动
三、生物多样性
(一)生物多样性生物多样性是一个概括性的术语,包括全部植物、动物和微生物的所有物种和生态系统以及物种所在的生态系统中的生态过程生物多样性是指来自陆地、海洋、其他水体生态系统,以及其他生态复合体中的生命有机体的变异性,包括种内多样性、种间多样性,以及生态系统的多样性多样性是生态系统的一个结构特征,同时,生态系统的变异性是生物多样性的重要组成成份生物多样性的产出包括生态系统提供的多种服务功能(例如,食物和生物遗传资源),生物多样性的变化可以影响生态系统的其他服务功能除提供生态系统服务功能这一重要作用之外,生物多样性还具有独立于人类关注的问题之外的内在价值生物多样性有几个层次的含义
①遗传多样性,指遗传信息的总和,包括在栖居于地球上的植物、动物和微生物个体的基因,包括一个物种内个体之间和种群之间的差别;
②物种多样性,指地球上生命有机体种类的多样性,目前被科学家实际描述了的仅约种,但据多方面估计,在近期历史上的数量在种之偶尔更多;
1.41065106—5107
③生物群落或者生态系统多样性,指一个地区内(例如,草原、沼泽和森林地区等)各种各样的生境、生物群落和生态过程等多种多样的生态系统使营养物质得以循环,也使水、氧气、甲烷和二氧化碳(由此影响气候)等物质以及其他诸如碳、氮、硫、磷等得以循环因此,生物多样性也包括生态系统功能的多样性,指在一个生态系统内生物的不同作用,例如,植物的作用是吸收能量,而草食动物的作用在于使植物的生长受到控制
(二)生物多样性的保护重要性.世界生物多样性的丧失现状1)地球物种为陆生,其中在热带,但热带森林每年以平方公里的速190%80%15X104度消失几十年后,热带森林及物种很快消失)人类浮现以前,物种灭绝速度是个年,现在是个种/每天21/475)关键地区(热点地区)多样性的丧失严重大陆漂移、造山运动、冰川袭击等形成的3个热点地区()仅占地球面积却拥有近种特有植物,占世界植物总数18hot spots,
0.5%,50000的但目前这些地区的原始生境遭破坏严重,原有生境已经丧失或者正在丧失20%o90%关键地区是生物多样性保护具有重要意义的地区普通要考虑丰富性、特殊性、受威胁程度和经济价值中国的生物多样性面临的危机
2.仅植物而言,在已知的约万种高等植物中,大约有种处于濒危或者受威胁状34000-5000况,其中约有的种类可能在今后的几十年内灭绝5%
(三)人与生物圈.人类一生物圈的组成部份
1.生态系统服务功能2生态系统服务功能是指生态系统给人类提供各种效益,包括供给功能、调节功能、文化功能以及支持功能供给功能是指人类从生态系统获得的各种产品,如食物、燃料、纤维、洁净水,以及生物遗传资源等调节功能是指人类从生态系统过程的调节作用获得的效益,如维持空气质量、气候调节、侵蚀控制、控制人类疾病,以及净化水源等文化功能是指通过丰富精神生活、发展认知、大脑思量、消遣娱乐,以及美学欣赏等方式,从而使人类从生态系统获得的非物质效益支持功能是指生态系统生产和支撑其他服务功能的基础功能,如初级生产、创造氧气和形成土壤等世界环境与发展大会年月,巴西里约热内卢,个国家,包括位国家19926178118首脑大会通过《世纪议程》21《关于环境和发展的里约热内卢宣言》(地球宣言)《关于森林问题的原则声明》有多个国家签署了“气候变化框架公约”和“生物多样性公约”150总结生态系统中能量流动和物质循环总是不断地进行着在一定时期和一定范围内,系统内生产者、消费者和分解者之间保持着一种动态平衡,也就是系统的能量流动和物质循环在较长期内保持稳定状态,这种状态就叫生态平衡生态平衡是一种相对的动态平衡,是在生态系统的发展演替中,凭借其内部组成都分之间和系统外部环境之间的相互联系、相互作用,通过不断调整系统内部的结构和功能而逐步实现的生态系统的稳定性是与系统内的多样性和复杂性密切相连的因为,生态系统中能量流动和物质循环可以通过多渠道进行当某一渠道受阻,其他渠道可以起代偿作用,以便使系统保待相对的平衡状态也就是说,生态系统的组成成份愈多样,能量流动和物质循环的途径愈复杂,其自我调节的能力也就愈强固然,生态系统内部的自我调节能力和对外界干扰的忍耐能力都是有一定的限度的,如果外界干扰或者压力超过了它所能承受的极限,其自我调节能力也就遭到了破坏,从而引起生态失调,甚至造成整个生态系统的崩溃通常把生态系统所能承受压力的极限称为“阈限”,例如,草原应有合理的载畜量,超过了最大适宜载畜量,草原就会退化;森林应有合理的采伐量,采伐量超过生长量,必然引起森林的衰退;污染物的排放量不能超过环境的自净能力,否则就会造成环境污染,危及生物的正常生活,甚至死亡等,引起的生态失调问题是研究生命系统和环境系统相互关系的科学生态学的不同定义代表了生态学的不同发展阶段,强调了不同的基础生态学分支和领域生态学原是一门研究生物与其生活环境相互关系的科学,是生物学的重要分科之一初期主要研究植物,后来逐渐涉及动物和人类随着现代科学技术的发展并向生态学的不断渗透,赋予它新的内容和动力,使其成为多学科、较活跃的科学领域之一目前,生态学家普遍认为,生态学是研究生物与环境之间相互关系及其作用机理的科学.生态学基本原理一生态学三定律2美国环境学家小米勒()提出的生态学三定律是G.T.MiUe,rJr.生态学第一定律我们的任何行动都不是孤立的,对自然界的任何侵犯都具有无数效应,其中许多效应是不可逆的该定律为哈定()所提出,可称为多效应原理gh.ardin生态学第二定律每一种事物无不与其他事物相互联系和相互交融此定律可称为相互联系定律生态学第三定律我们生产的任何物质均不应该对地球上自然的生物地球化学循环有任何干扰此定律或者可称之为勿干扰原理.生态学的研究对象3生物学科的两大发展方向微观一一^份子生物学;宏观——生态学生态学是研究生物与环境、生物和生物之间相互关系的一门生物学基础分支学科生态学的研究是活的生物在自然界中与环境的相互作用和生物之间的相互作用世纪年代以后,欧洲工业化大生产迅速发展,带来了一系列严重后果环境污2050染(三废)、自然资源的破坏、能源危机、人口膨胀带来的粮食不足等问题一—全球性的事态激化,称为“全球性生态灾难”一才重视生态学目前,生物多样性保护,可持续发展和全球气候变化已成为全球关注的三大生态学问题年月,世界环境与发展大会在巴西里约热内卢召开,个国家,包括19926178位国家首脑参加,讨论人类生存环境与社会发展有关的一系列重大生态学战略性问题,118生态学的作用已不言而喻这次大会推动了全球生态学的进一步发展
二、生态系统.生态系统的概念1种群一个生物物种在一定的范围内所有个体的总和称为生物种群Population生物群落在一定自然区域的环境条件下,许多不同种的生物相互依存,Community构成为了有着密切关系的群体,称为生物群落随着环境条件的千差万别,地球上浮现了各种各样的生物群落森林、草原、荒漠等等而特定的生物群落又维持了相应的环境条件一旦生物群落发生变化,也会影响到环境条件的变化因此,人们把生物群落与其周围非生物环境的综合体,称为生态系统Ecosystem,也即生命系统和环境系统在特定空间的组合生态系统指一定范围内,各生物成份和非生物成份之间,通过能量流动Ecosystem和物质循环而相互作用、相互依存所形成的一个统一整体或者是一定空间内由生物成份和非生物成份组成的一个生态学功能单位生物圈全球生态系统的总和,即地球表面全部生物及其生活领域的总biosphere——称.生态系统的组成2生物成份+非生物环境=生态系统物质组成生物体为有机物质,作为环境的岩石、大气和水则是无机物质生物群落有机物质生产者指能进行光合作用的各种绿色植物、蓝绿藻和某些细菌又成为自养生物把光能转化成化学能;消费者指以其他生物为食的各种动物(第
一、
二、三次消费者,即植食性、肉食性、大型肉食);分解者微生物(细菌、真菌和放线菌等),把大份子有机物还原成简单的无机物,释放到环境中环境(无机物质)媒质水、空气、土壤等基质岩石、泥沙等能源地热、太阳能等物质代谢原料二氧化碳、氧气、水等元素组成主要是氢、氧和碳,它们分别占、和三种元素
49.8%
24.9%
24.9%,占到生物有机体的此外,还有微量的氮、钙、钾、硅、镁、磷、硫、铝等
99.6%.生态系统类型3按基质分为陆地生态系统(森林、草原、荒漠等生态系统)和水域生态系统(淡水、海洋、湿地等生态系统).生态系统的功能4任何生态系统都具有能量流动.物质循环和信息传递三大基本功能牛毒系统中的物质储环和能城流动ffl2-1)能量流动1()能量流地球是一个开放系统,存在着能量的输入和输出能量输入的1根本来源是太阳能太阳能辐射到地球的能量主要有两种形式,即热能和光能光能输入生态系统,进行光合作用,转化为化学能,供系统利用光能的部份经过一系列的转化和流动,植物光合作用-动物-微生物最后能量以热能的形式扩散到环境中,这种能量的单向流动的现象,叫能量流食物链和食物网是能量流动的渠道2食物链生态系统中食物固定的能量和物质以一系列吃与被吃的步骤通过food chain生态系统,叫食物链其中的每一个环节叫营养级我国民谚说的“大鱼吃小鱼,小鱼吃虾米”就是食物链的生动写照固然自然界中实际存在的取食关系要复杂的多生态系统中普通有两类食物链,即捕食食物链和碎屑食物链前者以活的动植物为起点,后者以死的生物或者腐屑为起点在陆地生态系统和许多水生生态系统中,能量流动主要通过碎屑食物链,净初级生产量中惟独很少一部份通向捕食食物链惟独在某些水生生态系统中,例如在一些又浮游藻类和滤食性原生动植物组成食物链的湖泊中,捕食食物链才成为能量流动的主要渠道食物网生态系统中不是简单的独立的食物链,一种生物不仅仅吃一种生物,foodweb而同一种食物也不是只被一种生物消费,它会浮现在多个食物链中因此,把多个互相关联在一起的食物链组成的网,叫食物网普通,食物网越复杂,生态系统就越稳定食物网是复杂的,但不随机,它具有高度的典范性规律有很少为环状,食物链不长,平均为节,顶、中、基位种的比例相1243当稳定食物网越复杂的生态系统,消失一种生物,往往不会引起系统得失调,相反,可能导致系统得激烈波动,其他相应环节能起补偿作用营养级与生态金字塔食物链中的每一个环节叫营养级,食物链告诉我们,后一个营3养级的生存必须依赖前一营养级的能量,但通常能量的流动在食物链中越来越少、逐次递减,除本身消耗外,前一个营养级所提供的能量只能满足后一个营养级少数生物的需要,营养级逐级向上,能量呈递减,生物个体数也递减如果把能量(或者生物量、个体数量)按体积大小,沿营养级罗列制图,得出一个金字塔图形,就是生态金字塔⑷生态效率用来估计各个环节的能量传递效率生产量指一定时期内有机物质增加的总分量含有速率的概念总生产量指某一时期增加的有机质,加上呼吸损失的部份净生产量总生产量减去呼吸损失的部份同化量指植物光合作用中所固定得日光能;动物在消化道内被吸收的能量生物量指任一时间某生物(种群、群落或者生态系统)有机物的总分量只要分量现存量是单位面积上当时所测得的生物体的总分量,通常代表生物量生产力单位时间面积的生产量,即生产速率同化效率光合作用所固定的能量占植物吸收的日光能的比例同化效率=被植物固定的能量/吸收的日光能=被动物吸收得能量/动物得摄食量效率能量每通过一个营养级,其有效能量(可利用得能量)大约为前一个Lindman营养级有效能量得10%O)物质循环2生物学研究表明,对生命必须的元素惟独约种,即碳、氧、氮、氢、钙、硫、磷、24钠、钾、氯、镁、铁、碘、铜、镐、锌、钻、锡、钗,可能还有银、澳、铝和硼上述元素中的四种,即碳、氢、氧、氮,占生物有机体组成的以上,99%在生命中起这关键作用,被称为“关键元素”⑴概念生态系统从大气、水体或者土壤中获取得各种营养物质,通过绿色植物得吸收,进入生态系统,被其它生物重复利用,最后又归回到环境中得过程,叫物质循环也叫生物地球化学循环其特点是物质总在循环,且物质是不灭的⑵物质循环的类型水循环指水的动态平衡,它由来自于太阳的热能推动完成包括大循环水的主要储库是海洋海洋蒸发的水源,被气流运送到空中,遇冷凝结成水,落到地面,汇入到江河、归到大海的过程海洋——空中——陆地一海洋小循环海洋或者陆地的水经蒸发,凝结后再降到海洋或者陆地上的水分运动过程水循环的生态学意义地球上的降水量和蒸发量总的来说是相等的,通过降水和蒸发保持地球上水分的平衡为陆地生态系统提供水源,维持生命活动和繁衍是物质循环的重要基础每年的降水约又以地表径流流入到海洋,流动的过程能够溶解和携带大量的营养物质,匡助营养物35%质从一个系统转移到另一个生态系统水是很好的溶剂,可以作为其它物质循环的载体,水循环常伴有着地球化学物质循环,保证化学物质供给生态系统水的三相变化不停相互交换,特殊是蒸腾作用,使叶片大量释放水分,达到净化水碳循环碳储量(全球碳库总储量吨)()绝大部份以碳酸盐的形式禁固在岩石圈26*10151中()其次是化石碳(石油等燃料)()生物可直接利用的碳是大气圈和空气中和水23中的二氧化碳()此外,动植物体内和土壤有机质中有部份碳4地面动植物所储存的碳量与空气中二氧化碳的总量相当;土壤有机质中的碳量是全球碳库的另一重要部份;由此,大气、土壤、动植物之间的碳流动与转化是全球碳循环的主流植物光合作用——固定二氧化碳——动物体内——呼吸释放部份动植物残体被微生物分解放出二氧化碳止匕外,除了大气,碳的另一个储库是海洋,碳含量是大气的倍通过呼吸、沉积50一再暴露一风化一重返大气圈氮循环氮是蛋白质的基本成份,是一切生命结构的原料大气中有的氮气,但是78%不能被生物直接利用,它必须通过固氮作用将游离的氮与氧结合成为硝酸盐或者亚硝酸盐,或者与氢结合成氨,才干被大部份生物所利用,参预蛋白质的合成因此,氮被固定后,才进入生态系统,参预循环植物只能从土壤中吸收无机态的钱态氮(钱盐)和硝态氮(硝酸盐),用来合成氨基酸,再进一步合成各种蛋白质动物则只能直接或者间接利用植物合成的有机氮(蛋白质),经分解为氨基酸后再合成自身的蛋白质在动物的代谢过程中,一部份蛋白质被分解为氨、尿酸和尿素等排出体外,最终进入土壤动植物的残体中的有机氮则被微生物转化为无机氮(氨态氮和硝态氮),从而完成生态系统的氮循环有毒物质的循环有毒物质进入生态系统,普通往往被水和空气稀释到无害程度,无法测出可以被分解解除毒性过程有快有漫,如白色垃圾的降解慢富集(生物扩大作用)有毒物质不能被分解,而是通过食物链的传递,逐级浓缩,毒量放大如一些农药和杀虫剂等物质循环与能量流动不同,能量流是单向流动的,而物质流则构成一个循环的通道生物体内所需的营养元素在生物圈内运转不息,从非生物环境到生物有机体内,再返间到非生物环境中去营养元素的循环包括生态系统内(主要是植物群落和土壤之间)的生物小循环和地球化学的大循环,通常称这种循环为生物地球化学循环在循环过程中,每种元素都有各自的路线、范围和周期,即可分成不同的循环类型,如气体循环和沉积循环)信息传递3生态系统的信息传递是指在生态系统的各组成部份之间及各组成部份的内部,存在着各种形式的信息(营养信息、化学信、物理信息和行为信息),以此把生态系统联系成为一个统一的整体信息传递是生态系统的重要功能之一生态系统中的各种信息形式主要有四种物理信息、化学信息、营养信息、行为信息.生态系统的特点5
①具有空间结构由于生物及其所处的环境是实实在在的实体,因此生态系统通常与一定的空间相联系,反映一定的地区特性及空间结构,往往以生物为主体,呈网络式的多维空空间结构
②具有时间变化生态系统中的生物随时间具有产生、发展、死亡的变化过程,而所处的环境也在不断地变化,从而使得生态系统也和自然界其他事物一样具有发生、形成和发展的过程,具有发育、繁殖、生长和衰亡的特征
③具有自动调控功能自然生态系统中的生物与其所处的环境经过长期的进化适应,逐渐建立起相互协调的关系生态系统自动调控机能主要表现在:一是同种生物的种群密度的调控,这是在有限空间内比较普遍存在的种群变动规律;二是异种生物种群之间的数量调控,多浮现于植物与动物、动物与动物之间,常有食物链关系;三是生物与环境之间的相互适应的调控这些调控常通过反馈调节机制使生物与生物、生物与环境间达到功能上的协调和功态平衡。