生态学11、12、13生态系统生态学

本图是生态系统生态学的学习笔记，内容包括生态系统的一般特征、生态系统中的能量流动和生态系统中的物质循环三部分内容，本专业和有兴趣的朋友们不要错过。

生态系统生态学

• 11生态系统的一般特征
  • 生态系统：一定空间中共同栖息着的所有生物（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
  • 组成与结构
    • 一般把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 异养生物再生产过程称为次级生产，提供的生产力称为次级生产力
    • 生态系统的基本特征
      • 生态系统是生态学上的一个主要结构和功能单位
      • 能量流动、物质循环和信息传递是生态系统的三大功能
      • 生态系统营养级数目通常不会超过 5～6 个
      • 包含一定的空间特征，具有水平结构、层次结构、多维结构
      • 有生物有机体的特性。可分为初期、成长期和成熟期，具有时间特征，表现为演替和进化(动态系统)
      • 有生物代谢机能—通过生产者、消费者和分解者，这三个生物类群既是生态系统的基本组成成分，也是系统组成物质循环的基本结构
      • 有生物机体自动调节的功能，结构越复杂、物种数目越多，自我调节能力就越强。
  • 食物链与食物网
    • 生产者所固定的能量和物质，通过一系列取食和被食关系而在生态系统中传递；各种生物按其取食和被食关系而排列的链状顺序称为食物链 生态系统中的食物链彼此交错连接，形成一个网状结构，称为食物网
    • 捕食食物链和碎屑食物链
    • 食物链特点
      • 陆地和浅水生态系统中，能流是以碎屑食物链为主
      • 陆地生态系统中，净初级生产量只有很少一部分通向捕食食物链
      • 只在某些水生生态系统中，捕食食物链才会成为能流的主要渠道
      • 沿着食物链动物个体越来越大的概念，只适用于一般情况
    • 生物放大作用/“生物富集作用”/“生物浓缩”，指自然环境中有毒害的物质含量沿食物链在各营养级生物体内逐渐递增的现象。
  • 营养级和生态金字塔
    • 营养级：指处于食物链某一环节上的所有生物种的总和 生态锥体/生态金字塔：能量锥体、生物量锥体和数量锥体的合称
    • 能量逐级减少原因
      • 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，总有一部分会自然死亡和被分解者所利用
      • 各营养级的同化率也不是百分之百的，总有一部分变成排泄物而留于环境中，为分解者所利用
      • 各营养级生物要维持自身的生命活动，总要消耗一部分能量，这部分能量变成热能耗散掉了
  • 生态效率
    • 能量传递效率：能流过程中各个不同点上能量之比
    • 摄食量(I)：表示一个生物所摄取的能量 同化量(A)：对于动物来说是指消化后吸收的能量；对于分解者来说是指对细胞外的吸收能量；对于植物来说是指光合作用中所固定的能量，常用总初级生产量(GPP)表示 呼吸量(R)：生物在呼吸等新陈代谢和各种活动中消耗的全部能量 生产量(P)：生物在呼吸消耗后净剩的同化能量值，它以有机物质的形式积累在生物体内或生态系统中。对于植物来说是NPP，对于动物是同化量扣除呼吸消耗量后净剩的能量值，即P=A-R
    • 同化效率=被植物固定的能量/植物吸收的日光能 or 同化效率=被动物消化吸收的能量/动物摄食的能量
    • 生产效率=n营养级的净生产量/n营养级的同化能量 生态生长效率=n营养级的净生产量/n营养级的摄入能量
    • 消费效率=n+1营养级的消费能量/n营养级的净生产量
      • 特点： 1）植物种群增长率高、世代短、更新快，消费效率高； 2）草本植物的支持组织比木本植物少，能提供更多的净初级生产量为食草动物所利用。 3）小型浮游植物的消费者（浮游动物）密度大，利用净初级生产量的比例最高。 4）脊椎动物捕食者可能消费脊椎猎物的50%-100%的净生产量。
    • 林德曼效率/十分之一法则
      • n+1营养级所获得的能量占n营养级获得能量之比。它相当于同化效率、生产效率和消费效率的乘积
      • • = 生态效率 / 营养级间的能量传递效率
  • 生态系统的反馈调节和生态平衡
    • 开放系统如果具有调节其功能的反馈机制 , 该 系 统 就 成 为 控 制 论 系 统
    • 负反馈调节、生态平衡、生态危机
    • 负反馈调节的意义： 自然生态系统属于开放系统，具有负反馈调节机制，保持自身的生态平衡。 但这种调节功能是有一定限度的。当外来干扰因素（如火山爆发、地震、人类修建大型工程、排放有毒物质等）超过一定限度，生态系统自我调节功能本身就会受到损害，从而引起生态失衡。 人类活动除了要讲究经济效益和社会效益外，还必须特别注意到生态效益和生态后果，以便在改造自然的同时能基本保持生物圈的稳定和平衡。
      • 子主题
• 12生态系统中的能量流动
  • 初级生产
    • 初级生产：绿色植物通过光合作用固定太阳能和形成新生物量的过程。 • 初级生产量/“第一性生产量”，指植物所固定的太阳能或所制造的有机物质。 • 净初级生产量：指植物初级生产过程所固定的能量除去用于呼吸消耗而剩余的部分；是可提供给生态系统中其他生物利用的能量。 •总初级生产量：包括呼吸消耗在内的全部生产量。GPP=NPP+R • 生产量：含有速率的概念，是指单位时间单位面积上的有机物的产量，单位为 g/m2·a或J/m2·a。 • 生物量：指在某一特定时刻调查时，单位面积上积存的有机物质，单位是干重g/m2或J/m2
    • 地球初级生产力的分布规律
      • 全球净初级生产力在沿地球纬度分布上有3个高峰，分别为赤道附近及南北半球的中温带
      • 海洋净初级生产力的季节变动是中等程度的，而陆地生产力的季节性波动则很大，夏季比冬季净初级生产力平均高60%。
      • 生态系统的初级生产量随群落演替而变化
        • 当生态系统发育成熟或演替达到顶极时，生物量接近最大，但由于系统保持在动态平衡中，净生产量反而最小。
      • 水体和陆地生态系统的生产量都有垂直变化
    • 初级生产量的限制因素
      • 陆地生态系统： 潜蒸发蒸腾（PET）：是在特定辐射、温度、湿度和风速条件下蒸发和植物蒸腾到大气中的水量
      • 水域生态系统： 主要是营养物质（最重要的N和P）、光和食草动物的捕食
    • 初级生产量的测定方法：收获量测定法、氧气测定法、CO2测定法、放射性标记物测定法、叶绿素测定法
  • 次级生产
    • 次级生产过程：动物同化的能量中，部分被用于自身呼吸代谢和生命维持，最终以热的形式消散掉；剩余部分才能被用于动物各器官组织的生长和繁殖新个体，称为次级生产量
    • 测定： P = C - FU - R or P=Pg+Pr
  • 分解
    • 分解：动植物和微生物死体的有机物质逐步降解的过程，包括碎裂（物理+生物作用，尸体—颗粒状碎屑）、异化（有机物质在酶的作用下分解，聚合体—单体）和淋溶（可溶性物质被水淋洗出，纯物理过程）三个过程。 矿化：在分解过程中，无机物质从有机物质中释放出来的过程
    • 分解的速率和特点取决于分解者生物种类（e.g. 细菌、真菌）、待分解资源质量（e.g. 单糖、半纤维素、纤维素、木质素、酚）和环境理化条件（e.g. 温度、湿度）
    • 分解者动物：微型土壤动物（<100μm）、中型土壤动物（100μm~2mm）、大型土壤动物（2mm~20mm）、巨型土壤动物（>20mm）
      • 水生生态系统的分解者动物类型：碎裂者、颗粒状有机物质搜集者、刮食者、以藻类为食的食草性动物、以其他无脊椎动物为食的捕食动物
    • 资源质量：分解速率：单糖>半纤维素>纤维素>木质素>酚，碳氮比越高，分解越困难
    • 理化环境：温度高、湿度大的地方，其土壤中分解速率高
  • 能量流动、分解者和消费者在能流中的相对作用
• 13生态系统中的物质循环
  • 物质循环的一般特征
    • 在地球表层生物圈中，生物有机体经由生命活动，从其生存环境的介质中吸取元素及其化合物（常称“矿物质”），通过生物化学作用转化为生命物质，同时排泄部分物质返回环境，并在其死亡之后又被分解成为元素或化合物（亦称“矿物质”）返回环境介质中。这一个循环往复的过程，称为生物地球化学循环 短循环和长循环 全球生物地球化学循环类型：水循环、气体型循环和沉积型循环
    • 物质循环是生态系统的基本功能之一，生命必须物质（各种元素）的最初来源是岩石或地球的地壳
    • 物质循环和能量流动总是相伴发生，但生命元素反复地被利用，而能量通过生态系统中的流动只有一次
    • 分解者系统在营养物循环中起主要作用
  • 水循环
    • 大循环：海陆横向+小循环：海陆各自纵向
    • 水循环是由太阳能推动的，大气、海洋和陆地形成一个全球性水循环系统，并成为地球上各种物质循环的中心循环
  • 碳循环
    • 碳循环研究的重要意义
      • 碳是构成生物有机体的最重要元素，因此，生态系统碳循环研究成了系统能量流动的核心问题
      • 人类活动通过化石燃料的大规模使用，从而造成对于碳循环的重大影响，可能是当代气候变化的重要原因
    • 三大主要过程： 生物的同化过程（光合作用）和异化过程（呼吸作用）。 大气和海洋之间的二氧化碳交换。 碳酸盐的沉淀作用。
  • 氮循环
    • 构成生态系统氮循环的主要环节：固氮作用、氨化作用、硝化作用和反硝化作用
      • 固氮作用：分子氮被还原成氨和其他含氮化合物的过程
  • 磷循环
    • 磷循环是不完全的循环 有很多磷在海洋沉积起来。全球磷循环的最主要途径是磷从陆地土壤库通过河流运输到海洋
    • 两个局部的小循环：陆地生态系统中的磷循环和水生生态系统中的磷循环
  • 硫循环
    • 硫从陆地进入大气有4条途径
      • 火山爆发释放硫
      • 沙尘带入
      • 化石燃料释放
      • 森林火灾和湿地等陆地生态系统释放