生态系统生态学

普通生态学第二版，第五章：生态系统生态学思维导图。

生态系统生态学

• 生态系统
  • 首先提出者：1935，英国生态学家A.G.Tansley
    • 他提出生态系统是一个包括生物有机体和整个环境物理因素构成的复合体
  • 生态系统是指一定时间和空间内，由生物群落与其环境组成的一个整体，各组分要素间借助物种流动、能力流动、物质循环、信息传递和价值流动而相互联系、相互制约，并形成具有自我调节功能的复合体
  • 生态系统定义的基本含义
    • 1、生态系统是客观存在的实体，有时间和空间概念的功能单元
    • 2、以生物以主体，由生物和非生物环境组成
    • 3、各要素间有机地组织在一起，具有整体的功能
• 生态系统的结构
  • 生态系统的基本结构
    • 生态系统由生物部分和非生物部分构成，其中由动物、植物和微生物群落构成的生物部分按功能可以分为初级生产者、消费者和分解者，非生物部分可以按物质形态分为辐射、气体、水体、土体等
    • 一、非生物环境
      • 非生物环境：根据生物的需要可以分为：驱动整个生态系统运转的能源和热量等气候因子、生物生长的基质与媒介、生物生长代谢
        • 驱动整个生态系统运转的能源主要是太阳能
      • 气候因子除了太阳辐射以外还包括风、温度和湿度等
      • 生长的基质和媒介包括岩石、沙砾、土壤、空气、水等，它们构成生物生长和活动空间的基础
      • 生物生长代谢需要的物质包括CO2、O2、无机盐类和水等
    • 二、初级生产者
      • 初级生产者：生态系统中能够首次把非生物能固定下来的所有生物（包括绿色植物、光能自养型微生物和化能自养型微生物）
        • 光合细菌和化能细菌在合成有机物时，固定的能力不是太阳辐射，而是无机物在化学变化过程中产生的能量
      • 绿色植物是生态系统中最重要的初级生产者
      • 陆地生态系统的生产者则有：乔木、灌木、草本植物和苔藓
      • 淡水池塘生态系统的生产者主要分为：大型的沉水植物、挺水植物或漂浮植物以及体形小的浮游植物（藻类为主）
    • 三、消费者
      • 消费者：指自身不能够固定非生物能，以消耗初级生产者固定的能量为生的生物（主要指食草动物、肉食动物和杂食动物)
      • 食碎屑者也是消费者，它们的特点是只吃死的动植物残体，如蚯蚓
      • 消费者还应包括寄生生物
      • 消费者在生态系统中的作用
        • 1、物质与能量的传递
        • 2、物质的转化作用
    • 四、分解者
      • 病毒不能算分解者，只能是消费者
      • 分解者：能够把生物物质分解释放成为黄金物质的生物（主要包括营腐生活的细菌、放线菌和真菌等各类微生物）
      • 除了细菌和真菌两类主要的分解者之外，其他大小不等的以吃动植物残体和腐殖质为食的各种动物在物质分解的总过程中都在不同程度上发挥着作用，如专吃兽尸的秃鹫，食朽木、粪便和腐烂物质的甲虫、白蚁、蚯蚓和软体动物等
      • 有人把这些动物称为大分解者， 把细菌和真菌等微生物称为小分解者
  • 生态系统的复合结构
    • 一、空间结构
      • 概念
        • 生态系统的空间结构：生态系统中的生物种类和数量的空间配置，包括水平结构和垂直结构
      • 生态系统中的生物群落也存在各种水平结构模式，一般分为：均匀分布、聚焦分布、随机分布
    • 二、时间结构
      • 概念
        • 生态系统随着时间而发生结构上的波动、发展、退化、恢复等
      • 以年为周期和以日为周期 的生态环境因子波动都会引起生态系统生物结构的相应规律波动 非周期性的火、寒、水和旱等干扰因子也会引起生态系统结构变化
      • 影响因素
        • 人为干涉
        • 环境因子
        • 干扰因子
        • 自然演替
    • 三、营养结构
      • 概念
        • 一种以营养为纽带，把生产者、消费者和分解者为中心的三大功能类群连接起来的结构
      • 1、食物链
        • 生产者所固定的能量和物质，通过一系列取食和被食的关系在生态系统中传递，各种生物按其食物关系排列的链状顺序
        • 食物链在自然生态系统中主要有
          • 牧食食物链
            • 以植食动物吃植物的活体开始
          • 碎屑食物链
            • 从分解动植物尸体或粪便中有机颗粒开始
        • 有的寄生物还有超级寄生组成寄生食物链
      • 2、食物网
        • 概念
          • 在生态系统中，当一种生物不仅取食一种生物，或者一种生物成为不止一种生物的食物，就可能使不同的食物链连接起来，形成网状结构
        • 生物放大作用
          • 生物富集
          • 通过食物链生物可以把扩散在环境中的有毒物质富集，增大其危害性，使有毒物质浓度在食物链传递的各个个体中逐渐增大，达到环境浓度的百倍、千倍，甚至可以达万倍、百万倍
• 生态系统的功能
  • 生态系统的生物生产
    • 一、初级生产力
      • 概念
        • 植物通过光合作用，利用太阳能将无机物转变为有机物（以化学能的形式储存起来）的量
      • 不同生态系统类型的初级生产量差异很大，主要受光照、温度、水分和养分等生态因子和生态系统利用这些因子的能力制约，特别是受水分（降水及其时空分布）的限制
      • 对于全球范围的各种生态系统，初级生产者量主要受热量和水分条件制约，越接近赤道，潮湿陆地区域的初级生产量越高
      • 年净初级生产力的分级
        • 地球各生态系统的年净初级生产力在0~3500g/㎡范围内，可以划分为4个级别
          • 1、2000~3500g/㎡
            • 存在于高生产力区，多属于温湿地带，尤其是多雨地区的森林、沼泽地、河流岸边的湿地生态系统，以及优越条件下处于演替过程中的森林，还有农业集约栽培的甘蔗等高产田
          • 2、1000~2000g/㎡
            • 适宜气候下的陆地和淡水生态系统年净初级生产力的标准值，是世界上大多数相对稳定的森林的平均值，还包括部分的湖泊、沼泽湿地和一部分草地及温带地区生产力比较高的农耕地
          • 3、250~1000g/㎡
            • 包括干燥的疏林灌丛或矮林以及大部分草地，还包括许多栽培农作物的耕地
          • 4、0~250g/㎡
            • 存在于极端干燥低温的地区和大洋深海区，也就是大面积的荒漠、两极地区的冻原及高山带和海洋的年净初级生产力
    • 二、次级生产力
      • 概念
        • 消费者和分解者利用初级生产物质进行同化作用建造自身和繁衍后代的过程
  • 生态系统的能量流动
    • 一、生态系统能量流动的基本模式
      • 生态系统的净初级生产力主要有3个去向
        • 1、为各类食草动物所采食
        • 2、作为凋落物而暂时储存于枯枝落叶层中，成为穴居动物、土壤动物和分解者的食物来源
        • 3、以生活物质的形式储存于生物体内
      • 生态系统中能量流动是单向的
    • 二、生态系统能量流动的基本规律
      • 热学第一定律
        • 能量可以在不同形式之间转化，但是能量不会凭空产生，它只能以严格的当量比例由一种形式转变为另一种形式，即能量守恒定律
      • 热血第二定律
        • 能量转化的方向和转化的效率，能量总是沿着从高温到低温、从自由能高到自由能低、从熵值低（有序性高）向熵值高（有序性低）的方向传递，而且在能量转化过程中效率总是小于100%，总会有一部分能量在转化过程中成为其他形式的能力而散失
      • 能量金字塔
        • 对于以食物链为主线的能量流动过程，如以纵轴为营养级，横轴为各营养级所含的能量，就可得到个底部宽、顶部窄的金字塔图形
      • 十分之一定律
        • 从下一个营养层次向上一个营养级的能力转化效率约为10%，也就是说，能量流动过程中有90%的能力损失掉了
  • 生态系统的物质流动
    • 生态系统中的物质流动可以用库和流两个概念来加以概括
      • 库：指某一物质在生物或非生物环境中被固定或储存的数量
        • 根据库的大小和活跃程度常将其分为储存库和活动库
        • 储存库：容积大而活动缓慢，一般为非生物成分，如岩石或沉积物，储存库中的物质从形式和空间都较难进入生命系统
        • 活动库（交换库、循环库）：是营养物质在生物和其环境之间进行迅速交换的较小而又非常活跃的部分，如植物库、动物库、土壤库和大气库
    • 影响物质循环速率最重要的因素有
      • 1、循环元素的性质，即循环速率由循环元素的化学特性和被生物有机体利用的方式不同所致
      • 2、生物的生长速率，其影响着生物对物质的吸收速度和物质在食物链中的运动速度
      • 3、有机物分解的速率，适宜的环境有利于分解者的生存，并使有机体很快分解，迅速将生物体内的物质释放出来，重新进入循环
    • 参与生命活动的各种元素的循环，可在3个水平上进行
      • 1、在个体水平上进行，即生命个体通过新陈代谢，与其周围环境不断进行物质交换
      • 2、是生态系统中进行，即生产者、消费者、分解者和环境之间进行物质交换，这种物质循环称为 营养环（生物循环）
        • 生物循环是在一个具体范围内进行的，其特点是物质流速快，周期短
      • 3、在地球上最大的生态系统一生物圈中进行，即在生物圈的各个圈层中进行的物质大循环，这种循环称为生物地球化学循环
        • 生物地球化学循环的范围涉及整个生物圈，并具有范围大、周期长和影响面广等特点
    • 根据生物地球化学循环中物质参与循环时的形式，可分为
      • 1、气相循环
        • 主要储存库是：大气
        • 循环中的物质常以气体形式出现，典型的有碳、氮循环
      • 2、水循环
      • 3、沉积型循环
        • 主要储存库是：土壤、岩石、地壳
        • 元素多以固态出现，代变性的循环有磷、硫的循环
      • 气相循环和沉积型循环都受到能流的驱动，并都依赖于水的循环
    • （一）水循环
      • 概念
        • 是最基本的生物地球化学循环，它强烈地影响其他物质的循环
      • 1、水的生态学意义
        • （1）水是物质的很好溶剂
        • （2）水运动带动了所有营养物质的循环
        • （3）水是地质变化的动因之一
          • 水平移动
            • 在地面是以液态水自高向低的流动，在空中以气态水随气流的移动
          • 垂直移动主要是
            • ① 地面土层水分的蒸发
            • ② 植物从根部吸水，经叶面蒸发
            • ③大气中水汽遇冷后的降落
      • 2、全球水的循环
        • 水的主要循环路线是：从地球表面通过蒸发进入大气圈，同时又不断从大气圈通过降水而回到地球表面
      • 3、生态系统中水的循环
        • 生态系统中的水循环包括：截取、渗透、蒸发、蒸腾、地表径流
      • 4、人类活动对水循环的影响
        • 一个区域对地下水的过分抽取，可能超过地下水的补充速度，而产生地下水位下降和地表沉降的现象
    • （二）碳循环
      • 碳是一切生物体中最基本的成分，它是构成生命有机体的能量元素之一，约占生物体重（干重）的49%。
      • 生物圈中的碳主要保存在岩石圈和化石燃料（石油和煤等），这是地球上两个最大的碳储存库
      • 碳循环的主要形式：从大气的二氧化碳库开始，经过生产者的光合作用，把碳固定，生成糖类，构成全球的基础生产
      • 全球气温升高的诱引：
        • ① 由于森林的砍伐，使同化碳的能力下降
        • ② 由于开采化石燃料，使碳的释放量增加
        • ③ 碳平衡的变化结果使得大气的二氧化碳含量升高，由于二氧化碳对长波辐射的吸收能力强，产生温室效应
    • （三）氮循环
      • 氮是各种氨基酸、蛋白质和核酸的主要组成部分，是一切生命结构的原料
        • 氮也是生物体能量元素之一
      • 氮的主要储存库是大气圈
      • 一般生物不能直接利用大气中的氮，大气中的氮必须通过固氮作用将氮和氧相结合成为硝酸盐和亚硝酸盐形态，或者与氢结合形成氨形态后才能够成为植物所利用
      • 固氮的途径
        • 1、通过闪电、宇宙射线、陨石、火山爆发活动的自然的高能过程固氮，其结果形成氨或硝酸盐，随降水达到地球表面
        • 2、生物固氮，它是最重要的途径。（固氮菌，根瘤菌）
        • 3、工业固氮
      • 由于人工固定的氮数量越来越多，已经在一些地方产生氮的过量累积，产生水体和土壤的污染，出现如地下水污染、湖泊污染、近海污染等，导致水质变坏、近海赤潮等现象。水体中的氮磷含量过高还会造成富营养化现象
      • 氮化作用：微生物分解有机氮，有机氮化物产生氮的过程
        • 1、供微生物，植物同化
        • 2、转化变为硝酸盐
      • 硝化作用：含氮有机物转变成硝酸盐和亚硝酸盐的过程
      • 氨化作用：有机体中的蛋白质被微生物分解成简单的氨基酸，进而被分解成氨、二氧化碳和水，返还到环境中去
      • 反硝化作用（脱氮作用）：反硝化细菌将亚硝酸盐转变成气态氮形态，使氮又回到大气库中的过程
    • （四）磷循环
      • 磷：是构成原生质、核酸、细胞膜和骨骼的重要成分，是生物必需的重要元素
      • 磷循环是典型的沉积型循环
        • 沉积型循环物质主要有两种存在相：岩石相和溶解盐相
      • 主要储存库是：岩石圈和土壤圈
      • 磷必须成为可溶性的磷酸盐才能进入循环
        • 循环的起点源于岩石的风化，终止于水中的沉积
    • （五）其他矿物质在生态系统中的循环
      • 矿质元素的来源主要是由于风化和水的溶蚀而从岩石中获取的
  • 生态系统的信息传递
    • 一、物理信息
      • 光、声音、颜色等
    • 二、化学信息
      • 酶、维生素、生长素、抗生素、内激素、外激素、生物碱
    • 三、营养信息
      • 食物和养分也是一种信息
    • 四、行为信息
  • 生态系统的价值流动
    • 一、价值流
      • 人类在劳动过程中，把自然物（能）流变成经济物（能）流，价值就沿着生产链不断形成、增值、转移，并通过交换关系实现其价值。这种商品生产的价值形成、增值、转移和实现过程，就是价值流动过程
    • 二、能值
      • 指产生一种流动或储存的能力时需要其他类别能量的总数值
      • 在一个复合生态系统中，货币与能值的流动方向相反
  • 生态系统的物种流动
    • 物种的流动亦就意味着是基因流
    • 物种的流动可概括为无规律的生物入侵和有规律的迁移两大形式
    • 物种流动对生态系统的影响
      • 1、物种增减影响生物群落构成
      • 2、入侵物种影响土壤营养
      • 3、改变生态系统的物质循环
      • 4、生态系统物质结构的间接影响
• 生态系统的类型
  • 1、按人类生活影响程度分类
    • 自然生态系统、经过人工训化、改造的自然生态系统、人工生态系统
  • 2、按其主导生物成分分类
    • 植物生态系统、动物生态系统、微生物生态系统、人类生态系统
  • 3、按能量来源分类
    • 自然供能的生态系统（森林生态系统）、人工和自然联合供能的生态系统（如农业生态系统）、人工供能的生态系统（如工业生态系统）
  • 4、按生境特征分类
    • 水体生态系统、陆地生态系统、湿地生态系统
  • 陆地生态系统
    • 陆地生态系统是地球上最重要的生态系统类型，包括森林、草原、和荒漠
    • 根据植物群落的性质和结构可将陆地生态系统可分为
      • 1、森林生态系统
        • ① 森林生态系统概述
          • 占世界陆地面积的22%
          • 其类型通常分为：热带雨林生态系统，常绿阔叶林生态系统，落叶阔叶林生态系统，寒带针叶林生态系统
        • ② 森林生态系统的垂直结构
          • 乔木层
          • 灌木层
          • 木本植物建群者主要生产者
          • 草本植物层
          • 土壤层
          • 动物和微生物
      • 2、草原生态系统
        • ① 草原生态系统概述
          • 草原是森林和荒漠的过渡地带，是陆地生态系统的重要组成部分
          • 是指以草本植物为主体的生物群落与其生存环境所构成的整体
        • ② 草原生态系统的空间结构
          • 木本层
          • 草本层
          • 土壤层
          • 动物层
        • ③我国的草原生态系统
          • 豆科和禾木科最多
      • 3、荒漠生态系统
        • ① 荒漠生态系统概述
          • 由稀疏分布的植被和荒漠环境组成的一个独特的陆地生态系统
          • 它主要分布于亚热带干旱区，往北可延伸到温带干旱地区
        • ② 荒漠生态系统的植物类型
          • 荒漠灌木及半灌木
            • 外型灌木，地上部分为一年生越冬时枯萎死亡
          • 肉质植物
          • 短命植物与类短命植物
            • 前者为一年生，后者系多年生
        • ③ 荒漠生态系统的动物
          • 两栖类很少，但蹄类很多，鸟类中多猛禽
        • ④ 荒漠生态系统的土壤
          • 荒漠区易溶性盐类很少淋溶，土壤表层有石膏累积
          • 地表细土被风吹走，剩下粗粒及石块，形成戈壁
          • 在风积区则形成大面积沙漠
      • 4、高山生态系统
      • 5、冻原生态系统
  • 水域生态系统
    • 一、淡水生态系统
      • 指由生活在淡水中的生物群落及其淡水环境组成的生态系统
      • 1、流水型水生态系统
        • 主要指河流、溪流和水渠等水体
      • 2、静水生态系统
        • 指陆地上的淡水湖泊、沼泽、池塘和水库
    • 二、海洋生态系统
      • 1、海岸带
      • 2、浅海带
      • 3、上涌带
      • 4、珊瑚礁
      • 5、远洋带
  • 湿地生态系统
    • 湿地是不问其天然或人工，永久或暂时的沼泽地、湿原、泥炭地或水域地带，常有静止或流动、咸水或淡水，半碱水或碱水水体者，包括低潮时水深不过6m的海滩水域
    • 一、湿地生态系统的类型
      • 1、富养沼泽
        • 是沼泽发育的最初阶段
        • 水源补给主要是地下水
        • 植物主要是苔草、芦荟、蒿草、柳、落叶松和水松
      • 2、贫养沼泽
        • 沼泽发育的最后阶段
        • 由于泥炭层的增厚，沼泽中部隆起，高于周围，故称高位沼泽
        • 水源补给仅靠大气降水
        • 泥炭藓沼泽：植物主要是苔藓植物和小灌木，尤以泥炭藓为优势
      • 3、中养沼泽
        • 介于上述两者之间的过渡类型
        • 植物既有富养沼泽植物，也有贫养沼泽植物。苔藓植物较多，但未形成藓丘，地表形态平坦
      • 根据《湿地公约》将湿地分为近海和海岸湿地、内陆湿地及人工湿地
      • 我国湿地可分为四大类：近海和海岸湿地、内陆湿地、青藏高原湿地和人工湿地
    • 二、湿地生态系统的结构特征
      • 1、湿地生态系统的水
        • 水的输入来自降水、地表径流、地下水、泛滥河水及潮汐
      • 2、湿地生态系统中的土
        • 湿地土壤是湿地的又一主要特征，通常称为水成土
          • 即在淹水或水饱和条件下形成的缺氧的土壤
      • 3、湿地生态系统中的生物
        • 许多湿地植物具有适应半水半陆生境的特征 （如有通气组织发达，根系浅，以不定根方式繁殖等）
          • 湿地动物也以两栖类和涉禽占优势，涉禽具有长嘴、长颈、长腿，以适应湿地的过渡性生态环境
    • 三、湿地生态系统的功能
      • 1、调节气候
      • 2、进化环境
      • 3、防洪防旱
      • 4、为湿地特有的动植物特别是水禽提供栖息地
      • 5、提供丰富的生物资源
      • 6、提供宝贵的土地资源
      • 7、提供宝贵的矿产资源
      • 8、提供丰富的旅游资源
      • 9、提供重要的科研和教育资源