生態(tài)水文學(xué)導(dǎo)論(2)

1、生態(tài)水文學(xué)導(dǎo)論生態(tài)水文學(xué)導(dǎo)論生態(tài)系統(tǒng)中的水文循環(huán) 第二章 水文循環(huán)與生態(tài)系統(tǒng) 1.1 地球上的水文循環(huán) 2.1 生態(tài)系統(tǒng)基本知識(shí) 2.1.1生態(tài)學(xué)的基本概念生態(tài)學(xué)的基本概念 Haeckel(l869)：生態(tài)學(xué)是研究生物有機(jī)體與其周圍環(huán)境(包括非生物環(huán)境和生物環(huán)境)相互關(guān)系的科學(xué) 公認(rèn)：公認(rèn)：生態(tài)學(xué)是研究生命系統(tǒng)與環(huán)境相互關(guān)系生態(tài)學(xué)是研究生命系統(tǒng)與環(huán)境相互關(guān)系的科學(xué)的科學(xué)行為生態(tài)學(xué)行為生態(tài)學(xué) 、生理生態(tài)學(xué) 、分子生態(tài)學(xué) 、種群生態(tài)學(xué)、群落生態(tài)學(xué) 生態(tài)學(xué)尺度：個(gè)體、種群、群落、生態(tài)系統(tǒng)個(gè)體、種群、群落、生態(tài)系統(tǒng) 2.2.2 種群種群 種群是指在特定時(shí)間內(nèi)，由分布在同一區(qū)域的許種群是指在特定時(shí)間內(nèi)，

2、由分布在同一區(qū)域的許多同種生物個(gè)體自然組成的生物系統(tǒng)多同種生物個(gè)體自然組成的生物系統(tǒng) 種群生態(tài)學(xué)是研究種群生物系統(tǒng)的規(guī)律的科學(xué)種群生態(tài)學(xué)是研究種群生物系統(tǒng)的規(guī)律的科學(xué) ：研究種群內(nèi)部各成員之間，種群(或其成員)與其他生物種群之間，以及種群與周圍環(huán)境非生物因素的相互作用規(guī)律。 種群的主要特征種群的主要特征 ：數(shù)量特征(密度或大小) 空間分布特征 遺傳特征 種群密度種群密度(density)是指單位面積是指單位面積(或體積或體積)空間中的生物個(gè)空間中的生物個(gè)體數(shù)量體數(shù)量 絕對(duì)密度是指單位面積(或體積)空間中的生物個(gè)體數(shù)量 相對(duì)密度則只是衡量生物數(shù)量多少的相對(duì)指標(biāo) 出生率(natality 或 bi

3、rth rate)：是指單位時(shí)間種群的出生個(gè)體數(shù)與種群個(gè)體總數(shù)的比值 最大出生率(maxmium natality)和生態(tài)出生率(ecological natality) ，或稱實(shí)際出生率(realized natality) 生育率和生殖力(fertility rate and fecundity) ：生育率指單位時(shí)間種群的出生個(gè)體數(shù)與種群雌性個(gè)體總數(shù)的比值；生殖力的量度是單位時(shí)間個(gè)體或種群所能產(chǎn)生的配子數(shù)或無性繁殖的合子數(shù) 死亡率(mortality 或 death rate)：是指單位時(shí)間種群的是指單位時(shí)間種群的死亡個(gè)體數(shù)與種群個(gè)體總數(shù)的比值死亡個(gè)體數(shù)與種群個(gè)體總數(shù)的比值 最低死亡率(m

4、inimum mortality)和生態(tài)死亡率(ecological mortality) 種群的年齡結(jié)構(gòu)(age structure)又稱年齡分布(age distribution)：是指種群中各年齡期個(gè)體在種群中所占是指種群中各年齡期個(gè)體在種群中所占的比例的比例 年齡分為三個(gè)時(shí)期：繁殖前期(prereproductive period)、繁殖期(reproductive period)和繁殖后期(postreproductive period) 種群的年齡結(jié)構(gòu)常用年齡錐體(或稱年齡金字塔)(age pyramids)來表示 性比例(sex ratio)是指種群中雄性與雌性個(gè)體數(shù)的比例，用每

5、100個(gè)雌性的雄性數(shù)來表示 2.2.3 群落 一、基本概念 1、群落的概念 ：指在一定時(shí)間內(nèi)，居住于一定區(qū)域或生境內(nèi)的各種生物種群的集合 2、群落的基本特征 群落中植物種類組成的確定：種類面積曲線圖種類面積曲線圖 研究表明：組成群落的植物種類越多，群落的最小面積相應(yīng)地就越大；環(huán)境條件越優(yōu)，群落的結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，組成群落的植物種類就越多。 3群落中的優(yōu)勢(shì)種 1)優(yōu)勢(shì)種的概念 。對(duì)群落的影響最大，影響或控制著該群落，決定群落的外形、結(jié)構(gòu)和功能 2)確定優(yōu)勢(shì)種的指標(biāo)體系 密度與相對(duì)密度：密度是指單位面積上物種的個(gè)體數(shù)是指單位面積上物種的個(gè)體數(shù) 頻度與相對(duì)頻度 ：頻度是指某個(gè)物種在群落中分布的均勻性。 優(yōu)

6、勢(shì)度與相對(duì)優(yōu)勢(shì)度 ：優(yōu)勢(shì)度常以某物種底面積或胸高斷面積或體積或干物質(zhì)重量的多少來衡量該物種在群落中的優(yōu)勢(shì)程度 相對(duì)優(yōu)勢(shì)度相對(duì)優(yōu)勢(shì)度(%) 重要值 重要值重要值相對(duì)密度十相對(duì)頻度十相對(duì)優(yōu)勢(shì)度相對(duì)密度十相對(duì)頻度十相對(duì)優(yōu)勢(shì)度300 3)優(yōu)勢(shì)種的確定: 群落中重要值大的物種就是群落的優(yōu)勢(shì)種 4、生物多樣性 1）生物物種多樣性的概念 :又稱物種豐富度，是指一個(gè)群落中的物種數(shù)、各物種的個(gè)體數(shù)以及均勻分布程度 多樣性，即群落或生境內(nèi)的種的多度 多樣性，即在一個(gè)梯度上，從一個(gè)生境到另一個(gè)生境所發(fā)生的種的多度變化的速率和范圍 多樣性，即在一個(gè)地理區(qū)域內(nèi)一系列生境中的種的多度 關(guān)系為/ 2)影響物種多樣性變化的主

7、要因素：(1)時(shí)間因素 ；(2)空間異質(zhì)性因素 ； (3)氣候穩(wěn)定性因素 ；(4)競(jìng)爭(zhēng)因素 ；(5)生產(chǎn)因素 3)生物多樣性計(jì)算 （下式中s為種群數(shù)）s 5、群落系數(shù) S 1)Syrensen相似性系數(shù) S2c/(a+b) a為A群落中的種數(shù)；b為B群落中的種數(shù)；c為A、B兩個(gè)群落中的共有種數(shù) 2)Motyka相似系數(shù) S=2Mw/(MA+MB) 式中 MW為A、B兩個(gè)群落共有種較小定量值，MA是A群落中全部物種的定量值總和，MB是B群落中全部物種的定量值總和 3)相關(guān)系數(shù) 式中xi為A群落中第i個(gè)物種的定量值，yi為B群落中第i個(gè)物種的定量值，x 為A群落中全部物種定量值的平均數(shù)，y 為B群

8、落中全部物種定量值的平均數(shù)。 二、群落的外貌和結(jié)構(gòu) 1群落的外貌和生活型 1)群落的外貌 2)生活型:是指植物長期適應(yīng)環(huán)境條件而在外部形態(tài)表現(xiàn)出來的一種特性 高位芽植物，芽的位置距地面30cm以上； 地上芽植物，芽的位置距地面30cm以下； 地面芽植物，芽位于地表或接近地表； 地下芽植物，芽位于地下； 一年生草本，植物以種子的形式渡過不良季節(jié) 2群落的垂直結(jié)構(gòu) 成層現(xiàn)象 森林群落：通?？梢詣澐譃閱棠緦?、灌木層、草本層和地被層等四個(gè)基本結(jié)構(gòu)層次，同一層次中，又可按同化器官在空中排列的高度劃分亞層 水生群落：漂浮生物、浮游生物、游泳生物、底棲生物、附底生物和底內(nèi)生物等 3群落的水平結(jié)構(gòu) 群落的結(jié)構(gòu)

9、特征不僅表現(xiàn)在垂直方向上的分層現(xiàn)象，而且在水平方向上也表現(xiàn)出差異性。在一個(gè)群落中的某些地點(diǎn)，植物種類的分布是不均勻的。 4群落的時(shí)間格局 氣象因子有年變化和日變化，表現(xiàn)出明顯的時(shí)間節(jié)律。群落中各種植物的生長發(fā)育，以及群落結(jié)構(gòu)也隨時(shí)間而有明顯的變化，這就是群落的時(shí)間格局。 三、群落演替 1.群落演替的概念 克列門茨認(rèn)為：群落演替是一個(gè)群落代替另外一個(gè)群落；所能看到的群落，都是處于運(yùn)動(dòng)發(fā)展過程中的某一瞬間；現(xiàn)有群落的外貌和結(jié)構(gòu)也都是群落動(dòng)態(tài)過程中某一階段的具體表現(xiàn)；群落發(fā)展到最后，會(huì)形成與環(huán)境最為適應(yīng)的頂極群落。 2群落發(fā)生、發(fā)育的一般過程 1)群落的發(fā)生 遷移或侵移 :從繁殖體開始傳播到新定居的

10、地方為止，這個(gè)過程稱為遷移 。繁殖體主要指植物種子、泡子、鱗莖、根狀莖，以及能繁殖的植物體的任何部分 植物定居 ：定居過程指繁殖體被傳播到新的地點(diǎn)以后能否進(jìn)行發(fā)芽、生長和繁殖的全部過程 競(jìng)爭(zhēng) ：植物定居成功之后，繁殖體的數(shù)量和種類會(huì)不斷增大，出現(xiàn)地上和地下兩個(gè)部分營養(yǎng)空間不足，這時(shí)易產(chǎn)生競(jìng)爭(zhēng) 反應(yīng) ：通過定居過程，群落內(nèi)生物與非生物環(huán)境間的能量轉(zhuǎn)換和物質(zhì)循環(huán)不斷進(jìn)行，原有生態(tài)環(huán)境條件也隨之逐漸發(fā)生變化，這就是“反應(yīng)” 發(fā)育初期 ：在這一時(shí)期中，群落建群種的良好發(fā)育是一個(gè)主要標(biāo)志 發(fā)育盛期 ：在這一時(shí)期，適應(yīng)于群落生態(tài)環(huán)境的植物種類，能得到良好的發(fā)育 發(fā)育末期 ：原來的建群種生長勢(shì)逐漸減弱，缺乏

11、更新能力 3群落演替的原因 1)外因動(dòng)態(tài)演替 外因動(dòng)態(tài)演替是指由于群落以外的因素所引起的演替。如：(1)氣候性演替，是氣候變化而引起的演替，其中，氣候的干濕度變化是主要的演替動(dòng)力。(2)土壤性演替，是由于土壤條件向一定方向改變而引起的群落演替。(3)動(dòng)物性演替，是由于動(dòng)物的作用而引起的群落演替，例如原來以禾本科植物為優(yōu)勢(shì)的草原，植株較高種類較多，在經(jīng)常放牧或過渡放牧之后，即變成以細(xì)葉莎草為優(yōu)勢(shì)成分的低矮草原。(4)火成演替，是指出于火災(zāi)的發(fā)生引起的群落演替。(5)人為因素演替，是指在人為因素干擾之下，引起的群落演替。 2)內(nèi)因動(dòng)態(tài)演替 內(nèi)因動(dòng)態(tài)演替是指群落內(nèi)部的植物體改變了生態(tài)環(huán)境而引起的演替

12、。 4群落演替的類型 1)劃分類型的原則 按裸地性質(zhì) ：原生演替和次生演潛 按基質(zhì)性質(zhì) ：水生基質(zhì)演替系列和旱生基質(zhì)演替系列 按水分關(guān)系： 分為水生演替系列、旱生演替系列和中生演替系列 按主導(dǎo)因素劃分 ：分群落發(fā)生演替 、內(nèi)因生態(tài)演替 、外因生態(tài)演替 、地因發(fā)生演替 2)群落的原生演替類型 在原生裸地進(jìn)行的群落演替稱為原生演替。所謂原生裸地是原來就沒有植物群落的地方，分為二個(gè)類型。旱生演替系列和水生演替系列。 3)群落的次生演替類型 在次生裸地進(jìn)行的群落演替稱為次生演替。所謂次生裸地，是指那些原生群落雖被破壞，但原生群落下的土壤條件還保留了一部分，且土壤中還多少保留著原生群落中某些種類的繁殖體

13、的地段 5群落演替的“頂極”學(xué)說 1)單元演替頂極 克列門茨：在一定的地區(qū)內(nèi)，按照演替的發(fā)生過程，群落相繼替代，通過一系列的演替階段，最后達(dá)到與該地區(qū)氣候相適應(yīng)的最穩(wěn)定最平衡的狀態(tài)，即頂極 2)多元演替頂極 英國的坦斯利：如果一個(gè)群落相對(duì)穩(wěn)定，能自行繁殖，并終結(jié)了演替的過程，就可稱為“頂極群落”，而并不會(huì)趨于一個(gè)氣候頂極 3)頂極格局假說 演替的起因在不同程度上屬于群落的外部或群落的內(nèi)部，許多演替既涉及外因，也涉及內(nèi)因，以及交互的影響?？傊?，變化著的環(huán)境梯度、種群梯度以及群落特征梯度，是彼此緊密聯(lián)系著的。一個(gè)演替，就有一個(gè)時(shí)間上的生態(tài)系統(tǒng)演替系列。群落的相對(duì)穩(wěn)定性沿著演替的順序而提高：早期階段

14、，在某些情況下，由于種群相互迅速更替而表現(xiàn)出明顯的不穩(wěn)定性，最后階段的群落通常是穩(wěn)定的。 2.2.4 生態(tài)系統(tǒng) 一、基本概念 生態(tài)系統(tǒng)定義：生態(tài)系統(tǒng)是指在一定時(shí)間和空間內(nèi)，由生物群落與其環(huán)境組成的一個(gè)整體，各組成要素間藉助物質(zhì)流動(dòng)、能量流動(dòng)、物質(zhì)循環(huán)、信息傳遞和價(jià)值流動(dòng)，而相互聯(lián)系、相互制約，并形成具有自調(diào)節(jié)功能的復(fù)合體。 地球上有無數(shù)大大小小的生態(tài)系統(tǒng)、，大到整個(gè)海洋、整塊大陸，小至一片森林、一塊草地、個(gè)小池塘等，都可看成是生態(tài)系統(tǒng)。地球上的自然生態(tài)系統(tǒng)都是開放的，有物質(zhì)和能量的流進(jìn)和流出。 任何一個(gè)生態(tài)系統(tǒng)都具有以下共同特性： 是生態(tài)學(xué)上的一個(gè)結(jié)構(gòu)和功能單位，屬于生態(tài)學(xué)上的最高層次； 內(nèi)部

15、具有自調(diào)節(jié)、自組織、自更新能力； 具能量流動(dòng)、物質(zhì)循環(huán)和信息傳遞三大功能 營養(yǎng)級(jí)的數(shù)目有限； 是一個(gè)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)。 二、生態(tài)系統(tǒng)的組成 生態(tài)系統(tǒng)的成分，不論是陸地還是水域，或大或小，都可概括為非生物和生物兩大部分。或者分為非生物環(huán)境、生產(chǎn)者、消費(fèi)者和分解者四種基本成分(圖21) 生物成分生物成分 (1) 生產(chǎn)者(producer) 能進(jìn)行光合作用制造有機(jī)物或能夠利用化學(xué)能把動(dòng)植物轉(zhuǎn)化成有機(jī)物的綠色植物和自養(yǎng)微生物多屬于生產(chǎn)者。綠色植物通過光合作用把CO2、H2O和無機(jī)鹽轉(zhuǎn)化成有機(jī)物，把太陽能轉(zhuǎn)化成化學(xué)能。因此，綠色植物是整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)（包括綠色植物本身）食物能量的供應(yīng)者。 （2）消費(fèi)者(consum

16、er) 消費(fèi)者是指以有機(jī)物質(zhì)作為食物來源的各種動(dòng)物、某些寄生和腐生的菌類。按食性可分為： 草食動(dòng)物(herbivore)以植物為營養(yǎng)的動(dòng)物，又稱植食動(dòng)物，是初級(jí)消費(fèi)者(primary consumer)如昆蟲、嚙齒類、馬、牛、羊等；肉食動(dòng)物(carnivore)是以草食動(dòng)物或其他動(dòng)物為食的動(dòng)物。又可分為： 一級(jí)肉食動(dòng)物，又稱二級(jí)消費(fèi)者(secondary consumer)，以草食動(dòng)物為食的捕食性動(dòng)物。 二級(jí)肉食動(dòng)物，又稱三級(jí)消費(fèi)者（third consumer）以一級(jí)肉食動(dòng)物為食的動(dòng)物。 (3) 分解者(decomposer) 分解者又稱還原者(reductor)，主要是指細(xì)菌和真菌等微生物

17、以及土壤中的小型動(dòng)物。分解者的作用，就在于把生產(chǎn)者和消費(fèi)者的殘?bào)w分解為簡(jiǎn)單的物質(zhì)(無機(jī)物)，再供給生產(chǎn)者。 非生物成分非生物成分 非生物成分提指生態(tài)系統(tǒng)中的原料部分(溫度、陽光、水、土壤、各種礦物質(zhì))、媒質(zhì)部分(水、土壤、空氣等)和基質(zhì)(巖石、泥、沙等)，是生態(tài)系統(tǒng)中生物賴以生存的物質(zhì)、能量的源泉和活動(dòng)的場(chǎng)所。 三、生態(tài)系統(tǒng)的基本特征 (一)生態(tài)系統(tǒng)是動(dòng)態(tài)功能系統(tǒng) 發(fā)育、代謝、繁殖、生長與衰老 (二)生態(tài)系統(tǒng)具有一定的區(qū)域特征 生命系統(tǒng)與環(huán)境系統(tǒng)的相互作用以及生物對(duì)環(huán)境的長期適應(yīng)結(jié)果，使生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能反映了一定的地區(qū)特性 (三)生態(tài)系統(tǒng)是開放的“自維持系統(tǒng)” 自然生態(tài)系統(tǒng)則不同，它所需要的能源是生產(chǎn)者對(duì)光能的