環(huán)境生態(tài)學-第十六章 組成成員和過程

P1組成成員和過程要點生態(tài)系統(tǒng)的概念1935年Tansley提出生態(tài)系統(tǒng)的概念，最初的定義包括一個定義的空間中所有的動物、植物和物理的相互作用。近代生態(tài)學家更傾向于從能〔量〕流、碳流或營養(yǎng)物流來考慮生態(tài)系統(tǒng)。生態(tài)系統(tǒng)的構(gòu)成個體種群群落生態(tài)系統(tǒng)生物圈水生生態(tài)系統(tǒng)陸地生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)系統(tǒng)的概念1、生物群落：生活在一定自然區(qū)域內(nèi)，相互有直接或間接關系的各種生物的總體。2、生態(tài)系統(tǒng)：生態(tài)系統(tǒng)就是在一定的時間和空間內(nèi)，生物和非生物的成分之間，通過不斷的物質(zhì)循環(huán)和能量流動以及信息傳遞而相互作用、相互依存的統(tǒng)一體，構(gòu)成一個生態(tài)學的功能復合體。陸地生態(tài)系統(tǒng)森林生態(tài)系統(tǒng)小樹林一顆樹地球生物圈海洋~淡水~草地~沙漠~苔原~最高級高級中級小型微生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)系統(tǒng)=生物群落+無機環(huán)境生態(tài)系統(tǒng)的共同特征(一)、生態(tài)學上的主要結(jié)構(gòu)和功能單位(二)、生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部具有自我調(diào)節(jié)的能力(三)、能量流動、物質(zhì)循環(huán)和信息傳遞是生態(tài)系統(tǒng)的三大功能。(四)、生態(tài)系統(tǒng)是動態(tài)系統(tǒng)。生態(tài)系統(tǒng)=生物群落+非生物環(huán)境生態(tài)系統(tǒng)的組成生產(chǎn)者+消費者+分解者+生境陽光+大氣+水+巖石等氣候因子〔光、溫等及其他物理因子〕1．非生物局部無機物質(zhì)〔H2O、N、P、K、Ca等礦質(zhì)元素〕有機物質(zhì)〔糖、蛋白質(zhì)、脂類、腐殖質(zhì)等〕〔1〕生產(chǎn)者—自養(yǎng)生物〔把太陽能輸入生態(tài)系統(tǒng)〕生態(tài)系統(tǒng)草食動物〔一級消費者〕(herbivores)一級肉食動物〔以食草動物為食，

統(tǒng)稱二級消費者〕2．生物局部〔2〕消費者肉食物動物二級肉食動物〔大型肉食動物〕稱三〔能量傳遞〕(comsumers)(carnivores)級消寄生者三級肉食動物〔頂極肉食動物〕費者 雜食動物 腐食性動物 〔3〕復原者〔分解者〕(reducers)生態(tài)系統(tǒng)的組成Thebodiesoflivingorganismswithinaunitareaconstituteastandingcropofbiomass:themassoforganismsperunitareaoforganismsperunitareaofground(orwater),usuallyexpressedinunitsofenergyordryorganicmatter(e.g.tonsha-1).ThegreatmajorityofbiomassinaterrestrialcommunityIistherateatwhichbiomassisproducedperunitareabyplants,theprimaryproducers.Thetotalfixationofenergybyphotosynthesisisreferredtoasgrossprimaryproductivty(GPP)ofwhichaproportion(R)islostformthecommunityasrespiration.ThedifferencebetweenGPPandRisknownasnetprimaryproductivity(NPP)andrepresentstherateofproductionofnewbiomassthatisavailableforconsumptionbyheterotrophicorganisms(bacteria,fungiandanimals).Theproductionofbiomassbyheterotrophsiscalledsecondaryproduction.Ecosystemcomponents生態(tài)系統(tǒng)成分單位面積中活有機體的身體構(gòu)成了生物量〔biomass〕的現(xiàn)存量〔standingcrop〕：單位地〔或水〕面積的有機體的質(zhì)量，通常以能量或干有機質(zhì)為單位〔例如t/ha〕陸地群落大局部生物是植被。群落初級生產(chǎn)率是初級生產(chǎn)者植物所生產(chǎn)的單位面積生物量的速率。通過光合作用固定的總能量是總初級生產(chǎn)量〔GPP〕，其中一局部從群落喪失于呼吸作用〔R〕。GPP與R之差稱為凈初級生產(chǎn)量〔NPP〕，它代表了新生物量的產(chǎn)生速率，并可供異養(yǎng)生物〔細菌、真菌和動物〕消費之用。被異養(yǎng)生物生產(chǎn)的生物量叫做次級生產(chǎn)量。Thefirstlawofthermodynamicsstatesthatenergycanneitherbecreatednordestroyed.Thesecondlawofthermodynamicsstatesthateverytransformationresultsinareductionofthefreeenergyofthesystem.Becauseenergytransformationcannotbe100%efficient(fromthesecondlaw),heterotrophsmusthavelessenergy,andmustthereforeberaterthantheplantstheyfeedon.Thecomplexityofecologicalinteractionsmeansthatitisnotpossibletoconstructpredictivemathematicalmodelsoflivingsystemsbasedontheselawsofthermodynamics.Ecosystemsandthelawsofthermodynamics生態(tài)系統(tǒng)與熱力學定律熱力學第一定律說明，能量既不能被創(chuàng)造，也不能被破壞。熱力學第二定律說明，每一次“轉(zhuǎn)換都導致系統(tǒng)的自由能的減少〞。因為能量轉(zhuǎn)換不可能100%的有效，因此異養(yǎng)生物的能量較少，必然比它們所吃的植物更少。生態(tài)相互作用的復雜性意味著，以這些熱力學定律為根底去構(gòu)建用于預測的數(shù)學模型是不可能的。太陽輻射能有機物質(zhì)的合成過程，即生產(chǎn)者〔綠色植物〕吸收太陽能量形成初級生產(chǎn)量。熱能化學能熱能機械能活有機物質(zhì)被各級消費者〔動物〕消費的過程。死有機物質(zhì)〔動植物殘體和排泄物〕被腐生物分解的過程。能量流動特點：1單向流動，不可逆。2“越流越細〞，能量在流動過程中逐漸耗散。生態(tài)系統(tǒng)中的能量流動〔1/10法那么、10%定律〕“低效性〞----逐級遞減金字塔形的營養(yǎng)級關系“一山不存二虎”？Theproportionofnetprimaryproductionthatflowsthroughtrophiclevelsdependsontransferefficienciesinthewayenergyisusedandpassedfromonesteptothenext.Aknowledgeofjustthreecategoriesoftransferefficiencyisallthatisrequiredtounderstandthepatternofenergyflow.Theseareconsumptionefficiency(CE),assimilationefficiency(AE)andproductionefficiency(PE).Consumptionefficiencyisthepercentageoftotalproductivityavailableatonetrophiclevel(Pn-1)thatisactuallyconsumed(ingested)byatrophiccompartmentonelevelup(In).Assimilationefficiencyisthepercentageoffoodenergytakenintothegutsofconsumersinatrophiccompartment(In)whichisassimilatedacrossthegutwall(An)andbecomesavailableforincorporationintogrowthorusedtodowork.Productionefficiencyisthepercentageofassimilatedenergy(An)whichisincorporatedintonewbiomass(pn).Theremainderisentirelylosttothecommunityasrespiratoryheat.Transferefficiencies轉(zhuǎn)換效率凈初級生產(chǎn)力通過營養(yǎng)級流動的比例，決定于能量從一級到下一級的利用、通過途中的轉(zhuǎn)化效率。正是三類轉(zhuǎn)換效率的全部知識，是預測能量流動格局的全部要求，那就是消費效率〔CE〕、同化效率〔AE〕和生產(chǎn)效率〔PE〕。消費效率是指一個營養(yǎng)級的有效總生產(chǎn)力〔Pn-1〕中，后一營養(yǎng)級成員實際消費〔被吃掉〕局部〔In〕所占的百分比。同化效率是指一個營養(yǎng)級的消費者吃入消化道的食物能量〔In〕中，被同化而穿過消化道壁、并成為參加生長或用于作功的有效能量〔An〕所占的百分比。生產(chǎn)效率是指被同化的能量中〔An〕，參加到新生物量〔Pn〕所占的百分比。剩留下來的完全以呼吸熱量而損失于群落。RelatedtopicsPrimaryandsecondaryproductionThecommunity,structureand(P2)stability(Q1)Foodchains(P3)Communitypatterns,competitionandpredation(Q3)EnergyflowthroughacommunityGiventhatspecifiedvaluescanbeobtainedfornotprimaryproductionandCE,AEandPE,itispossibletopredict,usingmodels,thepathwayofenergyflowatdifferenttrophiclevelsfordifferentcommunities.Fromsuchmodelingstudies,whicharesupportedbyfielddata,themostsignificantfindingistheoverwhelmingimportanceofthedecomposersystem.Overall,inasteadystatecommunity,lossesthroughanimalrespirationbalanceNPPsothatstandingcropbiomassremainsthesame.通過群落的能流如果凈初級生產(chǎn)量和CE、AE和PE是的值，那么運用模型預測不同群落各個營養(yǎng)級的能流途徑是可能的。從這種有野外數(shù)據(jù)支持的模型研究得到了一個有意義的發(fā)現(xiàn)，即分解者系統(tǒng)是非常重要的。有普遍意義的是，在狀態(tài)穩(wěn)定的群落里，動物呼吸所喪失的被NPP所平衡，所以現(xiàn)存生物量保持一樣的水平。相關主題初級和次級生產(chǎn)力〔見P2〕群落、結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性〔見Q1〕食物鏈〔見P3〕群落格局、競爭和捕食〔見Q3〕Globalnetprimaryproductivityisapproximately120×109tonsfryweightperyearonland,and50×109tonsperyearinthesea.ThisproductivityisveryunevenlydistributedacrosstheEarth.Themostproductivesystemsarefoundamongstswampandmarshland,estuaries,reefsandcultivatedland.Productivitydecreasesmovingawayfromtheequator,indicationtheimportanceoftemperatureandradiation.KeyNotesPrimaryproductionP2

PRIMARYANDSECONDARYPRODUCTIONP2初級和次級生產(chǎn)力要點初級生產(chǎn)力全球陸地的凈初級生產(chǎn)力大約為120×109t/a干物質(zhì)，而海洋的大約為50×109t/a干物質(zhì)。這種生產(chǎn)力在地球上分布是很不均勻的。最富有生產(chǎn)力的系統(tǒng)出現(xiàn)在沼澤、濕地、河口灣、珊瑚礁和耕田。生產(chǎn)力隨離赤道距離增大而降低，它說明溫度與輻射的重要性。四生態(tài)系統(tǒng)的能量動態(tài)和儲存根本名詞解釋生產(chǎn)量(production)：一定時期內(nèi)有機物質(zhì)增加的總重量。總生產(chǎn)量(grossproduction)：某一時期合成的有機物質(zhì)總量.凈生產(chǎn)量(netproduction)：總生產(chǎn)量減去呼吸損失的局部.初級生產(chǎn)量(primaryproduction)：綠色植物的生產(chǎn)量.次級生產(chǎn)量(seconddaryproduction)：消費者的生產(chǎn)量.生物量(biomass)：任一時間某一地方某一種群、營養(yǎng)級或某一生態(tài)系統(tǒng)有機物質(zhì)的總重量。(kg/ha、g/m2、kj/m2)

現(xiàn)存量(standingcrop)：單位面積上當時所測得的生物體的總重量。

生產(chǎn)力(productivity)：指單位時間單位面積的生產(chǎn)量，即生產(chǎn)的速率。紅樹林沼澤濕地河口灣珊瑚礁Communityproductivitycanbirelatedtothestandingcropthatproducesitbycomparingtheratioofproductivity(P)tostandingcropbiomass(B).TheresultingP:Bratios(I.ekgproducedyear-1kg-1standingcrop)average0.042forforests,0.29forotherterrestrialsystems,and17.0foraquaticcommunities.AnalternativewayoflookingatP:Bratioswouldbetodefinebiomassintermsofweightoflivingtissue,whichwouldreducetheselargedifferencesbetweencommunities.However,accuratemeasurementoftheproportionofbiomassaliveisdifficult.Relationshipofproductivitytobiomass生產(chǎn)力對生物量的關系通過生產(chǎn)力〔P〕與現(xiàn)存生物量〔B〕之比，可以把群落生產(chǎn)力與產(chǎn)生它的現(xiàn)存量聯(lián)系起來。對于森林，所得到的P：B比率〔即每年每公斤現(xiàn)存量所生產(chǎn)出的公斤數(shù)〕平均為0.042，其他陸地系統(tǒng)是0.29，而水體群落是17.0。考慮P：B比率的另一種選擇是以活組織的重量確定的生物量，它將縮小群落之間的這些大的區(qū)別。當然，精確測定活的生物量比例是很困難的事。Secondaryproductionisdefinedastherateofproductionofnewbiomassbyheterotrophicorganisms.Heterotrophsareorganisms,suchasanimalsandfungi,witharequirementforenergy-richorganicmolecules.Secondaryproductionbyheterotrophsisinevitablydependentonprimaryproductivity.Generally,ingrazersystems,thatpartofthetrophicstructureofacommunitywhichdependsontheconsumptionoflivingplantbiomass,secondaryproductivityisanorderofmagnitudelessthanprimaryproductionresultinginapyramidalstructure.However,thereareexceptionstothis.Secondaryproduction次級生產(chǎn)力次級生產(chǎn)力的定義是異養(yǎng)有機體的新生物量的生產(chǎn)速率。異養(yǎng)生物如動物、真菌，要求能量豐富的有機分子。異養(yǎng)生物的次級生產(chǎn)力必然地依存于初級生產(chǎn)力。一般說來，在牧食者系統(tǒng)中，次級生產(chǎn)力是群落營養(yǎng)結(jié)構(gòu)中，依存于消費活植物生物量的那一局部，在數(shù)量級少于植物生產(chǎn)力，從而形成了金字塔結(jié)構(gòu)。然而也有例外。食物種群動物得到的動物未得到的動物吃進的動物未吃進的被同化的未同化的凈次級生產(chǎn)量呼吸代謝未被取食被更高營養(yǎng)級取食次級生產(chǎn)量的一般生產(chǎn)過程RelatedtopicsSolarradiationandplants(F1)Componentsandprocesses(P1)Plantsandconsumers(G2)Foodchains(P3)TherelationshipbetweenmatterandenergyOnceenergyistransformedintoheat,itcannolongerbeusedbylivingorganismstodoworkortofuelthesynthesisofbiomass,theheatislosttotheatmosphereandcanneverberecycled.LifeonEarthispossiblebecauseafreshsupplyofsolarenergyismadeavailableeveryday,Incontrast,nutrientssuchascarboncanbereused.Chemicalnutrients,thebuildingblocksifbiomass,canbeusedagain,andrecyclingisacriticalfeature.Unliketheenergyinsolarradiation,nutrientsarenotinunalterablesupplyofnutrientswouldbecomeexhaustedandlifeonEarthwouldcease.相關主題太陽輻射與植物〔見F1〕組成成員和過程〔見P1〕植物與消費者〔見G2〕食物鏈〔見P3〕物質(zhì)與能量的關系能量一旦轉(zhuǎn)化為熱，它就不再能被有機體用于作功或合成生物量的燃料。熱損失到大氣中，再也不能進入再循環(huán)。地球上生命所以能夠存在，正是由于太陽輻射每天都提供著新鮮的可用能量。相反，像碳一樣的營養(yǎng)物，就能被再利用。構(gòu)成生物量基塊的化學營養(yǎng)物可以被利用，以臨界的特征在再循環(huán)著。與太陽輻射的能量不同，營養(yǎng)物的供給不是不會改變的。如果植物及其消費者沒有被最后分解掉，營養(yǎng)物的供給將會耗盡，地球上的生命也將終止。生態(tài)系統(tǒng)的能量流動是隨著物質(zhì)循環(huán)而進行的，二者互為因果、相輔相成，具有不可分割的聯(lián)系。生態(tài)系統(tǒng)的各成分中，通過能量流動和物質(zhì)循環(huán)而緊密地聯(lián)系在一起，形成一個統(tǒng)一的整體。Autotrophicorganismsassimilateinorganicresourcesintopackagesoforganicmolecules.Therebecometheresourcesforheterotrophswhichthenbecomearesourceforanotherconsumer.Ateachlinkinthisfoodchainwecanrecognizethreepathwaystothenexttrophiclevel:decomposition,parasitismandpredation.Consumersmaybegeneralists(polyphagous),takingawidevarietyofpreyspeciesormayspecializeonsinglespeciesorarangeofcloselyrelatedspecies(monophagous).KeyNotesPathwaysofnutrientflowP3

FOODCHAINSＰ3食物鏈要點營養(yǎng)物流自養(yǎng)生物同化無機資源，生成有機分子的組件，這些組件成為異養(yǎng)生物的資源，后者又后為另一個消費者的資源。在這種食物鏈的每一個連接，我們能夠區(qū)分出通向下一個營養(yǎng)級的三條途徑：分解、寄生和捕食。消費者可能是泛化種〔多食性的〕，吃廣范圍的獵物種，或者是特化為吃一個或一組有密切關系的種〔單食性的〕。“稻田生態(tài)系統(tǒng)〞化學元素簡單化合物陽光大氣水土壤水稻雜草蝗蟲青蛙蛇鷹死亡生境生產(chǎn)者消費者分解者植食肉食初級次級三級四級消費者Acharacteristicofanecosystemisthenumberandnatureofthespeciesthatoccupyitsvarioustrophiclevels.Therelationshipbetweenconstituentsofonetrophiclevelandconstituentsofadjacenttrophiclevelsmaybedescribedbyafoodchain.Thisisachainofeatingandbeingeatenthatconnects,forexample,carnivorousanimalstotheirultimateplantfood.Manyfoodchainsexistinanygivenecosystemandvanbecombinedintofoodwebs.Ecosystemsvaryconsiderablyinthepatternoftheirenergy-nutrientwebs.Interactionsbetweentrophiclevels營養(yǎng)級間的相互作用生態(tài)系統(tǒng)的一個特征是：占據(jù)其各個營養(yǎng)級的種數(shù)及種的性質(zhì)。一個營養(yǎng)級的成員與鄰近營養(yǎng)級的成員之間的相互關系可以用食物鏈來描述。食物鏈是連接吃與被吃的鏈，例如，食肉動物到它的最后的植物食物。任何生態(tài)系統(tǒng)都有許多食物鏈，并可以組成食物網(wǎng)。生態(tài)系統(tǒng)在能量-營養(yǎng)物網(wǎng)的模式上有很大的變化。生物之間由于食物關系而形成的一種聯(lián)系食物鏈第四營養(yǎng)級第三營養(yǎng)級第二營養(yǎng)級第一營養(yǎng)級初級消費者三級消費者次級消費者生產(chǎn)者綠色植物蛇青蛙昆蟲“螳螂捕蟬，黃雀在后〞“大魚吃小魚，小魚吃青蝦，青蝦吃泥巴〔主要指浮游植物〕〞這兩句諺語是否構(gòu)成食物鏈？請說明理由！否是食物網(wǎng)：許多長短不一的食物鏈互相交織成復雜的網(wǎng)狀關系營養(yǎng)級和生態(tài)金字塔一個營養(yǎng)級是指處于食物鏈某一環(huán)節(jié)上的所有生物種的總和。四級消費者三級消費者二級消費者一級消費者生產(chǎn)者營養(yǎng)級和生態(tài)金字塔生態(tài)金字塔是指各個營養(yǎng)級之間的數(shù)量關系，這種數(shù)量關系可以用生物量單位、能量單位和個體數(shù)量單位表示，采用這些單位所構(gòu)成的生態(tài)金字塔分別稱為生物量金字塔、能量金字塔和數(shù)量金字塔。p1'C2'C3'C4'Cp1'C2'C3'C4'Cp1'C2'Cp1'C2'C3'C3'C數(shù)量能量落葉林草地落葉林及草地數(shù)量和能量金字塔單位：公斤生物量金字塔1000100101浮游動物魚浮游植物能量金字塔請大家思考，有沒有可能出現(xiàn)倒置的金字塔的情形？Top-downorbottom-up?Ithasbeenarguedthattheearthisgreenandvegetatedbecauseherbivorenumbersareregulatedbytheirpredators(top-downcontrol),whilstallothertrophiclevelsareregulatedbycompetitionforresources(bottom-upcontro