草地生态学ppt课件:基础生态课件11.ppt
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第五章生态系统生态学
* 第一节 生态系统的一般特征
* 第二节 生态系统的能量流动
* 第三节 生态系统的物质循环
* 生态系统的概念
* 生态系统的特点
* 生态系统的组成成分
§3生态系统的的营养结构
食物链和食物网
食物链和食物网
食物链的类型
生物扩大
营养级
生态金字塔
* 数量金字塔(pyramid of numbers)
* 生物量金字塔(pyramid of biomass)
* 能量金字塔(energy pyramid)
§4生态效率
* 生态效率：各种能流参数中任何一个参数在营养级之间或营养级内部的比值。(常以百分数表示)
§4生态效率
* 常用的几个能量参数
* 摄取量：I 生物所摄取的能量
* 同化量：A 固定的能量
* 呼吸量：R 呼吸等的消耗
* 生产量：P净剩的同化能量
§4生态效率
* 同化效率：Ae=An/In
* 生产效率：Pe=Pn/An
* 消费效率：Ce=In+1/Pn
* 林德曼效率：Le=In+1/In
§5生态系统的反馈调节和生态平衡
§5生态系统的反馈调节和生态平衡
反馈：系统的输出变成了决定未来功能的输入。
* 负反馈
* 正反馈
生态系统中的反馈(正反馈(左)和负反馈(右))
§5生态系统的反馈调节和生态平衡
* 自然界生态系统总是趋向于保持一定的内部平衡关系，使系统内各成分间完全处于相互协调的稳定状态。生态系统内的负反馈机制是达到和维持平衡或稳定的重要途径。
* 生态平衡：指生态系统通过发育和调节所达到的一种稳定状况，它包括结构上的稳定、功能上的稳定和能量输入、输出上的稳定，是一种动态平衡。
第二节生态系统的能量流动
* §1 生态系统的生物生产
* §2 生态系统中的分解
* §3 生态系统的能流过程
§1 生态系统的生物生产
* 生物生产的基本概念
> 生物生产
> 生物量与生产量
* 初级生产
> 总初级生产与净初级生产
> 影响初级生产的因素
> 初级生产量的测定方法
* 次级生产
> 次级生产的基本特点
> 次级生产量的测定方法
生物生产
* 生物生产：是生态系统重要功能之一。生态系统不断运转，生物有机体在能量代谢过程中，将能量、物质重新组合，形成新的产品的过程，称生态系统的生物生产。
* 生态系统中绿色植物通过光合作用，吸收和固定太阳能，从无机物合成、转化成复杂的有机物。由于这种生产过程是生态系统能量贮存的基础阶段，因此，绿色植物的这种生产过程称为初级生产(primary production)，或第一性生产。
* 初级生产以外的生态系统生产，即消费者利用初级生产的产品进行新陈代谢，经过同化作用形成异养生物自身的物质，称为次级生产(secondary production)，或第二性生产。
生物量和生产量
* 生物量(biomass):某一特定观察时刻，某一空间范围内，现有有机体的量.它可以用单位面积或体积的个体数量、重量(狭义的生物量)或含能量来表示，因此它是一种现存量(standing crop)。
现存的生物量以B表示。现存生物量通常用平均每平方米生物体的干重(g·m-2)或平均每平方米生物体的热值来表示(J ·m-2)。
* 生产量(production):一定时期内有机物质增加的总重量。某个种群或生态系统所新生产出的有机体的数量、重量或能量，它是时间上积累的概念。
* 生产力(productivity)：是指单位时间单位面积上的有机物质生产量。 g·m-2.a-1即含有速率的概念。有的文献资料中，生产量、生产力和生产率视为同义语，有的则分别给予明确的定义。
* 生物量和生产量是不同的概念。前者到某一特定时刻为止，生态系统所积累下来的生产量，而后者是某一段时间内(单位时间)生态系统中生产的生物量。
总初级生产与净初级生产
* 初级生产过程可用下列方程式概述：
光能
6CO2+6H2OC6H12O6 + 6O2
叶绿素
* 总初级生产(gross primary production,GP)与净初级生产(net primary production,NP)：
* 植物在单位面积、单位时间内，通过光合作用固定太阳能的量称为总初级生产(量)，常用的单位：J · m -2 · a-1 或 gDW · m -2 · a-1；
* 植物总初级生产(量)减去呼吸作用消耗掉的(R)，余下的有机物质即为净初级生产(量)。二者之间的关系可表示如下：
GP＝NP+R；NP＝GP-R
影响初级生产的因素
影响初级生产的因素
* 植物群落呼吸损失掉的能量变化幅度在15%-90%以上。
净生产力和生物量
*奥德姆根据初级生产力将生态系统划分为4级：
*最低：荒漠和深海。
*较低：山地森林、热带稀树草原、某些临时农耕地、半干旱草原、深湖和大陆架。
*较高：热带雨林，长久性农耕地和浅湖。
*最高：少数特殊的生态系统(农业高产田、 河漫滩、三角洲、珊瑚礁、红树林)。
初级生产的生产效率
* 光合效率(效能)：太阳能量进入生态系统的效能。
光合效率＝
* 测定值：1%-5%
初级生产的生产效率
* 4个生态系统的初级生产效率的比较
初级生产量的测定方法
* 1、收获量测定法：
2、氧气测定法
黑白瓶法总光合量＝净光合量+呼吸量
3、二氧化碳测定法
* pH测定法：水体中的pH值随着光合作用中吸收二氧化碳和呼吸过程中释放二氧化碳而发生变化，根据pH值变化估算初级生产量。
* 叶绿素测定法：叶绿素与光合作用强度有密切的定量关系，通过测定体中的叶绿素可以估计初级生产力。
* 放射性标记测定法：把具有14C的碳酸盐(14CO32-)放入含有天然水体浮游植物的样瓶中，沉入水中，经过一定时间的培养，滤出浮游植物，干燥后，测定放射性活性，确定光合作用固定的碳量。由于浮游植物在黑暗中也能吸收14C，因此，还要用"暗吸收"加以校正。
次级生产
* 净初级生产量是生产者以上个营养级所需能量的唯一来源。
次级生产的基本特点
次级生产过程模型
次级生产量的测定方法
* 按已知同化量A和呼吸量R，估计生产量P
P=C-Fu-R，Fu-尿粪量
* 根据个体生长或增重的部分Pg和新生个体重Pr，估计P
P＝ Pg +Pr
次级生产的生态效率
* 1、消费效率
* 消费效率=n+1营养级的消费能量/n营养级的净生产量
* 草原生态系统中的植食动物通常比森林生态系统中的植食动物能利用较多的初级生产量。在水生生态系统中，食植物的浮游动物甚至可以利用更高比例的净初级生产量。
* 1975年，Whittaker对不同生态系统中净初级生产量被动物利用的情况提供了一些平均数据，热带雨林大约有7%的净初级生产量被动物利用，温带阔叶林为5%，草原为10%，开阔大洋40%和海水上涌带35%。可见，在森林生态系统中，净生产量的绝大多数都通向了碎屑食物链。
次级生产的生态效率
* 2、同化效率
* 同化效率=被植物固定的能量/植物吸收的日光能
* 或 =被动物消化吸收的能量/动物摄食的能量
* 肉食动物的同化效率要高于植食动物
次级生产的生态效率
* 3、生产效率
* 生产效率=n营养级的净生产量/n营养级的同化能量
* 大型动物的生长效率要低于小型动物，老年动物的生长效率要低于幼年动物。随着营养级的增加，呼吸消耗所占的比例也相应增加，因而导致在肉食动物营养级净生产量的相应下降
次级生产的生态效率
* 林德曼效率(Lindemans efficiency)是指n+1营养级所获得的能量占n营养级获得能量之比。
§2生态系统中的分解
* 分解的性质
> 死有机物逐步降解的过程。
无机元素从有机物释放出来，称为矿化。
包括碎裂(物理生物)、异化(酶)和淋溶(物理)
三个过程交叉进行，相互影响。
§2生态系统中的分解
§2生态系统中的分解
* 分解过程的特点和速率，取决于资源的质量、生物的种类和理化环境条件三方面。
分解者生物的种类
* (1)细菌和真菌
* (2)动物：土壤原生动物、线虫、轮虫
分解的资源质量
单糖分解快，半纤维素，纤维素和木质素难于分解。
营养物质的浓度C/N=25-30/1
分解时的理化环境条件
§2生态系统中的分解
* 资源分解的意义：
> 理论意义：
* 通过死亡物质的分解，使营养物质再循环，给生产者提供营养物质；
* 维持大气中二氧化碳的浓度；
* 改善土壤物理性状，改造地球表面物理状态，稳定和提高土壤有机质含量；
> 实践意义：
* 粪便处理
* 污水处理
澳大利亚引进异地金龟处理牛粪
§3 生态系统的能流过程(自学)
* 生态系统能流分析可以在哪几个层次上进行及能流研究的原理？
* 银泉和Cedar Bog湖的能流有何特点并比较之？
生态系统层次上能流研究的步骤
* ⑴确定组成生态系统生物组成部分的有机体成份；
* ⑵ 确定消费者的食性，确定消费者的分类地位；
* ⑶确定有机体的营养级归属，进而确定：
* ①各营养级的生物量，* ②各营养级能量或食物的摄入率，* ③同化率
* ④呼吸率
* ⑤由于捕食、寄生等因素而引起的能量损失率；
* ⑷ 结合各个营养级的信息，获得营养金字塔或能流图。
稳定同位素法对生态系统进行能流分析
* 元素、核素、同位素、稳定同位素
* 许多化学元素有几种稳定同位素，如C的稳定同位素包括 和12C和13C，N的稳定同位素包括15N和14N，S的稳定同位素包括34S和32S，它们在不同的环境以及不同的生物体中的含量不同。
* 用稳定同位素进行能流分析的原理：由于不同的生物的稳定同位素来源不同、对稳定同位的选择性利用，因此，所含的轻重稳定同位素的比例不同。如生物在蛋白质合成过程中，轻的N同位素被选择性地排出，结果体内的15N相对于食物较高，因而当物质从一个营养级进入下一个营养级，组织中的15N浓度变得较为丰富。生态系统中，最高的营养级15N的相对浓度最高，最低的营养级15N的相对浓度最低。
第三节生态系统的物质循环
* §1生物地化循环的基本概念
* §2水循环
* §3气体型循环
* §4沉积型循环
§1生物地化循环的基本概念
* 生物地化循环
* 生物地化循环的基本术语
* 生物地化循环的类型
生物地化循环(biogeochemical cycle)
* 生态系统从环境中获得的营养物质，在大气圈、水圈、岩圈之间以及生命系统内部的流动和交换称生物地(球)化(学)循环。
* 流动着的物质有着双重使命
* 物质循环不同于能量流动，后者在生态系统中的运动是循环的
* 生物地化循环不同于地质循环
生物地化循环的基本术语
* 生物地化循环可以用库和流通率两个概念来描述。
* 库：是由存在于生态系统某些生物或非生物成分中一定数量的某种化学物质所构成的。
生物地化循环的基本术语
* 流通率：单位时间、单位面积内通过的营养物质的量称流通率。
* 为了衡量库的特征，以入周转率、周转时间
* 周转率＝流通率/库中营养物质总量
* 周转时间＝库中营养物质总量/流通率
生物地化循环的类型
* 水循环
* 气体型循环
* 沉积型循环
§2水循环(aquatic cycle)
* 水循环的意义：
> 水是所有营养物质的介质；
> 水对物质是很好的溶剂(库)；
> 水是地质变化的动因之一。
为什么高处往往比较贫瘠，低地比较肥沃？
* 由于携带着各种营养物质的水总是从高处往低处流动，所以高处往往比较贫瘠，低地比较肥沃。
* 例如沼泽地和大陆架就是这种最肥沃的低地，也是地球上生产力最高的生态系统之一。
水循环示意图
人类活动对水循环的影响
* 空气污染和降水；
> 改变地面，增加径流；
> 过度利用地下水；
> 水的再分布。
§3气体型循环(gaseous cycle)
* 氧循环
* 碳循环
* 氮循环
* 特点是贮存库主要是大气和海洋，循环功能完善，其循环具有明显的全球性。......（后略) ......
第五章生态系统生态学
* 第一节 生态系统的一般特征
* 第二节 生态系统的能量流动
* 第三节 生态系统的物质循环
* 生态系统的概念
* 生态系统的特点
* 生态系统的组成成分
§3生态系统的的营养结构
食物链和食物网
食物链和食物网
食物链的类型
生物扩大
营养级
生态金字塔
* 数量金字塔(pyramid of numbers)
* 生物量金字塔(pyramid of biomass)
* 能量金字塔(energy pyramid)
§4生态效率
* 生态效率：各种能流参数中任何一个参数在营养级之间或营养级内部的比值。(常以百分数表示)
§4生态效率
* 常用的几个能量参数
* 摄取量：I 生物所摄取的能量
* 同化量：A 固定的能量
* 呼吸量：R 呼吸等的消耗
* 生产量：P净剩的同化能量
§4生态效率
* 同化效率：Ae=An/In
* 生产效率：Pe=Pn/An
* 消费效率：Ce=In+1/Pn
* 林德曼效率：Le=In+1/In
§5生态系统的反馈调节和生态平衡
§5生态系统的反馈调节和生态平衡
反馈：系统的输出变成了决定未来功能的输入。
* 负反馈
* 正反馈
生态系统中的反馈(正反馈(左)和负反馈(右))
§5生态系统的反馈调节和生态平衡
* 自然界生态系统总是趋向于保持一定的内部平衡关系，使系统内各成分间完全处于相互协调的稳定状态。生态系统内的负反馈机制是达到和维持平衡或稳定的重要途径。
* 生态平衡：指生态系统通过发育和调节所达到的一种稳定状况，它包括结构上的稳定、功能上的稳定和能量输入、输出上的稳定，是一种动态平衡。
第二节生态系统的能量流动
* §1 生态系统的生物生产
* §2 生态系统中的分解
* §3 生态系统的能流过程
§1 生态系统的生物生产
* 生物生产的基本概念
> 生物生产
> 生物量与生产量
* 初级生产
> 总初级生产与净初级生产
> 影响初级生产的因素
> 初级生产量的测定方法
* 次级生产
> 次级生产的基本特点
> 次级生产量的测定方法
生物生产
* 生物生产：是生态系统重要功能之一。生态系统不断运转，生物有机体在能量代谢过程中，将能量、物质重新组合，形成新的产品的过程，称生态系统的生物生产。
* 生态系统中绿色植物通过光合作用，吸收和固定太阳能，从无机物合成、转化成复杂的有机物。由于这种生产过程是生态系统能量贮存的基础阶段，因此，绿色植物的这种生产过程称为初级生产(primary production)，或第一性生产。
* 初级生产以外的生态系统生产，即消费者利用初级生产的产品进行新陈代谢，经过同化作用形成异养生物自身的物质，称为次级生产(secondary production)，或第二性生产。
生物量和生产量
* 生物量(biomass):某一特定观察时刻，某一空间范围内，现有有机体的量.它可以用单位面积或体积的个体数量、重量(狭义的生物量)或含能量来表示，因此它是一种现存量(standing crop)。
现存的生物量以B表示。现存生物量通常用平均每平方米生物体的干重(g·m-2)或平均每平方米生物体的热值来表示(J ·m-2)。
* 生产量(production):一定时期内有机物质增加的总重量。某个种群或生态系统所新生产出的有机体的数量、重量或能量，它是时间上积累的概念。
* 生产力(productivity)：是指单位时间单位面积上的有机物质生产量。 g·m-2.a-1即含有速率的概念。有的文献资料中，生产量、生产力和生产率视为同义语，有的则分别给予明确的定义。
* 生物量和生产量是不同的概念。前者到某一特定时刻为止，生态系统所积累下来的生产量，而后者是某一段时间内(单位时间)生态系统中生产的生物量。
总初级生产与净初级生产
* 初级生产过程可用下列方程式概述：
光能
6CO2+6H2OC6H12O6 + 6O2
叶绿素
* 总初级生产(gross primary production,GP)与净初级生产(net primary production,NP)：
* 植物在单位面积、单位时间内，通过光合作用固定太阳能的量称为总初级生产(量)，常用的单位：J · m -2 · a-1 或 gDW · m -2 · a-1；
* 植物总初级生产(量)减去呼吸作用消耗掉的(R)，余下的有机物质即为净初级生产(量)。二者之间的关系可表示如下：
GP＝NP+R；NP＝GP-R
影响初级生产的因素
影响初级生产的因素
* 植物群落呼吸损失掉的能量变化幅度在15%-90%以上。
净生产力和生物量
*奥德姆根据初级生产力将生态系统划分为4级：
*最低：荒漠和深海。
*较低：山地森林、热带稀树草原、某些临时农耕地、半干旱草原、深湖和大陆架。
*较高：热带雨林，长久性农耕地和浅湖。
*最高：少数特殊的生态系统(农业高产田、 河漫滩、三角洲、珊瑚礁、红树林)。
初级生产的生产效率
* 光合效率(效能)：太阳能量进入生态系统的效能。
光合效率＝
* 测定值：1%-5%
初级生产的生产效率
* 4个生态系统的初级生产效率的比较
初级生产量的测定方法
* 1、收获量测定法：
2、氧气测定法
黑白瓶法总光合量＝净光合量+呼吸量
3、二氧化碳测定法
* pH测定法：水体中的pH值随着光合作用中吸收二氧化碳和呼吸过程中释放二氧化碳而发生变化，根据pH值变化估算初级生产量。
* 叶绿素测定法：叶绿素与光合作用强度有密切的定量关系，通过测定体中的叶绿素可以估计初级生产力。
* 放射性标记测定法：把具有14C的碳酸盐(14CO32-)放入含有天然水体浮游植物的样瓶中，沉入水中，经过一定时间的培养，滤出浮游植物，干燥后，测定放射性活性，确定光合作用固定的碳量。由于浮游植物在黑暗中也能吸收14C，因此，还要用"暗吸收"加以校正。
次级生产
* 净初级生产量是生产者以上个营养级所需能量的唯一来源。
次级生产的基本特点
次级生产过程模型
次级生产量的测定方法
* 按已知同化量A和呼吸量R，估计生产量P
P=C-Fu-R，Fu-尿粪量
* 根据个体生长或增重的部分Pg和新生个体重Pr，估计P
P＝ Pg +Pr
次级生产的生态效率
* 1、消费效率
* 消费效率=n+1营养级的消费能量/n营养级的净生产量
* 草原生态系统中的植食动物通常比森林生态系统中的植食动物能利用较多的初级生产量。在水生生态系统中，食植物的浮游动物甚至可以利用更高比例的净初级生产量。
* 1975年，Whittaker对不同生态系统中净初级生产量被动物利用的情况提供了一些平均数据，热带雨林大约有7%的净初级生产量被动物利用，温带阔叶林为5%，草原为10%，开阔大洋40%和海水上涌带35%。可见，在森林生态系统中，净生产量的绝大多数都通向了碎屑食物链。
次级生产的生态效率
* 2、同化效率
* 同化效率=被植物固定的能量/植物吸收的日光能
* 或 =被动物消化吸收的能量/动物摄食的能量
* 肉食动物的同化效率要高于植食动物
次级生产的生态效率
* 3、生产效率
* 生产效率=n营养级的净生产量/n营养级的同化能量
* 大型动物的生长效率要低于小型动物，老年动物的生长效率要低于幼年动物。随着营养级的增加，呼吸消耗所占的比例也相应增加，因而导致在肉食动物营养级净生产量的相应下降
次级生产的生态效率
* 林德曼效率(Lindemans efficiency)是指n+1营养级所获得的能量占n营养级获得能量之比。
§2生态系统中的分解
* 分解的性质
> 死有机物逐步降解的过程。
无机元素从有机物释放出来，称为矿化。
包括碎裂(物理生物)、异化(酶)和淋溶(物理)
三个过程交叉进行，相互影响。
§2生态系统中的分解
§2生态系统中的分解
* 分解过程的特点和速率，取决于资源的质量、生物的种类和理化环境条件三方面。
分解者生物的种类
* (1)细菌和真菌
* (2)动物：土壤原生动物、线虫、轮虫
分解的资源质量
单糖分解快，半纤维素，纤维素和木质素难于分解。
营养物质的浓度C/N=25-30/1
分解时的理化环境条件
§2生态系统中的分解
* 资源分解的意义：
> 理论意义：
* 通过死亡物质的分解，使营养物质再循环，给生产者提供营养物质；
* 维持大气中二氧化碳的浓度；
* 改善土壤物理性状，改造地球表面物理状态，稳定和提高土壤有机质含量；
> 实践意义：
* 粪便处理
* 污水处理
澳大利亚引进异地金龟处理牛粪
§3 生态系统的能流过程(自学)
* 生态系统能流分析可以在哪几个层次上进行及能流研究的原理？
* 银泉和Cedar Bog湖的能流有何特点并比较之？
生态系统层次上能流研究的步骤
* ⑴确定组成生态系统生物组成部分的有机体成份；
* ⑵ 确定消费者的食性，确定消费者的分类地位；
* ⑶确定有机体的营养级归属，进而确定：
* ①各营养级的生物量，* ②各营养级能量或食物的摄入率，* ③同化率
* ④呼吸率
* ⑤由于捕食、寄生等因素而引起的能量损失率；
* ⑷ 结合各个营养级的信息，获得营养金字塔或能流图。
稳定同位素法对生态系统进行能流分析
* 元素、核素、同位素、稳定同位素
* 许多化学元素有几种稳定同位素，如C的稳定同位素包括 和12C和13C，N的稳定同位素包括15N和14N，S的稳定同位素包括34S和32S，它们在不同的环境以及不同的生物体中的含量不同。
* 用稳定同位素进行能流分析的原理：由于不同的生物的稳定同位素来源不同、对稳定同位的选择性利用，因此，所含的轻重稳定同位素的比例不同。如生物在蛋白质合成过程中，轻的N同位素被选择性地排出，结果体内的15N相对于食物较高，因而当物质从一个营养级进入下一个营养级，组织中的15N浓度变得较为丰富。生态系统中，最高的营养级15N的相对浓度最高，最低的营养级15N的相对浓度最低。
第三节生态系统的物质循环
* §1生物地化循环的基本概念
* §2水循环
* §3气体型循环
* §4沉积型循环
§1生物地化循环的基本概念
* 生物地化循环
* 生物地化循环的基本术语
* 生物地化循环的类型
生物地化循环(biogeochemical cycle)
* 生态系统从环境中获得的营养物质，在大气圈、水圈、岩圈之间以及生命系统内部的流动和交换称生物地(球)化(学)循环。
* 流动着的物质有着双重使命
* 物质循环不同于能量流动，后者在生态系统中的运动是循环的
* 生物地化循环不同于地质循环
生物地化循环的基本术语
* 生物地化循环可以用库和流通率两个概念来描述。
* 库：是由存在于生态系统某些生物或非生物成分中一定数量的某种化学物质所构成的。
生物地化循环的基本术语
* 流通率：单位时间、单位面积内通过的营养物质的量称流通率。
* 为了衡量库的特征，以入周转率、周转时间
* 周转率＝流通率/库中营养物质总量
* 周转时间＝库中营养物质总量/流通率
生物地化循环的类型
* 水循环
* 气体型循环
* 沉积型循环
§2水循环(aquatic cycle)
* 水循环的意义：
> 水是所有营养物质的介质；
> 水对物质是很好的溶剂(库)；
> 水是地质变化的动因之一。
为什么高处往往比较贫瘠，低地比较肥沃？
* 由于携带着各种营养物质的水总是从高处往低处流动，所以高处往往比较贫瘠，低地比较肥沃。
* 例如沼泽地和大陆架就是这种最肥沃的低地，也是地球上生产力最高的生态系统之一。
水循环示意图
人类活动对水循环的影响
* 空气污染和降水；
> 改变地面，增加径流；
> 过度利用地下水；
> 水的再分布。
§3气体型循环(gaseous cycle)
* 氧循环
* 碳循环
* 氮循环
* 特点是贮存库主要是大气和海洋，循环功能完善，其循环具有明显的全球性。......（后略) ......
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