生态系统及平衡课件.ppt

生态系统与生态平衡,第一节 生态系统的概念与组成,第一节 生态系统的概念与组成,一、生态系统的概念与发展（一）生态系统的概念1935年A.G.Tansley率先提出了生态系统的概念。居住在同一地区的动植物与其环境结合在一起的，生态系统内成分和非生物成分在功能上是一个统一的自然实体，这自然实体生态系统就是生态学上的功能单位。,第一节 生态系统的概念与组成,1940年，苏联植物生态学家V.N.Sukachev在深入研究植物群落中种间和种内竞争的基础上，提出了生物地理群落的概念。他认为：“生物地理群落是在地球表面上的一个地段内，一个空间内，生物群落及其所处的大气圈、岩石圈、水圈、土壤圈都是相适应的。”他强调生物群落中各个成员和自然地理环境因素之间是相互联系在一起整体。,第一节 生态系统的概念与组成,按照生态学家的定义，所谓的生态系统是在一定时间和空间内由生物成分和非生物成分组成的一个生态学功能单位，在这个功能单位与综合体中，生物与其栖息的环境之间不断地进行着物质循环和能量流动、信息传递的过程。,第一节 生态系统的概念与组成,一个完整的生态系统必须具备四个最基本的备件：第一：生态系统是客观存在的实体，有时间和空间的概念；第二，生态系统是由生物成分和非生物成分组成的；第三，生态系统是以生物为主体的；第四，各成员之间有机地组织在一起，具有同一的整体功能。,第一节 生态系统的概念与组成,（二）生态系统概念的发展动物学家R.Lindeman(1941)提出了营养级的概念，他的著作生态学的营养动态状况（1942）是一篇生态系统中能量流动的经典著作，具有划时代的意义，已经成为生态系统能量动态研究的基础。,第一节 生态系统的概念与组成,当代生态学家中，对生态系统概念的发展作出贡献的是奥德姆兄弟（E.P.Odum,H.T.odum)及W.E.Odum. E.P.Odum创造性地提出了许多生态系统中结构和功能特征的变化规律，并在营养动态和能量流动方面提出了许多新思想和新方法 H.T.odum对佛罗里达州银泉生态系统能流收支的研究，是当今生态系统水平上能量流动分析的典范。,第一节 生态系统的概念与组成,H.D.Kumar(1992)指出:生态系统是个超系统,它包括了相互作用的植物、动物、微生物及其信赖的非生物的环境。他作了一个三维生态系统模型。所有的初级生产者、次级生产者和分解者都是该系统中的主要成分。他强调生态系统的整体性、有限性和复杂性。,第一节 生态系统的概念与组成,从以上可以看到，生态系统正处于不断的发展阶段，新的概念、新的理论还会随着时代的发展而不断地发展下去。正如G.C.Evans(1976)在英国植物生态学年会上的开幕词中所指出的那样：“生态系统概念的优越之处就是它全面，包括了生物有机体的全部物理的、化学的和生物的要素，全部的科学知识是一袋未经雕刻的金刚石。”,第一节 生态系统的概念与组成,（三）生态系统研究的对象生态系统研究的对象主要是自然界的任何一个部分。,第一节 生态系统的概念与组成,二、生态系统的组成（一）生态系统的组成1、生产者 绿色植物、光能和化能自养的某些细菌2、消费者 食草动物、食肉动物,第一节 生态系统的概念与组成,第一节 生态系统的概念与组成,3、分解者（还原者）细菌、真菌、放线菌、土壤原生物和一些小型无脊椎动物4、非生物环境（环境亚系统） 光、热、水、汽、土壤和营养成分,第一节 生态系统的概念与组成,（二）生态系统组成成分之间的关系生态系统的这四个成分，在能量获得和物质循环中各以其特有的作用而相互影响，相互依存，通过复杂的营养关系而紧密结合为一个统一整体，共同组成了生态系统这个功能单元。,第一节 生态系统的概念与组成,第二节 生态系统的结构与功能,一、生态系统的结构（一）生态系统的空间结构任何一个生态系统都有空间结构，指生态系统中各种生物的空间配置（分布）状况，包括垂直结构和水平结构。水平结构是指生态系统内的植物在水平空间上的分化或镶嵌现象。,第二节 生态系统的结构与功能,（二）生态系统的时间结构生态系统的时间结构是指生态系统中的物种组成、外貌、结构和功能等随着时间推移和环境因子的变化而呈现的各种时间格局。长时间尺度、短时间尺度、中等时间尺度,第二节 生态系统的结构与功能,（三）生态系统的营养结构生态系统中各种成分之间最本质的联系是通过营养来实现的，即通过食物链把生物与非生物、生产者与消费者、消费者与消费者连成一个整体。,第二节 生态系统的结构与功能,第二节 生态系统的结构与功能,二、生态系统的基本特征及类型划分（一）生态系统的基本特征1、生态系统是动态的功能系统生态系统是生命存在并与外界不断进行物质交换和能量传递的特定空间。因此，生态系统具有生命有机体的一系列生物学特性，如发育、代谢、繁殖、生长与衰老等。,第二节 生态系统的结构与功能,2、生态系统具有一定的区域特征生态系统都与特定的空间相联系，因此它是一个包含一定地区和范围的空间概念。在不同的空间里存在着不同的生态条件，栖息着与之相适应的生物类群。如同为森林生态系统，寒温带的长白山区的针阔混交林与海南岛的热带雨林生态系统在物种结构、物种的丰富度或系统的功能等都具有明显的差异。,第二节 生态系统的结构与功能,3、生态系统是开放的“自持系统”生态系统连续的自我维持的基础就是它所具有的代谢机能，这种代谢机能是通过系统内的生产者、消费者、分解者三个不同的营养水平的生物类群完成的，它们是生态系统“自维持”的结构基础。,第二节 生态系统的结构与功能,4、生态系统具有自动调节的功能所谓自我调节功能是指生态系统受到外来干扰而使稳定状态改变时，系统靠自身内部的机制再返回稳定、协调状态的能力。生态系统自我调节功能表现在三个方面，即同种生物种群密度调节；异种生物种群间数量调节；生物与环境之间相互适应的调节。,第二节 生态系统的结构与功能,（二）生态系统的分类1、按生态系统空间环境性质划分陆地生态系统和水域生态系统,第二节 生态系统的结构与功能,第二节 生态系统的结构与功能,2、按生态系统的生物成分划分可分为植物生态系统、动物生态系统、微生物生态系统、人类生态系统。3、按人类活动及对生态系统的影响程度划分（1）自然生态系统（2）半自然生态系统 如风景风等,第二节 生态系统的结构与功能,（3）人工生态系统 如城市生态系统、农业生态系统等三、生态系统的功能生物生产、能量流动、物质循环及信息传递功能。（一）生物生产1、初级生产力,第二节 生态系统的结构与功能,1、初级生产力初级生产（第一性生产），是指植物把太阳能转化为化学能，物质从有机物到无机物的过程。用公式表示为： 6CO2+12H2O+ C6H12O6+6H2O第一生产可分为总第一性生产和净第一性生产。净第一性生产量是从总第一性生产量中减掉植物自身消耗的部分，它是生态系统生物生产的主,第二节 生态系统的结构与功能,初级生产量或初级生产力：单位时间和单位面积（体积）内初级生产者积累的能量或生产物质量。绿色植物称为初级生产者。2、次级生产次级生产（第二性生产）是指除了初级生产者之外的其他有机体（消费者和分解者）的生产，它是建立在初级生产基础上，表现为以初级产品为原料的动物和真菌、细菌等微生物的生长、繁殖和营养物的储藏等其他生命活动的过程。,第二节 生态系统的结构与功能,次级生产力取决于次级生产者对环境适应和以食料利用、转化的能力，以及种群大小；还取决于人类对次级生产过程的管理能力和水平。次级生产者在转化初级生产物的过程中，不能把全部的能量都转化为新的次级生产者，而是有很大的一部分要在转化的过程中被损耗掉，即通常所说的生态系统转化率大约是10%20%。百分之十定律。,第二节 生态系统的结构与功能,（二）能量流动1、能量和能量转化的基本规律：热力学定律热力学第一定律：能量守恒定律热力学第二定律：指当能量从一种形式转化为另一种形式的时候，转化效率并不是100%，即在生态系统中，能量的传递和转化过程中，除了一部分可以继续传递和做功的能量外，总有一部分不能继续传递和做功，而是以热能的形式消散到环境中，这部分能量使得熵 和无序增加。,第二节 生态系统的结构与功能,2、生态系统的能量流生态系统的能量流动可以通过食物链和食物网，营养级和生态金字塔来描述。食物链和食物网是生态系统能量流动的渠道。（1）食物链一类是生食食物链，以活的生物为食的食物链；另一类是腐食食物链或称碎屑食物链，以死的食物为食的食物链,食物链,第二节 生态系统的结构与功能,食物链,生食食物链,腐生食物链,捕食食物链,寄生食物链,第二节 生态系统的结构与功能,（2）食物网食物网形象地反映了生态系统内各生物有机体之间的相互关系和营养位置。（3）营养级和生态金字塔初级生产者；一级消费者；二级消费者；四级消费者（大型食肉动物如猛禽、猛兽、大鱼等，虎、鲨鱼。）,食物网,金 字 塔,第二节 生态系统的结构与功能,3、生态系统的能量流动图（三）物质循环,第二节 生态系统的结构与功能,生态系统的物质循环是指生态系统从大气、水域和土壤中获得营养物质，通过以绿色植物为代表的生产者吸收，进入生命系统，再被食草动物和食肉动物等消费者重复利用，最后由还原者分解转化回归于环境中。,生态系统的能量流动图,第二节 生态系统的结构与功能,生态系统中的物质主要是指维持生物生命过程正常运行的化学元素，大约需要3040种。这些化学元素可以分为能量元素、大量元素、微量元素。能量元素：能量元素是构成生命蛋白质所必需的碳、氢、氮和氧，这四种元素占总到植物总干重的95%。,第二节 生态系统的结构与功能,大量元素主要有钙、磷、镁、钾、硫等。微量元素有铜、锌、硼、锰、钼、铝、铬、氟、碘、溴、硒、硅、银、钒、锡等。它们在生命体内的所占的比例很小，但却是必不可少的，有些的重要性并不次于大量元素,第二节 生态系统的结构与功能,根据物质循环的过程中是否有气相存在，可以分为气体型循环和沉积型循环。有学者认为水是自然的先驱，没有水循环也就没有整个生物地球化学循环，因此把水循环单独列出来。1、水循环 水循环是在地球上的太阳能与重力的驱动下，水从一种形式转变为另外一种形式，并在气流（风）和海流的推动下在生物圈内的循环。,水循环,第二节 生态系统的结构与功能,2、气体型循环在生物圈物质循环过程中，碳、氧、氮等的循环，主要以气态循环为主，并存在于生物体、大气和矿物质中。水体富营养化赤潮,第二节 生态系统的结构与功能,3、沉积型循环在生物循环过程中参予循环的矿物质元素，通过沉积作用进入地壳而暂时或长期离开循环，形成了一种不完全的循环，如磷、钾和硫等的循环。,第二节 生态系统的结构与功能,（四）信息传递与流动1、营养信息通过食物链与食物网进行的信息传递，把信息借助营养关系从一个种群传递到另一个种群，或是从一个个体传递到另一个个体，即为营养信息。,第二节 生态系统的结构与功能,2、化学信息生物在某些特定条件下，或在某个生长发育阶段，经过新陈代谢产生的化学物质如酶、维生素、抗生素、性引诱剂等，它们是在生物种群或个体之间起着特定作用的某种信息，称之为化学信息。化学信息是生态系统中信息流的重要组成部分。它深深地影响着生物种间和种内关系，相互促进或相互制约、相互吸引或相互排斥。,第二节 生态系统的结构与功能,3、物理信息生物通过声、光、色、电等向同类或异类传达的信息构成了生态系统的物理信息，如鸟的鸣叫、虎狮的咆哮、蝴蝶的飞舞、花朵艳丽的色彩和诱人的香气等，它们对于生物而言就是意味着吸引、恐吓、安全、警告、排斥、危险和求偶等。,第二节 生态系统的结构与功能,4、行为信息生态系统中的许多同种动物，不同个体相遇，时常表现出一些特殊的行为方式，这就是所谓的行为信息。这些信息有的是向同伴或种群发出识别、食物源，有的表示挑战、威胁，有的是向对方炫耀自己的优势，有的是为了配对。,第三节 生态系统的演化,一、生态系统的起源植物在生态系统的进化过程中，起着关键的作用，它出现于一定的环境条件，以其独特的性能，深刻地作用于周围环境，同时又受到其改变的环境的制约。它的光合作用和分解作用，推动整个生物圈不断向前发展。,第三节 生态系统的演化,二、生态系统发展生态系统同生物体一样，具有从幼期到成熟期的发育过程，即生物群落的演替过程，这一过程称为生态系统的发展。生态系统发育到稳定状态，生态系统的结构和功能相对稳定，生态系统中生物量最大，生物种间的相互关系最为复杂/生态系统的发展是一个动态过程。,第三节 生态系统的演化,生态系统的动态包含着演替和进化两个方面，生态系统的进化是指系统在长的时间尺度上的变化。它是地质、气候等外部环境的长期变迁与生物新物种的形成和出现所引起的内部变化共同作用的结果。一般来说，生态系统发展进化的总趋势是复杂性和有序性的增加，对物理环境控制或内部稳定性的加大，以及对外界干扰达到最小的影响。,第三节 生态系统的演化,生态系统演替是指系统在短的时间尺度上的变化，它发生在一个短期内，从其建立的不稳定状态，通过系统内部自调控而逐步达到一相相对稳定的状态。三、生态系统的演替生态系统的演替是以生物群落的演替为基础，它包括生命系统和非生命系统。植物群落的演替，实际是整个生态系统的演替。,第三节 生态系统的演化,三、生态系统的演化依据基质的不同，自然生态系统的演替可划分为两类：陆生演替和水生演替1、陆生演替开始于干旱缺水的土地，以最早的先锋植物群的地衣开始，经历苔藓、草本、灌木直到出现相对稳定状态的森林生态系统。这一系列的演替过程，就是一个演替系列。,第三节 生态系统的演化,2、水生演替开始于水环境，如湖泊向森林的演替，从最早始于裸地阶段，以浮游生物为主，经历沉水植物、浮水植物、挺水植物、草本湿生植物直到出现灌木、乔木和森林生态系统。这一系列演替是生物量不断增大，植株高度的增加及其改造环境的能力加大。,第四节 生态平衡,一、生态平衡的含义生态平衡一词是美国学者威廉.福格特在1949年出版的生存之路一书中正式提出来的，其用意是指自然环境没有遭受人类严重干扰的天然状态，通称为“生态平衡”，所以有人称为“自然界的平衡”,第四节 生态平衡,生态平衡的概念：生态平衡是指生物系统的相对平衡。 在任何一个正常的、成熟的生态系统中，其结构与功能都是相互依存、相互制约，包括物种组成，各种群的数量和比例，以及物质与能量的输入与输出方面保持着一种动态平衡。,第四节 生态平衡,判断一个生态系统是否平衡，可以重点从以下几个方面进行分析：（1）生态系统的生物与其生存环境是协调的，包括生物个体、种群乃至群落不同水平与环境的协调统一。所谓生态平衡就是生物与其环境之间的协调稳定状态，可以认为生态系统是平衡的,第四节 生态平衡,（2）生态系统内物质和能量的输入和输出两者间的平衡。这主要从生态系统的功能方面考虑，当一个生态系统的物质循环与能量流动在长时间内保持稳态，可以认为生态系统是平衡的。,第四节 生态平衡,（3）生态系统内部结构的稳定性。生态平衡是群落内各物种之间相互作用的结果，物种数量趋于稳定的生态系统比物种数量波动的生态系统更平衡，生态系统的平衡是随着群落组分数量的增加而增加，即多样性增加稳定性，换言之，群落稳定性是多样性的函数。,第四节 生态平衡,（4）生态系统的平衡应是负熵不断增加的过程。二、生态平衡的基本规律生态系统之所以平衡或动态平衡，是一些基本规律在发挥着作用。1、生物与环境相互适应、协同进化规律2、物质循环转化与再生规律,第四节 生态平衡,3、输入与输出的动态平衡规律三、生态系统平衡的调节（一）生态平衡失调及其原因生态平衡失调：各类生态系统，当外界施加的压力（自然的或人为的）超出了系统自身调节能力或代偿能力后，都将造成结构的破坏、功能的受阻和正常关系的紊乱。,第四节 生态平衡,1、结构失调当外部干扰大时，可造成生态系统的一个或几个组分的缺损而使结构失调，从而引起营养关系的改变或破坏，导致生态系统功能的改变或受阻。2、功能失调功能失调表现为由于结构组分的缺损使得能流在系统内的一个营养层次上受阻或物质循环的正常途径的中断，从而造成初级生产者的第一生产力下降，能量转化效率增加，无效能增加。,第四节 生态平衡,3、生态平衡失调的原因（1）自然原因生态系统内部的原因生态系统外部的原因：火山爆发、地震、泥石流、雷电火灾、流行病、海啸台风等。（2）人为原因,第四节 生态平衡,（二）生态系统的调节反馈机制、抵抗力和恢复力1、反馈机制；正反馈和负反馈,第四节 生态平衡,2、抵抗力系指生态系统抵抗干扰并维持系统结构和功能原状的能力，是维持生态平衡的重要途径之一。抵抗力与系统发育阶段及状况有关，其发育越成熟、结构越复杂，抵抗外干扰的能力就越强。通常，环境容量、自净作用等都是系统抵抗力的表现形式。,第四节 生态平衡,3、恢复力指生态系统遭受外干扰破坏后，系统恢复到原状的能力。（三）生态演替与生态平衡生态演替是生态系统随时间顺序发展的过程，系统的功能、结构等基本特性相应地变化，表现为相对变化与相对稳定阶段的交替，并以建立稳定的生态系统顶极生态系统为目标。,第四节 生态平衡,（三）生态演替与生态平衡生态系统是自组织系统，有适应环境、改造环境的功能，能够自我调节发展进化，在生态系统的演替初期生态系统控制环境的能力差，到了晚期，生态系统控制环境的功能增强。生态系统是通过系统生态演替协调生物与环境的关系。,第四节 生态平衡,生态系统发展早期食物链简单，物种少，到了演替后期为网状食物链，种类多样性增加。生态系统越是成熟，营养物质的循环越封闭，以复杂的网络保持营养物质，丧失较少。因此生态演替总的方向是自我调节能力增强，并且越来越有序。顶极生态系统达到全体稳态，信息量最大。生态系统发展的策略是在环境许可的能量输入和物质条件下尽可能获得最多的有机物质。,第四节 生态平衡,生态平衡：生态演替过程中相对稳定阶段顺序组成演替序列，在相对稳定的阶段，生态系统在一定范围内通过自我调节保持相当稳定的功能与结构，因此称为生态稳态或定态，这也就是通常所说的生态平衡。,第四节 生态平衡,生态平衡与不平衡是个相对的概念。生态系统进化发展、功能增强、结构复杂有序，是生态平衡的标志。生态系统退化、功能降低、结构简单无序，是生态系统失调、不平衡的主要症候。,