第三章生态学原理及其应用Word文档下载推荐.docx

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当生态系统受到的外界压力不超过其生态阈值时，生态系统可以自行调节和恢复。

系统内物种越丰富、结构越复杂，其自我调节能力越强，系统也说越稳定。

③是一种开放的动态系统。

生态系统不断地与外界进行物质和能量的交换，从外界环境中引入负熵流，使其从无序变成有序，靠生命过程来调控并保持其远离天体物理学平衡。

（二）生态系统的组成、结构和类型

1、生态系统的组成

一般来说，生态系统都包括下列4种主要组成成分。

（1）非生物环境：

包括参加物质循环的无机元素和化合物、联系生物和非生物成分的有机物质和气候或其他物理条件（如温度、压力）。

（2）生产者：

指能进行光合作用的各种绿色植物、蓝绿藻和某些细菌。

又称为自养生物。

（3）消费者：

指以其他生物为食的各种动物（植食动物、肉食动物、杂食动物和寄生动物等）。

消费者按其营养方式上的不同又可分为食草动物、食肉动物和大型食肉动物。

（4）分解者：

指分解动植物残体、粪便和各种有机物的细菌、真菌、原生动物、蚯蚓和禿鹫等食腐动物。

消费者和分解者都是异养生物。

2、生态系统的类型

（1）生态系统中的生物成分按照其在生态系统中的功能可划分为三大类群：

生产者（自养生物）、消费者（异养生物）和分解者（又称还原者）。

（2）生态系统可根据地理条件的不同而分为两大类一级系统：

水生生态系统和陆生生态系统。

一级系统还可细分为更多的二级系统。

如水生生态系统又可分为海洋生态系统和淡水生态系统，陆生生态系统也可分为森林、草原、荒漠、高山、冻原等生态系统。

二级系统还可以划分出三级系统，三级系统还可以分出四级系统等。

（三）食物链和食物网

生产者所固定的能量和物质是通过一系列取食和被食的关系在生态系统中传递的，各种生物按其食物关系排列的链状顺序称为食物链。

水体生态系统中的食物链如：

浮游植物→浮游动物→草食性鱼类→肉食性鱼类。

食物链彼此交错连结，形成一个网状结构，这就是食物网。

一般地说，食物网越复杂，生态系统越稳定。

在复杂食物网的生态系统中，一种生物的消失不致引起整个生态系统的失调。

相反，食物网简单的系统，则生态系统越不稳定，尤其是在生态系统功能上起关键作用的种，一旦消失或受严重破坏，就可能引起这个系统的剧烈波动。

生态系统中一般都有两类食物链，即捕食食物链和碎屑食物链。

前者以植食动物吃植物的活体开始，后者从分解动植物尸体或粪便中有机物颗粒开始。

生态系统中的寄生物和食腐动物形成辅助食物链。

（四）营养级和生态金字塔

食物链和食物网是物种和物种之间的营养关系，但这种关系复杂，无法用图解的方法完全表示。

为了便于进行定量的能流和物质循环研究，生态学家提出了营养级的概念。

一个营养级是指处于食物链某一环节上的所有生物种的总和。

例如，所有绿色植物和自养生物均处于食物链的第一环节，构成第一营养级；

所有以生产者为食的动物属于第二营养级，即植食动物营养级；

所有以植食动物为食的肉食动物为第三营养级；

其上还可能有第四（第二级肉食动物营养级）和第五营养级等。

生态系统中的物质和能量就这样通过营养级向上传递。

生态系统中的能流是单向的，通过各个营养级的能量是逐级急剧减少的，所以食物链就不可能太长，生态系统中的营养级一般只有四、五级，很少有超过六级的。

能量通过营养级逐级减少，如果把通过各营养级的能量流由低到高划成图，就成为一个金字塔形，称为能量金字塔。

同样，如果以生物量或个体数目来表示，可以得到生物量金字塔或个体数目金字塔。

但是，当能量在食物网中流动时，其转移效率是很低的。

下面营养级所储存的能量只有大约10%能够被其上一营养级所利用，其余被呼吸作用所消耗。

这在生态学上被称10%定律或1/10律，也称林德曼效率。

这近是湖泊生态系统的一个近似值，在其他不同的生态系统中，高则可达30%，低则可能只有1%或更低。

二、生态系统的功能

生态系统具有三大功能：

能量流动、物质循环和信息传递。

（一）能量流动

能量是生态系统的动力，是一切生命活动的基础。

一切生命活动都伴随能量的变化，没有能量的转化，也就没有生命和生态系统。

地球是一个开放系统，存在着能量的输入和输出。

能量输入的根本来源是太阳能，食物是光合作用新近固定和储存的太阳能，化石燃料则是过去地质年代固定和储存的太阳能。

光合作用是植物固定太阳能的唯一有效途径，其全过程很复杂，总的反应式为：

6CO2+12H2O→C6H12O6+6O2+6H2O

能够通过光合作用制造食物分子的植物被称为“自养生物”，主要是绿色植物。

其他生物靠自养生物取得其生存所必须的食物分子，这些生物称为“异养生物”。

例如，食草的动物和昆虫，它们是绿色植物的消费者，因其无法固定太阳能，而只能直接或间接从绿色植物中获取富能的化学物质，然后通过呼吸作用把能量从这些化学物质中释放出来。

其反应式为：

C6H12O6+6O2→ATP+6CO2+热量

生成物中ATP即三磷酸腺苷，是生物化学反应中通用的能量，可保存供未来之需，也可以构成和补充细胞的结构以及执行各种各样的细胞功能。

能量在生态系统内的传递和转化规律服从热力学的两个定律。

根据热力学第一定律，能量可以从一种形式转化为另一种形式，在转化过程中，能量既不会消失，也不会增加，这就是能量守恒原理。

例如，生态系统通过光合作用所增加的能量等于环境中太阳辐射所减少的能量，但总能量不变，所不同的是太阳能转化为潜能输入了生态系统，表现为生态系统对太阳能的固定。

根据热力学第二定律，能量的流动总是从集中到分散，从能量高向能量低的方向传递。

在传递过程中总会有一部分能量不能继续传递和做功，而以热的形式消散，这部分能量使系统的熵和无序性增加。

对生态系统来说，当能量以食物的形式在生物之间传递时，食物中相当于一部分能量转化为热而消散掉，其余则用于合成新的组织而作为潜能贮存下来。

因此能量在生物之间每传递一次，一大部分能量就被转化为热而损失掉，这就是能量金字塔的热力学解释。

地球生物圈中能量的转移是热力学定律的极好说明。

据测定，进入地球大气圈的太阳能为8.368J/cm2.min。

其中约30%被反射回去，20%被大气吸收，其余的46%到达地面。

地球表面上大部分地区没有植物，到达绿色植物上的太阳辐射只有10%左右。

植物叶面又反射一部分，能被植物利用的太阳能只有1%左右。

就是这极其微小的部分太阳能每年制造出（1500-2000）×

108t有机物质（干重），是绿色植物提供全球消费者的有机物总量。

绿色植物实现了从辐射能向化学能的转化，然后以有机质的形式通过食物链把能量传递给草食性动物，再传递给肉食性动物。

动植物死亡后，其躯体被微生物分解，把复杂的有机物转化为简单的无机物，同时把有机物中贮存的能量释放到环境中去。

生产者，消费者和分解者的呼吸作用也要消耗部分能量，被消耗的能量也以热量的形式释放到环境中。

（二）物质循环

生态系统从大气、水体和土壤等环境中获得营养物质，通过绿色植物吸收，进入生态系统，被其他生物重复利用，最后，再归还于环境中，此为物质循环，又称生物地球化学循环。

生物地球化学循环可分为三大类型，即水循环、气体型循环和沉积型循环。

生态系统中所有的物质循环都是在水循环的推动下完成的，没有水循环，也就没有生态系统的功能。

在气体循环中，物质的主要储存库是大气和海洋，循环与大气和海洋密切相联，具有明显的全球性，如二氧化碳和氮等。

主要蓄库与岩石、土壤和水相联系的是沉积型循环，如磷、硫循环。

生物圈中碳、氮、磷、硫的循环在生命活动中起着重要作用，下面分别予以介绍。

1.碳循环

碳是一切生物体中最基本的成分，有机体干重的45%以上是碳。

在无机环境中，以二氧化碳和碳酸盐的形式存在。

生态系统中碳的主要循环形式是从大气的CO2蓄库开始，经过生产者的光合作用，把碳固定，生成碳水化合物，其中一部分作为能量为植物本身所消耗，植物呼吸作用或发酵过程中产生的CO2通过叶面和根部释放回到大气圈，然后再被植物利用。

碳水化合物的另一部分被动物消耗，食物氧化产生的CO2通过动物的呼吸作用回到大气圈。

动物死亡后，经微生物分解产生CO2也回到大气中，再被植物利用。

生物残体埋藏在地层中，经漫长的地质作用形式煤、石油、天然气等化石燃料，它们通过燃烧和火山活动放出大量CO2进入生态系统的碳循环。

除了大气，碳的另一储存库是海洋。

在水体中，同样由水生植物将大气中扩散到水上层的CO2固定转化为糖类，通过食物链经消化合成，再消化再合成，各种水生动植物呼吸作用又释放CO2到大气中。

动植物残体埋入水底，但经过地质年代，又可以石灰岩或珊瑚礁的形式再露于地表。

岩石圈中的碳也可以借助于岩石的风化和溶解、火山爆发等重返大气。

2.氮循环

氮是形式蛋白质、氨基酸和核酸的主要成分，是生命的基本元素。

虽然大气中氮的含量十分丰富，但不能被植物直接利用，必须通过固氮作用将游离氮与氧结合成为硝酸盐或亚硝酸盐，或与氢结合成氨，才能为大部分生物所利用，参与蛋白质的合成。

因此，氮被固定后，才能进入生态系统，参与循环。

固氮的途径有三种。

一是通过闪电、宇宙射线、陨石、火山爆发活动的高能固氮，其结果是形成氨或硝酸盐。

二是工业固氮（合成氨），这种固氮能力已越来越大。

第三条途径，也是最重要的途径是生物固氮，能够进行生物固氮的生物主要是固氮菌，与豆科植物共生的根瘤菌和蓝藻等自养和异养微生物。

氮在环境中的循环：

植物从土壤中吸收无机态的氮，主要是硝酸盐，用作合成蛋白质的原料。

这样，环境中的氮进入了生态系统。

植物中的氮一部分为草食动物所取食，合成蛋白质。

在动物代谢过程中，一部分蛋白质分解为含氮的排泄物（尿素、尿酸），再经细菌的作用，分解释放出氮。

动植物死亡后经微生物等分解者的分解作用，使有机态氮转化为无机态氮，形成硝酸盐。

硝酸盐可再为植物利用，继续参与循环，也可被反硝化细菌作用形成氮气，返回大气库中。

因此，在自然生态系统中，一方面通过各种固氮作用使氮素进入物质循环，而通过反硝化作用、淋溶沉积等作用使氮素不断重返大气，从而使氮的循环处于一种平衡状态。

3.磷循环

磷是生物不可缺少的重要元素，生物的代谢过程都需要磷的参与，磷是核酸、细胞膜和骨骼的主要成分，它主要以磷酸盐的形式存在。

生态系统中的磷全部来源于岩石的风化作用，经破碎、溶解在土壤水中，被植物吸收，再经食草动物和肉食动物而在生物之间流动，待生物死亡后被分解，又使其回到土壤和海洋中。

溶解性磷酸盐，也可随着水流进入江河湖海，并沉积在海底。

经过漫长的地质作用海底抬升为陆地，完成磷的大循环。

在陆地生态系统中，含磷有机物被细菌分解为磷酸盐，其中一部分又被植物再吸收，另一部分则转化为不能被植物利用的化合物。

同时，陆地的一部分磷由径流进入湖泊和海洋。

在淡水和海洋生态系统中，磷酸盐能够迅速地被浮游植物所吸收，而后又转移到浮游动物和其他生物体内，浮游动物所排出的磷又有一部分是无机磷酸盐，可以为植物所利用，水体中其他的有机磷酸盐可被细菌利用，细菌又被其他小动物所食用。

再通过对海鱼的捕捞和食鱼鸟的鸟粪才使磷完成由海到陆的循环，但是这种循环在数量上是很小。

人类对自然磷的循环的干