第五章生态系统及其稳定性.docx
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第五章生态系统及其稳定性
第五章生态系统及其稳定性
第1节生态系统的结构
一、生态系统
不同+
1.概念：
由生物群落与它的无机环境相互作用而形成的一个统一整体，叫做生态系统。
生态系统=群落+无机环境
生态系统可大可小，把地球看做最大的生态系统，就是生物圈。
2.类型：
二、生态系统的结构：
成分+食物链、食物网（营养结构）
1.生态系统的成分：
非生物的物质和能量（无机环境）+[生产者+消费者+分解者]（生物群落）
（1）非生物的物质和能量：
阳光、热能、空气、水、无机盐等。
生态系统必备的成分（缺乏非生物的物质和能量，生态系统就会崩溃）。
（2）生产者：
①定义：
能直接利用光能（或化学能）通过光合作用（或化能合成作用）把无机物转化成有机物，把光能（化学能）转化成有机物中化学能的生物。
②作用：
使无机环境的非生物的物质和能量进入生物群落。
③同化作用类型：
自养型（生产者包括
光能自养型：
绿色植物、光合细菌、蓝藻；
化能自养型：
硝化细菌等。
④地位：
生态系统的主要成分（基石），是生态系统必备的成分。
（3）消费者：
①定义：
自身不能制造有机物，必须直接或间接的依靠生产者的生物。
②作用：
加快生态系统的物质循环和能量流动，对植物的传粉、种子的传播等有重要作用。
③同化作用类型：
异养型（消费者主要是捕食和寄生的生物：
牛、菟丝子等）
④分类：
初级消费者（植食性动物）、二级消费者（以植食性动物为食的肉食性动物）、三级消费者等
⑤地位：
非必需，但对生态系统的物质循环和能量流动具有重要意义。
（4）分解者：
①定义：
能将动植物的遗体、排出物和残落物中的有机物分解成无机物的生物。
②作用：
使生物群落的有机物变成无机物回归到无机环境，促进物质的循环。
③同化作用类型：
异养型[分解者是营腐生生活的生物：
大多数细菌、真菌、部分动物（蚯蚓、蜣螂等）]
④地位：
生态系统必备的成分。
（使有机物回归到无机环境，否则会导致垃圾成堆，生态系统崩溃。
）
△生态系统的成分之间的联系：
①各成分之间的联系：
a.由右图可知：
非生物的物质和能量是生态系统
中生物群落的物质和能量的最终来源。
b.生产者是生态系统中唯一能把非生物的物质和
能量转变成生物体内的物质和能量（有机物及其
贮存的化学能）的成分，因此，可以说生产者
是生态系统的基石。
C.从理论上讲，消费者的功能活动不会影响生态系
统的根本性质，所以消费者不是生态系统必要的
基础成分，但在自然生态系统中，生产者、消费
者和分解者都是紧密联系，缺一不可的。
d.分解者在生态系统中占有重要地位。
如果一个生态系统中没有分解者的话，动植物的遗体残骸就会堆积如ft，生态系统就会崩溃，因此，从物质循环角度看，分解者在生态系统中占有重要地位。
②生产者、消费者、分解者之间的“一定”和“不一定”：
a.生产者一定是自养生物，自养生物一定是生产者。
b.消费者、分解者一定是异养生物，异养生物可能是消费者或分解者。
C.分解者是营腐生生活的生物，营腐生生活的生物一定是分解者。
d.生产者不一定都是植物，还有化能合成作用细菌（硝化细菌、铁细菌、硫细菌）以及能光合作用的原核生物（蓝藻、光合细菌。
植物也不一定都是生产者，如营寄生的植物（菟丝子）、食虫植物（猪笼草）是消费者。
e.消费者并不一定都是动物，还有营寄生的植物和微生物（菟丝子、破伤风杆菌）；动物也不一定都是消费者，如营腐生生活的动物（蚯蚓、蜣螂）是分解者。
f.分解者不一定都是微生物，还有营腐生的动物（蚯蚓、蜣螂）；微生物也不一定都是分解者，如能进行化能合成作用的细菌以及能进行光合作用的原核生物（蓝藻）是生产者，寄生的细菌（破伤风杆菌）是消费者。
植物
动物
微生物
生产者
✓
✓
消费者
✓
✓
✓
分解者
✓
✓
植物：
生产者（绿色植物）、消费者（菟丝子）
动物：
消费者（大多数动物）、分解者（蚯蚓、蜣螂）
细菌：
生产者（光合细菌、硝化细菌）、消费者（寄生生活的细菌）、分解者（营腐生生活的细菌）
注意：
常考易混淆的地方：
错误说法
举例
细菌都是分解者
光合细菌、硝化细菌是自养型生物，属于生产者；寄生细菌属于特殊的消费者
动物都是消费者
秃鹫、蚯蚓、蜣螂等以动、植物残体为食的腐生动物属于分解者
生产者都是绿色植物
蓝藻、硝化细菌等自养原核生物也是生产者，应该说生产者包含绿色植物
植物都是生产者
菟丝子营寄生生活，属于消费者
温度是非生物的物质和能量
水、空气、矿质元素属非生物成分的物质；光能、热能属非生物成分的能量
2.食物链、食物网（营养结构）:
（1）食物链（捕食链）：
1义：
生态系统中，各种生物之间由于食物关系而形成的一种类似链条的联系。
食物链
草兔狐狼
起点都是生产者，终点是不被其他生物捕食的动物，即最高营养级
生态系统的组成
生产者
初级消费者
次级消费者
三级消费者
食物链只有生产者和消费者，不包括的生态系统成分：
分解者、非生物的物质和能量。
营养级别
第一营养级
第二营养级
第三营养级
第四营养级
生产者都是第一营养级，第一营养级都是生产者；食物链一般不超过5 个营养级。
消费者在不同的食物链中可以占不同的营养级，而不是固定不变的。
营养级级别=消费者级别+1
（2）食物网：
①定义：
在一个生态系统中，许多食物链彼此交错连接形成复杂的网状的营养关系。
②特征：
食物网是由多条食物链构成。
一种生物可以占不同的营养级。
（∵一种生物可吃多种生物而在不同食物链中占不同营养级）
某一营养级的生物代表处于该营养级的所有生物，不代表单个生物个体，也不一定是一个种群。
在食物网中不同种生物之间关系可同时是：
捕食和竞争。
（2）功能：
①生态系统的营养结构。
②生态系统物质循环和能量流动的渠道。
③对生态系统的稳定性有重要影响。
营养结构越复杂，生态系统的自我调节越强，抵抗外界干扰的能力和保持自身稳定的能力越强。
（4）食物链（网）中各营养级生物数量变化分析：
①第一营养级生物减少对其他物种的影响：
第一营养级生物（生产者）数量减少会连锁性地引发其后的各个营养级生物数量均减少。
（∵消费者的生存直接或间接依靠生产者）
②“天敌”一方减少，对被捕食者数量变化的影响：
若“天敌”减少，则被捕食者数量增加。
但随着数量增加，种内斗争加剧，种群密度还要下降，直到趋于稳定，但结果比原来的数量要增大。
③复杂食物网中某种群数量变化引起的连锁反应分析：
a.以中间环节少的作为分析依据，考虑方向和顺序为：
从高营养级依次到低营养级。
如下图所示食物网中，青蛙突然减少，则以它为食的蛇也将减少，鹰就要过多的吃兔和鸟，从而导致兔、鸟减少。
但因为鹰不只吃蛇一种生物，它可依靠其他食物来源维持其数量基本不变。
b.生产者相对稳定，即生产者比消费者稳定得多，所以当某一种群数量发生变化时，一般不需考虑生产者数量的增加或减少。
c.处于最高营养级的种群有多种食物来源时，若其中一条食物链中断，则该种群可通过多捕食其他生物而维持其数量基本不变。
④同时占有两个营养级的种群数量变化的连锁反应分析：
食物链中某一种群的数量变化，导致另一种群的营养级连锁性发生变化，因为能量在食物链（网）中流动时一般只有10%~20%流向下一个营养级，且能量流动的环节越多损耗越大，所以该类连锁反应变化规律是：
当a种群的数量变化导致b种群的营养级降低时，则b种群的数量将增加；若导致b种群的营养级升高时，则b种群的数量将减少。
如下图：
当蛇数量减少，使得鹰的营养级降低，则鹰的数量增加；当食虫鸟大量死亡，使得鹰的营养级升高，则鹰的数量减少。
第2节生态系统的能量流动
一、能量流动的过程：
1.能量流动的概念：
能量在生态系统中的输入、传递、转化和散失的过程。
2.能量流动的过程：
（1）起点：
从生产者固定太阳能开始。
生产者固定的太阳能是流经生态系统的总能量。
（2）能量进入生物群落的方式：
光合作用（主要）、化能合成作用。
（3）生物群落中能量的传递形式：
有机物中稳定的化学能。
（4）能量流动的渠道：
食物链、食物网（营养结构）。
（5）流入某一营养级能量分析：
生产者：
光合作用固定的太阳能。
（包括化能合成作用储存在有机物中的能量）
1同化的能量
消费者：
同化的能量=摄入的能量-粪便的能量
2同化的能量=呼吸散失的能量+储存于生物体内的能量（净同化量）
储存于生物体内的能量=流向下一营养级的能量+分解者分解利用的能量（+未被利用的能量）
注意：
以年为单位研究，需要考虑未被利用的能量。
③生物体同化的能量绝大部分通过呼吸作用以热能的形式散失。
④储存的能量可以用生物体的生长、发育、繁殖。
⑤某一营养级粪便的能量属于上一营养级同化量中的遗体残骸被分解者利用的能量。
理解流入每一营养级的能量去向可从以下两个角度分析：
a.定量不定时分析
流入某一营养级的一定量的能量在足够长的时间内的去路可有三条：
①自身呼吸散热消耗；②流入下一营养级；③被分解者分解利用。
但这一定量的能量不管如何传递，最终都以热能形式从生物群落中散失，生产者源源不断地固定太阳能，才能保证生态系统能量流动的正常进行。
b.定量定时分析
流入某一营养级的一定量的能量在一定时间内的去路可有四条：
①自身呼吸散热消耗；②流入下一营养级；③被分解者分解利用；④未被自身呼吸消耗，也未被后一营养级和分解者利用，即“未利用”。
如果是以年为单位研究，第④部分的能量将保留给下一年。
（6）能量流动过程中的能量变化：
太阳能→生物体内有机物中稳定的化学能→热能。
（7）流入生态系统的能量最终以热能的形式散失。
因生产者不能利用热能，故能量在生态系统中不能循环。
（8）流经生态系统的总能量：
自然生态系统：
生产者所固定的太阳能
人工生态系统：
生产者所固定的太阳能+人为补充的能量（食物残渣等有机物）
二、能量流动的特点：
1.单向流动。
（1）能量流动是沿食物链进行的，各生物之间的捕食关系是长期自然选择的结果，是不可逆转的。
（2）各营养级通过呼吸作用产生的热能不能被生物群落重复利用，因此能量流动是不循环的。
2.逐级递减。
（1）各营养级的能量绝大部分是通过呼吸作用释放的。
（2）各营养级的能量有多个流动去向，而不是100%流给下一个营养级。
通常情况下，相邻营养级之间能量流动的效率是10%~20%。
（3）能量金字塔：
将单位时间内各个营养级所得到的能量数值，由低到高绘制成图，可形成一个金字塔图形，就是能量金字塔。
相关生态金字塔比较：
能量金字塔
数量金字塔
生物量金字塔
形状
特点
正金字塔形
一般为正金字塔形
一般为正金字塔形
象征含义
能量沿食物链流动过程中具有逐级递减的特性
一般生物个体数目在食物链中随营养级升高而逐级递减
一般生物有机物的总质量沿食物链升高逐级递减
每一台阶含义
每一营养级生物所含能量的多少
每一营养级生物个体的数目
每一营养级生物的有机物总量
特殊形状
无
树→昆虫→鸟
极少
注意：
由于能量流动是逐级递减的，营养级越高所获得的能量越少，所以一般不会超过4~5个营养级。
三、研究能量流动的意义：
1.帮助人们科学规划、设计生态系统，使能量得到最有效的利用。
（设计生态农业，使能量多级利用，提高能量的利用效率）
2.合理调整能量流动关系，使能量持续高效地流向对人类最有益的部分。
（合理载畜量、田间除草、灭鼠）
附：
生物富集（生物放大）：
食物链不仅是能量流动和物质移动的通道，而且也是杀虫剂和各种有害物质移动和浓缩的通道。
例如，DDT沿着食物链转移几次以后，其浓度可增加几万倍（图6-3），从而对位于食物链顶位的物种造成灾难性影响。
这种化学杀虫剂和有害物质通过食物链逐级积累和浓缩，在生物体内高度富集，导致危害的现象就叫生物放大（biomagnification）。
DDT已污染了地球上的所有生物，据调查，在各大洲居住的人群体内，也已普遍发现了DDT。
有毒有害物质会随着营养级的增加而浓度不断增加。
第3节生态系统的物质循环
一、生态系统的物质循环
1.概念：
是指组成生物体的C、H、O、N、P、S等元素,不断进行着从无机环境到生物群落，又从生物群落到无机环境的循环过程，这就是生态系统的物质循环。
（这里所说过的生态系统，指的是地球上最大的生态系统——生物圈，其中的物质循环具有全球性，因此又叫生物地球化学循环。
）
元素
无机环境生物群落
注意：
物质循环是元素的循环，不是化合物，也不是单质的循环。
2.特点：
（1）全球性；
（2）循环性
二、物质循环的实例—碳循环
无机环境：
CO2、碳酸盐
1.存在形式：
生物群落：
（含碳）有机物
2.循环过程：
（1）碳元素进入生物群落的生理途径：
光合作用（主要）、化能合成作用。
（2）碳元素由生物群落回归无机环境的的生理途径：
细胞呼吸、微生物的分解作用、燃烧。
（3）碳元素在生物群落与无机环境之间的循环形式：
CO2
（4）碳元素在生物群落中传递形式是：
有机物。
（5）碳循环的渠道：
食物链和食物网。
（6）能使无机环境的CO2进入生物群落的只有生产者。
注意：
微生物的分解作用也就是呼吸作用，包括有氧呼吸和无氧呼吸，分解作用的强弱易受温度和湿度的影响。
3.温室效应：
（1）原因：
大量化石燃料的燃烧，使大气中CO2迅速升高，打破了碳循环的平衡。
（2）影响：
全球气候变暖，冰川融化，海平面上升，自然灾害频繁。
（3）缓解温室效应的措施：
①减少化石燃料的燃烧；②开发新能源（如太阳能、核能等）；③多植树造林
三、物质循环与能量流动的关系：
1.物质循环与能量流动比较：
项目
能量流动
物质循环
在生物群落与无机环境之间以无机物
形式
以有机物形式流动
形式循环，在生物群落中以有机物形
式传递
特点
沿着食物链单向流动、逐级递减、不循环
在无机环境和生物群落之间往复循环
范围
生态系统的各营养级
生物圈（全球性）
联系
二者是生态系统的主要功能，同时进行，相互依存，不可分割。
①二者均开始于生产者，通过光合作用合成有机物固定太阳能，然后沿共同的渠道
—食物链（网）一起运行；
②能量的固定、储存、转移和释放，离不开物质的合成与分解；
③物质作为能量的载体，使能量沿着食物链（网）流动；
④能量作为动力，使物质能不断地在生物群落与无机环境之间循环利用；
⑤生态系统的物质循环和能量流动保持相对平衡是一个生态系统保持相对稳定的
保证。
第4节生态系统的信息传递
一、生态系统中信息的种类：
1.信息的种类：
种类
概念
来源
传递形式
实例
物理信息
生态系统中的光、声、温度、湿度、磁力等通过物理过程传递的信息
无机环境（光、温度、湿度、磁力等）和生物（声、颜色、形状等）
物理过程
萤火虫的闪光、植物五颜六色的花
化学信息
生物产生的可以传递信 息的化学物质
生物的代谢活动
信息素
昆虫的性外激素、狗利用小便记路
行为信息
生物通过其特殊行为特征在同种或异种生物之间传递的信息
动物的特定行为特征
动物的异常表现及行为
鸟类等的报警行为、昆虫的舞蹈、鸟类的求偶行为
2.信息传递模型：
（1）该模型为信息传递的模式图，属物理模型。
（2）范围：
可在生态系统任何一个层次。
生态信息的信息传递又称为信息流，此过程中伴随着一定的物质和能量的消耗。
但是信息传递的过程不像物质流那样是循环的，也不像能量流那样是单向的，而是双向的。
（3）形式：
分为物理信息、化学信息、行为信息。
（4）来源：
可来自于环境，也可来自于生物。
（5）方向：
信息传递是双向的。
（6）作用：
调节生物的种间关系。
（7）过程：
信源（信息产生）→信息道（信息传输）→信宿（信息接收）
二、信息传递的作用：
三、信息传递在农业生产中的作用
1.提高农产品或畜产品的产量（如：
模拟动物信息从而吸引大量昆虫传粉）
2.对有害生物进行控制（用性引诱剂诱捕害虫改变性别比例，从而控制害虫）
四、物质循环、能量流动与信息传递比较
生态系统的功能包括：
物质循环、能量流动、信息传递。
第5节生态系统的稳定性
一、生态系统的稳定性
1.概念：
生态系统具有保持或恢复自身结构和功能相对稳定的能力。
结构稳定：
三大功能类群——生产者、消费者、分解者齐全，动植物种类和数量保持相对稳定。
a、b、c分别为生产者、消费者、分解者
功能稳定：
能量输入、输出相对稳定，物质输入、输出相对平衡。
2.原因：
具有自我调节能力。
二、生态系统的自我调节能力
1.实例：
（1）河流的轻微污染
（2）森林中害虫与食虫鸟的变化
自我调节能力主要取决于生态系统自身净化能力（抗污染）和完善的营养结构（抗干扰）。
净化作用：
包括物理沉降、化学分解、微生物的分解三个方面，是河流生态系统抵抗环境污染的有效途径。
完善的营养结构：
使生态系统具有反馈调节机制，进而抵抗外界干扰，维持自身稳定。
2.生态系统自我调节能力的基础：
负反馈调节
3.特点：
自我调节能力是有限的
三、抵抗力稳定性和恢复力稳定性
1.抵抗力稳定性：
（1）概念：
生态系统抵抗外界干扰并使自身结构和功能保持原状的能力。
“抵抗干扰，保持原状”
（2）实例：
①森林生态系统中受到害虫干扰，其数量不会大量增长（有虫不成灾）
②气候干旱时，森林中的植物扩展根系分布，以便获得更多的水分，生长不受明显影响，从而使得各种生物种类和数量变化不大。
③池塘生态系统受到轻度污染后（如洗衣服的泡沫），自身很快就能够消除污染。
（3）特点：
生物种类越多（物种丰富度越大）→营养结构越复杂→自动调节能力越强→抵抗力稳定性越高注意：
某地引进新的物种不一定就提高了抵抗力稳定性。
（生态入侵的物种会使得抵抗力稳定性反而降低）
2.恢复力稳定性
（1）概念：
生态系统在遭到外界干扰因素的破坏以后恢复到原状的能力。
“受到破坏，恢复原状”
（2）实例：
①“野火烧不尽，春风吹又生。
”②河流受到严重污染，水生生物大量死亡，生态系统遭到破坏。
当停止污染物排放后，河流中水生物又恢复到接近原来的状态。
（3）特点：
生物种类越少（物种丰富度越小）→营养结构越简单→自动调节能力越弱→恢复力稳定性越高
3.抵抗力稳定性与恢复力稳定性之间的关系
（1）一个生态系统既有抵抗力稳定性又有恢复力稳定性。
（2）通常情况下，抵抗力稳定性与恢复力稳定性成相反关系。
（冻原生态系统抵抗力稳定性和恢复力稳定性都低）
附：
常见的几个生态系统比较
生态系统
特点
热带雨林
动植物种类繁多，营养结构非常复杂
草原生态系统
生物种类、营养结构较森林简单
农田生态系统
生物种类单一、营养结构简单，人的作用非常关键
北极冻（苔）原生态系统
动植物种类稀少，营养结构简单，生产者主要是地衣
4.生态系统稳定性及原理总结：
四、提高生态系统稳定性的措施
1.控制对生态系统干扰的程度，对生态系统的利用应该适度，不应超过生态系统的自我调节能力。
2.保护生物的多样性，增加生物物种数，增加营养结构的复杂程度，提高生态系统的抵抗力稳定性。
3.对人类利用强度较大的生态系统，应实施相应的物质、能量投入，保证生态系统内部结构与功能的协调。
（如：
农田生态系统，需要施肥以保证物质的充分供应）
五、实验：
设计并制作生态缸，观察其稳定性
1.实验原理：
生态系统的结构包括生态系统的组成成分和营养结构（食物链和食物网），生态系统的成分包括非生物的物质和能量、生产者、消费者、分解者。
生态系统中必须包含这三种生物成分，并保持一定的比例，才能进行能量流动和物质循环（功能），保持一定的稳定性。
2.制作方法：
在体积较小的密闭玻璃缸中放置适宜的几种基本成分，使生物之间组成简单的食物链或食物网，能够进行能量流动和物质循环，就可以制作一个生态缸。
3.生态缸稳定性观察与分析
（1）观察稳定性，可通过观察动植物的生活情况、水质变化、基质变化等判断生态系统的稳定性。
（2）由于生态缸中的生态系统极为简单，自我调节能力极差，所以抵抗力稳定性极低，生态系统的稳定性极易被破坏。
因此，生态缸内的生物只能保持一定时间的活性。
（3）如果生态缸是一个开放的生态系统，则生态系统的成分复杂，自我调节、自我修复和自我延续的能力强，在没有巨大外界环境干扰的情况下会长期保持相对稳定。
4.生态缸的设计要求和分析：
本章概念图：
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