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基础生态学42资料
第12章生态系统中的能量流动
一、生态系统中的初级生产
1、初级生产量和生物量的基本概念
总初级生产量（GP）、呼吸消耗的能量（R）、净初级生产量（NP）之间的关系：
GP=R+NP
NP=GP–R→供生长、生殖之需—动物和人可以利用的能量
初级生产量通常是用每年每平方米所生产的有机物质干重（g／m2·a）或每年每平方米所固定能量值（J／m2·a）表示
生物量的概念
生物量：
在某一特定时刻调查时，生态系统单位面积内所积存的这些活有机质就叫生物量。
生物量实际上就是净生产量的累积量，某一时刻的生物量就是在此时刻以前生态系统所累积下来的活有机质总量。
生产量含有速率的概念，是指单位时间单位面积上的有机物质生产量，
而生物量是指在某一特定时刻调查时单位面积上积存的有机物质。
2、地球上初级生产力的分布
陆地上湿地（沼泽和盐沼）生产量最高，
≥2500g/m2
海洋中藻类和珊瑚礁生产量最高，
≥2000g/m2
净初级生产力纬度分布前三名：
赤道附近；北半球的中温带；南半球的中温带
陆地季节波动大：
夏季＞冬季
垂直变化：
乔木层＞灌木层＞草被层
3、初级生产量的限制因素
1，陆地生态系统
——水、温度、营养物质
2，水域生态系统
——营养物质、光和食草动物的捕食
二、生态系统的次级生产
1，次级生产的一般过程模型
2，动物种群的能量收支公式
P=C–FU–R
C代表动物从外界摄食的能量，A被同化的能量；FU代表排泄的能量；P净生产量；R呼吸能量。
3，次级生产的生态效率
消费效率：
世代周期短高于世代周期长的
草本植物、浮游生物世代短，更新快，消费效率高
同化效率：
肉食动物的高于植食动物，
净生长效率：
营养级越高，净生长效率越低。
植食动物>肉食动物；植物>动物
生产效率：
无脊椎动物>外温性脊椎动物>内温性脊椎动物
林德曼定律
林德曼定律（十分之一定律）：
能量沿营养级的移动时，逐级变小，后一营养级只能是前一营养级能量的十分之一左右。
三、生态系统中的分解
1，分解过程的性质
概念：
死有机物质的逐步降解过程
性质:
将有机物还原为无机物、释放能量
分解的生态意义
建立和维持全球生态系统的动态平衡
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CO2浓度
稳定和提高土壤有机质的含量，为碎屑食物链以后各级生物生产食物
改善土壤物理性状
分解作用的三个过程
碎化：
把尸体分解为颗粒状的碎屑
异化：
有机物在酶的作用下，进行生物化学的分解
从聚合体变成单体（如纤维素降解为葡萄糖）
进而成为矿物成分（如葡萄糖降为CO2和H2O）
淋溶：
可溶性物质被水淋洗出，完全是物理过程
影响分解过程的因素
分解者生物
待分解资源质量
分解时的理化环境
2，分解者生物
（1）细菌、真菌：
分解过程的开始
生长型：
群体生长——酵母、细菌（繁殖、扩散）
丝状生长——真菌、放线菌（穿透）
营养方式：
（节能）
分解细胞外酶——催化分解底物——再吸收
（2）动物
A，陆地生态系统
分解者主要是食碎屑的无脊椎动物
小型：
100μm以下，不能碎裂枯枝落叶，属粘附类型
中型：
100μm-2mm，调节微生物种群的大小和处理和加工大型动物粪便
大型和巨型：
2mm-20mm,碎裂植物残叶和翻动土壤,对分解和土壤结构有明显影响
B，水生生态系统
动物的分解过程分为搜集、刮取、粉碎、取食或捕食等几个环节
碎裂者：
以落入河流中的树叶为食
颗粒状有机物质搜集者：
一类从沉积物中搜集；另一类从水体中滤食有机颗粒
刮食者：
其口器适应在石砾表面刮取藻类和死有机物
以藻类为食的食草性动物：
捕食动物：
以其他物脊椎动物为食
3.资源质量
物理、化学性质影响分解速率
物理性质：
表面特性和机械结构
化学性质：
随其化学组成而不同
单糖>半纤维>纤维素>木质素
C:
N最适的C：
N=25-30：
1
4，理化环境对分解的影响
水热条件
温度高、湿度大的地带，有机质分解速率高
低温干燥地带，分解速率低
分解速度随纬度增高而降低
分解生物的相对作用
无脊动物在地球上的分布随纬度的变化呈现地带性的变化规律
低纬度热带地区起作用的主要是大型土壤动物，其分解作用明显高于温带和寒带
高纬度寒温带和冻原地区多为中、小型动物，它们对物质分解起的作用很小
分解指数
K=I/X
K：
分解指数，I：
死有机物年输入总量，X：
系统中死有机物质现存量
规律：
热带雨林最高、温带草地高于温带阔叶林、冻原最低
四、生态系统中的能量流动
热力学第一定律（能量守恒定律）:
能量既不能创生，也不会消灭，只能按严格的当量比例由一种形式转变为另一种形式。
热力学第二定律（熵定律）
在能量传递和转化过程中，除了一部分传递和作功外，总有一部分以热的形式消散，使系统的熵增加
熵是系统无序性的指标，是系统热量与温度之比
若用熵概念表示热力学第二定律
内能不变的封闭系统中，其熵值只朝一个方向变化，常增不减
开放系统的一切过程使系统与环境熵值之和增加
生态系统是一个开放系统，它不断地与环境进行能量交换。
通过光合同化，引入负熵；通过呼吸，把正熵值转出系统。
生态系统中能量流动的主要路径：
能量以日光形式进入生态系统，以植物物质形式贮存起来的能量，沿着食物链和食物网流动通过生态系统，以动物、植物物质中的化学潜能形式贮存在系统中，或作为产品输出，离开生态系统，或经消费者和分解者生物有机体呼吸释放的热能自系统中丢失。
能量是单向性和逐级减少的：
生态系统能量的流动是单一方向的
能量以光能的状态进入生态系统后，就只能以热的形式不断地逸散于环境中
从太阳辐射能到被生产者固定，再经植食动物，到肉食动物，能量是逐级递减的过程
各营养级消费者不能百分之百地利用前一营养级的生物量
各营养级的同化作用也不是百分之百的
生物的新陈代谢要消耗一部分能量
本章小结
分解包含几个过程？
分解效率主要取决于几个方面的因素？
生态系统中能量流动的特点？
第十三章生态系统中的物质循环
物质循环不同于能量流动，前者在生态系统中的运动是循环的；
一、物质循环的一般特征
生态系统的物质循环
——又称生物地球化学循环：
指无机化合物和单质通过生态系统的循环运动。
——无机化合物和单质在生态系统之间的输入和输出，它们在大气圈、水圈、岩圈之间以及生物间的流动和交换称生物地（球）化（学）循环，即物质循环。
物质循环的模式
生态系统中的物质循环可以用库和流两个概念概括——
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合物所构成
物质在生态系统中的循环——实际上是在库与库之间彼此流通的
流通量：
单位时间、单位面积内通过的营养物质的绝对值。
表示方法：
周转率与周转时间
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
二、生物地球化学循环的类型
1.水循环
2.气体型循环——物质分子或其化合物以气体的形式参与循环过程，循环快。
有CO2、氮、氧、氯、氟等
3.沉积型循环——物质分子或其化合主要通过岩石风化和沉积物溶解转变为可被生物利用的营养物质参与循环过程，循环速度极为缓慢。
如硫、磷循环
***水循环
（一）全球水循环
——由太阳能推动，大气、海洋和陆地共同形成的一个全球性水循环系统，是地球上各种物质循环的中心循环
水循环的两种方式：
——降水、蒸发
特点：
（1）地球降水和蒸发量总体相等（但不同地表和地区降水及蒸发量不同）
2）水循环可实现营养物质在生态系统间的搬运
（二）生态系统中的水循环
包括：
截取、渗透、蒸发、蒸腾、地表径流
***气体型循环
（一）碳循环
全球C贮存量约为26×1015t，绝大部分90%以上以碳酸盐的形式禁锢在岩石圈中。
而只有7500×109吨是以有机态埋藏在地下（如煤、石油）。
生物可直接利用的碳是水圈和大气圈中以CO2形式存在的C。
1、碳循环途径
①绿色植物通过光合作用，把大气中的CO2固定，转化为碳水化合物
②光合作用产物供各营养级利用、重组、呼吸、分解等，以CO2形式回到大气；
③通过燃烧煤炭、天然气、石油等产生的CO2
④脱离循环，被永久禁锢
2、碳在生态系统中循环不平衡引起的生态效应
CO2增加，引起温室效应对6个生物层次的产生潜在影响：
生物圈：
海平面上升，淹没大片海岸湿地，陆地生物区变化
生态系统：
农业生态系统；森林生态系统；水生生态系统；
生物群落：
影响生物群落结构，使植物群落中有些优势种竞争能力下降
种群：
改变某些植食性动物的食性，导致某些种群的互相作用强度增强
物种：
加速物种的灭绝，加速某些物种的迁移
植物个体：
提高水分利用，提高光合作用，促进作物生长，改变植物形态结构
3、保持碳循环相对平衡的生态对策
（1）减少CO2的排放
提高能源的利用效率
大力发展不含碳的能源和低碳能源代替煤炭
（2）大力开展对CO2的吸收，固定和利用
——植树种草、保护森林
（二）氮的地球化学循环
氮循环中的主要作用途径
固氮作用——3条途径：
闪电、宇宙射线、火山爆发等高能固氮，形成氨或硝酸盐，随降雨到达地面，为8.9kg/hm2·a
工业固氮（化肥制造），目前全世界已达1×108t
生物固氮（最重要途径），为100∽200kg/km2·a
氨化作用——由氨化细菌和真菌的作用将有机氮分解成为氨与氨化合物
硝化作用——氨化合物被亚硝酸盐细菌和硝酸盐细菌氧化为亚硝酸盐和硝酸盐
反硝化作用——也称脱氨作用，反硝化细菌将亚硝酸盐转变成大气氮，回到大气库中
「蓝婴症」
饮用水如果含有太高的硝酸盐，用它来冲泡婴儿奶，可能为导致婴儿的「蓝婴症」，这是因为硝酸盐在胃酸环境下生成亚硝酸，会和血红素结合，大大降低了血红素的携带氧气的功能，造成婴儿的全身缺氧而呈现肤色发蓝紫。
***沉积型循环
（一）磷P的地球化学循环
特点：
（1）P无任何形式的气体化合物，是典型的沉积型循环物质
（2）具有两种存在相：
岩石相、溶盐相
（3）循环：
起始于岩石风化，终止于水中沉积
（二）硫S的地球化学循环
特点：
（1）主要蓄库是——岩石圈，但有时可自由移动于大气圈（有气态化合物SO2）
（2）具有两个循环阶段：
沉积阶段（时间较长）
气体阶段（时间较短）
伦敦烟雾事件
伦敦1952年2月5日到8日，雾大无风，家庭和工厂排出的烟尘经久不散，大气中SO2含量3.8毫克/立方米，烟尘4.5毫克，居民普遍呼吸困难、咳嗽、喉痛、呕吐和发烧，4天内死亡约4000人。
第十四章陆地生态系统的主要类型及其分布
第一节陆地生态系统分布的基本规律
一、陆地生态系统水平分布的基本规律
植被（vegetation）的概念
覆盖一个地区的所有植物群落就叫这个地区的植被。
覆盖地球表面的植物群落就叫地球植被。
——主要有森林、草原、荒漠、苔原、沼泽等群落组成。
影响植被分布的主要因素：
气候和土壤
水热条件：
水分和温度
水热条件变化的主要因素
纬度：
纬向地带性；经度：
经向地带性；海拔：
垂直地带性
1，纬向地带性
纬向地带性
由于热量沿纬度的变化，出现生态系统类型有规律的更替
从赤道向两极依次出现
热带雨林
亚热带常绿阔叶林
温带落叶阔叶林
寒温带北方针叶林
苔原
2，经向地带性
在北美大陆和欧亚大陆，由于海陆分布格局与大气环流特点，水分梯度常沿经向变化
植被因水分状况而按经度呈带状依次更替
沿海的湿润区的森林
半干旱的草原
干旱区的荒漠
我国植被分布纬度地带性
从南自南沙群岛，北至黑龙江，跨50多个纬度
从南向北形成各种热量带：
热带、亚热带、温带和寒温带
在湿润森林区域内，植被类型由南到北顺序为：
热带雨林
亚热带常绿阔叶林区
温带落叶阔叶林
寒温带针叶林区
2，经向地带性
在北美大陆和欧亚大陆，由于海陆分布格局与大气环流特点，水分梯度常沿经向变化
植被因水分状况而按经度呈带状依次更替
沿海的湿润区的森林
半干旱的草原
干旱区的荒漠
我国植被分布经度地带性
我国东西横跨经度约62度
陆地上大气降水的主要来源是海洋蒸发的水汽，我国东临太平洋，西连内陆，受海洋季风影响的程度不同
我国从东到西水分条件从湿润到干旱的明显变化，依次分布三大植被区域
湿润森林
半干旱草原
干旱荒漠
二、植被分布的垂直地带性
温度、降水随海拔变化
海拔每上升100米，气温下降0.6度。
相当于平地北移60公里
降水随高度的增加而增加，但达到一定界限后，降水量又降低
垂直地带性
由于海拔高度的变化，引起自然生态系统有规律地垂直交替
垂直带谱
随着海拔的升高而依次出现的植被带
具体顺序依不同地区而异
垂直带特点
垂直带谱的基带与该山体所地区的水平地带性植被相一致
越向高纬度，垂直带谱越简单，极地为冻原带，水平带与垂直带重合
在同一纬度内，经度不同也影响山体植被的垂直带谱
如长白山（东经128度）、西部的天山（东经86度），两者均北纬42度。
但长白山距海较近，属温带针阔叶混交林，天山位于内陆，属荒漠范围。
垂直带与水平带的关系
植被类型在山体垂直方向上的成带分布和地球表面纬度水平分布顺序有相应性
垂直带与水平带上相应的植被类型，在外貌上也基本相似
纬向带的宽度较垂直带的宽度大得多
纬向带是相对连续的，而垂直带在是相对间断的
虽然纬度带、垂直带的植被类型分布顺序有相似性，但植物种类成分和群落生态结构有很大差异
局部地形对植被的影响
坡向
南坡——北坡
坡度
平地——陡坡——缓坡
非地带性植被：
不是固定分布在某一植被带，而是出现在两个以上的植被带，分布主要受某一生态因素的影响。
三、世界陆地主要植被及生态系统的类型
1.热带雨林
2.亚热带常绿阔叶林
3.温带落叶阔叶林
4.北方针叶林
5.草原
欧亚大陆草原、北美大陆草原、南美草原、稀树草原、草甸草原
6.沙漠
7.苔原/冻原
1.热带雨林生态系统
（1）分布：
赤道及其两侧湿润地区。
（2）生境：
终年高温多雨。
（3）群落特征：
①种群组成较为丰富；
②群落结构极其复杂；
③乔木具有板状根、裸芽、茎花等特征；
④无明显季相变化。
热带雨林生物多样性及其丰富。
其群落外貌特征：
群落层次复杂而不明显、发达的层间植物、空中花园、绞杀植物
热带雨林木本树种的生物学特性：
板状根、滴水叶尖、老茎生花（结果）、独木成林、多昆虫传粉
热带雨林生态系统的季相特点：
无明显的季相交替
热带雨林生态系统的功能：
热带雨林的物质生产
热带雨林净第一生产力的平均值为20吨/公顷.年，巨大的初级生产能力带动了次级生产能力，热点雨林从而也是世界上动物生产能力最高的区域之一。
热带雨林在陆地生态系统中生产力是最高的。
热带雨林生态系统的物质循环：
生物地球化学物质循环速度快，强度高
植物所需的营养成分，几乎全都贮备在植物生物量
高温多雨，有机质分解很快，很快矿质化，直接被根系所吸收
形成的植物生物量又被大量的消费者所利用，其代谢废物和动植物尸体又被快速地分解回归到土壤。
热带雨林生态系统的能量流动：
速度快，强度大，效率高
光能利用效率高，地上生物量大，净第一生产力高；
呼吸消耗很大；
食物网及其复杂，能量流动渠道多，强度大。
热带雨林生态系统的生态服务
环境支持
地球上现存森林面积的一半
地球上生物生产能力最大的生态系统；
地球上最重要的生物多样性地球之肺
全球气候的重要调节器
资源供给
人类很多重要的粮食作物来源于此；
世界重要的木材供给地；
世界最重要的生物药原料产地；
世界重要的经济作物如橡胶、茶叶、咖啡、多种花卉植物生产地；
世界重要的旅游资源
世界上热带雨林主要分布在三个区域：
1.南美州亚马逊盆地（美洲雨林群系）；
2.非洲刚果盆地（非洲雨林群系），
3.东南亚一些岛屿（印度马来雨林群系）。
人类的影响和破坏：
森工采伐、种植园建立、刀耕火种、过度采集、环境污染
2.亚热带常绿阔叶林
（1）分布：
主分布亚热带大陆东岸，中国东南部为世界面积最大，最典型。
（2）生境：
亚热带季风季候，夏热冬温，无太明显干燥季节。
（3）群落特征：
①种类组成丰富（不及热带雨林）；
②群落结构复杂（不及雨林）；
③板根，茎花等现象几乎不见；
④优势植物为樟科，壳斗科，山茶科，和木兰科；
⑤无明显季相变化。
3.落叶阔叶林
（1）分布：
北美大西洋沿岸，西、中欧，亚洲东部。
（2）生境：
欧洲为温带海洋性气候，亚洲、北美为温带季风季候，共性是四季分明，冬季较干冷。
（3）群落特征：
①种类组成较丰富；
②优势树种为壳斗科，槭树科，桦树科，杨柳科；
③群落结构简单；
④季相明显。
4.北方针叶林
（1）分布：
北半球寒温带，贯通欧亚、北美大陆。
（2）生境：
气候寒冷、冬季长而寒冷，夏季短而温和，终年湿润。
（3）群落特征：
①种类组成较贫乏；
②乔木以松属、云杉属、冷杉属和落叶松属组成；
③群落结构简单；
④不同树种的森林外貌和季相不同。
5.草原
热带草原
（1）分布：
热带森林与热带荒漠之间。
（2）生境：
终年高温，降水分配不均，干湿季明显。
（3）群落特征：
①有星散分布的耐旱乔木；
②喜热禾本科植物占优势；
③季相明显；
④大型草食动物和大型肉食动物丰富。
温带草原
（1）分布：
温带大陆内部，荒漠与森林之间。
（2）生境：
半干旱、半湿润气温，低温。
（3）群落特征：
①种类组成贫乏；
②以耐低温、旱生禾本科，豆科为主；
③草本具典型旱生特征；
④季相明显而华丽；
⑤群落结构简单，仅草本层。
草原
1.欧亚大陆草原
2.北美大陆草原
3.南美草原
4.稀树草原
5.草甸草原
6.荒漠、沙漠
（1）分布：
极端干旱地副热高压带和大陆中心。
（2）生境：
极端干旱。
（3）群落特征：
①种类组成极其贫乏；
②优势植物是超旱生灌木，肉质旱生植物和短命植物；
③群落结构极其简单，许多地方连一个层次都没有；
④生物量和生产力极低。
7苔原
（1）分布：
北冰洋沿岸。
（2）生境：
冬季酷寒且漫长，夏季凉而短促，土壤具永冻层。
（3）群落特征：
①种类组成贫乏；
②优势植物是苔藓、地衣和极耐寒小灌木；
③植株低矮；
④生长极其缓慢；
⑤多年生地面芽为主。
思考题
陆地生态系统为什么呈地带性分布？
中国陆地生态系统类型的水平分布遵循什么规律？
为什么说热带雨林生态系统是地球上最复杂的生态系统？
常绿阔叶林具有哪些重要的生态特征？
这些特征与所对应的环境之间具有怎样适应性？
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