第二節(jié)生態(tài)系統(tǒng)的基本功能

1、第二節(jié) 生態(tài)的基本功能 一、生物生產(chǎn) 二、生態(tài)系統(tǒng)的能量流動 三、生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán) 四、生態(tài)系統(tǒng)的信息傳遞 五、生態(tài)系統(tǒng)的自我調(diào)節(jié)一.生物生產(chǎn) 1.生態(tài)系統(tǒng)的初級生產(chǎn) 2.生態(tài)系統(tǒng)的次級生產(chǎn)1.生態(tài)系統(tǒng)的初級生產(chǎn) 初級生產(chǎn)力：單位面積植物初級生產(chǎn)者形成自身生物量的速率。（j/m2d）（t/hm2a) 總初級生產(chǎn)力(gp) ：植物光合作用所固定的太陽能的總量。 凈初級生產(chǎn)力(np):總初級生產(chǎn)力與呼吸消耗量（r）的差值。 np=gp-r初級生產(chǎn)量的變化 1垂直變化 2隨群落的演替而變化2.生態(tài)系統(tǒng)的次級生產(chǎn) 概念：在被消費(fèi)者同化的能量中，用于生長繁殖的部分為次級生產(chǎn)力。次級生產(chǎn)力由以下三個(gè)方面

2、決定： 1、利用率(ce)：一個(gè)營養(yǎng)級食物攝入量in占上一營養(yǎng)級被食生物可利用量pn-1的百分比。 ce= in/ pn-1100% 2、同化率(ae)：吸收同化量an占攝取食物量in的百分比。ae= an/ in100%3、生產(chǎn)效率(pe):新產(chǎn)生的生物量(pn=an-rn)占被同化能量(an)的百分比。 pe=pn/ an100%對一個(gè)動物種群來說，其能量收支情況可以用下列公式表示 p=c-fu-r 其中c為動物從外界攝食的能量；fu為糞尿能量；r為呼吸能量；p為凈次級生產(chǎn)量。初級生產(chǎn)與次級生產(chǎn)的關(guān)系 次級生產(chǎn)依賴于初級生產(chǎn)，兩者在生態(tài)系統(tǒng)中成正相關(guān)關(guān)系； 在統(tǒng)一生態(tài)系統(tǒng)中次級生產(chǎn)力小于初

3、級生產(chǎn)力； 高一營養(yǎng)級的次級生產(chǎn)力小于低一營養(yǎng)級的生產(chǎn)力，整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)成營養(yǎng)金字塔。原因：一個(gè)營養(yǎng)級內(nèi)有機(jī)物不是100可以取食，相鄰營養(yǎng)級之間取食率小于100，同化率小于100，生產(chǎn)率小于100。生產(chǎn)力與生物量的關(guān)系 生產(chǎn)量和生物量是兩個(gè)有區(qū)別的概念，生產(chǎn)量含有速率的概念，是指單位時(shí)間單位面積上的有機(jī)物生產(chǎn)量；而生物量是指在一定調(diào)查時(shí)刻單位面積上積存的有機(jī)物質(zhì)。二、生態(tài)系統(tǒng)的能量流動光光熱熱傳遞與轉(zhuǎn)換傳遞與轉(zhuǎn)換能量流動的概念 能量在生物與環(huán)境之間、生物與生物之間的傳遞與轉(zhuǎn)換過程。能量流動過程與熱力學(xué)定律 （一）能量傳遞與熱力學(xué)定律 能量在生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)的傳遞和轉(zhuǎn)化規(guī)律服從熱力學(xué)第一定律和熱力學(xué)第二

4、定律。能量流動的特點(diǎn) 1.能量流是變化的 2.能量流是單向的 3.能量在生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)流動過程是不斷遞減的過程 4能量在流動中質(zhì)量逐漸提高 5.遵循熱力學(xué)第一定律，能量守恒 6.遵循熱力學(xué)第二定律。能量轉(zhuǎn)移和轉(zhuǎn)換會導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)自由能流失而減少，部分被用來做功，導(dǎo)致系統(tǒng)的負(fù)熵減少，無序性增加。三、生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán) 生物從環(huán)境（大氣圈、水圈、土壤巖石圈）中獲得的營養(yǎng)元素，經(jīng)過食物鏈在生物之間流動，最后由分解者分解回歸于環(huán)境，部分元素又可以重新被植物吸收利用，再次進(jìn)入食物鏈，如此反復(fù)。太太陽陽能能物質(zhì)循環(huán)的模式 庫：由存在于生態(tài)系統(tǒng)某些生物或非生物成分中一定數(shù)量的某種物質(zhì)所構(gòu)成。 流通率：物質(zhì)或能量在

5、單位時(shí)間，單位面積內(nèi)的轉(zhuǎn)移量。要表示一個(gè)特定的流通過程對有關(guān)庫的相對重要性，常用周轉(zhuǎn)率或周轉(zhuǎn)時(shí)間來表示。周轉(zhuǎn)率=流通率/庫中營養(yǎng)物質(zhì)總量周轉(zhuǎn)時(shí)間=庫中營養(yǎng)物質(zhì)總量/流通率物質(zhì)循環(huán)的類型按范圍分類 1.生物化學(xué)循環(huán)：營養(yǎng)元素在植物體內(nèi)的在分配。如根據(jù)生理功能需要、器官衰老死亡前轉(zhuǎn)移（有效成分損失可減少50以上）等。范圍小，周期短。 2.生物地球化學(xué)循環(huán)：指化學(xué)物質(zhì)在生物圈中的生物3.地球化學(xué)部分與非生命環(huán)境之間的轉(zhuǎn)移、轉(zhuǎn)化等往返過程。 3.地球化學(xué)循環(huán)：化學(xué)元素在不同生態(tài)系統(tǒng)之間甚至整個(gè)生物圈內(nèi)的循環(huán)。范圍大、周期長。生物地球化學(xué)循環(huán) 三大類： 1.水循環(huán) 2.氣體型循環(huán) 3.沉積型循環(huán)水循環(huán)

6、水循環(huán)是物質(zhì)循環(huán)的核心，是生態(tài)系統(tǒng)中物質(zhì)運(yùn)動的介質(zhì)，沒有水循環(huán)就沒有生物地化循環(huán)。水也是地質(zhì)侵蝕的動因，一個(gè)地方侵蝕另一個(gè)地方沉積，都與水循環(huán)相聯(lián)系，因此了解水循環(huán)是理解生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)的基礎(chǔ)。水循環(huán)碳循環(huán) 碳對生物和生態(tài)系統(tǒng)的重要性僅次于水。植物通過光合作用從大氣中攝取碳的速率和通過呼吸作用把碳釋放給大氣的速率大體相同。碳循環(huán)的基本路線是從大氣儲存庫 到植物和動物，再從動植物通向分解者，最后又回到大氣中去。氮循環(huán) 在自然界，氮元素以分子態(tài)（氮?dú)猓?、無機(jī)結(jié)合氮和有機(jī)結(jié)合氮三種形式存在。大氣中含有大量的分子態(tài)氮。但是絕大多數(shù)生物都不能夠利用分子態(tài)的氮，只有象豆科植物的根瘤菌一類的細(xì)菌和某些藍(lán)綠藻

7、能夠?qū)⒋髿庵械牡獨(dú)廪D(zhuǎn)變?yōu)橄鯌B(tài)氮（硝酸鹽）加以利用。植物只能從土壤中吸收無機(jī)態(tài)的銨態(tài)氮（銨鹽）和硝態(tài)氮（硝酸鹽），用來合成氨基酸，再進(jìn)一步合成各種蛋白質(zhì)。動物則只能直接或間接利用植物合成的有機(jī)氮（蛋白質(zhì)），經(jīng)分解為氨基酸后再合成自身的蛋白質(zhì)。在動物的代謝過程中，一部分蛋白質(zhì)被分解為氨、尿酸和尿素等排出體外，最終進(jìn)入土壤。動植物的殘?bào)w中的有機(jī)氮?jiǎng)t被微生物轉(zhuǎn)化為無機(jī)氮（氨態(tài)氮和硝態(tài)氮），從而完成生態(tài)系統(tǒng)的氮循環(huán)。沉積型循環(huán) 沉積型循環(huán)(sedimentary cycle)的蓄庫主要是巖石圈和土壤圈。屬于沉積型循環(huán)的營養(yǎng)元素主要有磷、硫、鉀、鈉、鈣等。保存在巖石圈中的這些元素只有當(dāng)?shù)貧ぬ優(yōu)殛懙睾螅?/p>

8、才有可能因巖石風(fēng)化、侵蝕和人工采礦等形式釋放出來被生產(chǎn)者植物所利用。因此，循環(huán)周期很長，常常還會造成局部性的匱乏。 硫的循環(huán) 硫循環(huán)的沉積過程往往與鐵離子和鈣離子的存在有關(guān)，當(dāng)形成不溶性的fes、fe2s3和硫酸鈣caso4時(shí)就會出現(xiàn)硫的沉淀現(xiàn)象。其中的fes具有重要的生態(tài)學(xué)意義，它是在厭氧條件下生成的，在中性和堿性水中呈不溶解狀態(tài)。因此，在這種條件下硫的存在就成了鐵含量的限制因素。磷的循環(huán) 磷是比較典型的沉積型循環(huán)物質(zhì)，這種類型的循環(huán)物質(zhì)實(shí)際上都有兩種存在相：巖石相和溶鹽相。這類物質(zhì)的循環(huán)都是起自巖石的風(fēng)化，終于水中的沉積。巖石風(fēng)化后，溶解在水中的鹽便隨著水流經(jīng)土壤進(jìn)入溪、河、湖、海并沉積在

9、海底，其中一些長期留在海里，另一些可形成新的地殼，風(fēng)化后又再次進(jìn)入循環(huán)圈。動植物從溶鹽中或其他生物中獲得這些物質(zhì)，死后又通過分解和腐敗過程而使這些物質(zhì)重新回到水中和土壤中磷的來源及其循環(huán)磷的蓄庫及其循環(huán)有毒污染物質(zhì)循環(huán) 有毒污染物質(zhì)循環(huán)：如重金屬、農(nóng)藥等。伴隨著食物鏈的延伸，或濃度增大，或毒性加劇生物放大作用。 特點(diǎn)：1.有毒物質(zhì)進(jìn)入生態(tài)系統(tǒng)的途徑是多種多樣的。 2.大多數(shù)有毒物質(zhì)在生物體內(nèi)具有富集現(xiàn)象，若不及時(shí)排除會造成有機(jī)體中毒、畸形或死亡。3.毒性物質(zhì)隨著環(huán)境的變化其毒性也在變化，有可能減弱，也有可能加強(qiáng)。汞循環(huán) 汞是一種生命體非必需元素,在自然界中有單質(zhì)汞(水銀)、無機(jī)汞和有機(jī)汞等幾種

10、形式。汞在自然環(huán)境中本底不高,但在19世紀(jì)以來,伴隨著工業(yè)的發(fā)展,汞的用途越來越廣,生產(chǎn)量急劇增加,從而使大量的汞隨著人類活動而進(jìn)入環(huán)境。物質(zhì)循環(huán)的生態(tài)學(xué)意義 1.物質(zhì)是能量的載體，物質(zhì)循環(huán)是能量流動的基礎(chǔ)； 2.物質(zhì)再生利用，提高生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)能力； 3.減少物質(zhì)流失，促進(jìn)生態(tài)平衡。四、生態(tài)系統(tǒng)的信息傳遞 營養(yǎng)信息：構(gòu)建各種營養(yǎng)關(guān)系，形成相應(yīng)的食物鏈 行為信息：如異常行為 物理信息：如光、行為、顏色、聲音 化學(xué)信息：如氣味、激素 作用：相互制約、相互促進(jìn)、相互吸引、相互排斥，從而協(xié)調(diào)生態(tài)系統(tǒng)的功能。生態(tài)系統(tǒng)信息流及特點(diǎn) 生態(tài)系統(tǒng)信息流：生態(tài)系統(tǒng)中產(chǎn)生的大量的、復(fù)雜的信息，經(jīng)過信道不斷傳送、交流

11、和反饋的過程。信息流是雙向的。 特點(diǎn)： 1信息流非常龐大。 2傳遞方式千差萬別。 3信息類型多，貯存量大。生態(tài)系統(tǒng)信息的傳遞過程 1信息的產(chǎn)生 2信息的獲取 3信息的傳遞 4信息處理系統(tǒng) 5信息再生 6信息施效五、生態(tài)系統(tǒng)自我調(diào)節(jié) 生態(tài)系統(tǒng)的反饋調(diào)節(jié) 生態(tài)系統(tǒng)平衡生態(tài)系統(tǒng)的反饋調(diào)節(jié)生態(tài)系統(tǒng)普遍存在著反饋現(xiàn)象。什么是反饋？當(dāng)生態(tài)系統(tǒng)中某一成分發(fā)生變化的時(shí)候，它必然會引起其它成分出現(xiàn)一系列的相應(yīng)變化，這些變化最終又反過來影響最初發(fā)生變化的那種成分，這個(gè)過程就叫做反饋。反饋有兩種類型，即負(fù)反饋和正反饋。負(fù)反饋是比較常見的一種反饋，它的作用是能夠使生態(tài)系統(tǒng)達(dá)到和保持平衡或穩(wěn)態(tài)，反饋的結(jié)果是抑制和減弱最

12、初發(fā)生變化的那種成分所發(fā)生的變化。例如，如果草原上的食草動物因?yàn)檫w入而增加，植物就會因?yàn)槭艿竭^度啃食而減少，植物數(shù)量減少以后，反過來就會抑制動物的數(shù)量（如：教學(xué)過程設(shè)計(jì)中的負(fù)反饋圖解）。另一種反饋叫正反饋，正反饋是比較少見的，它的作用剛好與負(fù)反饋相反，即生態(tài)系統(tǒng)中某一成分的變化所引起的其它一系列的變化，反過來不是抑制而是加速最初發(fā)生變化的成分所發(fā)生的變化，因此正反饋的作用常常使生態(tài)系統(tǒng)遠(yuǎn)離平衡狀態(tài)或穩(wěn)態(tài)。在自然生態(tài)系統(tǒng)中正反饋的實(shí)例不多，下面我們舉出一個(gè)例子加以說明：如果一個(gè)湖泊受到了污染，魚類的數(shù)量就會因?yàn)樗劳龆鴾p少，魚體死亡腐爛后又會進(jìn)一步加重污染并引起更多魚類死亡。因此，由于正反饋的作用，污染會越來越重，魚類的死亡速度也會越來越快。從這個(gè)例子中我們可以看出，正反饋往往具有極大的破壞作用，但是它常常是爆發(fā)性的，所經(jīng)歷的時(shí)間也很短。從長遠(yuǎn)看，生態(tài)系統(tǒng)中的負(fù)反饋和自我調(diào)節(jié)將起主要作用。生態(tài)系統(tǒng)平衡 生態(tài)系統(tǒng)平衡(ecosystem balance)又稱自然平衡(natural balance)，是指生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)、能量流動和信