海洋生態(tài)學(xué)-第1章-生態(tài)系統(tǒng)概述資料

第一章生態(tài)系統(tǒng)(shēnɡtàixìtǒnɡ)概述掌握生態(tài)系統(tǒng)的基本概念及其核心思想、生態(tài)系統(tǒng)的基本功能成分和生物生產(chǎn)、能量流動與物質(zhì)循環(huán)的基本過程。了解維持生態(tài)穩(wěn)定的機(jī)制以及生物圈主要生態(tài)系統(tǒng)類型，同時初步認(rèn)識(rènshi)生物圈的形成與進(jìn)化。學(xué)習(xí)目的：第一頁，共39頁。第一節(jié)生態(tài)系統(tǒng)(shēnɡtàixìtǒnɡ)的組成結(jié)構(gòu)與功能生態(tài)系統(tǒng)是指在一定的空間內(nèi)生物的成分和非生物的成分通過物質(zhì)循環(huán)和能量流動互相作用、互相依存構(gòu)成的一個具有自動調(diào)節(jié)機(jī)制的生態(tài)學(xué)功能單位。

生態(tài)系統(tǒng)具有自然整體性，在任何情況下，生物群落都不可能單獨(dú)(dāndú)存在，它總是和環(huán)境密切相關(guān)、相互作用，組成有序的整體。如一個湖泊、一片草地。一、什么(shénme)叫生態(tài)系統(tǒng)（ecosystem）第二頁，共39頁。生態(tài)系統(tǒng)概念強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)中生物與非生物組分在結(jié)構(gòu)和功能上的統(tǒng)一。極大推動了生態(tài)學(xué)的發(fā)展，生態(tài)系統(tǒng)成為現(xiàn)代(xiàndài)生態(tài)學(xué)研究的中心。生物(shēngwù)大分子基因細(xì)胞組織全球都是生命系統(tǒng)器官個體生態(tài)系統(tǒng)第三頁，共39頁。二、生態(tài)系統(tǒng)(shēnɡtàixìtǒnɡ)的基本組成成分第四頁，共39頁。1、非生物(shēngwù)成分(abioticcomponent)：生命支持系統(tǒng)2、生物(shēngwù)成分（bioticcomponent）：生態(tài)系統(tǒng)的主體功能性組分——功能群：生產(chǎn)者(producers)消費(fèi)者(consumers)：植食動物、肉食動物、雜食動物、寄生動物、異養(yǎng)微生物(shēngwù)分解者(decomposers)流通者（circulator）：昆蟲傳粉調(diào)控者（regulator）：頂極生物(shēngwù)第五頁，共39頁。三、生態(tài)系統(tǒng)(shēnɡtàixìtǒnɡ)的營養(yǎng)結(jié)構(gòu)和空間結(jié)構(gòu)（一）生態(tài)系統(tǒng)的營養(yǎng)(yíngyǎng)結(jié)構(gòu)：食物鏈和食物網(wǎng)１、食物鏈（foodchain）：是指生物之間通過食與被食形成一環(huán)套一環(huán)的鏈狀營養(yǎng)(yíngyǎng)關(guān)系。食物鏈類型：牧食食物鏈或稱植食食物鏈（grazingfoodchain）碎屑食物鏈（detritusfoodchain）寄生食物鏈第六頁，共39頁。２、食物網(wǎng)（foodweb）：食物鏈彼此交錯連接(liánjiē)，形成網(wǎng)狀營養(yǎng)結(jié)構(gòu)，稱之為食物網(wǎng)。生態(tài)系統(tǒng)中生物種類繁多，一種生物往往有多種食物對象，同一種生物也可被多種攝食，因此一種生物不可能固定在一條食物鏈上。食物網(wǎng)更能真實(shí)地反映生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)各種生物有機(jī)體之間的營養(yǎng)位置和相互關(guān)系。第七頁，共39頁。圖１－２第八頁，共39頁。１－１第九頁，共39頁。１－３第十頁，共39頁。（二）生態(tài)系統(tǒng)的空間(kōngjiān)結(jié)構(gòu)自然生態(tài)系統(tǒng)的自養(yǎng)和異養(yǎng)成分在空間(kōngjiān)上通常是分層的圖１－４第十一頁，共39頁。四、生態(tài)系統(tǒng)能量流動和物質(zhì)循環(huán)的基本(jīběn)過程（一）生態(tài)系統(tǒng)的初級生產(chǎn)和能量流動（energytransfer）生態(tài)系統(tǒng)的能源來自(láizì)太陽，光合作用固定的能量轉(zhuǎn)化為化學(xué)潛能貯存在被結(jié)合的有機(jī)物分子鍵中。第十二頁，共39頁。生態(tài)系統(tǒng)中的能量流動與轉(zhuǎn)化服從熱力學(xué)定律。攝食是一種形式的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為另一種形式化學(xué)能的過程。植物光合作用形成的有機(jī)物質(zhì)和能量，一部分呼吸消耗，剩余提供給下一營養(yǎng)級。植食性動物利用一部分凈初級產(chǎn)量，利用的部分（攝食量）有一些(yīxiē)不能被同化排出體外。被同化吸收的量又有相當(dāng)一部分用于機(jī)體的生命活動，轉(zhuǎn)變成熱能而散失，還有一部分以代謝廢物（如尿液）的形式排出。其余的才是轉(zhuǎn)化為植食性動物的繁殖與生長，也就是能夠提供給下一營養(yǎng)級利用的能量。

食物＝

動物得到的＝

動物未得到的

動物吃進(jìn)的＝

動物未吃進(jìn)的

被同化的＝

未同化的

次級生產(chǎn)量＝

呼吸代謝

被更高營養(yǎng)級取食

未被取食

第十三頁，共39頁。１－５第十四頁，共39頁。（二）生態(tài)系統(tǒng)(shēnɡtàixìtǒnɡ)的物質(zhì)循環(huán)（cycleofmatter）植物在光合作用過程中同時吸收各種養(yǎng)分，主要是無機(jī)物質(zhì)（如NO3－、PO43－等），轉(zhuǎn)變?yōu)樯矬w中各種有機(jī)物質(zhì)（如碳水化合物、蛋白質(zhì)、核酸等）。它們通過綠色植物吸收進(jìn)入食物鏈，并在各營養(yǎng)級之間傳遞、轉(zhuǎn)化，當(dāng)生物死亡后，機(jī)體內(nèi)各種有機(jī)物質(zhì)被微生物分解成為無機(jī)物釋回環(huán)境中，然后再一次被植物吸收利用，重新(chóngxīn)進(jìn)入食物鏈，參加生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)再循環(huán)。生物地化循環(huán)（biogeochemicalcycle）：生態(tài)系統(tǒng)之間各種物質(zhì)或元素的輸入和輸出以及它們在大氣圈、水圈、土壤圈、巖石圈之間的交換。第十五頁，共39頁。生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)和能量流動是緊密聯(lián)系、不可分割(bùkěfēnɡē)的，能量是通過物質(zhì)載體來流動的，但是，兩者又有根本區(qū)別。能量來源于太陽，在食物鏈中向著一個方向逐級流動，不斷消耗和散失；而營養(yǎng)物質(zhì)來源于地球并可被生物多次利用，在生態(tài)系統(tǒng)中不斷地循環(huán)，或從一個生態(tài)系統(tǒng)消失而又在另一個生態(tài)系統(tǒng)出現(xiàn)。能量(néngliàng)流動與物質(zhì)循環(huán)的關(guān)系第十六頁，共39頁。庫(pool)：生態(tài)系統(tǒng)中某一物質(zhì)在生物或非生物環(huán)境中貯存的數(shù)量。貯存庫（reservoirpool）、交換庫或循環(huán)庫(exchangeorcyclingpool)流通率：物質(zhì)在生態(tài)系統(tǒng)中庫與庫之間流通的速率。周轉(zhuǎn)率：某物質(zhì)的流通率與庫含量(hánliàng)之比即為周轉(zhuǎn)率。周轉(zhuǎn)時間：周轉(zhuǎn)率的倒數(shù)周轉(zhuǎn)率

＝

流通率庫中營養(yǎng)物質(zhì)量

周轉(zhuǎn)時間

＝

庫中營養(yǎng)物質(zhì)量流通率

第十七頁，共39頁。1、反饋機(jī)制（feedbackmechanism）：生態(tài)系統(tǒng)自我調(diào)節(jié)通過反饋機(jī)制來實(shí)現(xiàn)反饋：當(dāng)生態(tài)系統(tǒng)中某一成分發(fā)生變化的時候，它必然會引起其他成分出現(xiàn)一系列的相應(yīng)變化，這些(zhèxiē)變化最終又反過來影響最初發(fā)生變化的那種成分，這個過程就叫反饋。五、生態(tài)系統(tǒng)(shēnɡtàixìtǒnɡ)的自校穩(wěn)態(tài)和生態(tài)平衡

第十八頁，共39頁。反饋有正反饋（positivefeedback）和負(fù)反饋（negativefeedback）之分。正、負(fù)反饋?zhàn)饔?zuòyòng)同時存在，在系統(tǒng)發(fā)展的不同階段作用(zuòyòng)強(qiáng)度不同，大發(fā)展階段系統(tǒng)調(diào)節(jié)以正反饋為主，系統(tǒng)生物量、體積、多樣性、復(fù)雜性迅速增加，大發(fā)展過后，隨即是一段減速增加階段，負(fù)反饋逐漸起作用(zuòyòng)，系統(tǒng)的各個參數(shù)趨向于在一個恒定水平附波動。第十九頁，共39頁。１－６第二十頁，共39頁。2、生態(tài)平衡（ecologicalequilibrium）生態(tài)平衡的概念是指一段時間內(nèi)，生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、過程和功能相對穩(wěn)定的狀態(tài)。在一般情況下，如果生態(tài)系統(tǒng)能量和物質(zhì)的輸入大于輸出時，生物量增加，反之，生物量減少。如果輸入和輸出在較長時間趨于相等，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能長期(chángqī)處于穩(wěn)定狀態(tài)（這時動、植物的種類和數(shù)量也保持相對穩(wěn)定，環(huán)境的生產(chǎn)潛力得以充分發(fā)揮，能流途徑暢通），在外來干擾下能通過自我調(diào)節(jié)恢復(fù)到原初的穩(wěn)定狀態(tài)，生態(tài)系統(tǒng)的這種狀態(tài)就叫做生態(tài)平衡。第二十一頁，共39頁。一個相對穩(wěn)定的生態(tài)系統(tǒng)是經(jīng)過不同演替階段而發(fā)展(fāzhǎn)起來的。在發(fā)展(fāzhǎn)的初期階段，其結(jié)構(gòu)比較簡單，功能效率不高，因而比較不穩(wěn)定，對外界干擾的抵抗能力較差；而當(dāng)生態(tài)系統(tǒng)發(fā)展(fāzhǎn)到成熟階段，結(jié)構(gòu)就變得更加復(fù)雜起來，其功能效率也相應(yīng)地提高了。第二十二頁，共39頁。生態(tài)(shēngtài)閾限：生態(tài)(shēngtài)系統(tǒng)自我調(diào)節(jié)功能是有限度的，只有在某一限度內(nèi)可以自我調(diào)節(jié)自然界或人類施加的干擾。生態(tài)(shēngtài)平衡失調(diào)(生態(tài)(shēngtài)失調(diào))的主要因素：1、自然因素2、人類干擾生態(tài)(shēngtài)失調(diào)表現(xiàn)：群落中生物種類減少；種的多樣性降低；結(jié)構(gòu)漸趨簡化。當(dāng)外界壓力太大而持久的話，系統(tǒng)內(nèi)各種結(jié)構(gòu)的變化更加厲害，甚至使某個基本成分從系統(tǒng)中消失，最后整個結(jié)構(gòu)崩潰。第二十三頁，共39頁。一、生命起源與生態(tài)系統(tǒng)的形成與進(jìn)化原始生命起源于一系列復(fù)雜的化學(xué)進(jìn)化：原始地球(dìqiú)沒有水圈、土圈、大氣圈，只有巖石。由于地球(dìqiú)內(nèi)部放射性元素的裂變與衰變產(chǎn)生大量能量，促使大陸板塊發(fā)生移動，加之宇宙隕石的撞擊以及地球(dìqiú)捕獲月球后引起的潮汐摩擦力等等影響，導(dǎo)致強(qiáng)烈的火山活動，地球(dìqiú)內(nèi)部各種氣體大量噴發(fā)，形成原始大氣圈。主要?dú)怏w包括CO2、CH4、H2S、NH3、H2、N2和H2O（水蒸氣）等。水蒸氣凝結(jié)后降落地面，在低洼地帶形成海洋與湖泊，出現(xiàn)了水圈。第二節(jié)生物圈的形成(xíngchéng)與進(jìn)化第二十四頁，共39頁。在宇宙射線、太陽紫外線、雷電與高溫的作用下，水圈與大氣圈某些物質(zhì)發(fā)生強(qiáng)烈化學(xué)反應(yīng)，形成簡單有機(jī)小分子，有機(jī)小分子匯集海洋，經(jīng)過漫長歲月的復(fù)雜化學(xué)變化，產(chǎn)生氨基酸、核苷酸等有機(jī)分子，并最終(zuìzhōnɡ)演化成原始生命——海洋厭氧微生物。地球上最早的生命可能是在海水5-10米深處出現(xiàn)的原始厭氧微生物——菌藻類，從化石判斷出現(xiàn)在38億年前。第二十五頁，共39頁。原始生命是通過發(fā)酵獲得呼吸所需的能量。有機(jī)食物的貧乏可能成為選擇性壓力，促使產(chǎn)生能進(jìn)行光合作用的原核自養(yǎng)生物，以及真核自養(yǎng)生物。28億年前，能進(jìn)行光合作用的自養(yǎng)微生物出現(xiàn)，釋放氧氣，綠色植物的出現(xiàn)加速(jiāsù)了大氣層氧氣的積累，為動物的誕生創(chuàng)造了條件。綠色植物的出現(xiàn)是地球發(fā)展史上的重要里程碑。使地球化學(xué)的面貌發(fā)生巨大的變化，原始大氣層的成分也逐漸發(fā)生本質(zhì)的變化。第二十六頁，共39頁。需氧呼吸出現(xiàn)后，因其效率高，為出現(xiàn)復(fù)雜的多細(xì)胞生物創(chuàng)造(chuàngzào)了必需條件。原始食物鏈也隨之出現(xiàn)。距今4.2億年，大氣中氧含量上升到現(xiàn)在水平的10%以上，在雷電和太陽紫外線的作用下，在距地表20~25公里高空形成臭氧層。臭氧層吸收大量紫外線，為生物到達(dá)海面和登上陸地創(chuàng)造(chuàngzào)了條件，首先登陸的是裸蕨類植物。植物的枯落物及殘體經(jīng)過分解與原始風(fēng)化物相互作用，地球上有了最早的土壤，成為各種易于淋溶礦物養(yǎng)分的貯存庫。土壤的形成與增厚加速了生物的進(jìn)化，達(dá)到今日的繁榮。生物的進(jìn)化不僅是諸物種協(xié)同進(jìn)化的歷史，同時生物圈生態(tài)系統(tǒng)的形成與發(fā)展，也是生物與環(huán)境協(xié)同進(jìn)化的歷史。第二十七頁，共39頁。關(guān)于生物與地球環(huán)境的問題，過去比較流行的觀念是：生物是被動地適應(yīng)地球環(huán)境的理化條件的。英國科學(xué)家Lovelock于20世紀(jì)60年代提出一個地球自我調(diào)節(jié)的理論——Gaia假說：大氣中活性氣體的組成、地球表面的溫度及地表沉積物的氧化(yǎnghuà)還原電位和pH值等是受地球上所有生物總體（biota）的生長和代謝所主動調(diào)控的。假說(jiǎshuō)：蓋亞VS美狄亞第二十八頁，共39頁。J．lovelock于1965年在探討火星是否有生命存在，對地球及其鄰近的火星、金星大氣氣體構(gòu)成進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)有生命的地球同火星、金星的大氣氣體構(gòu)成有明顯不同，火星和金星大氣中二氧化碳占絕對的主導(dǎo)(zhǔdǎo)優(yōu)勢，而氧氣、甲烷及氮?dú)獾暮亢艿?。如果將地球上的所有生命排除，然后用物理化學(xué)的方法計(jì)算地球大氣中各種氣體達(dá)到平衡狀態(tài)時的濃度，那么大氣中各種氣體的濃度與火星、金星非常相似（熱力學(xué)平衡、無序）。第二十九頁，共39頁。1、地球上適于生物(shēngwù)生存的最初條件并不存在，而是通過生命活動與環(huán)境相互作用而發(fā)展和創(chuàng)造出來的。2、上述環(huán)境受到人為破壞或自然條件的各種干擾而發(fā)生相應(yīng)變化時，地球上的生命總體就會通過改變其生長、活動和代謝來對這些變化做出相應(yīng)的反應(yīng)，緩和地球環(huán)境的這些變化。第三十頁，共39頁。第三十一頁，共39頁。Gaia是一個由地球(dìqiú)生物圈、大氣圈、海洋、土壤等各部分組成的反饋系統(tǒng)或控制系統(tǒng)，通過自我調(diào)節(jié)和控制而尋求達(dá)到一個適合于大多數(shù)生物生存的最佳物理——化學(xué)環(huán)境條件。生物的生命活動造就了地球(dìqiú)表層的復(fù)雜性和多樣性，同時這種復(fù)雜性又決定了它的可自我調(diào)節(jié)、自我控制的功能。第三十二頁，共39頁。大約在35億年前，地球上出現(xiàn)生命以后，太陽的輻射量增加了30％左右，然而地球上的氣候(qìhòu)卻變化很少。在地球歷史中，隕星大沖撞至今已發(fā)現(xiàn)有30次，每一次沖撞能量大于1020J，相當(dāng)于世界核武器貯存在一次核戰(zhàn)爭釋放的總能量的一千倍以上。但是，生命與環(huán)境持續(xù)地存在下來，這也證明假說是合理的，有根據(jù)的。Gaia是一個控制論系統(tǒng)，說明生物與環(huán)境在生物圈規(guī)模上相互作用的穩(wěn)態(tài)。第三十三頁，共39頁。一是認(rèn)為地球上的各種生物有效地調(diào)節(jié)著大氣的溫度和化學(xué)構(gòu)成(gòuchéng)；二是地球生物影響了環(huán)境，而環(huán)境又反過來影響著生物進(jìn)化過程，兩者共同進(jìn)化；三是各種生物與自然界之間主要由負(fù)反饋環(huán)連接，從而保持地球生態(tài)的穩(wěn)定狀態(tài)；四是認(rèn)為大氣能保持在穩(wěn)定狀態(tài)不僅取決于生物圈，而且在一定意義上為了生物圈；五是認(rèn)為各種生物調(diào)節(jié)其物質(zhì)環(huán)境，以便創(chuàng)造各類生物優(yōu)化的生存條件。蓋亞假說(jiǎshuō)的涵義第三十四頁，共39頁。l．陸地(lùdì)生態(tài)系統(tǒng)1.1森林生態(tài)系統(tǒng)熱帶森林生態(tài)系統(tǒng)溫帶森林生態(tài)系統(tǒng)1.2草原生態(tài)系統(tǒng)1.3荒漠生態(tài)系統(tǒng)七、生態(tài)系統(tǒng)的主要(zhǔyào)類型生物圈的生態(tài)系統(tǒng)包括陸地生態(tài)系統(tǒng)、水域生態(tài)系統(tǒng)以及人工(réngōng)生態(tài)系系統(tǒng)。第三十五頁，共39頁。2．水域生態(tài)系統(tǒng)2.1湖泊生態(tài)系統(tǒng)2.2河流(héliú)生態(tài)系統(tǒng)2.3海洋生態(tài)系統(tǒng)海岸帶生態(tài)系統(tǒng)（潮上帶、潮間帶、河口）島嶼生態(tài)系統(tǒng)淺海生態(tài)系統(tǒng)外海和大洋生態(tài)系統(tǒng)第三十六頁，共