环境生态学基础.ppt

第二章 环境生态学基础,1、生态系统的一般特征 2、生态系统的能量流动 3、生态系统的物质循环 4、生态系统的主要类型及其分布,2.1生态系统的一般特征-基本概念,生态系统是指在一定的时间和空间范围内，由生物群落与其环境组成的一个整体，该整体具有一定的大小和结构,各成员借助能量流动、物质循环和信息传递而相互联系、相互依存，并形成具有自我组织、自我调节功能的复合体。生态系统生态学是研究生态系统的结构、功能和动态的科学。,2.1生态系统的一般特征-组成与结构,CO,2.1生态系统的一般特征-组成与结构,1）生产者及其主要功能 主要为绿色植物。进行光合作用。生产者在生态系统中处于重要的地位，决定着生态系统初级生产力的高低。2）消费者及其主要功能 消费者主要指各种动物。依赖于生产者制造的有机物。根据不同的取食地位又可细分。不仅对初级生产物起着加工再生产的作用，而且许多消费者对其它生物种群数量起着调控作用。3）分解者主要功能 分解者（还原者）主要是细菌、真菌、放线菌及土壤原生动物和一些小型无脊椎动物。把复杂的有机物逐步分解为较简单的化合物和元素，归还到环境中去。4.）非生物环境 包括光、热、气、水、土壤和营养成分。在生态系统中，生产者、消费者和还原者是任何一个生态系统都不可缺少的成分，称为生态系统的基本成分。,2.1生态系统的一般特征-组成与结构,结构包括三个亚系统，即生产者亚系统、消费者亚系统和分解者亚系统。三个亚系统的生物成员与非生物环境成分间通过能流和物流而形成的高层次的生物学系统，是一个物种间、生物与环境间协调共生，能维持持续生存和相对稳定的系统。它是地球上生物与环境、生物与生物长期共同进化的结果。,2.1生态系统的一般特征-食物链与食物网,生产者所固定的能量和物质，通过一系列取食和被食的关系而在生态系统中传递，各种生物按其取食和被食的关系而排列的链状顺序称为食物链。捕食食物链：以植食动物吃植物的活体开始。碎屑食物链：从分解动植物尸体或粪便中的有机物质颗粒开始。寄生食物链：寄生物和食腐动物形成辅助食物链。水体生态系统中的食物链如：浮游植物浮游动物食草性鱼类食肉性鱼类。比较长的食物链如：植物蝴蝶蜻蜓蛙蛇鹰。,2.1生态系统的一般特征-食物链与食物网,生态系统中的食物链彼此交错连接，形成一个网状结构，这就是食物网。,2.1生态系统的一般特征-营养级,物质循环,能量流动,2.1生态系统的一般特征-金字塔,能量通过营养级逐级减少，如果把通过各营养级的能流量，由低到高画成图，就成为一个金字塔形，称为能量锥体或金字塔。同样如果以生物量或个体数目来表示，就能得到生物量锥体和数量锥体。3类锥体合称为生态锥体。,2.1生态系统的一般特征-生态效率,2.1生态系统的一般特征-反馈调节与生态平衡,生态平衡是指生态系统通过发育和调节所达到的一种稳定状况，它包括结构上的稳定、功能上的稳定和能量输入、输出上的稳定。生态平衡是一种动态平衡。负反馈控制可使系统保持稳定，正反馈使系统偏离加剧。,当外来干扰超越生态系统的自我控制能力而不能恢复到原初状态时谓之生态失调或生态平衡的破坏。,生态失调,破坏生态平衡 的因素,自然因素主要是指自然界中所发生的异常变化，如火山爆发、地震、山崩、海啸、水旱灾害、台风、流行病，都会引起生态平衡的破坏。,人为因素主要是指人类对自然资源的不合理利用，招致自然环境恶化而言。,1.使环境因素发生改变一方面人类的生产活动和生活活动产生大量的废气、废水、废物，不断排放到环境中，使环境质量恶化，产生近期或远期效应，使生态平衡失调或破坏。另一方面是对自然资源不合理的利用，如盲目开荒、滥砍森林、水面过围、草原超载等。,2.使生物种类发生改变 在生态系統中，盲目增加一個物种，有可能使生态平衡遭受破坏。我国50年代曾大量捕杀过麻雀，致使一些地区虫害严重。究其原因，就是由于害虫的天敌麻雀被捕杀，害虫失去了自然抑制因素。,主要有三个方面：,3.信息系統的破坏生物与生物之間彼此靠信息联系，才能保持其集群性和正常的繁衍。人為向环境中施放某种物质，干扰或破坏了生物间的信息联系，就有可能使生态平衡失调或遭受破坏。例如自然界中有許多雌性昆虫靠分泌释放性外激素引诱同种雄性成虫前來交尾，如果人们向大气中排放的污染物能与之发生化学反应，則性外激素就失去了引诱雄虫的生理活性，結果势必影响昆虫交尾和繁殖，最后导致种群数量下降甚至消失。,特点：,（1）自然生态系统经过由简单到复杂的长期演替，最后形成相对稳定状态；,（2）生态系统具有一定的内部调节能力；,（3）生态平衡是动态的。,2.2生态系统中的能量流动-初级生产者的概念,植物所固定的太阳能或所制造的有机物质称为初级生产量或第一性生产量。植物固定的能量有一部分被植物自己的呼吸消耗掉，剩下的可用于植物生长和生殖，这部分生产量称为净初级生产量。包括呼吸消耗在内的全部生产量，称为总初级生产量。总初级生产量(GP)、呼吸所消耗的能量(R)和净初级生产量(NP)3者之间的关系是：GPNP+R NPGPR,2.2生态系统中的能量流动-初级生产效率,2.2生态系统中的能量流动-初级生产者能量的输入与储存,不同的生态系统具有不同的光合效率。但其数值一般很小（15%），一般为1%，很少有大于3%。光合效率与光照强度有关，也随叶片的形态和位置而变化。在低光强、庇荫条件下生长的叶片的光合效率比光照下生长的叶片高。,2.2生态系统中的能量流动-初级生产量的测定方法,1.收获量测定法2.氧气测定法3.CO2测定法4.放射性标记物测定法5.叶绿素测定法,2.2生态系统中的能量流动-次级生产的生态效率,2.2生态系统中的能量流动-次级生产的生态效率,2.2生态系统中的能量流动-次级生产的生态效率,所谓林德曼效率是指n+1营养级所获得的能量占n营养级获得能量之比。既：林德曼效率（n+1）营养级摄取的食物/n营养级摄取的食物 平均10,2.2生态系统中的能量流动-生态系统中的分解,2.2生态系统中的能量流动-理化环境对生态系统中的分解的影响,2.2生态系统中的能量流动-食物链与生态系统层面,2.3生态系统中的物质循环-物质循环的一般特征,生命的维持不仅依赖于能量的供应，而且也依赖于各种化学物质的供应。生态系统中能量的运动、贮存和相应化学物质的累积、贮存、转移、循环是互相依存不可分割的。在地球所包含的所有化学物质中，只有大气与岩石圈、水圈相面之间的薄层才能有效地参与能量的固定。对于大多数生物来说，大约有20多种元素是它们生活所不可缺少的，另外还有10来种元素虽然需要量很低，但也是某些植物不可缺少的。,必需元素,维持正常生命活动不可缺少的元素。,大量元素包括C、H、O、N、S、P、K、Ca、Mg微量元素包括Fe、Mn、B、Zn、Cu、Mo、Cl、Ni等,2.3生态系统中的物质循环-物质循环的一般特征,植物从极低浓度的环境中吸收和富集养分的能力很强。长期未受干扰的森林群落的养分累积和保持过程的效率是相当高的，化学物质返回生态系统的非生物环境，重新被植物吸收利用。,2.3生态系统中的物质循环-物质循环基本类型,1）地球化学循环（生态系统之间的养分交换）可划分为气态循环和沉积循环2）生物地球化学循环（生态系统内的养分循环）3）生物化学循环（植物体内的养分循环）,2.3生态系统中的物质循环-地球化学循环,养分元素一但迁出生态系统，就有可能一去不复返;地球化学循环中物质一部分发生永久性沉积；另一部分再迁往其他生态系统。,2.3生态系统中的物质循环-地球化学循环(气态循环),氮、碳、氧主要输入形态是气态。气态循环是生态系统中大量元素输入和损失的途径.人类生产的气体污染物的“接收器”。,2.3生态系统中的物质循环-地球化学循环(沉积循环),沉积循环具有三种不同的途径，即气候途径、生物途径以及地质水文途径。气候途径 风蚀、风搬运输出。陆地上的尘埃、花粉，海洋的盐分可通过风传送到远距离的生态系统。主要受气候、天气类型以及与沉降源(如海洋、土壤风蚀严重地区、工业空气污染源等)距离的影响。,2.3生态系统中的物质循环-地球化学循环(沉积循环),生物学途径 动物迁移可引起养分元素在生态系统之间的再分布。许多动物既能参与生物地球化学循环，又能参与地球化学循环。例如：动物在一个生态系统中取食，而在另一生态系统中排泄；许多群居的鸟类白天在农田取食后夜间返回林地排粪等。,瑙鲁lao lu,2.3生态系统中的物质循环-地球化学循环(沉积循环),地质水文途径 养分以及溶于土壤水、小溪的养分流入生态系统过程，还包括土壤水、径流水或侵蚀的土壤颗粒携带养分迁出生态系统的过程。,2.3生态系统中的物质循环-生物地球化学循环,是生态系统内部生物组分与物理环境之间连续的、循环的、有序性物质迁移过程。主要特征是参与循环的大部分养分常常限于某一特定生态系统内部，养分被充分地保持和累积，只有很少养分向地球化学循环迁移。生物地球化学循环的空间尺度很小。,2.3生态系统中的物质循环-生物地球化学循环,2.3生态系统中的物质循环-生物地球化学循环(吸收),植物的根系从土壤溶液吸收养分，但不是唯一的营养途径。也可从水溶液中吸取养分，另外，植物还能从与根系紧密接触的土壤矿物质中直接吸收养分。叶片与营养液接触时，叶片也能吸收养分。碳的吸收几乎都是通过叶片进行的。叶片也能吸收气态硫和气态氮。,2.3生态系统中的物质循环-生物地球化学循环(吸收),2.3生态系统中的物质循环-生物地球化学循环(分布),养分的分布还随植物的年龄而异。,2.3生态系统中的物质循环-生物地球化学循环(损失),植物养分的损失途径主要有以下四种：雨水淋溶 食草动物引起的损失 繁殖器官的损失 凋落损失,2.3生态系统中的物质循环-生物化学循环,主要指植物个体体内化学物质的再分配。养分在短命组织(如叶片)死亡之前被转移到植物体内而被保存起来，然后，再被转移到幼嫩组织或贮存组织中。生物化学循环的时间、空间尺度比前二种循环都小。植物在落叶之前发生的养分转移是植物保持养分的重要途径。,2.3生态系统中的物质循环-生物化学循环,据研究，在芬兰，欧洲赤松4年生针叶的养分在调落前重量减少17%，得到转移的氮、磷、钾分别为69%、81%和80%。这些养分大部分被转移到与叶片相连的茎干、枝条的木质部。在美国南部的研究也表明，火炬松的针叶在即将凋落之前能将44%、38%、58%的氮、磷、钾进行转移，重量减少14%。,2.3生态系统中的物质循环-水循环,地球表面的总水量大约为1.4109 km3，其中大约有97包含在海洋库中。其余的库含量如下：两极冰盖29,000km3；地下水8,000km3；湖泊河流100km3；土壤水分100km3；大气中水13km3；生物体中水1 km3。,2.3生态系统中的物质循环-碳循环,意义：碳是构成生物有机体的最重要元素，因此，生态系统碳循环研究成了系统能量流动的核心问题；人类活动通过化石燃料的大规模使用，从而造成对于碳循环的重大影响，可能是当代气候变化的重要原因。碳循环包括的主要过程是：生物的同化过程和异化过程，大气和海洋之间的二氧化碳交换；碳酸盐的沉淀作用。,2.3生态系统中的物质循环-碳循环,2.3生态系统中的物质循环-碳循环,净释放量 碳循环的净变化 化石燃料+陆地植被破坏=大气中含量上升+海洋吸收+未知的汇 6.0 0.9 3.2 2.0 1.7人类活动向大气净释放碳大约为6.91015gCa，其中使用化石燃料释放6.01015gCa，陆地植被破坏释放0.91015gCa。由于人类活动释放的二氧化碳中，导致大气二氧化碳含量上升的为3.21015gCa，被海洋吸收的为2.01015gCa，未知去处的汇达到1.71015gCa。著名的失汇现象，它已经成为当今生态系统生态学研究中最令人感兴趣的热点问题之一。,2.3生态系统中的物质循环-碳循环,2.3生态系统中的物质循环-氮循环,氮循环是一个复杂的过程，包括有许多种类的微生物参加。固氮作用 人工固氮硝化作用 反硝化作用,2.3生态系统中的物质循环-磷循环,磷循环是不完全的循环，有很多磷在海洋沉积起来。,2.3生态系统中的物质循环-硫循环,硫循环是一个复杂的元素循环，既属沉积型，也属气体型。,2.3生态系统中的物质循环-元素循环的相互作用,自然界中的元素循环是密切关联和相互作用着的，而且表现在不同的层次上。例如在光合作用和呼吸作用中，碳和氧循环是互相联结的。海洋生态系统的初级生产的速率受到浮游植物的氮磷比影响，从而使碳循环与氮和磷循环联结起来。淡水生态系统中磷的有效性也受到底部沉积物中的硝酸盐和氧多少的间接影响。,2.4生态系统的主要类型及其分布,因受地理位置、气候、地形、土壤等因素的影响，地球上的生态系统是多种多样的。首先可分出水生生态系统(海洋生态系统与淡水生态系统)和陆地生态系统。由于植物群落是地球上生态系统中的主要类型，而且其在陆地生态系统中的分布又遵循一定的规律，所以本节重点介绍陆地生态系统。,c陆地生态系统分布的基本规律-水平分布基本规律,地球表面的水热条件等环境要素，沿纬度或经度方向发生递变，从而引起植被也沿纬度或经度方向呈水平更替的现象，称为植被分布的水平地带性。植被分布的水平地带性是地球表面植被分布的基本规律之一。,陆地生态系统分布的基本规律-水平分布基本规律,1.植被分布的纬向地带性与经向地带性沿纬度方向有规律地更替的植被分布，称为植被分布的纬向地带性。植被在陆地上的分布，主要取决于气候条件，特别是其中的热量和水分条件，以及二者状况。以水分条件为主导因素，引起植被分布由沿海向内陆发生更替，这种分布格式，称为经向地带性。它和纬向地带性统称为水平地带性。由于海陆分布、大气环流和大地形等综合作用的结果，,陆地生态系统分布的基本规律-水平分布基本规律,在南半球没有和北半球相对应的北方针叶林及苔原带，生物群落带大致与纬线平行，说明纬度地带性的存在；在北纬40和南纬40之间由于信风的影响，使得西侧为干旱区域，东侧为湿润的森林区域；在亚热带，荒漠伸展到海岸，而在南半球，它们只限于沿海地区。,陆地生态系统分布的基本规律-水平分布基本规律,2中国植被分布的水平地带性规律我国植被分布具有明显的纬向地带性和经向地带性。东西走向的山脉对寒潮向南流动起着不同程度的阻挡作用，成为温度带的分界线。暖洋流对我国大陆，特别是对北方气候未能发生直接增温加湿的作用,陆地生态系统分布的基本规律-垂直分布基本规律,随着海拔的升高，年平均气温逐渐降低，生长季节逐渐缩短。植被带大致与山坡等高线平行，并且具有一定的垂直厚(宽)度，称之为植被垂直带性。山地植被垂直带的组合排列和更迭顺序形成一定的体系，称为植被垂直带谱，或称植被垂直带结构。,陆地生态系统分布的基本规律-垂直分布基本规律,植被垂直带谱大致反映了不同植物群落类型沿纬度方向交替分布的规律，相当于将纬向地带性给垂直竖立起来了。植被的水平地带性决定着垂直带性的分布，这已为植被地理学家与自然地理学界所公认。,陆地生态系统分布的基本规律-局部地形对分布的影响,坡度和坡向对植被的分布具有很大的意义。南向坡的植被通常比所在平地的植被具有更南方的特征(更阳性、更喜热)；而北向坡的植被，有比平地具有更北方的特征(更喜阴、更喜冷)。南坡或北坡的植被可以预测更南或更北地区平地植物种或平地植物群落，这叫做植物地理预测法则。,淡水生态系统分布的基本规律,淡水生物群落包括湖泊、池塘、河流等群落，通常是互相隔离的。淡水群落一般分为流水和静水两大群落类型。流水群落又可分为急流和缓流两类。,海洋生态系统分布的基本规律,海洋植物区系的地理分布也服从地带性规律。与陆地植物区系不同的是寒冷的海域区系成分较为丰富，热带海洋中种属反而比较贫乏，这一点与陆地植物区系恰好相反。,世界陆地主要生态系统的类型及其 分布-热带雨林概念,一般认为热带雨林是指耐阴、喜雨、喜高温、结构层次不明显、层外植物丰富的乔木植物群落。热带雨林主要分布于赤道南北纬510以内的热带气候地区。这里全年高温多雨，无明显的季节区别，年平均温度2530，最冷月的平均温度也在18以上，极端最高温度多数在36以下。年降水量通常超过2 000mm，有的竟达6 000mm，全年雨量分配均匀，常年湿润，空气相对湿度90以上。,世界陆地主要生态系统的类型及其 分布-热带雨林特点,(1)种类组成特别丰富，大部分都是高大乔木。(2)群落结构复杂，树冠不齐，分层不明显。(3)藤本植物及附生植物极丰富，在阴暗的林下地表草本层并不茂密。在明亮地带草本较茂盛。(4)树干高大挺直，分枝小，树皮光滑，常具板状根和支柱根。(5)茎花现象(即花生在无叶木质茎上)很常见。(6)寄生植物很普遍。(7)热带雨林的植物终年生长发育。,世界陆地主要生态系统的类型及其 分布-世界分布,世界上的热带雨林分成三大群系类型，即印度马来雨林群系、非洲雨林群系和美洲雨林群系。,世界陆地主要生态系统的类型及其 分布-中国分布,我国的热带雨林主要分布在台湾省南部、海南岛、云南南部河口和西双版纳地区。此外，在西藏自治区墨脱县境内也有热带雨林的分布。由于我国雨林是世界雨林分布的最北边缘，因此，林中附生植物较少，龙脑香科的种类和个体数量不如东南亚典型雨林多，小型叶的比例较大，一年中有一个短暂而集中的换叶期，表现出一定程度上的季节变化，这是由于纬度偏高所至。,世界陆地主要生态系统的类型及其 分布-亚热带常绿阔叶林,亚热带常绿阔叶林发育在湿润的亚热带气候地带。常绿阔叶林主要由樟科、壳斗科、山茶科、金缕梅科等科的常绿阔叶树组成。常绿阔叶林在地球上分布于亚热带地区的大陆东岸，南北美洲、非洲、大洋洲均有分布，但分布的面积都不大；在亚洲除朝鲜、日本有少量分布外，以我国分布的面积最大。我国原始的常绿阔叶林保存很少，常绿林大多已被砍伐，而为人工或半天然的针叶林所替代。此外，竹林也是我国亚热带气候区的一种十分重要的植被类型。,世界陆地主要生态系统的类型及其 分布-夏绿阔叶林,由夏季长叶冬季落叶的乔木组成的森林称为夏绿阔叶林或落叶阔叶林。它是在温带海洋性气候条件下形成的地带性植被。主要分布在西欧，并向东伸延到前苏联欧洲部分的东部。日本北部、朝鲜、北美洲的东部和南美洲的一些地区也有分布。我国主要分布在东北和华北地区。夏绿阔叶林主要由杨柳科、桦木科、壳斗科等科的乔木植物组成。,世界陆地主要生态系统的类型及其 分布-北方针叶林,北方针叶林是指寒温带针叶林，它是寒温带的地带性植被。主要分布在欧洲大陆北部和北美洲，此带是整个森林带的最北界线。通常由云杉属和冷杉属树种组成。在我国温带、暖温带、亚热带和热带地区，寒温性针叶林则分布到高海拔山地。是我国森林覆盖面积最大、资源蕴藏最丰富的森林。,世界陆地主要生态系统的类型及其 分布-草原,我国的草原是欧亚草原区的一部分。从东北松辽平原，经内蒙古高原，直达黄土高原，形成了东北至西南方向的连续带状分布。另外，在青藏高原和新疆阿尔泰山的山前地带以及荒漠区的山地也有草原的分布。,世界陆地主要生态系统的类型及其 分布-草原,我国草原可以分为4个类型：即草甸草原、典型草原、荒漠草原和高寒草原。草甸草原主要分布在松辽平原和内蒙古高原的东部边缘。,世界陆地主要生态系统的类型及其 分布-荒漠,荒漠植被是指超旱生半乔木、半灌木、小半灌木和灌木占优势的稀疏植被。荒漠植被主要分布在亚热带和温带的干旱地区。荒漠的显著特征是植被十分稀疏，而且植物种类非常贫乏，有时100m2中仅有12种植物。我国荒漠植被的建群植物是以超旱生的小半灌木与灌木的种类最多。我国的荒漠主要分布于西北各省区。,世界陆地主要生态系统的类型及其 分布-冻原,冻原又称为苔原，是寒带植被的代表，主要分布在欧亚大陆北部和北美洲北部，形成一个大致连续的地带。植被种类组成简单，植物群落结构简单，适应极低温，多年生植物，并且多数种类为常绿植物。冻原主要分布在欧亚大陆和北美大陆。在欧亚大陆的冻原区内，随着从南到北气候条件的差异，冻原又分为四个亚带：森林冻原亚带、灌木冻原亚带、藓类地衣亚带、北极冻原亚带。我国的冻原仅分布在长白山海拔2100m以上，和阿尔泰山3000m以上的高山地带。,世界陆地主要生态系统的类型及其 分布-青藏高原,热量丰富，植被分布界限高；大陆性强，植被的旱生性显著；植被带宽广；高原上的山地植被垂直带明显。由东南向西北，随着地势逐渐升高，依次分布着山地森林带高寒灌丛、高寒草甸带高寒草原带高寒荒漠带。青藏高原上的这种植被带状更迭规律是水平地带性与垂直带性相结合的结果，是具有平面形式的植被垂直带，这样的植被带被称为高原地带性。,推荐阅读文献,孙儒泳，李博，诸葛阳，等普通生态学北京：高等教育出版社，1993祝廷成，钟章程，李建东植物生态学北京：高等教育出版社，1998中国植被编辑委员会编著中国植被北京：科学出版社，1980植被生态学研究编辑委员会编辑植被生态学研究北京：科学出版社，1994,作业：,1 什么叫生态平衡与失调？影响生态平衡与失调的主要因素有哪些？,2 呼吸作用和光合作用在碳循环和氧循环中起什么作用？,