第五章 生态系统
一、生态系统(ecosystem)的结构
二、生态系统的能量流动
三、生态系统的物质循环
四、生态系统中的信息及其传递
五、生态系统的变化
六、维护生态系统的相对平衡
一、生态系统(ecosystem)的结构
1．定义： A.G.Tansley 1935年提出概念。
A.G.Tansley对生态系统的描述（概念）：
　　　　 更基本的概念是… …完整的系统（物理学上所谓系统），它不仅包括生物复合体，而且还包括人们称为环境的全部物理因素的复合体… …。我们不能把生物从其特定的、形成物理系统的环境中分离开来… …。这种系统是地球表面上自然界的基本单位… …。这些生态系统有各种各样的大小和种类。
系统构成至少要有3个条件：
系统是由许多成分组成的；
各成分间不是孤立的而是彼此互相联系、互相作用的；
系统具有独立的、特定的功能。
美国青年科学工作者林德曼（R.L.Lindeman）的伟大贡献——根据他的研究，提出了“食物链”、“金字塔营养级”和创立“十分之一”定律，从理论和实践上为生态系统奠定了坚实的基础。
生态系统的科学定义为：生态系统就是在一定的时间和空间内，生物和非生物的成分之间，通过不断的物质循环和能量流动而相互作用、相互依存的统一体，构成一个生态学的功能复合体。
生物地理群落（biogeoconosis）为生态系统的同义语。
一、生态系统(ecosystem)的结构
2．生态系统的结构：非生物、生物部分（见图）
　　　　　　　　　　　　　　气候因子 （光、温等及其他物理因子）
　　　　　　　　　　　1．非生物部分　　无机物质 （H2O、N、P、K、Ca等矿质元素）
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　有机物质 （糖、蛋白质、脂类、腐殖质等）
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 （1）生产者—绿色植物（把太阳能输入生态系统）
生态系统
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　草食动物（一级消费者）(herbivores)　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　一级肉食动物（以食草动物为食，　　　　　　　　　　 统称二级消费者）
　　　　　　　　　　　2．生物部分 （2）消费者　 肉食物动物　二级肉食动物（大型肉食动物） 称三
　　　　　　　　　　　　　　 （能量传递）　　　　　　　 (comsumers)　(carnivores)　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　级消
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　寄生者　　　　　三级肉食动物（顶极肉食动物） 费者
　　　　　　　　　杂食动物
　　　　　　　　　腐食性动物
　　　　　　　　　　　（3）还原者（分解者）(reducers)
图　　 生态系统的基本结构（组成部分）
二．生态系统的能量流动
1．食物链与食物网——生态系统能量流动的渠道
　 (1) 食物链（food chains）
定义：食物链是指初级生产者获得光能后制造的食物供给各级消费者形成以食物营养为中心的链索关系。
类型：掠食链、寄生链、腐生链
　 (2) 食物网（food web）
定义：许多长短不一的食物链互相交织成复杂的网状关系（见示图）。
营养阶(trophic levels)——食物网内从生物到生物的消费者阶梯。处于食物网某一环节上所有生物种总和。
2．生态金字塔（ecological pyramid）
反映生态系统的营养结构与营养机能的锥体图解模式。
数量金字塔、生物量金字塔、能量金字塔（见图示）
二．生态系统的能量流动
1．食物链与食物网——生态系统能量流动的渠道
　 (1) 食物链（food chains）
定义：食物链是指初级生产者获得光能后制造的食物供给各级消费者形成以食物营养为中心的链索关系。
类型：掠食链、寄生链、腐生链
　 (2) 食物网（food web）
定义：许多长短不一的食物链互相交织成复杂的网状关系（见示图）。
营养阶(trophic levels)——食物网内从生物到生物的消费者阶梯。处于食物网某一环节上所有生物种总和。
2．生态金字塔（ecological pyramid）
反映生态系统的营养结构与营养机能的锥体图解模式。
数量金字塔、生物量金字塔、能量金字塔（见图示）
二．生态系统的能量流动

3．生态效率（ecological efficiencies）

在生态系统食物链的不同点上，能量之间的百分比率。特指某一营养级的能量输出和输入间的比率。
林德曼效率——“百分之一”或“十分之一”定律（图示）
在营养级n上的同化量/在营养级n-1上的同化量≈10%
二．生态系统的能量流动
4．生态系统中能量流动的特点（小结）
① 生态系统中能量形成的转换完全符合热力学第一定律（能量转化和守恒）。系统能量增加，环境能量减少，但总能量不变。所不同的是，太阳能转化为化学能，再转变为热能、机械能等其他形式。
② 能量沿着食物链方向流动，在其流动时，生物中的能量由于各个营养级生物维持自身生命消耗而逐级减少，估计每经一个营养级的剩余能量为原有能量的十分之一左右，其余的都消耗了。
③ 生态系统的能量流动是单向、非循环的，它只能一次流过生态系统，单程前进，决不可逆。（热力学第二定律）

第五章 生态系统
一、生态系统(ecosystem)的结构
二、生态系统的能量流动
三、生态系统的物质循环
四、生态系统中的信息及其传递
五、生态系统的变化
六、维护生态系统的相对平衡
三．生态系统的物质循环

生态系统的物质循环又称生物地球化学循环(biogeo-chemical cycle)。它是指无机化合物和单质通过生态系统的循环运动。

（一）物质循环的模式及类型
（二）水循环
（三）碳循环
（四）氮循环
（五）有毒有害物质循环
（六）生态系统物质循环与能量流动的关系
三．生态系统的物质循环
（一）物质循环的模式及类型

生态系统中的物质循环可以用库（Pool）和流通（flow）两个概念加以概括。
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。
流通量是指单位时间、单位面积内通过的营养物质的绝对值。用周转率（turnover rate）和周转时间（turnover time）表示有关库的相对重要性。
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
周转时间表达了移动库中全部营养物质所需要的时间。
生物地球化学循环分三大类型：水循环（water cycle）、气体型循环（gaseous cycle）和沉积型循环（sedimentary cycle）。
三．生态系统的物质循环
（二）水循环

水和水循环对于生态系统具有特别重要意义，它是地球上各种物质循环的中心循环。通过降水和蒸发这两种形式，使地球水分达到平衡状态。（图：全球水循环）。此外，水循环通过地表径流将各种营养物质从一个生态系统搬到另一个生态系统，补充某些生态系统营养物质的不足。植被在水循环过程中起重要作用。
三．生态系统的物质循环
（三）碳循环
全球碳贮存量约为26×1015吨，绝大部分以碳酸盐的形式禁锢在岩石圈中。生物可直接利用的碳是水圈和大气圈中以CO2形式存在的碳。

1、碳循环途径（图）
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。
三．生态系统的物质循环
（三）碳循环
2、碳在生态系统中循环不平衡引起的生态效应：
　　　　　　　　 CO2增加，引起的温室效应（greenhouse effect），致使全球变暖，将产生对6个生物层次的潜在影响：

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——农作物减产。病虫害加重。影响牲畜食欲。
●森林生态系统——导致干旱、增加森林大火风险。森林害虫增加，影响森林对物质的吸收。
●水生生态系统——使海洋静水层和沉淀层的微生物活动加快，水中含氧量减少，影响许多海洋动物的生存；导致藻类繁殖速度加快，使鱼类产量减少。
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。
物种：加速物种的灭绝；加速某些物种的迁移。
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。
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。
三．生态系统的物质循环
（三）碳循环

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——发电采用高效先进技术；
大力发展不含碳的能源和低碳能源代替煤炭——水力发电、核能发电、充分利用各种再生能源（太阳能、风能、潮汐能等）、天然气、生物能（如沼气利用）等。
(2) 大力开展对CO2的吸收，固定和利用——海洋交换吸收、陆地植树种草、保护森林植被。
三．生态系统的物质循环
（四）氮循环
氮循环中的主要作用(图)
固氮作用——三条途径：
闪电、宇宙射线、火山爆发活动等的高能固氮，形成氨或硝酸盐，随降雨到达地面，为8.9kg/hm2·a。
工业固氮（化肥的制造），目前全世界已达1×108吨。
生物固氮（最重要途径），为100~200kg/km2·a。
氨化作用——由氨化细菌而后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。
三．生态系统的物质循环
（五）有毒有害物质循环
以DDT、汞为例。
有毒有害物质的循环是指那些对有机体有害的物质进入生态系统，通过食物链富集或被分解的过程。
1．DDT（二氯二苯三氯乙烷）
DDT是一种人工合成有机氯杀虫剂，它的问世，对农业的发展起了很大作用，但它是是有机毒物。
生态系统通过两个途径吸入人类喷洒的DDT并通过食物链加以富集：
① 通过植物茎叶、根系进入植物体　　　　草食动物吃　　　　肉食动物食　　　　逐级浓缩；
② 喷洒的DDT落入地面经土壤动物吃用富集　　　 陆上动物　　　逐级浓缩。（图）
营养级越高，富集能力越强，积累量越大。其危害主要是影响生殖，导致人类、动物产生怪胎。
三．生态系统的物质循环
（五）有毒有害物质循环
2．汞（Hg）
汞作为工业用催化剂和电极材料，不断输入生态系统。它以痕量出现在大气、土壤、岩石及动植物组织中，但通过生物浓缩从水中不到1ug/L到海藻中100ug/L，到鱼体中达1122ug/L。
汞的危害：
与神经系统某些酶类结合，产生神经错乱；
与一种DNA一起发生作用的蛋白质形成专一性结合，引起汞中毒先天性缺陷。
转化为有机化合物如甲基汞，毒性更强，进入人体可分布全身，尤其进入肝、肾，最后到达脑部，且不易排泄。
三．生态系统的物质循环
（五）有毒有害物质循环
3．有毒有害物质循环的特点：
在食物链营养级上进行循环流动并逐级浓缩富集；
在生物体代谢过程中不能被排泄而被生物体同化，长期停留于生物体内；
有些有毒有害物质不能分解而相反经生态系统循环后使毒性增加。
因此，有毒物质的生态系统循环与人类的关系最为密切，但由最为复杂。有毒物质循环的途径，在环境中滞留时间，在有机体内浓缩的数量和速度，以及作用机制和对有机体影响的程度等等都是十分重要的研究课题。
三．生态系统的物质循环

（六）生态系统物质循环与能量流动的关系

生态系统中物质与能量流动是互相依存，互相制约，密不可分的。但能量在生态系统中是被消耗、单向循环（流动），不可逆的。而物质循环是可逆的，多向可返回原来的化学形态，并可逃循、脱离生态系统。


第五章 生态系统
一、生态系统(ecosystem)的结构
二、生态系统的能量流动
三、生态系统的物质循环
四、生态系统中的信息及其传递
五、生态系统的变化
六、维护生态系统的相对平衡
四．生态系统中的信息及其传递


生态系统的功能除了体现在生物生产过程，能量流动和物质循环外，还表现在系统中各生命成分之间存在着信息传递。信息传递是双向的。环境是生态系统的一种信息源。生态系统中包含多种多样的信息，大致可分为物理信息、化学信息、行为信息和营养信息。
四．生态系统中的信息及其传递
1．物理信息及其传递
光信息——光强弱，光质，光照时间长短是重要的光信息。太阳能是光信息的重要初级信源。
声信息——鸟类婉转多变的叫声；蝙蝠、鲸类发达的声纳定位系统。
电信息——特别是鱼类，大约有300多种能产生0.2~2伏微弱电压，电鳗产生的电压能高达600伏。
磁信息——鱼类遨游迁徙于大海，候鸟成群结队长途飞行……都靠动物自己的电磁场与地球磁场互相作用确定方向，方位。
四．生态系统中的信息及其传递
2．化学信息及其传递
动物和植物间的化学信息
植物产生气味，不同动物对植物气味有不同反应。蜜蜂取食与传粉靠植物的化学信息息素。
动物之间的化学信息
动物通过外分泌腺向体外分泌某些信息素。动物可利用信息素标记所表现的领域行为。动物向体外分泌性信息素，以沟通种内两性个体的性信息素交流。
植物之间的化学信息
化学他感作用。有亲和性的，也有相互拮抗性的。
四．生态系统中的信息及其传递

3．行为信息和营养信息

许多植物的异常表现和动物异常行动传递了某种信息，可通称行为信息。
生态系统中，生物的食物链是一个生物的营养信息系统。
五．生态系统的变化


生态系统是不平衡的，它首先是不平衡开始，永远处于不断的变化和发展。这种变化有自然变化和人为变化两种。
五．生态系统的变化
（一）生态系统的自然变化
生态系统的结构和功能随时间的改变而发生变化的过程就是生态系统的自然变化。
简单　　　　　复杂；　 复杂　　　　　 简单

这些变化体现在下列两个特征上：
1．能量和物质循环特征
　　　如果在生态系统中：
(1) Pg(第一性生产)/R（呼吸）>1，系统是增长型的，物质循环开放性—外流少。
(2) Pg/R<1，系统是衰退型的，物质循环也是开放性的——外流多。
(3) Pg/R≈1，系统是稳态的（相对平衡），物质循环是封闭的。
2．生物多样性特征
五．生态系统的变化
（二）生态系统的人为变化——环境的变化

人类对生态系统变化产生的几种原因：
农业、林业的过度开垦
都市化、工业化和现代化对环境的污染
(1) 城市垃圾（包括生活垃圾和工业垃圾）
(2) 废水废气
(3) 农药与化肥
六．维护生态系统的相对平衡


1．更新观念——树立正确的生态观。
2．积极保护森林植被，保护生物多样性，植树种草。
3．既要工业化现代化更要环境优质化——环境污染的综合治理。
4．大力发展环境科学研究。

第六章 人与生物圈

一、生物多样性及其保护
二、全球变化现象及其效应
三、可持续发展
　（Sustainable development）
一、生物多样性及其保护
（一）什么是生物多样性（biological diversity）
定义
生物多样性的价值
（二）生物多样性的分布及其丧失
生物多样性的分布格局
生物多样性的测度
物种多样性的丧失——物种灭绝
物种多样性丧失的原因
（三）生物多样性保护研究
（四）我国生物多样性及其保护现状与未来
（一）什么是生物多样性（biological diversity）
1、定义：生物多样性是指有机体及其赖以生存的生态复合体（ecological complex）之间的多样性和变异性。具体包括下列三个层次：
物种多样性（species diversity）（最基本层次）——包括地球上整个空间的物种，它指物种水平上的表现形式。
遗传多样性（gene diversity）(微观层次)——指物种内基因的变化，包括同种内两个隔离地理种群间及单个种群内个体间的遗传变异。
生物群落多样性或生态系统多样性（ecosystem diversity）(宏观层次)——指生物圈内生境、生物群落和生态过程的多样性以及生态系统内生境、生物群落和生态变化。
　全球生物物种估计有1400万种，而目前发现并描述了的只有175万种。（表）
（一）什么是生物多样性（biological diversity）
2、生物多样性的价值

（1） 直接经济价值——为人类提供最广泛最重要的资源直接享用。
（2） 间接经济价值——对环境的影响过程和生态系统的公益情况。主要是保护水资源、保护土壤、调节气候和处理废物。
（3） 伦理价值——精神和美学价值。
（二）生物多样性的分布及其丧失
1、生物多样性的分布格局
(1) 时间分布格局——主要是指地质历史时期生物多样性的变化。（图）
(2) 空间分布格局：
纬度梯度格局（地球总体分布格局）——指不同地理纬度生物多样性的变化，海拔高度不同的变化。(图)
具体地说，目前全球生物物种多样性的分布是从热带　　 亚热带　　　 温带　　　 寒带的地理梯度减弱。在全世界中，有12个国家的物种多样性最为丰富，它们拥有全世界60~70%的物种。
最大分布格局——由于历史原因或生境适宜某一些生物类群所达到的最大多样性。
相关分布格局——不同有机体类型之间，物种丰富度分布的相关性。
（二）生物多样性的分布及其丧失
2、生物多样性的测度
测度主要是对生物群落内物种多样性的测度，常用的普通方法如下3种：
(1) 物种丰富度指数（d）——有4种指数：
Dgl =S/lnA　　　　 (Gleason,1992)
dma=(S-1)/lnN　(Margalef,1958)
dme=S/N1/2　　　(Menhiniek,1964)
dmo=S/N　　　　　 (Monk,1956)
这里：d—指物种数目随样方增大而增大的速率
　　　　　　s—为物种数目
　　　　　　N—为所有物种的个体数之和
　　　　　　A—为样方面积
（二）生物多样性的分布及其丧失
2、生物多样性的测度
(2) Simpson指数（D）——又称优势度指数
D=1-∑Pi2=1-∑(ni/N)2　
Pi　为第I物种被抽中的概率
ni 为第I个种的个体数
N是样方内所有个体数

(3) Shannon—Wiener指数（H）
H=-∑(ni/N)log(ni/N)=-∑Pi log Pi　　　　
ni 、N与上同义
（二）生物多样性的分布及其丧失
3、物种多样性的丧失——物种灭绝
(1) 自然灭绝
地史上5个时期（奥陶纪、泥盆纪、二叠纪、三叠纪、白垩纪）自然大灭绝概况。（见图）
恐龙灭绝的假说。
目前鸟类和哺乳类每世纪的灭绝率为1%或每年0.01%。
自然灭绝是绝对的。生物只有灭绝才能进化，离开了进化，生物学是毫无意义的。
（二）生物多样性的分布及其丧失
3、物种多样性的丧失——物种灭绝
(2) 人类造成的灭绝
　 自1600年至今，已有83种哺乳动物及113种鸟类遭人为灭绝（相当于哺乳动物种数的2.1%和鸟类种数的1.3%）。特别近150年丧失最多（图表），1600—1700年间鸟类和哺乳类灭绝率大约是每10年1个种，到了1850—1950年，上升到每年1个种。如果人类威胁不停止，则现在世界鸟类种的2%和哺乳类物种的5%将处于危在旦夕的灭绝境地。
（二）生物多样性的分布及其丧失
4、物种多样性丧失的原因

(1)　人口膨胀，资源利用不断增加
(2)　物种赖以生存的生境受破坏，热带雨林受威胁
(3)　生境片断化、生境退化与污染
(4)　外来种引入和外来病害的入侵和传播
(5)　对资源的过度开发
（三）生物多样性保护研究
1、生物多样性现状及其格局研究
2、生物多样性形成、发展、衰退和丧失的机制研究
3、物种濒危状况、灭绝速率、原因及其保护措施的研究
4、生物多样性的监测研究——“生物多样性指示物种”的寻找及其监测手段（生物多样性与物种的指示关系）。这些“指示物种需具备下列特征：
具有足够的敏感性来指示早期的环境变化
具有较广的地理分布范围
具有提供连续评价环境威胁的能力
应比较容易收集和量度
能够用来指示由于人类干扰趋势而产生的自然循环周期的变化
（三）生物多样性保护研究
5．生物多样性保护的对策与手段研究
保护政策：保护与利用关系的调整，保护管理政策
保护手段：就地管理与保护，异地管理与保护，建立濒危物种基因库（克隆）等。

6．生物种类的评估等级：
1UCN濒危等级结构
世界保护自然协会评估系统
其他类型等

（三）生物多样性保护研究
图：1UCN濒危等级结构
灭绝（Extinct）(EX)
　　　　　　　　　　　　　野生灭绝（Extinct in the wild）(EW)

极危（Critically Endangered）(CR)
数据足够（LR） 受威胁　　　　　 濒危（Endangered）(EN)
　　　　　　易危（Vulnerable）(VU)
已评估
　 依赖保护
　　 低危　接近受危
　　略需关注

　　　 数据不足（Data Deficient）(DD)

未评估
（三）生物多样性保护研究
6．生物种类的评估等级：
世界自然保护协会系统：分五个等级

G1——全球极度危机物种。现存<1000个成熟个体或在分布区内只出现5次或更小。
G2——全球危机的物种。现存1000~3000个成熟个体或在分布区内只出现6~20次。
G3——不常见但不危机的物种。现存3000~10000个成熟个体，或在分布区内出现21~100次。
G4——较常见且非濒危的物种。
G5——已证明在分布区内具高丰富度，没有濒危，但也可以是稀有的。
（四）我国生物多样性及其保护现状与未来
1．我国生物多样性的现状
我国生物多样性既丰富又独具特色，多样性在全球居第8位，北半球居第1位。其主要特点是：
生态系统多样性类型多样：陆地生态系统共计27大类460个类型，其中森林16大类，185个类型；草地4大类，56个类型；荒漠7大类，79个类型；湿地和温水水域5大类；海洋生态系统计有6大类，30个类型。
生物种类繁多，且具特有成分，孑遗成分及经济种类多的特点。高等植物计32800种，而特有种估计有15000~18000种，约占维管植物总数的50~60%。种子植物数居世界第3位。动物种类10.45万种，而特有高等脊椎动物种约662种（特有种居世界第8位）。
驯化物种及野生亲缘种多。世界上有237种栽培植物起源于我国。我国常见的栽培作物有600多种，果树品种1万多个，畜禽400多种。
（四）我国生物多样性及其保护现状与未来
2．我国生物多样性面临的主要问题

生态系统遭受破坏，原始林每年减少0.5万km2 。草原退化面积已达87万km2，国土受水、风力侵蚀面积已达367 km2。
物种受威胁，灭绝较严重。我国动植物种类中已有15~20%受到灭绝威胁，高于世界10~15%的水平。世界分布的濒危野生动植物种共640个，其中我国占156个。
遗传种质资源受威胁，外来种入侵，古老土著种受排挤。
（四）我国生物多样性及其保护现状与未来
3．我国生物多样性的保护现状
自然保护区已建立708处，面积56.8万km2，占国土面积的5.54%；动物园28个，饲养脊椎动物600多种。野生动物人工繁殖场227处，植物园110多个，引种保存的中国植物区系达13000多种并保存生物种质35万份。
4．我国生物多样性保护之未来——保护与研究计划
建立和完善全国自然保护网络。
全球实施生物多样性优先保护区域，目前世界自然基金会（WWF）发起并将全球生物多样性优先保护地区划分为233个生态区，其中陆地生态系统生态区136个（占58%），淡水生态系统生态区36个（占16%），海洋生态系统生态区61个（26%）。
这233个生态区涉及中国的生态区有17个，其中陆地生态系统12个，淡水生态系统4个，海洋生态系统1个（见图），这些也是我国自己划分的生物多样性保护关键地区（见图）。
（四）我国生物多样性及其保护现状与未来
4．我国生物多样性保护之未来——保护与研究计划

建立和完善全国珍稀濒危植物动物迁地保护网络。
保护特殊生境和生态系统，如湿地、珊瑚礁、红树林等。
加强珍稀、濒危野生动植物农业驯养利用、种质资源考察收集等。
保护淡水和海洋水生生物多样性，开展异地保护与研究（兴建水族馆）。
寻找生物多样性保护与资源持续利用协调的途径——建立生物多样性管理区，开展退化生态系统的恢复工作。
大力开展生物多样性的本底调查，总结保护技术与管理经验，保护示范工程建设等。