(2.4)--第二章第四节生态保护概论.pdf

第二章第二章生态保护的生态学原理生态保护的生态学原理提纲提纲基础生态学理论基础生态学理论个体生态学关系个体生态学关系种群生态学关系种群生态学关系群落生态学关系群落生态学关系生态系统生态系统景观景观一 生态系统的特征一 生态系统的特征二 生态系统的结构二 生态系统的结构三 生态系统的功能三 生态系统的功能生态系统生态关系生态系统生态关系第四节第四节四 生态系统的调控四 生态系统的调控一、生态系统的一般特征一、生态系统的一般特征1、什么是生态系统？、什么是生态系统？4生态系统生态系统(ecosystem)：一定：一定时间和空间时间和空间范围内，范围内，生物生物群落群落与与非生物环境非生物环境通过通过能量流动、物质循环和信息传能量流动、物质循环和信息传递递所形成的所形成的相互依存、相互作用相互依存、相互作用的功能复合体。的功能复合体。52、生态系统的基本特征、生态系统的基本特征是生态学最主要的是生态学最主要的结构和功能单位结构和功能单位之一之一组成成分组成成分：生物+非生物，其中：生物+非生物，其中生物生物群落是核心群落是核心空间结构空间结构：明显的：明显的地域性地域性和和边界特征边界特征时间变化时间变化：生长、发育、繁殖和衰亡，由简单：生长、发育、繁殖和衰亡，由简单到复杂，由低级到高级演变，到复杂，由低级到高级演变，动态系统动态系统内部功能内部功能：能量转化能量转化、物质循环物质循环和和信息传递信息传递，由生物组分驱动和调节由生物组分驱动和调节外部关系外部关系：具有：具有开放性开放性，不断与环境进行物质、，不断与环境进行物质、能量和信息交换，从而维持系统的有序性能量和信息交换，从而维持系统的有序性6二、生态系统的结构二、生态系统的结构两大部分：两大部分：生物成分生物成分初级生产者初级生产者消费者消费者分解者分解者非生物成分非生物成分参加物质循环的无机物质参加物质循环的无机物质联系生物和非生物的有机物质联系生物和非生物的有机物质气候状况气候状况1、生态系统的基本结构、生态系统的基本结构72、生态系统的复杂结构、生态系统的复杂结构生态系统复杂结构生态系统复杂结构空间结构空间结构时间结构时间结构物种结构物种结构营养结构营养结构水水平平结结构构垂垂直直结结构构食食物物链链食食物物网网生生态态金金字字塔塔8营养结构（营养结构（Trophic structure）是指生态系是指生态系统中由生产者、消费者和分解者统中由生产者、消费者和分解者3大生物功能群大生物功能群所组成的所组成的食物链与食物网食物链与食物网结构。结构。1.食物链（食物链（food chain）:是指生物成员间通过是指生物成员间通过取食与被取食取食与被取食的关的关系所联系起来的链系所联系起来的链状结构。状结构。食物链是生态系统营食物链是生态系统营养结构的养结构的基本单元基本单元，是物质循环、能量是物质循环、能量流动、信息传递的流动、信息传递的主要通道主要通道。“螳螂捕蝉螳螂捕蝉，黄雀在后黄雀在后”出自庄子出自庄子山木山木食物链的分类食物链的分类捕食食物链捕食食物链(grazing food chain)：由绿色植物作：由绿色植物作为起点，经过食草动物传递到食肉动物的食物链。为起点，经过食草动物传递到食肉动物的食物链。碎屑食物链碎屑食物链(detritus food chain)：又称腐食食物：又称腐食食物链，以动植物残体或排泄物作为起点的食物链。链，以动植物残体或排泄物作为起点的食物链。寄生食物链寄生食物链(parasite food chain)：以寄生的方式：以寄生的方式取食活的有机体而构成的食物链，一般以大型动取食活的有机体而构成的食物链，一般以大型动物为食物链的起点，继之以小型动物、微型动物、物为食物链的起点，继之以小型动物、微型动物、细菌和病毒。细菌和病毒。1011捕食食物链捕食食物链12碎屑食物链碎屑食物链13哺乳动物哺乳动物跳蚤跳蚤细菌细菌病毒病毒寄生食物链寄生食物链食物网食物网（food web）：当一种生物）：当一种生物取食多种取食多种其其他生物，或者一种生物他生物，或者一种生物被多种其他生物被多种其他生物取食，取食，就使得就使得多条食物链多条食物链之间产生关联从而形成一个之间产生关联从而形成一个网状关系，称为食物网。网状关系，称为食物网。15陆陆地地生生态态系系统统中中的的食食物物网网16北北冰冰洋洋生生态态系系统统的的简简单单食食物物网网17食物链的加环和解链食物链的加环和解链食物链加环的作用食物链加环的作用在原有食物链中通过加入在原有食物链中通过加入新的链环新的链环，延长，延长或完善食物链组合，改变生态系统的结构。或完善食物链组合，改变生态系统的结构。1）提高生态系统的稳定性；）提高生态系统的稳定性；2）提高物质的利用率；）提高物质的利用率；3）提高能量的利用率和转化率。）提高能量的利用率和转化率。18这类环节的引入可以减少生产损耗。这类环节的引入可以减少生产损耗。例如天敌的引入，可减轻害虫的危害。例如天敌的引入，可减轻害虫的危害。广东电白县引入澳洲瓢虫广东电白县引入澳洲瓢虫防治木麻黄的吹绵蚧壳虫防治木麻黄的吹绵蚧壳虫吉林省放养寄生蜂防治松毛虫吉林省放养寄生蜂防治松毛虫19食物链的解链（污染物的阻隔）食物链的解链（污染物的阻隔）为了减少有毒物质通过食物链进入畜禽和人体，为了减少有毒物质通过食物链进入畜禽和人体，危害动物和人体的健康，可采用食物链“解链”的危害动物和人体的健康，可采用食物链“解链”的方法，即在有毒物质在食物链上富集达到一定程度方法，即在有毒物质在食物链上富集达到一定程度时，时，使其与达到人类的食物链中断联系使其与达到人类的食物链中断联系。土壤土壤重金属重金属重金属重金属重金属重金属20三、生态系统的功能三、生态系统的功能能量流动能量流动物质循环物质循环信息传递信息传递价值流动价值流动物种流动物种流动服务功能服务功能。211、生态系统的能量流动、生态系统的能量流动能量能量(energy)按物质运动形式可分为按物质运动形式可分为辐射能辐射能势能势能化学能化学能核能核能。能量是物质运动的统一度量，是物质的基本物理属性之一能量是物质运动的统一度量，是物质的基本物理属性之一“静止是相对的，运动是绝对的”“静止是相对的，运动是绝对的”22热力学第一定律热力学第一定律(The First Law of Thermodynamics)能量守恒定律能量守恒定律能量既能量既不会凭空消灭，也不会凭不会凭空消灭，也不会凭空产生，它只会从一种形空产生，它只会从一种形式转化为其他形式，或者式转化为其他形式，或者从一个物体转移到另一个从一个物体转移到另一个物体，且在转化和转移的物体，且在转化和转移的过程中，过程中，能量的总量保持能量的总量保持不变不变。“第一类永动机”23热力学第二定律热力学第二定律(The Second Law of Thermodynamics)能量效率和能流方向定律：能量效率和能流方向定律：自然界的一切过程均伴随能量自然界的一切过程均伴随能量传递，能量的传递具有传递，能量的传递具有方向性方向性，且能量的传递和转化效率，且能量的传递和转化效率不可能达到不可能达到100%。科学殿堂里的七大神兽之麦克斯韦妖熵增定律熵增定律(热力学第二定律的推热力学第二定律的推论论)：在能量的传递和转化过程：在能量的传递和转化过程中，除了一部分可以继续传递中，除了一部分可以继续传递和作功的能量外，总有一部分和作功的能量外，总有一部分不能继续传递和作功而以热的不能继续传递和作功而以热的形式消散的能量，这部分能量形式消散的能量，这部分能量使熵和无序性增加。使熵和无序性增加。24生态系统的能量流动：环境中的能量通过初级生产过程进入生生态系统的能量流动：环境中的能量通过初级生产过程进入生态系统，通过食物网结构在生态系统内部传递和消耗的过程。态系统，通过食物网结构在生态系统内部传递和消耗的过程。单向传递逐级递减能量金字塔一定呈正金字塔型！能量金字塔一定呈正金字塔型！能量守恒25林德曼十分之一定律林德曼十分之一定律(Lindemans law of trophic efficiency)：生态系统的能量从绿色植物向食草动物、食肉动物等按食生态系统的能量从绿色植物向食草动物、食肉动物等按食物链的顺序在不同营养级上转移时，有稳定的数量级比例物链的顺序在不同营养级上转移时，有稳定的数量级比例关系，通常后一级能量等于或者小于前一级能量的关系，通常后一级能量等于或者小于前一级能量的1/10营养级一般小于营养级一般小于5级级能量金字塔必呈尖塔形能量金字塔必呈尖塔形生态系统的物质循环：生态系统的物质循环：指组成生物体的指组成生物体的C、H、O、N、P、S等元素在生态系统的生物群落与无机环境之间反复循环运动等元素在生态系统的生物群落与无机环境之间反复循环运动的过程，又称生物地球化学循环的过程，又称生物地球化学循环(biogeochemical cycle)26生物生物群落群落组成生物体的组成生物体的C、H、O、N等元素等元素无机无机环境环境反复循环反复循环2、生态系统的物质循环、生态系统的物质循环27落红不是无情物化作春泥更护花龚自珍已亥杂诗物质循环的库与流物质循环的库与流库（库（pool）：）：物质在运动过程中被暂时固定、贮存的场所。物质在运动过程中被暂时固定、贮存的场所。贮存库贮存库(Reservoir pool)容积较大，物质交换活动缓慢，容积较大，物质交换活动缓慢，一般为非生物成分的环境库。一般为非生物成分的环境库。交换库交换库(Exchange pool)容积较小，与外界物质交换活跃，容积较小，与外界物质交换活跃，一般为生物成分。一般为生物成分。源源(Source)是产生和释放物质的库。是产生和释放物质的库。汇汇(Sink)是吸收和固定物质的库。是吸收和固定物质的库。源汇CO2X2X1输入输出库存量库存量f12f21土壤植物流动ZY2流流(Flow)：物质在库与库之间的转移运行。物质在库与库之间的转移运行。库存量的变化=输入+流入-流出-输出30物质守恒物质守恒：生物群落和无机环境之间的物质可反复出：生物群落和无机环境之间的物质可反复出现、反复利用，周而复始地进行循环，不会消失现、反复利用，周而复始地进行循环，不会消失地球是最大的生态系统，生态系统中的物质循环具有地球是最大的生态系统，生态系统中的物质循环具有全球性全球性。物质循环的特点物质循环的特点企鹅体内的DDT？双对氯苯基三氯乙烷双对氯苯基三氯乙烷31降水、蒸降水、蒸发、径流发、径流和下渗和下渗动力：太动力：太阳辐射、阳辐射、水的重力水的重力全球水量全球水量平衡平衡全球水循环示意图全球水循环示意图水土流失水土流失水体富营养化水体富营养化围湖造田围湖造田地下水开采地下水开采33碳的地球化学循环调节着碳的地球化学循环调节着碳碳在在地表或近地表的沉积物地表或近地表的沉积物和和大气大气、生物圈生物圈及及海洋海洋之间的迁移，对大气之间的迁移，对大气CO2和海洋和海洋CO2含量起着关含量起着关键性作用。在地球大循环中各个组分的含量一般能通过键性作用。在地球大循环中各个组分的含量一般能通过碳循碳循环环的自我调节机制而保持相对稳定的水平。的自我调节机制而保持相对稳定的水平。碳循环碳循环氮循环氮循环35磷循环磷循环全全球球磷磷循循环环示示意意图图硫循环硫循环37污染物在食物链上的浓缩作用污染物在食物链上的浓缩作用污染物的流动和积累食物链的浓缩作用（食物链的浓缩作用（food chain concentration）又称为又称为生物学放生物学放大作用（大作用（biological magnification）是指有毒物是指有毒物质沿质沿食物链各营养级食物链各营养级传递时，传递时，在生物体内的残留浓度不断升在生物体内的残留浓度不断升高，愈是上面的营养级，生物高，愈是上面的营养级，生物体内有毒物质的残留浓度愈高体内有毒物质的残留浓度愈高的现象。的现象。39信息流（信息流（information flow）：自然界中，以自然界中，以物理形态物理形态（光、电磁、（光、电磁、声音等）、声音等）、化学形态化学形态（各种化学物质）及（各种化学物质）及生物形态生物形态（行为方式）出现的（行为方式）出现的自然信息自然信息，以及以图像、数据、文字、语言等形式出现的，以及以图像、数据、文字、语言等形式出现的人工信息人工信息，都，都有一个产生、传输、接收的过程。有一个产生、传输、接收的过程。信息系统信息系统information system信源信源产生信息产生信息信道信道传输信息传输信息信宿信宿接收利用信息接收利用信息4、生态系统的信息流、生态系统的信息流环环境境信信息息物理信息物理信息化学信息化学信息化学信息是指生物在特定条件下或生长发育的特定阶段，化学信息是指生物在特定条件下或生长发育的特定阶段，分泌出某种特定的化学物质，如酶、维生素、生长素、抗分泌出某种特定的化学物质，如酶、维生素、生长素、抗菌素、内激素、外激素、生物碱等，借以传递某种信息。菌素、内激素、外激素、生物碱等，借以传递某种信息。花香与植物行为信息行为信息时时刻刻警警惕惕 自然起源的信息流自然起源的信息流1.环境生物环境生物2.植物植物植物植物3.植物动物植物动物4.动物动物动物动物5.动物植物动物动物植物动物44没有寄主的信息，向日葵列当没有寄主的信息，向日葵列当的种子在土壤中十年也不丧失的种子在土壤中十年也不丧失发芽力，只要一获得寄主植物发芽力，只要一获得寄主植物的的化学信息化学信息就迅速发芽。就迅速发芽。向日葵列当向日葵列当Orbanche cumana诱导防御诱导防御反反法呢烯（法呢烯（E-Farensene C15H24）这种报警信息素可以促使受到信息的同这种报警信息素可以促使受到信息的同种其他个体逃走。种其他个体逃走。生态系统存在着频密的自然信息生态系统存在着频密的自然信息流，这些信息流在巧妙地调节着流，这些信息流在巧妙地调节着生态系统中生物与环境、生物与生态系统中生物与环境、生物与生物的各种关系。生物的各种关系。49自然生态系统的调控是通过自然生态系统的调控是通过非中心式调控机非中心式调控机制制实现的。生态系统越趋于成熟，自然信息的沟实现的。生态系统越趋于成熟，自然信息的沟通越丰富，控制系统所特有的和谐、协调、稳定通越丰富，控制系统所特有的和谐、协调、稳定等特点也就越明显。等特点也就越明显。自然调控过程可分为自然调控过程可分为程序调控、随动调控、程序调控、随动调控、最优调控、稳态调控最优调控、稳态调控等。等。自然生态系统的调控机制自然生态系统的调控机制50程序调控程序调控51随动调控随动调控最优调控最优调控 是生物在生存环境中达到最佳状态的调控是生物在生存环境中达到最佳状态的调控。如：蜜蜂蜜蜂建成的六角形蜂巢，其几何形状是最省材料的；鱼类鱼类的流线型结构是减少流体阻力的最优结构；旱生植物旱生植物具有发达的贮水组织；水生植物水生植物具有发达的通气组织。52（1）稳态（）稳态（homeostasis）定义定义：生态系统通过多种内部调节作用阻止变生态系统通过多种内部调节作用阻止变化，保持自身相对稳定性（即保持平衡）的倾向。化，保持自身相对稳定性（即保持平衡）的倾向。九寨沟地震前九寨沟地震后九寨沟地震前九寨沟地震后53稳态调控稳态调控定义定义：系统内维持生态系统处于相对稳定系统内维持生态系统处于相对稳定状态（即稳态）的各种调节作用状态（即稳态）的各种调节作用。这种稳这种稳态主要靠系统的态主要靠系统的功能组分冗余功能组分冗余和和系统的负系统的负反馈作用反馈作用两种机制来获得。两种机制来获得。类型：类型：1.功能组分冗余调控功能组分冗余调控2.反馈调控：负反馈作用反馈调控：负反馈作用（2）稳态机制（）稳态机制（homeostatic mechanism）541.系统的功能组分冗余系统的功能组分冗余是是生物以超过正常需要的功能组分量来完成特生物以超过正常需要的功能组分量来完成特定功能的调控方式定功能的调控方式。如如：植物的花粉数量极大地超过受精的数量，植物的花粉数量极大地超过受精的数量，植物的叶片数量庞大等。植物的叶片数量庞大等。552.反馈调控反馈调控系统的系统的运行结果运行结果作为作为控制信息控制信息（反馈信息）回到（反馈信息）回到系统调控中心系统调控中心，对系统，对系统未来的动态未来的动态产生影响，这产生影响，这种作用过程称系统的反馈作用（种作用过程称系统的反馈作用（feedback）。反）。反馈作用可分正反馈和负反馈。馈作用可分正反馈和负反馈。在一个特定的生境中，对特在一个特定的生境中，对特定物种的定物种的容纳量容纳量是有限的。是有限的。如某物种的个体数量太多，如某物种的个体数量太多，个体生存环境恶化，存活率个体生存环境恶化，存活率和繁殖率下降，未来种群数和繁殖率下降，未来种群数量下降。若个体数量很少，量下降。若个体数量很少，个体生存环境改善，存活率个体生存环境改善，存活率和繁殖率上升，未来种群数和繁殖率上升，未来种群数量增加。这就是一种负反馈量增加。这就是一种负反馈作用。作用。5657兔的食物增加兔数量减少兔因饥饿死亡兔吃少量植物植物增加兔数量增加兔吃大量植物植物减少反馈途径负反馈过程调节兔子和植物种群密度在低密度的条件下生活时，雌在低密度的条件下生活时，雌鹿怀孕率为鹿怀孕率为93%，而且，而且60%是是双胞胎，双胞胎，7%是三胞胎。是三胞胎。在高密度条件下，雌鹿怀孕率在高密度条件下，雌鹿怀孕率为为78%，而且只有，而且只有18%是双胞是双胞胎，没有三胞胎。胎，没有三胞胎。在荷兰，由于建人工鸟巢，在荷兰，由于建人工鸟巢，大山雀产蛋窝数上升大山雀产蛋窝数上升3倍，倍，但每窝蛋的平均数却下降但每窝蛋的平均数却下降2只，而且每对鸟养育第二窝只，而且每对鸟养育第二窝后代的比例从后代的比例从64%下降到下降到16%。58当外界干扰（自然的或人为的）所施加的压力超过了生态系统的自身调节能力和补偿能力后，将造成生态系统结构破坏、功能受阻，正常的生态功能被打乱以及反馈自控能力下降等。59生态平衡失调生态平衡失调自然+人为60结构标志结构标志结构缺损结构缺损，生态系统的某一个组成成分消失；，生态系统的某一个组成成分消失；结构变化结构变化，生态系统的组成成分内部发生了变化。，生态系统的组成成分内部发生了变化。功能标志功能标志生物生产力下降；（如酸雨降低作物产量和品质）生物生产力下降；（如酸雨降低作物产量和品质）能量流动在某环节受阻；（如捕食者缺少）能量流动在某环节受阻；（如捕食者缺少）物质循环在某环节中断；（如秸杆移除降低土壤肥力）物质循环在某环节中断；（如秸杆移除降低土壤肥力）生态平衡失调的标志生态平衡失调的标志