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1、三、生态系统的功能,生态系统生物生产生态系统能量流动生态系统物质循环生态系统信息传递,（一）生态系统生物生产,生物生产初级生产次级生产,1、生物生产（biological production）（1）定义：生物生产是生态系统重要的功能之一，生物将物质、能量重新组合，形成新的生物产品（糖类、脂肪、蛋白质等）的过程。（2）生物量和生产量,生物量（biomass）：某一特定观测时刻，某一空间范围内，现有有机体的量，它可以用单位面积或体积的个体数量、重量（狭义生物量）或含能量来表示，因此它是一种现存量（standing crop）。生产量（production）：是在一定时间阶段中，某个种群或生态系统
2、新生产出的有机体的数量、重量或能量。,1、初级生产（1）定义：绿色植物把太阳能转化为化学能，把无机物转化为有机物的过程称为初级生产（应包括光能和化能自养微生物生产）。以每年每平方米合成的干物质克数或积累的能量千卡数来表示，g/m2.a或kal/m2.a,光合作用,光能自养型（硫化细菌）,（2）初级生产的级别总初级生产量（力）和净初级生产量：植物光合作用固定的太阳能或所制造的有机物质的量，称为初级生产量；包含植物本身呼吸消耗在内的称为总初级生产量，去除植物本身呼吸消耗部分的称为净初级生产量。1、陆地比水域的初级生产量大。陆地生态系统约占地球表面1/3，而初级生产量约占全球的2/3。主要原因是占海
3、洋面积最大的大洋区缺乏营养物质，其生产力很低，平均仅125g/m2.yr，有“海洋荒漠之称”。2、陆地上初级生产量有随纬度增加逐渐降低的趋势 陆地生态系统类型中，以热带雨林生产力为最高，平均为2200g/m2.yr。由热带雨林向常绿林、落叶林、北方针叶林、稀树草原、温带草原、寒漠依次减少。初级生产量从热带至亚热带、经温带到寒带逐渐降低。一般认为，太阳辐射、温度和降水是导致初级生产量随纬度增大而降低的原因。,陆地各生态系统的初级生产量可以划分为四个级别：20003000g/m2a。温湿地带，尤其是多雨地区的森林、沼泽地、河流岸边的生态系统，还有农业集约栽培的水稻田和甘蔗田。10002000g/m
4、2a。森林和部分草地及温带生产力较高的农耕地。2501000g/m2a。干燥的疏林灌丛或矮林及大部分草地和农作物。0250g/m2a。分布在极端干燥和低温地区，大面积的荒漠及两极地区的冻原及高山带。,生产力和生物量最大的生态系统类型是（B）A草原 B森林 C海洋 D农田,（3）影响初级生产力的因素,光、CO2、水和营养物质是初级生产的基本资源，温度是影响光合作用的主要因素，而食草动物的捕食会减少光合作用生产的生物量。对于陆地生态系统而言，一般有充足的光照和CO2供应，但对林下植物而言，可能存在光照不足的情况；水最易成为限制因子，特别是干旱地区；营养物质的缺乏，也影响植物的光合作用；对水域生态系
5、统而言，水和CO2不会对光合作用造成影响，光、营养物质和食草动物的捕食是主要的限制因素。,（4）初级生产量的测定方法直接收获法二氧化碳同化法黑白瓶法同位素标记法叶绿素测定法,（5）提高农田初级生产力的途径增加投入，改善生态环境限制因子（水、肥、病、虫、草害等）。培育高光效、抗逆性强的植物品种：如水稻、小麦等。提高复种指数，合理间作。调控作物群体结构：合理密植。,2、次级生产（1）定义：初级生产以外的生物有机体的生产，即消费者和分解者（动物和微生物）利用初级生产所制造的物质和贮存的能量进行新陈代谢，经过同化作用转化形成自身的物质和能量的过程。大农业中的畜牧水产业和虫菌业生产都属次级生产。,（2）
6、次级生产在农业生态系统中的作用转化农副产品，提高利用价值。生产动物蛋白食品，改善人们食物结构。促进物质循环，增强生态系统机能。提高农产品的经济价值，增加农业生产的经济效益。,（4）次级生产的改善途径发展草食动物，充分利用富含纤维素的有机物质发展水生生物，提高能量利用效率利用腐生食物链，增加能量利用层次发展沼气和堆肥等有机物综合利用方式混合养殖：鸡粪喂猪，猪粪入沼气池，沼渣养蘑菇，形成鸡猪沼气蘑菇混合养殖体系。,（二）生态系统能量流动,能量来源能量流动渠道能量流动的特点能量流动效率,能量是怎样进入到生态系统中的？在生态系统中是如何流动的？,能量流动：绿色植物利用太阳能，通过光合作用生产食物能，食
7、物能通过食物链和食物网，从一个营养级传递到另一个营养级。,1、生态系统能量来源能量来源：,太阳能：占99%以上（生态系统的能量主要来自于太阳能）,辅助能：,自然辅助能：如风能、水势能、蒸发、降水、潮汐能、核能等占1%,人工辅助能：,生物辅助能：人畜力、有机肥、种苗,工业辅助能：化肥、农药、农膜、机械、电力等,2、生态系统能量流动渠道,流动渠道：食物链和食物网,稻草牛（牛粪）蚯蚓鸡（鸡粪）猪（猪粪）鱼；稻螟赤眼蜂；菜（温棚）鸡（鸡粪）沼气（沼渣）肥田；,流动的路径：以太阳光等形式进入生态系统，以植物、动物物质中的能量，或以化学能的形式贮存在系统中，或作为产品输出，离开生态系统，或经消费者和分解者
8、生物有机体呼吸，以热能从系统中散失。,3、生态系统中能量流动的特点,生态系统能量的流动是单一方向的（one way flow of energy）。能量以光能的状态进入生态系统后，就不能再以光的形式存在，变成高质量的生物能（如食物能）。从太阳辐射能到被生产者固定，再经植食动物，到肉食动物，再到大型肉食动物，能量是逐级递减的过程，这是因为：各营养级消费者不可能百分之百地利用前一营养级的生物量，总有一部分会自然死亡和被分解者利用；各营养级的同化作用也不是百分之百的，总有一部分变成排泄物留于环境，被分解者利用；生物在维持生命过程中进行新陈代谢，总要消耗一部分能量，这一部分能量变成热能而消耗掉。,生态
9、系统能量单向性和逐级减少的,生态效率：生态系统中各营养级生物对太阳能或其前一营养级生物所含能量的利用、转化效率。,林德曼效率（十分之一定律）：自然界中，能量在生态系统营养级之间的转化，大致十分之一能够到下一营养级身上，以组成生物量，十分之九被消耗掉，主要是消费者采食时的选择浪费，以及用于呼吸和排泄等。,4、生态系统能量流动效率,生态学金字塔一般用能量金字塔来表示,在森林生态系统食物网中，储存能量最多的营养级是（A）A生产者 B初级消费者 C次级消费者 D分解者生态系统的营养级一般不超过56级，原因是（A）。A能量在营养级间的流动是逐级递减的 B能量是守恒的C消费者数量不足 D生态系统遭到破坏,
10、（三）生态系统的物质循环,物质循环的有关概念和类型几种主要循环的概述物质循环与环境问题,1、物质循环的有关概念和类型,（1）物质循环（生物地球化学循环）定义指生态系统的一切物质，包括有机物、无机物、化学元素和水（作为介质）在生物与环境不同组分之间的频繁转移和循环流动。（环境中的物质经环境到生物群落再回归环境的过程）根据物质循环的范围分为两种基本形式:生物小循环：环境中化合物或元素经生物吸收，在生态系统中被相继利用，然后经过分解者的作用，回到环境，再为生产者吸收、利用的过程。地质大循环：环境中化合物或元素经生物吸收，进入生物有机体，然后生物有机体以死体、残体或排泄物形式将化合物或元素返回环境，进
11、入五大自然圈循环后，再被生物利用。,（2）物质循环的类型,根据物质循环的路径不同可分为：,水循环（water cycle）主要贮存库：水圈，属液相型循环。气体循环（gaseous cycle）代表物质：CO2、O2、N2、S。物质主要贮存库：大气圈和水圈，属气相型循环。过程：以气体的方式参与循环。循环速度快，具有明显的全球性，物质来源充沛，不会枯竭，循环性能最为完善。沉积物循环（sedimentary cycle）代表物质：P、S、K、Ca、Na、Mg、Fe、Cu等。物质主要贮存库：岩石圈和沉积物，属沉积型循环。过程：通过岩石分化和沉积物分解为生态系统可利用的营养物质才能被植物利用。循环缓慢、
12、周期长，循环性能不完善。,根据物质贮存库的特点，生物地球化学循环有 和 循环，N、O等的循环为，P、Fe等的循环为典型的。既能按气相型循环，又能按沉积型循环的元素是。,2、几种重要循环的概述,水循环碳循环氮循环磷循环硫循环,论述农业生态系统中氮、磷的主要来源及分析目前人们在调控氮、磷物质循环中存在的问题和对策。,水循环,（1）水贮量及分布,淡水2.6%，其中极地冰山和冰川占3/4，真正能利用的只有1%。,我国水资源短缺(Shortage of water resources)人均资源少。我国是一个人均淡水资源严重短缺的国家，水资源总量为28120亿m3，世界排名第六，低于巴西、原苏联、加拿大、
13、美国和印尼。而人均只有2310m3，约为世界平均的1/4，是世界13个贫水国之一，水资源短缺已成为我国经济发展面临的最严重问题之一。地区分布不均匀，南多北少。降水时间分布不均匀，50-70多集中在夏季,（2）水循环过程,陆地 land,海洋 ocean,蒸发蒸腾,降水,降水,蒸发evaporation,云层 cloud,下渗 percolation,径流,（水平和垂直方向）,植被截流,入渗土壤和地下水,滞留,径流,水汽输送,runoff,水循环主要由四大过程组成：蒸发、水汽运输、降水和径流。,（3）人类活动对水循环的影响和问题破坏植被：水土流失、气候干旱,破坏植被（气候干旱）,破坏植被（水土流
14、失）,水利工程（如修筑水库）：正面效应：防洪、发电、航运、灌溉（扩大自然蓄水量）。负效应：改变流域水平衡，局部地下水位升降，上游水库淤积；水库下游河床下切；改变生物的栖息环境等。,中国历史上四大著名的水利工程四川的都江堰，造就了天府之国；新疆的坎儿井，使吐鲁番地变成了沙漠的绿洲；陕西的径惠渠，富足秦川八百里；黄河河套灌区，造就了塞外江南。,围湖造田、湿地垦殖：地表水蓄水、调洪能力降低，易造成地区性干旱和洪灾。,开采地下水：造成水位下降、河流干枯、海水入侵等,工农业、生活用水：水污染1996年我国日排放污水达1亿吨，其中80%未经处理。处理率为10-20%。我国有一半河流水质受到严重污染（四类和
15、五类水）；主要湖泊26%已达富营养化程度。有约7亿人饮用细菌含量超标水。对532条河流的监测，已有436条河流受到不同程度的污染，我国七大江河所流经的15个主要大城市的河段中，有13个河段水质严重污染。黄、淮、海三大河流片既是全国缺水最严重的地区，也是全国污染最严重的地区。,水体污染,淮河水污染,有毒物质对水体污染：,水体污染,水中有毒物质对生物和人类的直接毒害作用。,富营养化 富营养化是指在人类活动的影响下，生物所需的氮、磷等营养物质大量进入湖泊、河口、海湾等缓流水体，引起藻类及其它浮游生物迅速繁殖，水体溶解氧量下降，水质恶化，鱼类及其它生物大量死亡的现象。水体富营养化情况下，浮游藻类大量繁
16、殖，形成水华，因占优势的浮游藻类的颜色不同，水面出现各种颜色，这种现象在海洋中叫赤潮。,例如，滇池是著名的高原湖泊，原来是昆明市的饮用水源，但同时也是污水的受纳体，监测资料表明，20世纪90年代以来滇池水质已只能满足灌溉水质的要求。滇池内湖中水葫芦覆盖面积和生长厚度逐年增加，内湖外湖中都出现了蓝藻滋生的现象，原来的旖旎风光变成了一片污秽。,富营养化 富营养化是指在人类活动的影响下，生物所需的氮、磷等营养物质大量进入湖泊、河口、海湾等缓流水体，引起藻类及其它浮游生物迅速繁殖，水体溶解氧量下降，水质恶化，鱼类及其它生物大量死亡的现象。海洋水体富营养化情况下，浮游藻类大量繁殖，形成水华，因占优势的浮
17、游藻类的颜色不同，水面出现各种颜色，这种现象在海洋中叫赤潮。,水体污染,（4）农业生态系统中水循环的调控,保护森林、草地植被，增加对降水的截流量，减少径流。修筑水库、塘坝，增加对降水的蓄积量。防止过量开采地下水，尤其是深层地下水，避免区域性水资源的枯竭。减少有毒物质的排放，防止水域污染。节约用水。,碳循环,（1）碳的贮存库（stored sink)大气圈（CO2）Carbon dioxide in atmosphere生物圈（生物体）：C含量占生物体干重40-50%Organic molecule in organism土壤圈（有机质）Organic matter in soil岩石圈（碳酸盐
18、和有机碳化石燃料和沉积物）：是地球上最大的碳库 Fossil fuels and sedimentary rock in lithosphere水圈（溶解的无机碳，生物体）：dissolved Carbon dioxide and calcium carbonate,地球上碳最大的贮存库是（C）A大气层 B海洋 C岩石圈 D化石燃料,化,泥碳,煤,大气中CO2,CO2,碳化作用,石油,水生植物光合作用,腐烂,燃料,呼吸作用,光合作用,腐烂,扩散,当海洋中的CO2浓度增高时，则转变成碳酸盐沉积下来。,（2）碳循环过程,生物的同化和异化过程；大气和海洋间的CO2交换；碳质岩石和化石燃料的形成和分解
19、；,（3）人类活动对碳循环的影响及问题对CO2浓度的影响 矿物燃烧和植被破坏 对CH4的影响 主要源地：年排放500Tg 沼泽地（115Tg)稻田(110Tg)牲畜反刍(80Tg)1Tg=1012g,Tg描述气体重量的单位,人类影响追加给大气的CO2：矿物燃烧：60亿吨植被破坏：20亿吨土壤破坏：20亿吨,温室效应：大气中二氧化碳等浓度升高，使大气层如同温室外罩一样，使地表温度上升，引起一系列环境问题，这种现象称为温室效应。温室效应主要的温室气体：CO2（作用占50%以上）、CH4、N2O（氧化亚氮）、O3、CFCs（氟利昂，是含氟、氯烃化合物的总称）等。,碳循环的环境问题：温室效应,（4）农
20、业生态系统中碳循环的调控,提高植物的光能利用率适量增加碳素尽量使农作物秸秆还田,小麦秸秆还田播种大豆,玉米秸秆还田,氮循环（Nitrogen cycle),（1）氮的贮存库（stored sink)大气圈：为N的主要贮存库。大气中氮的含量为79%土壤圈：地表及底土中含有0.03%生物圈：生物体水圈：生物体，溶解的无机氮岩石圈（包括化石燃料和沉积物）：,（2）氮循环过程,固氮：生物固氮、工业固氮、高能固氮生物体有机氮合成氨化、硝化反硝化挥发有机物燃烧淋溶流失：一部分进入海洋，参与海洋生物小循环，一部分形成海底沉积物,农业中氮素的来源主要有两条途径：（1）生物固氮，即通过豆科作物和其他固氮生物固定
21、空气中的氮；（2）化学固氮，即通过化工厂将空气中的氮合成为氨，再制成各种氮肥。此外，也有少量氮在空中闪电时氧化而成硝酸，随降雨进入土壤中。,（3）人类活动对氮循环的影响和问题含氮有机物（木材、秸秆、化石燃料）燃烧产生NOX污染大气 温室效应、臭氧层破坏、光化学烟雾 过度耕种使土壤氮素肥力下降 有机氮含量下降 工业固氮，造成氮素局部富积和氮循环失调（氮肥施用）水体富营养化、污染地下水、农产品品质变差、蔬菜硝酸盐中毒、土壤质量降低城市化和集约化农牧业使人畜废弃物中氮的自然再循环受阻,2000年9月3日南极上空臭氧层空洞面积已达2830万平方公里，象一个巨大的蓝色水滴。,臭氧层破坏的主要原因是某些人
22、工化合物如CFCs（氟利昂）、Halons（哈龙）、N2O（氧化亚氮）等排入大气层后，分解了O3（臭氧），使大气的臭氧层变薄，甚至出现巨大的“空洞”。,氮循环的环境问题：臭氧层破坏,氮循环的环境问题：温室效应,NO X（NO2、NO）和CH化合物在大气环境中受强烈的太阳光照射后产生一种新物质光化学烟雾。表现：浅蓝色烟雾，大气能见度降低，具有特殊气味，刺激眼睛和喉膜，使呼吸困难。,1952年12月58日英国伦敦发生的煤烟雾事件，死亡4000人。,氮循环的环境问题：光化学污染,农作物从土壤中吸收过量的氮素后，易引起各种病虫害，并影响作物的品质。氮素施用量大幅度增加，特别是为了片面追求蔬菜高产，过量
23、施用氮肥，结果造成硝酸盐在蔬菜可食部分大量积累。进入人体的硝酸盐可被微生物还原成有毒的亚硝酸盐（NO2-），亚硝酸盐可能与次级胺结合合成强致癌物亚硝胺，从而诱发食道癌、胃癌、肝癌等。,氮循环的环境问题：富营养化（据估计,流入河、湖中的氮素约有60%来自化肥）,氮循环的环境问题：农产品品质差与硝酸盐超标,氮循环的环境问题：降低土壤质量,长期大量施用氮肥，可引起土壤板结，破坏土壤团粒结构，导致土壤酸化和肥力下降。同时，长期偏施氮肥，可改变土壤的理化性质以及C/N营养比例，对土壤生物多样性及其活性会产生一定影响，最终影响到土壤质量。,（4）农业生态系统中对氮循环的调控,充分发挥生物固氮的作用发展工业
24、固氮，改进氮肥施用技术分次施肥、氮肥深施等。使动、植物残体及排泄物尽量还田控制土壤中N的非生产性消耗（淋溶、挥发、反硝化等）,（1）磷的贮存库岩石圈：51016t水圈：生物体、溶解的无机磷土壤：无机磷生物圈：生物体,磷循环,（2）磷循环过程,岩石分化释放的磷酸盐、农田施用的磷肥，被植物吸收进入植物体内。沿食物链传递，并以粪便、残体或以枯枝落叶、秸秆归还土壤。含磷有机化合物经土壤微生物的分解，转变为可溶性的磷酸盐，可再次供给植物吸收利用，这是陆地磷的生物小循环。陆地一部分磷受水的冲蚀进入江河、海洋，参与水生生物小循环。动植物遗体在陆地表面的磷矿化；进入海洋中的大部分磷以钙盐形式沉积于海底或珊瑚岩
25、中，长期沉积。,农业中磷的主要来源：农业中磷素是含磷岩矿中的磷酸盐，经天然风化或化学分解之后，变为不同溶解程度的磷酸盐，供给作物吸收利用。,磷循环的环境问题：富营养化,（3）人类活动对磷循环影响及环境问题磷矿开采与消耗：按目前速度，地球上磷矿可开采100 年。磷肥的施用与流失：施用磷肥补充了有效磷，土壤中的磷又会因有机质分解及收获物移出农业生态系统而逐渐下降。另一方面，大部分用做肥料的磷酸盐变成不溶性的盐被固积在土壤中（磷肥利用率只有10-25%），或随水土流失径流到池塘、湖泊及海洋中形成沉积物导致土壤中磷的损失。生活废水、工业污水和农业径流使磷进入水体导致富营养化。,重视多条途径，实现磷的再
26、循环，尤其是有机途径；提高肥效，节约磷肥，减少损失（易被固定）；注意磷肥使用中的环境污染问题，磷肥中含有重金属（镉铅）、和放射性物质以及磷循环导致的水体富营养化；,（4）农业生态系统中对磷循环的调控,硫循环（Sulfur cycle）,（1）硫的贮库大量：岩石圈、土壤圈（硫酸盐及有机硫态）、水圈少量：大气圈生物圈：,通常把硫看成是一种沉积型循环，但由于活跃的大气库的存在以及人类活动的影响，许多人更倾向于将其列为介于气相型与沉积型之间的中间类型循环。,（2）硫循环的过程,岩石,天然风化或化学分解或人类开采,一部分沉积,随火山喷发、化石燃料燃烧等进入大气。随降水、矿物风化、农田施肥进入土壤的硫，被
27、植物吸收。,沿食物链传递，以残体等方式归还土壤。含硫有机化合物经微生物的分解，可再次被植物吸收利用或进入水体参与水体循环。沉积。,（3）人类活动对硫循环的影响及问题SO2气体大量排放 燃煤、燃油、矿冶、农业活动酸雨（空中死神）及其危害,指pH5.65的雨，还有酸雪、酸雾。直接引起酸雨的主要物质是人为排放的SOX（SO2、SO3）。,3、物质循环与环境问题,环境污染与污染生态学生物放大作用农业主要污染物及危害环境污染的生物监测环境污染的生物防治,（1）环境污染与污染生态学环境污染 是指人类直接、间接制造或所用物品的废弃物等排放到环境中，其数量超过了环境的自净能力，使环境的理化和生物学性状发生了有
28、害的改变。,环境污染的根本问题：元素或物质在局部积累。,环境污染类型大气污染水体污染土壤污染,污染生态学 研究生物系统与被污染的环境系统之间相互作用规律的科学。相互作用主要包括三个方面：污染物对生物个体、种群、群落及生态系统的影响。污染物在生物体内和生态系统各单元之间的迁移和转化。生物体和生态系统对污染物的吸收、富集、降解和净化作用。,（2）生物放大作用Bioaccumulation（食物链富集作用）,生物放大作用对动物和人类有何危害？,定义：某些物质（如农药、重金属元素、放射性元素）当它们沿食物链移动时，既不被呼吸消耗（即分解），又不容易被排泄，而是浓集在有机体内，其浓度随营养级的升高不断增
29、加的现象。人类与动物在食物链中处于最高营养级，有毒物质进入生态系统，首先污染初级生产者，然后顺着食物链传递，达到动物与人体内，由于生物放大作用，有毒物质在动物和人体的浓度比环境及初级生产者中高出许多倍，造成严重污染，带来灾难。,3、农业主要污染物及危害：,农药、化肥、重金属,（3）环境污染的生物监测,生物监测与指示生物生物监测：利用生命系统各层次对自然或人为因素引起环境变化的反应来判定环境质量。指示生物：是一些对环境中的某些物质，包括污染物的作用或环境条件的改变能较敏感和快速地产生明显反应的生物。通过其所作的反应可了解环境的现状和变化，起“预警”功能。,（）环境污染的生物防治 是指利用微生物、植物、动物对污染物的吸收、分解和转化作用，使生态环境中污染物的浓度和毒性降低或消失，来净化环境的治理途径。,四、生态系统信息传递information flow,
