農業(yè)生態(tài)學-5 生態(tài)系統(tǒng)1農業(yè)生態(tài)學(5)耿宇鵬 云南大學生態(tài)學與地植物學研究所Oct 17, 2012農業(yè)生態(tài)學-5 生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)系統(tǒng)的基本原理 什么是生態(tài)系統(tǒng) 生態(tài)系統(tǒng)的結構 生態(tài)系統(tǒng)的功能與服務 農業(yè)中的生態(tài)系統(tǒng)農業(yè)生態(tài)學-5 生態(tài)系統(tǒng)什么是生態(tài)系統(tǒng) 生態(tài)系統(tǒng)（生態(tài)系統(tǒng)（ecosystemecosystem）就是在一定空間中）就是在一定空間中共同棲居著的所有生物（即生物群落）與共同棲居著的所有生物（即生物群落）與其環(huán)境之間形成的統(tǒng)一體。其環(huán)境之間形成的統(tǒng)一體。 生態(tài)系統(tǒng)的各組分通過不斷的物質循環(huán)和生態(tài)系統(tǒng)的各組分通過不斷的物質循環(huán)和能量流動來相互作用和相互依存。能量流動來相互作用和相互依存。 例如森林、草原、荒漠、濕地、海洋、湖例如森林、草原、荒漠、濕地、海洋、湖泊、河流等泊、河流等。農業(yè)生態(tài)學-5 生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)系統(tǒng)的基本組成成分農業(yè)生態(tài)學-5 生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)系統(tǒng)的營養(yǎng)結構 食物鏈食物鏈（food chain）：是指生物之間通過）：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)關系。食與被食形成一環(huán)套一環(huán)的鏈狀營養(yǎng)關系。 食物網食物網（food web）：食物鏈彼此交錯連接）：食物鏈彼此交錯連接，形成網狀營養(yǎng)結構，稱之為食物網。，形成網狀營養(yǎng)結構，稱之為食物網。農業(yè)生態(tài)學-5 生態(tài)系統(tǒng)食物網與食物鏈農業(yè)生態(tài)學-5 生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)系統(tǒng)的空間結構自然生態(tài)系統(tǒng)的自養(yǎng)和異養(yǎng)成分在空間上通常是分層的自然生態(tài)系統(tǒng)的自養(yǎng)和異養(yǎng)成分在空間上通常是分層的 圖 1.1 陸地生態(tài)系統(tǒng)（草地）和水域生態(tài)系統(tǒng)（池塘）的結構比較。 C A B A B C 太陽能 自養(yǎng)層 異養(yǎng)層 土壤 母質 母質 沉積物 空氣 農業(yè)生態(tài)學-5 生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)系統(tǒng)的物質循環(huán) 植物通過光合作用將無機物轉變?yōu)橛袡C物，進入植物通過光合作用將無機物轉變?yōu)橛袡C物，進入食物鏈，在各營養(yǎng)級之間傳遞、轉化；當生物死食物鏈，在各營養(yǎng)級之間傳遞、轉化；當生物死亡后，機體內各種有機物被微生物分解成為無機亡后，機體內各種有機物被微生物分解成為無機物釋回環(huán)境，重新被植物吸收利用，參加下一輪物釋回環(huán)境，重新被植物吸收利用，參加下一輪循環(huán)。循環(huán)。 生物地化循環(huán)（生物地化循環(huán)（biogeochemical cyclebiogeochemical cycle）：生態(tài)）：生態(tài)系統(tǒng)之間各種物質或元素的輸入和輸出以及它們系統(tǒng)之間各種物質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。在大氣圈、水圈、土壤圈、巖石圈之間的交換。農業(yè)生態(tài)學-5 生態(tài)系統(tǒng)庫庫(pool)：生態(tài)系統(tǒng)中某一物質在生物或非生物環(huán)境中貯存的數量生態(tài)系統(tǒng)中某一物質在生物或非生物環(huán)境中貯存的數量貯存庫（貯存庫（reservoir pool）交換庫或循環(huán)庫交換庫或循環(huán)庫( (exchange or cycling pool) ) 流通率流通率：物質在生態(tài)系統(tǒng)中庫與庫之間流通的速率。物質在生態(tài)系統(tǒng)中庫與庫之間流通的速率。周轉率周轉率：某物質的流通率與庫含量之比即為周轉率。某物質的流通率與庫含量之比即為周轉率。周轉時間周轉時間：周轉率的倒數周轉率的倒數 周轉率 流通率庫中營養(yǎng)物質量 周轉時間 庫中營養(yǎng)物質量流通率 物質循環(huán)的基本概念農業(yè)生態(tài)學-5 生態(tài)系統(tǒng)水循環(huán)農業(yè)生態(tài)學-5 生態(tài)系統(tǒng)氮循環(huán)氮是組成蛋白氮是組成蛋白質和核酸的主質和核酸的主要成分。要成分。氮占大氣成分氮占大氣成分的的79，必須，必須經過生物固氮經過生物固氮作用、硝化作作用、硝化作用、反硝化作用、反硝化作用等才能在生用等才能在生物群落與無機物群落與無機環(huán)境間反復循環(huán)境間反復循環(huán)。環(huán)。農業(yè)生態(tài)學-5 生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)碳元素約占碳元素約占生物體干重生物體干重的的49，碳，碳是有機化合是有機化合物的物的“骨骨架架”，沒有，沒有碳就沒有碳就沒有生命。生命。碳在無機環(huán)碳在無機環(huán)境與生物群境與生物群落之間是以落之間是以CO2的形式的形式進行循環(huán)的。進行循環(huán)的。農業(yè)生態(tài)學-5 生態(tài)系統(tǒng)物質循環(huán)的主要特點物質循環(huán)是帶有全球性的，生物群落和無機環(huán)境之物質循環(huán)是帶有全球性的，生物群落和無機環(huán)境之間的物質可以反復出現反復利用，周而復始進行循間的物質可以反復出現反復利用，周而復始進行循環(huán)，不會消失。環(huán)，不會消失。農業(yè)生態(tài)學-5 生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)系統(tǒng)的能量流動 光合作用是生態(tài)系統(tǒng)的能量之源光 葉綠素 CO2 H2O （CH2O） O2 食物種群 動物得到的 動物未得到的 動物吃進的 動物未吃進的 被同化的 未同化的 次級生產量 呼吸代謝 被更高營養(yǎng)級取食 未被取食 農業(yè)生態(tài)學-5 生態(tài)系統(tǒng)農業(yè)生態(tài)學-5 生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)系統(tǒng)的物質循環(huán)和能量流動是緊密聯(lián)系、生態(tài)系統(tǒng)的物質循環(huán)和能量流動是緊密聯(lián)系、不可分割的，能量是通過物質載體來流動的，但是不可分割的，能量是通過物質載體來流動的，但是，兩者又有根本區(qū)別。能量來源于太陽，在食物鏈，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；而營中向著一個方向逐級流動，不斷消耗和散失；而營養(yǎng)物質來源于地球并可被生物多次利用，在生態(tài)系養(yǎng)物質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。一個生態(tài)系統(tǒng)出現。 能量流動與物質循環(huán)的耦合農業(yè)生態(tài)學-5 生態(tài)系統(tǒng)能量流動和物質循環(huán)的因果關系 生態(tài)系統(tǒng)的存在是靠物質循環(huán)和能量生態(tài)系統(tǒng)的存在是靠物質循環(huán)和能量流動來維持的。生態(tài)系統(tǒng)的能量流動和物流動來維持的。生態(tài)系統(tǒng)的能量流動和物質循環(huán)都是通過食物鍵和食物網的渠道實質循環(huán)都是通過食物鍵和食物網的渠道實現的，二者相互伴隨進行，又相輔相現的，二者相互伴隨進行，又相輔相承承，密不可分的統(tǒng)一整體。密不可分的統(tǒng)一整體。農業(yè)生態(tài)學-5 生態(tài)系統(tǒng) 但是，能量流動和物質循環(huán)又有本質但是，能量流動和物質循環(huán)又有本質上的區(qū)別：能量流經生態(tài)系統(tǒng)各個營養(yǎng)級上的區(qū)別：能量流經生態(tài)系統(tǒng)各個營養(yǎng)級時是時是逐級遞減逐級遞減，而且運動是，而且運動是單向單向的、的、不是不是循環(huán)的，最終在環(huán)境中消失循環(huán)的，最終在環(huán)境中消失。物質循環(huán)是。物質循環(huán)是帶有全球性的，在生物群落與無機環(huán)境間帶有全球性的，在生物群落與無機環(huán)境間物質可以物質可以反復出現，反復利用，循環(huán)運動反復出現，反復利用，循環(huán)運動，不會消失。，不會消失。農業(yè)生態(tài)學-5 生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)系統(tǒng)的信息傳遞營養(yǎng)信息： 在某種意義上說，食物鏈、食物網就代表著一種信息傳遞系統(tǒng) 化學信息：生物代謝產生的物質，如酶、維生素、生長素、抗生素、性引誘劑均屬于傳遞信息的化學物質。有的相互制約，有的互相促進，有的相互吸引，也有的相互排斥。 物理信息：聲、光、色等，吸引、排斥、警告、恐嚇等行為信息：識別、威協(xié)、挑戰(zhàn)、炫耀等 信息傳遞與聯(lián)系的方式是多種多樣的，它的作用與能流、物流一樣，把生態(tài)系統(tǒng)各組分聯(lián)系成一個整體，并具有調節(jié)系統(tǒng)穩(wěn)定性的作用。 農業(yè)生態(tài)學-5 生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)系統(tǒng)的動態(tài)調節(jié) 反饋（反饋（feedbackfeedback）：當生態(tài)系統(tǒng)中某一成分發(fā)生變化的時當生態(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一系列的相應變化，這些候，它必然會引起其他成分出現一系列的相應變化，這些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，包括正反饋和負反饋。程就叫反饋，包括正反饋和負反饋。 正、負反饋作用同時存在，在系統(tǒng)發(fā)展的不同階段作用強正、負反饋作用同時存在，在系統(tǒng)發(fā)展的不同階段作用強度不同，大發(fā)展階段系統(tǒng)調節(jié)以正反饋為主，系統(tǒng)生物量度不同，大發(fā)展階段系統(tǒng)調節(jié)以正反饋為主，系統(tǒng)生物量、體積、多樣性、復雜性迅速增加，大發(fā)展過后，隨即是、體積、多樣性、復雜性迅速增加，大發(fā)展過后，隨即是一段減速增加階段，負反饋逐漸起作用，系統(tǒng)的各個參數一段減速增加階段，負反饋逐漸起作用，系統(tǒng)的各個參數趨向于在一個恒定水平附波動。趨向于在一個恒定水平附波動。農業(yè)生態(tài)學-5 生態(tài)系統(tǒng)農業(yè)生態(tài)學-5 生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)平衡（ecological equilibrium） 生態(tài)平衡的概念是指一段時間內，生態(tài)系統(tǒng)的結構、過程和功生態(tài)平衡的概念是指一段時間內，生態(tài)系統(tǒng)的結構、過程和功能相對穩(wěn)定的狀態(tài)。能相對穩(wěn)定的狀態(tài)。在一般情況下，如果生態(tài)系統(tǒng)能量和物質的輸入大于輸出時，在一般情況下，如果生態(tài)系統(tǒng)能量和物質的輸入大于輸出時，生物量增加，反之，生物量減少。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)的結構與功能長期如果輸入和輸出在較長時間趨于相等，系統(tǒng)的結構與功能長期處于穩(wěn)定狀態(tài)（這時動、植物的種類和數量也保持相對穩(wěn)定處于穩(wěn)定狀態(tài)（這時動、植物的種類和數量也保持相對穩(wěn)定，環(huán)境的生產潛力得以充分發(fā)揮，能流途徑暢通），在外來，環(huán)境的生產潛力得以充分發(fā)揮，能流途徑暢通），在外來干擾下能通過自我調節(jié)恢復到原初的穩(wěn)定狀態(tài)，生態(tài)系統(tǒng)的干擾下能通過自我調節(jié)恢復到原初的穩(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。這種狀態(tài)就叫做生態(tài)平衡。平衡是動態(tài)的，相對的，暫時的；絕對的平衡是不存在的平衡是動態(tài)的，相對的，暫時的；絕對的平衡是不存在的農業(yè)生態(tài)學-5 生態(tài)系統(tǒng) 生態(tài)閾限：生態(tài)閾限：生態(tài)系統(tǒng)自我調節(jié)功能是有限度的，只有在生態(tài)系統(tǒng)自我調節(jié)功能是有限度的，只有在某一限度內可以自我調節(jié)自然界或人類施加的干擾。某一限度內可以自我調節(jié)自然界或人類施加的干擾。 生態(tài)平衡失調生態(tài)平衡失調( (生態(tài)失調生態(tài)失調) )的主要因素：的主要因素：1 1、自然因素；、自然因素； 2 2、人類干擾、人類干擾 生態(tài)失調的表現：生態(tài)失調的表現：群落中生物種類減少；種的多樣性降群落中生物種類減少；種的多樣性降低；結構漸趨簡化。當外界壓力太大而持久的話，系統(tǒng)低；結構漸趨簡化。當外界壓力太大而持久的話，系統(tǒng)內各種結構的變化更加厲害，甚至使某個基本成分從系內各種結構的變化更加厲害，甚至使某個基本成分從系統(tǒng)中消失，最后整個系統(tǒng)崩潰。統(tǒng)中消失，最后整個系統(tǒng)崩潰。 生態(tài)系統(tǒng)自我調節(jié)的閾值