第五章生态系统第一节生态系统的组成和结构一、生态系统的概念生态系统就是在一定空间中共同栖息着的所有生物（即生物群落）与其环境之间由于不断地进行物质循环和能量流动过程而形成的统一整体。

生态系统= 生物群落+ 非生物环境生态系统的研究范围可大可小，小至一个池塘、一片森林，大至整个地球，都是生态系统。

整个生物圈构成地球上最大的生态系统。

二、生态系统的组成生态系统的成分，不论是陆地还是水域，或大或小，都可概括为非生物和生物两大部分，或者分为非生物环境、生产者、消费者和分解者四种基本成分。

1、非生物环境能源：太阳能、其他能源气候：光照、温度、降水、风等基质和介质：岩石、土壤、水、空气等CO2、H2O、O2、N2等物质代谢原料无机盐腐殖质、脂肪、蛋白质、糖类等2、生产者绿色植物、光合细菌、化能细菌3、消费者（动物）食草动物：一级消费者一级食肉动物：二级消费者二级食肉动物：三级消费者杂食动物：杂食消费者腐食消费者、其他消费者4、分解者（还原者）微生物（细菌、真菌等）1、非生物成分：包括太阳辐射能、CO2、H2O、O2、N2、矿物盐类以及其他元素和化合物。

它们是生物赖以生存的物质和能量的源泉，并共同组成大气、水和土壤环境。

2、生产者：能用简单的无机物制造有机物的自养生物，包括所有的绿色植物和某些细菌，是生态系统中最基础的成分。

生产者的作用：3、消费者：是不能用无机物制造有机物的生物。

他们直接或间接地依赖于生产者所制造的有机物质，是异养生物。

根据食性的不同可分为以下几类：草食动物：以植物为营养的动物，是初级消费者。

如昆虫、啮齿类、牛、马、羊肉食动物：以草食动物或其他肉食动物为食的动物，又可分为：一级肉食动物：以草食动物为食的捕食性动物，又叫二级消费者。

如以某些浮游动物为食的鱼类。

二级肉食动物：以一级肉食动物为食的动物。

如鹰等猛禽。

将生物按营养阶层或营养级进行划分，生产者属于第一营养级，草食动物是第二营养级，以草食动物为食的动物是第三营养级，以此类推，还有第四营养级、第五营养级。

有许多消费者是杂食动物，如狐狸，既可食浆果，又捕食鼠类，还食动物尸体等，它们占有好几个营养级。

消费者在生态系统中起着重要的作用，它不仅对初级生产物起着加工、再生产的作用，而且对其他生物的生存、繁衍起着积极作用。

举例：4、分解者：属于异养生物，在生态系统中连续地进行着分解作用，把复杂的有机物质逐步分解为简单的无机物，最终以无机物的形式回归到环境中。

又称为还原者。

分解者在生态系统中的作用是极为重要的。

三、生态系统的营养结构除前面讲过的生物群落的垂直结构和水平结构为生态系统的结构特征外，以食物关系把各类生物联结起来的营养结构是最主要的。

植物借叶绿体利用日光的辐射能，通过光合作用把二氧化碳和水制成碳水化合物，把日光能转变为食物中的化学能，供本身和其他生物利用，它们属于第一营养级；食草动物通过取食植物而获得物质和能量，属第二营养级；食肉动物通过捕食食草动物而获得物质和能量，属第三营养级；大型食肉动物还捕食小型食肉动物，所以还有第四、第五营养级。

一个生态系统一般有3-5个营养级。

在一个生态系统中，不同营养级的组合就是它的营养结构。

（一）食物链群落中不同物种间的最主要的联系是食物联系，通过食物而直接或间接地把群落内各个成员联接成一个整体，这种食物联系称为食物链。

食物链主要有三种类型：1、牧草食物链以生产者（绿色植物）为起点，经过食草动物，逐级过渡到肉食动物。

如：草兔狐树叶蚜虫瓢虫蜘蛛小鸟猛禽浮游植物浮游动物小鱼大鱼海兽2、寄生食物链以活的生物体为寄主，从中吸取营养和能量，营养级越高生物体越小，这点与牧草型相反。

如：黄鼠跳蚤鼠疫细菌3、腐食食物链以死的有机体为营养源，被腐食性小型动物、真菌、细菌等分解者分解，释放出CO2、水、矿物盐类及热能。

（二）食物网在同一生态系统中往往有许许多多的食物链。

同时，一种消费者常常不只吃一种食物（如棕熊吃多种动物和植物），或者捕食不同营养级的动物（如猛禽既吃昆虫又吃小鸟和小型哺乳动物），或同一种食物可能被不同消费者所食，这就是说许多动物在食物链上常占据不止一个位置。

因此，一个食物链常有许多分支，各个食物链彼此交织，错综联接而形成了颇为复杂的食物网。

图省略一般而论，生态系统的食物链越长，食物网的结构越复杂，它的稳定性就越大。

生态系统不仅具有一定的结构，而且还具有一定的功能，即系统的能量流动和物质循环。

二者在生态系统中是同时进行、缺一不可的，整个自然界就是在能量流动和物质循环中不断变化和发展着。

能流和物质循环影响着有机体的生命过程、繁盛程度以及生物群落的复杂程度，它们是同时进行着的，但无机物质在自然界内可以反复循环利用，而能流则是单向的，在生态系统中逐次被利用，消耗而最终消失。

地球上生态系统所需的能量均来自太阳能，由初级生产者（绿色植物）通过光合作用，把太阳能固定下来转化为化学能，然后沿食物链从绿色植物移到植食动物，再由植食动物移到肉食动物。

最后由分解者将其分解后分散返回到环境中。

（一）净第一性生产量生态系统中的能量流动开始于绿色植物通过光合作用对太阳能的固定。

因为这是生态系统中第一次能量固定，所以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。

植物在地表单位面积和单位时间内经光合作用生产的有机物质数量称为总第一性生产量。

总第一性生产量不可能全部积存下来，植物呼吸作用要分解和消耗其中一部分能量。

净第一性生产量指绿色植物在呼吸之后剩余的那部分有机物质的数量，即总第一性生产量减去植物呼吸消耗量。

三者之间的关系：Pg = Pn + P只有净第一性生产量才有可能被人或动物所利用。

净第一性生产量分布不均匀，不仅因生态系统类型不同而有很大差异，同一类型在不同年份也常有变化。

全球陆地净初级生产总量的估计值为年产115X109t干物质，全球海洋净初级生产总量为年产55X109t干物质。

海洋面积约占地球表面的2/3，但其净初级生产总量只占全区的1/3。

在海洋中，由河口湾向大陆架到大洋区，单位面积净初级生产量和生物量有明显降低的趋势。

在陆地上，热带雨林是生产量最高的，平均2200g/（m2.a），由热带雨林向温带常绿林、落叶林、北方针叶林、稀树草原、温带草原、寒漠和荒漠依次减少。

二）能量流的特点能量在生态系统内的传递和转化规律服从热力学第一和第二定律，即：总量守恒、形式转换、逐一分散。

1、能量流是单向流太阳的辐射能以光能的形式输入生态系统后，通过光合作用被植物固定，此后不能再以光能的形式返回。

能量在生态系统中流动，很大一部分被各个营养级的生物利用，同时通过呼吸作用以热的形式散失。

能量只是一次性流经生态系统，是不可逆的。

2、能量流在生态系统内流动的过程是不断递减的过程。

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。

因为：①各营养级消费者不可能百分百地利用前一营养级的生物量；②各营养级的同化作用也不是百分百的，总有一部分不被同化；③生物在维持生命过程中进行新陈代谢总是要消耗一部分能力。

3、能量在流动中质量逐渐提高能量在生态系统中流动有一部分能量以热能耗散外，另一部分的去向是把较多的地质量能转化为另一种较少的高质量能。

从太阳能输入生态系统后的能量流动过程中，能量的质量是逐步提高的。

（三）生态效率能流通过各营养级时中间损失很大的主要原因为：1、天然群落的光合作用只利用有效光能的1-2%。

（实验室培养藻类的装置利用光能可达21-33%。

）光合作用合成有机物数量取决于光合作用强度、面积和时间。

从环境方面说，水分条件和热量条件是它的主要限制因子。

干旱季节和生长季短促常大大降低生态系统的光能利用率。

2、每个营养级的生物产品都有一定数量不被摄食，其中有些是木质的根和茎，有些含有毒素，有些虽然营养丰富却有某种不适气味，又如动物的骨头、硬壳、皮毛等因不能食用均被丢弃。

植食动物一般仅采食第一性生产量的10%左右，甚至更少。

3、无论哪种消费者都不能全部消化消化吸收食物所含能量。

4、所有生产者、消费者必须呼吸释放能量维持生存。

全部生活组织的生命活动，被损害组织的恢复补充，恒温动物调节体温，寻找食物和追求配偶的活动等等都要消耗大量能量。

5、各营养级生物种群的数量大小不同，消耗能量差别显著。

由于某种原因，某级消费者种群极小不能充分利用前一营养级生物生产的能量。

才外，消费者收集或杀死的生物食料常超过本身需要，出现糟蹋浪费现象。

通常把食物链中后一营养级的生物利用前一营养级能量的百分比，称为生态效率。

生态效率＝（四）生态金字塔美国生态学家林德曼提出的“十分之一定律”---营养级每升一级，净生产量大约只剩下前一级生产水平的10%左右，即损失90%能量。

食物链不超过4-5级的原因便是如此。

能量的递减，使各级营养水平呈金字塔状。

二、生态系统的物质循环生命的维持不但需要能量，而且也依赖于各种化学元素的供应。

如果说生态系统中的能量来源于太阳，那么物质则是地球供应的。

生态系统从大气、水体和土壤等环境中获得营养物质，通过绿色植物吸收，进入生态系统，被其他生物重复利用，最后再归入环境中，称为物质循环，又称生物地球化学循环。

（一）物质循环的模式生态系统中的物质循环可以用库和流通两个概念加以概括。

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的。

每个循环过程中有两种物质库：容积大，物质活动较缓慢的是储存库；较小但物质交换较活跃的是活动库。

对于某一种元素而言，存在一个或多个主要的储存库（蓄库）。

在库里，该元素的数量远远超过正常结合在生命系统中的数量，并且通常只能缓慢地将该元素从蓄库中放出。

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。

例如：在一个具体的水生生态系统中，磷在水体中的含量是一个库，在浮游生物体内的磷含量是第二个库，而在底泥中的磷含量又是一个库。

磷在库与库之间的转移（浮游生物对水中磷的吸收以及死亡后残体下沉到水底，底泥中的磷又缓慢释放到水中）就构成了该生态系统中的磷循环。

在单位时间、体积的转移量就称为流通量。

（二）物质循环的类型可分为两大类型：气体型循环和沉积型循环。

1、气体型循环物质的主要储存库是大气和海洋，循环与大气和海洋密切相连，具有明显的全球性。

凡属于气体循环的物质，其分子或某些化合物常以气体的形式参与循环过程。

属于这一类的物质有氧、碳、水、氮、氯、溴和氟等。

气体循环速度比较快，物质来源充沛，不会枯竭。

2、沉积型循环主要蓄库与岩石、土壤和水相联系，如磷、硫循环。

沉积型循环速度比较慢，参与沉积型循环的物质，其分子或化合物主要是通过岩石的风化和沉积物的溶解转变为可被生物利用的营养物质，而海底沉积物转化为岩石圈成分则是一个相当长的、缓慢的、单向的物质转移过程，时间要以千年来计。