第5章生态系统组成、结构与功能课件.ppt

1、第5章 生态系统组成、结构与功能构成系统的条件：构成系统的条件：z 由若干要素所组成由若干要素所组成z要素之间要相互联系，相互作用，相互制约要素之间要相互联系，相互作用，相互制约z要素之间通过相互作用，产生跟各个组成成要素之间通过相互作用，产生跟各个组成成分不同的新功能，即整体功能。分不同的新功能，即整体功能。为什么对系统感兴趣？为什么对系统感兴趣？5.1生态系统的概念5.1.1 什么是系统？什么是系统？由相互联系、相互作用的若干要素结合而由相互联系、相互作用的若干要素结合而成的具有一定功能的整体。成的具有一定功能的整体。西北农林科技大学林学院 2022年10月19日 在一定空间范围内，各在一

2、定空间范围内，各生物成分生物成分（包括人类在内）和（包括人类在内）和非生物成分非生物成分（环境中物理和化学因子）通过（环境中物理和化学因子）通过能量流动能量流动和和物质循环物质循环而相互作用、而相互作用、相互依存所形成的一个相互依存所形成的一个功能单位功能单位。5.1.2 生态系统的概念：生态系统的概念：生物区高能量有机化合物物质区低能量无机化合物热量活动呼吸作用能量释放光合作用能量同化光太阳一个生态系统模型西北农林科技大学林学院 2022年10月19日 5.1.5 生态系统是如何发展起来的？生态系统是如何发展起来的？z英国学者坦斯利（英国学者坦斯利（Tansley）于）于1935年提出生态系

3、年提出生态系统的概念，强调生物和环境的不可分割性。统的概念，强调生物和环境的不可分割性。z20世纪世纪60年代以来，成为国际上生态学研究的焦点。年代以来，成为国际上生态学研究的焦点。z发展背景：发展背景：1 空间技术、遥感技术、计算机、环境监测仪器设备、空间技术、遥感技术、计算机、环境监测仪器设备、放射性同位素等的发展，使人们可以精确地测定生放射性同位素等的发展，使人们可以精确地测定生态环境的变化。态环境的变化。2 2 随着世界工农业的发展，出现了举世瞩目的随着世界工农业的发展，出现了举世瞩目的世界性问题，如人口增加，资源短缺、环境污染等世界性问题，如人口增加，资源短缺、环境污染等问题日益严重

4、。问题日益严重。西北农林科技大学林学院 2022年10月19日5.1.6 生态系统基本特征：生态系统基本特征：（1）结构特征）结构特征生态系统生物成分非生物环境 生产者（producers）消费者(consumers)还原者(decomposers)太阳辐射能无机物质有机物质西北农林科技大学林学院 2022年10月19日西北农林科技大学林学院 2022年10月19日生产者：生产者：自养型植物，包括所有进行光合作用的绿色植物和化能合成细菌。绿色植物利用日光作为能源，通过光合作用将吸收的水、CO2和无机盐类合成初级产品碳水化合物，可进一步合成脂肪和蛋白质。这些有机物成为地球上包括人类在内的一切生物

5、的食物来源。消费者：消费者：生活在生态系统中的各类动物和某些腐生或寄生菌类，异养型生物，只能依赖生产者生产的有机物为营养来获得能量。分解者：分解者：异养生物，如细菌、真菌、放线菌以及土壤原生动物和一些土壤中小型无脊椎动物。将复杂的有机物还原为无机物，把养分释放出来，归还给环境中。西北农林科技大学林学院 2022年10月19日生态系统的结构（仿生态系统的结构（仿Clarke,1954）草食性动物草食性动物杂食性动物杂食性动物寄生性动物寄生性动物腐生性动物腐生性动物肉食性动物肉食性动物还原者还原者转转 变者变者营养物质营养物质光能光能绿色植物绿色植物还原者消费者生产者非基本成分非生物成分生物成分基

6、本成分西北农林科技大学林学院 2022年10月19日（2）功能特征）功能特征空气水无机盐生产者食草动物食肉动物分解者热热热热热第二级食肉动物生态系统的物质循环和能量流动物质流能量流西北农林科技大学林学院 2022年10月19日（3）动态特征）动态特征 生态系统是不断变化的系统。随着时间的推移，生态系统总是从比较简单的结构向复杂结构状态发展，最后达到相对稳定的阶段。西北农林科技大学林学院 2022年10月19日（4）相互作用和相互联系的特征）相互作用和相互联系的特征 生态系统内各生物和非生物成分的关系是紧密相连不可分割的整体。（5）稳定平衡的特征）稳定平衡的特征 自然界生态系统总是趋向于保持一定

7、的内部平衡关系，使系统内各成分间完全处于相互协调的稳定状态。生态系统内的负反馈机制是达到和维持平衡或稳定的重要途径。例如：森林的自然稀疏过程 昆虫数量与食物的供应思考：森林病虫害的防治西北农林科技大学林学院 2022年10月19日兔的食兔的食物增加物增加兔数量减少兔数量减少兔因饥兔因饥饿死亡饿死亡兔吃少兔吃少量植物量植物植物增加植物增加兔数量增加兔数量增加兔吃大兔吃大量植物量植物植物减少植物减少兔与植物种群之间的负反馈环兔与植物种群之间的负反馈环（6）对外开放的特征）对外开放的特征 生态系统之间都存在着能量和物质的交换。如森林与河流之间营养的流通；森林植物得到来自太阳的能量。系统太阳其它能源能

8、量、物质迁出的生物物质和生物环境环境输出输入一个开放的生态系统模型西北农林科技大学林学院 2022年10月19日为什么要进行分类？为什么要进行分类？森林生态系统分类的三个方向：森林生态系统分类的三个方向：植物群落学的方向植物群落学的方向 森林立地学的方向森林立地学的方向 生态系统分类方向生态系统分类方向5.2 生态系统分类植物群落学方向的分类途径：植物群落学方向的分类途径：q 群落外貌途径群落外貌途径q 群落区系组成途径群落区系组成途径q 优势种途径优势种途径5.2.1 植被分类q 植被的外貌分类植被的外貌分类 根据优势植物的生长型和生长环境，将植被分成不根据优势植物的生长型和生长环境，将植被

9、分成不同类型或等级。同类型或等级。群系：一特定区域内的主要植物群落类型，以外貌群系：一特定区域内的主要植物群落类型，以外貌及由外貌所反映的一定环境范围为特征及由外貌所反映的一定环境范围为特征 外貌途径主要用来研究大范围植被的对比，以及植外貌途径主要用来研究大范围植被的对比，以及植被和气候的关系。被和气候的关系。例如：热带雨林、温带落叶林、萨王纳例如：热带雨林、温带落叶林、萨王纳q 植被的区系组成分类植被的区系组成分类法瑞学派法瑞学派 以植物种作为划分标准以植物种作为划分标准 分类的基本单位分类的基本单位群丛群丛 该学派的分类过程是通过排列群丛表来实现的。首该学派的分类过程是通过排列群丛表来实现

10、的。首先在野外做大量的样方，通过排群丛表，找出特征先在野外做大量的样方，通过排群丛表，找出特征种、区别种，从而达到分类的目的。种、区别种，从而达到分类的目的。q 苏联苏卡乔夫学派的林型学苏联苏卡乔夫学派的林型学 按照植物群落的区系组成进行群落分类按照植物群落的区系组成进行群落分类 注重各层的优势种，以林型作为森林的基本单位。注重各层的优势种，以林型作为森林的基本单位。q 优势度分类优势度分类 群系以下常按优势种划分类型群系以下常按优势种划分类型q 中国植被中国植被分类系统分类系统 采用的主要分类单位：植被型、群系、群丛采用的主要分类单位：植被型、群系、群丛 辅助单位：植被型组、群系组、群丛组辅

11、助单位：植被型组、群系组、群丛组 亚级：植被亚型、亚群系亚级：植被亚型、亚群系例如：例如：植被型组植被型组针叶林、阔叶林、草原、荒漠、冻原、针叶林、阔叶林、草原、荒漠、冻原、草甸、沼泽、水生植物草甸、沼泽、水生植物 植被型：寒温性针叶林、落叶阔叶林植被型：寒温性针叶林、落叶阔叶林 植被亚型：寒温性落叶针叶林、温性常绿针叶林植被亚型：寒温性落叶针叶林、温性常绿针叶林 群系组：落叶松林、群系组：落叶松林、群系：兴安落叶松林群系：兴安落叶松林 群丛：草类兴安落叶松林群丛：草类兴安落叶松林q地位级和立地指数地位级和立地指数 按照林分的平均年龄和平均高确定地位级按照林分的平均年龄和平均高确定地位级 按照

12、一定年龄优势木亚优势木的树高确定立地指数按照一定年龄优势木亚优势木的树高确定立地指数q按照环境条件划分立地类型按照环境条件划分立地类型 按照气候土壤和地貌条件来划分立地类型按照气候土壤和地貌条件来划分立地类型 适用于缺乏原始植被的地区适用于缺乏原始植被的地区5.2.3 立地分类5.2.4 生态系统分类q生物地理气候分类生物地理气候分类 在加拿大哥伦比亚省发展起来的分类系统在加拿大哥伦比亚省发展起来的分类系统 划分出划分出4个气候群系、个气候群系、7个生物地理气候区个生物地理气候区q生物物理分类生物物理分类 对土地的生物和物理性状进行描述和鉴定对土地的生物和物理性状进行描述和鉴定 五级分类系统五

13、级分类系统制图的目的制图的目的q 为研究提供基础为研究提供基础q 有助于植被分类有助于植被分类q 研究植被结构、演替及其与环境关系研究植被结构、演替及其与环境关系q 作为资源管理的基础作为资源管理的基础5.2.5 森林植被和立地的制图5.2.6 森林分类与林业q 生产力评价生产力评价q 森林利用森林利用q 森林培育森林培育q 动植物保护动植物保护q 森林游乐森林游乐q 森林保护森林保护q 流域管理流域管理 西北农林科技大学林学院 2022年10月19日5.3 生态系统的能量流动 为什么要研究生态系统的能量流动？为什么要研究生态系统的能量流动？能量是生态系统的驱动力 林业、农业、渔业、牧业等工作

14、者对森林、农田、渔场、草原等的经营管理，应掌握能量的输入和输出途径及其限制因素，以达到高产目的，设法调整生态系统的能量分配关系，使能量流向对人类最有益的部分。西北农林科技大学林学院 2022年10月19日5.3.1 关于能量的概念关于能量的概念（1）能量能量做功的能力。做功的能力。（2）能量值的表示：能量值的表示：卡或千卡卡或千卡。（3）与生物体有关的几种能量形式：）与生物体有关的几种能量形式：辐射能、机械能、化学能、热能辐射能、机械能、化学能、热能（4）生态系统能量流遵循热力学定律生态系统能量流遵循热力学定律西北农林科技大学林学院 2022年10月19日热力学第一定律热力学第一定律 又称为能

15、量守恒与转化原理又称为能量守恒与转化原理.（Energy Conservation Law）能量可从一种形式转换成另一种形式，但能量即不能能量可从一种形式转换成另一种形式，但能量即不能增加也不会减少。增加也不会减少。如太阳辐射能，通过绿色植物的光合作用转变为存在如太阳辐射能，通过绿色植物的光合作用转变为存在于有机物质化学键中的化学潜能；动物通过消耗自身于有机物质化学键中的化学潜能；动物通过消耗自身体内贮存的化学潜能变成爬、跳、飞、游的机械能体内贮存的化学潜能变成爬、跳、飞、游的机械能西北农林科技大学林学院 2022年10月19日热力学第二定律热力学第二定律(熵律熵律entropy law)表达

16、有关能量传递方向和转换效率的规律。表达有关能量传递方向和转换效率的规律。z自然界中任何形式的能最终归宿是热能，且自然界中任何形式的能最终归宿是热能，且不可逆。不可逆。z任何一种能量的转换，总有一些能量损失掉，任何一种能量的转换，总有一些能量损失掉，一种形式的能绝不会全部转换成另一种形式一种形式的能绝不会全部转换成另一种形式的能。的能。西北农林科技大学林学院 2022年10月19日热力学的两个定律第一定律：A=B+C 第二定律：C ASUNA:日光，100单位释放的能量B:热，98单位释放的能量形式C:糖，2单位浓缩的能量形式橡树叶，能量转换系统西北农林科技大学林学院 2022年10月19日太阳

17、辐射能有机物质的合成过程，有机物质的合成过程，即生产者（绿色植物）即生产者（绿色植物）吸收太阳能量形成初吸收太阳能量形成初级生产量。级生产量。热 能化学能热 能机械能活有机物质被各级消活有机物质被各级消费者（动物）消费的费者（动物）消费的过程。过程。死有机物质（动植物死有机物质（动植物残体和排泄物）被腐残体和排泄物）被腐生物分解的过程。生物分解的过程。生态系统中能量的流动能量流动特点：1“越流越细”，能量在流动过程中逐渐耗散。2 单向流动，不可逆。西北农林科技大学林学院 2022年10月19日5.3.2 生态系统的营养结构生态系统的营养结构（一）（一）能量转换的途径，或称能量流动的渠道能量转换

18、的途径，或称能量流动的渠道食物链食物链(food chains)指生物界食物关系中，甲吃乙、乙吃丙、丙吃丁的现象。生物之间这种能量转换连续依赖的次序称为食物链。西北农林科技大学林学院 2022年10月19日食物链类型：食物链类型：z 草牧食物链（捕食食物链）草牧食物链（捕食食物链）:是以绿色植物为基础，是以绿色植物为基础，从草食动物开始的食物链，草原和水体生态系统是以从草食动物开始的食物链，草原和水体生态系统是以草牧食物链为主的生态系统。草牧食物链为主的生态系统。z 腐生食物链（碎食食物链）腐生食物链（碎食食物链）:指以死有机物质为基础，指以死有机物质为基础，从腐生物开始的食物链。森林是以腐生

19、食物链为优势从腐生物开始的食物链。森林是以腐生食物链为优势的生态系统。在森林中，有的生态系统。在森林中，有90%的净生产是被腐生生的净生产是被腐生生物所分解消耗的。物所分解消耗的。z 寄生性食物链寄生性食物链:由宿主和寄生物构成。它以大型动物由宿主和寄生物构成。它以大型动物为食物链的起点，继之以小型动物、微型动物、细菌为食物链的起点，继之以小型动物、微型动物、细菌和病毒。后者与前者是寄生性关系。和病毒。后者与前者是寄生性关系。西北农林科技大学林学院 2022年10月19日陆地与海洋食物链的例子陆地与海洋食物链的例子西北农林科技大学林学院 2022年10月19日西北农林科技大学林学院 2022年

20、10月19日z 在同一个食物链中，在同一个食物链中，常包含有食性和其它生活习性极常包含有食性和其它生活习性极不相同的多种生物不相同的多种生物。z 在同一个生态系统中，可能有多条食物链，它们的在同一个生态系统中，可能有多条食物链，它们的长长短不同，营养级数目不等短不同，营养级数目不等。由于在一系列取食与被取。由于在一系列取食与被取食的过程中，每一次转化都将有大量化学能变为热能食的过程中，每一次转化都将有大量化学能变为热能消散。因此，自然生态系统中营养级的数目是有限的。消散。因此，自然生态系统中营养级的数目是有限的。z 在不同的生态系统中，在不同的生态系统中，各类食物链的比重不同各类食物链的比重不

21、同.z 在任一生态系统中，在任一生态系统中，各类食物链总是协同起作用各类食物链总是协同起作用。西北农林科技大学林学院 2022年10月19日（二）食物网（二）食物网(food webs)z生物之间的捕食和被食的关系不是简单的一生物之间的捕食和被食的关系不是简单的一条链，而是错综复杂的相互依赖的网状结构，条链，而是错综复杂的相互依赖的网状结构，即食物网。即食物网。z食物网不仅维持着生态系统的相对平衡，并食物网不仅维持着生态系统的相对平衡，并推动着生物的进化，成为自然界发展演变的推动着生物的进化，成为自然界发展演变的动力。动力。z这种以营养为纽带，把生物与环境、生物与这种以营养为纽带，把生物与环境

22、、生物与生物紧密联系起来的结构，称为生态系统的生物紧密联系起来的结构，称为生态系统的营养结构。营养结构。西北农林科技大学林学院 2022年10月19日食物网食物网西北农林科技大学林学院 2022年10月19日（三）生态金字塔（三）生态金字塔(ecological pyramid)z数量金字塔数量金字塔(pyramid of numbers)z生物量金字塔生物量金字塔(pyramid of biomass)z能量金字塔能量金字塔(energy pyramid)西北农林科技大学林学院 2022年10月19日p1C2C3C4Cp1C2C3C4Cp1C2Cp1C2C3C3C数量能量落叶林草地落叶林及草

23、地数量和能量金落叶林及草地数量和能量金字塔字塔西北农林科技大学林学院 2022年10月19日单位：公斤单位：公斤生物量金字塔生物量金字塔1000100101浮游动物浮游动物鱼鱼浮游植物浮游植物西北农林科技大学林学院 2022年10月19日能量金字塔能量金字塔西北农林科技大学林学院 2022年10月19日5.3.3 生态系统的能量动态和储存（一）基本名词解释（一）基本名词解释z 生产量生产量(production)：一定时期内有机物质增加的总重量。：一定时期内有机物质增加的总重量。总生产量总生产量(gross production)：某一时期合成的有机物质总量.净生产量净生产量(net prod

24、uction)：总生产量减去呼吸损失的部分.初级生产量初级生产量(primary production)：绿色植物的生产量.次级生产量次级生产量(seconddary production)：消费者的生产量.GPP (Gross primary production)NPP (net primary production)NPP=GPP-Rplant EPP=NPP-Rsoil西北农林科技大学林学院 2022年10月19日z 生物量生物量(biomass)：任一时间某一地方某一种：任一时间某一地方某一种群、营养级或某一生态系统有机物质的总重群、营养级或某一生态系统有机物质的总重量。量。(kg/

25、ha、g/m2、kj/m2)z 现存量现存量(standing crop)：单位面积上当时所测：单位面积上当时所测得的生物体的总重量。得的生物体的总重量。z 生产力生产力(productivity)：指单位时间单位面积：指单位时间单位面积的生产量，即生产的速率。的生产量，即生产的速率。西北农林科技大学林学院 2022年10月19日（二）初级生产者（绿色植物）营养级（二）初级生产者（绿色植物）营养级1 能量输入能量输入 光合作用光合作用z光合效能：太阳能量进入生态系统的效能。光合效能：太阳能量进入生态系统的效能。光合效能光合效能 100 z测定值：测定值：15进入系统的太阳能量生产量西北农林科技

26、大学林学院 2022年10月19日2 能量消耗能量消耗（1）呼吸的消耗）呼吸的消耗z植物群落呼吸损失掉的能量变化幅度在植物群落呼吸损失掉的能量变化幅度在1590以上。以上。z损失量从极地到热带逐次提高。原因：温度损失量从极地到热带逐次提高。原因：温度增高，尤其是夜晚温度高。从而影响植物产增高，尤其是夜晚温度高。从而影响植物产量。量。西北农林科技大学林学院 2022年10月19日（2）草食动物的消耗草食动物的消耗z因生态系统类型不同而有很大变化。因生态系统类型不同而有很大变化。z草地损失量约草地损失量约2860%之间。之间。z森林为森林为1.5%2.5%。z水体生态系统浮游植物群落水体生态系统浮

27、游植物群落6099。思考：如何看待森林中的昆虫？思考：如何看待森林中的昆虫？（3）凋落物的消耗）凋落物的消耗西北农林科技大学林学院 2022年10月19日3 净生产力和生物量净生产力和生物量 奥德姆根据初级生产力将生态系统划分为奥德姆根据初级生产力将生态系统划分为4级：级：z 最低：荒漠和深海。最低：荒漠和深海。z 较低：山地森林、热带稀树草原、某些临时较低：山地森林、热带稀树草原、某些临时 农耕地、半干旱草原、深湖和大陆架。农耕地、半干旱草原、深湖和大陆架。z 较高：热带雨林，长久性农耕地和浅湖。较高：热带雨林，长久性农耕地和浅湖。z 最高：少数特殊的生态系统（农业高产田、最高：少数特殊的生

28、态系统（农业高产田、河漫滩、三角洲、珊瑚礁、红树林）。河漫滩、三角洲、珊瑚礁、红树林）。西北农林科技大学林学院 2022年10月19日西北农林科技大学林学院 2022年10月19日能否提高生态系统的生产力？能否提高生态系统的生产力？z 地球上的森林具有很大的生长潜力。地球上的森林具有很大的生长潜力。1.生态系统生产力受到很多环境因子的限制，如光照、生态系统生产力受到很多环境因子的限制，如光照、水分、温度、养分供应、生长期等。水分、温度、养分供应、生长期等。2.生态系统结构对生产力的提高也很重要。生态系统结构对生产力的提高也很重要。z 如何提高生态系统的生产力？如何提高生态系统的生产力？给生态系

29、统增加能量，从而提高光能利用效率。天然条件下：温度的升高，雨量的增多。人工条件下：营造高光合效能的速生树种，树种的合理混交，整地，灌溉，排水，施肥，森林抚育，病虫害防治等。西北农林科技大学林学院 2022年10月19日4 生物量在植物体内的分配生物量在植物体内的分配经营者的愿望经营者的愿望z 林业工作者林业工作者：净生产量更多地分布于：净生产量更多地分布于树干树干；农民农民：要求农作物结出更多的：要求农作物结出更多的种子种子或其他可食或其他可食的的块茎和根茎块茎和根茎；z 主要影响因素：品种，环境，经营措施主要影响因素：品种，环境，经营措施z 思考：如何让树干多长点儿？思考：如何让树干多长点儿

30、？西北农林科技大学林学院 2022年10月19日5 能量流周转期能量流周转期z转换时间（年）转换时间（年）=z(凋落物）转换时间（年）凋落物）转换时间（年）=z能量流周转期的意义能量流周转期的意义:）净生产力（）生物量（yrmgmg/22）凋落速率（）凋落物积累（yrmgmg/22西北农林科技大学林学院 2022年10月19日（三）初级消费者（草食动物）营养级（三）初级消费者（草食动物）营养级z陆地生态系统中植物净生产量转换成食草动陆地生态系统中植物净生产量转换成食草动物净生产量的效率很低，多数均少于物净生产量的效率很低，多数均少于1。（四）二级消费者（肉食动物）营养级（四）二级消费者（肉食动

31、物）营养级（五）腐生营养食物链（五）腐生营养食物链z在许多生态系统中占据能量流的大部分。在许多生态系统中占据能量流的大部分。z影响凋落物分解的因子：水分，温度，影响凋落物分解的因子：水分，温度，pH值，值，氧气，土壤动物数量，凋落物理化性质，细氧气，土壤动物数量，凋落物理化性质，细菌和真菌的相对量。菌和真菌的相对量。西北农林科技大学林学院 2022年10月19日 5.3.4 生态系统按能量来源的分类生态系统按能量来源的分类z 纯太阳能生态系统纯太阳能生态系统 主要或完全依赖太阳辐射的自然生态系统。主要或完全依赖太阳辐射的自然生态系统。生产力低，面积大。对于水循环、调节气候、净化空气等生产力低，

32、面积大。对于水循环、调节气候、净化空气等全球生态的平衡有重要作用。全球生态的平衡有重要作用。z 有自然补助能的太阳供能生态系统有自然补助能的太阳供能生态系统 有自然提供的其他能源，用以补助太阳辐射，从而增加有有自然提供的其他能源，用以补助太阳辐射，从而增加有机物质的产量。如沿海潮汐带、河口湾和某些热带雨林。生产机物质的产量。如沿海潮汐带、河口湾和某些热带雨林。生产力和种群密度较高。力和种群密度较高。西北农林科技大学林学院 2022年10月19日z有人类补助能的太阳供能生态系统有人类补助能的太阳供能生态系统 例如：农业的高产量，是由补助能量的大例如：农业的高产量，是由补助能量的大量输入来维持的，

33、包括耕种、灌溉、施肥、量输入来维持的，包括耕种、灌溉、施肥、除草等除草等。z 燃料供能的生态系统燃料供能的生态系统 生态系统提供的有机物满足不了人们的需生态系统提供的有机物满足不了人们的需要，需要从外界输入能量和物质要，需要从外界输入能量和物质西北农林科技大学林学院 2022年10月19日5.3.5 森林经营对生态系统中能量的影响森林经营对生态系统中能量的影响z 森林生物量的再分配森林生物量的再分配z 腐生食物网能量流的变化腐生食物网能量流的变化z 草牧食物网能量流的变化草牧食物网能量流的变化思考：皆伐对森林能量固定的影响思考：皆伐对森林能量固定的影响西北农林科技大学林学院 2022年10月1

34、9日5.4 生态系统的养分循环 植物体内的养分元素植物体内的养分元素 地球化学循环地球化学循环 生物地球化学循环生物地球化学循环 生物化学循环生物化学循环 三种主要元素的循环三种主要元素的循环 森林生态系统生物地球化学循环的效能森林生态系统生物地球化学循环的效能森林经营对森林生物地球化学循环的影响森林经营对森林生物地球化学循环的影响西北农林科技大学林学院 2022年10月19日能量流动与物质循环的关系能量流动与物质循环的关系 空气水无机盐生产者食草动物食肉动物分解者热热热热热第二级食肉动物物质流能量流西北农林科技大学林学院 2022年10月19日西北农林科技大学林学院 2022年10月19日5

35、.4.1 植物体内的养分元素植物体内的养分元素z重要元素：重要元素：植物正常生长和代谢所必需的元植物正常生长和代谢所必需的元素。其中，其浓度仅有若干素。其中，其浓度仅有若干ppm的称作微量的称作微量元素，而浓度可用百分数表示的可称为大量元素，而浓度可用百分数表示的可称为大量元素元素;z 大量元素：大量元素：氢、碳、氧、氮、钾、钙、镁、氢、碳、氧、氮、钾、钙、镁、磷、硫磷、硫;z 微量元素：微量元素：氯、硼、铁、锰、锌、铜、钼氯、硼、铁、锰、锌、铜、钼z生物体中主要的化学元素：氢、碳、氧、氮生物体中主要的化学元素：氢、碳、氧、氮.西北农林科技大学林学院 2022年10月19日ClHNa MgK

36、CaSPCNOLi?Pb?Cd?As?Br?Sea La Sna VaCr Mn Fe CoCu Zn NiaMo Bp FaThe elements required by organisms.The 11 green elements account for 99.9%of the mass of most organisms.p:为植物所需；a:为动物所需；？：不确定西北农林科技大学林学院 2022年10月19日5.4.2 地球化学循环地球化学循环（geochemical cycles）是指不同生态系统之间化学元素的交换，空间范围是指不同生态系统之间化学元素的交换，空间范围大。大。（一）

37、气态循环（一）气态循环（gaseous cycles）C、N、O主要以气态形式输入和输出。主要以气态形式输入和输出。为什么气态循环引起人们极大的重视？为什么气态循环引起人们极大的重视？人类的活动每天都有大量人类的活动每天都有大量CO、CO2、硫和氮的氧化物，以及硫和氮的氧化物，以及各种有机物质和农药进入气态循环。各种有机物质和农药进入气态循环。典型后果：典型后果：1、酸雨、酸雨 2、温室效应、温室效应西北农林科技大学林学院 2022年10月19日（二）沉积循环（二）沉积循环 (sedimentary cycles)地球化学循环中，大部分属于沉积循环类型。地球化学循环中，大部分属于沉积循环类型。

38、z 气象途径气象途径：如空气尘埃和降水的输入以及风侵蚀和搬运的输出：如空气尘埃和降水的输入以及风侵蚀和搬运的输出（生长在极贫瘠土壤上的森林，化学沉降物的输入有可能使其达到较高生长在极贫瘠土壤上的森林，化学沉降物的输入有可能使其达到较高的生产量的生产量。）z 生物途径生物途径：动物的活动及人们从事农林经营活动可使养分在生：动物的活动及人们从事农林经营活动可使养分在生态系统之间发生再分配。态系统之间发生再分配。例如：不合理的经营活动导致水土流失。例如：不合理的经营活动导致水土流失。z 地质水文途径地质水文途径：如来自于岩石、溪水中的养分输入。以及土壤：如来自于岩石、溪水中的养分输入。以及土壤水或地

39、表水溶解的养分、土粒和有机物质从系统的输出。水或地表水溶解的养分、土粒和有机物质从系统的输出。西北农林科技大学林学院 2022年10月19日Sedimentary cycles地质的生物的气象的地质的气象的生物的大气溶于水和土壤土壤和岩石矿物质剩余有机物（活的和死的）西北农林科技大学林学院 2022年10月19日5.4.3生物地球化学循环 (biogeochemical cycles)生态系统内部化学元素的交换，空间范围不生态系统内部化学元素的交换，空间范围不大。植物在系统内就地吸收养分，又通过落大。植物在系统内就地吸收养分，又通过落叶归还到同一地方。绝大多数的养分可以有叶归还到同一地方。绝大

40、多数的养分可以有效地保留，积累在本系统之内。效地保留，积累在本系统之内。西北农林科技大学林学院 2022年10月19日生物地球化学循环包括：生物地球化学循环包括：（一）植物对养分的吸收（一）植物对养分的吸收z 大部分养分从土壤溶液中吸收；大部分养分从土壤溶液中吸收；z 菌根营养菌根营养（二）植物体内养分的分配（二）植物体内养分的分配（三）植物养分的损失（三）植物养分的损失z 雨水的淋失雨水的淋失z 草食动物的取食草食动物的取食z 生殖器官的消耗生殖器官的消耗z 凋落物损失的养分凋落物损失的养分思考：如何理解养分的思考：如何理解养分的“损失损失”？西北农林科技大学林学院 2022年10月19日（

41、四）凋落物的分解（四）凋落物的分解 凋落物分解和养分的释放是森林生物地球凋落物分解和养分的释放是森林生物地球化学循环中最重要的一环分解过快或过慢对化学循环中最重要的一环分解过快或过慢对森林生长都不利。森林生长都不利。思考：思考：热带雨林生产力高，生长快，但也最脆热带雨林生产力高，生长快，但也最脆弱，为什么？弱，为什么？西北农林科技大学林学院 2022年10月19日（五）林下植被的作用（五）林下植被的作用 林下植被的凋落物含有相当高的养分，一般有利于森林死地林下植被的凋落物含有相当高的养分，一般有利于森林死地被物的分解，从而提高土壤肥力。因此，林下保持一定数量被物的分解，从而提高土壤肥力。因此，

42、林下保持一定数量的灌木、杂草以及苔藓，将会对森林的生产力起到有益的作的灌木、杂草以及苔藓，将会对森林的生产力起到有益的作用。用。思考：除此之外，林下植被还有哪些作用？思考：除此之外，林下植被还有哪些作用？（六）养分元素的直接循环（六）养分元素的直接循环5.4.4 生物化学循环生物化学循环(biochemical cycles)指养分在生物体内的再分配，也是植物保存养分的重指养分在生物体内的再分配，也是植物保存养分的重要途径。要途径。西北农林科技大学林学院 2022年10月19日5.4.5森林生态系统养分循环特征参数林分分室凋落物分室土壤分室凋落分解降水径流吸收淋洗森林养分循环分室模式西北农林科

43、技大学林学院 2022年10月19日养分存留量养分存留量 每年增长的生物量中的养分量。每年增长的生物量中的养分量。养分的归还量养分的归还量 森林通过凋落物及雨水淋洗森林通过凋落物及雨水淋洗归还到林地的养分量。归还到林地的养分量。养分吸收量养分吸收量吸收量吸收量=存留量存留量+归还量归还量养分吸收率或养分吸收系数养分吸收率或养分吸收系数森林植物每年吸收养分量与根层土壤中的养分森林植物每年吸收养分量与根层土壤中的养分储存量之比。储存量之比。养分循环强度养分循环强度=年凋落物量年凋落物量/林地凋落物积累量林地凋落物积累量西北农林科技大学林学院 2022年10月19日5.4.5 5.4.5 几种主要元

44、素的循环几种主要元素的循环（一）水循环（一）水循环（二）碳循环（二）碳循环（三）氮循环（三）氮循环 (四四)磷循环磷循环（五）硫循环（五）硫循环西北农林科技大学林学院 2022年10月19日水循环（Water cycles 106m3/a）西北农林科技大学林学院 2022年10月19日down loopup loop西北农林科技大学林学院 2022年10月19日 全世界淡水资源总量并不缺乏。但是降水量在空间和时间上分全世界淡水资源总量并不缺乏。但是降水量在空间和时间上分布不均匀，造成有些地区或某些时间仍然严重缺水。布不均匀，造成有些地区或某些时间仍然严重缺水。地球水资源总量约为地球水资源总量约

45、为14亿亿km3，其中有其中有97%以上分布在海洋。以上分布在海洋。陆地上的地面水中冰盖和冰川占陆地上的地面水中冰盖和冰川占2.41%，目前无法取用。淡水湖，目前无法取用。淡水湖泊和河流只占泊和河流只占0.0091%，这些水除大量蒸发外，约有三分之一，这些水除大量蒸发外，约有三分之一，即即42083km3可供人类生活和工农业生产之用。可供人类生活和工农业生产之用。我国水资源分布也很不平衡，南方水资源较丰富，北方水资源我国水资源分布也很不平衡，南方水资源较丰富，北方水资源不足，西北内陆荒漠盆地，水资源更贫乏。不足，西北内陆荒漠盆地，水资源更贫乏。据国外资料，年总用水量如果超过年总径流量的据国外资

46、料，年总用水量如果超过年总径流量的13-14%，将产，将产生水荒和干旱的威胁。近年来世界总需水量每年大约递增生水荒和干旱的威胁。近年来世界总需水量每年大约递增4%，有些国家用水量有些国家用水量10年即增加一倍。年即增加一倍。西北农林科技大学林学院 2022年10月19日匮乏的水资源西北农林科技大学林学院 2022年10月19日碳循环碳循环(Carbon cycles)从大气中的从大气中的CO2储库开始，绿色植物（生产者）储库开始，绿色植物（生产者）在光合作用时，把碳从大气中取出，结合到碳水在光合作用时，把碳从大气中取出，结合到碳水化合物中的分子中，然后，经过消费者和分解者，化合物中的分子中，然

47、后，经过消费者和分解者，在呼吸和残体腐烂分解时，再回到大气。在呼吸和残体腐烂分解时，再回到大气。全球储存碳的数量约全球储存碳的数量约261018吨，但绝大部分以吨，但绝大部分以碳酸盐形式禁锢在岩石圈中。只有极少量碳参与碳酸盐形式禁锢在岩石圈中。只有极少量碳参与经常性流动和圈层间的交换。经常性流动和圈层间的交换。各类生态系统固定碳的速率差别很大。各类生态系统固定碳的速率差别很大。全世界森林的储碳量为全世界森林的储碳量为4000-5000亿吨。亿吨。西北农林科技大学林学院 2022年10月19日碳循环西北农林科技大学林学院 2022年10月19日西北农林科技大学林学院 2022年10月19日Car

48、bon CycleszInorganic carbon released through respiration may be taken up quickly through photosynthesis.The organic carbon fixed may be respired again quickly by plants.zOrganic carbon stored in deposits of coal,oil,or peat is not readily accessible and may remain in storage for millions of years.zI

49、norganic carbon may also be taken out of circulation for millions of years by precipitation as calcium carbonate in aquatic systems.西北农林科技大学林学院 2022年10月19日全球的植被和海洋是大气中全球的植被和海洋是大气中CO2两个重要的调节器。两个重要的调节器。大气中大气中CO2浓度增加时，会有更多气体溶于海水，浓度增加时，会有更多气体溶于海水，相反，大气相反，大气CO2减少，海水中减少，海水中CO2又返回大气。又返回大气。然而由于人类活动大量排放然而由于人

50、类活动大量排放CO2，森林植被的严，森林植被的严重破坏和减少，大气中重破坏和减少，大气中CO2浓度正逐步提高，并产浓度正逐步提高，并产生生“温室效应温室效应”。西北农林科技大学林学院 2022年10月19日The greenhouse effect西北农林科技大学林学院 2022年10月19日The greenhouse effect西北农林科技大学林学院 2022年10月19日zIf greenhouse gases continue to rise at the current rate,between 2030 and 2050,the average temperature on Ea