生態(tài)水文學(xué)導(dǎo)論(2)

1、生態(tài)水文學(xué)導(dǎo)論生態(tài)水文學(xué)導(dǎo)論生態(tài)系統(tǒng)中的水文循環(huán) 第二章 水文循環(huán)與生態(tài)系統(tǒng) 1.1 地球上的水文循環(huán) 2.1 生態(tài)系統(tǒng)基本知識 2.1.1生態(tài)學(xué)的基本概念生態(tài)學(xué)的基本概念 Haeckel(l869)：生態(tài)學(xué)是研究生物有機(jī)體與其周圍環(huán)境(包括非生物環(huán)境和生物環(huán)境)相互關(guān)系的科學(xué) 公認(rèn)：公認(rèn)：生態(tài)學(xué)是研究生命系統(tǒng)與環(huán)境相互關(guān)系生態(tài)學(xué)是研究生命系統(tǒng)與環(huán)境相互關(guān)系的科學(xué)的科學(xué)行為生態(tài)學(xué)行為生態(tài)學(xué) 、生理生態(tài)學(xué) 、分子生態(tài)學(xué) 、種群生態(tài)學(xué)、群落生態(tài)學(xué) 生態(tài)學(xué)尺度：個體、種群、群落、生態(tài)系統(tǒng)個體、種群、群落、生態(tài)系統(tǒng) 2.2.2 種群種群 種群是指在特定時間內(nèi)，由分布在同一區(qū)域的許種群是指在特定時間內(nèi)，

2、由分布在同一區(qū)域的許多同種生物個體自然組成的生物系統(tǒng)多同種生物個體自然組成的生物系統(tǒng) 種群生態(tài)學(xué)是研究種群生物系統(tǒng)的規(guī)律的科學(xué)種群生態(tài)學(xué)是研究種群生物系統(tǒng)的規(guī)律的科學(xué) ：研究種群內(nèi)部各成員之間，種群(或其成員)與其他生物種群之間，以及種群與周圍環(huán)境非生物因素的相互作用規(guī)律。 種群的主要特征種群的主要特征 ：數(shù)量特征(密度或大小) 空間分布特征 遺傳特征 種群密度種群密度(density)是指單位面積是指單位面積(或體積或體積)空間中的生物個空間中的生物個體數(shù)量體數(shù)量 絕對密度是指單位面積(或體積)空間中的生物個體數(shù)量 相對密度則只是衡量生物數(shù)量多少的相對指標(biāo) 出生率(natality 或 bi

3、rth rate)：是指單位時間種群的出生個體數(shù)與種群個體總數(shù)的比值 最大出生率(maxmium natality)和生態(tài)出生率(ecological natality) ，或稱實際出生率(realized natality) 生育率和生殖力(fertility rate and fecundity) ：生育率指單位時間種群的出生個體數(shù)與種群雌性個體總數(shù)的比值；生殖力的量度是單位時間個體或種群所能產(chǎn)生的配子數(shù)或無性繁殖的合子數(shù) 死亡率(mortality 或 death rate)：是指單位時間種群的是指單位時間種群的死亡個體數(shù)與種群個體總數(shù)的比值死亡個體數(shù)與種群個體總數(shù)的比值 最低死亡率(m

4、inimum mortality)和生態(tài)死亡率(ecological mortality) 種群的年齡結(jié)構(gòu)(age structure)又稱年齡分布(age distribution)：是指種群中各年齡期個體在種群中所占是指種群中各年齡期個體在種群中所占的比例的比例 年齡分為三個時期：繁殖前期(prereproductive period)、繁殖期(reproductive period)和繁殖后期(postreproductive period) 種群的年齡結(jié)構(gòu)常用年齡錐體(或稱年齡金字塔)(age pyramids)來表示 性比例(sex ratio)是指種群中雄性與雌性個體數(shù)的比例，用每

5、100個雌性的雄性數(shù)來表示 2.2.3 群落 一、基本概念 1、群落的概念 ：指在一定時間內(nèi)，居住于一定區(qū)域或生境內(nèi)的各種生物種群的集合 2、群落的基本特征 群落中植物種類組成的確定：種類面積曲線圖種類面積曲線圖 研究表明：組成群落的植物種類越多，群落的最小面積相應(yīng)地就越大；環(huán)境條件越優(yōu)，群落的結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，組成群落的植物種類就越多。 3群落中的優(yōu)勢種 1)優(yōu)勢種的概念 。對群落的影響最大，影響或控制著該群落，決定群落的外形、結(jié)構(gòu)和功能 2)確定優(yōu)勢種的指標(biāo)體系 密度與相對密度：密度是指單位面積上物種的個體數(shù)是指單位面積上物種的個體數(shù) 頻度與相對頻度 ：頻度是指某個物種在群落中分布的均勻性。 優(yōu)

6、勢度與相對優(yōu)勢度 ：優(yōu)勢度常以某物種底面積或胸高斷面積或體積或干物質(zhì)重量的多少來衡量該物種在群落中的優(yōu)勢程度 相對優(yōu)勢度相對優(yōu)勢度(%) 重要值 重要值重要值相對密度十相對頻度十相對優(yōu)勢度相對密度十相對頻度十相對優(yōu)勢度300 3)優(yōu)勢種的確定: 群落中重要值大的物種就是群落的優(yōu)勢種 4、生物多樣性 1）生物物種多樣性的概念 :又稱物種豐富度，是指一個群落中的物種數(shù)、各物種的個體數(shù)以及均勻分布程度 多樣性，即群落或生境內(nèi)的種的多度 多樣性，即在一個梯度上，從一個生境到另一個生境所發(fā)生的種的多度變化的速率和范圍 多樣性，即在一個地理區(qū)域內(nèi)一系列生境中的種的多度 關(guān)系為/ 2)影響物種多樣性變化的主

7、要因素：(1)時間因素 ；(2)空間異質(zhì)性因素 ； (3)氣候穩(wěn)定性因素 ；(4)競爭因素 ；(5)生產(chǎn)因素 3)生物多樣性計算 （下式中s為種群數(shù)）s 5、群落系數(shù) S 1)Syrensen相似性系數(shù) S2c/(a+b) a為A群落中的種數(shù)；b為B群落中的種數(shù)；c為A、B兩個群落中的共有種數(shù) 2)Motyka相似系數(shù) S=2Mw/(MA+MB) 式中 MW為A、B兩個群落共有種較小定量值，MA是A群落中全部物種的定量值總和，MB是B群落中全部物種的定量值總和 3)相關(guān)系數(shù) 式中xi為A群落中第i個物種的定量值，yi為B群落中第i個物種的定量值，x 為A群落中全部物種定量值的平均數(shù)，y 為B群

8、落中全部物種定量值的平均數(shù)。 二、群落的外貌和結(jié)構(gòu) 1群落的外貌和生活型 1)群落的外貌 2)生活型:是指植物長期適應(yīng)環(huán)境條件而在外部形態(tài)表現(xiàn)出來的一種特性 高位芽植物，芽的位置距地面30cm以上； 地上芽植物，芽的位置距地面30cm以下； 地面芽植物，芽位于地表或接近地表； 地下芽植物，芽位于地下； 一年生草本，植物以種子的形式渡過不良季節(jié) 2群落的垂直結(jié)構(gòu) 成層現(xiàn)象 森林群落：通?？梢詣澐譃閱棠緦?、灌木層、草本層和地被層等四個基本結(jié)構(gòu)層次，同一層次中，又可按同化器官在空中排列的高度劃分亞層 水生群落：漂浮生物、浮游生物、游泳生物、底棲生物、附底生物和底內(nèi)生物等 3群落的水平結(jié)構(gòu) 群落的結(jié)構(gòu)

9、特征不僅表現(xiàn)在垂直方向上的分層現(xiàn)象，而且在水平方向上也表現(xiàn)出差異性。在一個群落中的某些地點，植物種類的分布是不均勻的。 4群落的時間格局 氣象因子有年變化和日變化，表現(xiàn)出明顯的時間節(jié)律。群落中各種植物的生長發(fā)育，以及群落結(jié)構(gòu)也隨時間而有明顯的變化，這就是群落的時間格局。 三、群落演替 1.群落演替的概念 克列門茨認(rèn)為：群落演替是一個群落代替另外一個群落；所能看到的群落，都是處于運動發(fā)展過程中的某一瞬間；現(xiàn)有群落的外貌和結(jié)構(gòu)也都是群落動態(tài)過程中某一階段的具體表現(xiàn)；群落發(fā)展到最后，會形成與環(huán)境最為適應(yīng)的頂極群落。 2群落發(fā)生、發(fā)育的一般過程 1)群落的發(fā)生 遷移或侵移 :從繁殖體開始傳播到新定居的

10、地方為止，這個過程稱為遷移 。繁殖體主要指植物種子、泡子、鱗莖、根狀莖，以及能繁殖的植物體的任何部分 植物定居 ：定居過程指繁殖體被傳播到新的地點以后能否進(jìn)行發(fā)芽、生長和繁殖的全部過程 競爭 ：植物定居成功之后，繁殖體的數(shù)量和種類會不斷增大，出現(xiàn)地上和地下兩個部分營養(yǎng)空間不足，這時易產(chǎn)生競爭 反應(yīng) ：通過定居過程，群落內(nèi)生物與非生物環(huán)境間的能量轉(zhuǎn)換和物質(zhì)循環(huán)不斷進(jìn)行，原有生態(tài)環(huán)境條件也隨之逐漸發(fā)生變化，這就是“反應(yīng)” 發(fā)育初期 ：在這一時期中，群落建群種的良好發(fā)育是一個主要標(biāo)志 發(fā)育盛期 ：在這一時期，適應(yīng)于群落生態(tài)環(huán)境的植物種類，能得到良好的發(fā)育 發(fā)育末期 ：原來的建群種生長勢逐漸減弱，缺乏

11、更新能力 3群落演替的原因 1)外因動態(tài)演替 外因動態(tài)演替是指由于群落以外的因素所引起的演替。如：(1)氣候性演替，是氣候變化而引起的演替，其中，氣候的干濕度變化是主要的演替動力。(2)土壤性演替，是由于土壤條件向一定方向改變而引起的群落演替。(3)動物性演替，是由于動物的作用而引起的群落演替，例如原來以禾本科植物為優(yōu)勢的草原，植株較高種類較多，在經(jīng)常放牧或過渡放牧之后，即變成以細(xì)葉莎草為優(yōu)勢成分的低矮草原。(4)火成演替，是指出于火災(zāi)的發(fā)生引起的群落演替。(5)人為因素演替，是指在人為因素干擾之下，引起的群落演替。 2)內(nèi)因動態(tài)演替 內(nèi)因動態(tài)演替是指群落內(nèi)部的植物體改變了生態(tài)環(huán)境而引起的演替

12、。 4群落演替的類型 1)劃分類型的原則 按裸地性質(zhì) ：原生演替和次生演潛 按基質(zhì)性質(zhì) ：水生基質(zhì)演替系列和旱生基質(zhì)演替系列 按水分關(guān)系： 分為水生演替系列、旱生演替系列和中生演替系列 按主導(dǎo)因素劃分 ：分群落發(fā)生演替 、內(nèi)因生態(tài)演替 、外因生態(tài)演替 、地因發(fā)生演替 2)群落的原生演替類型 在原生裸地進(jìn)行的群落演替稱為原生演替。所謂原生裸地是原來就沒有植物群落的地方，分為二個類型。旱生演替系列和水生演替系列。 3)群落的次生演替類型 在次生裸地進(jìn)行的群落演替稱為次生演替。所謂次生裸地，是指那些原生群落雖被破壞，但原生群落下的土壤條件還保留了一部分，且土壤中還多少保留著原生群落中某些種類的繁殖體

13、的地段 5群落演替的“頂極”學(xué)說 1)單元演替頂極 克列門茨：在一定的地區(qū)內(nèi)，按照演替的發(fā)生過程，群落相繼替代，通過一系列的演替階段，最后達(dá)到與該地區(qū)氣候相適應(yīng)的最穩(wěn)定最平衡的狀態(tài)，即頂極 2)多元演替頂極 英國的坦斯利：如果一個群落相對穩(wěn)定，能自行繁殖，并終結(jié)了演替的過程，就可稱為“頂極群落”，而并不會趨于一個氣候頂極 3)頂極格局假說 演替的起因在不同程度上屬于群落的外部或群落的內(nèi)部，許多演替既涉及外因，也涉及內(nèi)因，以及交互的影響?？傊?，變化著的環(huán)境梯度、種群梯度以及群落特征梯度，是彼此緊密聯(lián)系著的。一個演替，就有一個時間上的生態(tài)系統(tǒng)演替系列。群落的相對穩(wěn)定性沿著演替的順序而提高：早期階段

14、，在某些情況下，由于種群相互迅速更替而表現(xiàn)出明顯的不穩(wěn)定性，最后階段的群落通常是穩(wěn)定的。 2.2.4 生態(tài)系統(tǒng) 一、基本概念 生態(tài)系統(tǒng)定義：生態(tài)系統(tǒng)是指在一定時間和空間內(nèi)，由生物群落與其環(huán)境組成的一個整體，各組成要素間藉助物質(zhì)流動、能量流動、物質(zhì)循環(huán)、信息傳遞和價值流動，而相互聯(lián)系、相互制約，并形成具有自調(diào)節(jié)功能的復(fù)合體。 地球上有無數(shù)大大小小的生態(tài)系統(tǒng)、，大到整個海洋、整塊大陸，小至一片森林、一塊草地、個小池塘等，都可看成是生態(tài)系統(tǒng)。地球上的自然生態(tài)系統(tǒng)都是開放的，有物質(zhì)和能量的流進(jìn)和流出。 任何一個生態(tài)系統(tǒng)都具有以下共同特性： 是生態(tài)學(xué)上的一個結(jié)構(gòu)和功能單位，屬于生態(tài)學(xué)上的最高層次； 內(nèi)部

15、具有自調(diào)節(jié)、自組織、自更新能力； 具能量流動、物質(zhì)循環(huán)和信息傳遞三大功能 營養(yǎng)級的數(shù)目有限； 是一個動態(tài)系統(tǒng)。 二、生態(tài)系統(tǒng)的組成 生態(tài)系統(tǒng)的成分，不論是陸地還是水域，或大或小，都可概括為非生物和生物兩大部分。或者分為非生物環(huán)境、生產(chǎn)者、消費者和分解者四種基本成分(圖21) 生物成分生物成分 (1) 生產(chǎn)者(producer) 能進(jìn)行光合作用制造有機(jī)物或能夠利用化學(xué)能把動植物轉(zhuǎn)化成有機(jī)物的綠色植物和自養(yǎng)微生物多屬于生產(chǎn)者。綠色植物通過光合作用把CO2、H2O和無機(jī)鹽轉(zhuǎn)化成有機(jī)物，把太陽能轉(zhuǎn)化成化學(xué)能。因此，綠色植物是整個生態(tài)系統(tǒng)（包括綠色植物本身）食物能量的供應(yīng)者。 （2）消費者(consum

16、er) 消費者是指以有機(jī)物質(zhì)作為食物來源的各種動物、某些寄生和腐生的菌類。按食性可分為： 草食動物(herbivore)以植物為營養(yǎng)的動物，又稱植食動物，是初級消費者(primary consumer)如昆蟲、嚙齒類、馬、牛、羊等；肉食動物(carnivore)是以草食動物或其他動物為食的動物。又可分為： 一級肉食動物，又稱二級消費者(secondary consumer)，以草食動物為食的捕食性動物。 二級肉食動物，又稱三級消費者（third consumer）以一級肉食動物為食的動物。 (3) 分解者(decomposer) 分解者又稱還原者(reductor)，主要是指細(xì)菌和真菌等微生物

17、以及土壤中的小型動物。分解者的作用，就在于把生產(chǎn)者和消費者的殘體分解為簡單的物質(zhì)(無機(jī)物)，再供給生產(chǎn)者。 非生物成分非生物成分 非生物成分提指生態(tài)系統(tǒng)中的原料部分(溫度、陽光、水、土壤、各種礦物質(zhì))、媒質(zhì)部分(水、土壤、空氣等)和基質(zhì)(巖石、泥、沙等)，是生態(tài)系統(tǒng)中生物賴以生存的物質(zhì)、能量的源泉和活動的場所。 三、生態(tài)系統(tǒng)的基本特征 (一)生態(tài)系統(tǒng)是動態(tài)功能系統(tǒng) 發(fā)育、代謝、繁殖、生長與衰老 (二)生態(tài)系統(tǒng)具有一定的區(qū)域特征 生命系統(tǒng)與環(huán)境系統(tǒng)的相互作用以及生物對環(huán)境的長期適應(yīng)結(jié)果，使生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能反映了一定的地區(qū)特性 (三)生態(tài)系統(tǒng)是開放的“自維持系統(tǒng)” 自然生態(tài)系統(tǒng)則不同，它所需要的能源是生產(chǎn)者對光能的