普通生态学：生态系统的结构与调控

1、9/ 生态系统的结构与调控/C G Cao/9/1 生态系统结构概述 9/2 农业生态系统的组分结构 9/3 生态系统的时空形态结构 9/4 生态系统的营养结构 9/5 生态系统的结构与稳定性 9/6 生态系统的调控及稳态机制/9/1 生态系统结构概述9/1/1 生态系统结构的概念9/1/2 生态系统结构的层次特性9/1/3 生态系统结构与功能的关系/C G Cao/9/1/1 生态系统结构的概念/生态系统的结构主要指构成生态系统诸要素及其量比关系，各组分在时间、空间上的分布，以及各组分间能量、物质、信息流的途径与传递关系。 生态系统结构主要包括组分结构、时空结构和营养结构三个方面。/C G

2、Cao/1/ 组分结构/是指生态系统中由不同生物类型或品种以及它们之间不同的数量组合关系所构成的系统结构。组分结构中主要讨论的是生物群落的物种构成及量比关系。 例如： 平原地区的“粮、猪、沼” 系统 山区的 “林、草、蓄”系统/C G Cao/2/时空结构/也叫形态结构，是指各种生物成分或群落在空间上和时间上的不同配置和形态变化特征，包括水平分布上的镶嵌性、垂直分布上的成层性和时间上的发展演替特征。人类常常可以通过模拟优化这种时空形态结构，使生态系统向高效、稳定方向发展。/C G Cao/3/营养结构/生态系统中生物与生物之间，生产者、消费者和分解者之间以食物营养为纽带所形成的食物链和食物网，

3、包括物质和能量流动的途径和分配比例。/C G Cao/C G Cao/1/生态系统的层次结构/9/1/2 生态系统结构的层次特性/2/生态系统的层级系统具有结构和功能双重性/结构上的层级是重要而明显的。纵向的可构成垂直层级系统，横向的同一层级可构成平行并列系统，纵横交叉的网络系统由可构成各种立式交叉的***等。/C G Cao/9/1/3 生态系统结构与功能的关系/（1）结构与功能是相互依存的，任何一种生态系统的要素与结构是其功能的内在物质基础，而功能是要素与结构的外在表现和作用结果。一定结构表现一定的功能，一定的功能总是由一定系统结构产生的。/（2）结构与功能又是相互制约，相互影响转化的。 一

4、方面，生态系统的结构决定生态系统的功能，其结构发生变化，制约着系统的功能转变和发展变化；另一方面，功能具有相对的***性，又可反作用于结构，在环境变化的影响下，此时结构虽未变化，但功能首先不断发生变化，功能变化又反过来影响结构。/（3）结构和功能的联系密不可分，在生态系统中存在着多种类型。组成系统的要素向相同，但结构不同，系统的功能也就不同；一个生态系统的统一结构，可能有多种功能。 （4）生态系统的稳定是相对的。生态系统与外界进行物质、能量和信息交换过程中，系统的结构不仅在量的方面可以逐渐发生变化，而且在一定条件下产生质的飞跃。/1/生态系统的组分结构的概念/每层次都有不同的组分构成 从生态系统

5、来看：物种结构 从农业生产来看：产业结构 农业生态系统内农林牧副渔各业之间的量比关系以及各业内部的物种组成及量比关系。/C G Cao/9/2 农业生态系统的组分结构/（1）北方旱农区的“粮草轮作”“农牧结合”系统/问题：人少地多、风沙干旱、土地贫瘠、土壤风蚀。 做法：三圃制、秸杆牲畜粪尿还田/2/多业结合的实例/（2）黄淮海平原的“林、牧、经、粮”系统/问题：土地旱、涝、碱、薄 做法：/粮食作物 经济作物 林木/动物/肥料/饲料/饲料/燃料/产品/产品/（3）长江中游丘陵的“林、草、牧”系统/问题：水土流失 做法：林下种草、种草养畜“ “林草畜”、“果草兔”、“林草鹅”/林（果）+草/动物/

6、肥料/饲料/产品/产品/（4）长江、珠江三角洲的“桑基鱼塘”系统/问题：地下水位高 做法：挖低填高，高做基、低做塘、基上种桑养蚕、塘内分层养鱼。/草、花、果、桑茶、稻、麻、蔗/菜/蚕/鱼/猪/粪/粪/泥/泥/藻/果基鱼塘/（5）江苏的“粮桑菜牧”系统/问题：人多地少 做法：以农田、桑园、水面为三大基地(见下图) 农田：种三熟(麦稻稻、油稻稻、肥稻稻)绿肥还田，桔杆10%还田，30%作燃料，60%做饲料。 桑园：春、夏、秋三季种桑养蚕，冬季桑下种菜，菜根、菜叶、蚕沙蚕蛹做猪、羊、兔的饲料。 水面：养鱼、养珍珠，另70%的水面放养三水（水花生、水葫芦、水浮莲） 以“三养”(猪、羊、兔)为纽带，实现

7、以“三水” （水花生、水葫芦、水浮莲）促“三养”，以“三养”促三熟。/江苏的“粮桑菜牧”系统/猪、羊、兔 （三养）/肥料/饲料/水面（三养） 水花生、水葫芦、水浮莲/桑园/农田（三熟养） 麦稻稻、油稻稻、肥稻稻/饲料/饲料/塘泥/肥料/（6）其它模式/“粮油水产蚕桑畜牧蘑菇”/“粮林畜蚕菌”/“鱼桑加沼”/“鱼桑加沼”/3/多业结合的必要性/(1)多业结合有利于资源利用 (2)多业结合有利于生态稳定 (3)多业结合有利于物质循环 (4)多业结合有利于满足社会需求/4/多业结合应注意的问题/（1）各物种的量比关系 （2）各组分的配匹 （3）各组分的交互作用/（1）产业化 （2）规模化 （3）集约

8、化 （4）区域化 （5）市场化/5/反思农业结构调整与优化/9/3 生态系统的时空形态结构/C G Cao/9/3/1 水平上的镶嵌性水平结构 9/3/2 垂直上的成层性垂直结构 9/3/3 时间上的演替性时间结构/1/水平结构与景观生态学/景观是反映内陆地形、地貌或景色(诸如草原、森林、山脉、湖泊等)的图像；或是某一地理区域的综合地形特征；或者是人们放眼所映获的自然景色。/9/3/1 水平上的镶嵌性水平结构/(1)景观的概念/()狭义景观与广义景观/狭义景观是指几十km2至几百km2范围内，由不同生态系统类型所组成的，具有重复性格局的异质性地理单元。反映气候、地理、生物、经济、社会和文化综合

9、特征的景观复合体称为区域。狭义景观和区域可统称为宏观景观。 广义景观则指出现在从微观到宏观不同尺度上的，具有异质性或缀块性的空间单元。广义景观概念强调空间异质性，其空间尺度则随研究对象、方法和目的而变化，它体现了生态学系统中多尺度和等级结构的特征。/()景观生态学(Landscape Ecology)/是研究景观单元的类型组成、空间格局及其与生态学过程相互作用的综合性学科。 强调空间格局、生态学过程与尺度之间的相互作用是景观生态学研究的核心所在。/()景观生态学的研究内容/景观结构：景观组成单元及类型，多样性及其空间关系。如景观中不同生态系统（或土地利用系统）的面积、形状和重复出现频率，它们的

10、空间格局以及能量、物质和生物体的空间分布等。 景观功能：景观结构与生态学过程的相互作用，或景观结构单元之间的相互作用。这些作用主要体现在能量、物质和生物有机体在景观镶嵌体中的运动过程之中。 景观动态：景观在结构和功能方面随时间推移发生的变化。具体来说，景观动态包括景观组成单元的组成成分、多样性、形状和空间格局的变化，以及由此导致的能量、物质和生物在空间分布与运动过程的差异。/()缀块一廊道一基底模式/缀块：泛指与周围环境在外貌或性质上不同，并具有一定内部均质性的空间单元。应该强调的是，这种所谓的内部均质性，是相对于其周围环境而言的。 廊道：是指景观中与相邻两边环境不同的线性或带状结构。常见的廊

11、道包括农田间的防风林带、河流、道路、峡谷、输电线路等。 基底：是指景观中分布最广、连续性最大的背景结构。常见的有森林基底、草原基底、农田基底、城市用地基底等等。/基底/缀块/廊道/缀块/缀块/廊道/基底/缀块/廊道/廊道/缀块/缀块/2/农业景观等级/(1) 农田景观 (2) 农林牧副渔景观 (3) 村屯景观 (4) 农村景观 (5) 流域或区域景观/农业景观等级/农业景观等级1/农田景观/农业景观等级1/ 农田景观/农业景观等级2/农林牧副渔景观/农业景观等级3/ 村屯景观/农业景观等级4/农村景观/农业景观等级4/农村景观/农业景观等级5/流域和区域景观/产业布局 工业布局 农业布局 农林

12、牧副渔布局 作物布局/3/水平结构与生产布局/河港水面/圩田台地/水网平原/丘陵区/山区/鱼、蚌、草/桑、蚕、果/粮、油、肥 猪、牛、羊、兔 鸡、鸭、鹅/竹、木、草 粮、茶、果 猪、牛 鱼 水库/粮、茶、草、竹 林、桑、蚕、畜禽/浙江省德清县的流域地形和因地制宜的农业利用结构示意图/混农林业或农林业系统泛指在统一土地单元或农业生产系统中既包含木本植物又包括农作物或动物的复合土地利用系统。/1/垂直结构与混农林业/9/3/2 垂直上的成层性垂直结构/(1)混农林业的概念/(2)混农林业系统分类/(3)农主型模式/主要分布于南、北方平原区或湿地生态系统，人口压力比较大，土壤生态系统比较脆弱的地区，

13、 系统以生产农产品为主，在农田生态系统引入多年木本植物或动物，木本植物或***农田进行农林间作，如农桐、粮枣/或成网、成带、成片嵌入农田生态系统，如：农田防护林、防风林、水土保持林，还有汤加系统（Taungya）、林篱和农作物带状间作系统，长有多用途灌木的农田系统，人工林以农作相结合的系统等。/农林间作/农林间作/农林间作/农桐间作模式的结构/池杉+小麦/果树+大豆/梨树+辣椒/枣树小麦玉米带田/枣树+大豆+玉米+谷子/(4)林主型模式/主要分布于山区或丘陵山地以林业生产为主的、人口相对较高的地区，在造林的不同时期于林带内间种多种农作物的林农间作系统、果农间作系统、薪炭林、乔、乔或乔、灌或乔、灌

14、、草、乔、灌、草、藻混交系统，林带养蜂系统，林药结合系统，林菌系统，林、胶、草及胶茶系统，瘠地（风沙地、盐碱地、沼泽地、黑钙土、红壤等）林业综合改良利用系统，以及林副特产系统等。/林+胶/林+胶+胡椒/桑+白菊花+油菜/桑+菌/桑树+胡萝卜/(5)牧主型模式/主要分布于丘陵地区及南方草山、草坡资源较多的地区以及人口多、人地比高的地方，常是农林牧结合的注重***生产和发展的系统，如林下放牧或林下利用草本进行蛋白质富集，林草畜（禽）系统，果草畜（禽）系统，牧场护牧林带，林网，用作食物蔌饲料的绿篱及圈篱系统，培养嫩枝，绿叶，牧草、绿肥的农林系统等。/杨树+牛/桔园+鸡/(6)其他模式/果+农（李树+蚕

15、豆、柿树+蚕豆、桃+薯、梨+豆） 果+茶（银杏+茶） 果+猪+沼+鱼 板栗+三叶草+兔+沼 砂梨+三叶草+兔+沼+鱼 桃树+三叶草+兔 葡萄+蚯蚓+鸡 杨梅+三叶草+兔/（7）特种生境的农林系统/即在多种特殊生境中形成并运用的农林系统，如红树区水生作物海上栽培系统，环境绿化、美化、净化的园林系统，水陆交替的基水，基塘系统，庭院农林牧虫菌多利用系统等。/银杏+茶/果+茶/甘橘+花生/柑橘+凤尾菇/竹+香菇/立体农业是在一定区域或土地面积上(包括水域)，根据自然资源特点和不同农业生物的特性，借助现代科技进行立体种植、养殖，并与加工业巧妙结合，建立多物共栖，多层次配置和多级质能循环转化，立体利用农业

16、资源的生态工程技术。/2/垂直结构与立体农业/(1)立体农业的概念/(2)立体种植作物组合的原则/在形态上：一高一矮、一胖一瘦、一园叶一尖叶、一深根一浅根、一直立一塌地进行搭配，既从株型、叶型、根型、杆型等方面来选择； 在生理上：一早一晚、一快一慢、一***一阳、一喜光一耐***、一抗病一感病、一C3植物一C4植物、一木本植物一草本植物、一豆科植物一禾本科植物进行搭配； 在生化上/应生化分泌物相互促进的种类进行搭配。/选择形态、生理、生化、生态特性互补的物种进行搭配。/(3)常见作物之间的相互影响/春冬瓜+秋冬瓜/荷兰豆/马铃薯/玉米/豆角+辣椒+玉米/马铃薯/玉米/秋花生/玉米/甘蓝/冬瓜+玉米/粉

17、葛+生姜/花生+(茄子香葱)/大白菜/韭菜/花生/莲花白/冬瓜/棉花+辣椒/葡萄+生菜/葡萄+茄子/薯+棉/小麦/菜花/玉米/大蒜/玉米+黑木耳/小麦+玉米+菜花/玉米+辣椒/小麦/烟(黄豆)/水稻/小麦+花生+大豆/西瓜+辣椒+玉米/小麦/西瓜+棉花/3/其他立体利用/屋顶花园 生态住宅/多熟种植是指在一年内在同一土地单元或农业生产系统中生产两季或两季以上作物的种植方式。 如三熟的：肥稻稻、油豆稻、油菜玉米大豆 两熟的：麦棉、油稻、 玉米大豆/9/3/3 时间上的演替性时间结构/多熟种植的概念/9/4 生态系统的营养结构/C G Cao/生态系统的营养结构是指生态系统中生物与生物之间，生产者

18、、消费者和分解者之间以食物营养为纽带所形成的食物链和食物网，它是构成物质循环和能量转化的主要途径。/生态系统的营养结构是指生态系统中生物与生物之间，生产者、消费者和分解者之间以食物营养为纽带所形成的食物链和食物网，它是构成物质循环和能量转化的主要途径。/1/营养结构的概念/2/食物链设计与加环/(1)生产环： (2)增益环 (3)减耗环： (4)复合环： (5)产品加工环：/3/设计食物链、网结构的原则/(1)填补空白生态位，增加产品产出。 (2)使废弃物质资源化，提高废弃物的利用价值。 (3)减少养分的丢失浪费和能量的无效损耗。 (4)扩大产品的多样化，广开就业门路，增加收入。 (5)实现环

19、境净化，提高生态效益。/9/5 生态系统的结构与稳定性/9/5/1 生态系统的稳定性 9/5/2 结构与稳定性的关系 9/5/3 生态平衡 9/5/4 生态平衡失调/1/稳定性的定义/当一个实际的系统处于一个平衡的状态时（就相当于小球在木块上放置的状态一样）如果受到外来作用的影响时（相当于对小球施加的力），系统经过一个过渡过程仍然能够回到原来的平衡状态，我们称这个系统就是稳定的，否则称系统不稳定。/9/5/1 生态系统的稳定性/2/生态系统的稳定性/生态系统所具有的保持或恢复自身结构和功能相对稳定的能力，叫做生态系统的稳定性。生态系统的稳定性包括抗变稳定性和弹性稳定性两个方面。/例如，当气候干

20、旱时，森林中的动植物种类和数量一般不会有太大的变化，这说明森林生态系统具有抵抗气候变化、保持自身相对稳定的能力。/抗变稳定性Resistant stability-指生态系统抵抗干扰和保护自身的结构和功能不受损伤的能力，又叫抵抗力稳定性。 弹性稳定性 Resilient stability-指生态系统***扰、破坏后的恢复能力，又叫恢复力稳定性。/3/抗变稳定性与弹性稳定性/若一个生态系统抗变稳定性高，则弹性稳定性差，如森林生态系统 若一个生态系统抗辩稳定性差，则弹性稳定性强，如水域生态系统/4/抗变稳定性和弹性稳定性的关系/任何一个生态系统既具备抗变稳定性，又有弹性稳定性，但两者之间则是此长彼

21、短的关系。/生态系统总稳定性(抵抗力与恢复力)关系示意图/生态系统功能/时 间/干扰/抵抗力的量度：当一次干扰的强度和作用时间一定时，此区域的面积越大(轨迹偏离正常范围越晚和幅度越小)，生态系统的抵抗力越强/功能轨迹曲线/正常作用范围/生态系统总稳定性(抵抗力与恢复力)关系示意图/生态系统功能/时 间/干扰/恢复力的量度：当一次干扰的强度和作用时间一定时，此区域的面积越小(轨迹回复到正常范围越早)，生态系统的恢复力越强/功能轨迹曲线/正常作用范围/5/生态系统的稳定性的阈值/生态阈值 (Ecological threshold)/ 指生态系统维持生态平衡和自我调节能力的最大限度，即生态系统抵抗

22、外界干扰的最大能力。/9/5/2 生态系统的结构与稳定性的关系/生态系统结构越复杂，则生态阈值越高，生态系统越稳定。其中生物多样性是保持生态系统稳定性的重要条件。/如混农林生态系统对***的气候条件具有较高的抵抗性，其稳定性也较高。/当自然生态系统处于平衡状态时/ 生物种类通常较多/ 结构复杂/ 食物链网错综/ 对外界的干扰有较强的抵御能力/ 功能发挥亦较稳定。有人称此为多样性稳定性学说。此时系统内各物种通过竞争和生态适应/ 占据各自独特的生态位/ 彼此协调相处/ 对环境资源的利用较为充分/ 同时复杂的食物网结构使能量和物质可通过多种途径流动/ 一个环节或途径发生了损伤或中断/ 可以由其他方面的

23、调节所抵消或得到缓冲/ 从而使整个系统不易受到致命伤害。/9/5/3 生态平衡/生态平衡(ecological equilibrium)是指在一定的时间和相对稳定的条件下，生态系统内各部分（生物、环境和人）的结构和功能均处于相互适应与协调的良好状态。 生态系统平衡是一种动态平衡/ 因为能量流动和物质循环仍在不间断地进行/ 生物个体也在不断地进行更新。/1/生态平衡的概念/(1) 时空结构上有序性。如生态系统按正常的演替规律发展。 (2) 能流、物流的收支平衡。 (3) 系统自我修复、自我调节功能的保持；抗逆、抗干扰、缓冲能力强。/2/衡量一个生态系统是否处于生态平衡状态的内容/相对静止稳态。如

24、顶极群落的总生产量基本用于维持本身的能量消耗，净生产力微小，可视为一种相对静止稳态。 动态稳态。如正在发育的生态系统，固定能量大于消耗的能量(PR)/净生产力高，在生物个体数量上围绕环境容纳量上下波动的状况。 “非平衡”稳态。通过人为高输入来维持的一种偏离自然平衡的“非平衡”稳态，如农业生态系统。/3/生态平衡的表现形式/9/5/4 生态平衡失调/任何生态系统的自我调节机能都是有一定限度的。如果外界压力超过该生态系统的“生态阈值”和“容量”时，它的自我调节能力便会降低，甚至消失，最后导致生态系统衰退或崩溃，这就是人们常说的“生态平衡失调”或“生态平衡破坏”。其主要表现在结构受损，功能衰退。/1

25、/生态平衡失调的内涵/自然因素：如自然灾害、生物群落内生物之间的相互作用 人为因素：如滥用资源，不尊重自然规律的生产行为等/2/生态平衡失调的原因/复活节岛的衰落/9/6 生态系统的调控及稳态机制/9/6/1 生态系统的自我调控 9/6/2 生态系统不同层次的稳态机制 9/6/3 生态系统的人工调控 9/6/4 生态重建与恢复生态学/9/6/1 生态系统的自我调控/（1）程序调控 （2）随动调控 （3）最优调控 （4）稳态调控/1/自然调控机制/(1)程序调控/草本群落阶段/木本群落阶段/地衣群落阶段/苔藓群落阶段/旱生原生演替-程序调控/(2)随动调控/(3)最优调控/(4)稳态调控/自然生

26、态系统***层次的垂直、水平分离特性而形成的层次结构的多样化和复杂性有利于系统的稳定 自然生态系统结构上组分的冗余现象有利于系统的稳定 自然生态系统中种群、群落、系统水平上普遍存在着反馈调节，对系统的稳定起着重要作用 系统水平上，复杂的种间关系、生态位的分化、严格的食物链量比关系等形成的自***机制有利于系统的稳定。/反馈：系统输出成分，或是系统的输出信息被回送，成为同一系统输入的控制信息，叫反馈。 正反馈/是指使系统输出的变动在原变动方向上被加速的反馈。 负反馈/是指使系统输出的变动在原变化方向上减速或逆转的反馈。/2/反馈机制(feedback mechanism)是生态系统维持平衡或稳态的重

27、要机制/生态系 统稳态/生态系统负反馈环作用示意图/输 入/ 向偏离/ 向偏离/ 向调整/ 向调整/输 出/鹿的食 物增加/鹿数量减少/鹿因饥 饿死亡/鹿吃少 量植物/植物增加/鹿数量增加/鹿吃大 量植物/植物减少/鹿与植物种群之间的负反馈环/鹿数量减少/鹿吃少 量植物/鹿因饥 饿死亡/鹿的食 物增加/植物减少/植物增加/鹿数量增加/鹿吃大 量植物/狼数量下降/狼数量增加/狼因饥 饿死亡/狼的食 物增多/狼吃少 量的兔/狼吃较 多的兔/狼、鹿、植物种群之间的双重负反馈环/9/6/2 生态系统不同层次的稳态机制/个体水平的生态适应机制 种群水平的反馈调节机制 群落水平的种间关系机制 系统水平的自

28、***机制/种群增长的负反馈机制（a）和负反馈结果（b）/种群logistic增长的反馈机制(a)和反馈结果(b)/9/6/3生态系统的人工调控/生态系统/环境/生物群落/生物种群/生物个体/生物调控/环境调控/输入输出调控/系统结构调控/个体水平：如选种和育种，提高生物的环境适应性和丰产性。 种群水平：如合理密植，调节种群的密度 群体水平：如群体种类组成调节，作物套种、立体农业、动物的混养、混交林营造等。/1/生物调控/调节生物生长发育的温、光水、养分条件等。/2/环境调控/(1)确定系统组成在数量上的最优比例。 (2)确定系统组成在时间、空间上的最优联系方式。 (3)确定系统组成在能流、物流、信息流上的最优联系方式。/3/系统结构调控/9/6/4生态重建与恢复生态学/1/退化生态系统 2/恢复生态学 3/生态恢复与重建/1/退化生态系统/退化生态系统生态系统的结构和功能在自然干扰和人为干扰的作用下发生位移，位移的结果打破了原有生态系统的平衡，使系统固有的功能遭到破坏或丧失，稳定性和生产力降低，抗逆能力减弱，这样的生态系统被称为退化生态系统(Degraded ecosystem)或受害生态系统(Damaged ecosystem)。/(1)退化生态系统的概念/退化的生态系统/(2)退

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