生态学Ecology是探讨生物与环境因子相互间关系的学问Word格式.docx
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•食物鏈:
在生態系中,藉食性關係而串聯起來的一組生物,如稻米、蚱蜢、雉雞、人,食物鏈成單向線狀。
•食物網:
在生態系中,許多單向的食物鏈,互相交錯成網狀的構造,這後把整個生態系的群集網羅在一起,稱為食物網。
•食物鏈通常有以下四類:
1.捕食性食物鏈:
又稱為牧食性食物鏈,是以植物為基礎。
其構成形式為植物-->
草食性動物-->
肉食性動物
2.碎食性食物鏈:
以高等植物之枯枝落葉為基礎,植物碎屑經細菌和真菌作用,再加入微小藻類,被碎食生物所利用。
其構成形式為碎食物-->
碎食生物-->
小肉食性生物-->
大肉食性生物
3.寄生性食物鏈:
以大動物為基礎,由小動物寄生在大動物身上所構成。
如哺乳類-->
跳蚤-->
原生動物-->
細菌-->
病毒
4.腐生性食物鏈:
以腐爛的動植物屍體為基礎。
腐爛的動植物屍體被土壤或水中的微生物分解。
非生物部分(物理環境)
1.媒質:
水、空氣、土壤
2.基底:
岩石、砂、礫、泥土
3.氣候因子
4.電磁場
5.太陽能
6.物質代謝材料:
二氧化碳、鹽類、水、營養、氧氣
生態系統的結構
1.型態結構:
包括生物種類、族群數量、種的空間配置、時間變化等。
在一定地區與範圍的空間,具有特定的生物種類、族群數量與族群空間結構。
例如:
高山草原生態系等。
2.營養結構:
生態系統中各組成部分間之營養關係構成其營養結構。
如生產者行光合作用,將太陽能轉化為化學能,屬自營性生活,進行初級生產或第一性生產,草食性動物為一級消費者,肉食性動物為第二級消費者,依此類推。
分解者把複雜的動植物殘體分解成簡單的化合物。
不同等級的消費者從不同的生物中得到食物,就形成了「營養級」。
生態系統的有機化現象
•生態系統具有發育、繁殖、生長及衰亡等生物有機體之現象。
依時間特徵可分成:
初期、成長期及成熟期。
如水塘最後可能演替成為森林。
•生態系統有代謝機能的特性。
生態系統的代謝現象是經由生產者、消費者及分解者三個不同營養系統之生物類群所構成。
•生態系統也具有自動調節功能,使其適應正常及異常環境變化的能力。
•為維持有機化現象,生態系統包含三個生命的基本系統:
1.交流系統:
執行生態系統之物質循環與能量流動
2.適應系統:
生態系統對外界環境產生選擇性反應
3.
3.回饋系統:
維持生態系統的相對均衡狀態
生態系統之物質循環
•生物地化循環:
自然界的各種化學元素,被植物吸收而從環境進入生物界,並沿著生物之間的營養結構關係而流轉,後來又以排泄物及屍體的分解而回到環境中,如此週而復始,循環不息。
•庫:
這些元素,若在生物與非生物成分中滯留,稱為庫。
庫分成
(1)貯存庫:
指容量大、滯留時間長,流轉速度慢之庫,多屬非生物成分。
(2)交換庫:
容量小、滯留時間短,流轉速度快之庫,多屬生物成分。
這些元素在庫與庫之間轉移,稱為物質循環
物質循環類型
•物質循環分成三大類型:
水循環、氣相循環及沉積循環。
•水循環
水是自然界物質循環的推動力。
地球水的總體積約為15億立方公尺,其中海水佔97%,淡水3%,而這其中3/4存於兩極的冰層中。
地球水循環過程如下:
地面水蒸散-->
水蒸氣-->
降雨-->
地面水-->
•氣相循環:
主要有碳循環、氮循環、氧循環
•碳循環:
碳是構成生物體之主要成分。
在自然環境中,碳以二氧化碳存於大氣中,以重碳酸鹽存於水中,而以固態碳或化石燃料沉積於地殼。
碳循環由綠色植物行光合作用固定大氣中的二氧化碳開始,植物以碳水化合物形式存於植物體內,植物行呼吸作用釋出二氧化碳,重回大氣中。
此外,動植物屍體及排泄物經氧化分解而排放出二氧化碳回大自然。
非生物性循環,則如化石燃料的燃燒、火災、火山活動等進行碳循環。
因人為活動的增加,造成大氣中二氧化碳濃度顯著的增加,因而引發溫室效應的增強。
循環圖如下:
氮循環
氮是構成蛋白質基本物質。
植物利用固氮機制利用大氣中的氮,固氮作用有兩途徑,一是通過閃電等高能固氮形成氨和硝酸鹽,另一是由根瘤菌、藍綠藻等微生物生物固氮作用形成氨,供植物利用。
氮循環由固氮作用開始,植物自氮及硝酸鹽吸收氮素,合成蛋白質。
而後被消費者所利用,將植物蛋白質分解為胺基酸,經消化作用分解為氨、尿素、尿酸排入土壤中,動植物屍體經分解者(腐生菌)分解後,釋出氨、二氧化碳等進入土壤中,再為植物根部所吸收。
若溶於水中則成為銨鹽,經脫硝作用釋出N2於大氣中。
氧循環
氧的呈現狀態以氣態氧分子或氣態二氧化碳及水所組成。
氧的循環從植物行光合作用將二氧化碳及水化合產生有機碳水化合物即氧。
氧再藉動植物的呼吸作用,或體內其他氧化作用在轉變成為二氧化碳和水。
循環圖如下:
能量循環
•在生態系中最重要的概念之一乃是能量在體系內的流動現象。
能量流動過程:
任何生態系,其能量有必依賴太陽提供,隨後,植物藉光合作用把太陽之輻射能經過二氧化碳與水的結合而轉化為化學能,這份化學能則開始在食物鏈裏傳遞,最終,動植物之殘體被腐化分解,將其中營養鹽重再釋回土壤,構成物質上的循環與能量的流動。
•能量塔:
在能量轉移過程中,由於部分能量用於消化、呼吸和運動,並有一部份的能量會形成熱能消失,故能量愈來愈少,因此能量在食物鏈中,變成金字塔的形式,稱為能量塔或能量錐體。
•1/10定律:
於能量塔中,每一階層從前者所獲得的能量約為前者所含能量之1/10,剩餘的9/10以熱能形式消失。
能量塔特點
1.能量可以轉變,但不能創造,於轉變過程中即有熱能損失。
2.能量的流動是單方向性的,不能循環利用。
3.食物鏈只限4或5食階,最多不超過6個,因能量依次傳遞至第5食階時,能量已所剩無幾了。
4.能量的流向是開放式的,而非閉鎖式的。
食物塔
於食物鏈中,生產者的數目或生物量最多,各級消費者的數目或生物量依次遞減,其關係如金字塔般稱為食物塔。
於食物塔中,生產者的數目及生物量最多,位於塔的底層,初級消費者位於第二階,最高級消費者位於塔頂,愈近塔頂,其數目及生物量愈少。
能量塔以生物數目表示者稱為數塔,以生物量表示者稱為生物量塔。
生態系之能量利用及評估
•能量
大地上的生物都是直接或間接地依賴太陽的能量而生存。
太陽輻射能經綠色植物行光合作用後轉變成化學能,再為其他生物利用轉化成熱能。
因此,能量的流程,運轉及效率或轉化成生產之乾物質成為生態系中最重要的一個程序。
太陽是能量的重心,它是一熱核子(thermonuclear),它能發揮極高的能量,溫度高得可使氫氣轉變成氦(He),轉變時以電磁波形式放出能量。
這個能包括短波的x-ray及γ-ray及長波的放射線。
太陽能中約有99%的能量的波長介於200nm~400nm,而可視光的波長是介380nm~770nm間。
•粗估之,大約有五千萬分之一的太陽能被地球所吸收,而此能量以等速運轉射入地球。
地球上單位面積接受太陽能量的速率大約是2g.cal/cm2/min,故地表每年所接受太陽能的總量可達l3xlO23~2g.cal。
唯地球表面凹凸不平,且受緯度的影響,地球上各地所接受的太陽能量自然不等。
•根據德國氣象學家Dr.RudolfGeiger指出,如果將進入地球大氣層的太陽入射能視為100%時,約有42%入射能被折返(其中33%被雲折返,9%被塵埃折返),10%入射能被臭氧層吸收,如此算來,只剩48%的太陽入射能實際到達地面。
達到地面的入射能又有4%被光滑岩石表面折回,故生物能利用之太陽入射能量僅44%而已。
此入射能被植物利用以進行光合作用,其「光合成效率」或稱「太陽能利用率」(簡稱Eu),均隨植物種類而異,有的植物光合成效率高,如玉蜀黍(Eu-1.4%)。
概言之,植物利用太陽能之效率尚不及2%,絕大部分的太陽能仍留存於生態系中。
被地殼圈所吸收的放射能可以多方面放射出來,尤其是紅外光以電磁波放射出來,其中一部分又被地面吸收,另一部分再放射回去。
太陽的直接輻射能及間接的紅外光輻射能使大地溫暖,土壤、水分及植物保持一定的熱度。
若無此輻射能之維持,地球為之冰冷,生物也將絕跡。
自營生物之能量固定
•所謂自營生物即生物本身可以直接利用太陽能以製造能量的生物,如綠色植物可以利用太陽輻射能以進行光合作用製造醣類。
光合作用之簡單方程式如下:
基礎生產力之測定
一、收割法:
在一個較大面積的土地上,測定基礎生產力的最簡單方法即產旦收割法。
在一定的面積,一定的時間內,植物生產量謂之,其單位以kg/ha/yr,或g/m2/day。
一般的生物量(biomass)即一定時間,一定面積內之所有生物量之總合。
二、二氧化碳之同化作用(CO2assimilation)
一些體積較小的植物如水稻或作物,為求其精確之太陽能利用率,可以紅外光氣體分析儀(Infraredgasanalyzer)來測定CO2之光合成效率。
三、氧氣釋放法
在水生生態系中,紅外光氣體分析儀無法用來測出水生植物之生產力,但以測氧計可以測得植物之呼吸作用。
四、放射性同位素法
在光合作用過程中,二氧化碳是主要的合成基質,因此對一些很難以收割法來測出生產力的水域植生,常以放射性同位素14C標定之NaH14CO3來測定。
NaH14CO3在酸性溶液存在時很容易水解釋出14CO2,此隨即與Ribulose-l,5-diphosphate合成三碳醣(3-phosphoglycericacid)以進行Calvin-Bensancycle以製造醣類。
五、其他方法
因為光合作用的結果,植物中含葉綠素的量與植物之生產量成正相關關係,因此測量在單位時間內植物體中葉綠素增加的含量亦可得其生產量。
葉綠素的含量可以一般光譜儀測之。
另外方法是因呼吸作用的過程中放出CO2,在水域環境中CO2的增加會使水域中之pH值下降,故測pH值之變化可間接得到水域中植物之生產力。
然而,因近年來空氣中CO2量逐漸升高,或酸雨之形成使水域中的酸鹼度改變甚大,因此以pH法來測估植物生產力就不夠精確了。
全球基礎生產力比較
•1960年至1970年間國際生物計畫評估及比較各地農作物及植被的太陽能利用率,而獲得如下的結論:
農作物>
森林植物>
草原植物>
水生浮游性植物;
實際上能量利用率至今所知尚未有超過1.6%者,理論上雖可達3%,但因吾人測之可見光譜是介於380nm~770nm間,尤其是在水域系統中,其入射光能量因水深度而降低,故光合能力無法接近理論值。
又綜合上述,水生植物消耗於呼吸作用者僅佔總生產力之15~24%,農作物為25%,森林為50~60%,而熱帶雨林則為70%。
相對地,越靠近熱帶地區的植物,其能量利用率越低,而用於呼吸作用者卻達70%以上。
這乃由於熱帶地區,溫度太高,熱量消耗太大,當然呼吸作用是唯一提供熱能消耗的重要機制之一。
全球各地能量利用率亦因地區而異,沙漠地區之生產力為400200kcal/m2/yr,湖沼中之浮游生物為800~2400kcal/m2/yr,
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- 生态学 Ecology 探讨 生物 环境 因子 相互 关系 学问