海洋生态系统的能流讲解

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第八章
学习目的
海洋生态系统的能流 及次级生产力
掌握海洋生态系统能流的基本过程、食物链、 营养级和生态效率等基本概念。 掌握海洋食物网特点和有关简化食物网、同 资源种团、粒径谱和生物量谱、微生物环的组成、 结构及其在生态系统能流、物流中的作用等能流 研究新进展的有关知识。 了解海洋生态系统能流和动物种群次级产量 的一些基本分析方法。
E1 E2 1( 2) 3(2) 2 (0 ) 5(6) 3(4) 2(2)0(0) 23(26) E3 7(10) 2(1) 1 (0 ) 6(5) 5(4) 2(1)1(0) 25(18) ST 2 7(6) 1(1) 1( 0) 2(1) 1 (2 ) 5(3) 4(8) 1(2)0(1) 23(27) E7 9(10) 1( 0) 1(1) 2 (2 ) 6(5) 13 (10) 2(3)0(1) 37(29) E9 12(7) 总计 55 (55) 7( 5) 13 (8) 8 (6 ) 32 (23) 36 (31) 12(9) 1(3) 164 (140)
w1+w2 P = (n1-n2) ( )+(n2w2-n1wl) 2
鱼类、底栖生物和世代不相重叠的桡足类种群可以应用
(二)积累生长法(cumulative grow method)
繁殖连续、世代互相重叠的种群产量。很难通过现 场调查其同一世代群体的个体数和生物量变化.
nⅠΔ W nⅡΔ W nⅢΔ W P= + + +… tⅠ tⅡ tⅢ
-5.1 ○ 1.9 ▲ 4.2 -3.0
16
0
5
10
15 20 / 温度 ℃
12
22
14
16
18
20
图 8.8 温度对红大麻哈鱼生长率的影响 rn et al. 1973) (Shelbou
/℃ 温度 Gammarus zaddachi 图 8.9 温度与端足类( )的蜕皮 时间间隔(Kinne 1970 )
(三)碳收支法(the carbon-budget method)
P = C -(F + R + U) 同化量A = C -F -U,P = A -R 通过室内的实验,测定了动物的摄食量、同化效率和呼吸率 等参数
第四节 粒径谱、生物量谱的概念及其在海
洋生态系统能流研究中的应用
一、粒径谱、生物量谱的概念 1.粒径谱

海洋食物链
(二)碎屑食物链:以碎屑为起点
1. 来源:尸体,蜕皮,粪团 2. 重要性:
①能流大; ②加强生态系统的多样性与稳定性; ③对近岸和外海 、大洋表层和底层的能量流 (和物质 流)起联结作用; ④营养价值很高.
二、营养级与生态效率
(一)营养级: 食物链上按能量消费等级划分的各个环节。 1. 特点: 每一营养级包含一系列种类,营养级是有限的. 2. 特定种群所处营养级按其实际同化的能源而确定 混合食料的营养级大小 = ∑(鱼类各种食料生物类群的营养 级大小×其出现频率百分组成) 3. 食碎屑动物的营养层次较难确定,往往将整个食碎屑类群 作为黑箱(black box)来考虑
如果把海洋中的生物,从微生物和单细胞浮游植物到 浮游动物、直至鱼类和哺乳类,都视为“颗粒”,并以统 一的相应球型直径(equivalent spherical diameter,ESD) 表示其大小,那么某一特定生态系统各粒度级上的生物量 分布将遵循一定的规律,即顺营养层次向上总生物量略有 下降。
在平衡状态下粒径谱是一条有着很低斜率的直线
2、可以对不同生态系统的特点进行比较。 3、从某一粒度级的生物量去推算其他粒度级的生物量或产 量。可以作为确定最大持续捕捞量的依据,也可以应用粒径 谱方法计算初级生产力。
主要特点:简便、实用
第五节 海洋微型生物食物环
一、海洋微型生物食物环的组成和基本结构 (一)什么叫海洋微型生物食物环

1、细菌的二次生产(bacterial secondary production) 微型生物食物环(microbial food loop)或简称为微食物环, 也可称为微生物环(microbial loop):异养浮游细菌→原 生动物→桡足类的摄食关系 新近研究表明,除了细菌外,某些原生动物也能直接摄取 DOM DOM →原生动物→桡足类
水层渔获量 1.5(8.8%)
R=21 90% 渔获量 0.2(8%)
碎屑400
353
R=213 60% 47 R=15.4 80% 小型底栖动物生物 量=7.5g干重/m2 产量 =37.5kcal/m2· a K1=0.2 12
细菌产量=140 生物量=0.025 140 K1=0.4
渔获量 0.3
(二)海洋微型生物食物环的结构
浮游植物 小型( micro-) 微型( nano-) 和微微型( pico-) 死亡
(硅藻)
DOM
浮游动物 ( 桡 足类等)
原生动物 (鞭毛虫类、纤毛虫类)
异养浮游 细菌
鱼类
有机粪便和 分泌产物 微型生物食物环 1997b )
营养级( n)的生产量 营养级( n)的生态效率( E)= 营养级( n- 1 )的生产量
营养级( n)的消费量 营养级间利用效率( EC)= 营养级( n- 1 )的生产量
K1 =P / C
K2 =P / A
E=EC· K1
2. 生态效率的一些规律:



一般大型动物的生长效率低于小型动物,老年低于幼年。 肉食动物的同化效率高于植食动物。 变温动物的生长效率高于恒温动物。 大洋群落食物链的平均生态效率比沿岸上升流区的低。 与陆地食植性动物对植物的消耗和吸收相比较,海洋浮游 动物对浮游植物的利用效率和总生长效率都比较高。 海洋生态系统平均生态效率通常比陆地的高 。 食物丰富度与生态效率。
Lalli & Parsons
1997 )
下线:赤道太平洋
2.生物量谱


生物量 /(log kCal/m )
相同 ESD 的颗粒(生物)其含能量差别很大。以生物量谱 4 (biomass size spectra)代替粒 径谱能更准确反映不同粒级成 3 3 4 员能量的关系。 2 5 A 10 实质是生物量能谱 . 6


2、微微型自养生物→原生动物→桡足类的摄食关系 Sherr 等 ( 1 9 8 8 ) 提 出 最 好 用 “ 微 型 生 物 食 物 网 ” (microbial food web) 3、在富营养水域,微型生物食物环作为牧食食物链的一个 侧支,为海域生态系统能量流动的补充途径,从而提高总生 态效率;而在贫营养海域,微型生物食物环在海洋食物链的 起始阶段的作用远大于经典牧食食物链,是能流的主渠道。
1 硅藻

10 - 1 生物量 /(g/m )
3
磷虾

须鲸

10 - 2
10 - 3 10 - 4 - 5 10
鞭毛虫

浮游动物

鱼、鱿鱼

金枪鱼

图 8.16
10 - 2 10 - 1 粒径 /cm 海洋食物链中不同个体大小的平均生物量( 10 - 3
上线:南大洋
10 - 4
1
10
10 2
10 3
2
1
8 6 9 12
8 5 9 A 10 12 4 3
0
-9 -7 体重 /log kCal -5 -3
图 8.17
乔治亚滩各月生物量谱(Boudreau & Dickie 1992 ,转引自王荣 2000 )
二、粒径谱、生物量谱在海洋生态系统能流中的应用


1、粒径谱和生物量谱可反映生态系统的状态或动态。
其他肉 食动物 小型底 栖生物
上层草 食动物
(粪便)
(微生物)
初级产量 图 8.6 根据主要生物类群作出的北海食物网 (引自 Steele 1974)
(三)营养层次关键种
营养层次转化中发挥重要作用的种类
以关键种为中心的食物网研究已成为一种新的研究趋势
人 顶级 大型 中上层鱼类 (如蓝点马鲛) 头足类 (如日本枪乌贼) 底层鱼类 (如小黄鱼、鲆鲽类) 类 捕 捞
生态位明显重叠,种间竞争很激烈 ,物种之间是可以相互取代

2. 同资源种团与生态系统营养结构的相对稳定性
表 8.1 营养结构稳定性的证据(引自 Putman & Wratten 1984) 岛 营 养 级 ? 总 共 H S D W A C P 9 ( 7) 1 ( 0 ) 3(2) 0 (0 ) 3(0) 2(1) 2(1)0(0) 20(11) 11 (15) 2( 2) 2(1) 2 (2 ) 7(4) 9(4) 3(0)0(1) 36(29)
(三)根据营养级和生态效率计算次级产 量

Pn+1 = P1 En+1 Pn+1表示营养级n+1的 产量,P1是初级产量, E是生态效率,n是营养
级传递的数目。 “水平”环节使一个营 养级之内的输出能量被 降低
1
0.55
0.5 肉食性动物生产
5
5
浮游动物生产
10
10

100 食物链
100 食物网
R=300 20% PG=1500kcal/m2· a PN=1200kcal/m2· a 平均生物量=4g/m2
R=672 80% 960 20% 240 70% 植食动物生物量 =1.5g干重/m2 产量=192kcal/m2· a K1=0.2 10% 未消化 96
R=136 80% 90% 水层捕食者生物量 170 = 2.0g干重/m2 a 未 产量=17kcal/m2· 捕 K1=0.1 食 未 自然 22 同 20% 死亡 12 化 17 3.4 底层鱼类生物量 =1~1.25g干重/m2 产量=2.4kcal/m2· a K1=0.1 2.2 底栖捕食者生物量 =2.5g干重/m2 25.5 产量=4kcal/m2· a K1=0.15 R=24


2.食物: 食物质量越高,动物的同化效率也随之提高,其 生长效率就高 3.个体大小:一般较小个体有较高的相对生长率
三、动物种群产量的测定方法
(一)股群法(cohort method)
存活个体的增重量加上损失的个体的增重量 w2-w1 P = n2(w2-wl)+(n1-n2) ( ) 2 w2-w1 P =(n1 + n2) ( ) 2 损失的生物量加上存活的生物量的变化量
(二)简化食物网
功能群(functional group),或称同资源种团(guilds),将那 些取食同样的被食者并具有同样的捕食者的不同物种(或相同物 种的不同发育阶段)归并在一起作为一个营养物种。以营养物种 来描绘食物网结构就是简化食物网。
人类捕获产量
大鱼
无 脊 椎 肉食动物
上层 鱼类
底层 鱼类 大型底 栖生物
4
梭子鱼
3Βιβλιοθήκη Baidu
小型 中上层鱼类 (如 鳀鱼、黄鲫)
长尾类 (如褐虾)
2
浮游动物
底栖生物
1
浮游植物
营养层次
图 8.7 黄海简化食物网和营养结构(根据 1985~1986 年主要资源种群生物量绘制, Tang 1993 )
(四)同资源种团的特征及生态系统营养结构的相对 稳定性

1. 同资源种团(或功能群)的主要特征:
第三节 海洋各类动物次级产量估计
一、海洋动物的生物量与生产力
二、影响动物种群产量的因素


任何能影响动物的新陈代谢、生长、繁殖的因素都与动物的 产量有关 。 1.温度:在最适温度范围内,动物有最高的生长率。 8
24 生长率/(%/d)
● ●
0.5 -1.5
时间/d

(g)
20
4
○ ● ○ ▲

▲ ▲
图 8.2 浅海食物网中各营养级的关系(引自邓景耀等
1988 )


(二)生态效率
1. 概念:一个特定营养级获取的能量与向该营养级输入的能 量之比.
被 更 高 营养 次级生产量 = 级取食 被同化的 = 未被取食 呼吸代谢 动物吃进的 = 未同化的 动物未吃进的
Pn
Pn-1
食物种群 =
C
动物得到的 = 动物未得到的
第一节 海洋食物链、营养级和生态效率
一、海洋牧食食物链与碎屑食物链
(一)牧食食物链:以活植物体为起点


1. 大洋食物链(6个营养级) 2. 沿岸、大陆架食物链(4个营养级) 3. 上升流区食物链(3个营养级)
海洋食物链环节数与初级生产者的粒径大小呈相反关系 关于上升流区的营养层次问题存在一些争论
浮游植物生产
图8.3 一个由食物链有分支造成能量输出减少的简单例子(假定在通过 10% Steele 1974 每一个生产层时的转移效率是 )(引自 )
第二节 海洋食物网及能流分析
一、简化食物网与营养层次关键种
(一)营养结构分析的难题
海洋食物关系(食物网)是非常复杂 初级碎屑物来源难以归入某一特定的营养级
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