海洋生物圈与海洋生态系统 黄宝琦

二、海水运动的综合效应 海水对海洋环境的影响很大，尤其在上升流区，温度较低却富营养的水 由深层输送到表层，使该区表层生产力增加。 大陆沿岸流和大陆入海径流对局部范围的海温、盐度、营养物质以及气 体和其它物理、化学因素的影响，尤其是对入海物质的扩散与转运起到 很大作用。 海水运动对海洋生物的影响是综合性的，既影响海洋生物的生态环境， 也会影响种群丰度和群落结构。
一、海洋生物的环境分区
海洋生物的栖居环境分水层和底层两部分： 水层部分：
一、水层环境的主要特征：
温度：水温是海洋生物极其重要的生态限制因子，是决定海洋生物的生存区域、物种丰度及其变化的主要环境因素。 热带、亚热带、温带、寒带。广温、窄温；暖水，温水，冷水。
盐度：盐度对于海洋生物的作用主要在于影响渗透压，大多说海洋生物体和海水是等渗性的。广盐，窄盐。 营养元素：N,P,K,Ca,S,Mg…… 光和需要的：Mn,Fe,Cl,Zn,V；氮代谢需要：Mn,B,Co,F；其它代谢需要的：Mn,Cu,Co,B,Si. 深度：对生物的影响是流体静压力的作用和光照深度。 每10m压力约增加1013.25hPa，许多深渊生物生长缓慢。 光照深度随着水深增加指数下降。清澈的海水中，25m处，大部分红光被吸收，然后是橙光、黄光和绿光。 在清澈大洋区，光线可透射到200m，此处只有波长在495nm附近的蓝光；在混浊的沿岸地带，可透射到 30m。因此，海水有透光层和无光层两部分。
海洋生物多样性
海洋生物多样性概念： Biodiversity-生物之间的多样化和变异性及物种生境的生态复杂性，是所有生物种类、种内 遗传变异和它们生存环境的总称。 海洋生物多样性的三个层次： 遗传多样性－一个物种的遗传变异愈丰富，对环境变化的适应性就愈大。种群内的遗传变 异反应了物种演化的潜力。 物种多样性－物种是占一定空间、具有实际或潜在繁殖能力的种群所组成，而种群间在生 殖上隔离。是生物多样性所包涵的三个层次中最为显著的一层。无论是陆生还是海生的物 种都显示出：动物界物种多样性高于植物界；分类阶较低的物种多样性高于较高阶；个体 小型物种的多样性高于个体大型的物种。
早寒武世 澄江动物群 的发现 距今5.3亿年
澄江动物群
BURGESS SHALE FAUNA
• 1909年，CHARLES WALCOTT 在加拿 大发现
• 中寒武世5.15亿年前的化石群
• 共约150种当时最早的动物化石
Burgess Shale Fauna
生物圈的演化：
无机分子-有机小 分子→有机大分 子→原核生物 （38亿年前，藻 类）→单细胞真 核生物（18亿年 前）→后生生物， 即多细胞生物， 海洋无脊椎动物 （6亿年左右， 三叶虫5.4亿、笔 石，4.5亿）→鱼 类（4亿年前）→ 两栖动物→爬行 动物（2.5亿年前， 恐龙）→哺乳动 物和鸟类（始祖 鸟）
海洋生物分类系统
• 瑞典植物学家林奈 （CAR LINNAEUS）建立的一套完 整的动-植物分类系统， 描述的七个基本的分类系 统：界，门，纲，目，科，属，种
界 Kingdom 动物界 Animalia 门 Phylum ( Phyla) 脊索动物门 Chordata 纲 Class 哺乳纲ammalia 目 Order 灵长目 rimates 科 Family 人科 Hominidae 属 Genus (Genera ) 人属 Homo 种 Species ( Species ) 智人 Sapiens 除上术分类基本的单位之外，介于其间的辅助单位用 词头冠之诸如超─(科)，亚(科)。Super- ; Sub1707-1778
三、潮汐对海洋生物的影响 在潮间带，水体周期性涨落，环境动荡，分带明显，只有适应能力极强 的生物才能在此生活。
现代表层洋流
UPWELLING OFFSHORE WINDS WINDS FROM NORTH (NORTHERN HEMISPHERE) WINDS FROM SOUTH (SOUTHERN HEMISPHERE）
海洋生物学研究历史
海洋生物学之父 – 亚里士多德 Aristotle 384-322BC。
亚里士多德在其著作中识别 出甲壳、棘皮、软体和鱼类 等。并且认为鲸鱼是哺乳动 物，海洋脊椎动物可以是胎 生也可以是卵生。
海洋生物学研究历史
• 现代海洋生物学的研究开 始于18世纪英国。JAMES COOK（1728-1779）船长 的2次探险旅行，在航海日 志中他描述了大量当时未 知的植物和动物，并绘制 了海图。
海洋生物生态类群及生物地理学
海洋生物生态类群：根据海洋生物的生活习性、运动能力及所处海洋水 层环境和底层环境的不同，可分为：浮游生物、游泳生物和底栖生物三 大类群。 海洋浮游生物： 海洋浮游植物、 海洋浮游动物、 海洋漂浮生物（水漂生物、浮漂生物（表上漂生物、表下漂生物）） 海洋游泳生物： 底栖性游泳生物 浮游性游泳生物 真游泳生物 陆源游泳生物（出现于海岸沙滩、岩石、冰层或浅海等处） 海洋底栖生物： 海洋底栖植物 海洋底栖动物
上升流的分布
生物泵
生物泵开足
生物泵停止
冰期-间 冰期旋 回中生 物泵对 大气 CO2浓 度调节
底层部分：
一、海底地形的影响 海底地形复杂多样，对生物的影响很大，比如“海底热泉”，局 部温度可达300－400度，其区内生活的海洋生物群落就非常特殊。
二、底质类型的影响 不同的底质类型形成了不同生态效应区带，生活着与其相适应的 生物群落。 岩石－底栖固着、钻孔等生物类型 沙－挖掘、钻孔 泥－固着、潜穴
热泉生物群落－海水中富含硫化氢和硫酸盐，该环境内的硫化细菌非常丰 富，密度可达106个/ml。 河口生物群落－环境复杂多变。 红树林生物群落－可以适应海水高盐的环境。年平均水温24－27度。 珊瑚礁生物群落－温暖浅海中。（岸礁、堡礁和环礁）
Alvin
1977年，在东太平洋 Galapagos 海脊区发现 “热液生物群”和硫化物 的“黑烟囱”
生态系统能量流动和物质循环的基本过程 光合作用的基本反应：6co2+12h2o---c6h12o6+6o2+6h2o（光能和叶绿素） 能量的流动和转化服从热力学定律，转化过程中，不同环节之间的能量比值为转化效率。 任何物质和元素都处在循环的某个阶段，它们通过生态系统中生物有机体和环境之间的 循环活动过程叫生态系统的物质循环。 生态系统的营养物质循环（生物循环）是在环境、生产者、消费者和分解者之间进行的； 而生态系统之间各物质或元素的输入和输出以及它们在大气圈、水圈、土壤圈、岩石圈 之间的交换叫生物地球化学循环。
海洋环境分区：
一、浅海区： 潮间带－涨潮时海水可以淹没，而退潮是出露的区域。 潮下带－浅海海域，水层深度一般不大于200米，海底地形较平坦，坡度小。
二、大洋区： 水层部分： 海洋上层－0－200m 海洋中层－200－1000m 海洋深层－1000-4000m 海洋深渊层－4000-6000m 海洋超深渊层－6000-10000m 底层部分： 陆架海底－从潮间带海底到水深200米的海底 半深海底－大陆斜坡，水深由200米，急剧下降到2000－3000米 深海海底－大陆斜坡向深海延伸，到达深海平原及洋底热泉，2000－6000米 深渊海底－部分深海平原和更深的海沟，6000－10000米
海洋生态系统
海洋生态系统：一定的空间内生物成分与非生物成分通过物质循环和能量流 动，互相作用、互相依存、互相调控而构成的一个生态学功能单位。
生态系统具有的共同特征： 1、是生态结构上的主要结构和功能单位，属于生态学研究的最高层次
2、生态系统内部具有自我调节能力 3、能量流动、物质循环和信息传递是生态系统的三大功能 4、生态系统是一个动态系统，简单－复杂；不成熟－成熟；早期发育阶段－ 晚期发育阶段
生态系统多样性－最高层次的生物多样性。与生态系统内部由于生境差异和生态过程的多 样性所引起的极其丰富的种群多样化有关。
全球海洋内主要的生物群落： 近海生物群落－包括潮间带到大陆架边缘内侧，水体和海底的所有生物生 物对环境变化具有较强的适应能力，有明显的季节变化和种群交替。
大洋生物群落－包括从大陆架边缘外侧到深海的整个海域内的海洋生物。
大洋表层海水温度
http://www.ssec.wisc.edu/data/sst.html
B大洋海水垂向温度变化
北大西洋浮游有孔虫属种分布
淡水
淡化海
过渡带
正常海
过渡带
咸化海
主 要 无 脊 与 椎 含 动 盐 度物 和 的藻 关类 系化 石 分 布
轮藻
红藻 绿藻 蓝绿藻 放射虫 球石 硅藻 钙质有孔虫 钙质有孔虫 海绵 珊瑚 钙质虫管 苔藓虫 腕足动物 棘皮动物 头足动物 双壳动物 腹足动物 介形虫 三叶虫 笔石
海洋生物学研究历史
•在James Cook之后， Charles Darwin，在 HMS Beagle上继续了 早期的海洋生物学研究， 并把收集和研究的标本 送往大英博物馆编辑入 册。 •由于对地质学的兴趣， 达尔文研究了珊瑚礁。
海洋生物学研究历史
HMS CHALLENGER 历时3年， 在全球大洋收集并分析了成 千种海洋生物标本，这个旅行 被称为海洋学的诞生旅行。 挑战者号装备了显微镜、 化学试剂、拖网、挖泥机， 温度计等设备，上千米的 绳子可以到达大洋底层。
科考之后， 1859年，世界上最早的海洋站是法国 CONCARNEAU的 STATION BIOLOGIQUE ROSCOFF，海洋生物的培养等研究。
1871年 美国建立了WOODS HOLE实验室，被称为东北渔业科学中心。也 是世界上第一个渔业研究机构。该实验室1888年成立有MARINE BIOLOGICAL LABORATORY(MBL)。
The Guardian, August 9, 1997
太阳能 有 光 食 物 链
黑 暗 食 物 链
地热
深海生物圈Βιβλιοθήκη Baidu
Riftia pachyptila 三米长的管状蠕虫
深海热泉“细菌雪花”
黑烟囱表面布满细菌
热液动物群
生命的温度界限
Rothschild & Mancinelli,2001
古菌
细菌
藻类
真菌
原生 动物
植物
生命的酸碱度界限
某些古菌， 三种真菌 可容忍 0 各类生物能容忍的上限为
~11
古菌
细菌
藻类
真菌
原生动物
植物
Rothschild & Mancinelli,2001
海洋生物多样性的利用与保护
利用： 食物、医药材料、工业材料、海洋生物多样性对海洋环境和调节调节全球气候 的作用。 海洋生物多样性面临的威胁：过度利用、自然条件改变的危害、来自海洋污染 的威胁、外来物种的入侵、全球变化对海洋生物多样性的威胁。 海洋生物多样性的保护：遵循可持续发展的原则。
生物地理学的基本概念及专属名词
1、生物区系与特征区域－ 动物区系（植物区系）－某一地区内的各类动物或植物的总和。 含有特有种的地区为特征区域，是做跟踪分析的基本工作区域。 2、扩散:指生物种的流动，包括有机体的扩散、种扩散、生物群落扩散。 3、迁移：某些活动性较强的种，由于产卵、捕食、越冬东需要，进 行 周期性、非周期的移动、洄游，从而改变其原有的分布面貌。 4、分布中心：个体数量最多，为该物种生存的最适宜的环境。 5、分布区：一个种因遗传性和适应能力不同产生的不同形式的分布区域。 两极同源分布、北方两栖 6、阻限：生物种群在迁移过程中遇到的障碍。
生物圈的范围？
大气圈
岩石圈 水圈
奥地利地质学家休斯（1375）
生命的起源与演化
45亿年前地球形成之后，在经历了7亿年后生物 在地球上出现，最早的化石• 理论问题：
-- 从无机化合物到有机大分子
-- 有机物获得繁殖与遗传的能力
• 实际证据：
-- 约35亿年前蓝细菌类的化石（澳大利亚）
• 地球系统：
-- 生命起源的环境与影响
海洋生物圈与海洋生态系统
海洋科学导论
地球与空间科学学院 黄宝琦
2016年3月15日
海洋生物圈与海洋生态系统
一、海洋生物的环境分区
二、海洋生物多样性 三、海洋生物生态类群和生物地理学 四、海洋生态系统
地球表层系统的几大圈层
大气圈
水圈
生物圈
岩石圈
生物圈（biosphere）
——地球适合生物生存的地方