生态金字塔

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摘要:

生态金字塔是生态学中表示不同关系的一种形式,生态学中常以金字塔的形式表示的有能量金字塔、数量金字塔、生物量金字塔等。不同的金字塔能形象地说明营养级与能量、生物个体数量、生物量之间的关系,是定量研究生态系统的直观体现。  

目录

[4]简述

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生态金字塔(ecological pyramid)把生态系统中各个营养级有机体的个体数量、生物量或能量,按营养级位顺序排列并绘制成图,其形似金字塔,故称生态金字塔或生态锥体。可分为能量金字塔、生物量金字塔和数量金字塔三类。生态金字塔可表示生态系统的营养结构和能流过程,如图所示,每经过一个营养级,能流总量就减少一次,能量在逐级流动中的传递率一般只有百分几到20%,林德曼(R.L.Linde-man)在研究湖泊生态系统能流时,首次发现能流在各营养级间的传递率约为10%,并称为“1/10规律”。一般来说,能量锥体必呈正金字塔形,而生物量锥体和数量锥体则可能倒置或部分倒置。生态金字塔(ecological pyramid)把生态系统中各个营养级有机体的个体数量、生物量或能量,按营养级位顺序排列并绘制成图,其形似金字塔,故称生态金字塔或生态锥体。它指各个营养级之间某种数量关系,这种数量关系可采用生物量单位、能量单位或个体数量单位,采用这些单位构成的生态金字塔分别称为生物量金字塔、能量金字塔和数量金字塔。  

原理

生态金字塔的原理可用一个十分形象但又不很严格的比喻来概括:大约1000公斤浮游植物能转变成100公斤浮游动物,而100公斤浮游动物才能转变成10公斤鱼,而10公斤鱼大致是人长1公斤组织所需要的食物。这条规律称为“十分法则”,是美国生物学家林德曼提出来的。他曾受我国的“大鱼吃小鱼,小鱼吃虾米,虾米吃泥巴”和“螳螂捕蝉,黄雀在后”等谚语的启示,提出食物链的概念,又受“一山不存二虎”,这谚语的启发,提出物质和能量的“十分法则”。该法则说明,在生态金字塔中,每经过一个营养级,能流总量就减少一次。食物链越短,消耗于营养级之间的能量就越少,缩短食物链,就能供养较多的人口。

生态金字塔

  

类型

所谓“生态金字塔”有三种类型:⑴生态数量锥体、⑵生态生物量锥体、⑶生态能量锥体。三者不应相混,更不应将生态数量锥体与生态能量锥体混为一谈。生态能量锥体指的是在一个生态系统中,低营养级的生物所固定的能量一定比高营养级的大,即生态系统中的能量是沿食物链逐级递减的。由此,这个生态能量锥体必然是一个上尖下大的金字塔形锥体。这是因为:一,消费者有机体在获取食物方面从来不可能是完全有效的,总有许多生物保留下来,有些可能不适合食用也会保留下来;二,消费者有机体从来不可能把全部吃下的食物都转变成自己的原生质(即完全同化),其中有些作为粪便排出;吸收的能量(即同化过程中所得到的能量)中,大部分在呼吸过程中作为燃料转变为热能而散失。(热能不可能再为生产者所利用,即生态系统中能流是单向性的)这样,低的收获率与低的代谢效率相结合,就使得在生态系统中,消费者生物种群至多只能转变食物源的10~20%成为自己的原生质,即营养级之间能量转移的效率一般为10%“百分递减率”。于是,明显地,生态系统中能量是沿食物链单向流动并逐级递减的。

然而,生态数量锥体就未必是上尖下大的“金字塔形”锥体,有时会出现高营养级的生物数量多于低营养级的生物数量。 由于生物个体的大小可以有不同,生物个体的代谢效率可以有差别,所以一个营养级的生物数量多并不意味着其固定的能量一定比另一个生物数量较少的营养级固定的能量多。例如,一棵大树上有百来只昆虫在吃树叶,这棵大树的能量足以维持这百来只昆虫的生活。显然,在这个生态系统中,生产者大树是初级营养级,消费者昆虫是二级营养级,前者的生物数量远远小于后者的生物数量,是一个典型的上大下小的倒金字塔形的生态数量锥体。可见,生态数量锥体有时是可能倒置的,但这并不意味着高营养级固定的能量大于低营养级固定的能量。我们在教学时应充分说明这一点。  

生物数量锥体

生物数量锥体是以每个营养级的生物个体数量为依据绘制的金字塔。这种类型的金字塔也往往出现倒置现象。 每一台阶的含义:表示每一营养级生物个体的数目。

生物数量锥体的一般形状。因为在捕食链中,随着营养级的升高,能量越来越少,而动物的体形一般越来越大,因而生物个体数目越来越少。

实例:人们对一片草地上的所有生物成员作了统计:

生产者(野草) 5842424株;

初级消费者(草原动物、昆虫) 708 624只;

次级消费者(肉食动物、吃昆虫的小鸟) 354 904 只;

三级消费者(肉食动物、吃小鸟的鹰) 3只。

数量锥体的特殊形状:如一棵树与树上昆虫及鸟的数量关系。  

生态数量锥体

生物量锥体每一台阶的含义:表示每一营养级现存生物的质量,即有机物的总质量。

生物量锥体的一般形状:能量是以物质形式存在的,因而每一营养级的生物量(现存生物有机物的总质量)在一定程度上代表着能量值的高低,从这个意义上讲,生物量金字塔的形状一般同能量金字塔形状相似。

实例:人们对一片海域中生态系统作了统计:

生产者(大叶藻) 4 800万吨;

初级消费者(吃大叶藻的小鱼虾) 1200万吨;

次级消费者(吃小鱼虾的大鱼) 17万吨;

三级消费者(吃大鱼的鱼) 3万吨。

生物数量锥体的特殊形状:如海洋生态系统中,生产者浮游植物个体小,寿命短,又会不断被浮游动物吃掉,因而某一时间调查到的浮游植物的生物量可能要低于其捕食者浮游动物的生物量,但这并不是说流过生产者这一环节的能量比流过浮游动物的要少。

生物能量锥体

是指将单位时间内各个营养级所得到的能量数值由低到高绘制成的图形呈金字塔形,称为能量金字塔。营养级别越低,占有的能量就越多;反之,营养级别越高,占有的能量就越少。所以能量金字塔塔基体积最大,越往上越小。能量金字塔是绝不会倒置的。从能量金字塔可以看出:在生态系统中,营养级越多,在能量流动过程中消耗的能量就越多。生物量金字塔:是以每个营养级的生物量绘制的金字塔。这种类型的金字塔在陆地生态系统中一般是不会倒置的。生物能量锥体的形状永远是正金字塔形。

营养级

生物能量锥体每一台阶的含义:代表食物链中每一营养级生物所含能量多少。

生物能量金字塔形状的象征含义:表明能量流 动沿食物链流动过程具有逐级递减的特性。

一般来说,能量金字塔最能保持金字塔形,而生物量金字塔有时有倒置的情况。例如,海洋生态系统中,生产者(浮游植物)的个体很小,生活史很短,根据某一时刻调查的生物量,常低于浮游动物的生物量。这样,生物量金字塔就倒置过来。当然,这并不是说流过的能量在生产者的环节要比消费者的环节低,而是由于浮游植物个体小,代谢快,生命短,某一时刻的现存量反而比浮游动物少,但一年中的总能流量还是较浮游动物多。数量金字塔倒置的情况就更多一些,如果消费者个体小而生产者个大,如昆虫与树木,昆虫的个体数量就多于树木。同样,对于寄生者来说,寄生者的数量也往往多于宿主,这样,就会使数量金字塔的这些环节倒置过来。

营养级 

生态金字塔可表示生态系统的营养结构和能流过程,每经过一个营养级,能流总量就减少一次,能量在逐级流动中的传递率一般只有百分几到20%,林德曼(R.L.Linde-man)在研究湖泊生态系统能流时,首次发现能流在各营养级间的传递率约为10%,并称为“1/10规律”。食物链上的各个环节叫营养级。在生态系统中,生产者为第一营养纹,一级消费者为第二营养级,二级消费者为第三营养级……,依此类推。但食物链的加长并不是无限的,通常一个食物链由4~5个营养级组成,最多不超过7级。各营养级上的生物一般不只一种,凡在同一层次上的生物都属于同一营养级。例如在草原生态系统中,多种草本植物都属于第一营养级,一级消费者鼠类、小鸟、野兔等都属于第二营养级。又由于食物关系的复杂性,同一种生物也可能隶属于不同的营养级。如黄鼬不仅吃田鼠,还吃鸟、蛙甚至少量植物,可隶属于第一、第二营养级。又如,人类食物来源88%为植物物产品(小麦、水稻、玉米、水果、蔬菜等),相当于食草动物的地位,属于第二营养级;人类还以动物性产品(肉、奶、蛋等)为食物,则相当于食肉动物的地位,属于第三营养级。

低位营养级生物是高位营养级生物的营养与能量的供应者。第一营养级生物(生产者)获得的能量,在自身的呼吸和代谢过程中要消耗很大一部分,余下的作为生物量积累,而后者又不能全部被第二营养级生物(食草动物)所利用。因此,在数量上第一营养级必然大大超过第二营养级,第二营养级必然大大超过第三营养级……依此类推。生物量和能量的转移情况亦与此相似。  

课文《生态金字塔》

生态金字塔

大鱼吃小鱼,小鱼吃虾米,虾米吃浮游生物,浮游生物吃绿藻……当你察看生物食物链的时候,会发现一个有趣的现象:生物链越往____层,不被别人吃或少被别人吃的动物数量越____;而越往____层,被别种动物大量吞食的生物数量越____。

杂草是数量最大的生物了,可蝗虫、尺蟃、菜蚜、甲虫等昆虫,田鼠、兔子、羚羊、鹿等哺乳动物,都靠它生存。而这些食植物性的动物,其数量也较大。吃肉的食肉性动物,如黄鼠狼、狐狸、狼、狮子、虎,比食植物性的动物少得多。甲虫吃草,蜘蛛吃甲虫,山雀又捕食蜘蛛,鹰吃山雀。一只甲虫,地上一平方米的采食空间便可满足它的能量和营养的需要,而鹰则需要在几十平方千米的范围内觅食才能得到足够的食物。这些生物中,甲虫比草少,蜘蛛比甲虫少,山雀比蜘蛛少,鹰比山雀少。

科学家考察了生物世界的食物链,发现它恰似一个底大顶尖的金字塔,便把这叫做生态金字塔。

生态金字塔的最底层食绿色植物。绿色植物是一切生物的能量基础,是初级的生产者,在食物链中处于第一营养级。绿色植物往上,便是食草动物,是第二营养级。食肉动物处在第三营养级上。在金字塔的营养级序列中,上一个营养级总是依赖于下一个营养级的能量而存在。金字塔的底层,是生产者,顶端是消费者。

地球上的绿色植物是太阳能量的收集者,也是生态系统能量和营养的供应者。绿色植物对太阳能利用效率的高低,它的生产规模的大小,决定了进入生态系统的能量有多少,也决定了我们的地球究竟能承载多少食草动物、食肉动物,以至于处于生态金字塔顶端的人。生态金字塔每经过一个营养级,能量损耗90%左右,越往上,能量流越细,流入塔顶的能量越少。

有位生态学家做过一个假设:在食肉为主的国家,一个体重48公斤的男孩,以吃小牛肉为食,一年之中他需要吃4.5头小牛。为了饲养这 4.5头小牛,需要开垦4公顷的土地,全部种上苜宿来生产饲料。最后的结果怎样呢?小孩重48公斤,牛重1035公斤,苜宿重8211公斤。小牛的重量是小孩的22倍,苜宿的重量是小孩重量的170倍!

生态金字塔告诉人们,大自然的负载能力是有限的,绝不可能超过负载能力去供养金字塔顶端的消费者。人类的活动必须遵循这个自然的法则,否则,将使人类自己遭到大自然的惩罚。

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