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第5节 生态系统的稳定性
第3章 生态系统及其稳定性
紫茎泽兰原分布于中美洲，传入我国后，先是在云南疯长蔓延，现已扩散至广西、贵州、四川等多个省份，对当地林木、牧草和农作物造成严重危害，在《中国第一批外来入侵物种名单》中名列榜首。
讨论1: 为什么紫茎泽兰在原产地没有大肆繁殖，在入侵地可以疯长蔓延？
适应、繁殖能力强，没有天敌等制约因素
【问题探讨】
2.我国曾引入紫茎泽兰的专食性天敌——泽兰实蝇来防治紫茎泽兰。泽兰实蝇也是一种外来生物，对这种方法，你怎么看？
【问题探讨】
泽兰实蝇可以抑制紫茎泽兰的生长，但是泽兰实蝇是一种外来物种，也有可能影响入侵地的生态系统，因此在释放泽兰实蝇之前，应做好相关研究，如泽兰实蝇的生物安全性研究，野外如何布点释放泽兰实蝇，定点释放的虫量应当为多少等等，即在确保利用泽兰实蝇的安全性后，再利用它进行防治。
一. 生态系统中信息的种类
(一)生态平衡
1. 生态平衡的概念:
生态系统的结构和功能处于相对稳定的状态，就是生态平衡。
2. 处于生态平衡的生态系统具有以下特征:
(1)结构平衡:
(2)功能平衡:
(3)收支平衡:
生态系统的各组分保持相对稳定。
生产—消费—分解的生态过程正常进行，保证了物质总之循环，能量不断流动，生物个体持续发展和更新。
如在某生态系统中，植物在一定时间内制造的可供生物利用的有机物的量，处于比较稳定的状态。
由此可见，生态平衡并不是指生态系统一成不变，而是一种动态平衡。
这种动态平衡是通过什么调节机制实现的呢？
（1）结构平衡：
生态系统各组分保持相对稳定。
一、生态平衡
2.特征：
水葫芦疯长，导致水体含氧量下降，水体鱼类大量死亡，细菌等微生物大量繁殖。
群落总生产量和总呼吸量的变化曲线图
思考：
在成熟阶段，群落的总生产量和总呼吸量呈现怎样的趋势？这说明了什么？
总生产量和总呼吸量均趋于稳定，且相对值接近。说明群落在物质、能量的输入和输出上趋于达到平衡状态。
（2）功能平衡：
（1）结构平衡：
一、生态平衡
2.特征：
（3）收支平衡：
动态平衡
问题三：这种动态平衡是通过什么调节机制实现的呢？
3. 生态平衡的调节机制 —— 负反馈调节
实例1:
兔子数量增加
狼增加
草减少，兔的生存空间和资源减少
兔子数量减少
草增加，兔的生存空间和资源增加
狼减少
说明在生态系统中，生物群落内部能够进行自我调节，以维持生态平衡。
3. 生态平衡的调节机制 —— 负反馈调节
实例2:
森林植被大量生长
林下光照减少，树苗生长受限，枯枝落叶增加
自然火灾
光照充足
土壤养料增多
种子萌发，幼苗迅速成长
植被逐渐恢复
说明在生态系统中，生物群落与无机环境之间也能够自我调节，以维持生态平衡。
3. 生态平衡的调节机制 —— 负反馈调节
上述生态系统都遇到了破坏或干扰，而对抗这种破坏或干扰，使生态系统恢复平衡的调节机制，是负反馈机制。
3. 生态平衡的调节机制 —— 负反馈调节
在一个系统中，系统工作的效果，反过来又作为信息调节该系统的工作，并且使系统工作的效果减弱或受到限制，它可使系统保持稳定。
负反馈调节在生态系统中普遍存在，它是生态系统具备自我调节能力的基础。
原方向
原方向
发生偏离
发生偏离
正反馈调节
更加偏离
负反馈调节
回到原方向
破坏稳态(错上加错)
调节稳态(改邪归正)
掠夺式开发后的黄土高原
美丽的呼伦贝尔草原
正反馈调节: 具有破坏性。
负反馈调节: 生态系统自我调节能力的基础。
思考·讨论 分析反馈调节的过程
讨论2: 利用本章第一节图3-4(第52页)，以图中的“草→昆虫→蜘蛛→捕虫鸟→鹰”这条食物链为例，描绘该种动物数量增加或减少时，生态系统可能发生的变化 ，并讨论反馈调节是否发挥了作用？
蛙减少
昆虫和蜘蛛增加
捕食昆虫和蜘蛛的鸟增加
鹰增加
蛇减少
蛙增加
昆虫和蜘蛛减少
捕食昆虫和蜘蛛的鸟减少
鹰减少
蛇增加
4.生态系统的稳定性
(1)概念: 生态系统维持或恢复自身结构与功能处于相对平衡状态的能力。强调的是生态系统维持生态平衡的能力。
(2)两个方面: ①抵抗力稳定性；②恢复力稳定性。
(3)生态系统的自我调节能力是有限的。
当外界干扰因素的强度超过一定限度时，生态系统的稳定性急剧下降，生态平衡就会遭到严重的破坏。
黄土高原由于植被破坏造成水土流失
二. 抵抗力稳定性和恢复力稳定性
生态系统抵抗外界干扰并使自身的结构与功能保持原状(不受伤害)的能力。
1. 抵抗力稳定性
抵抗干扰，维持原状
二. 抵抗力稳定性和恢复力稳定性
生态系统抵抗外界干扰并使自身的结构与功能保持原状(不受伤害)的能力。
1. 抵抗力稳定性
生态系统在受到外界干扰因素的破坏后恢复到原状的能力。
2. 恢复力稳定性
遭到破坏，恢复原状
抵抗干扰，维持原状
蝗虫采食下，草原植物再生能力增强
干旱时树木扩展根系的分布空间
这些都反映生态系统本身对外界干扰具有一定的抵抗能力。
1. 抵抗力稳定性
二. 抵抗力稳定性和恢复力稳定性
生态系统在受到外界干扰因素的破坏后恢复到原状的能力。
2. 恢复力稳定性
遭到破坏，恢复原状
2. 恢复力稳定性
大兴安岭1987火灾俯瞰图
若干年后，大兴安岭的植被
3. 不同生态系统在这两种稳定性的表现上有着一定的差别。
比较森林生态系统和北极冻原生态系统在两种稳定性表现上的差别，简要表述理由。
森林生态系统
草原生态系统
如果热带雨林生态系统和草原生态系统发生同等强度的火灾，哪个容易恢复到原状？
生态系统中的组分越多
食物网越复杂
自我调节能力就越强
抵抗力稳定性越高，
恢复力稳定性越低
一般来说，热带雨林生态系统和草原生态系统，哪个的抵抗力稳定性更强？
3. 不同生态系统在这两种稳定性的表现上有着一定的差别。
3. 不同生态系统在这两种稳定性的表现上有着一定的差别。
比较森林生态系统和北极冻原生态系统在两种稳定性表现上的差别，简要表述理由。
热带雨林中，动植物种类繁多，营养结构非常的复杂，假如其中某种生物大量减少，它在食物网中的位置还可以由这个营养级的多种生物来代替，整个生态系统的结构和功能仍然能够维持在相对稳定的状态；
一般来说，生态系统中的组分越多，食物网越复杂，其自我调节能力就越强，抵抗力稳定性就越高。
北极冻原生态系统，动植物种类稀少，营养结构简单，其中生产者主要是地衣，其他生物大都直接或间接地依靠地衣来维持生活，假如地衣受到大面积破坏，整个生态系统就会崩溃。
抵抗力稳定性 恢复力稳定性
区 别 实质 _____自身结构和功能相对稳定 _____自身结构和功能相对稳定
核心
影响 因素
保持
恢复
抵抗干扰，保持原状
受到破坏，恢复原状
生态系统中组分越多，食物网越复杂，其自我调节能力就越强，抵抗力稳定性越高
生态系统中组分越少，营养结构越简单，恢复力稳定性越高
抵抗力稳定性
稳定性
营养结构复杂程度
一般为负相关关系
恢复力稳定性
4. 抵抗力稳定性与恢复力稳定性的比较
注意: 环境恶劣地带的生态系统(北极冻原、荒漠)，往往恢复力稳定性和抵抗力稳定性都比较弱！
（1）图中两条虚线之间的部分表示生态
系统功能的正常作用范围。
（2）y表示一个外来干扰使之偏离这一范
围的大小，y值大，说明抵抗力稳定性弱，
反之，抵抗力稳定性强；如受到相同干扰
时，草原生态系统的y值大于热带雨林生态系统。
（3）x表示恢复到原状态所需的时间，x值大，说明恢复力稳定性弱，反之，恢复力稳定性强。
（4）曲线与正常范围之间所夹的面积作为总稳定性的定量指数（TS）,TS越大，说明这个生态系统的总稳定性越弱。
5. 生态系统稳定性的数学模型
生态系统在受到不同程度的干扰或破坏后，其恢复速度和恢复时间是不一样。
野火烧不尽，春风吹又生
严重污染后，经治理的河流
在个体水平稳态的维持上，有没有类似生态系统抵抗力稳定性和恢复力稳定性的情况？
人体在遇到病原体入侵时，免疫系统会抵抗病原体的入侵，这与生态系统的抵抗力稳定性相似；人体也有恢复稳态的机制和趋势，在大病初愈时，有些功能需要恢复到正常水平，这与恢复力稳定性相似。
研究不同生态系统在抵抗力稳定性和恢复力稳定性两方面存在的差别，对自然生态系统的利用和保护有什么意义？
在利用自然生态系统时，要根据不同类型生态系统抵抗力稳定性的差异，合理控制对生态系统的干扰强度，干扰不能超过生态系统抵抗力稳定性的范围；在保护自然生态系统时，要根据不同类型生态系统恢复力稳定性的差异，合理确定保护对策，如采取封育措施，补充相应的物质、能量，修补生态系统的结构，增强生态系统的恢复力。
【检测】如图表示正常生态系统受到一定程度的干扰后，生态系统稳定性的变化。下列说法错误的是(　　)
A.在受到干扰之前，曲线在正常范围内波动是由于该 生态系统具有自我调节能力
B.在受到干扰后，曲线偏离正常范围越晚和幅度越小，说明生态系统的抵抗力稳定性越高
C.S2所代表的面积越大,生态系统的恢复力稳定性越高
D.S3所代表的面积越小，生态系统的稳定性越高
C
【检测】在图一中，两条虚线之间的部分表示生态系统稳定性的正常范围: y表示一个外来干扰使之偏离这一范围的大小；x表示恢复到原状态所需的时间。图二表示气候变化对甲、乙生态系统中种群类型数量的影响。请回答:
(1)生态系统稳定性的基础是_______________________________。
若要保持一个封闭生态系统的稳定性，必须从外界源源不断的输入_____。
(2)如图一所示，对a、b两个生态系统施加相同强度的干扰，若ya＞yb，则这两个生态系统的抵抗力稳定性的关系为a____b(填“＞”“＜”或“＝”)；对同一生态系统来说，x和y的关系为_______。
生态系统具有一定的自我调节能力
能量
＜
正相关
偏离正常范围越大,恢复需要的时间就越长
(3)从图二中看出，甲生态系统的恢复力稳定性比乙生态系统的恢复力稳定性____ (填“高”或“低”)，乙生态系统在S点后经历________演替。
低　
次生
三. 提高生态系统的稳定性
（1）可以持续不断地满足人类生活所需；
（2）能够使人类生活与生产的环境保持稳定。
1. 提高生态系统的稳定性的意义
三. 提高生态系统的稳定性
2. 提高生态系统的稳定性的措施
（1）控制对生态系统的干扰强度，在不超过生态系统的自我调节能力的范围内，合理适度地利用生态系统。
合理放牧
封山育林
适量捕捞
三. 提高生态系统的稳定性
（2）对人类利用强度较大的生态系统，应给予相应的物质、能量的投入，保证生态系统内部结构与功能的协调。
2. 提高生态系统的稳定性的措施
农田施肥
防护林防风阻沙
1.基本原理:
在有限的空间内，依据生态系统原理，将生态系统的基本成分进行组织，构建一个人工微生态系统是可能的。要使人工微生态系统正常运转，在设计时还要考虑系统
内组分及营养级之间的合适比例。
应该注意，人工生态系统的稳定
性是有条件的，也可能是短暂的。
四.设计制作生态缸，观察其稳定性
2.小型生态缸(瓶)实验流程:
3.设计和制作生态缸的要求
设计要求 相关分析
生态缸一般是 的
生态缸中投放的几种生物必须具有很强的 ，成分 生态缸中能够进行物质循环和能量流动，在一定时期内保持稳定
生态缸的材料必须 .　
②保持生态缸内温度；③便于观察
生态缸宜 不宜 ，缸中的水量应 ，要留出一定的
生态缸的采光用较强的 光
封闭
生命力
透明
小
大
适宜
空间
散射
齐全
防止外界生物或非生物因素的干扰
①为光合作用提供光能；
便于操作；
缸内储备一定量的空气.
防止水温过高导致水生植物死亡
4.注意事项
（1）设计一份观察记录表，定期观察，同时做好观察记录，内容包括植物、动物的生活情况，水质情况（由颜色变化进行判别）及基质变化等；
（2）观察指标为：生态缸中生物的生存状况和存活时间，进而了解生态系统稳定性及影响稳定性的因素；
（3）如果发现生态缸中的生物已经全部死亡，说明此时该生态系统的稳定性已被破坏，记录下发现的时间。
（4）依据观察记录，对不同生态缸进行比较、分析，说明生态缸中生态系统稳定性差异的原因。
5.结论:
（1）人工生态系统可以保持较长时间的相对稳定但不是永久；
（2）人工生态系统的稳定性是有条件的
★生态缸或瓶中生态系统要保持稳定，需要具备下列条件:
②具有生产者、消费者、分解者，且三者的数量应保持一定比例。
①源源不断的能量输入;
(即不同营养级生物之间的比例是否合适)
【检测】如图所示为某同学制作的小生态瓶，据 图分析不正确的是(　　)
A.该生态瓶的组成成分虽比较简单，但其群落仍存在垂直结构
B.生态瓶中生物种类稀少，没有食物链存在
C.为了保证生态瓶的正常运转，瓶内浮萍、金鱼藻、螺蛳和虾的比例应适中
D.在适宜的温度和光照条件下,该生态瓶会更稳定
B
【检测】下图为河流生态系统受到生活污水（含有大量有机物）轻度污染后的净化过程示意图，请据图回答(教材P80)
（1）在河流的AB段上，溶解氧大量减少的主要原因是什么？
藻类减少，需氧型细菌大量繁殖，溶解氧随有机物被细菌分解而大量消耗。
（2）在河流的AB段上，藻类大量繁殖的主要原因是什么？
有机物分解后形成大量的NH4+等无机盐离子，有利于藻类的大量繁殖
（3）水中溶解氧含量逐渐恢复的主要原因是什么？
藻类通过光合作用释放O2，有机物减少，需氧型细菌数量下降，因而对溶解氧的消耗量减少。
（4）若酿造厂或味精厂将大量含有有机物的废水排入该河流，对河流生态系统可能造成的最严重后果是什么？请运用生态平衡原理分析造成这种后果的原因。
河流中的生物大量死亡，生态平衡遭到破坏；因为生态系统的自我调节能力有一定的限度，当外来干扰超过这个限度时，生态平衡就会遭到破坏。
（5）利用生态浮床（或挺水植物）可用来防止水华现象的原因是: 　　　　　　　　　　 ，
　　　　　　　　　　 。
①生态浮床可起遮光作用,抑制了水中浮游植物的光合作用
②生态浮床可可与水中的藻类植物竞争吸收水中的N、P等矿质元素
练习与应用
一、概念检测
1. 生态系统的稳定性包括抵抗力稳定性和恢复力稳定性。判断下列相关表述是否正确。
（1 ）温带针阔叶混交林比热带雨林的抵抗力稳定性低。 （ ）
（2）不同的生态系统，抵抗力稳定性和恢复力稳定性的强度不同。 （ ）
2. 封山育林能有效提高生态系统的稳定性，是因为 （ ）
A. 封山育林控制了物质循环
B. 延长了生态系统中的食物链
C. 增加了生态系统中消费者数量
D. 使生态系统营养结构复杂性增加
√
√
D
3. 天然森林很少发生的松毛虫虫害，却经常发生在人工马尾松林中，合理的解释是 （ ）
A. 马尾松对松毛虫抵抗力差
B. 人工林内松毛虫繁殖能力强
C. 人工林成分单一，营养结构简单
D. 当地气候适于松毛虫的生长和繁殖
C
二、拓展应用
某江南水乡小城，曾经是一派小桥、流水、人家的怡人景象。几百年来，当地百姓在河流上 游淘米洗菜，在下游洗澡洗衣，河水的水质一直保持良好。20世纪70年代，由于大量生活污水和工业废水排入河道，水质恶化。20世纪90年代, 当地采取措施对工业废水排放进行控制，同时将河道支流很多入水口封闭以减少污水流入，河道内水量减少、河水流速降低，水质仍然较差。
请基于对生态系统稳定性的认识，回答以下问题。
1. 当地百姓在河流中淘米洗菜，洗澡洗衣, 为什么河水仍能保持清澈？
【提示】生态系统具有抵抗力稳定性，当河水受到轻微污染(如淘米洗菜、洗澡洗衣等)时，河水能通过物理沉降、化学分解和微生物分解，很快消除污染，因此河水仍能保持清澈。
2. 大量生活污水和工业废水排入河道以后, 为什么会引起水质急剧下降？20世纪90年代采取的措施没有明显效果，可能的原因是什么？
【提示】大量生活污水和工业废水排入水中，破坏了该生态系统的抵抗力稳定性和恢复力稳定性，河水很难恢复到原来的状态，就会形成污染。生态系统的自我调节能力具有一定的限度，由于污染严重，尽管采取了治理措施，河流自身的净化能力仍然不足以消除污染物，因此水质仍然较差。
3. 可以采取什么措施来改善该地河流水质？
【提示】从治理已有污染的角度，可采用物理、化学、生物等方法进行治理，如机械除藻、底泥疏浚、在某些区段人工増氧、利用微生物分解污染物、利用水生植物进行生态修复等。从管理的角度，应禁止生活污水和工业废水排入河道，或污水、废水必须经严格处理才能排放；加强人们的水环境保护意识；加强执法检査；等等。
复习与提高
一、选择题
1. 下图是一个农业生态系统模式图，关于该系统的叙述，错误的是 （ ）
A. 沼气池中的微生物是该生态系统的分解者
B. 微生物也能利用农作物通过光合作用储存的能量
C. 沼渣、沼液作为肥料还田，使能量能够循环利用
D. 多途径利用农作物可提高该生态系统的能量利用效率
C
2. 在自然生态系统中，物质是能量的载体，下列叙述正确的是（ ）
A. 能量可驱动物质循环
B. 物质和能量可循环利用
C. 能量只能在食物链中流动
D. 能量金字塔和生物数量金字塔均可倒置
A
3. 生态系统中物质循环、能量流动和信息传递每时每刻都在进行，下列与之相关的叙述，正确的是 （ ）
A. 物质循环往复意味着任何生态系统在物质上都是自给自足的
B. 能量流动是指生态系统中能量的输入、传递、转化和散失的过程
C. 只有生物才会对信息有反应，因此信息传递只发生在生物群落内部
D. 生态系统中的物质循环、能量流动和信息传递都是沿食物链进行的
B
4. 毛竹与榜树、苦楮等阔叶树形成的混交林，其稳定性比毛竹纯林的高。以下分析不合理的是 （ ）
A. 毛竹纯林易发生病虫害
B. 混交林中物种多样性高
C. 混交林中食物网更复杂
D. 混交林中能量可循环利用
D
二、非选择题
1. 将以下概念之间的关系分别用概念图的形式表示出来。
生态系统、食物链、食物网、生产者、消费者、分解者、生物群落、初级消费者、次级消费者、三级消费者、第一营养级、第二营养级、第三营养级、第四营养级。
【提示】举例如下。
2. 下图是河流生态系统受到生活污水（含大 量有机物）轻度污染后的净化作用示意图。
请据图冋答下列问题。
（1） 在该河流的AB段上，溶解氧大量减少的主要原因是什么？
【答案】藻类数量减少；需氧型细菌大量繁殖，溶解氧随有机物被细菌分解而大量消耗。
（2） 在该河流的BC段上，藻类大量繁殖的主要原因是什么？
【答案】有机物分解后形成的大量的NH4+等无机盐离子，有利于藻类的大量繁殖。
2. 下图是河流生态系统受到生活污水（含大 量有机物）轻度污染后的净化作用示意图。
请据图冋答下列问题。
（3） 水中溶解氧含量逐渐恢复的主要原因是什么？
【答案】藻类通过光合作用释放氧气；有机物减少，需氧型细菌数量下降，因而对溶解氧的消耗量减少。
（4 ）若酿造厂或味精厂将大量含有有机物的废水排入该河流，对河流生态系统可能造成的最严重的后果是什么？
【答案】河流中生物大量死亡，该生态系统的稳定性遭到破坏。
3. 棉铃虫是棉田常见的害虫，喷洒高效农药可以迅速杀死棉铃虫，但同时也会杀死棉铃虫的天敌，并造成环境污染。如果放养棉铃虫的天敌——赤眼蜂，虽然不能彻底消灭棉铃虫，但是能将它们的种群数量控制在较低水平，也不会造成环境污染。哪一种做法有利于提高农田生态系统的稳定性？为什么？
【答案】放养赤眼蜂。因为喷酒高效农药、在消灭棉铃虫的同时，也会杀死大量的棉铃虫的天敌。棉铃虫失去了天敌的控制，就容易再度爆发。在棉田中放养赤眼蜂，由于棉铃虫和赤眼蜂在数量上存在相互制约的关系，因此能够将棉铃虫的数量长期控制在较低水平。从这个角度看，这种做法有利于提高农田生态系统的稳定性。
4. 有科学家指出：“没有物质，什么都不存 在；没有能量，什么都不会发生；没有信息，任何事物都没有意义。”在生态系统中，物质、能量和信息是这样起作用的吗？在细胞、个体、种群、 群落等层次，它们所起的作用也是这样的吗？试举例谈谈对这句话的理解。
【提示】生命有物质性，即生命体都是物质实体，因此物质是生命的基础。在生态系统中，生物体都是由物质组成的，其生命活动所需要的物质都来自环境，没有物质，什么都不存在。生命活动会消耗能量，能量驱动生命活动的有序进行，因此能量流动是生态系统的动力，没有能量，生命活动都不能正常进行，因此可以说什么都不会发生。信息调节保证了生命活动的有序进行，没有信息，生命系统难以维系和运转。例如，如果没有视觉、听觉或嗅觉等方面的信息，捕食者就无法捕获猎物，猎物即使近在咫尺也毫无意义。从这个角度看，没有信息，任何事物都没有意义了。
在细胞、个体、种群、群落、生态系统等各个层次，物质、能量、信息都发挥着作用，尽管有细微差别，但大体上是一致的，不论在哪个层次，生命都是物质、能量、信息的统一体。

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