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第三章 生态系统及其稳定性
第5节 生态系统的稳定性
紫茎泽兰入侵我国后，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。
问题探讨
讨论1.紫茎泽兰在原产地没有大肆繁殖，为什么在入侵地可以疯长蔓延？
2.我国曾引入紫茎泽兰专食性天敌-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？
像紫茎泽兰这样的入侵种，由于它的繁殖、适应的能力很强，而且没有天敌等制约因素，因此一旦蔓延，就会严重干扰入侵地的生态系统，破坏当地的生态平衡。
泽兰实蝇可以抑制紫茎泽兰生长，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。
紫茎泽兰
薇甘菊
空心莲子草
豚草
毒麦
互花米草
飞机草
凤眼莲
石矛
蔗扁蛾
湿地松粉蚧
强大小蠹
美国白蛾
非洲大蜗牛
福寿螺
牛蛙
中国第一批外来入侵物种名单（16种）
像紫茎泽兰这样的入侵种，由于它的繁殖、适应的能力很强，而且没有天敌等制约因素，因此一旦蔓延，就会严重干扰入侵地的生态系统，破坏生态平衡。
但是千百年来，虽然地球上许多生态系统不时受到外来干扰，但只要这种干扰没有超过限度，生态系统就能通过自我调节得以恢复，从而维持相对稳定的结构和功能。
处于平衡的生态系统中，
物质和能量的输入与输出均衡，
生物种类的组成稳定，
也就是说生态系统中的生产过程与消费、分解过程处于平衡状态，
这时生态系统的外貌、结构以及动植物组成等都保持相对稳定的状态。
一、生态平衡与生态系统的稳定性
（一）生态平衡
1.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.特征：
①结构平衡：生态系统各组分保持相对稳定；
②功能平衡：生产—消费—分解的生态过程正常进行，保证了物质总在循环，能量不断流动，生物个体持续发展和更新；
③收支平衡：生产者在一定时间内制造的可供其他生物利用的量，处于比较稳定的状态
群落内部调节的实例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，生物群落内部能够自我调节，以维持生态平衡。
群落内部调节的实例2
种群密度降低
种群密度升高(郁闭)
种子萌发,长成新植株
阳光、养料充足
火灾
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。
生态平衡并不是指生态系统一成不变，而是一种动态平衡。
上述生态系统都遇到了破坏或干扰，而生物群落内部能够进行自我调节，对抗这种破坏或干扰，以维持生态平衡。
这种动态平衡是通过什么调节机制实现的呢？
动态平衡的调节机制---负反馈调节
（二）负反馈调节
草
食草动物
过度放牧
食物短缺
原方向
发生偏离
回到原来方向
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
（二）负反馈调节
1.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。
2.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。使生态系统达到或保持稳定
3.正反馈调节
河流受到严重污染
鱼类等生物死亡
尸体残骸被分解者分解
（+）
（1）实例
+
（2）结果：加速最初发生变化的那种成分所发生的变化
原方向
发生偏离
更加偏离
（3）作用：使生态系统远离平衡状态。
（三）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，生态平衡遭破坏。
生态系统具有一定的自我调节能力，
生态系统的自我调节能力的基础是负反馈调节，
黄土高原经过几百年的掠夺式开发，植被破坏造成水土流失，成为一片荒山秃岭。
二. 抵抗力稳定性和恢复力稳定性
（一）抵抗力稳定性
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。
（二）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。
森林遭遇持续的干旱气候时，树木往往扩展根系的分布空间，以保证获得足够的水分，维持生态系统的正常功能。
一场火过后，森林中的种群密度降低，但是由于光照更加充足、土壤中无机养料增多，许多种子萌发后，迅速长成新植株。
抵抗力稳定性
恢复力稳定性
判断下面所代表的是那种稳定性？
草原遭受蝗虫的采食后，草原植物就会增强其再生能力，尽可能减缓种群数量的下降。
草原大火过后，“野火烧不尽，春风吹又生”。
抵抗力稳定性
恢复力稳定性
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。
二、抵抗力稳定性与恢复力稳定性
1.抵抗力稳定性
（1）生态系统抵抗外界干扰并使自身结构与功能保持原状(不受损害)的能力。
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
二、抵抗力稳定性与恢复力稳定性
2.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原状的能力。
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的差别
思考一：人工林和天然林相对，抵抗力稳定性是高还是低？为什么？
低；因为相比之下人工林组成成分少，食物网简单，自我调节能力弱，抵抗力稳定性低。
3. 不同生态系统在这两种稳定性的表现上有一定差别
（1）规律
一般来说，生态系统的组分越多，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。
恢复力稳定性呢？
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；
（2）模型建构1
抵抗力稳定性、恢复力稳定性与生态系统复杂程度的关系
稳定性
生态系统复杂程度
抵抗力稳定性
恢复力稳定性
结构简单的生态系统，抵抗力稳定性一定低，恢复力稳定性一定高吗？
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。
北极冻原生态系统抵抗力稳定性和恢复力稳定性都低。
（3）模型构建2
（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。
4.生态系统在受到不同的干扰（破坏）后，其恢复速度与恢复时间是不一样的
如果河流与土壤被有毒物质轻微污染，通过自身的净化作用，可以很快恢复到接近原来的状态；
如果被有毒物质重度污染，自身的净化作用已不足以消除大部分有毒物质，这些河流或土壤的恢复力稳定性就被破坏了。
热带雨林在遭到严重砍伐，草原经过极度放牧后，它们恢复原状的时间漫长，难度极大!
旁栏思考：
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、能力，修补生态系统的结构，增强生态系统的恢复力；
三. 提高生态系统的稳定性
1. 提高生态系统的稳定性的意义
维持生态平衡，提高生态系统的稳定性，对于自然或人工生态系统是十分必要的。
处于生态平衡的生态系统，可以持续不断的满足人类生活所需，如提供粮油，蔬果，肉，蛋奶，木材等农副产品，
更为重要的是处于生态平衡中的生态系统，能够使人类生活和生产的环境保持稳定
三. 提高生态系统的稳定性
2具体措施
（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。
如：对过度利用的森林和草原，首先应该封预载恢复到较好状态时再适度利用。
三. 提高生态系统的稳定性
2具体措施
（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。
为使单一作物的农田生态系统保持稳定，需要不断的施肥灌溉控制病虫害；
还可以人工建造生态屏障，我国在东北华北和西北地区，已经建造了大规模的三北防护林，防护林，有效的防风阻沙，保护了这些地区的草原与农田。
设计生态缸并观察其稳定性
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。
2.设计和制作生态缸的要求
设计要求 分析
生态缸是封闭的 防止外界生物或非生物因素的干扰
生态缸中投放的几种生物必须具有很强的生活力,成分齐全(要有生产者\消费者\分解者) 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
生态缸的材料须透明 为光合作用提供光能；保持生态缸内温度；便于观察
生态缸宜小不宜大，缸中水量应占其容积的4/5，要留一定空间 便于操作，缸内储备一定量的空气
生态缸的采光用较强的散射光 防止水温过高,导致水生植物死亡
选择的动物不宜太多，个体不宜太大 减少对O2消耗，防止生产量＜消耗量
生态系统的稳定性与它的物种组成、营养结构、非生物因素密切相关；必须考虑物质循环和能量流动的相对平衡。
3.小型生态缸(瓶)实验流程
用玻璃板和粘胶制作生态缸框架
在生态缸内底部的一侧铺垫几块石块，再铺上一层颗粒较细的沙土，厚度为5~15cm，沙土上铺一层含腐殖质较多的土，厚度为5~10cm，铺垫好的土和石块整体呈坡状
在土坡上放几块有孔的假山石，可作为小动物栖息的场所。
向缸内倒入自来水，水位高5～10 cm，在水中放几块鹅卵石
在土坡上选择苔藓 、铁线蕨、鸭跖草、马齿苋、罗汉松、翠云草等进行种植，放入鼠妇、蛐蜓、蚯蚓、蜗牛等小动物；在水中放入浮萍、金鱼藻等水生植物，放入虾、小鱼和小乌龟等小动物
封上生态缸盖。将生态缸放置于室内通风、光线良好的地方，但要避免阳光直接照射为小动物栖息的场所。
每个星期要至少观察一次生态缸内生物种类及数量的变化，并进行记录
4.观察生态缸的稳定性时，要注意以下几点
（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
①源源不断的能量输入;
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。
(即不同营养级生物之间的比例是否合适)

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