第三章植物在生態(tài)系統(tǒng)中的作用生態(tài)學(xué)3初級(jí)生產(chǎn)

3.1初級(jí)生產(chǎn)力的概念

3.2影響初級(jí)生產(chǎn)的主要因素

3.3初級(jí)生產(chǎn)力的分布4植物與生態(tài)系統(tǒng)的平衡

4.1植物在生態(tài)平衡中的基礎(chǔ)

4.2植物的生物多樣性與生態(tài)平衡5植物與生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)服務(wù)

5.1資源保障

5.2環(huán)境支持一主要內(nèi)容生態(tài)學(xué)1本節(jié)重點(diǎn)

(1)

初級(jí)生產(chǎn)的形成過程；

(2)

影響初級(jí)生產(chǎn)的因素;

(3)

初級(jí)生產(chǎn)在地球上的分布。

2本節(jié)難點(diǎn)

(1)C3、C4和CAM植物在環(huán)境中表現(xiàn)出來的光合效率的差異性；

(2)植物在生態(tài)系統(tǒng)中是如何發(fā)揮作用的。二本節(jié)重難點(diǎn)生態(tài)學(xué)三講授新課初級(jí)生產(chǎn)者的光合作用光太陽水、二氧化碳氧氣、有機(jī)物（糖類）消費(fèi)者、分解者及植物的呼吸廢熱宇宙植物作為初級(jí)生產(chǎn)者示意圖生態(tài)學(xué)生態(tài)學(xué)3.1初級(jí)生產(chǎn)力的概念1

概念:是指單位面積和時(shí)間內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)中的植物固定能量、生產(chǎn)有機(jī)質(zhì)的數(shù)量。有時(shí)也稱為初級(jí)生產(chǎn)量。其表示方法有兩種：(1)以固定能量的多少來表示（cal.m-2.a-1)；(2)以生產(chǎn)有機(jī)質(zhì)的多少來表示(g.m-2.a-1)?？偝跫?jí)生產(chǎn)力(GrossPrimaryProductivity，Pg)：植物在單位面積和時(shí)間內(nèi)生產(chǎn)有機(jī)物質(zhì)的總量或固定同化的總能量。凈初級(jí)生產(chǎn)力(NetPrimaryProductivity，Pn)：植物呼吸消耗(Respiration，R)后剩下的有機(jī)物質(zhì)的量或能量。公式為：Pn=Pg-R2其形式生態(tài)學(xué)3凈增生物量(NetGainableBiomass，△B)：單位時(shí)間內(nèi)單位面積所增加的植物生產(chǎn)量,公式為△B=Pn-L-G；其中L為一定時(shí)間內(nèi)植物的凋落物(Litter)；G為被動(dòng)物或其他消費(fèi)者所啃食(Grazing，G)的量。4生物量(Biomass)：地表單位面積內(nèi)現(xiàn)存的活植物體總量或貯存的總能量，即現(xiàn)存量(StandingCrop)，常用kg.m-2或t.hm-2表示?！鱌n=△B+△L+△G不同生態(tài)系統(tǒng)的植物、同一生態(tài)系統(tǒng)中植物的不同發(fā)育階段△L、△G的大小不同。一般成熟的生態(tài)系統(tǒng)中，凈初級(jí)生產(chǎn)力主要用于維持系統(tǒng)中動(dòng)物的取食和變成凋落物，基本沒有凈增生物量。生態(tài)學(xué)C4植物纖毛蒺藜草68甘蔗屬64

蘇丹草57

玉米55

C3植物草本植物

波依奧小麥45

寬葉香蒲43

稻40

向日葵28

大豆27

鳳眼藍(lán)20表3-1不同植物或植被的凈初級(jí)生產(chǎn)力（以固定CO2量表示，u.mol.m-2.s-2)生態(tài)學(xué)木本植物柳屬20～35

楊屬20～25

三葉膠20～26

臭椿20

少花桉15～20

歐洲赤松17CAM植物梅皮薩加龍舌蘭34富爾克羅依德龍舌蘭

23

印度仙人掌20表3-1不同植物或植被的凈初級(jí)生產(chǎn)力（以固定CO2量表示，u.mol.m-2.s-2)生態(tài)學(xué)總初級(jí)生產(chǎn)效率經(jīng)常用總初級(jí)生產(chǎn)量的能量與同一時(shí)期內(nèi)相應(yīng)面積所吸收太陽的輻射能來表示。一般地，植物能夠利用的太陽能總量是很有限的。熱帶雨林和濕地大多數(shù)森林草原和高原干草原、半荒漠

＞

＞生態(tài)學(xué)3.2.1光合能力

3.2.1.1光合效率

a光合作用的基本過程3.2影響初級(jí)生產(chǎn)的主要因素生態(tài)學(xué)生態(tài)學(xué)光反應(yīng)：植物葉綠體把光能俘獲，形成高能電子?？杀硎鰹椋?H2O+2NADP++2ADP+2Pi8hv（光量子）

葉綠體2NADPH2+2ATP+O2暗反應(yīng)：發(fā)生在葉綠體內(nèi)部，利用從光反應(yīng)中得到的能量和還原性物質(zhì)，固定二氧化碳并形成糖類的過程?？杀硎鰹椋簄CO2+2nNADPH2+2nATP酶（CH2O)n+2nADP+2nNADP+2nPi+nH2O生態(tài)學(xué)bCO2的固定和還原C3途徑（戊糖磷酸途徑、卡爾文-本森循環(huán)）C4途徑（二羧酸途徑、哈奇-斯萊克-科特薩克途徑）CAM途徑（景天酸途徑）cC3植物、C4植物、CAM植物把二氧化碳以C3途徑的形式固定和還原的植物稱為C3植物，其他相應(yīng)地稱為C4植物、CAM植物。生態(tài)學(xué)植物在二氧化碳固定方式的差異，是同它所在環(huán)境的水、熱條件密切聯(lián)系在一起的。C4植物在熱量條件好、水分相對(duì)充足時(shí)，光合效率高于C3植物；CAM植物更適合在干旱環(huán)境中，避免在高溫條件下開放氣孔吸收二氧化碳，對(duì)保存水分特別有利。生態(tài)學(xué)生態(tài)學(xué)生態(tài)學(xué)生態(tài)學(xué)生態(tài)學(xué)特征C3C4CAM葉結(jié)構(gòu)片狀葉肉，薄壁組織維管束鞘葉肉呈輻射狀排列在綠色薄壁組織維管束鞘周圍大液泡葉綠體顆粒狀（層積類囊體）葉肉：顆粒狀；維管束鞘細(xì)胞：顆粒狀或非顆粒狀（片狀類囊體）顆粒狀葉綠素a/b約為3約-10%～-20%約-10%～-20%CO2最初受體RuBP(底物：CO2)約-10%～-20%約-10%～-20%光合作用最初產(chǎn)物C3酸（PGA)約-10%～-20%約-10%～-20%生態(tài)學(xué)光和產(chǎn)物中碳與同位素的比率

約-20%～-40%約-10%～-20%約-10%～-35%光合作用的氧抑制

有

無

有在光下CO2的釋（表觀光呼吸）

有

無

無生態(tài)學(xué)最適溫度CO2補(bǔ)償濃度30～50umol﹤10umol

在光下：0～200mol在暗中：﹤5umol葉肉阻力與最小氣孔阻力的比率4～5 0.5～1生態(tài)學(xué)特征C3

C4CAM凈光合能力微小至高高至非常高在光下：微小在暗中：中等光合用的光飽和作在中等強(qiáng)度時(shí)無飽和，甚至在最強(qiáng)光時(shí)在中等至高強(qiáng)度同化產(chǎn)物再分配慢快不定干物質(zhì)生產(chǎn)中等高低

表3-2

具有不同二氧化碳固定方式的植物的特征生態(tài)學(xué)在正常大氣條件下，光合作用效率由高到低依次為C4植物、C3植物、CAM植物。如表3-3所示：

植物類群CO2吸收

umol/m2/smg/g/hC4植物30～60（70）60～140C3植物作物

20～4030～60

向陽生境的中生植物

20～30（40）30～60

陰地植物

2（5）～1010～30

干燥生境的植物

15～3015～40CAM植物在光照下

2（5）～12

0.3～2

在黑暗下

6～10（20）1～1.5生態(tài)學(xué)

20406080

100C4

植物的比率/%

100020003000400015202530生物量的δ15C值/%

海拔高度/mδ15C值C4的比率圖3-8不同海拔條件下C4植物的比例生態(tài)學(xué)如上圖所示，在C4植物不斷降低。物豐富地區(qū)，隨著海拔高度增加，C4植物比例不斷降低。幾種植物分布如下：植物主要分布地區(qū)C3植物分布極廣，主要分布在溫帶和寒帶C4植物熱帶、亞熱帶半濕潤地區(qū)CAM植物分布十分廣泛，大多是在周期性干旱環(huán)境和貧瘠的生境中生態(tài)學(xué)1

光合時(shí)間(PhotosyntheticTime)：植物在整個(gè)生育期，或者全年中進(jìn)行光合作用的時(shí)間。2自然條件下，不同水、熱條件地區(qū)的植物，能夠進(jìn)行光合作用的時(shí)間有很大差異。一般地，熱帶、亞熱帶濕潤和半濕潤地區(qū)的植物光合時(shí)間最長；熱帶和亞熱帶干旱和半干旱地區(qū)、溫帶地區(qū)光合時(shí)間較短。3相應(yīng)措施：①人工補(bǔ)充光照時(shí)間，如早播和育苗移栽等；②合理施肥3.2.1.2光合時(shí)間生態(tài)學(xué)3.2.1.3光合面積1光合面積：是進(jìn)行光合作用的植物葉片的面積。對(duì)于一個(gè)植物個(gè)體或植物群體而言，葉面積通常用葉面積指數(shù)(LeafAreaIndex,簡稱LAI)來衡量，它的計(jì)算公式是：

LAI=相應(yīng)土地面積上葉片總面積

土地面積2最適葉面積指數(shù)：是植物群體達(dá)到最大光合作用效率的葉面積指數(shù)，因不同的植物，以及同一植物在不同的生長發(fā)育階段而有較大差別。生態(tài)學(xué)在自然植物群落中，尤其是在極端的生境中，雖然植物的葉面積較大，其光合效率也較低，這也與它們對(duì)極端溫度和水分條件的適應(yīng)有關(guān)。3在栽培植物群落中，一般采取培育新品種和間作套種、及施肥來提高群落的總的光合效率。生態(tài)學(xué)光合面積在生產(chǎn)上的應(yīng)用對(duì)光合作用的影響外因合理密植、修剪反應(yīng)速率葉面積指數(shù)24680ABC光合作用實(shí)際量凈光合作用量呼吸作用量凈光合作用量＝光合作用實(shí)際量－呼吸作用量光合面積飽和點(diǎn)問：葉面積指數(shù)超過哪點(diǎn)，植物無法生活下去？D生態(tài)學(xué)3.2.2光照、溫度和水分條件光合速率光飽和點(diǎn)光照強(qiáng)度生態(tài)學(xué)0吸收量光照強(qiáng)度ABCB：光補(bǔ)償點(diǎn)：C：光飽和點(diǎn)③C：光飽和點(diǎn)：光合速率最大時(shí)的光照強(qiáng)度。釋放量CO2①A點(diǎn)：光照強(qiáng)度為零，只有呼吸作用主要受光反應(yīng)產(chǎn)物的限制光照強(qiáng)度CO2生態(tài)學(xué)溫度在生產(chǎn)上的應(yīng)用對(duì)光合作用的影響外因光合速率溫度10203040500ABC溫度會(huì)直接影響酶的活性.（主要是影響暗反應(yīng)）1.適時(shí)播種2.溫室栽培時(shí),白天適當(dāng)提高溫度,晚上適當(dāng)降溫（增加晝夜溫差）。生態(tài)學(xué)水在生產(chǎn)上的應(yīng)用對(duì)光合作用的影響外因1.水是光合作用的原料2.水是體內(nèi)各種化學(xué)反應(yīng)的介質(zhì)3.水還影響氣孔的開閉,間接影響CO2進(jìn)入植物體預(yù)防干旱合理灌溉生態(tài)學(xué)生態(tài)學(xué)3.2.3二氧化碳和其他營養(yǎng)條件acbdea—b:CO2太低，農(nóng)作物消耗光合產(chǎn)物；

b—c:隨CO2的濃度增加，光合作用強(qiáng)度增強(qiáng)；

c—d:CO2濃度再增加，光合作用強(qiáng)度保持不變；

d—e:CO2濃度超過一定限度，將引起原生質(zhì)體中毒或氣孔關(guān)閉，抑制光合作用。二氧化碳生態(tài)學(xué)營養(yǎng)條件積極影響：增施氮、磷、鉀肥等礦質(zhì)元素；消極影響：富營養(yǎng)化生態(tài)學(xué)生態(tài)學(xué)3.3初級(jí)生產(chǎn)力的分布初級(jí)生產(chǎn)力的分布有以下特點(diǎn)：1陸地生態(tài)系統(tǒng)中，水、熱綜合配置好的，初級(jí)生產(chǎn)力高；2水域生態(tài)系統(tǒng)中，營養(yǎng)條件比較豐富的，初級(jí)生產(chǎn)力高。陸地生態(tài)系統(tǒng)中，熱帶、亞熱帶、溫帶的濕潤地區(qū)，初級(jí)生產(chǎn)力高，熱帶干旱地區(qū)（濕度?。┖透呔暥鹊貐^(qū)（溫度低、光合效率低）初級(jí)生產(chǎn)力低。生態(tài)學(xué)生態(tài)學(xué)1生態(tài)平衡:一定空間尺度的生態(tài)系統(tǒng)單元內(nèi)，在一定的時(shí)間范圍中，對(duì)外來的干擾具有一定的緩沖能力，這就是生態(tài)平衡。2生態(tài)平衡是一個(gè)成熟生態(tài)系統(tǒng)的重要特征，它主要包括(1)生產(chǎn)者、消費(fèi)者、分解者三大功能類群之間相對(duì)平衡，如生物種類組成及數(shù)量比例，營養(yǎng)結(jié)構(gòu)聯(lián)系和物質(zhì)循環(huán)與能量流動(dòng)的相對(duì)穩(wěn)定性；（2）生物群落與無機(jī)環(huán)境之間相對(duì)穩(wěn)定，物質(zhì)和能量的輸入和輸出呈現(xiàn)動(dòng)態(tài)平衡；（3）對(duì)外界的干擾和影響具有自我修復(fù)、自我恢復(fù)的能力。4植物與生態(tài)系統(tǒng)的平衡生態(tài)學(xué)4.1植物在生態(tài)平衡中的基礎(chǔ)地位生態(tài)學(xué)1植物是生態(tài)系統(tǒng)中占據(jù)主導(dǎo)作用的功能成分，其數(shù)量動(dòng)態(tài)、生產(chǎn)力決定了其他生物存在的規(guī)模，進(jìn)而決定生態(tài)平衡的層次和水平。2生態(tài)系統(tǒng)處于相對(duì)平衡的成熟階段，其中最重要的時(shí)