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一、教学目标

1.举例说明什么是生态系统。

2.讨论某一生态系统的结构。

3.尝试建构生态系统的结构模型。

二、教学重点和难点

1.教学重点

讨论生态系统的结构。

2.教学难点

说明生态系统是一个整体。

三、教学策略

学生对“生态系统”一词并不陌生,对其最基本的内涵通过初中生物课的学习已有初步的了解。生态系统的概念是形成生态学思想的基础,本章是围绕着剖析生态系统概念的实质展开的。因此,在教学中要突出生态系统内各组分的相互联系与相互作用、有序与和谐、多样与复杂等。要从培养学生的生态学思想的角度,制定教学策略。

本节可以结合“思考与讨论”中的素材,讨论“你认为什么是生态系统”的话题。让学生根据自己对生态系统的理解,列举五个生态系统的实例,并列出生态系统的判断要点。学生之间相互交换作业,并对同伴的作业作出评判。

在学生讨论的基础上,教师以池塘生态系统为例,进一步分析“思考与讨论”中提出的问题。有条件的学校,教师可制作若干个不同控制条件的“生态缸”,让学生观察各个生态缸中的状况,增加感性认识。问题7是让学生尝试建构生态系统的结构模型,这是本节的教学目标之一。生态系统中各种生物和非生物成分繁多且关系复杂,无法逐个研究它们在生态系统中的结构和功能,所以引入了生产者、消费者和分解者的概念,将营养功能相同的生物类群看成一个整体结构,研究其中的物质与能量变化、信息传递,使研究问题得到简化。这是一种系统科学的研究方法,在其他宏观研究中也常常要应用这种方法。

生态系统的结构包括两方面的内容:生态系统的成分,食物链和食物网。大多数学生在讨论了问题1~5后,应当能达成这一教学目标。对此,教师可进一步提出本节“问题探讨”中的素材,让学生演练,使学生对生态系统具有一定的结构有一定认识。

生物群落与其无机环境之间的关系不是静止的,而是处于动态的变化之中:能量在其中流动,物质在其中循环,信息在其中传递,多种多样的生物及其与环境之间构建起了动态平衡的关系。

生态系统的空间大小各异,一个池塘、一片草地、一块农田、一座山林、一条河流等,都可以各自成为一个生态系统。地球上的全部生物及其无机环境构成的生态系统称为生物圈。在生物圈中,繁衍着各种各样的生物,每一种生物都生活在各自的特定环境中,它们既利用环境资源满足了自身生长发育的需要,使种群得到延续,同时,它们自身也是构成环境的重要因素。

“生态系统的范围”这部分内容的教学,可以结合实例,采用列表比较的方法进行归类和总结(参见表5-1)。

表5-1 不同类型的生态系统举例

类型

森林生态系统

草原生态系统

农田生态系统

划分依据

植物分布情况

分布区域

湿润或较湿润地区

干旱地区

农耕区

主要植物

乔木

草本

农作物

主要动物

树栖动物为主

能挖洞和善奔跑的动物

动物种类较少

特点 动植物种类多,群落结构复杂,种群密度和群落结构能较长时间保持稳定 动植物种类相对较少,群落结构相对简单,种群密度和群落结构常发生剧烈变化 动植物种类少,群落结构单一,人的作用非常关键,是在一定程度上受人工控制的生态系统

通过列举生态系统的各种类型,启发学生思考生态系统类型多种多样,但在结构上具有许多共同点。重点从“生产者、消费者、分解者”之间的关系,阐释生态系统中各组成成分之间紧密联系构成一个统一整体,体现一定的结构和功能。

“生态系统是一个统一整体”是教学的难点。在各种类型的生态系统中,都包含有非生物的物质和能量、植物、动物和微生物等组成成分。这些组成成分之间并不是毫无联系的,而是通过物质和能量的联系形成一定的结构。

关于“食物链与食物网”的教学,教师要向学生说明:群落是生态系统中有生命的部分,群落中生物间的“营养联系”就是生态系统的“生命线”,其主要形式就是“食物联系”。接着以教材中的图示为例,分析生物之间的食物关系,从而建立食物链、营养级和食物网的概念。

四、答案和提示

(一)问题探讨

提示:如图5-1,其他合理的答案也可以。

图5-1 生物与非生物之间关系的图示

二)思考与讨论

3.提示:还有非生物的物质和能量。物质和能量是生命活动存在的最基本条件,生命活动本质上也是物质与能量的变化。非生物物质还是生物赖以生存的环境。

4.提示:绿色植物通过光合作用把无机物转变为有机物,将太阳能转化为化学能。动物通过摄取其他生物获得物质和能量。各种生物获取物质和能量的途径是不一样的。

5.提示:可分为生产者、消费者、分解者。

7.提示:生态系统的结构模型可以有多种形式。在不考虑物质的输入和输出的情况下,可以表示为图5-2这样的简化模型。

图5-2 生态系统的结构模型

(三)旁栏思考题

动物园中的全部动物不能说是一个系统,因为不同种动物是分开饲养的,彼此之间没有内在联系和相互影响,不是一个有机的整体。同理,动物园中的全部动物和植物也不是一个系统。

(四)练习

基础题

1.(1)阳光;(2)10~15 m;(3)消费者、分解者。

2.B。3.C。

拓展题

提示:可以。农田和果园等人工生态系统食物链单一,自身稳定性差,易受病虫害破坏。通过研究生物之间的相互关系,增加或延长食物链,使之成为立体农田和立体果园,可以提高生态系统的稳定性,同时获得更多的产品。例如,水田养鱼、果园养鸡等。

五、参考资料

1.系统研究方法在生态学中的应用

生态系统是极其复杂的综合系统,单凭传统的定性方法研究,已不能适应深入研究的需要,因此必须借助于系统分析(system analysis)的方法和技术。所谓系统分析就是利用数学的概念和方法,采用系统科学的研究途径来解决复杂的系统问题。这一方法来源于系统科学,其理论基础有:运筹学、控制论、数学及电子计算机原理。自20世纪中叶系统分析方法引入生态学后,它在解决复杂的生态学问题上发挥了巨大的作用,用系统分析方法研究生态系统各部分的相互联系及其整体功能已成为生态学研究的发展趋势。

把系统分析的方法应用于生态学,就称为系统生态学(system ecology)或生态系统分析(ecosystem analysis)。生态学的系统可以很大,也可以很小,大的系统可以包括有很多生物群落的复杂生态系统,小的系统可以是两个种群组成的捕食—被捕食系统。生态系统分析是以数学模型为中心的。建立一个系统的模型通常有以下六个逻辑步骤(图5-3):

图5-3 建立系统模型的步骤

①确定模拟对象首先应明确要解决什么问题并且划定它在系统中空间与时间上的界限与范围。这一步骤不能一次完成,以后还会有变动。

②确定系统结构即确定组分与组分之间的相互作用。一般来说,模型越复杂越能准确地描述现实系统,因为所考虑的因素和变量多。但是由于因素增多,参数、变量的数目就变得庞大,使系统模型难以确切地建立。因此,应根据研究目的及系统本身的特点,确定适当的变量以及它们之间的相互关系。

③建立数学模型用一系列数学方程将系统的各个组分之间的相互关系定量描述。建立数学模型的方法应尽可能简单,着重于有应用价值的模型,而不是追求数学理论与方法的高深研究。

④模型的有效性检验也称为模型的验证(verification)。在数学模型建立之后,需要对模型在执行模型对象方面的效应进行分析,如果发现模型的模拟效果很差,即模型未能将系统的真实性结构包含进去,就需要对模型进一步改进。

⑤灵敏度分析即研究输入变量与参数的变化对模型行为的影响。

⑥系统的模拟和控制一旦构成了一个有效的模型,就可以应用于模拟自然系统,预测预报系统的变化趋势,其中包含改变一些参数来预测系统的发展。

2.生态系统的开放性、整体性原理

(1)生态系统是开放的系统

自然生态系统总是与外界进行物质、能量与信息的交流,即使是相对独立的池塘生态系统也是这样,它的四面八方亦都是与外界相通的,不断有能量和物质的进入和输出。

生态系统的开放性也表现在熵(entropy)的交换。生态系统不断地摄入能量,并将代谢过程中所产生的熵排向环境。

生态系统的开放性具有重要意义,具体体现为:①有开放,才有输入。对一个系统而言,有输入才有输出,输入的变化总会引起输出的变化。输出是输入的结果,而输入是原因。②开放促进了要素间的交流。开放使生态系统各要素间有了不断的交换,促使系统内各要素间关系始终处于动态之中。例如,系统内生物个体生理活动和适应性对策的变动,种群之间交流的变化,种与种之间关系的改变等都能在开放环境中得到改善。③开放使系统得到发展。例如,外界气候常常决定生物群落的分布和外貌,也影响到群落的结构和生产力。无论从长期还是短暂的角度看,气候都是生态系统发生演替的诱发原因。可以说,生态系统的开放性决定了系统的动态和变化,开放给生态系统提供了可持续发展的可能性。

开放性原理提示人们在研究生态系统时,应持开放动态的思维。要把研究的对象和生态系统一起放到周围环境之中。运用开放性原理就能更全面、深刻地揭示事物的本质。

(2)整体性原理

整体性(holism)原理是生态系统的另一重要原理。整体性是指系统的有机整体,其存在的方式、目标、功能都表现出统一的整体性。

任何一个生态系统都是多个要素综合而成的统一体,这个统一体不再是各要素结合前的分散状态,而是发生了巨大变化。整体性是生态系统要素与结构的综合体现,主要有三个论点:①整体大于各部分之和。当要素按照一定规律组织起来具有综合性的功能时,各要素在相互联系、相互制约、相互作用下出现了不同的性质、功能和运动规律,尤其是出现了新质(emergent properties),这是各要素独立存在时所没有的。②一旦形成了系统,各要素不能再分解成独立要素存在。如果要硬性分开的话,分解出去的要素就不再具有系统整体性的特点和功能。③各要素的性质和行为对系统的整体性是有作用的,这种作用是在各要素相互作用过程中表现出来的。各要素是整体性的基础,系统整体如果失去其中一些关键性要素,也难以成为完整的形态而发挥作用。

生态系统的整体性越强,就越像一个无结构的整体。在一定条件下,可以以一个要素的身份参加到更大的系统中去,这种整体性正是生态系统的实质和核心。生态环境的治理,局部的行动已不能彻底扭转,迫切需要以整体性原则来处理。

3.生态系统的营养结构

生态系统内各要素之间的作用是通过以食物联系连接的营养结构实现的。营养结构包括食物链与食物网。

(1)食物链

食物链是指生产者所固定的能量和物质,通过一系列取食和被食关系在生态系统中传递,各种生物按其食物联系排列的链状顺序。食物链上的每一环节,称为营养阶层(营养级)。自然生态系统主要有三种类型的食物链。

①牧食食物链或捕食食物链:是以活的绿色植物为基础,从食草动物开始的食物链,例如,小麦→蚜虫→瓢虫→食虫鸟。

②碎屑食物链或分解食物链:是以死亡的动植物残体为基础,从真菌、细菌和某些土壤动物开始的食物链,例如,死亡的动植物残体→跳虫、螨类→食虫昆虫、蜘蛛→食虫鸟、小型哺乳动物。

③寄生食物链:以活的动植物有机体为基础,从某些专门营寄生生活的动植物开始的食物链,例如,鸟类→跳蚤→鼠疫细菌。

生态系统中的食物链不是固定不变的,它不仅在进化历史上有改变,在短时间内也有改变。动物在个体发育的不同阶段里,食物的改变(如蛙)就会引起食物链的改变。动物食性的季节性变化也会引起食物链的改变。因此,食物链往往具有暂时的性质,只有在生物群落组成中成为核心的、数量上占优势的种类,食物链才是比较稳定的。

一般生态系统中的能量在沿着食物链的传递过程中,从前一环节到后一环节,能量大约要损失90%左右(能量转化效率大约是10%)。因此,越是处于食物链顶端的动物,生物量越小,能量也就越少。处于顶位的肉食动物最少,以致于不可能再有别的动物以它们为食,因为从它们身上所获得的能量不足以弥补为搜捕它们所消耗的能量。一般说来,能量从太阳开始沿着食物链传递几次以后就所剩无几了,所以食物链一般都很短,通常只由4~5个环节构成,很少有超过6个环节的。

(2)食物网

在生态系统中,一种生物不可能固定在一条食物链上,而往往同时属于数条食物链。实际上,生态系统中的食物链很少单条、孤立地出现(除非食性是专一的),它们往往相互交叉,形成复杂的网络式结构,即食物网。食物网形象地反映了生态系统内各生物有机体间的营养位置和相互关系,生物正是通过食物网发生直接和间接的联系,保持着生态系统结构和功能的相对稳定。

一般地说,具有复杂食物网的生态系统,一种生物的消失不致引起整个生态系统的失调,但食物网简单的系统,尤其是在生态系统功能上起关键作用的种,一旦消失或遭受严重破坏,就可能引起这个系统的剧烈变动。例如,如果构成苔原生态系统食物链基础的地衣,因大气中SO2含量超标而逐渐死亡,就会使整个系统遭到破坏。

4.我国的森林资源及存在的问题

(1)中国的森林资源量

中国的森林资源主要分布在东北和西南。森林质量不高,中幼龄林比例大,其面积占全国森林面积的70%以上,人工林中的幼龄林比例高于85%。

1998年3月,联合国粮农组织公布的《世界森林资源评估报告》指出:中国的森林面积为1.34×108 hm2,占世界森林总面积的3.9%,居世界第五位。中国人均森林面积列世界第119位。中国森林总蓄积量为9.78×109 m3,占世界森林总蓄积量的2.5%。世界人均拥有的森林蓄积量为71.8 m3,而中国人均森林蓄积量仅为8.6 m3

2001年3月,全国绿化委员会发布的第一份《中国国土绿化状况公报》显示:除台湾省外,全国人工林面积达4.666 7×107 hm2,人工林蓄积量为1.01×109 m3,其发展速度和规模均居世界首位。目前中国森林面积达到1.58×108 hm2,森林覆盖率提高到16.6%,森林蓄积量为1.127×1010 m3

(2)中国森林资源的消耗与面临的问题

根据《2000年中国环境状况公报》,全国林木年均净增长量为4.6×108 m3,年均净消耗量为3.7×108 m3, 林业资源呈现增长大于消耗的趋势。

由于长期乱砍滥伐和毁林开荒,中国宝贵的天然林面积大量减少。在占中国国土面积50%的西部干旱、半干旱地区,森林覆盖率不足1%,许多地区无林可言。而且,酸雨带来的酸沉降正导致大片森林衰退消失,森林受害面积上百万公顷。危害森林的还有病虫害与火灾,2000年全国森林病虫害发生面积为8.74×106 hm2,森林火灾受害面积为8.84×104 hm2

5.我国的草地资源及存在的问题

(1)中国的草地资源量与质量

我国现有草地面积3.9×108 hm2,约占国土面积的40%,仅次于澳大利亚,居世界第二位。但人均占有草地仅为0.33 hm2,约为世界平均水平的一半。中国的草地资源以天然草地为主,人工草地比例过小,84.4%的草地分布在西部,面积约3.3×108 hm2

我国草地质量不高,低产草地占61.6%,中产草地占20.9%,全国难以利用的草地比例较高,约占草地总面积的5.6%。草地生产能力低下,平均每公顷草地生产能力约为7.0畜产品单位,仅为澳大利亚的1/10,美国的1/20,新西兰的1/80。

(2)中国草地资源存在的问题

我国草地退化严重,90%的草地已经或正在退化,其中中度退化程度以上(包括沙化、碱化)的草地达1.4×108 hm2,并且以每年2×106 hm2的速率递增。北方和西部牧区退化草地已超过7×107 hm2,约占牧区草地总面积的30%。全国草地的退化使平均产草量下降了30%~50%。造成草地退化的原因主要有:一是长期超载过牧,过度使用;二是人为开荒、滥挖药材、搂发菜、开矿,破坏草地植被,致使草地退化;三是气候干旱,使草地逐步沙化。

由于草地的生态平衡被破坏,2000年,在新疆、内蒙古、青海、甘肃、四川、陕西、宁夏、河北、辽宁、吉林、黑龙江、山西等12省(或自治区)普遍发生了草地鼠害和虫害,受影响的草地总面积为4.266 7×107 hm2,其中,虫害面积1.466 7×107 hm2,鼠害面积2.8×107 hm2。2001年内蒙古地区的草地普遍遭受了严重的旱灾,使大面积草原没有了植被而只剩下黄沙。

草地资源是畜牧业生产的基础,也是我们生存环境的屏障。为了有效地发挥草地资源的效力,提高草地的生物生产功能与生态环境稳定功能,需要从各个方面采取措施。例如,国家已经制定了“退耕还草”、“禁牧、休牧”政策,在草地的放牧利用过程中,必须采取“划区轮牧”技术。此外,需要建立人工草地,以缓解草原牧区饲草饲料不足的压力。

6.湿地生态系统

湿地生态系统指天然或人工,长久或暂时的沼泽地、泥炭地或水域地带,有静止或流动的淡水、半咸水、咸水水体,包括低潮时水深不超过6 m的水域。湿地是开放水域与陆地之间过渡性的生态系统,它兼有水域和陆地生态系统的特点,但又不同于二者,具有其独特的结构和功能。

湿地的水文条件是湿地属性的决定性因子,水的来源(如降水,地表径流,地下水,潮汐和泛滥河流)、水深、水流方式以及淹水的持续期和频率决定了湿地的多样性。湿地由于其特殊的水文条件和水成土(湿地土壤),支持了独特的生物系统,它有丰富的生物多样性和很高的生产力,具有调节水循环、调节气候和作为栖息地养育生物多样性的基本生态功能。植被往往是湿地辨识的重要标志。

湿地生态系统分布广泛,形成不同类型。按优势植物分,有芦苇沼泽、苔草沼泽、红树林沼泽等。湿地有机物难以分解,故多有泥炭的积累,呈现一定的发育过程,即随着泥炭的逐渐积累,矿质营养由多到少,因此有富养(低位)沼泽、中养(中位)沼泽和贫养(高位)沼泽之分。富养沼泽是沼泽发育的最初阶段,水源补给主要是地下水,水流带来大量矿物质,营养较为丰富,植物主要是苔草、芦苇、蒿、柳、落叶松、水松等;贫养沼泽往往是沼泽发育的最后阶段,由于泥炭层的增厚,沼泽中部隆起,高于四周,水源补给仅靠大气降水,营养贫乏。植物主要是苔藓植物和小灌木,尤以泥炭藓为优势,形成高大藓丘,所以这类沼泽又称泥炭藓沼泽;中养沼泽是介于上述两者之间的过渡类型,营养状态中等,植物种类也兼有前两种沼泽的种类。苔藓植物较多,但未形成藓丘,地表平坦。

全球湿地约有5.14×106 km2,北半球多于南半球。加拿大湿地居于世界之首,约1.27×106 km2,占世界湿地面积的24%;美国有湿地1.1×106 km2;其次是俄罗斯、中国、印度等。我国湿地面积共6.3×105 km2(其中天然湿地2.6×105 km2,包括沼泽1.1×105 km2,湖泊1.2×105 km2,滩涂和盐沼地2.1×104 km2,但这并不包括江河、水库、池塘和退潮时不超过6 m的浅海水域),约占国土面积的2.7%,居亚洲第一,世界第四位。

我国湿地的特点有以下几个方面:①分布具有广泛性和不平衡性。湿地广泛分布于我国各地,从北到南各气候带几乎都有;②湿地的类型多、生物多样性丰富。我国湿地类型几乎拥有《湿地公约》分类系统中的所有湿地类型,而且还有独特的青藏高原湿地,因而是亚洲湿地类型最齐全的国家之一;③湿地的面积大,尤其是以水稻田为主的人工湿地,面积大,分布广。

我国湿地也面临着一些突出的问题:(1)不合理的开发利用导致天然湿地面积锐减,据统计,近几十年来,我国沿海地区累计丧失海滨滩涂湿地面积约2×103 km2以上,相当于沿海湿地面积的50%;(2)湿地生态环境恶化,资源利用过度,生物多样性受损;(3)湿地污染日益加重,湿地生态功能下降。随着工农业生产的发展和城市建设的扩大,大量的工业废水、废渣、生活污水和化肥、农药等有害物质被排入湿地。这些有害污染物不仅对生物多样性造成严重危害,对地表水、地下水及土壤环境造成影响,使水质变坏,寄生虫流行,造成供水短缺。

7.我国的海洋资源

(1)海洋生物资源

中国大陆入海河流每年将约4.2×108 t的无机营养盐类和有机物质带入海洋,使得海域营养丰富,海洋生物物种繁多(已鉴定20 278种)。根据长期海洋捕捞生产和海洋生物调查,已经确认中国海域有浮游藻类1 500多种,固着性藻类320多种,海洋动物共有12 500多种,其中,无脊椎动物9 000多种,脊椎动物3 200多种。无脊椎动物中有浮游动物1 000多种,软体动物2 500多种(头足类100种左右),甲壳类约2 900种,环节动物近900种。脊椎动物中以鱼类为主,约近3 000种,包括软骨鱼200多种,硬骨鱼2 700多种。

(2)海洋矿产资源

据国内外有关部门估计,我国大陆架海域蕴藏石油资源量1.5×1010~2×1010 t,约占全国石油总资源量的20%左右;据国家天然气科技攻关最新成果,海域天然气约占全国天然气总资源量的33%,这充分展现近海油气资源的良好勘探开发前景和油气资源的潜力。我国漫长海岸线上和海域蕴藏着极为丰富的砂矿资源,目前已探明具有工业价值的砂矿有:锆石、 锡石、 独居石、 金红石、 钛铁矿、磷钇矿、磁铁矿、金刚石和石英砂等。

(3)海洋化学(海水)资源

世界海水的体积约为1.37×1013 m3,其中含有80多种元素,还含有大约2×1014 t重水(核聚变的原料)。海水资源可以分为两大类,即海水中的水资源和化学元素资源。此外,还有一种特殊情况,即地下卤水资源。我国渤海沿岸地下卤水资源丰富,估计资源总量约为1010 m3。海水可以直接利用,也可以淡化成为淡水资源。海水化学元素资源可分为海盐、溴素、氯化镁、氯化钾、铀、重水和其他可提取的化学元素;地下卤水资源可分为海盐、溴素、氯化镁、氯化钾,其他可提取的化学元素等。

(4)海洋可再生能源

海洋可再生能源包括潮汐能、波浪能、海流能、温差能和盐差能等。中国潮汐能资源功率约为1.1×108 kW,大部分分布在浙、闽两省,约占全国的81%。波浪能理论功率约为2.3×107 kW,主要分布在广东、福建、浙江、海南和台湾的附近海域。我国海流能可开发的装机容量约为1.8×107 kW,主要在浙江、福建等省。另外流经东海的黑潮,动力能源更为可观,估计为2×107 kW。温差和盐差能蕴藏量分别为1.5×108 kW和1.1×108 kW,两者的总量超过海流能和潮汐能。

(5)滨海旅游资源

中国沿海地带跨越热带、亚热带、温带3个气候带,具备“阳光、沙滩、海水、空气、绿色”5个旅游资源基本要素,旅游资源种类繁多,数量丰富。据初步调查,中国有海滨旅游景点1 500多处,滨海沙滩100多处,其中最重要的有国务院公布的16个国家历史文化名城,25处国家重点风景名胜区,130处全国重点文物保护单位,以及5处国家海洋、海岸带自然保护区。按资源类型分,共有273处主要景点,其中有45处海岸景点、15处最主要的岛屿景点、8处奇特景点、19处比较重要的生态景点、5处海底景点、62处比较著名的山岳景点以及119处比较有名的人文景点。

(6)海岸带土地资源

中国海岸带地区的土地资源类型较多,有盐土、沼泽土、风沙土、褐土等17个类型,53个亚类。海岸带不仅现有土地资源丰富,而且是地球上惟一的自然造陆地区,据古地理研究,我国长江下游平原、珠江三角洲平原、下辽河平原等,约有1.4×105~1.5×105 km2的土地都是古海湾沉积而成。

    
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