第三節　生態系

生態系（ecosystem） 一個地區的群集（生物因子） 環境（非生物因子）

生物因子 生產者（producer） 消費者（consumer） 分解者（decomposer）

非生物因子 環境中的各種理化因素及介質，例如：太陽輻射能、水、大氣、土壤和溫度等 兩者之間組合成交互作用非常密切的體系。

月世界，照片前方長草，而後方則否，是因為受到土壤之非生物因子影響

例子 一個池塘、一個湖泊、一大片森林，均可為一個自然生態系，而一個水族箱則可算是一個人為生態系

圖3-12　臺灣高山生態系示意圖

雪山之冷杉森林

宜蘭雷公埤，湖泊也可視為一個生態系

動態平衡 生態系不論大小、結構簡單或複雜，生活於其中的生物與環境間，若需持續生存則必須保持著動態的穩定。

3-3.1 非生物因子 太陽輻射能 水 大氣 土壤 溫度

太陽輻射能 地球上絕大部分的能量都直接或間接來自太陽輻射能

太陽輻射能是由多種波長不同的光波所組成，波長400至700奈米的光能被我們的肉眼看見稱為可見光 部分可見光被綠色植物的葉綠素所吸收，經由光合作用轉變為化學能，儲存在醣類等有機物中

太陽輻射能的影響 除了光合作用外，太陽輻射能亦能影響植物生長 例如：生長在陽光不足地方的植物，莖細長軟弱，葉發育不良

太陽輻射能亦能影響植物生長，晨曦中寶來山區

陽光照射量 影響藻類的分布 例如：陽光透過海水時，其輻射線為海水所吸收，使得在海平面二百公尺以下的地方幾乎沒有藻類

水 陸地上的水都是來自雨水 水並非均勻分布在地球表面： 河海和湖泊中水最多 沙漠中則常缺水，導致乾旱

高空雲層為雨水主要來源

溪流：陸地上的水都是來自雨水

河流中水最多：中國廣西桂林漓江

海洋中水最多：墾丁礁岩海岸

陸生的動、植物為了防止水分的散失，各發展有特殊的構造 例如： 植物葉表面有角質層 爬蟲類動物身體均有防止水分散失的構造 例如：鱗片和龜甲等。

草海桐：多生長在海邊乾旱地區

龜殼花：爬蟲類動物身體均有防止水分散失的構造

攀蜥：動物身體均有防止水分散失的構造

攀蜥：動物身體均有防止水分散失的構造（近照）

大氣 大氣好似巨大的倉庫，儲存著許多生物所需要的氣體， 如：二氧化碳、氧氣和氮氣等 二氧化碳：植物光合作用所需 氧：供生物的呼吸作用 氮氣：若干微生物能將大氣中的氮氣轉變成含氮化合物，以供植物吸收利用

大氣流動 大氣受熱的作用而流動，形成風 風可促進地面水分的蒸發及植物水分的蒸散

台灣高山地區雲海景觀

土壤 空氣：可供植物的根行呼吸作用 水分與礦物質：被根吸收，供給植物的生長與發育。 微生物：包括細菌和真菌，能分解有機物以促進物質循環。

溫度 自然環境中的固體、氣體和液體都能吸收太陽輻射能增加溫度 大多數生物不能忍受激烈的溫度改變，因此每種生物有其一定的棲息地 比較寒帶和熱帶的生物，可發現其種類有很大差異

3-3.2 生物因子 生產者 消費者 分解者

生產者 能自行將無機物轉變成有機物的生物 例如：綠色植物可將無機的二氧化碳轉換成有機的葡萄糖，稱為自營性（autotrophic）生物

稻田：綠色植物為主要生產者 自營性生物在生態系中扮演生產者的角色

小常識 自營性生物： 光合自營 化學自營

光合自營 定義：直接利用太陽輻射能進行光合作用，將二氧化碳和水轉變為碳水化合物 例如：綠色植物、藻類及光合細菌等。

陸地具有生產者外，水中亦具有生產者

水生植物：藻類為水中主要生產者

欖李族群，河口沼澤生態系，紅樹林為重要生產者

化學自營 定義：利用化學反應所產生的能量，將無機物轉變成有機物 例如：化學合成細菌

消費者 異營性（heterotrophic）生物：直接以攝取外界有機物為食的生物 異營性生物在生態系中扮演消費者或分解者的角色

消費者 需要攝食他種生物以獲得生活上所需的能量和物質者

消費者 初級消費者：直接以生產者為食物 例如：牛、羊、山羌和松鼠等草食性動物 二級消費者：以初級消費者為食物 以此類推，以二級消費者為食物的稱為三級消費者。

青帶鳳蝶吸食花蜜，為一級消費者

班龜：以生產者為食，一級消費者

蜈蚣：注意蜈蚣嘴邊綠色塊狀物為其食剩之蚱蜢大腿，蜈蚣肉食性為二級消費者

茶斑蛇吞食澤蛙，澤蛙肉食性，為二級以上消費者，茶斑蛇至少為三級消費者

赤尾青竹絲吞食澤蛙，澤蛙肉食性，為二級以上消費者，赤尾青竹絲至少為三級消費者

漢堡：漢堡中牛肉為一級消費者，青菜屬於生產者，當人類啃食漢堡，分別為一級與二級消費者，對於雜食性動物而言，屬於何級消費者，端賴其當時所攝食的食物

食性區分 草食性動物：以植物為食 肉食性動物：以動物為食 雜食性動物：吃植物，也吃動物

牛為草食性動物

蛇為肉食性動物

斑龜屬於雜食性動物

清除者（scavenger） 以動物或植物的屍體為食 例如：馬陸和禿鷹等 圖3-13　馬陸

分解者 定義：能分泌酵素到體外，分解動物的排泄物或動、植物的殘骸，亦即使有機物分解為無機物的生物 例如：腐生細菌和真菌等

圖3-14　臺灣闊葉林的生命組成：闊葉樹為主要生產者；林中初級消費者包括蝸牛、毛毛蟲、松鼠和山羌；二級消費者為老鼠、蛙和藍腹鷴；三級消費者有蛇和藍腹鷴；分解者包括真菌和土壤中的腐生細菌；蛆為清除者。

3-3.3 食物鏈和食物網 食物鏈（food chain）：在自然環境中，生物間最常見的關係為食性關係，以「掠食者」與「被食者」單向依序排列成鏈狀的形式 例如 水中之落葉→水棲昆蟲→櫻花鉤吻鮭→黃魚鴞

食物網（food web） 例如： 由多條食物鏈又可形成一個較複雜的網狀食性關係 稻田中常見蛇吃澤蛙 澤蛙捕食稻蝗 稻蝗啃食水稻 伯勞鳥捕食稻蝗 中國石龍子等動物 澤蛙也可捕食黑樹蔭蝶或其他昆蟲

食物鏈與食物網：B.食物網 圖3-16　食物網

3-3.4 能量的流轉 生命所需的能量主要來自太陽的輻射能，然除生產者外，其他生物均須以食物來取得所需的能量，因而生物所需的能量就在各種食性關係中轉換

圖3-17　能量的流轉示意圖

能量在各生物間的轉換效率並不高

十分之一法則 例如： 生物在攝食後若扣除生物本身生存所需的能量以及轉換過程的耗損，大約百分之十的能量可以傳遞給另一階層的生物 草食性動物吃了含能量10仟卡的植物，最終牠將只能淨得約1仟卡的能量於體中

能量的流轉示意圖 圖3-17　能量的流轉示意圖

能量塔（energy pyramid） 能量在不同營養階層中轉換時，會有層層耗損的現象 能量塔：一個自然環境中為維持各階層生物的穩定，愈低階層生物的能量總和愈大，愈高階層生物的能量總和則愈小，如此就形成了一個金字塔狀的能量關係　　

小常識 生態塔：生態系各營養階層的關係可歸納成生態塔（ecological pyramid） 塔底為生產者 塔頂為最高階消費者 其間為各階層的消費者

生態塔 數塔：依各層之個體數為計量單位者 生物量塔（biomass pyramid）：依生物質量為計量單位者 能量塔：依能量為計量單位者

能量塔 圖3-18　能量塔

以能量塔的觀點來看： 如：一塊農地 生產者→草食性動物→人口 生產者→人口 經過的營養階層愈多，所損耗的總能量也愈多，對環境資源的利用上較不經濟 如：一塊農地 生產者→草食性動物→人口 生產者→人口

能量在不同食物鏈中流轉與消耗的情形 圖3-19　能量在不同食物鏈中流轉與消耗的情形

3-3.5 物質的循環 構成生物體的物質主要是由碳、氫、氧、 氮、硫、磷、鉀、鈉、鎂和鐵等元素組成

表3-1 生物體之元素組成及土壤成分比較表 元素種類 氧 O 碳 C 氫 H 氮 N 鈣 Ca 磷 P 鉀 K 硫 S 鈉 Na 氯 Cl 鎂 Mg 鐵 Fe 錳 Mn 矽 Si 人體成分（％） 65.0 18.0 10.0 3.3 2.0 1.10 0.35 0.25 0.15 0.05 0.004 0.001 微量 植物平均組成(％) 70.0 10.5 0.3 0.5 0.07 0.02 0.04 0.01 0.2 土壤平均組成(％) 49.34 2.52 0.88 2.42 1.51 0.16 1.21 0.91 2.62 0.06 31.21 表3-1　生物體之元素組成及土壤成分比較表

元素循環 生物體可由自然環境中取得這些元素以合成體質，而在物質燃燒、生物進行呼吸、排泄等作用和分解者的分解作用下，這些元素又能釋回自然環境，而形成元素的循環 碳循環（carbon cycle） 氮循環（nitrogen cycle）

碳循環（carbon cycle） 碳元素是生物體內醣類、脂肪、蛋白質和核酸等有機物的主要成分 大氣中的二氧化碳可經由光合作用轉化成植物體內的碳水化合物

咬人貓：生產者（固定CO2）

在動物的攝食過程中，這些物質又能進入動物體內

蝗蟲：攝食（食物鏈的轉移）

這些生物體內的碳元素會經生物的呼吸作用與細菌和真菌的分解，又釋回自然環境中

黑蒙西氏小雨蛙：鳴叫（呼吸作用）

枯木上的真菌：分解作用

物質的燃燒也會影響到自然環境中二氧化碳的含量

南橫梅蘭森林大火

森林大火：燃燒重要的有機碳→無機碳的過程。

碳循環 圖3-20　碳循環

氮循環 氮是生物體蛋白質、核酸等有機物的主要元素之一 大部分的生物無法直接利用空氣中的氮氣為氮源

固氮作用 唯固氮菌（如根瘤菌）及有些藍綠藻卻可藉「固氮作用」 （nitrogen fixation）在體內把空氣中的氮轉換成氨（NH3） ，氨溶於水中，可形成銨鹽（NH4＋），銨鹽可被植物吸收

自然固氮 空氣中的氮，也可經由閃電及雨水變成硝酸（NO3－）進入土壤，而被植物根部所吸收，並經由同化作用轉變成胺基酸及蛋白質。

人為固氮 空氣中的氮氣也可經由人為化學方法製成尿素和硝酸鹽等肥料，提供植物吸收利用

植物被動物攝食後，變成動物體內的胺基酸和蛋白質

動物排泄物、排遺物、生物遺體中的胺基酸、蛋白質經由細菌或真菌的氧化分解轉變成氨。

有些氨揮發進入大氣中，但也可能經土壤中細菌轉變為硝酸鹽而被植物所吸收利用 唯於缺氧情況下，硝酸鹽也可經由細菌還原成氮氣而釋回空氣中，繼續循環

尿素 犁田 田菁 堆肥

圖3-21　氮循環

耕地犁田，藉由翻土阻斷細菌脫氮作用

田菁：生物固氮（遠景）

田菁：生物固氮（近景）

田菁根部：膨大處為根瘤

田菁根部：膨大處為根瘤

堆肥

3-3.6 生態平衡 當生態系發展到成熟穩定的階段，其能量與物質的輸出與輸入、生物種類的組成及各個物種的比例，均保持著相互依存，並具較長期相對穩定的情況，稱為生態平衡（ecological equilibrium）或自然平衡。

在一個自然、穩定的生態系中，各種生物彼此間是呈現自然的動態平衡。 如印度一個山谷中的老虎、水鹿及草彼此之間的互動情形來說明。

圖3-22 掠食者與獵物的族群動態平衡（上圖中的色塊可在下圖對應的相同顏色區域找到說明） 掠食者與獵物的動態平衡 圖3-22　掠食者與獵物的族群動態平衡（上圖中的色塊可在下圖對應的相同顏色區域找到說明）

原則 環境因素的改變，能夠抑制生物的族群，使它不過度繁殖，另一方面，也可防止被完全毀滅

生態系的自我調節能力，也就是生態系的動態平衡

生態系的平衡如果被破壞，要再恢復平衡所需的時間，可能長達數十年，即使平衡重新建立後的生態系，也往往和原來的生態系不大相同