AL GEOG 生物系統( Biotic system)

生物圈(Biosphere) 地球上所有生物及其生活領域的總和。 生物系統( Biotic system) 由生物圈所組成的自然系統, 生物系統與其他系統的關係： 生物參與化學元素的遷移。 生物改變大氣圈和水圈的組成。 生物參與岩石的風化和土壤的形成。 生態系統(Ecosystem)

Biosphere Ecosystem Community Population Organism

生態系統(Ecosystem) 生物群落與環境之間通過能量與物質流動而聯結而成的統一整體。 強調於一個空間內生物與環境間的互相連繫和功能上的統一性。 通過生物的生存、養份的循環、能量的流動，令生態系統結構長久維持，達致一個生態平衡 生態系統的組成  (兩大組元) : 非生物組元(abiotic components) 生物組元(biotic components)

Abiotic components Biotic components sunlight CO2 Energy loss Producers consumers Water in soil Nutrient in soil decomposer

1. 非生物組元(abiotic components) 以功能區分： 參加循環的無機物質(inorganic substance)。包括水、二氧化碳、氧、氮、磷、鉀、鈉、鈣…….等。 聯結生物及非生物部份的有機化合物(organic substance)。如蛋白質、糖類、脂肪和腐殖質等。 環境狀況(environment)﹕氣候如溫度、濕度、風速…….等。泥土如酸鹼度、肥沃性…….等。 以形態區分：氣態 ==> 大氣圈。 液態 ==> 水圈。 固態 ==> 岩石圈和土壤圈。 　

2. 生物組元(biotic components) 按生態系統中的功能為﹕ 生產者(producers) 消費者(consumers) 分解者(decomposer)

a. 生產者(producers) 利用太陽能由簡單的無機化合物製造出有機物質。又稱為自養生物(autotroph)。 例如綠色植物、藻類植物和苔蘚植物等。 光合作用(photosynthesis)﹕ 6CO2 + 6H2O -> C6H12O6 + 6O2

b. 消費者(consumers) 自己不能製造食物，以取食其他有機體營生的生物，也稱為異養生物(heterotroph)。 按其取食特點的不同，可分為四種類型： 食草動物或初級消費者(herbivores) 食肉動物或次級消費者 (carnivores) 雜食動物或三級消費者 (omnivores) 腐屑動物 (detritivores)

食草動物或初級消費者：直接以植物為食的動物。(herbivores) 食肉動物或次級消費者：以其他動物為食的動物。(carnivores) 雜食動物或三級消費者：兼以植物和動物兩者為食的動物。(omnivores) 腐屑動物：以死亡和腐敗的動植物殘体為食的動物。大多屬小型動物、依土壤而居。它們與微生物合作，轉化和分解有機物質。(detritivores) 　

c. 分解者(decomposer) 在生態系統中擔當有機物的破壞、分解和還原作用的生物。 主要由微生物進行，包括細菌和真菌。 分解者將複雜有機化合物，還原成為最基本的無機化合物和營養元素。 如果沒有分解者的存在，物質循還的途徑將會中斷，生態系統走向毀滅。

生態系統的功能 生態系統的基本功能是以生物為核心的能量流動和物質循環 能量流動 (energy flow) 物質循環 (matter cycle)

1. 能量流動 ( energy flow ) 熱力學第一定律 (First law of thermodynamics)：能量可以從一種形態轉變為另一種形態，但不能創選它或消滅它。 熱力學第二定律 (Second law of thermodynamics)：由於某些能量常消散為不能利用的熱能，所以沒有任何能量能完全有效變為潛能(熵 entropy)。因此，能量只會向用處越小及消散越大的狀態轉化，最終轉為分佈均匀的熱能型。

熱力學第二定律

在生態系統中，能量的來源是太陽能。但將太陽能固定下來在於生物的生產，也是把太陽能轉化為不同形式化學能的過程。 能量的固定(fixing of energy) --- 生物生產 能量的轉移(transfer of energy)

a. 能量的固定(fixing of energy) 初級生產(primary production) 次級生產(secondary production) 生物量(Biomass) 生產(Production)

i. 初級生產(primary production) 植物通過光合作用把太陽能轉變為化學能，生產出植物性產品的過程，稱為初級生產。 在光合作用中，每生產１克的碳水化合物，我們需要６７４千卡的太陽能。 植物光合作用中所累積的能量是進入生態系統的基本能量，稱為初級生產量(primary production)。 淨初級生產量(net primary production)﹕由太陽能進入生態系統的基本能量，部份被植物自身用於呼吸而消耗，其餘部份則貯藏於植物的身體內用以增加本身的成份。 NPP = GPP – RA 淨初級生產量 = 總初級生產量 – 植物呼吸作用

ii. 次級生產(secondary production) 生態系統中，初級生產者以外的其他異養生物，利用淨初級生產品，合成自身物質的生產，稱為次級生產。 初級生產是有機物質的製造，次級生產是有機物質的的被利用和再生產。 初級生產品依靠食草動物進入次級生產者的身体，所食入的能量經過大量的消耗，僅有一小部份被利用。 次級生產每上升一個層次，其轉化效率都降低一次。 NSP = GSP – RH 淨次級生產力 = 總次級生產力 – 異養呼吸

iii. 生物量(Biomass) 生物量是指在一定時間內、地表單位面積存在的有機質重量。 這重量包括所有植物、動物和微生物的有機物量，所以又叫現存量。通常以單位面積上的乾物質重量表示。(千克／平方米) 在陸地生態系統中，由於動物和微生物的數量很少，僅及植物量的１％，所以生物量主要由植物量組成。

iv. 生產量(Production) 生產量(Production)是指在一個特定時間內，一個生態系統所生產的生物量。 不同生態系統，其生產量和生物量的差異很大。 以下是不同陸地生態系統的生產量和生物量： 生態系統平均淨初級生產量平均生物量 ---> 熱帶雨林2000克/米2 /年,  溫帶落葉林1200克/米2/年,   熱帶荒漠71克/米 2/年,   苔原地帶144克/米 2/年 。

各生態系統生產力的差異主要受水分、陽光和養分等因子影響。 例如熱帶荒漠受水因子的限制，生產量和生物量都甚低。 熱帶雨林因環境理想，生產量和生物量都是最高

b. 能量的轉移(Transfer of energy) 在生態系統中，能量的轉移是靠食物關係相連，以維持整個生態系統的運作。 能量轉移的渠道﹕ 食物鏈(Food chain) 食物網(Food web) 食物塔(Food pyramid)

i. 食物鏈 (Food chain) 食物鏈---生物靠排攝食而建立的關係。能量通過營養關係，即食與被食的關係來建立的。 按照食物鏈的性質不同，主要分為兩類型﹕ 捕食性食物鏈 : 生產者提供物質通過動物間的捕食行為傳遞。 例子﹕草→食草動物→食肉動物 碎屑性食物鏈﹕小型腐屑動物和微生物對動植物死亡後的殘体、碎屑的利用和處理。通過這些過程，能量和物質傳遞到碎屑動物或還原到環境之中。碎屑性食物鏈在能量流動和物質循環中起著重要的作用。

捕食性食物鏈

腐屑食物鏈

陸地生態系統和水生生態系統的比較 : 陸地生態系統 --- 綠色植物是整個生態系統的核心，但植物有大量的支持組織是難以進食的，這些組織的能量就倚靠碎屑性食物鏈中的腐屑動物和分解者來傳遞。所以在陸地生態系統中，碎屑性食物鏈的能量流動比捕食性食物鏈高得多。 水生生態系統 ---水體中的光合作用主要由藻類植物和浮游植物負責。藻類植物幾乎沒有不可食的組織。浮游動物大量捕食藻類產品，形成一個龐大的生物群體。能量主要通過捕食性食物鏈而流動。

ii. 食物網(Food web) 食物網–在真正的生態系統中，食物關係並不是鏈狀，而是更加複雜的網狀。數個食物鏈串連成一起稱為食物網。 例子﹕植物 →牛 →人 植物 →羊 →人 植物 →人 動物界很少是嚴格單食性的種類。絕大部份的動物都有取食不同種類食物的習性，而同一種食物又會被不同的獵物捕食。各種生物互相吞食的情況十分複雜，互相連接，形成食物網。

陸地生態食物網

iii.食物塔 (Pyramid of biomass) 綠色植物(生產者) →食物基本來源→第一級營養層 食草動物(初級消費者) →以植物為食料→第二級營養層 食肉動物(次級消費者) →以食草動物為食料→第三級營養層 營養層次一般分為三至五級，各營養層由食物鏈來啣接。 各組營養層的生物量和能量都以塔型來顯示，因為隨著營養層的上升，生物量和能量都急速下降。這些流失能量的比率稱為熵值。熵值越大，其遞減的速率則越快。這種關係稱為食物塔或生態塔。

食物塔根據生物量、生物數目和生產率分為三類： 生物數目塔：生物數目隨營養層上升而下降。越高級的動物，其數目則越少。 生物量塔：在一定的時間內，一個生態系統內所擁有的各級生物總量。即是綠色植物最多，食草動物次之，食肉動物最少。 生產塔率或能量塔：以各級動、植物的生產率和能量來排列。綠色植物的生產率最大，而隨著營養層的遞增，生產率隨之下降。

能流分析 ： 通用模型 I A P NA B R I = NA + A 或 I = NA + R + P B biomass 生物量 I input 能量輸入 NA not assimilated 未被同化 A assimilation 同化作用 P production 生產 R respiration 呼吸 I = NA + A 或 I = NA + R + P

三級生態系統的能流模

物質循環 (Matter Cycle/Material Cycle) 在生態系統中，僅有能量不足以維持生命，還需要有物質基礎。 生態系統中的能量來自太陽，物質則由地球供給。 生態系統中的物質，主要是指生物生命必須的各種營養元素。 物質從大氣、水域或土壤中，通過綠色植物進入食物鏈，然後轉移給食草動物，進而轉給食肉動物，最後被微生物分解轉化回到環境中。這些被釋放的物質，又一被植物吸收，重新進入食物鏈。這一個過程稱為物質循環。 物質是不滅的，生態系統中的物質不斷循環，構成物質流動。

生態系統的養分循環 (Nutrient cycle) 營養循環在環境、生產者、消費者和分解者之間進行。 養份循環表現在下列過程中﹕岩石風化→形成土壤→動、植物生長→有機物的合成、代謝和分解→水分溶解→土壤 營養元素通過上述過程不斷遷移、積累和循環。 生態系統還可能從雨水、空氣流動、動物遷移中得到營養元素。元素亦可以從動物遷出、地表徑流和地下水流中移出生態系統以外，形成一個開放系統。 營養循環主要是養分循環於土壤(Soil)、殘落物(Litter)和生物量(Biomass)之間。

地球上不同的生境(habitat)中，養分循環的不同貯存庫和流動過程各有不同　 生物地球化學循環 (Biogeochemical Cycle)：生物系統之間的礦物元素的輸入和輸出，以及它們在大氣圈、水圈、岩石圈和土壤圈之間的交換。 例：碳循環、氮循環

碳循環

氮循環

生態系統的平衡 Ecological equilibrium 生態平衡﹕在一定時間內，生態環境中生物與環境、生物各種群之間，通過能量流動，物質循環，使它們互相適應、協調而達致統一的穩定狀態。這種狀態稱為 生態平衡。 生態平衡的特性 投入 -- 產出平衡 結構上平衡 功能上平衡 如果生態系統中的調節能力比干擾大，系統會逐漸回復正常。相反如果生態系統中的干擾比調節能力大，系統會步向崩潰。

生態平衡的特性 投入–產出平衡 生態系統是一個開放系統，有物質能量的投入，亦有物質能量的產出。 投入＝產出﹔生態平衡。 投入＞產出﹔生態系統增長。 投入＜產出﹔生態系統衰退。 人類從生態系統中取得資源和能量，應給予適當的補償，使系統得以維持。

生態平衡的特性 2. 結構上平衡 生態系統中各成份應不可缺少，生產者、消費者和分解者缺一不可。 生物的種類和數目亦要保持相對穩定。物種應該維持多元化(bio-diversity)，各種生物的比例應該恰當。 生物通過食物鏈，控制著物種間的數量和比例。 人類如果破壞這種協調的關係和比例，使某些物種減少，另一物種大量增加，就會帶來危害。 例如﹕ 農藥令害蟲的天敵減少，害蟲大量增加。 大量捕殺捕鼠類動物，便會造成鼠害。

生態平衡的特性 3. 功能上平衡 系統內元素的組成保持緊密的穩定狀況。 生態系統通過調節化學循環的速度來符合物質轉化的規律。 生態系統通過一連串的反饋，對外界的干擾進行內部結構和功能的調整，以保護系統的穩定和平衡。

生態平衡的特性 生態系統的自我調節能力受下列因素影響﹕ 生物的種類和成分越多，生態系統越穩定。 能量流、物質流途徑的複雜程度越多，生態系統越穩定。 營養物質的貯備量越大，生態系統越穩定。 生物的遺傳和變異能力越大，生態系統越穩定。 生態系統中的非生物環境，可通過物理和化學作用來對系統進行調節。

生態系統的類型 Coastal Oceanic Desert Tundra Steppe Forest Farmland Urban Shallow sea Oceanic Flowing water Slack water Desert Tundra Steppe Forest Farmland Urban Man-made woodland