環境科學 第2章：生態系是什麼及 如何運作？ Ecosystems: What are they How do they work?

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1 環境科學 第2章：生態系是什麼及 如何運作？ Ecosystems: What are they How do they work?

2 核心案例研究：熱帶雨林正逐漸消失 (1) 靠近地球赤道附近 2% 陸地表面 包含多達世界半數已知的陸地植物和動物物種
森林至少有一半已被人類破壞或干擾 砍伐樹木 栽種農作 放牧牲畜 建設居地

3 Natural capital degradation Santa Cruz, Bolivia
June (b) May 2003

4 核心案例研究：熱帶雨林正逐漸消失 (2) 正在逐漸消失的熱帶雨林問題： 減少地球蓬勃的生物多樣性，從而導致物種過早滅絕。
加速氣候的變化，因而降低了森林消除大氣層溫室氣體二氧化碳（CO2）的能力。 改變區域氣候模式，使得已被清除或劣化熱帶雨林地區的多樣性無法回復 (草原)。 第2章 生態系是什麼及如何運作？ 第23-24頁

5 2-1 什麼讓我們和其他生物得以存活？ 支持地球生命系統的四個主要組成為大氣圈（空氣）、水圈（水）、地圈（岩石、土壤、沉積物）和生物圈（生物）。 生命是由來自太陽通過生物圈的能量，以及在生物圈中的營養物質循環和重力來支持。 (the flow of energy from the sun through the biosphere, the cycling of nutrients within the biosphere, and gravity) 第2章 生態系是什麼及如何運作？ 第24頁

6 四個支持地球生命的系統 大氣圈 水圈 地圈 生物圈
植物和動物 大氣層 大氣圈 水圈 地圈 生物圈 生物圈 土壤 岩石 地殼 岩石圈 Figure 3.2: Natural capital: general structure of the earth showing that it consists of a land sphere (geosphere), air sphere (atmosphere), water sphere (hydrosphere), and life sphere (biosphere) (Concept 3-1A). . 地函 生物圈 （生物體） 大氣層 （空氣） 地核 地函 地殼 （土壤和岩石） 岩石圈 （地殼、地函、核心） 水圈 （水）

7 支撐地球生命的三個要素 來自太陽的單向、高品質的能量流。 經由部分的生物圈而進行的營養物質循環。 重力。

8 太陽能延伸到地球 電磁波 可見光 紫外線輻射 熱 自然溫室效應 能源入 = 能源出 人類活動導致地球暖化

9 太陽能 太陽 輻射 以熱形式由 大氣層輻射 大氣層反射 大部分被 臭氧所吸 收 由地球吸收 溫室效應 可見光 紫外線輻射 由地球 輻射的熱 對流層 低平流層（臭氧層） Active Figure 3.3: Solar energy: flow of energy to and from the earth. About one-third of the incoming solar radiation is reflected back into space by clouds, particles in the atmosphere, and the earth’s surface. Another fifth of the incoming radiation is absorbed by ozone in the lower stratosphere (mostly UV radiation) and clouds and water vapor in the troposphere. Most of the remaining half of incoming solar radiation is absorbed by land and water on the earth’s surface. Carbon dioxide and other gases in the troposphere lead to a warming of the troposphere known as the natural greenhouse effect (Science Focus, p. 27). See an animation based on this figure at CengageNOW. 熱

10 2-2 生態系的主要組成是哪些？ 某些生物體能產生它們所需要的營養物質，其他生物體則藉著攝食別的生物體，以獲得所需要的養分，而某些營養物質則經由生物廢棄物與遺骸的分解，經循環再被生產者利用。

11 生態學 有機體如何與生物及無生物環境互相作用 生態學著重於五大層級 生物 族群 群落 生態系 生物圈

12 生態學著重之五大層級 生物圈 (biosphere) 生態系 (ecosystem) 群落 (community)
地球上有生命的地區，包括一部分的空氣、水、陸地 生態系 (ecosystem) 包含不同物種的群落。這些物種彼此間交互影響，且與組成無生命環境的物質和能量也交互影響 群落 (community) 生活於一個地區且互相影響的所有物種的族群 Active Figure 3.4: Some levels of organization of matter in nature. Ecology focuses on the top five of these levels. See an animation based on this figure at CengageNOW. 族群 (population) 生活在特定地區同一物種的生物所組成的群體 生物 (organism) 任何形式的生命 細胞 (cell) 生命的基本結構和功能單位 兩個或兩個以上相同原子或不同的化學元素被化學鍵結合在一起的組合 分子 (molecule) 水 原子 (atom) 展示元素化學特性的最小化學單位 氫 氧

13 生態系的無生命和生物成分 (1) 無生命 水 空氣 營養素 太陽能 岩石 熱

14 生態系的無生命和生物成分 (2) 生物 植物 動物 微生物 生物的殘骸 部分殘體及其廢棄物

15 生態系的主要無生命和生物成分 氧氣 (O2) 降水 二氧化碳 (CO2) 生產者 Active Figure 3.5 Major living (biotic) and non living (abiotic) components of an ecosystem in a field. See an animation based on this figure at CengageNOW. 次級 消費者 （狐狸） 初級 消費者 （兔子） 生產者 水 分解者 可溶性礦物 營養物質

16 營養級 (1) Trophic level 生產者(producer)－自營生物 光合作用 消費者 (consumer)－異營性生物
初級消費者 –草食性動物 (herbivores) 次級消費者 –肉食動物 (carnivores) 三級消費者 雜食動物 (omnivores)

17 其他營養級 (2) 分解者 (Decomposer) 死掉的植物和動物中的養分，釋出到土壤、水和空氣。
屑食動物 (detritus eater) 養分取自其他生物的廢棄物或遺骸

18 能量生產與消費 光合作用 (photosynthesis) 二氧化碳+水+太陽能 能量葡萄糖+氧氣
有氧呼吸 (aerobic respiration) 葡萄糖+氧氣二氧化碳+水+能量

19 能量流和養分循環 生態系和生物圈透過一種組合來維持： 一個是來自太陽單向流經它們的能量 養分循環 太陽能 熱 熱 熱 熱 熱 非生物化學物質
（二氧化碳、氧氣、 氮氣、礦物） 熱 熱 熱 分解者 （細菌、真菌） 分解者 （細菌、真菌） 分解者 （細菌、真菌） 分解者 （細菌、真菌） 分解者 （細菌、真菌） 生產者 （植物） 消費者（草食動 物、肉食動物） 熱 熱

20 2-3 能量在生態系中發生什麼變化？ 當能量流經生態系和食物鏈和網時，它所提供給生物的化學能量，會隨著接續的攝食等級而下降。

21 生態系中食物鏈的能量流動 食物鏈 在生物系列中，一種生物捕食或分解位於生態位階前一級的另一種生物的關係。 熱 熱 熱 熱 熱 熱 第一營養級
生產者 （植物） 第二營養級 初級消費者 （草食性動物） 第三營養級 次級消費者 （肉食性動物） 熱 熱 熱 熱 太陽能 熱 熱 熱 食物鏈 在生物系列中，一種生物捕食或分解位於生態位階前一級的另一種生物的關係。 分解者和食碎屑者

22 生態系中食物網的能量流動 人類 抹香鯨 藍鯨 海象 食蝦海豹 殺人鯨 Active Figure 3.9 ; Greatly simplified food web in the Antarctic. Many more participants in the web, including an array of decomposer and detritus feeder organisms, are not depicted here. See an animation based on this figure at CengageNOW. Question: Can you imagine a food web of which you are a part? Try drawing a simple diagram of it. 豹斑海豹 阿德利 企鵝 皇帝企鵝 烏賊 海燕 魚 肉食性 浮游生物 磷蝦 草食性浮游生物 浮游植物

23 營養級中可用的能量 依熱力學第二定律的結果，一些有用的化學能會劣化，將能量以熱的形式散發到環境而變成低質量的能量。
當能量流經生態系的食物鏈和食物網時，提供給每個接續攝食級生物的化學能量都會減少。 生態效率 (Ecological efficiency) – 典型 10%

24 能量塔 每一營養級中可用 的能量（千卡） 熱 第三級消費者 （人類） 10 熱
Active Figure 3.10: Generalized pyramid of energy flow showing the decrease in usable chemical energy available at each succeeding trophic level in a food chain or web. This model assumes that with each transfer from one trophic level to another there is a 90% loss in usable energy to the environment in the form of low-quality heat. See an animation based on this figure at CengageNOW. Question: Why is a vegetarian diet more energy efficient than a meat-based diet? 第二級消費者 （鱸魚） 100 熱 分解者 熱 初級消費 （浮游動物） 1,000 熱 10,000 生產者 （浮游植物）

25 兩種初級生產力 粗初級生產力 (Gross primary productivity, GPP) (Kcal/m2/yr)
淨初級生產力(Net primary productivity, NPP) (GPP – respiration) 地球上的NPP最終會限制生存在地球的消費者（包括人類）數目。 人類現在使用、浪費或破壞地球總潛在NPP的10—55%。 人類只占地球所有依賴生產者營養的消費者總生物量不到1%的比例。 第2章 生態系是什麼及如何運作？ 第34頁

26 主要生態系平均淨初級生產力 陸地生態系 水生生態系 平均淨初級生產力（千卡／平方公尺／年） 沼澤 熱帶雨林 溫帶雨林 北方針葉林（針葉林帶）
熱帶草原 農地 林地和灌木 溫帶草原 凍原（北極和高山） 沙漠灌木叢 極端沙漠 Figure 3.11: Estimated annual average net primary productivity in major life zones and ecosystems, expressed as kilocalories of energy produced per square meter per year (kcal/m2/yr). Question: What are nature’s three most productive and three least productive systems? (Data from R. H. Whittaker, Communities and Ecosystems, 2nd ed., New York: Macmillan, 1975) 水生生態系 河口 湖泊和溪流 大陸棚 開放海域 , , ,200 4,000 4, , ,400 7,200 8,000 8,800 9,600 平均淨初級生產力（千卡／平方公尺／年）

27 2-4 物質在生態系中發生什麼變化？ 物質以營養物質的形式循環於生態系和生物圈之中，而人類的活動正在改變這些化學物質的循環。

28 生物地球化學循環 養分循環 儲存庫 (reservoir) 通過時間連接所有有機體 (flux)

29 水循環 水循環由太陽能驅動 蒸發 (evaporation) 降水 (precipitation)
蒸散作用 (transpiration) –來自植物表面蒸發到大氣層的水 大氣層中的水蒸氣來自海洋 – 84% 陸地上約 90%蒸發到大氣層的水來自蒸散作用

30 被作物和建築物覆蓋的土地，地下含水層補注和洪水補注減少
水循環 氣候變化 凝結 凝結 冰和雪 降水到土地 植物蒸散作用 從土地蒸發 從海洋蒸發 地表逕流 因濕地破 壞導致泛 洪增加 逕流 降水到海洋 Figure 3.12: Natural capital: simplified model of the water or hydrologic cycle with major harmful impacts of human activities shown by red arrows and boxes. See an animation based on this figure at CengageNOW. Question: What are three ways in which your lifestyle directly or indirectly affects the hydrologic cycle? 湖泊和水庫 被作物和建築物覆蓋的土地，地下含水層補注和洪水補注減少 點源 污染 滲透和滲漏進 入含水層 地表 逕流 地下水移動 （慢） 海洋 抽水過度導致 含水層枯竭 產生過程 受人類影響的過程 儲存庫 受人類影響的路徑 自然途徑

31 碳循環 主要角色是氣態二氧化碳（CO2） 二氧化碳（CO2）占大氣層總量的 0.038% 。 循環過程 有氧呼吸 光合作用
燃燒含碳的化石燃料和砍伐吸收碳的森林植被 增加大氣中二氧化碳和其他氣體濃度，很可能藉由增強地球的自然溫室效應 ，提高大氣層的溫度。 第2章 生態系是什麼及如何運作？ 第37-39頁

32 碳循環 二氧化碳 在大氣層中 呼吸作用 光合作用 動物 （消費者） 化石燃料燃燒 森林火災 擴散 森林砍伐 Figure 3.13: Natural capital: simplified model of the global carbon cycle, with major harmful impacts of human activities shown by red arrows. See an animation based on this figure at CengageNOW. Question: What are three ways in which you directly or indirectly affect the carbon cycle? 植物 （生產者） 呼吸作用 碳 在植物中 （生產者） 輸送 碳 在動物中 （消費者） 二氧化碳 溶解於海洋 碳 在化石燃料中 海洋食物網 生產者、消費者、分解者 分解 碳 在石灰石或白雲石沉積物中 壓實 產生過程 儲存庫 受人類影響的路徑 自然途徑

33 氮循環 氮是一種無法被多細胞植物或動物直接取用的元素。 固氮 硝化 氨化 反硝化

34 氮循環 產生過程 儲存庫 受人類影響的路徑 自然途徑 氮 大氣中 細菌的去硝化作用 閃電 暴風 氮 在動物中 （消費者） 氮氧化物 燃燒燃料和使用 無機肥料 火山 活動 細菌的硝化作用 Figure 3.14: Natural capital: simplified model of the nitrogen cycle in a terrestrial ecosystem, with major harmful human impacts shown by red arrows. See an animation based on this figure at CengageNOW. Question: What are three ways in which you directly or indirectly affect the nitrogen cycle? 氮 在植物中 （生產者） 硝酸鹽 來自肥料逕 流和分解 分解者 植物吸收 硝酸鹽 在土壤中 氮 損失於深層海 洋沉積物中 硝酸鹽 海洋沉積 物中的的氮 細菌 氮 在土壤中

35 磷循環 不包括大氣層 主要是以含磷酸根的磷酸鹽形式存在於陸地岩石和海底沉積層中。 通常限制陸上植物、與淡水溪流和湖泊的生產者族群生長的因素。
對生產者和消費者而言，磷是生物學上很重要的組成分子。

36 磷循環 產生過程 儲存庫 受人類影響的途徑 自然途徑 磷酸鹽 磷酸鹽 在污水中 在肥料中 板塊 磷酸鹽 結構 採礦廢棄物 逕流 逕流 海鳥
Figure 3.15: Natural capital: simplified model of the phosphorus cycle, with major harmful human impacts shown by red arrows. Question: What are three ways in which you directly or indirectly affect the phosphorus cycle? 逕流 磷酸鹽 在岩石中（骨 骼化石、鳥糞） 侵蝕 海洋食物網 動物 （消費者） 磷酸鹽 溶解於水 磷酸鹽 在淺海沉積物中 磷酸鹽 在深海沉積物中 植物 （生產者） 細菌

37 硫循環 地球上大部分的硫都儲存在地下的岩石和礦物中。 以幾個自然管道進入大氣中： 經由活火山 (H2S, SO2)

38 硫循環 二氧化硫 在大氣層中 硫酸和硫酸鹽 沉積為酸雨 熔煉 燃煤 化石燃料精煉
在動物中 （消費者） Figure 3.16: Natural capital: simplified model of the phosphorus cycle, with major harmful human impacts shown by red arrows. Question: What are three ways in which you directly or indirectly affect the phosphorus cycle? 二甲基硫化物 細菌的副產品 硫 在植物中 （生產者） 採礦及萃取 硫 在海洋沉 積物中 植物吸收 腐爛 腐爛 產生過程 儲存庫 受人類影響的途徑 自然途徑 硫 土壤、岩石及化石 燃料中

39 2-5 科學家如何研究生態系？ 科學家利用田野研究、實驗室研究、數學和其他模型去了解生態系。

40 直接研究自然 田野研究 遙感設備(remote sensing devices) 地理資訊系統（GIS）

41 在實驗室研究生態系 簡化的系統 培養試管 培養瓶 水族槽 溫室 室內和室外的控制室裡
科學家們在簡化且受控制的系統中所觀察和測量到的情形，在大自然較為複雜、動態的環境中是否也同樣會發生？

42 使用模型來模擬生態系 模型 數學 電腦模擬 將資料輸入到日益複雜的地球系統研究模型。 必須確定用來開發和測試生態系模型關鍵變量之間的關係。

43 我們需要了解更多有關世界生態系健康的問題
需要全球生態系的基準數據，以了解生態系如何變化。 科學家們只有不到基準數據一半的資料，可用以評估美國境內的生態系現況；而對世界其他大多數地區的數據，那就更少了。 生態學家呼籲對世界的生態系進行大規模基準數據建立的計畫。