生態金字塔

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更新時間: 2013-12-11

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生態金字塔是生態學中表示不同關係的一種形式,生態學中常以金字塔的形式表示的有能量金字塔、數量金字塔、生物量金字塔等。不同的金字塔能形象地說明營養級與能量、生物個體數量、生物量之間的關係,是定量研究生態系統的直觀體現。

生態金字塔 -簡述
生態金字塔生態金字塔

生態金字塔(ecological pyramid)把生態系統中各個營養級有機體的個體數量、生物量或能量,按營養級位順序排列並繪製成圖,其形似金字塔,故稱生態金字塔或生態錐體。它指各個營養級之間某種數量關係,這種數量關係可採用生物量單位、能量單位或個體數量單位,採用這些單位構成的生態金字塔分別稱為生物量金字塔、能量金字塔和數量金字塔。

生態金字塔 -原理
生態金字塔生態金字塔

生態金字塔的原理可用一個十分形象但又不很嚴格的比喻來概括:大約1000公斤浮游植物能轉變成100公斤浮游動物,而100公斤浮游動物才能轉變成10公斤魚,而10公斤魚大致是人長1公斤組織所需要的食物。這條規律稱為「十分之一法則」,是美國生物學家林德曼提出來的。他曾受中國的「大魚吃小魚,小魚吃蝦米,蝦米吃泥巴」和「螳螂捕蟬,黃雀在後」等諺語的啟示,提出食物鏈的概念,又受「一山不存二虎」,這諺語的啟發,提出物質和能量的「十分之一法則」。該法則說明,在生態金字塔中,每經過一個營養級,能流總量就減少一次。食物鏈越短,消耗於營養級之間的能量就越少,縮短食物鏈,就能供養較多的人口。

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生態金字塔 -類型
生態金字塔生物能量錐體

所謂「生態金字塔」有三種類型:⑴生態數量錐體、⑵生態生物量錐體、⑶生態能量錐體。三者不應相混,更不應將生態數量錐體與生態能量錐體混為一談。生態能量錐體指的是在一個生態系統中,低營養級的生物所固定的能量一定比高營養級的大,即生態系統中的能量是沿食物鏈逐級遞減的。由此,這個生態能量錐體必然是一個上尖下大的金字塔形錐體。這是因為:一,消費者有機體在獲取食物方面從來不可能是完全有效的,總有許多生物保留下來,有些可能不適合食用也會保留下來;二,消費者有機體從來不可能把全部吃下的食物都轉變成自己的原生質(即完全同化),其中有些作為糞便排出;吸收的能量(即同化過程中所得到的能量)中,大部分在呼吸過程中作為燃料轉變為熱能而散失。(熱能不可能再為生產者所利用,即生態系統中能流是單向性的)這樣,低的收穫率與低的代謝效率相結合,就使得在生態系統中,消費者生物種群至多只能轉變食物源的10~20%成為自己的原生質,即營養級之間能量轉移的效率一般為10%「百分之十遞減率」。於是,明顯地,生態系統中能量是沿食物鏈單向流動並逐級遞減的。

然而,生態數量錐體就未必是上尖下大的「金字塔形」錐體,有時會出現高營養級的生物數量多於低營養級的生物數量。 由於生物個體的大小可以有不同,生物個體的代謝效率可以有差別,所以一個營養級的生物數量多並不意味著其固定的能量一定比另一個生物數量較少的營養級固定的能量多。例如,一棵大樹上有百十來只昆蟲在吃樹葉,這棵大樹的能量足以維持這百十來只昆蟲的生活。顯然,在這個生態系統中,生產者大樹是初級營養級,消費者昆蟲是二級營養級,前者的生物數量遠遠小於後者的生物數量,是一個典型的上大下小的倒金字塔形的生態數量錐體。可見,生態數量錐體有時是可能倒置的,但這並不意味著高營養級固定的能量大於低營養級固定的能量。我們在教學時應充分說明這一點。

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生物數量錐體
生物數量錐體是以每個營養級的生物個體數量為依據繪製的金字塔。這種類型的金字塔也往往出現倒置現象。 每一台階的含義:表示每一營養級生物個體的數目。

生物數量錐體的一般形狀。因為在捕食鏈中,隨著營養級的升高,能量越來越少,而動物的體形一般越來越大,因而生物個體數目越來越少。

實例:人們對一片草地上的所有生物成員作了統計:
生產者(野草) 5842424株;
初級消費者(草原動物、昆蟲) 708 624隻;
次級消費者(肉食動物、吃昆蟲的小鳥) 354 904 只;
三級消費者(肉食動物、吃小鳥的鷹) 3隻。
數量錐體的特殊形狀:如一棵樹與樹上昆蟲及鳥的數量關係。
生態數量錐體
生物量錐體每一台階的含義:表示每一營養級現存生物的質量,即有機物的總質量。

生物量錐體的一般形狀:能量是以物質形式存在的,因而每一營養級的生物量(現存生物有機物的總質量)在一定程度上代表著能量值的高低,從這個意義上講,生物量金字塔的形狀一般同能量金字塔形狀相似。

實例:人們對一片海域中生態系統作了統計:
生產者(大葉藻) 4 800萬噸;
初級消費者(吃大葉藻的小魚蝦) 1200萬噸;
次級消費者(吃小魚蝦的大魚) 17萬噸;
三級消費者(吃大魚的魚) 3萬噸。
生物數量錐體的特殊形狀:如海洋生態系統中,生產者浮游植物個體小,壽命短,又會不斷被浮游動物吃掉,因而某一時間調查到的浮游植物的生物量可能要低於其捕食者浮游動物的生物量,但這並不是說流過生產者這一環節的能量比流過浮游動物的要少。
生物能量錐體

是指將單位時間內各個營養級所得到的能量數值由低到高繪製成的圖形呈金字塔形,稱為能量金字塔。營養級別越低,佔有的能量就越多;反之,營養級別越高,佔有的能量就越少。所以能量金字塔塔基體積最大,越往上越小。能量金字塔是絕不會倒置的。從能量金字塔可以看出:在生態系統中,營養級越多,在能量流動過程中消耗的能量就越多。生物量金字塔:是以每個營養級的生物量繪製的金字塔。這種類型的金字塔在陸地生態系統中一般是不會倒置的。生物能量錐體的形狀永遠是正金字塔形。

生物能量錐體每一台階的含義:代表食物鏈中每一營養級生物所含能量多少。

生物能量金字塔形狀的象徵含義:表明能量流 動沿食物鏈流動過程具有逐級遞減的特性。

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一般來說,能量金字塔最能保持金字塔形,而生物量金字塔有時有倒置的情況。例如,海洋生態系統中,生產者(浮游植物)的個體很小,生活史很短,根據某一時刻調查的生物量,常低於浮游動物的生物量。這樣,生物量金字塔就倒置過來。當然,這並不是說流過的能量在生產者的環節要比消費者的環節低,而是由於浮游植物個體小,代謝快,生命短,某一時刻的現存量反而比浮游動物少,但一年中的總能流量還是較浮游動物多。數量金字塔倒置的情況就更多一些,如果消費者個體小而生產者個大,如昆蟲與樹木,昆蟲的個體數量就多於樹木。同樣,對於寄生者來說,寄生者的數量也往往多於宿主,這樣,就會使數量金字塔的這些環節倒置過來。

生態金字塔 -營養級
生態金字塔營養級

生態金字塔可表示生態系統的營養結構和能流過程,每經過一個營養級,能流總量就減少一次,能量在逐級流動中的傳遞率一般只有百分之幾到20%,林德曼(R.L.Linde-man)在研究湖泊生態系統能流時,首次發現能流在各營養級間的傳遞率約為10%,並稱為「1/10規律」。食物鏈上的各個環節叫營養級。在生態系統中,生產者為第一營養紋,一級消費者為第二營養級,二級消費者為第三營養級……,依此類推。但食物鏈的加長並不是無限的,通常一個食物鏈由4~5個營養級組成,最多不超過7級。各營養級上的生物一般不只一種,凡在同一層次上的生物都屬於同一營養級。例如在草原生態系統中,多種草本植物都屬於第一營養級,一級消費者鼠類、小鳥、野兔等都屬於第二營養級。又由於食物關係的複雜性,同一種生物也可能隸屬於不同的營養級。如黃鼬不僅吃田鼠,還吃鳥、蛙甚至少量植物,可隸屬於第一、第二營養級。又如,人類食物來源88%為植物物產品(小麥、水稻、玉米、水果、蔬菜等),相當於食草動物的地位,屬於第二營養級;人類還以動物性產品(肉、奶、蛋等)為食物,則相當於食肉動物的地位,屬於第三營養級。

低位營養級生物是高位營養級生物的營養與能量的供應者。第一營養級生物(生產者)獲得的能量,在自身的呼吸和代謝過程中要消耗很大一部分,餘下的作為生物量積累,而後者又不能全部被第二營養級生物(食草動物)所利用。因此,在數量上第一營養級必然大大超過第二營養級,第二營養級必然大大超過第三營養級……依此類推。生物量和能量的轉移情況亦與此相似。

生態金字塔 -金字塔倒置

生物量金字塔和數量金字塔有時候會出現倒置的塔形。例如,在海洋生態系統中,由於生產者(浮游植物)的個體小,壽命短,又會不斷地被浮游動物吃掉,所以某一時刻調查到的浮游植物的生物量(用質量來表示),可能低於浮游動物的生物量(用質量來表示),這時生物量金字塔的塔形就顛倒過來了。當然,這不是說流過生產者這一環節的能量要比流過消費者這一環節的能量少。事實上,一年中流過浮游植物的總能量還是比流過浮游動物的要多。與此同理,成千上萬隻昆蟲生活在一株大樹上時,該數量金字塔的塔形也會發生倒置。比方說生產者壽命是半年,初級消費者是10年,那麼根據10%定律,1單位重量的生產者就可以養活2-4單位重量的初級消費者。但是流過生產者的總的生物量和能量總是大於初級消費者的。

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