10/19 基礎生態學基礎生態學 (3) (3) 生態系組成生態系組成生態系的永續 ( 復載能力、能量、營養鹽循環 )

生態演替生態演替 (( 消長消長 ))封閉生物圈生命維持系統蓋亞理論蓋亞理論深海熱泉生態系深海熱泉生態系冷泉生態系冷泉生態系輔助教材影片：牽一髮動全身？ (b

asic ecology, vent and cold seep)

Ecology

1. From the Greek words oikos, “house” or “place to live”, and logos, “study of”.

2. The study of how organisms interact with one another and with their nonliving environment.

生態系 ecosystem• 生態系的定義

– 一定空間內，生物與非生物成分經由物質的循環、能量的流動、信息的交換，相互作用、相互依存所構成的系統。

組成份

– 生物成分 (Biotic Community)

– 非生物成分 (Abiotic Environment)

e.g. Coniferous forests, Deserts, Grasslands, Tropical

rain forests, Estuaries, Coastal ocean, Open ocean

‧Important terms:SpeciesPopulationCommunity

Abiotic factors

Ecosystem (i.e. rain forest)Biome 生物群落Biosphere

‧Species: All the members of a specific organism with similarity of appearance and/or capacity for interbreeding and producing fertile offspring.

The Pantropical spotted dolphin, Stenella attenuata (Gray, 1846).

‧Population: All the members of a particular species occupying a given area.

‧Biotic community: All the populations of different plants, animals and microbes occupying a given area.

Organism Population Community Ecosystem

‧Abiotic factors: The physical environment where the biotic community staying, e.g. light, temperature, pH, etc.

‧Ecosystem: The biotic community together with the abiotic factors.

‧Biome 群落 : A grouping of all the ecosystems in certain areas, e.g. tropical rain forests, deserts.

‧Biosphere: All the species on Earth along with all their environments seen as one vast ecosystem.

‧Biotic structure of ecosystems Producers Consumers Detritus feeders and decomposers

． Feeding relationships Food chains Food webs Trophic levels & Biomass pyramid

． Nonfeeding (symbiotic) relationships: Mutualism Symbiosis Parasitism

生態系的基本功能• 生物生產

– 初級生產 (Primary Production)

• 太陽能 → 化學能• 簡單無機物 → 複雜有機物

– 次級生產 (Secondary Production)

• 消費者 (herbivores, carnivores) 或分解者 (bacteria, fungi) 經由同化作用，以建造自身、繁衍後代。

• 能量流動 (Energy Flow)

– 能量在食物鏈、食物網內轉變、轉移、消耗。– 能量金字塔 /食物量金字塔

• 物質循環（營養鹽的循環）

Decreasing biomass at higher trophic levels

Decreasing biomass at higher trophic levels

The biomass or dry weight (g/m2) for trophic levels in a grazing food web in a bog at Silver Springs, FL (Mader, 2001).

物質循環（營養鹽的循環）： 最重要的三種：碳循環、氮循環，磷循環等

(non-living environments)Lithosphere Hydrosphere Atmosphere

Ecosystems

Biosphere Human activities (living environments)

生態系基本特徵• 是動態的系統：不斷的發展、進化、演替。

• 有一定的區域特徵：例如熱帶雨林、溫帶針葉林。

• 開放的自持 (Self-maintenance) 系統：– 生產者、消費者、分解者

• 自動調節的功能：受干擾、破壞後自動回復。

• 反饋 (Feedback) 原理：系統內有抑制某物種過度繁殖之能力。

• 抵抗力 (Resistance) ：愈成熟、結構愈複雜的生態系，抵抗外力干擾的能力愈強。

• 恢復力 (Resilience) ：受到外力破壞而復原之能力。

Law of limiting factors Biotic factors Physical barriers

Carrying capacity

Ecosystem sustainability depending on Nutrient recycling With source of energy Without over-grown consumer populations Maintenance of biodiversity

S-shaped curve of logsistic growth (Starr & Taggart, 1981).

When facing a new condition,

The limits of change

Adaptation

Migration

Extinction

Factors supporting the survival and adaptation of species, as opposed to their extinction.

• 生態學的層次–個體生態 (Organisms ecology) ： 個體生物←→環境–族群生態 (Population ecology)： 同種或少數種生物←→環境–群聚生態 (Community ecology)： 多數不同種生物←→環境

Part III- 水利工程

Primary production by photosynthesis and chemosynthesis

CO2 + H2O + energy←→ [CH2O] + O2

CH4 + O2 ←→ [CH2O] + H2O

H2S + H2O + O2 + CO2 ←→ [CH2O] + H2SO4

2CO2 + 6H2 ←→ [CH2O] + CH4 + 3H2O

臺灣的熱泉

附近又發現有海底活火山 核四安全性引發爭議 .

臺灣的熱泉

演替 (succession) • 生物群聚隨環境、時間的變遷而發生變化。• 原有群聚可能暫時或永久消失，而由另一群聚

取代。• 亦稱群聚演替、生物演替。• 演替所呈現的意義

–這是一個「動態」的概念，但過程並非毫無章法。

• 共通性– 有一定次序之群聚改變過程，結果常可預期。– 由群聚改變物理環境。– 最終建立一穩定之群聚。

• 初級演替 (Primary Succession)– 在自然產生的裸地（如森林火災後）產生後，最主要的三個演替

階段。包括：先鋒期 (Pioneer Stage) 、過渡期 (Sera Stage) ，以及顛峰期 (Climax) 三個進程。

• 次級演替 (Secondary Succession)– 有人類活動或干擾的區域最主要的演替活動，包括：人為環境

（開墾、農耕）、過渡期，以及顛峰期（盛林期）三種型態。其中，若原為顛峰期，但因天災或人禍導致原有群聚之消滅，並由另一群聚取代，則稱為變換群聚 (Disclimax Community) 。

演替 (succession)

地球的環境維生系統所面臨的環境問題

Air Pollution Global climate change Stratospheric ozone depletion Urban air pollution Acid deposition Outdoor pollutants  Indoor pollutants  Noise     

Food Supply Problems Overgrazing  Farmland loss and degradation  Overfishing  Coastal pollution  Soil erosion  Soil salinization  Soil waterlogging  Water shortage   Groundwater depletion   Loss of biodiversity   Poor nutrition

Waste Production Solid waste Hazardous waste

Biodiversity Depletion Habitat destruction Habitat degradation Extinction

Major Environmental Problems

資料來源：MILLER ( LIVING IN THE ENVIRONMENT )

Water Pollution‧Sediment‧Nutrient overload‧Toxic chemicals‧Infectious agents‧Oxygen depletion‧Oil spills‧Excess heat

封閉生物圈生命維持系統（ Closed Bio- regenerative Life Support System, CBLSS ）

封閉生物圈生命維持系統（ Closed Bio- regenerative Life Support System, CBLSS ）

‧Bios-3 (Biological Life Support System): 俄 1960 製造 , 容積 315 噸 ,只 種植物 , 有 3 人住 6 月記錄 .‧Biosphere II: USA, 1994, 有 8 人住 2年 記錄 .‧Biosphere J : 日本青森縣 1994 年開始 建造 , 以月球基地為目標 .

Inside of the Biosphere II (Newton, 1992)

生物圈二號‧耗資二億餘美元 , 亞利桑納州 , 佔地 3.1 英畝之密閉溫室 .‧分熱帶雨林、熱帶大草原、沼澤、沙 漠以及海洋等環境 . ‧食物 80% 自產 , 其餘是預先儲存 .‧兩年實驗下來 (1991, 9,26 – 1993,9),8人 平均瘦 13.7% (max. 25%).‧氧濃度從 21% 降至 14%, 與海拔 17500 呎處同 .‧25 種動物 19 種滅絕 , 影響植物受粉 .