生態(tài)金字塔
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摘要：
生態(tài)金字塔是生態(tài)學(xué)中表示不同關(guān)系的一種形式，生態(tài)學(xué)中常以金字塔的形式表示的有能量金字塔、數(shù)量金字塔、生物量金字塔等。不同的金字塔能形象地說(shuō)明營(yíng)養(yǎng)級(jí)與能量、生物個(gè)體數(shù)量、生物量之間的關(guān)系，是定量研究生態(tài)系統(tǒng)的直觀體現(xiàn)。
目錄 |
[4]簡(jiǎn)述
生態(tài)金字塔（ecological pyramid）把生態(tài)系統(tǒng)中各個(gè)營(yíng)養(yǎng)級(jí)有機(jī)體的個(gè)體數(shù)量、生物量或能量，按營(yíng)養(yǎng)級(jí)位順序排列并繪制成圖，其形似金字塔，故稱生態(tài)金字塔或生態(tài)錐體。可分為能量金字塔、生物量金字塔和數(shù)量金字塔三類。生態(tài)金字塔可表示生態(tài)系統(tǒng)的營(yíng)養(yǎng)結(jié)構(gòu)和能流過(guò)程，如圖所示，每經(jīng)過(guò)一個(gè)營(yíng)養(yǎng)級(jí)，能流總量就減少一次，能量在逐級(jí)流動(dòng)中的傳遞率一般只有百分幾到20％，林德曼（R.L.Linde-man）在研究湖泊生態(tài)系統(tǒng)能流時(shí)，首次發(fā)現(xiàn)能流在各營(yíng)養(yǎng)級(jí)間的傳遞率約為10％，并稱為“1/10規(guī)律”。一般來(lái)說(shuō)，能量錐體必呈正金字塔形，而生物量錐體和數(shù)量錐體則可能倒置或部分倒置。生態(tài)金字塔（ecological pyramid）把生態(tài)系統(tǒng)中各個(gè)營(yíng)養(yǎng)級(jí)有機(jī)體的個(gè)體數(shù)量、生物量或能量，按營(yíng)養(yǎng)級(jí)位順序排列并繪制成圖，其形似金字塔，故稱生態(tài)金字塔或生態(tài)錐體。它指各個(gè)營(yíng)養(yǎng)級(jí)之間某種數(shù)量關(guān)系，這種數(shù)量關(guān)系可采用生物量單位、能量單位或個(gè)體數(shù)量單位，采用這些單位構(gòu)成的生態(tài)金字塔分別稱為生物量金字塔、能量金字塔和數(shù)量金字塔。
原理
生態(tài)金字塔的原理可用一個(gè)十分形象但又不很嚴(yán)格的比喻來(lái)概括：大約1000公斤浮游植物能轉(zhuǎn)變成100公斤浮游動(dòng)物，而100公斤浮游動(dòng)物才能轉(zhuǎn)變成10公斤魚，而10公斤魚大致是人長(zhǎng)1公斤組織所需要的食物。這條規(guī)律稱為“十分法則”，是美國(guó)生物學(xué)家林德曼提出來(lái)的。他曾受我國(guó)的“大魚吃小魚，小魚吃蝦米，蝦米吃泥巴”和“螳螂捕蟬，黃雀在后”等諺語(yǔ)的啟示，提出食物鏈的概念，又受“一山不存二虎”，這諺語(yǔ)的啟發(fā)，提出物質(zhì)和能量的“十分法則”。該法則說(shuō)明，在生態(tài)金字塔中，每經(jīng)過(guò)一個(gè)營(yíng)養(yǎng)級(jí)，能流總量就減少一次。食物鏈越短，消耗于營(yíng)養(yǎng)級(jí)之間的能量就越少，縮短食物鏈，就能供養(yǎng)較多的人口。
類型
所謂“生態(tài)金字塔”有三種類型：⑴生態(tài)數(shù)量錐體、⑵生態(tài)生物量錐體、⑶生態(tài)能量錐體。三者不應(yīng)相混，更不應(yīng)將生態(tài)數(shù)量錐體與生態(tài)能量錐體混為一談。生態(tài)能量錐體指的是在一個(gè)生態(tài)系統(tǒng)中，低營(yíng)養(yǎng)級(jí)的生物所固定的能量一定比高營(yíng)養(yǎng)級(jí)的大，即生態(tài)系統(tǒng)中的能量是沿食物鏈逐級(jí)遞減的。由此，這個(gè)生態(tài)能量錐體必然是一個(gè)上尖下大的金字塔形錐體。這是因?yàn)椋阂?，消費(fèi)者有機(jī)體在獲取食物方面從來(lái)不可能是完全有效的，總有許多生物保留下來(lái)，有些可能不適合食用也會(huì)保留下來(lái)；二，消費(fèi)者有機(jī)體從來(lái)不可能把全部吃下的食物都轉(zhuǎn)變成自己的原生質(zhì)(即完全同化)，其中有些作為糞便排出；吸收的能量(即同化過(guò)程中所得到的能量)中，大部分在呼吸過(guò)程中作為燃料轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮芏⑹А?熱能不可能再為生產(chǎn)者所利用，即生態(tài)系統(tǒng)中能流是單向性的)這樣，低的收獲率與低的代謝效率相結(jié)合，就使得在生態(tài)系統(tǒng)中，消費(fèi)者生物種群至多只能轉(zhuǎn)變食物源的10~20%成為自己的原生質(zhì)，即營(yíng)養(yǎng)級(jí)之間能量轉(zhuǎn)移的效率一般為10%“百分遞減率”。于是，明顯地，生態(tài)系統(tǒng)中能量是沿食物鏈單向流動(dòng)并逐級(jí)遞減的。
然而，生態(tài)數(shù)量錐體就未必是上尖下大的“金字塔形”錐體，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)高營(yíng)養(yǎng)級(jí)的生物數(shù)量多于低營(yíng)養(yǎng)級(jí)的生物數(shù)量。 由于生物個(gè)體的大小可以有不同，生物個(gè)體的代謝效率可以有差別，所以一個(gè)營(yíng)養(yǎng)級(jí)的生物數(shù)量多并不意味著其固定的能量一定比另一個(gè)生物數(shù)量較少的營(yíng)養(yǎng)級(jí)固定的能量多。例如，一棵大樹上有百來(lái)只昆蟲在吃樹葉，這棵大樹的能量足以維持這百來(lái)只昆蟲的生活。顯然，在這個(gè)生態(tài)系統(tǒng)中，生產(chǎn)者大樹是初級(jí)營(yíng)養(yǎng)級(jí)，消費(fèi)者昆蟲是二級(jí)營(yíng)養(yǎng)級(jí)，前者的生物數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于后者的生物數(shù)量，是一個(gè)典型的上大下小的倒金字塔形的生態(tài)數(shù)量錐體?？梢?，生態(tài)數(shù)量錐體有時(shí)是可能倒置的，但這并不意味著高營(yíng)養(yǎng)級(jí)固定的能量大于低營(yíng)養(yǎng)級(jí)固定的能量。我們?cè)诮虒W(xué)時(shí)應(yīng)充分說(shuō)明這一點(diǎn)。
生物數(shù)量錐體
生物數(shù)量錐體是以每個(gè)營(yíng)養(yǎng)級(jí)的生物個(gè)體數(shù)量為依據(jù)繪制的金字塔。這種類型的金字塔也往往出現(xiàn)倒置現(xiàn)象。 每一臺(tái)階的含義：表示每一營(yíng)養(yǎng)級(jí)生物個(gè)體的數(shù)目。
生物數(shù)量錐體的一般形狀。因?yàn)樵诓妒虫溨?，隨著營(yíng)養(yǎng)級(jí)的升高，能量越來(lái)越少，而動(dòng)物的體形一般越來(lái)越大，因而生物個(gè)體數(shù)目越來(lái)越少。
實(shí)例：人們對(duì)一片草地上的所有生物成員作了統(tǒng)計(jì)：
生產(chǎn)者（野草） 5842424株；
初級(jí)消費(fèi)者（草原動(dòng)物、昆蟲） 708 624只；
次級(jí)消費(fèi)者（肉食動(dòng)物、吃昆蟲的小鳥） 354 904 只；
三級(jí)消費(fèi)者（肉食動(dòng)物、吃小鳥的鷹） 3只。
數(shù)量錐體的特殊形狀：如一棵樹與樹上昆蟲及鳥的數(shù)量關(guān)系?！ ?/p>
生態(tài)數(shù)量錐體
生物量錐體每一臺(tái)階的含義：表示每一營(yíng)養(yǎng)級(jí)現(xiàn)存生物的質(zhì)量，即有機(jī)物的總質(zhì)量。
生物量錐體的一般形狀：能量是以物質(zhì)形式存在的，因而每一營(yíng)養(yǎng)級(jí)的生物量(現(xiàn)存生物有機(jī)物的總質(zhì)量)在一定程度上代表著能量值的高低，從這個(gè)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(shí)例：人們對(duì)一片海域中生態(tài)系統(tǒng)作了統(tǒng)計(jì)：
生產(chǎn)者（大葉藻） 4 800萬(wàn)噸；
初級(jí)消費(fèi)者（吃大葉藻的小魚蝦） 1200萬(wàn)噸；
次級(jí)消費(fèi)者（吃小魚蝦的大魚） 17萬(wàn)噸；
三級(jí)消費(fèi)者（吃大魚的魚） 3萬(wàn)噸。
生物數(shù)量錐體的特殊形狀：如海洋生態(tài)系統(tǒng)中，生產(chǎn)者浮游植物個(gè)體小，壽命短，又會(huì)不斷被浮游動(dòng)物吃掉，因而某一時(shí)間調(diào)查到的浮游植物的生物量可能要低于其捕食者浮游動(dòng)物的生物量，但這并不是說(shuō)流過(guò)生產(chǎn)者這一環(huán)節(jié)的能量比流過(guò)浮游動(dòng)物的要少。
生物能量錐體
是指將單位時(shí)間內(nèi)各個(gè)營(yíng)養(yǎng)級(jí)所得到的能量數(shù)值由低到高繪制成的圖形呈金字塔形，稱為能量金字塔。營(yíng)養(yǎng)級(jí)別越低，占有的能量就越多；反之，營(yíng)養(yǎng)級(jí)別越高，占有的能量就越少。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(huì)倒置的。從能量金字塔可以看出：在生態(tài)系統(tǒng)中，營(yíng)養(yǎng)級(jí)越多，在能量流動(dòng)過(guò)程中消耗的能量就越多。生物量金字塔：是以每個(gè)營(yíng)養(yǎng)級(jí)的生物量繪制的金字塔。這種類型的金字塔在陸地生態(tài)系統(tǒng)中一般是不會(huì)倒置的。生物能量錐體的形狀永遠(yuǎn)是正金字塔形。
生物能量錐體每一臺(tái)階的含義：代表食物鏈中每一營(yíng)養(yǎng)級(jí)生物所含能量多少。
生物能量金字塔形狀的象征含義：表明能量流 動(dòng)沿食物鏈流動(dòng)過(guò)程具有逐級(jí)遞減的特性。
一般來(lái)說(shuō)，能量金字塔最能保持金字塔形，而生物量金字塔有時(shí)有倒置的情況。例如，海洋生態(tài)系統(tǒng)中，生產(chǎn)者（浮游植物）的個(gè)體很小，生活史很短，根據(jù)某一時(shí)刻調(diào)查的生物量，常低于浮游動(dòng)物的生物量。這樣，生物量金字塔就倒置過(guò)來(lái)。當(dāng)然，這并不是說(shuō)流過(guò)的能量在生產(chǎn)者的環(huán)節(jié)要比消費(fèi)者的環(huán)節(jié)低，而是由于浮游植物個(gè)體小，代謝快，生命短，某一時(shí)刻的現(xiàn)存量反而比浮游動(dòng)物少，但一年中的總能流量還是較浮游動(dòng)物多。數(shù)量金字塔倒置的情況就更多一些，如果消費(fèi)者個(gè)體小而生產(chǎn)者個(gè)大，如昆蟲與樹木，昆蟲的個(gè)體數(shù)量就多于樹木。同樣，對(duì)于寄生者來(lái)說(shuō)，寄生者的數(shù)量也往往多于宿主，這樣，就會(huì)使數(shù)量金字塔的這些環(huán)節(jié)倒置過(guò)來(lái)。
營(yíng)養(yǎng)級(jí)
生態(tài)金字塔可表示生態(tài)系統(tǒng)的營(yíng)養(yǎng)結(jié)構(gòu)和能流過(guò)程，每經(jīng)過(guò)一個(gè)營(yíng)養(yǎng)級(jí)，能流總量就減少一次，能量在逐級(jí)流動(dòng)中的傳遞率一般只有百分幾到20％，林德曼（R.L.Linde-man）在研究湖泊生態(tài)系統(tǒng)能流時(shí)，首次發(fā)現(xiàn)能流在各營(yíng)養(yǎng)級(jí)間的傳遞率約為10％，并稱為“1/10規(guī)律”。食物鏈上的各個(gè)環(huán)節(jié)叫營(yíng)養(yǎng)級(jí)。在生態(tài)系統(tǒng)中，生產(chǎn)者為第一營(yíng)養(yǎng)紋，一級(jí)消費(fèi)者為第二營(yíng)養(yǎng)級(jí)，二級(jí)消費(fèi)者為第三營(yíng)養(yǎng)級(jí)……，依此類推。但食物鏈的加長(zhǎng)并不是無(wú)限的，通常一個(gè)食物鏈由4～5個(gè)營(yíng)養(yǎng)級(jí)組成，最多不超過(guò)7級(jí)。各營(yíng)養(yǎng)級(jí)上的生物一般不只一種，凡在同一層次上的生物都屬于同一營(yíng)養(yǎng)級(jí)。例如在草原生態(tài)系統(tǒng)中，多種草本植物都屬于第一營(yíng)養(yǎng)級(jí)，一級(jí)消費(fèi)者鼠類、小鳥、野兔等都屬于第二營(yíng)養(yǎng)級(jí)。又由于食物關(guān)系的復(fù)雜性，同一種生物也可能隸屬于不同的營(yíng)養(yǎng)級(jí)。如黃鼬不僅吃田鼠，還吃鳥、蛙甚至少量植物，可隸屬于第一、第二營(yíng)養(yǎng)級(jí)。又如，人類食物來(lái)源88％為植物物產(chǎn)品（小麥、水稻、玉米、水果、蔬菜等），相當(dāng)于食草動(dòng)物的地位，屬于第二營(yíng)養(yǎng)級(jí)；人類還以動(dòng)物性產(chǎn)品（肉、奶、蛋等）為食物，則相當(dāng)于食肉動(dòng)物的地位，屬于第三營(yíng)養(yǎng)級(jí)。
低位營(yíng)養(yǎng)級(jí)生物是高位營(yíng)養(yǎng)級(jí)生物的營(yíng)養(yǎng)與能量的供應(yīng)者。第一營(yíng)養(yǎng)級(jí)生物（生產(chǎn)者）獲得的能量，在自身的呼吸和代謝過(guò)程中要消耗很大一部分，余下的作為生物量積累，而后者又不能全部被第二營(yíng)養(yǎng)級(jí)生物（食草動(dòng)物）所利用。因此，在數(shù)量上第一營(yíng)養(yǎng)級(jí)必然大大超過(guò)第二營(yíng)養(yǎng)級(jí)，第二營(yíng)養(yǎng)級(jí)必然大大超過(guò)第三營(yíng)養(yǎng)級(jí)……依此類推。生物量和能量的轉(zhuǎn)移情況亦與此相似?！ ?/p>
課文《生態(tài)金字塔》
生態(tài)金字塔
大魚吃小魚，小魚吃蝦米，蝦米吃浮游生物，浮游生物吃綠藻……當(dāng)你察看生物食物鏈的時(shí)候，會(huì)發(fā)現(xiàn)一個(gè)有趣的現(xiàn)象：生物鏈越往____層，不被別人吃或少被別人吃的動(dòng)物數(shù)量越____；而越往____層，被別種動(dòng)物大量吞食的生物數(shù)量越____。
雜草是數(shù)量最大的生物了，可蝗蟲、尺蟃、菜蚜、甲蟲等昆蟲，田鼠、兔子、羚羊、鹿等哺乳動(dòng)物，都靠它生存。而這些食植物性的動(dòng)物，其數(shù)量也較大。吃肉的食肉性動(dòng)物，如黃鼠狼、狐貍、狼、獅子、虎，比食植物性的動(dòng)物少得多。甲蟲吃草，蜘蛛吃甲蟲，山雀又捕食蜘蛛，鷹吃山雀。一只甲蟲，地上一平方米的采食空間便可滿足它的能量和營(yíng)養(yǎng)的需要，而鷹則需要在幾十平方千米的范圍內(nèi)覓食才能得到足夠的食物。這些生物中，甲蟲比草少，蜘蛛比甲蟲少，山雀比蜘蛛少，鷹比山雀少。
科學(xué)家考察了生物世界的食物鏈，發(fā)現(xiàn)它恰似一個(gè)底大頂尖的金字塔，便把這叫做生態(tài)金字塔。
生態(tài)金字塔的最底層食綠色植物。綠色植物是一切生物的能量基礎(chǔ)，是初級(jí)的生產(chǎn)者，在食物鏈中處于第一營(yíng)養(yǎng)級(jí)。綠色植物往上，便是食草動(dòng)物，是第二營(yíng)養(yǎng)級(jí)。食肉動(dòng)物處在第三營(yíng)養(yǎng)級(jí)上。在金字塔的營(yíng)養(yǎng)級(jí)序列中，上一個(gè)營(yíng)養(yǎng)級(jí)總是依賴于下一個(gè)營(yíng)養(yǎng)級(jí)的能量而存在。金字塔的底層，是生產(chǎn)者，頂端是消費(fèi)者。
地球上的綠色植物是太陽(yáng)能量的收集者，也是生態(tài)系統(tǒng)能量和營(yíng)養(yǎng)的供應(yīng)者。綠色植物對(duì)太陽(yáng)能利用效率的高低，它的生產(chǎn)規(guī)模的大小，決定了進(jìn)入生態(tài)系統(tǒng)的能量有多少，也決定了我們的地球究竟能承載多少食草動(dòng)物、食肉動(dòng)物，以至于處于生態(tài)金字塔頂端的人。生態(tài)金字塔每經(jīng)過(guò)一個(gè)營(yíng)養(yǎng)級(jí)，能量損耗90％左右，越往上，能量流越細(xì)，流入塔頂?shù)哪芰吭缴佟?/p>
有位生態(tài)學(xué)家做過(guò)一個(gè)假設(shè)：在食肉為主的國(guó)家，一個(gè)體重48公斤的男孩，以吃小牛肉為食，一年之中他需要吃4.5頭小牛。為了飼養(yǎng)這 4.5頭小牛，需要開墾4公頃的土地，全部種上苜宿來(lái)生產(chǎn)飼料。最后的結(jié)果怎樣呢？小孩重48公斤，牛重1035公斤，苜宿重8211公斤。小牛的重量是小孩的22倍，苜宿的重量是小孩重量的170倍！
生態(tài)金字塔告訴人們，大自然的負(fù)載能力是有限的，絕不可能超過(guò)負(fù)載能力去供養(yǎng)金字塔頂端的消費(fèi)者。人類的活動(dòng)必須遵循這個(gè)自然的法則，否則，將使人類自己遭到大自然的懲罰。
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