生物多样性与生态系统的关系详述

生物多样性与生态系统的关系详述
生物多样性与生态系统的关系
详述

生物多样性与生态系统的关系详述
保护生物多样性,首先要了解生物多样性的含义.根据联合国“生物多样性公约”,生物多样性的定义是:“生物多样性是指所有来源的形形色色的生物体,这些来源包括陆地、海洋和其他水生生态系统及其所构成的生态综合体;这包括物种内部、物种之间和生态系统的多样性.据化石考证,地球上的低级生命形式(细菌与蓝藻)是出现在40亿年前.由于生命的进化,逐渐形成了地球上的生物多样性.生物多样性包括地球上所有的植物、动物和微生物物种及其所拥有的基因,各物种之间及其与生境之间的相互作用所构成的生态系统及其生态过程.生物多样性是概括性的术语,通常认为有三个水平,即遗传多样性、物种多样性和生态系统多样性.有的学者认为生物多样性还有第四个水平,即景观多样性.
遗传多样性
生物多样性概念
广义的遗传多样性是指地球上所有生物所携带的遗传信息的总和,通常谈及生态系统多样性或物种多样性时也就包含了各自的遗传多样性.狭义的遗传多样性主要指种内不同群体之间或一个群体内不同个体的遗传变异总和.各种栽培植物和家养动物及其地方品种、野生近缘种都拥有异常丰富的遗传多样性.因此物种内的多样性是物种以_上各水平多样性的重要来源,遗传变异、生活史特点、种群动态及其遗传结构等决定或影响着一个物种与其他物种及环境之间相互作用的方式.而且种内遗传多样性是一个物种对人为干扰能否成功地反应的决定因素.物种的遗传变异愈丰富,对环境适应性就愈广,也就是说群体内的遗传多样
性反映了物种的进化潜力.一个种群内的个体在基因上是互有差异的,由于个体具有略有区别的基因类型,因而表现出各种遗传变异.基因是特定蛋白质编码的染色体单位.这些略有差异的基因类型就是等位基因(alleles),同时通过突变(mutation也可以出现差异,突变发生在脱氧核糖核酸(DNA)中.由基因构成单个染色体.不相同的等位基因中的一个基因可以产生出在结构和功能.上不同的蛋白质类型,从而影响有机体的生理发育图.因此在研究遗传多样性时要考虑形态多态性、染色体多态性、蛋白质多态性及DNA多态性.
物种多样性
它指有生命的有机体即动物、植物、微生物物种的多样化.全世界科学家对物种数量还没有精确的估计,其变化幅度为500万至5000万种,甚至多达1亿种.而现在已定名或描述的物种仅有1401万或170万种.要搞清物种数量及系统进化必须依赖于分类学、生物系统学和生物地理学的研究.分类学是对有机体进行分类的理论和实践.生物系统学是研究有机体的类别、多样性以及它们之间相互关系的科学.生物地理学是研究有机体过去和现在分布的科学.它试图阐明有机体及其较高级分类群分布的多种多样格局.Candello(1820)把生物地理学划分为两个分支,即历史生物地理学和生态生物地理学.历史生物地理学主要研究地球的自然地理变迁、物种的形成和灭绝、物种的散布、特有现象、分省现象、不连续性、通过古代抱粉和化石来分析生物地理历史.生态生物地理学主要研究近代的自然环境变迁以及物种分布的限制因子等.在自然界中的物种形成不断延续到现在,也必然会延续到将来.物种在演化过程中,种群经常在遗传上发生变化,这种变化可能是生物学的(由于食物改变及竞争关系),或者是环境的(气候变化、水的有效性、土壤特征等)因素.当种群在遗传上有很多变化,再也不能与产生它的原生种进行交配时,就形成了新种.这类新的物种形成被称为系统进化(phyletio evolution).由一个原生祖先进化为两个或更多的新种,这可能是由于地理障碍如江河、山脉、海洋,致使该物种不能超越,妨碍了同种内不同种群间的交流,使这些种群在遗传上适应了特定的新的岛屿、山地和深谷环境.这种地方性适应过程,并导致形成新种,称之为适应辐射(adaptive radiation ).在正常情况下新种的起源是一个漫长过程,发生是以数千年计,至少须几百年.新科、新属的演化过程更慢,可能经历几十万甚至几百万年,即使地球上不断有新种形成,但现今物种灭绝速度大约超过新种形成速度的1000倍,这是十分严峻的形势.
研究某一地区的物种多样性时我们不仅要计算其物种数量即物种丰富度,更重要地要估算其种以上的高级分类单位属、科、目和门等的丰富程度,也就是分类群的多样性.在传统地考虑物种多样性时,对一个地区的单型的分类群给以较高的评价,如银杏(Ginkgo biloba)在分类学上或进化上是孤立的.当物种分布范围有一定限制时,称为特有现象,例如银杉属(Cathaya)只生长在我国中南部,白鳍豚(lipotes vexillifer)只生长在洞庭湖及长江中下游,所以称为中国的特有属和特有种.由于动植物类群在历史发展过程中的迁移、灭绝和进化,导致世界不同地区在动植物区系上的多样性、复杂性和特有性.因此在研究一个地区物种多样性时,对该地区的特有属和特有种亦予以充分的注意.
生态系统多样性
生态系统多样性是指生物圈内生境、生物群落和生态系统的多样性以及生态系统内生境差异、生态过程变化的惊人的多样性川.生境是指无机环境,包括气候、土壤、地貌和水文等.生物群落是占据一定地段上生活在一起的物种,它们是存在着相互作用的群体.生物群落与其所生存的环境,发生相互作用,构成的生态综合体称之为生态系统.生态系统与外界环境之间不断地发生相互作用,也就是对太阳能量的固定、分配和丧失,生物地球化学循环和水分循环等多种多样的生态过程,并不断发生生态系统的动态变化.
生态系统是由各种不同生物群落所组成的,生物群落多样性是指群落的组成、结构和动态(包括演替和波动)方面的多样化.组成生态系统的生物群落一般具有垂直结构和水平结构.群落的垂直结构往往由不同物种所组成.以森林生态系统为例,森林的林冠层及其亚层、灌木层、草本层、枯枝落叶层和土壤层都由不同生物所组成.它们在生态过程中发挥不同的功能.林中的枯立木或倒木常常是很多生物如鸟类、真菌、无脊椎动物的栖息地.具有复杂垂直结构的生态系统常常拥有极为丰富的物种.生态系统的水平结构常常与生态位(niche)多样性相联系.每一物种
为了维待它们种群的生存、繁殖,必须有一定物理环境,以此得到所需能量和营养物质,并逃避它们的天敌.每个物种在系统中所占的位量称之为生态位.生态位是复杂和多维的.它为物种提供所需要土资源的组合.如植物种的生态位由下列因素组成,即该种分布的土壤类型、土壤湿度及养分状况,它接受光照的总量,它的授粉系统以及种子散布机理.动物物种生态位包括它所占据的栖息地类型,它全年进食的食物类型,对越冬场所的需求.因此,每一物种的生态位是该种在生态系统中的生存空间.
导致生态系统多样性的另一个重要方面是由于生态系统是由具有不同营养特点的生物所组成,也就是营养多样性.植物是第一性生产者,是生态系统所有其他生物的食物源泉,一也是食物链或食物网的起点.在生态系统中存在着各种草食动物、肉食动物、杂食动物、分解者生物、互惠共生生物、附生生物、腐生生物以及共栖生物等.它们构成了生态系统复杂的食物网,这些具有不同营养特点生物对生态系统过程具有十分重要的贡献,它们导致了能流、物流的多样化过程,以及生物之间复杂的相互作用.
生态系统中的物种常常由不同年龄结构的种群所组成,物种的动态变化,特别是优势种、关键种的变化会导致整个生态系统的动态发展.
景观多样性
这是指由不同类型景观要素或生态系统构成的空间结构、功能机制和时间动态方面的多样化或变异性.景观的定义是“由一组以相似方式重复出现的,由相互作用的生态系统所组成的异质性的陆地区域”.景观基本结构是由斑块(patch)、廊道(corridor)和基质(marix)组成.斑块是指动植物群落或非生命物体如裸露岩石和土壤以及建筑物等.廊道是指不同于两侧基质的狭长地带,如树墙、防护林、河流、道路等,这些大多由人
类干扰所形成.基质是景观中面积最大、连续性最高的景观要素,它在景观动态中起着重要作用.景观的功能是指生态系统之间物种、能量和物质的流动.景观动态是指结构与功能随着时间的变化.自然干扰、人类活动和植被演替或波动是景观发生动态变化的主要原因.景观多样性原则上为生态系统多样性更高的等级单位,更为宏观.
以上介绍了生物多样性4个等级水平,人们还从生物多样性的4个组织水平来研究生物多样性的组成、结构和功能.生物多样性组成有基因、物种和种群、群落和生态系统、景观类型.结构有基因结构、种群结构、外貌和生境结构、景观格局.功能有遗传过程、种群统计过程和生活史、种间相互作用和生态系统过程、景观过程、干扰和土地利用趋势.此外还提出了文化多样性,这是指不同文化背景下,或在同一文化背景下,对生物多样性保护和持续利用的方式.在社会经济驱动力和人类活动影响下,生物多样性的价值及各种保护和利用措施会发生巨大的变化,也就是人类认识到生物多样性在社会、伦理、信仰和民族生物学中的重要作用.
生物多样性与生态系统功能关系的研究是目前生态学研究中的一个熬点问题,文章讨论了目前谊领域研究中存在的一些问题,如取样效应,随机组合的生态学意叉,物种的长期效应,生态系统功能的衡量标准等.通过对这些问题的认识和解决,将有助于我们进一步了解多样性与生态系统功能之问的关系.关键词生物多样性生态系统功能取样效应目前生物多样性正以惊人的速度丧失,为此,有关生物多样性与生态系统的功能,生态系统的稳定性的研究受到了广泛关注.以前关于多样性的研究,多样性的保护多是从伦理,审美和服务功能的方面考虑,而将生物多样性与生态系统功能直接相连的研究较少,这是因为在自然生态系统中,多样性变化的同时,生境条件也都发生了变化,这些变化直接影响着生态系统的各个过程,这就使得人们对多样性的认识还很模糊.近年来,随着,.,.等的研究,使人们意识到生态系统对群落中物种的数量,组成的变化也都很敏感.这些实验得出了一些结论;如生态功能最大的系统中包含有更多的物种;生态系统对于多样性降低的反应更多的是依赖于群落的组成,即哪些种丢失了,哪些种还存在;功能群多样性的作用往往大于物种多样性,同时在每个功能群中至少有一个物种对于生态系统的功能特别重要等.这加深了我们对于生物多样性与生态系统功能之间关系的认识,但无疑这些实验中存在的诸如取样效应等问题使得实验的结果变得难以说明,因而对于以下问题的认识和解决将有利于我们进一步了解这两者之间的关系,以便我们采用一种持续发展的方式利用目前的资源,也有助于我们了解若对目前生物多样性的快速丧失置之不理,将会给生态系统带来什么样的后果.1取样效应取样效应(或).就是在一定数量的物种库中,可能有少数几个种对整个生态系统功能有很大的影响或是在某些生态过程方面(如生产力)与其它的物种有较大的差异,而在这既定的物种库中,随选择的物种数的增加,包含这些种的可能性也就越大,从而使得试验的结果受这些物种所支配.它可以通过以下几个方面来表现:①生态功能大小的差异.如,对生产力过程来说,随物种数目的增加,它包含生产力高的物种的可能性就增大,而实验的结果又往往受到生产力较高的物种所支配,因而我们就很难将生态朴偿效应与取样效应分开.②生态功能特性的差异.如,从固氨角度出发,若有1个植物种,其中1个种可固氨,而其余9个不可固氨,则从中选择1个种,选到该固氨种的可能性很小,而将1个种都选,则肯定包含该固氨种,这时若按多数的多样性实验设计那样,将1个种混和对生态功能的影响与一个种的影响比较,就会得出随多样性增加,生态系统功能越好12黄建军辱生物垄样性与生态系统功能关系研究中的几个问题的结论,而造成该结果的真正原因应归于取样效应.多数生态学家认为,若多样性实验中出现超产()."——即植物混种后的总生产力大于其中生产力最大的物种在单独栽培时的产量,则可说明多样性的提高有利于增加生态系统的功能.但实际上这种现象也可能是取样效应造成,如在欧洲几个国家的大草原上开展的')试验就出现了超产现象,但这可能是由于实验中采用了一些固氨物种,从而提高了其它所有种的生产力,导致了超产现象.因为这种结果是由某些特定种的存在所导致,所以也应归于取样效应.⑧实验结果的数学分析.如物种的生产力为100,物种的生产力为50,将两物种以0.5:0.5混种时,的期望值为50,的期望值为25,着实验结果是为55,相对增加了10,为22.5,相对减少了10,则最后的观测结果是77.5,大于期望值75,因此若简单的以生产力期望值与实厮值的差异来衡量,就会得出生态系统功能随多样性增大而提高的结论.对于取样效应,.曾认为多样性变化的同时,即增加或减少一些种的同时,必然会伴随着物种组成的变化,因而取样效应是多样性机制的一种表现,但这种结论存在的一个前提就是自然界中的物种是随机组合的,这显然与真实群落构成不符..消除或减少取样效应最好的方法是做所有混合配置中所涉及的物种的单独实验,并将混合实验的结果与单独实验结果相比较,采用合适的评价方法,如,",一."等.2随机取样,均匀组合的生态学意义生物多样性与生态系统功能的实验中,采用的方法多是从一定的物种库中,按随机取样的原则,再进行不同物种数的等比例混合.如.等1996年在草原上开展的实验,共设了147个样地,每个样地33,且土壤,含量等条件也相似,然后从24个当地种子库中分别随机选取1,2,4,6,8,24种植物种子种植,并且每一级物种数的实验中都至少有20个重复样(物种数为24除外),研究的结果表明生态系统的功能随多样性(物种数)的增高而增大.这种实验方法在一定程度上避免了由于物种组成的不同而给实验带来的困难,但同时也产生了以下几个问题①现实群落中的物种组成是有一定规律的,物种的灭绝也不是随机的;②现实群落结构更复杂,物种数更多,群落中的物种也不会完全以均匀的方式配置在一起自然群落往往是由于执行一定功能的物种以特定的方式构成的,也常常有少数几个优势种在生物量等方面占有较大的比例,因而这种随机取样,均匀组合的方法不能反映自然界中群落的真实构成,对于这种随机取样的生态学意义,可能的解释是:①某些特定的生态系统或群落中的物种组成的确是随机的.②从功能群的角度来解释.如以捅落物混合分解为例,1,3为一功能群,1,2,3为一功能群(以分解速率或初始凋落物含量为功能群划分标准),随机取样中将1与3混合,而现实中1和3不可能混合在一起,但1,1可能会在一起.这时1与3混合说明的是功能群与功能群相混合的情况,因而可由1与3混合的结果推测1与1混合分解的相互作用.3非优势种的长期效应目前有关多样性与生态系统功能的实验周期多为1～2年,因而考虑的较多的是物种对于生态系统功能的短期效应,这种研究往往会忽视处于非优势地位的某些物种的长期效应.如对于植物群落,可以根据植物的生物量,优势度将植物分为优势种,伴生种和偶见种