Chap.2 The Ecosystem (II)

Chap.2 The Ecosystem (II)

鄭先祐 (Ayo)國立台南大學環境與生態學院

2008 年 2 月至 6 月

2. ecosystem (part II) 2

The Ecosystem1. Concept of the ecosystem and ecosystem man

agement ( 生態體系與經營管理 )2. Trophic structure( 營養結構 ) of the ecosystem3. Gradients ( 梯度 ) and ecotones4. Examples of ecosystems5. Ecosystem diversity ( 多樣性 )6. Study of ecosystems7. Biological control of the geochemical environm

ent: the Gaia hypothesis ( 蓋雅假說 )


8. Global production and decomposition9. Microcosms, mesocosms, and macrocosms10. Ecosystem cybernetic11. Techno-ecosystems ( 技術生態體系 )12. Concept of the ecological footprint ( 生態足跡 )13. Classification of ecosystems


8. Global production and decomposition

Photosynthesis, 全球每年產生 1017g ( 約 1,000億噸 ) 有機物質 ( 生產量 ) 。每年分解的有機物質 ( 呼吸量 ) ，約同量，但 the

balance is not exact.有機物質存量的累積，顯著的減少大氣的 CO2 ，和增加 O2

名詞： Allochthonous inputs (allos= other, chthonos= of the e

arth) ( 來自生態體系外的有機物質 ) Autochthonous production


Photosynthesis

General equation二氧化碳 + 水 → 碳水化合物 + 氧氣

Three typesC3 植物， C4 植物，和 CAM 植物


RuBP carboxylase


C3 途徑大部份生活在水域的植物，吸收 CO2 的生物化學途徑是稱為： Calvin-Benson cycle 。

CO2 + RuBP (5C) → 2PGA(3C) 因為是產生 3C 的分子，所以這個途徑就稱為 C

3 途徑 ( 光合作用 ) 。這個過程的催化劑 (enzyme ，酵素 ) 稱為 R

uBP carboxylase 。這個酵素對 CO2 的親合力低，所以葉片內的這個酵素的含量要很高。這個酵素在高熱高氧下，也會催化 RuBP 的氧化，如此造成光合作用的效率差。


C4 途徑許多在熱氣候的植物具有對 C3 修改的途徑，增加一個吸收 CO2 的途徑：

CO2 + PEP(3C) → OAA (4C)因為是產生 4C 的分子，所以就被稱為 C4 途徑。 (Fig.5-13)

催化此過程的酵素是稱為 PEP carboxylase ，與 CO2 有很高的親合力。OAA(4C) → PEP(3C) + CO2→Calvin


C4 pathway of photosynthesis

4C


C4 植物C3 植物


(a) Relationship of photosynthesis to leaf temperature


(b) Relationship of photosynthesis to intercellular CO2 concentration in two desert shrubs.


CAM (crassulacean acid

Metabolism) 途徑有些沙漠植物，可以在晚上的時候吸收

CO2 ，並且可以留到白天才進入 Calvin cycle 。

PEP + CO2 → OAA → Malic acidMalic acid 可以貯存，於白天時：Malic acid→pyruvate + CO2 →Calvin這就被稱為 CAM 代謝途徑。

2. ecosystem (part II) 14圖 5. C3 和 C4 植物的比較。


CAM pathwayCAM = crassulacean acid metabolism

Diagram of the photosynthesis pathway in CAM plants.


Table 2-6

2. ecosystem (part II) 18Fig. 2-11. Diagram of a deep-sea thermal vent.


Types of decomposition

Type 1. Aerobic respirationType 2. Anaerobic respiration


BOD

Fig. 2-12


Fig. 2-13

2. ecosystem (part II) 22Fig. 2-14


Fig. 2-15 Model of a humic acid molecule, illustrating (1) the aromatic or phenolic benzene rings; (2) cyclic nitrogen rings; (3) nitrogen side chains; and (4) carbohydrate residues; all of which make humic substances difficult to decompose.


Fig. 2-16 Loss of organic matter from buried litter bags in a grassland.


9 Microcosms, Mesocosms, and Macrocosms

Microcosms: little self-contained worlds in bottles or other containers

Mesocosms: Large experimental tanks or outdoor enclosures

Macrocosms: the planet Earth, large watersheds, or natural landscapes


Fig. 2-17 Gnotobiotic microcosm


Fig 2-18 Diagram of a standardized aquatic microcosm (SAM) setup.

2. ecosystem (part II) 28Fig. 2-19 Experimental aquatic mesocosms

2. ecosystem (part II) 29Fig. 2-20 Aerial photograph of 16 terrestrial mesocosms at the Miami University Ecology Research Center.

2. ecosystem (part II) 30Fig. 2-21 Biosphere-2


維生體系的資源，免費供應大氣中氧氣濃度的維持全球的平均氣溫，與氣候分布和變化雨水的供應吸收太陽能量，產生有機食物化石燃料的形成自然景觀


維生體系維生環境 (life-support environment) ：供應人類生理生活所需要的資源之地區。維生體系 (life-support system)維生體系 = 農耕體系 + 自然體系農業體系提供每人每年所需的一百萬卡洛里，其中有 15% 必要是蛋白質。自然體系維持氣候環境，氣溫、大氣中的氧氣濃度、淡水的形成、一部份的糧食、藥材等。


生物圈二號的實驗於 1991 年，一個不透氣，罩著玻璃的密閉建築，生物圈二號，被建造完成。佔地 1.27 公頃。於 1991 年秋天，有 8 個人被送進去，在裡面生活了兩年，不與外面作任何物質的交換，但有豐富的能量供應與無限制的資訊交流 ( 如收音機、電視、電話等 ) 。生物圈二號，約有 80% 的空間是自然棲地。其餘的有 16% 是農耕地。人類居住的地區 (8 個人 ) 約佔 4% 。


(1) 雨林、 (2)疏林 /海洋 /沼澤、 (3) 沙漠、 (4) 密集的農耕地、 (5) 人類棲地、 (6 和 7) 人造肺部、 (8) 能源中心、 (9)冷卻塔


生物圈二號的實驗結果1993 年秋季，八位生物圈人結束兩年的隔離生活。他們的健康狀況比進入之前還好。維持空氣、水的對流及淨化等，運作得相當順利。進入生物圈的太陽能足以維持食物的栽培的產量。但所有的光合作用上不完全足以維持和空氣中二氧化碳的平衡。於最後的六個月裡，必須注入氧氣以預防氧氣的不足。生物圈人的時間分配：

45% 生產和處理食物 25% 維護及修理器材 25% 溝通 5% 小型的研究計劃沒有剩餘時間可用在休息及娛樂上


Box 維生的昂貴價格為維持生物圈二號的維生體系，每個小時要耗用 700千瓦的電力及 23,000,000千焦耳 (kilojoules) 的天然氣。兩年來總耗用 12,500,000 度的電力和 3,800,000撒姆 (ther

m) 的天然氣。以每度電 1毛錢，每撒姆天然氣七毛錢來算，價格分別為 1,

250,000美元及 2,600,000美元，總共近 400 萬美元。由 8位參予者分攤，每個月的帳單將超過 150,000美元，相當於台幣 450 萬元 ( 以 1 ： 30計算 ) 。


生物圈二號的後續計畫生物圈二號在物質上是封閉的，但在能量上卻是開放的。除了給予太陽能外，還給予化石燃料。將來能源需要，可以用太陽能電池來取代。美國航太總署為要興建 compact life-support modu

les ，而進行的 controlled ecological life-support system ，簡稱為 CELSS) 的計畫。利用物理、化學和生物的方法製造空氣、淡水、和食物。


Biosphere II, Tucsonhttp://www.bio2.com/gallery.htm

http://www.bio2.com/gallery.htm


10 Ecosystem Cybernetics

cybernetics (kybernetes= pilot or governor)

pulsing state vs. steady state stability

resistance stability resilience stability


Fig. 2-22 Feedback control system (A) Model appropriate for human-made automatic control systems and homeostatic, goal-seeking organismic systems.

2. ecosystem (part II) 43Fig. 2-22 (B) Model appropriate for nonteleological ( 無目的的 ) systems, including ecosystems.

2. ecosystem (part II) 44Fig. 2-23 Resistance and resilience stability.


11 Technoecosystems

Current urban-industrial society not only affects natural life-support ecosystems, but it has created entirely new arrangements, which we term technoecosystems, that are competitive with and parasitic on natural ecosystems.


Fig. 2-24 Model of the relationships between urban-industrial technoecosystmes and natural ecosystems, including money flows.

2. ecosystem (part II) 47Fig. 2-25 Heterotrophic ecosystems.


12 Concept of the Ecological Footprint

Ecological footprint ( 生態足跡 )5.1 hectares per person, US4.3 hectares, Canada0.4 hectares, India

US, 4.7% of the world’s human population, consumes 25% of the world’s energy resources.


0

50

100

150

200

250

300

350

原始時期 - 狩獵採集早期農業文明興起工業時代科技時代

(Giga

joules

)平均每人每年消耗

交通耗用

農工業

生活和服務

食的消耗

10 萬年來，人類平均每人每年消耗的能量。原始時期 ~10 萬年前；狩獵 - 採集 ~1 萬年前至 10 萬年前；早期農業 ~7,000 年前至 1 萬年前；文明興起： ~1400AD ；工業時代 ~1875AD ；科技時代 ~1950AD 。


13 Classification of Ecosystems

Ecosystems can be classified by either structural or functional characteristics.


Table 2-7


http://mail.nutn.edu.tw/~hycheng/

問題與討論

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