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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. The Ecosystem. Concept of the ecosystem and ecosystem management ( 生態體系與經營管理 ) Trophic structure( 營養結構 ) of the ecosystem Gradients ( 梯度 ) and ecotones Examples of ecosystems Ecosystem diversity ( 多樣性 )

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Chap.2 The Ecosystem (II)

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Presentation Transcript

  1. 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. The Ecosystem • Concept of the ecosystem and ecosystem management (生態體系與經營管理) • Trophic structure(營養結構) of the ecosystem • Gradients (梯度) and ecotones • Examples of ecosystems • Ecosystem diversity (多樣性) • Study of ecosystems • Biological control of the geochemical environment: the Gaia hypothesis (蓋雅假說)

  3. Global production and decomposition • Microcosms, mesocosms, and macrocosms • Ecosystem cybernetic • Techno-ecosystems (技術生態體系) • Concept of the ecological footprint (生態足跡) • Classification of ecosystems

  4. 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 earth) (來自生態體系外的有機物質) • Autochthonous production

  5. Photosynthesis • General equation • 二氧化碳 + 水 → 碳水化合物 + 氧氣 • Three types • C3植物 ， C4植物，和 CAM植物

  6. RuBP carboxylase

  7. 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C3途徑(光合作用)。 • 這個過程的催化劑(enzyme，酵素)稱為RuBP 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。

  8. 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

  9. C4 pathway of photosynthesis 4C

  10. C4植物 C3植物

  11. (a) Relationship of photosynthesis to leaf temperature

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

  13. 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 acid • Malic acid 可以貯存，於白天時： • Malic acid→pyruvate + CO2 →Calvin • 這就被稱為CAM代謝途徑。

  14. 圖5. C3和C4植物的比較。

  15. CAM pathwayCAM = crassulacean acid metabolism  Diagram of the photosynthesis pathway in CAM plants.

  16. Table 2-6

  17. Fig. 2-11. Diagram of a deep-sea thermal vent.

  18. Types of decomposition • Type 1. Aerobic respiration • Type 2. Anaerobic respiration

  19. Fig. 2-12 BOD

  20. Fig. 2-13

  21. Fig. 2-14

  22. 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.

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

  24. 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

  25. Fig. 2-17 Gnotobiotic microcosm

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

  27. Fig. 2-19 Experimental aquatic mesocosms

  28. Fig. 2-20 Aerial photograph of 16 terrestrial mesocosms at the Miami University Ecology Research Center.

  29. Fig. 2-21 Biosphere-2

  30. 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

  31. 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。

  32. 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%。

  33. (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

  34. 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

  35. 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(therm)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)。

  36. 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 modules，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。

  37. Biosphere II, Tucson http://www.bio2.com/gallery.htm

  38. 10 Ecosystem Cybernetics • cybernetics (kybernetes= pilot or governor) • pulsing state vs. steady state • stability • resistance stability • resilience stability

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

  40. Fig. 2-22 (B) Model appropriate for nonteleological (無目的的) systems, including ecosystems.

  41. Fig. 2-23 Resistance and resilience stability.

  42. 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.

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

  44. Fig. 2-25 Heterotrophic ecosystems.

  45. 12 Concept of the Ecological Footprint • Ecological footprint (生態足跡) • 5.1 hectares per person, US • 4.3 hectares, Canada • 0.4 hectares, India • US, 4.7% of the world’s human population, consumes 25% of the world’s energy resources.

  46. 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。

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