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第2章 认识生态系统(2)

食物网现象及其规律的揭示,在生态学上具有以下重要意义:①食物网在自然界是普遍存在的,它使生态系统中的各种生物成分之间产生直接或间接的联系。②食物网中的生物种类多、成分复杂,也就是说食物网的组成和结构往往具有多样性和复杂性,这对于增加生态系统的稳定性和持续性非常重要。③食物网在本质上体现生态系统中生物之间一系列反复吃与被吃的相互关系,它不仅维持着生态系统的相对平衡,而且是推动生物进化、促进自然界不断发展演变的强大动力。

知识点生态修复

生态修复是指对生态系统停止人为干扰,以减轻负荷压力,依靠生态系统的自我调节能力与自我组织能力使其向有序的方向进行演化,或者利用生态系统的这种自我恢复能力,辅以人工措施,使遭到破坏的生态系统逐步恢复或使生态系统向良性循环方向发展;主要指致力于那些在自然突变和人类活动影响下受到破坏的自然生态系统的恢复与重建工作。

生态系统的能量流动

生态系统具有能量流动、物质循环和信息传递三大功能,能量流动和物质循环是生态系统的基本功能,信息传递在能量流动和物质循环中起调节作用,能量和信息依附于一定的物质形态,推动或调节物质运动,三者互相联系,不可分割。

能量来源

生态系统的能量来源主要包括太阳辐射能和辅助能两大部分组成。

太阳辐射能是生态系统能量的主要来源。太阳辐射能在生态系统中的效应因波长不同而异。在占太阳辐射能99%的主要波长(0.15~4微米)范围内,波长0.4~0.76微米为可见光,约占总辐射量的50%;波长大于0.76微米为红外线,约占总辐射量的43%;波长小于0.4微米为紫外线,约占总辐射量的1%。其中,红外线的主要作用是产生热效应,形成生态系统中生物的自然热量环境;紫外线具有消毒灭菌的生物学效应,能为优势生物提供自然的健康保护环境;由于光是由7种不同波长的单色光所组成,除绿光外,其余都是绿色植物进行光合作用的生理辐射需要,因此它是生态系统中一切生物化学能的源泉。

能量来源之一——太阳辐射

除太阳辐射能外,对生态系统所补加的一切其他形式的能量统称辅助能。在自然生态系统中,辅助能的作用不明显,输入量小到可以忽略不计的程度。但是,在半自然生态系统,特别是人工生态系统中,人类为了达到特定的目的,往往需要人为地引入大量辅助能,包括人工输入的各种物化能(输入系统中的有机物质或无机物质所含能量)和动力能(使用有机或无机动力所直接消耗的能量)。研究表明,农业生态系统辅助能输入量已达到整个系统能量输入总量的42.1%,高的可达61.8%。辅助能在生态系统中的作用是多方面的,概括起来主要有3项:①维持部分生物的生命。②改善生物的生活环境。③改变生态系统中的各种生物组分的比例关系。

能量流动途径

生态系统的能量流动,通常是沿着生产者—消费者—分解者进行单方向流动,在能量流动过程中,由于存在呼吸消耗、排泄、分泌和不可食、未采食和未利用等“浪费”现象,从而使生态系统中上一营养级的能量只有一少部分能够流到下一营养级,形成下一营养级的有机体。实际上,在生态系统中,某一营养级的采食“浪费”部分,基本上进入腐生食物链由分解者还原,并以热能的方式返回环境。

生态系统不仅能量来源有太阳辐射能与辅助能之别,而且不同来源的能量在生态系统中的流动途径也有区别。

太阳辐射能路径:照射在生态系统绿色植物上的日光能,大约有一半可为光合机制吸收,这部分能量的1%~5%可转变为食物能(生物化学能),其余能量以热的形式离开生态系统。在植物制造的食物能中,一部分用于植物自身的呼吸消耗并以热量形式从系统中丢失;一部分作为产品输出;还有部分作为动物或微生物的能量来源,参与系统部分能量不完全循环流动。

无机能流动路径:无机辅助能以农药、化肥、农膜、农机具及其动力等形式输入到生态系统,进入生态系统中的无机辅助能一般不能直接转化为生物化学潜能,所以大多在做功之后以热能形式散失。

能量流动基本定律

生态系统能量转化的实质就是动植物利用自己的生物学特性,固定、转化太阳辐射能为动植物产品中化学潜能的生物学过程。在转化过程中,能量不断地消耗与输出,使能量逐级减少,其转化遵循热力学第一定律、热力学第二定律和十分之一定律。

热力学第一定律(又称能量守恒定律)认为,能量可以在不同的介质中被传递,在不同的形式中被转化,但数量上既不能被创造,也不能被消灭,即能量在转化过程中是守恒的。在生态系统中,能量的转化也同样遵从热力学第一定律。例如,在绿色植物光合作用过程中,每固定1摩CO2大约要吸收2.093×106焦的日光能,而光合产物中只有0.469×106焦的能量以化学潜能的形式被固定下来,其余的1.624×106焦的能量以热能的形式消耗在固定1摩CO2时所做的功中。在这个过程中,日光能分别被转化为化学潜能与热能两种形式,但总量既没被创造,也没有被消灭。被固定的光合产物的化学潜能,一部分用于植物自身的呼吸消耗,一部分成为生态系统中其他生物成员的能量来源,这些化学潜能在食物链的传递过程中,又分别被转化为动能、热能等形式。尽管能量的形式不断地变化,但都可以根据热力学第一定律进行定量分析。

热力学第二定律(又称能量衰变定律或熵定律)认为,自然界的所有自发过程都是能量从集中型转变为分散型的衰变过程,而且是不可逆的过程。由于总有一些能量在转化过程中要变为不可利用的热能,所以任何能量的转化率都不可能达到100%,生态系统中的能量转化同样遵循这一定律。始于太阳辐射的一系列能量转化过程,只有少量的能量转化为植物体或动物体的化学潜能,大部分则以热能的形式消耗在维持动植物生命活动或微生物的分解过程中。这些以热能形式散发的能量是一种毫无利用价值的能量形式,因此,生态系统的能量流动是单向的不可逆的。

十分之一定律是指在生态系统中营养级之间的能量转化,大致1/10转移到下一营养级,以组成生物量;9/10被消耗掉,主要是消费者采食时的选择浪费,以及用于呼吸和排泄。这一规律是著名的美国生态学家林德曼在明尼苏达赛达·伯格湖的研究中发现的。这一规律说明,生态系统中的营养级之间具有稳定的数量关系。正是这种数量关系的存在,使能量在生态系统中的流动沿着生产者—草食动物—一级肉食动物—二级肉食动物的方向逐渐减少,即能量的流量越流越细。由于生态系统中的能量转化过程服从十分之一定律,从而决定了一个生态系统的营养级数目一般只有4~5级。

生态金字塔

生态金字塔是生态学研究中用以反映食物链各营养级之间生物个体数量、生物现存量和能量比例关系的一个图解模型。由于能量沿食物链传递过程中的衰减现象,使得每一个营养级被净同化的部分都要大大地少于前一营养级。因此,当营养级由低到高,其个体数目、生物现存量和生态金字塔所含能量一般呈现出基部宽,顶部尖的立体金字塔形,用数量表示的称为数量金字塔,用生物量表示的称为生物量金字塔,用能量表示的称为能量金字塔。在这三类生态金字塔中,能较好地反映营养级之间比例关系的是能量金字塔。前两者在描述一些非常规形式食物链中个别营养级的比例关系时,就会出现生态金字塔的倒置现象或畸形现象。如用数量金字塔表示“树木—昆虫—鸟类”食物链的营养关系时,一棵树上就可能有成千上万个昆虫以树为生,又可能有数只鸟以这些昆虫为生。这样如用数量表示就是一个两头小中间大的畸形金字塔。用生物量金字塔表示海洋中“浮游植物—浮游动物—底栖动物”的食物链营养关系时,由于浮游植物的个体小,它们以快速的代谢和较高的周转率达到较大的输出,但生物现存量却较少,从而出现倒置的金字塔。

知识点生态经济学

生态经济学是研究生态系统和经济系统的复合系统的结构、功能及其运动规律的学科,即生态经济系统的结构及其矛盾运动发展规律的学科,是生态学和经济学相结合而形成的一门边缘学科。旨在促使社会经济在生态平衡的基础上实现持续稳定发展,生态经济学作为一门独立的学科,是20世纪60年代后期正式创建的。

生态系统的物质循环

物质循环的概念

生态系统的物质循环,就其本质而言又称地球生物化学循环。所谓生物地球化学循环,即是指地球上的各种化学元素和营养物质在自然动力和生命动力的作用下,在不同层次的生态系统内,乃至整个生物圈里,沿特定的途径从环境到生物体,再从生物体到环境,周而复始地不断进行流动的过程。由于循环物质涉及的范围不同,生物地球、化学循环既包括地质大循环又包括生物小循环两个密切联系、相辅相成的过程。

地质大循环是指物质或元素经生物体的吸收作用,从环境进入生物有机体内,然后生物有机体以死体、残体或排泄物形式将物质或元素返回环境,进而加入五大自然圈的循环。五大自然圈是指大气圈、水圈、岩石圈、土壤圈和生物圈。地质大循环的特点是物质循环历时长、范围广,而且呈闭合式循环。例如,整个大气圈中的CO2通过地质大循环,约需300年循环一次;O2约需2000年循环一次;水圈中的水(包括占地球表面积71%的海洋),通过生物圈生物的吸收、排泄、蒸发、蒸腾,约需200万年循环一次;至于由岩石土壤风化出来的矿物元素,通过地质大循环循环一次则需要更长的时间,有的长达几亿年。

生物小循环是指环境中元素和物质经初级生产者吸收作用,继而被各级消费者转化和分解者还原,并返回到环境中。其中部分很快又被初级生产者再次吸收利用,如此不断地循环。生物小循环的特点是历时短、范围小,而且呈开放式循环,即在循环过程中,有一些物质和元素沿循环路线而进入地质大循环;同时部分来自地质大循环的物质和元素又进入生物小循环。

物质循环的基本类型

生态系统的物质循环按循环物质的属性不同,又可分为气相型循环和沉积型循环两大类。其中,气相型循环即是指大气圈或水圈等储藏库的营养元素或化合物可以转化为气体形式,并通过大气进行扩散,弥漫到陆地或海洋上空,在较短的时间内为植物重新利用的物质循环类型。气相型循环具有快速循环和全球性循环特点,属于相当完善的循环类型,例如二氧化碳、氮、氧等的循环和水循环。

沉积型循环是指岩石圈和土壤圈等贮藏库中保存在沉积岩里的许多矿质元素只有当地壳抬升变为陆地后,才有可能因岩石风化、侵蚀和人类的开采冶炼,从陆地岩石中释放出来,为植物所吸收,参与生命物质的形成,并沿食物链转移;然后动植物残体或排泄物经微生物的分解作用,将元素返回环境。除一部分保留在土壤中供植物吸收外,另一部分以溶液或沉积物状态进入江河,汇入海洋,经沉降、淀积和沉岩作用变成岩石,当岩石被抬升或火山活动并遭受风化作用时,该循环才算完成。

物质循环的基本原理

生态系统的物质循环遵循物质不灭定律和质能转化与守恒定律,并存在物质的生物放大作用。

物质不灭定律认为:与能量相似,物质在转化过程中只会改变形态而不会自行消灭。但是,物质循环不同于能量流动,能量衰变为热能的过程是不可变的,它最终会以热能的形式离开生态系统,而物质虽然在生态系统内外的数量都是有限的,并且是分布不均的,但由于物质在生态系统中能永续地循环,因此它就可以被反复多次地利用。

质能转化与守恒定律认为,世界上不存在没有能量的物质质量,也不存在没有质量的物质能量;质量和能量作为一个统一体,其总量在任何过程中都是保持不变的守恒量。能量是生态系统中一切过程的驱动力,也是物质循环运转的驱动力。物质是组成生物、构造有序世界的原材料,是生态系统能量流动的载体。能量的生物固定、转化和耗散过程,同时就是物质由简单可给形态变为复杂有机结合形态,再回到简单可给形态的循环再生过程。因此任何生态系统的存在与发展,都是物质循环和能量流动共同作用的结果。

生物放大作用主要是指有毒物质的生物富集现象,是指物质在生态系统中沿食物链流动时,一些化学性质比较稳定的物质,被生物吸收固定后可沿食物链积累,浓度不断升高的现象。如DDT、六六六等在自然条件下难于分解转化的农药和某些有毒的有机化合物,在生物圈内表现出很强的生物富集作用。