參與評論

評論

登錄后參與評論

全部評論(1條)

• 

  cuifengbo12 2017-06-28 00:00:00

  地球生態(tài)系統(tǒng)的組成及功能 1．生態(tài)系統(tǒng)的概念 在自然界，任何生物群落總是通過連續(xù)的能量—物質(zhì)交換與其生存的自然環(huán)境不可分割地相互聯(lián)系和相互作用著，共同形成統(tǒng)一的整體，這樣的生態(tài)功能單位就是生態(tài)系統(tǒng). 按照生態(tài)系統(tǒng)的上述定義，我們既可以從類型上去理解，例如森林、草原、荒漠、凍原、沼澤、河流、海洋、湖泊、農(nóng)田和城市等；也可以從區(qū)域上理解它，例如分布有森林、灌叢、草地和溪流的一個山地地區(qū)或是包含著農(nóng)田、人工林、草地、河流、池塘和村落與城鎮(zhèn)的一片平原地區(qū)都是生態(tài)系統(tǒng).生態(tài)系統(tǒng)是地球表層的基本組成單位，它的面積大小很懸殊，從整個生物圈到一滴水及其中的微生物，都可看作是生態(tài)系統(tǒng).因此，整個地球表層就是由大大小小各種不同的生態(tài)系統(tǒng)鑲嵌而成. 作為一個開放系統(tǒng)，生態(tài)系統(tǒng)并不是完全被動地接受環(huán)境的影響，在正常情況下的一定限度內(nèi)，其本身都具有反饋機能，使它能夠自動調(diào)節(jié)，逐漸修復(fù)與調(diào)整因外界干擾而受到的損傷，維持正常的結(jié)構(gòu)與功能，保持其相對平衡狀態(tài).因此，它又是一個控制系統(tǒng)或反饋系統(tǒng). 生態(tài)系統(tǒng)概念的提出，使我們對生命自然界的認識提到了更高一級水平.它的研究為我們觀察分析復(fù)雜的自然界提供了有力的手段，并且成為解決現(xiàn)代人類所面臨的環(huán)境污染、人口增長和自然資源的利用與保護等重大問題的理論基礎(chǔ)之一. 2．生態(tài)系統(tǒng)的組成成分 任何一個生態(tài)系統(tǒng)都可以分為兩個部分：無生命物質(zhì)——無機環(huán)境和有生命物質(zhì)——生物群落（圖10－6）. 無機環(huán)境包括作為系統(tǒng)能量來源的太陽輻射能；溫度、水分、空氣、巖石、土壤和各種營養(yǎng)元素等物理、化學(xué)環(huán)境條件；以及生物物質(zhì)代謝的原料如CO2、H2O、O2、N2和無機鹽類等，它們構(gòu)成生物生長、發(fā)育的能量與物質(zhì)基礎(chǔ)，又稱為生命支持系統(tǒng). 生物群落是生態(tài)系統(tǒng)的核心，可以分為三大類群： diyi類為自養(yǎng)型生物，包括各種綠色植物和化能合成細菌，稱為生產(chǎn)者.綠色植物能夠通過光合作用把吸收來的水、CO2和無機鹽類轉(zhuǎn)化成為初級產(chǎn)品——碳水化合物，并將其進一步合成成為脂肪和蛋白質(zhì)等，用來建造自身，這樣，太陽能便通過生產(chǎn)者的合成與轉(zhuǎn)化源源不斷地進入生態(tài)系統(tǒng)，成為其他生物類群的唯yi食物與能量來源.化能合成細菌也能將無機物合成為有機物，但它們利用的能量不是來自太陽，而是來自某些物質(zhì)在發(fā)生化學(xué)變化時產(chǎn)生的能量.例如，氮化細菌能將氨（NH3）氧化成亞硝酸和硝酸，利用這一氧化過程中放出來的能量把CO2和水合成為有機物. 第二類為異養(yǎng)型生物，包括草食動物和食肉動物，稱為消費者.顧名思義，這些消費者不能直接利用太陽能來生產(chǎn)食物，只能通過直接或間接地以綠色植物為食獲得能量.根據(jù)不同的取食地位，又可以分為直接依賴植物的枝、葉、果實、種子和凋落物為生的一級消費者，如蝗蟲、野兔、鹿、牛、馬、羊等食草動物；以草食動物為食的肉食動物為二級消費者，如黃鼠狼、狐貍、青蛙等；肉食動物之間存在著弱肉強食的關(guān)系，其中的強者成為三級和四級消費者.這些高級的消費者是生物群落中Z兇猛的肉食動物，如獅、虎、鷹和水域中的鯊魚等.有些動物既食植物又食動物，稱為雜食動物，如某些鳥類和魚類等. 第三類為異養(yǎng)型微生物，如細菌、真菌、土壤原生動物和一些小型無脊椎動物，它們靠分解動植物殘體為生，稱為分解者.微生物分布廣泛，富含于土壤和水體的表層，空氣中含量較少且多數(shù)為腐生的細菌和霉菌.微生物是生物群落中數(shù)量Z大的類群，據(jù)估計，1克肥沃土壤中含有的微生物數(shù)量可達108個.細菌和真菌主要靠吸收動植物殘體內(nèi)的可溶性有機物來生活，在消化過程中，把無機養(yǎng)分從有機物中釋放出來，歸還給環(huán)境.可見，微生物在生態(tài)系統(tǒng)中起著養(yǎng)分物質(zhì)再循環(huán)的作用.土壤中的小型無脊椎動物如線蟲、蚯蚓等將植物殘體粉碎，起著加速有機物在微生物作用下分解和轉(zhuǎn)化的作用.此外，這些土壤動物也能夠在體內(nèi)進行分解，將有機物轉(zhuǎn)化成無機鹽類，供植物再次吸收、利用（圖10－6）. 3．生態(tài)系統(tǒng)的營養(yǎng)結(jié)構(gòu) 生態(tài)系統(tǒng)的營養(yǎng)結(jié)構(gòu)是指生態(tài)系統(tǒng)中的無機環(huán)境與生物群落之間和生產(chǎn)者、消費者與分解者之間，通過營養(yǎng)或食物傳遞形成的一種組織形式，它是生態(tài)系統(tǒng)Z本質(zhì)的結(jié)構(gòu)特征. 生態(tài)系統(tǒng)各種組成成分之間的營養(yǎng)聯(lián)系是通過食物鏈和食物網(wǎng)來實現(xiàn)的.食物鏈是生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)不同生物之間類似鏈條式的食物依存關(guān)系，食物鏈上的每一個環(huán)節(jié)稱為營養(yǎng)級.每個生物種群都處于一定的營養(yǎng)級，也有少數(shù)種兼處于兩個營養(yǎng)級，如雜食動物.生態(tài)系統(tǒng)中的食物鏈包括活食食物鏈和腐食食物鏈兩個主要類型.活食食物鏈從綠色植物固定太陽能、生產(chǎn)有機物質(zhì)開始，它們屬于diyi營養(yǎng)級，食草動物屬于第二營養(yǎng)級，各種食肉動物構(gòu)成第三、第四及更高的營養(yǎng)級.腐食食物鏈則從有機體的殘體開始，經(jīng)土壤動物的粉碎與分解和細菌、真菌的分解與轉(zhuǎn)化，以無機物的形式歸還給環(huán)境，供綠色植物再次吸收.從營養(yǎng)級來劃分，分解者處于第五或更高的營養(yǎng)級.老鼠以谷物為食，鼬鼠以老鼠為食，鷹又以鼬鼠為食，鷹死后的殘體被各種微生物分解成無機物質(zhì)，便是簡單食物鏈的一個例子.然而，自然界中的食物鏈并不是孤立存在的，一個易于理解的事實是，幾乎沒有一種消費者是專以某一種植物或動物為食的，也沒有一種植物或動物只是某一種消費者的食物，如老鼠吃各種谷物和種子，而谷物又是多種鳥類和昆蟲的食物，昆蟲被青蛙吃掉，青蛙又是蛇的食物，蛇Z終被鷹捕獲為食；谷物的秸桿還是牛的食物，牛肉又成為人類的食物（圖10－7）.可見，食物鏈往往是相互交叉的，形成復(fù)雜的攝食關(guān)系網(wǎng)，稱為食物網(wǎng).一般來說，一個生態(tài)系統(tǒng)的食物網(wǎng)結(jié)構(gòu)愈復(fù)雜，該系統(tǒng)的穩(wěn)定性程度愈大.4．生態(tài)系統(tǒng)的功能 生態(tài)系統(tǒng)的功能主要表現(xiàn)為生物生產(chǎn)、能量流動和物質(zhì)循環(huán)，它們是通過生態(tài)系統(tǒng)的核心部分——生物群落來實現(xiàn)的. （1）生態(tài)系統(tǒng)的生物生產(chǎn) 生態(tài)系統(tǒng)的生物生產(chǎn)是指生物有機體在能量和物質(zhì)代謝的過程中，將能量、物質(zhì)重新組合，形成新的產(chǎn)物（碳水化合物、脂肪、蛋白質(zhì)等）的過程.綠色植物通過光合作用，吸收和固定太陽能，將無機物轉(zhuǎn)化成有機物的生產(chǎn)過程稱為植物性生產(chǎn)或初級生產(chǎn)；消費者利用初級生產(chǎn)的產(chǎn)品進行新陳代謝，經(jīng)過同化作用形成異養(yǎng)生物自身物質(zhì)的生產(chǎn)過程稱為動物性生產(chǎn)或次級生產(chǎn). 植物在單位面積、單位時間內(nèi)，通過光合作用固定的太陽能量稱為總初級生產(chǎn)量（GPP），單位是J·m-2·a-1或 g DW·m-2·a-1（DW為干重）.總初級生產(chǎn)量減去植物因呼吸作用的消耗（R），剩下的有機物質(zhì)即為凈初級生產(chǎn)量（NPP）.它們之間的關(guān)系為 NPP=GPP－R 與初級生產(chǎn)量相關(guān)的另一個概念是生物量，對于植物來說，它是指單位面積內(nèi)植物的總重量，單位是km·m-2.某一時間的植物生物量就是在此時間以前所積累的初級生產(chǎn)量. 據(jù)估計，整個地球凈初級生產(chǎn)量（干物質(zhì)）為172.5×109t·a-1，生物量（干物質(zhì)）為1841×109t，不同生態(tài)系統(tǒng)類型的生產(chǎn)量和生物量差別顯著（表10－1）.應(yīng)當(dāng)指出，這種估計是非常粗略的，但對于了解生態(tài)系統(tǒng)初級生產(chǎn)量和生物量的大體數(shù)量特征，仍有一定的參考價值. 單位地面上植物光合作用累積的有機物質(zhì)中所含的能量與照射在同一地面上日光能量的比率稱為光能利用率.綠色植物的光能利用率平均為0.14％，在運用現(xiàn)代化耕作技術(shù)的農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的光能利用率也只有1.3％左右.地球生態(tài)系統(tǒng)就是依靠如此低的光能利用率生產(chǎn)的有機物質(zhì)維持著動物界和人類的生存. （2）生態(tài)系統(tǒng)的能量流動 生態(tài)系統(tǒng)的生物生產(chǎn)是從綠色植物固定太陽能開始的，太陽能通過植物的光合作用被轉(zhuǎn)變?yōu)樯锘瘜W(xué)能，成為生態(tài)系統(tǒng)中可利用的基本能源.生態(tài)系統(tǒng)各成分之間能量流動的一個重要特點是單向流，表現(xiàn)為能量的很大部分被各營養(yǎng)級的生物所利用，通過呼吸作用以熱的形式散失，而這些散失到環(huán)境中的熱能不能再回到生態(tài)系統(tǒng)中參與能量的流動，因為尚未發(fā)現(xiàn)以熱能作為能源合成有機物的生物體，而用于形成較高營養(yǎng)級生產(chǎn)量的能量所占比例卻很?。▓D10－8）. 生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)的能量傳遞和轉(zhuǎn)化遵循熱力學(xué)定律.根據(jù)熱力學(xué)diyi定律，輸入生態(tài)系統(tǒng)的能量總是與生物有機體貯存、轉(zhuǎn)換的能量和釋放的熱量相等，從而保持生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)及其環(huán)境中的總能量值不變.根據(jù)熱力學(xué)第二定律，生態(tài)系統(tǒng)的能量隨時都在進行轉(zhuǎn)化和傳遞，當(dāng)一種形式的能量轉(zhuǎn)化成另一種形式的能量時，總有一部分能量以熱能的形式消耗掉，這樣，系統(tǒng)的熵便呈增加的趨勢.對于一個熱力學(xué)非平衡的孤立系統(tǒng)來說，它的熵總是自發(fā)地趨于增大，從而使系統(tǒng)的有序程度越來越低，Z后達到無序的混亂狀態(tài)，即熱力學(xué)平衡態(tài).然而，地球生態(tài)系統(tǒng)所經(jīng)歷的卻是一個與熱力學(xué)第二定律相反的發(fā)展過程，即從簡單到復(fù)雜，從無序到有序的進化過程.根據(jù)非平衡態(tài)熱力學(xué)的觀點，一個遠離平衡態(tài)的開放系統(tǒng)，可以通過從環(huán)境中引入負熵流，以抵消系統(tǒng)內(nèi)部所產(chǎn)生的熵增加，使系統(tǒng)從無序向有序轉(zhuǎn)化.生態(tài)系統(tǒng)是一個生物群落與其環(huán)境之間既進行能量交換，又進行物質(zhì)交換的開放系統(tǒng)，通過能量和物質(zhì)的輸入，生態(tài)系統(tǒng)不斷“吃進”負熵流，維持著一種高度有序的狀態(tài). 如前所述，每經(jīng)過一個營養(yǎng)級，都有大量的能量損失掉.那么，生態(tài)系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)化的效率究竟有多大呢?美國學(xué)者Lindeman測定了湖泊生態(tài)系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)化效率，得出平均為10％的結(jié)果，即在能量從一個營養(yǎng)級流向另一個營養(yǎng)級的過程中，大約有90％的損失量，這就是的“十分之一定律”（圖10－9）.比如，一個人若靠吃水產(chǎn)品增加0.5kg的體重，就得食用5kg的魚，這5kg的魚要以50kg的浮游動物為食，而50kg的浮游動物則需消耗約500kg的浮游植物.由于這一“定律”得自對天然湖泊的研究，所以比較符合水域生態(tài)系統(tǒng)的情況，并不適用于陸地生態(tài)系統(tǒng).一般來講，陸地生態(tài)系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)化效率要比水域生態(tài)系統(tǒng)低，因為陸地上的凈生產(chǎn)量只有很少部分能夠傳遞到上一個營養(yǎng)級，大部分則直接被傳遞給了分解者. （3）生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán) 生態(tài)系統(tǒng)的發(fā)展和變化除了需要一定的能量輸入之外，實質(zhì)上包含著作為能量載體的各種物質(zhì)運動.例如，當(dāng)綠色植物通過光合作用，將太陽能以化學(xué)能的形式貯存在合成的有機物質(zhì)之中時，能量和物質(zhì)的運動就同時并存.自然界的各種元素和化合物在生態(tài)系統(tǒng)中的運動為一種循環(huán)式的流動，稱為生物地球化學(xué)循環(huán). 參與有機體生命過程的化學(xué)元素大約有30～40種，根據(jù)它們在生命過程中的作用可以分為三類： ·能量元素，包括碳（C）、氫（H）、氧（O）、氮（N），它們是構(gòu)成蛋白質(zhì)的基本元素和生命過程必需的元素； ·大量元素，包括鈣（Ca）、鎂（Mg）、磷（P）、鉀（K）、硫（S）、鈉（Na）等，它們是生命過程大量需要的元素； ·微量元素，包括銅（Cu）、鋅（Zn）、硼（B）、錳（Mn）、鉬（Mo）、鈷（Co）、鐵（Fe）、鋁（Al）、鉻（Cr）、氟（F）、碘（I）、溴（Br）、硒（Se）、硅（Si）、鍶（Sr）、鈦（Ti）、釩（V）、錫（Sn）、鎵（Ga）等，它們盡管含量甚微，但卻是生命過程中不可缺少的元素. 這些化學(xué)元素統(tǒng)稱為生物性元素，無論缺少哪一種，生命過程都可能停止或產(chǎn)生異常.例如碳水化合物是由水和CO2經(jīng)光合作用形成的，但光合作用過程中還必須有氮、磷以及微量元素鋅、鉬等參加反應(yīng)，同時還必須在酶的活性下進行，而酶本身又包括多種微量元素. 在自然環(huán)境中，每一種化學(xué)元素都存在于一個或多個貯存庫中，元素在環(huán)境貯存庫中的數(shù)量通常大大超過其結(jié)合在生命體貯存庫中的數(shù)量.例如，大氣圈和生物圈分別是氮元素的貯存庫，且在大氣圈中氮的數(shù)量遠遠大于在生物圈中的數(shù)量.元素在“庫”與“庫”之間的移動便形成物質(zhì)的流動.為了衡量生態(tài)系統(tǒng)中營養(yǎng)物質(zhì)的周轉(zhuǎn)狀況，引入周轉(zhuǎn)率和周轉(zhuǎn)時間的概念.周轉(zhuǎn)率指單位時間內(nèi)出入一個貯存庫的營養(yǎng)物質(zhì)流通量占庫存營養(yǎng)物質(zhì)總量的比例；周轉(zhuǎn)時間是周轉(zhuǎn)率的倒數(shù)，指移動貯存庫中全部營養(yǎng)物質(zhì)所需的時間.可見，周轉(zhuǎn)率愈大，周轉(zhuǎn)時間愈短.例如，大氣圈中氮的周轉(zhuǎn)時間約為100萬年，海洋中硅的周轉(zhuǎn)時間約為8000年.在自然生物地球化學(xué)循環(huán)中，某種物質(zhì)輸入和輸出各貯存庫的數(shù)量應(yīng)當(dāng)處于大體平衡狀態(tài)，使該物質(zhì)在各貯存庫內(nèi)的存量保持基本恒定.如果一個貯存庫的某種物質(zhì)輸入與輸出失衡，使其存量增加或減少，必將會對整個生態(tài)系統(tǒng)的功能產(chǎn)生一系列難以預(yù)料的影響.由于人類燃燒化石燃料和砍伐森林，導(dǎo)致的大氣貯存庫中CO2濃度的增加、溫室效應(yīng)加劇和對流層氣溫升高，便是一個顯著的例子. 根據(jù)屬性的不同，生物地球化學(xué)循環(huán)可分為三種主要類型：水循環(huán)，氣體型循環(huán)和沉積型循環(huán).因為水循環(huán)和沉積型循環(huán)已分別在其他章節(jié)中涉及，本節(jié)只介紹氣體型循環(huán)的內(nèi)容. 氣體型循環(huán)主要包括碳和氮的循環(huán)，這兩個元素的貯存庫主要是大氣和海洋.循環(huán)具性. 碳循環(huán) 碳是構(gòu)成有機體的基本元素，占生活物質(zhì)總量的25％.在無機環(huán)境中，碳主要以CO2或者碳酸鹽的形式存在.生態(tài)系統(tǒng)中的碳循環(huán)基本上是伴隨著光合作用和能量流動過程進行的.在有陽光的條件下，植物把大氣中的CO2轉(zhuǎn)化為碳水化合物，用以構(gòu)成自身.同時，植物通過呼吸過程產(chǎn)生的CO2被釋放到大氣中，供植物再度利用，這是碳循環(huán)的Z簡單形式.CO2在大氣中的存留時間或周轉(zhuǎn)時間大約為50～200年. 植物被動物采食后，碳水化合物轉(zhuǎn)入動物體內(nèi)，經(jīng)消化、合成，由動物的呼吸排出CO2.此外，動物排泄物和動、植物遺體中的碳，經(jīng)微生物分解被返回大氣中，供植物重新利用，這是碳循環(huán)的第二種形式.陸地生物群中含有大約5 500×108t的碳，海洋生物群中含有大約30×108t的碳. 儲藏的礦物燃料中含有大約10×1012t的碳，人類通過燃燒煤、石油和天然氣等釋放出大量CO2，它們也可以被植物利用，加入生態(tài)系統(tǒng)的碳循環(huán)中.此外，在大氣、土壤和海洋之間時刻都在進行著碳的交換，Z終碳被沉積在深海中，進入更長時間尺度的循環(huán).這些過程構(gòu)成了碳循環(huán)的第三種形式. 應(yīng)當(dāng)指出，上述三種碳循環(huán)的形式是對碳循環(huán)過程的一種簡化，這些形式的碳循環(huán)過程是同時進行，彼此聯(lián)系的（圖10－10）. 氮循環(huán) 氮是生態(tài)系統(tǒng)中的重要元素之一，因為氨基酸、蛋白質(zhì)和核酸等生命物質(zhì)主要由氮所組成.大氣中氮氣的體積含量為78％，占所有大氣成分的首位，但由于氮屬于不活潑元素，氣態(tài)氮并不能直接被一般的綠色植物所利用.氮只有被轉(zhuǎn)變成氨離子、亞硝酸離子和硝酸離子的形式，才能被植物吸收，這種轉(zhuǎn)變稱為硝化作用.能夠完成這一轉(zhuǎn)變的是一些特殊的微生物類群如固氮菌、藍綠藻和根瘤菌等，即生物固氮；閃電、宇宙線輻射和火山活動，也能把氣態(tài)氮轉(zhuǎn)變成氨，即高能固氮；此外，隨著石油工業(yè)的發(fā)展，工業(yè)固氮也成為開發(fā)自然界氮素的一種重要途徑. 自然界中的氮處于不斷的循環(huán)過程中.首先，進入生態(tài)系統(tǒng)的氮以氨或氨鹽的形式被固定，經(jīng)過硝化作用形成亞硝酸鹽或硝酸鹽，被綠色植物吸收并轉(zhuǎn)化成為氨基酸，合成蛋白質(zhì)；然后，食草動物利用植物蛋白質(zhì)合成動物蛋白質(zhì)；動物的排泄物和動植物殘體經(jīng)細菌的分解作用形成氨、CO2和水，排放到土壤中的氨又經(jīng)細菌的硝化作用形成硝酸鹽，被植物再次吸收、利用合成蛋白質(zhì).這是氮在生物群落和土壤之間的循環(huán).由硝化作用形成的硝酸鹽還可以被反硝化細菌還原，經(jīng)反硝化作用生成游離的氮，直接返回到大氣中，這是氮在生物群落和大氣之間的循環(huán).此外，硝酸鹽還可能從土壤腐殖質(zhì)中被淋溶，經(jīng)過河流、湖泊，進入海洋生態(tài)系統(tǒng).水體中的藍綠藻也能將氮轉(zhuǎn)化成氨基酸，參與氮的循環(huán)，并為水域生態(tài)系統(tǒng)所利用.至于火山巖的風(fēng)化和火山活動等過程產(chǎn)生的氨同樣進入氮循環(huán)，只是其數(shù)量較小（圖10－11）. 當(dāng)人類工業(yè)固氮之前，自然界中的硝化作用和反硝化作用大體處于平衡狀態(tài)，隨著工業(yè)固氮量的增加，這種平衡狀態(tài)正在被改變.據(jù)估計，為了滿足迅速增長的人口對糧食的需求，公元2000年的工業(yè)固氮量將可能超過108t，這將對氮循環(huán)產(chǎn)生怎樣的影響，是值得研究的重要科學(xué)問題.植物種群的特征： （1）具有一定的種類組成； （2）不同物種間相互影響，相互制約，不是簡單的物種集合； （3）形成一定的群落環(huán)境； （4）具有一定的結(jié)構(gòu)； （5）具有一定的分布范圍； （6）具有一定的動態(tài)特征； （7）具有邊界特征。

  贊(8)

  回復(fù)(0)

  評論

  評論

  登錄后參與評論