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第二节 生态系统的结构和功能
作者:生科院植…    文章来源:西北农林科技大学    点击数:5355    更新时间:2010/7/13
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一、生态系统结构

     任何一个生态系统都是由生物成分和非生物环境两部分组成的,非生物环境包括参加物质循环的矿质元素(如C、N、P、K、S、Ca、Mg等)和化合物(如CO2、H2O等),联系生物和非生物成分的有机物质(如蛋白质、糖类、脂类和腐殖质等)及气候或其他物理条件(如温度、压力等)。生物成分指生态系统中各种生物,根据它们在能量流动和物质循环中的作用,可分为生产者(producers)、消费者(consumer)和分解者(decomposer)等三个功能类群。
     生产者是指能利用无机物制造有机物的自养生物(autotroph),主要是指绿色植物,也包括一些光合细菌和化能合成细菌。绿色植物通过光合作用把水和二氧化碳等无机物合成为碳水化合物、蛋白质和脂肪等有机物质,并把太阳能转化为化学能,贮存在合成的有机物中。植物的光合作用只有在叶绿体内才能进行,而且必须是在阳光照射下。但是当绿色植物进一步合成蛋白质和脂肪时,需要有氮、磷、硫、镁等多种元素和无机物参与。生产者通过光合作用不仅为本身的生存、生长和繁殖提供营养物质和能量,而且它所制造的有机物质也是消费者和分解者唯一的能量来源。
     消费者针对生产者而言,它们不能从无机养分制造有机物质,而是直接或间接地依赖于生产者所制造的有机养分,因此属于异养生物(heterotroph),主要指各种动物。根据食性不同可将他们分为:草食动物(herbivore)、肉食动物(carnivore)、寄生动物(zooparasite)、腐食动物(saprotrophs)和杂食动物(omnivore)。
     分解者也是异养生物,其作用是把动植物体的复杂有机物分解为生产者能够重新利用的简单化合物,并释放出能量。分解者在生态系统中的作用极为重要,如果没有它们,动植物尸体将会堆积成灾,物质不能循环,生态系统将毁灭。分解作用不是一类生物所能完成的,往往有一系列复杂过程,各个阶段由不同生物完成。如池塘中的分解者有两类:一类是细菌和真菌;另一类是蟹、软体动物和蠕虫等无脊椎动物。草地中也有生活在枯枝落叶和土壤上层的细菌和真菌,还有蚯蚓、螨等无脊椎动物,它们都起着分解作用。
     生态系统不仅有各种组成成分,而且各组分之间并不是杂乱无序的,而是存在高度有序性。生态系统中的各种生物种类、种群数量、种的空间配置(水平和垂直分布)、种的时间变化(发育和季相)及其生物种群之间的营养关系网构成了生态系统的形态结构和功能结构,而植物群落的时空结构往往对生态系统的形态结构起着决定性作用。植物群落越复杂,生境差异越大,动物和微生物的种类越丰富。
     就营养方式而言,一个完整的生态系统都是由生产者、消费者、分解者和无机环境等四个基本成分构成,而且这四个基本成分相互作用形成完整的体系(图15-1)。图15-1生态系统结构的一般性模型中生产者接受太阳光能,从环境中吸收CO2、H2O等无机营养,进行光合作用,合成有机物质;消费者以生产者为食,并经过一系列不同级别的消费者转化;还原者以生产者、消费者的残体为食,有机物还原分解归还给环境,这样有条不紊维持系统运转。



图15-1 生态系统结构的一般模型

二、生态系统的功能

     在生态系统中,生物与生物、生物与环境之间存在着高度有序的能量流动和物质循环过程。能量流动和物质循环不但使系统内生物得以维持生存、繁衍和发展,同时还反映系统之间的信息交换。因此,任何生态系统都在生物与环境的相互作用下完成能量流动(energy flow)、物质循环(circulation of material)和信息传递(transfer of information)的过程。

     (一)生态系统的能量流动

     生态系统中的最初能源来自太阳能。辐射到地球表面的太阳能,产生两种能量形式:一种是热能,它温暖大地,推动大气和水的循环;另一种是光能,绿色植物在光能作用下,通过光合作用,利用H2O和CO2合成碳水化合物,将光能转化成化学能。消费者则直接或间接地从植物中获得生长、繁殖所需的能量。分解者则从死的生物体中获取能源。
     在生态系统中,能量的转化遵循热力学第一定律和热力学第二定律。 热力学第一定律,即能量守恒定律,是指能量转化前后的总量不变。热力学第二定律,即能量分散定律,是指能量总是由集中的形式逐渐变为分散的形式,最终以热的形式消散。
     食物链(food chain),也叫营养链(trophic chain),是生态系统中通过能量和物质利用而组成的链状关系。例如鹰捕蛇,蛇吃小鸟,小鸟捉昆虫,昆虫吃草。每一个环节为一个营养级(level)。最简单的食物链是由3个营养级构成的,如草→兔→狸。在自然界,一种植物可被多种草食动物取食,不同植物也可以被一种草食动物取食;同样, 一种草食动物可能有多个捕食者,一种肉食动物可能捕食多种其它动物,由此而使营养链相互交错连接成网络结构,称为食物网(food web)或营养网(trophic web)。对一个生态系统而言,食物网营养关系越复杂,越有利于系统稳定。反之,食物网越简单,生态系统越容易发生波动和毁灭。
     食物链可以分为两类,从活的绿色植物---食草动物---食肉动物的能量转移类型为辅的食物链(grazing food chain),又称草牧营养链;从死的有机体开始,由腐食生物参与的食物链类型为碎屑食物链(detritus food chain)。
     能量沿着营养链从一个营养级流动到下一个营养级,由于多种原因能量不断减少。因此,在生态系统能量流动的研究中,通常用生态金字塔(ecological pyramid) 来表示各营养级之间的关系(图15-2)。常用的生态金字塔有三种类型,即数量金字塔、生物量金字塔和能量金字塔。数量金字塔是用每一营养级的个体数量来表示;生物量金字塔是用每一营养级的生物量来表示;能量金字塔是用每一营养级的能量来表示。



图15-2 简化的生态金字塔

     (二)生态系统的物质循环

     能量进入生态系统后,最终被转化成热能而从生态系统中消失。但生态系统中的化学物质则不同,它们通过生物(主要是植物)的吸收,从非生物环境中进入生物体内,在各营养级之间流动,并通过分解者的作用归还到非生物环境中,然后又被生物再利用,如此循环往复,这种过程称为物质循环,各种物质都有其循环途径。例如碳循环(图15-3),据统计,整个地球碳的储存量为2.63×1019 kg,但99.9%的碳贮存于地壳沉积物中,如煤、碳岩、石油等,只有少量碳参与经常性流动和圈层间的交换,其中大气圈中的CO2约为7.03×1014kg,不到地球总碳量的0.1%,水中的碳约为4.23×1016kg。构成现存生物量的有机态碳为4.23×1014kg。大气圈、水圈和生物圈是碳循环中的活动库。



图15-3 碳的循环

     (三)生态系统的信息传递

     在生态系统中,除了物质循环和能量流动外,还有机体之间的信息传递,这些信息流把系统中各个组成部分联系成一个整体。信息传递可分为以下四种类型:
     1.营养信息:通过营养交换形式,把信息从一个个体或种群传递给另一个个体或种群称为营养信息。如生态系统中的食物链。
     2.物理信息:以物理过程为传递形式的信息称为物理信息。在生态系统中能够为生物所接受,并引起行为反应的效用信息,绝大部分是物理信息,它在信息传递中起着最重要的作用,如光信息、声信息、热信息等。
     3.化学信息:生物在某些特定条件下或处在某个生长发育阶段,分泌出某些特殊的化学物质,如酶、维生素、抗菌素、性激素等,这些化学物质对生物不是提供营养,而是在生物个体或种群之间起着某种信息传递作用,如报警、集合、有无食物等,即构成了化学信息。
     4.行为信息:有些动物可以通过各自的行为方式向同种个体发出识别、威吓、求偶和挑战等信息,称为行为信息,如丹顶鹤在求偶时雌雄双双起舞。

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