生态系统及其功能
一、生态系统概述
1．生态系统
（2）任何生态系统都是由非生物成分（无机物、有机物、气候和能源）和生物成分组成的。
（3）生态系统的两大重要功能是能量流动和物质循环。
2．生物成分的划分
（1）生产者
生产者借助于光合作用生产糖类、脂肪和蛋白质，并把太阳能转化为化学能贮存在合成的有机物中。
消费者在生态系统的功能
（2）消费者
消费者是指以动植物为食的动物，消费者也包括杂食动物和寄生生物。
（3）分解者。
分解者最终可把生物死亡后的残体分解为无机物供生产者重新吸收和利用。细菌和真菌是最主要的分解者。
二、生态系统的基本结构
1．食物链相互交叉形成食物网
（1）食物链
食物链：由生产者所固定的能量通过一系列的取食和被取食关系在生态系统中传递的单方向的营养关系。生态系统中的两种食物链类型：
①捕食食物链
以活的生物为起点的食物链。在海洋生态系统中以捕食食物链为主。
②腐食食物链
以死亡的动植物或腐败有机物为起点的食物链。在多数陆地生态系统和浅水生态系统中以腐食食物链为主。
（2）食物网
食物网：在一个生态系统中，许多食物链彼此相互交错连接的复杂营养关系。食物网越复杂生态系统就越稳定，食物网越简单生态系统就越容易发生波动和毁灭。
三、营养级和生态金字塔的概念
1．营养级
（1）营养级：处于食物链某一环节上的全部生物种的总和，分为：
①第一个营养级，所有绿植物；
②第二个营养级，所有以植物为食的动物；
③第三个营养级，所有以食植动物为食的食肉动物。
（2）营养级的特点
营养级的数目是有限的，通常是4～5个。营养级的位置越高，归属于这个营养级的生物种类和数量就越少。
2．生态金字塔
（1）生态金字塔：各营养级之间的某种数量关系，这种数量关系可以采用个体数量单位、生物量单位或能量单位表示。
（2）三种重要的生态金字塔
①数量金字塔
a．数量金字塔是以食物链不同环节上生物的数量作为营养级之间的数量关系；
b．数量金字塔一般是呈下宽上窄的正锥体，有些情况下可以呈现出倒锥形。
②生物量金字塔
a．生物量金字塔是以生物的干重表示营养级中生物的总重量（即生物量）；
b．生物量金字塔的图形通常是上窄下宽的正锥体，在海洋生态系统中常常表现为一个倒锥体生物量金字塔。
③能量金字塔
a．能量金字塔是由各营养级所固定的总能量多少构成；
b．能量金字塔总是呈正锥体图形，而绝不会出现倒锥体。
3．生物圈是地球上最大的生态系统
生物圈是指地球有生物存在的部分，它是地球表面不连续的一个薄层，其高度最高可达到离地面10000m处或更高，最低可达到地下植物最深的根际处、地下洞穴的最深处和海底热火山口的深度。
四、生态系统中的生物生产力
1．初级生产量是生态系统的基石
（1）初级生产量又称第一性生产量，是指绿植物借助光合作用所制造的有机物质，是生态系统中最基本的能量固定，所有消费者和分解者都直接间接依赖初级生产量为生。
（2）在初级生产量中，有一部分是被植物自己的呼吸（R）消耗掉了，剩下的部分才用于植物的生长和繁殖，这部分就是净初级生产量（NP），而把包括呼吸消耗在内的全部生产量称为总初级生产量（GP），这三者之间的关系是：
GP＝NP＋R
NP代表着植物可提供给动物和人利用的能量。初级生产量通常是用g（干重）·m-2·a-1或J·m-2·a-1的单位表示。
（3）生物量是指净生产量的累积量。生物量的单位通常是用g（干重）·m-2或J·m-2表示。
2．次级生产量是消费者生产的有机物质
（1）次级生产量，又称第二性生产量，动物靠吃植物、吃其他动物和吃一切现成有机物质而生产出来的有机物，包括动物的肉、蛋、奶、毛皮、血液、蹄、角以及内脏器官等。所有消费者和分解者（包括大多数细菌和真菌）都属于次级生产者，因为它们都是异养生物。
（2）对一个动物种来说，能量收支情况可以用公式表示：
C＝A＋FU
其中C代表动物从外界摄取的能量，A代表被同化的能量，而FU代表以粪便形式损失的能量。A又可分为两项，即A＝P＋R，其中P代表次级生产量，R代表呼吸消耗。由此可以得到
P＝C－FU－R
其含意是：次级生产量等于动物吃进的食物减掉粪便中所含有的能量，再减掉呼吸代谢所释放的能量。
五、生态系统中的能量流动和物质循环
1．能量在流动过程中的传递效率很低
（1）能量传递效率低的原因
①食物链每个环节上的净初级生产量（NP）都只有很小的一部分得到利用。
②生物的呼吸消耗（R）是能量流动过程中能量损失的重要方面，植物相对较少。
（2）能量流动的重要特点
①能量流动是单方向的和不可逆的，所有能量迟早都会通过生物呼吸被耗散掉；
②能量在流动过程中会急剧减少，主要是因为资源利用率不高和生物的呼吸消耗。
因此，任何生态系统都需要不断得到来自外部的能量补给，如果在一个较长时期内断绝对一个生态系统的能量输入，这个生态系统就会自行消亡。
2．物质循环可分为3种不同类型
生态系统中的物质循环又称为生物地球化学循环，简称生物地化循环，可分为3种基本类型，即水循环、气体型循环和沉积型循环。
（1）在气体型循环中，物质的主要储存库是大气圈和海洋，具有明显的全球性，循环性能最为完善。属于气体型循环的物质有氧、二氧化碳、氮、氯、溴和氟等。
（2）沉积型循环物质的主要储存库是土壤、沉积层和岩石圈，这类物质循环的全球性不明显，循环性能也不完善。属于沉积型循环的物质主要有磷、钙、钾、钠、镁、铁、锰、碘、铜和硅等，这些物质主要是通过岩石的风化和沉积物的分解转变为可被利用的营养物质，而海底沉积物转化为岩石圈成分则是一个缓慢的单向的物质移动过程。
（3）气体型循环和沉积型循环虽然各有特点，但都受能流的驱动并都依赖于水的循环。
3．水的全球循环带动着其他物质的循环
（1）水的主要循环路线是从地球表面通过蒸发进入大气圈，同时又不断从大气圈通过降水而回到地球表面。
（2）每年地球表面的蒸发量和降水量是相等的，但陆地的降水量大于蒸发量，而海洋的蒸发量大于降水量，因此陆地每年都把多余的水通过地表径流输送给大海。地表径流能够溶解和携带大量营养物质，把它们从一个生态系统搬运到另一个生态系统。
（3）生物在全球水循环中所起的作用很小，虽然植物在光合作用中要吸收大量的水，但通过呼吸和蒸腾作用又把大量的水送回了大气圈。
4．碳的全球循环对生命至关重要
（1）碳库
地球上最大的碳库是岩石圈和化石燃料，这两个库中的碳活动缓慢，起着贮存库的作用。地球上还有三个碳库：大气圈库、水圈库和生物库。这三个库中的碳在生物和无机环境之间迅速交换，起着交换库的作用。
（2）碳循环的基本路线
大气中的二氧化碳（CO2）被陆地和海洋中的植物吸收，然后通过生物或地质过程以及人类活动，又以二氧化碳的形式返回大气中。
①生物和大气之间的循环
a．绿植物从空气中获得CO2，经过光合作用转化碳化合物，经过食物链的传递，成为动
物体的碳化合物。
b．植物和动物的呼吸作用把摄入体内的一部分碳转化为CO2释放入大气，另一部分则构成生物的机体或在机体内贮存。
c．动、植物死后，残体中的碳通过微生物的分解作用也成为二氧化碳而最终排入大气。
②大气和海洋之间的交换
CO2在大气圈和水圈之间的界面上通过扩散作用而互相交换和补充。
③含碳盐的形成和分解
a．大气中的CO2溶解在雨水和地下水中成为碳酸，碳酸能把石灰岩变为可溶态的重碳酸盐，并被河流输送到海洋中，新输入多少碳酸盐，便有等量的碳酸盐沉积下来。
b．在化学和物理作用（风化）下，岩石可被破坏，所含的碳又以二氧化碳的形式释放入大气中。火山爆发也可使一部分有机碳和碳酸盐中的碳再次加入碳的循环。
④人类活动
人类燃烧矿物燃料以获得能量时，会产生大量的二氧化碳。
5．大气中的氮不能直接被植物利用
大气圈是氮最重要的储存地点，也是氮进行交换的主要场所。氮循环过程：
（1）根瘤菌等其他固氮法可把氮气转化为能被植物利用的氨（NH3），溶解在水里的氨或铵可以被植物吸收或进一步经过硝化作用形成硝酸根（NO3－），然后再被植物的根吸收。硝化作用的化学表达式是：
NH4＋→,NO2－→NO3－
（2）植物蛋白质中的氮又可直接被吃植物的动物所利用，而动植物死后又可被分解者利用。
（3）反硝化作用是在无氧条件下由反硝化细菌和真菌完成的，可把硝酸盐等较复杂的含氮化合物转化为NO、N2O和N2。
六、人类活动对生物圈的影晌
1．大量排放CO2导致全球变暖
大气中CO2增加会通过温室效应影响地球的热平衡，使地球变暖。全球气候变暖对我国的影响：
（1）使农业生产能力下降；
（2）北方干燥地区将会进一步变干；
（3）海平面将会上升，沿海盐场和养殖场将基本被淹没或破坏；
（4）有些树种的分布区将发生变化，产量也会下降；
（5）永冻土将会融化造成广大区域内冻土公路、铁路和民用建筑的破坏。
2．臭氧减少是潜在的全球性生态灾难
（1）臭氧的作用
在距地球表面15～20km处的平流层中，臭氧（O3）的含量非常丰富，它有选择地吸收对人
体和生物有致癌和杀伤作用的紫外线、X射线和γ射线，从而保护着人类和其他生物免受短波辐射的伤害。
（2）臭氧层破坏的原因
目前人类正在使用的化合物氟利昂（CFCl3和CF2Cl2），性质很稳定、不活泼也不易分解，但大量氟利昂逸散之后最终将会到达大气圈上层并在强紫外线的照射下通过化学反应使臭氧量减少。
3．全球各地普降酸雨
酸雨是燃烧煤、石油和天然气所产生的SO2和NO与大气中的水结合而形成的产物，酸雨中所含的酸主要是硫酸和硝酸。酸雨的危害：
（1）酸雨能杀死水生生物、破坏水体生态平衡。
（2）伤害陆地植物、农作物和各种树木，破坏土壤肥力，使树木生长缓慢并易感病害。
（3）腐蚀金属、建筑物和历史古迹。
（4）酸雨中含有的少量重金属对人体健康也会带来不利影响。
4．江河湖海受到普遍污染
被人类排放到水体中的污染物包括8类：
家庭污水，微生物病原菌，化学肥料，杀虫剂、除草剂和洗涤剂，其他矿物质和化学品，水土流失的冲积物，放射性物质和来自电厂的废热等。每一种都会带来不同的污染，使越来越多的江河湖海变质，使饮用水的质量越来越差。
5．物种灭绝速度加快和生物多样性下降
野生生物在科学、美学和实用方面的近期和长远价值，以及它们对保持生态平衡和生态系统稳定性所起的重要作用，还远未被人类充分认识。
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