生物必修三生态系统的能量流动

1）能量流动过程

几乎所有生态系统的能量都来自太阳能。植物进行通过光合作用，把太阳光能固定下来，这是生态系统繁荣的基础。植物进行光合作用固定的能量减去呼吸作用消耗的能量，才是能够为下一营养级消费的能量。所以，从能量的角度来看，植物的多少决定了生物种类和数量。如，在气候温暖、降雨充沛的地方，植物格外繁茂，各种生物就会非常繁荣，热带雨林就是这样的情况；在气候寒冷、降雨很少的地方，植物很难生长，各种生物的数量都很少，显得荒凉而冷寂；能量沿着食物链流动时，每一营养级都有输入、传递、转化和散失的过程；生物的遗体残骸是分解者能量的来源。能量流量的特点如下。

（1）能量流动不是循环的，而是单向的，从生产者→初级消费者→次级消费者→三级消费者→……食物链各个营养级的顺序是不可逆的，而各个营养级的能量总是以呼吸散失热能。即必须源源不断地输入，又不断地散失。

（2）能量流动是逐级递减的：传递率为10%～20%，一条食物链的营养级一般不会超过五个，因营养级上升一级，可利用的能量相应要减少80%～90%，能量到了第五个营养级时，可利用的能量往往少到不能维持其生存的程度了。由于生态系统能量流量逐级递减，其传递率为10%～20%，即构成了能量金字塔。所以，生产者固定的全部太阳能流经生态系统过程中逐级递减，单向不循环，最终在环境中消失，如图2-4所示。

图2-4 生态系统能量金字塔

美国生态学家林德曼，明确提出了“十分之一定律”。从理论上讲，一个人靠吃鱼增长身体1 kg，就得吃掉10 kg鱼，10 kg的鱼则要吃掉100 kg的浮游动物，100 kg的浮游动物要吃掉1 000 kg的浮游植物。也就是说，1 000 kg的浮游植物才能养活10 kg的鱼，进而才能使人增长1 kg体重。

2）物质循环

生态系统中的能量元素有C、H、O、N，营养元素有Ca、Mg、K、Na，微量元素有Mn、Zn、Cu、Co、Mo等，它们在生态系统中不断进行着各自的循环。下面介绍几种主要物质的循环。

（1）碳循环：最大量的碳被固结在岩石圈中，其次是在化石燃料（石油和煤等）中，这是地球上两个最大的碳储存库，约占碳总量的99.9%，仅煤和石油中的含碳量就相当于全球生物体含碳量的50倍。在生物学上有积极作用的两个碳库是水圈和大气圈（主要以二氧化碳的形式）。很多元素都与碳相似，有着巨大的不活动的地质储存库（如岩石圈等）和较小的但在生物学上积极活动的大气圈库、水圈库和生物库。

碳在岩石圈中主要以碳酸盐的形式存在，在大气圈中以二氧化碳和一氧化碳的形式存在，在水圈中以多种形式存在，在生物库中则存在着几百种被生物合成的有机物质。

植物通过光合作用从大气中摄取碳的速率和通过呼吸和分解作用把碳释放给大气的速率大体相等。碳循环的基本路线是从大气储存库到植物和动物，再从动植物通向分解者，最后又回到大气中去。

碳的另一个储存库是海洋。它的含碳量是大气含碳量的50倍。海洋对于调节大气中的含碳量起着非常重要的作用，水生植物光合作用中被固定的碳，主要是通过生物的呼吸（包括植物、动物和微生物）以二氧化碳的形式又回到了大气。

岩石圈中的碳也可以重返大气圈和水圈，主要是借助于岩石的风化和溶解、化石燃料的燃烧和火山爆发等。

碳在生态系统中的含量过高或过低，都能通过碳循环的自我调节机制而得到调整，并恢复到原有的平衡状态。如果大气中的二氧化碳发生局部短缺，就会引起一系列的补偿反应，水圈里的溶解态二氧化碳就会更多地进入大气圈，如图2-5所示。

图2-5 碳循环

（2）氮循环：氮是构成生物蛋白质和核酸的主要元素，因此它与碳、氢、氧一样在生物学上具有重要的意义。虽然大气中79%是氮，但一般生物不能直接利用，必须通过固氮作用将氮与氧结合成为硝酸盐和亚硝酸盐，或者与氢结合形成氨以后，植物才能利用。

氮循环在很多环节上都有特定的微生物参加，如图2-6所示。

据估计，全球每年的固氮量为92×106 t（其中生物固氮54×106 t，工业固氮30×106 t，循环光化学固氮7.6×106 t和火山活动固氮0.4×106 t）。但是，借助于反硝化作用，全球的产氮量只有83×106 t（其中陆地43×106 t，海洋40×106 t和沉积层0.2×106 t）。两个过程的差额为9×106 t，这种不平衡主要是由工业固氮量的日益增长所引起的，所固定的这些氮是造成水生生态系统污染的主要因素。

图2-6 氮循环

人类从合成氮肥中获得巨大好处，但人类没有能预见其对于环境的不良后果；即使到现在，人类对于这些不良后果注意得仍然不足，远不如对大气中CO2上升的关注。

（3）水循环：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回到地球表面。每年地球表面的蒸发量和全球降水量是相等的，因此这两个相反的过程就达到了一种平衡状态。蒸发和降水的动力都是来自太阳，太阳是推动水在全球进行循环的主要动力。地球表面是由陆地和海洋组成的，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江河源源不断地输送给大海，以弥补海洋每年因蒸发量大于降水量而产生的亏损。生物在全球水循环过程中所起的作用很小，虽然植物在光合作用中要吸收大量的水，但是植物通过呼吸和蒸腾作用又把大量的水送回了大气圈，如图2-7所示。

图2-7 水循环

3）信息传递

在生态系统的各组成部分之间及其内部存在着各种形式的信息，这些信息把生态系统联成一个统一的整体，并且有调节生态系统稳定性的作用。

生态系统中的信息形式主要有营养信息、化学信息、物理信息和行为信息。

（1）营养信息：通过营养交换的形式，把信息从一个种群传递给另一个种群，即为营养信息，如北极狐和兔子。

（2）化学信息：生物在生命活动过程中，产生的一些可以传递信息的化学物质，如凤眼莲治理蓝藻，蛾的交尾，豺狼的尿液。

（3）物理信息：生态系统中的光、声、温度、湿度、磁力等，通过物理过程传递的信息，如蝙蝠回音定位、蜘蛛网的振动、鸟的鸣叫等都是靠光、声、振动实现的。

（4）行为信息：动物的特殊行为，在同种或异种生物间传递的某种信息，如蜜蜂的舞蹈，孔雀开屏。