生态系统的功能及其重要性

生态系统的功能是生态系统所体现的各种功效或作用，主要表现在生物生产、能量流动、物质循环和信息传递等方面，它们是通过生态系统的核心——生物群落来实现的。

（1）生物生产

生态系统的生物生产是指生物有机体在能量和物质代谢的过程中，将能量、物质重新组合，形成新的产物（碳水化合物、脂肪、蛋白质等）的过程。绿色植物通过光合作用，吸收和固定太阳能，将无机物转化成有机物的生产过程称为植物性生产或初级生产；消费者利用初级生产的产品进行新陈代谢，经过同化作用形成异养生物自身物质的生产过程称为动物性生产或次级生产。

单位地面上植物光合作用累积的有机物质中所含的能量与照射在同一地面上日光能量的比率称为光能利用率。绿色植物的光能利用率平均为0.14%，在运用现代化耕作技术的农田生态系统的光能利用率只有1.3%左右。地球生态系统就是依靠如此低的光能利用率生产的有机物质维持着动物界和人类的生存。

（2）能量流动

能量在生态系统中的流动是从绿色植物开始，通过食物链的营养级逐级向前传递的，最后以做功或散热的形式消散。简言之，能量流动就是能量通过食物网络在系统内传递和耗散的过程，如图6.5所示。

图6.5　生态系统中物质循环和能量流动

生态系统能量流动的特点如下：

①生产者即绿色植物对太阳能的利用率很低，一般为1%左右。

②生态系统的能量流动是单向流动。

③流动中能量急剧减小，从一个营养级到另一个营养级都有大量能量以热的形式散失掉。

④各级消费者之间能量的利用率为10%左右。

⑤在生态系统中，当其生产的能量与消耗的能量保持一定的相对平衡时，该生态系统的结构和功能才能保持动态平衡。

环境小知识链接：“十分之一定律”（林德曼效率，Lindemans efficiency）

一般说来，能量沿着绿色植物→草食动物→一级肉食动物→二级肉食动物逐级流动，而后者所获得的能量大体等于前者所含能量的1/10。也就是说，在能量流动过程中，约有9/10的能量损失掉了。

（3）物质循环

生态系统的能量流动推动着各种物质在无机环境与生物群落间循环。这些循环的物质主要包括以碳、氮、硫、磷为代表的组成生物体基础元素的循环，以及以DDT为代表的，能长期稳定存在的有毒物质的循环。这里所指的生态系统是指整个大生物圈，这是因为水体循环和气态循环具有全球性的特点。

水循环（Water Cycle）：一切生物有机体大部分是由水组成的。水是生态系统中能量流动和物质流动的介质，任何一个生态系统都离不开水。水循环的动力是太阳辐射，水循环为生态系统中物质和能量的交换奠定了基础。水还能起调节气候、清洗大气和净化环境的作用。水循环是生态系统进行物质循环的重要过程，是所有物质进行物质循环的必要条件（见图6.6）。

图6.6　水循环示意图

碳循环（Carbon Cycle）：碳是构成生命的基础物质，碳循环是生态系统中非常重要的循环，二氧化碳循环是其循环的主要物质形式，碳以二氧化碳的形式随着大气环流在全球范围流动、循环。绿色植物因其呼吸作用和光合作用，在碳循环中起着重要作用（见图6.7）。

图6.7　碳循环示意图

碳在生态系统中的含量能够得到自我调节和恢复，使大气中的二氧化碳含量的相对稳定值保持在0.033%。碳存在于生物有机体和无机环境中。在生物有机体内，碳是构成生物体的主要元素，约占干物质的50%。在无机环境中，碳主要以二氧化碳和碳酸盐形式存在。

氮循环（Nitrogen Cycle）：氮存在于生物、大气和矿物质中，是组成生物有机体的重要元素之一。

氮素在自然界中有多种存在形式，数量最多的是大气中的氮气，总量约3.9×1015t，它不能被直接利用。陆地上生物体内储存的有机氮总量为（1.1～1.4）×1010t，这部分氮素能够迅速地再循环，可以反复地供植物吸收利用。构成陆地生态系统氮循环的主要物质基础和环节是生物体内有机氮的合成、氨化、硝化、反硝化以及固氮等作用。

大气中的氮进入生物有机体的途径有生物固氮、工业固氮、大气固氮和岩浆固氮。氮在有机体内存在小循环。氮循环的最终完成是靠土壤中的反硝化细菌作用，将硝酸盐分解成游离氮进入大气（见图6.8）。

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图6.8　氮循环示意图

硫循环（Sulfur Cycle）：硫元素作为生物原生质体的重要组分，是生物合成蛋白质的必要元素。硫循环也是生态系统的基础循环（见图6.9）。硫是生物有机体蛋白质和氨基酸的基本成分，硫通过食物链进入各级消费者的动物体中，动植物残余体被细菌分解，并以H2S和的形式释放出来。这部分硫可进入大气，也可进入土壤、岩石或沉积海底。硫循环有一个长期的沉积阶段和一个较短的气体型循环阶段，这是硫循环的显著特点。在含硫的化合物循环中，既包括硫酸钡、硫酸铅、硫化铜等难溶的盐类固体的循环，也包括二氧化硫和硫化氢等气体的循环。

图6.9　硫循环示意图

磷循环（Phosphorus Cycle）：磷是核酸、细胞膜、骨骼的主要成分，没有磷就没有生命，也不会有生态系统中的能量流动。磷循环的起点源于岩石的风化，终于水中的沉积。磷是生物有机体蛋白质和氨基酸的基本成分，其物质循环主要有陆地生态系统中的磷循环和水生生态系统中的磷循环。

在陆地生态系统中，岩石的风化向土壤提供了磷元素或其化合物。植物通过根系从土壤中吸收磷酸盐。动物以植物为食进而得到磷。动植物死亡后，残体分解，磷元素又回到土壤中。

在水生生态系统中，磷首先被藻类和水生植物吸收，然后通过食物链逐级传递。水生动植物死亡后，残体分散，磷又进入循环。进入水体中的磷，有一部分可能直接沉积于深水底泥，从此不参加这一生态循环。

磷是植物生长的必要元素，因为没有磷元素的气态化合物，所以沉积循环成了自然界磷循环的典型形式。自然界中的磷元素主要存在于各种沉积物中，借助自然界的风化作用进入水体，并在生物群落中进行循环，最后大部分的磷元素进入海洋沉积，形成含磷的沉积物，虽然部分海鸟的粪便可以将磷元素重新带回陆地，但大部分磷元素还是永久性地留在了海底的沉积物中无法继续循环（见图6.10）。

图6.10　磷循环示意图

（4）信息传递

1）营养信息（Trophic information）

营养信息是指通过营养交换把信息从一个种群传递到另一个种群，或从一个个体传递到另一个个体。食物链（网）本身就是一个营养信息系统，前一个营养级的生物数量反映出后一个营养级的生物数量。

【实例6.1】如草原牲畜数量必须与牧草产量相适应，即在一定的空间和时间内，其草原载畜量是相对恒定的。

【实例6.2】英国生产三叶草→牛吃之→野蜂为之授粉者→田鼠是野蜂的天敌→猫吃鼠→猫的数量可判定牛饲料的丰富与否。

2）化学信息（Chemical Information）

生物分解出某些特殊的化学物质，这些分泌物在生物的个体或种群之间起着各种信息的传递作用。

蚂蚁爬行留下的化学痕迹吸引同类跟随。当七星瓢虫捕食蚜虫时，被捕食的蚜虫会立即释放警报信息素，于是周围的蚜虫纷纷跌落。

昆虫学家发现，一只雄飞蛾能够接收到几千米外雌飞蛾发出的某种信号，从而赶去相会。它们敏锐的触角能捕捉空气中不足1/3盎司的信息素（一种无色无味的特殊化学物质）。

3）物理信息（Physical Information）

物理信息主要是指通过物理的过程进行传递的信息，不仅可以源于无机环境，还可源于群落。

鸟鸣、兽吼、颜色、光等构成了生态系统的物理信息。

虫叫、兽吼可以传递安全、惊惶、恐吓、警告、求偶、觅食等信息。

光：以浮游藻类为食的鱼类，从光线获得食物的信息。

磁：候鸟、信鸽。

电：鱼类洄游。

声：含羞草。

4）行为信息（Behavior Information）

行为信息可以在同种和异种生物间进行。一些动物可以通过自己的各种不同的行为或方式向同伴发出识别、威吓、求偶和挑战等信息。丹顶鹤求偶，雌雄双双起舞等都属于这类信息。