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水与生态环境:地球生态系统及其能量支配

时间:2023-11-22 理论教育 版权反馈
【摘要】:为了更好地解释和研究这种生物与环境、生物与生物之间的关系,人们提出了“生态系统”的概念。生态系统的范围可大可小,相互交错。生态系统对干扰具有抵抗和恢复能力,能够维持相对的稳定。以太阳辐射为主体的能量源支配着近地大气层的气象环境、地表层的土壤环境以及与它们相适应的包括人类在内的地表生态系统。

水与生态环境:地球生态系统及其能量支配

(一)生态系统的概念

为了生存和繁衍,每一种生物都要从周围的环境中吸取空气、水分、阳光和营养物质;生物在生命活动过程中又不断向周围的环境释放和排泄各种物质,死亡后的躯壳也重新回归周围的环境当中。对任何一种生物来说,周围的环境也包括其他生物。绿色植物利用微生物在土壤中释放出的氮、磷、钾等营养元素,食草动物以绿色植物为食,食肉动物又以食草动物为食,各种动植物死亡后的躯体既是昆虫小动物的食物,又是微生物的营养来源。经过长期的自然演化,地球上各区域的生物和环境之间、生物与生物之间,形成了一种相对稳定的系统,并具有相应的功能。

为了更好地解释和研究这种生物与环境、生物与生物之间的关系,人们提出了“生态系统”的概念。“生态系统”的定义最早由英国生态学家Tansley于1935年提出,描述为“在一定的空间内生物成分和非生物成分通过物质循环和能量流动相互作用、相互依存而构成的一个生态学功能单位”。在生态系统的概念中,生物及其非生物环境是互相影响、彼此依存的统一体,是生物与环境之间进行能量转换和物质循环的基本功能单位。生态系统的范围可大可小,相互交错。生物圈可以认为是地球上最大的生态系统,大到南美的热带雨林、一条河流,小至河畔的树林、城市的公园都是一个生态系统。

(二)生态系统的特征

从系统的观点来看,生态系统具有如下10项重要特征[2]

(1)以生物为主体,具有整体性特征。每一个生态系统都有一定的生物群落与其栖息的环境相结合,进行着物种、能量和物质的交流。生物是主体,系统内各组成要素的结构与功能处于协调的动态之中,具有系统的整体性。

(2)复杂、有序的层级系统。由于自然界中生物的多样性和相互关系的复杂性,决定了生态系统是一个极为复杂的、多要素、多变量构成的层级系统。

(3)开放的、远离平衡态的热力学系统。任何一个自然生态系统都是开放的,有输入和输出,而输入的变化总会引起输出的变化。维持生态系统需要能量,生态系统越大越复杂,所需要的能量就越多。

(4) 具有明确服务性能。生态系统本身就是个功能单元,生态系统在进行多种生态过程中实现了维护人类生存的服务性功能,为人类提供了必不可少的粮食、药物和工农业原料等,并提供人类生存的环境条件。

(5)环境影响。环境的变化和波动形成环境压力,生态系统受到环境的深刻影响。影响最初由敏感物种的种群表现出来,当压力增加到可在生态系统水平上体现时,整个系统的“健康”就到了危险的边缘。

(6)环境的演变与生物进化相联系。自生命在地球上出现以来,生物有机体不仅适应了物理环境条件,还可将环境向有利于生命的方向改造,环境演变与生物进化紧密联系在一起

(7)具有自维持、自调控功能。经过长期进化适应,自然生态系统中的生物与其环境条件逐渐建立起相互协调的关系。生态系统自动调控机能主要表现在同种生物的种群密度的调控、异种生物种群之间的数量调控、生物与环境之间相互适应的调控。生态系统对干扰具有抵抗和恢复能力,能够维持相对的稳定。

(8)具有一定的负荷力。生态系统负荷力涉及用户数量和使用强度,二者之间保持互补关系,当个体使用强度增加时,一定资源所能维持的个体数目就会减少。环境容量反映了生态系统负荷力的一个方面,任一生态系统的环境容量越大,可接纳的污染物就越多,反之则越少。污染物的排放,必须与环境容量相适应。

(9)具有动态的、生命的特征。生态系统也和自然界许多事物一样,具有发生、形成和发展的过程。生态系统可分为幼期、成长期和成熟期,具有自身特有的整体演化规律,生态系统这一特性为预测系统未来状况提供了重要的科学依据。(www.xing528.com)

(10)具有健康、可持续发展特性。自然生态系统在数十亿年发展中支持着全球的生命系统,为人类提供了经济发展的物质基础和良好的生存环境。由于生态系统的负荷力具有一定限度,因此可保持生态系统的健康和可持续发展特性,在时间和空间上实现全面发展。

(三)生态系统的组成

生态系统由生物及其生存环境构成。生物生存环境由能源、气候、物质代谢原料、基质和介质等因素组成。其中能源包括太阳能、水能;气候包括光照、温度、降水、风等;物质代谢原料包括参加物质循环的无机物质(如碳、氮、水等),以及联系生物和非生物的有机化合物蛋白质、脂肪、碳水化合物腐殖质等;基质包括地貌、岩石、土壤及河床或湖盆底质;介质是指水和空气。这些非生物成分是生态系统中各种生物赖以生存的基础。

生物部分按照其在能量流动和物质循环中的作用,可以分为生产者、消费者和分解者三类。

生产者主要指绿色植物,也包括蓝绿藻和一些光合细菌,是能够利用简单无机物质制造食物的自养生物,在生态系统中起主导作用。

消费者主要指以其他生物为食的各种动物,包括植食动物、肉食动物、杂食动物和寄生动物等。

分解者主要是细菌和真菌,也包括某些原生动物和蚯蚓白蚁、秃鹫等食腐动物。它们分解动植物的残体、粪便和各种复杂的有机化合物,吸收某些分解产物,最终能将有机物分解为简单的无机物,参与物质循环后可被自养生物重新利用。

(四)生态系统的分类

在茫茫宇宙之中,由于种种机缘巧合,地球形成了独特的天、地、生系统。以太阳辐射为主体的能量源支配着近地大气层气象环境、地表层的土壤环境以及与它们相适应的包括人类在内的地表生态系统。

按照形成的原动力和影响力,生态系统可分为自然生态系统、半自然生态系统和人工生态系统三类。

凡是未受人类干预,在一定空间和时间范围内,依靠生物和环境本身的自我调节能力来维持相对稳定的生态系统,均属自然生态系统。如原始森林、冻原、海洋等;按人类的需求建立起来,受人类活动强烈干预的生态系统为人工生态系统,如城市、农田、人工林等;经过人为干预,但仍保持一定自然状态的生态系统为半自然生态系统,如天然放牧的草原、人类经营和管理的天然林、经过整治和受到管理的河流等。

按照生态系统的环境性质和形态特征,生态系统可分为水生生态系统和陆地生态系统两大类。水生生态系统又可分为淡水生态系统(流水水生生态系统、静水水生生态系统)和咸水生态系统(海洋生态系统、咸水湖生态系统);根据纬度、光照、水分、热量等环境因素,陆地生态系统可分为森林生态系统(温带针叶林生态系统、温带落叶林生态系统、热带森林生态系统)、草原生态系统(干草原生态系统、湿草原生态系统、稀树干草原生态系统)、荒漠生态系统、冻原生态系统(极地冻原生态系统、高山冻原生态系统)、农田生态系统、城市生态系统等。

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