地球生态学

一、生态系统的基本概念

(1)生物种群和群落

所谓种群，是指具有一定空间和时间的同一物种的个体总和。构成种群的同一物种必须有潜在的相互兼容的个体(雄性和雌性)，否则种群就会消失，所以种群是物种特定的存在单位、繁殖单位和进化单位。

同种不同种群之间不仅有交流，而且有明显的地理隔离。比如海洋中岛屿上的人口与大陆存在明显的地理隔离。但是，生活在一个城市的人群和另一个城市的人群是有交流的，甚至不同的人群跨越大洋也有交流。

群落是指一定空间范围内所有生物种群的聚集。这个集合体包括植物、动物和微生物的种群。地球上的生物之间是相互依存的关系。任何生物都不可能单独生存，而是许多生物共同生活，形成一个相互依存、相互作用、相互制约的有机体。社区就是这样一个有机的综合体。群落具有一定的结构、一定的物种组合和一定的种间关系，可以在环境条件相似的不同地区重复出现。然而，群落不是任何物种的随机组合。生活在同一群落中的物种通过长期的历史发展和自然选择得以保存，它们之间相互作用，不仅有利于各自的生存和繁衍，也有利于维持群落的稳定。

(B)食物链和营养级

简单来说，食物循环就是一种生物以另一种生物为食，另一种生物以第三种生物为食...而且他们形成了以食物为按钮的连锁关系。比如在草原，兔子以草为食，狐狸以兔为食，狼捕食狐狸，狼捕食更凶猛的老虎或狮子。这是一个食物链。事实上，食物链在本质上是一种非常复杂的关系，生物之间存在着相互制约，这是制约一个群落稳定的重要因素。

营养级是指食物链中的每一个环节。比如绿色植物是一个营养级，兔子或食草动物是一个营养级，狼或食肉动物是一个营养级(图11.7)。营养级实际上是储存能量的生物体的组合。可分为第一营养级(位于最底层，如绿色植物)、第二营养级(如草食动物)、第三营养级(食肉动物)等，还可有第四、第五营养级。

(3)生态系统及其组成

生态系统一词是由英国植物生态学家坦斯利在1935年提出的。现在的定义是指一定时空内所有生物和非生物的总和(表11.2)。生态系统是一个复杂的复合体。生物与生物或非生物通过能量流动、物质循环、信息传递等方式相互联系、相互影响、相互依存，形成具有自组织、自我调节功能的复合体。

生态系统的范围可大可小，从全球生物圈到一个池塘。无论大小，生态系统应该包括四个组成部分:生产者、消费者、分解者和无机环境。

表11.2生态系统结构

无机环境是非生物物质和能量，包括水、气体、土壤和阳光，阳光是生物的主要来源。生产者是生态系统中最活跃的因素，生态系统包括所有的绿色植物和一些细菌。它们通过光合作用将二氧化碳、水等无机物转化为有机物，储存太阳能，使生态系统获得能量。消费者是生态系统的负面因素。它们不能为生态系统生产有机物和能量，而是直接或间接依赖生产者生存。消费者包括各种动物。分解者也是生态系统中的一个积极因素，它将生态系统中一些复杂的有机物逐渐分解成简单的无机物，便于生产者吸收。包括细菌、真菌、土壤原生动物等。

(D)生态系统中的能量流动和物质循环

生态系统的能量在不断流动。能量流动不仅能使生态系统的各个部分获得能量并维持稳定，还能在生态系统中的各种生物之间建立联系。生态系统中的能量流动是通过食物链完成的(图11.7)。例如，绿色植物将太阳能转化为生态系统中的能量，而食草动物将绿色植物中的能量转移到第二营养级，食肉动物将能量转移到第三营养级。就这样，生态系统中的能量一步步向下流动。

生态系统中的能量流动遵循能量守恒定律，既不会产生，也不会消亡。因为生态系统是一个开放的系统，能量流动是一个单向不可逆的过程，总是从能量丰富的低营养级流向高营养级。生态系统中能量流动的另一个原理是“十分之一”法则(图11.8)，即在能量流动的过程中，能量从前一个营养级转移到后一个营养级的能量效率一般在10%左右，其他能量通过散热、呼吸和排泄输出到生态系统。

生态系统中的物质循环是指各种物质和元素从环境到生物、从生物到环境的不停运动。生命所必需的各种化学元素，如氧、碳、氮和磷，通过食物链在生产者、消费者和分解者之间循环。以碳为例。以CO2的形式，被绿色植物或藻类通过光合作用储存起来。一些食草动物将这部分碳转移到自己的体内，一部分以CO2的形式通过呼吸作用排泄到大气中，然后通过光合作用进行循环。一部分作为废物排出体外，被分解者分解并被植物吸收，其余部分通过食物链转移到食肉动物体内。

(5)生态系统分类

生态系统的分类有许多方案。根据生态系统的生物组成，可分为植物生态系统、动物生态系统、微生物生态系统和人类生态系统。根据生态系统的非生物成分和特征，可分为陆地生态系统和水生生态系统。根据人类活动及其影响，可分为自然生态系统、半自然生态系统和人工复合生态系统。生态系统的类型可以概括如下:

第二，森林生态系统

森林生态系统是地球上最重要的生态系统之一，不仅在全球环境中起着调节作用，而且是生物圈中最重要的生物量储存场所。森林生态系统对地球环境的主要贡献是:

(1)固碳、产氧和二氧化碳的循环变化是地球生物圈存在的基础。动物的呼吸过程和人类进行的各种燃烧过程消耗了大量的氧气，并释放出相当数量的二氧化碳。如果没有绿色植物吸收二氧化碳制造氧气的功能，地球大气的性质将发生根本改变，生物将难以生存。据研究，1hm2阔叶林每天吸收1t CO2，释放0.73t氧气。世界各地的森林每年可以将大约550亿吨二氧化碳转化为木材，同时释放超过400亿吨的氧气。

(2)物质和能量交换的重要枢纽森林不仅是二氧化碳的重要库，而且水、氮等无机物通过森林的交换容量巨大。森林每年吸收大约250亿吨水和相应数量的二氧化碳来合成有机物。通过森林的水分蒸腾量更大，每年约有48万t的水分蒸腾到空气中，需要消耗1.005×1.022J的热量。森林生态系统光合作用固定的太阳能约占整个生物圈的一半。

(3)水土林地保水、土壤疏松，再加上土壤中根系发达，上面往往有大量的枯落物，都具有保水能力，可以保持落到林地上的水分不流失。据测定，无林坡地的土壤只能吸收56%的减水量，而宽度为10m的林带可以吸收84%。如果森林宽度达到80m，地表径流完全可以转化为地下径流，5万亩森林相当于一个库容为100×104m3的水库。由于森林枝叶折断削弱了雨滴的动能，以及树根的固定，雨水对土层的冲刷作用大大降低。据测定，林地的土壤侵蚀量比裸地小100倍。因此，森林破坏后，会造成生态平衡的破坏，并造成一系列严重后果。

(4)清洁的林地可以吸收有害气体，净化空气中的颗粒物和灰尘，使大气清洁，更适合人类生存。据研究，榆树叶每平方米可滞尘3.39g，山林每年每亩可吸尘约4.5t。许多树木可以吸收一些气体，刺槐每公顷吸收42公斤氯，银杏、柑橘和核桃树吸收二氧化碳，茶树和山茶树吸收氟化氢，杨树和桑叶吸收铅尘。

第三，生态平衡

在任何正常的生态系统中，能量流动和物质循环总是在进行的。在一定的时间和空间内，生产者、消费者和分解者之间存在着一种动态的稳定性，这就是所谓的生态平衡。这种平衡包括生态系统结构、功能和能量输入输出的稳定性。

保持生态平衡非常重要，因为生态系统对人类的生存和发展具有重要意义。这种意义主要表现在其功能上。例如，森林生态系统是地球上最重要的生态系统之一，具有固碳制氧、涵养水源、防止水土流失、净化空气和物质交换等功能。如果地球上没有森林，地球的景观将是不可想象的。

破坏生态平衡的因素很多，有自然的，也有人为的。自然因素，如地震、火山爆发、森林火灾、干旱、洪水等。，可能会破坏生态系统的某个组成部分或营养级，造成生态系统的失衡。人为因素主要表现为对自然资源的不合理开发利用或人为破坏。如大规模毁林、过度开垦草原、城市化发展、水污染等。，会破坏生态平衡。比如65438年至0998年长江流域的特大洪水，就与长江流域上游的森林生态系统遭到破坏密切相关。

生态系统的稳定(或平衡)与生态系统的结构、能量流动和物质循环的方式有关。一般来说，在成分多样、能量流动和物质循环路径复杂的生态系统中，很容易保持稳定；相反，成分简单、结构简单的生态系统通常是脆弱的。因此，森林生态系统比草原生态系统更稳定，草原生态系统比苔原生态系统更稳定。我们经常说维护生物多样性，这是为了生态系统的稳定。然而，一个生态系统的调节能力是有限的。超过这个限度，生态系统本身的调节能力就不再发挥作用，生态平衡就会被破坏。

四。生物灾难

生物灾害主要有虫灾、森林火灾、赤潮、鼠灾、瘟疫等。森林火灾是目前威胁森林生态系统最严重的灾害之一。由于气候异常，20世纪80-90年代世界各地森林火灾频发，如俄罗斯贝加尔湖森林火灾、蒙古森林火灾、印度尼西亚森林火灾等。大兴安岭1987发生森林火灾，过火面积114000 hm2(即公顷)，直接经济损失5亿多元。1997印尼森林大火燃烧了三个月，雅加达上空烟尘弥漫。街上的行人都戴着口罩，这摧毁了30多万公顷的森林，造成300人死亡。

昆虫灾害每年都会发生，影响到世界各地。我国每年因虫害和森林火灾造成的林业损失为20亿元，农业损失为6543.8+00亿元。虫灾主要有蝗虫灾、棉铃虫灾、水稻虫灾、松毛虫灾。鼠害主要是食物损失和疾病传播。1347 ~ 1350世纪盛行于欧洲的“黑死病”是一种瘟疫，它夺去了1/3的欧洲人(2000多万人)的生命。20世纪80年代，中国每年因鼠害造成的粮食损失平均达7.2亿公斤。此外，还有白蚁啃食木屋和家具、蚊子传播疾病等一系列生物灾害。