流动,并通过生产者、消费者、分解者之间的食物链开始传递,最终被分解为无机物,重新进入 为植物利用的再循环运动。这种生物与环境、生物与生物之间的能量传递和转换的过程,称为生 态系统的能量流动 能量传递与转换遵循热力学定律,即说明能量守恒的热力学第一定律和能量贬值的热力学第 二定律。热力学第一定律指出,能量不能被创造,也不能被消灭,在流动过程中可以从一种形式 转换成另一种形式,数量保持不变。热力学第二定律指出,在能量的传递和转化过程中,只有 部分可以继续传递和做功(有效能),另一部分必然会以热的形式消散,成为无效能,即任何 次能量转换都会使得系统的有效能减少,无效能增加,能量发生贬值 生态系统中的能量流动也服从热力学定律。这种能量流动的特点是能量流动的单向性和通过 各营养级的能量逐渐减少,即以食物形式存在的能量总是从低的营养级流向高的营养级,传递过 程中的有效能不断损失。这是因为:①各营养级生物总有一部分会未被食用而自然死亡,最终被 分解者所利用,不可能全部被下一营养级的生物完全利用:②各营养级的生物要维系自身的生命 活动,必须消耗一部分能量,这一部分最后以热能的形式消散到环境中;③各营养级不能完全吸 收利用上一营养级的能量,通过排泄损失能量 由此可见,生态系统食物链中的能量转换效率很低。绿色植物通过光和作用从太阳得到的能 量很少部分被吸收。全部照射到叶子表面的阳光只有约4%被有效利用,除了供植物本身生命活 动需要外,光合生物能为上一营养级提供的太阳能还不到1.2%。其它营养级的动物也是如此, 从植物过其它动物摄取的能量,能被上一级有效利用的约为10%。营养级越高,生物量越少,其 储存的能量越低,形成前述的生物金字塔。因此,食物链不可能太长,生态系统中的营养级最多 只有四、五级,很少超过六级。若某一营养级不足以向上一营养级提供足够的能量,食物链中断。 (二)生态系统中的物质循环 自然界中的物质由各种化学元素组成。这些物质在生态系统的各个组成部分之间不断进行着 循环。其中,碳、氢、氧、氮、磷、硫是自然界中的主要元素,也是构成生命有机体的主要物质。 它们在自然界的良性循环,保证了生态系统的稳定性 1.碳循环 碳是构成生物体和贮藏光能的主要元素,在自然界中以化 大气中CO2 碳水化合物、脂肪、蛋白质等有机体和CO、碳酸盐等无机体 的形式存在,并在大气圈、水圈、生物圈、岩石圈和化石燃 料(石油、煤等)等环境因素中进行碳循环,如图1-1所示。 光合生物通过光合作用吸收大气中的CO2和0形成碳水化合 碳酸盐岩石 物,同时释放氧气。碳水化合物通过食物链逐级往高的营养 图1-1碳循环 级流动,并转换为不同的形式。同时,动物通过呼吸作用吸入O而放出CO2,生物残体被微生物
流动，并通过生产者、消费者、分解者之间的食物链开始传递，最终被分解为无机物，重新进入 为植物利用的再循环运动。这种生物与环境、生物与生物之间的能量传递和转换的过程，称为生 态系统的能量流动。 能量传递与转换遵循热力学定律，即说明能量守恒的热力学第一定律和能量贬值的热力学第 二定律。热力学第一定律指出，能量不能被创造，也不能被消灭，在流动过程中可以从一种形式 转换成另一种形式，数量保持不变。热力学第二定律指出，在能量的传递和转化过程中，只有一 部分可以继续传递和做功（有效能），另一部分必然会以热的形式消散，成为无效能，即任何一 次能量转换都会使得系统的有效能减少，无效能增加，能量发生贬值。 生态系统中的能量流动也服从热力学定律。这种能量流动的特点是能量流动的单向性和通过 各营养级的能量逐渐减少，即以食物形式存在的能量总是从低的营养级流向高的营养级，传递过 程中的有效能不断损失。这是因为：①各营养级生物总有一部分会未被食用而自然死亡，最终被 分解者所利用，不可能全部被下一营养级的生物完全利用；②各营养级的生物要维系自身的生命 活动，必须消耗一部分能量，这一部分最后以热能的形式消散到环境中；③各营养级不能完全吸 收利用上一营养级的能量，通过排泄损失能量。 由此可见，生态系统食物链中的能量转换效率很低。绿色植物通过光和作用从太阳得到的能 量很少部分被吸收。全部照射到叶子表面的阳光只有约 4%被有效利用，除了供植物本身生命活 动需要外，光合生物能为上一营养级提供的太阳能还不到 1.29%。其它营养级的动物也是如此， 从植物过其它动物摄取的能量，能被上一级有效利用的约为 10%。营养级越高，生物量越少，其 储存的能量越低，形成前述的生物金字塔。因此，食物链不可能太长，生态系统中的营养级最多 只有四、五级，很少超过六级。若某一营养级不足以向上一营养级提供足够的能量，食物链中断。 （二）生态系统中的物质循环 自然界中的物质由各种化学元素组成。这些物质在生态系统的各个组成部分之间不断进行着 循环。其中，碳、氢、氧、氮、磷、硫是自然界中的主要元素，也是构成生命有机体的主要物质。 它们在自然界的良性循环，保证了生态系统的稳定性。 1. 碳循环 碳是构成生物体和贮藏光能的主要元素，在自然界中以 碳水化合物、脂肪、蛋白质等有机体和 CO2、碳酸盐等无机体 的形式存在，并在大气圈、水圈、生物圈、岩石圈和化石燃 料(石油、煤等)等环境因素中进行碳循环，如图 1－1 所示。 光合生物通过光合作用吸收大气中的 CO2 和 H20 形成碳水化合 物，同时释放氧气。碳水化合物通过食物链逐级往高的营养 级流动，并转换为不同的形式。同时，动物通过呼吸作用吸入 O2 而放出 CO2，生物残体被微生物
分解,矿化时也释放出CO,这些经过生命系统的CO2又重新返回空气中。此外,化石燃料的燃 烧,自然界的火山喷发、地震也会将固定的碳元素以CO2的形式释放到大气中。另外,CO2通过扩 散作用在大气和水体之间循环,进入水体中的CO2会被吸收形成新的碳酸盐岩石,也可以通过死 亡动植物的遗骸进入地壳形成化石燃料。 碳循环对环境的影响主要表现在大气中的CO2含量。大气中CO2的体积分数虽然只有0.035% 但其稳定性,尤其是化石燃料燃烧排放大量的CO2对全球气候变化产生了不可忽视的影响 2.氮循环 氮是构成生命物质蛋白质和各种氨基酸的主要元素,也是 合流蛋白质 大气的主要组成成分。虽然大气中自由氮含量占79%,却不能 动植物残骸 直接被生物利用,只有将氮制造成硝酸盐进入土壤,才能被植 进入土壤 物吸收,最终通过食物链进入各类生命体。氮循环主要是在大 硝酸盐 气、水体、生物和土壤之间进行,如图1-2所示 图1-2氮循环 大气中的氮进入土壤和植物有以下几种方法:①人工固氮。人类通过工业手段,将大气中的 氮合成氨或铵盐,即合成氮肥,供植物利用;②非生物固氮。如雷雨天气的闪电现象而产生的电 离作用,能将大气中的氮氧化成硝酸盐,随降雨过程进入土壤,以及火山喷发出的岩浆所固定的 氮,植物吸收这些进入土壤的氮:③植物固氮。寄生的豆科植物和其他少数高等植物根部的根瘤 固氮菌具有固定大气中的氮的能力。 土壤中被固定的氨或铵盐,经硝化细菌将其转化为亚硝酸盐或硝酸盐被植物吸收利用,并与 碳结合形成各种氨基酸,最后合成蛋白质。动物直接或间接从植物中摄取植物性蛋白,作为自身 的营养来源。生物圈中动植物的残体,以及动物新陈代谢过程中的含氮排泄物被微生物分解后有 又形成氨或铵盐,回归于土壤。土壤中的氨形成硝酸盐后,一部分为植物利用,另一部分则由反 硝化细菌把硝酸盐分解为氮分子,重新进人大气。 氮循环在环境问题中有着十分重要的地位,如缺少蛋白质会造成营养不良,化石燃料燃烧排 放的氮氧化物会污染大气,过度使用含氮化肥会污染水体 3.硫循环 硫是氨基酸和蛋白的重要组成成分,它以硫键的形式把蛋白质分子连接起来。硫循环由自然 作用和人类活动所推动,主要在大气、海洋和陆地之间进行 自然作用的循环过程是:陆地上,地壳中的硫通过火山喷发和岩石内的硫在风化作用下,以 HS、S02或硫酸盐的形式进入大气;海底火山爆发时产生的硫分别逸入大气和溶入海洋:大气、 水分和土壤中的硫被植物所吸收,并进入动物体内,当生物残骸被微生物分解时生成HS回到大 气;海洋中的生物遗骸腐败后,其储存的硫重新释放到海水中,当海浪飞溅时,硫又进入大气
分解，矿化时也释放出 CO2，这些经过生命系统的 CO2 又重新返回空气中。此外，化石燃料的燃 烧，自然界的火山喷发、地震也会将固定的碳元素以 CO2 的形式释放到大气中。另外，CO2 通过扩 散作用在大气和水体之间循环，进入水体中的 CO2 会被吸收形成新的碳酸盐岩石，也可以通过死 亡动植物的遗骸进入地壳形成化石燃料。 碳循环对环境的影响主要表现在大气中的 CO2 含量。大气中 CO2 的体积分数虽然只有 0.035%， 但其稳定性，尤其是化石燃料燃烧排放大量的 CO2 对全球气候变化产生了不可忽视的影响。 2. 氮循环 氮是构成生命物质蛋白质和各种氨基酸的主要元素，也是 大气的主要组成成分。虽然大气中自由氮含量占 79%，却不能 直接被生物利用，只有将氮制造成硝酸盐进入土壤，才能被植 物吸收，最终通过食物链进入各类生命体。氮循环主要是在大 气、水体、生物和土壤之间进行，如图 1－2 所示。 大气中的氮进入土壤和植物有以下几种方法：①人工固氮。人类通过工业手段，将大气中的 氮合成氨或铵盐，即合成氮肥，供植物利用；②非生物固氮。如雷雨天气的闪电现象而产生的电 离作用，能将大气中的氮氧化成硝酸盐，随降雨过程进入土壤，以及火山喷发出的岩浆所固定的 氮，植物吸收这些进入土壤的氮；③植物固氮。寄生的豆科植物和其他少数高等植物根部的根瘤 固氮菌具有固定大气中的氮的能力。 土壤中被固定的氨或铵盐，经硝化细菌将其转化为亚硝酸盐或硝酸盐被植物吸收利用，并与 碳结合形成各种氨基酸，最后合成蛋白质。动物直接或间接从植物中摄取植物性蛋白，作为自身 的营养来源。生物圈中动植物的残体，以及动物新陈代谢过程中的含氮排泄物被微生物分解后有 又形成氨或铵盐，回归于土壤。土壤中的氨形成硝酸盐后，一部分为植物利用，另一部分则由反 硝化细菌把硝酸盐分解为氮分子，重新进人大气。 氮循环在环境问题中有着十分重要的地位，如缺少蛋白质会造成营养不良，化石燃料燃烧排 放的氮氧化物会污染大气，过度使用含氮化肥会污染水体。 3. 硫循环 硫是氨基酸和蛋白的重要组成成分，它以硫键的形式把蛋白质分子连接起来。硫循环由自然 作用和人类活动所推动，主要在大气、海洋和陆地之间进行。 自然作用的循环过程是：陆地上，地壳中的硫通过火山喷发和岩石内的硫在风化作用下，以 H2S、SO2 或硫酸盐的形式进入大气；海底火山爆发时产生的硫分别逸入大气和溶入海洋；大气、 水分和土壤中的硫被植物所吸收，并进入动物体内，当生物残骸被微生物分解时生成 H2S 回到大 气；海洋中的生物遗骸腐败后，其储存的硫重新释放到海水中，当海浪飞溅时，硫又进入大气