生物与环境

前面我们认识了地球上丰富多彩的生物多样性，了解了从微小的细菌到高大的树木，从游动的鱼类到飞翔的鸟类，生命以千姿百态的形式存在着。但是，这些生物并不是孤立存在的，它们时刻与周围的环境发生着密切的联系。一只蜜蜂在花丛中采蜜时，既为自己获取了食物，也帮助植物完成了传粉；一棵大树不仅自己进行光合作用，还为无数动物提供了栖息场所。生物与环境之间、生物与生物之间，构成了一个相互依存、相互影响的统一整体。

生物不能脱离环境而生存。阳光、空气、水分、温度等非生物因素，以及其他生物的存在，都会影响生物的生活。同时，生物也在不断地改变着环境。植物通过光合作用释放氧气，改变了大气成分；动物的排泄物和遗体为土壤提供养分；微生物分解有机物，促进物质循环。这种生物与环境之间的相互作用，形成了一个又一个生态系统，它们像大大小小的生命网络，维持着地球上的生命运转。

理解生物与环境的关系，对我们认识自然、保护环境具有重要意义。当今世界，环境问题日益突出，气候变化、物种灭绝、环境污染等威胁着人类的生存。只有深入理解生态系统的运行规律，我们才能找到与自然和谐共处的方式。本章将系统介绍生态系统的组成和功能、能量流动和物质循环的规律，以及如何保护生态平衡，为建设美丽中国、实现可持续发展提供科学基础。

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生态系统的组成

什么是生态系统

生态系统是指在一定空间范围内，生物与环境形成的统一整体。各种生物相互依存，生物与非生物环境相互作用，通过能量流动和物质循环，实现相对稳定的功能系统。从一个小池塘到整片森林，从一块农田到整个地球，都可以看作是不同尺度的生态系统。

一个完整的生态系统包括非生物成分和生物成分两大部分。

• 生产者：主要是绿色植物，通过光合作用将光能转化为化学能，制造有机物，是生态系统中能量和物质的基础。
• 消费者：主要是动物，不能自身制造有机物，直接或间接以植物及其他动物为食。
• 分解者：如细菌、真菌，分解动植物遗体及排泄物，将有机物转化为简单的无机物，再被生产者吸收利用。

我们以森林生态系统为例，下方信息表示其不同生物角色：

这些部分像精密机器的各个零件，协同运转，保证生态系统的稳定。

不同类型的生态系统具有不同特点，可以以简略列表展示：

• 森林生态系统：植被茂密，种类繁多，结构复杂，具调节气候、涵养水源的功能。
• 草原生态系统：以草本植物为主，大型食草动物如羊、马、鹿等为重要消费者。
• 湿地生态系统：水陆交界，具有“地球之肾”之称，生态功能独特。
• 农田生态系统：为获取农产品而人工建立，需要持续管理和投入。
• 城市生态系统：人类活动最密集，面临环境压力和挑战。

生物与环境的相互作用

生物的生存和繁衍高度依赖环境条件，环境因素决定着生物的分布和特征。主要因素有：

不仅如此，生物也在持续地影响和改变环境。例如，植物通过蒸腾作用将水分释放到空气中，有助于调节湿度和气候；它们的根系能够稳固土壤，减少水土流失。蚯蚓在土壤中活动，能够疏松土壤、改善土壤结构。珊瑚虫则分泌碳酸钙，形成珊瑚礁，为多种海洋生物提供了栖息场所。

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食物链和食物网

食物链的形成

在生态系统中，各种生物之间存在着“吃与被吃”的关系，这种关系将生物连接起来，形成食物链。食物链总是从生产者开始，依次经过不同的消费者，形成一条单向的链条。例如，草→兔→狐狸→鹰，这就是一条简单的食物链。下面以表格形式展示这个食物链中各个环节的角色：

此外，不同生态系统的食物链环节数也有所不同。通常食物链不会太长，一般只有3-5个环节。这是因为能量在传递过程中会大量损耗，传递的环节越多，到达顶级消费者的能量就越少，不足以维持更长的食物链。

例如，在海洋生态系统中，可以有较多的环节，如：

而陆地生态系统中，食物链通常较短，比如：植物→昆虫→青蛙→蛇→鹰。

食物链中每个环节的生物都有其重要作用。生产者是基础，没有生产者，整个食物链就会崩溃。草原上的草如果被过度放牧而破坏，食草动物就会因缺少食物而减少，进而影响食肉动物。顶级消费者虽然数量少，却对控制低级消费者数量、维持生态平衡起重要作用。如果顶级消费者消失，它的猎物就可能过度繁殖，给生态系统带来问题。

食物网的复杂性

自然界中的营养关系远比单一的食物链复杂。一种生物通常会吃多种食物，同时也可能被多种生物捕食，这样多条食物链相互交错，形成食物网。食物网越复杂，生态系统越稳定。因为当某一条食物链中的某个环节出现问题时，生物还可以通过其他途径获得食物或被利用。

在草原生态系统中，草不仅被兔吃，还被鼠、昆虫、羊等多种动物取食。兔不仅被狐狸捕食，还可能被老鹰、黄鼠狼等捕食。狐狸除了吃兔，还吃鼠、昆虫等。这些复杂的关系构成了草原的食物网。如果由于疾病导致兔子数量减少，狐狸还可以多吃鼠来补充食物，不至于饿死；草也不会因为兔子减少而疯长，因为还有其他动物在取食。

食物网的复杂性还体现在生物的多重角色上。一些动物既吃植物也吃动物，称为杂食性动物。猪、熊、人都是杂食性动物。腐食性动物如秃鹫吃动物尸体。这些都增加了食物网的复杂性。食物网就像一张安全网，越密集越不容易破损，生态系统也越能抵御外界干扰。

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能量流动和物质循环

能量流动的规律

生态系统中的能量流动是单向的，起始于太阳，经过生产者（如绿色植物）将太阳能“锁定”于有机物内，再逐级传递给各种消费者，最终作为热能散失到环境之中。能量流无法循环，每经过一个营养级就有大量损失，这正是生态系统“金字塔结构”的根本原因。

能量流动的主要途径如下表所示：

生态系统金字塔的形成正是因为能量传递每一级都有显著损耗，所以高营养级生物（如大型食肉动物）数量和生物量远小于低营养级生物（如植物和食草动物）。例如在某片草原：草的生物量最大，野兔次之，狼最少。

物质循环的意义

与单向流动的能量不同，物质（如碳、氮、水等）在生态系统中是可以循环利用的。物质循环保证了地球资源的可持续使用，使生命得以长期存在。

以碳循环为例，下方梳理其主要环节：

另外，在氮循环中，其关键环节如下：

1. 固氮作用：根瘤菌、固氮菌将氮气转化为氨。
2. 植物吸收：氨和硝酸盐为植物吸收，合成有机氮化物。
3. 动物利用：动物通过食物链获得有机氮。
4. 分解作用：动植物代谢废物和遗体被分解，释放氨。
5. 反硝化作用：部分氮返回大气。

水循环则连通了大气圈、水圈、岩石圈和生物圈，包括蒸发、降水、地表径流、渗漏与生物吸收（例如动物饮水、植物蒸腾）。

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生态系统的稳定性

生态平衡及其调节

一个成熟的生态系统通常处于相对稳定的状态，这种稳定状态称为生态平衡。生态平衡是动态平衡，不是一成不变，而是在一定范围内波动。系统中各种生物的数量和比例保持相对稳定，能量流动和物质循环顺畅进行。

生态系统具有自我调节能力。当某个环节出现波动时，系统会通过负反馈机制恢复平衡。下面用表格展示草、兔、狐狸数量变化的调节过程：

生态系统的自我调节能力是有限的。当外界干扰超过一定限度时，生态系统就会失去平衡，甚至崩溃。历史上有许多生态平衡被破坏的例子，如下所示：

生态系统的稳定性与其复杂程度密切相关。通常来说，生物种类越丰富、营养级结构越多样、食物网联系越错综复杂的生态系统，稳定性就越高。这是因为多样的生物组成和复杂的食物网可以在受到干扰时，通过多条能量和物质流动路径进行调节和补偿，使系统更能抵御外界变化或局部物种消失带来的冲击。

例如，如果某一类动物数量减少，其生态功能可能被其他具有相似生态位的物种部分替代，从而维持系统整体的平衡。因此，保持生态系统的物种多样性和结构复杂性，是提升其稳定性和抵抗力的重要基础。

生态系统的恢复力

生态系统在遭受破坏后，具有一定的恢复能力。这种恢复是生态演替的过程，需要经历多个阶段，可能需要几十年甚至上百年。但恢复的前提是破坏程度没有超过临界点，环境条件还允许生物生存。

在一片荒地上，最先定居的通常是一些生命力顽强的草本植物和苔藓。它们能够忍受恶劣环境，固定土壤，积累有机质。随着土壤条件改善，灌木开始生长，逐渐形成灌木丛。灌木为环境提供更多遮阴和保护，创造了适合乔木生长的条件。乔木长大后形成森林，森林中又会出现各种动物。经过漫长演替，最终形成相对稳定的顶极群落。

中国许多地区实施的退耕还林、退牧还草政策，就是利用生态演替原理，让被破坏的生态系统自然恢复。但人类也可以通过人工植树造林加快恢复进程。黄土高原通过几十年的绿化努力，很多地方已经从黄土裸露变成绿树成荫，水土流失得到控制，生态环境明显改善。

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人类活动对生态系统的影响

积极影响与建设性行动

人类是生态系统的重要组成部分，人类活动对生态系统有深远影响。从历史上看，人类通过农业生产改造自然，将野生植物驯化为农作物，建立了农田生态系统。合理的农业活动可以形成良性循环，如传统的稻田养鱼模式，既生产粮食又养鱼，还能控制害虫，是可持续利用的典范。

现代社会，人类对生态系统的积极影响主要体现在生态建设和环境保护方面。植树造林扩大了森林面积，增加了碳汇，改善了生态环境。中国实施的三北防护林工程，在西北、华北、东北建设大规模防护林，有效抵御了风沙侵袭。长江中上游的天然林保护工程减少了水土流失，保护了长江流域的生态安全。退耕还林还草政策让许多过度开垦的土地恢复植被，生态功能逐步恢复。

自然保护区的建立是保护生态系统的重要措施。通过划定保护区，限制人类活动，为野生动植物提供安全的生存空间。中国已建立各类自然保护区2700多个，有效保护了重要生态系统和珍稀物种。国家公园的建立更是将生态保护提升到新高度，如三江源国家公园、大熊猫国家公园等。

生态恢复工程在一些受损生态系统中取得良好效果。矿区废弃地通过土壤改良和植被恢复，重新焕发生机。城市中增加绿地、建设公园，改善了城市生态环境。一些城市还建设湿地公园，恢复湿地生态功能，既保护了生物多样性，也为市民提供了休闲场所。

负面影响与环境问题

然而，不合理的人类活动对生态系统造成了严重破坏。过度开垦导致森林草原面积减少。历史上，中国的森林覆盖率曾高达50%以上，但由于长期的开荒和砍伐，到20世纪初降至5%左右，大片森林变成农田或荒地。虽然近年来通过植树造林有所恢复，但仍远低于历史水平。

过度放牧使草原退化沙化。内蒙古、青海、新疆等地的草原，由于超载放牧，草场严重退化，土地沙化扩展。一些原本水草丰美的牧场变成了沙地。过度捕捞使海洋渔业资源衰竭。东海、黄海等近海渔场，由于过度捕捞和不合理的捕捞方式，许多鱼类资源严重下降，有的已经接近枯竭。

环境污染对生态系统的影响日益严重。工业废水排入河流湖泊，造成水体污染，鱼类大量死亡，水生态系统被破坏。农药化肥的过量使用，导致土壤污染和水体富营养化。大气污染不仅危害人体健康，也影响植物生长。酸雨腐蚀植物叶片，使森林衰退。温室气体排放导致全球气候变暖，对生态系统产生深远影响。

气候变化的影响已经显现。冰川退缩，海平面上升，威胁沿海地区和岛屿国家。一些物种的分布区向高纬度或高海拔迁移。候鸟的迁徙时间改变，破坏了与食物供应之间的同步关系。珊瑚白化现象频繁发生，珊瑚礁生态系统面临严重威胁。极端天气事件增多，对农业生产和生态系统造成冲击。

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保护生态平衡

可持续发展理念

面对日益严峻的环境问题，人类必须转变发展方式，走可持续发展道路。可持续发展是指既满足当代人需求，又不损害后代人满足其需求能力的发展。这个理念强调经济发展、社会进步和环境保护的协调统一。

可持续发展要求我们合理利用自然资源，不能竭泽而渔。森林采伐要有计划，采伐量不能超过生长量，确保森林资源可持续利用。渔业要实行休渔期制度，禁止在鱼类繁殖期捕捞，保护幼鱼，使渔业资源能够恢复。矿产资源要节约使用，提高利用效率，发展循环经济，减少浪费。

发展循环经济是实现可持续发展的重要途径。循环经济强调资源的循环利用，变废为宝。工业生产中产生的废物可以作为另一种产品的原料。生活垃圾分类回收，可再生资源重新进入生产循环。农业废弃物如秸秆，可以用来生产沼气、制造饲料或还田肥田。通过资源循环利用，减少污染排放，实现经济效益和环境效益的统一。

绿色发展是可持续发展的重要内容。发展清洁能源如太阳能、风能、水能，减少对化石能源的依赖。推广新能源汽车，减少汽车尾气排放。发展生态农业，减少化肥农药使用，生产绿色有机食品。绿色建筑节能环保，创造健康舒适的居住环境。这些都是绿色发展的体现。

每个人的责任

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本节练习

第一题 请说明生态系统的组成包括哪些部分，各部分之间有什么关系？

第二题 为什么食物链的环节一般不会太长？请从能量传递角度解释。

第三题 为什么说生态系统的稳定性与其复杂程度有关？请举例说明。

第四题 请列举人类活动对生态系统的负面影响，并说明如何减轻这些影响。

第五题 请解释能量流动和物质循环有什么不同，为什么两者都重要？