生物与环境

上一课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。这个整体中，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，形成一个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含两大部分。非生物成分包括阳光、空气、水分、土壤、矿物质等，它们为生物提供能量和生存所需的物质基础。生物成分则包括生产者、消费者和分解者三大类。生产者主要是绿色植物，能够通过光合作用将光能转化为化学能，制造有机物，是生态系统中最基础的生物。消费者主要是各种动物，它们不能自己制造有机物，必须直接或间接地以植物为食。分解者主要是细菌和真菌，它们能够分解动植物的遗体和排泄物，将有机物转化为简单的无机物，使物质能够重新被生产者利用。

以森林生态系统为例，这里有高大的乔木、低矮的灌木和地表的草本植物，它们是生产者，通过光合作用固定太阳能。各种昆虫取食植物的叶片和花朵，是初级消费者。鸟类捕食昆虫，是次级消费者。鹰和猫头鹰捕食小鸟和鼠类，是更高级的消费者。当这些动植物死亡后，土壤中的细菌和真菌会将它们分解，营养物质重新回到土壤，被植物吸收利用。整个系统就像一台精密的机器，各个部分协调运转。

不同类型的生态系统具有不同的特点。森林生态系统植被茂密，生物种类繁多，结构复杂，有很强的调节气候、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、鹿等是重要的消费者。湿地生态系统水陆交界，具有独特的生态功能，被誉为“地球之肾”。农田生态系统是人工建立的，以获取农产品为主要目的，需要人类的持续管理和投入。城市生态系统则是人类活动最密集的地方，面临着许多环境问题。

生物与环境的相互作用

生物的生存和繁衍依赖于适宜的环境条件。温度是最重要的环境因素之一。绝大多数生物只能在一定的温度范围内生活，温度过高或过低都会影响生物的生理活动。热带地区终年高温，孕育了繁茂的雨林和丰富的物种。极地地区极端寒冷，只有少数适应寒冷的生物如北极熊、企鹅能够生存。中国横跨多个气候带，南方的橡胶树不能在北方种植，而北方的小麦也难以在南方生长，这些都是温度影响的结果。

水分是另一个关键因素。水是生命活动必需的物质，参与各种生理过程。降水量的多少决定了一个地区植被的类型。热带雨林地区降水充沛，植物生长茂盛。草原地区降水较少，只适合草本植物生长。荒漠地区极度缺水，只有耐旱的植物如仙人掌能够生存。骆驼之所以能在沙漠中生活，是因为它具有储存水分、减少水分散失的适应特征。

阳光为绿色植物的光合作用提供能量，是生态系统的能量来源。光照强度和时间长短影响植物的生长发育。阳性植物如向日葵需要充足的光照，阴性植物如蕨类则适应阴暗环境。动物的活动也受光照影响，许多动物有昼夜节律，白天或夜晚活动。候鸟的迁徙与日照长度的变化有关。

生物也在不断地影响和改变环境。植物的蒸腾作用向大气中释放水蒸气，增加空气湿度，调节气候。植物的根系固定土壤，防止水土流失。蚯蚓在土壤中活动，疏松土壤，改善土壤结构。珊瑚虫分泌的碳酸钙骨骼堆积形成珊瑚礁，为众多海洋生物提供栖息地。可以说，地球表面的环境很大程度上是生物活动的产物。

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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，从太阳能开始，经过生产者固定，再逐级传递给各级消费者，最终以热能的形式散失到环境中。这个过程不可逆转，能量不能循环利用。正是这种单向流动，驱动着整个生态系统的运转。

太阳能是几乎所有生态系统的最初能量来源。绿色植物通过光合作用，将太阳能转化为储存在有机物中的化学能。但植物吸收的太阳能只有1-5%能够被固定下来，大部分能量被反射或转化为热能散失。植物固定的能量一部分用于自身的生命活动如呼吸作用，通过呼吸作用释放能量维持生命，约占一半左右；另一部分储存在植物体内，成为植物的生物量。

当食草动物吃植物时，植物体内的能量就传递到了动物体内。但这个传递过程效率很低，一般只有10-20%的能量能够被传递到下一个营养级。大部分能量在传递过程中以各种方式损失了：动物不能吃掉全部的植物，有些植物会枯死腐烂；吃进的食物不能全部消化吸收；吸收的能量有相当一部分用于动物自身的生命活动，通过呼吸作用以热能形式散失；只有很少一部分转化为动物自身的生物量。

这种能量传递效率决定了生态系统中各营养级的生物量和数量关系。通常情况下，越是低营养级的生物，数量和生物量越大；越是高营养级的生物，数量和生物量越小。这就形成了生态金字塔。在一个草原生态系统中，草的生物量最大，食草动物次之，食肉动物最少。这也解释了为什么自然界中食肉动物总是比食草动物少得多。

物质循环的意义

与能量单向流动不同，物质在生态系统中是循环流动的。构成生物体的碳、氮、磷、硫等元素，在生物体和无机环境之间不断循环转换，可以被反复利用。这种循环保证了地球上的物质能够长期支撑生命的存在。

以碳循环为例，这是最重要的物质循环之一。大气中的二氧化碳通过植物的光合作用被固定到有机物中，成为植物体的一部分。动物通过吃植物获得这些有机物，碳元素进入动物体内。生物通过呼吸作用分解有机物，释放能量的同时产生二氧化碳,重新回到大气中。当动植物死亡后，分解者将遗体中的有机物分解，释放二氧化碳。此外，化石燃料的燃烧、火山爆发等也会向大气中释放二氧化碳。整个过程形成一个闭合的循环。

氮循环同样重要。大气中78%是氮气，但绝大多数生物不能直接利用氮气。土壤中的根瘤菌、固氮菌等能够将氮气转化为氨，这个过程叫固氮。氨进一步转化为硝酸盐，被植物吸收利用，合成蛋白质等含氮有机物。动物通过食物链获得这些有机氮。生物的排泄物和遗体被分解者分解，产生氨。一部分氨被植物重新利用，一部分被反硝化细菌转化为氮气返回大气，完成循环。

水循环联系着地球的各个圈层。海洋、湖泊的水蒸发进入大气，随风移动，在适当条件下凝结降落为雨雪。降水一部分渗入地下成为地下水，一部分流入河流最终汇入海洋，一部分被植物吸收，通过蒸腾作用再次进入大气。生物的生命活动也参与水循环，动物喝水、植物吸水，将水暂时固定在生物体内。

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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，如下表所示：

生态系统的稳定性与其复杂程度有关。一般来说，生物种类越丰富、食物网越复杂的生态系统，稳定性越高。如下表所示：

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？