什么是生态系统？

生态系统是生物群落与其环境中的非生物成分相互作用而形成的一个系统。这些生物和非生物成分通过营养循环和能量流相互关联。

能量通过光合作用进入系统，并被纳入植物组织中。动物在物质和能量通过系统的运动中起着重要作用。它们还影响植物和微生物生物量的数量。

通过分解死亡的有机物，分解者将碳释放到大气中，并通过将储存在死亡生物量中的营养物质转化回植物和其他微生物可利用的形式，从而促进营养循环。

生态系统受外部和内部因素控制。气候、形成土壤的母质和地形等外部因素控制着生态系统的整体结构，但不受生态系统自身的影响。与外部因素不同，内部因素受到控制，例如分解、根系竞争、遮荫、干扰、演替以及存在的物种类型。

生态系统是动态的实体。它们会受到周期性干扰，并从过去的某些干扰中恢复。位于世界不同地区的相似环境中的生态系统，仅仅因为存在不同的物种库，其运行方式可能大相径庭。

内部因素不仅控制着生态系统过程，也受其控制，并且常常受到反馈循环的影响。

资源输入通常受气候和母质等外部过程控制。内部因素控制着生态系统内部的资源可用性。尽管人类在生态系统内运作，但其累积效应足以影响气候等外部因素。

生物多样性影响生态系统功能，干扰和演替过程也影响。生态系统提供人们赖以生存的各种商品和服务。

生态学是对种群之间或生物与环境之间相互作用的科学研究，可以从个体、种群、群落或生态系统层面进行考察。

个体层面的生态学主要关注个体生物体的生理、繁殖和发育。在种群层面，生态学主要处理种群的属性和影响种群的各种因素。

在群落层面，生态学研究种群间的相互作用和群落模式。在生态系统层面，生态学将所有这些整合在一起，以理解系统作为一个整体如何运作。因此，生态系统生态学更关注能量流和营养循环，而不是个体物种。

生态系统组成部分

生态系统的结构由两个主要组成部分组成，例如：

1. 生物成分

生物成分包括所有有生命的事物。主要有两种类型的生物，真核生物和原核生物。

• 真核生物的特点是其细胞内有膜结合的细胞器，如细胞核。例如，植物、动物、真菌和原生生物。
• 原核生物是缺乏膜结合细胞器的生物。例如，细菌和古菌。

植物有叶绿体，使它们能够捕获光能。然后，它们从环境中吸收二氧化碳和水，将其转化为糖，这是一种可用于合成化学能的生物分子。由于它们可以通过光合作用生产食物，因此被称为生产者。紧随生产者之后的是初级消费者。它们以生产者为食，同时又成为更高级消费者的食物来源。

动物是消费者。以植物为食的动物称为草食动物，而以其他动物为食的动物称为肉食动物。还有一些动物既吃植物又吃动物。它们被称为杂食动物。

2. 非生物成分

非生物成分包括所有非生物事物，例如岩石、土壤、矿物质、水源和当地大气。与生物成分类似，非生物成分也有其生态作用。

例如，元素和化合物作为营养来源。它们对生物体的生长和新陈代谢至关重要。除了提供营养，它们还为生物体提供生存和繁衍的场所。

生态系统类型

生态系统有四种类型：陆地、淡水、海洋和人工。前三种自然存在于各种生物群落中。最后一种是人造的。

生态系统的大小从微生态系统到最大的生态系统（如海洋生态系统）不等。

1. 陆地生态系统：陆地生态系统发生在陆地上。陆基生态系统的例子有森林生态系统、草原生态系统、苔原生态系统和沙漠生态系统。

• 一个 森林生态系统由各种植物，特别是树木组成。由于植物作为生产者 abundant，这个生态系统充满了生命。植物和动物在森林中繁盛。它们也是水果、木材的重要来源。它们还有助于维持地球的温度。它们也是主要的碳汇。
• 草原生态系统通常发现于热带或温带地区。它们以草类为主。这个生态系统中常见的动物是食草动物，如牛、山羊和鹿。
• 苔原生态系统的特征是无树且被雪覆盖。积雪在春夏季融化，形成浅水池。在此期间，通常会生长地衣和开花植物。由于苔原上覆盖着冰，这个生态系统对调节其温度很重要。它还作为水库。
• 沙漠生态系统是指发生在沙漠栖息地的生态系统。沙漠通常干燥多风。有些沙漠含有沙丘、沙子和岩石。沙漠中的生物多样性不如森林，但它们具有适应其环境的特性。沙漠中常见的植物是CAM植物，例如仙人掌。沙漠动物包括昆虫、爬行动物和鸟类。

2. 淡水生态系统：淡水是不含盐水的湿地生态系统。它们是藻类、浮游生物、昆虫、两栖动物和鱼类的家园。主要有两种类型：静水生态系统和流水生态系统。

• 静水生态系统是指静水中的生态系统。例如，池塘、水坑和湖泊。湖泊可能形成分区，并且非常明确地形成了不同的区域。这些区域是滨岸带、湖沼带和深底带。滨岸带是靠近岸边的部分。湖沼带是光线不能完全穿透的区域。湖沼带中被光线穿透的部分是透光带，而光线不能穿透，因此黑暗的区域是底栖带。植物和动物在这些区域中各不相同。例如，生根植物存在于滨岸带，但不存在于湖沼带。
• 一个 流水生态系统是一种以自由流动的淡水栖息地为特征的水生生态系统。这与几乎静止的静水生态系统相反。例子包括河流和溪流。这些生态系统中的许多植物和动物都有适应能力，可以帮助它们应对水流带来的力量和不同的条件。

3. 海洋生态系统：它是一个含有盐水的水生生态系统。例如，海洋和海洋中的生态系统。

• 海洋生态系统是大气氧气的重要来源，因为大量的自养藻类通过光合作用释放氧气。海洋生态系统被认为是世界上最丰富的生态系统类型。

4. 人工生态系统： 它是一个人造系统，可以进一步分为陆地、淡水或海洋。人工生态系统的一个例子是 生态缸。许多人造生态系统是为了保护、美学以及研究生物学和生态学而建造的。

生态系统过程

生态系统受外部和内部因素共同控制。外部因素，也称为状态因素，控制着生态系统的整体结构以及其内部的运作方式，但它们本身不受生态系统的影响。

影响生态系统功能的其他重要外部因素包括时间和潜在生物群。同样，某个区域可能存在的生物体集合也可以显著影响生态系统。

位于世界不同地区的相似环境中的生态系统，仅仅因为存在不同的物种库，其运作方式可能大相径庭。

与外部因素不同，生态系统中的内部因素控制着生态系统过程，也受其控制。因此，它们常常受到反馈循环的影响。虽然资源输入受气候和母质等外部过程控制，但这些资源在生态系统内部的可用性受分解、根系竞争或遮荫等内部因素控制。干扰、演替或存在的物种类型等其他因素属于内部因素。

1. 初级生产

初级生产是指由无机碳源生产有机物质的过程。这主要通过光合作用发生。通过这个过程吸收的能量维持着地球上的生命，而碳则构成了活体和死亡生物量、土壤碳和化石燃料中的大部分有机物。它还驱动着碳循环，通过温室效应影响全球气候。

通过光合作用，植物从光中捕获能量，并结合二氧化碳和水来产生碳水化合物和氧气。一个生态系统中所有植物进行的光合作用被称为总初级生产（GPP）。

2. 能量流

能量和碳通过光合作用进入生态系统，被纳入活体组织，转移到以活体和死亡植物物质为食的其他生物体，最终通过呼吸作用释放。

纳入植物组织（净初级生产）的碳和能量要么被动物消耗。相反，当植物存活时，它被消耗；当植物组织死亡并成为碎屑时，它未被消耗。

在水生系统中，草食动物消耗的植物生物量比例要高得多。在营养系统中，光合生物是初级生产者。消耗其组织的生物被称为初级消费者或次级生产者。

3. 分解

分解是死亡有机物被分解成更简单的有机或无机物质，如二氧化碳、水、简单糖类和矿物盐的过程。这释放了可以重新用于植物和微生物生产的营养物质，并将二氧化碳返回大气，在那里它可以用于光合作用。

如果没有分解作用，死有机物会在生态系统中积累，而营养物质和大气中的二氧化碳将会耗尽。

分解过程可分为三类，

• 淋溶
• 碎片化
• 死亡物质的化学改变

当水流过死亡有机物时，它溶解并带走水溶性成分。这些成分随后被土壤中的生物吸收，与矿物土壤发生反应，或被输送到生态系统之外。

新落的叶子和新死的动物具有高水溶性成分，包括氨基酸、糖和矿物质营养素。淋溶在潮湿环境中更重要，而在干燥环境中则不那么重要。

不同生态系统的分解速率各不相同。有三组因素决定分解速率，

• 物理环境（温度、湿度和土壤特性）。
• 分解者可利用的死亡物质的数量和质量。
• 微生物群落本身的性质。

温度控制着微生物呼吸速率；微生物分解越快，温度越高。它还会影响土壤湿度，这会减缓微生物生长并减少淋溶。

在潮湿、湿润且氧气充足的条件下，分解速率最高。潮湿的土壤往往会缺氧，这会减缓微生物生长。在干燥的土壤中，分解也会减缓，但即使土壤变得过于干燥而无法支持植物生长，细菌仍会继续生长。

4. 养分循环

生态系统不断与更广阔的环境交换能量和碳。另一方面，矿物质养分主要在植物、动物、微生物和土壤之间循环往复。大多数氮通过生物固氮进入生态系统，通过降水、灰尘、气体沉积，或作为肥料施用。

由于大多数陆地生态系统都受氮限制，氮循环是生态系统生产的重要控制因素。

固氮是生态系统氮的主要来源。固氮细菌要么与植物共生，要么在土壤中自由生活。一些蓝细菌也能够固氮。它们是光能自养生物，进行光合作用。像其他固氮细菌一样，它们可以是自由生活的，也可以与植物共生。其他氮来源包括化石燃料燃烧产生的酸沉降、从施肥农田蒸发的氨气以及灰尘。

当植物组织脱落或被食用时，这些组织中的氮就可供动物和微生物利用。微生物分解将土壤中死亡有机物中的氮化合物释放出来，植物、真菌和细菌争夺这些氮。一些土壤细菌利用含氮有机化合物作为碳源，并将铵离子释放到土壤中。这个过程被称为氮矿化。

其他微生物将铵转化为硝酸盐和亚硝酸盐离子，这个过程称为硝化作用。在硝化作用过程中还会产生一氧化氮和一氧化二氮。在富氮缺氧的条件下，硝酸盐和亚硝酸盐会转化为氮气，这个过程称为反硝化作用。

磷、钙、硫、钾、锰和镁是其他重要的营养素。磷通过风化进入生态系统。钙和硫也由风化产生，但酸沉降是许多生态系统中硫的重要来源。尽管镁和锰由风化产生，但土壤有机质和活细胞之间的交换解释了许多生态系统通量。钾主要在活细胞和土壤有机质之间循环。

5. 功能与生物多样性

生物多样性在生态系统功能中扮演重要角色。这是因为生态系统过程是由生态系统中物种数量、每个物种的确切性质以及这些物种内生物体的相对丰度驱动的。生态系统过程是通过单个生物体的行为实现的广义概括。

生态学理论认为，为了共存，物种必须具有一定程度的限制相似性。它们在某些基本方面必须彼此不同。否则，一个物种将竞争性地排斥另一个物种。

在生态系统中增加与现有物种生态相似的物种，对生态系统功能的影响往往很小。另一方面，生态上截然不同的物种则具有更大的影响。同样，优势物种对生态系统功能有很大影响，而稀有物种的影响往往很小。关键物种对生态系统功能的影响与其在生态系统中的丰度不成比例。同样，生态系统工程师是指任何创造、显著改变、维持或破坏栖息地的生物体。

6. 动态

生态系统是动态实体。它们会受到周期性干扰，并正在从过去的某种干扰中恢复。当发生扰动时，生态系统通过偏离其初始状态来响应。生态系统在受到干扰后仍能保持接近其平衡状态的趋势，称为其抵抗力。

干扰在生态过程中也起着重要作用。F.Stuart Chapin及其合著者将干扰定义为“在时间和空间上相对离散的事件，它改变种群、群落和生态系统的结构，并导致资源可用性或物理环境的变化”。这可以从小范围的树木倒塌和昆虫爆发到飓风和野火，再到火山爆发。此类干扰可能导致植物、动物和微生物种群以及土壤有机质含量发生巨大变化。干扰之后是演替，即“由生物驱动的资源供应变化导致生态系统结构和功能的方向性变化”。

干扰的频率和严重程度决定了它影响生态系统功能的方式。火山爆发和退却等重大干扰会留下缺乏植物、动物或有机质的土壤。经历此类干扰的生态系统会经历初级演替。森林火灾、飓风或耕作等较轻微的干扰会导致次级演替和更快的恢复。

能量流

在生态学中，“生产力”一词指的是生态系统中生物量的产生速率。它通常以每单位时间每单位体积的质量（g m^-2 d^-1）表示。生产力可以是初级的，也可以是次级的。

初级生产力是指自养生物（如植物）的生产力，而次级生产力是指异养生物（如动物）的生产力。生物量的初级生产通常归因于进行光合作用的植物和藻类，因为几乎所有可供生物体利用的能量都始于它们。

来自太阳的能量被光合自养生物细胞内的叶绿体捕获。在叶绿体内，光子的光能驱动无机底物转化为能量储备，如糖分子。

动物没有这样的色素来捕获光能以进行光合作用。因此，它们必须依赖自养生物或异养生物来获取食物。

光合作用是一种生物过程，植物通过阳光和无机来源制造食物。它们产生葡萄糖分子。反过来，植物为无法生产食物的生物体提供食物来源。

通过以这些植物为食，能量从生产者流向消费者。然后，它从一个消费者流向下一个。食物中复杂的有机分子，如碳水化合物、脂肪和蛋白质，是其化学键中储存能量的丰富来源。

在有氧气的情况下，葡萄糖通过细胞呼吸被加工以合成化学能（ATP）。储存在食物分子中的能量通过一系列氧化反应释放出来。电子从一个分子传递到另一个分子，直到达到最终电子受体氧气。当食物分子完全氧化后，最终副产品是二氧化碳，通过植物气孔蒸腾和呼吸动物呼气释放。在没有氧气的情况下，细胞进行发酵，葡萄糖被分解以产生ATP并产生乳酸。

分解者是能量流经的最后一组生物。它们消耗所有生物的排泄物和尸体。

生态系统生态学

生态系统生态学研究生态系统的过程和动态以及物质和能量流如何构成自然系统。生态系统的研究范围可以涵盖10个数量级，从岩石的表层到地球表面。

德国生态学家恩斯特-德特勒夫·舒尔策及其合著者将生态系统定义为“在生物周转方面均匀，并包含所考虑地面区域之上和之下的所有流量”的区域。

人类造成的威胁

• 随着人口和人均消费的增长，生态系统所需的资源需求和人类生态足迹的影响也在增加。
• 自然资源脆弱且有限。人类活动对环境的影响越来越明显。
• 所有生态系统面临的问题包括气候变化、环境污染和生物多样性丧失。
• 对于陆地生态系统，进一步的威胁包括土壤退化、森林砍伐和空气污染。
• 对于水生生态系统，威胁包括海洋资源不可持续开发，例如某些物种的过度捕捞、海洋污染、水污染、微塑料污染、海洋变暖以及沿海地区的建设。