生态系统
定义
生态系统指在一定时间和空间范围内,生物群落与其环境共同组成、并借助能量流动与物质循环相互联系的整体,该整体具有一定的大小与结构[5]。它由生物成分与非生物成分两部分构成,生物成分依功能可分为生产者、消费者和分解者,非生物成分则包括阳光、水、空气、无机盐、土壤等[1]。坦斯利提出这一术语时,强调的是生物与其所处自然条件不可分割,二者应视为一个统一的自然实体[5]。
生态系统的边界依研究对象而定,森林、草原、湖泊、农田乃至城市都能各自构成一个生态系统,其中范围最大的是生物圈,结构最复杂的是热带雨林生态系统[1]。苏联学者苏卡乔夫于 1944 年提出“生物地理群落”概念,1965 年在丹麦哥本哈根举行的国际学术会议认定其与生态系统为同义语[5]。
原理
生态系统依靠能量流动和物质循环运转,二者都通过取食关系推进,彼此不可分割[2]。绿色植物等生产者通过光合作用把太阳辐射能固定为化学能,能量随即沿食物链由生产者向各级消费者单向传递,并在各营养级的呼吸作用中以热能形式散失,因此不能被反复利用[6]。正因如此,生态系统是开放系统,需要不断从外界输入能量才能维持稳定[1]。
物质则不同。碳、氮、磷、硫等生命必需元素在生物群落与大气、水体、土壤、岩石之间往复迁移,生产者吸收无机物合成有机物,消费者通过取食传递,分解者再把动植物残体与排泄物还原为无机物归还环境,形成可反复利用的循环[6]。美国生态学家林德曼于 1941 年对湖泊食物链作定量研究后提出,相邻营养级之间的能量传递效率大致只有十分之一,这一关系被称为林德曼定律或十分之一定律[7]。1942 年他通过赛达伯格湖的分析,指出能量流动具有单向流动、逐级递减两个特点,相邻营养级间传递效率约为 10% 至 20%[8]。
把各营养级的个体数量、生物量或能量按高低顺序叠置,可得到形似金字塔的图形,称为生态金字塔,其中能量金字塔必定呈正立形态,数量金字塔与生物量金字塔则可能倒置[9]。这一规律也解释了天然食物链通常不会很长的原因[7]。
发展历程
1935 年,坦斯利在《植被概念与术语的使用和滥用》一文中提出“生态系统”一词,将其描述为既包含生物复合体、也包含环境诸自然因素的整体系统[5]。该文发表于期刊《生态学》,相关表述强调这类系统“种类和大小极为多样”[10]。有研究指出,这一概念在第二次世界大战之前并未引起广泛注意[11]。
20 世纪 40 年代起,研究重心从概念界定转向定量分析。林德曼以数学方式表达群落中各营养级的相互作用,并建立养分循环的理论模型,被视为生态学由定性走向定量的标志[8]。其后,生态系统概念与系统论方法结合,逐步形成以能量流动、物质循环为对象的研究路径[12]。1965 年哥本哈根国际学术会议认定生物地理群落与生态系统为同义语,进一步统一了术语使用[5]。
应用
生态系统概念是资源与环境管理的分析单位。由于成分之间相互牵动,一个因子改变往往引起其他方面变化,这一整体性视角被用于考察农、林、牧业生产与经济建设中的相关问题[4]。在水文与流域管理中,河流形态多样性被视为流域生物群落多样性的基础,水利工程若使河流形态趋于均一或非连续,可能降低群落多样性并影响河流生态系统的健康[13]。
另一类应用是把生态系统与人类福利联系起来。联合国于 2001 年启动、历时 4 年的千年生态系统评估,将生态系统服务分为供给服务、调节服务、支持服务和文化服务 4 类[14]。该评估由 1300 余名国际专家完成,2005 年公布的结论认为,全球范围内被评估的生态系统服务中有 60% 已退化或正被不可持续地使用[14]。基于生态系统原理的人工闭合系统研究也在推进,如中国的“月宫一号”即尝试由植物、动物、微生物构建人工闭合生态系统[15]。
局限
生态系统的自我调节能力有边界。当外界干扰超过一定限度,这种调节能力会迅速丧失,系统随之难以恢复,许多环境问题都与生态系统稳定性被破坏有关[16]。营养结构越复杂、物种越多,自我调节能力通常越强,但同样不是无限的[17]。
人工构建完整生态系统已被证明十分困难。位于美国亚利桑那州的生物圈2号试图以封闭设施复制地球生物圈,1993 年 1 月有 8 名研究人员进入,原计划驻留 2 年,但氧气浓度由约 21% 降至 14%,多数脊椎动物与传粉昆虫死亡,实验在 1993 年 9 月 26 日宣布失败[15]。事后专家委员会总结认为,以当时最发达的技术模拟并控制地球生物圈的大尺度生态过程,能力仍十分有限[15]。
“十分之一定律”也存在适用限度。有研究指出,10% 这一数字并非绝对,不同生态系统与不同营养级之间差异很大,但能量沿营养级迅速减少是普遍规律[18]。水生生态系统的平均生态效率通常高于陆地,海洋中沿岸水域约 15%、上升流区可达 20%,而大洋区约 10%[18]。
参见
参考资料
- 图文详情——科普中国资源服务 [引用日期2026-10-29]
- 第八章 昆虫的生态功能 [引用日期2026-10-29]
- cambridge.org 上的网页 [引用日期2026-10-29]
- 中国科普博览_草原馆 [引用日期2026-10-29]
- 第十二章 森林生态系统概述 [引用日期2026-10-29]
- 生态系统[shēng tài xì tǒng](环境科学名词) [引用日期2026-10-29]
- [科普中国]-林德曼定律 [引用日期2026-10-29]
- 林德曼(美国生态学家)_百度百科 [引用日期2026-10-29]
- 有道词典 [引用日期2026-10-29]
- S0016718515000792 [引用日期2026-10-29]
- cambridge.org 上的网页 [引用日期2026-10-29]
- sciencedirect.com 上的网页 [引用日期2026-10-29]
- 河流形态多样性与生物群落多样性 [引用日期2026-10-29]
- More About Ecosystem Services [引用日期2026-10-29]
- 人造生物圈,最后的诺亚方舟?(2) [引用日期2026-10-29]
- 为什么说生态系统是一个整体呢? [引用日期2026-10-29]
- 生物圈中的各种生态系统 [引用日期2026-10-29]
- 水域生态效率-智汇三农 [引用日期2026-10-29]