生态系统的生态功能

能量流动

    能量流动指生态系统中能量输入、传递、转化和丧失的过程。能量流动是生态系统的重要功能，在生态系统中，生物与环境，生物与生物间的密切联系，可以通过能量流动来实现。能量流动两大特点：1.能量流动是单向的;2.能量逐级递减。

过程

①能量的输入

    生态系统的能量来自太阳能，太阳能以光能的形式被生产者固定下来后，就开始了在生态系统中的传递，被生产者固定的能量只占太阳能的很小一部分，下表给出太阳能的主要流向：

    然而，光合作用仅仅是0.8%的能量也有惊人的数目：3.8×10^25焦/秒。在生产者将太阳能固定后，能量就以化学能的形式在生态系统中传递。

②能量的传递与散失

    能量在生态系统中的传递是不可逆的，而且逐级递减，递减率为10%～20%。能量传递的主要途径是食物链与食物网，这构成了营养关系，传递到每个营养级时，同化能量的去向为：未利用（用于今后繁殖、生长）、代谢消耗（呼吸作用，排泄）、被下一营养级利用（最高营养级除外）。

营养关系

    主条目：食物链、食物网、营养级生态系统中，生产者与消费者通过捕食、寄生等关系构成的相互联系被称作食物链；多条食物链相互交错就形成了食物网。食物链（网）是生态系统中能量传递的重要形式，其中，生产者被称为第一营养级，初级消费者被称为第二营养级，以此类推。由于能量有限，一条食物链的营养级一般不超过五个。

生态金字塔

    生态金字塔是以面积表示特定内容，按营养级至下而上排列形成的图示，因其往往呈现金字塔状，故名。常用的有三种：能量金字塔、生物量金字塔、生物数量金字塔。

①能量金字塔（energypyramid）

    含义：将单位时间内各营养级所得能量的数量值用面积表示，由低到高绘制成图，即为能量金字塔。

    特点：能量金字塔永远正立，因为生态系统进行能量传递是遵守林德曼定律，每个营养级的能量都是上一个营养级能量的10%～20%。

②生物量金字塔（biomasspyramid）

    含义：将每个营养级现存生物的有机物质量用面积表示，由低到高绘制成图，即为生物量金字。

    特点：与能量金字塔基本吻合，因为营养级所获得的能量与其有机物质的同化量正相关。

③生物数量金字塔（Eltonian pyramid）

    含义：将每个营养级现存个体数量用面积表示，由低到高绘制成图，即为生物数量金字塔。

    特点：形状多样，并不总是正立。例如，几百只昆虫和数只鸟可以同时生活在一棵树上，出现“下小上大”的现象。

物质循环

主条目：生物地球化学循环

    生态系统的能量流动推动着各种物质在生物群落与无机环境间循环。这里的物质包括组成生物体的基础元素：碳、氮、硫、磷，以及以DDT为代表的，能长时间稳定存在的有毒物质；这里的生态系统也并非家门口的一个小水池，而是整个生物圈，其原因是气态循环和水体循环具有全球性，一个例子是2008年5月，科学家曾在南极企鹅的皮下脂肪内检测到了脂溶性的农药DDT，这些DDT就是通过全球性的生物地球化学循环，从遥远的文明社会进入企鹅体内的。

按循环途径分类

气体型循环（gaseous cycles）

    元素以气态的形式在大气中循环即为气体型循环，又称“气态循环”，气态循环把大气和海洋紧密连接起来，具有全球性。（吴人坚141页）碳-氧循环和氮循环以气态循环为主。

水循环（water cycle）

    水循环是指大自然的水通过蒸发，植物蒸腾，水汽输送，降水，地表径流，下渗，地下径流等环节，在水圈，大气圈，岩石圈，生物圈中进行连续运动的过程。水循环是生态系统的重要过程，是所有物质进行循环的必要条件（吴人坚143）

沉积型循环（sedimentary cycles）

    沉积型循环发生在岩石圈，元素以沉积物的形式通过岩石的风化作用和沉积物本身的分解作用转变成生态系统可用的物质，沉积循环是缓慢的、非全球性的、不显著的循环。沉积循环以硫、磷、碘为代表，还包括硅以及碱金属元素。（吴人坚141～142）

常见物质的循环

碳循环（carbon cycle）

    碳元素是构成生命的基础，碳循环是生态系统中十分重要的循环，其循环主要是以二氧化碳的形式随大气环流在全球范围流动。碳-氧循环的主要流程为：

①大气圈→生物群落

·植物通过光合作用将大气中的二氧化碳同化为有机物

·消费者通过食物链获得植物生产的含碳有机物

植物与动物在获得含碳有机物的同时，有一部分通过呼吸作用回到大气中。动植物的遗体和排泄物中含有大量的碳，这些产物是下一环节的重点。

②生物群落→岩石圈、大气圈

·植物与动物的一部分遗体和排泄物被微生物分解成二氧化碳，回到大气

·另一部分遗体和排泄物在长时间的地质演化中形成石油、煤等化石燃料

分解生成的二氧化碳回到大气中开始新的循环；化石燃料将长期深埋地下，进行下一环节。

③岩石圈→大气圈

·一部分化石燃料被细菌（比如嗜甲烷菌）分解生成二氧化碳回到大气

·另一部分化石燃料被人类开采利用，经过一系列转化，最终形成二氧化碳。

④大气与海洋的二氧化碳交换

大气中的二氧化碳会溶解在海水中形成碳酸氢根离子，这些离子经过生物作用将形成碳酸盐，碳酸盐也会分解形成二氧化碳。

整个碳循环过程二氧化碳的固定速度与生成速度保持平衡，大致相等，但随着现代工业的快速发展，人类大量开采化石燃料，极大地加快了二氧化碳的生成速度，打破了碳循环的速率平衡，导致大气中二氧化碳浓度迅速增长，这是引起温室效应的重要原因。

氮循环（nitrogen cycle）

    氮气占空气78%的体积，因而氮循环是十分普遍的，氮是植物生长所必需的元素，氮循环对各种植物包括农作物而言，是十分重要的。氮循环的主要流程为（可参见右图）：

①氮的固定

    氮气是十分稳定的气体单质，氮的固定指的就是通过自然或人工方法，将氮气固定为其它可利用的化合物的过程，这一过程主要有三条途径

·在闪电的时候，空气中的氮气与氧气在高压电的作用下会生成一氧化氮，之后一氧化氮经过一系列变化，最终形成硝酸盐。

    氮气+氧气→一氧化氮→二氧化氮（四氧化二氮）→硝酸→硝酸盐。硝酸盐是可以被植物吸收的含氮化合物，氮元素随后开始在岩石圈循环。

·根瘤菌、自生固氮菌能将氮气固定生成氨气，这些氨气最终被植物利用，在生物群落开始循环。

·自1918年弗里茨·哈勃（Fritz Haber）发明人工固氮方法以来，人类对氮循环施加了重要影响，人们将氮气固定为氨气，最终制成各种化肥投放到农田中，开始在岩石圈循环；　

②微生物循环

    氮被固定后，土壤中的各种微生物可以通过化能合成作用参与循环。

·硝化细菌（Nitrifying bacteria）能将土壤中的铵根（氨气）氧化形成硝酸盐。

·反硝化细菌（Denitrifying bacteria）能将硝酸盐还原成氮气。

    反硝化细菌还原生成的氮气重新回到大气开始新的循环，这是一条最简单的循环路线。如果进入岩石圈的氮没有被微生物分解，而是被植物的根系吸收进而被植株同化，那么这些氮还将经历另一个过程。

③生物群落→岩石圈

    植物将土壤中的含氮化合物同化为自身的有机物（通常是蛋白质），氮元素就会在生物群落中循环。

·植物吸收并同化土壤中的含氮化合物。

·初级消费者通过摄取植物体，将氮同化为自身的营养物，更高级的消费者通过捕食其它消费者获得这些氮。

·植物、动物的氮最终通过排泄物和尸体回到岩石圈，这些氮大部分被分解者分解生成硝酸盐和铵盐。

·少部分动植物尸体形成石油等化石燃料。

    经过生物群落循环后的硝酸盐和铵盐可能再次被植物根系吸收，但循环多次后，这批化合物最终全部进入硝化细菌和反硝化细菌组成的基本循环中，完成循环。

⑤化石燃料的分解

    石油等化石燃料最终被微生物分解或被人类利用，氮元素也随之生成氮气回到大气中，历时最长的一条氮循环途径完成。

硫循环（sulfur cycle）

    硫是生物原生质体的重要组分，是合成蛋白质的必须元素，因而硫循环也是生态系统的基础循环。硫循环明显的特点是，它有一个长期的沉积阶段和一个较短的气体型循环阶段，因为含硫的化合物中，既包括硫酸钡、硫酸铅、硫化铜等难溶的盐类；也有气态的二氧化硫和硫化氢。硫循环的主要过程为：

①硫的释放

    多种生物地球化学过程可将硫释放到大气中

·火山喷发可以带出大量的硫化氢气体

·硫化细菌（thiobacillus）通过化能合成作用形成硫化物，释放化合物的种类因硫化细菌的种类而有不同

·海水飞沫形成的气溶胶

·岩体风化，该途径产生的硫酸盐将进入水中，这一过程释放的硫占释放总量的50%左右（吴人坚146～147）

大部分硫将进入水体。火山喷发等途径形成的气态含硫化合物将随降雨进入土壤和水体，但大部分的硫直接进入海洋，并在海里永远沉积无法连续循环。只有少部分在生物群落循环。

②岩石圈、水圈→生物群落

    和氮循环类似，植物根系吸收硫酸盐，硫元素就开始在生物群落循环，最后由尸体和排泄物脱离，大部分此类物质被分解者分解，少部分形成化石燃料。

③重新沉积

    分解者将含硫有机物分解为硫酸盐和硫化物后，这些硫化物将按①过程重新开始循环

磷循环（phosphorus cycle）

    磷是植物生长的必须元素，由于磷根本没有气态化合物，所以磷循环是典型的沉积循环，自然界的磷主要存在于各种沉积物中，通过风化进入水体，在生物群落循环，最后大部分进入海洋沉积，虽然部分海鸟的粪便可以将磷重新带回陆地（瑙鲁岛上存在大量的此类鸟粪），但大部分磷还是永久性地留在了海底的沉积物中无法继续循环。

有害物质循环

主条目：生物富集

    人类在改造自然的过程中，不可避免地会向生态系统排放有毒有害物质，这些物质会在生态系统中循环，并通过富集作用积累在食物链最顶端的生物上（最顶端的生物往往是人）。生物的富集作用指的是：生物个体或处于同一营养级的许多生物种群，从周围环境中吸收并积累某种元素或难分解的化合物，导致生物体内该物质的平衡浓度超过环境中浓度的现象。有毒有害物质的生物富集曾引起包括水俣病、痛痛病在内的多起生态公害事件。

    生物富集对自然界的其他生物也有重要影响，例如美国的国鸟白头海雕就曾受到DDT生物富集的影响，1952年～1957年间，已经有鸟类爱好者观察到白头海雕的出生率在下降（卡逊[3]  第八章），随后的研究则表明，高浓度的DDT会导致白头海雕的卵壳变软以致无法承受自身的重量而碎裂。直到1972年11月31日美国环境保护署（Environmental Protection Agency .EPA）正式全面禁止使用DDT，白头海雕的数量才开始恢复。

信息传递

主条目：生物信息传递

物理信息（physical information）

    物理信息指通过物理过程传递的信息，它可以来自无机环境/也可以来自生物群落，主要有：声、光、温度、湿度、磁力、机械振动等（参，稳态与环境，第105页）。眼、耳、皮肤等器官能接受物理信息并进行处理。植物开花属于物理信息。

化学信息（chemical information）

    许多化学物质能够参信息传递，包括：生物碱、有机酸及代谢产物等，鼻及其它特殊器官能够接受化学信息。

行为信息（behavior information）

    行为信息可以在同种和一种生物间传递。行为信息多种多样，例如蜜蜂的“圆圈舞”以及鸟类的“求偶炫耀”。

作用

    生态系统中生物的活动离不开信息的作用，信息在生态系统中的作用主要表现在，　①生命活动的正常进行

·许多植物（莴苣、茄子、烟草等）的种子必须接受某种波长的光信息才能萌发

·蚜虫等昆虫的翅膀只有在特定的光照条件下才能产生

·光信息对各种生物的生物钟构成重大影响

·正常的起居、捕食活动离不开光、气味、声音等各种信息的作用

②种群的繁衍

·光信息对植物的开花时间有重要影响

·性外激素在各种动物繁殖的季节起重要作用

·鸟类进行繁殖活动的时间与日照长短有关

③调节生物的种间关系，以维持生态系统的稳定

·在草原上，当草原返青时，“绿色”为食草动物提供了可以采食的信息

·森林中，狼能够依据兔子留下的气味去猎捕后者，兔子也能依据狼的气味或行为特征躲避猎捕。