生态学概论作业

生态系统的三大功能摘要：热力学定律与生态学的关系是明显的，各种各样的生命表现都伴随着能量的传递和转化，象生长、自我复制和有机物质的合成这些生命的基本过程都离不开能量的传递和转化，否则就不会有生命和生态系统。

总之，生态系统与其能源太阳能的关系，生态系统内生产者与消费者之间及捕食者与猎物之间的关系都受热力学基本规律的制约和控制，正如这些规律控制着非生物系统一样。

黑脉桦斑的幼虫和成虫均具有鲜艳的体色，可提醒捕食者，它们是危险有毒的。

鸟类如果咬食黑脉金斑幼虫，便会产生呕吐，从此记住黑脉金斑幼虫鲜明的颜色，对其敬而远之。

关键词：能量流动，物质循环，信息传递，第二能量定律生态系统的主要功能包括能量流动，物质循环和信息传递三个方面。

首先看能量流动。

太阳能是所有生命活动的能量来源，它通过绿色植物的光合作用进入生态系统，然后从绿色植物转移到各种消费者。

能量流动的特点是：1.单向流动--生态系统内部各部分通过各种途径放散到环境中的能量，再不能为其他生物所利用；2.逐级递减--生态系统中各部分所固定的能量是逐级递减的，前一级的能量不能维持后一级少数生物的需要，愈向食物链的后端，生物体的数目愈少，这样便形成一种金字塔形的营养级关系。

能量流动的起点主要是生产者通过光合作用所固定的太阳能（还有化能自养型生物通过化学能改变生产的能量）。

流入生态系统的总能量主要是生产者通过光合作用所固定的太阳能的总量。

能量流动的渠道是食物链和食物网。

流入一个营养级的能量是指被这个营养级的生物所同化的能量。

如羊吃草，不能说草中的能量都流入了羊体内，流入羊体内的能量应是指草被羊消化吸收后转变成羊自身的组成物质中所含的能量，而未被消化吸收的食物残渣的能量则未进入羊体内，不能算流入羊体内的能量。

一个营养级的生物所同化着的能量一般用于4个方面：一是呼吸消耗；二是用于生长、发育和繁殖，也就是贮存在构成有机体的有机物中。

贮存在有机体的有机物中能量有一部分是死亡的遗体、残落物、排泄物等被分解者分解掉；另一部分是流入下一个营养级的生物体内，及未被利用的部分。

在生态系统内，能量流动与碳循环是紧密联系在一起的。

能量流动的特点是:单向流动和逐级递减。

单向流动是指生态系统的能量流动只能从第一营养级流向第二营养级，再依次流向后面的各个营养级。

一般不能逆向流动。

这是由于动物之间的捕食关系确定的。

如狼捕食羊，但羊不能捕食狼。

逐级递减是指输入到一个营养级的能量不可能百分之百地流入后一个营养级，能量在沿食物链流动的过程中是逐级减少的。

能量在沿食物链传递的平均效率为10%～20%，即一个营养级中的能量只有10%～20%的能量被下一个营养级所利用。

能量金字塔是指将单位时间内各个营养级所得到的能量数值，按营养级由低到高绘制成的图形成金字塔形，称为能量金字塔。

从能量金字塔可以看出：在生态系统中，营养级越多，在能量流动过程中损耗的能量也就越多；营养级越高，得到的能量也就越少。

在食物链中营养级一般不超过5个，这是由能量流动规律决定的。

研究能量流动规律有利于帮助人们合理地调整生态系统中的能量流动关系，使能量持续高效地流动向对人类最有益的部分。

在农业生态系统中，根据能量流动规律建立的人工生态系统，就是在不破坏生态系统的前提下，使能量更多地流向对人类有益的部分。

能量是生态系统的动力，是一切生命活动的基础。

一切生命活动都伴随着能量的变化，没有能量的转化，也就没有生命和生态系统。

生态系统的重要功能之一就是能量流动，能量在生态系统内的传递和转化规律服从热力学的两个定律。

热力学第一定律可以表述如下：“在自然界发生的所有现象中，能量既不能消灭也不能凭空产生，它只能以严格的当量比例由一种形式转变为另一种形式”。

因此热力学第一定律又称为能量守恒定律。

依据这个定律可知，一个体系的能量发生变化，环境的能量也必定发生相应的变化，如果体系的能量增加，环境的能量就要减少，反之亦然。

对生态系统来说也是如此，例如，生态系统通过光合作用所增加的能量等于环境中太阳所减少的能量，总能量不变，所不同的是太阳能转化为潜能输入了生态系统，表现为生态系统对太阳能的固定。

人们都知道，非生命自然界发生的变化都不必借助外力的帮助而能自动实现，热力学把这样的过程称为自发过程或自动过程。

例如，热自发地从高温物体传到低温物体，直到两者的温度相同为止。

而与此相反的过程都不能自发地进行，可见自发过程的共同规律就在于单向趋于平衡状态，决不可能自动逆向进行。

或者说任何自发过程都是热力学的不可逆过程。

应当指出的是：不应把自发过程理解为不可能逆向进行，问题在于是自动还是消耗外功，借助外功是可逆向进行的。

例如，生态系统中复杂的有机物质分解为简单的无机物质是一种自发过程，但无机物质决不可能自发地合成为有机物质，借助于外功太阳能却可以实现，这就是光合作用，不过这不是自发或自动的。

既然任何自发过程总是单向趋于平衡状态，决不可能自动逆向进行，由此可以推测体系必定有一种性质，它只视体系的状态而定而与过程的途径（或进行的方式）无关。

可以大致打一个比喻：假定有水位差的存在，水自动地从高水位流向低水位的趋向必定存在，但水流是快是慢显然都不可能改变水向低水位方向流动的自发倾向。

这就是说，要研究给定的始态和终态条件下自发过程的方向，可以不考虑过程的细节和进行的方式。

为了判断自发过程进行的方向和限度，可以找出能用来表示各自发过程共同特征的状态函数。

熵（entropy）和自由能就是热力学中两个最重要的状态函数，它们只与体系的始态和终态有关而与过程的途径无关。

热力学第二定律是对能量传递和转化的一个重要概括，通俗地说就是：在能量的传递和转化过程中，除了一部分可以继续传递和作功的能量（自由能）外，总有一部分不能继续传递和作功而以热的形式消散的能量，这部分能量使熵和无序性增加。

以蒸汽机为例，煤燃烧时一部分能量转化为蒸汽能推动机器作了功，另一部分能量以热的形式消散在周围空间而没有作功，只是使熵和无序性增加。

对生态系统来说也是如此，当能量以食物的形式在生物之间传递时，食物中相当一部分能量被降解为热而消散掉（使熵增加），其余则用于合成新的组织作为潜能储存下来。

所以一个动物在利用食物中的潜能时常把大部分转化成了热，只把一小部分转化为新的潜能。

因此能量在生物之间每传递一次，一大部分的能量就被降解为热而损失掉，这也就是为什么食物链的环节和营养级的级数一般不会多于5～6个以及能量金字塔必定呈尖塔形的热力学解释。

生态系统是一个开放系统，它们不断地与周围的环境进行着各种形式能量的交换，通过光合同化，引入负熵；通过呼吸，把正熵值转为负熵。

开放系统（同外界有物质和能量交换的系统）与封闭系统的性质不同，它倾向于保持较高的自由能而使熵较小，只要不断有物质和能量输入和不断排出熵，开放系统便可维持一种稳定的平衡状态。

生命、生态系统和生物圈都是维持在一种稳定状态的开放系统。

低熵的维持是借助于不断地把高效能量降解为低效能量来实现的。

在生态系统中，由复杂的生物量结构所规定的“有序”是靠不断“排掉无序”的总群落呼吸来维持的。

热力学定律与生态学的关系是明显的，各种各样的生命表现都伴随着能量的传递和转化，象生长、自我复制和有机物质的合成这些生命的基本过程都离不开能量的传递和转化，否则就不会有生命和生态系统。

总之，生态系统与其能源太阳能的关系，生态系统内生产者与消费者之间及捕食者与猎物之间的关系都受热力学基本规律的制约和控制，正如这些规律控制着非生物系统一样。

热力学定律决定着生态系统利用能量的限度。

事实上，生态系统利用能量的效率很低，虽然对能量在生态系统中的传递效率说法不一，但最大的观测值是30%，一般说来，从供体到受体的一次能量传递只能有5～20%的可利用能量被利用，这就使能量的传递次数受到了限制，同时这种限制也必然反映在复杂生态系统的结构上（如食物链的环节数和营养级的级数等）。

由于物质的传递并不受热力学定律的限制，因此生物量金字塔和数量金字塔有时会表现为下窄上宽的倒塔形，但这并不意味着高营养级生物所利用的能量会多于低营养级生物所传递的能量。

我们来看看森林生态系统的能量流动，森林生物所利用的能源几本上都是来自太阳的辐射，其途径是绿色植物通过光合作用将太阳能转换成化学能，动物依靠植物再从化学能转化成机械能和热能的形式，研究森林生态系统能量的流动对经营和管理森林具有重要的指导作用森林生态系统能量流动的原理包括三方面内容，一是生态系统中能量流动符合热力学定律，即遵循热力学第一定律和热力学第二定律，热力学第一定律指出，能量可以由一种形式转化为另一种形式; 在转化过程中是按严格的当量比例进行的，能量既不能消灭，也不能凭空产生，依据这个定律可知，一个系统的能量发生变化，环境的能量也必定发生相应的变化，如果体系的能量增加，环境的能量就要减少，反之亦然。

森林生态系统中的能量流动只能从第一营养级流向第二营养级，再依次流向后面的各个营养级，不能逆向流动，这是由于动物之间的捕食关系确定的$热力学第二定律指出，在封闭系统中，一切过程都伴随着能量的改变$在能量传递和转化过程中，除了一部分可以继续传递和作功的能量 ( 自由能) 外，总有一部分以热能的形式消散，对森林生态系统来说，当能量以食物的形式在生物之间传递时，食物中相当一部分能量转化为热能而消散，其余则用于合成新的组织而作为潜能贮存下来; 二是生态系统能量流动是单向的，能量以光的状态进入生态系统后，就不能再以光的形式存在，而是以化学能或热能的形式存在，生物代谢过程产生的热能也不能再转化为生物的化学能，从总的能量流动途径而言，能量只是单程流经生态系统，是不可逆的; 三是能量在生态系统内流动是不断递减的，生态系统中各营养级不能百分之百地利用前一营养级的生物量和能量，总要耗散掉一部分，耗散掉的能量包括热能不能被生物采食到或摄入的能量，一般来说，能量在相邻两个营养级之间的传递效率大约是 15% 四是能量流动速率不同，森林生态系统中能量流动速率也同样遵循这种规律，在森林生态系统中，植物动物昆虫之间的食物制约关系带来了森林生态系统的稳定性，因此合理调节森林各生物成分之间的关系是营林措施的重要内容$营造混交林就是利用植物种的多样性为动物提供多种植物资源，增加动物和昆虫等的种类，使害虫不致达到猖獗的程度。

接下来是生态系统的物质循环。

生态系统的物质循环是指无机化合物和单质通过生态系统的循环运动。

生态系统中的物质循环可以用库(pool)和流通(flow)两个概念来加以概括。

[1]库是由存在于生态系统某些生物或非生物成分中的一定数量的某种化合物所构成的。

对于某一种元素而言，存在一个或多个主要的蓄库。

在库里，该元素的数量远远超过正常结合在生命系统中的数量，并且通常只能缓慢地将该元素从蓄库中放出。