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土地生态系统

简介

在同一地域范围内,土地上的各种无生命体(空气、水、土地等环境条件)和有生命体(动植物、人类及微生物等)共同形成的一个相互制约、相互依存,不断发展、变化着的能量流动和物质循环的有机综合体。土地生态系统的环境条件变化很大,生物群落种类繁多,形成了多种多样的子系统。如农田生态系统、森林生态系统、草地生态系统、沼泽生态系统、水域生态系统、荒漠生态系统、城镇生态系统等。各子系统都由若干因素组成,形成自身的生态结构和功能,它们互相联系,互相影响。在一定条件下,通过自然力量或人为的作用,可以互相转化,改变原系统结构与功能,成为不同的子系统。

土地生态系统是人工生态系统与自然生态系统的综合体。自然生态系统并不都是良好的,而人类可以运用科学规律和方法,按照人们的意志,改造成为更加符合人类生产生活所需要的良性生态系统,也能由于人类开发利用时违背自然规律,超过自然生态系统自身调节能力,致使生态功能减退,造成生态平衡的失调或完全被破坏。

发展简史 在人类发展的历史过程中,人类为了生存,对发展生产和改善环境进行了大量探索,实施了巨大的土地利用工程,保证了人类几千年的生存繁衍,并发现和运用了很多有价值的规律,如多种生物共生的规律,趋利避害,发展稻田养鱼,果园养蜂等;多种生物相克的规律,消除病虫害,发展针阔叶林木混交种植;多种生物相养的规律,发展多种经营等。但明确作为生态系统来研究,还是近代的事。

生态系统是生态学的核心问题之一。生态学这一概念是德国动物学家海克尔(E.Haeckel)于1866年在《有机体普通形态学》一书中首先提出的,把生态学解释为研究生物有机体与无机环境之间相互关系的科学。1935年英国生态学家坦斯利(A.G.Tansley)首先提出了生态系统的科学概念。1942年美国耶鲁大学年轻学者林德曼(R. L. Limdeman)理顺了有机体或有机体群之间、有机体与环境之间的关系,弄清了它们之间的内在联系,提出了食物链、金字塔营养基和著名的“十分之一”定律的研究报告。1944年苏联科学家苏卡乔夫(В.Н.Счкачёв)提出了生物地理群落的科学概念,坦斯利和苏卡乔夫采用的科学术语虽然不同,但两个概念的含义基本一致。因此,早在1959年于加拿大召开的第九届国际植物学会议上,把这两个术语作为同义语来使用,但由于“生态系统”这一术语所表达的整体观点最为确切,并具有相当的规范意义,所以为各国广泛使用。1970年联合国教科文组织在第16届全体会议上制定了“人与生物圈”(MAB)研究计划建立大协作,开展全球性生态系统研究。1975年由四个国际组织成立了“生态系统保持协作组”(FCG),进一步加强生态系统的研究。

随着科技水平的不断发展,各类资源得到广泛的开发与利用,使人们更进一步认识到在地球表面一定的范围内,生态系统(动植物、微生物等)和环境系统之间进行能量流动、物质循环和信息传递,是具有一定结构的功能总体。这一功能总体,综合反映在土地上。20世纪60年代初,中国把土地视为一生态系统进行了研究,并提出了土地生态系统这一新概念。尤其是70年代以来,数学、控制论、系统论及电子计算机等理论和方法广泛渗透到生态系统的研究中,生态系统已由一般定性描述逐渐走向定量描述的阶段。生态系统的建设与利用已由单项发展到综合整治与综合发展。

结构 构成生态系统的各种成分是在一定的空间内处于有序状态,它在一定的时间里是相对稳定的。这种空间和时间上的相对有序和稳定状态,叫做土地生态系统结构。土地生态系统是由人类开发的农、林、牧、渔等各业生态子系统与未开发的自然生态子系统(如荒漠、沼泽、滩涂、水域等)组成的总系统(或称母系统)。其建立的基础是土地资源所有内涵的自然属性各要素,如地貌、土壤、岩石、水文、气候、动植物、微生物等,和人类对土地资源进行干预使土地资源带有社会生产关系的经济属性各要素,如垦殖活动、投入产出等,这些自然属性和经济属性诸要素的不同组合方式,及其要素间的物质与能量的不同转换,构成不同类型的土地生态子系统及总系统。土地生态总系统的构成与所含的生态子系统(尤其是农、林、牧业生态子系统)间的物质与能量的转化循环密切相关。其中农牧关系在物质转移上有三种关系:一是供求关系(饲料与肥料关系);二是连锁关系(饲料多、牧业增产;肥多,农业增产);三是限制关系(在物质循环上农牧双方限制了对方的充分利用)。农林关系比农牧关系复杂,森林是保护农业生态环境的主体,森林的功能是有利于农业稳定和提高生产力。农林牧之间可以互相促进,也可能互相矛盾,关键在于结构与布局。确定农林牧用地结构和布局的制约因素主要有三个方面:一是要满足生态系统中物质和能量循环的正常进行;二是要按自然规律和发挥自然界本身的内在生产潜力的作用;三是要考虑社会经济效果。因而在研究土地生态系统及其每一个子系统时,既要考虑生物群体和生存环境间的关系,也要考虑人在生态系统中的主导作用,综合开发利用和整治保护土地资源,才能收到预期的效果。

土地生态系统主要由农田、森林和草地三个重要的子系统组成。

农田生态系统 不同于其他生态系统,主要在于起主导作用的农作物种群和采取的措施都是受人为控制的。在生产实践中,建立良好的农田生态系统主要是要处理好用地与养地的关系。用地,是人们从农田里收获产品,即通过产品从地里取走物质和能量;养地主要是向土壤归还物质和能量,增加各种元素。用地养地是人们控制各种不同元素的运动,通过用养手段,不断提高农田生态系统中的投入产出比,从而提高土地生产率,并可避免土地退化。

森林生态系统 是以乔木树种为主体的生物群落(包括植物、动物、微生物等)及其所在的生物环境(包括土壤、水分、气候等),具有随时间、空间不断进行能量转换、物质循环、信息传递的有生命及再生能力的功能单位。森林生态系统比之其他生态系统具有更复杂的网络状营养结构,有助于提高整个系统对破坏性因素或干扰的忍耐能力,从而增加其稳定性。因此在土地开发利用过程中,必须尽力保持其主导要素间能量与物质的合理循环关系,以免使生态结构恶化,给人类造成灾难。

草地生态系统 以地表各种草本、灌丛、蕨类和苔藓等为主,也伴生着一定数量的动物主要是啮齿类动物(跳鼠、沙鼠);爬行类动物(沙蜥、麻蜥);蹄类动物(羚羊);鸟类动物(沙鸡)及少量的野骆驼、野马、野驴等。它的能量流动与物质循环基本上是在自然条件下进行的,虽然规模比较小,输入输出少,生产力不高。但必须注意养护,否则能量与物质循环失调,也会给人类造成恶果,如沙化、风暴、水土流失等。

作为土地生态系统中重要组成部分的农林草三个生态子系统,以森林生态系统为最强大、最有持久性的第一性生产力。森林每年固定太阳能和生物量远远高于草地和农田(见表)。

农林草生态系统生产力比较表

项目
生态系统
固定能量
(千焦/米2·年)
平均净第一性生产力
(千克/米2·年)
平均生物量
(吨/米2)
农田生态系统
森林生态系统
草地生态系统
12 254.87
77 299.97
22 624.38
644
4 800
1 200
1.1
126.0
5.6

能量流动与物质循环 能量流动和物质循环是生态系统的基本功能。土地生态系统各子系统都是由物质流和能量流联系而成的功能单位。能量和物质在生态系统中不是静止的,而是不断地被吸收、固定、转化和循环。太阳辐射能通过光合作用被绿色植物吸收、贮存(生产过程),当其他一些生物利用这些植物为原料进行代谢和生长时(消耗过程),能量便在生物体之间传递。这就构成了能量流动图像和物质循环,一般把吸收、固定和贮存的单位叫做库。在土地生态系统中,主要有植被库、动物库和土壤库。若没有这些贮存库,能量将散失到空中,物质离开这个生态系统就不成为流,没有库来吸收、固定、贮存物质和能量,也就不成为可利用的资源。生态系统中的流、库和循环是相互依存,必不可分的,它决定着生态系统的生产力。

太阳辐射、水、热、二氧化碳和营养物质等能量,只说明环境潜在的生产力,必须加以固定才能合成转化为产品。生物群体将环境因素中的物质元素吸收进入体内,又从生物体进入环境。研究土地生态系统,必须研究环境系统(即无机环境)和生物系统(即绿色植物、动物、微生物等)彼此控制和调节的关系。

为了加速土地生态系统中的能量和物质循环的过程,重要措施是建立立体农业结构。其结构特征是:①各种不同的生物生存在空间的不同位置上,呈现立体配置状态,有效地利用空间;②把木本作物和草本作物合理地配置在一个系统的不同空间,既增加种群和生物个体数目,又能充分利用土地、热量、水分、光能等;③把人工生态系统和自然生态系统组合在一起,既发展林业又发展种植业和牧业,增强系统的稳定性,提高土地生产能力;④生态效益和经济效益的有机统一。

生态平衡 土地生态系统是开放的,一方面,一部分能量和矿物元素通过光合作用被系统中的植物同化固定,或者通过降雨、尘埃下落、河水流入和地下水渗透输入到系统中来;另一方面,一部分能量和物质又通过物理蒸发、生理蒸腾、生物呼吸、动物转移、人类收获带出、土壤渗漏以及排水携带等方式从系统中输出。这种能量流动和物质循环保持着一种相对的平衡状态,就叫做生态平衡。因为生态平衡是处在不断运动变化中,随着条件的改变,就会不断地发生变化,特别是人类的活动经常使变化加剧。这种变化如超过生态系统具有的自动调节能力,就会使生态系统受到改变和破坏,严重的将造成整个生态系统的解体。影响生态平衡的主要因素是: ①森林能调节气候、防止风沙、保持水土,是影响陆地农业生态平衡的主导因素。它是分布最广、适应性最强、生产力最高、稳定性最大、影响并改变环境条件最有效的一种生物因素。森林多了,就能很好地维持陆地上的生态平衡;少了,就会导致生态失调。②人类活动是造成生态平衡失调的主要因素。如大面积毁林开荒,开垦不宜农的草原, 陡坡垦种、农业投入少,只用地不养地等都能造成生态平衡的结构缺损,出现能量流动受阻,第一性生产力下降;物质循环中断,造成土壤肥力下降,产量下降。

社会的发展,科学技术的进步,人类对自身环境和全球所有生物的生活环境施加着影响。对待土地生态平衡问题,不能只从眼前的、暂时获得经济效益出发,盲目无计划地开发利用土地资源,也不应当用消极的自然平衡论的观点把生态平衡看成是静止的、不变的。应从生态学和经济学相结合的观点合理地开发利用土地资源。人类要掌握生态系统的演替规律,在旧的生态平衡失调后积极地创建新的生态系统,达到新的相对的生态平衡,使生态平衡向着人类所要求的方向发展。

英文

land ecosystem