生态系统中磷的循环由来自磷酸盐矿、有机残体的各类磷酸盐以可溶性磷酸盐进入环境,被植物吸收,动植物死亡后,各种有机残体经还原者分解又使磷酸盐返回到土壤,供生物体吸收利用。
生物体对磷的需求量极大,而可溶性磷酸盐主要留在土壤表层。它们随雨水沿湖泊、江河的径流输送入海,其中除少量鸟类及鱼类能使部分磷重返土壤外,其余的磷进入海洋沉积,不能继续参与陆地磷的循环,以致造成磷循环的不完全，而引起“缺磷”状态的出现。人类每年必须开采磷矿石用来补偿磷循环的不足。
目前人类大量开发和利用磷酸盐矿物以大量生产化肥和洗涤剂,其结果使相当量的磷的化合物参与环境中的磷循环,造成水体中含磷量升高,使水生植物生长过盛,导致水体的富营养化。
硫循环
硫在生物体中含量很少,但作用很大。硫以硫键联结着蛋白质分子,成为蛋白质不可缺少的基本组成。
陆地和海洋的硫以硫化氢、硫化物和硫酸盐的形式参与硫的环境循环,大气中的硫(SO2、H2S)主要来自矿物燃料的燃烧、火山爆发、海水散发以及生物分解过程中的释放,这些硫化物通过降水、沉降、表面吸收等作用,进入土壤,回到陆地和海洋。
生物体所需要的硫,主要来自无机的硫酸盐,部分从氨基酸和半胱氨酸中获得,生物体中的硫以巯基(—SH)的形式结合。它们在细菌作用下分解、矿化,在厌氧条件下还原成硫化物释放。生物残体中的硫经过土壤微生物活动,转化成可溶性盐类被植物吸收,或返回土壤和大气,可再次进入植物体,形成陆地生态系统中硫的循环。如果随地表径流进入海洋,这部分硫就沉积在海底而不能再返回陆地参加循环。
工业革命以来,由于大量燃烧煤、石油等化石燃料,大量硫化物的释放引起大气中SO2浓度的急剧增加,加大了硫在自然界的循环量,并造成了全球范围的环境污染问题,其中特别是烟雾和酸雨,正成为破坏生态环境的主要杀手。
2.2.4生态系统的信息传递
系统中各生命组分之间的信息传递也是生态系统的基本功能之一。在信息传递中也伴随着一定的物质和能量的消耗,但信息传递既不是循环的,也不是单向的,而是双向和反馈的,正是这种信息传递,才使生态系统具有自动调节的机制。
在生态系统中,环境就是一种信息源,季节的交替、光照的强弱、河水的涨落、养分的变化都给生态系统中的生物传递了信息。信息和能量一样,也是物质的主要属性之一,因此也反映了生态系统的各种控制功能。
生态系统中包含了多种信息,可分为物理信息、化学信息、行为信息和营养信息。
物理信息生态系统中以物理过程为传递形式的信息称为物理信息,包括光、声、热、电、磁等形式。
1.光信息
太阳是光信息的主要初级信息源,鹰在高空发现地面上的兔子,就是一个光信息传递过程,但兔子本身不能发光,它只能反射太阳光,所以兔子是次级信息源,而太阳光才是初级信息源。生态系统中的光信息,主要来自太阳光,夜间也可有来自其他星球的光。光的强弱和光照时间都是重要的光信息。
2.声信息
声音对于动物似乎更重要,动物更多的是依靠声音来确定食物的位置和发现敌害的存在,蝙蝠和生活在大海中的鲸鱼是典型的例子。它们主要依靠声纳定位系统来决定自己的行动。声信息对植物不如动物那么重要,但并非说植物不能感受声音。
3.电信息
在自然界中存在很多生物放电现象,而电鳗放电的电压竟能高达600V,动物对电很敏感,鱼类和两栖类的皮肤和内部组织有很高的导电能力和电敏感性。有些鱼群的生物电场还能使其正确地选择迴游路线,以及感觉海洋风暴的来临。植物组织与细胞也存在着电现象。
4.磁信息
生活在太阳和地球的磁场内,使生物对磁有不同的感受能力,称之为生物的“第六感觉”。鱼群千里迴游、候鸟万里迁徙、信鸽传书、蜜蜂识途等，都是依靠这种磁感觉与地球磁场的相互作用来确定方向和方位的。与动物一样,植物对磁场也有反应。
化学信息生态系统中的各类生物在代谢中产生的化学物质都能传递相应的信息,化学信息是生态系统中信息源的重要组成部分。这种化学信息可以在种群内部调节动物的发育、繁殖、生长,在群落内部,可以调节种群之间的活动。已知结构的这类化学物质有3000种之多,有生物碱、萜类、黄酮类、非蛋白质有毒氨基酸以及各种苷类、芳香族化合物等。
动物可以以化学信息物质区别群体,识别异性个体,还可以在遇到危险时,释放化学信息物质报警,发挥防御功能。植物可以通过化学物质的分泌和排泄而影响其他植物的生长和生存。
行为信息植物的异常表现和动物的异常行为可传递某种信息,如动物可通过行为方式向同伴发出友好、威吓、求偶、挑战等信息,蜜蜂可用各种舞蹈方式来告诉同伴采蜜的有关信息。
营养信息在生态系统中,生物的食物链就是一个生物的营养信息系统,各种生物通过营养信息关系联系成相互依存和相互制约的整体。前一营养级的生物数量可以反映出后一营养级的生物数量。
2.2.5生态平衡
在任何一个正常的生态系统中,能量流动、物质循环和信息传递总是不断地进行着,但在一定时期内,生产者、消费者和分解者之间内部都保持着一种动态的平衡,这种平衡状态就叫生态平衡。在自然界的生态系统中,这种平衡还表现为生物的种类和数量的相对稳定。那么自然的生态系统为什么能保持这种动态平衡呢?这主要是由于生态系统内部具有自动调节的能力,在生态系统的发展演变中,依靠内部组成部分之间和外部环境之间的相互联系、相互作用,通过不断调整系统内部的结构和功能而逐步实现生态系统的动态平衡。生态系统中能量流动和物质循环可以通过多渠道进行,当某一渠道受阻时,其他渠道可以起补偿作用,当某一部分出现了机能的异常现象时,就可能被其他部分的调节所抵消。例如环境的自净能力,就是对化学污染物质污染局部环境的调节。这种自我调节能力是生态系统自身所具有的,是生态系统本身的性质所决定的,生态系统组成的多样性和能量流动、物质循环和信息传递的复杂性,对这种自我调节能力有着很大的影响。但是一个生态系统的调节能力再强,也是有一定限度的,超出了这个限度,调节就不会再起作用,生态平衡就会遭到破坏,通常把这一界限称为阈值。阈值的大小取决于生态系统的成熟性,一般说生态系统种类越多,组成成分越多样,营养结构越复杂,能量流动和物质循环的途径越复杂,则生态系统的稳定性越大,抗击外界变化能力越强,其阈值愈高；而一个简单的生态系统,成分越单调,结构越简单,其调节能力越弱,阈值就较低。
生态系统受到外界冲击时,若冲击能力超过阈值时,将导致环境的破坏,生态系统崩溃,这时生态系统的营养结构被破坏,食物链断裂,系统内物质循环和能量流动中断,最终导致生态系统瓦解。
造成生态平衡破坏的原因既有自然因素,又有人为因素。自然因素包括火山爆发、地震、海啸、洪水、雷击、火灾等,由这一类原因引起的生态平衡破坏称为第一环境问题,也叫原生环境问题。
人类是生态系统中最活跃、最积极的因素,人类的生产、生活活动强烈地干扰着自然生态环境。人类对自然资源不合理的开发利用,特别是缺乏科学预见，不顾子孙后代的掠夺式开发,往往造成森林破坏,水土流失,河流干涸,水源枯竭,草原荒芜,生物多样性丧失,土地盐碱化、贫瘠化、沙漠化,气候异常等恶果。随着工农业生产的发展,大量化学污染物质进入人类生态系统,目前由于汽车排放尾气中可吸入颗粒物和氮氧化物的污染,由于矿物燃料燃烧造成的大气中二氧化碳浓度增大而形成的温室效应问题,由于硫氧化物和氮氧化物大量排放造成的酸雨污染,由于喷气式飞机排放的氮氧化物和大量使用氟氯甲烷类致冷剂而造成的地球高空平流层臭氧层的破坏,由于氮磷化合物过量排放进入水体造成的水体富营养化,由于各种有毒有害重金属和有机农药大量排放造成的水污染问题,由于有毒化学品沿食物链和营养级传递,在生物组织内富集而对人类造成的危害等等已经对全球的生态环境造成了严重的威胁,严重影响着人类社会的发展。由此所引起的生态平衡的破坏称为第二环境问题,又称次生环境问题。
人类在自然开发、社会发展方面取得了伟大的胜利,但与此同时,自然界也报复了人类。由于不合理地开发和利用自然资源,任意排放各类废弃物造成人类生存的地球、大气、水和土壤环境的严重污染,从而导致地球生态平衡遭到破坏。
生物圈2号试验“生物圈2号(Biosphere2)”是美国建于亚利桑那州图森市以北沙漠中的一个微型人工生态循环系统,因把地球本身称作“生物圈1号”而得此名,这项试验的目的是通过研究植物、动物、昆虫、空气、土壤、人类和一个大型空气调节系统在这座温室中的相互作用及影响,更好地了解地球生物圈的运行规律。这座人造世界的建筑面积约12750平方米,内部设置了5种不同的自然生态环境:热带雨林、海洋、沼泽地、草原和沙漠。温室中种植和放养着4000种不同的动物、植物和昆虫。在面积约2020平方米的农场土地上,将种植各种向这些科学家提供食物的农作物,温室中的其他植物有助于净化室内的空气,它们吸收二氧化碳,提供氧气和干净的水。这些科学家还将在温室里养鸡、猪和羊以得到鸡蛋、奶和肉类。温室内设有冷藏系统,它与室外的冷却塔相配合对室内的空气和水进行冷却,另外一个5.2兆瓦的发电机提供整座循环系统所需的电力。
“生物圈2号”计划设计在密闭状态下进行生态与环境研究,帮助人类了解地球是如何运行的,并研究在仿真地球生态环境的条件下,人类是否适合生存的问题。为了尽量贴近自然环境,该圈中的土壤、草皮、海水、淡水均取自外界的不同地理区间,通过一定的人工处理再利用。例如,实验用的海水是将运进来的海水和淡水按照适当比例配制而成的。与地球生物圈类同,“生物圈2号”在物质上封闭,通过工程手段禁止它与外界大气和地下土壤进行物质交换。在能量上开放,允许太阳光通过玻璃结构供植物进行光合作用,当进行能量转移时,不允许内外流体进行任何形式的交换或混合。
1991年9月26日,“生物圈2号”实验室开始启用,4名男科学家和4名女科学家将在这个密封世界中生活两年,过一种近乎与世隔绝的自给自足的生活。他们食物的百分之八十出自他们的双手。一年多以后,“生物圈2号”的生态状况急转直下,氧气(O2)含量从21％迅速下降到14％,而二氧化碳(CO2)和二氧化氮(NO2)的含量却直线上升,大气和海水变酸,很多物种死去,而用来吸收二氧化碳的牵牛花却疯长。大部分脊椎动物死亡,所有的传粉昆虫的死亡造成靠花粉传播繁殖的植物也全部死亡。由于降雨失控,人造沙漠变成了丛林和草地。“生物圈2号”内空气的恶化直接危及了居民们的健康,科学家们被迫提前撤出这个“伊甸园”。当他们走出“生物圈2号”时,体重平均下降了百分之十四。“生物圈2号”的实验以失败告终。
科学家推测氧气(O2)含量迅速下降是由微生物活动引起的。农业区、热带草原区和雨林区都在实验前引入了微生物以支持植物生长。直到后来才发现这些微生物消耗了太多的氧气。这个推测存在的一个问题是:既然微生物大量地消耗了氧气,那同时也应该产生大量的二氧化碳,但在大气成分分析中并未发现二氧化碳成分有明显的增加。进一步的调查显示,位于基部的混凝土在硬化过程中有效地吸收掉了微生物产生的大部分二氧化碳,从而间接导致了整个环境中氧气的衰竭。由于缺乏氧气,有的实验人员极易疲劳,晚上不得不加吸氧气,因而人们不得不向“生物圈2号”多次补充氧气和空气。
也许“生物圈2号”的失败有技术上的原因或设备上的问题,也许人们今后还会继续试验,但从“生物圈2号”失败反映出来的深层信息向人们证明了地球生态系统的复杂性,该实验展示了人类利用现有技术将地球生物圈加以复制的困难性。地球环境是在经历了几十亿年的进化后形成的,这种结构具有动态平衡和异常的稳定性,决不是简单的人工模仿再造能够完成的。“生物圈2号”的失败告诫我们:人类在茫茫宇宙中只有地球这一处家园,她是人类赖以生存的唯一基础,只有善待和保护她才是我们真正的出路。
思考题
1.为什么说生态系统中的能量流动是单向的?
2.为什么要研究生态系统中的物质循环?
3.生态环境中的分解者在物质循环中起了什么作用?
4.为什么说生态平衡是动态平衡?
5.“生物圈2号”实验为什么没有成功?