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森林生态系统能量流动转化

从绿色植物固定太阳能开始,通过食物链(网)逐级贮存、传递、消散的途径或过程。简称能量流。任何生态系统都从外界输入能量,经过一系列能量转化过程,最后能量又输出于外界。森林中能量转化过程始于绿色植物将太阳能转化为植物体的化学能,林内各种动物直接或间接以植物为食料取得能量,即转化为一连串取食和被取食动物体的化学能,最后死的动、植物体经过微生物的分解,将这些有机体的能量又释放于外界环境(图1)。

内,从绿色植物固定太阳能开始,通过食物链(网)逐级贮存、传递、消散的途径或过程。简称能量流。任何生态系统都从外界输入能量,经过一系列能量转化过程,最后能量又输出于外界。森林中能量转化过程始于绿色植物将太阳能转化为植物体的化学能,林内各种动物直接或间接以植物为食料取得能量,即转化为一连串取食和被取食动物体的化学能,最后死的动、植物体经过微生物的分解,将这些有机体的能量又释放于外界环境(图1)。一个森林生态系统含有许多植物和动物群,只有绿色植物可以利用太阳能并将各种无机物质(二氧化碳和水等)合成植物体。它们是生态系统中的食物生产者。林内动物靠植物维持生存,如食叶昆虫吃乔、灌木的嫩叶和叶子,鼠类吃种子和果实,这些直接以植物为食料的动物称为草食动物。其他以草食动物为食的各种鸟类和兽类称为肉食动物;以肉食动物为食的动物为高等的肉食动物。森林中的动、植物体不断衰老和死亡,死亡后的尸体、组织,逐渐分解为简单的化学物质并释放能量于外界环境,分解过程由细菌和真菌等微生物来完成,这些低等生物称为分解者。生态系统中植物被草食动物所食,经过草食动物又被肉食动物所食,高等肉食动物又以低等肉食动物为食,这种捕食关系称食物链。根据食物链的顺序可以分成不同的营养层次,把这些层次排列起来,表现出一个塔形,称为能量塔,又称能量锥体(图2)。塔基是一大批生产能量的植物,往上是为数较少的草食动物,再往上是为数更少的一级肉食动物,逐级递升,而能量流经过各营养层次又逐渐递减。各级能量转化比率大约为5~30%,平均为10%左右,称为生态效能百分之十定律。由于能量逐级转化效率很低,所以每一级贮存的能量只有多于下一级几倍,才能维持自身的生存发展又保证后者的摄食活动。一个捕食链的营养层次一般只有3~4级,不超过5级。自然生态系统中,食物链的顶部,个体数量较少,但对前列层次的摄食量较大。

图1 生态系统中的能量流

图2 能量塔

森林生态系统是生物圈内最复杂的生态系统。从热带到寒带尽管森林类型各异,林内植物、动物和微生物的种类和数量有很大差异,但基本可分为两种食物链类型,即两类能量流渠道。一类是以活植物体为起点的草牧食物链能量流,如林内的毛虫、鼠类、兔、鹿和狍子等直接靠植物的叶、果、种子为生。这些草食动物又被林内食虫鸟和食肉兽所捕食,继之,又被更高级的二级肉食动物所捕食。通常森林里的大部分植物体或组织(如树干、枝条和根系)不能为食草动物所利用。多种测定资料证明,林内被食草动物消耗掉的能量,不超过森林年总生产量所含能量的10%。另一类能量流是以林内枯落叶、枯立木、倒木等死有机物质为基础,构成的腐屑食物链能量流。这一能量流在森林生态系统中占主要地位。因为森林植物所生产的有机物质含有大量纤维素和木素,不能为草食动物所利用,只能为土壤里的微生物所利用。通常利用林内植物年总产量所含能量的90%,通过腐屑食物链能量流,贮存或消散掉。土壤微生物利用死的植物和动物为食生长和繁殖,从而破坏有机物质,释放养分元素并将能量返回环境。腐屑食物链相应分为若干营养层次,如林内土壤跳虫、螨虫、线虫、蚯蚓和分解有机物质的细菌、真菌相配合,加速有机物质的分解。一块未经采伐的森林,所生产的有机物大部分能量都通过腐屑链渠道消散掉。生态系统内两种能量流所释放的热能不能再被植物所利用。所以林内动物种群的数量消长受制于系统内植物体内总能量。而系统吸收和消散的能量总量是相等的,符合于能量不灭定律。能量的运转和传递有三个过程:①建成过程:绿色植物(初级生产者)将太阳能转化为生物能,再由一级消费者逐级传递耗散。全过程则构成第一能流。②还原过程:或称腐化过程。死的生物有机体,由一级、二级、三级等不同性质的腐生生物进行分解,能量随之消散,构成第二能流,是森林生态系统自肥的重要过程。③贮存过程:或称矿化过程。系统内物质和能量在以上两过程中,只消耗一部分,所剩余的能量和物质,转入贮存过程(木材、纤维、粮食)和矿化过程(煤和石油等),为人类蓄积大量可用资源,再经利用,最终完成生态系统全部转化过程。