第一篇第二十四章生态系统中能量和物质的流动
能量的流动
在生物圈中，万物生长靠太阳，地球上的一切能量都来自太阳。第一个固定太阳能的便是绿
色植物。不过，植物对太阳能的利用率是很低的。在太阳的总辐射能中，大约有55％是红外
线或紫外线等不可见光，不可能被植物的光合作用所利用，一般植物只能固定l％左右的太
阳能。
从食草动物自植物里摄取营养开始，固定在植物体内的能量就通过食物链在生态系统中的生
物成员间流动了，这就是所谓“能流”。
与植物提供的全部能量相比较，食草动物所利用的能量是极其有限的。例如，田鼠咬断农作
物的茎秆，但它只吃其种子和花序。而且边吃边糟蹋。显然，贮存在茎、叶和被糟蹋的种子
中的能量未被田鼠利用。另外，在田鼠吃掉的有机物中，大部分被消化吸收，少部分随粪尿
排出体外，不用说，在这个过程中，又有一部分能量从植物到田鼠这两个环节之间流失掉。
还有，任何动物都要为维持自身的生命活动而消耗能量。黄鼠狼捕食田鼠，从而使能量从食
草动物身上流向食肉动物。显然，黄鼠狼也不可能100％地利用田鼠的能量；有时，它只吃
掉猎获物的一部分，有时甚至只把田鼠咬死而不吃。假如生态系统中还有黄鼠狼的天敌，那
么，能流中的能量还会进一步减少。
由于生态系统中的能量在流动中是层层递减的，所以需要由太阳不断地补充能量，才能维持
下去。
上述例子只能反映生态系统中能流的一个方面。实际上，生态系统中的全部能流关系相当复
杂。例如，田鼠咬断的茎秆和遗弃的种子也许成了草食性昆虫的美餐，也许被蚯蚓和土壤微
生物所分解；而田鼠的类粪在分解后又能被植物重新利用。由此可见，要完整地描绘一个生
态系统的能流全貌并不是一件简单的事情。
能量在沿着食物链流动的过程中，大部分被消耗掉了，只剩下一部分积存在生物体内，被用
于生长、维持生物的正常生理功能或繁殖后代。在这里生态学家引入了营养级的概念，营养
级是指处于食物链某一环节上的所有物种的总和。
能量沿着食物链传递的时候，效率并不是很高。对此，美国生态学家提出了“十分之一定律
”，是说在两个相邻的营养级之间，能量的传递效率只有10～20％也就是说，一个人若是靠
吃水产品来增加1公斤体重的话，就得吃10公斤鱼；而要有100公斤的浮游动物为食，才能长
成10公斤鱼；而这100公斤浮游动物又要消耗掉1 000公斤浮游植物才能存活。这就是说
，要有1 000公斤浮游植物才能养活10公斤鱼，进而才能使人增加1公斤体重。
于是，顺着食物链，各个营养级的能量、重量或数量可以画出一个金字塔——生态金字塔(
见图1-15)。这个生态金字塔的底层为浮游植物，它们能进行光合作用，是生产者，是生
态金字塔的基
础，也就是数量最多的一类。第二层是浮游动物——一些小虾、小虫。它们取食浮游植物，
把植物体内的有机物质转移到自己身体内。第三层是鱼，它们吃掉浮游动物，然后又被高一
层的人吃掉，有机物最后转移到人的体内。
现在来考察森林生态系统中的情况。植物为生产者，它们生产出的物质仅能养活其重量十分
之一的食草动物，百分之一的食肉动物，而以食肉动物为食的猛兽其重量仅能为植物的千分
之一或万分之一。
近一个世纪以来，世界人口数量剧增，粮食问题日益突出。研究和了解能量金字塔除了说明
自然界物质循环和能量流动的一般规律外，对人们利用和管理各类生态系统也有重要的指导
作用。从能量转换角度分析，食物链越短，能效就越高。如人食大米、玉米等，能量损失最
小。与之相反，用粮食喂牛，人再吃牛肉，比起直接吃粮食，能效就不高了。这是因为牛吃
粮食，植物的碳水化合物转化为动物蛋白质，然后人再吃牛肉，能量大部分损失掉了。
从农业生产的角度看，建立稳定性强、能量转化效率高以及废弃物多次利用的稳定金字塔，
能有效地从生态系统中取得更多的产品，这是现代生态农业与传统高能耗的石油农业的
本质区别所在。而从可持续发展的角度看，我们必须按照生态学规律，进行合理的生产和利
用。只有当生态系统生产的能量与消耗的能量大致相等时，生态系统的结构才能维持相对稳
定状态，否则生态系统的结构就会发生剧烈变化。如在畜牧业生产中，草原的畜牧承载能力
就有一定的极限。不符合生态学规律，盲目地超额养殖势必导致草原生态系统的退化。
物质循环
生物的维持和延续不仅需要能量，而且还必须有各种物质，包括二十多种必需的元素。这些
物质在生态系统中不断地循环着，在这里我们简单介绍一下碳、硫的循环。
碳的循环
碳是构成生物体的主要元素之一，蛋白质、糖类、脂类中部含有大量的碳，显然，人体内也
含有大量的碳。
生态系统中碳循环的基本途径如一下：绿色植物通过光合作用，把大气中的二氧化碳和从地
里吸收来的水合成有机物，同时放出氧气。通过这种途径，自然界里的碳就被固定到生物体
了。牛羊吃植物，牛羊又被食肉动物所吃，于是，生物体内的碳便逐步地转移到各种动物体
内。动植物死亡后被微生物分解，固定在体内的碳变成无机碳回到环境中去，实现了碳的循
环。
随着现代工农业的发展，越来越多的煤和石油被开采出来。它们在燃烧时放出热和光，同时
把大量二氧化碳排放至大气中去。改变了原有的碳素平衡，导致了严重的问题。
大气中的二氧化碳具有温室效应，它和水蒸气能允许阳光中的可见光和红外线通过，但当这
些光线从地面向大气层反射回去时，大气中的二氧化碳和水蒸气又会像温室的玻璃顶一样阻
碍热量的散发。因此，大气中二氧化碳含量增加，气温和地面温度就会随而相应升高。据估
计，到地球上全部易开采的矿物燃料用尽时，大气中二氧化碳的含量将比现在增加170％。
大气温度上升会引起极地冰雪消融，如果按照目前这种发展速度来消耗矿物燃料的话，只要
再过400年，南极的冰雪就可能全部融化。那时候，地球上的海平面将上升120米左右。沿海
地区将被汹涌的波涛吞没，人们赖以为生的土地将大大地缩小。
1982年下半年，有两个美国人对人造卫星拍摄的南极照片进行了分析研究，发现近10年来南
极夏季的冰雪比以前明显减少，而某些地方的海平面却有上升的趋势，这是一个值得关注的
趋向!
硫的循环
硫是构成蛋白质的基本成分，但硫在生物体中的含量远不如碳、氢、氧、氮那样多，然而
，它起的作用却十分重要。蛋白质千变万化的功能是由其结构的多样性决定的，蛋白质的立
体结构是靠硫原子间的键维持着的。所以说，没有硫就没有蛋白质，当然生命也就失去了存
在的物质基础了。
自然界的硫主要贮存在地壳里。由于风化作用，贮存于岩石和土壤中的硫被逐渐地释放出来
，并以硫酸盐的形式进入陆地或海洋生态系统。通过植物的根系吸收进入植物体内，然
后动物取食植物，以及动物的排泄和动植物遗体的分解，生物体中的硫又回到土壤中，这就
是自然界硫的正常循环过程。
工业污染往往导致大气中二氧化硫含量的增高。燃烧矿物燃料，特别是燃烧高硫煤时，也
会产生大量二氧化硫。二氧化硫浓度过高对植物和人类都有很严重的影响，它可使植物的叶
组织坏死，同时也对人类的健康产生极大的危害。1952年12月在英国伦敦发生了一起震惊全
球的毒雾事件，人们在充满二氧化硫的空气中有的咳嗽，有的气喘，有的心脏病发作……在
这次事件中有4 000人丧生!究其原因，是因为特殊的气象条件使伦敦工厂排出的废气形
成浓雾，经久不散，因而酿成这次毒雾事件。
大气中的二氧化硫等还可能与大气中的水蒸气混合，形成酸雨。随着工业的迅速发展，在全
球都有过酸雨事件的记载。酸雨是“天降的死神”，它对人类及其环境的危害主要是使洁净
的水域受到污染，杀死水生生物。一些调查资料表明，由于酸雨的危害，地球上有大量的
湖泊因酸度过高而变成“水荒漠”。酸雨使土壤中营养物质流失，使土壤肥力下
降，使植物的生长变缓。腐蚀建筑物，使许多人类的文化遗产受到损坏。北京故宫的
汉白玉石雕已有几百年的历史，从1925年拍摄的照片可以看出，浮雕的花纹还十分清晰，但
到了现在，它已被含酸的空气和雨水腐蚀得模糊不清了。
或许我们也曾为工业城市中林立的高大烟囱大唱赞歌，为那烟囱中滚滚不断的浓烟感怀抒情
，为大工业的发展带来的现代文明而陶醉。可摆在我们面前的事实，使我们终于认识到，人
类活动干扰了生态系统中硫元素的正常循环，就会使毒雾笼罩大地，酸雨从天而降。我们应
该清醒地认识到，工业的发展过程中，不注重其对环境的影响，必将会给人类带来灾难。因
此，解决这些由于发展大工业而带来的问题已迫在眉睫!