书城工业技术环境·生态与可持续发展
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第20章 生态、人口与资源(2)

3.硫循环

地球中的S 大部分储存在岩石、矿物和海底沉积物中,以黄铁矿、石膏和水合硫酸钙的形式存在。

大气圈中天然来源的S包括H2S、SO2和硫酸盐。H2S来自火山活动,沼泽、稻田和潮滩中有机物的嫌气(缺氧)分解等途径;SO2来自火山喷发的气体;大气圈中硫酸盐(如硫酸铵)则来自海水浪花的蒸发。

大气圈中S的1/3(包括硫酸盐的99%)来自人类活动,其中的2/3来自含S化石燃料(煤和石油)的燃烧,其余来自炼油、冶金工业和其他工业过程。

进入大气圈的H2S和SO2均可氧化成SO3,进一步与水汽反应生成硫酸。

SO2和SO3也可与大气圈中的其他化学品反应生成亚硫酸盐和硫酸盐。这些硫酸和硫酸盐都是酸沉降的组成部分。

4.磷循环

生态系统中P是生物的重要营养成分,主要以磷酸盐(PO3-4和HPO2-4)的形式存在。P是携带遗传信息DNA的组成元素,是动物骨骼、牙齿和贝壳的重要组分。

生态系统中的P具有不同于上述其他元素的特点。第一,它全部来源于岩石的风化作用,经破碎,溶解在土壤水中,被植物吸收。但生态系统中可利用的P 很少,因为磷酸盐难溶于水,地球上含P的岩石也不多,因此,在许多土壤和水体中,P常常是植物生长的限制性因素。另一方面,水体中P的过度增加又可能引起富营养化。第二,它在循环过程中与微生物的关系不像C和N那样大。生物死亡后,躯体中的磷酸盐逐渐释放出来,回到土壤和海洋中去。第三,P不进行大气迁移,因为在地表的温度和压力下,P及其化合物不以气态存在。虽然磷酸盐的颗粒能被风吹扬至远距离,但它并不是构成大气的组分。

动物从植物或其他动物中获取P,其排泄物和遗体腐解后,其中的磷酸盐又回到土壤和水体中,最终在海底成为含磷沉积岩。经过漫长的地质作用,海底抬升成为陆地,完成P的大循环。这种循环规模很大,历时漫长。

P由海到陆循环的另一途径是通过鸟类,如鹈鹕和鸬鹚等食鱼鸟,摄取海洋生物中的磷酸盐,它们的排泄物在特殊的地点形成鸟粪磷矿,是高质量的磷肥。当然,与磷酸盐从陆向海的大规模迁移相比,这种反向迁移在数量上很微小。

人类对自然磷循环的干扰表现在两方面:第一,大量开采磷矿,制造磷肥和洗涤剂。第二,通过农田退水、大型养殖场排水和城市污水,将大量磷酸盐排放到水环境中,造成水中蓝菌、藻类和水生植物的爆炸性生长。这在陆地淡水水体中称为“藻花”或“水华”,在海洋中称为“赤潮”,是富营养化的极端表现。

(三)信息传递

信息传递是生态系统的重要功能之一。生态系统中的各种信息形式主要有四种:

1.物理信息

物理信息由声、光和颜色等构成。例如,动物的叫声可以传递惊慌、警告、安全和求偶等信息;某些光和颜色可以向昆虫和鱼类提供食物信息。

2.化学信息

化学信息由生物代谢作用产物(尤其是分泌物)组成的化学物质。同种动物间释放的化学物质能传递求偶、行踪和划定活动范围等信息。

3.营养信息

营养信息由食物和养分构成。通过营养交换的形式,可以将信息从一个种群传递给另一个种群。食物网和食物链就是一个营养信息系统。

4.行为信息

无论是同一种群还是不同种群,它们的个体之间都存在行为信息的表现。不同的行为动作传递不同的信息。例如,某些动物以飞行姿势和舞蹈动作传递觅食和求偶信息,以鸣叫和动作传递警戒信息等。

3.2主要生态系统

因受地理位置、气候、地形、土壤等因素的影响,地球上的生物群落是多种多样的,可分为陆地生物群落和水生生物群落(海洋生物群落与淡水生物群落)。

3.2.1陆地主要生态系统的类型及其分布

前苏联学者道库恰耶夫在研究土壤的基础上,首先阐明了自然地带性是一种世界现象,并表现为水平分布和垂直分布,比如气候带、土壤带和植被带。同时他还指出,地带性是自然界各种现象相互作用的结果,其中气候条件起着支配作用,而气候又因地球本身自转和绕太阳转动发生变化。覆盖一个地区的植物群落的总体叫做这个地区的植被。地球表面的任何地区总生长着许多植物(个别地区除外),它们形成各种群落,如森林、草原、荒漠、冻原、草甸、沼泽群落等等,它们总起来就称作该地区的植被;覆盖整个地球表面的植物群落称为地球植被。一个地区出现什么植被,主要取决于该地区的气候和土壤条件。但从全球看,气候条件的影响更为重要。地球植被分布的模式,基本上是由气候,特别是水热组合状况决定的。每种气候下都有它特有的植被类型。

(一)热带雨林(Tropical rain forest)

什么是热带雨林?一般认为,热带雨林是指耐阴、喜雨、喜高温、结构层次不明显、层外植物丰富的乔木植物群落。

热带雨林主要分布于赤道南北纬5~10°以内的热带气候地区。这里全年高温多雨,无明显的季节区别,年平均温度为25~30℃,最冷的月平均温度也在18℃以上,极端最高温度多数在36℃以下,年降水量通常超过2000mm,有的竟达6000mm,全年雨量分配均匀,常年湿润,空气相对湿度为90%以上。

1.热带雨林的特点

热带雨林在外貌结构上具有很多独特的特点:

(1)种类组成特别丰富,大部分是高大乔木。如菲律宾一个雨林地区,每1000m2面积约有800株高达3m以上的树木,分属于120种。热带雨林中植物生长十分密集,在巴西曾记录到1m2至少有1株树木,所以雨林也有“热带密林”

之称。

(2)群落结构复杂,树冠不齐,分层不明显。

(3)藤本植物及附生植物极丰富。在阴暗的林下,地表草本层并不茂密;在明亮地,带草本较茂盛。

(4)树干高大挺直,分枝少,树皮光滑,常具板状根和支柱根。

(5)茎花现象(即花生在无叶木质茎上)很常见。关于茎花现象的产生有两种说法:其一认为这是一种原始的性状,说明了热带雨林乔木植物的古老性;其二认为这是对昆虫授粉的一种适应,因为乔木太高,虫蝶飞不到几十m 甚至上百m 的高空中去授粉,所以花开在较低的茎上。

(6)寄生植物很普遍,高等有花的寄生植物常发育于乔木的根茎上,如苏门答腊雨林中有一种高等寄生植物叫大花草(Raf f lesia arnoldii),就寄生在青紫葛属(Cissus)植物的根上。它无茎、无根、无叶,只有直径达1m 的大花,具臭味,是世界上最大、最奇特的一种花。

(7)热带雨林的植物终年生长发育,由于它们没有共同的休眠期,所以一年到头都有植物开花结果。森林常绿不是因为叶子永不脱落,而是因为不同植物种落叶时间不同,即使同一植物落叶时间也可能不同。一年四季都有植物在长叶与落叶、开花与结果,故景观呈现出常绿色。

上述的植被特点给生活在雨林中的动物提供了常年丰富的食物和多种多样的栖息场所,因此热带雨林是地球上动物种类最丰富的地区。据报道,巴拿马附近的一个小岛,面积不到5×10-3km2,就有哺乳动物58种。但每种的个体数量少,这是长期进化过程中,生态位分化的结果,大多数热带雨林动物均为窄生态幅种类。

热带雨林的生境对昆虫、两栖类、爬行类等变温动物特别适宜,它们在这里广泛发展,而且躯体庞大,如某些昆虫的翅膀可长达17~20cm,一种巨蛇身长达9m。

2.世界热带雨林的分布

热带雨林在地球上,除欧洲外,其他各洲均有分布。而且,它们在外貌结构上也都颇相似,但在种类组成上却不尽相同。P.W.Richards(1952)将世界上的热带雨林分成三大群系类型,即印度马来雨林群系、非洲雨林群系和美洲雨林群系。

3.我国的热带雨林

我国的热带雨林主要分布在台湾省南部、海南岛、云南南部河口和西双版纳地区。此外,在西藏自治区墨脱县境内也有热带雨林的分布,这是世界热带雨林分布的最北边界,位于北纬29度附近。但以云南省西双版纳和海南岛的热带雨林最为典型。由于我国雨林地处世界雨林分布的最北边缘,因此林中附生植物较少,龙脑香科的种类和个体数量不如东南亚典型雨林多,小型叶的比例较大。

一年中有一个短暂而集中的换叶期,表现出一定程度上的季节变化,这是由于纬度偏高所至。

热带雨林中生物资源极为丰富,如三叶橡胶是世界上最重要的橡胶植物,可可、金鸡钠等是非常珍贵的经济植物,还有众多物种的经济价值有待开发。热带雨林地区开垦后可种植巴西橡胶、油棕、咖啡、剑麻等热带作物。但应注意的是,在高温多雨条件下,有机物质分解快,物质循环强烈,而且生物种群大多是K 对策,这样,一旦植被被破坏,很容易引起水土流失,导致环境退化,而且在短时间内不易恢复。因此,热带雨林的保护是当前全世界关心的重大问题,它对全球的生态效应都有重大影响,例如对大气中O2和CO2浓度平衡的维持具有重大意义。

(二)亚热带常绿阔叶林(Subtropical ever green broad leaved forest)

亚热带常绿阔叶林发育在湿润的亚热带气候地带。常绿阔叶林主要由樟科、壳斗科、山茶科、金缕梅科等科的常绿阔叶树组成,其建群种和优势种的叶子相当大,呈椭圆形且革质,表面有厚蜡质层,具光泽,没有茸毛,叶面向着太阳光,能反射光线,所以这类森林又称为“照叶林”。林内最上层的多乔木树种,其枝端形成的冬芽有芽鳞保护,而林下的植物由于气候条件较湿润,所以形成的芽无芽鳞保护,其林相比较整齐,树冠呈微波起浮状,外貌呈暗绿色;群落的季相变化远不如落叶阔叶林明显,林内几乎没有板状根植物和茎花现象,藤本植物不多,种类亦少,附生植物亦大为减少。

常绿阔叶林在地球上分布于亚热带地区的大陆东岸,在南北美洲、非洲、大洋洲均有分布,但分布的面积都不大。在亚洲,除朝鲜、日本有少量分布外,以我国分布的面积最大。

(三)夏绿阔叶林(Summer green broad leaved forest)

由夏季长叶、冬季落叶的乔木组成的森林称为夏绿阔叶林或落叶阔叶林。它是在温带海洋性气候条件下形成的地带性植被。夏绿阔叶林主要分布在西欧,并向东伸延到前苏联欧洲部分的东部。在我国,它主要分布在东北和华北地区。此外,它在日本北部、朝鲜、北美洲的东部和南美洲的一些地区也有分布。

夏绿阔叶林分布区的气候是四季分明,夏季炎热多雨,冬季寒冷,年降水量为500~1000mm,且降水多集中在夏季。

夏绿阔叶林主要由杨柳科、桦木科、壳斗科等科的乔木植物组成,其叶无革质硬叶现象,一般也无茸毛,呈鲜绿色;冬季完全落叶,春季抽出新叶,夏季形成郁闭林冠,秋季叶片枯黄,因此夏绿阔叶林的季相变化十分显着;树干常有很厚的皮层保护,芽有坚实的芽鳞保护;群落结构较为清晰,通常可以分为乔木层、灌木层和草本层三个层次。乔木层一般只有一层或两层,由一种或几种树木组成,林冠形成一个绿色的波状起伏的曲面。草本层的季节变化十分明显,这是因为不同的草本植物的生长期和开花期不同所致。夏绿阔叶林的乔木大多是风媒花植物,花色不美观,只有少数植物进行虫媒传粉。林中藤本植物不发达,几乎不存在有花的附生植物,其附生植物基本上都属于苔藓和地衣。

夏绿阔叶林中的哺乳动物有鹿、獾、棕熊、野猪、狐狸、松鼠等,鸟类有雉、莺等,还有各种各样的昆虫。我国的夏绿阔叶林主要分布在华北和东北南部一带。由于受长期经济活动的影响,我国已基本上无原始林的分布。根据现有次生林情况看,各地夏绿林以栎属落叶树种为主,如辽东栎、蒙古栎、栓皮栎等,以及其他落叶树种如椴属、槭属、桦属、杨属等植物。

夏绿林的植物资源非常丰富,各种温带水果品质很好,如梨、苹果、桃、李、胡桃、柿、栗、枣等。

(四)北方针叶林(Boreal forest)

针叶林是指以针叶树为建群种所组成的各种森林群落的总称,它包括各种针叶纯林、针叶树种的混交林,以及以针叶树为主的针阔叶混交林。北方针叶林就是指寒温带针叶林,它是寒温带的地带性植被。寒温带针叶林主要分布在欧洲大陆北部和北美洲,在地球上构成一条蔚为大观的针叶林带。此带的北方界线就是整个森林带的最北界线,也就是说,跨越此带再往北,则再无森林的分布了。寒温带针叶林区的气候特点是比夏绿阔叶林区更具有大陆性,即夏季温凉,冬季严寒。七月平均气温为10~19℃,一月平均气温为-20~-50℃,年降雨量约为300~600mm,多集中在夏季。