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2016年8月14日 作者:xwz2367609 [返回]
山地生态系统的结构和功能

山地生态系统的结构和功能,在很大程度上就是依据于山地生态系统的类型进行讨论的。在生态学家的眼里或从生态系统的定义上说,山地生态系统与非山地生态系统的结构和功能没有本质区别,它们都是由非生物属性的生态因子(主要指理化因子,在许多情况下被不严格地叫作生态环境)和被划分为三级生态功能(生产者、消费者、分解者)或三界(植物、动物、微生物)的生物组分相互依存、相互作用、相互影响构成的生物---生境综合体。这个生物----生境综合体在太阳能驱动下,通过物质、能量、信息的有序运动而连续不断地进行着生物产品的生产、消费、分解活动,由此完成一系列生态功能。但是,从非生态学家比方说从地学工作者、山地研究者的角度,换言之,如果不限于生态关系结构或生态功能结构,而是着眼于空间的景观结构、系统的组分(要素)结构、系统的空间分布结构;也不限于自然生态系统内部基于能量传递的生态功能,而是着眼于生态系统的广义环境功能及相对于人类活动和社会经济需求响应,则山地生态系统的结构和功能具有非山地生态系统所不具有的或与非山地生态系统有显著差异的特殊性。

 

1、山地生态系统结构

 

研究山地生态系统结构的实际意义或真实价值,在于寻求不同类型山地自然生态系结构特点或与环境相适应的生物结构类型,从而为构建具有最优化环境一生物整合关系或最优化生产功能的山地人工生态系统提供理论依据。为此,研究山地生态系统结构,需要从无机环境结构和生物结构(种群、群落结构)两方面人手。从无机环境结构上说,主要研究对象是物理意义的山地坡向一坡位(山体不同部位)一坡度结构、地形一土壤结构、径流结构、太阳辐射结构,以及化学意义上的基岩一母质矿物组成、土壤地球化学过程和类型。从生物结构上说,主要研究内容是与环境背景特质适应的以及现实存在的自然生物种群和群落结构、人工生物种群和群落结构,以及营养级意义上的生物链结构、空间生态位(例如光能生态位、空气生态位、土壤中不同层次氧化一还原状态)意义上的层次结构。

立足于此种意义和内容的山地生态系统结构,自然会与非山地生态系统结构存在显著差异。而差异的形成机制就主要是山地环境结构的特殊性。例如,由于山地环境的斜坡效应,使斜坡环境系统自然分化为斜坡侵蚀环境和斜坡堆积环境。两者在物质一能量运动方式、组分数量和质量、不同组分的空间分布格局,以及各组分的时一空变化速率等方面,都存在明显差异,因而两者的环境结构及其稳定性也不同。由此而导致两种生态系统结构不同。侵蚀区环境结构脆弱,首当其冲的两个易损生态因子是营养生态位和时间生态位。由于侵蚀作用的持续发生,环境中土粒、水分、养分元素严重流失,以至生态系统中的第一性生产者植物因营养元素贫乏或种类失调,因而植物种群和群落多样性及生物量增长受到限制,致使斜坡侵蚀区植物相对于斜坡堆积区的“旱生性”强;由于侵蚀作用,侵蚀区环境结构稳定性差、随时间波动大,因而对生物的干扰作用强、频率高,致使某些种群和群落的生存、生活的时间压力大,生物多样性相对于斜坡堆积区为低。

再如山地的沟谷效应导致焚风效应,由此造成干热河谷环境,形成旱生植被生态系统;坡向效应导致阴、阳坡对太阳辐射的吸收一反射的时~空差异,由此形成旱、湿分明的环境结构和生态系统结构,等等。

 

2、山地生态系统的功能

 

山地生态系统具有任何生态系统相同的生物量生产、消费、分解或还原功能,这里不再赘述。下面要着重介绍的是相对于非山地生态系统具有特色的或作用突出的功能。

(1)生产功能与平原、丘陵、高原生态系统比较,山地自然生态系统的第二性生产或次级生产功能极具特色。这主要是因为山地生态系统中的自然生态系统或仅有轻微或间接人类活动影响的自然生态系统空间分布范围广,因此,野生动物、菌物的生态位相对丰富,亦即

消费者和分解者的种类复杂、数量大,其中不乏特异种,并且受人为胁迫作用相对较小、第一性生产的食物来源广。这些消费者在消耗第一性生产即植物光合作用合成的初级生产物的同时,通过能量转化、固定、积累而生产肉、骨、皮、毛类经济产品乃至一些具有药用经济价值的分泌物、排泄物的功能是很显著的;而分解者在分解动物、植物死体中甚至在动、植物活体上寄生亦能生产出菌类经济产品,其中有许多珍贵的天然药物资源。这后两种生产是山地生态系统非常重要的、具有极高生态价值和经济价值的生产形式。随着这种生产活动的进行,不仅依次为第三、四、五营养级提供了食物,为人类利用山地提供了多样化的天然资源,同时也提高了山地自然生态系统的食物链一网的复杂性。提高了山地生态系统的稳定性。这一过程在增强山地自然生态系统稳定性方面发挥了重要作用,它在很大程度上抵消了山地生态系统因山地环境脆弱而产生的不稳定性。其复杂的食物链一网将产生大量排泄物,这些排泄物本身已是半分解物,所以更易被微生物分解成矿质元素归还给物理环境,从而有效地起到改善生态环境特别是物理环境的良好作用。

从人类开发利用山地资源的角度出发,山地生态系统生产功能研究中,应充分重视生物链网及其营养级和生态效率研究。因为一个生态系统的终极产量取决于营养级数量和各级的能量转化效率即生态效率。营养级越多,生态效率越低。终极产量越低。

(2)稳定斜坡功能“不稳定性”是山地环境的基本属性之一。而“不稳定”的内涵和表征之一就是山体及坡面物质在重力作用下的滑动、崩落、侵蚀势能强、活动频繁,即物理一化学环境的物质组分、结构、品质、力学性质等属性的稳定性差或不稳定性强。而经常性的、带有普遍意义的不稳定作用是土壤一母质层的侵蚀过程。除根本性的重力势能因素外,山地环境的这类失稳过程主要是在“水、土”这两个诱发或促发因子协同作用下产生的:其一,坡地土壤“幼年性”特征显著,质地粗疏、结构性差,处在斜坡的重力势能作用下的土粒物质相互间缺乏粘胶一固结力;在雨水、径流等外力冲击和流体润滑作用下,极易产生易地迁移。其二,暴雨、大雨天气过程时,土壤易于快速达到饱和状态,从而增加“自重”产生重力失稳;其三,坡面保水性差,在有自然降水的情况下表土迅速饱和,而在无降水时,表土又迅速干燥,干一湿交替更强化了表土的胀一缩反复过程而易于破坏。一个健全的山地自然生态系统首先应具有完好的山地土壤一植被系统(可以说山地土壤一植被系统是山地自然生态系统的主体或核心系统),而健全的山地土壤一植被系统正好可对上述三种失稳作用(过程)起到缓冲、调控、阻滞作用,可在一定程度上抑制失稳的发生。

首先,土壤一植被系统庞大的根系网对松散土壤物质可以起到机械铆固功能。根系的拉力是很强大的。周跃等人对云南松侧根对土壤斜向牵引效应的研究表明,表层根际土中(020 cm)松树侧根能在相同的垂直截面上平均提供57723 N的斜向牵引力,使根际土层的抗滑动力提高3878%,将根际土层的抗张强度提高了577 kpa。同时发现侧根牵引效应随根生物量大小的影响,两者具有正相关关系。他进一步研究发现,乔木坡面稳定作用的力学机制除机械铆固外,还有扶垛效应、拱顶效应;当然,这是有条件的,一般地说,主要是针对由不稳定的上覆土层稳定性较好的深层土层组成的斜坡。代全厚等人在研究根系与土壤抗冲性、抗蚀性、稳定性和固土抗冲功能时,发现它们与根系生物量、根长度和土壤有机质含量呈直线相关。根系形态、密度、长度及不同类型植物的力学性质以及坡面物质组成是影响根系对坡面物质拉、铆作用的关键因素。

第二,植物地上部分(包括林冠和枯枝落叶)可以拦挡降雨和其他地面外力如动物践踏、径流、滚石等对坡面物质的冲击,枯枝落叶及其半分解物质又可起到吸收水分(雨水、径流水),缓解径流流速即缓冲动能,减轻和防治冲刷、侵蚀。

第三,植物死体经微生物分解产生大量腐殖质和其他有机酸可以对松散物质起到化学粘()结、固定作用,使无结构的碎屑母质和幼年性松散粗骨土逐步发育成结构良好的壤性土,从而增强其抗蚀性。不同植被类型下腐殖质组成变化明显,对坡面物质的固结作用

也有差异。

(3)为下游提供生态屏障其作用机理有以下几种。

①通过固土拦沙、降低侵蚀模数和输沙量来保护下游生态环境。功能健全、结构良好的山地生态系统的基本特征之一是具有环境稳定机制。而环境稳定的主要内容之一是削弱或消除滑坡、泥石流、水土流失等山地灾害的引发条件和运动潜势,从而减少山地向下游的固体物质输送量,降低其输送速率,减缓河床、水库、渠堰淤积,减轻和防避耕地淤埋及技术经济设施毁损。

    ②植被是巨大的、能动的天然蓄水库。结构良好、功能健全的生态系统本身有强大的吸水、蓄水和缓慢释放水汽的功能,因此通过土壤植被系统调蓄水分和水流运动,可以减轻下游洪水泛滥机率和强度。洪水的发生常常与汇流时间有关。山地生态系统可以延缓洪峰到达时间,错过高峰期。

    ③山地生态系统的土壤一植被系统产生的有机酸类能强化其化学风化和分解作用。加之山地的坡面物质易地迁移作用强,表土无论怎么稳定,其流失作用也比“原地”强得多,致使母质甚至母岩不断暴露。山地的气温昼夜差大,极有利于裸岩的机械破碎作用,植物根系生长过程也能促进母岩机械破碎形成母质和土壤,同时植物根系分泌物和枯枝落叶分解的有机酸类物质又能加速和强化母质的化学风化和矿物质分解作用。因而山地生态系统的造土作用强,固定在岩石、母质中的营养元素不断释放,不断在径流作用下易地迁移至下游低地,从而源源不断地向下游输送“全营养”元素。可以说,山地生态系统就是下游、低地的蓄水源和营养源。

    有人说山地是地球的水塔。这里的山地不应只理解为地貌意义上的山地,地貌意义上的山地所储存的水仅仅是作为固体水源的多年积雪、冰川一类的“死水”和深部岩层储水,只有山地生态系统才具有调蓄、释放大量“活水”的能力,因此山地生态系统才是真正意义上的地球的水塔。

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