物质循环和能量流动，总是肩并肩地、相伴而发生的。例如，光合作用，把二氧化碳和水，合成葡萄糖，同时，把太阳光能转化为葡萄糖的化学能。呼吸作用，把葡萄糖分解为二氧化碳和水，同时，释放葡萄糖储存的化学能。

下面就让我们了解，在生态系统中，物质是怎样循环的。

物质循环一般可分为短循环和长循环。

生态系统中，绿色植物，除了一小部分被食草动物吃掉外，绝大部分掉落在土壤表面，被分解者分解，还原成无机物，例如二氧化碳、水和矿盐分等。在这个过程中，物质的循环只通过了生产者和分解者，称为短循环。

生态系统中，绿色植物被食草动物吃掉，逐级经过食肉动物、杂食动物的消化和排泄，动植物的遗体，经过食腐动物的啃食，最后被分解者分解，物质又回到环境中。在这个过程中，物质循环经历了一个漫长的过程，称为长循环。

生物的物质循环分为三大类型，包括水循环、气体型循环、沉淀型循环。

1.水循环

在生态系统中，水是生物生存所必需的，生命离不开水。没有水循环，就没有生物的物质循环。了解水循环，是理解生态系统物质循环的基础。地球表面，海洋面积占70％，淡水面积占3%-4％。现在，人类正面临淡水缺乏的威胁。

如图所示，海洋是水的主要来源。太阳辐射，使水蒸发，进入大气，风推动大气中水蒸气的移动，通过雨雪的形式，又落到海洋中和地面上。

地面上的水，贮存于土壤、湖泊、河流和冰川中，或者通过蒸发、蒸腾作用，进入大气，或者经过河流和地下水，最后返回海洋。

人类的活动，可能会影响全球的水循环。森林砍伐、农业种植、湿地开发、河流改道、大坝建造等等，都可能改变全球的水循环，或者影响局部地区的水循环。

生物的生存离不开空气，我们每时每刻都在进行呼吸作用，吸进氧气，呼出二氧化碳。而阳光下绿色植物，在不断地吸收二氧化碳，进行光合作用，放出氧气。

2.气体型循环

物质的气体型循环主要涉及碳循环和氮循环。

（1）碳循环

碳元素，是构成生物有机体，最重要的元素。碳循环研究，是生态系统中，能量流动的核心问题。人类对化石燃料的大规模使用，造成了对碳循环的重大影响。碳循环的改变，可能是当代气候变化的重要原因。

i.碳循环周期

如图所示，光合作用和呼吸作用在二氧化碳循环中起重要作用。

从大气中的二氧化碳开始，通过绿色植物的光合作用，将大气中的碳，转移到植物体中，形成碳水化合物。然后，被各级消费者利用，生物的呼吸作用，把二氧化碳释放到大气中。或者，生物的残留物，经过微生物的分解，生成二氧化碳，再释放到大气中。

ii.碳循环的主要过程

如图所示，碳循环的主要过程包括：①生物的同化过程和异化过程，主要是光合作用和呼吸作用；②大气和海洋之间，二氧化碳的交换；③碳酸盐的沉淀作用。

碳的主要存在形式是，大气中的二氧化碳、海洋中的无机碳和生物机体中的有机碳。

2.气体型循环

（1）碳循环

iii.大气中的二氧化碳

大气中的二氧化碳含量，是有变化的。如图所示。

20000—50000年前，大气中二氧化碳的体积分数是180Χ10^-6——200Χ10^-6。公元900—1750年间，大气中二氧化碳体积分数的平均值是270Χ10^-6---280Χ10^-6。但是，从1750年，工业革命开始以后，大气中二氧化碳的体积分数，迅速上升，这与人类使用化石燃料有关。

另外，大气中二氧化碳含量，还随季节变化。夏季，二氧化碳的含量下降。冬季，二氧化碳的含量上升。

可能是人类的化石燃料使用量，存在季节差异。

iv.温室气体

温室气体，是对长波光线，有强烈吸收作用的气体。例如，二氧化碳（CO₂）、甲烷（CH₄）、氧化亚氮（N₂O）、六氟化碳（SF₆）、氟氯碳化物（CFCs）、氢氟碳化物（HFCs）等。

在所有温室气体中，二氧化碳的作用最重要。

因此，全球变暖，和大气中的温室气体，特别是二氧化碳的增加，有密切联系。

2.气体型循环

（1）碳循环

v.温室效应

如图所示，大气中的温室气体，既能够吸收太阳光的能量，又能阻止地球的热量，向外散失，最后，导致地球的气温上升，引起全球气候变暖。

化石燃料的燃烧，地球表面植被的破坏，是大气中二氧化碳浓度上升的主要原因。

全球气候变暖或异常，还可以导致厄尔尼诺现象。

vi.厄尔尼诺现象

如图所示，厄尔尼诺现象是指，东太平洋洋面，在赤道处的海水，偶尔变暖的现象。

厄尔尼诺现象，与北太平洋和北美洲的天气特点，密切相关。

当发生较强烈的厄尔尼诺现象时，就会产生很明显的气候变化，风力风向异常，降雨量多于常年，导致台风和洪涝灾害。

在北太平洋、北美大陆、大西洋的广大地区，甚至在全球范围内，都能观察到厄尔尼诺现象的影响。

2.气体型循环

氮元素是蛋白质的基本组成成分，一切生物结构的原料。因此，对于氮循环的研究，也是生态学领域重要的研究内容。

（2）氮循环

i.氮循环

虽然，大气中有79％的氮气，但是，一般不能被生物直接利用。

如图所示，必须通过固氮作用，使氮和氧结合，形成硝酸盐和亚硝酸盐；或者使氮和氢结合，形成氨气，氮元素才能被植物利用。

如图所示，在自然条件下，通过电化学和光化学作用，可以进行固氮作用，平均固氮量是每年7.6×10⁶吨。在自然界，有些生物可以固氮，生物固氮量平均每年是54×10⁶吨。

在2000年，通过人工固氮，生产的化肥产量达到80×10⁶吨。

世界上人口不断增加，人工固氮对于养活不断增加的人口，做出了重大贡献。

2.气体型循环

（2）氮循环

同时，人工固氮也通过氮循环，带来了许多不良的后果。其中，造成的有些生态问题，直接威胁到人类在地球上的生存。下面，让我们具体了解，人工固氮有哪些危害。

ii.人工固氮的危害

通过人工固氮合成的，大量有活性的含氮化合物，进入土壤，流入江河湖海，对生态环境产生了巨大的影响。

①水中的硝酸盐含量升高，对于生物的健康是极其有害的。

例如，硝酸盐可以引起“蓝婴病”。因为，硝酸盐在消化道中，可以转化为亚硝酸盐，而亚硝酸盐是有毒的。

亚硝酸盐与血红蛋白结合后，导致红细胞运输氧的能力下降。如果是婴儿的话，婴儿的皮肤就会因缺氧，而呈现出蓝色，尤其是在眼和口部，蓝色特别明显，因此这种病被称为“蓝婴病”。亚硝酸盐的存在，还可能与皮肤病、癌症的发病有关。

硝酸盐非常容易被水溶解，硝酸盐从土壤中溶解后，就会污染地下水和地上水。几十年来，为了提高粮食产量，大量使用化肥，导致的硝酸盐污染已经非常严重。

另外，水中的氮、磷过多，都会造成水体富营养化，并且，氮、磷对环境的污染，常常是共同起作用的。

②含氮化肥的大量使用，造成水体富营养化。

含氮化肥，流入池塘、湖泊、河流、海湾以后，藻类和蓝细菌种群大爆发，导致水中缺氧，这样，就会造成鱼类、贝类的大规模死亡。因此，氮污染，对生态系统的生物多样性，也有很大的影响，例如，氮污染可以造成，土壤和水中的生物多样性下降。

海洋和海湾的富营养化，被称为赤潮。有些赤潮的藻类，还能形成毒素，这些毒素会引起多种疾病，例如记忆力丧失，肾脏和肝脏疾病。

③过多地使用含氮化肥，还能产生一氧化二氮，造成大气污染。

如图所示，土壤中的细菌，能把硝酸盐转化成一氧化二氮。

一氧化二氮进入大气后，可以和氧产生反应，破坏大气中的臭氧层，使大气阻挡紫外线的能力下降。另外，一氧化二氮是一种温室气体，可以促进全球气候变暖。一氧化二氮的化学性质非常稳定，一旦形成进入大气，不容易被消除。而且，一氧化二氮产生的温室效应，比二氧化碳分子高出许多倍。

2.气体型循环

（2）氮循环

ii.人工固氮的危害

④由于使用含氮化肥，产生的含氮化合物，释放到大气中，在日光作用下，参与形成光化烟雾。而光化烟雾，是一种非常严重的大气污染现象。

另外，大气中的这些含氮化合物，加上二氧化硫，可以形成酸雨。酸雨的增多，使淡水酸化，影响鱼类的生长。酸雨的增多，使土壤酸化，许多生物不能生存，这样，在生态系统中，生物多样性就会减少。

虽然，人类使用合成氮肥，生产了更多的粮食，养活了更多的人口，使地球上许多人，摆脱了饥饿的困扰。人类在庆幸生活水平提高的同时，没有能预见到使用合成氮肥，对于环境产生的不良后果。即便是到了现在，人类对这些不良后果的关注程度，还是远远不够。

有些矿物质，例如磷、硫、钾等元素，是生物体的重要组成物质。这些元素在生态系统中的循环形式，被称为沉淀型循环。

3.沉淀型循环

首先让我们先了解磷在生态系统中的循环过程。

（1）磷循环

在生物体中，磷的含量，只占体重的1％左右。磷是遗传物质核酸的重要成分，另外，在细胞膜中的磷脂分子，也含有磷元素。在身体的骨骼中，也含有大量的磷元素。

如图所示，磷元素在水中，通常以沉淀物的形式存在，所以，一般情况下，水中磷元素的含量，是有限的。有限的磷元素，限制了水环境中，各种生物的生长，使生态系统维持在一个相对稳定的水平。

在土壤中，在pH 6-7时，磷才可以被生物所利用，所以，土壤中，被利用的磷元素，是有限的。磷元素从陆地土壤中，通过河流，进入海洋，很多磷在海洋沉积起来。海洋中的磷，大部分以钙盐沉淀的形式存在，因此，磷元素可以长期脱离生态系统的循环过程。

为了提高农作物的产量，人们开采磷矿，收集鸟粪，给农作物补充磷肥。但是，过多的磷元素，就会从土壤进入河流湖泊，流入海洋。引起水中磷元素的富营养化，加上水中氮元素的富营养化，使江河湖海更爆发蓝绿藻、赤潮。

3.沉淀型循环

硫元素，在生态系统中的循环，也属于沉淀型循环。

（2）硫循环

硫元素是蛋白质和氨基酸的基本成分，因此，硫元素是生物体不可缺少的成分。在自然界中，硫元素有8种状态，从-2到+6价。其中，单纯的硫、+4价的亚硫酸盐、+6价的硫酸盐，是硫元素重要的存在形式。

但是，如图所示，人类大量使用化石燃料，改变了硫元素的循环。大量使用化石燃料，形成的酸雨，对生态环境的影响最明显。森林中的树木，因为酸雨而枯死，湖泊中的鱼虾，因为酸雨而消失。

生态环境中的许多问题，不仅是生态学家所关注的焦点，作为地球上的每一位公民，都应该关注环境问题，“保护环境，人人有责”。保护环境，还应该从认识生态系统多样性开始。

在地球上，不同的地区，气候、地形、土壤性质各不相同，造就了地球上的生态系统，丰富多彩、多种多样。例如，与水有关的生态系统，称为水生生态系统，包括海洋生态系统与淡水生态系统。

陆地上的生态系统，称为陆地生态系统。在陆地生态系统中，植物群落的分布遵循一定的规律，是地球上主要的生态系统类型。

1.陆地生态系统

首先，让我们了解陆地生态系统的分布规律。

（1）水平分布规律

植被在陆地上的分布，主要取决于气候条件，特别是温度和水分条件。由于太阳辐射，提供给地球的热量，从南到北，呈规律性的变化，因而形成不同的气候带，例如热带、亚热带、温带、寒带等。

与此相应，植被也形成带状分布。如图所示，在北半球，从低纬度到高纬度，依次出现热带雨林、亚热带常绿阔叶林、温带夏绿阔叶林、寒温带针叶林、寒带冻原和极地荒漠。

1.陆地生态系统

（1）水平分布规律

中国地大物博，植被的分布，也呈现水平地带性规律。

如图所示，由于随着纬度的增加，温度逐渐降低。在气候上，自北向南，依次出现寒温带、温带、暖温带、亚热带和热带气候。

因此，受气候的影响，在湿润森林区域内，植被自北向南，依次分布着针叶落叶林、温带针叶落叶阔叶林、暖温带落叶阔叶林、北亚热带含常绿成分的落叶阔叶林、中亚热带常绿阔叶林、南亚带常绿阔叶林、热带季雨林、雨林等。

如图所示，在自然地理条件的综合影响下，我国从东南沿海，到西北内陆，受海洋季风和湿气流的影响，逐渐减弱，依次有湿润、半湿润、半干旱、干旱和极端干旱的气候。

相应的植被变化，从东南沿海到西北内陆，依次出现了三大植被区域，东部的湿润森林区、中部的半干旱草原区、西部的内陆干旱荒漠区。

不仅从低纬度到高纬度，植被分布呈现带状排列。而且沿着山地的山坡等高线，植被分布，也呈现带状排列，称为植被垂直带结构。

（2）植被分布的垂直地带性

因为，从山脚到山顶，随着海拔的升高，气温逐渐降低。通常，海拔每升高100米，气温下降0.5-0.6℃。

在一定范围内，随着海拔的升高，降水量也逐渐增加，达到一定界限后，降水量又开始降低。

而且，随着海拔的升高，风速增大，太阳辐射增强、土壤条件也发生变化。

1.陆地生态系统

（2）植被分布的垂直地带性

在这些因素的综合作用下，植被分布，就会随着海拔的升高而发生改变。通常，植被分布表现为，依次的条带状更替。

如图所示，植被垂直带，大致与山坡等高线平行，并且，具有一定的垂直宽度。每一个植被垂直带，都具有特征的植被类型。山地植被垂直带的组合排列顺序，称为植被垂直带结构。

如图所示，长白山的植被垂直带结构，自下而上，依次为落叶阔叶林、针阔叶混交林、寒温性常绿针叶林、矮曲林、高山冻原。

那么，植被的水平分布和垂直分布，有何相互联系呢？

（3）植被垂直带性与水平带性的关系

如果把植被的水平分布图，垂直竖立起来，就与植被垂直带结构图，形成了很好的对应关系，如图所示。

植物群落类型，沿纬度方向交替分布的规律，与沿山坡的垂直方向交替分布的规律，大致反映了，植被垂直带性与水平带性的关系。

在陆地上，拥有大量淡水资源的生态系统，就是淡水生态系统。

2.淡水生态系统的类型及其分布

湖泊的生态系统，属于淡水生态系统。

如图所示，淡水生态系统，可分为若干带，如沿岸带、湖沼带、深底带。

（1）沿岸带

在沿岸带，阳光能穿过水层，达到湖底，非常有利于有根植物的生长。有根植物，包括沉水植物、浮水植物、挺水植物等。

（2）湖沼带

湖沼带位于水体的上层部分。有阳光透入，能有效地进行光合作用，有丰富的浮游植物，主要是硅藻、绿藻和蓝藻。

（3）深底带

深底带位于水体的下层部分。由于没有光线，绿色植物不能生存，只有动物存在。这些动物，可以吃水中的有根植物和浮游植物。在中国的湖泊、河流中，淡水生态系统的高等植物，总数在50种以上。南方的植物种类比较多。

如图所示，眼子菜、浮萍是我国淡水生态系统的高等植物。另外还有苦草、细叶水毛茛、金鱼藻、紫萍、水蕨、水车前、满江红、菱等等植物。

由于海水中，自然条件比较特殊，在海洋中，生物种类的成分，与陆地成分完全不同。下面，就让我们简单地了解，海洋生态系统的生态类型。

3.海洋生态系统

就植物而言，种子植物，在陆地植物中，占有绝对的优势。而海洋植物中，孢子植物，占有优势。海洋中的孢子植物，主要是各种藻类。由于水生环境的单一，海洋植物的生态类型比较单纯，群落结构也比较简单。多数海洋植物，是浮游的，或者是漂浮的。

如图所示，海洋植物的地理分布，也服从地带性规律。其中，寒冷的海洋中，植物种类比较多。热带海洋中，植物种类比较贫乏。这一点，与陆地植物的分布特点，正好相反。因为，在热带，陆地植物的种类最多，数量也很多。

如图所示，从海边逐渐过渡到大海深处，海洋生物群落可分为若干带，如潮间带、浅海带、半深海带和大洋带。

（1）潮间带：或称沿岸带，是海洋与陆地相接的地区。沿岸带是海陆之间的群落交错区，有周期性的潮汐。沿岸带的生物，几乎都是海洋生物。

（2）浅海带：或称亚沿岸带，是几米深到200米左右的大陆架。具有丰富的、多种多样的鱼类资源。世界主要的渔场，几乎都位于大陆架，和大陆架附近。

（3）半深海带和大洋带：包括浅海带以下、海洋底部的大部分地区。深海中，没有进行光合作用的植物。由于没有光线，深海动物的视觉器官，非常退化。

如图所示，河口湾，是大陆的淡水，进入海洋的特殊生态系统。例如，红树林、珊瑚礁海洋生态系统，属于特殊的生物群落类型。