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第9章 土壤和水体

1.生物的别墅——土壤、水体的生态意义

土壤是岩石圈表面的疏松表层,是陆生植物生活的基质和陆生动物生活的基底。土壤不仅为植物提供必需的营养和水分,而且也是土壤动物赖以生存的栖息场所。土壤的形成从一开始就与生物的活动密不可分,所以土壤中总是含有多种多样的生物,如细菌、真菌、放线菌、藻类、原生动物、轮虫、线虫、蚯蚓、软体动物和各种节肢动物等。少数高等动物(如鼹鼠等)终生都生活在土壤中。据统计,在一小勺土壤里就含有亿万个细菌,25颗树木腐殖土中所包含的霉菌如果一个一个排列起来,其长度可达11千米。可见,土壤是生物和非生物环境的一个极为复杂的复合体,土壤的总概念包括生活在土壤里的大量生物。生物的活动促进了土壤的形成,而众多类型的生物又生活在土壤之中。

土壤无论是对植物还是对土壤动物来说都是重要的生态因子。植物的根系与土壤有着极大的接触面,在植物和土壤之间进行着频繁的物质交换,彼此有着强烈影响,因此通过控制土壤因素,就可影响植物的生长和产量。对动物来说,土壤是比大气环境更为稳定的生活环境,其温度和湿度的变化幅度要小得多,因此土壤常常成为动物的极好隐蔽所,在土壤中可以躲避高温、干燥、大风和阳光直射。由于在土壤中运动要比大气中和水中困难得多,所以除了少数动物(如蚯蚓、鼹鼠、竹鼠和穿山甲)能在土壤中掘穴居住外,大多数土壤动物都只能利用枯枝落叶层中的孔隙和土壤颗粒间的空隙作为自己的生存空间。

土壤是所有陆地生态系统的基底或基础,土壤中的生物活动不仅影响着土壤本身,而且也影响着土壤上面的生物群落。生态系统中的很多重要过程都是在土壤中进行的,其中特别是分解和固氮过程。生物遗体只有通过分解过程才能转化为腐殖质和矿化为可被植物再利用的营养物质,而固氮过程则是土壤氮肥的主要来源。这两个过程都是整个生物圈物质循环所不可缺少的过程。

水体,即水的集合体。是地表水圈的重要组成部分,是以相对稳定的陆地为边界的天然水域,包括江、河、湖、海、冰川、积雪、水库、池塘等,也包括地下水和大气中的水汽。

生命起源于水,水不仅是生活在水中的生物赖以生存的栖息地,也是陆生动植物必不可少的生存条件。一般来讲,水源充足的地方植物生长茂盛,也是动物的聚集场所;干旱少水的地方,则植物生长稀疏,动物也比较少,就连菌类也多生存于阴湿的环境。

水对气候具有调节作用。大气中的水汽能阻挡地球辐射量的60%,保护地球不致冷却。海洋和陆地水体在夏季能吸收和积累热量,使气温不致过高;在冬季则能缓慢地释放热量,使气温不致过低。

地球表面有71%被水覆盖,从空中来看,地球是个蓝色的星球。水侵蚀岩石土壤,冲蚀河道,搬运泥沙,营造平原,改变地表形态。

水是有机体生命活动的基础,生物的一切代谢活动(营养运输、废物排除、激素传递以及各种生化过程)都必须以水为介质,在水溶液中进行。水是新陈代谢的直接参与者,如光合作用和生物体内许多化学反应。水能维持细胞和组织的紧张度,使生物保持一定的状态,维持正常的生活。

2.相依为命——生物与土壤

(1)土壤对生物的影响

不同质地土壤中土壤动物的种类和数量明显不同,如蚯蚓喜栖于壤质土中,砂质土中的蚯蚓数量只占壤质土中的1/4~1/3,在粘土中蚯蚓也很少。

土壤的结构和机理组成,直接影响许多动物在土壤中的运动和挖掘活动。动物长期生活在不同结构和机理组成的土壤,慢慢地会形成相应不同的生活和挖掘方式。

土壤水分状况对土壤无脊椎动物及昆虫的数量与分布有重要影响。生活在土壤中的动物,对于土壤水分有不同的要求和耐受范围。土壤动物在行为上一般是正趋湿性的。

一般来说,夏季时土壤温度随深度的增加而下降,冬季随深度增加而升高;白天温度随深度的增加而下降,夜间随深度的增加而升高。但土壤温度在35~100厘米深度以下即无昼夜变化,30米以下无季节变化。

土壤温度对植物的生态作用在于:影响植物种子的萌发、扎根出苗,制约土壤盐类的溶解度、气体交换和水分蒸发、有机物的分解和转化等。

土壤温度在空间上的垂直变化深刻影响着土壤动物的行为。不同类型土壤动物对土壤温度的耐受能力是不同的,土壤动物对高温的耐受力较弱,尤其当土壤干燥时。

此外,土壤中的有机质和无机质,对生物的分布和生活也有很大的影响。以土壤为主导,形成了不同的植物类型,如:

①喜钙植物生长在含有大量代换性钙离子、镁离子而缺乏代换性氢离子的钙质土或石灰性土壤上的植物,又称钙土植物,如蜈蚣草等。

②喜酸植物仅能生长在酸性或强酸性土壤中,且对钙离子和碳酸根非常敏感,不能耐受高浓度的溶解钙的植物,又称嫌钙植物,如茶树等。

③盐生植物生长在盐土中并在器官内积聚了相当多盐分的植物,如盐角草、大米草等。

④砂生植物:生活在以砂粒为基质沙土生境的植物,如黄柳、沙柳、骆驼刺等。

(2)生物对土壤的作用

生物与土壤的作用是相互的,土壤影响生物,同时,生物对土壤也有反作用。植物的代谢产物及其残体给土壤增添了有机质。

土壤动物通过在土壤中移动,粉碎并分解植物残体,疏松了土壤,提高了土壤的通气性和吸水能力,混合搅拌了土壤中的有机物和无机物,从而大大改变了土壤的质地结构。

土壤微生物的作用主要是化学性的。微生物是有机物质的主要分解者。它们分解代谢产生的碳酸和有机酸还有助于分解土壤矿物质。

3.彼此影响——水体与水生生物

(1)水体对生物的影响

水作为水生生物生活的环境介质,其理化性质,如密度、粘滞性、浮力、含氧量和pH值等,对水生生物有着重要的影响。由于水的理化性质和空气相差很大,因此,水生生物的形态、生理及行为特征与陆生动物有很大的差别。

①密度

水的密度比空气约大800倍,对水生生物有一定的支撑作用,但生物体的密度一般比水大,生物体在水中通常是要下沉的。

为了克服下沉,水生生物发展了各种各样的适应:很多鱼类具有鳔以调节比重;单细胞浮游植物,体内常含有油滴,适应漂浮生活;鱼类和其他大型的海洋生物常利用脂肪增加身体的浮力。

②粘滞性

水的高粘滞性有助于减缓水生生物下沉的速度,同时,也对动物在水中的运动造成较大的阻力。

水中快速运动的动物,其身体往往呈流线型,这样可以减少运动的阻力。

③水的浮力

水的浮力比空气大,重力对水生生物大小的发展限制较少。如蓝鲸的体长可达33米,体重可达100吨,远大于最大的陆生动物大象。

许多水生动物(如鲨鱼)的骨骼是由软骨构成的,这种软骨对陆生动物几乎完全不起支撑作用,但借助水的浮力便可克服重力的作用支撑起身体。

④含氧量

氧在水中的溶解度受温度和含盐量的影响,即使在最大溶解度的情况下(0℃时在淡水中的溶解度),每升水也只含有10毫升的氧气,仅相当于空气含氧量的1/20.水中溶氧量的多少是水生生物生存的限制因素之一。

溶解在水中的氧分布极不均匀,其中,水面氧气最丰富。随着水深的增加,氧气的含量逐渐减少。

水体含氧量不同,水生生物的类型不同。含氧丰富的水域多为喜氧狭氧性生物,低含氧量的静水水域多为厌氧狭氧性生物。

水体含氧量的昼夜或季节波动,对水生生物也有重大影响。

⑤酸碱度

水中的酸碱度不但对水生生物的新陈代谢有很大影响,而且对生物的繁殖与发育影响也很明显。

大多数水生生物是狭酸碱性生物,通常要求中性和微碱性的水域环境,只有极少数动物是广酸碱性动物,如一种摇蚊的幼虫,能耐受pH值为2~12的变化幅度。

(2)生物对水体的作用

水生植物光合作用吸收水中的二氧化碳,释放氧气改变了水中空气的成分比例。但如果水体中营养过剩,会使水生植物过多,也会造成水体缺氧,而导致水生生物死亡。

对水体影响最大的是人类的活动。人类的活动会使大量的工业、农业和生活废弃物排入水中,使水受到污染。目前,全世界每年约有4200多亿立方米的污水排入江河湖海,污染了5.5万亿立方米的淡水,这相当于全球径流总量的14%以上。

污水中的酸、碱、氧化剂,以及铜、镉、汞、砷等化合物,苯、酚、二氯乙烷、乙二醇等有机毒物,会毒死水生生物,影响饮用水源、风景区景观。污水中的有机物被微生物分解时消耗水中的溶解氧,影响鱼类等水生生物的生命。水中溶解氧耗尽后,有机物进行厌氧分解,产生硫化氢、硫醇等难闻气体,使水质进一步恶化。石油漂浮水面,还会影响水生生物的生命,引起火灾。

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