第3节 生态系统的物质循环
呼一口气，许多二氧化碳分子就离开你的身体，进入大气中。你能想象这些二氧化碳分子的去向吗？有的分子可能进入你身边一棵小草的叶肉细胞，有的可能随着大气环流飘向异国他乡。再想一下，这些二氧化碳分子中的碳元素和氧元素，是怎样来到你体内的？进入你体内之前存在于什么物质中？不难看出，这两种元素在生物群落和非生物环境之间是不断循环的。
碳循环
碳是构成生物体的重要元素之一，组成生物体的蛋白质、糖类、脂质和核酸等都是以碳链为基本骨架形成的。大气中的碳主要是二氧化碳。生物体和大气中的碳含量，都长期处于稳定的状态，这是怎样维持的呢？
碳在生物群落与非生物环境之间的循环主要是以二氧化碳的形式进行的（图3-10）。由于二氧化碳能够随着大气环流在全球范围内进行，因此，碳循环具有全球性。此外，海洋对于调节大气中的碳含量起着非常重要的作用。当大气中二氧化碳含量增加，水圈中的二氧化碳含量也随之增加；如果大气中的二氧化碳发生局部短缺，水圈中的二氧化碳也能及时进入大气。
▲与社会的联系 世界范围内，化石燃料的开采和使用大大增加了二氧化碳的排放，加剧了温室效应，引起全球性的气候变化。我国一方面采取积极措施减少二氧化碳排放，另一方面大力提倡植树种草，提高森林覆盖率，这在吸收和固定二氧化碳方面发挥了重要作用。研究发现，我国大面积人工林的成长显示出巨大的固碳潜力。20多年来，由于采取秸秆还田等措施，我国农田表层土壤也储存了大量的碳。如果进一步提高秸秆还田率，农田土壤储碳量还可以进一步提高。
组成生物体的碳、氢、氧、氮、磷、硫等元素，都在不断进行着从非生物环境到生物群落，又从生物群落到非生物环境的循环过程，这就是生态系统的物质循环（matter cycle）。这里所说的生态系统指的是地球上最大的生态系统一一生物圈，物质循环具有全球性，因此又叫生物地球化学循环（biogeochemical cycle）。
物质在生态系统中循环往复运动的特点，对于改进农业生产方式有多方面的启示。例如，可采用种养结合的模式，在稻田中养鸭养鱼，动物的取食、消化能促进物质循环，它们排出的粪便中氮、磷等可供水稻吸收利用，它们呼出的二氧化碳还可为水稻的光合作用补充原料。
生物富集
土壤中的微生物能够分解有机物，这是物质循环过程中的重要一环。生态系统中的消费者能够加快物质的循环过程。那么，是不是所有物质都能较快地通过食物链回归非生物环境呢？
人类活动向环境中排放了很多有害物质，包括一些重金属，如铅（Pb）、镉（Cd）、汞（Hg）等，以及人工合成的有机化合物，如DDT、六六六等。这些有害物质一进入环境便参与生态系统的物质循环，但是它们的循环过程却与碳、氮等元素的循环过程不同。
铅是一种毒性很强的化学元素，原本以比较稳定的形式存在于环境中，但人类活动加速了铅的循环，改变了铅在环境中的分布。在煤燃烧、有色金属冶炼的过程中，铅会以直径不足0.5μm的微小颗粒被排放进入大气，然后沉降在土壤和植被表面。一部分铅颗粒随降雨进入土壤，另一部分进入水体。植物的根从土壤中吸收铅，叶片也会摄入吸附的铅。在水中生活的植物、浮游动物会直接吸收水中的铅。动物饮用含有铅的水，也会直接摄入铅。进入体内的铅，能够形成多种比较稳定的铅化合物，分布于生物体的多种组织细胞中，导致铅不易被生物体排出，从而积蓄在体内。像这样，生物体从周围环境吸收、积蓄某种元素或难以降解的化合物，使其在机体内浓度超过环境浓度的现象，称作生物富集（bio-concentration）。一旦含有铅的生物被更高营养级的动物食用，铅就会沿着食物链逐渐在生物体内聚集，最终积累在食物链的顶端（图3-11）。
相关信息
DDT，即双对氯苯基三氯乙烷，是一种人工合成的有机氯杀虫剂，它不易分解，易溶于脂肪并积累在动物脂肪中。六六六的成分是六氯环己烷，主要用于防治蝗虫、稻螟虫、蚊、蝇等。
镉、汞等重金属，DDT、六六六等有机化合物以及一些放射性物质，也存在这样的生物富集现象。由于这些有害物质可以通过大气、水和生物迁移等途径扩散到世界各地，因此，这种现象也是全球性的。
能量流动和物质循环的关系
能量流动和物质循环是生态系统的主要功能，它们同时进行，彼此相互依存，不可分割。能量的固定、储存、转移和释放，都离不开物质的合成和分解等过程。物质作为能量的载体，使能量沿着食物链（网）流动；能量作为动力，使物质能够不断地在生物群落和非生物环境之间循环往返。生态系统中的各种组成成分，正是通过能量流动和物质循环，才能够紧密地联系在一起，形成一个统一的整体。
尽管能量流动和物质循环紧密交织在一起，但是它们具有不同的特点。在物质循环过程中，非生物环境中的物质可以被生物群落反复利用；能量流动则不同，能量在流经生态系统各营养级时，是逐级递减的，而且流动是单方向不循环的。
探究实践 探究土壤微生物的分解作用
背景资料
土壤中生活着肉眼看不见的细菌、丝状真菌和呈放射状的放线菌，这些生物的数量是极其繁多的。例如，一茶匙表层土就可能含有亿万个细菌。
由于各地气候与环境等因素不同，落叶在土壤中被分解的时间也是不同的。一般在温暖、湿润的环境中需要一至数月时间。
提出问题
在本小组内交流平时观察到的有关现象，比如冬天和春天树林中落叶层的厚度有没有差别，春耕时从土壤中翻出的花生果实是什么模样，还能不能吃，等等。提出自己感兴趣的问题，在小组内讨论，确定本小组要探究的问题。
对提出的问题进行分析，说说关于这一问题你具备哪些相关的知识，比如，花生果实可能是收获时遗漏的，也可能是田鼠储藏的；不同厚度落叶层的内部温度和湿度可能不同，等等。
通过交流，你会更加明确自己想探究的是什么问题，进而确认实验的变量。
作出假设
根据自己的已有知识和生活经验，尝试对提出的问题进行解释或回答。
设计实验方案
在自然界存在许多不可控制的因素，可能影响你的判断。因此，有关分解者作用的探究，最好在实验室进行，这样可以更好地控制实验变量。
下面是两个探究案例，分析这两个案例，可能对你设计实验有所帮助。
参考案例1 落叶是在土壤微生物的作用下腐烂的吗？
以带有落叶的土壤为实验材料。采用对照实验的办法，设计实验组和对照组。对照组的土壤不做处理（自然状态）；实验组的土壤要进行处理，以尽可能排除土壤微生物的作用，同时要尽可能避免土壤理化性质的改变（例如，将土壤用塑料袋包好，放在60℃恒温箱中处理1h）。
参考案例2 探究土壤微生物对淀粉的分解作用
- 将取自农田、林地或花盆等处的土壤放入里面垫有厚纱布的烧杯中，加水搅拌，然后将纱布连同土壤一起取出。将留在烧杯中的土壤浸出液静置一段时间备用。
- 另取两个烧杯，编号为A、B，放入等量淀粉糊。在A烧杯中加入30mL土壤浸出液，B烧杯中加入30mL蒸馏水。
- 在室温（20℃左右）环境放置7d后，分别取A、B烧杯中的溶液20mL，各放入两支试管中，分别编号为AI、A2，B1、B2。
- 在A1、B1中加入碘液，在A2、B2中加入斐林试剂。
- 观察试管中溶液的颜色变化，记录实验结果。
通过小组讨论，确定本小组的实验方案。
进行实验
实验过程中要注意控制变量，让实验组和对照组除自变量以外的条件保持一致。
本实验可能等几天甚至几周以上的时间才出结果，因此要有计划地观察和记录。
分析结果，得出结论
实验结果是否支持所作的假设？实验结论是____________________________________。
