3 第 三 章 天然林保护的理论基础

第三章天然林资源保护的理论基础现代森林经营就是对森林生态系统的调控管理。

它涉及森林发生、发展和变化，以及人为培育的全部过程。

所以森林生态系统的理论是天然林保护的理论基础，也是森林可持续经营、林业可持续发展的理论依据。

因此，本章将作为重点进行论述。

第一节森林生态系统的基本理论森林是陆地生态系统的主体，在地球生物圈中担当着重要角色，与人类有着密切不可分的关系，一方面它是人类生存发展的重要自然资源；另一方面它对改善环境、维护生态平衡起着决定性作用。

这两方面都是当今人类社会可持续发展的重要条件。

一、森林生态系统的概念（一）生态系统的概念在自然界中，生物（植物、动物、微生物）的生存与环境（阳光、温度、水分、空气、土壤、生物）发生着密切的关系。

因为生物在其生活的过程中，必须从环境中获取必须的能量和物质，用来建造自身和维持生命活动，与此同时又要将新陈代谢过程中产生的某些物质归还给环境。

例如，绿色植物利用阳光把二氧化碳、水和矿质养分制造成有机物质。

食草动物取食绿色植物，食肉动物又以食草动物为食物来源。

微生物是依靠分解动植物或粪便而生存。

各种生物通过代谢作用又将二氧化碳、水和矿质营养元素归还到环境中去。

环境因子之间也是密切关联的，一个因子的变化会引起其它一系列因子的相应变化。

例如，光照增强，气温便随之升高，大气相对湿度减小，土壤水分蒸发随之加快等等。

环境因子不是单独作用于生物的，它们总是综合在一起作用于生物的。

因此，生物与生物、生物与环境，总是不可分割的联系在一起的，它们通过能量转换、物质转移和信息传递等联系从而结合成为一个统一的整体，这种统一整体就是生态系统。

由于这种统一整体都是在一定时间和空间中形成并不断发展变化着，所以生态系统的定义可以概括为：在一定时间和空间（或地域）内，生物与生物之间，生物与物理环境之间相互作用，通过能量转换、物质循环和信息传递，所形成的具有特定营养结构的相对稳定的功能单位（图3—1）。

生态系统一词是一个广泛的概念，而不是指一个具体的实体。

例如，一片农田、一片草地、一片林分、一架山、一条河的流域都是生态系统。

地球上各种各样的生态系统联合在一起，就形成了最大的生态系统——生物圈。

可见生态系统这一词，适用于任何等级（指生态系统的大小及复杂程度）和类别的生态系统。

图3—1 一个自然生态系统的示意图每个实体生态系统既然都是一个功能单位，那么它就是有边界、有范围的，自然也有相对的独立性。

其边界、范围显然都是根据所要研究的问题人为划分的。

这种划分有利于人们从不同角度认识和了解一个系统内部各组成成分之间的相互关系，及其与相邻各系统之间的联系，以便有效地对该系统进行管理和调控。

（二）森林生态系统的概念森林生态系统是生态系统的一种类别。

它与其它各类生态系统的最基本区别在于它的主要生物成分是由乔木树种的群体构成。

树木群体是系统中的主要生产者，并支配、制约和影响着其它生物成分的生存和物理环境的变化。

因此，森林生态系统是以乔木为主体，具有一定面积、空间和密度，在林木之间、林木与各种生物以及非生物环境之间，相互依存、相互制约，通过能量流、物质流和信息流组织起来的功能单位。

简而言之，以乔木树种群体占支配地位的生态系统，就是森林生态系统。

森林生态系统也是一个较为广泛的概念，它是各种等级和不同类别的森林生态系统的总称。

例如，就全球而言，森林生态系统有北方针叶林、温带针叶林、半常绿热带林、常绿热带林等生态系统，而最小的森林生态系统可以是某一树种或某几个树种组成的一片林分。

二、森林生态系统的组成成分森林生态系统是以乔木为主体的生物群落与环境密切联系构成的统一整体。

这一定义，表明森林生态系统由有生命部分（生物）和非生命部分（物理环境）两大部分构成。

（一）有生命部分（生物组成部分）在森林生态系统中，根据各类生物在能量转换、物质循环中的作用和营养方式不同，可以将它们划分为生产者、消费者和分解者三个类群。

1、生产者生产者指绿色植物，亦称自养生物。

主要成分是乔木树种，其次是灌木和草本植物。

森林土壤中某些能进行光合作用的微生物，具有化能合成的细菌也属于生产者。

绿色植物通过光合作用生产碳水化合物，把太阳能转化为化学能贮存起来，为系统内其它生物提供生活所必须的物质和能量。

乔木群体的生长发育，对系统的形成发展发挥着主导作用。

2、消费者消费者亦称异养生物。

是指直接或间接利用绿色植物有机体作为食物来源的各种动物，以及某些腐生和寄生的菌类。

根据食性不同和取食的先后，将它们划分为5个类群：（1）草食动物。

指以植物的枝、叶、果实、种子和凋落物为食获得营养和能量的动物。

例如：兔、鹿、熊猫、牛等，以及大多数昆虫、某些鱼类和浮游动物等。

由于植物制造的有机物质首先被它们取食，故这类消费者也叫初级消费者。

（2）消费者。

指以草食动物或弱小动物为食物来源的动物类群。

例如：虎、豹、狼、猫头鹰等。

由于它们的营养间接来源于植物，故又叫次级消费者。

（3）寄生动物。

指寄生于动物体或植物体，靠吸取宿主营养为生的动物类群。

例如：赤眼蜂寄生在松毛虫或螟虫的卵中，从卵中吸取营养而生长发育。

天牛寄在杨、栎等树干中取食而发育成成虫。

这类动物主要是一些有害的昆虫。

（4）腐食动物。

指以腐烂的动物和植物残体为食的动物类群。

例如：蝇蛆、秃膺等。

这类动物在生态系统中可以起到一定还原者的作用。

（5）杂食动物。

指既取食动物又取食植物的动物类群。

例如：麻雀、鲤鱼、熊等。

3、分解者分解者又称还原者。

也属于异养生物，主要指微生物，也包括某些以有机碎屑为食的动物和腐食性动物。

例如：甲虫、白蚁、蚯引等。

它们以动物和植物的残体或排泄物作为维持生命活动的能源，并把有机物质分解为无机物归还到环境中去，供给生产者再度吸收利用。

因而分解者在生态系统中起着非常重要的作用。

（二）非生物环境部分（物理环境部分）非生物环境部分是生态系统中生物生命活动的场所，更是其生存所必须的物质和能量的源泉。

其主要构成是：1、太阳辐射能太阳辐射能是自然界的主要能量来源。

它为自养生物进行光合作用制造有机物质提供了必须的能量，并为地球所有生物的生存提供了温热环境。

2、无机物质无机物质一部分存在于大气中，如氧、二氧化碳、氮、水及其它物质；另一部分在存在于土壤、岩石中，如氮、磷、钾、硫、钙、水、氧和二氧化碳等。

3、有机化合物有机化合物是联接生物和非生物部分的物质，如蛋白质、糖类、脂类和腐殖质等。

总之，一个完整的生态系统是由环境、生产者、消费者和分解者四部分构成。

各组成部分都有其独特的作用，并以营养关系联系在一起。

由于各组成成份职能在生态系统中的地位和作用不同，又可将它们分为基本成分和非基本部分。

绿色植物进行的是初级生产，是其他生物赖以生活的物质基础。

分解者是物质循环的推动者，没有它的还原作用，生态系统就无法运转。

因之，这二者都是基本成分。

然而，没有各类动物消费者的存在生态系统仍然可以正常运转，故而是非基本成分。

三、森林生态系统中的能量转换与物质循环研究森林生态系统中的能量转换及物质循环的过程和规律，在于阐明生态系统中能量输入、贮存，以及林生物之间、生物与环境之间的物质交换机制，以便正确处理它们之间的相互关系，实现对系统合理调控，从而提高能量和物质的利用率，消少损耗，保证优质高产。

（一）森林生态系统中的能量转换能量在系统中转换的过程亦称能量流动。

能量流动是指能量由物理环境经生物有机体，再到环境的一系列转移过程。

它始于绿色植物对太阳能的捕获和转化，结束于有机化合物的完全分解，其主要途径可以用下列图式表达。

热能热能、机械能热能、机械能太阳能绿色植物化学能草食植物化学能肉食动物热能能量流动的第一条途径是沿草牧链进行转化的过程。

从太阳能被绿植物固定开始，通过各营养级将上一级转化来的能量分为固定（构成各级动物有机体组织）、损耗（各级动物在生命活动中呼吸所消耗的能量）和还原（各级动物残体、排泄物等由分解者分解而释放的能量）三部分，在这个过程中能量逐级损失，产量逐级下降，最终将绿色植物固定的能量全部归还于非生物环境。

能量流动的第二条途径是沿腐解链进行的腐化过程。

即各种死亡的生物有机体、排泄物和其它遗弃部分，经腐解生物分解，将植物和动物固定的能量，最终完全以热的形式归还于非生物环境的过程。

能量在生态系统中由各生物有机体贮存起来的过程，可称为第三能流。

例如，森林中大量的木材蓄积、其它植物的纤维都贮存着巨额的能量。

但这种以生物有机体形式贮存起来的能量，不论经历多么长久的时间，最终总是都要被腐解归还到物理环境中去。

这个过程与第二条途径没有本质区别，故常不单独提出。

2、能量转换的基本规律（1）生态系统中的能量转换遵循于热力学第一、第二定律太阳辐射能进入生态系统后，一部分被各种不同类型的生物直接或间接利用，转化为热能和动能，归还于环境。

还有一部分被地面、水面和动植物体表面接收，成为热能使其增温，引起水分蒸散和空气运动，热能转换为动能。

太阳的辐射能在生态系统中其形态的不断变化，它的输入量总是等于现存量和归还量。

因此，能量在生态系统中流动的过程中，既没有被创生，也没有被消灭，其数量始终是守恒的，即服从于热力学第一定律。

太阳光能是沿着食物链各营养级逐级传递的，是个有固定方向的流动，并从集中的形式递降为分散的形式。

能量在逐级传递过程中，总有一部分作为不可利用的热能被耗散，因此能量的转化效率不可能是百分之百。

太阳能转化为植物、动物体内的化学能，通常仅只有千分之几，甚或万分之几，而绝大部分难以被利用，以热能的形式耗散于环境。

可见进入生态系统中的能量总是在不断地衰变，即能量流动服从热力学第二定律。

（2）百分之十定律在研究绿色植物固定的能量在各营级之间的定量分配关系时，Lindeman发现在草牧链中后一个营养级仅只能从前一个营养级中获得其生产量的十分之一左右，这就是十分之一定律。

此后的许多研究表明，这种能量转换效率的变化幅度在5—20%之间。

所以一个稳定的森林生态系统一般只能支持3—4个营养级的动物群体。

换句话说，食物链一般都不能超过5个营养级。

（二）森林生态系统中的物质循环在生态系统中，物质是生命活动的基础，又是能量的载体。

能量和物质是同时沿着食物链流动、传递的。

自然界中生物生命活动所必须的化学元素，在环境和生物体之间的往复运动，称为物质循环。

这种循环的范围和过程相当复杂，有些化学养分元素主要在生物与大气之间循环；有些则是在生物和土壤之间循环；也有这两种兼而有之的循环。

同时，生物体内的养分，还可在体内不同组织中循环。

因此可将养分元素的循环划分为：地球化学循环、生物地球化学循环和生物化学循环三个类型。

1、地球化学循环地球化学循环是指不同生态系统之间的化学元素交换过程。

这种循环的特点是循环的空间范围广，甚至是全球性的大循环。

一般不会重复同一路线。