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第6章 水的作用(3)

所以,在同一个热量带内,沿海地区空气湿润,降水量大,分布着森林植被;距离海洋较远的地区,大气降水量减少,干旱季节长,分布着草原植被;到了大陆中心,大气降水量最少,地面蒸发量大于降水量,气候极为干旱,则分布着干旱荒漠植被。植被因水分状况而由海岸向内陆成带状依次更替。动物的种类与数量,同样由湿润区向干旱区递减。生物生产率也呈现出随着降水减少而降低的规律2.植物的分布形式与地表水、地下水分布的关系水是控制生物生长与分布的最重要的因素之一,在水缺乏的干旱、半干旱区和土壤水过剩的沼泽区,尤为明显。在这些地区,生物的分布格局和形式,受地表水、地下水分布格局的影响与控制,形成了各种各样的分布形式。

植物的分布形式与水的分布形式之间的关系如下:(1)条带状分布。在沙漠或戈壁滩上,有时会看到植物呈条带状分布,形成一个绿色长廊。这往往与地下河道的分布有关,因为地下河道为植物的生长提供了比较充足的水分。在现在的河流两侧或沟谷中也会出现类似现象。植物的条带状分布与地表或地下水的条带状分布有着密切的关系。

(2)岛状分布。在沙漠或戈壁滩上,有时会看到植物集中分布在某一区域,周围仍然是茫茫沙漠或戈壁,像茫茫大海中的一个小岛,故称为岛状分布。植物的岛状分布往往与消亡的湖泊沼泽有关,因为那里地下水比较丰富。有时在局部地形比较低洼的地方,由于地下水位比较高以及容易蓄积地表水的缘故,也会出现岛状分布的植被。

(3)弧状分布。在干旱区洪积扇前缘地带,往往有地下水的流出或渗出,成为适合植物生长发育的地方。植物围绕洪积扇前缘生长,呈现弧状分布的格局,故称为弧状分布。在沙漠的新月型沙丘的丘间洼地,由于局部积水,有时也可以形成弧状分布的植被。

(4)格状分布。在沙漠地区,尤其是在格子状沙丘发育的地方,有时由于环境的变化,沙丘变为固定沙丘。由于丘间洼地地下水位高、并且容易积水,成为适合生物生长的地方。由于沙丘与丘间洼地以格子状形式交错分布,导致了生物的分布也呈现格子状形式。

(5)帽状分布。分布在荒漠中的小山包,如果高度适宜,下部由于缺水被荒漠环绕,而在山顶由于湿度增大,生长着森林或灌丛草甸。远远望去就像帽子盖在山顶上,故称为帽状分布。

(6)盆状分布。在湿润地区局部低洼的地方,由于洼地中心土壤水过剩,不利于森林的发育,多生长草本植物,发育为沼泽,而森林往往生长在周围相对较高的地方。由于中间草本植物矮小,而环绕在周围的森林比较高大,看起来就好像一个盆地,故称之为盆状分布。这种生物的盆状分布形式,同样是水的分布影响的结果。

也许生物的分布还有其他的形式,这里列举这些分布类型只是为了说明水的分布对生物分布的影响与控制。

(五)水质与生物

1.海水、淡水与生物

水的平衡调节总是同各种溶质的平衡调节密切联系在一起的,动物与环境之间的水交换经常伴随着溶质的交换。生活在淡水中的鱼不仅要解决水大量渗透到体内的问题,而且还必须不断补充溶质的损失。排泄过程不仅会丢失水,同时也会丢失溶解在水里的许多溶质。

影响动物与环境的之间进行水和溶质交换的环境因素很多,不同的动物也具有不同的调节机制,但各种调节机制都必须使动物能在各种情况下保持体内水和溶质交换的平衡,否则动物就无法生存。

(1)海洋动物。海洋是一高渗透环境,生活在海洋中的动物大致有两种渗透压调节类型。一种是动物的血液或体液的渗透浓度与海水的总渗透浓度相等或相近;另一种类型是动物的血液或体液大大低于海水的渗透浓度。与海水渗透浓度基本相同的动物,一般不会由于渗透作用而失水或得水,但随着代谢废物的排泄总会失去一部分水,因此这类动物摄取少量的水以补充。

由于等渗透动物所需要的水量很少一般不需要饮用海水,代谢水的多余部分还要靠渗透作用排出体外。

有些动物的血液渗透浓度比海水略低一些与等渗透动物相比,失水量会稍多一些,但它们也会从食物、代谢水中或直接饮用海水(伴随着排泄溶质)而摄入更多的水,还有一些动物的血液或体液的渗透浓度比海水略高一些,如海月水母、枪乌贼、海蛆)、龙虾、矛尾鱼等。对这些动物来说,体外的水会渗透到体内来,渗透速率决定于体内外的渗透压差。

这些动物不仅不需要饮水和从食物与代谢过程中摄取水,而且还需借助于排泄器官把体内过剩的水排出体外。

生活在海洋中的低渗动物,由于体内的渗透浓度与海水相差很大,如要保持体内水分平衡,就必须以食物、代谢过程或饮水来补充体内大量流失的水。

(2)低盐环境和淡水环境中的动物。生活在低盐环境和淡水环境中的动物,其渗透压调节是相似的,两种环境只是在含盐量和稳定性方面有所不同。低盐环境的渗透浓度波动较大,当生活在低盐环境中的等渗透动物游到河流入海口附近时,环境的渗透浓度下降,由于动物与环境之间的渗透浓度差进一步加大,所以动物必须对它们体内的渗透浓度进行调节。

淡水动物所面临的渗透压调节问题是最严重的,因为淡水的渗透浓度低。由于动物血液或体液渗透浓度比较高,所以水不断渗入动物体内,这些过剩的水必须不断地被排出体外才能保持体内的水平衡。此外,淡水动物还面临着丢失溶质的问题。有些溶质是随尿排出的,另一些则是由于扩散作用而丢失。丢失的溶质必须从两个方面得到弥补;一方面从食物中获得,另一方面,动物的鳃或上皮组织的表面也能主动地把钠吸收到动物体内。钠在数量上是细胞内最重要的一种溶质,其他溶质只依靠从食物中摄取就足够了。

2.水体污染与生物

水体污染对生物产生了一定的影响,并进而影响到人类。但在一定的条件下,生物对污染又具有吸收、降解的作用,生物方法成为治理水污染的有效途径之一。

由于人类活动而排放的污染物进入水体,使水体和水体底泥的物理、化学性质或生物化学性质发生变化,从而降低了水体的使用价值,这种现象称为水体污染。

水体污染的最主要原因是工业废水的排放。废水中的污染物种类极多,按其种类和性质,一般可分为四大类,即无机无毒物、无机有毒物、有机无毒物和有机有毒物。此外,对水体造成污染的还有放射性物质、生物污染物、热污染等。水体污染对生物的影响主要有以下几种类型:(1)无机无毒物。主要是指氮、磷、无机酸碱和一般无机盐,当水体中氮、磷等植物营养物质增多时,可导致藻类等水生植物过量繁殖,造成水体富营养化。酸性和碱性废水,会使水体的pH值发生变化,破坏其自然缓冲作用,妨碍水体自净。

(2)无机有毒物。主要有非重金属的氰化物、砷化物及重金属中的汞、铬等。

这些元素在水体中只要有微量的浓度即可产生毒性效应,某些重金属还可以在微生物的作用下转变为毒性更强的金属化合物;重金属不但不能被生物降解,相反却能在食物链的生物放大作用下,大量地富集。

(3)有机无毒物。有机无毒污染物多属于碳水化合物、蛋白质、脂肪等自然生成的有机物。它们易于分解,向稳定的无机物转化。

在有氧的条件下,由好氧微生物作用进行转化,其进程较快,产物多为CO2、H2O等稳定物质;在无氧条件下,则在厌氧微生物作用下进行转化,这一进程较慢,产物主要为CH4、CO2等稳定物质,同时也有硫化氢等气体产生。

有机污染物的组成非常复杂,在实际应用中多以BOD、COD、TOC、TOD等指标来表示其污染程度。

(4)有机有毒物。一般多属于人工合成的有机物,如有机氯农药、合成洗涤剂等,这一类污染物不易被微生物所分解,而且有些是致癌、致突变物质。

(5)其他污染物。还有放射性物质、生物污染物质、热污染等。放射性污染物放出β、α等射线损害生物组织,并可以蓄积在人体内部造成长期危害。

生物污染物质主要是动物和人排泄的粪便,其中含有的细菌、病菌及寄生虫等能引起各种疾病。热污染是指天然水体接受“热流出物”而使水温升高的现象。热污染可使水体温度升高,增加其化学反应速率,导致水中有毒物质的毒性作用加大,水温升高还会降低水生生物的繁殖率。

水体最易受污染,污染物中的耗氧污染物,使水体溶解氧降低,使有机物在厌氧条件下分解,放出甲烷、硫化氢、氨等,使生物窒息,甚至中毒,水体发出臭气,破坏水产养殖。营养物质能刺激藻类和水草积聚繁殖,形成水面隔光层,导致水体中下层光线减弱,生物群落发生变化,影响水生生态系统的结构和功能;无机化合物和矿物质、放射性污染物可通过食物链,影响生物的新陈代谢或遗传功能,最后危及人类。

下面再谈谈生物对污染物的吸收与降解。利用生物方法解决污染问题在目前应用较为广泛。生物方法就是利用微生物的作用,使废水中溶解性和胶体性有机污染物降解,转化为简单的物质,将有毒物质转化为无毒物质。

生物处理法分为好氧与厌氧两大类。由于好氧生物处理效率高、使用广泛,已经成为生物处理的主要方法,通常所说的生物法均指此类而言。厌氧生物处理法主要用于污泥的处理和高浓度的有机废水处理。主要有以下几个方面:(1)活性污泥法即利用人工培养和驯化的微生物群体分解废水中可供生物降解的有机物,通过生物化学反应,改变这些有机物的性质,再把它们从废水中分离出来,从而使废水得到净化的方法。

(2)生物膜法和活性污泥法一样,也是利用微生物来去除废水中有机物的方法。但在活性污泥法中,微生物处于悬浮生长状态,所以活性污泥系统又称为悬浮生长系统。而生物膜中的微生物则附着生长在某些固体物的表面,所以生物膜处理系统又称为附着生长系统。

(3)厌氧生物处理法利用兼性厌氧菌和专性厌氧菌降解有机污染物,大分子的有机物首先被水解成低分子化合物,然后被转化成甲烷、二氧化碳等。

(4)污水处理塘——生物塘是一些适宜的自然池塘、经人工改造的自然池塘,或是人工修建的池塘。这些池塘通过不同的工作原理和净化机制,诸如厌氧、好氧、兼性生物处理、水生生物净化等,以保证其排水的水量水质不超过受纳水体的自净容量。

3.水体富营养化与生物

水体富营养化是指在人类活动的影响下,生物所需要的氮、磷等营养物质大量进入湖泊、河口、海湾等水体,引起藻类及其他浮游生物迅速繁殖,水体溶解氧下降,水质恶化,鱼类及其他生物大量死亡的现象。

在自然条件下,湖泊也会从贫营养状态过度到富营养状态,不过这种自然过程非常缓慢。

而人为排放含营养物质的工业废水和生活污水所引起的水体富营养化则可以在短时间内出现。水体出现富营养化现象时,浮游藻类大量繁殖,形成水华。因占优势的浮游藻类的颜色不同,水面往往呈现蓝色、红色、棕色、乳白色等。这种现象在海洋中则叫做赤潮。

(1)生态平衡破坏与水体富营养化。在地表淡水系统中,磷酸盐通常是植物生长的限制因素,而在海水系统中是氮氨和硝酸盐限制了植物的生长以及总的生产量。导致富营养化的物质,通常是这些水域系统中,含量有限的营养物质,例如,在正常的淡水系统中磷通常是有限的,因此增加磷酸盐会导致植物的过度生长。

在海水系统中磷是不缺的,而氮含量却是有限的,因而含氮污染物就会消除这一限制因素,从而导致植物的过度生长。

生活污水和化肥、食品等工业废水以及农田排水都含有大量的氮、磷和其他无机盐。天然水体接纳这些废水后,水中营养物质增多,促使自养型生物生长,特别是蓝藻和红藻的个体数量迅速增加。藻类及其他浮游生物死亡后被需氧微生物分解,不断消耗水中的溶解氧,或被厌氧微生物分解,不断产生硫化氢等,从两个方面使水质恶化,造成鱼类和其他水生物大量死亡。藻类及其他浮游生物残体在腐烂过程中,又把大量的氮、磷等营养物质释放到水中,供新一代的藻类等生物利用。

因此,富营养化了的水体,即使切断外界营养物质的来源,水体也很难自净和恢复到正常状态。上述分析表明,水体富营养化是水体生态系统破坏的结果。

(2)水体富营养化对生物的危害。富营养化会影响水体的水质,造成水的透明度降低,使阳光难以穿透水层,从而影响水中植物的光合作用。某些自养生物的大量繁殖使溶解氧缺少,造成水生动物如鱼类的大量死亡。

同时,因为水体富营养化,水体表面生长着以蓝藻、绿藻为优势种的大量水藻,形成一层“绿色浮渣”,致使底层堆积的有机物质在厌氧条件下,分解产生的有害物质和一些浮游生物产生的生物毒素也会伤害鱼类。因富营养化水中含有硝酸盐和亚硝酸盐,人畜长期饮用这样的水也会中毒致病。

(3)生物在水体富营养化防治中的作用。利用生物代谢来消除水中的氮、磷物质是目前效果较好的方法。

现今,有些国家开始实验用大型水生植物污水处理系统净化富营养化水体。大型水生植物包括凤眼莲、芦苇、加拿大罗地、丽藻等许多种类,可根据不同的气候条件和污染物的性质进行适宜的选栽。水生植物净化水体的特点是以大型水生植物为主体,植物和根区微生物共生,产生协同效应,净化污水。

经过植物直接吸收、微生物转化、物理吸附和沉降作用除去氮、磷和悬浮颗粒,同时对重金属分子也有降解效果。水生植物一般生长快,收割和处理后可作为燃料、饲料等用途。这是目前国内外治理湖泊水体富营养化的重要途径。

近年来,有些国家采用生物控制的措施控制水体富营养化,也收到了比较明显的效果。

例如,德国近年采用了生物控制,成功地改善了一个人工湖泊的水质。其办法是在湖中投放食肉类鱼种去吞食以浮游动物为食的小鱼,几年后这种小鱼显着地减少,而浮游动物增加了,从而使作为其食料的浮游植物量减少,整个水体的透明度随之提高,细菌减少,氧气平衡的水深分布状况改善。

但同时也发现,浮游植物种群有所改变,蓝绿藻生长量比例增高,因为它们不能被浮游动物扑食,为此可以放鲢鱼来控制这种藻类的生长。

六、植被与水循环

植物对水的再分配作用是非常明显的,它可以改变局部或者区域的水分循环,影响局部或区域的大气降水,从而使水在时间与空间上重新分配。

(一)植物的蒸腾作用

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