生态学-生态系统中的物质循环课件

第四部分第3章生态系统中的物质循环(自学为主)PARTⅣChapter3Biogeochemicalcycleofecosystem\n生态系统中的物质循环(一)物质循环的概念及特点(二)物质循环的类型(三)全球水循环(四)气体型循环—全球碳循环(五)沉积型的循环——磷的全球循环\n3.1物质循环的概念及特点生物的生存不仅离不开能量的供应,也离不开各种物质和化学元素的供应。对于大多数生物来说,有大约20多种元素是它们生命活动所不可缺少的。生物所需要的糖类,虽然可以在光合作用中利用水和二氧化碳来制造,但是对于制造一些更加复杂的有机物质来说,还需要一些其他的元素,如需要大量的氮和磷,还需要少量的锌和钼等。前者被称为大量元素,后者则被称为微量元素。\n3.1物质循环的概念及特点大量元素：包括含量超过生物体干重1%以上的C、O、H、N和P等,也包括含量占生物体干重0.2%~1%的S、Cl、K、Na、Ca、Mg、Fe和Cu等。微量元素：在生物体内的含量一般不超过生物体干重的0.2%,而且并不是所有生物体内都有。属于微量元素的有Al、B、Br、Cr、Co、F、Ca、I、Mn、Mo、Se、Si、Sr、Sn、Sb、V和Zn等。生物所需要的各种物质和元素是靠生态系统的物质循环功能而获得的。\n3.1物质循环的概念及特点矿物元素在生态系统之间的输入和输出,它们在大气圈、水圈、岩圈之间以及生物间的流动和交换称生物地(球)化(学)循环(biogeochemicalcycle),即物质循环(cyclingofmaterial)●生物小循环：营养物质在生态系统中的输入输出以及在营养级间的交换过程。其特点是物质流速快、周期短。●生物地球化学大循环：指与生物生存密切相关的各种元素的全球性循环。其特点是范围大、周期长和影响面广。以上两种循环相互联系,其中生物小循环是在生物地球化学大循环的基础上进行的。\n●贮存库(storagepool)：生态系统中通常存在的一到多个营养物质贮存量大大超过结合在生命系统中的数量,并以缓慢速度释放出来的蓄库。一般是大气圈、水圈和岩石圈。●交换库(循环库)(exchangepool)：生态系统中相对元素储量少、移动快的蓄库。●流通率(fluxrate)：物质在生态系统单位面积(或单位体积)和单位时间的移动量。●周转率(turnoverrate)：指某物质出入一个库的流通率与库量之比。●周转时间(turnovertime)：指移动库中全部营养物质所需要的时间。为周转率的倒数。生态系统的物质循环实际上就是物质在库与库之间的转移。,\n物质循环中库与流通率的关系\n物质循环中库与流通率的关系\n\n3.1物质循环的概念及特点①物质循环不同于能量流动,前者在生态系统中的流动是循环式的,而后者是单方向的;②生物地化循环可以用库和流通率两个概念来描述。库是由存在于生态系统某些生物或非生物成分中一定数量的某种化学物质所构成的,可分为贮存库和交换库。前者的特点是库容量大,元素在库中滞留的时间长,流动速率小,多属于非生物成分;交换库则容量较小,元素滞留的时间短,流速较大。③生物地化循环在受人类干扰以前一般是处于一种稳定的平衡状态。④元素和难分解的化合物常发生生物积累、生物浓缩和生物放大现象。\nl生物积累(bioaccumulation):指生态系统中生物不断进行新陈代谢的过程中,体内来自环境的元素或难分解的化合物的浓缩系数不断增加的现象。l生物浓缩(bioconcentration):指生态系统中同一营养级上许多生物种群或者生物个体,从周围环境中蓄积某种元素或难分解的化合物,使生物体内该物质的浓度超过环境中的浓度的现象,又称生物富集。l生物放大(biomagnification):指生态系统的食物链上,高营养级生物以低营养级生物为食,某种元素或难分解化合物在生物机体中浓度随营养级的提高而逐步增大的现象。生物放大的结果使食物链上高营养级生物体中该类物质的浓度显著超过环境中的浓度。\n3.2物质循环的类型全球生物地球化学循环分为三大类型：水循环、气体型循环和沉积型循环。1)在气体型循环中,物质的主要储存库是大气圈和海洋,其循环与大气圈和海洋密切相关,具有明显的全球性,循环性能最为完善。2)凡属于气体型循环的物质,其分子或化合物必以气体形式参与循环过程。属于气体型循环的物质主要有O2、CO2、N、Cl、Br和F。\n3.2物质循环的类型-续3)属于沉积型循环的物质,其分子或化合物绝无气体形态,这些物质主要是通过岩石的风化和沉积物的分解转变为可利用的营养物质,而海底沉积物转化为岩石圈成分则是一个极其缓慢的、单向的物质转移过程,时间要以数千年计。沉积型循环物质的主要储存库是土壤、沉积物和岩石。因此这类物质循环的全球性不如气体循环表现的那么明显,其循环性能也很不完善。\n3.2物质循环的类型-续属于沉积型循环的物质主要有P、S、Ca、K、Na、Mg、Fe、Mn、I、Cu和Si等。其中P是较典型的沉积型循环物质,它从岩石中释放出来,最终又沉积在海底并转化为新的岩石。气体型循环和沉积型循环虽然各有特点,但都受能流的驱动并依赖于水循环。水循环在很多方面与气体循环相似,但因其特殊重要性单独算是一种类型。\n3.2物质循环的类型-续在全球水平上研究物质循环主要是研究H2O、C、O、N、P等物质或元素的全球循环过程。由于这些物质或元素对生物的极端重要性和已观察到人类对其循环的影响,是这些研究变得更为紧迫和必要。人类在生物圈水平上对物质循环过程的干扰在规模上与自然发生的过程相比是有过之而无不及,而且人类的影响已扩展到作为生物主要构成成分的C、O、N、P和H2O的生物地化循环,这些物质或元素的自然循环过程只要稍受干扰就会对人类本身产生深远的影响。\n3.3全球水循环水的主要循环路线：从地球表面(陆地和海洋)通过蒸发进入大气圈,同时又不断从大气圈通过降水而回到地球表面。蒸发和降水的动力都来自太阳,太阳是推动水在全球循环的主要动力。\n大陆上空水蒸气地表及地下径流海洋上空水蒸气\n\n3.3全球水循环-续水循环的收支平衡：每年地球表面的蒸发量和降水量是相等的,但陆地的降水量大于蒸发量,而海洋的蒸发量大于降水量,因此陆地每年都把多余的水通过河流源源不断输送给大海,以弥补海洋大量的损失。生物在全球水循环中起的作用很小,虽然植物在光合作用中要吸收大量的水,但通过呼吸和蒸腾作用又把大量的送回大气圈。\n3.3全球水循环-续地球上水资源：结合在岩石圈和沉积岩里的水占95%(不参与全球水循环),可循环水(存在于地球表面及其大气圈)仅5%(99%是海水);地球上的淡水只占地球总水量的(不包括岩石圈和沉积岩里的结合水)的3%,其中的3/4又都被冻结在两极的冰盖和冰川中。\n3.3全球水循环-续地球上水资源：河川和地下水是人类生活和生产用水的主要来源。人类每年用的河川水占河川总水量的25%,今后随着生活着生活,灌溉和工业用水量的增加,人类还将利用更多的河川水。地下水是指植物根系所达不到而且不会因为蒸发作用而受到损失的深层水。地球所蕴含的地下水约比地球上地上所有河川和湖泊中的水多38倍！\n3.3全球水循环-续地表径流的作用：能溶解和携带大量的营养物质,把它们从一个生态系统搬运到另一个生态系统,这时补充某些生态系统营养物质的不足起着重要作用。由于水总是从高处往低处流动,所以高地往往比较贫瘠,而低地比较肥沃,如沼泽地和大陆架就是这种最肥沃的低地,也是地球上生产力最高的生态系统之一。\n3.4气体型循环3.4.1碳的全球循环碳元素的贮存库：岩石、化石燃料(煤和石油)、水圈和大气圈(主要以CO2的形式)、生物圈。大气中CO2是含碳的主要气体,也是碳参与循环的主要形式。\n3.4.1碳的全球循环碳循环的基本路线：从大气贮存库到植物和动物,再从动植物通向分解者,最后又回到大气中去。在这个循环路线中,大气圈是碳(以CO2)的储存库。CO2在大气中的平均浓度是0.032%,但由于很多地理因素和和其他因素影响植物的光合作用和呼吸作用,所以大气中CO2的含量有着明显的日变化和季节变化。除了大气以外,碳的另一个储存库是海洋。海洋是一个重要的储存库,它的含碳量是大气含碳量的50倍。\n\n碳循环\n湖泊环境碳循环图解\n碳循环的调节机制：CO2在大气圈和水圈之间的界面上通过扩散作用而互相交换着,如果大气中的CO2发生局部短缺,就会引起一系列的补偿反应,水圈里溶解态的CO2就会更多地进入大气圈。同样,如果水圈里的碳酸氢根离子(HCO2-)在光合作用中被植物耗尽,也可及时从大气中得到补充;在陆地和大气之间,碳的交换(光合和分解)大体上也是平衡的。总之,碳在生态系统总的含量过高或过低,都能通过碳循环的自我调节机制而得到调整并恢复到原来的平衡状态。\n由于人类每年约向大气中释放2×1010t的CO2,从而严重干扰了陆地、海洋和大气之间CO2交换的平衡,致使大气中CO2的含量每年增加7.5×109t,这仅是人类释放到大气中CO2的三分之一,其余则被海洋和增加了的陆地植物所吸收。大气中CO2含量的持续增加会给地球上的生态环境带来什么后果,是当前科学家最关心的问题之一,也是全球环境问题的热点之一。\n3.4.2氮的全球循环氮循环的特点：循环过程非常复杂(有许多微生物参加);循环性能极为完善;与碳的循环大体相似,但有区别:大气的含量高达79%,但氮的气体形式N2一般生物不能直接利用,必须通过固氮作用将氮与氧结合成为硝酸盐河亚硝酸盐,或者与氢结合形成氨以后,植物才能利用。氮循环的基本路线：固氮、氨化、硝化、反消化(脱氮)氮贮存库：大气圈、无机盐(氨、亚硝酸盐和硝酸盐)和有机氮(尿素、蛋白质和核酸等)\n固氮作用氨化作用硝化作用反硝化作用\n氮循环\n固氮作用：将大气中氮转化为无机氮化物的过程。电化学和光化学固氮人工合成氮肥生物固氮固氮微生物：1)共生固氮生物(主要是细菌,如根瘤菌,鱼腥藻);2)自由生活的固氮生物,如蓝绿藻。\n氨化作用：氮的有机化合物——代谢物(尿素和尿酸),通过微生物的代谢作用,转化成无机化合物氨气,并释放出来。硝化作用：有机化能自养细菌将氨或铵盐转化成硝酸盐,从而获得能量,并利用这些能量获得碳。反硝化作用(脱氮作用)：硝酸盐等复杂的含氮化合物转为N2、NO、NO2\n3.4.2氮的全球循环-续氮循环的调节：全球陆地固氮和反硝化作用之间存在着差额,多余的氮主要由地表径流带入海洋中。目前,海洋氮循环基本平衡。石油等化学燃料燃烧释放的含氮废气是空气污染的主要原因之一。\n3.5沉积型循环—磷的全球循环特点：磷是没有任何气态或蒸汽态化合物的元素,因此是最典型的沉积型循环物质。沉积型循环物质都有两种存在相,即岩石相和溶盐相。这类物质的循环都是起自岩石的风化,终于水中的沉积。岩石风化后,溶解在水中的盐便随着水流经土壤进入溪、河、湖、海并沉积在海底,其中一些长期滞留在海底,另一些可形成新的地壳,风化后又再次进入循环圈。植物和动物从溶解盐中或其他生物中获得这些物质,死后又通过分解和腐败过程而使这些物质重新回到水中和土壤中。\n\n\n\n\n循环路线：磷的主要储存库是天然的磷矿,由于风化、侵蚀作用和人类的开采活动,磷才被释放出来。一些磷经由植物、植食动物和肉食动物而在生物中流动,待生物死亡和分解后又使其重返环境。在陆地生态系统中,磷的有机化合物被细菌分解为磷酸盐,其中一些又被植物吸收,另一些则转化为不能被植物吸收的化合物,陆地的一部分磷则随水流进入湖泊和海洋。\n在淡水和海洋生态系统中,磷酸盐能迅速的被浮游植物吸收,而后又转移到浮游动物和其他动物体内。浮游动物每天排出的磷量约与其生物量中所储存的磷量相等,从而使循环持续进行。浮游动物排出的磷有一半以上是可以被浮游植物重新吸收的无机磷酸盐。水体中的其他的有机磷可被细菌利用,然后又被一些小动物取食,而这些小动物可以排出磷酸盐。磷有一部分沉积在浅海,一部分沉积在深海。沉积在深海的磷有些又可以随着海水的上涌被带到光合作用海区并被浮游植物利用。由于动植物残体的下沉,常使表层海水的磷被耗尽而深水中的磷过多。\n人类的活动已对磷循环的影响：磷肥主要是来自磷矿的开采、鱼粉和鸟粪。由于土壤中含有很多钙、铁和铵离子,所以大部分用作肥料的磷酸盐都变成了不溶性的盐被固结在土壤或池塘、湖泊和海洋的沉积物中。陆地表面的水流每年大约要把2000万吨的磷从陆地带入海洋,而海洋中的磷回到陆地主要靠海底的上升运动。但这是一个漫长的间歇性的地质运动,另外,鸟通过排粪也可把海洋中的一些磷带回陆地,因为海鸟扑食海洋里的鱼,然后把富含磷的鸟粪排在海岛和大陆上,久而久之就形成了天然的磷肥沉积层,这是人类开采的重要磷肥资源之一。此外,人类通过在海洋捕鱼每年也可以把成千上万吨的磷带回陆地,但所有的这些途径都远远比不上每年从陆地流失到海洋中去的磷。因此,磷的短缺很可能会成为未来人类发展农业的重要限制因素。\n硫循环\n森林生态系统中的钙循环