基础生态学 13物质循环ppt课件

基础生态学郑州大学生物工程系黄河首曲\n第13章生态系统中的物质循环第一节物质循环(cyclingofmaterial)的一般特点生态系统的物质循环——又称生物地球化学循环(biogeo-chemicalcycle)：指无机化合物和单质通过生态系统的循环运动（一）物质循环的模式及类型（二）水循环（三）碳循环（四）氮循环（五）硫、磷等沉积型循环（六）有毒有害物质循环——无机化合物和单质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，即物质循环(cyclingofmaterial)。\n物质循环不同于能量流动，前者在生态系统中的运动是循环的；\n（一）物质循环的模式生态系统中的物质循环可以用库（Pool）和流（flow）两个概念概括——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合物所构成物质在生态系统中的循环——实际上是在库与库之间彼此流通的\n流通量：——单位时间、单位面积内通过的营养物质的绝对值。表示方法：周转率（turnoverrate）与周转时间（turnovertime）周转率=流通率/库中营养物质总量周转时间=库中营养物质总量/流通率大气圈中几种物质的周转时间CO2约1年N2100万年H2O10.5d（年更新34次）\n全球生物地球化学循环分为三大类型，即水循环、气体型循环和沉积型循环。物质循环一般可分为两类：短循环(shortcycle)：即生态系统中的生产者，除一少部分被消费者吃掉外，绝大部分掉落在土壤表面，而被分解者分解还原为二氧化碳、水和矿盐分等。长循环(longcycle)：指绿色植物逐级经过各级消费者如食草动物、食肉动物和其他杂食动物以及寄生生物的采食、消化和排泄以及动植物的遗体进入土壤，经过食腐动物的啃食(如豺、秃鹫等)，而最后被微生物分解，物质再回到环境中去，又一次参与生态系统的物质循环。\n生物地化循环的特点①物质在生态系统中的运动是循环的；②生物地化循环可以用库和流通率两个概念来描述。库分为贮存库和交换库。贮存库特点是库容量大，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。\n生物积累(bioaccumlation):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。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。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。\n（二）生物地球化学循环的类型三大类型：水循环（watercycle）(aquaticcycle)气体型循环（gaseouscycle）——物质分子或其化合物以气体的形式参与循环过程，循环快。有CO2、氮、氧、氯、氟等（全球性较强）沉积型循环（sedimentarycycle）——物质分子或其化合主要通过岩石风化和沉积物溶解转变为可被生物利用的营养物质参与循环过程，循环速度极为缓慢。如硫、磷循环\n第二节水循环（一）全球水循环——由太阳能推动，大气、海洋和陆地共同形成的一个全球性水循环系统，是地球上各种物质循环的中心循环水循环的两种方式：——降水、蒸发特点：（1）地球降水和蒸发量总体相等（但不同地表和地区降水及蒸发量不同）蒸发量占总蒸发量%降水占总降水%海洋8477陆地1623（2）水循环可实现营养物质在生态系统间的搬运(aquaticcycle)\n数字单位:103km3/a\n西德地区的水循环示意图（ClodiusandKeller,1951）\n地球表面的总水量大约为14亿km397%包含在海洋库中淡水中：两极冰盖29000km3地下水8000km3湖泊河流100km3土壤水分100km3大气中水13km3生物体中水1km3其中大约有\n生态循环生态循环（二）生态系统中的水循环——生态系统水循环包括：截取、渗透、蒸发、蒸腾和地表径流大气圈0.15海洋陆地降水1.08蒸发0.71降水4.12蒸发4.49地表径流0.37岩石圈含水250000冰盖冰川255沉积岩含水2000地下水76.5海水13800地表水2.04单位：107kg\n全球水循环的储存和流动全球水循环的储存和流动全球水循环的储存和流动全球水循环的储存和流动\n第三节气体型循环(gaseouscycle)化泥碳煤大气中CO2CO2碳化作用石油水生植物光合作用腐烂燃料呼吸作用光合作用腐烂扩散\n（一）碳的地球化学循环——全球C贮存量约为26×1015t，绝大部分90%以上以碳酸盐的形式禁锢在岩石圈中。而只有7500×109吨是以有机态埋藏在地下(如煤、石油)。生物可直接利用的碳是水圈和大气圈中以CO2形式存在的Ccarboncycle\n②光合作用产物供各营养级利用、重组、呼吸、分解等，以CO2形式回到大气；③通过燃烧煤炭、天然气、石油等产生的CO2④脱离循环，被永久禁锢1、碳循环途径①绿色植物通过光合作用，把大气中的CO2固定，转化为碳水化合物\n\n\n1850--2006年全球温度IPCC第四次报告\n1980年至2004年全球碳排放分布\n\n2、碳在生态系统中循环不平衡引起的生态效应CO2增加，引起温室效应（greenhouseeffect），使全球变暖，将产生对6个生物层次的潜在影响：生物圈：海平面上升，淹没大片海岸湿地，陆地生物区变化生态系统：●农业生态系统——农作物减产、病虫害加重、影响牲畜食欲。●森林生态系统——导致干旱、增加森林大火风险。森林害虫增加●水生生态系统——使海洋静水层和沉淀层的微生物活动加快，水中含氧量减少，影响许多海洋动物的生存；导致藻类繁殖速度加快，使鱼类产量减少\n生物群落：影响生物群落结构，使植物群落中有些优势种竞争能力下降物种：加速物种的灭绝，及加速某些物种的迁移种群：改变某些植食性动物的食性，导致某些种群的互相作用强度增强植物个体：提高水分利用，提高光合作用，促进作物生长，改变植物形态结构3、保持碳循环相对平衡的生态对策(1)减少CO2的排放提高能源的利用效率——发电采用高效先进技术；大力发展不含碳的能源和低碳能源代替煤炭——水力发电、核能发电、充分利用各种再生能源（太阳能、风能、潮汐能等）、天然气、生物能（如沼气利用）等。(2)大力开展对CO2的吸收，固定和利用——植树种草、保护森林\n（二）氮的地球化学循环氮循环中的主要作用途径固氮作用——3条途径：闪电、宇宙射线、火山爆发等高能固氮，形成氨或硝酸盐，随降雨到达地面，为8.9kg/hm2·a工业固氮（化肥制造），目前全世界已达1×108t生物固氮（最重要途径），为100~200kg/km2·a氨化作用——由氨化细菌和真菌的作用将有机氮分解成为氨与氨化合物硝化作用——氨化合物被亚硝酸盐细菌和硝酸盐细菌氧化为亚硝酸盐和硝酸盐反硝化作用——也称脱氨作用，反硝化细菌将亚硝酸盐转变成大气氮，回到大气库中占地球固氮90%\n氮循环(nitrogencycle)陆地陆地其它动植物蓝藻浅层死有机物溶解死有机物土壤中无机氮库丢失于深层沉积中动植物活体共生或自由生活的固氮微生物死有机体陆地河流带走生物固氮大气库N2大气库HN3,NO,NO2,N2O，工业固氮（汽车,化肥,电厂）脱氮闪电化学反应海洋火山作用降水大气\n\n\n（一）磷P的地球化学循环特点：（1）P无任何形式的气体化合物，是典型的沉积型循环物质（2）具有两种存在相：岩石相溶盐相（3）循环：起始于岩石风化，终止于水中沉积第四节沉积型循环(sedimentarycycle)（phosphoruscycle）\n酸度影响植物对磷的利用。随着酸度的变化，磷的溶解度变化如下——\n磷酸盐岩溶解的磷酸盐海洋沉积磷酸盐化细菌动物植物风化开矿磷P的全球循环图示意\n\n\n（二）硫S的地球化学循环特点：（1）主要蓄库是——岩石圈，但有时可自由移动于大气圈（有气态化合物SO2）（2）具有两个循环阶段：沉积阶段（时间较长）气体阶段（时间较短）\n无机硫、岩石、化石燃料硫化物还原氧化还原氧化H2SSO2\n\n\n2004年全国降水酸度分布2004年全国降水酸度分布2004年全国降水酸度分布2004年全国降水酸度分布2004年降水年均pH值小于5.6（酸雨）的城市主要分布在华中、西南、华东和华南地区华中最严重，降水年均pH（≤5.6）酸雨城市占58.3%:湖南和江西最严重华南酸雨区:主要分布在广东以珠江三角洲为中心的东南部和广西东部华南地区酸雨污染加重西南酸雨区以四川的宜宾、南充、贵州的遵义和重庆为中心华东酸雨区分布范围较广，覆盖江苏省南部、浙江全省、福建沿海地区和上海北方:北京，天津，秦皇岛和承德，山西侯马，辽宁大连、丹东、锦州、阜新、铁岭、葫芦岛，吉林图们，陕西渭南和商洛，甘肃金昌\n城市空气质量级别比例\n\n不同降水酸度城市比例\nACIDRAININTHEWORLD\n第五节有毒有害物质循环有毒物质(toxicsubstance)又称污染物(pollutant)，按化学性质分两类。无机有毒物质主要指重金属、氟化物、和氰化物；有机有毒物质主要有酚类、有机氯药等。按污染物的作用分：一次污染物和二次污染物。一次污染物：由污染源直接排入环境的，其物理和化学性状未发生变化的污染物，又称原发性污染物；二次污染物：是由前者转化而成，排入环境中的一次性污染物在外界因素作用下发生变化，或与环境中其它物质发生反应形成新的物理化学性状的污染物，又称继发性污染物。\n有毒物质的迁移和转化迁移(transport)是重要的物理过程,包括分散、混合、稀释和沉降等；转化(transformation)主要是通过氧化、还原、分解和组合等作用，会发生物理的、化学的和生物化学的变化。\n（一）有毒有害物质循环的一般特点——有毒害物质进入生态系统，通过食物链富集或被分解的过程在食物链营养级上进行循环流动并逐级浓缩富集；在生物体代谢过程中不能被排泄而被生物体同化，长期停留于生物体内；有些有毒有害物质不能分解而相反经生态系统循环后使毒性增加\n\n1．DDT（二氯二苯三氯乙烷）DDT是一种人工合成有机氯杀虫剂，它的问世，对农业的发展起了很大作用，但它是有机毒物生态系统通过两个途径吸入人类喷洒的DDT并通过食物链加以富集：①通过植物茎叶、根系进入植物体——草食动物吃——肉食动物，逐级浓缩；②喷洒的DDT落入地面经土壤动物吃用富集——陆上动物，逐级浓缩营养级越高，富集能力越强，积累量越大。其危害主要是影响生殖，导致人类、动物产生怪胎（二）有毒有害物质循环实例\n水体中的DTT浓度约为0.00005ppm↓浮游生物0.04ppm↓刚毛藻0.08ppm↓网茅0.33ppm↓螺0.26ppm蛤0.42ppm鱼1.24ppm↓燕鸥3.42ppm↓河鸥幼体55.3ppm成体18.5ppm↓秋沙鸭22.8ppm↓鹭鸟26.4ppm↓银鸥75.5ppm图DDT在食物链中的生物放大\n鹈鹕等食鱼鸟：——吃了富集DDT（或DDT分解产物DDE）的鱼，由于DDT影响钙的代谢，卵壳很薄。鹈鹕孵卵时，卵常因经不起鹈鹕身体的重量而被压碎，因而鹈鹕数量减少动物及人等：DDT均侵袭其神经和生殖系统美国：60年代初期，有些地区人体脂肪中DDT的平均浓度超过12ppm（全国总平均浓度接近8ppm）全世界：从1972年起，已有效地禁止DDT的使用，但有些DDT仍然会在我们的环境中残留到2020年\n土壤DDT在使用率开始下降以后不久达到最高点。但是鱼中的DDT继续上升11年，直到1995年才可能下降到1970年的水平。食鱼动物中的DDT，例如鸟类和人类，对使用率减少的反应，会显示更长的滞后现象\n居民\n有机有毒物质循环\n2．汞（Hg）汞作为工业用催化剂和电极材料，不断输入生态系统。它以痕量出现在大气、土壤、岩石及动植物组织中，但通过生物浓缩从水中不到1ug/L到海藻100ug/L，到鱼体中达1122ug/L汞的危害：与神经系统某些酶类结合，产生神经错乱；与一种DNA一起发生作用的蛋白质形成专一性结合，引起汞中毒先天性缺陷。转化为有机化合物如甲基汞，毒性更强，进入人体可分布全身，尤其进入肝、肾，最后到达脑部，且不易排泄\n汞在整个生态系统中的主要循环系统有：（1）大气→土壤→植物→人畜；废水→水生植物→水生动物→人畜；（2）水→土壤→植物→人畜人畜机体中的汞在残体腐烂、分解后，又重新回到非生物系统\n汞循环(mercurycycle)火山活动化石燃烧降水挥发挥发沉积物农田风化和淋溶作用农药喷洒径流(CH3)2HgHg2＋CH3Hg鱼水生植物水鸟工厂汞的废物捕鱼由河水带走(中性pH)(酸性pH)\n土壤是汞的一个巨大的天然储存库\n放射性核素循环放射性核素可在多种介质中循环，并能被生物富集。放射性核素通过核试验或核作用物进入大气层，然后，通过降水、尘埃和其他物质以原原子状态回到地球上。人和生物既可直接受到环境放射源危害，也可因食物链带来的放射性污染而间接受害。放射性物质由食物进入人体，随血液循环遍布全身，有的放射物质在体内可存留14年之久。\n生物地化循环与人体健康地方病：自然界由于环境条件的不同，地表元素发生迁移，常造成一些元素在地表分布的不均。这种生物地化循环时常导致某些生态系统中生命元素含量的异常，或不足，或过剩，从而造成植物、动物乃至人类的疾病。这种疾病常呈区域性，故称“地方病”。微量元素循环：地方病大多数与微量元素有关。碘的循环与分布特点：碘由陆地随水进入海洋，由海洋逸出进入大气，再通过降水进入陆地，形成一个大循环。在生物中，通过海洋、陆地两个食物链保持碘的生态平衡。山区少于平原，平原少于沿海，沿海少于海洋。微量元素与人体健康：碘缺乏：缺碘症：甲状腺肿大，智力低下，影响胎儿发育等。硒缺乏：引起克山病、大骨节病，也被认为是引起癌症的主要因素。\n本章重点物质循环的模式与类型水循环特点与过程典型气体型循环：碳循环、氮循环的特点与过程沉积型循环氮循环的特点与过程毒害物质的循环特点与危害