[理學(xué)]基礎(chǔ)生態(tài)學(xué)第十三章 生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)

基礎(chǔ)生態(tài)學(xué)第十三章 生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)第十三章第十三章 生態(tài)系統(tǒng)中的物質(zhì)循環(huán)生態(tài)系統(tǒng)中的物質(zhì)循環(huán)13.1 13.1 物質(zhì)循環(huán)的一般特征物質(zhì)循環(huán)的一般特征13.2 13.2 全球水循環(huán)全球水循環(huán)13.3 13.3 碳循環(huán)碳循環(huán)13.4 13.4 氮循環(huán)氮循環(huán)13.5 13.5 磷循環(huán)磷循環(huán)13.6 13.6 硫循環(huán)硫循環(huán)物質(zhì)循環(huán)與能量流動(dòng)物質(zhì)循環(huán)與能量流動(dòng)物質(zhì)循環(huán)的一般特征物質(zhì)循環(huán)的一般特征n生物地生物地球化學(xué)循環(huán)球化學(xué)循環(huán)：生態(tài)系統(tǒng)從大氣、水體和土壤：生態(tài)系統(tǒng)從大氣、水體和土壤等環(huán)境中獲得營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，通過(guò)綠色植物吸收，進(jìn)入等環(huán)境中獲得營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，通過(guò)綠色植物吸收，進(jìn)入生態(tài)系統(tǒng)，被其他生物重復(fù)利用，最后再歸還于環(huán)生態(tài)系統(tǒng)，被其他生物重復(fù)利用，最后再歸還于環(huán)境中的過(guò)程。這一過(guò)程境中的過(guò)程。這一過(guò)程包括生物包括生物與非生物二者與非生物二者的參的參與與, , 同同時(shí)也包含一些地時(shí)也包含一些地質(zhì)與地理作用在內(nèi)質(zhì)與地理作用在內(nèi), , 因此因此稱為稱為生物地生物地球化學(xué)循環(huán)球化學(xué)循環(huán)n生物小循環(huán)生物小循環(huán)：環(huán)境中元素經(jīng)生物吸收，在生態(tài)系統(tǒng)：環(huán)境中元素經(jīng)生物吸收，在生態(tài)系統(tǒng)中被相繼利用，然后經(jīng)過(guò)分解者的作用再為生產(chǎn)者中被相繼利用，然后經(jīng)過(guò)分解者的作用再為生產(chǎn)者吸收、利用吸收、利用Basics of nutrient cycling生物小循環(huán)生物小循環(huán)物質(zhì)循環(huán)一般可分為兩類：物質(zhì)循環(huán)一般可分為兩類： 短循環(huán)短循環(huán)(short cycle)：即生態(tài)系統(tǒng)中的生產(chǎn)者，除一少部分被即生態(tài)系統(tǒng)中的生產(chǎn)者，除一少部分被 消費(fèi)者吃掉外，絕大部分掉落在土壤表面，而被分解者分解消費(fèi)者吃掉外，絕大部分掉落在土壤表面，而被分解者分解 還原為二氧化碳、水和礦鹽分等。還原為二氧化碳、水和礦鹽分等。 長(zhǎng)循環(huán)長(zhǎng)循環(huán)(long cycle)：指綠色植物逐級(jí)經(jīng)過(guò)各級(jí)消費(fèi)者如食草動(dòng)物、食指綠色植物逐級(jí)經(jīng)過(guò)各級(jí)消費(fèi)者如食草動(dòng)物、食 肉動(dòng)物和其他雜食動(dòng)物以及寄生生物的采食、消化和排泄以及動(dòng)植物的遺肉動(dòng)物和其他雜食動(dòng)物以及寄生生物的采食、消化和排泄以及動(dòng)植物的遺 體進(jìn)入土壤，經(jīng)過(guò)食腐動(dòng)物的啃食體進(jìn)入土壤，經(jīng)過(guò)食腐動(dòng)物的啃食(如豺、禿鷲等如豺、禿鷲等)，而最后被微生物分解，而最后被微生物分解， 物質(zhì)再回到環(huán)境中去，又一次參與生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)。物質(zhì)再回到環(huán)境中去，又一次參與生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)。 物質(zhì)循環(huán)的基本概念物質(zhì)循環(huán)的基本概念n庫(kù)：庫(kù)：q貯存一定數(shù)量元素的某種生態(tài)系統(tǒng)組分稱為該元素貯存一定數(shù)量元素的某種生態(tài)系統(tǒng)組分稱為該元素的庫(kù)的庫(kù)q生態(tài)系統(tǒng)中各組分都是物質(zhì)循環(huán)的庫(kù)生態(tài)系統(tǒng)中各組分都是物質(zhì)循環(huán)的庫(kù)q植物庫(kù)、動(dòng)物庫(kù)、土壤庫(kù)、水體庫(kù)等植物庫(kù)、動(dòng)物庫(kù)、土壤庫(kù)、水體庫(kù)等n流通率流通率：?jiǎn)挝粫r(shí)間、單位面積：?jiǎn)挝粫r(shí)間、單位面積/ /體積的物質(zhì)轉(zhuǎn)移量體積的物質(zhì)轉(zhuǎn)移量n周轉(zhuǎn)率周轉(zhuǎn)率：流通率流通率/ /庫(kù)庫(kù)中中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)總量營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)總量n周轉(zhuǎn)時(shí)間周轉(zhuǎn)時(shí)間：庫(kù)：庫(kù)中中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)總量營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)總量/ /流通率流通率物質(zhì)在庫(kù)間的流通物質(zhì)在庫(kù)間的流通n流通量、周轉(zhuǎn)率與周轉(zhuǎn)時(shí)間流通量、周轉(zhuǎn)率與周轉(zhuǎn)時(shí)間是相對(duì)于庫(kù)而言的是相對(duì)于庫(kù)而言的n生產(chǎn)者庫(kù)生產(chǎn)者庫(kù)q流通率：流通率：2020單位單位/ /天天q周轉(zhuǎn)率：周轉(zhuǎn)率：20/100=20%20/100=20%q周轉(zhuǎn)時(shí)間：周轉(zhuǎn)時(shí)間：100/20=5100/20=5天天n消費(fèi)者庫(kù)消費(fèi)者庫(kù)q流通率：流通率：4 4單位單位/ /天天q周轉(zhuǎn)率：周轉(zhuǎn)率：4/50=8%4/50=8%q周轉(zhuǎn)時(shí)間：周轉(zhuǎn)時(shí)間：50/4=12.550/4=12.5天天 影響物質(zhì)循環(huán)速率的因素影響物質(zhì)循環(huán)速率的因素元素的性質(zhì)元素的性質(zhì): CO2 1年年,N 100萬(wàn)年萬(wàn)年生物的生長(zhǎng)速率生物的生長(zhǎng)速率有機(jī)物質(zhì)腐爛的速率有機(jī)物質(zhì)腐爛的速率人類活動(dòng)的影響人類活動(dòng)的影響生物地球化學(xué)循環(huán)的類型生物地球化學(xué)循環(huán)的類型n氣體型循環(huán)氣體型循環(huán)q貯存庫(kù)是大氣和海洋貯存庫(kù)是大氣和海洋q有氣體形式的分子參與循環(huán)過(guò)程有氣體形式的分子參與循環(huán)過(guò)程q循環(huán)速度快，例如循環(huán)速度快，例如COCO2 2、N N2 2、O O2 2等等n沉積型循環(huán)沉積型循環(huán)q貯存庫(kù)是巖石、土壤和沉積物貯存庫(kù)是巖石、土壤和沉積物q沒(méi)有氣體形式的分子參與循環(huán)過(guò)程沒(méi)有氣體形式的分子參與循環(huán)過(guò)程q循環(huán)速度慢，時(shí)間以千年計(jì)算，例如循環(huán)速度慢，時(shí)間以千年計(jì)算，例如P P、CaCa、MgMg等等n水循環(huán)水循環(huán)q水的全球循環(huán)過(guò)程水的全球循環(huán)過(guò)程q生態(tài)系統(tǒng)中所有的物質(zhì)循環(huán)都離不開(kāi)水循環(huán)的推動(dòng)生態(tài)系統(tǒng)中所有的物質(zhì)循環(huán)都離不開(kāi)水循環(huán)的推動(dòng)13.2 全球水循環(huán)全球水循環(huán) 地球表面的總水量大約為地球表面的總水量大約為1414億億kmkm3 3, , 其中大約有其中大約有97%97%包含在海包含在海洋庫(kù)中。洋庫(kù)中。 淡水中：淡水中：兩極冰蓋兩極冰蓋29 000 km29 000 km3 3、地下水、地下水8 000 km8 000 km3 3 、湖泊河流湖泊河流100 km100 km3 3 、土壤水分土壤水分100 km100 km3 3 、大氣中水大氣中水13 km13 km3 3 、生物體生物體中水中水1 km1 km3 3 。水分的大循環(huán)與小循環(huán)：水分的大循環(huán)與小循環(huán)：The Hydrologic Cycle(40)(71)(111)(385)(425)(40)103km3生態(tài)系統(tǒng)中的水循環(huán)生態(tài)系統(tǒng)中的水循環(huán)降雨降雨截留截留穿透雨穿透雨蒸騰蒸騰滲透滲透土壤吸收土壤吸收地表地表徑流徑流地下徑流地下徑流消費(fèi)者消費(fèi)者地面蒸發(fā)地面蒸發(fā)13.3 13.3 碳循環(huán)碳循環(huán)n碳的重要性碳的重要性：生命元素、能量流動(dòng)：生命元素、能量流動(dòng)n碳庫(kù)碳庫(kù)：海洋和大氣、生物體：海洋和大氣、生物體n碳的存在形式碳的存在形式：COCO2 2，無(wú)機(jī)鹽，有機(jī)碳，無(wú)機(jī)鹽，有機(jī)碳n主要循環(huán)過(guò)程主要循環(huán)過(guò)程q生物的同化和異化過(guò)程生物的同化和異化過(guò)程q大氣和海洋間的大氣和海洋間的COCO2 2交換交換q碳酸鹽的沉淀作用碳酸鹽的沉淀作用n人類活動(dòng)對(duì)碳循環(huán)造成嚴(yán)重影響，引起氣候變化的人類活動(dòng)對(duì)碳循環(huán)造成嚴(yán)重影響，引起氣候變化的主要原因主要原因海洋和大氣CO2調(diào)節(jié)CO2CO2溶于海水H2CO3水體中生物H+CO32- CaCO3海底沉積物The Carbon CycleThe Carbon Cycle9290750611015gCCarbon accumulationnCO2 has increased from its pre-industrial leveln data: recent records plus older data such as ice coresn mostly fossil fuel burning溫室效應(yīng)溫室效應(yīng)n溫室效應(yīng)（溫室效應(yīng)（ Greenhouse effectsGreenhouse effects ）：大氣中對(duì)長(zhǎng)：大氣中對(duì)長(zhǎng)波輻射具有屏蔽作用的溫室氣體濃度增加使較多的輻射能波輻射具有屏蔽作用的溫室氣體濃度增加使較多的輻射能被截留在地球表層而導(dǎo)致溫度上升被截留在地球表層而導(dǎo)致溫度上升n溫室氣體溫室氣體：二氧化碳：二氧化碳(CO(CO2 2) )、甲烷、甲烷(CH(CH4 4) )、氧化亞氮、氧化亞氮(N(N2 2O)O)、六氟化碳六氟化碳(SF(SF6 6) )、氟氯碳化物、氟氯碳化物 (CFCs)(CFCs)、氫氟碳化物、氫氟碳化物(HFCs(HFCs) )等等n溫室效應(yīng)的影響溫室效應(yīng)的影響q海平面上升，淹沒(méi)陸地海平面上升，淹沒(méi)陸地q全球氣候經(jīng)常發(fā)生暴雨或干旱全球氣候經(jīng)常發(fā)生暴雨或干旱q土地沙漠化，生態(tài)環(huán)境改變土地沙漠化，生態(tài)環(huán)境改變CO2排放13.4 13.4 氮循環(huán)氮循環(huán)n氮的重要性氮的重要性n氮庫(kù)：大氣、土壤、陸地植被氮庫(kù)：大氣、土壤、陸地植被n生物可利用的氮的形式：生物可利用的氮的形式：NONO3 32-2-、NONO2 22-2-、NHNH4 4+ +生物圈中氮生物圈中氮(10(106 6噸噸) )的分布的分布大氣大氣 3 3，800800，000000陸地有機(jī)質(zhì)陸地有機(jī)質(zhì) 772772活有機(jī)體活有機(jī)體 1212死有機(jī)體死有機(jī)體 760760非有機(jī)氮（陸地）非有機(jī)氮（陸地） 140140地殼地殼 1414，000000，000000海洋水中海洋水中 20，000海洋有機(jī)體海洋有機(jī)體 901活有機(jī)體活有機(jī)體 1死有機(jī)體死有機(jī)體 900非有機(jī)體氮（海洋）非有機(jī)體氮（海洋） 100沉積物沉積物 4，000，000 無(wú)機(jī)氮總量無(wú)機(jī)氮總量=1，673 有機(jī)氮總量有機(jī)氮總量=21，820，240 氮的循環(huán)氮的循環(huán)1012gN固氮作用固氮作用（nitrogen fixation）（下） 氨化作用氨化作用（ammonification） 硝化作用硝化作用（nitrification）反硝化作用反硝化作用（denitrification） 氮循環(huán)的主要過(guò)程氮循環(huán)的主要過(guò)程蛋白質(zhì)水解氨基酸碳氧化氨（NH3）氨氧化硝酸鹽亞硝酸鹽氮?dú)夤痰饔霉痰饔胣類型類型q閃電、宇宙射線、火山爆發(fā)等高能固氮閃電、宇宙射線、火山爆發(fā)等高能固氮q工業(yè)固氮：工業(yè)固氮：400400攝氏度，攝氏度，200200大氣壓下大氣壓下q生物固氮：固氮菌、與豆科植物共生的根瘤菌生物固氮：固氮菌、與豆科植物共生的根瘤菌和藍(lán)藻等自養(yǎng)和異養(yǎng)微生物和藍(lán)藻等自養(yǎng)和異養(yǎng)微生物n意義意義q平衡反硝化作用平衡反硝化作用q對(duì)局域缺氮環(huán)境有重要意義對(duì)局域缺氮環(huán)境有重要意義q使氮進(jìn)入生物循環(huán)使氮進(jìn)入生物循環(huán)13.5 13.5 磷循環(huán)磷循環(huán)n磷循環(huán)屬典型的沉積循環(huán)磷循環(huán)屬典型的沉積循環(huán)n磷以不活躍的地殼作為主要貯存庫(kù)磷以不活躍的地殼作為主要貯存庫(kù)n磷的循環(huán)過(guò)程磷的循環(huán)過(guò)程q巖石經(jīng)土壤風(fēng)化釋放的磷酸鹽和農(nóng)田中施用的磷肥，巖石經(jīng)土壤風(fēng)化釋放的磷酸鹽和農(nóng)田中施用的磷肥，被植物吸收進(jìn)入植物體內(nèi)被植物吸收進(jìn)入植物體內(nèi)q沿食物鏈傳遞，并以糞便、殘?bào)w或直接以枯枝落葉、沿食物鏈傳遞，并以糞便、殘?bào)w或直接以枯枝落葉、秸稈歸還土壤秸稈歸還土壤q含磷有機(jī)化合物經(jīng)土壤微生物的分解，轉(zhuǎn)變?yōu)榭扇苄院子袡C(jī)化合物經(jīng)土壤微生物的分解，轉(zhuǎn)變?yōu)榭扇苄缘牧姿猁}，可再次供給植物吸收利用，這是磷的生物的磷酸鹽，可再次供給植物吸收利用，這是磷的生物小循環(huán)。小循環(huán)。q一部分磷脫離生物小循環(huán)進(jìn)入地質(zhì)大循環(huán)一部分磷脫離生物小循環(huán)進(jìn)入地質(zhì)大循環(huán)n動(dòng)植物遺體在陸地表面的磷礦化動(dòng)植物遺體在陸地表面的磷礦化n磷受水的沖蝕進(jìn)入江河，流入海洋磷受水的沖蝕進(jìn)入江河，流入海洋 BIOGEOCHEMICAL CYCLE - PHOSPHORUS磷的循環(huán)磷的循環(huán)1012gP一個(gè)池塘生態(tài)系統(tǒng)的磷循環(huán)一個(gè)池塘生態(tài)系統(tǒng)的磷循環(huán)生態(tài)系統(tǒng)的磷循環(huán)13.6 硫循環(huán)硫循環(huán)酸雨的形成ACID RAIN IN THE UNITES STATESACID RAIN IN THE WORLD鎘循環(huán)鎘循環(huán) 有毒有害物質(zhì)循環(huán)有毒有害物質(zhì)循環(huán)n有毒有害物質(zhì)循環(huán)：對(duì)有機(jī)體有毒有害物有毒有害物質(zhì)循環(huán)：對(duì)有機(jī)體有毒有害物質(zhì)進(jìn)入生態(tài)系統(tǒng)后，沿著食物鏈在生物體質(zhì)進(jìn)入生態(tài)系統(tǒng)后，沿著食物鏈在生物體內(nèi)富集或被分解的過(guò)程內(nèi)富集或被分解的過(guò)程n生物放大作用：某些物質(zhì)當(dāng)他們沿食物鏈生物放大作用：某些物質(zhì)當(dāng)他們沿食物鏈移動(dòng)時(shí)，既不被呼吸消耗，又不容易被排移動(dòng)時(shí)，既不被呼吸消耗，又不容易被排泄，而是濃集在有機(jī)體的組織中，這一現(xiàn)泄，而是濃集在有機(jī)體的組織中，這一現(xiàn)象稱為生物放大作用象稱為生物放大作用 BIOMAGINIFICATION OF DDT 元素循環(huán)的相互作用（element cycles interaction）元素之間的循環(huán)不是彼此獨(dú)立地，而是在自然界中密切關(guān)聯(lián)和相互作用著的，而且表現(xiàn)在不同的層次上。 小結(jié)：小結(jié)：全球生物地球化學(xué)循環(huán)分為哪幾類，其特點(diǎn)是什么？全球生物地球化學(xué)循環(huán)分為哪幾類，其特點(diǎn)是什么？ 碳循環(huán)的意義和主要過(guò)程是什么？碳循環(huán)的意義和主要過(guò)程是什么？ 試論述生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)和能量流動(dòng) 完完