生态系统中的物质循环.ppt
chapter12 生态系统中的物质循环,物质循环的一般特征全球水循环碳循环氮循环磷循环硫循环,物质循环与能量流动,生态系统中的能量流与物质流特征的比较,物质循环(cycling of material)的一般特征,生物地球化学循环：生态系统从大气、水体和土壤等环境中获得营养物质，通过绿色植物吸收，进入生态系统，被其他生物重复利用，最后再归还于环境中的过程。这一过程包括生物与非生物二者的参与,同时也包含一些地质与地理作用在內,因此称为生物地球化学循环。属于闭合式循环生物小循环：环境中元素经生物吸收，在生态系统中被相继利用，然后经过分解者的作用再为生产者吸收、利用。属于开放式循环,Basics of nutrient cycling,生物小循环,物质循环一般可分为两类,短循环(short cycle)：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(long cycle)：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,物质循环的基本概念,库：贮存一定数量元素的某种生态系统组分称为该元素的库生态系统中各组分都是物质循环的库植物库、动物库、土壤库、水体库等；库可以分为：储存库:容积大，物质交换活动缓慢(一般为环境成分)交换库:容积小，交换快(一般为生物成分)流:物质在库与库之间的转移运动状态流通率：单位时间、单位面积/体积的物质转移量周转率：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,物质在库间的流通,流通量、周转率与周转时间是相对于库而言的生产者库流通率：20单位/天周转率：20/100=20%周转时间：100/20=5天消费者库流通率：4单位/天周转率：4/50=8%周转时间：50/4=12.5天,在一个面积为4英亩的池塘生态系统中，库与流通率的模式图,影响物质循环速率的因素,元素的性质：有的元素循环的速率快，而有的则比较慢，这是元素化学特性和被生物有机体利用的方式不同所决定的。如CO2 1年；N 100万年生物的生长速率：决定生物对物质吸收的速率以及物质在食物网中运动的速度,影响物质循环速率的因素,有机物质腐烂的速率：适宜的环境有利于分解者的生存，并使有机体很快分解，供生物重新利用人类活动的影响：开垦农田和砍伐森林引起土壤矿物质的流失，影响物质循环速率化石燃烧把硫和二氧化硫释放大气中,生物地球化学循环的类型,气体型循环贮存库是大气和海洋有气体形式的分子参与循环过程循环速度快，例如CO2、N2、O2等沉积型循环贮存库是岩石、土壤和沉积物没有气体形式的分子参与循环过程循环速度慢，时间以千年计算，例如P、Ca、Mg等水循环水的全球循环过程生态系统中所有的物质循环都离不开水循环的推动,气相型循环和沉积型循环的区别,全球水循环,水循环是太阳能推动，在陆地、大气和海洋间循环地表总水量：1.4109km3，海洋约占97%水的循环：陆地：蒸发(蒸腾)71,000km3，降水111,000km3，径流40,000km3海洋：蒸发425,000km3，降水385,000km3淡水中：两极冰盖29 000 km3、地下水8 000 km3、湖泊河流100 km3、土壤水分100 km3、大气中水13 km3、生物体中水1 km3,The Hydrologic Cycle,生态系统中的水循环,水循环(aquatic cycle),水循环的意义水是所有营养物质的介质水对物质是很好的溶剂水是地质变化的动因之一人类活动对水循环的影响空气污染和降水；改变地面，增加径流水的再分布；修筑水库、塘堰围湖造田又使自然蓄水容积减小地下水的过度开采利用，使某些人口集中的地区出现了地下水位和水质量的下降,碳 循 环,碳的重要性：生命元素、能量流动碳库：海洋和大气、生物体碳的存在形式：CO2，无机盐，有机碳主要循环过程生物的同化和异化过程大气和海洋间的CO2交换碳酸盐的沉淀作用人类活动对碳循环造成严重影响，引起气候变化的主要原因,碳 循 环 途 径,在光合作用和呼吸作用之间的细胞水平上的循环大气CO2和植物体之间的个体水平上的循环；大气CO2植物动物微生物之间的食物链水平上的循环碳以动植物有机体形式深埋地下，在还原条件下，形成化石燃料，于是碳便进入了地质大循环当人们开采利用这些化石燃料时，CO2被再次释放进入大气,海洋和大气CO2调节,全球的植被和海洋是大气中CO2两个重要的调节器大气中CO2浓度增加时，会有更多气体溶于海水。相反，大气CO2减少，海水中CO2又返回大气。,The Carbon Cycle,The Carbon Cycle,碳循环(carbon cycle)图解,温 室 效 应,温室效应(Greenhouse effects)：大气中对长波辐射具有屏蔽作用的温室气体浓度增加使较多的辐射能被截留在地球表层而导致温度上升温室气体：二氧化碳(CO2)、甲烷(CH4)、氧化亚氮(N2O)、六氟化碳(SF6)、氟氯碳化物(CFCs)、氢氟碳化物(HFCs)等温室效应的影响海平面上升，淹沒陆地全球气候经常发生暴雨或干旱土地沙漠化，生态环境改变,Incoming sunlight warms the surface of the Earth and is radiated back to atmosphere.Greenhouse gases absorb some of this heat,trapping it in the atmosphere.,GREENHOUSE EFFECT,Carbon accumulation,CO2 has increased from its pre-industrial leveldata:recent records plus older data such as ice coresmostly fossil fuel burning,CO2排放,氮 循 环,氮的重要性 氮库：大气、土壤、陆地植被 生物可利用的氮的形式：NO32-、NO22-、NH4+氮循环的主要过程固氮作用氨化作用硝化作用反硝化作用,氮 循 环,据统计，物理化学(电化学和光化学)的固氮量平均7.6106吨/年,生物固氮量为54106吨/年。2000年时，化肥的产量达到80106吨,生物圈中氮(106吨)的分布,The Nitrogen Cycle,氮的循环,1012gN,氮的循环图解,固 氮 作 用,类型闪电、宇宙射线、火山爆发等高能固氮工业固氮：400摄氏度，200大气压下生物固氮：固氮菌、与豆科植物共生的根瘤菌和蓝藻等自养和异养微生物意义平衡反硝化作用对局域缺氮环境有重要意义使氮进入生物循环,生态系统中的氮循环,生态系统中氮循环,氨化作用、硝化作用和反硝化作用,氨化作用：由氨化细菌和真菌的作用将有机氮分解成为氨和氨化合物，氨溶水成为NH4+，为植物利用硝化作用：在通气良好的土壤中，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，供植物吸收利用反硝化作用：反硝化细菌将亚硝酸盐转变成氮气，回到大气库中,全球人口和活性氮趋势,人类对氮循环的影响,化肥的使用矿物燃料的燃烧:城市化的发展,磷 循 环,磷循环属典型的沉积循环磷以不活跃的地壳作为主要贮存库磷的循环过程岩石经土壤风化释放的磷酸盐和农田中施用的磷肥，被植物吸收进入植物体内沿食物链传递，并以粪便、残体或直接以枯枝落叶、秸秆归还土壤含磷有机化合物经土壤微生物的分解，转变为可溶性的磷酸盐，可再次供给植物吸收利用，这是磷的生物小循环一部分磷脱离生物小循环进入地质大循环动植物遗体在陆地表面的磷矿化磷受水的冲蚀进入江河，流入海洋,Phosphate leaches from phosphate-rich rocks or from fertilizers and enters plants and other producers where it is incorporated into biological molecules.These are passed through the trophic levels.,BIOGEOCHEMICAL CYCLE-PHOSPHORUS,CYCLE-PHOSPHORUS,磷的循环,1012gP,一个池塘生态系统的磷循环,磷循环沉积型循环,硫循环（sulfur cycle）,硫循环（sulfur cycle）,生态系统中硫循环,酸雨的形成,ACID RAIN IN THE UNITES STATES,The most acidic rain is concentrated in the northeast,but thousands of lakes in the west are also vulnerable.,ACID RAIN IN THE WORLD,伦敦烟雾事件,伦敦1952年2月5日到8日，雾大无风，家庭和工厂排出的烟尘经久不散，大气中SO2含量3.8毫克/立方米，烟尘4.5毫克，居民普遍呼吸困难、咳嗽、喉痛、呕吐和发烧，4天内死亡约4000人,切尔诺贝利核泄漏事件,伦敦烟雾事件,有毒有害物质循环,有毒有害物质循环：对有机体有毒有害物质进入生态系统后，沿着食物链在生物体内富集或被分解的过程生物放大作用：某些物质当他们沿食物链移动时，既不被呼吸消耗，又不容易被排泄，而是浓集在有机体的组织中，这一现象称为生物放大作用,有毒物质的类型,有毒物质(toxic substance)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。前者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；后者是由前者转化而成，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(继发性污染物),有毒物质的迁移和转化,迁移是重要的物理过程,包括分散、混合、稀释和沉降等转化主要是通过氧化、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进入生态系统的途径：被人们直接抛弃到环境通过冶炼、加工制造、化学品的贮存与运输进入生态系统通过日常生活、农事操作等过程进入生态系统 有毒物质进入生态系统后，就会沿着食物链在生物体内富集浓缩，愈是上面的营养级，生物体内有毒物质的残留浓度愈高,有毒有害物质循环的实例,DDTDDT是人工合成的有机氯杀虫剂DDT不溶于水，而溶于脂肪，极易通过食物链而浓集DDT通过食物链进入动物体后，使钙代谢功能丧失，从而使鸟类蛋壳变薄，雌鸟孵卵时将蛋压破，从而使禽类的数量减少危害消灭害虫的同时，无选择地将益虫、益鸟和害虫的天敌杀死如美国加利福尼亚州，由于滥用DDT，1967年有19%的蜜蜂被杀死，导致水果和蜂蜜急剧减产,BIOMAGINIFICATION OF DDT,BIOMAGINIFICATION OF DDT,水体中的DTT浓度约为0.00005ppm 浮游生物 0.04 ppm刚毛藻 0.08 ppm网茅 0.33 ppm螺 0.26 ppm 蛤 0.42 ppm 鱼 1.24 ppm燕鸥 3.42 ppm河鸥幼体 55.3 ppm 成体18.5 ppm秋沙鸭 22.8 ppm鹭鸟 26.4 ppm银鸥 75.5 ppm,汞,日本一家工厂把含汞的未加处理的废气废渣排入水俣湾，汞进入鱼虾体内，经食物链传递到人体内积存，引起甲基汞慢性中毒1953年开始出现发病，病人手脚麻木，听觉失灵，运动失调，严重时呈疯癫状态，直至死亡，人称水俣病水俣湾中螃蟹体内含汞24ppm，受害人肾中含14ppm，而鱼的允许水平为0.5ppm,汞循环(mercury cycle),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,鱼,水生植物,水鸟,工厂汞的废物,捕鱼,由河水带走,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,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：缺碘：缺碘症：甲状腺肿大，智力低下，影响胎儿发育等缺硒：引起克山病、大骨节病，也被认为是引起癌症的主要因素,思考题,根据物质循环的有关原理，如何看待发展核能和战争中使用核武器.何谓生物地化循环？有哪些主要特点？概述生态系统中碳循环的主要过程和特点，并对“温室效应”的形成机制作一说明.用图解和叙述的方式介绍一种沉积型物质循环.什么是一次污染物、二次污染物？说明放射性核素在生态系统中的迁移特点.什么是“地方病”，列举一种地方病，并说明与生物地化循环的关系.以碳、氮为例，说明生物地球化学循环的基本过程及特点.,
