生物圈与岩石圈、水圈、大气圈的的相互作用.ppt

第十二章 生物圈与岩石圈、水圈、大气圈的相互作用,第一节 生物圈与岩石圈的相互作用第二节 生物圈与大气圈的相互作用第三节 生物圈与水圈的相互作用第四节 水圈、大气圈、生物圈之间的相互作用,高等教育出版社 高等教育电子音像出版社,第一节 生物圈与岩石圈的相互作用,一、生物风化与岩石的分解 生物风化作用：是指生物在其生命活动过程中对岩石、矿物产生的破坏作用。这种作用可以是机械的，也可以是化学的。生物机械风化作用：是指生物在其生命活动过程中对岩石产生的机械破坏作用。如根劈作用和动物的挖洞掘穴等。生物化学风化作用：是通过生物新陈代谢和生物死亡后的遗体腐烂、分解进行的。植物和细菌在新陈代谢过程中，常常形成和析出有机酸、硝酸、碳酸和其他一些物质，它们对岩石具有较强的侵蚀能力。生物尸体逐渐堆积起来，在还原的环境中经过缓慢腐烂分解，形成一种暗黑色的胶状物质，即腐殖质。它一方面，供给植物必不可少的钾盐、磷盐以及含氮的化合物；另一方面，腐殖质本身就是一种有机酸，对岩石、矿物有着腐蚀作用。,根劈作用,二、岩石土壤生物 土壤是在一定的水热条件下，岩石与生物相互作用的产物，是岩石与生物联系的纽带与桥梁。岩石风化形成风化壳，随着生物化学风化作用的进行和有机质的积累，风化壳的物质组成与性质发生变化，并且形成一定的结构与肥力，这时土壤便形成了。同时，通过生物的物质循环，才能把大量的太阳能纳入成土过程，才能使分散于岩石圈、水圈和大气圈的多种养分聚集于土壤之中，使土壤具有肥力并使之不断更新。岩石是一切陆地生物的固体支撑，没有固体岩石的支撑，很难想象有陆地生物的发生与发展。并且许多生物，尤其是植物所需要的矿物元素都来自岩石及其风化形成的产物。,土壤不仅是生物与岩石相互作用的产物，而且还是两者相互作用的纽带。植物一般情况下很难直接吸收岩石中的矿物质，只有经过土壤转换成离子形式，才能被植物吸收。只有当生物有机质在土壤中转变成有机酸时，生物对岩石的化学风化作用才能发生。岩石中的水（如地下水）只有转变成土壤水，才能被植物吸收；大气降水经过植物淋滤、土壤吸收之后，才会渗入岩石转变为地下水。岩石与植物之间的其他物质交换，也大都需要经过土壤这个中间环节。,植物-土壤-岩石的关系,岩层性质影响到地表土壤，不同的岩石上发育的土壤会产生不同程度的差异，例如灰岩地区一般土壤不发育，且土壤的碱性组分较多，因而植被不发育，且多灌丛；砂岩区则往往覆盖较好的土壤，且土壤呈酸性，有利于喜酸植物（松等）的生长。岩石的结构、构造主要通过其透水性、隔水率和含水率等影响土壤、生物的水文条件。,岩石的元素特征控制生物的生长发育，它为生物提供基本的矿物质需求，此外，一些特殊的元素富集带往往有与之对应的指示性生物，如铜矿带上常生长铜兰。,三、岩石性质对生物的影响,南京阳山北坡石炭纪-二叠纪灰岩上生长的灌丛与五通组砂岩上生长的松林(山脊上)界限清楚,芒萁分布于长江以南，大量生长于酸性红壤的山坡上，是酸性土壤指示植物,钙质土壤指示植物蜈蚣草,柽柳科柽柳属。灌木或小乔木，枝条细而下垂，叶鳞片状细小。耐干旱耐盐碱，常生长于盐硷荒滩,岩石圈的运动导致海陆分布的变化，导致沧海桑田的环境变迁，从而导致地球表面生物面貌与分布格局的变化。比如说，现在的喜马拉雅山是世界最高的山脉，过去却是古特提斯海所在的地方，由于海洋变为高山，生物面貌也发生了翻天覆地的变化，由海洋生物群变为高山生物群。岩石圈的运动导致大陆的漂移，大陆位置变化也会导致生物群落面貌的巨大变化。例如，印度从南极附近的高纬度地区漂移到现在的北半球低纬度地区，由冻原、冰原变为热带森林、草原环境。岩石圈的运动引起地面高程的变化，同样导致生物面貌的变化。例如，青藏高原在上新世海拔相对比较低，植被为亚热带森林；而随着地面的隆升，高原内部与北部已经演化为干旱草原或寒漠。,四、岩石圈运动与生物,（a）现在（据中国自然地理图集）A亚热带常绿阔叶林；B亚高山森林草甸；C高山草甸、亚高山草原；D高山草原；E高山荒漠(b)上新世（据唐领余、沈才明）亚热带常绿硬叶阔叶林；亚热带针阔叶混交林；山地常绿针叶林；灌从草原,青藏高原隆升导致的植被变化,B,A,C,D,E,岩石圈变动导致某些海岸地带的下沉，使得原来的森林受到海水的影响而死亡，由海岸盐沼取而代之。如美国西海岸的华盛顿州的某些海岸带在1700年的大地震中下沉12 m，使得大片海岸雨林枯死，森林群落变为盐沼群落。在一些山坡上，由于岩石块体的向下滑动或者蠕动，往往使得山坡上的树木变得倾斜，有人称之为醉树。,醉树,庐山仙人洞附近滑坡体上的醉汉林,五、生物岩石、生物矿床、生物地貌 生物作用形成岩石可以称之为生物岩石。沉积在海底的主要是生物的残骸，这些生物残体堆积、固结便形成岩石；硅藻土就是一种主要由硅藻残骸组成的岩石；珊瑚礁，主要由珊瑚的骨骼胶结而成，是珊瑚生长过程中，残骸不断堆积而形成的；实际上一些碳酸盐岩的形成也与生物的作用有关。生物对岩石的破坏或建造，可以形成一些地貌类型。如珊瑚礁、牡蛎礁、贝壳堤等,生物海岸,海岸可以根据海岸的物质组成划分为基岩海岸、沙质海岸和淤泥质海岸。但一些海岸比较特殊，很难归属于上述海岸类型中，故又划分出生物海岸。所谓生物海岸是指主要由于生物作用形成的海岸。例如，珊瑚礁海岸，主要是由珊瑚作用形成的由珊瑚礁组成的海岸；红树林海岸，主要由红树林组成，以红树林为特征的海岸。,珊瑚岛与珊瑚礁海岸,基岩海岸,珊瑚礁岛,珊瑚生态系统,牡蛎礁（江苏海门）,贝壳堤,红树林海岸,绿色植物在不停地吸收大气CO2进行着光合作用，通过光合作用来制造养料，以维持植物的生长与发育。动物的生命活动或有机体的腐烂过程，是吸收氧气、放出二氧化碳的过程；而植物的生命过程却是吸收二氧化碳、放出氧气的过程。两者之间以及两者与岩石圈、大气圈、水圈之间经过亿万年的演化达到了某种平衡，才形成了今天这样的大气圈。,第二节 生物圈与大气圈的相互作用,一、生命活动与大气组分,二、风与生物,“三北”防护林,在某些环境条件下，风对生物有重要的作用。风促使植物蒸腾加剧,风还可以传播花粉。温度高、湿度小的风为干热风。干热风具有干燥、高温和吹干三种加强蒸腾的作用，往往引起植株水分平衡的破坏。风对植物有影响，植物对风也有一定的作用。,三、大气圈的演化与生命的起源及进化,在地球演化的历史进程中，大气与生物相互作用、相互影响，才形成了今天这样的大气圈和生物圈。,大气中氧气与二氧化碳浓度的变化及其与生物演化的关系,真核生物,随着气候的冷暖变化，地球表面的植被覆盖也将发生相应的变化。当气候变冷，大陆上冰川、冻土面积扩大，而植被覆盖度减小，生物量也将减少。这样势必导致光合作用吸收的二氧化碳数量的减少，因而使得大气二氧化碳浓度升高，从而对气候变冷起到抑制作用。反之，当起气候变暖，大陆上冰川、冻土面积缩小，而植被覆盖面积增大，生物量也将增多。这样势必导致光合作用吸收的二氧化碳数量的增多，因而使得大气二氧化碳浓度降低，从而对气候变暖起到抑制作用，甚至出现变冷的趋势。,四、生物与气候变化之间的正、负反馈作用,植被与气候的相互作用,生物对气候变化的正反馈作用,海洋生物的兴衰对于地球表层碳的循环起着重要的作用。研究表明，对世界大多数海域来说，铁的不足是海洋生物生产率的一个重要限制因素。而落入海洋的风尘则是海洋铁补充的主要途径。干旱区的风尘落入海洋，提高海洋生物的生产率，增加了海洋对大气二氧化碳的吸收，促使气候变冷。当冰期来临或气候变冷，风尘沉积速率增大，使海洋生物的生产率提高，导致大气二氧化碳含量的降低，从而使气候进一步变冷。当间冰期来临或气候变暖，风尘沉积速率减小，使海洋生物的生产率降低，导致大气二氧化碳含量的升高，从而使气候进一步变暖图（a）和（b）。,上面阐述了生物与气候之间的一种正反馈机制。实际上，生物与气候之间的正反馈机制还有一些，只是人们对它们的认识不足而已。例如，温度升高对呼吸作用的影响，尤其对土壤微生物的影响：温度升高，引起生物呼吸作用加强，导致大气二氧化碳的升高，促使温度进一步升高图（c）。温度升高引起的胁迫，导致生物生长减缓和森林枯萎，从而导致大气二氧化碳的升高，增强了温度升高的趋势图（d）。,五、大气污染与植物,大气污染对植物影响的机制 二氧化硫对植物的影响主要有两个途径：一是从植物叶片的气孔进入，溶解在细胞组织的水中形成亚硫酸盐，从而干扰植物正常的新陈代谢；二是二氧化硫在空气中与水作用形成酸雨，酸雨直接破坏植物枝叶，影响植物的正常生长。氟化氢通过叶片气孔进入，与叶片中的钙反应形成氟化钙，从而干扰酶的作用，阻碍植物正常的新陈代谢，破坏叶绿素与原生质，使细胞失水而枯萎。氯气进入叶肉细胞后，能形成酸性物质，使叶片叶液中的pH降低，破坏叶绿素，从而抑制植物的光合作用。,植物净化空气的作用,植物还能分泌一些挥发性杀菌物质，例如，丁香酚、桉油、松脂、肉桂油、柠檬油等，具有杀菌的功能，称之为杀菌素。每公顷松柏树或者松林，一昼夜可分泌3060 kg的杀菌素，足以清除一个中等城市空气中的各种细菌。调查表明，林内每立方米空气中的含菌量只有300400个，仅为林边空地的1%，只有城市百货商店的十万分之一。北京百货大楼每立方米有细菌400万个，林荫大道上为58万个，绿化公园为1 000个，而林区却只有55个。这充分说明植物具有除尘灭菌、净化空气的功能。,(1)除尘灭菌。大气中的尘埃（包括粉尘和飘尘），常含有致癌物质和病原菌，危害人体健康。植物具有吸附尘埃的作用。(2)吸碳吐氧，清新空气。(3)对污染物的吸附、吸收。当大气受到污染时，一些敏感植物就会受到伤害，但还有一些植物对某些污染物有一定的抵抗能力，称之为抗性植物。不管是敏感植物还是抗性植物，对污染物都有一定的吸附、吸收与降解的功能，从而具有净化空气的能力。,植物净化空气的作用,第三节 生物圈与水圈的相互作用,一、生命与水,旱生植物,水生植物,中生植物,世界气候类型分布图,二、生物分布与水,地球表面，生物的分布受干湿度地带性的影响与控制。,植被类型分布图,水分是控制生物生长与分布的最重要的因素之一，在水分缺乏的干旱、半干旱地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。,额尔齐斯河两岸的带状植被,腾格里沙漠的格状植被,月牙泉岛状植被,祁连山帽状植被,三、水质与生物,C6H12O6,海水、淡水与生物,淡水-微咸水硅藻类型,咸水型湖泊硅藻类型,水体污染,（1）无机无毒物：氮、磷、无机酸碱和一般无机盐；（2）无机有毒物中的非重金属的氰化物、砷化物及重金属中的 汞、铬等；（3）有机无毒物：多属于糖类、蛋白质、脂肪等自然生 成的有机物；（4）有机有毒物：多属于人工合成的有机物，如有机氯农药、合成洗涤剂等；（5）其他污染物：放射性物质、生物污染物质、热污染等。,水体污染对生物的影响 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、硫化氢和氨等，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。,生物对污染物的吸收与降解,（1）活性污泥法；（2）生物膜法；（3）厌氧生物处理法；（4）污水处理塘生物塘。,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。,水生植物,太湖藻类暴发,河流、湖泊中的水葫芦,利用生态方法治理水体富营养化的一种思路,四、植被与水循环,植物的蒸腾作用：植物体内的水经过体表向大气蒸发散失的过程，叫做蒸腾作用。生产单位质量的干物质所消耗于蒸腾作用的水的质量,称为蒸腾系数。蒸腾系数随植物不同而不同。此数值常在1251 000变化。蒸腾系数随气候不同而不同：为了生产出同样数量的干物质,干旱地区植物消耗的水将二倍于潮湿地区的植物耗水量。植被对降水的影响：森林能够增加其覆盖地区及其周围地区的大气降水量，特别是在远离海洋的内陆地区。植物本身蒸腾作用和土壤蒸发所消耗土壤水的总和，往往是比没有植物的空旷地表土壤单独消耗于蒸发作用的水可多40%。可见在内陆干旱地区，大面积森林的存在，可以减少径流的流失，又能通过蒸腾作用增加空气中的水汽，进而提高降水量。,植被对径流的影响：大气降水到达林冠后，雨滴继续下落受到阻碍，而使大气降雨受到阻截损耗，这叫做林冠截流作用。林冠截流的水，一部分附着在林木表面被蒸发到大气中，很少一部分是被叶子和树皮直接吸收，其余沿着树干流向地面。一般来说，林冠可以截留15%40%的降水。由于森林对于降水的截留和蓄积，减缓了降水转变为径流的速度，调节了径流的季节分配。在有森林的流域，普遍的情况是森林拦蓄了洪水径流，将其转化为地下水，并源源不断地补给河流。这样就消减了洪峰，减小了洪水灾害；同时增加了枯水期流量，使河流流量的年内分配趋于稳定。,流域植被在调节河流径流量变化方面的作用,洪峰流量,时间,洪峰流量,时间,时间,月平均流量,植被与水循环,1.减慢了水分大循环的速度；2.加快了局部水分循环的速度；3.调节了洪水/枯水的径流量；4.调节了洪峰径流；5.提高了水的利用率。,由于植被的蒸腾作用及其对降水、径流的影响，改变了局部和区域的水分循环。植被对于水分循环的影响，主要表现在以下几个方面：,C6H12O6,五、生物与水的正反馈作用,水生植物,一、湖泊效应,由于比热与热容量的差异，水体覆盖的地面温度变化迟缓，而没有水体覆盖的地面温度变化迅速，从而导致不同部位地面温度的差异。在湖泊及其周围，由于湖泊与周围地区地面热容量的差异，导致了局地性大气环流和小气候的产生。在太阳照射时，湖泊周围的地面升温比较快，导致大气的加热上升；而湖区由于水体热容量大，温度升高缓慢，温度相对于周围地面比较低，空气在这里下沉，从而产生了湖泊及其周围地区的局部的大气环流。,第四节 水圈、大气圈、生物圈之间的相互作用,湖泊效应与水、气、生相互作用,一般来说湖泊周围地区降水比较多，气候比较湿润，植被也就比较繁茂。反过来，植被繁茂增加了地面下渗，增强了蒸腾作用，从而增大了大气湿度、土壤湿度与大气降水。因此，水库建造后，常常会使水库周围地区降水增多、空气湿度增大，就是这个道理。,当地面植被受到破坏，地面反射率增大，热容量减小，所吸收的太阳辐射能也明显减少。白天在阳光照射下，地面强烈增温，使地面长波辐射增强。这样地面散失的热量就会增加，在那里的空气就可能下沉、压缩增温。由于下沉的空气十分干燥，使得气候进一步变干，从而导致植被的进一步减少，这就是地面的荒漠化效应。当植被受到破坏，降水的利用率降低。这是因为没有植被对降水的拦截，土壤入渗减弱，大部分降水以径流的形式流走。因而导致该地气候变干，植被进一步变稀少，即进一步沙漠化。,二、荒漠化效应,荒漠化效应与水、气、生物的相互作用,沙漠里空气干燥，温度日较差比较大，并且降水稀少。而沙漠里的绿洲，由于土壤湿度大、蒸发和蒸腾到空气中的水比较多，空气湿度比较大，降水也比较多；由于含水量比较大的土壤其热容量也比较大，并且由于蒸发和蒸腾对热量的调节，土壤温度和近地面气温的日较差比较小，这就是绿洲效应。,三、绿洲效应,绿洲与半沙漠之间的气温差与湿度差（Rusin等，转引自张家诚等）,在某些具有比较丰富的地下水或者不远的邻区具有比较丰富水源的地区，尤其是在人类活动引起的草地退化和沙漠化的初期阶段，通过灌溉可以打破或者阻断沙漠化的恶性循环，使地面环境得以恢复。,洋面封冻产生的环境效应叫做洋面封冻效应。洋面封冻是发生在水圈的变化，但是洋面封冻不仅会影响到气候，而且还会直接或者间接地影响到生物。气候与生物的变化又反过来作用于水圈。因此，从洋面封冻效应可以看出水圈、大气圈、生物圈之间的相互作用的关系与机制。,四、洋面封冻效应,洋面封冻与生物及气候变化,CO2,CO2,洋面封冻与气候变冷,