基础生态学王艳妮13[1].生态系统中的物质循环.ppt
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1、1,13 生态系统中的物质循环,2,生态系统的存在是靠物质循环和能量流动来维持的。生态系统的能量流动和物质循环都是通过食物链和食物网的渠道实现的,二者相互伴随进行,又相辅相承,密不可分的统一整体。但是,能量流动和物质循环又有本质上的区别:能量流经生态系统各个营养级时是逐级递减,而且运动是单向的、不是循环的,最终在环境中消失。物质循环是带有全球性的,在生物群落与无机环境间物质可以反复出现,反复利用,循环运动,不会消失。,3,物质循环的基本原理,物质不灭定律 质能守恒定律,4,物质不灭定律,物质不灭定律认为,化学方法可以改变物质的成分,但不能改变物质的量,即在一般的化学变化过程中,察觉不到物质在量
2、上的增加或减少。,5,质能守恒定律,质能守恒定律认为,世界不存在没有能量的物质质量,也不存在没有质量的物质能量。质量和能量作为一个统一体,其总量在任何过程中都保持不变的守恒。,6,主要内容,13.1 物质循环的一般特征13.2 全球水循环13.3 碳循环13.4 氮循环13.5 磷循环13.6 硫循环,7,物质循环与能量流动,8,13.1 物质循环的一般特征,1)生物地球化学循环:生态系统内的各种化学元素及其化合物在生态系统内部各组成要素之间及其在地球表层生物圈、水圈、大气圈和岩石圈等各圈层之间,沿着特定的途径从环境到生物体,又从生物体再回归到环境,不断地进行着反复循环变化的过程。,9,2)地
3、质大循环:物质或元素经生物体的吸收作用,从环境进入生物有机体内,然后生物体以死体、残体或排泄物形式将物质或元素返回环境,进入五大自然圈(气圈,水圈,岩石圈,土壤圈,生物圈)的循环的过程。这是一种闭合式循环。,10,Basics of nutrient cycling,11,3)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。这是一种开放式循环。,12,4)物质循环的库:物质在循环过程中被暂时固定、储存的场所称为库。生态系统中各组分都是物质循环的库,如植物库、动物库、土壤库等。在生物地球化学循环中,库可分为储存库(Reservoir pool,
4、容积大,物质交换活动缓慢,一般为环境成分)和交换库(Exchange pool,容积小,交换快,一般为生物成分)。,13,5)物质循环的流:物质在库与库之间的转移运动状态称为流。流通率:在单位时间或单位体积的转移量.周转率:出入一个库的流通率除以该库中的营养物质的总量。周转时间:周转率的倒数。,14,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,15,6)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
5、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,16,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,17,7)循环效率:生态系统中某一组分的贮存物质,一部分或全部流出该组分,但未离开系统,并最终返回该组分时,系统内发生了物质循环。循环物质(FC)占总输入物质(FI)的比例,称为物质的循环效率(EC)(EC=FC/FI)。,18,8)生物积累
6、(Bioaccumulation):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化合物的浓缩系数不断增加的现象。,19,9)生物浓缩(Bioconcentration):生态系统中同一营养级上的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,又称为生物富集(Biological enrichment)。,20,10)生物放大(Biomagnification):在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体中浓度随着营养级的提高而逐渐增大的现象。,21,物质循环的特点,
7、物质不灭,循环往复物质循环与能量流动不可分割,相辅相成物质循环的生物富集生态系统对物质循环有一定的调节能力物质循环中生物的作用各物质循环过程相互联系,不可分割,22,生物地球化学循环的类型,水循环:是物质循环的核心 气体型循环(为什么气态循环引起人们极大的重视?)沉积型循环,23,气相型循环,其贮存库是大气和海洋。气相循环把大气和海洋相联系,具有明显的全球性。元素或化合物可以转化为气体形式,通过大气进行扩散,弥漫于陆地或海洋上空,在很短的时间内可以为植物重新利用,循环比较迅速,例如CO2、N2、O2等,水实际上也属于这种类型。由于有巨大的大气贮存库,故可对干扰能相当快地进行自我调节(但大气的这
8、种自我调节也不是无限度的)。因此,从地球意义上看,这类循环是比较完全的循环。值得提出的是,气相循环与全球性三个环境问题(温室效应,酸雨酸雾,臭氧层破坏)密切相关。,24,酸雨在毁灭森林!,25,沉积型循环,许多矿物元素其贮存库在地壳里。经过自然风化和人类的开采冶炼,从陆地岩石中释放出来,为植物所吸收,参与生命物质的形成,并沿食物链转移。然后,由动植物残体或排泄物经微生物的分解作用,将元素返回环境。除一部分保留在土壤中供植物吸收利用外,一部分以溶液或沉积物状态随流水进入江河,汇入海洋,经过沉降、淀积和成岩作用变成岩石,当岩石被抬升并遭受风化作用时,该循环才算完成。这类循环是缓慢的,并且容易受到干
9、扰,成为“不完全”的循环。沉积循环一般情况下没有气相出现,因而通常没有全球性的影响。,26,13.2 水循环,水是生命基础元素。水既是一切生命有机体的重要组成成分,又是生物体内各种生命过程的介质,还是生物体内许多生物化学反应的底物。水是生物圈中最丰富的物质,水以固、液、气三态存在。环境水分对生物的生命活动也有着重要的生态作用。,27,地球的海洋、冰川、湖泊、河流、土壤和大气中含有大量的水。海洋中的液态咸水约占总量的97%。陆地、大气和海洋中的水,形成了一个水循环系统。水在生物圈的循环,可以看作是从水域开始,再回到水域而终止。水域中,水受到太阳辐射而蒸发进入大气中,水汽随气压变化而流动,并聚集为
10、云、雨、雪、雾等形态,其中一部分降至地表。到达地表的水,一部分直接形成地表径流进入江河,汇入海洋;一部分渗入土壤内部,其中少部分可为植物吸收利用,大部分通过地下径流进入海洋。植物吸收的水分中,大部分用于蒸腾,只有很小部分为光合作用形成同化产物,并进入生态系统,然后经过生物呼吸与排泄返回环境。,28,29,30,植物体含水量虽小,但流经植物体的水分数量却是巨大的。例如,水稻在生长盛期,每天每公顷大约吸收70吨水,其中大约5%用于维持原生质的功能和光合作用,95%以水蒸汽和水珠的形式,从叶片的气孔中排出。Penman估计,参与光合作用的水要比参与蒸腾作用的水少得多。如生产20吨鲜重的植物物质,在生
11、长期间要从土壤中吸收2000吨的水,20吨鲜重中有5吨干物质,余15吨为可蒸发水分。5吨干物质中有结合水3吨,仅相当于自土壤中吸收水分的0.15%。,生态系统中的水循环,31,生态系统中的水循环,降雨,截留,穿透雨,蒸腾,渗透,土壤吸收,地表径流,地下径流,消费者,地面蒸发,32,生物圈中水的循环平衡是靠世界范围的蒸发与降水来调节的。由于地球表面的差异和距太阳远近的不同,水的分布不仅存在着地域上的差异,还存在着季节上的差异。一个区域的水分平衡受降水量、径流量、蒸发量和植被截留量以及自然蓄水量的影响。降水量、蒸发量的大小又受地形、太阳辐射和大气环流的影响。地面的蒸发和植物的蒸腾与农作制度有关。土
12、地裸露不仅土壤蒸发量增大,并由于缺少植被的截留,使地面径流量增大。因此,保护森林和草地植被,在调节水分平衡上有着重要作用。,33,丰茂的森林可截留夏季降水量的2030%,草地可截留降水量的513%。树冠的强大蒸腾作用,可使林区比无林区、少林区降水量增多30%左右。坡地上,森林可减轻水对土壤的侵蚀作用;林地内,地表径流量比无林地少10%左右。,亚热带常绿阔叶林,热带雨林,34,目前水资源存在什么问题?,淮河水污染,水资源短缺;水体污染,怪现象一:河水当化肥 产粮全卖出,怪现象二:淮河千余闸 闸闸截污水,35,人类对水循环的影响有那些?1、植被破坏2、水利工程3、水体污染4、开采地下水 人类对水循
13、环的影响是多方面的。如修筑水库、塘堰可扩大自然蓄水量;而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,如目前我国许多北方大城市的地下水分布出现“漏斗”。,36,13.3 碳循环,碳是生命骨架元素。环境中的CO2通过光合作用被固定在有机物质中,然后通过食物链的传递,在生态系统中进行循环。,37,循环途径有: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(这些循环均属于生物小循环)。此外,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
14、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。,38,碳循环,1,个体水平,细胞水平,食物链水平,地质大循环,39,碳的储存库,大气圈:储量最小,二氧化碳等岩石圈:储量最大,碳酸盐岩等 水圈:无机盐,有机体生物圈:2000 年的估计数据,全球陆地生态系统碳储量约24 770 亿t,其中植被4 660亿t,土壤20 110 亿t。森林为陆地生态系统中最大的碳储库,森林植被的碳储量约占全球植被的77%,森林土壤的碳储量约占全球土壤的39%。,40,中国各类陆地植被的碳储量,41,碳源和碳汇,任何释放碳素的过程谓之“源”,固定碳素的过程称为“汇”。碳源和碳汇都是以大气圈为参
15、照系,以向大气中输入碳或从大气中输出碳为标准来确定。最终决定一个体系是源还是汇的是碳的净收支。,42,人类最为关心的莫过于短时间尺度上的碳源和碳汇的变化。对于几年到几百年的时间尺度,全球碳循环主要是以CO2 的形式在生物圈、海洋和大气圈中进行。,43,人类活动对碳循环的影响,工业革命以前,大气中的CO2 浓度平均值约为28010-6 ppm,变化幅度大约在1010-6以内,平均而言,这一时期的自然碳收支处于很好的平衡态。工业革命之后的几百年里,大气中的CO2 浓度增加31%,1995 年大气中的CO2 浓度达到36010-6 ppm。人类活动造成的碳收支失衡不断增长、积累,碳循环的平衡开始被破
16、坏。,44,人类活动对全球碳循环的影响体现在3 方面:一是人为增加碳源,如化石燃料的燃烧;二是人为减少碳汇,如土地利用方式的改变;三是气候变暖的反馈作用,如冰川减少、海平面 上升、植被带迁移等。,45,横坐标是时间,左方纵坐标是气体的浓度,46,47,48,动态平衡,平衡失调,全球变暖等环境问题,49,人类的应对措施,改造植物,营林并定期砍伐,20世纪80年代,约翰马丁针对全球变暖提出了“Geritol方案”(Geritol是一种治疗缺铁性贫血的营养补充剂)?,将工厂排放的二氧化碳气体压缩后,送到海底。在3000m以下的深海,压强足够大,二氧化碳可以维持液态。?法律法规(京都议定书),50,第
17、二次工业革命以来,大量化石燃料的燃烧,改变了原有的碳素平衡状态。每年因燃烧放回到大气中的化石燃料碳5060亿吨,因农业土壤耕作返回大气的碳约20亿吨(1970年估计值),同时由于森林被砍伐,减少了对CO2的固定,因此,尽管海洋能够吸收近2/3的额外碳源,仍然避免不了全球大气CO2浓度的升高。,51,52,虽然CO2浓度增高有利于植物光合作用的增强,但CO2的“温室效应”将导致全球温度升高和降水分布的改变。使得纬度较高的地区,由于温度变暖而更加干旱,甚至使极地冰盖层融化,导致海平面上升。如果CO2浓度由0.03%增高到0.06%,则地球平均温度将上升2.9,赤道附近温度上升1.45;两极附近温度
18、将上升89。但如果南极温度上升6,就将由于冰川的融化而使海平面升高6米左右。这不能不说是个值得全球人类关注的问题。,53,农业生态系统中碳的同化随工业辅助能的投入而增加,但动植物残体和排泄物中的碳是以有机物形式返回土壤,还是以CO2形式返回大气。若是后种形式,则土壤微生物的碳源将会减少,土壤有机质可能下降,造成地力衰退。,54,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
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- 基础 生态学 王艳妮 13 生态系统 中的 物质 循环
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