环境管理_地球环境与生态系统

第1讲 地球生态系统的形成和特点 2 深圳大学生命科学学院徐宏 地球环境与生态系统 1地球环境的圈层构造 大气圈水圈土壤圈岩石圈生物圈 第一章地球环境的基本特征 2人类和地球各圈层的关系 人类与大气圈人类与水圈人类与土壤圈人类与岩石圈人类与生物圈 2 1人类与大气圈 在环境保护中 对特定场所或区域 供人和动植物生存的气体称为 空气 而以大区域或全球性的气流为研究对象时 则采用 大气 一词我们离不开大气 就像鱼儿离不开水 2 1 2大气的组分 大气的恒定组分 大气中的O2 N2和稀有气体 它们约占大气总量的99 96 大气的可变组分 主要指CO2和水汽 这些气体组分受不同地区气候 季节等多种因素的影响而发生变化大气的不定组分 大气中的尘埃 硫化物 氮氧化物 硫氧化物等是大气中的不定组分 大气污染 由恒定组分和可变组分所组成的大气称为洁净大气大气中除去水汽和杂质的空气称为干洁空气 大气的精细平衡 O2 添一分则多 减一分则少 如果浓度下降 高山反应 氧化反应抑制 CO 如果浓度增加 雷电火灾CO2 温室效应甲烷 温室效应 是CO2300多倍人类正在破坏这种平衡 2 2人类与水圈 水圈 海洋和陆地上的液态水和固态水构成一个大体连续的圈层覆盖在地球表面 称为水圈 水 冰 水蒸气 水滴地球表面上70 以上覆盖着水 大多数生物体内水含量也达2 3以上生命的起源地 现代人身体里仍然流动着几十亿年前的海洋水 生理盐水 2 2 1水的优异的特性 水是无色透明的 光合作用 抵挡短波紫外线水是一种极好的溶剂 营养物质的吸收和生化反应最基本的媒介高比热 高蒸发热 保持地球温度相对恒定4 密度最大 控制水体温度分布和垂直循环冰轻于水 保护水下生物 2 2 2地球上水量分布 水循环的作用 热量输送 调节气候 2 2 3水循环 2 2 4人类对水圈的破坏 兴建大型水库 稳定可靠的水源 不良生态效应大量开采地下水 地下水位大幅度下降甚至枯竭 地面沉陷小河流渠道化 排水防洪 可能的生态灾难湖泊的泯灭 土壤侵蚀 富营养化 围湖造田 大量引水 2 3人类与土壤圈 土壤圈处于大气圈 岩石圈 水圈和生物圈之间的过渡地带 是联系有机界和无机界的中心环节两大功能 具有支持植物和微生物生长繁殖的能力 农业生产 具有同化和代谢外界进入土壤的物质的能力 保护环境 2 3 1土壤的组成 土壤是位于陆地表面呈连续分布 具有肥力并能生长植物的疏松层 是一个复杂的物质体系组成固相 矿物质 有机质液相 土壤水分或溶液气相 土壤空气 土壤的组成 土壤中固液气相结构图 土壤退化 结构被破坏 可耕性土壤有机质正常为5 我国3 不太肥沃 原因 人口众多 农业是对土地的掠夺性生产 国外法律形成休耕制度来保护土壤轮作大量使用化肥 农药制度问题 有争议 土壤污染 组成被破坏 水体污染型 污水直接排放或污灌 一般集中在土壤表层 可随时间延长扩散转移至地下水 郑州灌区 Hg 大气污染型 沉降和降水 集中在表层 主要污染物二氧化硫 氮氧化物和颗粒物 荥阳 F 农业污染型 化学农药和化肥 积累或转移至地下水固体废物污染型 废渣 污泥 城市垃圾的堆放或处置 2 4人类与岩石圈 lithosphere 化石燃料 煤 石油矿物原料 铁 钢 有色金属 33 35km 岩石圈是人类所需要的矿物原料和化石燃料的储藏所 其储量是巨大的 但是 由于人口的持续增长和技术的迅速进步 对矿产与能源的需求与日俱增 传统原料与燃料行将耗竭 如何迅速实现向新材料与新能源的转变 已经成为关系到人类未来生存与发展的要务 2 5人类与生物圈 生物圈 地球上有生命的部分 即地球上所有的生物 包括人类及其生存的环境总体生物圈是地球上最大的生态系统 包括从海平面以下10km到海平面以上9km 生物圈1号 人类居住的地球部分生物圈2号 位于美国亚利桑那州的人造生态系统生物圈3号 生物圈4号 南北极生物圈5号 准备发射到月球上 时间预定为2020年 1984年美国德州富豪爱德华贝斯出资2亿美元在亚利桑那州东南方的欧洛可附近建立起 生物圈 号 占地1 25ha 建立起一个由钢筋和玻璃组成的建筑群 可供人生存的小生态系统1991年10月英 美 比等国4男4女科学家进行为期两年封闭的自给自足的试验CO2和O2难以平衡 三分之一的生物死亡 水域变化 生物圈 号 生物圈2号 沙漠 沼泽 海洋 农田 生物圈2号 1991年 8个人被送进 生物圈二号 本来预期他们与世隔绝两年 可以靠吃自己生产的粮食 呼吸植物释放的氧气 饮用生态系统自然净化的水生存 18个月之后 生物圈二号 系统严重失去平衡 氧气浓度从21 降至14 而CO2和NO2的含量却直线上升 大气和海水变酸 很多物种死去 而用来吸收二氧化碳的牵牛花却疯长 原有的25种小动物 19种灭绝 为植物传播花粉的昆虫全部死亡 植物也无法繁殖 由于降雨失控 人造沙漠变成了丛林和草地 生物圈2号 生物圈2号 内空气的恶化直接危及了居民们的健康 科学家们被迫提前撤出这个 伊甸园 生物圈2号 的实验以失败告终 事后的研究发现 细菌在分解土壤中大量有机质的过程中 耗费了大量的氧气 而细菌所释放出的二氧化碳经过化学作用 被 生物圈二号 的混凝土墙所吸收 又打破了循环 18个月后试验失败 表明 在现有的科学技术条件下 人类还不能完全模拟类似地球的可供人类生存的生态环境 地球是我们唯一的家园 粮食 1kg d水 2 5kg d空气 13 6kg d 粮食 32 4t水 54t空气 324t 第二章生态系统 每天一生 定义 生态系统是指一定空间范围内 生物群落与其所处的环境所形成的相互作用 相互制约 不断演变 达到动态平衡 相对稳定的统一整体 是生态学的基本功能单位没大没小 大到地球 小到一滴水 1生态系统 ecosystem 生态系统 生物群落 生命系统 非生物环境 非生命生命系统 阳光 空气 水 土壤 无机矿物质 生产者 绿色植物 自养微生物 消费者 一级 二级 三级消费者 指消费者在食物链中所处的不同的营养级 分解者 微生物 1 1生态系统的组成 自养微生物 通过细菌光合作用或化能合成作用获得能量的微生物 生态系统中 生物群落处于核心地位 它代表系统的生产能力 物质和能量流动强度以及外貌景观等 非生物环境既是生命活动的空间条件和资源 也是生物与环境相互作用的结果 它们形成了一个统一的整体 1 2生态系统中的食物链 网 和营养级 生态系统中各种生物之间由于食物关系而形成的一种联系称为食物链 foodchain 一个生态系统中许多食物链彼此相互交错形成的复杂的营养关系叫食物网 foodweb 食物链上的每一个环节称为营养级 trophiclevel 结论 1 消费者在不同的食物链中所处的营养级不同 植物在食物链中所处的营养级是固定的 2 食物链 网 中的每一个环节之间存在平衡 破坏这种平衡 也会导致生态系统的崩溃 很遗憾 人类正在破坏生态食物链 34 1 3生态系统中的生物多样性 遗传多样性 Geneticdiversity 指种内不同种群之间和同一种群内不同个体的遗传变异的总和 1 生物多样性的内涵十分广泛 34 遗传多样性 物种多样性 生态多样性 景观多样性 基因 细胞 组织 器官 种群 群落 生态系统 景观 35 直接价值 食物 基本来自生物 仅小麦 水稻和玉米三个物种就提供70 以上的粮食 药物 发展中国家有80 发达国家有40 的药物直接或间接依赖生物资源 工业原料 皮革 木材 纤维 橡胶等 甚至煤 原油 天然气等能源也是生物质的 2 生物多样性的价值 四种价值 36 间接价值 生物的间接价值主要体现在生态价值上 1 通过光合作用使光能通过绿色植物进入食物链 为所有物种提供生命维持系统 2 对于维持生态系统平衡具有重要意义 3 促进土壤发育 保护水土资源 4 调节气候 5 可以吸收和分解污染物 6 提供良好的生活和娱乐环境 37 备择价值 许多物种的价值现在还不清楚 但是具有在未来某个时候为人类社会提供经济利益的潜能 为人类适应自然变化提供了选择的机会 存在就是价值 对于大多数宗教 哲学和文化的价值体系都有对保护物种的认同 支持保护那些即使对人类没有明显经济价值的物种 存在价值 很遗憾 人类活动导致生物多样性急剧减少 2生态系统的特点和功能 生物生产能量流动物质循环信息传递 2 1生态系统中的生物生产 生物生产 生态系统中的生物 不断地把环境中的物质能量吸收 转化为新的物质能量形式 从而实现物质和能量的积累 保证生命的延续和增长 这个过程就称为生物生产 包括初级生产和次级生产 初级生产 生态系统的初级生产实质上是一个能量的转化和物质的积累过程 是绿色植物的光合作用过程进行光合作用的绿色植物称为初级生产者 它是最基本的能量贮存者绿色植物对光能的利用率很低 平均只有0 14 高的可达1 但是地球上每年通过光合作用生产的有机干物质总量约为162 1 109t 次级生产 次级生产 消费者或分解者对初级生产者生产的有机物以及贮存在其中的能量进行再生产和再利用的过程次级生产者 消费者和分解者次级生产者在转化初级生产品过程中 不能把全部的能量都转化为新的次级生产量 而是有很大一部分在转化过程中被损耗掉 只有一小部分被用于自身的贮存 而这部分能量又会很快通过食物链转移到下一个营养级中 直到损耗殆尽 2 2生态系统的能量流动 生态系统中的能量源于太阳能 对太阳能的利用率只有1 左右生态系统中的能量流动是单方向的 沿着食物链营养级由低级向高级流动 具有不可逆性和非循环型生态系统中的能量沿食物链逐渐减少 生态系统能量流动的三个特点 进入地球大气圈的太阳能为每分钟每平方厘米8 368J 其中约30 被反射回去 20 被大气吸收 其余46 到达地面 地球表面大部分地区没有植物 到达绿色植物上的太阳能只有10 左右 植物叶面又反射一部分 能被植物利用太阳能只有1 一般来说 某一营养级只能从其前一营养级除获得其所含能量的10 其余90 能量用于维持呼吸代谢活动而转变为热量耗散到环境中由于受到能量消耗的约束 大多数食物链营养级只有3 5级 之后没有能量可以利用了 林德曼效率 生态圈能养活多少人 2 76 1018 kJ a 地球植物的总产量 1 67 1016 kJ a 每人每天摄入9196kJ能量 48亿人 64亿人 0 6 2 3生态系统的物质循环 物质循环 生态系统中各种有机物质经过分解者分解成可被生产者利用的形式归还到环境中重复利用 周而复始的循环过程叫做物质循环 可分为生态系统能生物小循环和生物地球化学大循环生物小循环 生物与周围环境之间的物质循环 速度快 周期短 生物对营养元素的吸收 留存 归还生物地球化学大循环 范围大 周期长 影响面广 几种重要的物质循环 1 液相循环 水 2 气相循环 碳 氮 3 固相循环 磷 1 水循环 水约占地球表面的70 在太阳能和重力的驱动下 水从一种形式转变为另一种形式 并在气流 风 和海流的推动下在生物圈内的循环 海洋 江河 湖泊以及土壤中的水在阳光的作用下变成水蒸汽进入大气中 陆生植物从土壤中吸收的水分大部分通过蒸腾作用进入大气 大气中的水蒸气遇冷后变成雨 雪 冰雹等降落到地面 从而形成稳定的平衡 水循环破坏 人工水利工程 的后果 干旱或洪涝 水循环 水的自然循环传统意义上的水循环即水的自然循环 它是指地球上各种形态的水在太阳辐射和重力作用下 通过蒸发 水汽输送 凝结降水 下渗 径流等环节 不断发生相态转换的周而复始的运动过程 2 气相循环 碳 存在于生物体内和无机环境中 碳是构成生物体的重要元素 约占25 左右大气中二氧化碳被绿色植物通过光合作用固定到有机物中共消费者利用 生产者和消费者通过呼吸作用把二氧化碳释放到大气 生产者和消费者的尸体被分解者分解 把蛋白质 脂肪和碳水化合物分解成二氧化碳 水和无机盐 二氧化碳重新返回大气 地质年代 动物尸体长期埋藏在地层中 形成化石燃料 燃烧释放二氧化碳 2 1 3 碳循环破坏的后果 温室效应 由于人们不断地从地层中把大量的化石燃料开采出来进行燃烧 使大气中二氧化碳显著增加 二氧化碳能够吸收地面辐射的红外线 是近地面的热量得以保持 从而导致全球气温升高海平面上升 旱涝灾害等 氮循环 大气中氮占79 但不能被大多数生物利用 要通过固氮作用将N2转变为NH3大气中氮进入生物有机体四种途径 生物固氮 工业固氮 岩浆固氮 大气固氮土壤中的氨经硝化细菌转变为硝酸盐和亚硝酸盐 被植物吸收 合成蛋白质 核酸等有机氮化物 动物直接或间接以植物为食 从中摄取蛋白质作为自身氮素来源 动物在新陈代谢过程中 将一部分蛋白质分解 以尿素 尿酸 氨等排入土壤 植物和动物的尸体在土壤微生物作用下分解成氨 二氧化碳和水 土壤中的氨形成硝酸盐 一部分为植物吸收 一部分在反硝化菌作用下形成氮气进入大气 每年进入生物圈的氮为92 106t反硝化作用回归大气的氮83 106t结论 不平衡 过量的氮进入环境 整个氮循环中 每年固定的氮为98 1 106吨 反硝化的氮为85 106吨 每年固定的比返回大气的氮多680万吨 导致富营养化 富营养化危害 植物营养物增加导致藻类大量生长 鱼类空间减少 且水中溶解氧急剧下降 从而严重影响鱼类的生存 3 固相循环 P 磷酸盐矿通过天然侵蚀或人工开采进入水或土壤 为植物所利用 当植物和消费者死亡后 磷又重新回到土壤 当其呈现溶解态时 可被淋洗 冲刷带入海洋 海洋生物利用并最终形成磷酸盐沉入海底 除非地质活动带回表面 否则将被埋藏 另一部分磷被海洋食物链中吃鱼的鸟类带回陆地 他们的鸟粪作为肥料施与土壤 PO43 HPO42 人类对自然磷循环的干扰表现在两方面 第一 大量开采磷矿制造磷肥和洗涤剂 第二 通过农田退水 大型养殖场排水和城市污水 将大量磷酸盐排放到水环境中 导致水体的富营养化 水中蓝菌 藻类和水生植物的爆炸性生长 在陆地淡水水体中称为 藻花 或 水华 在海洋中称为 赤潮 是富营养化的极端表现 2 4信息传递 营养信息 通过营养关系传递信息 食物链和食物网化学信息 生物在某些特定条件下 或某个生长发育阶段 分泌出某些特殊的化学物质 这些物质在生物种群或者个体之间起着某种信息的作用物理信息 通过声 光 电 色等向同类或异类传达的信息行为信息 有些动物可以通过特殊的行为方式向同伴或其他生物发出识别 挑战等信息 3生态平衡与生态系统稳定性EcologicalBalanceandStabilityofEcosystem 3 1生态平衡 生态平衡 在任何一个生态系统中 生物与其环境总是在不断进行着能量流动 物质循环与信息交流 不可中断 但在一定时期内 生产者 消费者和分解者之间都保持着一种动态的平衡 这种平衡状态就叫生态平衡 在自然生态系统中 平衡还表现为生物种类和数量的相对稳定 生态系统的动态平衡 生物种类和数量的相对稳定 生态系统的稳定取决于平衡的相互关系 62 生态系统平衡调节主要是通过系统的反馈机制 抵抗力和恢复力实现的 生态系统的平衡调节 生态平衡的机制 环境的自净作用 污染物进入环境后 经过自然条件下的物理