《生态系统中的物流》PPT课件.ppt

第11章 生态系统和全球的物质循环 第一节生态系统物流的一般特点一 生命与元素自然界包含着许多生命活动所必需的无机和有机物质 其中包括20多种必要元素 最重要的元素 碳 氧 氢 氮和磷 占全部原生质的97 以上 大量营养元素 macronutrient 钙 镁 钾 硫 钠微量元素 micronutrient 铜 锌 硼 锰 钼植物必需营养元素的功能 物质在生态系统中不是静止不动的 而是沿着不同的途径在不同的生态组分之间发生着固定 吸收 释放 迁移 转化 并最终返回到环境中 生物地球化学循环 biogeochemicalcycle 由于生态系统的生物质循环是在地球上的生物与非生物之间 通过化学形态的转换与运转 故又称为生物地球化学循环 物质循环 cycleofmaterial 在生态系统中是时刻进行的 并与能量流动紧密结合在一起 它们把各个组分有机地结合在一起 共同构成了极其复杂的能量流和物质流网络系统 从而维持了生态系统的持续存在 二 物质循环的库与流 1 库 pool 物质在运动过程中被暂时固定 贮存的场所称为库 生态系统中 植物库 动物库 大气库 土壤库和水体库 源 source 是产生和释放物质的库汇 sink 是吸收和固定物质的库 源 产生或释放库 汇 吸收或固定库 流动 在生物地球化学循环中 贮存库 reservoirpool 其容积较大 物质交换活动缓慢 一般为非生物成分的环境库 交换库 exchangepool 其容积较小 与外界物质交换活跃 一般为生物成分 2 物质流 flow 物质在库与库之间的转移运行称为流3 生物量与现存量生物量 biomass 在某一特定观察时刻 单位面积或体积内存积存的有机物质总量 生物量又称为现存量 Standingcrop 生产者100U 沉积层5000U 消费者50U 水体1000U 16U d 4U d 4U d 20U d 20U d 一个面积为1 62公顷的池塘系统中P的库与流通率模式图 三 物质循环的基本类型 1 生物地球化学循环生物地球化学循环 地质大循环和生物小循环地质大循环 是指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 然后生物有机体以死体 残体或排池物形式将物质或元素返回环境 进入五大圈的循环 五大自然圈 大气圈 水圈 岩石圈 土壤圈和生物圈 地质大循环 范围大 周期长和影响面广 生物小循环 是指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 回到环境后 再为生产者吸收 利用循环过程 图7 1 2 物质循环的几种基本类型 水循环 气体循环 C H O N 沉积物循环 P S I K Na Ca 第二节水循环 一 全球水分循环在自然界中 水以固态 液态和气态形式分布于水圈 大气圈 岩石圈 土壤圈和生物圈中 地球上的总水量 1970年国际水文学会统一了大致的数据 总水量 1 4 109km3 大气圈 地表径流 0 37 降水 4 12 降水 1 08 蒸发 0 71 蒸发 4 49 陆地 海洋 水的全球循环和水的分布 1017Kg 总水量 1 4 109km3 140000TT 亿吨 海洋 97 1 358 109km3 135800TT冰川冰盖29000TT地下水 8000TT湖泊河流 100TT土壤湿气 100TT空气中水蒸汽 13TT生物体 1TT 表7 2地球的水量估计 海洋 大气和陆地的水在自身位能 太阳能 气象因子 生态环境以及人类活动的耦合作用下 进行着连续的大规模的交换 使自然界中的水形成了一个随时间 空间变化的复杂的动态系统 水分循环 由于太阳辐射 海面和陆地每年约有488000km3水分蒸发到空中 据估计 大气中的全部水量9d即可更新一次河流 10 20d 土壤 280d淡水湖 1 100年 地下水 300年海洋 37000年 二 人类对水循环的干扰 植被破坏 围湖造田以及排干沼泽 冬水田 低湿地等 兴建大型的截流 蓄水 引水 灌溉工程 过度开采地表和地下贮水 三 我国水资源分布特点及在开发利用方面存在的问题特点 东南多 西北少 由东南沿海地区向西北内陆地区递减 分布极不均匀 全国有50 的国土处在降雨量少于400mm的干旱 半干旱少水地带 这一地带生态环境脆弱 属于生态脆弱带 水是主要的限制因子 问题 现有的水利设施不能适应现代化建设的需要 现有的水利工程及渠子配套等遗留问题较多 水体污染日趋严重 全国每天污水排放量为7500万吨 地下水的超采严重 四 生态系统的水分管理1 植树造林 发挥 绿色水库 作用 扩大土壤的水分库容 2 加强农田水利基本建设 提高水分利用率 3 改变耕作制度与管理方式 发展节水农业 4 防治水体污染 5 加强全流域水资源保护与统一调度 第三节生态系统的碳流动 一 自然界的碳循环碳的来源是二氧化碳生物圈的碳循环主要是指植物通过光合作用将CO2转变成机物 糖类 蛋白质及类脂化合物等 并通过食物链在生态系统中传递 被植物和动物所消耗 最终通过呼吸作用 发酵作用和燃烧又使碳以CO2形式返回大气中 再加入上述循环的全部过程 C素的生物地球化学循环 气体型循环 Numbersarestorageas1015g 109T orfluxesas1015g 109T peryear datafromSchlesinger1991 碳的生物小循环有三个层次或途径 1 在光合作用和呼吸作用之间的细胞水平上循环 2 大气CO2和植物体之间的个体水平上的循环 3 大气CO2 植物 动物 微生物之间的食物链水平上的循环 碳主要贮藏在大气 生物体 土壤和水圈及岩石圈几个库中 在生物圈中 绿色植物的光合作用是推动碳循环的主要动力 有些微生物的化能合成也能推动碳循环 但其作用甚微 研究表明 后者的作用只有前者的1 存在于自然界中的碳是大量的 也是多种多样的 以CO2形态存在于大气中的碳达7 1011t 以碳氢燃料著称的煤和石油中含碳1 1013t 以上千种碳化合物形态存在于植物体中的碳达8 1011t 但只有CO2形态的碳才能被植物吸收和利用 才能进入碳循环 在漫长的地球演变过程中 和其他元素的循环一样 碳循环并不是有规律地进行 有时会出现停滞现象 例如 成煤期就有大量的碳被封存在地下煤层中 以石油形态的碳长期被禁锢在地壳内 从而造成了碳循环的部分阻塞 但是根据近期的观测统计表明 近100年来 大气中的CO2含量一直在不断上升 在大气这种环节上出现了碳的堆积和碳循环的堵塞 由于这次堵塞的特点出现在大气这个环节上 形成堵塞时间较短 加之现代地球上的人口众多 经济发达 因而其危害更加严重 三个重要的C循环过程 1光合作用和呼吸作用 光合 850亿吨 年 2海洋 大气交换 3碳酸盐的沉积和溶解 CaCO3 不可溶 H2O CO2Ca2 2HCO3 可溶 大气 640GT 陆地植物同化35GT 海洋 地表水84GT 二 人类活动对碳循环的干扰 二氧化碳 甲烷等全体的含量正以前所未有的速度增加 进而导致全球范围的气候变化 全球变化 globalchange 是指由于人类活动排放温室气体而产生温室效应导致全球气候变暖 降水量增加 海平面上升 并由此而产生一系列生态和环境变化的总称 1 人类活动对大气中二氧化碳浓度的影响 二氧化碳浓度增加的原因 19世纪到20世纪初主要是砍伐森林20世纪以来又加上燃烧矿物燃料 如煤 石油及天然气 数据 从公元1000 1800年间大气中二氧化碳的浓度是相当稳定的 大约变化于270 290ul L之间 平均值为280ul L 由于自然植被与未开发森林的含碳量比农用地大20 100倍 从1850 1986年的100多年的时间里 估计反此一个因素就向大气排放了115 35Gt 1Gt 10亿t 的碳 现在每年的排放量约1 9 1 1Gt碳 陆地生态系统贮存的总碳量中大约99 9 的碳存在于植物体中 动物体内贮存的碳仅占0 1 根据有关估算 在1850 1950年间 由于人类的活动而排入大气中的碳达1 8 1011t 其中1 3来自化石燃料的燃烧 其余2 3则来源植被的破坏 特别是森林破坏的结果 但20世纪以来 由于矿物燃料的消耗迅速增大 向大气中排放的碳 在第一次世界大战前已达0 8 0 9Gt 第二次世界大战前为1 5Gt 目前达5 7 0 1Gt 大气中二氧化碳浓度年增长达1 6ul L 2 人类活动对大气中甲烷浓度的影响 甲烷 CH4 俗称沼气 其浓度在温室外气体中占第二位 其增长与世界人口的增长有非常大的相关 19世纪之前大约不超过0 8ul L 19世纪末增加到0 9ul L 从1978年开始有正式观测 浓度为1 51ul L 目前已达1 72ul L 即大气中含4900Tg 1Tg 1012g 的甲烷即每年向大气中排放40 48Tg 年增量0 8 1 0 估计到2030年浓度达2 34ul L 2050年可达2 5ul L 第四节 生态系统的氮流动 大气中氮的含量为79 总贮量约为38 106亿t 但不能为大多数植物直接利用 只有通过固氮菌和蓝绿藻等生物固氮 闪电和宇宙线的固氮 以及工业固氮的途径 形成硝酸盐或氨的化合物形态 才能为多数植物和微生物吸收利用 三个重要过程 1 氨化作用 2 硝化和反硝化作用 3 固氮作用 氮循环示意图 大气中的 3 固氮作用 细菌 蓝藻 雷电等 反硝化作用 硝酸盐 食物链 氨 排泄物 1 氨化作用 植物 硝化作用 2 一个湖泊生态系统 SycamoreCreek Arizona美国亚利桑那 的氮循环 N素的生物地球化学循环 109g 千吨 全球的氮循环全球氮循环的主体存在于土壤和植物之间 据Rosswall估算 在全球陆地生态系统中 氮素总流量的95 在植物 微生物 土壤系统中进行 只有5 在该系统与大气圈之间流动 全球陆地生态系统各组分的氮素平均周转速率 植物 4 9年 枯枝落叶 1 1年 土壤微生物 0 09年 土壤有机质 1 77年 土壤无机氮 0 53年 固氮作用闪电和宇宙线的固氮 大约8 9kg hm2 a工业固氮 已达1 108T生物固氮 大约100 200kg hm2 a 大约占地球固氮的90 氨化作用 由氨化细菌和真菌的作用将有机氮分解成氨和氨化合物 氨溶与水即成为NH4 可为植物所直接利用 硝化作用 在通气情况良好的土壤中 氨化合物被亚硝酸盐细菌和硝酸盐细菌氧化为亚硝酸盐 供植物吸收利用 反硝化作用 也称脱氮作用 反硝化细菌将亚硝酸盐转变成大气氮 回到大气库中 因此 在自然生态系统中 一方面通过各种固氮作用使氮素进入物质循环 而通过反硝化作用 淋溶沉积等作用使氮素不断重返大气 从而使氮的循环处于一种平衡状态 第五节生态系统的磷和硫循环 一 自然界中的磷循环磷溶于水而不挥发 在生态系统中属于典型的沉积型循环 磷以地壳作为主要贮藏库 含磷的有机物沿两条循环支路循环 一是沿生物链传递 并以粪便 残体的形式归还土壤 另一种是以枯枝落叶 秸秆归还土壤 湖泊生态系统中磷的循环 梭子鱼 鲤科小鱼 水蚤类 磷循环示意图 磷酸盐岩 溶解磷酸盐 开矿 风化 沉积 植物 动物 磷酸盐化细菌 生物小循环 磷的生物地球化学循环 沉积型循环 109g千吨 各种磷的有机化合物经过土壤微生物的分解 转变为可溶性的磷酸盐 再次供给植物吸收利用 这是磷的生物小循环 在生物小循环过程中 一部分磷脱离生物小循环进入地质大循环 一是动植物遗体在陆地表面的磷化矿化 另一种是磷受水的冲蚀进入江河 流入海洋 据统计 每年全世界由大陆流入海洋的磷酸盐大约10万t 全球规模的磷循环如图全球各圈层中磷的分布如表 二 人类活动对磷循环的影响 1 人类对磷矿资源的开采与消耗据统计 从1935年至1990年间 磷矿总开采量达3 79 109t 相当于5 108t磷 1990年全球磷矿开采量为1 8 108t 相当于2 107t磷 按这一速度 地球上的磷矿可开采750年 2 磷肥的施用与流失 3 家庭污水 工业废水 尤其是农业径流所携带的大量N P等营养物质进入水体后 易造成水体的富营养化 赤潮等环境问题 水体富营养化 eutrophication 的发生过程是 随着水中营养物质 N P等 含量的增加 导致水生植物 主要是藻类 的急剧 过量生长 水生植物的大量繁殖和死亡后的分解 降低了水中溶解氧含量 从而形成厌气条件 严重影响鱼类的生存 乃至鱼类大量死亡 随着富营养化的发展 藻类的种类逐渐减少 尤以硅藻和绿藻为主 转而为以蓝藻为优势种 这种藻类的分解往往具有毒性 并给水体带来不良的气味 赤潮 redtide 又名红潮 是由海水中某些浮游植物 原生动物或细菌在一定环境条件下 短时间内突发性增殖或富集而引起的一种水体变色的生态异常现象 赤潮在20世纪60年代以前属于罕见事件 平均约五六年才发生一次 70年代大约每两年1次 80年代增至每年4次 自1980年以来 我国海域共发生赤潮几百余次 水体富营养化起关键作用的营养元素是氮和磷 由于大多数水体磷是藻类的繁殖限制因子 故磷的作用大于氮 三 自然界中的硫循环 硫在地壳中含量较高 是第十大元素硫的重要贮存库是岩石圈 但它也在大气圈中停留和运行 硫的来源除了沉积岩的风化外 还是化石原料 煤 石油等 的燃烧 火山喷发和有机物的分解 硫酸盐亚硫酸盐 有机硫 植物和微生物还原反应 硫化物 H2S FeS 脱硫作用 厌氧 元素硫 S 光合自养细菌 化能自养细菌 四 人类活动对硫平衡的影响与酸雨危害 1 人类活动对硫平衡的影响人类活动对硫平衡最突出的影响就在人类活动导致酸性物质SO2的大量排放 a