08 森林生态系统的养分循环

w,1,第8章森林生态系统的养分循环,w,2,81生态系统养分循环概述82森林生态系统养分循环的类型与机制83生态系统中的分解84森林生态系统养分循环特征参数85碳、氮、磷、硫循环,w,3,主要内容：概念、类型、途径与机制，分解的过程与机制（凋落物）。了解内容：碳、氮、硫、磷及有毒物质的循环与机制。,w,4,为什么研究养分循环？,w,5,一个简单的例子,w,6,81生态系统养分循环概述,物质的循环和能量的流动的关系（相辅相成、缺一不可）。生态系统养分循环研究的发展过程(三个阶段）：生态系统养分循环研究关注的重点领域（五个方面)：,w,7,能量流动与物质循环的关系,空气水无机盐,生产者,食草动物,食肉动物,分解者,热,热,热,热,热,Sun,第二级食肉动物,物质流,能量流,w,8,811植物体内的养分元素,重要元素：植物正常生长和代谢所必需的元素。其中，其浓度仅有若干ppm的称作微量元素，而浓度可用百分数表示的可称为大量元素;大量元素：氢、碳、氧、氮、钾、钙、镁、磷、硫;微量元素：氯、硼、铁、锰、锌、铜、钼生物体中主要的化学元素：氢、碳、氧、氮.,w,9,w,10,w,11,812生态系统养分循环的概念,狭义上：养分元素在生态系统内一次又一次地被循环利用的现象生态系统养分循环示意,w,12,广义上：指化学元素及其组成的各种化合物在自然界中的迁移和转化的过程。研究化学元素及其化合物在自然界中的分布、迁移和转化规律的科学称为生物地球化学(biogeochemistry)。生物地球化学的研究内容就是通过追踪化学元素迁移、转化过程与规律研究生命与其周围环境的相互关系。,w,13,82森林生态系统养分循环的类型与机制,三种循环类型（路径与范围）：地球化学循环(geochemicalcycles)生物地球化学循环(biogeochemicalcycles)生物化学循环(biochemicalcycles),w,14,821地球化学循环,是指不同生态系统之间化学元素的迁移和交换距离可能很近或者很远。地球化学循环的空间范围相当大，可以是全球性的大循环。时间范围也可能相当长；但也可能很短。根据元素循环的机制，地球化学循环分为气态循环(gaseouscycles)和沉积循环(sedimentarycycles)。,w,15,（一）气态循环(gaseouscycles),C、N、O主要以气态形式输入和输出。最近20余年来，气态循环已引起人们极大地重视。因为气体循环不仅使一些重要的大量元素输入系统或从系统中损失掉，而且能运载空气的污染物质。70年代以来由于大气增加大量N和S的氧化物，产生酸雨现象成为全球最普遍的一种严重污染。温室效应使地球长期处于变暖的趋势，它的影响已逐渐表现出来。,w,16,（二）沉积循环(sedimentarycycles),地球化学循环中，气态循环的气体比较少，大部分属于沉积循环类型。气象途径：如空气尘埃和降水的输入以及风侵蚀和搬运的输出。（生长在极贫瘠土壤上的森林，化学沉降物的输入有可能使其达到较高的生产量）生物途径：动物的活动可使养分在生态系统之间发生再分配。（例如它们可以在一个生态系统能够内取食，而在另一个系统内排泄）地质水文途径：指生态系统养分的输入来源于岩石、土壤矿物的风化和土壤水分及溪水溶解的养分对系统的输入，以及土壤水或地表水溶解的养分、土粒和有机物质从系统的输出。,w,17,w,18,822生物地球化学循环,生态系统内部化学元素的交换，其空间范围一般不大。植物在系统内就地吸收养分，又通过落叶归还到同一地方。多数生态系统内生物和化学元素的交换，大体处于平衡状态。一般生物地球化学循环的特点是：绝大多数的养分可以有效地保留，积累在本系统之内，其循环经常是遵循一定的循环路线。,w,19,Sedimentarycycles,地质的,生物的,气象的,地质的,气象的,生物的,大气,溶于水和土壤,土壤和岩石矿物质,剩余有机物（活的和死的）,w,20,生态系统的分室模型及养分循环的主要途径(引自Rieklets1982),w,21,生物地球化学循环的内容,（一）植物对养分的吸收从土壤溶液中吸收菌根营养（二）植物体内养分的分配（三）植物养分的损失雨水淋失草食动物的取食生殖器官的消耗凋落物损失的养分,w,22,（四）凋落物的分解,凋落物分解和养分的释放是森林生物地球化学循环中最重要的一环。凋落分解的快慢与下列因子有关：森林类型及立地条件凋落物的化学成分土壤生物的活动,w,23,森林凋落物的分解凋落物分解和养分的释放是森林生态系统能量流动过程中最重要的一环，分解过快或过慢对森林生长都不利。热带雨林VS北方针叶林,w,24,（五）林下植被的作用,林下植被的凋落物含有相当高的养分，一般有利于森林死地被物的分解，从而提高土壤肥力。因此，林下保持一定数量的灌木、杂草以及苔藓，将会对森林的生产力起到有益的作用。,w,25,（六）养分元素的直接循环,养分直接循环是指菌根菌的菌丝体侵入新落下的凋落物后，有菌丝进入凋落物内部使之分解，并吸收那些被矿化后的养分，其中养分的一部分可被有菌根的植物所利用。养分直接循环的途径有效地保证了植物养分的失而复得，由此几乎构成一个闭路的生物地球化学循环，一个一种最稳妥的生物地球化学循环。,w,26,823生物化学循环,指养分在生物体内的再分配。养分在体内的再分配，是植物保存养分的重要途径,对植物有着多方面的作用，植物体内部贮存的养分可以在土壤养分不足时仍能维持生长，或者1年内养分难以利用的期间也能保持生长。,w,27,83生态系统中的分解,生态系统中的分解作用(decomposition)是死有机物质的逐步降解过程。死有机物质的逐步还原为无机物，释放能量。,w,28,831分解过程的性质,分解的过程破碎把尸体分解为颗粒状的碎屑。异化（矿化）有机物在酶的作用下，进行生物化学的分解，从聚合体变成单体（如纤维素降解为葡萄糖）进而成为矿物成分（如葡萄糖降为CO2和H2O）。淋溶可溶性物质被水淋洗出，完全是物理过程。,w,29,832影响凋落物分解速率的因素,随着凋落物的分解，物质的质量不断减少。凋落物分解过程中物质的损失一般遵循如下规律(Olson1963)。式中Lo凋落物在起始时刻时重量；Lt凋落物在t时刻时重量；k凋落物分解常数，k=年凋落量凋落物的库存量。k值的大小反映了凋落物分解的快慢，k值越大表明凋落物的分解越快，k值小说明凋落物分解慢。影响凋落物分解的因子有水分、温度、pH值、氧气、土壤动物多少、凋落物理化性质以及真菌和细菌的相对量。,w,30,分解过程的决定因素,分解者生物的种类待分解资源的质量分解时的理化环境条件,w,31,（一）分解者生物,微生物细菌和真菌是主要的分解者：主要分解氨基酸和糖类动物类群小型土壤动物:包括线虫、轮虫、螨：不能碎裂枯枝落叶，属粘附类型。中型土壤动物：包括蝉尾目昆虫、原尾虫、螨类、线蚓类、双翅目幼虫和一些小型鞘翅目昆虫：调节微生物种群的大小和对大型动物粪便进行处理和加工；大型和巨型土壤动物：主要包括各种取食枯枝落叶的节肢动物，如千足类、等足类、端足类的蜗牛、蚯蚓等：是碎裂植物残叶和翻动土壤的主力。对分解和土壤结构有明显影响。,w,32,（二）凋落物的化学性质,资源质量与分解作用的关系,w,33,（三）物理环境对分解作用的影响,温度高、湿度大的地带，有机质分解速率高，低温干燥地带，分解速率低。分解生物的相对作用：无脊动物在地球上的分布随纬度的变化呈现地带性的变化规律。低纬度热带地区起作用的主要是大型土壤动物，其分解作用明显高于温带和寒带；高纬度寒温带和冻原地区多为中、小型动物，它们对物质分解起的作用很小。,w,34,一个表示生态系统分解特征的有用指标是：K=IX式中K-分解指数；I-一死有机物输入年总量；X-系统中死有机物质总量(现存量)。用地面残落物输人量(IL)与地面枯枝落叶现存量(XL)之比来计算K值。,w,35,84森林生态系统养分循环特征参数,森林生态系统的养分生物地球化学循环发生于土壤、林木、枯落物和大气四大分室之间(左图)，循环过程包括林木吸收、存留、凋落物归还、淋溶归还、大气降雨及飘尘输入、径流输入和人为输出等路径。,w,36,（一）养分存留量,林木年存留量的测算一般通过林木年增长的生物量与其养分浓度的乘积计算，,w,37,（二）养分归还量,凋落物归还养分量：养分随凋落物的年归还量的测定方法是通过在林地布置凋落物收集筐，测定年凋落物量及其养分浓度进行计算。雨水淋洗归还养分量：,w,38,（三）养分吸收量,养分吸收量是指林木或植物从环境中吸收的养分总量。即吸收量=存留量+归还量,w,39,（四）养分吸收率或养分吸收系数,养分吸收率也称养分吸收系数，一般指森林植物年吸收养分量与根层土壤中的养分贮量之比。,w,40,（五）养分利用效率,养分利用效率反映了森林植物对养分环境的适应状况和利用状况。目前关于养分利用效率的计算方法主要采用Chapin指数,w,41,（六）养分循环强度,1967年Rodin和Bazilevich提出以概算的林地枯落物分解率作为养分循环强度：用以描述养分的周转状况。计算方法有两种：W值有不同的取法，当W值为树叶刚凋落尚未分解时的调查值时，以前式计算K；当W为树叶凋落前测定值时，以后式计算K。常绿树种的K计算，采用前式。,w,42,（七）生物循环系数,生物循环系数是基于生物循环的概念提出的一种指标，也称生物归还系数，计算公式为：,w,43,8.5几种主要元素的循环,（一）水循环（二）碳循环（三）氮循环(四)硫循环（五）磷循环,w,44,（一）水循环（Watercycles）,w,45,w,46,全世界淡水资源总量并不缺乏。但是降水量在空间和时间上分布不均匀，造成有些地区或某些时间仍然严重缺水。地球水资源总量约为14亿km3，其中有97%以上分布在海洋。陆地上的地面水中冰盖和冰川占2.41%，目前无法取用。淡水湖泊和河流只占0.0091%，这些水除大量蒸发外，约有三分之一，即42083km3可供人类生活和工农业生产之用。我国水资源分布也很不平衡，南方水资源较丰富，北方水资源不足，西北内陆荒漠盆地，水资源更贫乏。据国外资料，年总用水量如果超过年总径流量的13-14%，将产生水荒和干旱的威胁。近年来世界总需水量每年大约递增4%，有些国家用水量10年即增加一倍。,w,47,（二）碳的循环,大气碳库海洋碳库陆地碳库岩石圈中的碳,w,48,全球碳循环,w,49,生态系统中的碳循环,w,50,什么是温室效应？,w,51,大气CO2浓度与温度变化(夏威夷),w,52,（三）氮循环,含氮物质种类大气中的氮(氮气，N2)氧化二氮(N2O)氨气(NH3)NO及其反应生成物,w,53,全球氮循环,w,54,生态系统中的氮循环,w,55,（四）全球硫循环,w,56,（四）硫循环,从全球变化的角度，人们关心硫循环是因为它是酸雨和大气气溶胶的主要成分。硫的生物地球化学循环研究一直比较活跃，这是由于酸沉降、温室效应乃至臭氧层耗损均与硫的污染有直接或间接的关系。,w,57,生态系统的硫循环,w,58,酸雨的危害,w,59,世界范围酸雨危害,w,60,（五）磷循环,在细胞的能量贮存、传输和利用等方面起着关键作用。另外，它还制约着生态系统，尤其是水生生态系统的光合生产力，因此，磷循环是实现生物圈功能的重要基础。,w,61,全球磷循环,w,62,生态系统中的磷循环,w,63,湖泊富氧化污水排放,w,64,全球的物质循环系统,w,65,六森林生态系统生物地球化学循环的效能未经干扰的天然森林生态系统内，养分能够有效地积累和保存。贫养土地上森林对养分的保持能力可以补充养分不足的问题。世界各地许多森林溪流水的共同特点是，养分含量极低。森林生物地球化学循环的效能，为当前的环境问题提供一种可能的解决办法。,w,66,七森林经营对森林生物地球化学循环的影响,经营措施可以有利于养分循环和增加养分的有效性或者造成养分的损失“全树利用”表面上是对林地生物量的充分利用，是一种节约的措施，然而却造成林地养分的巨大损失，完全破坏了森林的生物地球化学循环。据研究温带森林，如按中等或较长的轮伐期（80-120年）并