11 生态系统的物质循环.ppt

10.06.2020,第十一章生态系统中的物质循环,1物质循环的一般特点23气体型循环4沉积型循环5有毒有害物质物质,思考题,10.06.2020,物质循环的概念物质循环的模式物质循环的特点生物地球化学循环的类型,第一节物质循环的一般特点,10.06.2020,一物质循环(nutrientcycle)的概念,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分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、再从生物体到环境，不断进行着反复循环变化的过程，又称生物地球化学循环（biogeochemicalcycle）。,10.06.2020,地球化学循环（地质大循环）：指化合物或元素经生物体的吸收利用，从环境进入生物有机体内，然后生物有机体以残体或排泄物的形式将物质或元素返回环境，经过五大自然圈（大气圈、水圈、岩石圈、土壤圈和生物圈）循环后再被生物利用的过程。特点：时间长、范围广，闭合式循环生物循环（生物小循环）：指环境中的元素经生物体吸收，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。特点：时间短、范围小，开放式循环,10.06.2020,生命与元素,大量元素包括（含量超过生物体干重1%以上的）：碳、氧、氢、氮和磷等。（含量占生物体干重0.21%之间的）硫、氯、钾、钠、钙、镁、铁和铜等。微量元素包括（含量一般不超过生物体干重的0.2%）：铝、硼、溴、铬、钴、氟、镓、碘、锰、钼、硒、硅、锶、锡、锑、钒和锌等。,10.06.2020,10.06.2020,二物质循环模式,生物地化循环可以用“库”(pools)和“流通”(fluxrates)两个概念加以描述。库：由存在于生态系统某些生物或非生物成分中一定数量的某种化学物质所构成的，如在一个湖泊生态系统中，水体中磷的含量可以看成是一个库，浮游植物中的磷含量是第二个库。这些库借助有关物质在库与库之间的转移而彼此相互联系。流通率：物质在生态系统单位面积(或单位体积)和单位时间的移动量就称为流通率。,P244图11-2,10.06.2020,周转率(turnoverrates)：就是出入一个库的流通率(单位天)除以该库中的营养物质总量：,周转时间(turnovertimes)：就是库中的营养物质总量除以流通率。,10.06.2020,周转时间表达了移动库中全部营养物质所需要的时间。周转率越大，周转时间就越短。大气圈中二氧化碳的周转时间大约是一年多一些，大气圈中分子氮的周转时间约近100万年，而大气圈中水的周转时间只有10.5天。生物地化循环在受人类干扰以前，一般是处于一种稳定的平衡状态，这就意味着对主要库的物质输入必须与输出达到平衡。这种平衡是通过全球的物质循环，也就是生物地化循环来实现的。,10.06.2020,影响物质循环速率的最重要因素：循环元素的性质：循环速率不同由循环元素的化学特性和被生物有机体利用的方式不同所致生物的生长速率：这一因素影响着生物对物质的吸收速度和物质在食物链中的运动速度有机物分解的速率：适宜的环境有利于分解者的生存，并使有机体很快分解，迅速将生物体内的物质释放出来，重新进入循环,10.06.2020,三物质循环的特点,物质不灭，循环往复物质循环和能量流动不可分割，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,10.06.2020,四、生物地球化学循环的类型,生物地化循环可分为三大类型，即水循环，气体型循环(gaseous.cycles)和沉积型循环(sedimentarycycles)。水循环：生态系统中所有的物质循环都是在水循环的推动下完成的，因此，没有水的循环，也就么有生态系统的功能，生命也就难以维持。气体型循环：物质的主要储存库是大气和海洋，其循环与大气和海洋密切相联，具有明显的全球性，循环性能最为完善。凡属于气体型循环的物质，其分子或某些化合物常以气体形式参与循环过程，属于这类的物质有氧，二氧化碳、氮、氯、溴和氟等。,10.06.2020,沉积型循环：参与沉积型循环的物质主要是通过岩石的风化和沉积物的分解转变为可被生态系统利用的营养物质，而海底沉积物转化为岩石圈成分则是一个缓慢的、单向的物质移动过程，时间要以数千年计。这些沉积型循环物质的主要储存库是土壤、沉积物和岩石，而无气体形态，因此这类物质循环的全球性不如气体型循环表现得那么明显，循环性能一般也很不完善。属于沉积型循环的物质有磷、钙、钾、钠、镁、铁、锰、碘、铜、硅等，其中磷是较典型的，沉积型循环物质，它从岩石中释放出来，最终又沉积在海底并转化为新的岩石。气体型循环和沉积型循环虽然各有特点，但都受到能流的驱动，并都依赖于水的循环。,10.06.2020,生物地化循环过程的研究主要是在生态系统水平和生物圈水平上进行的。重点是研究这些元素在整个生态系统中的输入和输出以及在生态系统主要生物和非生物成分之间的交换过程，如在生产者、植食动物、肉食动物和分解者等各个营养级之向的交换。,10.06.2020,生物地化循环的类型,水循环气体型循环沉积型循环,10.06.2020,2水循环(aquaticcycle),水循环的意义：水是所有营养物质的介质；水对物质是很好的溶剂；水是地质变化的动因之一。,10.06.2020,全球的水循环降水：大气中的水汽以雨雪冰雹等形式落到地面或海洋。蒸发：地面和海洋中的水又通过蒸发进入到大气中特点：地球上的降水量和蒸发量总的来说是相等的。每年降到地面的雨雪大约有35%又以地表径流的形式流入海洋。,10.06.2020,生态系统中的水循环生态系统中的水循环包括截取、渗透、蒸腾和地表径流。特点植物在水循环中起着重要作用。森林是水循环的主要调解者。,10.06.2020,人类活动对水循环的影响：空气污染和降水；改变地面，增加径流；过度利用地下水；水的再分布。,10.06.2020,水循环示意图,10.06.2020,3气体型循环(gaseouscycle),碳循环氮循环,10.06.2020,碳循环,整个地球碳的储存数量约为261015吨。其中有90%以上以碳酸盐形式禁锢在岩石圈中，而只有7500109吨是以有机态埋藏在地下(如煤、石油)。这些成为碳循环中的储存库。只有极少量碳参与经常性流动和圈层间的交换。其中大气圈中(二氧化碳状态)约700109吨，水圈中(多为碳酸盐态或二氧化碳状态)约为35250109吨。而构成现有生物量的有机碳仅为1120109吨。水圈、大气圈和生物圈扮演着碳循环中活动库的作用。,10.06.2020,碳循环从大气中二氧化碳储库开始，通过绿色植物的光合作用，将大气中的碳，转移到植物体中形成碳水化合物，然后被各级消费者利用，其生物残体经过微生物分解还原以及生物的呼吸作用，再把碳回归到大气中。碳的另一个储存库是海洋：在水体中，同样由水生植物将大气中扩散到水上层的二氧化碳固定转化为糖类，通过食物链经消化合成，各种水生动植物呼吸释放出二氧化碳。岩石圈和化石燃料：岩石圈中的碳借助于岩石的风化和溶解、火山爆发等重返大气圈；化石燃料在燃烧过程中是大气中的二氧化碳含量增加。,10.06.2020,碳循环(carboncycle),10.06.2020,碳循环的自我调节机制：在土壤和水域生态系统中，溶解的二氧化碳可以和水结合形成碳酸，这个反应是可逆的（碳酸可以形成氢离子和碳酸氢根离子，而后者又可以进一步离解为氢例子和碳酸根离子），反应进行的方向取决于参加反应的各成分的浓度。如果大气中二氧化碳发生局部短缺，就会引起一系列补偿反应，水圈中的二氧化碳就会更多的进入到大气圈中如果水圈中的二氧化碳在光合作用中被植物利用耗尽，也可以通过其他途径或从大气中得到补偿。,10.06.2020,草地生态系统的碳循环：碳素储量绝大部分集中于土壤中，地上生物量中仅为10%。草地生态系统不像森林生态系统那样具有明显的地上生物量，但由于地上部分受放牧、农垦等的影响，碳循环远较森林生态系统要强烈，地上部分碳循环不仅速度快，而且向大气排放二氧化碳的作用明显作为主要碳储存库的地下部分，由于草地所处的特殊地理位置和气候条件，导致其地下部分分解普遍较慢，草地作为二氧化碳汇的作用更为明显。,10.06.2020,“温室效应”的形成机制：近百年来，由于人类活动对碳循环的影响，一方面森林大量砍伐，同时在工业发展中大量化石燃料的燃烧，使得大气中二氧化碳的含量呈上升趋势。由于二氧化碳对来自太阳的短波辐射有高度的透过性，而对地球反射出来的长波辐射有高度的吸收性，这就有可能导致大气层低处的对流层变暖，而高处的平流层变冷，这一现象为“温室效应”。“温室效应”对地球的影响：地球气温逐渐上升，引起全球性气候改变，促使南北极冰雪融化，使海平面上升，危及许多沿海城市和广大陆地。,10.06.2020,氮循环,氮气,10.06.2020,氮循环是一个复杂的过程，包括有许多种类的微生物参加：,1，固氮作用（nitrogenfixation）,1）通过闪电、宇宙射线、陨石、火山爆发，形成氨或硝酸盐2）工业固氮3）生物固氮，占地球固氮的90%,10.06.2020,氮在环境的循环：P251，图11-5含氮有机物的转化和分解过程：氨化作用（ammonification）：氨化作用由氨化细菌和真菌的作用将有机氮（氨基酸和核酸