生态学7物质循环

1、7 生态系统中的物质循环生态系统中的物质循环7.1 物质循环的基本原理物质循环的基本原理7.2 几种重要循环的概述几种重要循环的概述7.2.1 水循环水循环7.2.2 碳循环碳循环7.2.3 氮循环氮循环7.2.4 磷循环磷循环7.2.5 硫循环硫循环7.2.6 养分循环养分循环7.3 物质循环与环境问题物质循环与环境问题7.1 物质循环的基本原理物质循环的基本原理7.1.1 物质循环的有关概念物质循环的有关概念7.1.2 物质循环的基本形式物质循环的基本形式7.1.3 物质循环的类型物质循环的类型7.1.4 物质循环的特点物质循环的特点7.1.1 物质循环的有关概念物质循环的有关概念定义：生

2、态系统中各元素和化合物沿着特定定义：生态系统中各元素和化合物沿着特定的途径从生物到环境，再从环境到生物，的途径从生物到环境，再从环境到生物，不断往复循环的过程。不断往复循环的过程。1)1) 生物地球化学循环生物地球化学循环 2)2) 库和流库和流 物质在循环过程中物质在循环过程中被暂时固定、贮存被暂时固定、贮存的场所。的场所。库：库：流：流：2)2) 库和流库和流 库：库：储存库储存库交换库交换库即环境库，容积较即环境库，容积较大，物质交换活动大，物质交换活动缓慢。如大气库、缓慢。如大气库、土壤库、水体库土壤库、水体库。流：流：2)2) 库和流库和流 库：库：储存库储存库交换库交换库即生物库，

3、容积即生物库，容积较小，与外界物较小，与外界物质交换活跃。如质交换活跃。如植物库、动物库、植物库、动物库、微生物库。微生物库。流：流：2)2) 库和流库和流 库：库：储存库储存库交换库交换库物质在库与库之间物质在库与库之间的转移运动状态。的转移运动状态。流：流：3)3) 周转率、周转期周转率、周转期 周转率：之系统达到稳定状态后，某一组分（库）周转率：之系统达到稳定状态后，某一组分（库）中的物质在单位时间内所流出的量或流入的量占库中的物质在单位时间内所流出的量或流入的量占库存总量的分数值。单位时间交换量。存总量的分数值。单位时间交换量。 周转期：是库中物质全部更换平均需要的时间，也周转期：是库

4、中物质全部更换平均需要的时间，也是周转率的倒数。是周转率的倒数。单位时间交换量周转率库存量3)3) 周转率、周转期周转率、周转期 在生物量的周转中，往往用更新率、更新期的概念在生物量的周转中，往往用更新率、更新期的概念 ，其含义同周转率、周转期。其含义同周转率、周转期。 如某一森林的现存量为如某一森林的现存量为324 t/hm2，年净生产量为，年净生产量为28.6 t/hm2，其更新率，其更新率=28.6/324=0.088，更新期约，更新期约为为11.3年。年。 如某一水体中浮游生物的现存量为如某一水体中浮游生物的现存量为0.07 t/hm2，年，年净生产量为净生产量为4.1 t/hm2，其

5、更新率，其更新率=4.1/0.07=59，更，更新期只有新期只有6.23天。天。7.1.2 物质循环的基本形物质循环的基本形根据物质循环的范围不同分为地球化学循环（地质大循根据物质循环的范围不同分为地球化学循环（地质大循环）和生物循环（生物小循环）两种基本形式。环）和生物循环（生物小循环）两种基本形式。1）地质大循环）地质大循环 指化合物或元素经生物体的吸收作用，从环指化合物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、境进入生物有机体内，然后生物有机体以死体、残体或排泄物形式将物质或元素返回环境，经过残体或排泄物形式将物质或元素返回环境，经过五天自然圈循环后，在被生

6、物利用的过程。五天自然圈循环后，在被生物利用的过程。特点：时间长，范围广，是闭合式的循环。特点：时间长，范围广，是闭合式的循环。水的地质大循环水的地质大循环 2）生物小循环）生物小循环 生态系统环境中的元素或化合物被生物利用生态系统环境中的元素或化合物被生物利用后返回环境，不经五大自然圈层的循环，又相继后返回环境，不经五大自然圈层的循环，又相继被生物利用的过程。被生物利用的过程。特点：时间短、范围小，是开放式的循环。特点：时间短、范围小，是开放式的循环。Ca的生物小循环的生物小循环 7.1.3 物质循环的类型物质循环的类型主要特征主要特征气相型循环气相型循环沉积型循环沉积型循环元素类型元素类型

7、有气态化合物或分有气态化合物或分子（子（C、H、O、N、Cl等）等）无气态化合物或分无气态化合物或分子（子（P、Ca、K、Na、Mg等）等）主要贮存库主要贮存库大气圈、水圈大气圈、水圈岩石圈、土壤圈岩石圈、土壤圈循环速度循环速度快快慢慢运动方式运动方式扩散扩散沉降、抬升、风化、沉降、抬升、风化、溶解溶解抗干扰能力抗干扰能力强强弱弱循环性质循环性质完全循环完全循环不完全循环不完全循环7.1.4 物质循环的特点物质循环的特点 物质不灭，循环往复物质不灭，循环往复 物质循环与能量流动不可分割，相辅相成物质循环与能量流动不可分割，相辅相成 物质循环的生物富集物质循环的生物富集 没有生物则难于循环没有生

8、物则难于循环 生态系统对物质循环有一定调节能力生态系统对物质循环有一定调节能力 各物质循环过程相互联系，不可分割。各物质循环过程相互联系，不可分割。7.2 几种重要循环的概述几种重要循环的概述7.2.1 水循环水循环7.2.2 碳循环碳循环7.2.3 氮循环氮循环7.2.4 磷循环磷循环7.2.5 硫循环硫循环7.2.6 养分循环养分循环7.2.1 水循环水循环总体积约为总体积约为14亿亿km3水，分布于海洋、冰川、水，分布于海洋、冰川、地下水、内陆湖泊、大气五大水地下水、内陆湖泊、大气五大水“库库”中，咸水占中，咸水占水量水量97%，3%是淡水，其中是淡水，其中3/4以固体状态固着在以固体状

9、态固着在两级冰盖和冰川中，只有余下不到两级冰盖和冰川中，只有余下不到1%的水，才是供的水，才是供人类用的液态淡水。人类用的液态淡水。水的大循环水的大循环水的小循环水的小循环降雨降雨=植被水植被水+土壤水土壤水+地下水地下水+地表水地表水+蒸散蒸散人类活动深刻地改变了水的生物地球化学循环人类活动深刻地改变了水的生物地球化学循环1960年以来对地表径流人工控制能力增长年以来对地表径流人工控制能力增长3倍；水倍；水库蓄水量达到湖泊和河流的库蓄水量达到湖泊和河流的3-6倍，占将近一半的可利倍，占将近一半的可利用水资源。用水资源。水资源利用每水资源利用每10年增加年增加20%，15-35%地区出现过地区

10、出现过度利用，在度利用，在21世纪将成为制约全球社会经济发展的主要世纪将成为制约全球社会经济发展的主要生态因素。生态因素。人类对水循环的影响及水问题人类对水循环的影响及水问题（1）植被破坏）植被破坏（2）水利工程）水利工程（3）开采地下水）开采地下水（4）水体污染）水体污染（1）植被破坏）植被破坏 （2）水利工程）水利工程 如修筑水库，塘堰可扩大自然蓄水量；而围湖造如修筑水库，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，尤其是大量季节性降田又使自然蓄水容积减小，尤其是大量季节性降水因蓄力消弱而流走，造成短期洪涝灾害，并同水因蓄力消弱而流走，造成短期洪涝灾害，并同时降低了地下水库的补给

11、，也引起严重的土壤和时降低了地下水库的补给，也引起严重的土壤和养分流失。养分流失。（3）开采地下水）开采地下水 由于过度开发局部地区的地表水和地下水，用由于过度开发局部地区的地表水和地下水，用于工、农业及城市发展，不但使地表、地下水贮量于工、农业及城市发展，不但使地表、地下水贮量下降，出现地下漏斗及地上的断流，造成次生盐渍下降，出现地下漏斗及地上的断流，造成次生盐渍化；也使下游水源减少，水位下降，水质恶化，沿化；也使下游水源减少，水位下降，水质恶化，沿海出现海水入侵，加重了干旱化和盐渍化威胁。海出现海水入侵，加重了干旱化和盐渍化威胁。（4）水体污染）水体污染 7.2.2 碳循环碳循环全球碳循环

12、通量全球碳循环通量 The Global Carbon Cycle碳循环失调造成的环境问题碳循环失调造成的环境问题温室效应温室效应 Greenhouse effect Global warming人类活动深刻地改变了生态系统物质循环人类活动深刻地改变了生态系统物质循环碳循环：碳循环：20世纪中期以来陆地生态系统从碳循环转世纪中期以来陆地生态系统从碳循环转变为碳汇当前吸收工业变为碳汇当前吸收工业CO2排放量的排放量的20%左右，对气候左右，对气候变化形成负反馈，但是在变化形成负反馈，但是在21世纪，陆地生态系统碳循环世纪，陆地生态系统碳循环向未知方向变化。向未知方向变化。温室气体温室气体 温室气

13、体除了二氧化碳（温室气体除了二氧化碳（CO2）外，还包括甲）外，还包括甲烷（烷（CH4）、氧化氮（）、氧化氮（N2O）和碳氟氯烷（）和碳氟氯烷（CFC）、）、臭氧（臭氧（O3）等。其中）等。其中CO2的作用约占全部温室气体的作用约占全部温室气体作用的作用的50%以上，大气中的水蒸气也对温室效应起以上，大气中的水蒸气也对温室效应起着重要作用。着重要作用。Greenhouse gas:CO2、CFC、CH4、N2O (近年的浓度变化近年的浓度变化)全球变暖对生态系统的影响全球变暖对生态系统的影响（1）在能量供应方面；）在能量供应方面；（2）北冰洋漂浮海冰和南极西部冰上的融化；）北冰洋漂浮海冰和南极

14、西部冰上的融化；（3）世界生物群落的分部主要取决于气候，尤其是温）世界生物群落的分部主要取决于气候，尤其是温度和降雨；度和降雨；（4）由于海岸和表层水温升高，造成海洋上升流减少；）由于海岸和表层水温升高，造成海洋上升流减少；（5）全球变暖可能造成某些疾病发病率的升高；）全球变暖可能造成某些疾病发病率的升高；（6）气候变暖将大大影响食物生产的分布和稳定性。）气候变暖将大大影响食物生产的分布和稳定性。7.2.3 氮循环氮循环生物固氮：生物固氮： 每年约每年约5400万吨万吨工业固氮：工业固氮： 每年约每年约6680万吨万吨高能固氮：高能固氮： 每年约每年约760万吨万吨氮的固定氮的固定氮的损失氮的

15、损失反硝化反硝化有机物的燃烧有机物的燃烧淋溶淋溶流失流失挥发挥发人类活动对氮循环的影响人类活动对氮循环的影响 人为地固氮作用使大气库中的人为地固氮作用使大气库中的N减少，陆减少，陆地和海洋中地和海洋中N增加，其中主要流向海洋。增加，其中主要流向海洋。 氮氧化物的流量和大气圈中的存量在不断氮氧化物的流量和大气圈中的存量在不断增加。增加。N循环各过程的净通量和库的净变化循环各过程的净通量和库的净变化（Tg N/a） 大气圈大气圈-81岩石圈岩石圈+8陆地陆地+4海洋海洋+6913493844人为活动对人为活动对 N循环造成的影响（循环造成的影响（Tg N/a）人类活动深刻地改变了生态系统物质循环人

16、类活动深刻地改变了生态系统物质循环氮循环：人工固氮能力超过自然过程的总和，生态系氮循环：人工固氮能力超过自然过程的总和，生态系统有效氮输入增加统有效氮输入增加1倍；人工氮固定成为土壤和水环倍；人工氮固定成为土壤和水环境主要污染源，导致境主要污染源，导致N2O（温室效应比（温室效应比CO2高高2个数个数量级）排放指数增长。量级）排放指数增长。氮循环失调造成的环境问题氮循环失调造成的环境问题（1）水体富营养化）水体富营养化（2）地下水中）地下水中NO2-、NO3-具有致癌作用具有致癌作用（3）臭氧层的破坏）臭氧层的破坏（4）光化学烟雾）光化学烟雾 水体富营养化过程水体富营养化过程营养物质进入水体营

17、养物质进入水体水中微生物滋生水中微生物滋生爆发性爆发性增长增长死亡分解死亡分解消耗氧气消耗氧气氧气不足氧气不足厌气厌气分解分解产生有毒物质产生有毒物质水体变坏水体变坏水体富营养化的危害水体富营养化的危害 水中溶解氧气减少，水生水中溶解氧气减少，水生生物无法生存。生物无法生存。臭氧层破坏危害臭氧层破坏危害（1）对人体健康的影响。）对人体健康的影响。（2）对生态系统的影响。）对生态系统的影响。（3）对空气质量及全球变暖地影响。）对空气质量及全球变暖地影响。（4）对材料的影响。）对材料的影响。7.2.4 磷循环（沉积型）磷循环（沉积型）7.2.5 硫循环（气相型兼沉积型）硫循环（气相型兼沉积型）硫循

18、环的环境问题硫循环的环境问题（1）酸雨：酸雨指）酸雨：酸雨指pH小于小于5.6的雨、雾、雪、的雨、雾、雪、霜的统称。主要由霜的统称。主要由SO2引起的。引起的。（2）酸雨的危害：土壤酸化、贫瘠化，毒）酸雨的危害：土壤酸化、贫瘠化，毒害植物根系，危害生物生长。害植物根系，危害生物生长。（3）水体富营养化。）水体富营养化。7.2.5 农田养分循环农田养分循环N、P、K等营养元素在认为影响下的运等营养元素在认为影响下的运动叫农田养分循环。动叫农田养分循环。一般模式是：土壤一般模式是：土壤植物植物动物动物土壤土壤保持农田养分循环平衡的途径保持农田养分循环平衡的途径 合理施肥合理施肥 合理种植合理种植

19、农产品就地加工农产品就地加工 农林牧副渔结合农林牧副渔结合 解决农村能源解决农村能源 有目的积肥有目的积肥7.3 物质循环与环境问题物质循环与环境问题7.3.1 环境污染与污染生态学环境污染与污染生态学7.3.2 有毒有害物质的循环与有毒有害物质的循环与 生物放大作用生物放大作用7.3.3 化学农药与物质循环化学农药与物质循环7.3.4 化学肥料与物质循环化学肥料与物质循环7.3.5 环境污染的生物监测环境污染的生物监测7.3.6 环境污染的生物防治环境污染的生物防治 7.3.1 环境污染与污染生态学环境污染与污染生态学1）环境污染）环境污染 环境污染环境污染是指人类直接、间接制造或是指人类直

20、接、间接制造或所用物品的废弃物等排放到环境中，其数所用物品的废弃物等排放到环境中，其数量超过了环境的自净能力，是环境的理化量超过了环境的自净能力，是环境的理化和生物学性状发生了有害的改变。和生物学性状发生了有害的改变。 环境污染的根本问题环境污染的根本问题l 元素或物质在局部积累元素或物质在局部积累 物质循环的平衡物质循环的平衡 l 输入输出平衡输入输出平衡l 元素在各个环节运动速度均衡元素在各个环节运动速度均衡l 系统内各元素的比例均衡系统内各元素的比例均衡 2）环境污染的类型）环境污染的类型 按污染物分按污染物分按环境要素分按环境要素分按污染来源分按污染来源分非降解性污染非降解性污染（No

21、nbiodegradable pollution ）降解性污染降解性污染（Biodegradable pollution ）大气污染大气污染水体污染水体污染土壤污染土壤污染面源污染面源污染（Non-pointed pollution）点源污染点源污染（Pointed pollution）环境污染的分类环境污染的分类（1）大气污染）大气污染污染源：工业污染源污染源：工业污染源 农业污染源农业污染源 生活污染源生活污染源 交通污染源交通污染源污染物：烟雾污染物：烟雾 粉尘粉尘 微粒微粒 有害气体有害气体（2）水体污染）水体污染水体污染的三个主要方面：水体污染的三个主要方面：水体富营养化水体富营养化

22、重金属污染重金属污染热污染热污染（3）土壤污染）土壤污染大气污染型大气污染型水体污染型水体污染型农业污染型农业污染型固体污染型固体污染型生物污染型生物污染型7.3.2 有毒有害物质的循环与生物放大作用有毒有害物质的循环与生物放大作用1）有毒有害物质）有毒有害物质 2）食物链浓集作用）食物链浓集作用 1.有毒有害物质有毒有害物质有毒化合物有毒化合物有毒重金属的循环有毒重金属的循环放射性元素的循环放射性元素的循环食物链富集作用：又叫生物放大作用，指一些食物链富集作用：又叫生物放大作用，指一些难降解的有毒物质沿食物链传递时，其浓度随难降解的有毒物质沿食物链传递时，其浓度随营养级的升高不断增加的现象。

23、营养级的升高不断增加的现象。DDT在生态系统中的富集作用在生态系统中的富集作用 7.3.3 化学农药与物质循环化学农药与物质循环农药在自然界中的转移农药在自然界中的转移 有机氯农药（有机氯农药（BHC）沿食物链及在牛肉、牛奶和人体内的富集）沿食物链及在牛肉、牛奶和人体内的富集 全球全球12种有机污染物被禁用或限用种有机污染物被禁用或限用 联合国环境会议通过联合国环境会议通过关于持久性有机染物关于持久性有机染物的斯德歌尔摩公约的斯德歌尔摩公约，决定在全世界范围内禁用，决定在全世界范围内禁用或严格限用或严格限用12种有机污染物。种有机污染物。 被禁止被禁止生产和使用生产和使用 艾氏剂艾氏剂 绿丹绿

24、丹 狄氏剂狄氏剂 异异狄氏剂狄氏剂 七氯七氯 灭蚁灵灭蚁灵 毒杀芬毒杀芬被严格限用并被严格限用并将尽快被取代将尽快被取代 滴滴涕滴滴涕将在将在2025年年之前被禁用之前被禁用 多氯联苯尽可能限制在尽可能限制在最低范围之内最低范围之内 六氯代苯六氯代苯 二恶英二恶英 呋喃呋喃7.3.4 化学肥料与物质循环化学肥料与物质循环化肥与土壤性质化肥与土壤性质化肥与重金属污染化肥与重金属污染化肥与水体富营养化化肥与水体富营养化化肥与硝酸盐污染化肥与硝酸盐污染7.3.5 环境污染的生物监测环境污染的生物监测1）生物监测与指示植物）生物监测与指示植物 （1）生物监测（）生物监测（Biological moni

25、toring）：利用生命系）：利用生命系统各层次对自然或人为因素引起环境变化的反映来判定统各层次对自然或人为因素引起环境变化的反映来判定环境质量。环境质量。（2）生物检测方法从生物学层次来分，主要包括生态监）生物检测方法从生物学层次来分，主要包括生态监测（群落生态和个体生态）、生物测试（急性毒性测定、测（群落生态和个体生态）、生物测试（急性毒性测定、亚急性毒性预测和慢性毒性预测）以及分子、生理亚急性毒性预测和慢性毒性预测）以及分子、生理生生化指标核污染物在体内的行为等几个方面。化指标核污染物在体内的行为等几个方面。2）指示生物（）指示生物（indicator organism） SOSO2 2

26、检测植物：矮牵牛检测植物：矮牵牛 是一些对环境的某些是一些对环境的某些物质，包括污染物的作用物质，包括污染物的作用或环境条件的改变能较敏或环境条件的改变能较敏感和快速地生产明显反应感和快速地生产明显反应的生物。通过其所作的反的生物。通过其所作的反应可了解环境的现状和变应可了解环境的现状和变化，起化，起“预警预警”功能。功能。指示植物指示植物 受害症状受害症状 3）大气污染的生物监测）大气污染的生物监测 敏感植物用于大气污染的监测 大气污染的动物检测大气污染的动物检测金丝雀、老鼠、鸡金丝雀、老鼠、鸡等来探测矿井中瓦斯毒气等来探测矿井中瓦斯毒气蜜蜂蜜蜂理想的大气监测生物理想的大气监测生物 砷、氟化

27、物、铅、汞、臭氧等引起的污染可缩砷、氟化物、铅、汞、臭氧等引起的污染可缩短密封的寿命，甚至死亡。（可了解污染物的种短密封的寿命，甚至死亡。（可了解污染物的种类、水平）类、水平）4）水体污染的生物监测）水体污染的生物监测 滇池不同污染水平下，水生植被的变化滇池不同污染水平下，水生植被的变化无污染：轮藻生长茂盛，其他各类植物可正常生长无污染：轮藻生长茂盛，其他各类植物可正常生长轻度污染：敏感植物海菜花，轮藻逐渐消失轻度污染：敏感植物海菜花，轮藻逐渐消失重度污染：抗性强的红线草、狐尾藻等繁茂生长重度污染：抗性强的红线草、狐尾藻等繁茂生长严重污染：各种高等沉水植物全部死亡严重污染：各种高等沉水植物全部

28、死亡长江中下游湖泊富营养化过程中沉水植物演替模式长江中下游湖泊富营养化过程中沉水植物演替模式 水污染的动物检测水污染的动物检测颤蚓类生物如霍莆公水死蚓、颤蚓等在污染水体，颤蚓类生物如霍莆公水死蚓、颤蚓等在污染水体，尤其是有机污染水体中数量多、种类单纯，可用尤其是有机污染水体中数量多、种类单纯，可用单位面积的颤蚓数作为水污染程度的指标。单位面积的颤蚓数作为水污染程度的指标。 未污染：低于未污染：低于100条条/m2 轻度污染：轻度污染：100999条条/m2 中度污染：中度污染：10005000条条/m2 严重污染：大于严重污染：大于5000条条/m25）土壤污染的生物监测）土壤污染的生物监测 7.3.6 环境污染的生物防治环境污染的生物防治环境污染的生物防治是指利用微生物、植环境污染的生物防治是指利用微生物、植物、动物对污染物的吸收、分解和