第五章 生态系统中的物质循环

1、13 13 生态系统中的物质循环生态系统中的物质循环n物质循环的一般特征物质循环的一般特征n全球水循环全球水循环n碳循环碳循环n氮循环氮循环n磷循环磷循环n硫循环硫循环n生物地球化学循环生物地球化学循环：生态系统从大气、水体和土壤等环境：生态系统从大气、水体和土壤等环境中获得营养物质，通过绿色植物吸收，进入生态系统，被中获得营养物质，通过绿色植物吸收，进入生态系统，被其他生物重复利用，最后再归还于环境中的过程。这一过其他生物重复利用，最后再归还于环境中的过程。这一过程程包括生物与非生物二者的参与包括生物与非生物二者的参与, 同时也包含一些地质与同时也包含一些地质与地理作用在內地理作用在內, 因

2、此称为生物地球化学循环因此称为生物地球化学循环n生物小循环：环境中元素经生物吸收，在生态系统中被相生物小循环：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再为生产者吸收、利用继利用，然后经过分解者的作用再为生产者吸收、利用n库：库：n贮存一定数量元素的某种生态系统组分称为该元素的库贮存一定数量元素的某种生态系统组分称为该元素的库n生态系统中各组分都是物质循环的库生态系统中各组分都是物质循环的库n植物库、动物库、土壤库、水体库等植物库、动物库、土壤库、水体库等n流通率：单位时间、单位面积流通率：单位时间、单位面积/ /体积的物质转移量体积的物质转移量n周转率周转率：流通率：

3、流通率/库中营养物质总量库中营养物质总量n周转时间：库中营养物质总量周转时间：库中营养物质总量/流通率流通率n流通量、周转率与周转时流通量、周转率与周转时间是相对于库而言的间是相对于库而言的n生产者库生产者库n流通率：流通率：20单位单位/天天n周转率：周转率：20/100=20%n周转时间：周转时间：100/20=5天天n消费者库消费者库n流通率：流通率：4单位单位/天天n周转率：周转率：4/50=8%n周转时间：周转时间：50/4=12.5天天n元素的性质：有的元素循环的速率快，而有的则比较慢，元素的性质：有的元素循环的速率快，而有的则比较慢，这是元素化学特性和被生物有机体利用的方式不同所

4、决定这是元素化学特性和被生物有机体利用的方式不同所决定的。如的。如CO21年年,N100万年万年n生物的生长速率：决定生物对物质吸收的速率以及物质在生物的生长速率：决定生物对物质吸收的速率以及物质在食物网中运动的速度食物网中运动的速度n有机物质腐烂的速率：适宜的环境有利于分解者的生存，有机物质腐烂的速率：适宜的环境有利于分解者的生存，并使有机体很快分解，供生物重新利用并使有机体很快分解，供生物重新利用n人类活动的影响：人类活动的影响：n开垦农田和砍伐森林引起土壤矿物质的流失，影响物质循环速率开垦农田和砍伐森林引起土壤矿物质的流失，影响物质循环速率n化石燃烧把硫和二氧化硫释放大气中化石燃烧把硫和

5、二氧化硫释放大气中n气体型循环气体型循环n贮存库是大气和海洋贮存库是大气和海洋n有气体形式的分子参与循环过程有气体形式的分子参与循环过程n循环速度比较快，例如循环速度比较快，例如CO2、N2、O2等等n沉积型沉积型循环循环n贮存库是岩石、土壤和沉积物贮存库是岩石、土壤和沉积物n没有气体形式的分子参与循环过程没有气体形式的分子参与循环过程n循环速度比较慢，时间要以千年计算，例如循环速度比较慢，时间要以千年计算，例如P P、CaCa、NaNa、MgMg等等n水循环水循环n水的全球循环过程水的全球循环过程n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生态系统中所有的物质循环都是在水循环的推动下

6、完成的n水循环是太阳能推动，在陆地、大气和海洋间循环水循环是太阳能推动，在陆地、大气和海洋间循环n地表总水量：地表总水量：1.4109km3，海洋约占，海洋约占97%n水的循环：水的循环：n陆地：蒸发陆地：蒸发(蒸腾蒸腾)71,000km3，降水，降水111,000km3 ，径流，径流40,000km3n海洋：蒸发海洋：蒸发425,000km3，降水，降水385,000km3(40)(71)(111)(385)(425)(40)103km3降雨降雨截留截留穿透雨穿透雨蒸腾蒸腾渗透渗透地表蒸发地表蒸发地表地表径流径流地下径流地下径流n碳的重要性：生命元素、能量流动碳的重要性：生命元素、能量流动n

7、碳库：海洋和大气、生物体碳库：海洋和大气、生物体n碳的存在形式：碳的存在形式：CO2，无机盐，有机碳，无机盐，有机碳n主要循环过程主要循环过程n生物的同化和异化过程生物的同化和异化过程n大气和海洋间的大气和海洋间的CO2交换交换n碳酸盐的沉淀作用碳酸盐的沉淀作用n人类活动对碳循环造成严重影响，引起气候变化的主要原因人类活动对碳循环造成严重影响，引起气候变化的主要原因CO2CO2溶溶于海水于海水H2CO3水体中生物水体中生物H+CO32- CaCO3海底沉积物海底沉积物9290750611015gC温室效应：大气中对长波辐射具有屏蔽作用的温室气体浓温室效应：大气中对长波辐射具有屏蔽作用的温室气体

8、浓度增加使较多的辐射能被截留在地球表层而导致温度上升度增加使较多的辐射能被截留在地球表层而导致温度上升温室气体主要包括：二氧化碳温室气体主要包括：二氧化碳(CO2)、甲烷、甲烷(CH4)、氧化亚、氧化亚氮氮(N2O)、六氟化碳、六氟化碳(SF6)、氟氯碳化物、氟氯碳化物 (CFCs)、氢氟碳化、氢氟碳化物物(HFCs)等等n溫室效应的影响溫室效应的影响n海平面上升，淹沒陆地海平面上升，淹沒陆地n全球气候经常发生暴雨或干旱全球气候经常发生暴雨或干旱n土地沙漠化，生态环境改变土地沙漠化，生态环境改变 nCO2 has increased from its pre-industrial leveln

9、 data: recent records plus older data such as ice coresn mostly fossil fuel burningn氮的重要性氮的重要性n氮库：大气、土壤、陆地植被氮库：大气、土壤、陆地植被n生物可利用的氮的形式：生物可利用的氮的形式：NO32-、NO22-、NH4+n氮循环的主要过程氮循环的主要过程n固氮作用固氮作用n氨化作用氨化作用n硝化作用硝化作用n反硝化作用反硝化作用1012gNn类型类型n闪电、宇宙射线、火山爆发等高能固氮闪电、宇宙射线、火山爆发等高能固氮n工业固氮：工业固氮：400摄氏度，摄氏度，200大气压下大气压下n生物固氮：

10、固氮菌、与豆科植物共生的根瘤菌和蓝藻等自养和异生物固氮：固氮菌、与豆科植物共生的根瘤菌和蓝藻等自养和异养微生物养微生物n意义意义n平衡反硝化作用平衡反硝化作用n对局域缺氮环境有重要意义对局域缺氮环境有重要意义n使氮进入生物循环使氮进入生物循环n氨化作用：由氨化细菌和真菌的作用将有机氮分解成为氨和氨化作用：由氨化细菌和真菌的作用将有机氮分解成为氨和氨化合物，氨溶水成为氨化合物，氨溶水成为NH4+，为植物利用，为植物利用n硝化作用：在通气良好的土壤中，氨化合物被亚硝酸盐细菌硝化作用：在通气良好的土壤中，氨化合物被亚硝酸盐细菌和硝酸盐细菌氧化为亚硝酸盐和硝酸盐，供植物吸收利用和硝酸盐细菌氧化为亚硝酸

11、盐和硝酸盐，供植物吸收利用n反硝化作用：反硝化细菌将亚硝酸盐转变成氮气，回到大气反硝化作用：反硝化细菌将亚硝酸盐转变成氮气，回到大气库中库中n磷循环属典型的沉积循环磷循环属典型的沉积循环n磷以不活跃的地壳作为主要贮存库磷以不活跃的地壳作为主要贮存库n磷的循环过程磷的循环过程n岩石经土壤风化释放的磷酸盐和农田中施用的磷肥，被植物吸收进岩石经土壤风化释放的磷酸盐和农田中施用的磷肥，被植物吸收进入植物体内入植物体内n沿食物链传递，并以粪便、残体或直接以枯枝落叶、秸秆归还土壤沿食物链传递，并以粪便、残体或直接以枯枝落叶、秸秆归还土壤n含磷有机化合物经土壤微生物的分解，转变为可溶性的磷酸盐，可含磷有机化

12、合物经土壤微生物的分解，转变为可溶性的磷酸盐，可再次供给植物吸收利用，这是磷的生物小循环。再次供给植物吸收利用，这是磷的生物小循环。n一部分磷脱离生物小循环进入地质大循环一部分磷脱离生物小循环进入地质大循环n动植物遗体在陆地表面的磷矿化动植物遗体在陆地表面的磷矿化n磷受水的冲蚀进入江河，流入海洋磷受水的冲蚀进入江河，流入海洋 1012gPn伦敦伦敦1952年年2月月5日到日到8日，雾大无风，家庭和工厂排出的日，雾大无风，家庭和工厂排出的烟尘经久不散，大气中烟尘经久不散，大气中SO2含量含量3.8毫克毫克/立方米，烟尘立方米，烟尘4.5毫克，居民普遍呼吸困难、咳嗽、喉痛、呕吐和发烧，毫克，居民普

13、遍呼吸困难、咳嗽、喉痛、呕吐和发烧，4天内死亡约天内死亡约4000人人n有毒有害物质循环：对有机体有毒有害物质进入生态系有毒有害物质循环：对有机体有毒有害物质进入生态系统后，沿着食物链在生物体内富集或被分解的过程统后，沿着食物链在生物体内富集或被分解的过程n生物放大作用：某些物质当他们沿食物链移动时，既不生物放大作用：某些物质当他们沿食物链移动时，既不被呼吸消耗，又不容易被排泄，而是浓集在有机体的组被呼吸消耗，又不容易被排泄，而是浓集在有机体的组织中，这一现象称为生物放大作用织中，这一现象称为生物放大作用 n1. DDTnDDT是人工合成的有机氯杀虫剂是人工合成的有机氯杀虫剂nDDT不溶于水，

14、而溶于脂肪，极易通过食物链而浓集不溶于水，而溶于脂肪，极易通过食物链而浓集nDDT通过食物链进入动物体后，使钙代谢功能丧失，从而使鸟类通过食物链进入动物体后，使钙代谢功能丧失，从而使鸟类蛋壳变薄，雌鸟孵卵时将蛋压破，从而使禽类的数量减少蛋壳变薄，雌鸟孵卵时将蛋压破，从而使禽类的数量减少n危害危害n消灭害虫的同时，无选择地将益虫、益鸟和害虫的天敌杀死消灭害虫的同时，无选择地将益虫、益鸟和害虫的天敌杀死n如美国加利福尼亚州，由于滥用如美国加利福尼亚州，由于滥用DDT，1967年有年有19%的蜜蜂被杀的蜜蜂被杀死，导致水果和蜂蜜急剧减产死，导致水果和蜂蜜急剧减产水体中的水体中的DTT浓度约为浓度约为0.00005ppm 浮游生物浮游生物 0.04 ppm刚毛藻刚毛藻 0.08 ppm网茅网茅 0.33 ppm螺螺 0.26 ppm 蛤蛤 0.42 ppm 鱼鱼 1.24 ppm燕鸥燕鸥 3.42 ppm河鸥幼体河鸥幼体 55.3 ppm 成体成体18.5 ppm秋沙鸭秋沙鸭 22.8 ppm鹭鸟鹭鸟 26.4 ppm银鸥银鸥 75.5 ppmn日本一家工厂把含汞的未加处理的废气废渣排入水俣湾，日本一家工厂把含汞的未加处理的