chapter9生态系统的物质循环

环境生态学

第九章

生态系统物质循环南京信息工程大学环境科学与工程学院讲课人：杨孟Email:yangmeng@生态系统中的物质循环1物质循环的基本概念2能量流动和物质循环的关系3主要的物质循环4碳循环5氮循环6有毒有害物质循环1物质循环的基本概念生物地球化学循环（biogeochemicalcycles）或物质循环指元素的各种化合物在生物圈、水圈、大气圈和岩石圈(包括土壤圈)各圈层之间的迁移和转化。biogeochemistry生命有机体地球化学：研究地球的化学组成，以及地壳、大气、水体之间各种元素的交换。1物质循环的基本概念每种元素的循环可分成两种库(pool,stock,storage)：贮存库（reservoirpool），其容积较大而活动缓慢，通常为非生物成分；流动库或循环库（labileorcyclingpool），在生物体和环境之间进行快速循环，是容积较小但更活跃的部分。生物地球化学循环可以分成两种类型：气体型，它的贮存库在大气或水圈（海洋），其分子或化合物以气体的形式参与循环。例如，H2O、C、N等；沉积型，它的贮存库在岩石圈，其分子或化合物主要通过岩石的风化作用和沉积物的溶解转变为可被生物利用的物质。例如，P。通量（flux）：单位时间单位面积物质的流通量。1物质循环的基本概念周转率(turnoverrate)：单位时间内出入一个贮存库的营养物质流通量占库存营养物质总量的比例。周转时间(turnovertime):是周转率的倒数，即移除贮存库中所有营养物质所需要的时间。滞留时间(residencetime)是类似周转时间的一个概念，是指一定量的物质留在系统某个库中的时间。2能量流动和物质循环的关系单向能流驱动物质循环；物质循环通常必须消耗某种形式的能量。生产力是能量流动和物质循环紧密关联的最好表征。图在简化的能流图上加添生物地化循环(黑圈)GPPNPPSPGPP—总初级生产力NPP—净初级生产力SP—次级生产力3主要的物质循环水循环碳循环氮循环磷循环硫循环有毒物质的迁移和转化4碳循环碳循环碳循环(Carboncycle)是指碳元素在地球的岩石圈、大气圈、陆地生物圈、土壤圈、海洋之间迁移转化和周转循环的过程，是生态系统物质循环和能量流动过程中最核心、最重要的基本过程。碳元素作为有机体的基本组分是构成生命物质的基石，生命物质的产生使碳循环过程从简单的地球化学循环进入到复杂的生物地球化学循环。地球系统碳循环地球系统的碳库：岩石圈、大气圈、陆地生物圈、土壤圈、海洋。不考虑岩石圈的情况下，地球系统中碳的总量约在38000~42000Pg库(109t=1015g=1Pg)通量(1Pg/a)地球系统碳循环大气圈中的碳赋存：含碳气体（CO2,CH4，CO以及人类排放的其他含碳气体）气溶胶颗粒地球系统碳循环陆地生物圈中的碳赋存：生物有机碳地球系统碳循环土壤碳库的赋存形态：有机碳(75%)和碳酸盐；主要来源：生物残体和母岩风化地球系统碳循环海洋圈碳赋存溶解无机碳：CO2,CO32-,HCO3-；溶解有机碳；生物有机碳(海洋生物及其残体)地球系统碳循环CO2CO2物理泵：CO2

在海水-大气界面上通过溶解-扩散作用进行交换，移动方向取决于界面量测的相对浓度，以及上升流和大洋环流作用。海洋碳循环重要过程：物理泵和生物泵。物理泵图温盐环流北大西洋输送带北大西洋高纬度地区海水下沉二氧化碳溶解平衡：CO2+H2O=H2CO3=H++HCO3-

HCO3-=H++CO32-较冷的海水能够溶解更多CO2。表层富含CO2的寒冷海水下沉，同时深海中CO2含量低的海水上涌。生物泵海洋中由有机物生产、消费、传递、沉降、分解等系列过程实现的碳的垂直转移即称之为生物泵。外壳和骨骼中含有碳酸钙的海洋生物的死亡和造礁珊瑚沉积以及颗粒无机碳的沉降实现的碳的向下转移，

被称为碳酸盐泵，实质也是生物泵的一种。海洋碳循环的生物泵地球系统碳循环人类活动（化石燃烧、森林砍伐）造成温室气体增加人类活动对碳循环的影响在大气、海洋和陆地生态系统之间有数量巨大的CO2交换，同时保持着动态的平衡。而人类活动输入大气的CO2是对这一稳定状况的干扰。对热带雨林的砍伐和化石燃料的燃烧造成大气CO2浓度的增加，是人类活动影响全球碳循环的重要途径。由于人类活动的直接影响，全球碳循环系统做出了反馈——自然碳交换通量的改变。例如，由于大气中CO2浓度的增加，大气和海洋间的交换变成了海洋对CO2的净吸收。我国生态系统碳循环研究知名专家于贵瑞

(中国科学院地理科学与资源研究所首席研究员)，中国生态系统研究网络(CERN)综合研究中心主任，主持创建了中国陆地生态系统通量观测研究网络(ChinaFLUX)/1about/detail.asp?channelid=10001040&channelid1=100010401010&id=1015N循环氮循环我国环境空气质量标准中含N污染物有哪几种？我国水环境质量标准中含N污染物有哪几种？

水体富营养化是N循环的哪个环节出了问题？NO2，NOXNH3-N，总氮(NO3-、NO2-和NH4+等无机氮以及有机氮)人工固氮以及氮肥的不合理施用N循环蓝色：自然过程红色：人为过程蓝色：自然过程红色：人为过程N循环细菌固氮Bacteria

fixation:自养的、共生的、异养生的固氮作用Nfixation：将游离态氮与氧结合成为亚硝酸盐或硝酸盐，或与氢结合形成氨。蓝色：自然过程红色：人为过程硝化作用Nitrificaiton：氨的氧化过程NH4+→NO2-→NO3-N循环蓝色：自然过程红色：人为过程N摄入Nitrogenuptake：NH4+、NO2-或NO3-被生物吸收N循环蓝色：自然过程红色：人为过程矿化Mineralizaiton:含氮有机物→NH4+N循环蓝色：自然过程红色：人为过程反硝化作用

Denitrificaiton:NO3-→N2,N2ON循环蓝色：自然过程红色：人为过程人工固氮：合成氮肥(尿素、氨水、铵盐)NH4+、NO2-或NO3-通过淋溶作用进入水体NH4+、NO2-或NO3-随径流进入水体富营养化Eutrophication蓝色：自然过程红色：人为过程化石燃料燃烧产生NOX(eg.NO,NO2,N2O)形成酸雨2NO+O2=2NO23NO2+H2O=2HNO3+NO形成光化学烟雾N循环6有毒有害物质循环复习几个基本概念生物浓缩(Bioconcentration)又称生物富集(Bioenrichment)：指生物个体或处于同一营养级的生物种群从周围环境中吸收并累积某种元素或难分解的化合物，导致生物体内有毒物质的浓度超过环境浓度的现象。生物富集常用富集（浓缩）系数来表示。富集（浓缩）系数：生物体内某有毒物质的浓度与其生存环境中该物质浓度的比值。生物积累（Bioaccumulation）：指同一生物个体在生长发育的不同阶段生物富集系数不断增加的现象。生物放大（Biomagnification）：指在同一食物链上，生物富集系数从低位营养级到高位营养级逐级增大的现象。生物积累生物放大汞的毒性Hg是常压下唯一以液态存在的金属，常温下蒸发出汞蒸气。炼金术：汞容易与大部分普通金属形成合金，这些合金统称汞合金（或汞齐）。无机汞中毒临床表现不典型，中枢神经系统、口腔病变为主，并累及呼吸道、胃肠道、肾脏等的全身性疾病。打碎水银体温计后怎么办？特别注意不要吸入汞蒸汽、皮肤不要接触汞。Hg＋S＝摩擦＝HgS汞的毒性日常生活中的汞中毒职业性汞中毒(金属冶炼)使用含汞美白化妆品中毒儿童汞中毒甲基汞中毒——水俣病！！甲基汞比汞毒性强1000倍，甲基汞CH3Hg(MeHg)系亲脂性毒物，通常是食用富集甲基汞的水产品引起慢性甲基汞中毒。主要侵犯神经系统。不要食用污染水域中的水产品！汞循环为什么Hg循环是所有重金属中研究得最深入的？为什么人们在没有人为污染源的北美和北欧偏远地区湖泊鱼体中发现了汞含量超标的现象？大气汞的来源大气汞的来源包括自然源和人为源。自然源主要包括火山与地热活动、土壤和水体表面挥发作用、植物的蒸腾作用、森林火灾等。燃煤和有色金属冶炼是我国两个最大的人为汞排放源。2000年全球人为大气总汞排放量分布图数据来源：GlobalAnthropogenicEmissionsofMercurytotheAtmosphere—GAEMA近期的全球人为源汞排放清单的计算表明,亚洲是人大气排汞最多的地区,每年约排放超过1000t汞,占全球排放总量的50%以上。北美和北欧的Hg排放很少Hg的形态汞是唯一主要以气相形式存在于大气的重金属元素，大气中汞形态包括气态单质汞Hg(0)(占90%)：惰性、水溶性极低活性气态汞Hg(II)(Hg(OH)2,HgCl2,HgBr2等)颗粒汞Hg(P)水体中汞的形态汞在天然水生生态系统中以多种形态存在，其中，甲基汞(MeHg)的毒性最强。汞甲基化细菌在厌氧条件下将无机汞(Hg)转化成最高毒性的甲基汞，通过生物富集以及在食物链中的生物放大造成人类甲基汞暴露。Hg(P)AbsorptionHg(0)远距离大气输送BiomanificationBiomanificationHg(P)Absorption水环境中汞甲基化主要发生在海洋、海湾、河流和湖泊的厌氧沉积物中。硫酸盐还原菌和铁还原菌是主要的汞甲基化细菌。复习题掌握地球系统碳循环的主要过程，能够简要说明地球系统碳循环的陆地生态系统的碳吸收和储存、海洋碳循环及土壤呼吸。熟悉地球系统碳循环图，能够解释图上的主要流程。论述人类活动（化石燃烧和土地利用改变）对地球系统碳库的主要影响。描述地球系统氮循环的主要过程，解释固