生物圈 课件《环境化学》同步教学（大连理工大学出版社）

模块五生物环境化学教学目标1.知道生态系统是一个整体，息息相关;2.学会生物入侵的过程;3.学会污染物在生物体内、食物链中的变化过程。学习情景一:生物圈一、生物圈概述

生物圈包括海平面以上10000m至海平面以下10000m，包括大气圈的下层、岩石圈的上层、整个土壤圈和水圈。但是，大部分生物都集中在地表以上100m到水下100m的大气圈、水圈、岩石圈、土壤圈等圈层的交界处，这里是生物圈的核心。学习情景一:生物圈生物圈包括地球上一切生命有机体(植物、动物和微生物)及其赖以生存和发展的环境(空气、水、岩石、土壤等)。生物圈存在的基本条件是:

第一，必须获得来自太阳的充足光能。一切生命活动都需要能量，而其基本来源是太阳能，绿色植物吸收太阳能合成有机物而进入生物循环。

第二，要存在可被生物利用的大量液态水。几乎所有的生物全都含有大量水分，没有水就没有生命。

第三，生物圈内要有适宜生命活动的温度条件，在此温度变化范围内的物质存在气态、液态和固态三种形态。

第四，提供生命物质所需的各种营养元索，包括O2、CO2、N、C、K、Ca、Fe、S等，它们是生命物质的组成或中介。

总之，地球上有生命存在的地方均属生物圈。学习情景一:生物圈二、生之系统

生态系统是生物群落与环境之间以及生物群落内部通过能量流动和物质循环形成的统一整体，生物圈是地球上最大的生态系统。群落内部依靠食物链维系着物质和能量的平衡和流动，生物和环境之间也因物质和能量的制约而达到一种较稳定的状态，即生态平衡。生物与环境之间、生物群落内部以及人类与生物环境之间时刻存在着复杂的相互作用，研究这些相互作用将有助于人类更好地保护自身生存环境。学习情景一:生物圈(一)生走系统的基本组成生产者消费者非生命物质(无机界)分解者学习情景一:生物圈(二)生走系统的营养结构生态系统内各要索之间的作用是通过以食物联系连接的营养结构而实现的。营养结构包括食物链与食物网。1.食物链食物链是指生产者所固定的能量和物质，通过一系列取食和被食关系在生态系统中传递，各种生物按其食物联系排列的链状顺序。食物链上的每一环节，称为营养阶层(营养级)。学习情景一:生物圈自然生态系统主要有三种类型的食物链。（1）牧食食物链或捕食食物链:是以活的绿色植物为基础，从食草动物开始的食物链，例如，小麦一蚜虫一瓢虫一食虫鸟。（2）碎屑食物链或分解食物链:是以死亡的动植物残体为基础，从真菌、细菌和某些土壤动物开始的食物链，例如，死亡的动植物残体一跳虫、瞒类一食虫昆虫、蜘蛛一食虫鸟、小型哺乳动物。（3）寄生食物链:以活的动植物有机体为基础，从某些专门营寄生生活的动植物开始的食物链，例如，鸟类一跳蚤一鼠疫杆菌。学习情景一:生物圈2.食物网在生态系统中，一种生物不可能固定在一条食物链上，而往往同时属于数条食物链。实际上，生态系统中的食物链很少单条、孤立地出现(除非食性是专一的)，它们往往相互交叉，形成复杂的网络式结构，即食物网。食物网形象地反映了生态系统内各生物有机体间的营养位置和相互关系，生物正是通过食物网发生直接和间接的联系，保持着生态系统结构和功能的相对稳定。一般地说，具有复杂食物网的生态系统，一种生物的消失不致引起整个生态系统的失调，但食物网简单的系统，尤其是在生态系统功能上起关键作用的种，一旦消失或遭受严重破坏，就可能引起这个系统的剧烈变动。学习情景一:生物圈(三)生走系统的能量流动1.能量概述能量是生态系统的动力，是一切生命活动的基础。在生态系统中，能量流动开始于太阳辐射能的固定，结束于生物体的完全分解，能量流动的过程称为“能流”。能量是生态系统的重要功能之一，而热力学就是专门研究能量传递规律和能量形式转换规律的科学。太阳辐射能到达地球表面以后，有两种形式:一种是热能，它使地球变得温暖，使大气增温，推动了空气和水分的运动;另一种是光能，它通过植物的光合作用被转化为生物化学能，成为所有生物燃烧细胞炉的特殊材料。学习情景一:生物圈在生态系统中，能量的传递和转化服从热力学第一定律和热力学第二定律。（1）热力学第一定律由热力学第一定律可知:一个体系的能量发生了变化，必然环境的能量也发生相应的变化，如果体系能量增加了，环境的能量必然减少，如果体系的能量减少了，环境的能量必然增加。对于生态系统也是如此，如生态系统通过光合作用所增加的能量，等于环境中太阳能减少的能量，即能量输入生态系统由光能转变为内能。对于一个食物链体系的能量变化有学习情景一:生物圈

(2)热力学第二定律热力学第二定律表达有关能量传递方向和转换效率的规律，表述为“热不可自发地不以消耗功为代价从低温物体传递到高温物体”，或“能量在转化过程中，不可能100%地转化为另一种形式的能，能量总有些损失”。人们都知道，非生命自然界所发生的变化都不必借助于外力的帮助而能自动实现。热力学把这样的过程称为“自发过程”，如:热自发地从高温物体传递到低温物体，直到两者的温度相等;水自发地从高处流向低处;糖自发地溶解于水中;复杂的有机物自发地分解为简单的无机物。同样，能量在生态系统中的运动，即能量流往食物链的各营养级时，能量以热或做功形式而消耗，不能自发地逆向进行。例如无机物不能自发地合成有机物，而必须借助太阳能才能使水和二氧化碳合成有机物。学习情景一:生物圈热力学定律指出:在自发变化过程中，体系的墒增加。墒值的增加即体系为混乱状态，亦即体系由有序向无序的状态变化。当墒值增加时，要使无序向有序变化必须外界做功。即在能量传递和转化过程中，只有一部分能量可以继续做功和传递，总有一部分能量不能做功和传递，而以热的形式消耗，使墒值增加。学习情景一:生物圈

2.生态系统中的能量流动

(1)生态系统中能量流动的概念生态系统中能量的输入、传递和散失的过程称为生态系统中的能量流动。生态系统的能量来源于太阳能，在单位时间内输入生态系统的总能量即是该生态系统中全部生产者在单位时间内所固定的太阳能总量。生态系统中的能量流动是从生产者(主要是植物)通过光合作用固定太阳能开始的。能量流动的渠道是食物链和食物网。生态系统能量流动中，能量以太阳光能一生物体内有机物中的化学能一热能散失的形式变化。能量在食物链的各营养级中以有机物(食物)中化学能的形式流动。生态系统能量流动中能量散失的主要途径是通过食物链中各营养级生物本身的细胞呼吸及分解者的细胞呼吸，主要以热量的形式散失。学习情景一:生物圈(2)生态系统中能量流动的过程学习情景一:生物圈

(3)能量流动的特点生态系统能量的流动是单一方向的。能量以光能的状态进入生态系统后，就不能再以光的形式存在，而是以热的形式不断地逸散于环境中。食物链中各营养级的顺序是不可逆转的，这是长期自然选择的结果;而且各营养级的能量大部分以呼吸作用产生的热能形式散失，这些能量是生物无法利用的。所以能量只能从前一个营养级流向后一个营养级，而不能反向流动。生态系统能量的流动是逐级递减的。各营养级的生物都因呼吸消耗了绝大部分能量，而且各营养级总有一部分能量未被下一营养级利用，其传递效率为10%~20%。即输入到一个营养级的能量不能百分之百地流入到下一个营养级，能量在沿食物链流动的过程中逐级减少。学习情景一:生物圈(四)生走系统的物质循环物质循环泛指生态系统中的一切物质，包括有机物、无机物、化学元索及水(作为介质)在生物与环境不同组分之间的频繁转移和循环流动。根据循环的属性，可以把元索的循环分成三种主要类型:水循环、气态循环和沉积循环。1.物质循环的主要类型

(1)水循环在生态系统中，所有物质的循环都是在水循环的推动下完成的，因此，没有水循环就没有生态系统的功能，生命也难以维持。水循环是由太阳能推动的，在大气、海洋、陆地之间形成一个全球性的水循环系统，并成为地球上各种物质循环的中心循环。地球上的降水量与蒸发量总的来说是相等的。即通过降水和蒸发两种形式，地球上的水分达到平衡状态。学习情景一:生物圈（2）碳循环碳元索约占生物体干重的29%,碳是有机化合物的“骨架”，没有碳就没有生命。碳在无机环境与生物群落之间是以CO2的形式进行循环的。（3）氮循环氮是组成蛋白质和核酸的主要成分。氮占大气成分的7800，但几乎不能被多数生物所利用，必须经过生物固氮作用、高能固氮和工业固氮才能把它转化成化合物而固定下来。（4）磷循环磷不存在任何气体形式的化合物，所以磷是典型的沉积循环物质。沉积循环物质有两种存在相:岩石相和溶解盐相。学习情景一:生物圈2.物质循环的一般特点物质循环的概念中所说的“生态系统”并不是一般的生态系统，而是指地球上最大的生态系统—生物圈，因此物质循环带有全球性。无机环境中的物质可以被生物群落反复利用，即生物群落和无机环境之间的物质可以反复出现、反复利用，周而复始地进行循环，不会消失。3.物质循环的区别与联系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，也就没有生态系统的功能，生命也将难以维持。在气态循环中，物质的主要储存库是大气和海洋，循环与大气和海洋密切相连，具有明显的全球性，循环性能最为完善。凡属于气态学习情景一:生物圈(五)生走系统的分类生态系统的类型众多，一般可分为自然生态系统和人工生态系统。自然生态系统还可进一步分为水域生态系统和陆地生态系统。人工生态系统则可以分为农田、城市等生态系统。人类主要生活在以城市和农田为主的人工生态系统中。城市生态系统是以城市为中心、自然生态系统为基础、人的需要为目标的自然再生产和经济再生产相交织的经济生态系统。1.城市生态系统的组成城市生态系统不仅包括生物组成要索(植物、动物和细菌、真菌、病毒)和非生物组成要索(光、热、水、大气等)即自然系统，还包括经济系统和人类社会系统，这些要索通过能量流动、生物地球化学循环以及物资供应与废物处理系统，形成一个具有内在联系的统一学习情景一:生物圈

2.城市生态系统的特点(1)以人为主体，人在其中不仅是唯一的消费者，而且是整个系统的营造者。(2)几乎全是人工生态系统，其能量和物质运转均在人的控制下进行，居民所处的生物和非生物环境都已经过人工改造，是人类自我驯化的系统。(3)城市中人日、能量和物质容量大，密度高，流量大，运转快，与社会经济发展的活跃因索有关。(4)是不完全的开放性的生态系统，系统内无法完成物质循环和能量转换。许多输入学习情景一:生物圈

3.城市生态系统的保护

(1)强化城市和区域生态规划，合理调整产业结构和土地利用布局，大力发展低能耗、高效益、低污染的工业，污染较严重的企业应当远离人日密集的居住区。

(2)改进城市工业的生产工艺和管理体制，加强对污染物的回收利用，严格控制污染物的排放。

(3)促进城市的绿化和美化，提高城市的植被覆盖率，增加生物多样性，提高城市生态系统的净化能力，并为城市居民创造舒适优美的生活环境，促进人们的身心健康。

(4)提高城市居民的环境意识，倡导健康的生活方式。学习情景一:生物圈（六）生走系统的特汪1.生态系统是开放的系统生态系统是一个开放系统，必须有物质、能量的输入和输出(如生物地球化学循环)，因此，任何一个生态系统都不是孤立的，从而形成了系统之间的联系性。自然生态系统总是与外界进行物质、能量与信息的交流，即使是相对独立的池塘生态系统也是这样，它的四面八方亦都是与外界相通的，不断有能量和物质的进入和输出。生态系统的开放性也表现在嫡的交换。生态系统不断地摄入能量，并将代谢过程中所产生的嫡排向环境。学习情景一:生物圈2.生态系统具有整体性整体性原理是生态系统的另一重要原理。整体性是指系统的有机整体，其存在的方式、目标、功能都表现出统一的整体性。任何一个生态系统都是多个要索综合而成的统一体，这个统一体不再是各要索结合前的分散状态，而是发生了巨大变化。整体性是生态系统要索与结构的综合体现，主要内容有:①整体大于各部分之和。②一旦形成了系统，各要索不能再分解成独立要索存在。③各要索的性质和行为对系统的整体性是有作用的，这种作用是在各要索相互作用过程中表现出来的。学习情景一:生物圈3.生态系统是动态平衡系统生态系统是一个动态系统，都有随时间推移而不断地发生、发展、进化、演化的过程，随昼夜、季节、年份而变化，即生态演替。生态系统的动态过程由系统内的物质运动决定。系统内的物质和输入系统的能量从植物的光合作用开始循环和转化，植物通过光合作用由无机元索合成的有机物质，经草食动物、肉食动物一级一级地转移，组成食物链，物质和能量从一种生物传递到另一种生物，最后被微生物分解为简单的化合物和元索，再回到环境中。这种循环和转化构成了生态系统不断发展和演化的动态过程。而生态平衡又是稳定性与变化性相统一的平衡。学习情景一:生物圈(一)生物入侵的过程1.传入期外来物种刚刚传入新的地区，开始适应传入地的气候和环境，依靠有性或无性繁殖形成新的种群，但尚未建立起足够定植的种群。这个时期通常较短，但此时如马上采取人工或机械控制往往能