生物圈與水圈大氣圈.ppt

圈層間的相互作用 第十二章生物圈與水圈 大氣圈 巖石圈的相互作用 第一節(jié)生物圈與巖石圈的相互作用第二節(jié)生物圈與大氣圈的相互作用第三節(jié)生物圈與水圈的相互作用第四節(jié)水圈 大氣圈 生物圈的相互作用 第一節(jié)生物圈與巖石圈的相互作用 一 生物風(fēng)化與巖石的分解生物風(fēng)化作用是指生物在其生命活動過程中對巖石 礦物產(chǎn)生的破壞作用 生物機械風(fēng)化作用是指 生物在其生命活動過程中對巖石產(chǎn)生的機械破壞作用 如根劈作用和動物的挖洞掘穴等 生物化學(xué)風(fēng)化作用是通過生物新陳代謝和生物死亡后的遺體腐爛 分解進行的 植物和細菌在新陳代謝過程中 常常形成和析出有機酸 硝酸 碳酸和其他一些物質(zhì) 它們對巖石具有較強的侵蝕能力 生物尸體逐漸堆積起來 在還原的環(huán)境中經(jīng)過緩慢腐爛分解 形成一種暗黑色的膠狀物質(zhì) 即腐殖質(zhì) 它一方面 供給植物必不可少的鉀鹽 磷鹽以及含氮的化合物 另一方面 腐殖質(zhì)本身就是一種有機酸 對巖石 礦物有著腐蝕作用 第十二章 第一節(jié)生物圈與巖石圈的相互作用 二 巖石 土壤 生物土壤是在一定的水熱條件下 巖石與生物相互作用的產(chǎn)物 是巖石與生物聯(lián)系的紐帶與橋梁 生物與巖石相互作用形成土壤 巖石風(fēng)化形成風(fēng)化殼 隨著生物化學(xué)風(fēng)化作用的進行和有機質(zhì)的積累 風(fēng)化殼的物質(zhì)組成與性質(zhì)發(fā)生變化 并且形成一定的結(jié)構(gòu)與肥力 這時土壤便形成了 同時 通過生物的物質(zhì)循環(huán) 才能把大量的太陽能納入成土過程 才能使分散于巖石圈 水圈和大氣圈的多種養(yǎng)分聚集于土壤之中 才能使土壤具有肥力并使之不斷更新 巖石是一切陸地生物的固體支撐 沒有固體巖石的支撐 很難想象有陸地生物的發(fā)生與發(fā)展 并且許多生物 尤其是植物所需要的礦物元素 都來自巖石及其風(fēng)化形成的產(chǎn)物 第十二章 土壤是生物與巖石相互作用的紐帶 土壤不僅是生物與巖石相互作用的產(chǎn)物 而且還是兩者相互作用的紐帶 植物一般情況下很難直接吸收巖石中的礦物質(zhì) 只有經(jīng)過土壤轉(zhuǎn)換成離子形式 才能被植物吸收 只有當生物有機質(zhì)在土壤中轉(zhuǎn)變成有機酸時 生物對巖石的化學(xué)風(fēng)化作用才能發(fā)生 巖石中的水 如地下水 只有轉(zhuǎn)變成土壤水 才能被植物吸收 大氣降水經(jīng)過植物淋濾 土壤吸收之后 才會滲入巖石轉(zhuǎn)變?yōu)榈叵滤?巖石與植物之間的其他物質(zhì)交換 也大都需要經(jīng)過土壤這個中間環(huán)節(jié) 植物 土壤 巖石的關(guān)系 第十二章 第一節(jié)生物圈與巖石圈的相互作用 三 巖石性質(zhì)對生物的影響巖層性質(zhì)影響到地表土壤 不同的巖石上發(fā)育的土壤會產(chǎn)生不同程度的差異 例如灰?guī)r地區(qū)一般土壤不發(fā)育 且土壤的堿性組份較多 因而植被不發(fā)育 且多灌叢 砂巖區(qū)則往往覆蓋較好的土壤 且土壤呈酸性 有利于喜酸植物 松等 的生長 巖石的結(jié)構(gòu) 構(gòu)造主要通過其透水性 隔水率和含水率等影響土壤 生物的水文條件 第十二章 第一節(jié)生物圈與巖石圈的相互作用 三 巖石性質(zhì)對生物的影響巖石的元素特征控制生物的生長發(fā)育 它為生物提供基本的礦物質(zhì)需求 此外 一些特殊的元素富集帶往往有與之對應(yīng)的指示性生物 如銅礦帶上常生長銅蘭 第十二章 第十二章 南京陽山北坡石炭紀二疊紀灰?guī)r上生長的灌叢與五通組砂巖上生長的松林界限清楚 第十二章 特殊土壤環(huán)境植物 芒萁分布于長江以南 大量生長于酸性紅壤的山坡上 是酸性土壤指示植物 鈣質(zhì)土壤指示植物蜈蚣草 檉柳科檉柳屬 灌木或小喬木 枝條細而下垂 葉鱗片狀細小 耐干旱耐鹽堿 常生長于鹽鹼荒灘 第一節(jié)生物圈與巖石圈的相互作用 三 巖石性質(zhì)對生物的影響在地質(zhì)歷史發(fā)展過程中 各種巖石的分布差異導(dǎo)致地殼表面元素分布的不均一性 這種不均一性在一定程度上 控制和影響著世界各地區(qū)人體的發(fā)育和體質(zhì)的差異 若元素分布的不均一性超過正常變化范圍 則將造成人類的地方疾病 第十二章 第一節(jié)生物圈與巖石圈的相互作用 四 巖石圈運動與生物巖石圈的運動導(dǎo)致大陸的漂移 大陸位置變化也會導(dǎo)致生物群落面貌的巨大變化 例如印度從南極附近的高緯度地區(qū)漂移到現(xiàn)在的北半球低緯度地區(qū) 由凍原 冰原變?yōu)闊釒?草原環(huán)境 巖石圈的運動引起地面高程的變化 同樣導(dǎo)致生物面貌的變化 例如 青藏高原在上新世海拔相對比較低 植被為亞熱帶森林 而隨著地面的隆升 高原內(nèi)部與北部已經(jīng)演化為干旱草原或寒漠 第十二章 中國老第三紀植被分布示意 熱帶亞熱帶雨林 副熱帶干旱草原與荒漠 副熱帶森林 暖溫帶落葉闊葉林 亞洲 東亞 世界 中國新第三紀植被分布示意 熱帶亞熱帶常綠林 副熱帶常綠落葉混交林 副熱帶落葉林 暖溫帶落葉林 副熱帶暖溫帶草原與森林草原 副熱帶暖溫帶荒漠與荒漠草原 在一些山坡上 由于巖石塊體的向下滑動或者蠕動 往往使得山坡上的樹木變得傾斜 有人稱之為醉樹 第十二章 廬山仙人洞附近滑坡體上的醉漢林 第一節(jié)生物圈與巖石圈的相互作用 五 生物巖石 生物礦床 生物地貌生物作用形成巖石可以稱之為生物巖石 沉積在海底的主要是生物的殘骸 這些生物殘體堆積 固結(jié)便形成巖石 硅藻土就是一種主要由硅藻殘骸組成的巖石 珊瑚礁 主要由珊瑚的骨骼膠結(jié)而成 是珊瑚生長過程中 殘骸不斷堆積而形成的 實際上一些碳酸鹽巖的形成也與生物的作用有關(guān) 第十二章 第一節(jié)生物圈與巖石圈的相互作用 五 生物巖石 生物礦床 生物地貌自然界許多礦床的形成與生物作用密切相關(guān) 甚至一些礦床就是生物作用形成的 例如 大量植物殘體積聚形成泥炭 當泥炭被埋藏 變質(zhì)就可能形成煤 大量生物尤其是海洋浮游生物和低等微生物死亡后 在一定的溫度 壓力條件下 經(jīng)過分解 變質(zhì) 就可能生成石油與天然氣 第十二章 第一節(jié)生物圈與巖石圈的相互作用 五 生物巖石 生物礦床 生物地貌生物對巖石的破壞或建造 可以形成一些地貌類型 如珊瑚礁 牡蠣礁貝殼堤等 第十二章 生物海岸 海岸可以根據(jù)海岸的物質(zhì)組成劃分為基巖海岸 砂質(zhì)海岸和淤泥質(zhì)海岸 但一些海岸比較特殊 很難歸屬于上述海岸類型中 故又劃分出生物海岸 所謂生物海岸是指主要由于生物作用形成的海岸 例如 珊瑚礁海岸 主要是由珊瑚作用形成的由珊瑚礁組成的海岸 紅樹林海岸 主要由紅樹林組成 以紅樹林為特征的海岸 珊瑚島與珊瑚礁海岸 基巖海岸 第十二章 珊瑚礁島 第十二章 珊瑚礁島 第十二章 珊瑚礁 第十二章 牡蠣礁 第十二章 貝殼堤 第十二章 紅樹林海岸 第十二章 光合作用與生 氣物質(zhì)交換 制造碳水化合物 綠色植物在不停地吸收大氣CO2進行著光合作用 通過光合作用來制造養(yǎng)料 以維持植物的發(fā)育與生長 動物的生命活動或有機體的腐爛過程 是吸收氧氣 放出二氧化碳的過程 而植物的生命過程卻是吸收二氧化碳 放出氧氣的過程 兩者之間以及兩者與巖石圈 大氣圈 水圈之間經(jīng)過億萬年的演化達到了某種平衡 才形成了今天這樣的大氣圈 C6H12O6 第十二章 第二節(jié)生物圈和大氣圈相互作用 一 生命活動與大氣組分 第十二章 二 風(fēng)與生物 三北防護林 第十二章 二 風(fēng)與生物 三北防護林 大氣中氧氣 二氧化碳隨時間的變化及其與生物演化的關(guān)系 陶世龍 地球科學(xué)導(dǎo)論 大氣二氧化碳含量 第十二章 三 大氣圈的演化與生命的起源及進化 生物對氣候的負反饋 當大氣中二氧化碳 甲烷等溫室氣體增加時 氣候?qū)兣?與此同時植物的光合作用加強 光合作用的增強 將會使植物從大氣吸收的二氧化碳的數(shù)量增加 從而降低大氣二氧化碳的濃度 降低溫室效應(yīng) 使氣候變暖幅度減小或變冷 這就是生物對氣候變化或?qū)厥倚?yīng)的負反饋作用 相反 如果大氣二氧化碳濃度降低 將會導(dǎo)致氣候的變冷和植物光合作用強度的減弱 植物光合作用強度的減弱 將使得從大氣吸收的二氧化碳的數(shù)量減少 從而抑制大氣二氧化碳濃度減低的速度和氣候變冷的幅度 甚至使氣候變暖 第十二章 四 生物與氣候變化之間的正負反饋作用 生物對氣候變化的正反饋作用 海洋生物的興衰對于地球表層碳的循環(huán)起著重要的作用 研究表明 對世界大多數(shù)海域來說 鐵的不足是海洋生物生產(chǎn)率的一個重要限制因素 而落入海洋的風(fēng)塵則是海洋鐵補充的主要途徑 干旱區(qū)的風(fēng)塵落入海洋 提高海洋生物的生產(chǎn)率 增加了海洋對大氣二氧化碳的吸收 促使氣候變冷 當冰期來臨或氣候變冷 風(fēng)塵沉積速率增大 使海洋生物的生產(chǎn)率提高 導(dǎo)致大氣二氧化碳含量的降低 從而使氣候進一步變冷 當間冰期來臨或氣候變暖 風(fēng)塵沉積速率減小 使海洋生物的生產(chǎn)率降低 導(dǎo)致大氣二氧化碳含量的升高 從而使氣候進一步變暖 圖a b 第十二章 生物對氣候變化的正反饋作用 上面闡述了生物與氣候之間的一種正反饋機制 實際上 生物與氣候之間的正反饋機制還有一些 只是人們對它們的認識不足而已 例如 溫度升高對呼吸作用的影響 尤其對土壤微生物的影響 溫度升高 引起生物呼吸作用加強 導(dǎo)致大氣二氧化碳的升高 促使溫度進一步升高 圖c 溫度升高引起的脅迫 導(dǎo)致生物生長減緩和森林枯萎 從而導(dǎo)致大氣二氧化碳的升高 增強了溫度升高的趨勢 圖d 第十二章 第十二章 五 大氣污染與植物 大氣污染對植物影響的機制 二氧化硫?qū)χ参锏挠绊懼饕袃蓚€途徑 一是從植物葉片的氣孔進入 溶解在細胞組織的水形成亞硫酸鹽 從而干擾植物正常的新陳代謝 二是二氧化硫在空氣中與水作用形成酸雨 酸雨直接破壞植物枝葉 影響植物的正常生長 氟化氫通過葉片氣孔進入 與葉片中的鈣反應(yīng)形成氟華鈣 從而干擾酶的作用 阻礙植物正常的新陳代謝 破壞葉綠素與原生質(zhì) 使細胞失水而枯萎 氯氣進入葉肉細胞后 能形成酸性物質(zhì) 使葉片葉液中的pH值降低 破壞葉綠素 從而抑制植物的光合作用 大氣污染對植物的影響 1 大氣污染降低植物的壽命 2 大氣污染降低植物生產(chǎn)率 3 大氣污染導(dǎo)致植物群落的變化 4 大氣污染導(dǎo)致植物的死亡 植物凈化空氣的作用 植物還能分泌一些揮發(fā)性殺菌物質(zhì) 例如 丁香酚 桉油 松脂 肉桂油 檸檬油等 具有殺菌的功能 稱之為殺菌素 每hm2松柏樹或者松林 一晝夜可分泌30 60kg的殺菌素 足以清除一個中等城市空氣中的各種細菌 調(diào)查表明 林內(nèi)每立方米空氣中的含菌量只有300 400個 僅為林邊空地的1 只有城市百貨商店的十萬分之一 北京百貨大樓每立方米有細菌400萬個 林蔭大道上為58萬個 綠化公園為1 000個 而林區(qū)卻只有55個 這充分說明植物具有除塵滅菌 凈化空氣的功能 綠化公園 百貨商店 不同地點空氣中的細菌數(shù)量比例示意圖 第十二章 植物對保持和改善環(huán)境的作用 植物凈化空氣的作用除塵滅菌 大氣中的塵埃 包括粉塵和飄塵 常含有致癌物質(zhì)和病原菌 危害人體健康 植物具有吸附塵埃的作用 吸碳吐氧 清新空氣 對污染物的吸附 吸收 當大氣受到污染時 一些敏感植物就會受到傷害 但還有一些植物對某些污染物有一定的抵抗能力 稱之為抗性植物 不管是敏感植物還是抗性植物 對污染物都有一定的吸附 吸收與降解的功能 從而具有凈化空氣的能力 第十二章 制造碳水化合物 生命來源于水生物的生存離不開水水的多少決定生物的種類 C6H12O6 第十二章 第三節(jié)生物和水的相互作用 一 生命與水 旱生植物 水生植物 中生植物 干濕度分帶性 降水的空間分異與生物分帶現(xiàn)象 C6H12O6 第十二章 二 生物分布與水 水生植物 植物的分布形式與地表水 地下水分布的關(guān)系 C6H12O6 第十二章 二 生物分布與水 水生植物 額爾齊斯河兩岸的帶狀植被 騰格里沙漠的格狀植被 植物的分布形式與地表水 地下水分布的關(guān)系 C6H12O6 第十二章 二 生物分布與水 水生植物 月牙泉島狀植被 祁連山帽狀植被 C6H12O6 第十二章 三 水質(zhì)與生物 水生植物 海水 淡水與生物 海洋生物群落結(jié)構(gòu) 湖泊生物群落結(jié)構(gòu) C6H12O6 第十二章 三 水質(zhì)與生物 水生植物 海水 淡水與生物 淡水 微咸水硅藻類型 咸水型湖泊硅藻類型 第十二章 三 水質(zhì)與生物 水體污染 1 無機無毒物 氮 磷 無機酸堿和一般無機鹽 2 無機有毒物 非重金屬的氰化物 砷化物及重金屬中的汞 鉻等 3 有機無毒物 多屬于碳水化合物 蛋白質(zhì) 脂肪等自然生成的有機物 4 有機有毒物 多屬于人工合成的有機物 如有機氯農(nóng)藥 合成洗滌劑等 5 其他污染物 放射性物質(zhì) 生物污染物質(zhì) 熱污染等 第十二章 三 水質(zhì)與生物 生物對污染物的吸收與降解 1 活性污泥法 2 生物膜法 3 厭氧生物處理法 4 污水處理塘 生物塘 第十二章 三 水質(zhì)與生物 水體富營養(yǎng)化與生物 水體富營養(yǎng)化是指在人類活動的影響下 生物所需要的氮 磷等營養(yǎng)物質(zhì)大量進入湖泊 河口 海灣等水體 引起藻類及其他浮游生物迅速繁殖 水體溶解氧下降 水質(zhì)惡化 魚類及其他生物大量死亡的現(xiàn)象 在自然條件下 湖泊也會從貧營養(yǎng)狀態(tài)過度到富營養(yǎng)狀態(tài) 不過這種自然過程非常緩慢 而人為排放含營養(yǎng)物質(zhì)的工業(yè)廢水和生活污水所引起的水體富營養(yǎng)化則可以在短時間內(nèi)出現(xiàn) 水體出現(xiàn)富營養(yǎng)化現(xiàn)象時 浮游藻類大量繁殖 形成水華 因占優(yōu)勢的浮游藻類的顏色不同 水面往往呈現(xiàn)藍色 紅色 棕色 乳白色等 這種現(xiàn)象在海洋中則叫做赤潮 C6H12O6 第十二章 三 水質(zhì)與生物 水生植物 水體富營養(yǎng)化與生物 太湖藻類暴發(fā) C6H12O6 第十二章 三 水質(zhì)與生物 水生植物 水體富營養(yǎng)化與生物 太湖藻類暴發(fā) 河流 湖泊中的水葫蘆 C6H12O6 第十二章 三 水質(zhì)與生物 水生植物 水體富營養(yǎng)化與生物 太湖藻類暴發(fā) 海洋赤潮 C6H12O6 第十二章 四 植被與水循環(huán) 水生植物 植物的蒸騰作用 植物體內(nèi)的水經(jīng)過體表向大氣蒸發(fā)散失的過程 叫做蒸騰作用 生產(chǎn)單位質(zhì)量的干物質(zhì)所消耗于蒸騰作用的水的質(zhì)量 稱為蒸騰系數(shù) 蒸騰系數(shù)隨植物不同而不同 此數(shù)值常在125 1 000之間變化 蒸騰系數(shù)隨氣候不同而不同 為了生產(chǎn)出同樣數(shù)量的干物質(zhì) 干旱地區(qū)植物消耗的水將二倍于潮濕地區(qū)的植物耗水量 植被對降水的影響 森林能夠增加其覆蓋地區(qū)及其周圍地區(qū)的大氣降水量 特別是在遠離海洋的內(nèi)陸地區(qū) 植物本身蒸騰作用和土壤蒸發(fā)所消耗土壤水的總和 往往是比沒有植物的空曠地表土壤單獨消耗于蒸發(fā)作用的水可多40 可見在內(nèi)陸干旱地區(qū) 大面積森林的存在 可以減少徑流的流失 又能通過蒸騰作用增加空氣中的水汽 進而提高降水量 C6H12O6 第十二章 四 植被與水循環(huán) 水生植物 植被對徑流的影響 大氣降水到達林冠后 雨滴繼續(xù)下落受到阻礙 而使大氣降雨受到阻截損耗 這叫做林冠截流作用 林冠截流的水 一部分附著在林木表面被蒸發(fā)到大氣中 很少一部分是被葉子和樹皮直接吸收 其余沿著樹干流向地面 一般來說 林冠可以截留15 40 的降水 由于森林對于降水的截留和蓄積 減緩了降水轉(zhuǎn)變?yōu)閺搅鞯乃俣?調(diào)節(jié)了徑流的季節(jié)分配 在有森林的流域 普遍的情況是森林攔蓄了洪水徑流 將其轉(zhuǎn)化為地下水 并源源不斷地補給河流 這樣就消減了洪峰 減小了洪水災(zāi)害 同時增加了枯水期流量 使河流流量的年內(nèi)分配趨于穩(wěn)定 植被的作用 1 減慢了水分大循環(huán)的速度2 加快了局部水分循環(huán)的速度3 調(diào)節(jié)了洪水 枯水的徑流量4 調(diào)節(jié)了洪峰徑流5 提高了水的利用率 植被與水循環(huán) 第十二章 四 植被與水循環(huán) C6H12O6 第十二章 五 生物與水的正反饋作用 水生植物 一 湖泊效應(yīng) 由于比熱與熱容量的差異 水體覆蓋的地面溫度變化遲緩 而沒有水體覆蓋的地面溫度變化迅速 從而導(dǎo)致不同部位地面溫度的差異 在湖泊及其周圍 由于湖泊與周圍地區(qū)地面熱容量的差異 導(dǎo)致了局地性大氣環(huán)流和小氣候的產(chǎn)生 在太陽照射時 湖泊周圍的地面升溫比較快 導(dǎo)致大氣的加熱上升 而湖區(qū)由于水體熱容量大 溫度升高緩慢 溫度相對于周圍地面比較低 空氣在這里下沉 從而產(chǎn)生了湖泊及其周圍地區(qū)的局部的大氣環(huán)流 第十二章 第四節(jié)水圈 大氣圈 生物圈的相互作用 湖泊效應(yīng)與水 氣 生相互作用 一般來說湖泊周圍地區(qū)降水比較多 氣候比較濕潤 植被也就比較繁茂 植被繁茂又反過來 增加了地面下滲 增強了蒸騰作用 從而增大了大氣濕度 土壤濕度與大氣降水 因此 水庫建造后 常常會使水庫周圍地區(qū)降水增多 空氣濕度增大 就是這個道理 第十二章 沙漠化效應(yīng)與水 氣 生相互作用 王建 2000 在干旱半干旱地區(qū) 當?shù)孛嬷脖皇艿狡茐?地面所吸收的太陽輻射能明顯減少 白天在陽光照射下 地面強烈增溫 使地面長波輻射增強 又因為地面散失的熱量很多 在那里的空氣一定