生態(tài)系統(tǒng)中的物質(zhì)循環(huán)

1、1第十三章第十三章 生態(tài)系統(tǒng)中的物質(zhì)循環(huán)生態(tài)系統(tǒng)中的物質(zhì)循環(huán)13.1 13.1 物質(zhì)循環(huán)的一般特征物質(zhì)循環(huán)的一般特征13.2 13.2 全球水循環(huán)全球水循環(huán)13.3 13.3 碳循環(huán)碳循環(huán)13.4 13.4 氮循環(huán)氮循環(huán)13.5 13.5 磷循環(huán)磷循環(huán)13.6 13.6 硫循環(huán)硫循環(huán)人類活動(dòng)影響干人類活動(dòng)影響干擾所導(dǎo)致的生態(tài)擾所導(dǎo)致的生態(tài)環(huán)境問題！環(huán)境問題！13.1 13.1 物質(zhì)循環(huán)的一般特征物質(zhì)循環(huán)的一般特征 物質(zhì)循環(huán)和能量流動(dòng)總是相伴而發(fā)生的物質(zhì)循環(huán)和能量流動(dòng)總是相伴而發(fā)生的 生物固定的日光能流過生態(tài)系統(tǒng)通常只有生物固定的日光能流過生態(tài)系統(tǒng)通常只有一次，且逐漸以熱的形式耗散，而物質(zhì)在一次

2、，且逐漸以熱的形式耗散，而物質(zhì)在生態(tài)系統(tǒng)的生物成員中能被反復(fù)利用。生態(tài)系統(tǒng)的生物成員中能被反復(fù)利用。23物質(zhì)循環(huán)與能量流動(dòng)物質(zhì)循環(huán)與能量流動(dòng)4物質(zhì)循環(huán)的一般特征物質(zhì)循環(huán)的一般特征( (兩個(gè)尺度兩個(gè)尺度) ) 生物地生物地球化學(xué)循環(huán)球化學(xué)循環(huán)( (全球循環(huán)全球循環(huán)/ /大循環(huán)大循環(huán)) )：生態(tài)系統(tǒng)從大氣、：生態(tài)系統(tǒng)從大氣、水體和土壤等環(huán)境中獲得營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，通過綠色植物吸收，水體和土壤等環(huán)境中獲得營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，通過綠色植物吸收，進(jìn)入生態(tài)系統(tǒng)，被其他生物重復(fù)利用，最后再歸還于環(huán)進(jìn)入生態(tài)系統(tǒng)，被其他生物重復(fù)利用，最后再歸還于環(huán)境中的過程。這一過程境中的過程。這一過程包括生物包括生物與非與非生物二者生物二者的

3、參與的參與, , 同同時(shí)時(shí)也包含一些地也包含一些地質(zhì)與質(zhì)與地理作用在內(nèi)地理作用在內(nèi), , 因此因此稱為稱為生物地生物地球化學(xué)循環(huán)球化學(xué)循環(huán) 生物小循環(huán)生物小循環(huán)( (局域循環(huán)局域循環(huán)) )：環(huán)境中元素經(jīng)生物吸收，在：環(huán)境中元素經(jīng)生物吸收，在生生態(tài)系統(tǒng)中態(tài)系統(tǒng)中被相繼利用，然后經(jīng)過分解者的作用再為生產(chǎn)被相繼利用，然后經(jīng)過分解者的作用再為生產(chǎn)者吸收、利用者吸收、利用5Basics of nutrient cycling生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)系統(tǒng)小循環(huán)小循環(huán)生物地球化學(xué)生物地球化學(xué)大循環(huán)大循環(huán)6生物小循環(huán)生物小循環(huán)7物質(zhì)循環(huán)的基本概念物質(zhì)循環(huán)的基本概念 庫(kù)庫(kù)( (分室）：分室）：貯存一定數(shù)量元素的某種生態(tài)系統(tǒng)

4、組分稱為該貯存一定數(shù)量元素的某種生態(tài)系統(tǒng)組分稱為該元素的庫(kù)元素的庫(kù)生態(tài)系統(tǒng)中各組分都是物質(zhì)循環(huán)的庫(kù)生態(tài)系統(tǒng)中各組分都是物質(zhì)循環(huán)的庫(kù)植物庫(kù)、動(dòng)物庫(kù)、土壤庫(kù)、水體庫(kù)等植物庫(kù)、動(dòng)物庫(kù)、土壤庫(kù)、水體庫(kù)等 流通率流通率：?jiǎn)挝粫r(shí)間、單位面積：?jiǎn)挝粫r(shí)間、單位面積/ /體積的物質(zhì)轉(zhuǎn)移體積的物質(zhì)轉(zhuǎn)移量量 周轉(zhuǎn)率周轉(zhuǎn)率：流通率流通率/ /庫(kù)庫(kù)中中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)總量營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)總量 周轉(zhuǎn)時(shí)間周轉(zhuǎn)時(shí)間：庫(kù)：庫(kù)中中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)總量營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)總量/ /流通率流通率8物質(zhì)在庫(kù)間的流通物質(zhì)在庫(kù)間的流通 流通量、周轉(zhuǎn)率與周轉(zhuǎn)時(shí)流通量、周轉(zhuǎn)率與周轉(zhuǎn)時(shí)間是相對(duì)于庫(kù)而言的間是相對(duì)于庫(kù)而言的 生產(chǎn)者庫(kù)生產(chǎn)者庫(kù)流通率：流通率：2020單位單位/ /天天

5、周轉(zhuǎn)率：周轉(zhuǎn)率：20/100=20%20/100=20%周轉(zhuǎn)時(shí)間：周轉(zhuǎn)時(shí)間：100/20=5100/20=5天天 消費(fèi)者庫(kù)消費(fèi)者庫(kù)流通率：流通率：4 4單位單位/ /天天周轉(zhuǎn)率：周轉(zhuǎn)率：4/50=8%4/50=8%周轉(zhuǎn)時(shí)間：周轉(zhuǎn)時(shí)間：50/4=12.550/4=12.5天天9 影響物質(zhì)循環(huán)速率的因素影響物質(zhì)循環(huán)速率的因素 元素的性質(zhì)元素的性質(zhì)：有的元素循環(huán)的速率快，而有：有的元素循環(huán)的速率快，而有的則比較慢，這是元素化學(xué)特性和被生物有的則比較慢，這是元素化學(xué)特性和被生物有機(jī)體利用的方式不同所決定的。如機(jī)體利用的方式不同所決定的。如COCO2 2 1 1年年,N 100,N 100萬年萬年 生物

6、的生長(zhǎng)速率生物的生長(zhǎng)速率：決定生物對(duì)物質(zhì)吸收的：決定生物對(duì)物質(zhì)吸收的速率以及物質(zhì)在食物網(wǎng)中運(yùn)動(dòng)的速度速率以及物質(zhì)在食物網(wǎng)中運(yùn)動(dòng)的速度10影響物質(zhì)循環(huán)速率的因素影響物質(zhì)循環(huán)速率的因素 有機(jī)物質(zhì)腐爛的速率有機(jī)物質(zhì)腐爛的速率：適宜的環(huán)境有利：適宜的環(huán)境有利于分解者的生存，并使有機(jī)體很快分解，于分解者的生存，并使有機(jī)體很快分解，供生物重新利用供生物重新利用 人類活動(dòng)的影響人類活動(dòng)的影響：開墾農(nóng)田和砍伐森林引起土壤礦物質(zhì)的開墾農(nóng)田和砍伐森林引起土壤礦物質(zhì)的流失，影響物質(zhì)循環(huán)速率流失，影響物質(zhì)循環(huán)速率化石燃燒把硫和二氧化硫釋放大氣中化石燃燒把硫和二氧化硫釋放大氣中11生物地球化學(xué)循環(huán)的類型生物地球化學(xué)循環(huán)

7、的類型 氣體型循環(huán)氣體型循環(huán)貯存庫(kù)是大氣和海洋貯存庫(kù)是大氣和海洋有氣體形式的分子參與循環(huán)過程有氣體形式的分子參與循環(huán)過程循環(huán)速度快，例如循環(huán)速度快，例如COCO2 2、N N2 2、OO2 2等等 沉積型循環(huán)沉積型循環(huán)貯存庫(kù)是巖石、土壤和沉積物貯存庫(kù)是巖石、土壤和沉積物沒有氣體形式的分子參與循環(huán)過程沒有氣體形式的分子參與循環(huán)過程循環(huán)速度慢，時(shí)間以千年計(jì)算，例如循環(huán)速度慢，時(shí)間以千年計(jì)算，例如P P、CaCa、MgMg等等 水循環(huán)水循環(huán)水的全球循環(huán)過程水的全球循環(huán)過程生態(tài)系統(tǒng)中所有的物質(zhì)循環(huán)都離不開水循環(huán)的推動(dòng)生態(tài)系統(tǒng)中所有的物質(zhì)循環(huán)都離不開水循環(huán)的推動(dòng)1213.2 13.2 全球水循環(huán)全球水循

8、環(huán) 水循環(huán)是太陽能推動(dòng)，在陸地、大氣和海洋間循環(huán)水循環(huán)是太陽能推動(dòng)，在陸地、大氣和海洋間循環(huán) 地表總水量：地表總水量：1.41.410109 9kmkm3 3，海洋約占，海洋約占97%97% 水的循環(huán)：水的循環(huán)：陸地：蒸發(fā)陸地：蒸發(fā)( (蒸騰蒸騰)71,000km)71,000km3 3，降水，降水111,000km111,000km3 3 ，徑流，徑流40,000km40,000km3 3海洋：蒸發(fā)海洋：蒸發(fā)425,000km425,000km3 3，降水，降水385,000km385,000km3 3人為活動(dòng)對(duì)水循環(huán)自然過程的干擾和影響人為活動(dòng)對(duì)水循環(huán)自然過程的干擾和影響 水電站、廣泛大規(guī)

9、模的水利工程、水電站、廣泛大規(guī)模的水利工程、13The Hydrologic Cycle(40)(71)(111)(385)(425)(40)103km314生態(tài)系統(tǒng)中的水循環(huán)生態(tài)系統(tǒng)中的水循環(huán)降雨降雨截留截留穿透雨穿透雨蒸騰蒸騰滲透滲透土壤吸收土壤吸收地表地表徑流徑流地下徑流地下徑流消費(fèi)者消費(fèi)者地面蒸發(fā)地面蒸發(fā)1513.3 13.3 碳循環(huán)碳循環(huán) 碳的重要性碳的重要性：生命元素、能量流動(dòng)、人類活動(dòng)影響：生命元素、能量流動(dòng)、人類活動(dòng)影響 碳庫(kù)碳庫(kù)：海洋和大氣、生物體：海洋和大氣、生物體 碳的存在形式碳的存在形式：COCO2 2，無機(jī)鹽，有機(jī)碳，無機(jī)鹽，有機(jī)碳 主要循環(huán)過程主要循環(huán)過程生物的同化

10、和異化過程生物的同化和異化過程大氣和海洋間的大氣和海洋間的COCO2 2交換交換碳酸鹽的沉淀作用碳酸鹽的沉淀作用 人類活動(dòng)對(duì)碳循環(huán)造成嚴(yán)重影響，引起氣候變?nèi)祟惢顒?dòng)對(duì)碳循環(huán)造成嚴(yán)重影響，引起氣候變化的主要原因化的主要原因16海洋和大氣CO2調(diào)節(jié)CO2CO2溶于海水H2CO3水體中生物H+CO32- CaCO3海底沉積物17The Carbon Cycle18The Carbon Cycle9290750611015gC19溫室效應(yīng)溫室效應(yīng) 溫室效應(yīng)（溫室效應(yīng)（ Greenhouse effectsGreenhouse effects ）：大氣：大氣中對(duì)長(zhǎng)波輻射具有屏蔽作用的溫室氣體濃度增加使中對(duì)

11、長(zhǎng)波輻射具有屏蔽作用的溫室氣體濃度增加使較多的輻射能被截留在地球表層而導(dǎo)致溫度上升較多的輻射能被截留在地球表層而導(dǎo)致溫度上升 溫室氣體溫室氣體：二氧化碳：二氧化碳(CO(CO2 2) )、甲烷、甲烷(CH(CH4 4) )、氧化亞、氧化亞氮氮(N(N2 2O)O)、六氟化碳、六氟化碳(SF(SF6 6) )、氟氯碳化物、氟氯碳化物 (CFCs)(CFCs)、氫、氫氟碳化物氟碳化物(HFCs)(HFCs)等等 溫室效應(yīng)的影響溫室效應(yīng)的影響海平面上升，淹沒陸地海平面上升，淹沒陸地全球氣候經(jīng)常發(fā)生暴雨或干旱全球氣候經(jīng)常發(fā)生暴雨或干旱土地沙漠化，生態(tài)環(huán)境改變土地沙漠化，生態(tài)環(huán)境改變20 GREENHO

12、USE EFFECT21Carbon accumulation CO2 has increased from its pre-industrial level data: recent records plus older data such as ice cores mostly fossil fuel burning22CO2排放23碳源/匯與碳“失匯”難題 全球碳源：6.91015gC/a 化石燃料：6.01015gC/a 陸地植物破壞：0.91015gC/a全球碳匯：5.21015gC/a- 大氣中含量上升：3.21015gC/a- 海洋吸收：2.01015gC/a全球全球“碳失匯碳失

13、匯”(missing sink): 1.71015gC/a中國(guó)學(xué)者的回答：三北防護(hù)林等大規(guī)模林業(yè)建設(shè)（方中國(guó)學(xué)者的回答：三北防護(hù)林等大規(guī)模林業(yè)建設(shè)（方精云精云 2001， Science), 森林土壤的碳吸收作用（中森林土壤的碳吸收作用（中科院華南植物所）科院華南植物所）中國(guó)陸地生態(tài)系統(tǒng)碳源中國(guó)陸地生態(tài)系統(tǒng)碳源/匯研究（方精云）：科學(xué)意義匯研究（方精云）：科學(xué)意義/環(huán)境外交（京都議定書）環(huán)境外交（京都議定書）24碳交易 清潔發(fā)展機(jī)制CDM (Clean Development Mechanism） CDM規(guī)定減排的溫室氣體有：CO2（二氧化碳）、CH4（甲烷）、N2O（氧化亞氮）、HFCs（氫

14、氟碳化物）、PFCs（全氟化碳）、SF6（六氟化硫 碳交易 碳交易(即溫室氣體排放權(quán)交易)也就是購(gòu)買合同或者碳減排購(gòu)買協(xié)議(ERPAs)，其基本原理是，合同的一方通過支付另一方獲得溫室氣體減排額。買方可以將購(gòu)得的減排額用于減緩溫室效應(yīng)從而實(shí)現(xiàn)其減排的目標(biāo) 中國(guó)第一個(gè)碳中國(guó)第一個(gè)碳“交易交易”項(xiàng)目：項(xiàng)目： 北京安定垃圾填埋場(chǎng)，甲烷排放由4004t/a減至1551t/a, 差額出售至國(guó)外25中國(guó)CDM份額世界領(lǐng)先 截至2008年2月13日，我國(guó)清潔發(fā)展機(jī)制項(xiàng)目（簡(jiǎn)稱CDM）獲得聯(lián)合國(guó)核證減排量達(dá)3600多萬噸二氧化碳當(dāng)量，首次超過印度，躍居世界第一位。這標(biāo)志著我國(guó)在國(guó)際碳交易市場(chǎng)開始占據(jù)最大份額。

15、 2613.4 13.4 氮循環(huán)氮循環(huán) 氮的重要性氮的重要性 氮庫(kù)：大氣、土壤、陸地植被氮庫(kù)：大氣、土壤、陸地植被 生物可利用的氮的形式：生物可利用的氮的形式：NONO3 32-2-、NONO2 22-2-、NHNH4 4+ + 氮循環(huán)的主要過程氮循環(huán)的主要過程固氮作用固氮作用氨化作用氨化作用硝化作用硝化作用反硝化作用反硝化作用27The Nitrogen Cycle28氮的循環(huán)氮的循環(huán)1012gN29固氮作用固氮作用 類型類型閃電、宇宙射線、火山爆發(fā)等高能固氮閃電、宇宙射線、火山爆發(fā)等高能固氮工業(yè)固氮：工業(yè)固氮：400400攝氏度，攝氏度，200200大氣壓下大氣壓下生物固氮：固氮菌、與豆科

16、植物共生的根瘤生物固氮：固氮菌、與豆科植物共生的根瘤菌和藍(lán)藻等自養(yǎng)和異養(yǎng)微生物菌和藍(lán)藻等自養(yǎng)和異養(yǎng)微生物 意義意義平衡反硝化作用平衡反硝化作用對(duì)局域缺氮環(huán)境有重要意義對(duì)局域缺氮環(huán)境有重要意義使氮進(jìn)入生物循環(huán)使氮進(jìn)入生物循環(huán)30生態(tài)系統(tǒng)中的氮循環(huán)31氨化作用、硝化作用和反硝化作用氨化作用、硝化作用和反硝化作用 氨化作用：由氨化細(xì)菌和真菌的作用將有機(jī)氮氨化作用：由氨化細(xì)菌和真菌的作用將有機(jī)氮分解成為氨和氨化合物，氨溶水成為分解成為氨和氨化合物，氨溶水成為NHNH4 4+ +，為植物利用為植物利用 硝化作用：在通氣良好的土壤中，氨化合物被硝化作用：在通氣良好的土壤中，氨化合物被亞硝酸鹽細(xì)菌和硝酸鹽細(xì)

17、菌氧化為亞硝酸鹽和亞硝酸鹽細(xì)菌和硝酸鹽細(xì)菌氧化為亞硝酸鹽和硝酸鹽，供植物吸收利用硝酸鹽，供植物吸收利用 反硝化作用：反硝化細(xì)菌將亞硝酸鹽轉(zhuǎn)變成氮反硝化作用：反硝化細(xì)菌將亞硝酸鹽轉(zhuǎn)變成氮?dú)猓氐酱髿鈳?kù)中氣，回到大氣庫(kù)中3213.5 13.5 磷循環(huán)磷循環(huán)磷循環(huán)屬典型的沉積循環(huán)磷循環(huán)屬典型的沉積循環(huán)磷以不活躍的地殼作為主要貯存庫(kù)磷以不活躍的地殼作為主要貯存庫(kù)磷的循環(huán)過程磷的循環(huán)過程 巖石經(jīng)土壤風(fēng)化釋放的磷酸鹽和農(nóng)田中施用的磷巖石經(jīng)土壤風(fēng)化釋放的磷酸鹽和農(nóng)田中施用的磷肥，被植物吸收進(jìn)入植物體內(nèi)肥，被植物吸收進(jìn)入植物體內(nèi) 沿食物鏈傳遞，并以糞便、殘?bào)w或直接以枯枝落沿食物鏈傳遞，并以糞便、殘?bào)w或直接以枯

18、枝落葉、秸稈歸還土壤葉、秸稈歸還土壤 含磷有機(jī)化合物經(jīng)土壤微生物的分解，轉(zhuǎn)變?yōu)榭珊子袡C(jī)化合物經(jīng)土壤微生物的分解，轉(zhuǎn)變?yōu)榭扇苄缘牧姿猁}，可再次供給植物吸收利用，這是溶性的磷酸鹽，可再次供給植物吸收利用，這是磷的生物小循環(huán)。磷的生物小循環(huán)。 一部分磷脫離生物小循環(huán)進(jìn)入地質(zhì)大循環(huán)一部分磷脫離生物小循環(huán)進(jìn)入地質(zhì)大循環(huán)動(dòng)植物遺體在陸地表面的磷礦化動(dòng)植物遺體在陸地表面的磷礦化磷受水的沖蝕進(jìn)入江河，流入海洋磷受水的沖蝕進(jìn)入江河，流入海洋 33BIOGEOCHEMICAL CYCLE - PHOSPHORUS34磷的循環(huán)磷的循環(huán)1012gP35一個(gè)池塘生態(tài)系統(tǒng)的磷循環(huán)一個(gè)池塘生態(tài)系統(tǒng)的磷循環(huán)36生態(tài)系統(tǒng)的磷

19、循環(huán)37硫循環(huán)硫循環(huán)38酸雨的形成39ACID RAIN IN THE UNITES STATES40ACID RAIN IN THE WORLD41倫敦?zé)熿F事件倫敦?zé)熿F事件 倫敦倫敦19521952年年2 2月月5 5日到日到8 8日，霧大無風(fēng)，日，霧大無風(fēng)，家庭和工廠排出的煙塵經(jīng)久不散，大氣家庭和工廠排出的煙塵經(jīng)久不散，大氣中中SOSO2 2含量含量3.83.8毫克毫克/ /立方米，煙塵立方米，煙塵4.54.5毫克，居民普遍呼吸困難、咳嗽、喉痛、毫克，居民普遍呼吸困難、咳嗽、喉痛、嘔吐和發(fā)燒，嘔吐和發(fā)燒，4 4天內(nèi)死亡約天內(nèi)死亡約40004000人人42有毒有害物質(zhì)循環(huán)有毒有害物質(zhì)循環(huán)有毒

20、有害物質(zhì)循環(huán)：對(duì)有機(jī)體有毒有有毒有害物質(zhì)循環(huán)：對(duì)有機(jī)體有毒有害物質(zhì)進(jìn)入生態(tài)系統(tǒng)后，沿著食物鏈害物質(zhì)進(jìn)入生態(tài)系統(tǒng)后，沿著食物鏈在生物體內(nèi)富集或被分解的過程在生物體內(nèi)富集或被分解的過程生物放大作用：某些物質(zhì)當(dāng)他們沿食生物放大作用：某些物質(zhì)當(dāng)他們沿食物鏈移動(dòng)時(shí)，既不被呼吸消耗，又不物鏈移動(dòng)時(shí)，既不被呼吸消耗，又不容易被排泄，而是濃集在有機(jī)體的組容易被排泄，而是濃集在有機(jī)體的組織中，這一現(xiàn)象稱為生物放大作用織中，這一現(xiàn)象稱為生物放大作用 43有毒有害物質(zhì)循環(huán)的實(shí)例有毒有害物質(zhì)循環(huán)的實(shí)例 DDTDDTDDTDDT是人工合成的有機(jī)氯殺蟲劑是人工合成的有機(jī)氯殺蟲劑DDTDDT不溶于水，而溶于脂肪，極易通過食

21、物鏈而濃不溶于水，而溶于脂肪，極易通過食物鏈而濃集集DDTDDT通過食物鏈進(jìn)入動(dòng)物體后，使鈣代謝功能喪失，通過食物鏈進(jìn)入動(dòng)物體后，使鈣代謝功能喪失，從而使鳥類蛋殼變薄，雌鳥孵卵時(shí)將蛋壓破，從而使從而使鳥類蛋殼變薄，雌鳥孵卵時(shí)將蛋壓破，從而使禽類的數(shù)量減少禽類的數(shù)量減少 危害危害消滅害蟲的同時(shí)，無選擇地將益蟲、益鳥和害蟲的天消滅害蟲的同時(shí)，無選擇地將益蟲、益鳥和害蟲的天敵殺死敵殺死如美國(guó)加利福尼亞州，由于濫用如美國(guó)加利福尼亞州，由于濫用DDTDDT，19671967年有年有19%19%的蜜蜂被殺死，導(dǎo)致水果和蜂蜜急劇減產(chǎn)的蜜蜂被殺死，導(dǎo)致水果和蜂蜜急劇減產(chǎn)44BIOMAGINIFICATION OF DDT45BIOMAGINIFICATION OF DDTBIOMAGINIFICATION OF DDT水體中的水體中的DTTDTT濃度約為濃度約為0.00005ppm 0.00005ppm 浮游生物浮游生物 0.04 pp