《基礎(chǔ)生態(tài)學（第3版）》課件第十章 生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)

1、第十章 生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)10.1 生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)概述10.2 生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)的類型與機制10.3 幾種主要元素的循環(huán)10.1.1 植物體內(nèi)的養(yǎng)分元素重要元素：植物正常生長和代謝所必需的元素。其中，其濃度僅有若干ppm的稱作微量元素，而濃度可用百分數(shù)表示的可稱為大量元素; 大量元素：氫、碳、氧、氮、鉀、鈣、鎂、磷、硫; 微量元素：氯、硼、鐵、錳、鋅、銅、鉬生物體中主要的化學元素：氫、碳、氧、氮. 10.1 生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)概述10.1.2 生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)的概念狹義的理解是： 在生態(tài)系統(tǒng)中生物從環(huán)境中（土壤、水或大氣）吸收的養(yǎng)分元素，在植物體內(nèi)結(jié)合成有機形式，并通過食物鏈從一個營養(yǎng)級轉(zhuǎn)移到

2、下一個營養(yǎng)級，最后所有的生物殘體或廢物（又稱凋落物或枯落物）被分解者分解，以元素的形式釋放到環(huán)境中，又被植物重新吸收利用。這樣，養(yǎng)分元素在生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)一次又一次地被循環(huán)利用，這種現(xiàn)象稱為生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)。 廣義上，生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)是指化學元素及其組成的各種化合物在自然界中的遷移和轉(zhuǎn)化的過程。 10.2.1 地球化學循環(huán)（geochemical cycles） 是指不同生態(tài)系統(tǒng)之間化學元素的交換，空間范圍大。10.2.1.1 氣態(tài)循環(huán)（gaseous cycles）物質(zhì)的主要存貯庫是大氣和海洋，具有明顯的全球性，循環(huán)性能最為完善。屬于氣態(tài)循環(huán)的物質(zhì)，其分子或某些化合物常以氣態(tài)形式參與循環(huán)過程，屬于

3、這類的物質(zhì)有氧、二氧化碳、氮、氯、溴、氟等。10.2 生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)的類型與機制概念為什么氣態(tài)循環(huán)引起人們極大的重視？ 人類的活動每天都有大量CO、CO2、硫和氮的氧化物，以及各種有機物質(zhì)和農(nóng)藥進入氣態(tài)循環(huán)。 典型后果： 1、酸雨 2、溫室效應(yīng)10.2.1.2 沉積循環(huán) (sedimentary cycles) 物質(zhì)的存貯庫主要是土壤、沉積物和巖石。循環(huán)的全球性不明顯，循環(huán)性能一般也很不完善。 參與沉積循環(huán)的物質(zhì)，其分子和化合物一般沒有氣體形式，這些物質(zhì)主要通過巖石的風化和沉積物的分解轉(zhuǎn)變?yōu)樯鷳B(tài)系統(tǒng)利用的營養(yǎng)物質(zhì)。 有些元素既參與氣態(tài)循環(huán)也參與沉積循環(huán)。 沉積循環(huán)的途徑：地球化學循環(huán)中，大部

4、分屬于沉積循環(huán)類型。氣象途徑：如空氣塵埃和降水的輸入以及風侵蝕和搬運的輸出。通過天氣過程來實現(xiàn)。 陸地塵土、海洋的鹽漬可隨風攜帶到很遠的距離的生態(tài)系統(tǒng)中。 干沉降（塵埃、煙塵在無風、干旱的天氣里從大氣沉降）和濕 沉降（雨、霧和雪中的塵埃以及溶解的化學物質(zhì)）不斷將養(yǎng)分輸入生態(tài)系統(tǒng)。 生長在極貧瘠土壤上的森林，化學沉降物的輸入有可能使其達到較高的生產(chǎn)量。生物途徑： 動物的活動及人們從事農(nóng)林經(jīng)營活動可使養(yǎng)分在生態(tài)系統(tǒng)之間發(fā)生再分配。 動物在不同生態(tài)系統(tǒng)之間的轉(zhuǎn)移，可以進行養(yǎng)分元素的傳遞和交換。如鳥類農(nóng)田中取食，在林中排泄，海鳥海中取食，陸地排泄等。 人類從事農(nóng)業(yè)和林業(yè)經(jīng)營活動，對生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分的輸入和

5、輸出產(chǎn)生影響。人收集秸稈、施用化肥等活動。 例如：不合理的經(jīng)營活動導(dǎo)致水土流失。 地質(zhì)水文途徑：通過地質(zhì)、水文過程進行的養(yǎng)分的輸入和輸出。如來自于巖石、土壤的風化和土壤水分及溪水溶解的養(yǎng)分對系統(tǒng)的輸入，以及土壤水或地表水溶解的養(yǎng)分、土粒和有機物質(zhì)從系統(tǒng)的輸出。 進行水土保持，一方面是保持水土，另一方面是保持土壤養(yǎng)分。10.2.2 生物地球化學循環(huán) (biogeochemical cycles) 生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部化學元素的交換，空間范圍不大。植物在系統(tǒng)內(nèi)就地吸收養(yǎng)分，又通過落葉歸還到同一地方。絕大多數(shù)的養(yǎng)分可以有效地保留，積累在本系統(tǒng)之內(nèi)。在生態(tài)系統(tǒng)中，生物所需的養(yǎng)分從非生物部分流入到生物部分，并在

6、不同營養(yǎng)級之間進行傳遞，然后又回到非生物部分，供生物的再次利用，養(yǎng)分元素在生態(tài)系統(tǒng)中的這種循環(huán)傳遞過程稱為生物地球化學循環(huán)。生物地球化學循環(huán)包括：10.2.2.1 植物對養(yǎng)分的吸收大部分養(yǎng)分從土壤溶液中吸收；菌根營養(yǎng)10.2.2.2 植物體內(nèi)養(yǎng)分的分配10.2.2.3 植物養(yǎng)分的損失雨水的淋失草食動物的取食生殖器官的消耗凋落物損失的養(yǎng)分思考：如何理解養(yǎng)分的“損失”？10.2.2.4 凋落物的分解 凋落物分解和養(yǎng)分的釋放是森林生物地球化學循環(huán)中最重要的一環(huán)分解過快或過慢對森林生長都不利。思考：熱帶雨林生產(chǎn)力高，生長快，但也最脆弱，為什么？分解過慢：林分得不到充足的養(yǎng)分。過厚的死地被物導(dǎo)致土壤濕度

7、和酸度過大，地溫過低，不利于林木的生長。分解過快： 養(yǎng)分釋放過快，植物和土壤難以將其保持住，造成養(yǎng)分淋失。 有機質(zhì)減少，導(dǎo)致土壤的理化性質(zhì)惡化，土壤肥力和侵蝕能力減低。10.2.2.5 林下植被的作用 林下植被的凋落物含有相當高的養(yǎng)分，一般有利于森林死地被物的分解，從而提高土壤肥力。因此，林下保持一定數(shù)量的灌木、雜草以及苔蘚，將會對森林的生產(chǎn)力起到有益的作用。10.2.2.6 養(yǎng)分元素的直接循環(huán)： 菌根菌的菌絲體侵入新落下的凋落物后，由菌絲進入凋落物內(nèi)部使之分解，并吸收那些被礦化后的養(yǎng)分，其中養(yǎng)分的一部分可被有菌根的植物所利用。這樣就省去了經(jīng)過土壤溶液的過程，又能防止養(yǎng)分被淋失掉。10.2.3

8、 生物化學循環(huán)(biochemical cycles) 指養(yǎng)分在生物體內(nèi)的再分配，也是植物保存養(yǎng)分的重要途徑。 植物不止靠根和葉吸收養(yǎng)分滿足其生長的需要，同時還會將貯存在體內(nèi)的養(yǎng)分轉(zhuǎn)移到需要養(yǎng)分的部位。比如，將即將脫落的葉片中的養(yǎng)分移向幼嫩的生長點或?qū)⑵滟A存在樹皮或體內(nèi)某處。 養(yǎng)分在體內(nèi)的再分配，對植物有多方面的作用。如，植物養(yǎng)分不足的時候維持植物的生長；養(yǎng)分充足時吸收，不足時利用。 植物葉片養(yǎng)分的回收和再分配的效能與土壤養(yǎng)分的可利用程度有關(guān)。越是瘠薄，回收利用率越高。10.3.1 水循環(huán)10.3.2 碳循環(huán)10.3.3 氮循環(huán) 10.3.4 磷循環(huán) 10.3.5 硫循環(huán)10.3 幾種主要元素

9、的循環(huán)水循環(huán)（Water cycles） 全世界淡水資源總量并不缺乏。但是降水量在空間和時間上分布不均勻，造成有些地區(qū)或某些時間仍然嚴重缺水。 我國水資源分布也很不平衡，南方水資源較豐富，北方水資源不足，西北內(nèi)陸荒漠盆地，水資源更貧乏。 據(jù)國外資料，年總用水量如果超過年總徑流量的13-14%，將產(chǎn)生水荒和干旱的威脅。近年來世界總需水量每年大約遞增4%，有些國家用水量10年即增加一倍。匱乏的水資源碳循環(huán) (Carbon cycles) 碳是地球上儲量最豐富的元素之一。它廣泛地分布于大氣、海洋、地殼沉積巖和生物體中，并隨地球的運動循環(huán)不止。 糖、脂肪、蛋白質(zhì)、核酸都是構(gòu)成生物體的基本物質(zhì)，在它們的

10、分子中都含有碳元素。碳元素約占生物體干重的49，碳是有機化合物的“骨架”，沒有碳就沒有生命。碳循環(huán)The greenhouse effectThe greenhouse effectIf greenhouse gases continue to rise at the current rate, between 2030 and 2050, the average temperature on Earth will rise by about 1.5oC to 10oC.(1)這是 碳 元素的循環(huán)。(2)A、B、C、D各是什么生物?A 綠色植物，B 植食性動物，C 肉食性動物，D 腐生細菌、真

11、菌等。(3)寫出所示過程的名稱：光合作用，呼吸作用，呼吸作用分解者的呼吸作用，燃耗。(4)圖中缺少的生理過程是綠色植物的呼吸作用。用箭頭在圖中標出。(5)參與過程的生物種類有腐生細菌、真菌。(6)由此可見，生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)具有以下特點：帶有全球性；組成生物體的一些基本化學元素在生物群落與無機環(huán)境之間可以反復(fù)循環(huán)運動。森林對碳循環(huán)的調(diào)控作用：吸收：光合作用，光合速率、凈生產(chǎn)力。貯存：將吸收的碳長期貯存在森林植物體內(nèi)。森林的存貯作用至關(guān)重要，農(nóng)田的生產(chǎn)力可能高于森林，但是其存貯的碳會很快重新釋放出來。森林破壞對森林碳調(diào)控作用的影響： 森林破壞以后，森林植物吸收CO2的作用受到破壞； 森林的破壞加

12、速了森林碳庫中碳的釋放。思考：森林都吸收CO2嗎？氣候變暖后，森林起到什么作用？有些學者指出，大氣CO2含量增加對植物會產(chǎn)生良好的影響，你認為如何？大氣是主要的氮庫，大氣體積的78%為分子態(tài)氮。生態(tài)系統(tǒng)氮的來源：雷電：把大氣中的氮，氧化成硝酸鹽及其它含氮的氧化物，再由降水帶入土壤，參與氮的循環(huán)。生物固氮：固氮細菌從土壤和大氣中吸收氮素。工業(yè)固氮：如化肥廠。氮循環(huán) (Nitrogen cycles)氮循環(huán)是一個復(fù)雜的過程，包括有許多種類的微生物參加： 1，固氮作用（nitrogen fixation） 2，氨化作用 （ammonification） 氨化作用是蛋白質(zhì)通過水解降解為氨基酸，然后氨基

13、酸中的碳（不是氮）被氧化而釋放出氨（NH3）的過程。 3，硝化作用 （nitrification）： 是氨的氧化過程，最終氨轉(zhuǎn)化為硝酸鹽。 4，反硝化作用 （denitrification） 右圖是生態(tài)系統(tǒng)中的氮循環(huán)示意圖，請據(jù)圖回答：（）在自然界中，大氣中的氮素主要通過生物固氮作用進入生物群落，這一過程能順利進行，是因為固氮生物具有固氮酶。（）草食性哺乳動物主要是從植物體的蛋白質(zhì)等物質(zhì)中獲得氮素，該元素經(jīng)吸收進入人體后，又是通過脫氨基作用，將這部分物質(zhì)轉(zhuǎn)換成代謝廢物排放到自然界中去的。（）從生態(tài)系統(tǒng)的成分看，能進行過程的生物屬于生產(chǎn)者，該過程稱化能合成作用。能進行過程的生物屬于生產(chǎn)者。生物進

14、行過程的外界條件是缺乏氧氣。 磷循環(huán) (Phosphorus cycles)磷的主要來源：磷酸鹽巖石和沉積物、鳥糞、動物骨骼等。磷在生物中含量少，但絕不可缺少。由于磷的難溶性，往往是植物生產(chǎn)力的主要限制因素。如果適當增加土壤中可利用的磷肥，大多數(shù)陸地生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)力，便可能明顯增加。磷在江河及湖泊中的含量是有限的，我國南方紅黃壤地區(qū)土壤中普遍缺磷。在生物圈中磷的數(shù)量正在減少，很多磷進入海洋沉積起來。然而，一旦江河、湖泊中磷含量提高，會引起藻類暴長。出現(xiàn)“富營養(yǎng)化”。磷循環(huán)硫循環(huán) (Sulfur cycles)硫的主要儲庫：硫酸鹽如石膏，也有少量存在于大氣，主要是SO2和H2S。硫的來源：沉積巖

15、石的風化、化石燃料（特別是煤）的燃燒、火山噴發(fā)和有機物的分解。硫的沉積循環(huán)：硫酸鹽的侵蝕和風化，土壤中的硫酸鹽被淋溶掉或被微生物還原。硫的氣態(tài)循環(huán)：大氣中的硫主要是SO2和H2S。前者產(chǎn)生于火山噴發(fā)和細菌的還原，后者產(chǎn)生于化石燃料的燃燒。大氣中硫的化合物通常很快氧化成亞硫酸鹽和硫酸鹽，被雨水帶回土壤。大氣中亞硫酸鹽和硫酸鹽能與雨水結(jié)合形成硫酸，造成酸雨危害。Acid rain酸雨的傷害水生生物食物鏈不平衡食物鏈 正常食物鏈 食物鏈積累重金屬、農(nóng)藥、有機化合物等污染物有沿食物鏈積累和放大的現(xiàn)象，營養(yǎng)級高的水生動物體內(nèi)積累污染物的含量高于低營養(yǎng)級的生物。重金屬的食物鏈積累汞、銅、鋅、鉛、鎳等沿食物鏈積累和放大現(xiàn)象較明顯，其中汞和鎳的食物鏈積累對人類的威脅最大。1 從生態(tài)系統(tǒng)的觀點看，人體內(nèi)碳元素的根本來源是（A）A大氣中的二氧化碳B生產(chǎn)者 C分解者 D消