生態(tài)系統中的物質循環(huán)

關于生態(tài)系統中的物質循環(huán)12物質循環(huán)與能量流動第2頁,共47頁，2024年2月25日，星期天3物質循環(huán)的一般特征(兩個尺度)生物地球化學循環(huán)(全球循環(huán)/大循環(huán))：生態(tài)系統從大氣、水體和土壤等環(huán)境中獲得營養(yǎng)物質，通過綠色植物吸收，進入生態(tài)系統，被其他生物重復利用，最后再歸還于環(huán)境中的過程。這一過程包括生物與非生物二者的參與,同時也包含一些地質與地理作用在內,因此稱為生物地球化學循環(huán)生物小循環(huán)(局域循環(huán))：環(huán)境中元素經生物吸收，在生態(tài)系統中被相繼利用，然后經過分解者的作用再為生產者吸收、利用第3頁,共47頁，2024年2月25日，星期天4Basicsofnutrientcycling第4頁,共47頁，2024年2月25日，星期天5生物小循環(huán)第5頁,共47頁，2024年2月25日，星期天6物質循環(huán)的基本概念庫：貯存一定數量元素的某種生態(tài)系統組分稱為該元素的庫生態(tài)系統中各組分都是物質循環(huán)的庫植物庫、動物庫、土壤庫、水體庫等流通率：單位時間、單位面積/體積的物質轉移量周轉率：流通率/庫中營養(yǎng)物質總量周轉時間：庫中營養(yǎng)物質總量/流通率第6頁,共47頁，2024年2月25日，星期天7物質在庫間的流通流通量、周轉率與周轉時間是相對于庫而言的生產者庫流通率：20單位/天周轉率：20/100=20%周轉時間：100/20=5天消費者庫流通率：4單位/天周轉率：4/50=8%周轉時間：50/4=12.5天第7頁,共47頁，2024年2月25日，星期天8

影響物質循環(huán)速率的因素元素的性質：有的元素循環(huán)的速率快，而有的則比較慢，這是元素化學特性和被生物有機體利用的方式不同所決定的。如CO21年,N100萬年生物的生長速率：決定生物對物質吸收的速率以及物質在食物網中運動的速度第8頁,共47頁，2024年2月25日，星期天9影響物質循環(huán)速率的因素有機物質腐爛的速率：適宜的環(huán)境有利于分解者的生存，并使有機體很快分解，供生物重新利用人類活動的影響：開墾農田和砍伐森林引起土壤礦物質的流失，影響物質循環(huán)速率化石燃燒把硫和二氧化硫釋放大氣中第9頁,共47頁，2024年2月25日，星期天10生物地球化學循環(huán)的類型氣體型循環(huán)貯存庫是大氣和海洋有氣體形式的分子參與循環(huán)過程循環(huán)速度快，例如CO2、N2、O2等沉積型循環(huán)貯存庫是巖石、土壤和沉積物沒有氣體形式的分子參與循環(huán)過程循環(huán)速度慢，時間以千年計算，例如P、Ca、Mg等水循環(huán)水的全球循環(huán)過程生態(tài)系統中所有的物質循環(huán)都離不開水循環(huán)的推動第10頁,共47頁，2024年2月25日，星期天1113.2全球水循環(huán)水循環(huán)是太陽能推動，在陸地、大氣和海洋間循環(huán)地表總水量：1.4×109km3，海洋約占97%水的循環(huán)：陸地：蒸發(fā)(蒸騰)71,000km3，降水111,000km3，徑流40,000km3海洋：蒸發(fā)425,000km3，降水385,000km3人為活動對水循環(huán)自然過程的干擾和影響第11頁,共47頁，2024年2月25日，星期天12TheHydrologicCycle(40)(71)(111)(385)(425)(40)×103km3第12頁,共47頁，2024年2月25日，星期天13生態(tài)系統中的水循環(huán)降雨截留穿透雨蒸騰滲透土壤吸收地表徑流地下徑流消費者地面蒸發(fā)第13頁,共47頁，2024年2月25日，星期天1413.3碳循環(huán)碳的重要性：生命元素、能量流動、人類活動影響碳庫：海洋和大氣、生物體碳的存在形式：CO2，無機鹽，有機碳主要循環(huán)過程生物的同化和異化過程大氣和海洋間的CO2交換碳酸鹽的沉淀作用人類活動對碳循環(huán)造成嚴重影響，引起氣候變化的主要原因第14頁,共47頁，2024年2月25日，星期天15海洋和大氣CO2調節(jié)CO2CO2溶于海水H2CO3水體中生物H++CO32-

CaCO3海底沉積物第15頁,共47頁，2024年2月25日，星期天16TheCarbonCycle第16頁,共47頁，2024年2月25日，星期天17TheCarbonCycle929075061×1015gC第17頁,共47頁，2024年2月25日，星期天18溫室效應溫室效應（Greenhouseeffects

）：大氣中對長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致溫度上升溫室氣體：二氧化碳(CO2)、甲烷(CH4)、氧化亞氮(N2O)、六氟化碳(SF6)、氟氯碳化物(CFCs)、氫氟碳化物(HFCs)等溫室效應的影響海平面上升，淹沒陸地全球氣候經常發(fā)生暴雨或干旱土地沙漠化，生態(tài)環(huán)境改變第18頁,共47頁，2024年2月25日，星期天19IncomingsunlightwarmsthesurfaceoftheEarthandisradiatedbacktoatmosphere.Greenhousegasesabsorbsomeofthisheat,trappingitintheatmosphere.

GREENHOUSEEFFECT第19頁,共47頁，2024年2月25日，星期天20CarbonaccumulationCO2hasincreasedfromitspre-industrialleveldata:recentrecordsplusolderdatasuchasicecoresmostlyfossilfuelburning第20頁,共47頁，2024年2月25日，星期天21CO2排放第21頁,共47頁，2024年2月25日，星期天22碳源/匯與碳“失匯”難題

全球碳源（收入<支出，NEP為負）：6.9×1015gC/a化石燃料：6.0×1015gC/a陸地植物破壞：0.9×1015gC/a全球碳匯（收入<支出，NEP為正）：5.2×1015gC/a大氣中含量上升：3.2×1015gC/a海洋吸收：2.0×1015gC/a全球“碳失匯”(missingsink):1.7×1015gC/a中國學者的回答：三北防護林等大規(guī)模林業(yè)建設（方精云2001，Science),森林土壤的碳吸收作用（中科院華南植物所）中國陸地生態(tài)系統碳源/匯研究（方精云）：科學意義/環(huán)境外交（京都議定書）第22頁,共47頁，2024年2月25日，星期天23碳交易清潔發(fā)展機制CDM

(CleanDevelopmentMechanism）

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(即溫室氣體排放權交易)也就是購買合同或者碳減排購買協議(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。買方可以將購得的減排額用于減緩溫室效應從而實現其減排的目標中國第一個碳“交易”項目：北京安定垃圾填埋場，甲烷排放由4004t/a減至1551t/a,差額出售至國外第23頁,共47頁，2024年2月25日，星期天24中國CDM份額世界領先截至2008年2月13日，我國清潔發(fā)展機制項目（簡稱CDM）獲得聯合國核證減排量達3600多萬噸二氧化碳當量，首次超過印度，躍居世界第一位。這標志著我國在國際碳交易市場開始占據最大份額。

第24頁,共47頁，2024年2月25日，星期天2513.4氮循環(huán)氮的重要性氮庫：大氣、土壤、陸地植被生物可利用的氮的形式：NO32-、NO22-、NH4+氮循環(huán)的主要過程固氮作用氨化作用硝化作用反硝化作用第25頁,共47頁，2024年2月25日，星期天26TheNitrogenCycle第26頁,共47頁，2024年2月25日，星期天27氮的循環(huán)×1012gN第27頁,共47頁，2024年2月25日，星期天28固氮作用類型閃電、宇宙射線、火山爆發(fā)等高能固氮工業(yè)固氮：400攝氏度，200大氣壓下生物固氮：固氮菌、與豆科植物共生的根瘤菌和藍藻等自養(yǎng)和異養(yǎng)微生物意義平衡反硝化作用對局域缺氮環(huán)境有重要意義使氮進入生物循環(huán)第28頁,共47頁，2024年2月25日，星期天29生態(tài)系統中的氮循環(huán)第29頁,共47頁，2024年2月25日，星期天30氨化作用、硝化作用和反硝化作用氨化作用：由氨化細菌和真菌的作用將有機氮分解成為氨和氨化合物，氨溶水成為NH4+，為植物利用硝化作用：在通氣良好的土壤中，氨化合物被亞硝酸鹽細菌和硝酸鹽細菌氧化為亞硝酸鹽和硝酸鹽，供植物吸收利用反硝化作用：反硝化細菌將亞硝酸鹽轉變成氮氣，回到大氣庫中第30頁,共47頁，2024年2月25日，星期天3113.5磷循環(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磷的循環(huán)過程巖石經土壤風化釋放的磷酸鹽和農田中施用的磷肥，被植物吸收進入植物體內沿食物鏈傳遞，并以糞便、殘體或直接以枯枝落葉、秸稈歸還土壤含磷有機化合物經土壤微生物的分解，轉變?yōu)榭扇苄缘牧姿猁}，可再次供給植物吸收利用，這是磷的生物小循環(huán)。一部分磷脫離生物小循環(huán)進入地質大循環(huán)動植物遺體在陸地表面的磷礦化磷受水的沖蝕進入江河，流入海洋

第31頁,共47頁，2024年2月25日，星期天32Phosphateleachesfromphosphate-richrocksorfromfertilizersandentersplantsandotherproducerswhereitisincorporatedintobiologicalmolecules.Thesearepassedthroughthetrophiclevels.BIOGEOCHEMICALCYCLE-PHOSPHORUS第32頁,共47頁，2024年2月25日，星期天33磷的循環(huán)×1012gP第33頁,共47頁，2024年2月25日，星期天34一個池塘生態(tài)系統的磷循環(huán)第34頁,共47頁，2024年2月25日，星期天35生態(tài)系統的磷循環(huán)第35頁,共47頁，2024年2月25日，星期天36硫循環(huán)第36頁,共47頁，2024年2月25日，星期天37酸雨的形成第37頁,共47頁，2024年2月25日，星期天38ACIDRAININTHEUNITESSTATESThemostacidicrainisconcentratedinthenortheast,butthousandsoflakesinthewestarealsovulnerable.第38頁,共47頁，2024年2月25日，星期天39ACIDRAININTHEWORLD第39頁,共47頁，2024年2月25日，星期天40倫敦煙霧事件倫敦1952年2月5日到8日，霧大無風，家庭和工廠排出的煙塵經久不散，大氣中SO2含量3.8毫克/立方米，煙塵4.5毫克，居民普遍呼吸困難、咳嗽、喉痛、嘔吐和發(fā)燒，4天內死亡約4000人第40頁,共47頁，2024年2月25日，星期天41有毒有害物質循環(huán)有毒有害物質循環(huán)：對有機體有毒有害物質進入生態(tài)系統后，沿著食物鏈在生物體內富集或被分解的過程生物放大作用：某些物質當他們沿食物鏈移動時，既不被呼吸消耗，又不容易被排泄，而是濃集在有機體的組織中，這一現象稱為生物放大作用

第41頁,共47頁，2024年2月25日，星期天42有毒有害物質循環(huán)的實例DDTDDT是人工合成的有機氯殺蟲劑DDT不溶于水，而溶于脂肪，極易通過食物鏈而濃集DDT通過食物鏈進入動物體后，使鈣代謝功能喪失，從而使鳥類蛋殼變薄，雌鳥孵卵時將蛋壓破，從而使禽類的數量減少危害消滅害蟲的同時，無選擇地將益蟲、益鳥和害蟲的天敵殺死如美國加利福尼亞州，由于濫用DDT，1967年有19%的蜜蜂被殺死，導致水果和蜂蜜急劇減產第42頁,共47頁，2024年2月25日，星期天43BIOMAGINIFICATIONOFDDT第43頁,共47頁，2024年2月25日，星期天44BIOMAGINIFICATIONOFDDT水體中的DTT濃度