Chapt-9-生物地球化學循環(huán)

1、第九章 生物地球化學循環(huán),1. 生物地化循環(huán) 2. 水循環(huán) 3. 碳循環(huán) 4. 氮循環(huán) 磷循環(huán) 6. 硫循環(huán),生物地球化學循環(huán)指元素的各種化合物在生物圈、水圈、大氣圈和巖石圈(包括土壤圈)各圈層之間的遷移和轉化。生物地球化學循環(huán)研究除了研究各圈層的各種物理、化學和生物過程外, 還研究包括它們的源、匯、通量、儲庫及模式。 在主要的生命元素中，H2O、C、N、P以及S與人類的關系最為密切，也是受人類活動影響最大的元素，因此關于它們的生物地球化學循環(huán)過程最為清楚。,1、生物地化循環(huán),1.1 概念,一個系統(tǒng)中主要的庫和通量共同構成了循環(huán)。,庫(pools)和通量(fluxes),一個面積為4英畝的池塘

2、生態(tài)系統(tǒng)中，庫與通量的模式圖, 物質不滅定律認為，化學方法可以改變物質的成分，但不能改變物質的量。 質能守恒定律認為，質量和能量作為一個統(tǒng)一體，其總量在任何過程中都保持不變的守恒。 質能守恒和物質不滅定律成為物質循環(huán)的理論基礎。,1.2 物質循環(huán)的理論基礎物質不滅定律和質能守恒定律, 生態(tài)系統(tǒng)中生命成分的生存和繁衍，除能量外，還必須從環(huán)境中得到生命活動所需要的各種營養(yǎng)物質。沒有外界物質的輸入，生命就停止，生態(tài)系統(tǒng)也將隨之解體。物質還是能量的載體，沒有物質，能量就會自由散失，也就不可能沿著食物鏈傳遞。所以，物質既是維持生命活動的結構基礎，也是貯存化學能的運載工具。 生態(tài)系統(tǒng)的能量流和物質流緊密聯(lián)

3、系，共同進行，維持著生態(tài)系統(tǒng)的生長發(fā)育和進化演替。,物質循環(huán)的動力來自能量； 物質是能量的載體，保證能量從一種形式轉變?yōu)榱硪环N形式。 因此，生態(tài)系統(tǒng)中的物質循環(huán)和能量流動是密切相關的。,物質循環(huán)和能量流動,1.3 全球生物地化循環(huán)的尺度單位,2) 地球上的水循環(huán)是巨大的物質和能量流動，是具有全球意義的能量傳輸過程。水循環(huán)通過對地表太陽輻射能的重新再分配，使不同緯度熱量收支不平衡的矛盾得到緩解。 (3) 水是地質變化的動因之一。水循環(huán)不斷塑造地表形態(tài)。 (4) 由于存在水循環(huán)，水才能周而復始地被重新利用，成為可再生資源。水循環(huán)的強弱和時空變化，是制約一個地區(qū)生態(tài)環(huán)境平衡和失調的關鍵。,2、水循環(huán)

4、,2.1 水循環(huán)的意義,水的形態(tài),太陽能驅動了全球水循環(huán)，在上升環(huán)和下降環(huán)的共同作用下，形成了全球的循環(huán)(Odum 1989),能源,工作門，表示兩個以上能的相互作用,熱槽，熱能耗散但不做功,2.2 能量驅動著水循環(huán):概念模型,數(shù)字表示庫含量(1000 km3) 和通量(1000 km3/a) (Schlesinger 1997) 。,海洋的蒸發(fā)量(425)超過其降水量(385)，被海洋蒸發(fā)的水分(40)被帶到了陸地上空，以降水方式落到地面，導致了陸地降水(111)超過蒸發(fā)(71)。它們最終又通過徑流回到到海洋 (40)，從而使海洋到陸地之間的水分輸運達到平衡。氣態(tài)水的庫(10)雖然小，但是其

5、流通率卻是巨大的。,2.3 全球水循環(huán)的庫和通量,全球水循環(huán)的庫存量(pool),不同人的估計有差異,水通過各個貯存庫的循環(huán)周期的長短因貯存庫的大小不同而有顯著差異。 冰川水的周轉期為8600年； 地下水的周轉期為5000年； 江河水11.4天； 氣態(tài)水的庫量雖然少，但其流 量卻是巨大的，因此周轉率很快，約為8-14天。 植物體內水分的周轉期最短，夏天為2-3天。,水循環(huán)的周轉率,植物體含水量雖小，但流經(jīng)植物體的水分數(shù)量卻是巨大的。 例如，水稻在生長盛期，每天每公頃大約吸收70噸水，其中大約5%用于維持原生質的功能和光合作用，95%以水蒸汽和水珠的形式，從葉片的氣孔中排出。 H. L. Pen

6、man估計，參與光合作用的水要比參與蒸騰作用的水少得多。如生產(chǎn)20噸鮮重的植物物質，在生長期間要從土壤中吸收2000噸的水，20噸鮮重中有5噸干物質，其余15噸為可蒸發(fā)水分。5噸干物質中有結合水3噸，僅相當于自土壤中吸收水分的0.15%。,2.4 生物體的水循環(huán),植物的分泌(如花蜜)過程損失水分,一些植物可以從濕潤空氣中吸收水分,風增加了水分的蒸發(fā)性喪失,植物獲得水分的主要通道是由根吸收土壤水分,蒸騰作用是植物消耗水分的主要途徑,動物損失水分主要是蒸發(fā),動物獲得水分主要靠食物和飲水,(1) 陸生植物或動物體的水分獲得和喪失途徑,水沿濃度梯度的的運動是局部水循環(huán)的動力。 水的梯度有： 水勢 滲透

7、壓 相對濕度變化 (蒸汽壓),量化土壤植物體中的水傳輸 水勢(Wiebe et al. 1970),(2) 植物體中的水傳輸,水勢:水的熱動力學狀態(tài),表示各種狀態(tài)的水與純水的自由能之差,植被的水分平衡, 植物可以通過改變葉面積大小來調節(jié)蒸騰的水分。 夏季降水的下滲通常都很淺，而冬季降水的下滲可以增加深層土壤的水分。 草本植物只能接近土壤表層的水，而木本植被的發(fā)達根系對深層和淺層的水都可吸收。,2.5 土壤植物大氣連續(xù)系統(tǒng)(Soil-Plant-Atmosphere Continuum ),水分經(jīng)由土壤到達植物根系，進入根系，通過細胞傳輸，進入植物莖，由植物木質部到達葉片，再由葉氣孔擴散到空氣層

8、，最后參與大氣的湍流交換，形成一個統(tǒng)一、動態(tài)的互反饋連續(xù)系統(tǒng)，即土壤一植物一大氣連續(xù)體(SPAC)系統(tǒng)。,澳大利亞著名水文學家Philip(1966)，提出了土壤一植物一大氣連續(xù)體(SPAC)的概念。主要內容是，,(1) 碳是組成生命體的重要元素，占動植物干重的30-50%以上，通過測量生產(chǎn)力、食物鏈和養(yǎng)分循環(huán)來建立碳(或能量)預算，對深化對生態(tài)系統(tǒng)及其應用的研究。 (2) 碳的氣體形式CO2是主要的溫室氣體，溫室氣體的人為排放嚴重影響了全球溫度，并將導致全球氣候變化，自工業(yè)革命以來，空氣中的CO2濃度已經(jīng)增加了近30%左右，并將持續(xù)增加。,3、碳循環(huán),3.1 研究碳循環(huán)的意義,工業(yè)革命以來，

9、大氣CO2濃度和溫度的變化,IPCC (2007)： 近代的氣候變暖與大氣中溫室氣體的濃度大幅度上升密切相關。CO2是最主要的溫室氣體，對氣候的穩(wěn)定起著關鍵的作用。因此，碳循環(huán)研究便成為定量評價氣候變化的一個重要科學基礎。,全球碳循環(huán) (Gt C/yr),含碳分子中，與生物地球化學循環(huán)密切相關的是CO2、甲烷和一氧化碳，它們也是重要的溫室氣體。其中CO2循環(huán)是核心。,大氣中的CO2 濃度按1.510-6/a 的速率增加，那么，大氣中的碳量每年增加3.4 Pg C。,3.2 碳庫,(1) 大氣中CO2量(大氣碳庫)的變化,在國際生物學計劃(IBP)期間，人們對各種類型的陸地和海洋生態(tài)系統(tǒng)的生物量

10、進行了大量的測定，不少人對這些結果進行了歸納和總結(如Leith Schroeder et al., 1997)。目前在構筑全球C循環(huán)模式時，陸地植被的C庫大多采用550 PgC(如IPCC, 1995)。,(2) 生物圈的生物量及生產(chǎn)力,它占全球陸地總碳庫的2/3-3/4，比全球陸地植被 和全球大氣的碳庫總量還要多。 土壤是全球碳循環(huán)的最重要的基本構成要素之一。 土壤碳庫的微小變化可以導致大氣CO2濃度的顯著變化，從而，導致對全球氣候的顯著影響。 土壤有機碳庫包括土壤有機質和地表凋落物量兩大部分。對全球土壤有機碳庫的估計。,(3)土壤有機碳庫,土壤是個巨大的有機碳庫，它在全球碳循環(huán)中的重要性

11、表現(xiàn)在下列3個方面：,Schlesinger (1977) 估計，全球土壤有機碳總量為1 456 PgC，其中地表凋落物量為55.2 PgC。目前在構建全球碳循環(huán)模型時，土壤C庫大都采用1 500 PgC。 Buringh (1984)根據(jù)全球土壤類型推算出全球各類土壤的平均碳密度，再估算出全球土壤總碳量為1477 PgC。 Post (1982)根據(jù)Holdridge 劃分的生命帶系統(tǒng)，分析得出全球土壤有機碳庫為1395 PgC。,在土壤碳庫估計值中包括了凋落物的量。凋落物在碳循環(huán)中起著極其重要的作用，但研究很少。根據(jù)全球各地測定的凋落物的觀測數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)森林凋落物的生成量(LF)隨著緯度(L

12、at)的增加而呈線性減少趨勢：,近年來，二氧化碳在全球的流通率也有了顯著的增加，其中主要的來源有： 化石燃料的排放 土地利用凈釋放 海洋吸收 在大氣中累積 未知的匯(missing sink),3.3 碳循環(huán)的碳通量(Flux),煤、石油、天然氣的燃燒和生產(chǎn)水泥等工業(yè)活動所導致的CO2釋放是大氣CO2 的主要來源。它們的量可以準確統(tǒng)計，80年代向大氣中釋放的量占全球人工排放量的78%左右(Schimel, 1995)。,1860年來，全球三個地區(qū)CO2 排放量已增加了 1000%. (Source: United Nations Environment Programme World Mete

13、orological Organization),自工業(yè)革命以來CO2的釋放,(1) 化石燃料燃燒,最大的二氧化碳排放國家是美國,中國的工業(yè)排放量,大量的CO2 釋放來自于土地利用過程中對土壤的干擾。從1850到2000年間大約155 Pg 是由于土地利用方式改變而釋放到大氣當中的, 世界范圍，每年釋放的量 隨時期而增加，在1990年代 釋放的速率約為 2 Pg C每年。,(2)土地利用凈釋放,土壤呼吸 土壤呼吸指土壤釋放CO2的過程，它所釋放的CO2是生物圈向大氣圈釋放CO2的主要來源之一，主要包括植物的根系吸收、微生物的分解作用和菌根的呼吸。 Raich & Schlesinger (19

14、92)對全球土壤的呼吸總量進行了溉算。按照他們的估計，通過土壤呼吸向全球土壤向大氣釋放的CO2量高達69 PgC/a。,熱帶雨林破壞導致的CO2釋放 面積巨大的熱帶雨林由于旺盛的光合作用和呼吸作用，能夠有效調節(jié)CO2和O2 在大氣圈-土壤圈-大氣圈之間的流動，維持其平衡。也正是這些強烈的生物學過程，使熱帶雨林具有極高的生物量。一旦其被破壞，積累的大量有機碳便迅速向大氣中排放，成為大氣人工源CO2的主要來源之一。對熱帶林的破壞主要體現(xiàn)在大規(guī)?？撤ツ静暮蛯⑸珠_墾成耕地。,從亞馬遜熱帶雨林砍伐的木材被源源不斷地運往日本,燒荒后的亞馬遜熱帶雨林,1970年代亞馬遜熱帶雨林遭到大規(guī)模破壞,美國國家海洋

15、與大氣署Sabine等在科學上發(fā)表研究報告稱：人類向大氣中排放的CO2，其中約一半被海洋吸收。,1989-1998年全球海洋中二氧化碳含量濃度的調查結果。其中最為嚴重的紅色區(qū)域主要集中在北大西洋海域。,大西洋海域二氧化碳濃度的垂直分布,(3) 海洋吸收,美國加州大學的科學家利用人造衛(wèi)星監(jiān)測海洋水面有機碳 (organic C) 的含量，希望幫助了解海洋對地球天氣的影響；從海洋表面反射光線的情形，科學家可以計算到水里的有機碳的含量。是人造衛(wèi)星拍攝到海洋表面有機碳的分布情形。,(4) 失匯,在全球碳平衡基礎上，考慮碳循環(huán)過程時，發(fā)現(xiàn)全球碳量處于明顯的不平衡。人們做了許多工作試圖找出這種未知的碳匯。

16、,考慮到氣候改變及其后果，我們會意識如何采用森林來減少大氣碳，而森林的確具有潛在的顯著減少大氣二氧化碳的能力，但引起氣候變化的主要因素以及人類急待改變的行為是以化石燃料作為能源的問題。,(R. Houghton，Woods Hole Research Center, 2004),3.4 全球碳循環(huán)模型,80年代的全球碳循環(huán)模式(Nakazawu, 1997) ： 大氣碳庫量由全球大氣監(jiān)測系統(tǒng)觀測到的實際濃度計算得出，其值為750 PgC。 陸地生物圈的總碳庫為2050 PgC，其中植被碳庫為550 PgC，土壤碳庫為1 500 PgC。,水圈中，生物體的有機碳庫僅為3 PgC，土壤碳庫為700

17、 PgC，海洋無機碳庫為39 120 PgC,其中海洋表層為1 020 PgC，深海為38 100 PgC。,植被光合作用每年固定的CO2約為100 PgC，其中50 PgC以呼吸形式又釋放到大氣中，剩下50PgC的有機物質以凋落物形式進入土壤，又以土壤呼吸形式釋放到大氣中。而受人類活動的影響，化石燃料每年向大氣凈釋放5.4 PgC，熱帶雨林破壞導致生物圈釋放1.6 PgC，共7.0 PgC 的凈排放。 水圈中，大氣和表層海洋每年進行90 PgC的碳交換，由表層海洋向中、深層海洋輸送100 PgC，其中無機形式90 PgC，有機碳10 PgC，同時，中層海洋以無機碳形式向表層輸送100PgC，

18、通過河流向海洋表層輸送0.8PgC，0.6PgC通過大氣返回陸地，剩下0.2PgC沉積在海底。另一方面，研究表明，海洋每年能凈吸收大氣中的CO2為2PgC(其中表層0.4PgC，深層1.6PgC)。,如此算來，人類活動凈釋放到大氣中的7.0PgC/a的CO2，有3.4PgC/a用于增加大氣CO2濃度，2.0PgC用于海洋吸收，剩下的1.6PgC則去向不明。這就是著名的失匯(missing sink)現(xiàn)象，在1970年代由Woodwell(1978)提出。 一些跡象表明，北半球的溫帶森林和北方森林的生長量有加快的趨勢，從而可以吸收更多的大氣CO2。CO2 濃度升高對其他植被類型的施肥效應也使陸地

19、植被凈吸收大氣中的CO2達11015g C/a (IPCC, 1995),3.5 中國的碳循環(huán)模型,一個草地生態(tài)系統(tǒng)的碳循環(huán)模型。,3.6 生態(tài)系統(tǒng)尺度的碳循環(huán),框內數(shù)字顯示土壤中不同形式的碳庫量(kg C/m2)，線邊數(shù)字表示流通率(kg C/m2/year)。,北京山地三種溫帶森林生態(tài)系統(tǒng)的碳循環(huán)。括號中的數(shù)值表示通量(t C/ha.yr)，其它的表示儲量(t C/ha),4、氮循環(huán),氮是氨基酸的組成元素，是一切生命的必需成分，常常制約著植物的凈第一性生產(chǎn)。,N主要存在于大氣中(占大氣78%)，大氣含氮3.91021 g ，是最大的N庫。大氣中N的主要存在形式有：N2，N2O，NH3，NO

20、及其反應生成物：,4.1 氮元素的各種存在形式,N2：通過固氮作用進入N循環(huán)； N2O：主要的溫室氣體之一，目前在大氣中濃度311ppm，年增長率0.3%；它在大氣中存留時間長達150年，可傳輸?shù)狡搅鲗訁⑴c破壞臭氧層。陸地土壤-植被系統(tǒng)釋放以及化石燃料燃燒和生物質燃燒是大氣N2O的主要排放源。 NH3：釋放源是固氮作用和化石燃料燃燒等工業(yè)活動，它易溶于降水或與大氣中酸類結合成NH4+。 NO及其反應生成物：NO一般是人為活動產(chǎn)生，可以氧化為NO2，NO2是光化學煙霧的重要來源。,主要存在形式,4.2 氮循環(huán)中的基本過程,大氣含N為3.91021 g N，是最大的N庫，陸地植被和土壤的N庫較小，

21、分別為3.5 Pg N和95-140 Pg N。 全球閃電固氮量為3 Tg N/a，生物固氮140 Tg N/a。人工固氮也是生物圈的主要氮源之一: 生物氮肥所固定的N約80 Tg N/a，化石燃料燃燒每年固定的N約20 Tg。,固定的這些氮素合計240 TgN/a。通過河流輸送，每年約36TgN從陸地進入海洋。如果假定陸地NPP為60 Pg C/a，NPP平均C/N比=50，得出陸地植物每年需N為1 200 TgN。 生物物質燃燒每年將固定的N以氮氣形式釋放到大氣的量可高達50 Tg N。,4.3 全球氮循環(huán)模型 (Schlesinger, 1997),在海洋系統(tǒng)中，每年海洋接受陸地傳輸?shù)腘

22、 36Tg，生物固氮量為15 Tg N/a，通過雨水接收30 Tg N/a，深海是個巨大的無機N庫，為570 Pg N。通過海洋的反硝化作用，每年110Tg的N素以氮氣形式釋放到大氣中。,4.4 一個森林系統(tǒng)中的N循環(huán), 陸地生物圈 土壤圈 沉積層 海洋生物圈 表層海洋 深層海洋。,5、磷循環(huán),5.1 Chameides & Perdus(1997)的全球循環(huán)模式,全球P循環(huán)是唯一幾乎沒有氣體參與的元素循環(huán)。,由6個P儲庫所組成：,由于P在地球中的含量為1%左右，地球總重為61015 Tg，那么，地球上的P總量為但這些P絕大部分存在于地幔和地核中，實際只有很少參與P循環(huán)。 沉積層和土壤、海洋和生物圈中的磷庫為2109Tg。全球土壤總量為2108Tg，而P在地殼含量為0.1%，那么土壤圈中的P庫為2105Tg。陸地生物圈總量為8.3105Tg C，按陸地生物體平均P:C(1:830)，陸地生物體中P庫為：,5.2 全球磷循環(huán)庫,海洋生物體的P庫也可以用類似方法求得，即，海洋總生物量1 800