第11章、生態(tài)系統(tǒng)中的物流

1、l第一節(jié) 生態(tài)系統(tǒng)物流的一般特點(diǎn)l一生命與元素l自然界包含著許多生命活動所必需的無機(jī)和有機(jī)物質(zhì)，其中包括20多種必要元素。l最重要的元素：碳、氧、氫、氮和磷，占全部原生質(zhì)的97%以上。l大量營養(yǎng)元素（macronutrient）：鈣、鎂、鉀、硫、鈉 l微量元素（micronutrient)：銅、鋅、硼、錳、鉬l植物必需營養(yǎng)元素的功能l物質(zhì)在生態(tài)系統(tǒng)中不是靜止不動的，而是沿著不同的途徑在不同的生態(tài)組分之間發(fā)生著固定、吸收、釋放、遷移、轉(zhuǎn)化、并最終返回到環(huán)境中。l生物地球化學(xué)循環(huán)（biogeochemical cycle）：由于生態(tài)系統(tǒng)的生物質(zhì)循環(huán)是在地球上的生物與非生物之間，通過化學(xué)形態(tài)的轉(zhuǎn)換與

2、運(yùn)轉(zhuǎn)，故又稱為生物地球化學(xué)循環(huán)。l物質(zhì)循環(huán)（cycle of material）在生態(tài)系統(tǒng)中是時刻進(jìn)行的，并與能量流動緊密結(jié)合在一起，它們把各個組分有機(jī)地結(jié)合在一起，共同構(gòu)成了極其復(fù)雜的能量流和物質(zhì)流網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，從而維持了生態(tài)系統(tǒng)的持續(xù)存在。l 1庫（pool）l物質(zhì)在運(yùn)動過程中被暫時固定、貯存的場所稱為庫。生態(tài)系統(tǒng)中：植物庫、動物庫、大氣庫、土壤庫和水體庫。l源（source）：是產(chǎn)生和釋放物質(zhì)的庫l匯（sink）：是吸收和固定物質(zhì)的庫 源：產(chǎn)生或釋放庫匯： 吸收或固定庫流動l在 生 物 地 球 化 學(xué) 循 環(huán) 中 ： 貯 存 庫（reservoir pool）其容積較大，物質(zhì)交換活動緩慢，一

3、般為非生物成分的環(huán)境庫；交換庫（exchange pool）其容積較小，與外界物質(zhì)交換活躍，一般為生物成分。l 2物質(zhì)流（flow）：物質(zhì)在庫與庫之間的轉(zhuǎn)移運(yùn)行稱為流l 3生物量與現(xiàn)存量l生物量（biomass）：在某一特定觀察時刻，單位面積或體積內(nèi)存積存的有機(jī)物質(zhì)總量。l生物量又稱為現(xiàn)存量（standing crop）生產(chǎn)者100u沉積層5000u消費(fèi)者50u水體1000u16u/d4u/d4u/d20u/d20u/d一個面積為1.62公頃的池塘系統(tǒng)中p的庫與流通率模式圖。l 1生物地球化學(xué)循環(huán)l生物地球化學(xué)循環(huán)：地質(zhì)大循環(huán)和生物小循環(huán)l地質(zhì)大循環(huán)：是指物質(zhì)或元素經(jīng)生物體的吸收作用，從環(huán)境進(jìn)

4、入生物有機(jī)體內(nèi)，然后生物有機(jī)體以死體、殘體或排池物形式將物質(zhì)或元素返回環(huán)境，進(jìn)入五大圈的循環(huán)。l五大自然圈：大氣圈、水圈、巖石圈、土壤圈和生物圈。l地質(zhì)大循環(huán)：范圍大、周期長和影響面廣。l生物小循環(huán)：是指環(huán)境中元素經(jīng)生物吸收，在生態(tài)系統(tǒng)中被相繼利用，然后經(jīng)過分解者的作用，回到環(huán)境后，再為生產(chǎn)者吸收、利用循環(huán)過程。l圖71l2. 物質(zhì)循環(huán)的幾種基本類型 l 水循環(huán)l 氣體循環(huán)：c、h、o、nl 沉積物循環(huán)：p、s、i、k、na、cal一全球水分循環(huán)l在自然界中，水以固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)形式分布于水圈、大氣圈、巖石圈、土壤圈和生物圈中。l地球上的總水量？l1970年國際水文學(xué)會統(tǒng)一了大致的數(shù)據(jù)：l總水

5、量：1.4109km3l 大氣圈地表徑流（0.37)降水（4.12）降水（1.08）蒸發(fā)（0.71)蒸發(fā)（4.49)陸地海洋水的全球循環(huán)和水的分布(1017 kg總水量：1.4109km3=140000 tt(億噸）海洋 （97%）1.358*109km3=135800tt冰川冰蓋 29000tt 地下水： 8000tt 湖泊河流：100tt土壤濕氣：100tt 空氣中水蒸汽：13tt 生物體：1ttl l海洋、大氣和陸地的水在自身位能、太陽能、氣象因子、生態(tài)環(huán)境以及人類活動的耦合作用下，進(jìn)行著連續(xù)的大規(guī)模的交換，使自然界中的水形成了一個隨時間、空間變化的復(fù)雜的動態(tài)系統(tǒng)水分循環(huán)。 l由于太陽輻

6、射，海面和陸地每年約有488000 km3水分蒸發(fā)到空中。l據(jù)估計，大氣中的全部水量9d即可更新一次l河流：1020d，l土壤：280dl淡水湖：1100年，l地下水：300年l海洋：37000年。l二人類對水循環(huán)的干擾l 植被破壞l 圍湖造田以及排干沼澤、冬水田、低濕地等l 興建大型的截流、蓄水、引水、灌溉工程l 過度開采地表和地下貯水l三我國水資源分布特點(diǎn)及在開發(fā)利用方面存在的問題l特點(diǎn)：東南多、西北少，由東南沿海地區(qū)向西北內(nèi)陸地區(qū)遞減，分布極不均勻。全國有50%的國土處在降雨量少于400mm的干旱、半干旱少水地帶，這一地帶生態(tài)環(huán)境脆弱，屬于生態(tài)脆弱帶，水是主要的限制因子。l問題：l現(xiàn)有的

7、水利設(shè)施不能適應(yīng)現(xiàn)代化建設(shè)的需要。l現(xiàn)有的水利工程及渠子配套等遺留問題較多。l水體污染日趨嚴(yán)重。全國每天污水排放量為7500萬噸。l地下水的超采嚴(yán)重。l四生態(tài)系統(tǒng)的水分管理l 1植樹造林，發(fā)揮“綠色水庫”作用，擴(kuò)大土壤的水分庫容。l2加強(qiáng)農(nóng)田水利基本建設(shè)，提高水分利用率。l3.改變耕作制度與管理方式，發(fā)展節(jié)水農(nóng)業(yè)。 l4防治水體污染。l5加強(qiáng)全流域水資源保護(hù)與統(tǒng)一調(diào)度。l一自然界的碳循環(huán)l碳的來源是二氧化碳l生物圈的碳循環(huán)主要是指植物通過光合作用將co2轉(zhuǎn)變成機(jī)物（糖類、蛋白質(zhì)及類脂化合物等），并通過食物鏈在生態(tài)系統(tǒng)中傳遞，被植物和動物所消耗，最終通過呼吸作用、發(fā)酵作用和燃燒又使碳以co2形式

8、返回大氣中，再加入上述循環(huán)的全部過程。 lc素的生物地球化學(xué)循環(huán)( 氣體型循環(huán)) numbers are storage as 1015 g (109 t) or fluxes as 1015 g (109 t) per year (data from schlesinger 1991)l1. 在光合作用和呼吸作用之間的細(xì)胞水平上循環(huán)；l2. 大氣co2和植物體之間的個體水平上的循環(huán)；l 3. 大氣co2植物動物微生物之間的食物鏈水平上的循環(huán)。l碳主要貯藏在大氣、生物體、土壤和水圈及巖石圈幾個庫中。l在生物圈中，綠色植物的光合作用是推動碳循環(huán)的主要動力，有些微生物的化能合成也能推動碳循環(huán)，但其

9、作用甚微。研究表明，后者的作用只有前者的1%。l存在于自然界中的碳是大量的，也是多種多樣的。以co2形態(tài)存在于大氣中的碳達(dá)71011t，以碳?xì)淙剂现Q的煤和石油中含碳11013t ，以上千種碳化合物形態(tài)存在于植物體中的碳達(dá)81011t，但只有co2形態(tài)的碳才能被植物吸收和利用，才能進(jìn)入碳循環(huán)。l在漫長的地球演變過程中，和其他元素的循環(huán)一樣，碳循環(huán)并不是有規(guī)律地進(jìn)行，有時會出現(xiàn)停滯現(xiàn)象。例如，成煤期就有大量的碳被封存在地下煤層中，以石油形態(tài)的碳長期被禁錮在地殼內(nèi)，從而造成了碳循環(huán)的部分阻塞。l但是根據(jù)近期的觀測統(tǒng)計表明，近100年來，大氣中的co2含量一直在不斷上升，在大氣這種環(huán)節(jié)上出現(xiàn)了碳的堆

10、積和碳循環(huán)的堵塞。由于這次堵塞的特點(diǎn)出現(xiàn)在大氣這個環(huán)節(jié)上，形成堵塞時間較短，加之現(xiàn)代地球上的人口眾多，經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)，因而其危害更加嚴(yán)重。 l1 光合作用和呼吸作用： 光合：850億噸/年，l2 海洋-大氣交換：l3 碳酸鹽的沉積和溶解：lcaco3（不可溶）+h2o +co2 ca2+ +2hco3 （可溶）大氣（640gt） 陸地植物同化35gt海洋+地表水84gtl二氧化碳、甲烷等全體的含量正以前所未有的速度增加，進(jìn)而導(dǎo)致全球范圍的氣候變化。l全球變化（global change）是指由于人類活動排放溫室氣體而產(chǎn)生溫室效應(yīng)導(dǎo)致全球氣候變暖，降水量增加、海平面上升，并由此而產(chǎn)生一系列生態(tài)和環(huán)境變

11、化的總稱。l二氧化碳濃度增加的原因：l19世紀(jì)到20世紀(jì)初主要是砍伐森林l20世紀(jì)以來又加上燃燒礦物燃料，如煤、石油及天然氣。l數(shù)據(jù)：從公元10001800年間大氣中二氧化碳的濃度是相當(dāng)穩(wěn)定的，大約變化于270290ul/l之間，平均值為280ul/l。l由于自然植被與未開發(fā)森林的含碳量比農(nóng)用地大20100倍，從18501986年的100多年的時間里，估計反此一個因素就向大氣排放了11535gt（1gt=10億t）的碳，現(xiàn)在每年的排放量約1.91.1gt碳。l陸地生態(tài)系統(tǒng)貯存的總碳量中大約99.9%的碳存在于植物體中，動物體內(nèi)貯存的碳僅占0.1%。l根據(jù)有關(guān)估算，在18501950年間，由于人

12、類的活動而排入 大 氣 中 的 碳 達(dá)1.81011t ，其中1/3來自化石燃料的燃燒，其余2/3則來源植被的破壞，特別是森林破壞的結(jié)果。l但20世紀(jì)以來，由于礦物燃料的消耗迅速增大，向大氣中排放的碳，在第一次世界大戰(zhàn)前已達(dá)0.80.9 gt，第二次世界大戰(zhàn)前為1.5 gt，目前達(dá)5.70.1gt。l大氣中二氧化碳濃度年增長達(dá)1.6 ul/l。l甲烷（ch4）俗稱沼氣，其濃度在溫室外氣體中占第二位。其增長與世界人口的增長有非常大的相關(guān)。l 19世紀(jì)之前大約不超過0.8 ul/l。l 19世紀(jì)末增加到0.9 ul/l。l從1978年開始有正式觀測，濃度為1.51 ul/l。l目前已達(dá)1.72 u

13、l/l。l即大氣中含4900tg（1tg=1012g）的甲烷l即每年向大氣中排放4048tg，年增量0.8%1.0%。l估計到2030年濃度達(dá)2.34 ul/l。l 2050年可達(dá)2.5 ul/l。l大氣中氮的含量為79%，總貯量約為38106億t，但不能為大多數(shù)植物直接利用。只有通過固氮菌和藍(lán)綠藻等生物固氮，閃電和宇宙線的固氮，以及工業(yè)固氮的途徑，形成硝酸鹽或氨的化合物形態(tài)，才能為多數(shù)植物和微生物吸收利用。l氮循環(huán)示意圖大氣中的(3) 固氮作用：細(xì)菌藍(lán)藻雷電等反硝化作用硝酸鹽食物鏈氨排泄物(1)氨化作用植物硝化作用(2)l一個湖泊生態(tài)系統(tǒng)（sycamore creek, arizona 美國

14、亞利桑那)的氮循環(huán)ln 素的生物地球化學(xué)循環(huán)， * 109g ，千噸l全球的氮循環(huán)l全球氮循環(huán)的主體存在于土壤和植物之間。 l據(jù)rosswall估算，在全球陸地生態(tài)系統(tǒng)中，氮素總流量的95%在植物微生物土壤系統(tǒng)中進(jìn)行，只有5%在該系統(tǒng)與大氣圈之間流動。 l全球陸地生態(tài)系統(tǒng)各組分的氮素平均周轉(zhuǎn)速率，植物，4.9年；枯枝落葉，1.1年； 土壤微生物，0.09年；土壤有機(jī)質(zhì)，1.77年；土壤無機(jī)氮，0.53年。l 固氮作用l閃電和宇宙線的固氮， 大約8.9kg/hm2al工業(yè)固氮，已達(dá)1108tl生物固氮，大約100-200kg/hm2a，大約占地球固氮的90%。l 氨化作用：由氨化細(xì)菌和真菌的作用

15、將有機(jī)氮分解成氨和氨化合物，氨溶與水即成為nh4+，可為植物所直接利用。l硝化作用：在通氣情況良好的土壤中，氨化合物被亞硝酸鹽細(xì)菌和硝酸鹽細(xì)菌氧化為亞硝酸鹽，供植物吸收利用。l反硝化作用：也稱脫氮作用，反硝化細(xì)菌將亞硝酸鹽轉(zhuǎn)變成大氣氮，回到大氣庫中。l因此，在自然生態(tài)系統(tǒng)中，一方面通過各種固氮作用使氮素進(jìn)入物質(zhì)循環(huán)，而通過反硝化作用、淋溶沉積等作用使氮素不斷重返大氣，從而使氮的循環(huán)處于一種平衡狀態(tài)。l一、自然界中的磷循環(huán) l磷溶于水而不揮發(fā)，在生態(tài)系統(tǒng)中屬于典型的沉積型循環(huán)。 l磷以地殼作為主要貯藏庫。 l含磷的有機(jī)物沿兩條循環(huán)支路循環(huán)：一是沿生物鏈傳遞，并以糞便、殘體的形式歸還土壤；另一種是

16、以枯枝落葉、秸稈歸還土壤。l湖泊生態(tài)系統(tǒng)中磷的循環(huán).梭子魚鯉科小魚水蚤類l磷循環(huán)示意圖磷酸鹽巖溶解磷酸鹽開礦風(fēng)化沉積植物動物磷酸鹽化細(xì)菌生物小循環(huán) 磷的生物地球化學(xué)循環(huán) ( 沉積型循環(huán)), * 109g 千噸l各種磷的有機(jī)化合物經(jīng)過土壤微生物的分解，轉(zhuǎn)變?yōu)榭扇苄缘牧姿猁}，再次供給植物吸收利用，這是磷的生物小循環(huán)。l在生物小循環(huán)過程中，一部分磷脫離生物小循環(huán)進(jìn)入地質(zhì)大循環(huán)：一是動植物遺體在陸地表面的磷化礦化；另一種是磷受水的沖蝕進(jìn)入江河，流入海洋。 l據(jù)統(tǒng)計，每年全世界由大陸流入海洋的磷酸鹽大約10萬t 。l全球規(guī)模的磷循環(huán)如圖 l全球各圈層中磷的分布如表 l （1）人類對磷礦資源的開采與消耗l

17、據(jù)統(tǒng)計，從1935年至1990年間，磷礦總開采量達(dá)3.79109t，相當(dāng)于5108t磷。1990年全球磷礦開采量為1.8108t，相當(dāng)于2107t磷。按這一速度，地球上的磷礦可開采750年。l （2）磷肥的施用與流失l (3)家庭污水、工業(yè)廢水、尤其是農(nóng)業(yè)徑流所攜帶的大量n、p等營養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)入水體后，易造成水體的富營養(yǎng)化、赤潮等環(huán)境問題。l水體富營養(yǎng)化（eutrophication）的發(fā)生過程是，隨著水中營養(yǎng)物質(zhì)（n，p等）含量的增加，導(dǎo)致水生植物（主要是藻類）的急劇、過量生長，水生植物的大量繁殖和死亡后的分解，降低了水中溶解氧含量，從而形成厭氣條件，嚴(yán)重影響魚類的生存，乃至魚類大量死亡。隨著富

18、營養(yǎng)化的發(fā)展，藻類的種類逐漸減少，尤以硅藻和綠藻為主，轉(zhuǎn)而為以藍(lán)藻為優(yōu)勢種，這種藻類的分解往往具有毒性，并給水體帶來不良的氣味。l赤潮（red tide），又名紅潮，是由海水中某些浮游植物、原生動物或細(xì)菌在一定環(huán)境條件下，短時間內(nèi)突發(fā)性增殖或富集而引起的一種水體變色的生態(tài)異?，F(xiàn)象。l赤潮在20世紀(jì)60年代以前屬于罕見事件，平均約五六年才發(fā)生一次，70年代大約每兩年1次，80年代增至每年4次。自1980年以來，我國海域共發(fā)生赤潮幾百余次。l水體富營養(yǎng)化起關(guān)鍵作用的營養(yǎng)元素是氮和磷，由于大多數(shù)水體磷是藻類的繁殖限制因子，故磷的作用大于氮。l硫在地殼中含量較高，是第十大元素l硫的重要貯存庫是巖石圈，但它也在大氣圈中停留和運(yùn)行。 l硫的來源除了沉積巖的風(fēng)化外，還是化石原料（煤、石油等）的燃燒，火山噴發(fā)和有機(jī)物的分解。l硫酸鹽 亞硫酸鹽有機(jī)硫植物和微生物還原反應(yīng)硫化物（h2s，fes）脫硫作用（厭氧）元素硫（s）光合自養(yǎng)細(xì)菌化能自養(yǎng)細(xì)菌l 1人類活動對硫平衡的影響l人類活動對硫平衡最突出的影響就在人類活動導(dǎo)致酸性物質(zhì)so2的大量排放。l a. 燃煤：煤中含s量一般在0.5%5%之間，我國南方煤含s量在3%5%之間，屬于高硫煤。