淡水生態(tài)-復(fù)習(xí)

1、1淡水生態(tài)學(xué)Freshwater ecology劉正文，張修峰E-mail: ; 電話：85225798二一四年六月2什么是湖沼學(xué)？What is Limnology? 廣義地說湖沼學(xué)（Limnology）是研究內(nèi)陸水體的科學(xué)（Study of inland waters)。 對象包括湖泊（淡水、咸水）、水庫、河流、濕地、地下水等。3 淡水生態(tài)學(xué)淡水生態(tài)學(xué)Freshwater ecology is the study of the structure, function, and change of organisms in fresh waters as affected by their

2、dynamic physical, chemical, and biotic environments. Saline waters ( 3 or 3 g per liter) are excluded from this definition. 淡水生物學(xué)淡水生物學(xué)Freshwater biology is the study of the biological characteristics and interactions of organisms of fresh waters. This study is largely restricted to the organisms the

3、mselves, such as their biology, life histories, populations, or communities.4l濕地：1972年18個國家的代表在伊朗RAMSAR簽署了一項(xiàng)關(guān)于特別是作為水禽棲息地的國際重要濕地公約：天然或人工、長久或暫時之沼澤地、濕原、泥炭地、或水域地帶，帶有靜止或流動、或?yàn)榈?、半咸水或?yàn)橄趟乃w，包括低潮時水深不超過6米的水域。5湖泊類型與起源l 構(gòu)造湖l 火山口湖l 河成湖l 牛軛湖l 堰塞湖l 冰川湖l 巖溶湖l 海成湖l 風(fēng)成湖l 人工湖l 動物活動所形成的湖l 隕石湖6湖泊分區(qū)湖泊分區(qū)沿岸帶敞水帶真光層 透光層沉水植物

4、浮葉植物挺水植物底棲帶湖沼帶湖沼帶7LengthWidth Length and width8岸發(fā)展系數(shù)Shoreline development (DL)l 岸發(fā)展系數(shù):岸線長與相同面積圓形湖泊岸線長之比9The drainage basin 流域：指流向同一個湖泊或河流的陸地面積和水面面積的匯水區(qū)域。10 Photosynthetically active radiation (PAR), i.e., radiant energy between 400 700 nm wavelengths. Chlorophyll a, the main P/S pigment, has absorpt

5、ion peaks at 445 660 nm. PAR accounts for about 46-49% of the total energy hitting the earths surface. 11光在水中的傳播 Light penetration in waterThe percentage of the surface light absorbed or scattered in a 1m long vertical column of water, is called the vertical extinction coefficient. This parameter is

6、 symbolized by k.low k-values, light penetrates deeper than in those with high k-values. 12透明度透明度Transparency l Transparency :Depth to which visible light penetratesl 透明度透明度: :可見光能夠穿透的水體深度13l Compensation Depth：depth at which incident light is reduced to about 1% so P/S = respiration. l 補(bǔ)償深度：當(dāng)入射光減弱到

7、大致只有水面光照強(qiáng)度1%左右時，此處的光合作用與呼吸消耗相等時的深度。 14溫帶深水湖泊夏季熱分層現(xiàn)象湖上層躍溫層湖下層15Lake stratification and seasonal turnover 16l 高緯度深水湖泊，由于水的特性，湖底部的水通常是4。l 春季到來時，氣溫逐步升高，湖泊表面的冰會融化，并逐步升高溫度，當(dāng)表層的水溫與底部的水溫相等時，在風(fēng)的擾動下，就可發(fā)生湖泊水體翻轉(zhuǎn)（turnover）現(xiàn)象；l 夏季的到來，溫度逐步回升，表層的水持續(xù)吸收熱量并提高溫度，與此同時，表層水的密度變得越來越小，以致最終與下層溫度低、密度大的水體形成分層；l 秋季到來時，溫度不斷降低，當(dāng)表

8、層的水溫度降低至與底部的水相同溫度時，風(fēng)的微弱擾動便可將湖泊水體發(fā)生翻轉(zhuǎn)；l 冬季到來時，溫度逐漸降低，湖泊表層的水當(dāng)降低到0以下時，就會結(jié)冰，從而阻擋了風(fēng)的擾動，而靠近冰層的水體的溫度比下部水體的溫度常較低，因此，其密度也較底部水體的密度小，因此形成冬季的水體溫度分層現(xiàn)象。17l 生態(tài)學(xué)意義：l 湖泊周期性的分層和混合有助于將湖泊表層的溶解氧向下輸送，從而有利于湖泊底部水生物的生存;l 根據(jù)Fe-P相互作用原理，當(dāng)湖泊水體混合時在湖泊下層水體溶解氧的提高，有利于降Fe2+氧化成Fe3+，而Fe3+可同PO43- 結(jié)合，從而將PO43-離開水體；反之，將有利于將Fe3+還原成Fe2+而將PO4

9、3-釋放出來；l 再者，有利于將湖泊表層和底層水中的熱量和物質(zhì)進(jìn)行交換。18Fe-P相互作用 Fe-P interactions Under oxygenated conditions (e.g., in the epilimnion or at overturn) ferrous (Fe2+) is oxidized to ferric (Fe3+). Fe3+forms Fe(OH)3 or FePO4 if phosphate is present.19PO43-PO43-Fe+Fe(OH)3PO43-Dissolved iron (Fe3+) in the water and sedi

10、ments can bind to P and create an insoluble precipitateCalled the “iron trap”, and happens only when the hypolimnion contains oxygenPP95%PO43%20As the hypolimnion becomes anoxic, Fe+ gains an electron and is reduced to Fe+Fe+Fe+Fe(OH)3Fe+ forms soluble salts with PO4 Fe+Fe(OH)2Under anoxic condition

11、s get net flux of P out of the sedimentsPO43-PO43-This is called internal loading and increases P concentrations in the water column at turnover21水的特性 Characteristics of waterl熱容量熱容量Specific heatlThe amount of heat required to raise temperature of a unit mass of a substance 1. lFor water is 4.2J/g/

12、22l Reynolds Number(雷諾數(shù)), Re, is used to determine if flow is laminar or turbulent in a tube. l Re 1,000 flow is turbulent. 23河水流 River Currents24l 3 types of inflow movement: l Overflow - river water is less dense than lake water and so stays at the surface, l Underflow - river water density is gre

13、ater than lake water and so flows along the bottom, e.g., spring melt runoff. l Interflow - river water density is greater than epilimnion but less than meta- or hypolimnion. 25l 溶解氧（DO）Dissolved Oxygenl 溶解于水中的分子態(tài)氧 mg/Ll 化學(xué)需氧量（COD）Chemical Oxygen Demandl 氧化水中有機(jī)物氧化水中有機(jī)物(或其它還原性物質(zhì)或其它還原性物質(zhì))所需化學(xué)氧化劑的量，所需化

14、學(xué)氧化劑的量，以以mgO2/L計計幾個重要指標(biāo)26l 好氣條件下水中有機(jī)物被微生物所氧化，在一定期間內(nèi)所消耗的溶解氧的量，單位 mg/L， BOD5稱五日生化耗氧量。生化需氧量(BOD) Biochemical oxygen demand總需氧量（TOD）Total Oxygen Demandl 水中有機(jī)物完全氧化所需氧的量（燃燒法），單位是mg/L。 27Solubility of Oxygen in Water 氧氣的溶解度l 一定條件下，氣體在水中的溶解達(dá)到平衡后，一定量的水中溶解氣體的量，稱為該氣體在指定條件下的溶解度。單位：mg/L28氣體溶解度影響因素 取決于氣體本身的化學(xué)性質(zhì)。

15、受溫度、含鹽量、氣體分壓的影響。29水中氧氣的來源與消耗l 水中氧氣的來源：l空氣溶解l光合作用30水中氧氣的消耗 魚蝦等生物呼吸 水中微型生物耗氧 底泥耗氧 逸出31l 水中微型生物耗氧包括浮游動物、浮游植物、細(xì)菌呼吸耗氧以及有機(jī)物在細(xì)菌參與下的分解耗氧。l 底泥耗氧包括底棲生物呼吸耗氧、有機(jī)物分解耗氧、還原態(tài)無機(jī)物化學(xué)氧化耗氧。l 當(dāng)表層水中溶氧過飽和時，發(fā)生氧氣逸出。32l But hold the two atoms in gaseous nitrogen together, and few organisms can break them. N N2 2 分子含分子含3 3個共價鍵，

16、個共價鍵，很少生物能利用。很少生物能利用。l Only certain bacteria, lightning, and volcanic action can convert N2 into forms that enter food webs. For this reason, nitrogen is often a in ecosystems. 細(xì)菌、閃電、火山活動能將細(xì)菌、閃電、火山活動能將N N2 2轉(zhuǎn)化轉(zhuǎn)化為生物可利用的形式為生物可利用的形式。1 固氮作用天然固氮包括生物固氮和高能固氮：生物固氮量（140*1012gN/a）遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于閃電、閃電、火山活動等的高能固氮量（3*1012g

17、N/a） 。33l Ammonification:蛋白質(zhì)通過水解降解為氨基酸,然后氨基酸中的碳(不是氮)被氧化而釋放出氨(NH3)的過程。2、氨化作用蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)NH3氨化作用343、硝化作用l 氨的氧化過程：氨的氧化過程：l第一步：硝化菌把氨（或銨）轉(zhuǎn)化成第一步：硝化菌把氨（或銨）轉(zhuǎn)化成NONO2 2- -l第二步：硝化菌把第二步：硝化菌把NONO2 2- - 氧化成氧化成NONO3 3- - NO2-NH3,NH4+NO3-亞硝化細(xì)菌亞硝化細(xì)菌硝化細(xì)菌硝化細(xì)菌35lSome nitrogen is lost to the air by denitrification. Here, bact

18、eria convert nitrate or nitrite to gaseous nitrogen and a bit of nitrous oxide.4、反硝化作用NO2-NO3-NO N2O NO2-N2 第一步：反硝化菌把硝酸鹽還原為亞硝酸鹽，釋放出NO；第二步：反硝化菌把亞硝酸鹽進(jìn)一步還原成N2O和N2；N2O（笑氣）與2個全球變化過程相關(guān)：在同溫層與氧反應(yīng)，破壞臭氧，增加大氣中的紫外輻射；在對流層作為溫室氣體，促進(jìn)氣候變暖。36l Limiting Factors: factors that alter the rate of supply of metabolites or

19、removal of waste products, e.g., P or N. l 限制性因子:對生物生長、發(fā)育、繁殖、數(shù)量和分布起到限制作用的關(guān)鍵性因子37Redfield 比 A. C. Redfield (1958) 通過研究海洋浮游植物發(fā)現(xiàn)的。116106PNC磷往往是淡水生態(tài)系統(tǒng)的限制因子38浮游植物浮游植物 phytoplanktonl生態(tài)學(xué)概念，是指在水中營浮游生活的微小植物，通生態(tài)學(xué)概念，是指在水中營浮游生活的微小植物，通常就是指浮游藻類。常就是指浮游藻類。39l 有些種類在小水體和淺水湖泊中常大量繁殖，使水體呈現(xiàn)色彩，這一現(xiàn)象稱為“水華”(water bloom)。l 有些

20、藻類在海水中大量繁殖，形成“赤潮”（red tide）40藍(lán)藻一般喜高溫好強(qiáng)光，喜高藍(lán)藻一般喜高溫好強(qiáng)光，喜高pHpH和靜水，喜低氮高磷。和靜水，喜低氮高磷。水平分布下風(fēng)位多于上風(fēng)位，靜水易孳生水平分布下風(fēng)位多于上風(fēng)位，靜水易孳生41二、大型水生植物的生態(tài)作用二、大型水生植物的生態(tài)作用l1.初級生產(chǎn)者：物質(zhì)循環(huán)、能量流動、信息傳遞l2.原材料l3.增加溶解氧功能l4.豐富餌料資源l5.提供棲息地l6.防風(fēng)固堤防侵蝕l7.水文功能l8.消光作用l9.改變溫度作用l10.促沉降、防止再懸浮l11.凈化作用l12.化感作用l13.景觀美學(xué)教育l14.小氣候調(diào)節(jié)功能l15.生物多樣性和生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性4

21、2化感作用l 植物和微生物通過釋放化學(xué)物質(zhì)促進(jìn)或抑制其他個體或自體的現(xiàn)象.43浮游動物浮游動物44浮游動物的生態(tài)功能l主要消費(fèi)者之一，個體小，數(shù)量多，代謝活動強(qiáng)烈，主要為草食性動物，以浮游植物、細(xì)菌、碎屑等為食，控制著藻類和細(xì)菌的種群數(shù)量和群落結(jié)構(gòu)；l可將浮游植物轉(zhuǎn)化成次級生產(chǎn)；l承上啟下的作用；l通過排泄和分泌作用，參與水生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)；其排放的營養(yǎng)鹽可強(qiáng)烈影響著水生態(tài)系統(tǒng)食物網(wǎng)中營養(yǎng)級動態(tài)。l總之,種群動態(tài)變化和生產(chǎn)力的高低:決定著水生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu),功能,生態(tài)過程;維持生態(tài)系統(tǒng)的平衡；45底棲效應(yīng)l 1.通過對營養(yǎng)物質(zhì)的吸收、轉(zhuǎn)化、降解、排泄等過程參與生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán);l 2.影響著水

22、體對污染物的容納量和自凈能力;l 3.限制著浮游植物的生長; l 4.通過攝食細(xì)菌和真菌而調(diào)整水體中有機(jī)物的分解。l 5.生物擾動者：進(jìn)行有機(jī)物、顆粒物和微生物的混合并重新分配到水體或底泥深處46l 6.有可能通過食物鏈向上傳遞，產(chǎn)生生物放大效應(yīng)。l 7.調(diào)整著沉積物表層溶解氧的含量；l 8.次級生產(chǎn)者：水生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)、能量流動的中間環(huán)節(jié)；l 9.粉碎者：能破碎有機(jī)物質(zhì)，增大其表面積，為下一步的腐爛、分解做好準(zhǔn)備;l 10.自然界的濾水器：尤其是雙殼類和螺類能通過濾食和分泌物絮凝作用控制和沉降浮游植物和懸浮物，增加水體透明度，降低營養(yǎng)鹽含量等；l 12.水生態(tài)環(huán)境質(zhì)量優(yōu)劣的重要表征l 13對維

23、持生態(tài)系統(tǒng)平衡具有重要作用47淡水魚類淡水魚類Fish in freshwater終生生活在水里、用鰓呼吸、用鰭游泳的脊椎動物48Of the migratory species （洄游種類）there are two general types of migration: Anadromous （溯河）- fish feed and grow in the oceans and migrate into freshwater to spawn, 如中華鱘. Catadromous （降河）- fish feed and grow in freshwater and migrate into

24、the ocean to spawn, 如鰻魚. 49Potential Top-down effects on food chainsLow Secchi O2 stress high pH ?Low PredatorsHIGH PlanktivoresLow ZoopsHIGH AlgaeHIGH PredatorsLow PlanktivoresHIGH ZoopsLow AlgaeHigher Secchi less O2 stress lower pH ?Smaller Zoops less grazing=Larger Zoops more grazing=50酸沉降對水生態(tài)系統(tǒng)的影響 酸雨 酸雨對水生態(tài)系統(tǒng)的影響 酸雨類型轉(zhuǎn)化及對水生態(tài)系統(tǒng)的影響51 酸雨：是指pH5.6的酸性降水（包括雨、雪、霜、雹等） 酸沉降: 濕沉降 干沉降52酸雨常用表示方法 1、強(qiáng)度 2、頻率53 How to prevent acid rain?54Preventative Measures Reduction in emission Restore the damage environment55Liming of a Lake in SwedenTero Niemi / Naturbild56水體富營養(yǎng)化1、概念2、影響(危害)57l富營養(yǎng)化（Eutrophi