11 生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)

1、第十一章 生態(tài)系統(tǒng)中的物質(zhì)循環(huán)1 物質(zhì)循環(huán)的一般特點(diǎn)2 水循環(huán)3 氣體型循環(huán)4 沉積型循環(huán)5 有毒有害物質(zhì)物質(zhì)思考題8/18/20221物質(zhì)循環(huán)的概念物質(zhì)循環(huán)的模式物質(zhì)循環(huán)的特點(diǎn)生物地球化學(xué)循環(huán)的類(lèi)型第一節(jié) 物質(zhì)循環(huán)的一般特點(diǎn)8/18/20222一 物質(zhì)循環(huán)(nutrient cycle)的概念生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)的各種化學(xué)元素及其化合物在生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部各組分要素之間及其在地球表層生物圈、水圈、大氣圈和巖石圈等各圈層之間，沿著特定的途徑從環(huán)境到生物體、再?gòu)纳矬w到環(huán)境，不斷進(jìn)行著反復(fù)循環(huán)變化的過(guò)程，又稱(chēng)生物地球化學(xué)循環(huán)（biogeochemical cycle ）。8/18/20223地球化學(xué)循環(huán)（地質(zhì)大

2、循環(huán)）：指化合物或元素經(jīng)生物體的吸收利用，從環(huán)境進(jìn)入生物有機(jī)體內(nèi)，然后生物有機(jī)體以殘?bào)w或排泄物的形式將物質(zhì)或元素返回環(huán)境，經(jīng)過(guò)五大自然圈（大氣圈、水圈、巖石圈、土壤圈和生物圈）循環(huán)后再被生物利用的過(guò)程。特點(diǎn)：時(shí)間長(zhǎng)、范圍廣，閉合式循環(huán)生物循環(huán)（生物小循環(huán)）：指環(huán)境中的元素經(jīng)生物體吸收，在生態(tài)系統(tǒng)中被相繼利用，然后經(jīng)過(guò)分解者的作用，再為生產(chǎn)者吸收、利用。特點(diǎn)：時(shí)間短、范圍小，開(kāi)放式循環(huán)8/18/20224生命與元素 大量元素包括（含量超過(guò)生物體干重1%以上的）：碳、氧、氫、氮和磷等。（含量占生物體干重0.21%之間的）硫、氯、鉀、鈉、鈣、鎂、鐵和銅等。 微量元素包括（含量一般不超過(guò)生物體干重的0

3、.2%）：鋁、硼、溴、鉻、鈷、氟、鎵、碘、錳、鉬、硒、硅、鍶、錫、銻、釩和鋅等。8/18/202258/18/20226二 物質(zhì)循環(huán)模式生物地化循環(huán)可以用“庫(kù)”(pools)和“流通”(flux rates)兩個(gè)概念加以描述。庫(kù)：由存在于生態(tài)系統(tǒng)某些生物或非生物成分中一定數(shù)量的某種化學(xué)物質(zhì)所構(gòu)成的，如在一個(gè)湖泊生態(tài)系統(tǒng)中，水體中磷的含量可以看成是一個(gè)庫(kù)，浮游植物中的磷含量是第二個(gè)庫(kù)。這些庫(kù)借助有關(guān)物質(zhì)在庫(kù)與庫(kù)之間的轉(zhuǎn)移而彼此相互聯(lián)系。流通率：物質(zhì)在生態(tài)系統(tǒng)單位面積(或單位體積)和單位時(shí)間的移動(dòng)量就稱(chēng)為流通率。P244 圖11-28/18/20227周轉(zhuǎn)率(turnover rates)：就是出

4、入一個(gè)庫(kù)的流通率(單位天)除以該庫(kù)中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)總量：周轉(zhuǎn)時(shí)間(turnover times) ：就是庫(kù)中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)總量除以流通率。8/18/20228周轉(zhuǎn)時(shí)間表達(dá)了移動(dòng)庫(kù)中全部營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)所需要的時(shí)間。周轉(zhuǎn)率越大，周轉(zhuǎn)時(shí)間就越短。大氣圈中二氧化碳的周轉(zhuǎn)時(shí)間大約是一年多一些，大氣圈中分子氮的周轉(zhuǎn)時(shí)間約近100萬(wàn)年，而大氣圈中水的周轉(zhuǎn)時(shí)間只有10.5天。生物地化循環(huán)在受人類(lèi)干擾以前，一般是處于一種穩(wěn)定的平衡狀態(tài)，這就意味著對(duì)主要庫(kù)的物質(zhì)輸入必須與輸出達(dá)到平衡。這種平衡是通過(guò)全球的物質(zhì)循環(huán)，也就是生物地化循環(huán)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。8/18/20229影響物質(zhì)循環(huán)速率的最重要因素：循環(huán)元素的性質(zhì)：循環(huán)速率不同由循環(huán)元

5、素的化學(xué)特性和被生物有機(jī)體利用的方式不同所致生物的生長(zhǎng)速率：這一因素影響著生物對(duì)物質(zhì)的吸收速度和物質(zhì)在食物鏈中的運(yùn)動(dòng)速度有機(jī)物分解的速率：適宜的環(huán)境有利于分解者的生存，并使有機(jī)體很快分解，迅速將生物體內(nèi)的物質(zhì)釋放出來(lái)，重新進(jìn)入循環(huán)8/18/202210三 物質(zhì)循環(huán)的特點(diǎn)物質(zhì)不滅，循環(huán)往復(fù)物質(zhì)循環(huán)和能量流動(dòng)不可分割，相輔相成物質(zhì)循環(huán)的生物富集生態(tài)系統(tǒng)對(duì)物質(zhì)循環(huán)有一定的調(diào)節(jié)能力物質(zhì)循環(huán)中生物的作用各物質(zhì)循環(huán)過(guò)程相互聯(lián)系，不可分割8/18/202211四、生物地球化學(xué)循環(huán)的類(lèi)型生物地化循環(huán)可分為三大類(lèi)型，即水循環(huán)，氣體型循環(huán)(gaseous.cycles)和沉積型循環(huán)(sedimentary cyc

6、les)。水循環(huán)：生態(tài)系統(tǒng)中所有的物質(zhì)循環(huán)都是在水循環(huán)的推動(dòng)下完成的，因此，沒(méi)有水的循環(huán)，也就么有生態(tài)系統(tǒng)的功能，生命也就難以維持。 氣體型循環(huán)：物質(zhì)的主要儲(chǔ)存庫(kù)是大氣和海洋，其循環(huán)與大氣和海洋密切相聯(lián)，具有明顯的全球性，循環(huán)性能最為完善。凡屬于氣體型循環(huán)的物質(zhì)，其分子或某些化合物常以氣體形式參與循環(huán)過(guò)程，屬于這類(lèi)的物質(zhì)有氧，二氧化碳、氮、氯、溴和氟等。8/18/202212 沉積型循環(huán)：參與沉積型循環(huán)的物質(zhì)主要是通過(guò)巖石的風(fēng)化和沉積物的分解轉(zhuǎn)變?yōu)榭杀簧鷳B(tài)系統(tǒng)利用的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，而海底沉積物轉(zhuǎn)化為巖石圈成分則是一個(gè)緩慢的、單向的物質(zhì)移動(dòng)過(guò)程，時(shí)間要以數(shù)千年計(jì)。這些沉積型循環(huán)物質(zhì)的主要儲(chǔ)存庫(kù)是土壤、

7、沉積物和巖石，而無(wú)氣體形態(tài)，因此這類(lèi)物質(zhì)循環(huán)的全球性不如氣體型循環(huán)表現(xiàn)得那么明顯，循環(huán)性能一般也很不完善。屬于沉積型循環(huán)的物質(zhì)有磷、鈣、鉀、鈉、鎂、鐵、錳、碘、銅、硅等，其中磷是較典型的，沉積型循環(huán)物質(zhì)，它從巖石中釋放出來(lái)，最終又沉積在海底并轉(zhuǎn)化為新的巖石。氣體型循環(huán)和沉積型循環(huán)雖然各有特點(diǎn)，但都受到能流的驅(qū)動(dòng)，并都依賴(lài)于水的循環(huán)。 8/18/202213生物地化循環(huán)過(guò)程的研究主要是在生態(tài)系統(tǒng)水平和生物圈水平上進(jìn)行的。 重點(diǎn)是研究這些元素在整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)中的輸入和輸出以及在生態(tài)系統(tǒng)主要生物和非生物成分之間的交換過(guò)程，如在生產(chǎn)者、植食動(dòng)物、肉食動(dòng)物和分解者等各個(gè)營(yíng)養(yǎng)級(jí)之向的交換。8/18/2022

8、14生物地化循環(huán)的類(lèi)型水循環(huán)氣體型循環(huán)沉積型循環(huán)8/18/2022152 水循環(huán)(aquatic cycle)水循環(huán)的意義：水是所有營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的介質(zhì)；水對(duì)物質(zhì)是很好的溶劑；水是地質(zhì)變化的動(dòng)因之一。8/18/202216全球的水循環(huán)降水：大氣中的水汽以雨雪冰雹等形式落到地面或海洋。蒸發(fā)：地面和海洋中的水又通過(guò)蒸發(fā)進(jìn)入到大氣中特點(diǎn)：地球上的降水量和蒸發(fā)量總的來(lái)說(shuō)是相等的。每年降到地面的雨雪大約有35%又以地表徑流的形式流入海洋。8/18/202217生態(tài)系統(tǒng)中的水循環(huán)生態(tài)系統(tǒng)中的水循環(huán)包括截取、滲透、蒸騰和地表徑流。特點(diǎn)植物在水循環(huán)中起著重要作用。森林是水循環(huán)的主要調(diào)解者。8/18/202218人類(lèi)

9、活動(dòng)對(duì)水循環(huán)的影響：空氣污染和降水；改變地面，增加徑流；過(guò)度利用地下水；水的再分布。8/18/202219水循環(huán)示意圖8/18/2022203 氣體型循環(huán)(gaseous cycle)碳循環(huán)氮循環(huán)8/18/202221碳循環(huán) 整個(gè)地球碳的儲(chǔ)存數(shù)量約為261015噸。其中有90%以上以碳酸鹽形式禁錮在巖石圈中，而只有7500109噸是以有機(jī)態(tài)埋藏在地下(如煤、石油)。這些成為碳循環(huán)中的儲(chǔ)存庫(kù)。只有極少量碳參與經(jīng)常性流動(dòng)和圈層間的交換。其中大氣圈中(二氧化碳狀態(tài))約700109噸，水圈中(多為碳酸鹽態(tài)或二氧化碳狀態(tài))約為35250109噸。而構(gòu)成現(xiàn)有生物量的有機(jī)碳僅為1120109噸。水圈、大氣圈

10、和生物圈扮演著碳循環(huán)中活動(dòng)庫(kù)的作用。 8/18/202222碳循環(huán)從大氣中二氧化碳儲(chǔ)庫(kù)開(kāi)始，通過(guò)綠色植物的光合作用，將大氣中的碳，轉(zhuǎn)移到植物體中形成碳水化合物，然后被各級(jí)消費(fèi)者利用，其生物殘?bào)w經(jīng)過(guò)微生物分解還原以及生物的呼吸作用，再把碳回歸到大氣中。碳的另一個(gè)儲(chǔ)存庫(kù)是海洋：在水體中，同樣由水生植物將大氣中擴(kuò)散到水上層的二氧化碳固定轉(zhuǎn)化為糖類(lèi)，通過(guò)食物鏈經(jīng)消化合成，各種水生動(dòng)植物呼吸釋放出二氧化碳。巖石圈和化石燃料：巖石圈中的碳借助于巖石的風(fēng)化和溶解、火山爆發(fā)等重返大氣圈；化石燃料在燃燒過(guò)程中是大氣中的二氧化碳含量增加。8/18/202223碳循環(huán)(carbon cycle)化泥碳煤大氣中CO2

11、CO2碳化作用石油水生植物光合作用腐爛燃料呼吸作用光合作用腐爛擴(kuò)散8/18/202224碳循環(huán)的自我調(diào)節(jié)機(jī)制：在土壤和水域生態(tài)系統(tǒng)中，溶解的二氧化碳可以和水結(jié)合形成碳酸，這個(gè)反應(yīng)是可逆的（碳酸可以形成氫離子和碳酸氫根離子，而后者又可以進(jìn)一步離解為氫例子和碳酸根離子），反應(yīng)進(jìn)行的方向取決于參加反應(yīng)的各成分的濃度。如果大氣中二氧化碳發(fā)生局部短缺，就會(huì)引起一系列補(bǔ)償反應(yīng)，水圈中的二氧化碳就會(huì)更多的進(jìn)入到大氣圈中如果水圈中的二氧化碳在光合作用中被植物利用耗盡，也可以通過(guò)其他途徑或從大氣中得到補(bǔ)償。8/18/202225草地生態(tài)系統(tǒng)的碳循環(huán)：碳素儲(chǔ)量絕大部分集中于土壤中，地上生物量中僅為10%。草地生態(tài)

12、系統(tǒng)不像森林生態(tài)系統(tǒng)那樣具有明顯的地上生物量，但由于地上部分受放牧、農(nóng)墾等的影響，碳循環(huán)遠(yuǎn)較森林生態(tài)系統(tǒng)要強(qiáng)烈，地上部分碳循環(huán)不僅速度快，而且向大氣排放二氧化碳的作用明顯作為主要碳儲(chǔ)存庫(kù)的地下部分，由于草地所處的特殊地理位置和氣候條件，導(dǎo)致其地下部分分解普遍較慢，草地作為二氧化碳匯的作用更為明顯。8/18/202226“溫室效應(yīng)”的形成機(jī)制：近百年來(lái)，由于人類(lèi)活動(dòng)對(duì)碳循環(huán)的影響，一方面森林大量砍伐，同時(shí)在工業(yè)發(fā)展中大量化石燃料的燃燒，使得大氣中二氧化碳的含量呈上升趨勢(shì)。由于二氧化碳對(duì)來(lái)自太陽(yáng)的短波輻射有高度的透過(guò)性，而對(duì)地球反射出來(lái)的長(zhǎng)波輻射有高度的吸收性，這就有可能導(dǎo)致大氣層低處的對(duì)流層變暖

13、，而高處的平流層變冷，這一現(xiàn)象為“溫室效應(yīng)”?！皽厥倚?yīng)”對(duì)地球的影響：地球氣溫逐漸上升，引起全球性氣候改變，促使南北極冰雪融化，使海平面上升，危及許多沿海城市和廣大陸地。8/18/202227氮循環(huán)氮?dú)?/18/202228氮循環(huán)是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，包括有許多種類(lèi)的微生物參加： 1，固氮作用（nitrogen fixation） 1）通過(guò)閃電、宇宙射線(xiàn)、隕石、火山爆發(fā)，形成氨或硝酸鹽2）工業(yè)固氮3）生物固氮，占地球固氮的90%8/18/202229氮在環(huán)境的循環(huán)：P251，圖11-5含氮有機(jī)物的轉(zhuǎn)化和分解過(guò)程：氨化作用 （ammonification） ：氨化作用由氨化細(xì)菌和真菌的作用將有機(jī)氮（氨基酸和核酸）分解為氨與氨化合