生態(tài)學(xué)7物質(zhì)循環(huán)

李新平西北農(nóng)林科技大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院生態(tài)學(xué)內(nèi)容目錄1緒論2生態(tài)系統(tǒng)3生態(tài)系統(tǒng)中的生物與環(huán)境4生態(tài)系統(tǒng)中的生物種群5生態(tài)系統(tǒng)中的生物群落6生態(tài)系統(tǒng)中的能量流動7生態(tài)系統(tǒng)中的物質(zhì)循環(huán)8生態(tài)系統(tǒng)的信息傳遞9生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及調(diào)整10應(yīng)用生態(tài)學(xué)7生態(tài)系統(tǒng)中的物質(zhì)循環(huán)7.1物質(zhì)循環(huán)的基本原理7.2幾種重要循環(huán)的概述7.2.1水循環(huán)7.2.2碳循環(huán)7.2.3氮循環(huán)7.2.4磷循環(huán)7.2.5硫循環(huán)7.2.6養(yǎng)分循環(huán)7.3物質(zhì)循環(huán)與環(huán)境問題7.1物質(zhì)循環(huán)的基本原理7.1.1物質(zhì)循環(huán)的有關(guān)概念7.1.2物質(zhì)循環(huán)的基本形式7.1.3物質(zhì)循環(huán)的類型7.1.4物質(zhì)循環(huán)的特點7.1.1物質(zhì)循環(huán)的有關(guān)概念定義：生態(tài)系統(tǒng)中各元素和化合物沿著特定的途徑從生物到環(huán)境，再從環(huán)境到生物，不斷往復(fù)循環(huán)的過程。1)

生物地球化學(xué)循環(huán)

2)

庫和流

物質(zhì)在循環(huán)過程中被暫時固定、貯存的場所。庫：流：2)

庫和流

庫：儲存庫交換庫即環(huán)境庫，容積較大，物質(zhì)交換活動緩慢。如大氣庫、土壤庫、水體庫。流：2)

庫和流

庫：儲存庫交換庫即生物庫，容積較小，與外界物質(zhì)交換活躍。如植物庫、動物庫、微生物庫。流：2)

庫和流

庫：儲存庫交換庫物質(zhì)在庫與庫之間的轉(zhuǎn)移運動狀態(tài)。流：3)

周轉(zhuǎn)率、周轉(zhuǎn)期

周轉(zhuǎn)率：之系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后，某一組分（庫）中的物質(zhì)在單位時間內(nèi)所流出的量或流入的量占庫存總量的分?jǐn)?shù)值。單位時間交換量。

周轉(zhuǎn)期：是庫中物質(zhì)全部更換平均需要的時間，也是周轉(zhuǎn)率的倒數(shù)。3)

周轉(zhuǎn)率、周轉(zhuǎn)期

在生物量的周轉(zhuǎn)中，往往用更新率、更新期的概念，其含義同周轉(zhuǎn)率、周轉(zhuǎn)期。如某一森林的現(xiàn)存量為324t/hm2，年凈生產(chǎn)量為28.6t/hm2，其更新率=28.6/324=0.088，更新期約為11.3年。如某一水體中浮游生物的現(xiàn)存量為0.07t/hm2，年凈生產(chǎn)量為4.1t/hm2，其更新率=4.1/0.07=59，更新期只有6.23天。7.1.2物質(zhì)循環(huán)的基本形根據(jù)物質(zhì)循環(huán)的范圍不同分為地球化學(xué)循環(huán)（地質(zhì)大循環(huán)）和生物循環(huán)（生物小循環(huán)）兩種基本形式。1）地質(zhì)大循環(huán)

指化合物或元素經(jīng)生物體的吸收作用，從環(huán)境進(jìn)入生物有機(jī)體內(nèi)，然后生物有機(jī)體以死體、殘體或排泄物形式將物質(zhì)或元素返回環(huán)境，經(jīng)過五天自然圈循環(huán)后，在被生物利用的過程。 特點：時間長，范圍廣，是閉合式的循環(huán)。水的地質(zhì)大循環(huán)

2）生物小循環(huán)

生態(tài)系統(tǒng)環(huán)境中的元素或化合物被生物利用后返回環(huán)境，不經(jīng)五大自然圈層的循環(huán)，又相繼被生物利用的過程。 特點：時間短、范圍小，是開放式的循環(huán)。Ca的生物小循環(huán)

7.1.3物質(zhì)循環(huán)的類型主要特征氣相型循環(huán)沉積型循環(huán)元素類型有氣態(tài)化合物或分子（C、H、O、N、Cl等）無氣態(tài)化合物或分子（P、Ca、K、Na、Mg等）主要貯存庫大氣圈、水圈巖石圈、土壤圈循環(huán)速度快慢運動方式擴(kuò)散沉降、抬升、風(fēng)化、溶解抗干擾能力強弱循環(huán)性質(zhì)完全循環(huán)不完全循環(huán)7.1.4物質(zhì)循環(huán)的特點物質(zhì)不滅，循環(huán)往復(fù)物質(zhì)循環(huán)與能量流動不可分割，相輔相成物質(zhì)循環(huán)的生物富集沒有生物則難于循環(huán)生態(tài)系統(tǒng)對物質(zhì)循環(huán)有一定調(diào)節(jié)能力各物質(zhì)循環(huán)過程相互聯(lián)系，不可分割。7.2幾種重要循環(huán)的概述7.2.1水循環(huán)7.2.2碳循環(huán)7.2.3氮循環(huán)7.2.4磷循環(huán)7.2.5硫循環(huán)7.2.6養(yǎng)分循環(huán)7.2.1水循環(huán)

總體積約為14億km3水，分布于海洋、冰川、地下水、內(nèi)陸湖泊、大氣五大水“庫”中，咸水占水量97%，3%是淡水，其中3/4以固體狀態(tài)固著在兩級冰蓋和冰川中，只有余下不到1%的水，才是供人類用的液態(tài)淡水。水的大循環(huán)水的小循環(huán)降雨=植被水+土壤水+地下水+地表水+蒸散人類活動深刻地改變了水的生物地球化學(xué)循環(huán)

1960年以來對地表徑流人工控制能力增長3倍；水庫蓄水量達(dá)到湖泊和河流的3-6倍，占將近一半的可利用水資源。 水資源利用每10年增加20%，15-35%地區(qū)出現(xiàn)過度利用，在21世紀(jì)將成為制約全球社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主要生態(tài)因素。人類對水循環(huán)的影響及水問題（1）植被破壞（2）水利工程（3）開采地下水（4）水體污染（1）植被破壞

（2）水利工程

如修筑水庫，塘堰可擴(kuò)大自然蓄水量；而圍湖造田又使自然蓄水容積減小，尤其是大量季節(jié)性降水因蓄力消弱而流走，造成短期洪澇災(zāi)害，并同時降低了地下水庫的補給，也引起嚴(yán)重的土壤和養(yǎng)分流失。（3）開采地下水

由于過度開發(fā)局部地區(qū)的地表水和地下水，用于工、農(nóng)業(yè)及城市發(fā)展，不但使地表、地下水貯量下降，出現(xiàn)地下漏斗及地上的斷流，造成次生鹽漬化；也使下游水源減少，水位下降，水質(zhì)惡化，沿海出現(xiàn)海水入侵，加重了干旱化和鹽漬化威脅。（4）水體污染

7.2.2碳循環(huán)全球碳循環(huán)通量TheGlobalCarbonCycle碳循環(huán)失調(diào)造成的環(huán)境問題——溫室效應(yīng)

GreenhouseeffectGlobalwarming人類活動深刻地改變了生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)

碳循環(huán)：20世紀(jì)中期以來陸地生態(tài)系統(tǒng)從碳循環(huán)轉(zhuǎn)變?yōu)樘紖R當(dāng)前吸收工業(yè)CO2排放量的20%左右，對氣候變化形成負(fù)反饋，但是在21世紀(jì)，陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)向未知方向變化。溫室氣體

溫室氣體除了二氧化碳（CO2）外，還包括甲烷（CH4）、氧化氮（N2O）和碳氟氯烷（CFC）、臭氧（O3）等。其中CO2的作用約占全部溫室氣體作用的50%以上，大氣中的水蒸氣也對溫室效應(yīng)起著重要作用。Greenhousegas:CO2、CFC、CH4、N2O(近年的濃度變化)全球變暖對生態(tài)系統(tǒng)的影響（1）在能量供應(yīng)方面；（2）北冰洋漂浮海冰和南極西部冰上的融化；（3）世界生物群落的分部主要取決于氣候，尤其是溫 度和降雨；（4）由于海岸和表層水溫升高，造成海洋上升流減少；（5）全球變暖可能造成某些疾病發(fā)病率的升高；（6）氣候變暖將大大影響食物生產(chǎn)的分布和穩(wěn)定性。7.2.3氮循環(huán)生物固氮：每年約5400萬噸工業(yè)固氮：每年約6680萬噸高能固氮：每年約760萬噸氮的固定氮的損失反硝化有機(jī)物的燃燒淋溶流失揮發(fā)人類活動對氮循環(huán)的影響人為地固氮作用使大氣庫中的N減少，陸地和海洋中N增加，其中主要流向海洋。氮氧化物的流量和大氣圈中的存量在不斷增加。N循環(huán)各過程的凈通量和庫的凈變化（TgN/a）

大氣圈-81巖石圈+8陸地+4海洋+6913493844人為活動對N循環(huán)造成的影響（TgN/a）人類活動深刻地改變了生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)

氮循環(huán)：人工固氮能力超過自然過程的總和，生態(tài)系統(tǒng)有效氮輸入增加1倍；人工氮固定成為土壤和水環(huán)境主要污染源，導(dǎo)致N2O（溫室效應(yīng)比CO2高2個數(shù)量級）排放指數(shù)增長。氮循環(huán)失調(diào)造成的環(huán)境問題

（1）水體富營養(yǎng)化 （2）地下水中NO2-、NO3-具有致癌作用 （3）臭氧層的破壞 （4）光化學(xué)煙霧水體富營養(yǎng)化過程

營養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)入水體—水中微生物滋生—爆發(fā)性增長—死亡分解—消耗氧氣—氧氣不足—厭氣分解—產(chǎn)生有毒物質(zhì)—水體變壞水體富營養(yǎng)化的危害水中溶解氧氣減少，水生生物無法生存。臭氧層破壞危害（1）對人體健康的影響。（2）對生態(tài)系統(tǒng)的影響。（3）對空氣質(zhì)量及全球變暖地影響。（4）對材料的影響。7.2.4磷循環(huán)（沉積型）7.2.5硫循環(huán)（氣相型兼沉積型）硫循環(huán)的環(huán)境問題（1）酸雨：酸雨指pH小于5.6的雨、霧、雪、霜的統(tǒng)稱。主要由SO2引起的。（2）酸雨的危害：土壤酸化、貧瘠化，毒害植物根系，危害生物生長。（3）水體富營養(yǎng)化。7.2.5農(nóng)田養(yǎng)分循環(huán)

N、P、K等營養(yǎng)元素在認(rèn)為影響下的運動叫農(nóng)田養(yǎng)分循環(huán)。 一般模式是：土壤—植物—動物—土壤保持農(nóng)田養(yǎng)分循環(huán)平衡的途徑合理施肥合理種植農(nóng)產(chǎn)品就地加工農(nóng)林牧副漁結(jié)合解決農(nóng)村能源有目的積肥7.3物質(zhì)循環(huán)與環(huán)境問題7.3.1環(huán)境污染與污染生態(tài)學(xué)7.3.2有毒有害物質(zhì)的循環(huán)與生物放大作用7.3.3化學(xué)農(nóng)藥與物質(zhì)循環(huán)7.3.4化學(xué)肥料與物質(zhì)循環(huán)7.3.5環(huán)境污染的生物監(jiān)測7.3.6環(huán)境污染的生物防治7.3.1環(huán)境污染與污染生態(tài)學(xué)1）環(huán)境污染

環(huán)境污染是指人類直接、間接制造或所用物品的廢棄物等排放到環(huán)境中，其數(shù)量超過了環(huán)境的自凈能力，是環(huán)境的理化和生物學(xué)性狀發(fā)生了有害的改變。環(huán)境污染的根本問題

元素或物質(zhì)在局部積累物質(zhì)循環(huán)的平衡輸入輸出平衡元素在各個環(huán)節(jié)運動速度均衡系統(tǒng)內(nèi)各元素的比例均衡2）環(huán)境污染的類型

按污染物分按環(huán)境要素分按污染來源分非降解性污染（Nonbiodegradablepollution

）降解性污染（Biodegradablepollution

）大氣污染水體污染土壤污染面源污染（Non-pointedpollution）點源污染（Pointedpollution）環(huán)境污染的分類（1）大氣污染污染源：工業(yè)污染源 農(nóng)業(yè)污染源 生活污染源 交通污染源污染物：煙霧 粉塵 微粒 有害氣體（2）水體污染水體污染的三個主要方面：①水體富營養(yǎng)化②重金屬污染③熱污染（3）土壤污染大氣污染型水體污染型農(nóng)業(yè)污染型固體污染型生物污染型7.3.2有毒有害物質(zhì)的循環(huán)與生物放大作用1）有毒有害物質(zhì)

2）食物鏈濃集作用

1.有毒有害物質(zhì)有毒化合物有毒重金屬的循環(huán)放射性元素的循環(huán)食物鏈富集作用：又叫生物放大作用，指一些難降解的有毒物質(zhì)沿食物鏈傳遞時，其濃度隨營養(yǎng)級的升高不斷增加的現(xiàn)象。DDT在生態(tài)系統(tǒng)中的富集作用

7.3.3化學(xué)農(nóng)藥與物質(zhì)循環(huán)農(nóng)藥在自然界中的轉(zhuǎn)移

有機(jī)氯農(nóng)藥（BHC）沿食物鏈及在牛肉、牛奶和人體內(nèi)的富集全球12種有機(jī)污染物被禁用或限用

聯(lián)合國環(huán)境會議通過《關(guān)于持久性有機(jī)染物的斯德歌爾摩公約》，決定在全世界范圍內(nèi)禁用或嚴(yán)格限用12種有機(jī)污染物。被禁止生產(chǎn)和使用

艾氏劑綠丹狄氏劑異狄氏劑七氯滅蟻靈毒殺芬被嚴(yán)格限用并將盡快被取代

滴滴涕將在2025年之前被禁用多氯聯(lián)苯盡可能限制在最低范圍之內(nèi)

六氯代苯二惡英呋喃7.3.4化學(xué)肥料與物質(zhì)循環(huán)化肥與土壤性質(zhì)化肥與重金屬污染化肥與水體富營養(yǎng)化化肥與硝酸鹽污染7.3.5環(huán)境污染的生物監(jiān)測1）生物監(jiān)測與指示植物

（1）生物監(jiān)測（Biologicalmonitoring）：利用生命系統(tǒng)各層次對自然或人為因素引起環(huán)境變化的反映來判定環(huán)境質(zhì)量。（2）生物檢測方法從生物學(xué)層次來分，主要包括生態(tài)監(jiān)測（群落生態(tài)和個體生態(tài)）、生物測試（急性毒性測定、亞急性毒性預(yù)測和慢性毒性預(yù)測）以及分子、生理‘生化指標(biāo)核污染物在體內(nèi)的行為等幾個方面。2）指示生物（indicatororganism）

SO2檢測植物：矮牽牛

是一些對環(huán)境的某些物質(zhì)，包括污染物的作用或環(huán)境條件的改變能較敏感和快速地生產(chǎn)明顯反應(yīng)的生物。通過其所作的反應(yīng)可了解環(huán)境的現(xiàn)狀和變化，起“預(yù)警”功能。指示植物

受害癥狀

3）大氣污染的生物監(jiān)測

敏感植物用于大氣污染的監(jiān)測大氣污染的動物檢測金絲雀、老鼠、雞等來探測礦井中瓦斯毒氣蜜蜂—理想的大氣監(jiān)測生物砷、氟化物、鉛、汞、臭氧等引起的污染可縮短密封的壽命，甚至死亡。（可了解污染物的種類、水平）4）水體污染的生物監(jiān)測

滇池不同污染水平下，水生植被的變化無污染：輪藻生長茂盛，其他各類植物可正常生長輕度污染：敏感植物海菜花，輪藻逐漸消失重度污染：抗性強的紅線草、狐尾藻等繁茂生長嚴(yán)重污染：各種高等沉水植物全部死亡長江中下游湖泊富營養(yǎng)化過程中沉水植物演替模式水污染的動物檢測顫蚓類生物如霍莆公水死蚓、顫蚓等在污染水體，尤其是有機(jī)污染水體中數(shù)量多、種類單純，可用單位面積的顫蚓數(shù)作為水污染程度的指標(biāo)。未污染：低于100條/m2輕度污染：100~999條/m2中度污染：