環(huán)境生態(tài)學第七講課件

一、能量流動的基本原理熱力學第一定律——能量守恒定律能量可以在不同介質(zhì)中傳遞，也可以在不同形式間轉(zhuǎn)換，但在所有這些過程中能量保持恒定，既不能創(chuàng)生，也不會消滅。

熱力學第二定律——能量效率和能流方向定律自然界的所有自發(fā)過程，能量的傳替均有一定方向，而且任何的能量轉(zhuǎn)換，其效率不可能達到100%。第六章生態(tài)系統(tǒng)的能量流動在生態(tài)系統(tǒng)中，能量的轉(zhuǎn)換服從熱力學第二定律；生態(tài)系統(tǒng)中的能量流是單向流能量在生態(tài)系統(tǒng)中流動的過程是能量不斷遞減的過程。能量在生產(chǎn)者、消費者和分解者之間流動和傳替時，一部分能量通過呼吸作用變?yōu)闊岫⒌?，其余能量用于作功、合成新的生物組織或以物質(zhì)的化學潛能儲存起來；食物鏈的環(huán)節(jié)和營養(yǎng)級數(shù)一般不會多于5-6個；能量金字塔必呈尖塔形。能量在流動中，質(zhì)量逐漸提高能量流動速率不同二、生態(tài)效率攝取量：表示一個生物所攝取的能量同化量：表示動物消化道內(nèi)被吸收的能量呼吸量：指生物在呼吸等新陳代謝和各種活動中所消耗的全部能量生產(chǎn)量：生物呼吸消耗后所凈剩的同化能值生態(tài)效率：又稱lindeman效率，它是指n營養(yǎng)階層取食、吸收量與n+1營養(yǎng)階層取食、吸收量之比值。它相當于同化效率、生長效率和消費效率的乘積。即是指生物生產(chǎn)的量（積累的有機物或能量）與為此所消耗的量的比值，一般都用百分比表示。各營養(yǎng)層次間能量轉(zhuǎn)化效率平均為10％，這就是生態(tài)學中的所謂“十分之一定律”，也叫“林德曼效率”。事實上，各類生態(tài)系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)化效率有很大差別，就消費者層次而言，變化范圍就在4.5-20%間。陸地生態(tài)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)化效率通常要高于水域生態(tài)系統(tǒng)。3.森林生態(tài)系統(tǒng)的能流分析（HubbardBrook森林）1959年Odum把生態(tài)系統(tǒng)的能量流動概括為一個普適的模型營養(yǎng)級之間的轉(zhuǎn)化效率大致是5%-30%之間；植物到植食動物的轉(zhuǎn)化效率約是10%；植食動物到肉食動物的轉(zhuǎn)化效率約是15%。（一）初級生產(chǎn)力指植物通過光合作用，利用太陽能將無機物轉(zhuǎn)變?yōu)橛袡C物的量。總初級生產(chǎn)量：（grossprimaryproductionGP）單位面積、單位時間內(nèi)，通過光合作用固定太陽能的量GP=NP+R凈初級生產(chǎn)量：（netprimaryproductionNP）等于總初級生產(chǎn)量減去呼吸消耗的能量(R)NP=GP-R生產(chǎn)量（production)：單位時間單位面積內(nèi)的生產(chǎn)者積累的能量或生產(chǎn)的干物質(zhì)量。單位為干重g/(m2.a)或J/(m2.a)。生物量(biomass)：在某一定時刻調(diào)查時單位面積上積存的有機物質(zhì)。單位為干重g/m2或J/m2。（一）初級生產(chǎn)力地球生物圈主要生態(tài)系統(tǒng)的初級生產(chǎn)力生產(chǎn)量與溫度的關(guān)系生產(chǎn)量與雨量的關(guān)系（Salaetal.1988）生產(chǎn)量與蒸散量（AET）的關(guān)系(Rosenzweig,1968)2.水域生態(tài)系統(tǒng)：影響因素光水中的葉綠素含量營養(yǎng)物質(zhì)：N、P、Fe捕食預測海洋初級生產(chǎn)力的公式P=R/k×C×3.7P—浮游植物的凈初級生產(chǎn)力,g/(m2.d)R—相對光合率k—光強度隨水深度而減弱的衰變系數(shù)C—水中的葉綠素含量，g/m3藻類生物量與磷濃度的關(guān)系（DillonandRigler,1974)初級生產(chǎn)量與藻類生物量的關(guān)系（Smith,1979)全球海洋初級生產(chǎn)量的分布（F.A.O,1972)海水上涌、seabird放牧可補償性地增加初級生產(chǎn)量（McNaughton,1976)GrazingintensityandprimaryproductionofSerengetigrassland（McNaughton,1985)（二）次級生產(chǎn)力次級生產(chǎn)（secondaryproduction）:是指消費者、分解者利用初級生產(chǎn)所制造的物質(zhì)和貯藏的能量進行新陳代謝，經(jīng)過同化作用建造自身和能量的過程。次級生產(chǎn)力（secondaryproductivity）:次級生產(chǎn)所形成的消費者體重增長和后代繁衍的量。C——動物攝食的能量A——被同化的能量FU——糞、尿能量P——凈次級生產(chǎn)量R——呼吸能量C=A+FUA=P+R

P=C-FU-R四、生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)分解作用微量元素：Al、B、Br、Cr、Co、F、Ga、I、Mn、Mo、Se、Si、Sr、Sn、Sb、V、Zn等（不超過體重的0.2%）大量元素：C、O、H、N、P、S、Cl、K、Ca、Mg、Fe、Cu（占生物體干重0.2%以上）能量元素：C、O、H、N，構(gòu)成生物體的95-99%五、生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)

物質(zhì)循環(huán)的基本原理1、物質(zhì)不滅定律化學方法可以改變物質(zhì)的成分，但不能改變物質(zhì)的量，即在一般的化學變化過程中，覺察不到物質(zhì)在量上的增加或減少。2、質(zhì)能轉(zhuǎn)化與守恒定律相對論認為：世界上不存在沒有能量的物質(zhì)質(zhì)量，也不存在沒有質(zhì)量的物質(zhì)能量。質(zhì)量和能量作為一個統(tǒng)一體，其總量在任何過程中是保持不變的守恒量。在生態(tài)學中，運用經(jīng)典的質(zhì)量守恒定律，使得物流過程平衡表的編制成為可能。物質(zhì)循環(huán)的一般特點1.生物地球化學循環(huán)（Biogeochemicalcycles）各種化學元素，包括生命有機體所必需的營養(yǎng)物質(zhì)，在生態(tài)系統(tǒng)乃至生物圈里，沿著特定的途徑從周圍環(huán)境到生物體，再從生物體到環(huán)境，不斷地進行流動和循環(huán)，這些不同的循環(huán)途徑就構(gòu)成了生物地球化學循環(huán)。根據(jù)物質(zhì)循環(huán)的范圍、路線和周期不同，可分為：地質(zhì)大循環(huán)和生物小循環(huán)物質(zhì)循環(huán)的基本類型（1）地質(zhì)大循環(huán)：物質(zhì)或元素經(jīng)生物體的吸收作用，從環(huán)境進入有機體內(nèi)，然后生物以死體、殘體、排泄物等形式將物質(zhì)或元素返回環(huán)境，進入五大自然圈的循環(huán)。五大自然圈指：大氣圈、水圈、土壤圈、巖石圈、生物圈。特點：時間長、范圍大，影響面廣，具有全球性質(zhì)，是閉合性循環(huán)。生物有機體死體、殘體或排泄物物質(zhì)循環(huán)的基本類型（2）生物小循環(huán)：是指環(huán)境中元素經(jīng)生物體吸收，在生命系統(tǒng)中被相繼利用，然后經(jīng)分解者分解成無機態(tài)進入環(huán)境，再次為生產(chǎn)者吸收、利用的循環(huán)過程。特點：在一個系統(tǒng)內(nèi)進行，范圍小、時間短、速度快，是開放式的循環(huán)。生態(tài)系統(tǒng)環(huán)境（地質(zhì)大循環(huán)）環(huán)境生產(chǎn)者分解者消費者空氣、水、土壤、巖石土壤生物小循環(huán)生物小循環(huán)生物小循環(huán)生物小循環(huán)地質(zhì)大循環(huán)地質(zhì)大循環(huán)陸地生態(tài)系統(tǒng)中元素的生物小循環(huán)與地質(zhì)大循環(huán)物質(zhì)循環(huán)的幾個概念

庫與流1.庫（pool）——物質(zhì)在運動過程中被暫時固定、貯存的場所，稱為庫。生態(tài)系統(tǒng)的各組分都是物質(zhì)循環(huán)的庫?？煞譃橹参飵欤ㄞr(nóng)作物、蔬菜、果樹、林木、牧草等），動物庫（畜、禽，蟲等）、土壤庫、大氣庫和水體庫。根據(jù)庫的大小和活躍程度可分為：貯存庫（Reservoirpool），容積大，物質(zhì)交換活動緩慢，一般為環(huán)境庫。交換庫（Exchangepool），容積小，與外界物質(zhì)交換活躍，一般為生物成分。2．流(flow)

能量和物質(zhì)通過食物鏈形成的轉(zhuǎn)移運動狀態(tài)，為流。生態(tài)系統(tǒng)中主要的流有物質(zhì)流、能量流和信息流。生態(tài)系統(tǒng)要獲得高的生產(chǎn)力，就要使系統(tǒng)內(nèi)的能量和物質(zhì)的流量大，流速快且暢通無阻。4.衡量物質(zhì)流動效率的指標流通率（flowrate）：物質(zhì)在生態(tài)系統(tǒng)單位面積（或單位體積）和單位時間的移動量。用周轉(zhuǎn)率（turnoverrate）和周轉(zhuǎn)時間（turnovertime）表示有關(guān)庫的相對重要性。周轉(zhuǎn)率=流通率/庫中營養(yǎng)物質(zhì)總量；周轉(zhuǎn)時間=庫中營養(yǎng)物質(zhì)總量/流通率周轉(zhuǎn)時間表示該庫的全部物質(zhì)全部更換一次平均需要的時間物質(zhì)循環(huán)的基本類型2．物質(zhì)循環(huán)的幾種基本類型根據(jù)物質(zhì)的主要貯藏庫不同可將生物地球化學循環(huán)分三大類型：水循環(huán)（watercycle）：水圈是其主要的貯藏庫。氣體型循環(huán)（gaseouscycle）：主要貯藏庫是大氣圈。主要有C、H、O、N等。沉積型循環(huán)（sedimentarycycle）：主要貯藏庫是巖石圈和土壤圈。主要有P、S、I、Ca、K、Na等。(一)水循環(huán)其中：海洋液態(tài)咸水：97％

3／4：固態(tài)水。在兩極的冰帽和冰川中淡水（3％）90％：地下水

1／4：陸地中水

10％：土壤水分，淡水湖泊、河流及大氣含水量因而可供植物根系利用的水比例很小。1．全球水的循環(huán)水循環(huán)的三個基本環(huán)節(jié)：降水（P）、蒸發(fā)蒸騰（E）、徑流（R），這三個基本環(huán)節(jié)相連構(gòu)成了水循環(huán)。水在生物圈的循環(huán)可以看作是從水域開始，再回到水域而終止。1）水域中的水受太陽輻射而蒸發(fā)蒸騰（E）進入大氣2）大氣中的水汽隨氣壓變化而流動，并聚集為云3）云以雨、雪、霧等形式降落到地球表面4）到達地表面的水，一部分直接形成地表徑流進入江河，匯入海洋。一部分滲入土壤內(nèi)部：大部分通過地下徑流而進入海洋，接近土壤部分為植物吸收各庫中水的更新周期大氣：9天河流：10-20天，土壤水：280天，淡水湖約：1-100年，地下水約需：300年。鹽湖和內(nèi)陸海水：約10-1000年，高山冰川：數(shù)十年至數(shù)百年，極地冰蓋：需16000年，海洋水：37000年。

2、人類對水循環(huán)的干擾

（1）植被破壞削弱了降水到達地面后的入滲過程，減小了土壤的庫容，導致了水土流失及江河下游的季節(jié)性旱澇。（2）圍湖造田以及排干沼澤、冬水田、低濕地等，使地表的蓄水、調(diào)洪、供水功能縮小，引起地區(qū)性的旱澇加劇。（3）興建大型的截流、蓄水、引水、灌溉工程，可改變整個流域的水平衡和水環(huán)境，導致相應的生態(tài)演替。同時，由此引起局部地下水位升降，可使流域不同部位鹽漬化、沼澤化和干旱化同時出現(xiàn)。（4）過度開采地表和地下貯水庫，使江河干涸，地下水位出現(xiàn)漏斗，海水入侵等異?，F(xiàn)象。在人類的發(fā)展歷史中，既有人類整治江河，化水害為水利的無數(shù)次勝利，也有區(qū)域水循環(huán)變遷導致人類文明興衰的許多歷史教訓。當前，全球性與地區(qū)性的氣候變化，無不與水循環(huán)有密切的關(guān)系。

以色列是一個國土面積不足中國三十分之一的國家，卻在短短60年間，實現(xiàn)了從落后的農(nóng)業(yè)國家邁向現(xiàn)代化工業(yè)國家的夢想。一個除了沙子之外，幾乎一無所有的彈丸小國，依靠科學用水的方法，以2.2%的農(nóng)業(yè)人口，養(yǎng)活了700萬國民。在全球面臨水資源短缺的今天，以色列的領(lǐng)先全球的海水淡化、污水處理、農(nóng)業(yè)灌溉的技術(shù)，已經(jīng)使它們成為國際水技術(shù)資源市場主要的出口國。以色列在“沙漠盛開鮮花”的奇跡，引來了全球世界的關(guān)注。的資源。我國的水資源狀況總量是28124億m3，其中河川徑流占94%，居世界第六；約占全球總量的5.8%，但人均徑流2260m3，不足世界平均水平的四分之一。我國是以占全球6.4%的耕地和6%的淡水資源養(yǎng)活世界22%的人口。3．水循環(huán)的生態(tài)學意義水和水循環(huán)對于生態(tài)系統(tǒng)具有特別重要意義：生物體的大部分由水構(gòu)成；所有生命活動都離不開水；水循環(huán)是地球上各種物質(zhì)循環(huán)的中心循環(huán)。通過降水和蒸發(fā)這兩種形式，使地球水分達到平衡狀態(tài)。水循環(huán)帶動了所有營養(yǎng)物質(zhì)的循環(huán)。水循環(huán)影響地球熱量的收支情況，對能量的傳遞和利用有重要影響，有防止溫度發(fā)生劇烈波動的重要生態(tài)作用。熱帶雨林對水循環(huán)的作用熱帶雨林具有促進全球水循環(huán)、調(diào)節(jié)全球水平衡的作用，森林能夠吸納和滯蓄大量降水，并通過自身蒸發(fā)和蒸騰作用又重新返還大氣中，形成云雨，對全球的水循環(huán)和水平衡起著重要作用；雨林滯蓄的水量占地表淡水總量的23%，如果雨林被毀，則會引起地表水減少，水汽蒸發(fā)、蒸騰減弱，空氣干燥，從而降水變少，氣候變得干旱，甚至出現(xiàn)旱澇無度的局面。這種變化不僅在當?shù)乇憩F(xiàn)明顯，也會影響到全球。從全球來看，雨林擔負著“空調(diào)機”和“加濕器”兩種功能，若雨林被毀，還會造成氣溫升高，全球變暖的惡果，所以熱帶雨林對于促進全球水循環(huán)和調(diào)節(jié)全球水平衡起著重要作用。(二)碳循環(huán)全球碳貯存量約為26×1015噸，絕大部分以碳酸鹽的形式禁錮在巖石圈中。生物可直接利用的碳是水圈和大氣圈中以CO2形式存在的碳。碳循環(huán)途徑（見圖）①綠色植物通過光合作用，把大氣中的CO2固定，轉(zhuǎn)化為碳水化合物；②光合作用產(chǎn)物供各營養(yǎng)級利用、重組、呼吸、分解等，以CO2形式回到大氣；③通過燃燒煤炭、天然氣、石油等產(chǎn)生的CO2；④脫離循環(huán)，被永久禁錮。碳循環(huán)途徑全球碳平衡Globalcarbonbudget×

1015gC×

1015gC/a溫室效應：大氣中的二氧化碳濃度增加，阻止地球熱量的散失，使地球發(fā)生可感覺到的氣溫升高，這就是有名的“溫室效應”。破壞大氣層與地面間紅外線輻射正常關(guān)系，吸收地球釋放出來的紅外線輻射，就像“溫室”一樣。森林對C固定的影響如何？(三)氮循環(huán)1.概況N是蛋白質(zhì)的基本成分，是一切生命結(jié)構(gòu)的原料。N的主要庫存是大氣，以N2的單質(zhì)形式存在。在大氣中占78％，總貯量約48106億噸，但不可被植物直接利用，必須通過固N作用，才能進入生態(tài)系統(tǒng)，參與循環(huán)。(三)氮循環(huán)2.N循環(huán)基本過程(1)

固氮作用——三條途徑生物固N（最重要途徑），為100-200kg/(hm2·a)

固N生物：固氮菌，根瘤菌，藍綠藻等農(nóng)業(yè)上利用根瘤菌較多，占全部生物固N的40％左右，因此農(nóng)田中靠包括豆科作物在內(nèi)的作物輪作來維持土壤的持續(xù)肥力是非常重要的，稻田的藍綠藻對增產(chǎn)亦有明顯的作用。閃電、宇宙射線、火山爆發(fā)活動等的高能固氮，形成氨或硝酸鹽，隨降雨到達地面，為8.9kg/(hm2·a)。工業(yè)固N（化肥的制造），Haber—Bosch法（1908-1910）合成氨的方法，目前全世界已達1×108噸。(三)氮循環(huán)(2)氨化作用——由氨化細菌和真菌的作用將有機氮（氨基酸和核酸）分解成為氨與氨化合物。(3)硝化作用——氨化合物被亞硝酸鹽細菌和硝酸鹽細菌氧化為亞硝酸鹽和硝酸鹽。(4)反硝化作用——反硝化細菌將亞硝酸鹽轉(zhuǎn)變成大氣氮，回到大氣庫中。Thenitrogencycle.

Numbersrepresentfluxesas1012gNperyear(datafromSchlesinger1991)氮循環(huán)在生態(tài)系統(tǒng)中，一方面通過各種固氮作用使氮素進入物質(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)?！?/p>

1012gN/a3.人類對氮循環(huán)的干擾燃燒施肥與土地利用溫室效應（N2O）水體富營養(yǎng)化臭氧層破壞硝酸鹽中毒硝酸鹽中毒破壞臭O3層反硝化作用產(chǎn)生的N2O進入大氣后會破壞臭O3層N2O＋O3→2NO＋O2NO＋O3→NO2＋O2若臭O3層玻壞5％，進入地球的紫外線會增加10％，結(jié)果會使皮膚癌的發(fā)病率大為提高。2000年，臭O3層密度減少2％，在南極、北極均發(fā)現(xiàn)臭O3層空洞。(三)氮循環(huán)水體富養(yǎng)化(Eutrophicationofwaterbody)原因：氮和磷污染表現(xiàn)：藻類大量繁殖危害：惡化水的感官性狀