11生態(tài)系統(tǒng)中的物質(zhì)循環(huán)課件

生命的維持不但需要能量，而且也依賴于各種化學(xué)元素的供應(yīng)。如果說生態(tài)系統(tǒng)中的能量來源于大陽，那么物質(zhì)則是由地球供應(yīng)的。生態(tài)系統(tǒng)從大氣、水體和土壤等環(huán)境中獲得營養(yǎng)物質(zhì)，通過綠色植物吸收，進(jìn)入生態(tài)系統(tǒng)，被其他生物重復(fù)利用，最后，再歸還于環(huán)境中，此為物質(zhì)循環(huán)(cycleofmaterial)，又稱生物地球化學(xué)循環(huán)(biogeo-chemicalcycle)。在生態(tài)系統(tǒng)中能量不斷流動，而物質(zhì)不斷循環(huán)。能量流動和物質(zhì)循環(huán)是生態(tài)系統(tǒng)中的兩個(gè)基本過程，正是這兩個(gè)過程使生態(tài)系統(tǒng)各個(gè)營養(yǎng)級之間和各種成分(非生物和生物)之間組成一個(gè)完整的功能單位。

第1頁/共42頁第一節(jié)物質(zhì)循環(huán)的一般特點(diǎn)

第2頁/共42頁一、生命與元素

對于大多數(shù)生物來說，大約有20多種元素是它們生命活動所不可缺少的，另外還有大約10種元素，雖然通常只需要很少就夠了，但對某些少物來說，卻是不可少的。前者有時(shí)被稱為大量元素(macronutrient)，后者則被稱為微量元素(micronutrient)。生物體所需要的大量元素包括在生物體內(nèi)含量超過生物體重1％以上的碳、氧、氫、氮和磷等，也包括含量占生物體干重0.2％-1％之間的硫、氯、鉀、鈣、鎂、鐵和銅等元素，微量元素在生物體內(nèi)一般不超過體重的0.2％，而且并不是在所有生物體內(nèi)都有。屬于微量元素的有鋁、硼、溴、鉻、鉆氛、鋁、碘、錳、鋁、硒、硅、錫、銻、釩和鋅等，這些化學(xué)元素在生命過程中是必不可少的。例如，構(gòu)成有機(jī)體主要骨架的糖類是由水和二氧化碳經(jīng)光合作用而形成的，但是光合作用過程中還必須有氮、磷及微量鋅參加反應(yīng)。

第3頁/共42頁二、物質(zhì)循環(huán)的模式第4頁/共42頁生態(tài)系統(tǒng)中的物質(zhì)循環(huán)可以用庫(poo1)和流通(flow)兩個(gè)概念來加以概括。庫是由存在于生態(tài)系統(tǒng)某些生物或非生物成分中一定數(shù)量的某種化合物所構(gòu)成的。物質(zhì)在生態(tài)系統(tǒng)中的循環(huán)實(shí)際上是在庫與庫之間彼此流通的。第5頁/共42頁第6頁/共42頁流通量通常用單位時(shí)間、單位面積內(nèi)通過的營養(yǎng)物質(zhì)的絕對值來表達(dá)。為了表示一個(gè)特定的流通過程對有關(guān)庫的相對重要性，用周轉(zhuǎn)率(turnoverrate)和周轉(zhuǎn)時(shí)間(turnovertime)來表示。第7頁/共42頁第8頁/共42頁在物質(zhì)循環(huán)中，周轉(zhuǎn)率越大，周轉(zhuǎn)時(shí)間就超短。如大氣圈中二氧化碳的周轉(zhuǎn)時(shí)間大約是一年左右(光合作用從大氣圈中移走二氧化碳)；大氣圈中分子氮的周轉(zhuǎn)時(shí)間則需100萬年(主要是生物的固氮作用將氮分子轉(zhuǎn)化為氨氮為生物所利用)；而大氣圈中水的周轉(zhuǎn)時(shí)間為105d。在海洋中，硅的周轉(zhuǎn)時(shí)間最短，約800a，鈉最長，約2.06億年。

第9頁/共42頁三、生物地球化學(xué)循環(huán)的類型

第10頁/共42頁生物地球化學(xué)循環(huán)可分為三大類型，即水循環(huán)(watercycle)、氣體型循環(huán)(gaseouscycle)和沉積型循環(huán)(sedimentcycle)。生態(tài)系統(tǒng)中所有的物質(zhì)循環(huán)都是在水循環(huán)的推動下完成的，因此,沒有水的循環(huán)，也就沒有生態(tài)系統(tǒng)的功能,生命也將難以維持。第11頁/共42頁屬于氣體型循環(huán)的物質(zhì)，其分子或某些化合物常以氣體的形式參與循環(huán)過程。屬于這一類的物有氧、二氧化碳、氮、氯、溴、氟等。氣體循環(huán)速度比較快，物質(zhì)來源充沛，不會枯竭。

第12頁/共42頁主要蓄庫與巖石、土壤和水相聯(lián)系的是沉積型循環(huán)、如磷、硫循環(huán)。沉積循環(huán)速度比較慢，參與沉積型循環(huán)的物質(zhì)其分子或化合物主要是通過巖石的風(fēng)化和沉積物的溶解轉(zhuǎn)變?yōu)榭杀簧锢玫臓I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)相當(dāng)長的、緩慢的、單向的物質(zhì)轉(zhuǎn)移過程，時(shí)間要以千年來計(jì)。屬于沉積型6環(huán)的物質(zhì)有：磷、鈣、鉀、鈉、鎂、鍺、鐵、銅、硅等。第13頁/共42頁生態(tài)系統(tǒng)中的物質(zhì)循環(huán)，一般情況下處于穩(wěn)定的平衡狀態(tài)。對于某一種物質(zhì)，在各主要庫中的輸入和輸出量基本相等。大多數(shù)氣體型循環(huán)物質(zhì)如碳、氧和氯的循環(huán)，由于有很大的大氣蓄庫，它們對于短暫的變比能夠進(jìn)行迅速的自我調(diào)節(jié)。例如，由于燃燒化石燃料，使當(dāng)?shù)氐亩趸紳舛仍黾樱瑒t通過空氣的運(yùn)動和綠色植物光合作用對二氧化碳吸收量的增加，使其濃度迅速降低到原來水平，重新達(dá)到平衡。硫、磷等元素的沉積物循環(huán)則易受人為活動的影響，這是因?yàn)榈貧ぶ械牧?、磷蓄庫比較穩(wěn)定和遲鈍，因此不易被調(diào)節(jié)。所以如果在循環(huán)中這些物質(zhì)流入蓄庫中，則它們將成為生物在很長時(shí)間內(nèi)不能利用的物質(zhì)。

第14頁/共42頁第二節(jié)水循環(huán)第15頁/共42頁水和水循環(huán)對于生態(tài)系統(tǒng)具有特別重要的意義，不僅生物體的大部分是由水構(gòu)成的，而且所有生命活動都離不開水，水在一個(gè)地方將巖石侵蝕．而在另一個(gè)地方將物質(zhì)沉降下來，久而久之就會帶來明顯的地理變化，其中帶有大量多種化合物的周而復(fù)始地循環(huán)，極大地影響著各類營養(yǎng)物質(zhì)在地球上的分布；此外，水對于能量的傳遞和利用也有重要影響。地球上大量的熱能用于將冰融化成水，使水溫上升和將水化為水汽過程，因此，水有防止環(huán)境濕度發(fā)生劇烈波動的重要調(diào)節(jié)作用。第16頁/共42頁水循環(huán)受太陽能、大氣環(huán)流、洋流和熱量變換所影響，通過蒸發(fā)冷凝等過程在地球上進(jìn)行著不斷地循環(huán)，降水和蒸發(fā)是水循環(huán)的兩種方式，大氣中的水汽以雨雪冰雹等形式落到地面或海洋，而地面上和海洋中的水又通過蒸發(fā)進(jìn)入大氣中。因此，水循環(huán)是由太陽能推動的，大氣、海洋和陸地形成一個(gè)全球性水循環(huán)系統(tǒng)，并成為地球上各種物質(zhì)循環(huán)的中心循環(huán)。第17頁/共42頁

地球上的降水量和蒸發(fā)量總的來說是相等的。也就是說，通過降水和蒸發(fā)這兩種形式，地球上的水分達(dá)到平衡狀態(tài)。但在不同的表面、不同地區(qū)的降水量和蒸發(fā)量是不同的。

就海洋和陸地來說，海洋的蒸發(fā)量約占總蒸發(fā)量的84％陸地只有16％；海洋中的降水占總降水的77％，陸地占23％；可見，海洋的降水比蒸發(fā)少7％，而陸地的降水則比蒸發(fā)量多7％。海洋和陸地的水量差異是通過江河源源不斷輸送水到海洋，以彌補(bǔ)海洋每年因蒸發(fā)量大于降水量而產(chǎn)生的虧損，達(dá)到全球性水循環(huán)的平衡(圖11-2)。第18頁/共42頁第19頁/共42頁二、生態(tài)系統(tǒng)中的水循環(huán)

第20頁/共42頁生態(tài)系統(tǒng)中的水循環(huán)包括截取、滲透、蒸發(fā)、蒸騰和地表徑流。植物在水循環(huán)中起著重要作用，植物通過根吸收土壤中的水分。與其他物質(zhì)不同的是進(jìn)入植物體的水分，只有1％一3％參與植物體的建造并進(jìn)入食物鏈，由其他營養(yǎng)級所利用，其余97％一98％通過葉面蒸騰返回大氣中，參與水分的再循環(huán)。

第21頁/共42頁第三節(jié)氣體型循環(huán)

第22頁/共42頁一、碳循環(huán)碳是一切生物體中最基本的成分，有機(jī)體干重的45％以上是碳。據(jù)統(tǒng)計(jì)全球碳貯存量約為26x1015t，但絕大部分以碳酸鹽的形式禁錮在巖石圈中，其次是貯存在化石燃料中。生物可直接利用的碳是水圈和大氣圈中以二氧化碳形式存在的碳，二氧化碳或存在于大氣中或溶解于水中，所有生命的碳源均是二氧化碳。碳的主要循環(huán)形式是從大氣的二氧化碳蓄庫開始，經(jīng)過生產(chǎn)者的光合作用，把碳固定，生成糖類，然后經(jīng)過消費(fèi)者和分解者，在呼吸和殘?bào)w腐敗分解后，再回到大氣蓄庫中。碳被固定后始終與能流密切結(jié)合在一起。

第23頁/共42頁第24頁/共42頁碳在生態(tài)系統(tǒng)中的含量過高或過低都能通過碳循環(huán)的自我調(diào)節(jié)機(jī)制而得到調(diào)整，并恢復(fù)到原有水平；大氣中每年大約有l(wèi)xl011t的二氫化碳進(jìn)入水體，同時(shí)水中每年也有相同數(shù)量的二氧化碳進(jìn)人大氣中，在陸地和大氣之間，碳的交換也是平衡的，陸地的光合作用每年大約從大氣中吸收1.5xl010t碳，植物死后被分解約可釋放出1.7xl010t碳，森林是碳的主要吸收考，每年約可吸收3.6x109t碳。因此，森林也是生物碳的主要貯庫，約儲存482xl09t碳，這相當(dāng)于目前地球大氣中含碳量的2／3。第25頁/共42頁在生態(tài)系統(tǒng)中，碳循環(huán)的速度是很快的，最快的在幾分鐘或幾小時(shí)就能夠返回大氣，一般會在幾周或幾個(gè)月返回大氣。一般來說，大氣中二氧化碳的濃度基本上是恒定的。但是，近百年來，由于人類活動對碳循環(huán)的影響，一方面森林大量被砍伐，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。第26頁/共42頁由于二氧化碳對來自太陽的短波輻射有高度的透過性，而對地球反射出來的長波輻射有高度的吸收性，這就有可能導(dǎo)致大氣層低處的對流層變暖、而高處的平流層變冷，這一現(xiàn)象稱為溫室效應(yīng)。由溫室效應(yīng)而導(dǎo)致地球氣溫逐漸上升，引起未來的全球性氣候改變，促使南北極冰雪融化，使海平面亡升，將會淹沒許多沿海城市和廣大陸地。第27頁/共42頁二、氮循環(huán)氮是蛋白質(zhì)的基本成分，因此，是一切生命結(jié)構(gòu)的原料。雖然大氣化學(xué)成分中氮的含量非常豐富，有78％，然而氮是一種惰性氣體，植物不能夠直接利用。因此，大氣中的氮對生態(tài)系統(tǒng)來講，不是決定于氮庫，必須通過固氮作用將游離氮與氧結(jié)合成為硝酸鹽或亞硝酸鹽，或與氫結(jié)合成氨，才能為大部分生物所利用，參與蛋白質(zhì)的合成。因此，氮被固定后，才能進(jìn)入生態(tài)系統(tǒng)，參與循環(huán)。

第28頁/共42頁第29頁/共42頁生態(tài)系統(tǒng)中的氮循環(huán)第30頁/共42頁第四節(jié)沉積型循環(huán)

第31頁/共42頁一、磷循環(huán)第32頁/共42頁磷不存在任何氣體形式的化合物，所以磷是典型的沉積型循環(huán)物質(zhì)。沉積型循環(huán)物質(zhì)主要有兩種存在相：巖石相和溶解鹽相。循環(huán)的起點(diǎn)源于巖石的風(fēng)化，終于水中的沉積。由于風(fēng)化侵蝕作用和人類的開采，磷被釋放出來，由于降水成為可溶性磷酸鹽，經(jīng)由植物、草食動物和肉食動物而在生物之間流動，待生物死亡后被分解，又使其回到環(huán)境中。溶解性磷酸鹽，也可隨著水流，進(jìn)入江河湖海，并沉積在海底。其中一部分長期留在海里，另一些可形成新的地殼，在風(fēng)化后再次進(jìn)入循環(huán)(圖11—5)。第33頁/共42頁圖11-5生態(tài)系統(tǒng)中的磷循環(huán)

第34頁/共42頁二、硫循環(huán)

硫是原生質(zhì)體的重要組分，它的主要蓄庫是巖石圈，但它在大氣團(tuán)中能自由移動，因此，硫循環(huán)有一個(gè)長期的沉積階段和一個(gè)較短的氣體階段。在沉積相，硫被束縛在有機(jī)或無機(jī)沉積物中。巖石庫中的硫酸鹽主要通過生物的分解和自然風(fēng)化作用進(jìn)入生態(tài)系統(tǒng)。化能合成細(xì)菌能夠在利用硫化物中含有的潛能的同時(shí)，通過氧化作用將沉積物中的硫化物轉(zhuǎn)變成硫酸鹽；這些硫酸鹽一部分可以為植物直接利用，另一部分仍能生成硫酸鹽和化石燃料中的無機(jī)硫，再次進(jìn)入巖石蓄庫中。第35頁/共42頁從巖石庫中釋放硫酸鹽的另一個(gè)重要途徑是侵蝕和風(fēng)化，從巖石中釋放出的無機(jī)硫由細(xì)菌作用還原為硫化物，土壤中的這些硫化物又被氧化成植物可利用的硫酸鹽。自然界中的火山爆發(fā)也可將巖石蓄庫中的硫以硫化氫的形式釋放到大氣中，化石燃料的燃燒也將蓄庫中的琉以二氧化硫的形式釋放到大氣中，可為植物吸收。第36頁/共42頁生態(tài)系統(tǒng)中的硫循環(huán)第37頁/共42頁第五節(jié)有毒有害物質(zhì)循環(huán)

第38頁/共42頁

DDT是一種人工合成的有機(jī)氯殺蟲劑，它的問世對農(nóng)業(yè)的發(fā)展起了很大的作用，瑞典學(xué)者米勒(Muller)由于發(fā)明DDT而獲得諾貝爾獎金。