森林生态学：5_3物质循环

1、1,第一节 生态系统的一般特征 第二节 生态系统中的能量流动 第三节 生态系统的物质循环 第四节 生态系统的主要类型,2,一、物质循环的定义及特征 二、地球化学循环的类型 水循环 气体型循环 沉积型循环,3,一、物质循环的定义及特征 1.定义： 物质循环(cycle of material)：是指生态系统从大气、水体和土壤等环境中获得营养物质，通过绿色植物吸收，进入生态系统，被其它生物重复利用，最后再归还于环境中的过程。 物质循环又称作地球生物化学循环（global biogeochemical cycle），生态系统中的物质转移循环，既有生物的生理与生化过程，又包含一般的物理与化学作用过程。

2、,4,（1）能量蕴于物质之中，一切物质中均含有能量 在物质吸收、转移、贮存与释放的过程中，总是伴随着能量的变化。 在每一营养级中都有生物的呼吸作用，放出CO2过程又是能量以热量形式散失的过程。生态系统中物质中贮存能量，物质的变化就有能量的变化。,2. 物质循环与能量流动的关系,5,（2）能量是以物质为载体或运转工具来进行流动的 物质循环和能量流动相伴发生，但能量流过生态系统通常只有一次，并且逐渐以热的形式耗散，物质在生态系统的生物成员中能被反复地利用。,6,（1）物质具有重复可利用性 生物体几乎都可以对物质进行吸收利用、释放、再吸收利用，只不过再利用的周期与方式可能不同。如植物、动物残体(包括

3、动物粪便)腐烂释放的无机营养物质又被植物根系重新吸收利用。 （2）生态系统中任何种类的物质都有循环周期性 一种物质经过食物链或营养级的时间不同，物质的循环周期可能相差很大。,3. 物质循环的特点,7,（1）库（pool）：由存在于生态系统某些生物或非生物成分中一定数量的某种元素或化合物构成的。 库是蓄积物质部分，可以是生物部分或非生物部分；可能是以固体或液体、气体形式存在。 库蓄积的物质数量一般大大超过生命活动所需要的数量，从库释放出某一物质的速度决定于生态系统的循环周期长短。 生态系统的物质循环实际上是在库与库之间彼此流通的。,4. 物质循环过程中的重要术语,8,流通量(flux capac

4、ity)：常用单位时间、单位面积内通过的营养物质的绝对值来表达； 流通率(flux rate)：指物质在生态系统单位面积（或单位体积）、单位时间内的转移量； 流通量与流通率都是描述物质循环强度或效率的有效参数。,9,周转时间(turnover time)是某种物质在库中的总量与其出入该库的流通率之比 库中物质总量 周转时间 = 流通率 物质循环过程中，流通率越大，周转率越高，周转时间越短，循环周期也越短。,周转率(turnover rate)：某种物质出入库的流通量与该库中该种物质总量之比 流通量 周转率 = 库中物质总量,10,不同物质的周转时间相差很大： 大气圈中二氧化碳的周转时间大约是一

5、年左右； 大气圈中分子氮的周转时间则需100万年左右； 大气圈中水的周转时间为10.5天，即水分一年要更新大约34次； 在海洋中，硅的周转时间最短，约800年，钠需要时间最长，约2.06亿年。,11,12,（3）影响物质循环速率的重要因素：,循环元素的性质：即循环速率由循环元素的化学特性和被生物有机体利用的方式不同所致； 生物的生长速率：这一因素影响着生物对物质的吸收速度和物质在食物链中的运动速度； 有机物分解的速率：适宜的环境有利于分解者的生存，并使有机体很快分解，迅速将生物体内的物质释放出来，重新进入循环。,13,全球生物地球化学循环分为三大类型：水循环、气体型循环和沉积型循环。,二、生物

6、地球化学循环的类型,14,水循环（water cycle）是水分在各库之间的转移形成的，水循环既能实现水分本身的循环，又对其它物质的循环起推动作用，是生态系统中最重要的循环形式之一。 气体循环(gaseous cycle)，又称气相循环，即多以气体形态（碳、氮、氧、氯、氟等）参与物质转移的循环。特点：物质流通速度快，循环周期短，物质的蓄库通常以大气和水体为主。 沉积循环(sedimentary cycle)指以土壤与岩层为主要蓄库的物质循环，像硫、磷、钙和金属类元素参与的物质循环。特点：物质流通速度慢，循环周期长。,15,1.水循环,16,（1）水的生态学意义 水及水循环对生命与生态系统最为重

7、要 生命存在前提。无水，生命就不可能存在。水是生物体的构成成份之一，植物体60-80%由水构成，动物60%也是由水分组成。 维持生命活动的必要条件。生物体内的各种生理生化活动，基本上都是以水分作为媒介来完成的。如植物的根系吸收养分，只有借助于水才能运输到植体的茎、叶、花等各部分（生物完成生长与繁殖活动）。 水有防止环境温度发生剧烈波动的重要调节作用。,17,水分对生态系统的各类物质循环起到推动作用（动力） 水分是地质变迁的动力，使营养物质从生物的不可利用状态变成可利用状态；水分还能同其它营养物质循环交织在一起，对营养物质进入生态系统、被生物群落吸收利用，以及释放起着积极的促进作用。 没有水循环

8、就没有生物地球化学循环。,18,（2）水资源分布,19,（3）水循环过程,水循环的动力学模型（Odum, 1989）,20,大循环：水从海洋蒸发，被气流运送到陆地上空，经降水(降雨与降雪)落到地面，部分被植物吸收利用，部分以地表径流的形式，重新归还海洋； 小循环：水分在海洋与大气，或者陆地与大气之间的移动过程，如陆地上空的水分以降雨的形式到达植物群落，一部分水分又通过蒸腾、蒸散作用又回到大气的过程。,（4）水循环的类型,21,（6）影响水循环的因素,影响水循环的因素很多，主要有地球表面的辐射平衡（热量平衡）、大气环流、地面的地貌地形，以及植被与人类活动的干扰； 人类对植被破坏，减少了植被对水循

9、环的调节能力，水分循环在局部地区遭到破坏，导致水土流失与干旱等许多生态灾难。,22,从农业入手 大力发展农业的节水灌溉技术 （滴灌、微喷灌、地下渗灌等）,23,科学用水，提高用水效率。与发达国家相比，我国单方水的GDP产出量仍低于发达国家。这表明，随着经济实力的增长，通过结构的调整，用水效率的提高，节水尚有较大潜力。,24,25,2. 气体循环,碳循环 氮循环,26,碳循环 碳是生物体构成的基本成份之一，占有机体干物质约45；地球上碳的固定是生物生产力的重要指标；碳循环对全球气候变化影响极大。 碳循环：气圈土壤岩石圈 碳循环：起始于大气CO2库；经植物光合作用固定，以各种碳化物的形式贮存，再经

10、营养级的传递被分解，在这个过程中，部分碳通过呼吸作用回到大气中，另一部分成为动物体的组分，动物排泄物和动植物残体中的碳，则由微生物分解为二氧化碳，再回到大气中。,27,Biological processes,28,29,（1）蓄库：大气、海洋、岩石、生物体、土壤 大气蓄库：CO2/CO，为7.51011 T，占大气比例的0.0026%， 海洋蓄库：储量丰富，为3.81012 TC，是大气的50倍（地球之肺），以碳酸盐或碳化物的形式存在于海洋和海洋生物体 最大碳蓄库：岩石圈，以石油、煤等化石燃料形式存在，占地球上碳总量99.9%。,30,31,碳循环有大循环和小循环。大气CO2是大、小循环的共

11、同蓄库； 植物是碳循环的重 要调节器； 植物进行光合作用 是从大气中摄取碳，同时 动物、微生物等也进行 呼吸与代谢分解，向大 气中释放CO2； 土壤是碳循环的活跃 部分。,由于植物调节，地面大气 CO2浓度存在明显的日变化 与年变化。白天和夏季由于 光合作用，大气的CO2浓度 相对较低，夜间与冬季则恰 好相反,32,（2）汇源关系 源（source）：释放CO2蓄库 汇（sink）：吸收CO2蓄库 失汇（missing sink）？,净释放量,化石燃料 6.0,+ 陆地植被破坏 0.9,= 大气中含量上升 3.2,+ 海洋吸收 2.0,+ 未知的汇 1.7,碳循环的净变化,Schlesinge

12、r (1997) 提供的当今全球碳循环收支如下：,人类活动释放的CO2大约有25%的全球碳流的汇是科学界尚未研究清楚的，这就是著名的失汇现象。,33,温室气体 (H2O, CO2, CH4, CFCs, N2O, 臭氧),地表,（3）后果温室效应（Greenhouse Effect）,34,冰山冰川融化，海水平面上升 2100年海平面上升15cm以上，城市与良田淹没，世界一半的人在沿海。北极冰层面积缩小，2/3的北极熊50年内消失。,35,灾害频率发生（El Nino，洪涝与干旱）。气候剧烈变动， 特别是极端气候事件。炎热与剧冷，欧州的西伯利亚气候趋向 生物多样性变化（动植物影响大） 全球变化

13、持续下去，将有超过20%的物种灭绝,36,（4）原因 工业生产，大量化石燃料，煤、石油等，每年放出碳60亿T，几乎全部以CO2形式释放,37,牛（反刍打嗝排气也可放出甲烷）,家畜产甲烷的估计量,38,植被破坏，生态系统固碳能力下降 每年森林减少，我国草原减少3% 森林的固碳能力最大：3.6109 TCy，贮存 482 109 TC，相当于大气2/3,39,应对措施 政治性议题 国际合作1987蒙特利尔 1998京都议定书 联合国气候变化框架公约 经济问题 英国政府2006.10.30报告（首次由经济学家），估计对全球变暖的世界性不作为，每年环境造成的损失相当于全球GDP的5-20，超过两次世界

14、大战及20世纪30年代经济萧条损失的总和！,40,CO2控制或减排技术,41,替代燃料的发展 酒精（乙醇汽油） 发展能源植物（生物质能） 保护绿地（自然与人工生态系统） 使生态系统具有双重功能(欧洲的农田),2008年美国将消耗1.3亿吨 玉米（产量一半）生产乙 醇燃料！,42,氮循环,43,重要性氮是蛋白质的基本组分，生物结构的原料；对第一性生产者极为重要； 与碳循环相比，氮循环更复杂（多种化学形态，7种以上） 大气中的氮必须通过固氮作用才能进入生态系统，参与循环 天然固氮包括生物固氮和闪电等高能固氮，生物固氮约140106 TN/a，闪电固氮3106 TN /a 人工固氮率已经超过了天然固

15、氮,（1）氮素的性质,44,中国,氮肥总产 世界 10000 万 T 美国 1200万 T 印度 900 万 T,45,大气是最大氮库（3.91015 TN） 土壤的氮库3.5109TN 陆地植被的氮库95140109 TN 海洋氮库巨大，可达5.7 1011TN，但它沉埋于海底，长久离开了生物循环。,46,固氮作用(nitrogen fixation) 参加生物包括自生固氮菌(Azotobacter)，共生在豆科植物根瘤和其他一些植物的根瘤菌（Rhizobium），蓝细菌（Cyanobacteria）。 意义 在全球尺度上平衡反硝化作用； 在缺氮环境里（熔岩流过和冰河退出后的地方），固氮生物

16、是先锋生物，体现出固氮在局域尺度上的重要性； 只有通过固氮作用大气中的氮才能进入生物循环。,（2）氮循环过程,47,. 氨化作用（ammonification）：蛋白质通过水解降解为氨基酸，然后氨基酸中的碳（不是氮）被氧化而释放出氨（NH3）的过程。 . 硝化作用（nitrification）：是氨的氧化过程。首先土壤中的亚硝化毛杆菌（Nitrosomonas）或海洋中的亚硝化球菌（Nitrosococcus），将氨转化为亚硝酸盐（NO2-）；然后进一步由土壤中的硝化杆菌（Nitrobacter）或海洋中的硝化球菌（Nitrococcus）氧化为硝酸盐（NO3-）。,48,. 反硝化作用（de

17、nitrification） 首先将硝酸盐还原为亚硝酸盐，释放NO。这出现在陆地上有渍水和缺氧的土壤中，或水体生态系统底部的沉积物中，它由异养类细菌所完成，然后亚硝酸盐进一步还原产生N2O和分子氮（N2），这两者都是气体。,49,由微生物推动的氮素循环,50,51,（3）氮污染 迄今CO2排量增加10，N几乎增加一倍！,N pollution source,52,三聚氰胺知多少？,53,3. 沉积型循环,矿质元素通过岩石风化等作用释放出来参与循环，又通过沉积等作用进入地壳而暂时离开循环。所以沉积型循环往往是不完全的循环。 磷不存在任何气体形式的化合物，所以磷是典型的沉积型循环物质。,54,磷是

18、生物与生态系统中不可缺少的营养元素之一，生物代谢的过程都需要磷的参与，磷是核酸、细胞膜、生物骨骼的主要成分。 磷循环的起点源于岩石的风化，终于水中的沉积。由于风化侵蚀作用和人类的开采，磷被释放出来，由于降水成为可溶性磷酸盐，经由植物、草食动物和肉食动物而在生物之间流动，待生物死亡后被分解，又使其回到环境中。溶解性磷酸盐也可随着水流，进入江河湖海，并沉积在海底。其中一部分长期留在海里，另一些可形成新的地壳，在风化后再次进入循环。,磷循环,55,56,57,内循环与外循环 内循环 岩石土壤中的磷（可溶性）经过陆地植物的吸收转化，生成植物组成成份，而后又经过草食动物到肉食动物的利用再转化，最后又被微

19、生物分解释放； 被微生物分解的磷，一部分成为可利用的磷酸盐，另一部分成为不可利用的磷酸盐，它们或者归还到土壤被植物重新利用，或者流入河川、流到大海中。,58,外循环 外循环是在海洋生态系统中进行的磷转移变化过程，海洋中植物（海藻）吸收海水中的可溶性磷酸盐，经过鱼、鸟类的逐级捕食，形成鸟类排泄物，或生物残体在海洋中重新被植物利用或沉入海底循环利用 内、外循环的联结方式 鸟类作用 人工将鸟粪变成磷肥，通过海鸟将富集的磷转移到陆地生态系统 人类捕获大量的海产品（海草、鱼虾、贝类等）， 海产品以食物形式进入内循环的食物链 磷是可溶性的，但没有挥发性，所以除了鸟粪和对海鱼的捕捞，磷没有再次回到陆地的有效

20、途径。,59,磷肥工业生产对地球磷循环影响较大。磷肥的投入，加速了磷的循环速度。 富营养化 含有大量磷、氮的废水与化肥的排放，使水体的某些藻类急剧生长，某些藻类与水生生物(浮游生物与鱼)死亡，水质受到污染产生富营养化（eutrophication）。,60,赤潮的危害： 1）影响水体pH和光照度，赤潮时pH可达8.5以上； 2）竞争性消耗水体中的营养物质，并分泌一些抑制其他生物生长的物质，造成水体中生物量增加，但种类数量减少； 3）赤潮生物含有毒素，使海洋动物生理失调或死亡，许多海鸟、海狮、海鲸均可因赤潮生物毒素的积累和食物链传递作用而中毒死亡或生长繁殖受到影响； 4）处在消失期的赤潮大量死亡分解，水中溶解氧大量被消耗；同时在缺氧条件下，分解的赤潮生物产生大量有害气体，海洋有可能受到严重危害。,61,Redfield ration Redfield discovered an unexpected congruence in C:N:P in numerous regions in the worl