第二讲 土壤生态在陆地生态系统中的地位

1、1 第二讲 土壤生态在陆地生 态系统中的地位 一一 土壤生态系统是可解剖的实体土壤生态系统是可解剖的实体 二二 土壤是陆地生物所需水分的枢纽土壤是陆地生物所需水分的枢纽 三三 土壤是能流的转化机土壤是能流的转化机 四四 土壤是生物养分库土壤是生物养分库 五五 土壤是消毒净化器土壤是消毒净化器 2 一 土壤生态系统是可解 剖的实体 3 是研究生物与周围环境和无机环境相互关系及机理的科 学。 生态学定义 传统的生态学要在有机体（Organism）、种群 （Population）、群落（Community）和生态系统 （Ecosystem）水平上探索生命系统的奥秘。因此，生态 学是以生物个体、种群、

2、群落和生态系统甚至是生物圈 （Biosphere）作为它的研究对象。 研究对象 生物圈 生态系统 群落 种群 个体 器官 组织 细胞 分子 研究层次 按生命层次：分子（基因）、细胞、器官、个体、种群、 群落、生态系统、生物圈和全球生态学。 生物分类：动物、植物、微生物等； 按栖所：淡水、海洋、河口、陆地、森林、草地、荒漠 等； 边缘科学：数学生态学、化学生态学、进化生态学、生 理生态学、经济生态学、生态经济学、环境生态学； 应用生态学：农业、渔业、污染生态学等。 研究分支 4 什么是生态系统？什么是生态系统？ 英国生态学家坦斯勒（英国生态学家坦斯勒（Tansley）在）在20世纪世纪30年代提

3、出生态系年代提出生态系 统的概念，即在一定时间和空间内，生物与其生存环境以及生物与统的概念，即在一定时间和空间内，生物与其生存环境以及生物与 生物之间相互作用，彼此通过物质循环、能量流动和信息交换，形生物之间相互作用，彼此通过物质循环、能量流动和信息交换，形 成的一个不可分割的自然整体。成的一个不可分割的自然整体。 什么是土壤生态系统？什么是土壤生态系统？ 简单地说，土壤生态系统是土壤同生物与环境间的相互关系网简单地说，土壤生态系统是土壤同生物与环境间的相互关系网 络，或者说是物质流与能量流所贯穿的一个开放性网状系统。络，或者说是物质流与能量流所贯穿的一个开放性网状系统。 5 土壤生态系统 生

4、物 环境因子 土壤 能源因素 近地面的大气层 中直接左右生物群落生长发 育的光、热、水等。 生物地被带 包括地上和地 下生物群落及其所占有的空 间和根系所及的土层。 岩石风化带 既是矿质营养 元素与水分的补给地，也是 淋溶淀积地。 图21 土壤生态系统的结构组成 光合作用 腐解 呼吸作用矿质运输 6 二 土壤是陆地生物所需水分 的枢纽 7 图2-2 水循环示意图 107-水分通量/ n 103 km3/a ; (119)-水量/ n 103 km3 (据刘国纬, 1997) 8 水分在土壤生态系统中的运行方式 截取截取 渗透渗透 蒸发蒸腾蒸发蒸腾 地面径流地面径流 地下运移地下运移 9 图23

5、 降水流向(一) 降水 植物直接截取 而后蒸散 渗入土壤 并补充地下水 形成径流 进入集水区 供植物吸收或蒸发 10图24 降水流向(二) 13为植物为植物 截取蒸发截取蒸发 39%成为径流，成为径流， 由河湖入海。由河湖入海。 10渗入地下，渗入地下， 形成潜流。形成潜流。 38渗入土壤渗入土壤 及其岩层。及其岩层。 降水量流向，以 770mm地区为例 土壤蒸散土壤蒸散 人类利用人类利用 11 三 土壤是能流的转化机 碳是生物重要的生命物质，碳源在自然界碳是生物重要的生命物质，碳源在自然界 的存在形式多种多样，但为绿色植物光合作用的存在形式多种多样，但为绿色植物光合作用 所用的碳素只有空气中

6、游离的所用的碳素只有空气中游离的CO2及溶于水中及溶于水中 的的CO2，这为初级生产力提供了物质基础。初，这为初级生产力提供了物质基础。初 级生产者、次级生产者与分解者之间形成的整级生产者、次级生产者与分解者之间形成的整 个食物链的各项均涉及碳素循环。个食物链的各项均涉及碳素循环。 12 图25 全球碳循环 （引自：Schlesinger, 1997） 化石燃 料燃烧 陆地 植物 大气圈库 750 3.2/年 土地 植被的 净破坏 岩石 81,000,000 化石燃料 河流 海洋 库（10 15克C） 流通（10 15克C/年） 碳酸盐 13 CO2 植物固定植物固定 生物生物 物质物质 动物

7、食用动物食用 动植物残体动植物残体 土壤动物、微土壤动物、微 生物消耗生物消耗 腐殖质腐殖质 土土 壤壤 库库 土壤呼吸土壤呼吸 图26 能量转化机 14 四 土壤是生物养分库 植物生长发育不断从土壤中吸收矿质养分植物生长发育不断从土壤中吸收矿质养分 （主要有（主要有C、H、O、N、P、K、 Ca、Mg、 S、 Fe、 Mn 、B 、 Si、Al、Ba等），通过物质循环等），通过物质循环 过程使主要的植物营养元素在土壤库中不断富集，过程使主要的植物营养元素在土壤库中不断富集， 而一些植物不需要或需要量甚少的矿质元素以及而一些植物不需要或需要量甚少的矿质元素以及 某些易溶性元素则通过淋溶而丢失，

8、导致贫化，某些易溶性元素则通过淋溶而丢失，导致贫化， 从而引起植物缺素。从而引起植物缺素。 下面就下面就N、P、 S的循环说明土壤生态系统在的循环说明土壤生态系统在 陆地生态系统中的作用与地位。陆地生态系统中的作用与地位。 15 图27 全球氮循环 （引自：麻省理工学院基础生态学讲义） 动物蛋白 腐烂 氨气 NH3 工业 固氮大气中 的N2 生物 固氮 蛋白质 （植物和 微生物） 亚硝酸盐 NO2- 硝化 细菌 硝酸盐 NO3- 闪电 反硝化 细菌 （部分被人类和动物利用） 16 图28 生物固氮的机制 利用固氮酶的酶复合体，固氮酶由两个蛋白组成 一个铁蛋白和一个钼铁蛋白。 铁蛋白被 铁氧还蛋

9、白提 供的电子还原。 然后还原的铁 蛋白结合ATP 并还原钼铁蛋 白，后者提供 电子给N2，生 成HN=NH。 在该过程的进 一步的两个循 环中（每个循 环都需要铁氧 还蛋白提供电 子）， HN=NH被还 原成H2N-NH2， 接着又被还原 成2NH3。 氧化的铁氧还蛋白还原的铁氧还蛋白 还原的铁蛋白氧化的铁蛋白 氧化的钼铁蛋白还原的钼铁蛋白 2H+ NH=NH NH2-NH2 NH3 NH2 NH=NH NH2-NH2 2e 2e ATP 2e 17 活性P 5.5 风力输入的P 0.95 海平面 土壤 102.5 总河流输入P 22 90% 10% 96.8 埋藏于海洋盆地的 P 2.85

10、 埋藏于大陆架的 P 2.85 碎屑P 16.5 总沉积储存库：41021克 可开采的：21015克 人工开采的：1.41012克 单位：1012克 图29 全球磷循环 （引自：麻省理工学院基础生态学讲义） 不像C、N和其他重要的生物元素，P在一般的环境温度和气压下不以气体的状态存在。 18 岩石& 土壤 湖泊& 河流 地表 径流 分解 ATP 动物消费 代谢 PO43- 植物吸收 无机磷 图210 磷循环（简图） 19 死的有机物质 发电厂 煤矿开采光合作用细菌 化学合成 光合作用 有机S 有机S 浮游生物 red：还原作用 ox：氧化作用 im：不流动 mob：流动 图211 全球硫循环 （引自：麻省理工学院基础生态学讲义） 包括两部分：气体型和沉积型。参与影响该循环的人类活动包括煤矿开采的排酸和化石燃料燃烧。 20 图212 生态系统中的硫循环 （引自柯夫达生态学原理，1983） 原生质 植物 动物 水循环 硫酸盐 （在土壤和沉积物中） 硫化物 （在土壤和沉积物中） 氧化作用还原作用 还原作用氧化作用 无机硫和 岩石中的化石能燃料 蛋白质合成 细菌 火山喷发 燃烧 过滤去除 矿化作用 降雨或 降尘 21 图213 硫的生物学 氧化的还原的 同化 矿化 （分解） 需要能量 释放能量 有机S S 22 五 土壤是消毒净化器 过去