生态系统中物质循环

1、第第1313章章 生态系统中的物质循环生态系统中的物质循环物质循环与能量流动物质循环与能量流动2 13.1 13.1 物质循环的一般特征物质循环的一般特征 生物地生物地球化学循环球化学循环：生态系统生态系统从大气、水体和土壤从大气、水体和土壤等等环境中环境中获得获得营养物质营养物质，通过，通过绿色植物绿色植物吸收，进入吸收，进入生态系统，被其他生态系统，被其他生物重复利用生物重复利用，最后再，最后再归还于环归还于环境境中的过程。中的过程。这一过程这一过程包括包括生物生物与与非非生物生物二者二者的参与的参与, , 同同时时也包含一些也包含一些地地质与质与地理作用地理作用在內在內, , 因此因此称

2、为称为生物地生物地球化学循环。球化学循环。 生物小循环生物小循环：环境中元素经生物吸收，在生态系统：环境中元素经生物吸收，在生态系统中被相继利用，然后经过分解者的作用再为生产者中被相继利用，然后经过分解者的作用再为生产者吸收、利用。吸收、利用。化石作用化石作用化石燃料的侵蚀，燃烧化石燃料的侵蚀，燃烧煤、石油、煤、石油、泥炭泥炭风化剥蚀风化剥蚀形成沉积岩形成沉积岩有机物有机物营养物质营养物质可利用可利用有机物有机物营养物质营养物质不可利用不可利用呼吸，分解，呼吸，分解，排泄物排泄物光合，光合，同化作用同化作用无机物无机物营养物质营养物质可利用可利用大气，大气，土壤、水体土壤、水体活的有机体，活的

3、有机体，碎屑碎屑无机物无机物营养物质营养物质不可利用不可利用岩石中的矿物岩石中的矿物生物小循环生物小循环5 植物吸收植物吸收合并为植物组织合并为植物组织营养物质营养物质以死的有机物形式以死的有机物形式返还返还森林地表森林地表分解作用分解作用（矿化作用）（矿化作用）矿物营养物质矿物营养物质（1 1）物质循环的基本概念）物质循环的基本概念l库库： 贮存一定数量元素贮存一定数量元素的某种的某种称为该称为该元素的元素的库库 生态系统中各组分都是物质循环的库生态系统中各组分都是物质循环的库 植物库、动物库、土壤库、水体库等植物库、动物库、土壤库、水体库等 l流通率流通率：单位时间、单位面积（体积）的物质

4、转移量。：单位时间、单位面积（体积）的物质转移量。l周转率周转率：流通率流通率/ /库库中中营养物质总量。营养物质总量。l周转时间周转时间：库：库中中营养物质总量营养物质总量/ /流通率流通率 （2 2）影响物质循环速率的因素）影响物质循环速率的因素 元素的性质元素的性质：有的元素循环的速率：有的元素循环的速率快快，而，而有的则比较有的则比较慢慢，这是元素化学特性和被生物，这是元素化学特性和被生物有机体利用的方式不同所决定的。有机体利用的方式不同所决定的。如CO2 1年,N 100万年。 生物的生长速率生物的生长速率：决定生物对：决定生物对物质吸收的速率以及物质在以及物质在食物网中运动的速度。

5、度。 有机物质腐烂的速率有机物质腐烂的速率：适宜的环境有利：适宜的环境有利于分解者的生存，并使有机体很快分解，于分解者的生存，并使有机体很快分解，供生物重新利用供生物重新利用 人类活动的影响人类活动的影响： 开垦农田、砍伐森林引起土壤矿物质的开垦农田、砍伐森林引起土壤矿物质的流失，影响物质循环速率；流失，影响物质循环速率； 化石燃烧化石燃烧把把硫硫和二氧化硫释放大气中。和二氧化硫释放大气中。 （4 4）生物地球化学循环的类型）生物地球化学循环的类型 气体型循环气体型循环 贮存库是贮存库是大气大气和和海洋海洋； 有气体形式的分子参与循环过程；有气体形式的分子参与循环过程； 循环速度快循环速度快，

6、例如，例如COCO2 2、N N2 2、O O2 2等等 沉积型循环沉积型循环 贮存库是贮存库是岩石岩石、土壤土壤和和沉积物沉积物 没有气体形式的分子参与循环过程没有气体形式的分子参与循环过程 循环速度慢循环速度慢，时间以千年计算，例如，时间以千年计算，例如P P、CaCa、MgMg等等 水循环水循环 水的全球循环过程水的全球循环过程 生态系统生态系统中所有的中所有的物质循环物质循环都离不开都离不开水循环水循环的推动。的推动。13.2 13.2 全球水循环全球水循环 水循环水循环：太阳能推动，在陆地、大气和海洋：太阳能推动，在陆地、大气和海洋间循环间循环 地表总水量地表总水量：1.41.410

7、109 9kmkm3 3，海洋约占，海洋约占97%97% 水的循环水的循环： 陆地陆地：蒸发：蒸发( (蒸腾蒸腾)71,000km)71,000km3 3，降水，降水111,000km111,000km3 3 ，径流径流40,000km40,000km3 3 海洋海洋：蒸发：蒸发425,000km425,000km3 3，降水，降水385,000km385,000km3 3一、地球上水的分布一、地球上水的分布 ： v ：矿物、岩石中的水；地表上的海洋、河流、冰川、湖泊、沼泽、地下水、冰雪圈；生物有机体中的水等等；大气中的大气中的水水。：估算值有差异。15亿km3（国际水文学会，1970年）：海

8、洋27002800m、冰雪50m、地下水15m、陆地水0.41m、大气0.03m。水循环水循环：降水、径流、蒸发三个阶段降水包括雨、雪、雾、雹等形式；v径流是指沿地面和地下动着的水流，包括地表径流和地下径流；v蒸发包括水面蒸发、植物蒸腾、土壤蒸发等。水循环分为水循环分为: 大循环、小循环。水循环的更新周期水循环的更新周期：地下冰、极地冰盖约1万年；海水2500年；深层地下水1400年；湖泊数年数十年；土壤水280天1年；河川1020天；大气水89天；生物数小时。水循环 生态系统中的水循环生态系统中的水循环截留截留穿透雨穿透雨蒸腾蒸腾渗透渗透土壤吸收土壤吸收地表地表径流径流地下径流地下径流消费者

9、消费者地面蒸发地面蒸发13.3 13.3 碳循环碳循环 碳的重要性碳的重要性：生命元素、能量流动。：生命元素、能量流动。 碳库碳库：海洋和大气、生物体：海洋和大气、生物体 碳的存在形式碳的存在形式：COCO2 2，无机盐，有机碳。，无机盐，有机碳。 主要循环过程主要循环过程 生物的同化和异化过程生物的同化和异化过程 大气和海洋间的大气和海洋间的COCO2 2交换交换 碳酸盐的沉淀作用碳酸盐的沉淀作用 人类活动人类活动对对碳循环碳循环造成严重造成严重影响：影响：引起气候变化引起气候变化的主要原因。的主要原因。（1）海洋和大气CO2调节CO2CO2溶 于海水H2CO3水体中生物H+CO32- Ca

10、CO3海底沉积物碳循环 温室效应：温室效应：大气中对长波辐射具有屏蔽作用的温室气体浓大气中对长波辐射具有屏蔽作用的温室气体浓度增加使较多的辐射能被截留在地球表层而导致温度上升；度增加使较多的辐射能被截留在地球表层而导致温度上升； 温室气体温室气体：、氧化亚氮、氧化亚氮(N(N2 2O)O)、六氟化碳六氟化碳(SF(SF6 6) )、氟氯碳化物、氟氯碳化物 (CFCs)(CFCs)、氢氟碳化物、氢氟碳化物(HFCs)(HFCs)等；等； 温室效应的影响温室效应的影响 海平面上升，淹沒陆地海平面上升，淹沒陆地; ; 全球气候经常发生暴雨或干旱全球气候经常发生暴雨或干旱; ; 土地沙漠化，生态环境改

11、变土地沙漠化，生态环境改变. .（2 2）温室效应）温室效应20 CO2排放13.4 13.4 氮循环氮循环 氮的重要性氮的重要性： 氮库氮库：大气、土壤、陆地植被（生物体）：大气、土壤、陆地植被（生物体） 生物生物可利用的可利用的氮的形式氮的形式：NONO3 32-2-、NONO2 22-2-、NHNH4 4+ + 氮循环氮循环的主要的主要过程过程： 固氮作用固氮作用 氨化作用氨化作用 硝化作用硝化作用 反硝化作用反硝化作用 氮循环 23 亚硝酸盐亚硝酸盐 大气N2库尸体、废物尸体、废物 植物吸收植物吸收 初级生产初级生产消费者消费者细菌、碎屑细菌、碎屑豆类根系、土豆类根系、土壤中壤中固氮菌

12、固氮菌细细菌，氮气菌，氮气：氨：氨：亚硝酸盐：亚硝酸盐固氮作用固氮作用 类型类型 闪电、宇宙射线、火山爆发等闪电、宇宙射线、火山爆发等：高能固氮；：高能固氮； 工业固氮工业固氮：400400摄氏度，摄氏度，200200大气压下大气压下 生物固氮生物固氮：固氮菌、与豆科植物共生的根瘤菌和：固氮菌、与豆科植物共生的根瘤菌和蓝藻等自养和异养微生物。蓝藻等自养和异养微生物。 意义意义 平衡平衡反硝化作用反硝化作用 对对局域缺氮环境局域缺氮环境有重要意义有重要意义 使使氮氮进入进入生物循环生物循环氨化作用、硝化作用和反硝化作用氨化作用、硝化作用和反硝化作用 氨化作用氨化作用：由氨化细菌和真菌的作用将：由

13、氨化细菌和真菌的作用将分解成为分解成为氨和氨化合物。氨和氨化合物。氨溶水成为氨溶水成为NHNH4 4+ +，再为，再为植物利用。植物利用。 硝化作用硝化作用：在通气良好的土壤中，：在通气良好的土壤中，氨化合物氨化合物被被亚硝酸盐细菌和硝酸盐细菌氧化为亚硝酸盐细菌和硝酸盐细菌氧化为亚硝酸盐亚硝酸盐和和硝酸盐硝酸盐，供，供植物吸收利用。植物吸收利用。 反硝化作用反硝化作用：反硝化细菌将：反硝化细菌将亚硝酸盐亚硝酸盐转变成转变成、，回到，回到中。中。13.5 13.5 磷循环磷循环l磷循环磷循环属典型的属典型的沉积循环沉积循环l磷以不活跃的地壳作为主要贮存库磷以不活跃的地壳作为主要贮存库l磷循环过程

14、：磷循环过程： 岩石岩石释放的释放的磷酸盐、农业磷酸盐、农业的的磷肥；磷肥；被被植物吸收植物吸收进入植物进入植物体内；体内； 沿沿食物链食物链传递，并以传递，并以粪便粪便、残体残体或直接以或直接以枯枝落叶枯枝落叶、秸秸秆秆归还归还； 含含磷有机化合物磷有机化合物经土壤微生物的经土壤微生物的分解分解，转变为，转变为可溶性的可溶性的磷酸盐磷酸盐，可再次供给，可再次供给植物吸收利植物吸收利用，这是用，这是。 一部分磷脱离生物小循环进入一部分磷脱离生物小循环进入 动植物遗体在陆地表面的磷矿化动植物遗体在陆地表面的磷矿化 磷受水的冲蚀进入江河，流入海洋。磷受水的冲蚀进入江河，流入海洋。 27 溶解P：土

15、壤水、河湖土壤水、河湖溶解P海洋形成海洋沉积形成海洋沉积岩石成分海洋食物网陆地食物网肥料肥料采矿采矿沉淀沉淀风化风化沉积沉积淋溶、流出淋溶、流出地质隆起地质隆起海鸟粪海鸟粪1-风化风化自养生物自养生物吸收吸收自养生物自养生物吸收吸收死亡死亡分解分解死亡死亡分解分解一个池塘生态系统的磷循环28 梭子鱼梭子鱼 鲤科小鱼鲤科小鱼 枝角目枝角目 硅藻硅藻 29 生态系统的磷循环13.6 13.6 硫循环硫循环30 酸雨的形成伦敦烟雾事件伦敦烟雾事件 伦敦伦敦19521952年年2 2月月5 5日到日到8 8日，雾大无风，日，雾大无风，家庭和工厂排出的烟尘经久不散，大气家庭和工厂排出的烟尘经久不散，大气

16、中中SO2含量含量3.8mg/m3，4.5mg，居民，居民普遍呼吸困难、咳嗽、喉痛、呕吐和发普遍呼吸困难、咳嗽、喉痛、呕吐和发烧，烧， 13.7 13.7 有毒有害物质循环有毒有害物质循环：对有机体有毒有害物质：对有机体有毒有害物质进入生态系统后，沿着食物链在生物体内富进入生态系统后，沿着食物链在生物体内富集或被分解的过程集或被分解的过程 ：某些物质当他们沿食物链移：某些物质当他们沿食物链移动时，动时，而是而是浓集在有机体的组织浓集在有机体的组织中，这一现象称为中，这一现象称为生物放大作用。生物放大作用。 有毒有害物质循环的实例（有毒有害物质循环的实例（1 1） DDT DDT 人工合成的人工

17、合成的有机氯杀虫剂有机氯杀虫剂； 不溶于水，而溶于脂肪不溶于水，而溶于脂肪，极易通过，极易通过食物链而浓集；食物链而浓集； 危害危害 通过通过食物链进入动物体后食物链进入动物体后，使，使钙代谢功能丧失。钙代谢功能丧失。如：使鸟类蛋壳变薄雌鸟孵卵时将蛋压破，从而使禽类的数量减少。 消灭害虫的同时，无选择地将消灭害虫的同时，无选择地将益虫、益鸟和害益虫、益鸟和害虫的天敌虫的天敌杀死；杀死； 如美国加利福尼亚州，由于滥用DDT，1967年有19%的蜜蜂被杀死，导致水果和蜂蜜急剧减产.BIOMAGINIFICATION OF DDTBIOMAGINIFICATION OF DDT水体中的水体中的DTT

18、DTT浓度约为浓度约为0.00005ppm 0.00005ppm 浮游生物浮游生物 0.04 0.04 ppmppm 刚毛藻刚毛藻 0.08 0.08 ppmppm 网茅网茅 0.33 0.33 ppmppm 螺螺 0.26 0.26 ppmppm 蛤蛤 0.42 0.42 ppmppm 鱼鱼 1.24 1.24 ppmppm 燕鸥燕鸥 3.42 3.42 ppmppm 河鸥幼体河鸥幼体 55.3 55.3 ppmppm 成体成体18.5 18.5 ppmppm 秋沙鸭秋沙鸭 22.8 22.8 ppmppm 鹭鸟鹭鸟 26.4 26.4 ppmppm 银鸥银鸥 75.5 75.5 ppmpp

19、m有毒有害物质循环的实例有毒有害物质循环的实例汞汞v日本熊本县水俣市日本熊本县水俣市把含汞的未加处把含汞的未加处理的废气废渣排入水俣湾，汞进入理的废气废渣排入水俣湾，汞进入鱼虾体内，经食物链传递到人体内鱼虾体内，经食物链传递到人体内积存，引起积存，引起； v19531953年开始出现发病，病人手脚麻年开始出现发病，病人手脚麻木，听觉失灵，运动失调，严重时木，听觉失灵，运动失调，严重时呈疯癫状态，直至死亡，人称呈疯癫状态，直至死亡，人称水俣水俣（yu3）病（）病（Minamata）； v水俣湾中水俣湾中螃蟹体内含汞螃蟹体内含汞24ppm24ppm，受，受害人肾中含害人肾中含14ppm14ppm，而鱼的允许水，而鱼的允许水平为平为0.5ppm0.5ppm。本本