生态系统生态学物质循环

1、会计学1生态系统生态学物质循环生态系统生态学物质循环物质循环是生态系统的又一大功能。物质是能量流动的载体，能量是物质循环的动力生态系统能量流动与物质循生态系统能量流动与物质循环的关系环的关系物质在循环过程中被暂时固定、物质在循环过程中被暂时固定、储存的场所储存的场所贮存库：容积大、活动慢，一般为非生物成分，如岩石、沉积物等 交换库：容积小、活跃，一般为生物成分，如植物库、动物库等。 流流(flow):(flow):流通率：单位时间、单位面积内通过的营养物质（量），通常用绝对值表示（物质/单位面积单位时间）周转率：系统达到稳定状态后，库中的物质在单位时间所流出的量或流入的量占库存总量的比例 周转

2、率=流通率/库中营养物质总量周转时间：库中营养物质总量/流通率,含义为移动库中全部营养物质所需要的时间。 物质在库与库之间的转移运动状态在一个具体的生态系统层次上进行在一个具体的生态系统层次上进行物质在整个生物圈各圈层之间的物质在整个生物圈各圈层之间的循环。循环。范围大，周期长，是闭合的循环范围大，周期长，是闭合的循环 根据根据物质在循环时所经历的路径不同，从整个物质在循环时所经历的路径不同，从整个生物圈的观点出发，并根据物质循环过程中是否有生物圈的观点出发，并根据物质循环过程中是否有气相的存在，生物地球化学循环可分为气相的存在，生物地球化学循环可分为v生态系统中所有的物质循环都是在水循环的推

3、动下完成的，因此，没有水的生态系统中所有的物质循环都是在水循环的推动下完成的，因此，没有水的循环，也就没有生态系统的功能，生命也将难以维持。循环，也就没有生态系统的功能，生命也将难以维持。v地球上的水时刻都在运动，不断地从一个系统输出，进入另一个系统。陆地地球上的水时刻都在运动，不断地从一个系统输出，进入另一个系统。陆地水、大气水和海洋水通过固体、液体和气体的三相变化，不停地进行着交换水、大气水和海洋水通过固体、液体和气体的三相变化，不停地进行着交换和运输，这种变换形成了水循环的独特性。和运输，这种变换形成了水循环的独特性。 v水的运动包括水平移动和垂直移动。水平移动，在地面是以液态水自高向低

4、水的运动包括水平移动和垂直移动。水平移动，在地面是以液态水自高向低的流动，在空中以气态水随气流移动。垂直移动主要是，由于阳光照射，的流动，在空中以气态水随气流移动。垂直移动主要是，由于阳光照射，江、河、湖、海和土壤中的一部分水变成水蒸汽，进入大气。植物从根部江、河、湖、海和土壤中的一部分水变成水蒸汽，进入大气。植物从根部吸水，经蒸腾作用以及动物体表蒸发出来的水分进入大气中。大气中的水吸水，经蒸腾作用以及动物体表蒸发出来的水分进入大气中。大气中的水蒸汽遇冷，以雨、雪等形式回到地面。蒸汽遇冷，以雨、雪等形式回到地面。 l水的主要蓄库是海洋。在太阳能的作用下通过蒸发把海水转化为水气，进入大水的主要蓄

5、库是海洋。在太阳能的作用下通过蒸发把海水转化为水气，进入大气。地表总水量：气。地表总水量：1.41.410109 9kmkm3 3，海洋约占，海洋约占9797% %。l在大气中，水气遇冷凝结、迁移，又以雨的形式回到地面或海洋。当降水到达在大气中，水气遇冷凝结、迁移，又以雨的形式回到地面或海洋。当降水到达地面时，有的直接落到地面上，有的落在植物群落中，并被截留大部分，有的地面时，有的直接落到地面上，有的落在植物群落中，并被截留大部分，有的落在城市的街道和建筑物上，很快流失。有些直接落入江河湖泊和海洋。落在城市的街道和建筑物上，很快流失。有些直接落入江河湖泊和海洋。l冰川、河流、湖泊、海洋表层的水

6、及土壤中的水则通过不断蒸发作用进入大气冰川、河流、湖泊、海洋表层的水及土壤中的水则通过不断蒸发作用进入大气。或者。或者以液态经过河流和地下水最后返回海洋。以液态经过河流和地下水最后返回海洋。降雨降雨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径地表径流流地下径流地下径流消费者消费者地面蒸发地面蒸发气体型循环（气体型循环（gaseous gaseous cycle): cycle): 其贮存库是大气和海洋。其贮存库是大气和海洋。气相循环把大气和气相循环把大气和海洋相联系，具有明显的全球性，循环性能最为完善。元素或化合物可以转海洋相联系，具有明显的全球性，循环性能最为完善。元素或化合物

7、可以转化为气体形式参与循环过程。气体循环速度比较快，例如化为气体形式参与循环过程。气体循环速度比较快，例如COCO2 2、N N2 2、O O2 2等。物等。物质来源充沛，不会枯竭。质来源充沛，不会枯竭。碳的来源及储存：碳的来源及储存：l是一切生物体中最基本的成分，有机体干重的是一切生物体中最基本的成分，有机体干重的45%45%以上是碳。以上是碳。l地球上碳的储存量约为地球上碳的储存量约为2.62.610101616t t。碳的储存库：碳的储存库：l岩石圈：占总量的99.9%，主要以碳酸盐形式存在；l大 气：大气中CO2的含量约为0.0126%，总量约7000108 t，每年只有200-300

8、103t为光合作用利用，却有1000108 t以碳酸盐形式溶于水，并流入大海；l海 洋：海洋中CO2的含量约为0.1%；含碳量是大气的50倍l森 林：约储存碳1.71010 t，相当于大气中碳的2/3。碳循环的重要意义碳循环的重要意义：l碳是构成生物有机体的最重要的元素，因此，生态系统碳循环研究成碳是构成生物有机体的最重要的元素，因此，生态系统碳循环研究成了系统能量流动的核心问题。了系统能量流动的核心问题。l人类活动通过化石燃料的大规模使用，从而造成对于碳循环的重大影人类活动通过化石燃料的大规模使用，从而造成对于碳循环的重大影响，可能是当代气候变化的主要原因响，可能是当代气候变化的主要原因碳循

9、环的主要过程碳循环的主要过程：l生物的同化作用和异化作用，主要是光合作用和呼吸作用。生物的同化作用和异化作用，主要是光合作用和呼吸作用。l大气和海洋之间的二氧化碳交换大气和海洋之间的二氧化碳交换l碳酸盐的沉淀作用碳酸盐的沉淀作用 碳循环碳循环在生态系统中基本上是伴随着光合作用和能量流动的过程而进行的，在生态系统中基本上是伴随着光合作用和能量流动的过程而进行的，其主要特点有：其主要特点有：l 绿色植物通过光合作用将大气中绿色植物通过光合作用将大气中的的COCO2 2和和水转化成有机物，构水转化成有机物，构成全球的基础生产。成全球的基础生产。l 大气中的大气中的COCO2 2能吸收太阳的短波辐射并

10、阻挡地球的长波反射；能吸收太阳的短波辐射并阻挡地球的长波反射；保持地球温度的稳定。含碳分子中，二氧化碳、甲烷和一氧保持地球温度的稳定。含碳分子中，二氧化碳、甲烷和一氧化碳是最重要的温室气体。而二氧化碳是生物地球化学循环化碳是最重要的温室气体。而二氧化碳是生物地球化学循环最重要的核心之一。最重要的核心之一。l 速度快：最快几分钟或几小时，一般几周或几个月；速度快：最快几分钟或几小时，一般几周或几个月；但各类各类生态系统固定二氧化碳的速率差别很大。北极冻原和干旱的生态系统固定二氧化碳的速率差别很大。北极冻原和干旱的沙漠区的固定速率仅相当于热带雨林区的沙漠区的固定速率仅相当于热带雨林区的1%1%。

11、北京大学北京大学的方精云教授及其研究小组综合研究了的方精云教授及其研究小组综合研究了1949-19981949-1998年年5050年来中国森年来中国森林的变化数据后指出：中国的碳收支在没有人类活动是汇，在目前情况下是源林的变化数据后指出：中国的碳收支在没有人类活动是汇，在目前情况下是源，按面积平均是全球的，按面积平均是全球的2 2倍，但人均量小于世界平均水平倍，但人均量小于世界平均水平 每年吸收每年吸收0.37109 tC/a碳碳1.36109 tC/aCO2每年排放每年排放0.62109 tC/a碳碳2.27109 tC/aCO2l氮是蛋白质的基本成分，是生命结构的原料。虽然大气中有氮是蛋

12、白质的基本成分，是生命结构的原料。虽然大气中有7979的氮，但一般的氮，但一般生物不能直接利用，必须通过固氮作用将氮和氧结合成为硝酸盐和亚硝酸盐，或生物不能直接利用，必须通过固氮作用将氮和氧结合成为硝酸盐和亚硝酸盐，或者与氢结合形成氨以后，植物才能利用。者与氢结合形成氨以后，植物才能利用。l氮库：大气是最大的氮库（氮库：大气是最大的氮库（3.93.910102121gNgN）、土壤、陆地植被的氮库比较小）、土壤、陆地植被的氮库比较小。v 水体硝酸盐含量升高，引发的水体硝酸盐含量升高，引发的“蓝婴病蓝婴病”与与血红蛋血红蛋白结合导致运输氧功能损失。白结合导致运输氧功能损失。v 流入池塘、湖泊、河

13、流等引发水体富营养化流入池塘、湖泊、河流等引发水体富营养化v 造成土壤酸化，并导致微量元素流失，增加地下水造成土壤酸化，并导致微量元素流失，增加地下水的重金属含量的重金属含量v 使土壤和水体中生物多样性下降。使土壤和水体中生物多样性下降。v 氧的地球化学循环涉及的环节非常复杂，包括了大气圈、生物氧的地球化学循环涉及的环节非常复杂，包括了大气圈、生物圈、岩石圈，甚至整个地球的方方面面，是目前研究较多的领圈、岩石圈，甚至整个地球的方方面面，是目前研究较多的领域之一。域之一。v 大气与海水的相互作用，生物的生理活动，地球内部的物质分大气与海水的相互作用，生物的生理活动，地球内部的物质分异以及岩石圈表

14、层的地质作用，大气圈臭氧层的变化等等过程异以及岩石圈表层的地质作用，大气圈臭氧层的变化等等过程都发生着氧的交换。都发生着氧的交换。 v 氧在大气圈和生物圈中主要是以水、二氧化碳和氧气的形式存氧在大气圈和生物圈中主要是以水、二氧化碳和氧气的形式存在。在自然条件下，水中的氧很难分解成氧气。而二氧化碳则在。在自然条件下，水中的氧很难分解成氧气。而二氧化碳则可以通过植物的光合作用而释放出氧气。因此，在生态系统中，可以通过植物的光合作用而释放出氧气。因此，在生态系统中，氧循环与碳循环有着密切的联系氧循环与碳循环有着密切的联系 v 动物的呼吸作用、植物非光合器官的呼吸作用和光合器官在夜动物的呼吸作用、植物

15、非光合器官的呼吸作用和光合器官在夜间的呼吸作用，以及地表物质腐败氧化等过程不断消耗着大气间的呼吸作用，以及地表物质腐败氧化等过程不断消耗着大气中的氧。如此生生不息，构成了生态系统的氧循环，并保持了中的氧。如此生生不息，构成了生态系统的氧循环，并保持了大气中氧含量的恒定，维持了整个生态系统的平衡。大气中氧含量的恒定，维持了整个生态系统的平衡。 沉积型循环沉积型循环( (sedimentary sedimentary cycle):cycle):这类循环速度比较慢，参与沉积循环的物质这类循环速度比较慢，参与沉积循环的物质，其分子或化合物主要通过岩石的风化和沉积物的溶解转变为可被生物利用的，其分子或

16、化合物主要通过岩石的风化和沉积物的溶解转变为可被生物利用的营养物质，而海底沉积物转化为岩石圈成分则是相当长的、缓慢的、单向的物营养物质，而海底沉积物转化为岩石圈成分则是相当长的、缓慢的、单向的物质转移过程，时间要以千年计算。质转移过程，时间要以千年计算。主要储库在土壤、沉积物和岩石，而无气体主要储库在土壤、沉积物和岩石，而无气体状态。状态。因此沉积循环的全球性不如气体型循环，循环性能也很不完善。因此沉积循环的全球性不如气体型循环，循环性能也很不完善。v 虽然有机体磷的含量仅占体重左右，但磷是生物不可缺虽然有机体磷的含量仅占体重左右，但磷是生物不可缺少的成分。少的成分。v 磷是细胞遗传信息携带者

17、磷是细胞遗传信息携带者DNADNA的构成元素，也是细胞代谢中的构成元素，也是细胞代谢中三磷酸腺苷（三磷酸腺苷（ATPATP）的构成元素，在能量贮存、利用和转化）的构成元素，在能量贮存、利用和转化方面起着关键作用。方面起着关键作用。v 磷还制约着生态系统，尤其是水域生态系统的光合生产力磷还制约着生态系统，尤其是水域生态系统的光合生产力（磷在水体中通常下沉）。在土壤中，也只有在（磷在水体中通常下沉）。在土壤中，也只有在pH67pH67时，时，才可以被生物所利用。才可以被生物所利用。v 另外，磷还是动物骨骼和牙齿的主要成分。所以，没有磷就另外，磷还是动物骨骼和牙齿的主要成分。所以，没有磷就没有生命，

18、也就不会有生态系统中的能量流动。没有生命，也就不会有生态系统中的能量流动。 v 磷循环属典型的沉积循环。磷以不活跃的地壳作为主要贮存磷循环属典型的沉积循环。磷以不活跃的地壳作为主要贮存库。库。v 岩石经土壤风化释放的磷酸盐和农田中施用的磷肥，被植物岩石经土壤风化释放的磷酸盐和农田中施用的磷肥，被植物吸收进入植物体内，含磷有机物沿两条循环支路循环：一是吸收进入植物体内，含磷有机物沿两条循环支路循环：一是沿食物链传递，并以粪便、残体归还土壤；另一是以枯枝落沿食物链传递，并以粪便、残体归还土壤；另一是以枯枝落叶、秸秆归还土壤。叶、秸秆归还土壤。v 各种含磷有机化合物经土壤微生物的分解，转变为可溶性的

19、各种含磷有机化合物经土壤微生物的分解，转变为可溶性的磷酸盐，可再次供给植物吸收利用，这是磷的生物小循环。磷酸盐，可再次供给植物吸收利用，这是磷的生物小循环。v 在这一循环过程中，一部分磷脱离生物小循环进入地质大循在这一循环过程中，一部分磷脱离生物小循环进入地质大循环，其支路也有两条：一是动植物遗体在陆地表面的磷矿化；环，其支路也有两条：一是动植物遗体在陆地表面的磷矿化；另一是磷受水的冲蚀进入江河，流入海洋。另一是磷受水的冲蚀进入江河，流入海洋。 v 磷沉积在海底磷沉积在海底后，其中后，其中一部分长期留在一部分长期留在海里，另海里，另一部分可形一部分可形成新的地壳，在风化后再次进入循环成新的地壳

20、，在风化后再次进入循环 v 磷的主要贮存库是沉积岩，磷的循环主要以固态进行，因而磷的主要贮存库是沉积岩，磷的循环主要以固态进行，因而速度缓慢。磷随着动植物残骸沉入深海后，几乎没有回到陆速度缓慢。磷随着动植物残骸沉入深海后，几乎没有回到陆地的有效途径地的有效途径v 与其他主要元素循环的一个显著不同是几乎没有气体成分参与其他主要元素循环的一个显著不同是几乎没有气体成分参与循环。与循环。v 由于磷元素的匮乏和农业生产的需要，磷的循环愈加受人类由于磷元素的匮乏和农业生产的需要，磷的循环愈加受人类的关注。磷以磷矿的形式开采利用后，加速了磷的消耗，全的关注。磷以磷矿的形式开采利用后，加速了磷的消耗，全世界

21、磷的蕴藏量只能维持世界磷的蕴藏量只能维持100a100a左右。从长远看，磷元素有可左右。从长远看，磷元素有可能成为农业生产的限制因素。能成为农业生产的限制因素。 v 硫是蛋白质和氨基酸的基本成分，对大多数生物的生命至硫是蛋白质和氨基酸的基本成分，对大多数生物的生命至关重要。关重要。v 人类使用化石燃料大大改变了硫循环，其影响远大于对碳人类使用化石燃料大大改变了硫循环，其影响远大于对碳和氮，最明显的就是酸雨。和氮，最明显的就是酸雨。v 硫的主要蓄库是岩石圈，但它在大气圈中能自由移动，因硫的主要蓄库是岩石圈，但它在大气圈中能自由移动，因此，硫循环有一个长期的沉积阶段和一个较短的气体阶段。此，硫循环

22、有一个长期的沉积阶段和一个较短的气体阶段。即硫循环是一个复杂的元素循环，既属沉积型循环、又属即硫循环是一个复杂的元素循环，既属沉积型循环、又属气体型，其包括长期的沉积相，即束缚在有机、无机沉积气体型，其包括长期的沉积相，即束缚在有机、无机沉积中的硫，通过风化和分解而释放，以盐溶液的形式进入陆中的硫，通过风化和分解而释放，以盐溶液的形式进入陆地和水体生态系统。还有的硫以气态参加循环。地和水体生态系统。还有的硫以气态参加循环。 从陆地进入大气的四条途径：火火山爆发、沙尘、化石燃料释放山爆发、沙尘、化石燃料释放、森林火灾和湿地等陆地生态、森林火灾和湿地等陆地生态系统释放的硫系统释放的硫大气中的硫大部

23、分以干沉降和大气中的硫大部分以干沉降和降水形式返回陆地。剩下的被降水形式返回陆地。剩下的被风传输到海洋。风传输到海洋。硫从海洋进入大气的，包括：硫从海洋进入大气的，包括：海盐形式、生物生产、海底火海盐形式、生物生产、海底火山产生的等山产生的等v 硫的主要贮存库是岩石，以硫化亚铁的形式存在。海洋硫的主要贮存库是岩石，以硫化亚铁的形式存在。海洋也是巨大的硫库。也是巨大的硫库。v 硫循环硫循环既属于沉积型，也属于气体型。沉积阶段的沉积既属于沉积型，也属于气体型。沉积阶段的沉积物只有通过风化和分解才被释放出来；气体阶段可以在物只有通过风化和分解才被释放出来；气体阶段可以在全球范围内流动。全球范围内流动。v 硫的生物地球化学循环的研究甚为重要，因为酸沉降、硫的生物地球化学循环的研究甚为重要，因为酸沉降、温室效应乃至臭氧