淡水生态-复习

1、1淡水生态学Freshwater ecology刘正文，张修峰E-mail: ; 电话：85225798二一四年六月2什么是湖沼学？What is Limnology? 广义地说湖沼学（Limnology）是研究内陆水体的科学（Study of inland waters)。 对象包括湖泊（淡水、咸水）、水库、河流、湿地、地下水等。3 淡水生态学淡水生态学Freshwater ecology is the study of the structure, function, and change of organisms in fresh waters as affected by their

2、dynamic physical, chemical, and biotic environments. Saline waters ( 3 or 3 g per liter) are excluded from this definition. 淡水生物学淡水生物学Freshwater biology is the study of the biological characteristics and interactions of organisms of fresh waters. This study is largely restricted to the organisms the

3、mselves, such as their biology, life histories, populations, or communities.4l湿地：1972年18个国家的代表在伊朗RAMSAR签署了一项关于特别是作为水禽栖息地的国际重要湿地公约：天然或人工、长久或暂时之沼泽地、湿原、泥炭地、或水域地带，带有静止或流动、或为淡水、半咸水或为咸水的水体，包括低潮时水深不超过6米的水域。5湖泊类型与起源l 构造湖l 火山口湖l 河成湖l 牛轭湖l 堰塞湖l 冰川湖l 岩溶湖l 海成湖l 风成湖l 人工湖l 动物活动所形成的湖l 陨石湖6湖泊分区湖泊分区沿岸带敞水带真光层 透光层沉水植物

4、浮叶植物挺水植物底栖带湖沼带湖沼带7LengthWidth Length and width8岸发展系数Shoreline development (DL)l 岸发展系数:岸线长与相同面积圆形湖泊岸线长之比9The drainage basin 流域：指流向同一个湖泊或河流的陆地面积和水面面积的汇水区域。10 Photosynthetically active radiation (PAR), i.e., radiant energy between 400 700 nm wavelengths. Chlorophyll a, the main P/S pigment, has absorpt

5、ion peaks at 445 660 nm. PAR accounts for about 46-49% of the total energy hitting the earths surface. 11光在水中的传播 Light penetration in waterThe percentage of the surface light absorbed or scattered in a 1m long vertical column of water, is called the vertical extinction coefficient. This parameter is

6、 symbolized by k.low k-values, light penetrates deeper than in those with high k-values. 12透明度透明度Transparency l Transparency :Depth to which visible light penetratesl 透明度透明度: :可见光能够穿透的水体深度13l Compensation Depth：depth at which incident light is reduced to about 1% so P/S = respiration. l 补偿深度：当入射光减弱到

7、大致只有水面光照强度1%左右时，此处的光合作用与呼吸消耗相等时的深度。 14温带深水湖泊夏季热分层现象湖上层跃温层湖下层15Lake stratification and seasonal turnover 16l 高纬度深水湖泊，由于水的特性，湖底部的水通常是4。l 春季到来时，气温逐步升高，湖泊表面的冰会融化，并逐步升高温度，当表层的水温与底部的水温相等时，在风的扰动下，就可发生湖泊水体翻转（turnover）现象；l 夏季的到来，温度逐步回升，表层的水持续吸收热量并提高温度，与此同时，表层水的密度变得越来越小，以致最终与下层温度低、密度大的水体形成分层；l 秋季到来时，温度不断降低，当表

8、层的水温度降低至与底部的水相同温度时，风的微弱扰动便可将湖泊水体发生翻转；l 冬季到来时，温度逐渐降低，湖泊表层的水当降低到0以下时，就会结冰，从而阻挡了风的扰动，而靠近冰层的水体的温度比下部水体的温度常较低，因此，其密度也较底部水体的密度小，因此形成冬季的水体温度分层现象。17l 生态学意义：l 湖泊周期性的分层和混合有助于将湖泊表层的溶解氧向下输送，从而有利于湖泊底部水生物的生存;l 根据Fe-P相互作用原理，当湖泊水体混合时在湖泊下层水体溶解氧的提高，有利于降Fe2+氧化成Fe3+，而Fe3+可同PO43- 结合，从而将PO43-离开水体；反之，将有利于将Fe3+还原成Fe2+而将PO4

9、3-释放出来；l 再者，有利于将湖泊表层和底层水中的热量和物质进行交换。18Fe-P相互作用 Fe-P interactions Under oxygenated conditions (e.g., in the epilimnion or at overturn) ferrous (Fe2+) is oxidized to ferric (Fe3+). Fe3+forms Fe(OH)3 or FePO4 if phosphate is present.19PO43-PO43-Fe+Fe(OH)3PO43-Dissolved iron (Fe3+) in the water and sedi

10、ments can bind to P and create an insoluble precipitateCalled the “iron trap”, and happens only when the hypolimnion contains oxygenPP95%PO43%20As the hypolimnion becomes anoxic, Fe+ gains an electron and is reduced to Fe+Fe+Fe+Fe(OH)3Fe+ forms soluble salts with PO4 Fe+Fe(OH)2Under anoxic condition

11、s get net flux of P out of the sedimentsPO43-PO43-This is called internal loading and increases P concentrations in the water column at turnover21水的特性 Characteristics of waterl热容量热容量Specific heatlThe amount of heat required to raise temperature of a unit mass of a substance 1. lFor water is 4.2J/g/

12、22l Reynolds Number(雷诺数), Re, is used to determine if flow is laminar or turbulent in a tube. l Re 1,000 flow is turbulent. 23河水流 River Currents24l 3 types of inflow movement: l Overflow - river water is less dense than lake water and so stays at the surface, l Underflow - river water density is gre

13、ater than lake water and so flows along the bottom, e.g., spring melt runoff. l Interflow - river water density is greater than epilimnion but less than meta- or hypolimnion. 25l 溶解氧（DO）Dissolved Oxygenl 溶解于水中的分子态氧 mg/Ll 化学需氧量（COD）Chemical Oxygen Demandl 氧化水中有机物氧化水中有机物(或其它还原性物质或其它还原性物质)所需化学氧化剂的量，所需化

14、学氧化剂的量，以以mgO2/L计计几个重要指标26l 好气条件下水中有机物被微生物所氧化，在一定期间内所消耗的溶解氧的量，单位 mg/L， BOD5称五日生化耗氧量。生化需氧量(BOD) Biochemical oxygen demand总需氧量（TOD）Total Oxygen Demandl 水中有机物完全氧化所需氧的量（燃烧法），单位是mg/L。 27Solubility of Oxygen in Water 氧气的溶解度l 一定条件下，气体在水中的溶解达到平衡后，一定量的水中溶解气体的量，称为该气体在指定条件下的溶解度。单位：mg/L28气体溶解度影响因素 取决于气体本身的化学性质。

15、受温度、含盐量、气体分压的影响。29水中氧气的来源与消耗l 水中氧气的来源：l空气溶解l光合作用30水中氧气的消耗 鱼虾等生物呼吸 水中微型生物耗氧 底泥耗氧 逸出31l 水中微型生物耗氧包括浮游动物、浮游植物、细菌呼吸耗氧以及有机物在细菌参与下的分解耗氧。l 底泥耗氧包括底栖生物呼吸耗氧、有机物分解耗氧、还原态无机物化学氧化耗氧。l 当表层水中溶氧过饱和时，发生氧气逸出。32l But hold the two atoms in gaseous nitrogen together, and few organisms can break them. N N2 2 分子含分子含3 3个共价键，

16、个共价键，很少生物能利用。很少生物能利用。l Only certain bacteria, lightning, and volcanic action can convert N2 into forms that enter food webs. For this reason, nitrogen is often a in ecosystems. 细菌、闪电、火山活动能将细菌、闪电、火山活动能将N N2 2转化转化为生物可利用的形式为生物可利用的形式。1 固氮作用天然固氮包括生物固氮和高能固氮：生物固氮量（140*1012gN/a）远远高于闪电、闪电、火山活动等的高能固氮量（3*1012g

17、N/a） 。33l 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。2、氨化作用蛋白质蛋白质NH3氨化作用343、硝化作用l 氨的氧化过程：氨的氧化过程：l第一步：硝化菌把氨（或铵）转化成第一步：硝化菌把氨（或铵）转化成NONO2 2- -l第二步：硝化菌把第二步：硝化菌把NONO2 2- - 氧化成氧化成NONO3 3- - NO2-NH3,NH4+NO3-亚硝化细菌亚硝化细菌硝化细菌硝化细菌35lSome nitrogen is lost to the air by denitrification. Here, bact

18、eria convert nitrate or nitrite to gaseous nitrogen and a bit of nitrous oxide.4、反硝化作用NO2-NO3-NO N2O NO2-N2 第一步：反硝化菌把硝酸盐还原为亚硝酸盐，释放出NO；第二步：反硝化菌把亚硝酸盐进一步还原成N2O和N2；N2O（笑气）与2个全球变化过程相关：在同温层与氧反应，破坏臭氧，增加大气中的紫外辐射；在对流层作为温室气体，促进气候变暖。36l Limiting Factors: factors that alter the rate of supply of metabolites or

19、removal of waste products, e.g., P or N. l 限制性因子:对生物生长、发育、繁殖、数量和分布起到限制作用的关键性因子37Redfield 比 A. C. Redfield (1958) 通过研究海洋浮游植物发现的。116106PNC磷往往是淡水生态系统的限制因子38浮游植物浮游植物 phytoplanktonl生态学概念，是指在水中营浮游生活的微小植物，通生态学概念，是指在水中营浮游生活的微小植物，通常就是指浮游藻类。常就是指浮游藻类。39l 有些种类在小水体和浅水湖泊中常大量繁殖，使水体呈现色彩，这一现象称为“水华”(water bloom)。l 有些

20、藻类在海水中大量繁殖，形成“赤潮”（red tide）40蓝藻一般喜高温好强光，喜高蓝藻一般喜高温好强光，喜高pHpH和静水，喜低氮高磷。和静水，喜低氮高磷。水平分布下风位多于上风位，静水易孳生水平分布下风位多于上风位，静水易孳生41二、大型水生植物的生态作用二、大型水生植物的生态作用l1.初级生产者：物质循环、能量流动、信息传递l2.原材料l3.增加溶解氧功能l4.丰富饵料资源l5.提供栖息地l6.防风固堤防侵蚀l7.水文功能l8.消光作用l9.改变温度作用l10.促沉降、防止再悬浮l11.净化作用l12.化感作用l13.景观美学教育l14.小气候调节功能l15.生物多样性和生态系统稳定性4

21、2化感作用l 植物和微生物通过释放化学物质促进或抑制其他个体或自体的现象.43浮游动物浮游动物44浮游动物的生态功能l主要消费者之一，个体小，数量多，代谢活动强烈，主要为草食性动物，以浮游植物、细菌、碎屑等为食，控制着藻类和细菌的种群数量和群落结构；l可将浮游植物转化成次级生产；l承上启下的作用；l通过排泄和分泌作用，参与水生态系统的物质循环；其排放的营养盐可强烈影响着水生态系统食物网中营养级动态。l总之,种群动态变化和生产力的高低:决定着水生态系统结构,功能,生态过程;维持生态系统的平衡；45底栖效应l 1.通过对营养物质的吸收、转化、降解、排泄等过程参与生态系统的物质循环;l 2.影响着水

22、体对污染物的容纳量和自净能力;l 3.限制着浮游植物的生长; l 4.通过摄食细菌和真菌而调整水体中有机物的分解。l 5.生物扰动者：进行有机物、颗粒物和微生物的混合并重新分配到水体或底泥深处46l 6.有可能通过食物链向上传递，产生生物放大效应。l 7.调整着沉积物表层溶解氧的含量；l 8.次级生产者：水生态系统物质、能量流动的中间环节；l 9.粉碎者：能破碎有机物质，增大其表面积，为下一步的腐烂、分解做好准备;l 10.自然界的滤水器：尤其是双壳类和螺类能通过滤食和分泌物絮凝作用控制和沉降浮游植物和悬浮物，增加水体透明度，降低营养盐含量等；l 12.水生态环境质量优劣的重要表征l 13对维

23、持生态系统平衡具有重要作用47淡水鱼类淡水鱼类Fish in freshwater终生生活在水里、用鳃呼吸、用鳍游泳的脊椎动物48Of the migratory species （洄游种类）there are two general types of migration: Anadromous （溯河）- fish feed and grow in the oceans and migrate into freshwater to spawn, 如中华鲟. Catadromous （降河）- fish feed and grow in freshwater and migrate into

24、the ocean to spawn, 如鳗鱼. 49Potential Top-down effects on food chainsLow Secchi O2 stress high pH ?Low PredatorsHIGH PlanktivoresLow ZoopsHIGH AlgaeHIGH PredatorsLow PlanktivoresHIGH ZoopsLow AlgaeHigher Secchi less O2 stress lower pH ?Smaller Zoops less grazing=Larger Zoops more grazing=50酸沉降对水生态系统的影响 酸雨 酸雨对水生态系统的影响 酸雨类型转化及对水生态系统的影响51 酸雨：是指pH5.6的酸性降水（包括雨、雪、霜、雹等） 酸沉降: 湿沉降 干沉降52酸雨常用表示方法 1、强度 2、频率53 How to prevent acid rain?54Preventative Measures Reduction in emission Restore the damage environment55Liming of a Lake in SwedenTero Niemi / Naturbild56水体富营养化1、概念2、影响(危害)57l富营养化（Eutrophi