第13章生态系统中的物质循环

1、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13.1 13.1 物质循环的一般特征物质循环的一般特征13.2 13.2 全球水循环全球水循环13.3 13.3 碳循环碳循环13.4 13.4 氮循环氮循环13.5 13.5 磷循环磷循环13.6 13.6 硫循环硫循环2物质循环与能量流动物质循环与能量流动3物质循环的一般特征物质循环的一般特征n生物地生物地球化学循环球化学循环：生态系统从大气、水体和：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，被其他生物重复利用，最收，进入生态系统，被其他生物重复利用，

2、最后再归还于环境中的过程。这一过程后再归还于环境中的过程。这一过程包括生物包括生物与非生物二者与非生物二者的参与的参与, , 同时也包含一些地质与地同时也包含一些地质与地理作用在內理作用在內, , 因此因此称为称为生物地生物地球化学循环球化学循环n生物小循环生物小循环：环境中元素经生物吸收，在生态：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系统中被相继利用，然后经过分解者的作用再为生产者吸收、利用为生产者吸收、利用4Basics of nutrient cycling5生物小循环生物小循环6物质循环的基本概念物质循环的基本概念n库：库：n贮存一定数量元素的某种生态系统

3、组分称为该元素的库贮存一定数量元素的某种生态系统组分称为该元素的库n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n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n流通率流通率：单位时间、单位面积：单位时间、单位面积/ /体积的物质转移量体积的物质转移量n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n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7物质在库间的流通物质在库间的流通n流通量、周转率与周转时流通量、周转率与周转时间是相对于库而言的间是相对于库而言的n生产者库生产者库n流通率：流通率：2020单位单位/

4、/天天n周转率：周转率：20/100=20%20/100=20%n周转时间：周转时间：100/20=5100/20=5天天n消费者库消费者库n流通率：流通率：4 4单位单位/ /天天n周转率：周转率：4/50=8%4/50=8%n周转时间：周转时间：50/4=12.550/4=12.5天天8 影响物质循环速率的因素影响物质循环速率的因素n元素的性质元素的性质：有的元素循环的速率快，而有：有的元素循环的速率快，而有的则比较慢，这是元素化学特性和被生物有的则比较慢，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。如机体利用的方式不同所决定的。如COCO2 2 1 1年年,N 100,N 10

5、0万年万年n生物的生长速率生物的生长速率：决定生物对物质吸收的：决定生物对物质吸收的速率以及物质在食物网中运动的速度速率以及物质在食物网中运动的速度9影响物质循环速率的因素影响物质循环速率的因素n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n人类活动的影响人类活动的影响：n开垦农田和砍伐森林引起土壤矿物质的开垦农田和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n化石燃烧把硫和二氧化硫释放大气中化石燃烧把硫和二氧化硫释放大气中10生物地球化学循环的类

6、型生物地球化学循环的类型n气体型循环气体型循环n贮存库是大气和海洋贮存库是大气和海洋n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n循环速度快，例如循环速度快，例如COCO2 2、N N2 2、OO2 2等等n沉积型循环沉积型循环n贮存库是岩石、土壤和沉积物贮存库是岩石、土壤和沉积物n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n循环速度慢，时间以千年计算，例如循环速度慢，时间以千年计算，例如P P、CaCa、MgMg等等n水循环水循环n水的全球循环过程水的全球循环过程n生态系统中所有的物质循环都离不开水循环的推动生态系统中所有的物质循环都离不开水循环的推动1113

7、.2 13.2 全球水循环全球水循环n水循环是太阳能推动，在陆地、大气和海洋水循环是太阳能推动，在陆地、大气和海洋间循环间循环n地表总水量：地表总水量：1.41.410109 9kmkm3 3，海洋约占，海洋约占97%97%n水的循环：水的循环：n陆地：蒸发陆地：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 3n海洋：蒸发海洋：蒸发425,000km425,000km3 3，降水，降水385,000km385,000km3 312The Hydrologic Cycle(40)

8、(71)(111)(385)(425)(40)103km313生态系统中的水循环生态系统中的水循环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地表径流径流地下径流地下径流消费者消费者地面蒸发地面蒸发1413.3 13.3 碳循环碳循环n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n碳库碳库：海洋和大气、生物体：海洋和大气、生物体n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n主要循环过程主要循环过程n生物的同化和异化过程生物的同化和异化过程n大气和海洋间的大气和海洋间的COCO2 2交换交换n碳酸盐的沉淀作用碳酸盐的沉淀作用n人类

9、活动对碳循环造成严重影响，引起气候变人类活动对碳循环造成严重影响，引起气候变化的主要原因化的主要原因15海洋和大气CO2调节CO2CO2溶于海水H2CO3水体中生物H+CO32- CaCO3海底沉积物16The Carbon Cycle17The Carbon Cycle9290750611015gC18温室效应温室效应n温室效应（温室效应（ Greenhouse effects Greenhouse effects ）：大气：大气中对长波辐射具有屏蔽作用的温室气体浓度增加使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较多的辐射能被截留在地球表层而导致

10、温度上升n温室气体温室气体：二氧化碳二氧化碳(CO(CO2 2) )、甲烷、甲烷(CH(CH4 4) )、氧化亚、氧化亚氮氮(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、氢氟碳化物氟碳化物(HFCs(HFCs) )等等n温室效应的影响温室效应的影响n海平面上升，淹沒陆地海平面上升，淹沒陆地n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n土地沙漠化，生态环境改变土地沙漠化，生态环境改变19 GREENHOUSE EFFECT20Carbon accumulation CO2 has increased from

11、its pre-industrial level data: recent records plus older data such as ice cores mostly fossil fuel burning21CO2排放2213.4 13.4 氮循环氮循环n氮的重要性氮的重要性n氮库：大气、土壤、陆地植被氮库：大气、土壤、陆地植被n生物可利用的氮的形式：生物可利用的氮的形式：NONO3 32-2-、NONO2 22-2-、NHNH4 4+ +n氮循环的主要过程氮循环的主要过程n固氮作用固氮作用n氨化作用氨化作用n硝化作用硝化作用n反硝化作用反硝化作用23The Nitrogen Cycl

12、e24氮的循环氮的循环1012gN25固氮作用固氮作用n类型类型n闪电、宇宙射线、火山爆发等高能固氮闪电、宇宙射线、火山爆发等高能固氮n工业固氮：工业固氮：400400摄氏度，摄氏度，200200大气压下大气压下n生物固氮：固氮菌、与豆科植物共生的根瘤菌和蓝生物固氮：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藻等自养和异养微生物n意义意义n平衡反硝化作用平衡反硝化作用n对局域缺氮环境有重要意义对局域缺氮环境有重要意义n使氮进入生物循环使氮进入生物循环26生态系统中的氮循环27氨化作用、硝化作用和反硝化作氨化作用、硝化作用和反硝化作用用n氨化作用：由氨化细菌和真菌的作用将有机氮氨化作

13、用：由氨化细菌和真菌的作用将有机氮分解成为氨和氨化合物，氨溶水成为分解成为氨和氨化合物，氨溶水成为NHNH4 4+ +，为植物利用为植物利用n硝化作用：在通气良好的土壤中，氨化合物被硝化作用：在通气良好的土壤中，氨化合物被亚硝酸盐细菌和硝酸盐细菌氧化为亚硝酸盐和亚硝酸盐细菌和硝酸盐细菌氧化为亚硝酸盐和硝酸盐，供植物吸收利用硝酸盐，供植物吸收利用n反硝化作用：反硝化细菌将亚硝酸盐转变成氮反硝化作用：反硝化细菌将亚硝酸盐转变成氮气，回到大气库中气，回到大气库中2813.5 13.5 磷循环磷循环n磷循环属典型的沉积循环磷循环属典型的沉积循环n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

14、存库n磷的循环过程磷的循环过程n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吸收进入植物体内n沿食物链传递，并以粪便、残体或直接以枯枝落叶、秸秆归沿食物链传递，并以粪便、残体或直接以枯枝落叶、秸秆归还土壤还土壤n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。盐，可再次供给植物吸收利用，这是磷的生物小循环。n一部分磷脱离生物小循环进入地质大循环一部分磷脱离生物小循环进入地质大循环n动植物遗体在陆地表面的磷矿化动植物遗

15、体在陆地表面的磷矿化n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 29BIOGEOCHEMICAL CYCLE - PHOSPHORUS30磷的循环磷的循环1012gP31一个池塘生态系统的磷循环一个池塘生态系统的磷循环32生态系统的磷循环33硫循环硫循环34酸雨的形成35ACID RAIN IN THE UNITES STATES36ACID RAIN IN THE WORLD37伦敦烟雾事件伦敦烟雾事件n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，大气中中SOSO2

16、2含量含量3.83.8毫克毫克/ /立方米，烟尘立方米，烟尘4.54.5毫克，居民普遍呼吸困难、咳嗽、喉痛、毫克，居民普遍呼吸困难、咳嗽、喉痛、呕吐和发烧，呕吐和发烧，4 4天内死亡约天内死亡约40004000人人38有毒有害物质循环有毒有害物质循环n有毒有害物质循环：对有机体有毒有有毒有害物质循环：对有机体有毒有害物质进入生态系统后，沿着食物链害物质进入生态系统后，沿着食物链在生物体内富集或被分解的过程在生物体内富集或被分解的过程n生物放大作用：某些物质当他们沿食生物放大作用：某些物质当他们沿食物链移动时，既不被呼吸消耗，又不物链移动时，既不被呼吸消耗，又不容易被排泄，而是浓集在有机体的组容

17、易被排泄，而是浓集在有机体的组织中，这一现象称为生物放大作用织中，这一现象称为生物放大作用 39有毒有害物质循环的实例有毒有害物质循环的实例nDDTDDTnDDTDDT是人工合成的有机氯杀虫剂是人工合成的有机氯杀虫剂nDDTDDT不溶于水，而溶于脂肪，极易通过食物链而浓集不溶于水，而溶于脂肪，极易通过食物链而浓集nDDTDDT通过食物链进入动物体后，使钙代谢功能丧失，通过食物链进入动物体后，使钙代谢功能丧失，从而使鸟类蛋壳变薄，雌鸟孵卵时将蛋压破，从而使从而使鸟类蛋壳变薄，雌鸟孵卵时将蛋压破，从而使禽类的数量减少禽类的数量减少n危害危害n消灭害虫的同时，无选择地将益虫、益鸟和害虫的天消灭害虫的

18、同时，无选择地将益虫、益鸟和害虫的天敌杀死敌杀死n如美国加利福尼亚州，由于滥用如美国加利福尼亚州，由于滥用DDTDDT，19671967年有年有19%19%的蜜蜂被杀死，导致水果和蜂蜜急剧减产的蜜蜂被杀死，导致水果和蜂蜜急剧减产40BIOMAGINIFICATION OF DDT41BIOMAGINIFICATION OF DDTBIOMAGINIFICATION OF DDT水体中的水体中的DTTDTT浓度约为浓度约为0.00005ppm 0.00005ppm 浮游生物浮游生物 0.04 ppm0.04 ppm刚毛藻刚毛藻 0.08 ppm0.08 ppm网茅网茅 0.33 ppm0.33 ppm螺螺 0.26 ppm0.26 ppm 蛤蛤 0.42 ppm0.42 ppm 鱼鱼 1.24 ppm1.24 ppm燕鸥燕鸥 3.42 ppm3.42 ppm河鸥幼体河鸥幼体 55.3 ppm55.3 ppm 成体成体18.5 ppm18.5 ppm秋沙鸭秋沙鸭 22.8 ppm22.8 ppm鹭鸟鹭鸟 26.4 ppm26.4 ppm银鸥银鸥 75.5 ppm75.5 ppm42汞汞n