上师大生态学b-生态系统

13生态系统中的物质循环113.1物质循环(1)地球化学循环

生态系统从大气、水体和土壤等环境中获得营养物质，通过绿色植物吸收，进入生态系统，被其他生物重复利用，最后，再归还于环境中。这些循环的路径包括生物与非生物二者,同时也包含一些地质与地理作用在內,因此称为生物地球化学循环。2Basicsofnutrientcycling3（2）生物小循环：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吸收、利用。4(一)生命与元素大量元素：生物体内含量超过0.2%以上的元素。如碳、氧、氢、氮和磷。微量元素：生物体内含量不超过0.2%，如铝、硼。13.1物质循环的一般特点5(二)物质循环的模式1.库：存在于生态系统某些生物或非生物成分中一定数量的某种化合物所构成的。生态系统中各组分都是物质循环的库，如植物库、动物库、土壤库等。2.流通量：在单位时间或单位体积的转移量。3.周转率（turnoverrate）：=流通率/库中营养物质总量4.周转时间（turnovertime）：=库中营养物质总量/流通率，即移动库中全部营养物质所需时间。6流通率=16单位/天，对于生产者的输出库的周转率=16/100=0.16；对于生产者的周转时间为6.25天。75.影响物质循环速率的因素（1）元素的性质：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机体利用的方式不同所决定的。如CO2周转时间为1年左右，而大气圈中氮周转时间为100万年。8（2）生物的生长速率:它决定生物对该物质吸收的速率以及该物质在食物网中运动的速度。（3）有机物质腐烂的速率:适宜的环境有利于分解者的生存，并使有机体很快分解，供生物重新利用。（4）人类活动的影响:如开垦农田和砍伐森林引起土壤矿物质的流失，从而影响物质循环的速率。另，化石燃烧把硫和二氧化硫释放大气中。913.2生物地球化学循环的类型根据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气相的存在，生物地球化学循环可分为：

1.气体型循环（gaseoustype)：其贮存库是大气和海洋。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化为气体形式参与循环过程。气体循环速度比较快，例如CO2、N2、O2等。物质来源充沛，不会枯竭。102.沉积型(sedimentarytype)：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。主要储库在土壤、沉积物和岩石，而无气体状态。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。113.水循环：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。

水循环是太阳能推动，在陆地、大气和海洋形成全球水循环系统。12(二)生态系统中的水循环降雨截留穿透雨蒸腾渗透地表蒸发地表径流地下径流131413.3碳循环(气体型循环)碳是一切生物体中最基本的成分。库在大气和海洋。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16Carbonaccumulation

CO2hasincreasedfromitspre-industrialleveldata:recentrecordsplusolderdatasuchasicecoresmostlyfossilfuelburning17Greenhouseeffects温室气体主要包括：二氧化碳(CO2)、甲烷(CH4)、氟氯碳化物、(CFCs)、氧化亚氮(N2O)、六氟化碳(SF6)、全氟碳化物(PFCs)、氢氟碳化物(HFCs)等。温室效应：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。18在夏威夷冒纳罗亚观象台收集的空气样本显示大气层中CH4的平均混合比。蓝点表示量度数据，红线和绿线分别表示CH4混合比短期和长期的变化。19大气层中N2O的每月平均混合比20大气层中CFC-12的每月平均混合比。21溫室效应的影响

1996年联合国气候变化政府间专家委员会(IPCC)评估报告，二氧化碳浓度已从工业革命前的280PPMV增加至1994年的358PPMV。预估2100年时全球平均地面气溫，将比1990年上升1.0～3.5℃，海平面將上升15～95公分；全球气候与生态环境将产生下列变化：海平面上升，淹沒陆地。全球气候经常发生暴雨或干旱。土地沙漠化，生态环境改变。22虽然CO2浓度增高有利于植物光合作用的增强，但CO2的“温室效应”将导致全球温度升高和降水分布的改变。使得纬度较高的地区，由于温度变暖而更加干旱，甚至使极地冰盖层融化，导致海平面上升。如果CO2浓度由0.03%增高到0.06%，则地球平均温度将上升2.9℃，赤道附近温度上升1.45℃；两极附近温度将上升8~9℃。但如果南极温度上升6℃，就将由于冰川的融化而使海平面升高6米左右。这不能不说是个值得全球人类关注的问题。23京都议定书的结论摘要管制国家：规定的发达国家（「附件一」成员及摩洛哥与列支敦斯登，共39個），发展中国家并无减量责任。

管制气体：6种溫室气体CO2、CH4、N2O、HFCs、PFCs与SF6。

管制期限：2008年至2012年回归至1990年水平，平均再降5.2%。各国減量幅度见附表。2425缓解全球温室效应我国森林贡献重大

“去向不明”的二氧化碳有了着落针对我国二氧化碳气体排放的问题，北京大学城市与环境系方精云教授领导的研究小组通过近10年研究，利用大量的野外实测资料及我国建国50年来的森林资源清查资料，研究了中国50年来森林植被对二氧化碳“处理”功能的动态变化，发现从20世纪80年代初到90年代末的近20年中，我国森林植被净吸收二氧化碳的功能明显增强，净吸收量可达工业排放量的5%至8%，从而为减缓地球大气中二氧化碳浓度的上升速度起到了积极的作用。26方精云等人的研究成果也为“二氧化碳去向不明”现象的解释提供了新思路。据测算，人类活动每年释放出的二氧化碳为70亿吨，有30亿吨至34亿吨排放到大气中，20亿吨被海洋吸收。由于陆地生物圈与大气圈之间碳循环处于平衡状态，因而剩下的16亿吨至20亿吨二氧化碳则“去向不明”。方精云指出，北半球高纬度陆地生态系统（主要是森林生态系统），是世界环境的“净化器”，对大气中的二氧化碳起到了巨大的吸收、存储作用。2713.4氮循环(气体型循环）固氮作用：（1）闪电、宇宙射线、火山爆发等高能固氮，形成硝酸盐；（2）工业固氮：400摄氏度，200大气压下；（3）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。2829氨化作用：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NH4+，为植物利用。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硝酸盐，供植物吸收利用。反硝化作用：反硝化细菌将亚硝酸盐转变成大气氮，回到大气库中。30我国目前在农业上利用有大豆、花生、蚕豆、绿豆、豇豆、扁豆等，以及各种豆科牧草和豆科绿肥，包括紫云英、苕子、箭舌豌豆、紫苜蓿、三叶草、草木樨等。与根瘤菌共生的非豆科植物有桤木属(Alnus)、杨梅属(Myrica)、木麻黄属(Casuarina)、马桑属(Coriaria)、银杏属(Gingko)、胡颓子属(Elaegnus)等的一些种类。31红萍是一种水生蕨类植物，叶腔中有固氮蓝藻共生，其生长快，固氮率高，每公顷萍体产量可达22500~30000kg，含纯氮75kg左右。32在自生固氮资源方面，主要是固氮蓝藻。固氮蓝藻在我国各地有广泛分布，已发现的主要有念珠藻、鱼腥藻、筒胞藻等，特别是南方各地分布的一种陆生念珠，可以在裸露岩石上和贫瘠的土壤上生长，有明显的固氮作用。其次，农田中分布的好气性自生固氮菌和嫌气性固氮梭菌是依赖有机能源的异养菌，固氮量为2~3kg/hm2。各种土地的固氮能力，稻田约30kg/hm2；草地约15kg/hm2；森林约10kg/hm2；旱地约3kg/hm2。3313.5磷循环(沉积型循环)磷以不活跃的地壳作为主要贮存库。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。各种含磷有机化合物经土壤微生物分解，转变为可溶性磷酸盐，可再次供给植物吸收利用，这是磷的生物小循环。循环过程中，部分磷脱离生物小循环进入地质大循环.磷的地质大循环有两条途径：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。

3435农业生产上大量施用磷肥不仅有使磷资源面临枯竭的威胁，且磷矿石、磷肥中含有重金属和放射性物质，长期大量施用，会使土壤污染；磷素随水土流失进入水域或水体的富营养化，殃及鱼类等水生生物。3637含磷洗衣粉以磷酸盐作为主要助剂，磷酸盐是一种高效助洗剂，同时也是藻类的助长剂，水中的磷含量升高，水质趋向富营养化，会导致各种藻类。水草大量滋生，水体缺氧会使鱼类死亡等现象。我国洗涤用品仅洗衣粉一项的年消费量就在350万吨左右。若将会成洗衣粉中磷酸盐的平均含量接15%计算，每年就有超过50万吨含磷化合物排放到地表水中，而1克磷就可使藻类生长100克、环保科研部问调查资料显示，因含磷过多，我国湖泊及城市水系几乎都处于富营养化状态，水质严重恶化，许多地方根本不能饮用。更为严重的是，由干磷含量增加，导致红色浮游生物爆发性繁殖而引发的近海海水出现的“赤潮”和城市水系中出现水生植物“疯长”的“浮华”现象。38美国、日本等一些发达国家从20世纪70年代就开始禁磷，到1995年美国42％的人口生活在禁磷区，无磷洗涤用品已经占据56％的市场份额，而在日本的超市已经几乎看不到含磷洗涤用品了。我国从1994年开展环境标志产品认证，无磷洗涤品拥有了明显的绿色标志。虽然部分公众对是否“禁磷”仍然存在异议，可以肯定的是，随着公众环保意识的进一步增强及各地“禁磷”法规的陆续出台，选择无磷洗涤用品的消费者会不断增加，洗涤用品在水质污染成因中所占的比例会逐渐减小。并且，目前国内年产量7万吨的无磷洗衣粉将在市场中逐步成长，而含磷洗衣粉将很快让出所占据的庞大市场，此消彼长，整个洗涤行业将向临“洗牌”的可能。3913.6硫循环(沉积型循环)硫是原生质体的重要组分，它的主要蓄库是岩石圈。硫循环包括长期的沉积阶段（有机或无机沉积物中）和短期的气体阶段。岩石库中的硫酸盐主要通过生物的分解和自然分化作用进入生态系统。40生物的分解

化能合成细菌硫化物-------------

硫酸盐自然分化作用

细菌无机硫----硫化物---硫酸盐13.6硫循环(沉积型循环)41火山爆发

硫----

硫化氢----

大气化石燃料燃烧

硫----

二氧化硫---

大气13.6硫循环(沉积型循环)4213.6硫循环(沉积型循环)43Themostacidicrainisconcentratedinthenortheast,butthousandsoflakesinthewestarealsovulnerable.ACIDRAININTHEUNITESSTATES44ACIDRAININTHEWORLD45伦敦烟雾事件伦敦1952年2月5日到8日，雾大无风，家庭和工厂排出的烟尘经久不散，大气中SO2含量3.8毫克/立方米，烟尘4.5毫克，居民普遍呼吸困难、咳嗽、喉痛、呕吐和发烧，4天内死亡约4000人。4613.7有毒有害物质循环(一)有毒有害物质循环的一般特点

有毒有害物质循环是指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集或被分解的过程。

47生物放大作用生物放大作用Bioaccumulation

（食物链浓集效应）：某些物质当他们沿食物链移动时，既不被呼吸消耗，又不容易被排泄，而是浓集在有机体的组织中，这一现象称为生物放大作用。48(二)有毒有害物质循环实例DDT人工合成的有机氯杀虫剂。1.危害：（1）消灭害虫的同时，无选择地将益虫、益鸟和害虫的天敌杀死。如美国加利福尼亚州，由于滥用DDT，1967年有19%的蜜蜂被杀死，导致水果和蜜糖急剧减产。4950水体中的DTT浓度约为0.00005ppm↓浮游生物0.04ppm↓刚毛藻0.08ppm↓网茅0.33ppm↓螺0.26ppm

蛤0.42ppm

鱼1.24ppm↓燕鸥3.42ppm↓河鸥幼体55.3ppm

成体18.5ppm↓秋沙鸭22.8ppm↓鹭鸟26.4ppm↓银鸥75.5ppmDDT不溶于水，而溶于脂肪，极易通过食物链而浓集。51（3）DDT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，雌鸟附卵时将蛋压破，从而使禽类的数量减少。52汞日本水俣病事件是世界有名的公害事件之一，1953年至1956年发生在日本熊本县水俣镇。1950年，在水俣湾附近的小渔村中，发现一些猫的步态不稳，抽筋麻痹，最后跳入水中溺死，当地人谓之“猫自杀”，但没有人研究这事。当后得知这是一起公害事件时，有人称为“自杀猫事件”。1953年，在水俣镇发现了一个生怪病的人，开始时只是口齿不清，步态不稳面部痴呆，进而耳聋眼瞎，全身麻木，最后神经失常，一会酣睡，一会兴奋异常，身体弯弓高叫而死，但没人知道这是什么病。1956年5月，又在医院出现4个这种病人，得这种病而没有入院的患者还有50多人。这才引起本地熊本大学医院一些人的注意。在调查中，把死猫死人病的各种现象联系起来分析，初步找到吃鱼中毒这个共同受害的根源。后来研究发现是氯化甲基汞（CH3HgCl）中毒。5314.地球上生态系统的主要类型及其分布14.1.影响陆地生态系统分布的因素（一）纬度（二）经度（三）海拔54（一）影响陆地生态系统分布的因素-纬度1.随纬度升高温度有规律变化：纬度引起太阳高度角、季节变化，导致太阳辐射量不同，产生热量差异。从赤道到两极，每增加一个纬度，温度降低0.5-0.7度。552.纬度地带性纬度地带性：由于热量沿纬度的变化，出现生态系统类型有规律的更替，如从赤道向两极依次出现热带雨林（Tropicalforest）、亚热带常绿阔叶林（Subtropicalevergreenforest）、温带落叶阔叶林（Temperatedeciduousforest）、寒温带北方针叶林（Taiga,coniferousforest）、苔原（Tundra）。即纬度地带性（植被类型呈现从低纬度向高纬度的有规律分布）。56我国植被分布纬度地带性从南自南沙群岛，北至黑龙江，跨50多个纬度，由于纬度的差异，从南向北形成各种热量带：热带、亚热带、温带和寒温带。于此相应，在湿润森林区域内，植被类型由南到北顺序为：热带雨林、亚热带常绿阔叶林区、温带落叶阔叶林、寒温带针叶林区。57（二）影响陆地生态系统分布的因素–经度经度地带性：在北美大陆和欧亚大陆，由于海陆分布格局与大气环流特点，水分梯度常沿经向变化，因此导致生态系统的经向变化，即由沿海的湿润区的森林，经半干旱的草原到干旱区的荒漠（植被因水分状况而按经度呈带状依次更替）。58我国植被分布经度地带性我国东西横跨经度约62度。陆地上大气降水的主要来源是海洋蒸发的水汽，我国东临太平洋，西连内陆，受海洋季风影响的程度不同，在我国从东到西水分条件从湿润到干旱的明显变化，依次分布三大植被区域：湿润森林、半干旱草原和干旱荒漠。59（三）影响陆地生态系统分布的因素–海拔1.温度、降水随海拔变化：海拔高度每上升100米，气温下降0.6度。相当于平地北移60公里。降水最初随高度的增加而增加，但达到一定界限后，降水量又开始降低。2.垂直地带性：由于海拔高度的变化，引起自然生态系统有规律地垂直交替。3.垂直带谱：随着海拔的升高而依次出现的植被带的具体顺序。6061台湾玉山624.垂直带特点1.垂直带谱的基带与该山体所地区的水平地带性植被相一致。越向高纬度，垂直带谱越简单，极地为冻原带，水平带与垂直带重合。2.在同一纬度内，经度不同也影响山体植被的垂直带谱。如长白山（东经128度）、西部的天山（东经86度），两者均北纬42度。但长白山距海较近，属温带针阔叶混交林，天山位于内陆，属荒漠范围。63长白山天池64植被分布的三向地带性：纬度、经度、海拔三个方向上植被类型有规律的带状分布。65垂直带与水平带的关系-相似之处:（1）植被类型在山体垂直方向上的成带分布和地球表面纬度水平分布顺序有相应性。如热带湿润区的高山森林分布与赤道到极地的水平植被分布向比较，自平地到山顶和自低纬度到高纬度的排列顺序大致相似。（2）垂直带与水平带上相应的植被类型，在外貌上也基本相似。66672.垂直带与水平带的关系-不同点（1）纬度带的宽度较垂直带的宽度大的多。（2）纬度带的相对连续性，垂直带的相对间断性。（3）纬度带、垂直带植被类型分布顺序的相似性，指群落的优势生活型和外貌，植物种类成分和群落生态结构有很大差异。68某一处山系上的植被垂直带谱，是反映该山系所出的一定纬度和一定经度的水平地带性特征，也就是说植被垂直地带性的表现，是从属于水平地带性的特征。二者之间中，水平地带性是基础，由他决定山地垂直地带性。6914.2陆地生态系统的水平分布格局7014.3世界主要的陆地生态系统类型一、热带雨林（Tropicalforest）二、亚热带常绿阔叶林（Subtropicalevergreenforest）三、温带落叶阔叶林（Temperatedeciduousforest）、四、寒温带北方针叶林（Coniferousforest）7114.3.1热带雨林Tropicalforest

热带雨林：指热带高温高湿地区那种茂密高耸而常绿的森林类型。1.位置：赤道及其两侧的湿润区域。LocationofTropicalRainforestAmazonBasinCongoBasinSouth-eastAsiaBetween10oNand10oS722.热带雨林的环境特点：（1）终年高温多雨。年平均气温26度以上。年降雨2500-4500毫米，全年均匀分布，无明显旱季,无明显的季节变化。73TemperatureChart74（2）热带雨林中土壤和岩石的风化作用强烈，其风化壳可达100米。土壤养分极为贫瘠，而且为酸性。75（3）雨林所需要的营养成分，几乎全储存在植物中，每年一部分植物死去，在高温高湿条件下，有机物分解很快，能迅速直接被的树根和真菌所吸收，形成一个几乎封闭的循环系统。76（1）种类組成极为丰富：高等植物在45000种以上，而且绝大部分为木本；乔木异常高大，常达46-55米，最高达92米；富有藤本植物和附生植物。3.热带雨林的植被特点：77Talltrunkandbroadcrown78攀援植物79附生植物Epiphyte80（2）热带雨林的植被特点-群落结构复杂:乔木分为3层：第一层：高30-40米以上，树冠宽广，有时呈伞型，往往不连接；第二层：一般在20米以上，树冠长、宽相等；第三层：10米以上，树冠锥形而尖，生长极其茂密。幼树及灌木层稀疏的草本层地面裸露或有薄层落叶藤本植物及附生植物发达。81EmergentLayerCanopyLayerMiddleLayerShrubLayerandUnderstorey垂直结构82（3）热带雨林的植被特点-乔木的构造特殊a板状根：有些种类的树干基部常会长出多姿多态的板状根，从树干的基部2至3米处伸出，呈放射状向下扩展。有些则生长着许多发达的气根，这些气根从树干上悬垂下来，扎进土中后，还继续增粗，形成了许许多多“树干”，大有一木成林的气势，非常壮观。83Buttressroot84B叶子乔木叶子在大小、形状非常一致,全缘，革质，中等大小。85

C茎花:由短枝上的腋芽或叶腋的潜伏芽形成，且多一年四季开花。有些种类的树如波罗蜜、可可等，在老树树干或根颈处也能开花结果，成为热带雨林中特有的老茎生花现象。D多昆虫传粉86（4）热带雨林的植被特点-无明显季相交替每一种植物都终年进行生长活动，仍有其生命活动节律。乔木叶子平均寿命13-14个月，零星凋落，零星添新叶。多四季开花，但每个种都有一个多少明显的盛花期。874.热带雨林中动物丰富热带雨林是地球上动物种类最丰富的地区。如巴拿马附近的一个面积不到0.5平方公里的小岛，就有哺乳动物58种。8814.3.2常绿阔叶林指分布在亚热带湿润条件下并以壳斗科、樟科、山茶科、木兰科等常绿阔叶树种为主组成的森林生态系统。891.亚热带常绿阔叶林-气候特点夏季炎热多雨，冬季少雨而寒冷，春秋温和，四季分明。年均温16-18度。年降雨1000-1500毫米，主要分布在4-9月，冬季降水少，但无明显旱季。902.亚热带常绿阔叶林-森林特点结构较热带雨林简单，高度明显降低，乔木分为两个亚层，上层一般高20米左右，以壳斗科、樟科、山茶科常绿树种为主；第二亚层高10-15米，以樟科、杜英科等树种为主。灌木层明显，但稀疏，草本层以蕨类为主。藤本植物与附生植物常见，但不及热带雨林繁茂。91三、落叶阔叶林又称夏绿林，冬季落叶，夏季绿叶。分布在中纬度湿润地区921.落叶阔叶林-气候特点年均温8-14度，年降水500-1000毫米，雨量分布不均。四季分明,冬季寒冷，夏季温暖，树木仅在暖季生长，入冬前树木叶子枯死并脱落。土壤较为肥沃。932.落叶阔叶林-森林特点（1）优势树种为壳斗科的落叶乔木、其次为桦木科、槭树科、杨柳科的一些种；（2）成层结构明显，乔木、灌木、草本层；（3）乔木层组成单纯，常为单优种，高15-20米。（4）灌木层比较发达，草本层也比较茂密。943.落叶阔叶林-动物哺乳动物有鹿、獐、棕熊、野猪、狐、松鼠。95四、北方针叶林BorealForest961.北方针叶林-分布

分布在北半球高纬度地