第十一章生态系统的物质循环

第十一章生态系统的物质循环主要内容物质循环的一般特点全球水循环气体型循环沉积型循环有毒有害物质循环为什么研究物质循环？一、物质循环的基本原理

1、物质不灭定律物质不灭定律认为，化学方法可以改变物质的成分，但不能改变物质的量，即在一般的化学变化过程中，察觉不到物质在量上的增加或减少。

第一节物质循环的一般特点2、质能守恒定律

质能守恒定律认为，世界不存在没有能量的物质质量，也不存在没有质量的物质能量。质量和能量作为一个统一体，其总量在任何过程中都保持不变的守恒。质能守恒和物质不灭定律在生态学的运用，使得物流过程平衡表的制作成为可能。二、物质循环的几个基本概念（1）生物地球化学循环：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的过程。这一过程包括生物与非生物二者的参与,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。（2）库：物质在循环过程中被暂时固定、储存的场所称为库。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。在生物地球化学循环中，库可分为储存库（Reservoirpool，容积大，物质交换活动缓慢，一般为环境成分）和交换库（Exchangepool，容积小，交换快，一般为生物成分）。（3）物质循环的流：物质在库与库之间的转移运动状态称为流。流通率：单位时间、单位面积/体积的物质转移量（4）周转率：流通率/库中营养物质总量

（5）周转时间：库中营养物质总量/流通率

三、影响物质循环速率的因素元素的性质：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CO21年,N100万年

生物的生长速率：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

人类活动的影响：开垦农田和砍伐森林引起土壤矿物质的流失，影响物质循环速率化石燃烧把硫和二氧化硫释放大气中四、生物地球化学循环的类型气体型循环

元素或化合物可以转化为气体形式参与循环过程，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，循环性能最为完善循环速度比较快，例如CO2、N2、O2等沉积型循环

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，贮存库是岩石、土壤和沉积物沉积循环的全球性不如气体型循环，循环性能也很不完善循环速度比较慢，时间要以千年计算，例如P、Ca、Na、Mg等水循环水的全球循环过程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水循环是太阳能推动，在陆地、大气和海洋间循环地表总水量：1.4×109km3，海洋约占97%水的循环：陆地：蒸发(蒸腾)71,000km3，降水111,000km3，径流40,000km3

海洋：蒸发425,000km3，降水385,000km3第二节全球水循环全球水循环一、全球水循环全球水循环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生物圈中水的循环平衡是靠世界范围的蒸发与降水来调节的。由于地球表面的差异和距太阳远近的不同，水的分布不仅存在着地域上的差异，还存在着季节上的差异。一个区域的水分平衡受降水量、迳流量、蒸发量和植被截留量以及自然蓄水量的影响。降水量、蒸发量的大小又受地形、太阳辐射和大气环流的影响。地面的蒸发和植物的蒸腾与农作制度有关。土地裸露不仅土壤蒸发量增大，并由于缺少植被的截留，使地面迳流量增大。因此，保护森林和草地植被，在调节水分平衡上有着重要作用。丰茂的森林可截留夏季降水量的20-30%，草地可截留降水量的5-13%。树冠的强大蒸腾作用，可使林区比无林区、少林区降水量增多30%左右。坡地上，森林可减轻水对土壤的侵蚀作用；林地内，地表迳流量比无林地少10%左右。改变地面及植被状况，而影响大气降水到达地面后的分配，如修筑水库、塘堰可扩大自然蓄水量；而围湖造田又使自然蓄水容积减小；地下水的过度开采利用，使某些人口集中的地区出现了地下水位和水质量的下降，如目前我国许多北方大城市的地下水分布出现“漏斗”。

在干旱、半干旱地区大面积的植被破坏，导致地区性气候向干旱化方向发展；环境污染恶化水质，影响水循环的蒸散过程，洋面的油污染导致蒸发量减少，而温室效应又促进了蒸发，蒸发量的变化又导致了全球范围内降水量的变化。人类对水循环的影响第三节气体型循环碳的重要性：生命元素、能量流动碳库：海洋和大气、生物体、岩石圈碳的存在形式：CO2，无机盐，有机碳主要循环过程生物的同化和异化过程大气和海洋间的CO2交换碳酸盐的沉淀作用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一、碳循环

整个地球碳的储存数量约为26×1015吨。其中有90%以上以碳酸盐形式禁锢在岩石圈中，而只有7500×109吨是以有机态埋藏在地下(如煤、石油)。这些成为碳循环中的储存库。只有极少量碳参与经常性流动和圈层间的交换。其中大气圈中(二氧化碳状态)约700×109吨，水圈中(多为碳酸盐态或二氧化碳状态)约为352.50×109吨。而构成现有生物量的有机碳仅为120×109吨。水圈、大气圈和生物圈扮演着碳循环中活动库的作用。

循环途径①陆地生物与大气之间的碳素交换，绿色植物通过光合作用吸收大气中的CO2，合成碳化物，经食物链转入动物及微生物体内，植物、动物和微生物又通过呼吸作用及残体分解释放出CO2，返回大气中参加再循环。②大气和海洋之间的二氧化碳交换；CO2CO2溶于海水H2CO3H++CO32-CaCO3

↓↓水体中生物海底沉积物③化石燃料参与的碳循环煤、石油、天然气等化石燃料是生物残体埋藏在地层中，经过长期的地质作用形成的含碳物质，作为能源燃烧时放出大量的CO2，它被植物再利用，重新加入生态系统的碳循环。目前该途径已成为大气中CO2的一个重要来源。农业生态系统中碳的同化随工业辅助能的投入而增加，但动植物残体和排泄物中的碳是以有机物形式返回土壤，还是以CO2形式返回大气。若是后种形式，则土壤微生物的碳源将会减少，土壤有机质可能下降，造成地力衰退。Greenhouseeffects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温室气体主要包括：二氧化碳(CO2)、甲烷(CH4)、氧化亚氮(N2O)、六氟化碳(SF6)、氟氯碳化物(CFCs)、氢氟碳化物(HFCs)等全球变暖的影响一、极地的冰会融化，海洋会因热而膨胀，海平面上升，最终导致全球气候的大规模变化。海平面上升，淹沒陆地。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。气候变暖导致的海平面上升将影响到地势较低的沿海城市，部分城市可能要内迁，同时大部分沿海平原将发生盐碱化或沼泽化，不适于生产。厄尔尼诺现象(ElNino)是指东太平洋洋面在赤道处的海水偶尔变暖的现象，它与北太平洋和北美洲的天气特点密切相关。当发生的诺现象较强烈时，附近就会产生很明显的气候变化——风力风向异常，降雨量多于平常年，导致台风和洪水灾害。在包括北太平洋、北美大陆和大西洋的广大地区甚至在全球范围内，都能观察到厄尔尼诺现象所带来的显著影响。拉尼娜现象是指东太平洋洋面在赤道附近的海水偶尔变冷的现象。同样，拉尼娜现象也会显著影响全球气候。二、全球气温升高可能会导致气候带北移，使湿润区与干旱区重新配置。

如我国亚热带北界可能移到黄河以北，垂直气候带将上升200—400m，结果将使我国总降水量大大减少，有可能在我国东部形成较强的近南北向分布的少雨带，尤其是长江中下游和黄淮海平原，天气变得干热，水源紧缺，农林牧业生产将受到严重影响。

三、全球变暖对生物圈中动植物分布的模式及生物多样性也将产生明显的影响。

如11000年前发生的冰川期后气候变暖，随着气温渐暖、冰川融化，较高纬度地区的地貌发生了显著变化。苔原变成了森林，而以前的冰川变成了苔原。当然，相应地动物种类也发生了显著变化。对某些动物种群来说，栖息地温度的少许变化就可能导致种群灭绝。四、全球变暖会引起生物的迁移。

这种迁移或者是为寻求适宜的温度，或者是为适应变化的环境，或者是面临灭绝的反应。生物的这种迁移会引发热带病，生境由热带气候变成温带气候就有可能导致这类病(如疟疾)。二、氮循环据统计，物理化学(电化学和光化学)的固氮量平均7.6×106吨/年，生物固氮量为54×106吨／年。2000年时，化肥的产量达到80×106吨。生物圈中氮(106吨)的分布大气3，800，000陆地有机质772活有机体12死有机体760非有机氮（陆地）140地壳14，000，000

海洋水中20，000海洋有机体901活有机体1死有机体900非有机体氮（海洋）100沉积物4，000，000

无机氮总量=1，673有机氮总量=21，820，240

氮循环氮的重要性：蛋白质氮库：大气、土壤、陆地植被生物可利用的氮的形式：NO32-、NO22-、NH4+

氮循环的主要过程固氮作用氨化作用硝化作用反硝化作用固氮作用类型闪电、宇宙射线、火山爆发等高能固氮工业固氮：400摄氏度，200大气压下生物固氮：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意义平衡反硝化作用对局域缺氮环境有重要意义，在像熔岩流过和冰河退出后的缺氮环境里，最初的入侵者就属于固氮生物，所以固氮作用在局域尺度上也是很重要的大气中的氮只有通过固氮作用才能进入生物循环氨化作用、硝化作用和反硝化作用氨化作用：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氮气，回到大气库中氮循环的环境问题水体硝酸盐(N03-)含量对于生物是危险的，例如，它可以引起“蓝婴病”(bluebabydisease)。硝酸盐在消化道中可以转化为亚硝酸盐，后者是有毒的，它与血红蛋白相结合形成正铁血红脘(methemoglobinea)，导致红细胞运输氧功能的损失，婴儿皮肤因缺氧而呈蓝色，尤其是在眼和口部，“蓝婴病”即由此而得名。这种病还可能与皮肤病和一些癌有联系。流入池塘、湖泊、河流、海湾的化肥氮造成水体富营养化，赤潮和水华光化学烟雾是以汽油做动力燃烧后出现的一种空气污染现象。光化学烟雾一般发生在大气相对湿度较低，气温为24～32oC的夏秋季晴天，污染高峰出现在中午或交通繁忙时刻，白天生成，傍晚消失。这主要是汽车尾气排放的氮氧化合物和碳氢化合物在强烈阳光下，会产生一系列复杂的光化学反应，生成臭氧、醛类、二氧化氮和过氧乙酰基硝酸酯等，总称为光化学氧化剂。这些物质同水蒸汽一起，在适当条件下形成带刺激性的浅蓝色烟雾。由于在反应过程中光提供了能量，故称光化学烟雾。早在20世纪40年代，美国洛杉矶就出现过此类空气污染，50～60年代其他城市也出现过光化学烟雾的危害。光化学烟雾对人体健康危害很大，可使人眼、鼻、气管、肺粘膜受到反复性刺激，出现流眼泪、红眼病、气喘、咳嗽等。长期慢性伤害可引起肺功能异常、支气管发炎、肺癌等。第四节沉积型循环磷是构成核酸、细胞膜、能量传递系统和骨骼的重要成分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磷的循环过程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，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，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。一部分磷脱离生物小循环进入地质大循环动植物遗体在陆地表面的磷矿化磷受水的冲蚀进入江河，流入海洋一、磷循环磷循环是不完全的循环，有很多磷在海洋沉积起来。

全球磷循环的最主要途径是磷从陆地土壤库通过河流运输到海洋，达到21×1012gP/a。磷从海洋再返回陆地是十分困难的，海洋中的磷大部分以钙盐的形式而沉淀，因此长期地离开循环而沉积起来。

全球磷循环磷循环的环境问题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。含磷洗涤用品会给环境造成破坏湖泊富营养化——污水排放二、硫循环硫是蛋白质和氨基酸的重要组分，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。

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---硫酸盐火山爆发

硫化氢硫---------------大气化石燃料燃烧

二氧化硫硫-----------------大气酸雨出现酸雨主要原因是大气的二氧化硫污染。酸降对降雨量较大的地区、易感的水体和土壤中的植物和动物造成明显的损害。酸雨引起玉米及饲料作物减产，使得成百个湖泊没有鱼生长。农作物和其他植物也受到影响。酸雨改变了土壤和湖泊的pH，同时酸化会导致有毒金属(比如铝和汞)从土壤和沉积物中释放出来，进入动植物体内，并逐步积累，最后通过食物链进入人体，对人体产生不利影响。我国降水酸度由北向南逐渐加重，华东、西南地区已普遍发生酸雨，形成了世界第三大酸雨区。1982年我国重庆地区入夏后连降酸雨，使2万亩水稻的叶子突然枯黄，状如火烤,几天后枯死。酸雨因腐蚀性很强，会大大加速建筑物、金属、纺织品、皮革、纸张、油漆、橡胶等物质的腐蚀速度。它还可成为摧残文物古迹的原凶。酸雨的危害

德国被酸雨损害的树林,这些树更易遭受干旱、疾病和昆虫的危害。

世界范围酸雨危害伦敦烟雾事件伦敦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人全球的物质循环系统第五节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。有毒物质种类繁多，包括有机的如酚类和有机氯农药等、无机的如重金属、氟化物和氰化物等。食物链的富集作用（或生物放大作用）：指有毒物质沿食物链各营养级传递时，在生物体内的残留浓度不断升高，愈是上面的营养级，生物体内有毒物质的残留浓度越高的现象。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。有毒有害物质循环的实例（1）DDTDDT