生态学基本原理

生态学基本原理第1页/共69页内容种群生态学群落生态学生态系统生态学生物地球化学循环第2页/共69页种群生态学的基本原理第3页/共69页第4页/共69页第5页/共69页第6页/共69页第7页/共69页群落生态学第8页/共69页I:nointeractionII:mutualismIII:predation/parasitismIV:competitionV:ammensalismV:commensalism第9页/共69页第10页/共69页第11页/共69页第12页/共69页第13页/共69页第14页/共69页生态系统第15页/共69页生物地球化学循环一、什么是生物地球化学循环（What）二、研究生物地球化学循环的重要性（Why)三、生物地球化学循环的驱动力（Who）四、生物地球化学循环的主要研究方法和特点(hoW)五、常见的生物地球化学循环(WorldfocusedBGC)六、碳循环问题（GlobalWarmingproblemBGC）“迷失的碳汇”生物圈在全球碳循环中的作用海洋在全球碳循环中的作用京都议定书第16页/共69页一、什么是生物地球化学循环？地球系统

大气圈、水圈、生物圈、土壤圈、岩石圈和人类构成的相互作用着的系统

地球系统是封闭系统（为什么？），但非孤立系统（为什么？）封闭系统

与外界没有物质交换（或净交换为零）的系统

只有在封闭系统中才能讨论物质循环问题孤立系统

与外界既无物质交换又无能量交换的系统生物地球化学循环物质在地球系统中在各圈层中互相传输或转化，使物质总量不变的过程之和第17页/共69页大气圈光合作用太阳辐射输入植物藻类自养细菌化石燃料岩石圈土壤圈风搬运风输、沉降、排放第18页/共69页氮气氧气水汽氩气二氧化碳氖气氦气甲烷氪气氢气氧化亚氮一氧化碳二氧化硫臭氧氙气氮氧化物其它物种体积丰度来源数量特征大气化学组成大气圈岩土生物圈河海第19页/共69页ElementMassofelement

ina70-kgpersonVolumeof

purifiedelementoxygen43kg37L33.5cmcarbon16kg7.08L碳：22hydrogen7kg98.6L46.2cmnitrogen1.8kg2.05L12.7cmcalcium1.0kg645mL8.64cmphosphorus780g429mL7.54cmpotassium140g162mL5.46cmsulfur140g67.6mL4.07cmsodium100g103mL4.69cmchlorine95g63mL3.98cmmagnesium19g10.9mL2.22cmiron4.2g0.53mL8.1mmfluorine2.6g1.72mL1.20cmzinc2.3g0.32mL6.9mmsilicon1.0g0.43mL7.5mmElement70-kg动物或人体中元素含量Volumeof

purifiedelementoxygen43kg37Lcarbon16kg7.08Lhydrogen7kg98.6L46.2cmnitrogen1.8kg2.05L12.7cmcalcium1.0kg645mL8.64cmphosphorus780g429mL7.54cmpotassium140g162mL5.46cmsulfur140g67.6mL4.07cmsodium100g103mL4.69cmchlorine95g63mL3.98cmmagnesium19g10.9mL2.22cmiron4.2g0.53mL8.1mmfluorine2.6g1.72mL1.20cmzinc2.3g0.32mL6.9mmsilicon1.0g0.43mL7.5mm重量百分率氧：61％碳：21.8%氢：10%氮:2.6%钙：1.4%磷：1.1%钾：0.2%硫：0.2%钠：0.14%氯：0.13%镁：0.03%铁：0.006%氟：0.004%锌：0.003%硅：0.001%人体中元素含量70-kg动物或人体中元素含量大气圈河海岩土生物圈第20页/共69页地壳中的元素丰度元素重量百分率Oxygen46.6Silicon27.7Aluminum8.1Iron5.0Calcium3.6Sodium2.8Potassium2.6Magnesium2.1Allothers1.5氧硅铝铁钙钠钾镁其它所有大气圈生物圈河海岩土第21页/共69页中国森林土壤背景大气圈生物圈河海岩土第22页/共69页

氧(O)

857.0氢(H)

108.0氯(CI)

19.0钠(Na)

10.00镁(Mg)

1.350硫(S)

0.885钾(K)

0.380碳(C)

0.028硅(Si)

0.003氮(N)

0.0005磷(P)

0.00007铝(Al)

0.00001海洋中主要元素含量（g/kg）海水与生命中元素含量比较类似！大气圈生物圈岩土河海第23页/共69页二、为什么研究生物地球化学循环？许多物质及对于生命的存在和持续具有决定性的作用决定生命能否存在决定生命存在的最大数量不同物质的生物地球化学循环的特征差别巨大与能量的单向流动不同，生物地球化学循环使物质通过生物圈过程重复使用人类已经显著地改变了地球的生物地球化学循环改变了通量产生出新的物质转移路径可能使某些储库储量改变量巨大可导致循环链断裂第24页/共69页生态学中的通量（flux）：单位时间内垂直通过单位面积所传递的某种物理量。如碳通量、热通量和水汽通量等。土壤学中的通量：单位时间内物质或能量从一个储存库转移到另一储存库的转移量。第25页/共69页缓解和控制的机制和方法探索与生物地球化学循环有关的主要人类活动影响：温室效应酸雨农药富集水生生态系统富营养化第26页/共69页

不同物质的生物地球化学循环特征差别巨大Chemical

Atmosphere

Oceans

Biosphere

Land(crust)SminorlargesmalllargeNlargeminorsmallmodestOsmallsmallminorlargeCminorsmallminorlarge第27页/共69页

酸沉降导致的生态和环境问题人类健康生态退化水生生物产量和品质下降森林草地生长衰退第28页/共69页

元素的生物地球化学循环对环境的影响第29页/共69页碳的生物地球化学循环影响气候工业革命改变了的碳循环工业革命改变碳循环原理：大气中二氧化碳升高具有施肥效应大气中二氧化碳升高会加强温室效应，通过温度升高影响碳循环气候变暖第30页/共69页三、生物地球化学循环的驱动力太阳辐射：自然驱动力太阳辐射光合作用生物圈人类：另一驱动力燃烧化石土地利用改变矿物开发利用第31页/共69页生态系统中的物质的循环过程C,H20,P,N...生物地球化学循环的驱动力：太阳辐射第32页/共69页生物的非生物的有机的动物自养生物（植物和细菌等）生物残体微生物大气圈土壤水沉积物泥炭

媒石油等岩石无机的易利用的难利用的同化、光合固定,死亡,呼吸,排泄,淋洗侵蚀、燃烧高压地质过程沉积变岩石抬升、侵蚀风化第33页/共69页四、生物地球化学循环的主要研究方法调查和实验库量、通量过程机制数学模型库量通量周转时间和平均停留时间第34页/共69页五、常见的生物地球化学循环水循环氮循环碳循环硫循环第35页/共69页水的生物地球化学循环太阳能驱动下的水循环人类活动改变水循环原理：不同植被具有不同的蒸腾率不同陆面具有不同的蒸发率第36页/共69页？？第37页/共69页第38页/共69页人类活动通过生态系统对水循环的影响原理G1>G;F1>F;S1<S;d1<d;U<U1;R1<R降水P温度T草地蒸腾G森林蒸腾F土壤水分土壤蒸发S地下水U径流R降水P温度T人工植被蒸腾G1人工植被蒸腾F1土壤水分土壤蒸发S1地下水U1径流R1抽水o1入渗d入渗d1调水土地利用变化第39页/共69页TemperateEastAsiaRegionalCenter生物地球化学循环讲义IntroductiontoBiogeochemicalCycles延晓冬YanXiaodong中国科学院大气物理研究所东亚-气候环境重点实验室2010年3月氮的生物地球化学循环人类活动干预的局地循环为主，但影响全球环境的氮循环人类活动改变氮循环原理：农业施肥工业排放引起的的大气氮沉降第40页/共69页？？第41页/共69页氮循环：氧化和还原途径众多大气是最大的氮库：79%N2岩石和沉积中很少海洋中缺乏人类活动包括：合成氨和化肥施用生物学传输机制最主要的N2还原为氨态氮的途径：固氮菌固氮氨态氮被生物转化为有机氮：同化氨态氮氧化成硝态氮：硝化有机氮分解为氨态氮：氨化硝态氮还原为气态氮：反硝化第42页/共69页NitratesNO3NitritesNO2AmmoniaNH3GaseousN2人类活动自然Water第43页/共69页第44页/共69页植被对氮循环起着重要的控制作用，没有植被的地方氮将逐渐减少第45页/共69页磷的生物地球化学循环地质作用为主的磷循环人类活动改变磷循环原理：农业施肥人类生活水生生态系统磷循环改变水体富营养化第46页/共69页第47页/共69页磷循环传输机制最大储库：海洋沉积和陆地土壤主要传输机制：大陆抬升岩石风化水中溶解生物同化溶解磷酸盐生物间传输传输沉降侵蚀人类开发和农业施用第48页/共69页第49页/共69页硫的生物地球化学循环主要储库为岩石圈和沉积物人类活动影响剧烈通过陆气交换对环境施加影响生物循环过程复杂厌氧自养菌生长化能自养菌生长（能源多样）第50页/共69页深海化能自养（利用H2S）第51页/共69页第52页/共69页第53页/共69页第54页/共69页第55页/共69页六、碳循环的问题1碳循环与全球变化missingcarbonsink陆地生态系统与全球碳循环海洋与全球碳循环环境因素与碳循环全球碳循环模型《京都议定书》中国的碳收支未来全球碳循环展望第56页/共69页温室效应与全球碳循环：CO2浓度上升的主要原因－化石燃料燃烧和人类活动排放第57页/共69页TemperateEastAsia温室效应与全球碳循环：排放出的碳不是都储在大气圈中年大气中CO2浓度ppm大气中储C量GtC累积排放量GtC备业革命前2000369782480当前包括其它排放差值89188292?第58页/共69页Missingcarbonsink:问题的提出

Atmosphericincrease=EmissionsofFossilfuels+EmissionsoflanduseOceanicuptakeMissingcarbonsink

未进入大气中的碳量是逐年积累的储藏入海洋的的碳量是相对易测的年收支计算表明除了大气圈和海洋碳汇外，仍存在另一个碳的去处，迷失的碳汇3.2(±0.2)＝6.3(±0.4)＋1.6(±0.8)－1.7(±0.5)－2.8(±1.2)

3.3(±0.2)＝5.5(±0.5)＋1.6(±0.7)－2.0(±0.8)－1.8(±1.2)

1980’s1990’s第59页/共69页2Missingcarbonsink:初步回答（1990‘s反推法）第60页/共69页3陆地生态系统与全球碳循环：主要过程光合作用是CO2从大气中进入生物圈的唯一途径生物圈中CO2释放有4种途径：呼吸，燃烧，凋落和人类利用（包括土地利用变化）进入土壤中的碳有一种途径：凋落土壤释放CO2的途径只有一种：呼吸生态系统中储藏着大量的碳，对其不适当利用或破坏可能导致其释放出大量的碳到大气中CH4和CO量较少，对碳循环作用微小热带雨林中储藏着最大量的碳，由于对其破坏已释放出大量的CO2光合过程与环境温度湿度和CO2浓度密切相关呼吸过程与环境温度和植被结构密切相关第61页/共69页TemperateEastAsiaRegionalCenter全球碳循环GlobalCarbonCycle:《GlobalChange》Chapter4延晓冬YanXiaodong中国科学院大气物理研究所东亚-气候环境重点实验室2010年3月4海洋生态系统与全球碳循环海洋碳循环是物理、化学和生物综合过程大气与海表的碳物理交换和化学过程大气与海表的生物的碳光合交换表层生物残体体向下层输送富积碳由海底从极地向赤道的洋流输送碳在赤道上升并向极地洋流输送高浓度中层与低浓度中层的碳垂直混合随河流来自陆地的有机物沉积从储量看海洋有一定的碳汇功能，但其能力受到表层海储碳能力较低的限制第62页/共69页5环境因素与全球碳循环对陆地生态系统的气候效应改变陆地生态系统的分布格局，进而改变碳收支通过改变水平衡，氮平衡，改变碳收支通过对植物光合和呼吸的影响改变碳收支通过对土壤的呼吸速率的改变影响碳平衡对海洋生态系统的气候效应改变温度影响海洋源汇CO2浓度上升的直接效应CO2的施肥效应问题：短期效应明显，长期效应待深入研究第63页/共69页5环境因素与全球碳循环第64页/共69页5环境因素与全球碳循环第65页/共69页5环境因素与全球碳循环对陆地生态系统的气候效应改变陆地生态系统的分布格局，进而改变碳收支通过改变水平衡，氮平衡，改变碳收支通过对植物光合和呼吸的影响改变碳收支通过对土壤的呼吸速率的改变影响碳平衡对海洋生态系统的气候效应改变温度影响海洋源汇CO2浓度上升的直接效应CO2的施肥效应问题：短期效应明显，长期效应待深入研究第66页/共69页7《京都议定书》（KyotoProtocol:1997-12)1992:(TheUnit