生态学课件 13生态系统中的物质循环

13生态系统中的物质循环1

生态系统的存在是靠物质循环和能量流动来维持的。生态系统的能量流动和物质循环都是通过食物链和食物网的渠道实现的，二者相互伴随进行，又相辅相承，密不可分的统一整体。但是，能量流动和物质循环又有本质上的区别：能量流经生态系统各个营养级时是逐级递减，而且运动是单向的、不是循环的，最终在环境中消失。物质循环是带有全球性的，在生物群落与无机环境间物质可以反复出现，反复利用，循环运动，不会消失。2物质循环的基本原理

物质不灭定律质能守恒定律3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。4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。5主要内容13.1物质循环的一般特征13.2全球水循环13.3碳循环13.4氮循环13.5磷循环13.6硫循环6物质循环与能量流动713.1物质循环的一般特征

1)生物地球化学循环：生态系统内的各种化学元素及其化合物在生态系统内部各组成要素之间及其在地球表层生物圈、水圈、大气圈和岩石圈等各圈层之间，沿着特定的途径从环境到生物体，又从生物体再回归到环境，不断地进行着反复循环变化的过程。8

2)地质大循环：物质或元素经生物体的吸收作用，从环境进入生物有机体内，然后生物体以死体、残体或排泄物形式将物质或元素返回环境，进入五大自然圈（气圈，水圈，岩石圈，土壤圈，生物圈）的循环的过程。这是一种闭合式循环。9Basicsofnutrientcycling10

3)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。这是一种开放式循环。11

4)物质循环的库：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）。12

5)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：在单位时间或单位体积的转移量.周转率：出入一个库的流通率除以该库中的营养物质的总量。周转时间：周转率的倒数。13物质在库间的流通流通量、周转率与周转时间是相对于库而言的生产者库流通率：20单位/天周转率：20/100=20%周转时间：100/20=5天消费者库流通率：4单位/天周转率：4/50=8%周转时间：50/4=12.5天14

6）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15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16

7)循环效率：

生态系统中某一组分的贮存物质，一部分或全部流出该组分，但未离开系统，并最终返回该组分时，系统内发生了物质循环。循环物质（FC）占总输入物质（FI）的比例，称为物质的循环效率（EC）（EC=FC/FI）。17

8)生物积累（Bioaccumulation)：

生态系统中生物不断进行新陈代谢的过程中，体内来自环境的元素或难分解化合物的浓缩系数不断增加的现象。18

9)生物浓缩（Bioconcentration)：生态系统中同一营养级上的许多生物种群或者生物个体，从周围环境中蓄积某种元素或难分解的化合物，使生物体内该物质的浓度超过环境中的浓度的现象，又称为生物富集（Biologicalenrichment)。19

10)生物放大(Biomagnification)：

在生态系统的食物链上，高营养级生物以低营养级生物为食，某种元素或难分解化合物在生物体中浓度随着营养级的提高而逐渐增大的现象。20物质循环的特点物质不灭，循环往复物质循环与能量流动不可分割，相辅相成物质循环的生物富集生态系统对物质循环有一定的调节能力物质循环中生物的作用各物质循环过程相互联系，不可分割21生物地球化学循环的类型水循环：是物质循环的核心气体型循环（为什么气态循环引起人们极大的重视？）沉积型循环22

气相型循环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。元素或化合物可以转化为气体形式，通过大气进行扩散，弥漫于陆地或海洋上空，在很短的时间内可以为植物重新利用，循环比较迅速，例如CO2、N2、O2等，水实际上也属于这种类型。由于有巨大的大气贮存库，故可对干扰能相当快地进行自我调节（但大气的这种自我调节也不是无限度的）。因此，从地球意义上看，这类循环是比较完全的循环。值得提出的是，气相循环与全球性三个环境问题（温室效应，酸雨酸雾，臭氧层破坏）密切相关。

23酸雨在毁灭森林！24

沉积型循环许多矿物元素其贮存库在地壳里。经过自然风化和人类的开采冶炼，从陆地岩石中释放出来，为植物所吸收，参与生命物质的形成，并沿食物链转移。然后，由动植物残体或排泄物经微生物的分解作用，将元素返回环境。除一部分保留在土壤中供植物吸收利用外，一部分以溶液或沉积物状态随流水进入江河，汇入海洋，经过沉降、淀积和成岩作用变成岩石，当岩石被抬升并遭受风化作用时，该循环才算完成。这类循环是缓慢的，并且容易受到干扰，成为“不完全”的循环。沉积循环一般情况下没有气相出现，因而通常没有全球性的影响。2513.2水循环水是生命基础元素。水既是一切生命有机体的重要组成成分，又是生物体内各种生命过程的介质，还是生物体内许多生物化学反应的底物。水是生物圈中最丰富的物质，水以固、液、气三态存在。环境水分对生物的生命活动也有着重要的生态作用。26地球的海洋、冰川、湖泊、河流、土壤和大气中含有大量的水。海洋中的液态咸水约占总量的97%。陆地、大气和海洋中的水，形成了一个水循环系统。水在生物圈的循环，可以看作是从水域开始，再回到水域而终止。水域中，水受到太阳辐射而蒸发进入大气中，水汽随气压变化而流动，并聚集为云、雨、雪、雾等形态，其中一部分降至地表。到达地表的水，一部分直接形成地表径流进入江河，汇入海洋；一部分渗入土壤内部，其中少部分可为植物吸收利用，大部分通过地下径流进入海洋。植物吸收的水分中，大部分用于蒸腾，只有很小部分为光合作用形成同化产物，并进入生态系统，然后经过生物呼吸与排泄返回环境。2728周转期冰川8600年地下水5000年江河水11.4天植物体内水分2-3天29植物体含水量虽小，但流经植物体的水分数量却是巨大的。例如，水稻在生长盛期，每天每公顷大约吸收70吨水，其中大约5%用于维持原生质的功能和光合作用，95%以水蒸汽和水珠的形式，从叶片的气孔中排出。Penman估计，参与光合作用的水要比参与蒸腾作用的水少得多。如生产20吨鲜重的植物物质，在生长期间要从土壤中吸收2000吨的水，20吨鲜重中有5吨干物质，余15吨为可蒸发水分。5吨干物质中有结合水3吨，仅相当于自土壤中吸收水分的0.15%。生态系统中的水循环30生态系统中的水循环降雨截留穿透雨蒸腾渗透土壤吸收地表径流地下径流消费者地面蒸发31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、径流量、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，使地面径流量增大。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。32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，地表径流量比无林地少10%左右。亚热带常绿阔叶林热带雨林33目前水资源存在什么问题？淮河水污染水资源短缺；水体污染怪现象一：河水当化肥产粮全卖出怪现象二：淮河千余闸闸闸截污水

34人类对水循环的影响有那些？1、植被破坏2、水利工程3、水体污染4、开采地下水

人类对水循环的影响是多方面的。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”。

3513.3碳循环碳是生命骨架元素。环境中的CO2通过光合作用被固定在有机物质中，然后通过食物链的传递，在生态系统中进行循环。36循环途径有：①在光合作用和呼吸作用之间的细胞水平上的循环；②大气CO2和植物体之间的个体水平上的循环；③大气CO2──植物──动物──微生物之间的食物链水平上的循环(这些循环均属于生物小循环)。此外，碳以动植物有机体形式深埋地下，在还原条件下，形成化石燃料，于是碳便进入了地质大循环。当人们开采利用这些化石燃料时，CO2被再次释放进入大气。37碳循环1个体水平细胞水平食物链水平地质大循环38碳的储存库大气圈：储量最小，二氧化碳等岩石圈：储量最大，碳酸盐岩等水圈：无机盐，有机体生物圈：2000年的估计数据,全球陆地生态系统碳储量约24770亿t,其中植被4660亿t,土壤20110亿t。森林为陆地生态系统中最大的碳储库,森林植被的碳储量约占全球植被的77%,森林土壤的碳储量约占全球土壤的39%。39中国各类陆地植被的碳储量40碳源和碳汇任何释放碳素的过程谓之“源”,固定碳素的过程称为“汇”。碳源和碳汇都是以大气圈为参照系,以向大气中输入碳或从大气中输出碳为标准来确定。最终决定一个体系是源还是汇的是碳的净收支。41人类最为关心的莫过于短时间尺度上的碳源和碳汇的变化。对于几年到几百年的时间尺度,全球碳循环主要是以CO2

的形式在生物圈、海洋和大气圈中进行。42人类活动对碳循环的影响工业革命以前,大气中的CO2

浓度平均值约为280×10-6

ppm,变化幅度大约在10×10-6以内,平均而言,这一时期的自然碳收支处于很好的平衡态。工业革命之后的几百年里,大气中的CO2

浓度增加31%,1995年大气中的CO2

浓度达到360×10-6

ppm。人类活动造成的碳收支失衡不断增长、积累,碳循环的平衡开始被破坏。43人类活动对全球碳循环的影响体现在3方面:一是人为增加碳源，如化石燃料的燃烧；二是人为减少碳汇，如土地利用方式的改变；三是气候变暖的反馈作用，如冰川减少、海平面上升、植被带迁移等。44横坐标是时间，左方纵坐标是气体的浓度454647动态平衡平衡失调全球变暖等环境问题48人类的应对措施改造植物，营林并定期砍伐20世纪80年代，约翰·马丁针对全球变暖提出了“Geritol方案”（Geritol是一种治疗缺铁性贫血的营养补充剂）?将工厂排放的二氧化碳气体压缩后，送到海底。在3000m以下的深海，压强足够大，二氧化碳可以维持液态。?法律法规（《京都议定书》）49第二次工业革命以来，大量化石燃料的燃烧，改变了原有的碳素平衡状态。每年因燃烧放回到大气中的化石燃料碳50~60亿吨，因农业土壤耕作返回大气的碳约20亿吨（1970年估计值），同时由于森林被砍伐，减少了对CO2的固定，因此，尽管海洋能够吸收近2/3的额外碳源，仍然避免不了全球大气CO2浓度的升高。5051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。52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。53温室效应温室效应（Greenhouseeffects）：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：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)等温室效应的影响海平面上升，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54IncomingsunlightwarmsthesurfaceoftheEarthandisradiatedbacktoatmosphere.Greenhousegasesabsorbsomeofthisheat,trappingitintheatmosphere.

GREENHOUSEEFFECT55CO2排放56CarbonaccumulationCO2hasincreasedfromitspre-industrialleveldata:recentrecordsplusolderdatasuchasicecoresmostlyfossilfuelburning57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5813.4氮循环氮的重要性：生命代谢元素氮库：大气、土壤、陆地植被大气中氮的含量为79%，总量约3.85×1015t，但它是一种很不活泼的气体，不能为大多数生物直接利用。只有通过固氮菌的生物固氮、闪电等的大气固氮，火山爆发时的岩浆固氮以及工业固氮等4条途径，转为硝酸盐或氨的形态，才能为生物吸收利用。生物可利用的氮的形式：NO32-、NO22-、NH4+59TheNitrogenCycle6061氮循环是一个复杂的过程，包括有许多种类的微生物参加：

氨化作用：氨化细菌和真菌将有机氮分解为氨与氨化合物，氨溶于水成为NH4+,被植物直接利用，在土壤氮素养分供应上有很大意义。硝化作用：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：脱氮作用，反硝化细菌将亚硝酸盐转变成大气氮，回到大气库中。

62在生态系统中，植物从土壤中吸收硝酸盐，合成蛋白质，再与其他化合物一起建造了植物有机体，于是氮素进入生态系统的生产者有机体，进一步为动物取食，转变为含氮的动物蛋白质。动植物排泄物或残体等含氮的有机物经微生物分解为CO2、H2O和NH3返回环境，NH3可被植物再次利用，进入新的循环。63氮在生态系统的循环过程中，常因有机物的燃烧而挥发损失；或因土壤通气不良，硝态氮经反硝化作用变为游离氮而挥发损失；或因灌溉、水蚀、风蚀、雨水淋洗而流失等。损失的氮或进入大气，或进入水体，变为多数植物不能直接利用的氮素。因此，必须通过上述各种固氮途径来补充，从而保持生态系统中氮素的循环平衡。64开发生物固氮资源对增加农业生态系统的氮素输入，提高生物产量具有重要意义。生产化学氮肥需要耗费大量能源，并且可能造成环境的污染（污染水体、加速全球气温升高、臭氧成破坏、降低土壤质量、污染空气并形成酸雨）。在生物固氮资源方面，豆科作物的共生固氮占全球生物固氮总量的40%左右。65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。66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。67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。6813.5磷循环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

69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。70生态系统的磷循环71Phosphateleachesfromphosphate-richrocksorfromfertilizersandentersplantsandotherproducerswhereitisincorporatedintobiologicalmolecules.Thesearepassedthroughthetrophiclevels.BIOGEOCHEMICALCYCLE-PHOSPHORUS鸟粪沉积物72一个池塘生态系统的磷循环73为什么陆地上的磷越来越少？74为什么用了多年的含磷洗涤用品会给环境造成破坏呢？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。据有关部门统计，目前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、有调查资料显示，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。75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。7613.6硫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。77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78火山爆发

硫----

硫化氢----

大气化石燃料燃烧

硫----

二氧化硫---

大气798081酸雨的形成82ACIDRAININTHEUNITESSTATESThemostacidicrainisconcentratedinthenortheast,butthousandsoflakesinthewestarealsovulnerable.83ACIDRAININTHEWORLD84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。85有毒有害物质的循环某种物质进入生态系统后在一定时间内直接或间接地有害于人或生物时，就称为有毒物质或污染物。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。它们进入生态系统的途径也是多种多样的，有些被人们直接抛弃到环境中，有的通过冶炼、加工制造、化学品的贮存与运输以及日常生活、农事操作等过程而进入生态系统。86有毒物质进入生态系统后，就会沿着食物链在生物体内富集浓缩，愈是上面的营养级，生物体内有毒物质的残留浓度愈高。87有毒有害物质循环的实例DDTDDT是人工合成的有机氯杀虫剂DDT不溶于水，而溶于脂肪，极易通过食物链而浓集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，雌鸟孵卵时将蛋压破，从而使禽类的数量减少危害消灭害虫的同时，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，导致水果和蜂蜜急剧减产88水体中的DDT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75.5ppm8990汞日本一家工厂把含汞的未加处理的废气废渣排入水俣湾，汞进入鱼虾体内，经食物链传递到人体内积存，引起甲基汞慢性中毒1953年开始出现发病，病人手脚麻木，听觉失灵，运动失调，严重时呈疯癫状态，直至死亡，人称水俣yǔ病水俣湾中螃蟹体内含汞24ppm，受害人肾中含14ppm，而鱼的允许水平为0.5ppm91放射性核素的循环天然放射性核素在自然界是很普遍的，也就是说，天然存在的放射性核素是很多的。由于地层中放射性物质含量不同，不同地区地层辐射的γ线照射剂量率可能有较大的变化放射性核素可在多种介质中循环，并能被生物富集。不论裂变或不裂变，通过核试验或核作用物都进入大气层。然后，通过降水、尘埃和其他物质以原子状态回到地球上。人和生物既可直接受到环境放射源危害，也可因食物链带来的放射性污染而间接受害。放射性物质由食物链进入人体，随血液遍布全身，有的放射性物质在体内可存留14年之久。92生物地化循环与人体健康地方病：在自然环境中由于地壳元素分配不均、个别微量元素的含量超过或低于一般含量而直接或间接引起生物体内微量元素平衡严重失调时产生的特殊性疾病。微量元素

碘、硒--作为合成甲状腺激素重要原料的碘，如果缺乏，则人体会成甲状腺激素的量就减少或不足，进而影响新陈代谢、阻滞机体发育生长、使整个机体的生理功能异常。首当其冲的则是对