生态学 11 生态系统的物质循环

山西师范大学教案课程名称：生态学课程类型：□理论课□理论、实践课□实践课学时：33学分：授课教师：张钦弟授课班级：一校09540201、二校0901授课学期：2011至2012学年第1学期教材名称：生态学（杨持，2009）参考资料：1．生态学（李博,2000）2．基础生态学（孙儒泳,2002）3．生态学（常杰，2001）2011

授课题目：生态系统的物种循环教学时数：2授课类型：□理论课□实践课教学目的、要求：通过本章的学习，使学生掌握物质循环的基本概念；水循环、碳循环、磷循环以及DDT循环的模式及过程。了解物质循环的一般特点、硫循环、氮循环、汞循环等的基本模式和过程；了解生命的维持不但需要能量，而且也依赖于各种化学元素的供应。教学重点：物质循环的概念、水循环、碳循环、氮循环、磷循环以及DDT循环的模式及过程教学难点：S循环、氮循环的基本模式和过程教学方法和手段：讲授+多媒体展示教学内容及过程旁批教学引入：物质循环的基本原理：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。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。教学内容与教学设计：第一节物种循环的一般特点一、概念1、生物地球化学循环：各种化学元素在不同层次、不同大小的生态系统内，乃至生物圈里，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，不断地进行着流动和循环的过程。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（大气圈，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。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。二、物质循环的模式库：贮存一定数量元素的某种生态系统组分称为该元素的库生态系统中各组分都是物质循环的库植物库、动物库、土壤库、水体库等流通率：单位时间、单位面积/体积的物质转移量周转率：流通率/库中营养物质总量周转时间：库中营养物质总量/流通率1、物质在库间的流通三、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、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种循环中生物的作用各物质循环过程相互联系，不可分割五、生物地球化学循环的类型气体型循环贮存库是大气和海洋有气体形式的分子参与循环过程循环速度快，例如CO2、N2、O2等沉积型循环贮存库是岩石、土壤和沉积物没有气体形式的分子参与循环过程循环速度慢，时间以千年计算，例如P、Ca、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离不开水循环的推动第二节水循环一、全球水循环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385,000km3二、特点：生物发挥巨大作用；水循环可移山填海，造成地理变化；水循环可调节环境温度变化；水循环是由太阳能驱动的；水时空分布不均；不同水体周转期不一样。四、意义热量的传送物质的运输与再分布第三节气体型循环一、碳循环碳的重要性：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，淹没陆地全球气候经常发生暴雨或干旱土地沙漠化，生态环境改变二、氮循环氮的重要性氮库：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：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。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使氮进入生物循环第四节沉淀型循环一、磷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

酸雨：pH值小于5.6的降水。包括雨、雪在内，其酸性成分主要是硫酸，也有硝酸和盐酸等。酸雨主要由化石燃料燃烧产生的二氧化硫、氮氧化物等酸性气体，经过复杂的大气化学反应,被雨水吸收溶解而成。第五节有害物质的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有毒有害物质循环的实例（2）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0.5ppm第六节放射性核素循环放射性核素可在多种介质中循环，并能被生物富集。放射性核素通过核试验或核作用物进入大气层，然后，通过降水、尘埃和其他物质以原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。放射性物质由食物进入人体，随血液循环遍布全身，有的放射物质在体内可存留14年之久。第七节生物地化循环与人体健康地方病：自然界由于环境条件的不同，地表元素发生迁移，常造成一些元素在地表分布的不均。这种生物地化循环时常导致某些生态系统中生命元素含量的异常，或不足，或过剩，从而造成植物、动物乃至人类的疾病。这种疾病常呈区域性，故称“地方病”。微量元素循环：地方病大多数与微量元素有关。碘的循环与分布特点：碘由陆地随水进入海洋，由海洋逸出进入大气，再通过降水进入陆地，形成一个大循环。在生物中，通过海洋、陆地两个食物链保持碘的生态平衡。山区少于平原，平原少于沿海，沿海少于海洋。微量元素与人体健康：碘缺乏：缺碘症：甲状腺肿大，智力低下，影响胎儿发育等。硒缺乏：引起克山病、大骨节病，也被认为是引起癌症的主要因素。作业布置：1、比较气体型和沉积型循环的各自特点。2、全球碳循环包括哪些重要的生物和非生物过程？人类活动是如何引起温室效应的？3、论述物质循