生物地球化学循环

关于生物地球化学循环12.4生态系统的组成与结构（一）生态系统概述1.概念：生物体通过物质和能量的交换与其生存环境相互联系、相互作用，形成一个自组织的统一体。2.类型3.组成：生物群落非生物环境

第2页,共37页，2024年2月25日，星期天（二）生物群落1.个体、种群和群落2.生物群落的组成种类组成、数量、优势种（个体多，生物量大的种）、建群种（优势种中的最优者）和附属种（次要种）3.生物群落的功能类群（1）生产者：绿色植物和化能合成细菌。（2）消费者：植食动物、肉食动物和杂食动物（3）分解者：细菌、真菌、土壤原生动物和一些小型无脊椎动物，靠分解动、植物残体为生。第3页,共37页，2024年2月25日，星期天4.植物群落的结构特征水平方向：随机分布成群分布规则分布垂直方向：乔木层灌木层草本层地被层

第4页,共37页，2024年2月25日，星期天5.植物群落的季相（自稳定性）概念：整个植物群落的外貌以年为周期变化的特征，表现为植物的萌芽、展叶、开花、结果、叶变秋色和落叶等物候期的季节性发生。北京的季相

初春草木萌动，仲春万紫千红，晚春绿肥红瘦；初夏繁花绿叶相映好，仲夏万绿丛中几点红，晚夏嘉荫蔽日花踪寥；初秋硕果累累，仲秋叶色斑斓，晚秋落木萧萧；初冬霜叶凋零，隆冬万木萧疏，晚冬春意初露。第5页,共37页，2024年2月25日，星期天6.植物群落的演替（自组织性）（1）概念：植物群落的组成和结构发生质的变化，最终导致一个植物群落被另一个植物群落所替代。（2）类型按照演替的原因：自然演替和人为演替按照演替的环境条件：原生演替和次生演替按照演替的方向：顺行演替和逆行演替顺行演替序列：裸地→地衣群落→苔藓群落→草本群落→灌木群落→乔木群落→顶级群落第6页,共37页，2024年2月25日，星期天洪水森林大火过度放牧陆地植物群落演替的成因举例第7页,共37页，2024年2月25日，星期天1980年圣海伦斯火山爆发迹地上的先锋物种第8页,共37页，2024年2月25日，星期天湖泊－沼泽－草甸的演替第9页,共37页，2024年2月25日，星期天（三）非生物环境：光、热、水、气、土1.光照与光周期现象2.温度与三基点温度3.土壤水分的三基点4.气温、降水量与植被分布水平地带性分布纬向地带性（热量地带性）干湿地带性（水分地带性）垂直地带性分布第10页,共37页，2024年2月25日，星期天（四）营养结构1.概念：非生物环境与生物群落之间和生产者、消费者与分解者之间，通过营养或食物传递形成的一种组织形式。2.食物链：不同生物之间类似链条式的食物依存关系，食物链上的每一个环节称为营养级。活食食物链、腐食食物链食物的非专一性3.食物网：食物链相互交叉，形成复杂的摄食关系网。一个生态系统的食物网结构愈复杂，该系统的稳定性程度愈大。第11页,共37页，2024年2月25日，星期天第12页,共37页，2024年2月25日，星期天12.5生态系统内的能量流动（一）光合作用与呼吸作用1.光合作用：绿色植物吸收阳光的能量，同化CO2和H2O，制造有机物质并释放O2的过程。

光合作用就是CO2被还原和H2O被氧化的作用；光合作用是吸能反应和熵减少过程，葡萄糖是低熵的。第13页,共37页，2024年2月25日，星期天2.呼吸作用：绿色植物中的有机物质被氧化，释放出CO2、H2O和热能的过程。呼吸作用是光合过程的逆过程；呼吸作用是一个放能反应和熵增加过程。第14页,共37页，2024年2月25日，星期天（二）初级生产与次级生产1.初级生产：绿色植物通过光合作用，吸收和固定太阳能，将无机物转化成有机物的生产过程；净初级生产量：总初级生产量减去植物因呼吸作用的消耗,剩下的有机物质（J·m-2·a-1或g（DW）·m-2·a-1）NPP=GPP-R生物量：指单位面积内植物的总重量，单位是J·m-2或g（DW）·m-2。2.次级生产:消费者利用初级生产的产品进行新陈代谢，经过同化作用形成异养生物自身物质的生产过程。净次级生产量仅仅是净初级生产量的很小一部分第15页,共37页，2024年2月25日，星期天全球净初级生产力（g）分布第16页,共37页，2024年2月25日，星期天（三）能量传递与能量转化1.生态系统内能量流动是单向流：能量的很大部分被各营养级的生物所利用，通过呼吸作用以热的形式散失；热能不能再回到生态系统中参与能量的流动；用于形成较高营养级生产量的能量占比例很小。第17页,共37页，2024年2月25日，星期天2.陆地生态系统的能量传递与转化——佛罗里达银泉光合作用所吸收的光能是入射太阳总能量的24%；在吸收的光能中，5%被转化成为总初级生产量；净初级生产量是总初级生产量的42.4%；二级肉食动物所获得的能量仅占净初级生产量的0.24%；在每一个营养级上，都有一些生物量流向分解者；生物量消耗的最主要途径是生物群落的呼吸作用。第18页,共37页，2024年2月25日，星期天3.湖泊生态系统的能量传递与转化十分之一定律：能量从一个营养级流向另一个营养级的过程中，大约有90%的损失量。4.生态系统进化过程的热力学解释：热力学孤立系统的熵总是自发地趋于增大，使系统有序度降低，最后达到热力学平衡态。生态系统所经历的是与热力学第二定律相反的从简单到复杂，从无序到有序的进化过程。生态系统是开放系统，它通过低熵能量与物质的输入和高熵能量与物质的排出，维持着高度有序的状态。

第19页,共37页，2024年2月25日，星期天12.6生态系统的生物地球化学循环（一）生物地球化学循环的图解模型1.物质随水分的迁移与转化子过程：降水，入渗，动、植物的吸收与排泄，地表径流和地下径流等；界面：大气、土壤、生物和海洋之间2.物质随气体的迁移与转化子过程：植物的光合作用，动、植物的呼吸作用，土壤和洋面的吸收与释放，以及人类燃烧矿物燃料等；界面：大气、土壤、生物（人群）和海洋之间第20页,共37页，2024年2月25日，星期天第21页,共37页，2024年2月25日，星期天（二）重要元素的生物地球化学循环

第22页,共37页，2024年2月25日，星期天1.氧循环（1）自由氧的主要贮存库：大气和海洋（2）主要过程大气圈上层水汽的光解作用氧循环与碳循环的结合：光合与呼吸作用氧循环与碳循环的失衡：采伐森林和排放污染物减弱光合作用，化石燃料的燃烧耗氧氧的补充：负反馈厌氧环境化能合成细菌用硫酸根离子产生氧SO42-+2C→2CO2+S2-海洋中氧的流失

第23页,共37页，2024年2月25日，星期天第24页,共37页，2024年2月25日，星期天2.碳循环

（1）自然界碳的活动贮库：海洋、大气和生物（2）自然界碳的固定贮库：沉积岩（3）大气和海洋之间的碳循环快循环：入略大于出慢循环：碳酸钙沉积第25页,共37页，2024年2月25日，星期天第26页,共37页，2024年2月25日，星期天（4）大气和陆地之间的碳循环快循环：碳交换量处于平衡状态光合作用从大气圈移走的碳量等于呼吸作用和动、植物残体分解作用所补偿给大气圈的碳量。慢循环：动、植物残体，土壤腐殖质，新生泥炭和植物茎干与根属于慢循环碳库，其循环周期较长。（5）北半球大气二氧化碳含量的季节波动夏季为波谷，冬季为波峰。昼为波谷，夜为波峰。

第27页,共37页，2024年2月25日，星期天第28页,共37页，2024年2月25日，星期天（6）人类活动对碳循环的干扰每年约有6×109t的碳通过化石燃料的燃烧排入大气圈；砍伐森林造成的土壤裸露以及木材燃烧每年向大气圈排放1.1×109t的碳；（7）大气、海洋、陆地之间碳循环的调整大气吸收：3.36×109t(化石燃料燃烧排放的56%)海洋吸收：2×109t(化石燃料燃烧排放的33％)碳丢失项:1.7×109t植被吸收：？北半球温带植被0.5-0.8×109t土壤吸收：？陆地水体吸收：？第29页,共37页，2024年2月25日，星期天（8）碳循环与温室效应加剧的调控温室气体减排植树造林增加陆地区域的水体面积第30页,共37页，2024年2月25日，星期天3.氮循环（1）氮的主要贮存库：大气圈和生物圈（2）生物固氮过程：与豆科植物具有共生关系的的细菌和根瘤菌等。（3）硝化过程第31页,共37页，2024年2月25日，星期天（4）氨化过程第32页,共37页，2024年2月25日，星期天（5）反硝化作用硝酸盐在缺氧和有葡萄糖的条件下被真菌和假单胞细菌还原回到大气圈中，完成氮的大循环。（6）人类活动对氮循环的干预工业固氮作用：使得自然界固氮与反硝化去氮之间的自稳定平衡状态被打破：造成水华和赤潮。工厂和汽车燃料燃烧过程将大量氮氧化物排入大气圈，造成酸沉降。第33页,共37页，2024年2月25日，星期天4.磷循环（1）磷的主要贮存库是岩石圈（2）陆地生态系统植物直接吸收无机态磷酸盐离子（PO43-），合成自身的原生质，形成有机态磷；有机态磷通过植食动物和肉食动物在生态系统中传递；动物的排泄物和动、植物残体经微生物的分解，重新形成无机态磷酸盐离子，归还给土壤，部分被微生物所利用建造自身；陆地的无机态磷酸盐离子随水流进入湖泊和海洋沉积。第34页,共37页，2024年2月25日，星期天第35页,共37页，2024年2月25日，星期天（3）水域生态系统浮游植物吸收无