生态系统中的物质循环

关于生态系统中的物质循环12物质循环与能量流动第2页,共47页，2024年2月25日，星期天3物质循环的一般特征(两个尺度)生物地球化学循环(全球循环/大循环)：生态系统从大气、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生物小循环(局域循环)：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、利用第3页,共47页，2024年2月25日，星期天4Basicsofnutrientcycling第4页,共47页，2024年2月25日，星期天5生物小循环第5页,共47页，2024年2月25日，星期天6物质循环的基本概念库：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/流通率第6页,共47页，2024年2月25日，星期天7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天第7页,共47页，2024年2月25日，星期天8

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第8页,共47页，2024年2月25日，星期天9影响物质循环速率的因素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第9页,共47页，2024年2月25日，星期天10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10页,共47页，2024年2月25日，星期天1113.2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人为活动对水循环自然过程的干扰和影响第11页,共47页，2024年2月25日，星期天12TheHydrologicCycle(40)(71)(111)(385)(425)(40)×103km3第12页,共47页，2024年2月25日，星期天13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第13页,共47页，2024年2月25日，星期天1413.3碳循环碳的重要性：生命元素、能量流动、人类活动影响碳库：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第14页,共47页，2024年2月25日，星期天15海洋和大气CO2调节CO2CO2溶于海水H2CO3水体中生物H++CO32-

CaCO3海底沉积物第15页,共47页，2024年2月25日，星期天16TheCarbonCycle第16页,共47页，2024年2月25日，星期天17TheCarbonCycle929075061×1015gC第17页,共47页，2024年2月25日，星期天18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，生态环境改变第18页,共47页，2024年2月25日，星期天19IncomingsunlightwarmsthesurfaceoftheEarthandisradiatedbacktoatmosphere.Greenhousegasesabsorbsomeofthisheat,trappingitintheatmosphere.

GREENHOUSEEFFECT第19页,共47页，2024年2月25日，星期天20CarbonaccumulationCO2hasincreasedfromitspre-industrialleveldata:recentrecordsplusolderdatasuchasicecoresmostlyfossilfuelburning第20页,共47页，2024年2月25日，星期天21CO2排放第21页,共47页，2024年2月25日，星期天22碳源/汇与碳“失汇”难题

全球碳源（收入<支出，NEP为负）：6.9×1015gC/a化石燃料：6.0×1015gC/a陆地植物破坏：0.9×1015gC/a全球碳汇（收入<支出，NEP为正）：5.2×1015gC/a大气中含量上升：3.2×1015gC/a海洋吸收：2.0×1015gC/a全球“碳失汇”(missingsink):1.7×1015gC/a中国学者的回答：三北防护林等大规模林业建设（方精云2001，Science),森林土壤的碳吸收作用（中科院华南植物所）中国陆地生态系统碳源/汇研究（方精云）：科学意义/环境外交（京都议定书）第22页,共47页，2024年2月25日，星期天23碳交易清洁发展机制CDM

(CleanDevelopmentMechanism）

CDM规定减排的温室气体有：CO2（二氧化碳）、CH4（甲烷）、N2O（氧化亚氮）、HFCs（氢氟碳化物）、PFCs（全氟化碳）、SF6（六氟化硫碳交易

碳交易(即温室气体排放权交易)也就是购买合同或者碳减排购买协议(ERPAs)，其基本原理是，合同的一方通过支付另一方获得温室气体减排额。买方可以将购得的减排额用于减缓温室效应从而实现其减排的目标中国第一个碳“交易”项目：北京安定垃圾填埋场，甲烷排放由4004t/a减至1551t/a,差额出售至国外第23页,共47页，2024年2月25日，星期天24中国CDM份额世界领先截至2008年2月13日，我国清洁发展机制项目（简称CDM）获得联合国核证减排量达3600多万吨二氧化碳当量，首次超过印度，跃居世界第一位。这标志着我国在国际碳交易市场开始占据最大份额。

第24页,共47页，2024年2月25日，星期天2513.4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硝化作用反硝化作用第25页,共47页，2024年2月25日，星期天26TheNitrogenCycle第26页,共47页，2024年2月25日，星期天27氮的循环×1012gN第27页,共47页，2024年2月25日，星期天28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28页,共47页，2024年2月25日，星期天29生态系统中的氮循环第29页,共47页，2024年2月25日，星期天30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，回到大气库中第30页,共47页，2024年2月25日，星期天3113.5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

第31页,共47页，2024年2月25日，星期天32Phosphateleachesfromphosphate-richrocksorfromfertilizersandentersplantsandotherproducerswhereitisincorporatedintobiologicalmolecules.Thesearepassedthroughthetrophiclevels.BIOGEOCHEMICALCYCLE-PHOSPHORUS第32页,共47页，2024年2月25日，星期天33磷的循环×1012gP第33页,共47页，2024年2月25日，星期天34一个池塘生态系统的磷循环第34页,共47页，2024年2月25日，星期天35生态系统的磷循环第35页,共47页，2024年2月25日，星期天36硫循环第36页,共47页，2024年2月25日，星期天37酸雨的形成第37页,共47页，2024年2月25日，星期天38ACIDRAININTHEUNITESSTATESThemostacidicrainisconcentratedinthenortheast,butthousandsoflakesinthewestarealsovulnerable.第38页,共47页，2024年2月25日，星期天39ACIDRAININTHEWORLD第39页,共47页，2024年2月25日，星期天40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人第40页,共47页，2024年2月25日，星期天41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

第41页,共47页，2024年2月25日，星期天42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第42页,共47页，2024年2月25日，星期天43BIOMAGINIFICATIONOFDDT第43页,共47页，2024年2月25日，星期天44BIOMAGINIFICATIONOFDDT水体中的DTT浓度