河南科技大学生态学课件第12章-生态系统的物质循环

1、1,12 生态系统的物质循环,12.1 物质循环的一般特征 12.2 全球水循环 12.3 碳循环 12.4 氮循环 12.5 磷循环 12.6 硫循环 12.7 有毒有害物质循环,2,12.1 物质循环的一般特征,（1）生命与元素 生命的维持不仅依赖于能量的供应，而且也依赖于各种化学元素的供应。 对于大多数生物来说，有大约20多种元素(macronutrient)是它们生命活动所不可缺少的。 有大约10种元素(micronutrient)虽然通常只需要很少的数量就够了，但是对某些生物来说却是必不可少的。,3,4,（2）物质循环的模式 物质的流动是循环式的，各种物质都能以可被植物利用的形式重返环境； 能量流动和物质循环都是借助于生物之间的取食过程而进行，这两个过程密切相关，不可分割。,12.1 物质循环的一般特征,5,生物地球化学循环（biogeochemical cycle）：环境中各种元素沿着特定的路线运动，由周围环境进入生物体，最后回到环境中，即各种元素运动路线所包含活有机体的有机阶段和由各元素基本化学性质所决定的无生命的阶段所组成的循环运动过程。 生物小循环：环境中元素经生物吸

2、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。,12.1 物质循环的一般特征,6,库（pools）：存在于生态系统某些生物或非生物成分中的一定数量的某种化学物质的集合。 流通率（flux rate）：物质在生态系统单位面积（或单位体积）和单位时间的移动量； 周转率（turnover rate）和周转时间（turnover times）； 周转率 = 流通率/库中营养物质总量 周转时间 = 库中营养物质总数/流通率,12.1 物质循环的一般特征,7,一些物质的周转时间 大气圈中水：10.5 天； 海洋中硅：8000年； 大气圈中分子氮：100 万年； 海洋中钠：2.06亿年。,12.1 物质循环的一般特征,8,（3）生物地球化学循环的类型 水循环（water cycle） 气体型循环（gaseous cycle） 物质的主要储存库是大气和海洋，其循环与大气和海洋密切相联，具有明显的全球性。 沉积型循环（sedimentary cycle） 物质的主要储存库是土壤、沉积物和岩石，而无气体形态，物质主要是通过岩石的风化和沉积物的分解转变为可被生态系统利用的营养物质。,

3、12.1 物质循环的一般特征,9,12.2 全球水循环,（1）全球水循环 水循环是太阳能推动，在陆地、大气和海洋间进行的水分循环。 地表总水量：1.4109 km3，海洋约占97% 陆地：蒸发(蒸腾)71,000km3，降水111,000km3，径流40,000km3 海洋：蒸发425,000km3，降水：385,000km3,10,全球水循环路线图,11,（2）水和水循环对生态系统的意义 生物体的大部分（约70）是由水构成，各种生命活动都离不开水； 水中携带着大量的多种化学物质周而复始地循环，极大地影响着各类营养物质在地球上的分布； 水对于能量的传递和利用也有着重要影响，有效防止地球温度剧烈波动。,12.2 全球水循环,12,地球上的水只有大约5是处于自由的可循环状态； 地球上95的水被结合在岩石圈和沉积岩里； 地球上可利用的淡水大约只占地球总水量的3，其中的3/4又都被冻结在两极的冰盖和冰川里； 如果地球上的冰雪全部融化，水量可盖满地球表面 50 米厚； 每年降到陆地上的雨雪有35以地表径流的形式流入海洋 ； 人类每年所用的河川水约占其总水量的 25，其中有将近 30 通过蒸发又回

4、到了大气圈； 地球所蕴藏的地下水量约为地上所有河川和湖泊水量的38倍。,一些数据,13,12.2 全球水循环,（3）生态系统水循环 过程包括截取、渗透、蒸发、蒸腾和径流。 植物在水循环中起重要作用。进入植物体的水只有1-3%参与植物体的构建并进入食物链，其余97-99%通过叶面蒸腾返回大气。,14,12.3 碳循环,（1）碳及碳循环的重要性 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 人类活动对碳循环造成严重影响是引起气候变化的主要原因。,15,16,17,海洋对CO2的调节,18,（2）大气中CO2的日变化和季节变化 夜晚由于生物的呼吸作用，可使地面附近大气中CO2的含量上升到0.05；而白天由于植物在光合作用中大量吸收CO2，可使大气中CO2的含量降到平均浓度0.032以下。 夏季，植物的光合作用强烈，从大气中所摄取的CO2超过了在呼吸和分解过程中所释放的CO2；冬季则刚好相反。结果每年 4-9月北方大气中CO2的含量最低，冬季和夏季大气中CO2的含量可相差0.002，即相差20ppm 。,12.3 碳循环,19,12.3 碳循环

5、,（3）温室效应（greenhouse effects ） 概念：温室气体浓度增加使较多的长波辐射能被截留在地球表层而导致温度上升的现象。 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。,20,21,22,23,（4）失汇现象 在碳循环研究中，我们把释放CO2的库称为源（source），吸收CO2的库称为汇（sink）。 人类活动释放的CO2有大约25%的全球碳流的汇是科学尚未研究清楚的，这就是著名的失汇（missing sink）现象，它已经成为当今生态系统生态学研究中最令人感兴趣的热点问题之一。,12.3 碳循环,24,25,26,甲烷的温室效应比二氧化碳强21倍,氮氧化合物是二氧化碳的270倍。,27,保护环境，关爱地球！,28,（1）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,12.4 氮循环,29,30,31,（2）几个重要概念 氨化作用(ammonification)：由氨

6、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(nitrification)：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(denitrification)：反硝化细菌将亚硝酸盐转变成氮气，回到大气库中。,12.4 氮循环,32,生物固氮（biological nitrogen fixation）：大气中的游离态氮分子在微生物体内还原为结合态的氨分子的过程。具有这种能力的微生物称固氮微生物。,12.4 氮循环,33,12.5 磷循环,（1）磷的重要作用 磷是生物不可缺少的重要元素，生物的代谢过程都需要磷的参与。磷是核酸、细胞膜和骨骼的主要成分，高能磷酸是细胞内一切生化作用的能量。 磷是典型的沉积型循环物质，形式有PO43-, H PO42- and H2PO4- 。 磷库：不活跃的地壳。 据估计，全世界磷蕴藏量只能维持100a左右，在生物圈中，磷参与循环的数量，目前正在减少，磷将成为人类和陆地生物生命活动的限制因子。,34,（2）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

7、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,12.5 磷循环,35,36,（1）硫循环的重要性 硫是蛋白质和氨基酸的基本成分，对于大多数生物的生命至关重要。 硫循环是一个复杂的元素循环，既属沉积型，也属气体型。 人类使用化石燃料大大改变了硫循环，其影响远大于对碳和氮，最明显的就是酸雨。,12.6 硫循环,37,38,39,40,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。,41,42,12.7 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(bio-magnification)：某些物质沿食物链移动时，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。,43,44,45,PCB（三氯联苯）,46,47,12.7 有毒有害物质循环,蔬菜中镉含量顺序是（按富集系数大小排列）：芹菜叶（0.1150）菠菜（0.0956）莴笋（0.0469）大白菜（0.0452）油菜（0.0437）小白菜（0.0417）芹菜茎（0.0390）韭菜（0.0365）茄子（0.0240）圆白菜（0.0105）黄瓜（0.0062）菜花（0.0059）。,48,49,海水中汞的浓度为0.0001mg/L时，浮游生物体内含汞量可达001-0.002mg/L，小鱼体内可达0.2-0.5mg/L，而大鱼体内可达1-5 mg/L，大鱼体内汞比海水含汞量高1万-6万倍。,12.7 有毒有害物质循环,

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