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第13章生态系统中的物质循环物质循环与能量流动213.1物质循环的一般特征•生物地球化学循环：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：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。化石作用化石燃料的侵蚀，燃烧煤、石油、泥炭风化剥蚀形成沉积岩有机物营养物质可利用有机物营养物质不可利用呼吸，分解，排泄物光合，同化作用无机物营养物质可利用大气，土壤、水体活的有机体，碎屑无机物营养物质不可利用岩石中的矿物生物小循环5植物吸收合并为植物组织营养物质以死的有机物形式返还森林地表分解作用（矿化作用）矿物营养物质（1）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（2）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、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。（4）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。13.2全球水循环•水循环：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385,000km3一、地球上水的分布：水的存在形式：矿物、岩石中的水；地表上的海洋、河流、冰川、湖泊、沼泽、地下水、冰雪圈；生物有机体中的水等等；大气中的水。地球的总水量：估算值有差异。15亿km3（国际水文学会，1970年）当量深度：海洋2700～2800m、冰雪50m、地下水15m、陆地水0.4～1m、大气0.03m。二、水循环与水量平衡（一）水循环水循环：降水、径流、蒸发三个阶段降水包括雨、雪、雾、雹等形式；径流是指沿地面和地下动着的水流，包括地表径流和地下径流；蒸发包括水面蒸发、植物蒸腾、土壤蒸发等。水循环分为:大循环、小循环。水循环的更新周期：地下冰、极地冰盖约1万年；海水2500年；深层地下水1400年；湖泊数年～数十年；土壤水280天～1年；河川10～20天；大气水8～9天；生物数小时。水循环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13.3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。（1）海洋和大气CO2调节CO2CO2溶于海水H2CO3水体中生物H++CO32-CaCO3海底沉积物碳循环•温室效应：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.（2）温室效应20CO2排放13.4氮循环•氮的重要性：•氮库：大气、土壤、陆地植被（生物体）•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–反硝化作用氮循环23亚硝酸盐大气N2库尸体、废物植物吸收初级生产消费者细菌、碎屑豆类根系、土壤中—固氮菌反硝化：细菌，氮气氨化作用：氨硝化作用：亚硝酸盐固氮作用•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+，再为植物利用。•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N2O、氮气，回到大气库中。13.5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循环过程：–岩石释放的磷酸盐、农业的磷肥；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。27Phosphateleachesfromphosphate-richrocksorfromfertilizersandentersplantsandotherproducerswhereitisincorporatedintobiologicalmolecules.Thesearepassedthroughthetrophiclevels.溶解P：土壤水、河湖溶解P—海洋形成海洋沉积岩石成分海洋食物网陆地食物网肥料采矿沉淀风化沉积淋溶、流出地质隆起海鸟粪1-风化自养生物吸收自养生物吸收死亡分解死亡分解一个池塘生态系统的磷循环28梭子鱼鲤科小鱼枝角目硅藻29生态系统的磷循环13.6硫循环30酸雨的形成伦敦烟雾事件•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3.8mg/m3，烟尘4.5mg，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!13.7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：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）•DDT–人工合成的有机氯杀虫剂；–不溶于水，而溶于脂肪，极易通过食物链而浓集；•危害通过食物链进入动物体后，使钙代谢功能丧失。如：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。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.BIOMAGINIFICATIONOFDDT水体中的DTT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75.5ppm有毒有害物质循环的实例—汞日本熊本县水俣市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（yu3）病（Minamata）；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。本章小结•物质循环的一般特征及影响因素•物质循环与能量流动的联系与区别•生物地化循环的类型：气体型、沉积型、水循环•几种物质的循环：碳循环、氮循环、磷循环、硫循环；•有毒有害物质的循环；本章主要概念生物地球化学循环、生物小循环、物质循环的源、库、流，周转率，气体型循环、沉积型循环、温室效应、生物富集、生物放大，酸雨思考题1、比较气体型和沉积型循环的各自特点。2、简述碳循环研究的重要意义，碳循环包括哪些主要过程？人类活动是如何引起温室效应的？3、论述物质循环和能量流动的关系。5、从全球生物地球化学循环的角度认识陆地环境和海洋环境的关系，并诠释GAIA学说。6.从人类影响干扰生物地球化学循环的角度认识环境污染的本质和治理污染的基本思路。