生态系统中的物质循环

chapter12生态系统中的物质循环物质循环的一般特征全球水循环碳循环氮循环磷循环硫循环物质循环与能量流动环境生产者分解者肉食者植食者能量流动物质流动生态系统中的能量流与物质流特征的比较物质循环(cyclingofmaterial)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。属于闭合式循环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。属于开放式循环Basicsofnutrientcycling生物小循环物质循环一般可分为两类短循环(shortcycle)：即生态系统中的生产者，除一少部分被消费者吃掉外，绝大部分掉落在土壤表面，而被分解者分解还原为二氧化碳、水和矿盐分等长循环(longcycle)：指绿色植物逐级经过各级消费者如食草动物、食肉动物和其他杂食动物以及寄生生物的采食、消化和排泄以及动植物的遗体进入土壤，经过食腐动物的啃食(如豺、秃鹫等)，而最后被微生物分解，物质再回到环境中去，又一次参与生态系统的物质循环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；库可以分为：储存库:容积大，物质交换活动缓慢(一般为环境成分)交换库:容积小，交换快(一般为生物成分)流:物质在库与库之间的转移运动状态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天在一个面积为4英亩的池塘生态系统中，库与流通率的模式图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气相型循环和沉积型循环的区别主要特征气相型循环沉积型循环元素类型有气态分子或化合物有气态分子或化合物主要贮存库大气圈岩石圈、土壤圈循环速度快慢运动方式扩散沉降、抬升、风化抗干扰能力强弱循环性质完全循环不完全循环全球水循环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–淡水中：两极冰盖29000km3、地下水8000km3、湖泊河流100km3、土壤水分100km3、大气中水13km3、生物体中水1km3TheHydrologicCycle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水循环(aquaticcycle)水循环的意义水是所有营养物质的介质水对物质是很好的溶剂水是地质变化的动因之一人类活动对水循环的影响空气污染和降水；改变地面，增加径流水的再分布；修筑水库、塘堰围湖造田又使自然蓄水容积减小地下水的过度开采利用，使某些人口集中的地区出现了地下水位和水质量的下降碳循环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碳循环途径在光合作用和呼吸作用之间的细胞水平上的循环大气CO2和植物体之间的个体水平上的循环；大气CO2─植物─动物─微生物之间的食物链水平上的循环碳以动植物有机体形式深埋地下，在还原条件下，形成化石燃料，于是碳便进入了地质大循环当人们开采利用这些化石燃料时，CO2被再次释放进入大气海洋和大气CO2调节CO2CO2溶于海水H2CO3水体中生物H++CO32-CaCO3海底沉积物全球的植被和海洋是大气中CO2两个重要的调节器大气中CO2浓度增加时，会有更多气体溶于海水。相反，大气CO2减少，海水中CO2又返回大气。TheCarbonCycleTheCarbonCycle929075061×1015gC碳循环(carboncycle)图解化泥碳煤大气中CO2CO2碳化作用石油水生植物光合作用腐烂燃料呼吸作用光合作用腐烂扩散温室效应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IncomingsunlightwarmsthesurfaceoftheEarthandisradiatedbacktoatmosphere.Greenhousegasesabsorbsomeofthisheat,trappingitintheatmosphere.GREENHOUSEEFFECTCarbonaccumulationCO2hasincreasedfromitspre-industrialleveldata:recentrecordsplusolderdatasuchasicecoresmostlyfossilfuelburningCO2排放氮循环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•反硝化作用氮循环据统计，物理化学(电化学和光化学)的固氮量平均7.6×106吨/年,生物固氮量为54×106吨/年。2000年时，化肥的产量达到80×106吨生物圈中氮(106吨)大气3，800，000陆地有机质772活有机体12死有机体760非有机氮（陆地）140地壳14,000,000海洋水中20,000海洋有机体901活有机体1死有机体900非有机体氮（海洋）100沉积物4,000,000无机氮总量=1,673有机氮总量=21,820,240TheNitrogenCycle氮的循环×1012gN氮的循环图解陆地陆地其它动植物蓝藻浅层死有机物溶解死有机物土壤中无机氮库丢失于深层沉积中动植物活体共生或自由生活的固氮微生物死有机体陆地河流带走生物固氮大气库N2大气库HN3,NO,NO2,N2O，工业固氮（汽车,化肥,电厂）脱氮闪电化学反应海洋火山作用降水大气固氮作用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–使氮进入生物循环生态系统中的氮循环生态系统中氮循环氨化作用、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+，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，回到大气库中全球人口和活性氮趋势人类对氮循环的影响化肥的使用矿物燃料的燃烧:城市化的发展磷循环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Phosphateleachesfromphosphate-richrocksorfromfertilizersandentersplantsandotherproducerswhereitisincorporatedintobiologicalmolecules.Thesearepassedthroughthetrophiclevels.BIOGEOCHEMICALCYCLE-PHOSPHORUSCYCLE-PHOSPHORUS磷的循环×1012gP一个池塘生态系统的磷循环磷循环——沉积型循环沉积物中的磷（约为土壤和海洋中千倍以上）陆地海洋死有机物土壤中的无机磷活有机物死有机物深海的磷活有机物捕鱼鸟粪悬浮在水中随河水带走摄取排泄死亡下,沉分解沉积溶解于水上升风化开采摄取排泄死亡上涌硫循环（sulfurcycle）陆地海洋沉积物（CaSO4,FeS2）溶解的SO42-SO2H2SSCaSO4FeS2死有机物活有机物SO42-降水SO2,SO42-扩散海浪SO42-大气上升，分化SO2FeS2死有机物活有机物SO42-H2SS分解化肥工业SO42-摄取扩散火山活动H2S,SO2,SO42-植物摄取SO2,SO42-降水SO2,SO42-化石燃烧SO2H2S,SO2,SO42-硫循环（sulfurcycle）生态系统中硫循环酸雨的形成ACIDRAININTHEUNITESSTATESThemostacidicrainisconcentratedinthenortheast,butthousandsoflakesinthewestarealsovulnerable.ACIDRAININTHEWORLD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人切尔诺贝利核泄漏事件伦敦烟雾事件有毒有害物质循环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物质的类型有毒物质(toxicsubstance)又称污染物(pollutant)，按化学性质分两类。无机有毒物质主要指重金属、氟化物、和氰化物；有机有毒物质主要有酚类、有机氯药等。按污染物的作用分一次污染物和二次污染物。前者由污染源直接排入环境的，其物理和化学性状未发生变化的污染物，又称原发性污染物；后者是由前者转化而成，排入环境中的一次性污染物在外界因素作用下发生变化，或与环境中其它物质发生反应形成新的物理化学性状的污染物(继发性污染物)有毒物质的迁移和转化迁移是重要的物理过程,包括分散、混合、稀释和沉降等转化主要是通过氧化、还原、分解和组合等作用，会发生物理的化学的和生物化学的变化进入生态系统的途径：被人们直接抛弃到环境通过冶炼、加