生态系统中的能量流动和物质循环

12一、生态系统和生态系统学说•生态系统(ecosystem)：就是生命系统和环境系统在特定空间的组合。•生态系统的组成：植物——生产者生物部分动物——消费者生态系统细菌与真菌——分解者非生物部分：物质、能量等34•生态系统学说的建立：1943年美国年轻的生态学家林德曼在创建生态系统学说之前，曾对一个小型湖泊进行了三年的定位研究，积累了大量的资料和数据，就是没有理出一个科学的头绪。他无意中从中国同学那里得到启发。一句最普通的中国谚语“大鱼吃小鱼，小鱼吃虾米，虾米吃稀泥”，使他茅塞顿开。他从食物链和能量转换的角度揭开了生态系统的奥秘。他的第一篇论文《食物链和金字塔营养级的研究报告》轰动了生物界。他怀着激动的心情在这篇论文的小标题上注明，这是在中国哲学思想的指导下写成的。5•世界是物质的，物质又是恒久运动的。自然环境中的物质迁移或循环，又是以能量流动为推动力的（在地球范围内，极大多数形式的能量来自太阳）。正由于能量的不停流动，物质在自然环境中的不息循环，才构成了循环不已的自然史和生生不息的生物史。能量流动和物质循环过程又分别遵循着两条最重要的自然法则，即能量守恒定律和物质不灭定律。6云、尘、地球表面反射34%光合作用0.1%入射太阳光100%植物动物化石地表吸收47%大气吸收19%大气风能地面辐射66%摩擦热水蒸气潜热23%传导对流辐射24%0.2%海流7•“生物圈2号”试验：1991年在美国的石油巨头爱德华·巴斯的资助下，由美国太空生物圈投资公司经过七年的策划和兴建，在亚利桑那州图森市东北部建起了一座占地面积约1.3万平方米的巨大水晶宫—生物圈2号（人造生态系统）。这座高约26米，容积为20.4立方米的建筑实际上是一个巨大的温室，在其内部人为地建造了一个小生态系统。包括一片热带雨林、一片热带草原、一片沙漠、一片灌木丛、一片沼泽、一个水深75米的小海洋和农场及居住地。环顾四周，还可以发现青蛙、蚂蚁、山羊等动物。它完全处于封闭状态，没有外界空气、食物和水的补充，是一个模拟大自然的人工生态系统。81993年9月26日，世人瞩目的美国“生物圈2号”试验宣告结束。来自英、法、美和比利时的4男4女8名科学家进入“生物圈2号”，成了首批居民。8名勇士努力搜集各种科学数据，世界各地人们怀着极大热情和兴趣关注着他们的事业。“生物圈2号”的试验主要是为了人类未来向太空移民而进行的，其目的是试验人类是否能够不用外界的帮助而通过自身循环来达到生存的目的。然而，在与世隔绝的人造“世外桃源”中度过了两年封闭式的生活之后，8名科学家终于重返被称为“生物圈1号”的地球上。9事实表明“生物圈2号”的设想是不现实的。科学家进入一年多后，由于土壤中的碳与氧气反应生成二氧化碳，部分二氧化碳又与建筑混凝土中的钙反应生成碳酸钙，导致环境氧气含量从21％降到了14％。3年后，一氧化碳含量猛增到79％，足以减弱人体合成维生素B12的能力，危害大脑健康。科学家还发现，除了藤本植物比较繁盛外，所有靠花粉传播繁殖的植物都灭绝了；大树也摇摇欲坠；昆虫中除了白蚁、蟑螂和蝈蝈外，基本死亡。生物圈2号上层的温度远高于预计的数字，而下层的温度又大大低于预计的数字。1996年1月1日，哥伦比亚大学接管了“生物圈2号”，9月，多名专家对该试验进行了总结，他们认为，目前人类还无法用人工方法保持地球的活力，在现有科学技术下，地球是人类唯一的家园，人类应当努力保护它。10二、生态系统的能量流动能量流动：在生态系统中，各个营养级的生物都需要能量。生态系统中能量的输入、传递和散失的过程，称为生态系统的能量流动。能量流动的意义：研究生态系统的能量流动，可以帮助人们合理地调整生态系统中的能量流动关系，使能量持续高效地流向对人类最有益的部分。生态系统中生物之间的最重要联系是通过食物链和食物网联成一个整体，所以食物链和食物网是生态系统中能量流动和物质循环的主渠道。11环境专栏—生态系统相互依存非洲的毛里求斯，曾有两种特有的生物，一种是渡渡鸟，另一种是大颅榄树。渡渡鸟是一种不会飞的鸟，它身体大，行动迟缓，样子有点丑陋。由于没有天敌，它们在树林里建窝孵蛋，繁殖后代。大颅榄树是一种珍贵的树木，树干挺拔，木质坚硬，树冠秀美。渡渡鸟在其间生活。十六七世纪，带着来福枪和猎犬的欧洲人来到毛里求斯。不会飞、跑不快的渡渡鸟被枪打狗咬，鸟飞蛋打，没有多少年越来越少。1681年，最后一只渡渡鸟也被人类杀死了！奇怪的事情发生了，自从渡渡鸟灭绝以后，大颅榄树也日渐稀少，似乎患上了不育症。到20世纪80年代，毛里求斯只剩下13株大颅榄树了，眼看这种树木就要从地球上消失了1981年，美国生态学家坦普尔来到毛里求斯，他细心地测定了大颅榄树的年轮，发现树龄正好是300年，也就是说，渡渡鸟灭绝之日，也正是大颅榄树绝育之时。他终于在找到的一个渡渡鸟遗骸中发现了秘密：在渡渡鸟的遗骸中发现了几颗大颅榄树的种子，原来渡渡鸟喜欢吃这种树木的果实。他把大颅榄树的种子给与渡渡鸟比较相似的吐绶鸟吃下后，从粪便中排出种子的外壳被消化了一层，种在苗圃后，终于发出了新芽。12→生产者：主要是绿色植物，凡能进行光合作用制造有机物的植物种类，包括单细胞藻类，均属于生产者。还有一些能利用化学能把无机物转化为有机物的化能自养型微生物，也应列入生产者之列。→消费者：主要是动物，又分为一级消费者（如草食性动物）；二级消费者（如肉食动物）；……等等。13→分解者：指各种具有分解能力的微生物，也包括一些微型动物，如鞭毛虫，土壤线虫等。→无生命物质：指生态系统中的各种无生命的无机物、有机物和各种自然因素（如土壤、空气、水等）。14•生态系统中的能量流动①能量流动的起点：是从生产者(绿色植物)所固定的太阳能开始的。地球上所有的生态系统所需的能量都是来自太阳，是绿色植物通过光合作用将二氧化碳和水等无机物合成为有机物，并将太阳光能转变为化学能储存在有机物中。②生态系统能量流动的数量:是生产者所固定的全部太阳光能，就是流经生态系统的总能量，这些能量能在生态系统各个营养级中进行流动。15③生态系统能量流动的途径第一、生态系统的总能量，其中一部分能量用于生产者自身的新陈代谢等生命活动，即呼吸作用消耗掉了；另一部分能量随着植物遗体和残枝败叶等被分解者分解而释放出来；还有一部分能量被植食性动物摄入体内。第二、植物被草食动物吃了以后，一部分以粪便等排泄物被动物排出体外，其余大部分被动物所同化（一部分通过呼吸作用消耗掉；另一部分用于各营养级生物的生长、发育、繁殖等生命活动）。这样能量由植物流入动物即能量从第一营养级→第二营养级→第三营养级→第四营养级，各营养级所同化的能量，消费者的尸体、粪便等与生产者的遗体，残枝败叶一样，被分解者分解利用，并通过分解者的呼吸作用将其能量释放到环境中去最终消失。16④生态系统能量流动的特点第一、能量流动是单向的：从生产者→初级消费者→次级消费者→三级消费者→……。食物链各个营养级的顺序是不可逆的。第二、能量流动是逐级递减的：传递率为10％～20％，即构成了能量金字塔。一条食物链的营养级一般不会超过五个营养级，能量到了第五个营养级时，可利用的能量往往少到不能维持其生存的程度了。美国生态学家林德曼，明确提出了“十分之一定律”；在自然条件下，每年从任何一个营养级上能收获到的生产量，按能量计只不过是它前一个营养级生产量的十分之一左右。1718•物质的地球化学循环能量流动和物质循环是生态系统的两个基本过程。它们使生态系统各个营养级之间和各种组成成分之间组织为一个完整的功能单位。能量流动和物质循环的性质不同：能量流经生态系统最终以热的形式消散，能量流动是单方向的，因此生态系统必须不断地从外界获得能量；而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。同时两者又是密切相关不可分割的。三、生态系统的物质循环19源：物质从某储层流出时，该储层被称为源。汇：物质自外流入储层时，该储层又被称为汇。通量：表示为在一定时期内（一般为一年）沿特定路径传输物质的数量。若某储层中物质浓度保持恒定，这表示在流入量和输出量之间保持平衡，达到了恒定状态。20陆地地质12324123大气35海洋6781.湿降（雨，雪）；5.蒸发；2.扬尘或降尘；6.河流中溶解物和悬浮物迁移；3.海水喷沫；7.沉积4.脱气；8.拔升图2-2地球化学循环最简模型21•物质的生物地化循环(将物质的地球化学循环和物质在生态系统的循环综合考虑)在生态系统中，组成生物体的C、H、O、N、P、S等化学元素，不断进行着从无机环境到生物群落，又从生物群落回到无机环境的循环过程。由于生物圈内的物质循环带有全球性，所以这种物质循环又叫生物地球化学循环简称生物地化循环。•物质循环的特征：物质循环在生态系统中是时刻进行的，并与能量流动紧密结合在一起，它们把各个组分有机地结合在一起，共同构成及其复杂的能量流动与物质循环网络系统，从而维持了生态系统的存在。22水循环（watercycle)•水是地球上人类和一切生物得以生存的必要条件和物质基础，地球上各种水体都处于不断的循环运动之中。•水循环是生物地球化学循环中最重要的循环。•水循环概念：在太阳能和地球表面热能的作用下，地球上的水不断被蒸发成为水蒸气，进入大气。水蒸气遇冷又凝聚成水，在重力的作用下，以降水的形式落到地面，这个周而复始的过程，称为水循环。23水循环过程•水循环主要由四大过程组成：蒸发、蒸腾、降水和径流。蒸发:包括水面蒸发、土壤蒸发等。蒸腾:包括植物和动物的水汽挥发。降水:包括雨、雪、雾、雹等形式。径流:是指流域的降水,沿地面和地下流动着的水流，包括地表径流和地下径流。242526水循环分类•分类一：大循环和小循环。从海洋蒸发出来的水蒸气，被气流带到陆地上空，凝结为雨、雪、雹等落到地面，一部分被蒸发返回大气，其余部分成为地面径流或地下径流等，最终回归海洋。这种海洋和陆地之间水的往复运动过程，称为水的大循环。仅在局部地区（陆地或海洋）进行的水循环称为水的小循环。环境中水的循环是大、小循环交织在一起的，并在全球范围内和在地球上各个地区内不停地进行着。27分类二：海陆间循环、陆地内循环、海上内循环（见图）。28水循环的基本环节和作用意义（见下表）29影响水循环的因素1.自然因素：主要有气象条件（大气环流、风向、风速、温度、湿度等）和地理条件（地形、地质、土壤、植被等）。2.人为因素：对水循环也有直接或间接的影响。人类活动不断改变着自然环境，越来越强烈地影响水循环的过程：人类构筑水库，开凿运河、渠道、河网，以及大量开发利用地下水等，改变了水的原来径流路线，引起水的分布和水的运动状况的变化（目前人类主要通过对水循环中的地表径流环节施加影响，以改变水的空间分布）；农业的发展，森林的破坏，引起蒸发、径流、下渗等过程的变化；城市和工矿区的大气污染和热岛效应也可改变本地区的水循环状况。30碳循环（Carboncycle)•碳元素约占生物体干重的47％，碳是有机化合物的“骨架”，没有碳就没有生命。碳在无机环境与生物群落之间是以CO2的形式进行循环的。•概念：大气中的二氧化碳通过植物光合作用被消耗，又随动植物的呼吸作用、有机物的燃烧以及腐烂分解等过程，源源不断地重新释放出来，结果使大气中的二氧化碳的数量与重新释放出的数量大至相等。31碳循环过程32作用CO2CO2物吸收呼吸作用CO2动植物尸体煤、石油、天然气产生燃烧有机呼吸动物微生物的分解光合作用植物33（1）碳在自然界中的存在形式：（2）碳在生物体内的存在形式：（3）碳循环的形式：（4）碳进入生物体的途径：（5）碳在生物体之间传递途径：（6）碳进入大气的途径：CO2CO2和碳酸盐含碳有机物光合作用、化能合成作用食物链、食物网①生物的呼吸作用②分解者的分解作用③化石燃料的燃烧34现代工业迅速发展，人类大量燃烧煤和石油等燃料，加上森林面积因滥砍滥伐而急剧减少，这对碳循环会带来怎样的影响？使大气中二氧化碳的量增加较快，从而破坏了碳在自然界的平衡，致使温室效应加剧，从而导致全球气候变暖并引起一系列的后果。讨论碳循环的破坏温室效应3536清水取