第11章、生态系统中的物流

第11章、生态系统和全球的物质循环第一节生态系统物流的一般特点一．生命与元素自然界包含着许多生命活动所必需的无机和有机物质，其中包括20多种必要元素。最重要的元素：碳、氧、氢、氮和磷，占全部原生质的97%以上。大量营养元素（macronutrient）：钙、镁、钾、硫、钠微量元素（micronutrient)：铜、锌、硼、锰、钼植物必需营养元素的功能物质在生态系统中不是静止不动的，而是沿着不同的途径在不同的生态组分之间发生着固定、吸收、释放、迁移、转化、并最终返回到环境中。生物地球化学循环（biogeochemicalcycle）：由于生态系统的生物质循环是在地球上的生物与非生物之间，通过化学形态的转换与运转，故又称为生物地球化学循环。物质循环（cycleofmaterial）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，共同构成了极其复杂的能量流和物质流网络系统，从而维持了生态系统的持续存在。二．物质循环的库与流1．库（pool）物质在运动过程中被暂时固定、贮存的场所称为库。生态系统中：植物库、动物库、大气库、土壤库和水体库。源（source）：是产生和释放物质的库汇（sink）：是吸收和固定物质的库源：产生或释放库汇：吸收或固定库流动在生物地球化学循环中：贮存库（reservoirpool）——其容积较大，物质交换活动缓慢，一般为非生物成分的环境库；交换库（exchangepool）——其容积较小，与外界物质交换活跃，一般为生物成分。2．物质流（flow）：物质在库与库之间的转移运行称为流3．生物量与现存量生物量（biomass）：在某一特定观察时刻，单位面积或体积内存积存的有机物质总量。生物量又称为现存量（Standingcrop）生产者100U沉积层5000U消费者50U水体1000U16U/d4U/d4U/d20U/d20U/d一个面积为1.62公顷的池塘系统中P的库与流通率模式图。三．物质循环的基本类型1．生物地球化学循环生物地球化学循环：地质大循环和生物小循环地质大循环：是指物质或元素经生物体的吸收作用，从环境进入生物有机体内，然后生物有机体以死体、残体或排池物形式将物质或元素返回环境，进入五大圈的循环。五大自然圈：大气圈、水圈、岩石圈、土壤圈和生物圈。地质大循环：范围大、周期长和影响面广。生物小循环：是指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，回到环境后，再为生产者吸收、利用循环过程。图7—12.物质循环的几种基本类型①水循环②气体循环：C、H、O、N③沉积物循环：P、S、I、K、Na、Ca第二节水循环一．全球水分循环在自然界中，水以固态、液态和气态形式分布于水圈、大气圈、岩石圈、土壤圈和生物圈中。地球上的总水量？1970年国际水文学会统一了大致的数据：总水量：1.4×109km3大气圈地表径流（0.37)降水（4.12）降水（1.08）蒸发（0.71)蒸发（4.49)陆地海洋水的全球循环和水的分布(1017Kg总水量：1.4×109km3=140000TT(亿吨）海洋（97%）1.358*109km3=135800TT冰川冰盖29000TT地下水：8000TT湖泊河流：100TT土壤湿气：100TT空气中水蒸汽：13TT生物体：1TT表7—2地球的水量估计海洋、大气和陆地的水在自身位能、太阳能、气象因子、生态环境以及人类活动的耦合作用下，进行着连续的大规模的交换，使自然界中的水形成了一个随时间、空间变化的复杂的动态系统——水分循环。由于太阳辐射，海面和陆地每年约有488000km3水分蒸发到空中。据估计，大气中的全部水量9d即可更新一次河流：10—20d，土壤：280d淡水湖：1—100年，地下水：300年海洋：37000年。二．人类对水循环的干扰①植被破坏②围湖造田以及排干沼泽、冬水田、低湿地等③兴建大型的截流、蓄水、引水、灌溉工程④过度开采地表和地下贮水三．我国水资源分布特点及在开发利用方面存在的问题特点：东南多、西北少，由东南沿海地区向西北内陆地区递减，分布极不均匀。全国有50%的国土处在降雨量少于400mm的干旱、半干旱少水地带，这一地带生态环境脆弱，属于生态脆弱带，水是主要的限制因子。问题：①现有的水利设施不能适应现代化建设的需要。②现有的水利工程及渠子配套等遗留问题较多。③水体污染日趋严重。全国每天污水排放量为7500万吨。④地下水的超采严重。四．生态系统的水分管理1．植树造林，发挥“绿色水库”作用，扩大土壤的水分库容。2．加强农田水利基本建设，提高水分利用率。3.改变耕作制度与管理方式，发展节水农业。4．防治水体污染。5．加强全流域水资源保护与统一调度。第三节生态系统的碳流动一．自然界的碳循环碳的来源是二氧化碳生物圈的碳循环主要是指植物通过光合作用将CO2转变成机物（糖类、蛋白质及类脂化合物等），并通过食物链在生态系统中传递，被植物和动物所消耗，最终通过呼吸作用、发酵作用和燃烧又使碳以CO2形式返回大气中，再加入上述循环的全部过程。C素的生物地球化学循环(气体型循环)Numbersarestorageas1015g(109T)orfluxesas1015g(109T)peryear(datafromSchlesinger1991)碳的生物小循环有三个层次或途径：1.在光合作用和呼吸作用之间的细胞水平上循环；2.大气CO2和植物体之间的个体水平上的循环；3.大气CO2—植物—动物—微生物之间的食物链水平上的循环。碳主要贮藏在大气、生物体、土壤和水圈及岩石圈几个库中。在生物圈中，绿色植物的光合作用是推动碳循环的主要动力，有些微生物的化能合成也能推动碳循环，但其作用甚微。研究表明，后者的作用只有前者的1%。存在于自然界中的碳是大量的，也是多种多样的。以CO2形态存在于大气中的碳达7×1011t，以碳氢燃料著称的煤和石油中含碳1×1013t，以上千种碳化合物形态存在于植物体中的碳达8×1011t，但只有CO2形态的碳才能被植物吸收和利用，才能进入碳循环。在漫长的地球演变过程中，和其他元素的循环一样，碳循环并不是有规律地进行，有时会出现停滞现象。例如，成煤期就有大量的碳被封存在地下煤层中，以石油形态的碳长期被禁锢在地壳内，从而造成了碳循环的部分阻塞。但是根据近期的观测统计表明，近100年来，大气中的CO2含量一直在不断上升，在大气这种环节上出现了碳的堆积和碳循环的堵塞。由于这次堵塞的特点出现在大气这个环节上，形成堵塞时间较短，加之现代地球上的人口众多，经济发达，因而其危害更加严重。三个重要的C循环过程：1光合作用和呼吸作用：光合：850亿吨/年，2海洋-大气交换：3碳酸盐的沉积和溶解：CaCO3（不可溶）+H2O+CO2Ca2++2HCO3（可溶）大气（640GT）陆地植物同化35GT海洋+地表水84GT二、人类活动对碳循环的干扰二氧化碳、甲烷等全体的含量正以前所未有的速度增加，进而导致全球范围的气候变化。全球变化（globalchange）是指由于人类活动排放温室气体而产生温室效应导致全球气候变暖，降水量增加、海平面上升，并由此而产生一系列生态和环境变化的总称。1.人类活动对大气中二氧化碳浓度的影响二氧化碳浓度增加的原因：19世纪到20世纪初主要是砍伐森林20世纪以来又加上燃烧矿物燃料，如煤、石油及天然气。数据：从公元1000——1800年间大气中二氧化碳的浓度是相当稳定的，大约变化于270—290ul/L之间，平均值为280ul/L。由于自然植被与未开发森林的含碳量比农用地大20—100倍，从1850—1986年的100多年的时间里，估计反此一个因素就向大气排放了115±35Gt（1Gt=10亿t）的碳，现在每年的排放量约1.9±1.1Gt碳。陆地生态系统贮存的总碳量中大约99.9%的碳存在于植物体中，动物体内贮存的碳仅占0.1%。根据有关估算，在1850—1950年间，由于人类的活动而排入大气中的碳达1.8×1011t，其中1/3来自化石燃料的燃烧，其余2/3则来源植被的破坏，特别是森林破坏的结果。但20世纪以来，由于矿物燃料的消耗迅速增大，向大气中排放的碳，在第一次世界大战前已达0.8—0.9Gt，第二次世界大战前为1.5Gt，目前达5.7±0.1Gt。大气中二氧化碳浓度年增长达1.6ul/L。2、人类活动对大气中甲烷浓度的影响甲烷（CH4）俗称沼气，其浓度在温室外气体中占第二位。其增长与世界人口的增长有非常大的相关。19世纪之前大约不超过0.8ul/L。19世纪末增加到0.9ul/L。从1978年开始有正式观测，浓度为1.51ul/L。目前已达1.72ul/L。即大气中含4900Tg（1Tg=1012g）的甲烷即每年向大气中排放40—48Tg，年增量0.8%—1.0%。估计到2030年浓度达2.34ul/L。2050年可达2.5ul/L。第四节、生态系统的氮流动大气中氮的含量为79%，总贮量约为38×106亿t，但不能为大多数植物直接利用。只有通过固氮菌和蓝绿藻等生物固氮，闪电和宇宙线的固氮，以及工业固氮的途径，形成硝酸盐或氨的化合物形态，才能为多数植物和微生物吸收利用。三个重要过程（1）氨化作用（2）硝化和反硝化作用（3）固氮作用氮循环示意图．大气中的Ｎ(3)固氮作用：细菌＼蓝藻＼雷电等反硝化作用硝酸盐食物链氨排泄物(1)氨化作用植物硝化作用(2)一个湖泊生态系统（SycamoreCreek,Arizona美国亚利桑那)的氮循环．N素的生物地球化学循环，*109g，千吨．全球的氮循环全球氮循环的主体存在于土壤和植物之间。据Rosswall估算，在全球陆地生态系统中，氮素总流量的95%在植物—微生物—土壤系统中进行，只有5%在该系统与大气圈之间流动。全球陆地生态系统各组分的氮素平均周转速率，植物，4.9年；枯枝落叶，1.1年；土壤微生物，0.09年；土壤有机质，1.77年；土壤无机氮，0.53年。固氮作用闪电和宇宙线的固氮，大约8.9kg/hm2•a工业固氮，已达1╳108T生物固氮，大约100--200kg/hm2•a，大约占地球固氮的90%。氨化作用：由氨化细菌和真菌的作用将有机氮分解成氨和氨化合物，氨溶与水即成为NH4+，可为植物所直接利用。硝化作用：在通气情况良好的土壤中，氨化合物被亚硝酸盐细菌和硝酸盐细菌氧化为亚硝酸盐，供植物吸收利用。反硝化作用：也称脱氮作用，反硝化细菌将亚硝酸盐转变成大气氮，回到大气库中。因此，在自然生态系统中，一方面通过各种固氮作用使氮素进入物质循环，而通过反硝化作用、淋溶沉积等作用使氮素不断重返大气，从而使氮的循环处于一种平衡状态。第五节生态系统的磷和硫循环一、自然界中的磷循环磷溶于水而不挥发，在生态系统中属于典型的沉积型循环。磷以地壳作为主要贮藏库。含磷的有机物沿两条循环支路循环：一是沿生物链传递，并以粪便、残体的形式归还土壤；另一种是以枯枝落叶、秸秆归还土壤。湖泊生态系统中磷的循环.梭子鱼鲤科小鱼水蚤类磷循环示意图磷酸盐岩溶解磷酸盐开矿＼风化沉积植物动物磷酸盐化细菌生物小循环磷的生物地球化学循环(沉积型循环),*109g千吨．各种磷的有机化合物经过土壤微生物的分解，转变为可溶性的磷酸盐，再次供给植物吸收利用，这是磷的生物小循环。在生物小循环过程中，一部分磷脱离生物小循环进入地质大循环：一是动植物遗体在陆地表面的磷化矿化；另一种是磷受水的冲蚀进入江河，流入海洋。据统计，每年全世界由大陆流入海洋的磷酸盐大约10万t。全球规模的磷循环如图全球各圈层中磷的分布如表二、人类活动对磷循环的影响（1）人类对磷矿资源的开采与消耗据统计，从1935年至1990年间，磷矿总开采量达3.79×109t，相当于5×108t磷。1990年全球磷矿开