生态系统与全球变化.

第九章生态系统与全球变化一、生态系统(ecosystem)二、生态系统的能量流动三、生态系统的物质循环四、“生物圈2号”一、生态系统(ecosystem)1．A.G.Tansley1935年提出概念。生态系统是完整的系统，不仅包括生物复合体，而且还包括人们称为环境的全部物理因素的复合体。这种系统是地球表面上自然界的基本单位。定义：生态系统指由生物群落与无机环境构成的统一整。一、生态系统(ecosystem)一、生态系统(ecosystem)系统构成至少要有3个条件：①成分：系统是由许多成分组成。②结构：各成分间不是孤立的而是彼此互相联系、互相作用。③功能：系统具有独立的、特定的功能。一、生态系统(ecosystem)2．生态系统的组成成分一、生态系统(ecosystem)2．生态系统的组成成分二、生态系统的能量流动3．食物链与食物网——生态系统能量流动的渠道(1)营养结构：以营养为纽带，把生物和非生物紧密结合起来的功能单位，构成以生产者、消费者和分解者为中心的三大功能类群，它们与环境之间发生密切的物质循环和能量流动。(2)食物链（foodchains）①定义：食物链是指初级生产者获得光能后制造的食物供给各级消费者形成以食物营养为中心的链索关系。②类型：掠食链、寄生链、腐生链(3)食物网（foodweb）①定义：许多长短不一的食物链互相交织成复杂的网状关系。②营养级：食物网内从生物到生物的消费者阶梯，处于食物网某一环节上所有生物物种的总和。食草鸟狐蛇蜘蛛鼠兔食草昆虫草青蛙猫头鹰食虫鸟草原生态系统中的食物链和食物网二、生态系统的能量流动4．生态金字塔（ecologicalpyramid）各个营养级之间的数量关系，反映生态系统的营养结构与营养机能的锥体图解模式。这种数量关系可采用生物量单位、能量单位和个体数量单位，分别构成生物量金字塔、能量金字塔和数量金字塔。生态金字塔3．生态效率（ecologicalefficiency）在每一个生态系统中，从绿色植物开始，能量沿着捕食食物链或营养转移流动时，每经过一个环节或营养级，能量都要大大减少，最后只有少部分能量留存下来用于生长，形成动物的组织。特指某一营养级的能量输出和输入间的比率。林德曼效率：“百分之十”或“十分之一”定律营养级n+1上的同化量/营养级n上的同化量≈10%二、生态系统的能量流动生态系统物质循环是指在生态系统中，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。三、生态系统的物质循环生态系统的营养结构及能流和物流间的关系生产者(绿色植物)消费者(动物)还原者(细菌、真菌)放牧系统净初级生产分解系统死有机物太阳辐射能呼吸散失呼吸散失生态系统的营养结构(能量流动)能流物流环境(土壤、空气、水)生态系统的营养结构(物质循环)（一）物质循环的模式及类型生态系统中的物质循环可以用库（Pool）和流通（flow）两个概念加以概括。库是由存在于生态系统某些生物或非生物成分中一定数量的某种物质所构成。物质在生态系统中的循环实际上是在库与库之间彼此流通的。三、生态系统的物质循环（一）物质循环的模式及类型流通量是指单位时间、单位面积内通过的营养物质的绝对值。用周转率（turnoverrate）和周转时间（turnovertime）表示有关库的相对重要性。周转率=流通量/库中营养物质总量。周转时间=库中营养物质总量/流通量。生物地球化学循环分三大类型：水循环（watercycle）、气体型循环（gaseouscycle）和沉积型循环（sedimentarycycle）。三、生态系统的物质循环生态系统中绝大元素，比如碳、氮、磷，它们循环并不是闭合的。在景观尺度上，生态系统接受其他生态系统的物质输入，同时又向另一生态系统输出物质。如图，河水带着可溶性有机物，最终进入海洋生态系统中。三、生态系统的物质循环水循环海洋水的循环周期：37000年冰川水的循环周期：16000年地下水的循环周期：300年土壤水的循环周期：280天大气水的循环周期：9天水和水循环对于生态系统具有特别重要意义，它是地球上各种物质循环的中心循环。通过降水和蒸发这两种形式，使地球水分达到平衡状态。此外，水循环通过地表径流将各种营养物质从一个生态系统搬到另一个生态系统，补充某些生态系统营养物质的不足。植被在水循环过程中起重要作用。水循环水循环水循环水循环水循环水循环水循环库103km3流通量103km3yr-1大气海洋地下水土壤水冰川水水汽输送到内陆河流水循环人类活动对全球水循环的影响：1.土地利用变化对径流的影响。森林被砍伐转变成为农田；机械化程度、化肥和农药使用；水土流失；建筑物。土地利用的变化不仅影响水的储量，也影响到水的质量。2.大坝建造和灌溉对径流的影响。典型的例子：美国亚利桑那州科罗拉多河径流的减少；咸海的面积萎缩；我国新疆的罗布泊；石羊河流域。3.降水分布的变化。由于气溶胶浓度增加，大气中凝结核也增加，导致降水延迟。碳循环全球碳贮存量约为26×1015吨，绝大部分以碳酸盐的形式禁锢在岩石圈中。生物可直接利用的碳是水圈和大气圈中以CO2形式存在的碳。大气中CO2的含量只有海洋中的千分之二，比植物生物量所含碳多一些，仅为土壤中的一半。二氧化碳分子在大气中的周期为三年。目前大气中的二氧化碳以每年5%的速率增加。碳循环生物圈中碳循环的特点是碳吸收和释放效率都很高。植物的光合作用固定二氧化碳，植物呼吸和异养呼吸、植被燃烧则释放二氧化碳。在自然状况下，这些过程基本上到达平衡状态。此外，还有两个比自然碳循环更大的人为产生的碳通量：(1)化石燃料燃烧释放的二氧化碳；(2)土地利用变化造成的二氧化碳释放，因此，人类活动对自然界碳循环产生显著影响。碳循环途径：绿色植物通过光合作用，把大气中的CO2固定，转化为碳水化合物；光合作用产物供各营养级利用、重组、呼吸、分解等，以CO2形式回到大气；通过燃烧煤炭、天然气、石油等产生的CO2；脱离循环，被永久禁锢；土地利用变化造成的二氧化碳释放。碳循环碳循环碳在生态系统中循环不平衡引起的生态效应CO2增加，引起的温室效应，致使全球变暖，将产生对6个生物层次的潜在影响：1.生物圈：海平面上升淹没大片海岸湿地，陆地生物区变化。2.生态系统：(1)农业生态系统—农作物减产、病虫害加重、影响牲畜食欲。(2)森林生态系统—导致干旱、增加森林大火风险；森林害虫增加，影响森林对碳的吸收。(3)水生生态系统—使海洋静水层和沉淀层的微生物活动加快，水中含氧量减少，影响许多海洋动物的生存；导致藻类繁殖速度加快，使鱼类产量减少。3.生物群落：影响生物群落结构，使植物群落中某些优势种竞争能力下降。4.种群：改变某些植食性动物的食性，导致某些种群的互相作用强度增强。5.物种：加速物种的灭绝；加速某些物种的迁移。6.个体：提高水分利用，提高光合作用，促进作物生长，改变植物形态结构。碳循环保持碳循环相对平衡的生态对策减少CO2的排放：提高能源的利用效率—发电采用高效先进技术；大力发展不含碳的能源和低碳能源代替煤炭—水力发电、核能发电、充分利用各种再生能源（太阳能、风能、潮汐能等）；天然气、生物能（如沼气利用）等。大力开展对CO2的吸收、固定和利用—海洋交换吸收、陆地植树种草、保护森林植被。碳循环氮循环中的主要作用固氮作用—三条途径：闪电、宇宙射线、火山爆发活动等的高能固氮，形成氨或硝酸盐，随降雨到达地面；工业固氮如化肥的制造；生物固氮。氮循环氮循环中的主要作用氨化作用—由氨化细菌而后真菌的作用将有机氮分解成为氨与氨化合物。硝化作用—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。反硝化作用—也称脱氨作用，反硝化细菌将亚硝酸盐转变成大气氮，回到大气库中。氮循环氮循环大气中具有最大的氮储量，与之相比，其他氮储量几乎可以忽略。生物固氮是大陆和海洋生物氮循环的起点，大陆固定的氮显著比海洋高。氮循环受工业固氮影响极大，如氨生产、燃烧产生的氮氧化物。目前工业固氮与生物固氮相当，生物固氮与农业种植豆科作物有关。在德国，地下水的硝酸盐含量与大气中氮的沉积和农业的化肥施用成正比，这就影响到人类饮用水的安全。但这些问题可以通过适当的管理措施得到控制。氮循环库1012gN流通量1012gNyr-1氮循环陆地植物人类活动大气圈雷电固氮反硝化作用生物固氮海洋永久沉积物河流人类活动与全球氮循环人类活动显著增加了氮的固定，改变了生物圈的氮循环。氮通过固定进入地球生物圈。数百万年以来，只有固氮细菌和一些放线菌能够固氮。随着人类开发出密集化的农业和工业过程进行固氮，我们在很大程度上改变了氮循环。人类如何改变氮循环？人类活动与全球氮循环自然固氮的背景值：1.陆地生态系统中自然生长的固氮细菌和植物每年的固氮总量约为100Tg(1Tg=1012g)。2.海洋生态系统的固氮量为5-20Tg。3.雷电固氮量为3Tg。非人为固氮量总合为120Tg。人类活动与全球氮循环人类活动产生的氮已经超过自然固氮量：1.人类通过种植固氮作物改变氮循环。在某个时候，农学家认识到把豆科（例如苜蓿、大豆）与谷物（例如燕麦、玉米）轮作可以增加作物产量。现在我们知道豆科作物通过固氮作用增加了土壤中的氮，从而增加了作物产量。固氮作物每年可以固氮量为30Tg。人类活动与全球氮循环人类活动产生的氮已经超过自然固氮量：2.农学家也施用工业上固定的氮肥。3.汽车、卡车等交通运输工具燃烧产生大量氮。4.化石燃料，包括煤燃烧发电。人类活动与全球氮循环人类改变全球氮循环的后果是什么？氮添加与生态系统中植物和真菌的多样性有关。氮增加可能改变植物和菌根之间的共生关系。因此，大范围的氮增加将威胁到生态系统的健康和生存。离工业较近地区森林的健康状况下降。我国学者研究表明氮增加也会影响土壤跳虫群落：密度、丰富度降低。有毒有害物质循环有毒有害物质的循环是指那些对有机体有害的物质进入生态系统，通过食物链富集或被分解的过程以DDT、汞为例有毒有害物质循环1．DDT（二氯二苯三氯乙烷）DDT是一种人工合成有机氯杀虫剂，它的问世，对农业的发展起了很大作用，是有机毒物。生态系统通过两个途径吸入人类喷洒的DDT并通过食物链加以富集：①通过植物茎叶、根系进入植物体草食动物吃肉食动物食逐级浓缩；②喷洒的DDT落入地面经土壤动物吃用富集陆上动物逐级浓缩。营养级越高，富集能力越强，积累量越大。其危害主要是影响生殖，导致人类、动物产生怪胎。2．汞（Hg）汞作为工业用催化剂和电极材料，不断输入生态系统。它以痕量出现在大气、土壤、岩石及动植物组织中，但通过生物浓缩从水中不到1ug/L到海藻中100ug/L，到鱼体中达1122ug/L。汞的危害：①与神经系统某些酶类结合，产生神经错乱；②与一种DNA一起发生作用的蛋白质形成专一性结合，引起汞中毒先天性缺陷。③转化为有机化合物如甲基汞，毒性更强，进入人体可分布全身，尤其进入肝、肾，最后到达脑部，且不易排泄。有毒有害物质循环有毒有害物质循环水俣病是指人或其他动物食用了含有机水银污染的鱼贝类，使有机水银侵入脑神经细胞而引起的一种综合性疾病，是世界上最典型的公害病之一。“水俣病”于1953年首先在日本九州熊本县水俣镇发生，当时由于病因不明，故称之为水俣病。汞循环(mercurycycle)火山活动化石燃烧降水挥发挥发沉积物农田风化和淋溶作用农药喷洒径流(CH3)2HgHg2＋CH3Hg鱼水生植物水鸟工厂汞的废物捕鱼由河水带走(中性pH)(酸性pH)有毒有害物质循环的特点：①在食物链营养级上进行循环流动并逐级浓缩富集；②在生物体代谢过程中不能被排泄而被生物体同化，长期停留于生物体内；③有些有毒有害物质不能分解而相反经生态系统循环后使毒性增加。有毒有害物质循环四、“生物圈2号”1991年9月26日在美国亚利桑那荒漠中占地1.5万平方米的全封闭式人工模拟生态系统，只有阳光可以照射进去，包括9种不同的生态类型：热带雨林、灌木林、草地、淡水沼泽、海