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1、第四章生态系统与自然环境 TheCyclingMaterialswithinEcosystemsTheCarbonCycle碳循环TheNitrogenCycle氮循环ThePhosphorusCycle磷循环TheSulfurCycle硫循环TheHydrologicaICycle水循环 SolarRadiation太阳辐射TemperatureChangeswithLatitudeTemperatureChangeswithSeason生态系统的物质循环 生命的维持不但需要能量，而且也依赖于各种化学元素的供应。如果说生态系统中的能量来源于太阳,那么物质则是由地球供应的。生态系统从大气、水体
2、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，再返还于环境中，此为物质循环(CyCIeofmaterial),又称生物地球化学循环(biogcochemicalcycle),在生态系统中能量不断流动，而物质不断循环。 能量流动和物质循环是生态系统中的两个基本过程.正是这两个过程使生态系统各个营养级之间和各种成分(非生物和生物)之间组成一个完整的功能单位。TheCarbonCycle碳循环 碳是一切生物物体中最基本的成分，有机体干重的45%以上是碳。 据估计，全球碳贮存量约为26X10153,但绝大部分以碳酸盐的形式禁锢在岩石圈中,其次是贮存在化石燃料中，
3、生物可直接利用的碳是水圈和大气层中以二氧化碳形式存在的碳。二氧化碳或存在了大气中或溶解于水中，所有生命的碳源均是二氧化碳。 碳的主要循环形式是从大气的二氧化碳蓄库开始，经过生产者的光合作用，把碳固定，生成塘类，然后经过消费考和分解者，在呼吸和残体腐败分解后，再回到大气蓄库中。碳被固定后始终与能流密切结合在一起，生态系统的生产力的高低也是以单位面积中碳来衡量、 植物通过光合作田，将大气中的二氧化碳固定在有机物中，包括合成多糖、脂肪和蛋白质，而贮存于植物体内。食草动物吃了以后经消化合成，通过一个个营养级，再消化再合成、在这个过程中，部分碳又通过呼吸作用回到大气中；另一部分成为动物体的组分，动物排泄
4、物和动植物残体中的碳，则由微生物分解为二氧化碳，再回到大气中。 除了大气，碳的另一个储存库是海洋，它的含碳量是大气的50倍，更重要的是海洋对于调节大气中的含碳量起着重要的作用。在水体中，同样由水生植物将大气中扩散到水上层的二氧化碳固定转化为糖类，通过食物链经消化合成，再消化再合成，各种水生动植物呼吸作用又释放二氧化碳到大气中。动植物残体埋入水底，其中的碳都暂时离开循环。但是经过地质年代,又可以石灰岩或珊瑚礁的形式再露出地表；岩石圈中的碳也可以借助于岩石的风化和溶解、火山爆发等重返大气圈。有部分则转化为化石燃料，燃烧过程使大气中的二氧化碳含量增加。 自然生态系统中，植物通过光合作用从大气中摄取碳
5、的速率与通过呼吸和分解作用而把碳释放到大气中的速率大体相同。由于植物的光合作用和生物的呼吸作用受到很多地理因素和其他因素的影响，所以大气中的二氧化碳含量有着明显的日变化和季节变化。例如，夜晚由于生物的呼吸作用，可使地面附近的二氧化碳的含量上升，而白天由于植物在光合作用中大旦吸收二氧化碳，可使大气中二氧化碳含量降到平均水平以下；夏季植物的光合作用强烈，因此，从大气中所摄取的二氯化碳超过了在呼吸和分解过程中所释放的二氧化碳、冬季正好相反，其浓度差可达0002%. 在生态系统中，碳循环的速度是很快的，最快的在几分钟或几小时就能够返回大气，一般会在几周或几个月返回大气。一般来说,大气个二氧化碳的浓度本
6、上是恒定的。但是，近百年来，由于人类活动对碳循环的影响.一方面森林大量砍伐，同时在工业发展中大量化石燃料的燃烧，使得大气中二氧化碳的含量呈上升起势。出于二氧化碳对来自太阳的短波辐射有高度的透过性，而对地球反射出来的长波辐射有高度的吸收性，这就有可能导致大气层低处的对流层变暖，而高处的平流层变冷，这一现象称为温室效应。由温室效应而导致地球气温逐渐上升，引起未来的全球性气候改变，促使南北极冰雪融化，使海平面上升。将会淹没许多沿海城市和广大陆地。虽然二氧化碳对地球气温影响问题还有很多不明之处，有待人们进一步研究.但大气中二氧化碳浓度不断增大，对地球上生物具有不可忽视的影响这一点，是不容置疑的。The
7、CarbonCycleandGlobalWarming碳循环和全球变暖越来越多的人类活动干扰对碳循环的平衡。1850前，工业革命的到来，全球碳循环是在一个稳定的状态。大量的碳转移到和从大气，海洋和陆地生态系统，但这些运动在全球碳循环是取消了另一个。1850以来，我们的工业社会，需要大量的能量，和人类的化石燃料的燃煤量增加获得能源，石油和天然气。这一趋势，以及更大的燃烧木材作为燃料和热带森林的大面积燃烧，释放到大气中的二氧化碳的速率大于自然碳循环可以处理。小于CO2辐射由化石燃料等人类活动在大气中燃烧一半。其余的是采取了，至少是暂时的，由海洋和陆地上的植物，它们都作为碳“汇工一个气候科学的伟大的
8、奥秘在哪里没有量化的“失踪”的二氧化碳，大气是叶子。科学家们需要理解和量化这方面的全球碳循环从而使大气中的二氧化碳水平更准确的预测未来的发展趋势。第二十世纪的最后半期间大气CO2水平特别是大幅增加，这个速度在大气中的二氧化碳会导致人类引起的气候变化被称为全球变暖。全球变暖将导致海平面上升，降雨模式的改变，森林的死亡，生物的灭绝，和农业问题。这可能迫使数千甚至数百万人的位移，特别是从沿海、甚至上百万人，特别是沿海地区。TheNitrogenCycle氮循环 氮是蛋白质的基本成分，因此，是一切生命结构的原料。 虽然大气化学成分中氮的含量非常丰富，有78%为氮，然而氮是一种惰性气体.植物不能够直接利
9、用。因此，大气中的氮对生态系统来讲，不是决定性库。必须通过固氮作用将游离氮与氧结合成为硝酸盐或亚硝酸盐，或与氢结合成氨.才能为大部分生物所利用，参与蛋白质的合成。因此，氮被固定后，才能进入生态系统.参与循环。 固氮作用：固氮的途径有三种。 一是通过闪电、宇宙射线、陨石、火山爆发活动的高能固氮，其结果形成氨或硝酸盐.随着降雨到达地球表面。据估计.通过高能固定的氮大约89kg(hm2a). 二是工业固氮，这种固氮形式的能力已越来越大。20世纪80年代初全世界工业固氮能力已为3X107L到20世纪末，已达IX1081。 第三条途径，也是最重要的途径是生物固氮，大约为100200kg(hm2a),大约
10、占地球固氮的90%能够进行固氮的生物主要是固氮菌、气豆科植物共生的根瘤菌和蓝藻等自养和异养微生物。在潮湿的热带雨林中生长在树叶和附着在植物体上的藻类和细菌也能固定相当数量的氮，其中一部分固定的氮为植物本身所利用。 植物从土壤中吸收无机态的氮，主要是硝酸盐，用作合成蛋白质的原料。这样，环境中的氮进入了生态系统。植物中的氮一部分为草食动物所取食，合成动物蛋白质。在动物代谢过程中，一部分蛋白质分解为含氮的排泄物(尿素、尿酸)，再经过细菌的作用，分解释放出氮。动植物死亡后经微生物等分解者的分解作用，使有机态氮转化为无机态氮，形成硝酸盐。硝酸盐可再为植物所利用，继续参与循环，也可按反硝化细菌作用.形成氮
11、气，返回大气库中。含氮有机物的转化和分解过程主要包括有氨化作用、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(氨基酸和核酸)分解成为氨与氮化合物，氨溶水即成为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和硝酸盐，供植物吸收利用。土壤中还有一部分硝酸盐变为腐殖质的成分，或被雨水冲洗掉，然后经径流到达湖泊和河流，最后到达海洋，为水生生物所利用。海洋中还有相当数量的氨沉积于深海而暂时离开循环。 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
12、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。ThePhosphorusCycle磁循环 磷是生物不可缺少的重要元素，生物的代谢过程都需要磷的参与。磷是核酸、细脑膜和骨骼的主要成分.高能磷酸键在腺甘二磷酸(ADP)和腺背三磷酸(ATP)之间可逆地转移，它是细胞内一切生化作用的能量。 磷不存在任何气体形式的化合物。所以磷是典型的沉积型循环物质。 沉积型循环物质主要有两种存在相：岩石相和溶解盐相。 循环的起点源于岩石内风化，终于水中的沉积：由于风化侵蚀作用和人类的开采、磷被释放出来.由于降水成为可溶性磷酸盐，经由植物、草食动物和肉食动物
13、而在生物之间流动.待生物死亡后被分解，又使其回到环境中。溶解性磷酸盐，也可随着水流，进入江河湖泊，并沉积在海底。其中一部分长期留在海里，另一些可形成新的地壳。在风化后再次进入循环.TheSulfur硫循环 硫是原生质体的重要组分，它的主要蓄库是岩石圈.但它在大气圈中能自由移动，因此，硫循环有一个长期的沉积阶段和一个较短的气体阶段。在沉积相，硫被束缚在有机或无机沉积物中。 岩石库中的硫酸盐主要通过生物的分解和自然风化作用进入生态系统。 化能合成细菌能够在利用硫化物中含有的潜能的同时，通过氧化作用将沉积物中的硫化物转变成硫酸盐；这些硫酸盐一部分可以为植物直接利用，另一部分仍能生成硫酸盐和化石燃料中
14、的天机硫，再次进入岩石蓄库中。 从岩石库中释放硫酸盐的另一个重要途径是侵蚀和风化，从岩石中释放出的无机硫由细菌作用还原为硫化物，土壤中的这些硫化物又被氧化成植物可利用的硫酸盐。 自然界中的火山爆发也可将岩石蓄库中的硫以硫化氢的形式释放到大气中.化石燃料的燃烧也将蓄库中的硫以二氧化硫的形式释放到大气中，可为植物吸收。 硫循环与磷循环有类似之处，但硫循环要经过气体型阶段。TheHydrologicalCycle水循环水和水循环对于生态系统具有特别看要的意义，不仅生物体的大部分是由水构成的.而且所有生命活动都离不开水，水在一个地方将岩石浸蚀，而在另一个地方将物质沉降下来，久而久之就会带来明显的地理变
15、化，其中带有大量、多种化合物的周而复始地循环，极大地影响着各类营养物质在地球上的分布；此外，水对于能量的传递和利用也有重要影响，地球上大量的热能用于将冰融化成水，使水温上升和将水化为水汽过程，因此，水有防止环境温度发生剧烈波动的重要调节作用。 水循环受太阳能、大气环流、洋流和热量交换所影响，通过蒸发冷凝等过程在地球上进行着不断的循环，降水和蒸发是水循环的两种方式，大气中的水汽以雨雪冰雹等形式落到地面或海洋，而地面上和海洋中的水又通过蒸发进入大气中。因此，水循环是由太阳能推动的，大气、海洋和陆地形成一个全球性水循环系统，并成为地球上各种物质循环的中心循环。 水的主要蓄库是海洋。在太阳能的作用下通
16、过蒸发把海水转化为水汽，进入大气。在大气中，水汽遇冷凝结、迁移，又以雨的形式PI到地面或海洋。当降水到达地面时，有的直接落到地面上，有的落在植物群落中，并被截留大部分，有的落在城市的街道和建筑物上，很快流失。有些直接落入江河湖泊和海洋。到达土壤的水，一部分渗入土中，一部分作为地表径流而流入江河湖海。河流、湖泊、海洋表层的水及土壤中的水再通过不断蒸发作用进入大气。 地球上的降水量和蒸发量总的来说是相等的。也就是说，通过降水和蒸发这两种形式，地球上的水分达到平衡状态。但在不同的表面、不同地区的降水量和蒸发量是不同的。就海洋和陆地来说，海洋的蒸发量约占总蒸发量的84%,陆地只有16%；海洋中的降水占
17、总降水的77%,陆地占23%；可见，海洋的降水比蒸发少7%,而陆地的降水则比蒸发量多7%。海洋和陆地的水量差异是通过江河源源不断输送水到海洋，以弥补海洋每年因蒸发量大于降水量而产生的亏损，达到全球性水循环的平衡。 水循环的另一特点是因为每年降到地面的雨雪大约有35%又以地表径流的形式流人海洋，这些地表径流能够溶解和携带大量的营养物质，因此它可以将各种营养物质从一个生态系统搬运到另一个生态系统，这对补充某些生态系统营养物质的不足起着重要作用。由于携带着各和营养物质的水总是从高处向低处流，所以高地往往比较贫瘠，而低地则比较肥沃，例如沼泽地和大陆架就是这比较肥沃的低地，也是地球上生产力最高的生态系统
18、之一。水的全球循环也影响地球热量的收支倩况，对能量的传递和利用也有重要作用。地球上大量热能用于将冰融化为水，因此，水有防止温度发生剧烈波动的重要生态作用。生态系统中的水循环生态系统中的水循环包括截取、渗透、蒸发、蒸腾和地表径流。植物在水循环中起着重要作用，植物通过根吸收土壤中的水分。与其他物质不同的是进入植物体的水分，只有1%一3%参与植物体的建造并进入食物链，由其他营养级所利用，其余97%98%通过叶面蒸腾返回大气中，参与水分的再循环。例如.生长茂盛的水稻.一天大约吸收70lhm2的水，这些被吸收的水分仅有5%用于维持原生质的功能和光合作用.其余大部分成为水蒸气从气孔排出。不同的植被类型，蒸腾作用是不同的.而以森林植被的蒸腾最大，它在水的生物地球化学循环中的作用最为重要。
