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1、第七章 生态系统的物质循环,1 生物地化循环的概念,生物地化循环生物地化循环的特点生物地化循环的类型,生物地化循环(BIOGEOCHEMICAL CYCLE),矿物元素在生态系统之间的输入和输出，它们在大气圈、水圈、岩圈之间以及生物间的流动和交换称生物地(球)化(学)循环，即物质循环(cycling of material)。,物质循环的基本概念,库：物质在循环过程中被暂时固定、储存的场所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、水体库等流（flow）物质在库与库之间的运动状态流通率：单位时间、单位面积/体积的物质转移量周转率：流通
2、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,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：
3、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,生物地化循环的特点,物质循环不同于能量流动，后者在生态系统中的运动是循环的；生物地化循环可以用库和流通率两个概念来描述。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化学物质所构成的，可分为贮存库和交换库。前者的特点是库容量大，元素在库中滞留的时间长，流动速率小，多属于非生物成分；交换库则容量较小，元素滞留的时间短，流速较大。物质在生态系统单位面积(或单位体积)和单位时间的移动量称流通率。生物地化循环在受人类干扰以前一般是处于一种稳定的平衡状态。元素和难分解的化合物常发生生物积累、生物浓缩和生物
4、放大现象。,生物积累、生物浓缩和生物放大,生物积累(bioaccumlation):指生态系统中生物不断进行新陈代谢的过程中，体内来自环境的元素或难分解的化合物的浓缩系数不断增加的现象。生物浓缩(bioconcentration):指生态系统中同一营养级上许多生物种群或者生物个体，从周围环境中蓄积某种元素或难分解的化合物，使生物体内该物质的浓度超过环境中的浓度的现象，又称生物富集。生物放大(biomagnification):指生态系统的食物链上，高营养级生物以低营养级生物为食，某种元素或难分解化合物在生物机体中浓度随营养级的提高而逐步增大的现象。生物放大的结果使食物链上高营养级生物体中该类物
5、质的浓度显著超过环境中的浓度。,生物元素循环通常从两个尺度上进行研究，即全球循环和局域循环。全球循环，即全球生物地球化学循环(global biogeochemical cycles)，代表了各种生态系统局域事件的总和。,全球生物地球化学循环分为三大类型，即水循环、气体型循环和沉积型循环。,物质循环一般可分为两类：,短循环(short cycle)：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(long cycle)：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
6、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。,生物地化循环的类型,水循环气体型循环沉积型循环,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比较快，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比较慢，时间要以千年计算，例如P、Ca、Na、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是在水循环的推动下完成的,一、全球水循环,地球表面的总水量大约为14亿km3,其中大约有97%包含在海洋库中。淡水中：两极
7、冰盖29 000 km3、地下水8 000 km3、湖泊河流100 km3、土壤水分100 km3、大气中水13 km3、生物体中水1 km3。,水分的大循环与小循环：,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。水循环的途径 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；过度利用地下水；水利工程水的再分布。,二、气体型循环,1，碳循环,整个地球碳的储存数量约为261015吨。其中有90%以上以碳酸盐形式禁锢在岩石圈中，而只有7500109吨是以有机态埋藏在地下(如煤、石油)。这些成为碳循环中的储存库。只有极少量碳参与经常性流动和圈层间的交
8、换。其中大气圈中(二氧化碳状态)约700109吨，水圈中(多为碳酸盐态或二氧化碳状态)约为35250109吨。而构成现有生物量的有机碳仅为1120109吨。水圈、大气圈和生物圈扮演着碳循环中活动库的作用。,碳循环从大气中二氧化碳储库开始，通过绿色植物的光合作用，将大气中的碳，转移到植物体中形成碳水化合物，然后被各级消费者利用，其生物残体经过微生物分解还原以及生物的呼吸作用，再把碳回归到大气中。,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
9、起气候变化的主要原因,海洋和大气CO2调节,CO2,CO2溶于海水,H2CO3,水体中生物,H+CO32-,CaCO3,海底沉积物,碳循环(CARBON CYCLE),化,泥碳,煤,大气中CO2,CO2,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,THE CARBON CYCLE,92,90,750,6,1,1015gC,GREENHOUSE EFFECTS,温室效应：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主要包括：二氧化碳(CO2)、甲烷(CH4)、氧化亚氮(N2O)、六氟化碳(SF6)、氟氯碳化物
10、(CFCs)、氢氟碳化物(HFCs)等溫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,Incoming sunlight warms the surface of the Earth and is radiated back to atmosphere.Greenhouse gases absorb some of this heat,trapping it in the atmosphere.,GREENHOUSE EFFECT,CO2排放,2050年大气CO2浓度控制目标可设定为470 ppmv2008年大气CO2浓度为385.57 ppmv2005
11、年,大气CO2浓度为379.75 ppmv大气CO2浓度每增加 1 ppmv,增加碳的质量约为 1.52106(12/44)5.121015=2.12109 t(公式中,12是C的原子量,44是CO2 的分子量,12/44 表示CO2中碳的含量),即 2.12 GtC.这样,增加90.25 ppmv CO2浓度,即意味着大气圈将总共增加 191.33 GtC.每年通过土地利用排放的CO2为1.50 GtC2006 2050年人类可通过化石燃料消费获得的CO2 排放空间为348.43 GtC,即为 12775.77 亿吨CO2Ding Z L,Duan X N,Ge Q S,2009,et al
12、.On the major proposals for carbon emission reduction and some related issues,三、氮循环,据统计，物理化学(电化学和光化学)的固氮量平均7.6106吨/年，生物固氮量为54106吨年。2000年时，化肥的产量达到80106吨。,生物圈中氮(106吨)的分布,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(NITROGEN CYCLE),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
13、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,氮的循环,1012gN,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,氮循环是一个复杂的过程，包括有许多种类的微生物参加：,1，固氮作用（n
14、itrogen fixation）,2，氨化作用（ammonification）,氨化作用是蛋白质通过水解降解为氨基酸，然后氨基酸中的碳（不是氮）被氧化而释放出氨（NH3）的过程。,3，硝化作用（nitrification）：是氨的氧化过程，最终氨转化为硝酸盐。,4，反硝化作用（denitrification）,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,氮循环造成的环境问题,水体富营养化地下水中的N2O-、N
15、O3-具有致癌作用臭氧层的破坏光化学烟雾,氧循环(OXYGEN CYCLE),H2O+CO2 H2CO3 HCO3-+H+,CO2,HCO3-CO32-,Ca2+,CaCO3,O2,水体,臭氧层,沉积物,火山作用,4FeO+O2,2FeO3,CO2,CO,O2+2CO CO2,O2,O3,O2,O,O2,H,OH,H2O,H2O,O,CO2,高能紫外辐射,四、磷循环,磷循环是不完全的循环，有很多磷在海洋沉积起来。,全球磷循环的最主要途径是磷从陆地土壤库通过河流运输到海洋，达到21 1012 gP/a。磷从海洋再返回陆地是十分困难的，海洋中的磷大部分以钙盐的形式而沉淀，因此长期地离开循环而沉积起
16、来。,磷循环（PHOSPHORUS CYCLE）,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,五、硫循环,硫循环（SULFUR CYCLE）,陆地,海洋,沉积物（CaSO4,FeS2）,溶解的SO42-,SO2,H2S,S,CaSO4,FeS2,死有机物,活有机物,SO42-,降水SO2,SO42-,扩散,海浪SO42-,大气,上升，分化,SO2,FeS2,死有机物,活有机物,SO42-,H
17、2S,S,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,SO2,H2S,SO2,SO42-,酸雨的形成,ACID RAIN IN THE UNITES STATES,The most acidic rain is concentrated in the northeast,but thousands of lakes in the west are also vulnerable.,ACID RAIN IN THE WORLD,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
18、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,有毒物质的迁移和转化,有毒物质的类型有毒物质的迁移和转化有毒物质循环的典型代表-汞循环、镉循环,有毒物质的类型,有毒物质(toxic substance)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
19、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，又称继发性污染物。,有毒物质的迁移和转化,迁移(transport)是重要的物理过程,包括分散、混合、稀释和沉降等；转化(transformation)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。,汞循环(MERCURY CYCLE),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)2Hg,Hg2,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),镉循环,DDTDDT是人工合成的有机氯杀虫剂DDT不溶于水，而溶于脂肪，
20、极易通过食物链而浓集DDT通过食物链进入动物体后，使钙代谢功能丧失，从而使鸟类蛋壳变薄，雌鸟孵卵时将蛋压破，从而使禽类的数量减少危害消灭害虫的同时，无选择地将益虫、益鸟和害虫的天敌杀死如美国加利福尼亚州，由于滥用DDT，1967年有19%的蜜蜂被杀死，导致水果和蜂蜜急剧减产,BIOMAGINIFICATION OF DDT,BIOMAGINIFICATION OF DDT,水体中的DTT浓度约为0.00005ppm 浮游生物 0.04 ppm刚毛藻 0.08 ppm网茅 0.33 ppm螺 0.26 ppm 蛤 0.42 ppm 鱼 1.24 ppm燕鸥 3.42 ppm河鸥幼体 55.3 p
21、pm 成体18.5 ppm秋沙鸭 22.8 ppm鹭鸟 26.4 ppm银鸥 75.5 ppm,6 放射性核素循环,放射性核素可在多种介质中循环，并能被生物富集。放射性核素通过核试验或核作用物进入大气层，然后，通过降水、尘埃和其他物质以原原子状态回到地球上。人和生物既可直接受到环境放射源危害，也可因食物链带来的放射性污染而间接受害。放射性物质由食物进入人体，随血液循环遍布全身，有的放射物质在体内可存留14年之久。,7 生物地化循环与人体健康,地方病：自然界由于环境条件的不同，地表元素发生迁移，常造成一些元素在地表分布的不均。这种生物地化循环时常导致某些生态系统中生命元素含量的异常，或不足，或过剩，从而造成植物、动物乃至人类的疾病。这种疾病常呈区域性，故称“地方病”。微量元素循环：地方病大多数与微量元素有关。碘的循环与分布特点：碘由陆地随水进入海洋，由海洋逸出进入大气，再通过降水进入陆地，形成一个大循环。在生物中，通过海洋、陆地两个食物链保持碘的生态平衡。山区少于平原，平原少于沿海，沿海少于海洋。微量元素与人体健康：碘缺乏：缺碘症：甲状腺肿大，智力低下，影响胎儿发育等。硒缺乏：引起克山病、大骨节病，也被认为是引起癌症的主要因素。,
