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1、圈层间的相互作用,第十二章 生物圈与水圈、大气圈、岩石圈的相互作用,第一节 生物圈与岩石圈的相互作用第二节 生物圈与大气圈的相互作用第三节 生物圈与水圈的相互作用第四节 水圈、大气圈、生物圈的相互作用,第一节 生物圈与岩石圈的相互作用,一、生物风化与岩石的分解 生物风化作用是指生物在其生命活动过程中对岩石、矿物产生的破坏作用。生物机械风化作用是指，生物在其生命活动过程中对岩石产生的机械破坏作用。如根劈作用和动物的挖洞掘穴等。生物化学风化作用是通过生物新陈代谢和生物死亡后的遗体腐烂、分解进行的。植物和细菌在新陈代谢过程中，常常形成和析出有机酸、硝酸、碳酸和其他一些物质，它们对岩石具有较强的侵蚀能
2、力。生物尸体逐渐堆积起来，在还原的环境中经过缓慢腐烂分解，形成一种暗黑色的胶状物质，即腐殖质。它一方面，供给植物必不可少的钾盐、磷盐以及含氮的化合物，另一方面，腐殖质本身就是一种有机酸，对岩石、矿物有着腐蚀作用。,第十二章,第一节 生物圈与岩石圈的相互作用,二、岩石土壤生物 土壤是在一定的水热条件下，岩石与生物相互作用的产物，是岩石与生物联系的纽带与桥梁。生物与岩石相互作用形成土壤：岩石风化形成风化壳，随着生物化学风化作用的进行和有机质的积累，风化壳的物质组成与性质发生变化，并且形成一定的结构与肥力，这时土壤便形成了。同时，通过生物的物质循环，才能把大量的太阳能纳入成土过程，才能使分散于岩石圈
3、、水圈和大气圈的多种养分聚集于土壤之中，才能使土壤具有肥力并使之不断更新。岩石是一切陆地生物的固体支撑，没有固体岩石的支撑，很难想象有陆地生物的发生与发展。并且许多生物，尤其是植物所需要的矿物元素，都来自岩石及其风化形成的产物。,第十二章,土壤是生物与岩石相互作用的纽带,土壤不仅是生物与岩石相互作用的产物，而且还是两者相互作用的纽带。植物一般情况下很难直接吸收岩石中的矿物质，只有经过土壤转换成离子形式，才能被植物吸收。只有当生物有机质在土壤中转变成有机酸时，生物对岩石的化学风化作用才能发生。岩石中的水（如地下水）只有转变成土壤水，才能被植物吸收；大气降水经过植物淋滤、土壤吸收之后，才会渗入岩石
4、转变为地下水。岩石与植物之间的其他物质交换，也大都需要经过土壤这个中间环节。,植物-土壤-岩石的关系,第十二章,第一节 生物圈与岩石圈的相互作用,三、岩石性质对生物的影响 岩层性质影响到地表土壤，不同的岩石上发育的土壤会产生不同程度的差异，例如灰岩地区一般土壤不发育，且土壤的碱性组份较多，因而植被不发育，且多灌丛；砂岩区则往往覆盖较好的土壤，且土壤呈酸性，有利于喜酸植物（松等）的生长。岩石的结构、构造主要通过其透水性、隔水率和含水率等影响土壤、生物的水文条件。,第十二章,第一节 生物圈与岩石圈的相互作用,三、岩石性质对生物的影响岩石的元素特征控制生物的生长发育，它为生物提供基本的矿物质需求，此
5、外，一些特殊的元素富集带往往有与之对应的指示性生物，如铜矿带上常生长铜兰。,第十二章,第十二章,南京阳山北坡石炭纪二叠纪灰岩上生长的灌丛与五通组砂岩上生长的松林界限清楚,第十二章,特殊土壤环境植物,芒萁分布于长江以南，大量生长于酸性红壤的山坡上，是酸性土壤指示植物,钙质土壤指示植物蜈蚣草,柽柳科柽柳属。灌木或小乔木，枝条细而下垂，叶鳞片状细小。耐干旱耐盐碱，常生长于盐硷荒滩,第一节 生物圈与岩石圈的相互作用,三、岩石性质对生物的影响 在地质历史发展过程中，各种岩石的分布差异导致地壳表面元素分布的不均一性。这种不均一性在一定程度上，控制和影响着世界各地区人体的发育和体质的差异，若元素分布的不均一
6、性超过正常变化范围，则将造成人类的地方疾病。,第十二章,第一节 生物圈与岩石圈的相互作用,四、岩石圈运动与生物 岩石圈的运动导致大陆的漂移，大陆位置变化也会导致生物群落面貌的巨大变化。例如印度从南极附近的高纬度地区漂移到现在的北半球低纬度地区，由冻原、冰原变为热带森林、草原环境。岩石圈的运动引起地面高程的变化，同样导致生物面貌的变化。例如，青藏高原在上新世海拔相对比较低，植被为亚热带森林；而随着地面的隆升，高原内部与北部已经演化为干旱草原或寒漠。,第十二章,中国老第三纪植被分布示意,热带亚热带雨林,副热带干旱草原与荒漠,副热带森林,暖温带落叶阔叶林,亚洲,东亚,世界,中国新第三纪植被分布示意,
7、热带亚热带常绿林,副热带常绿落叶混交林,副热带落叶林,暖温带落叶林,副热带暖温带草原与森林草原,副热带暖温带荒漠与荒漠草原,在一些山坡上，由于岩石块体的向下滑动或者蠕动，往往使得山坡上的树木变得倾斜，有人称之为醉树。,第十二章,庐山仙人洞附近滑坡体上的醉汉林,第一节 生物圈与岩石圈的相互作用,五、生物岩石、生物矿床、生物地貌 生物作用形成岩石可以称之为生物岩石。沉积在海底的主要是生物的残骸，这些生物残体堆积、固结便形成岩石；硅藻土就是一种主要由硅藻残骸组成的岩石；珊瑚礁，主要由珊瑚的骨骼胶结而成，是珊瑚生长过程中，残骸不断堆积而形成的；实际上一些碳酸盐岩的形成也与生物的作用有关。,第十二章,第
8、一节 生物圈与岩石圈的相互作用,五、生物岩石、生物矿床、生物地貌 自然界许多矿床的形成与生物作用密切相关，甚至一些矿床就是生物作用形成的。例如，大量植物残体积聚形成泥炭，当泥炭被埋藏、变质就可能形成煤。大量生物尤其是海洋浮游生物和低等微生物死亡后，在一定的温度、压力条件下，经过分解、变质，就可能生成石油与天然气。,第十二章,第一节 生物圈与岩石圈的相互作用,五、生物岩石、生物矿床、生物地貌 生物对岩石的破坏或建造，可以形成一些地貌类型。如珊瑚礁、牡蛎礁 贝壳堤等。,第十二章,生物海岸,海岸可以根据海岸的物质组成划分为基岩海岸、砂质海岸和淤泥质海岸。但一些海岸比较特殊，很难归属于上述海岸类型中，
9、故又划分出生物海岸。所谓生物海岸是指主要由于生物作用形成的海岸。例如，珊瑚礁海岸，主要是由珊瑚作用形成的由珊瑚礁组成的海岸；红树林海岸，主要由红树林组成，以红树林为特征的海岸。,珊瑚岛与珊瑚礁海岸,基岩海岸,第十二章,珊瑚礁岛,第十二章,珊瑚礁岛,第十二章,珊瑚礁,第十二章,牡蛎礁,第十二章,贝壳堤,第十二章,红树林海岸,第十二章,光合作用与生、气物质交换,制造碳水化合物,绿色植物在不停地吸收大气CO2进行着光合作用，通过光合作用来制造养料，以维持植物的发育与生长。动物的生命活动或有机体的腐烂过程，是吸收氧气、放出二氧化碳的过程；而植物的生命过程却是吸收二氧化碳、放出氧气的过程。两者之间以及两
10、者与岩石圈、大气圈、水圈之间经过亿万年的演化达到了某种平衡，才形成了今天这样的大气圈。,C6H12O6,第十二章,第二节 生物圈和大气圈相互作用,一、生命活动与大气组分,第十二章,二、风与生物,三北防护林,第十二章,二、风与生物,三北防护林,大气中氧气、二氧化碳随时间的变化及其与生物演化的关系（陶世龙地球科学导论）,大气二氧化碳含量,第十二章,三、大气圈的演化与生命的起源及进化,生物对气候的负反馈,当大气中二氧化碳、甲烷等温室气体增加时，气候将会变暖，与此同时植物的光合作用加强。光合作用的增强，将会使植物从大气吸收的二氧化碳的数量增加，从而降低大气二氧化碳的浓度，降低温室效应，使气候变暖幅度减
11、小或变冷。这就是生物对气候变化或对温室效应的负反馈作用。相反，如果大气二氧化碳浓度降低，将会导致气候的变冷和植物光合作用强度的减弱。植物光合作用强度的减弱，将使得从大气吸收的二氧化碳的数量减少，从而抑制大气二氧化碳浓度减低的速度和气候变冷的幅度，甚至使气候变暖。,第十二章,四、生物与气候变化之间的正负反馈作用,生物对气候变化的正反馈作用,海洋生物的兴衰对于地球表层碳的循环起着重要的作用。研究表明，对世界大多数海域来说，铁的不足是海洋生物生产率的一个重要限制因素。而落入海洋的风尘则是海洋铁补充的主要途径。干旱区的风尘落入海洋，提高海洋生物的生产率，增加了海洋对大气二氧化碳的吸收，促使气候变冷。当
12、冰期来临或气候变冷，风尘沉积速率增大，使海洋生物的生产率提高，导致大气二氧化碳含量的降低，从而使气候进一步变冷。当间冰期来临或气候变暖，风尘沉积速率减小，使海洋生物的生产率降低，导致大气二氧化碳含量的升高，从而使气候进一步变暖。（图a，b）,第十二章,生物对气候变化的正反馈作用,上面阐述了生物与气候之间的一种正反馈机制。实际上，生物与气候之间的正反馈机制还有一些，只是人们对它们的认识不足而已。例如，温度升高对呼吸作用的影响，尤其对土壤微生物的影响：温度升高，引起生物呼吸作用加强，导致大气二氧化碳的升高，促使温度进一步升高（图c）。温度升高引起的胁迫，导致生物生长减缓和森林枯萎，从而导致大气二氧
13、化碳的升高，增强了温度升高的趋势（图d）,第十二章,第十二章,五、大气污染与植物,大气污染对植物影响的机制：二氧化硫对植物的影响主要有两个途径：一是从植物叶片的气孔进入，溶解在细胞组织的水形成亚硫酸盐，从而干扰植物正常的新陈代谢；二是二氧化硫在空气中与水作用形成酸雨，酸雨直接破坏植物枝叶，影响植物的正常生长。氟化氢通过叶片气孔进入，与叶片中的钙反应形成氟华钙，从而干扰酶的作用，阻碍植物正常的新陈代谢，破坏叶绿素与原生质，使细胞失水而枯萎。氯气进入叶肉细胞后，能形成酸性物质，使叶片叶液中的pH值降低，破坏叶绿素，从而抑制植物的光合作用。,大气污染对植物的影响：（1）大气污染降低植物的寿命；（2）
14、大气污染降低植物生产率；（3）大气污染导致植物群落的变化；（4）大气污染导致植物的死亡。,植物净化空气的作用,植物还能分泌一些挥发性杀菌物质，例如，丁香酚、桉油、松脂、肉桂油、柠檬油等，具有杀菌的功能，称之为杀菌素。每hm2松柏树或者松林，一昼夜可分泌3060 kg的杀菌素，足以清除一个中等城市空气中的各种细菌。调查表明，林内每立方米空气中的含菌量只有300400个，仅为林边空地的1%，只有城市百货商店的十万分之一。北京百货大楼每立方米有细菌400万个，林荫大道上为58万个，绿化公园为1,000个，而林区却只有55个。这充分说明植物具有除尘灭菌、净化空气的功能。,绿化公园,百货商店,不同地点空
15、气中的细菌数量比例示意图,第十二章,植物对保持和改善环境的作用,植物净化空气的作用除尘灭菌：大气中的尘埃（包括粉尘和飘尘），常含有致癌物质和病原菌，危害人体健康。植物具有吸附尘埃的作用。吸碳吐氧：清新空气。对污染物的吸附、吸收：当大气受到污染时，一些敏感植物就会受到伤害，但还有一些植物对某些污染物有一定的抵抗能力，称之为抗性植物。不管是敏感植物还是抗性植物，对污染物都有一定的吸附、吸收与降解的功能，从而具有净化空气的能力。,第十二章,制造碳水化合物,生命来源于水 生物的生存离不开水 水的多少决定生物的种类,C6H12O6,第十二章,第三节 生物和水的相互作用,一、生命与水,旱生植物,水生植物,
16、中生植物,干湿度分带性降水的空间分异与生物分带现象,C6H12O6,第十二章,二、生物分布与水,水生植物,植物的分布形式与地表水、地下水分布的关系,C6H12O6,第十二章,二、生物分布与水,水生植物,额尔齐斯河两岸的带状植被,腾格里沙漠的格状植被,植物的分布形式与地表水、地下水分布的关系,C6H12O6,第十二章,二、生物分布与水,水生植物,月牙泉岛状植被,祁连山帽状植被,C6H12O6,第十二章,三、水质与生物,水生植物,海水、淡水与生物,海洋生物群落结构,湖泊生物群落结构,C6H12O6,第十二章,三、水质与生物,水生植物,海水、淡水与生物,淡水-微咸水硅藻类型,咸水型湖泊硅藻类型,第十
17、二章,三、水质与生物,水体污染：,（1）无机无毒物：氮、磷、无机酸碱和一般无机盐；（2）无机有毒物：非重金属的氰化物、砷化物及重金属中的汞、铬等；（3）有机无毒物：多属于碳水化合物、蛋白质、脂肪等自然生成的有机物；（4）有机有毒物：多属于人工合成的有机物，如有机氯农药、合成洗涤剂等；（5）其他污染物：放射性物质、生物污染物质、热污染等。,第十二章,三、水质与生物,生物对污染物的吸收与降解：,（1）活性污泥法；（2）生物膜法；（3）厌氧生物处理法；（4）污水处理塘生物塘。,第十二章,三、水质与生物,水体富营养化与生物：,水体富营养化是指在人类活动的影响下，生物所需要的氮、磷等营养物质大量进入湖泊
18、、河口、海湾等水体，引起藻类及其他浮游生物迅速繁殖，水体溶解氧下降，水质恶化，鱼类及其他生物大量死亡的现象。在自然条件下，湖泊也会从贫营养状态过度到富营养状态，不过这种自然过程非常缓慢。而人为排放含营养物质的工业废水和生活污水所引起的水体富营养化则可以在短时间内出现。水体出现富营养化现象时，浮游藻类大量繁殖，形成水华。因占优势的浮游藻类的颜色不同，水面往往呈现蓝色、红色、棕色、乳白色等。这种现象在海洋中则叫做赤潮。,C6H12O6,第十二章,三、水质与生物,水生植物,水体富营养化与生物,太湖藻类暴发,C6H12O6,第十二章,三、水质与生物,水生植物,水体富营养化与生物,太湖藻类暴发,河流、湖
19、泊中的水葫芦,C6H12O6,第十二章,三、水质与生物,水生植物,水体富营养化与生物,太湖藻类暴发,海洋赤潮,C6H12O6,第十二章,四、植被与水循环,水生植物,植物的蒸腾作用：植物体内的水经过体表向大气蒸发散失的过程，叫做蒸腾作用。生产单位质量的干物质所消耗于蒸腾作用的水的质量,称为蒸腾系数。蒸腾系数随植物不同而不同。此数值常在1251，000之间变化。蒸腾系数随气候不同而不同：为了生产出同样数量的干物质,干旱地区植物消耗的水将二倍于潮湿地区的植物耗水量。植被对降水的影响：森林能够增加其覆盖地区及其周围地区的大气降水量，特别是在远离海洋的内陆地区。植物本身蒸腾作用和土壤蒸发所消耗土壤水的总
20、和，往往是比没有植物的空旷地表土壤单独消耗于蒸发作用的水可多40%。可见在内陆干旱地区，大面积森林的存在，可以减少径流的流失，又能通过蒸腾作用增加空气中的水汽，进而提高降水量。,C6H12O6,第十二章,四、植被与水循环,水生植物,植被对径流的影响：大气降水到达林冠后，雨滴继续下落受到阻碍，而使大气降雨受到阻截损耗，这叫做林冠截流作用。林冠截流的水，一部分附着在林木表面被蒸发到大气中，很少一部分是被叶子和树皮直接吸收，其余沿着树干流向地面。一般来说，林冠可以截留15%40%的降水。由于森林对于降水的截留和蓄积，减缓了降水转变为径流的速度，调节了径流的季节分配。在有森林的流域，普遍的情况是森林拦
21、蓄了洪水径流，将其转化为地下水，并源源不断地补给河流。这样就消减了洪峰，减小了洪水灾害，同时增加了枯水期流量，使河流流量的年内分配趋于稳定。,植被的作用：1、减慢了水分大循环的速度2、加快了局部水分循环的速度3、调节了洪水/枯水的径流量4、调节了洪峰径流5、提高了水的利用率,植被与水循环,第十二章,四、植被与水循环,C6H12O6,第十二章,五、生物与水的正反馈作用,水生植物,一、湖泊效应,由于比热与热容量的差异，水体覆盖的地面温度变化迟缓，而没有水体覆盖的地面温度变化迅速，从而导致不同部位地面温度的差异。在湖泊及其周围，由于湖泊与周围地区地面热容量的差异，导致了局地性大气环流和小气候的产生。
22、在太阳照射时，湖泊周围的地面升温比较快，导致大气的加热上升；而湖区由于水体热容量大，温度升高缓慢，温度相对于周围地面比较低，空气在这里下沉，从而产生了湖泊及其周围地区的局部的大气环流。,第十二章,第四节 水圈、大气圈、生物圈的相互作用,湖泊效应与水、气、生相互作用,一般来说湖泊周围地区降水比较多，气候比较湿润，植被也就比较繁茂。植被繁茂又反过来，增加了地面下渗，增强了蒸腾作用，从而增大了大气湿度、土壤湿度与大气降水。因此，水库建造后，常常会使水库周围地区降水增多、空气湿度增大，就是这个道理。,第十二章,沙漠化效应与水、气、生相互作用（王建，2000）,在干旱半干旱地区，当地面植被受到破坏，地面
23、所吸收的太阳辐射能明显减少。白天在阳光照射下，地面强烈增温，使地面长波辐射增强。又因为地面散失的热量很多。在那里的空气一定要下沉，压缩增温。由于下沉的空气十分干燥，使得气候进一步变干，从而导致植被的进一步减少，这就是地面的沙漠化效应。当植被受到破坏，降水的利用率降低。因为没有植被对降水的拦截，土壤入渗减弱，大部分降水以径流的形式流走；地面蒸发作用加强。因而导致区域水平衡的破坏，从而使区域气候变干，植被进一步变稀少，即进一步沙漠化。,第十二章,二、沙漠化效应,灌溉、绿洲效应与水、气、生相互作用（王建，2000）,沙漠里空气干燥，温度日较差比较大，并且降水稀少。而沙漠里的绿洲，由于土壤湿度大、蒸发
24、和蒸腾到空气中的水比较多，空气湿度比较大，降水也比较多；由于含水量比较大的土壤的热容量比较大，并且由于蒸发和蒸腾对热量的调节，土壤温度和近地面气温的日较差比较小，这就是绿洲效应。,第十二章,三、绿洲效应,洋面封冻效应与水、气、生相互作用（王建，2000）,洋面封冻产生的环境效应叫做洋面封冻效应。洋面封冻是发生在水圈的变化，但是洋面封冻不仅会影响到气候，而且还会直接或者间接地影响到生物。气候与生物的变化又反过来作用于水圈。因此，从洋面封冻效应可以看出水圈、大气圈、生物圈之间的相互作用的关系与机制。,第十二章,四、洋面封冻效应,东南信风减弱，表层海水倒流，赤道东太平洋秘鲁、智利沿岸海域的海水不再上翻，海面温度升高，营养盐大幅度减少，从而导致鱼类的大量死亡，以及鸟类的大量减少。因发生在圣诞节附近，人们称之为“厄尔尼诺”，即“圣婴”的意思。不难看出，厄尔尼诺是大气、海洋相互作用，导致生态平衡破坏而造成的：大气环流（东南信风）的改变，引起洋流（赤道洋流）的变化，从而导致海洋生态系统的破坏。,第十二章,五、厄尔尼诺形成过程中的水、气、生相互作用,第十二章,五、厄尔尼诺形成过程中的水、气、生相互作用,
