生态学生态系统中的物质循环课件

宇宙是物质构成的，运动是物质存在的形式。生态系统中流动着的物质是储存化学能的载体，又是维持生命活动的物质基础。研究物质在不同生态系统中循环途径、特点以及转化和影响因素，有助于我们更好的理解和正确处理人类当前面临的生态问题。第十一章 生态系统中的物质循环 第一节 物质循环的一般特征 第二节 水循环 第三节 气体循环 第四节 沉积型循环 第五节 有毒有害物质的循环 第六节 生态系统的营养物质循环 参考书：生物地球化学概论，韩兴国，李凌浩，黄建辉主编，高等教育、施普林格出版社，1999。第一节第一节 物质循环的一般特征物质循环的一般特征 一、物质循环的概念 1.对物质的理解 物质存在的形式：分子、原子、带电的离子或化合物 哲学范畴中的物质概念：自然科学中的物质概念：物质的共性：受地心引力所吸引 转移：从一地转移到另一地 物质的三种形态：固态-岩石圈-土壤圈 物质环境：液态-水圈 气态-大气圈 生态系统中的物质：l生态系统中以分子或离子的形式存在、并能循环使用的部分l能量储存的场所，化学能运载的工具l有机体内生物化学反应的天然结构l物质与能量对生物的生存具有同等重要意义，但二者性质不同。2.物质循环（cycle of material）l物质进入生态系统的起点：植物的吸收。l其过程：环境 生物植物动物微生物土壤物质循环（Cycle of materials）：生物所需要的元素多以无机形式存在于空气、水、土壤与岩石中。被植物吸收之后，在植物体内结合成有机形式，并通过食物链从一个营养级位传递到下一个营养级位，最后所有生物残体被分解，把这些元素释放到环境中，又被植物重新吸收利用。这样，矿物养分在生态系统内一次又一次的循环利用，从系统的非生物部分流入生物部分，然后，又回到非生物部分，这个过程就被称为生态系统中的物质循环。生态系统能量流动图解生态系统能量流动图解l能流：能量在生态系统中的流动是以绿色植物的光合作用把太阳能转化成化学能并固定在植物有机体内的生物学过程为开端开端，进入生态系统。被固定的太阳能沿食物链各营养级向顶级单向流动，最终以热的形式而耗损。因此，能量在生态系统中只能被一定的生物体使用一次。l物质与能量的关系：l生态系统是由运动着的物质构成的，没有不运动的物质。也没有离开物质的运动。运动是物质存在的形式。l一切物质都是作为能量的载体出现。没有物质，能量将自由散失，生态系统也不存在。l物质不灭，生态系统中的物质总是处于周而复始的循环中构成“物质流”。自然界中，各类物质从生物到环境循环往复，或从一个生态系统消失，又在另一个生态系统中出现。各类生物 各司其能，各得其所。l能量：流经生态系统中的能量，沿食物链个营养级向顶级单向流动，最终以热的形式而耗损，并且能量在生态系统中只能被一定的生物体使用一次。能量的供给者：太阳l物质：流经生态系统中的物质总是处于周而复始的循环中，各种物质最终经过还原者分解成可被植物吸收的形式重返环境中进行再循环，构成“物质流”。供给者：地球能量与物质是密不可分的，但在性质上又有存在着差异：简言之，生态系统从大气、水体或土壤中通过绿色植物的吸收获得营养物质，进入生态系统的营养物质被其他生物重复利用，最后再归还到环境中被植物重新利用，这个过程被叫做物质循环。又称生物地球化学循环(biogeo-chemical cycle)。自然界中的物质是有限的，营养物质的多次利用和循环再生是生态系统长期生存的基本对策。生态系统内部形成了一套完整的营养物质循环网络，各类物质循环往复、充分利用，各种生物各司其职，各得其所。注意掌握的概念：地球化学循环、生物地球化学循环；水循环、气体型循环、沉积型循环；地质大循环、生物小循环；短循环、长循环；内循环、外循环；l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。l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。l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。l地质大循环：大陆与海洋之间物质循环、变化的学说。即：露出陆地表面的岩石，由风化作用变成细碎颗粒并释放出可溶性物质，这些碎粒和可溶性物质经雨水冲刷和淋溶，随水流入江河到海洋，沉积于海洋底层，形成各种沉积岩。在漫长的地质年代中遇到地壳运动，海洋底层岩石又上升为陆地，海底岩石所含物质又回到大陆，再次受风化作用被释放的过程。地质大循环是生物小循环的基础。l生物小循环（植物营养元素的生物小循环）：植物营养元素在生物体与土壤间循环、变化的学说。即：植物从土壤中吸收养分构成有机体，动物以植物为食，动植物死亡后其残体回到土壤，经微生物和化学作用再分解，运输而供生物吸收。物质循环又可分为：l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。l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。物质在生态系统内流通的测定方法v直接测量v间接测量v利用放射性示踪元素测量 二.生命与元素 能量元素：C,H,O,N等；大量营养元素：Ca,Mg,P,K,S,Na等；微量营养元素：Cu,Zn,B,Mn,Mo,Co,Fe,Ai,Cr,F,I,Se,Sr,Si,Ti 三.物质循环的模式：生态系统中的物质循环可以用库(pool)和流通(flow)两个概念来加以概括。1.库：Enwion中某一元素 相对集中的地方 蓄库：某种元素储存最多的环境部分，每一种化学元素都存在一个或多个蓄库。或者说物质循环中物质存放的环境部分。活动库（交换库）：存在于生物体系或非生物体系中，其中的元素是生物体与周围环境中进行迅速交换的，比较小且更加活跃的部分，从形成存在的空间都比较易于进入生态系统中，通路通常受生命过程的控制。储存库：元素的储量相对而言较大，从形成所存在空间都较难进入生态通路（循环途径）受物理过程控制。l为了表示一个特定的流通过程对有关库的相对重要性，用周转率(turnover rate)和周转时间(turnover time)来表示。周转率就是出入一个库的流通率除以该库中的营养物质的总量：周转率流通率/库中营养物质总量周转时间就是库中的营养物质总量除以流通率：周转时间库中营养物质总量/流通率 它表达了移动库中全部营养物质所需要的时间。l流通量：物质在单位时间或单位体积的转移量就称为流通率。通常用单位时间、单位面积内通过的营养物质的绝对值来表达。v在物质循环中，周转率越大，周转时间就越短。v如大气圈中二氧化碳的周转时间大约是一年左右(光合作用从大气圈中移走二氧化碳)；v大气圈中分子氮的周转时间则需100万年(主要是生物的固氮作用将氮分子转化为氨态氮为生物所利用)；v大气圈中水的周转时间为10.5d，也就是说，大气圈中的水分一年要更新大约34次。v在海洋中，硅的周转时间最短，约800a，钠最长，约2.06亿年。四.生物地球化学循环类型 1.水循环：水的动态平衡 水分子从地球表面通过蒸发进入大气然后遇冷凝结，通过雨，雪，和其它降雪形成回到地球表面，为水循环。2.气体型循环：主要蓄库是大气的物质循环。蓄库还有海洋，是把大气和海洋紧密联系在一起，具有明显的全球性循环的性质。速度较快，来源充沛，不会枯竭，对于一时的变化能进行迅速的自我调节。3.沉积型循环：主要蓄库是与岩石，土壤，水，相联系的物质循环都称为循环。l循环过程：与大气关系不太密切，元素主要通过岩石的风化作用，分解、转化为生态系统可利用的物质。沉积物、岩石的形成是一个缓慢的物质移动过程，且在循环中这些物质又易被丢失到地壳蓄库，成为生物有机体在很长时间内不能利用的物质。l沉积型循环的特点：速度缓慢，是不显著的、非全球性的，且由于蓄库比较稳定、迟钝，遇到变化不易被调节。物质循环的类型水循环气体型循环沉积型循环：气体型循环沉积型循环水循环生物地球化学循环生物地球化学循环物质循环物质循环五、影响物质循环速率最重要的因素有：1.循环元素的性质：即循环速率由循环元素的化学特性和被生物有机体利用的方式不同所致；2.生物的生长速率：这一因素影响着生物对物质的吸收速度和物质在食物链中的运动速度；3.有机物分解的速率：适宜的环境有利于分解者的生存，并使有机体很快分解，迅速将生物体内的物质释放出来，重新进入循环。一般地说，偏碱分解快，偏酸分解慢。六、生态系统中物质循环的复杂性1.介质的多样性：物质在陆地，水域生态系统中的循环存在显著差异，不同介质速率，途径。2.涉及的元素多，形态变化比较大。3.有多种化学作用：氧化、还原、化合、分解作用，以及温度、湿度、酸碱度、土壤母质的物化性质的影响。一、水循环的生态学意义 1.没有水循环就没有生物地球化学循环。水是所有营养物质的介质，这使营养物质的循环和水循环不可分割的联系在一起。地球上的水循环又把陆地和水域联系在一起使局部生态系统和整个生物圈联系在一起；大量的水防止地球上温度剧变。2.水是很好溶剂，水在生态系统中起着能量传递、利用的作用。3.水是地质变化的动因之一：流失 沉积 第二节第二节 水循环水循环因此，了解水循环是生态系统物质循环的基础1.从能量动力学分析表明是太阳能驱动全球水循环。2.植物在水循环中的作用是极其巨大的。植物蒸腾作用3.海洋，陆地在太阳光的照耀下不断蒸发水分。l低纬度地区蒸发量 高纬度地区。l大气湿度随空气的流动而变动，“地球上空的巨大的河流”。二、水循环的驱动力三.全球的水循环 一种平衡状态 1.水循环的动态平衡：依靠大气环流和地表径流维持。陆地：蒸发量 降水量 2.淡水资源：3.地球表面水分的分布不均匀：全球陆地表面水分布格局：蒸发量 降水量；蒸发量=降水量。四.生态系统中的水循环v生态系统中的水循环是水的循环途径，淡水资源量，全球水循环是平衡的，但局部地区水分分布不均匀。生态系统中的水循环包括截取、渗透、蒸发、蒸腾和地表径流。生态系统中的水循环大气水汽遇冷凝结降水截留水 渗透水 地下水或地表径流降雨量截留量带走土壤养分降雨量田间最大持水量v渗透速率：大小与土壤理化性质有关，坡度，地形，植被覆盖度，降雨形成。根系吸收，毛细管蒸发。v湿润地区：地表径流是补偿陆地，海洋水分平衡的重要过程。v生态系统输入大气中的水分量叫蒸发蒸腾量，指植物蒸腾作用和土壤蒸发的物理过程蒸发水量，这两部分之和又叫做蒸散量。v蒸腾系数：一个生长季所吸收水分总量/形成干物质的总量 五.人类活动与水循环 1.人类的生活和经济活动所需水的类型 饮用水，生活用水，农业用水，工业用水，内河航行。l 请关注三峡工程！l 我们未来的生态学和环境科学工作者应该关注些什么？2.人类活动的影响l大气污染和降水：空气中细粒的增加，刺激水汽的凝结过程，影响不同地区的降水量和降水质量。会污染许多淡水水域。l城市化：地表硬化，渗透消失，地表径流增加。l过度利用地下水：若抽出的注入的，引起地下水位下降，导致城市地面沉降。l水的再分布：修筑水库、建坝修渠，把水引到缺水区。第三节 气体循环 一.碳循环 储存库 储量有多少，蓄库是什么 交换库 生物的吸收，利用方式（植物利用元素的性质）输入，输出的途径，方式 循环途径 人类活动对循环过程的影响：消极因素，积极因素l海洋中含有0.1%的CO2，空气中含有0.0126%的CO2。l碳存在于生命有机体和无机环境之中。它最主要的储存库是岩石圈占总量的99.9%，2.71016吨。多以碳酸盐形式存在，很少一部分以碳氢化合物、碳水化合物形式存在。大气中CO2捕捉热量的方法与温室类似，大气中的二氧化碳能够阻止地面向空间辐射热量，导致大气层增温，形成了温室效应。v二.氮循环：典型的气体型循环 复杂的生物循环过程：生物活动 蓄库：氮气占大气的79%且不能为生物直接利用。生物利用 N 方式：氨态氮 硝态氮：为主据统计，物理化学据统计，物理化学(电化学和光化学电化学和光化学)的固氮量平均的固氮量平均7.6107.6106 6吨吨/年，生物固氮量为年，生物固氮量为541054106 6吨年。吨年。20002000年时，化肥的产量达到年时，化肥的产量达到801080106 6吨。吨。生物圈中氮生物圈中氮(10(106 6吨吨)的分布的分布大气 3，800，000陆地有机质 772活有机体 12死有机体 760非有机氮（陆地）140地壳 14，000，000海洋水中 20，000海洋有机体 901活有机体 1死有机体 900非有机体氮（海洋）100沉积物 4，000，000无机氮总量=1，673 有机氮总量=21，820，240 人类影响：对蓄库的影响 积极：工业固氮、研究生物固氮机制等。消极：氧化氮输入大气，污染空气，光化学 烟雾；硝酸盐输入水系，富营养化；人类从事的生产活动，从森林，草原，农田取走大量动植物残体，取走氮元素。氮污染：人类的粪便，尿第四节 沉积型循环 一.磷循环l磷循环的速率l在自然界中，磷由岩石圈移到水圈，它不是以可溶物移动，磷不存在任何气体形式的化合物？受物理，化学，生物因素影响。l植物利用磷的方式：磷酸根v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来。v人类活动的影响：开采加大磷的输入：磷肥，洗涤剂，医药 问题：富营养化，浮游植物疯长，耗氧，浮游动物死亡，自溶，产生磷。正反馈是系统远离平衡态，最终瓦解。磷是人最强的限制因子。大气中都有磷，但含量很少。二、硫循环v硫是原生质的重要组分，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。v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。第五节 有毒有害物质的循环 一.有毒有害物质的循环的一般特点（影响因素）v1.食物链的浓集效应 某些物质随食物链移动时，既不被呼吸消耗，又不易被排泄，而是浓集于食物链的组织中。生物浓缩系数（BCF）：生物体内残留浓度/环境中这种物质的浓度100%二.实例三.放射性同位素 生物体内放射性同位素含量v浓缩比=环境中放射性同位素含量 不同食物连，浓缩比不一样。v食物连上某环节吸收放射性同位素的种类，浓度影响因素：放射性元素的特性：半衰期长短，组织中的积累特性。浓缩比的特性：对同一生态系统中不同生物浓缩比不同。不能选浓缩比较高的食物。周围环境所含矿质元素的多少：矿质元素越少，放射性元素越多。植物在贫瘠环境中更易受到放射性元素污染。生物学特性及年龄：对 r射线的敏感性：哺乳动物 昆虫 细菌 新生细胞 老细胞 幼年个体更易吸收放射性元素。有机体灰分中含量百分比生物吸收系数（As）=环境中相应元素含量的百分比 AsAs能定量反应生物对环境中元素的吸收强度。对于生物治理环境污染，净化环境有重要意义。第六节 生态系统的营养物质循环生态系统中的营养物质不断的循环流动，使地球上各种生态系统得以生存和发展。营养物质进入生态系统后，最初是供给初级生产者：陆生生态系统陆生生态系统：消费者和分解者所需要的：消费者和分解者所需要的营养物质，是从营养物质，是从初级生产者获得初级生产者获得；水生生态系统水生生态系统：消费者和分解者除：消费者和分解者除生产者生产者外外可直接从水中获得可直接从水中获得某些必需的营养物。但其某些必需的营养物。但其代谢活动产物终将流入生物地球化学循环。代谢活动产物终将流入生物地球化学循环。生态系统的营养物质交换，主要是在水、大气、土壤和生物成分之间进行着。一、营养物质输入：指由系统外经雨、雪、空气悬浮物输入的营养物质。输入的途径主要有：1.降水 2.微生物的作用：生物固氮 3.植物的直接吸收 二、营养物质输出：指随着营养物质的循环，一部分营养物进入永久蓄库而脱离再循环的物质量。输出的途径主要有：1.排水 2.人类活动 三、生物循环：指土壤与动、植物之间的营养元素的周期性循环。此循环由三个过程来完成：a.吸收：根系，吸收=存留+归还 b.存留：生物量每年的增长量 c.归还（损耗）：凋落物、经雨水淋溶的物质 四.生态系统中的再循环1.再循环(recycle)物质循环的一种途径。即在食物链内的营养物质通过初级动物排泄或腐生微生物的分解重新返回食物链的循环。它包括共生的微生物在植物与植物之间的直接循环。成熟的生态系统中再循环能力较强，物质循环处封闭状态。人类活动往往加速许多物质的运动，使循环变得不完全或无循环。保护资源的目的就是使不循环的过程变为循环更多。再循环途径：l 通过碎屑食物链而返回l 海洋中，动物排泄为植物直接利用。l直接从植物残体中吸收营养物质返回到植物内。l风化和侵蚀过程伴随水携带着沉积元素由非生物环境 生物环境l人类活动：人类利用化石燃料，海水淡化等。2、再循环指数：植被单位时间、单位面积吸收的矿质元素总量与经分泌的和落叶、落花、落果等方式回归土壤量的比例值。R 再循环的量再循环指数（CI）CI=T 通过总量 影响CI因素：各元素由系统外的输入量 元素的活动性 生物对各种元素的需求量v循环指数（CI）从0-0.1,低再循环。出现在生态系统发育早期，该元素丰富或非生命必需元素；v循环指数（CI）0.5,高再循环。出现在生态系统发育成熟期，该元素来源稀少，生命必需元素；