生态系统中物质循环课件

第一节第一节 物质循环的一般特点物质循环的一般特点v一一 物质循环的有关概念物质循环的有关概念v（一）生态系统的生命与元素（一）生态系统的生命与元素v1.基本元素：1%：C、O、H、N、K v2.大量元素：0.1-1%:Ca、Mg、P、S、Cl、Fe、Cu v3.微量元素：0.1%:Al、B、Br、F、I、Mn、Mo、Si、Zn 等 v（二）生物地球化学循环（二）生物地球化学循环 生物地球化学循环（生物地球化学循环（biogeochemical cycles）是指各种化学是指各种化学元素和化合物，在不同层次、不同大小的生态系统中，沿着特元素和化合物，在不同层次、不同大小的生态系统中，沿着特定的途径从环境到生物体，再从生物体到环境，不断地进行着定的途径从环境到生物体，再从生物体到环境，不断地进行着反复循环变化的过程。反复循环变化的过程。第1页/共35页二二 物质循环的模式物质循环的模式v生态系统中的物质循环可以用生态系统中的物质循环可以用库库(pool)(pool)和和流通流通(flow)(flow)两个概念来加以概括。两个概念来加以概括。v物质在生态系统中的循环实际上是在库与库之间彼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。在单位时间或单位体积的转移量就称为此流通的。在单位时间或单位体积的转移量就称为流通量。流通量。v影响物质循环速率最重要的因素有：影响物质循环速率最重要的因素有：循环元素的循环元素的性质性质：即循环速率由循环元素的化学特性和被生物：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；有机体利用的方式不同所致；生物的生长速率生物的生长速率：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；物链中的运动速度；有机物分解的速率有机物分解的速率：适宜的：适宜的环境有利于分解者的生存，并使有机体很快分解，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。迅速将生物体内的物质释放出来，重新进入循环。第2页/共35页三三 物质循环的类型物质循环的类型v生态系统的物质循环可分为三大类型，即生态系统的物质循环可分为三大类型，即水循环水循环(water cycle)，气体型循环气体型循环(gaseous cycle)和和沉沉积型循环积型循环(sedimentary cycle)。v水循环水循环是物质循环的推动力。没有水的循环，也就是物质循环的推动力。没有水的循环，也就没有生态系统的功能，生命也将难以维持。没有生态系统的功能，生命也将难以维持。v气体循环气体循环中物质的主要储存库是大气和海洋，循环中物质的主要储存库是大气和海洋，循环与大气和海洋密切相联，具有明显的全球性，循环与大气和海洋密切相联，具有明显的全球性，循环性能最为完善。属于这一类的物质有性能最为完善。属于这一类的物质有氧、二氧化碳、氧、二氧化碳、氮、氯、溴、氟氮、氯、溴、氟等。气体循环速度比较快，物质来等。气体循环速度比较快，物质来源充沛，不会枯竭。源充沛，不会枯竭。第3页/共35页三三 物质循环的类型物质循环的类型v主要蓄库与岩石、土壤和水相联系的是主要蓄库与岩石、土壤和水相联系的是沉积型循环沉积型循环，如磷、硫循环。沉积型循环如磷、硫循环。沉积型循环速度比较慢速度比较慢.这些沉积这些沉积型循环物质的主要储库在土壤、沉积物和岩石中，型循环物质的主要储库在土壤、沉积物和岩石中，而无气体状态，因此这类物质循环的全球性不如气而无气体状态，因此这类物质循环的全球性不如气体型循环、循环性能也很不完善。属于沉积型循环体型循环、循环性能也很不完善。属于沉积型循环的物质有：的物质有：磷、钙、钾、钠、镁、锰、铁、铜、硅磷、钙、钾、钠、镁、锰、铁、铜、硅等，其中磷是较典型的沉积型循环物质，它从岩石等，其中磷是较典型的沉积型循环物质，它从岩石中释放出来，最终又沉积在海底，转化为新的岩石。中释放出来，最终又沉积在海底，转化为新的岩石。第4页/共35页四四 物质循环的特点物质循环的特点v物质不灭，循环往复物质不灭，循环往复v物质循环与能量流动不可分割，相辅相成物质循环与能量流动不可分割，相辅相成v物质循环的生物富集物质循环的生物富集v生态系统对物质循环有一定调节能力生态系统对物质循环有一定调节能力v物质循环中生物的作用物质循环中生物的作用 生物不但是物质循环的动力，也调节着物质生物不但是物质循环的动力，也调节着物质在生态系统内的分配。在生态系统内的分配。v各物质循环过程相互联系，不可分割各物质循环过程相互联系，不可分割第5页/共35页第二节第二节 几种重要循环的概述几种重要循环的概述v一：水循环一：水循环水循环过程图水循环过程图水循环特点1 受太阳能推动2 降水和蒸发形式,总量相等3 营养物质的搬运作用第6页/共35页第7页/共35页生态系统中的水循环生态系统中的水循环降雨降雨截留截留穿透雨穿透雨蒸腾蒸腾渗透渗透地表蒸发地表蒸发地表地表径流径流地下径流地下径流第8页/共35页 二 碳循环碳循环v碳循环的途径碳循环的途径 第9页/共35页全球碳循环全球碳循环第10页/共35页（1）碳循环的形式：）碳循环的形式：CO2（2）碳在自然界中的存在）碳在自然界中的存在形式：形式：CO2和碳酸盐和碳酸盐（3）碳在生物体内的存在）碳在生物体内的存在形式：含碳有机物形式：含碳有机物（4）碳进入生物体的途径：）碳进入生物体的途径：绿色植物的光合作用绿色植物的光合作用（5）碳在生物体之间传递）碳在生物体之间传递途径：食物链途径：食物链（6）碳进入大气的途径：）碳进入大气的途径：生物的呼吸作用生物的呼吸作用分解者有分解作用分解者有分解作用化石化石燃料的燃烧燃料的燃烧碳循环示意图与特点碳循环示意图与特点第11页/共35页生态系统中的碳循环生态系统中的碳循环生态系统中的碳循环生态系统中的碳循环第12页/共35页三三 氮循环氮循环v过程图第13页/共35页第14页/共35页氮循环的四个重要过程氮循环的四个重要过程AA:固氮作用:途径有三B 氨化作用:有机氮转为氨和氨化合物C硝化作用:氨化合物氧化成亚硝酸盐和硝酸盐D反硝化作用:亚硝酸盐转变成大气氮BCD123第15页/共35页磷循环第16页/共35页全球硫循环全球硫循环 第17页/共35页生态系生态系统的硫统的硫循环循环第18页/共35页能量流动和物质循环关系能量流动和物质循环关系 v生态系统的存在是靠物质循环和能量流动来维持的。生态系统的存在是靠物质循环和能量流动来维持的。生态系统的能量流动和物质循环都是通过食物链和生态系统的能量流动和物质循环都是通过食物链和食物网的渠道实现的，二者相互伴随进行，又相辅食物网的渠道实现的，二者相互伴随进行，又相辅相成，密不可分的统一整体。但是，能量流动和物相成，密不可分的统一整体。但是，能量流动和物质循环又有本质上的区别：能量流经生态系统各个质循环又有本质上的区别：能量流经生态系统各个营养级时是逐级递减，而且运动是单向的、不是循营养级时是逐级递减，而且运动是单向的、不是循环的，最终在环境中消失。物质循环是带有全球性环的，最终在环境中消失。物质循环是带有全球性的，在生物群落与无机环境间物质可以反复出现，的，在生物群落与无机环境间物质可以反复出现，反复利用，循环运动，不会消失。反复利用，循环运动，不会消失。第19页/共35页第三节第三节 有毒物质循环有毒物质循环v有毒有害物质循环有毒有害物质循环是指那些对有机体有毒有是指那些对有机体有毒有害的物质进入生态系统，通过食物链富集或害的物质进入生态系统，通过食物链富集或被分解的过程。被分解的过程。v有毒有害物质在生态系统中与其他物质的循有毒有害物质在生态系统中与其他物质的循环不同：环不同：1它在食物链营养级上进行循环流动它在食物链营养级上进行循环流动并逐级浓缩富集；并逐级浓缩富集；2在生物体代谢过程中不能在生物体代谢过程中不能被排泄而被生物体同化，长期停留在生物体被排泄而被生物体同化，长期停留在生物体内；内；3有些有毒有害物质不能分解，而相反经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加强。生态系统循环后使毒性加强。第20页/共35页有毒物质循环有毒物质循环举例农药农药DDT两种途径通过两种途径通过食物链进行食物链进行富富集集富集或生物放大作用富集或生物放大作用是指有毒物质沿食物是指有毒物质沿食物链各营养级传递时，链各营养级传递时，在生物体内的残留浓在生物体内的残留浓度不断升高，愈是上度不断升高，愈是上面的营养级，生物体面的营养级，生物体内有毒物质的残留浓内有毒物质的残留浓度愈高的现象。度愈高的现象。第21页/共35页第22页/共35页汞循环(mercury cycle)火山活动火山活动化石化石燃烧燃烧 降水降水挥发挥发挥发挥发沉积物沉积物农田风农田风化和淋化和淋溶作用溶作用农药喷洒农药喷洒径流径流(CH3)2HgHg2CH3Hg鱼鱼水生植物水生植物水鸟水鸟工厂工厂汞的废物汞的废物捕鱼捕鱼由河水带走由河水带走(中性中性pH)(酸性酸性pH)第23页/共35页第四节第四节 物质循环与环境问题物质循环与环境问题人类干预水循环引起环境问题1.植被破坏：水土流失、河流洪涝或干枯 2.兴建大型水利工程：改变流域的水平衡，造成 流域不同部位盐碱化、沼泽化和干旱化.3.围湖造田：地表水蓄水、调洪能力降低，易造 成地区性干旱（如湿地的减少)4.过度开采地下水：造成水位下降、河流干枯、海水入侵等 第24页/共35页农业生态系统的水分管理 v（一）植树造林，发挥“绿色水库”作用，扩大土壤的水分库容。v（二）加强农田水利基本建设，提高水分利用率 v（三）改变耕作制度与管理方式，发展节水农业 v（四）防治水体污染 v（五）加强全流域的水资源保护与统一调度第25页/共35页一 碳循环与环境问题v碳在生态系统中循环不平衡引起的生态效应：温室效应（greenhouse effect）什么是温室效应？什么是温室效应？第26页/共35页大气大气COCO2 2浓度与温度变化浓度与温度变化(夏威夷夏威夷)第27页/共35页 温室效应对6个生物层次的潜在影响生物圈：海平面上升，淹没大片海岸湿地，陆地生物区变化生态系统：v农业生态系统农作物减产。病虫害加重。影响牲畜食欲。v森林生态系统导致干旱、增加森林大火风险。森林害虫增加，影响森林对物质的吸收。v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。生物群落：影响生物群落结构，使植物群落中有些优势种竞争能力下降。物种：加速物种的灭绝；加速某些物种的迁移。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。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。第28页/共35页保持碳循环相对平衡的生态对策(1)减少CO2 的排放：v提高能源的利用效率发电采用高效先进技术；v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。(2)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。第29页/共35页氮循环与环境问题v人为干预途径：1.含氮有机物燃烧产生 NOx 污染大气温室气体 2.过度耕种使土壤氮素肥力下降 3.工业固氮抑制生物固氮，造成氮素局部富积和氮循环 失调（水体富营养化）4.不合理施肥造成氮素流失污染地下水、蔬菜硝酸盐中毒 v引发的环境问题1地下水污染2水体富养化：当水体中的总磷20mg/m3，无机N400mg/m3时，可以认为该水处于富营养化状态(eutrophic water)。3化肥污染第30页/共35页磷循环与环境问题v人类干预 1.大量开采磷矿，加剧了P的损失，以后会造成资源枯竭;2.农田生态系统中P的亏损途径：水土流失 农产品输出 v引发环境问题（1）营养富集（2）放射性物质污染 磷矿石中含放射性的铀、钍等物质，经常施P使土壤放射性物质增加，影响作物生长和产品质量。第31页/共35页硫循环与环境问题v人类干预引发环境问题1.燃烧煤和石油.每年向大气输送147106吨SO2,大气SO20.5 mol.mol-1就会危害农作物。2.SO2的增加造成了酸雨空中死神 酸雨会直接灼烧植物，改变水土的PH值，对初级生产及其次级产生影响。酸雨被称为空中“死神”，它使土壤、河湖酸化，动植物受害，鱼类死亡.第32页/共35页有毒物质循环与环境问题有毒物质循环与环境问题v农药对生物的影响 农药在动、植物体内的残留和生物富集 农药对人类健康的危害 农药对环境的污染v防治措施 (1）加强农药立法管理（2）开发高效、低毒、安全的无公害农药和生物 农药（3）IPM(integrated Pest Management)综合管理（4）改进用药技术 第33页/共35页物质循环与人体健康v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”。v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：v碘缺乏：缺碘症：甲状腺肿大，智力低下，影响胎儿发育等。v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。第34页/共35页思考题v生物地球化学循环的概念、特点以及其类型生物地球化学循环的概念、特点以及其类型v举例说明有毒物质循环的特点举例说明有毒物质循环的特点v简述人类干预物质循环所产生的环境问题以简述人类干预物质循环所产生的环境问题以及保护对策及保护对策第35页/共35页