生態(tài)系統(tǒng)中的物質(zhì)循環(huán)

1、第三章 生態(tài)系統(tǒng)中的物質(zhì)循環(huán),一、生命與元素二、物質(zhì)循環(huán)的特點(diǎn)三、生物地化循環(huán)的類型 四、水的全球循環(huán)五、氣體型循環(huán)六、沉積型循環(huán),一、生命與元素,生物在制造一些更加復(fù)雜的有機(jī)物質(zhì)時(shí)，還需要一些其他的元素，如需要大量的氮和磷，還需要少量的鋅和鉬等。前者有時(shí)被稱為大量元素，而后者則稱為微量元素。大量元素包括（含量超過生物體干重1%以上的）：碳、氧、氫、氮和磷等。（含量占生物體干重0.2～1%之間的）硫、氯、鉀、鈉、鈣、鎂、鐵和

2、銅等。微量元素包括（含量一般不超過生物體干重的0.2%）：鋁、硼、溴、鉻、鈷、氟、鎵、碘、錳、鉬、硒、硅、鍶、錫、銻、釩和鋅等。,二、物質(zhì)循環(huán)的幾個(gè)概念及特點(diǎn),1）概念（1）生物地球化學(xué)循環(huán)：各種化學(xué)元素在不同層次、不同大小的生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)，乃至生物圈里，沿著特定的途徑從環(huán)境到生物體，又從生物體再回歸到環(huán)境，不斷地進(jìn)行著流動(dòng)和循環(huán)的過程。（2）地質(zhì)大循環(huán)：物質(zhì)或元素經(jīng)生物體的吸收作用，從環(huán)境進(jìn)入生物有機(jī)體內(nèi)，然后生物體以死體、殘?bào)w或排

3、泄物形式將物質(zhì)或元素返回環(huán)境，進(jìn)入五大自然圈（氣圈，水圈，巖石圈，土壤圈，生物圈）的循環(huán)的過程。這是一種閉合式循環(huán)。,二、物質(zhì)循環(huán)的幾個(gè)概念及特點(diǎn),（3）生物小循環(huán)：環(huán)境中元素經(jīng)生物吸收，在生態(tài)系統(tǒng)中被相繼利用，然后經(jīng)過分解者的作用再為生產(chǎn)者吸收、利用。這是一種開放式循環(huán)。（4）物質(zhì)循環(huán)的庫：物質(zhì)在循環(huán)過程中被暫時(shí)固定、儲(chǔ)存的場(chǎng)所稱為庫。生態(tài)系統(tǒng)中各組分都是物質(zhì)循環(huán)的庫，如植物庫、動(dòng)物庫、土壤庫等。在生物地球化學(xué)循環(huán)中，庫可分為儲(chǔ)存庫

4、（Reservoir pool，容積大，物質(zhì)交換活動(dòng)緩慢，一般為環(huán)境成分）和交換庫（Exchange pool，容積小，交換快，一般為生物成分）。（5）物質(zhì)循環(huán)的流：物質(zhì)在庫與庫之間的轉(zhuǎn)移運(yùn)動(dòng)狀態(tài)稱為流。,二、物質(zhì)循環(huán)的幾個(gè)概念及特點(diǎn),（6）循環(huán)效率：生態(tài)系統(tǒng)中某一組分的貯存物質(zhì)，一部分或全部流出該組分，但未離開系統(tǒng)，并最終返回該組分時(shí)，系統(tǒng)內(nèi)發(fā)生了物質(zhì)循環(huán)。循環(huán)物質(zhì)（FC）占總輸入物質(zhì)（F1）的比例，稱為物質(zhì)的循環(huán)效率（EC）（ E

5、C=FC/FI）。（7）生物積累（bioaccumulation)：生態(tài)系統(tǒng)中生物不斷進(jìn)行新陳代謝的過程中，體內(nèi)來自環(huán)境的元素或難分解化合物的濃縮系數(shù)不斷增加的現(xiàn)象。,二、物質(zhì)循環(huán)的幾個(gè)概念及特點(diǎn),（8）生物濃縮（bioconcentration)：生態(tài)系統(tǒng)中同一營(yíng)養(yǎng)級(jí)上的許多生物種群或者生物個(gè)體，從周圍環(huán)境中蓄積某種元素或難分解的化合物，使生物體內(nèi)該物質(zhì)的濃度超過環(huán)境中的濃度的現(xiàn)象，又稱為生物富集（biological enrich

6、ment)。（9）生物放大(biomagnification)：在生態(tài)系統(tǒng)的食物鏈上，高營(yíng)養(yǎng)級(jí)生物以低營(yíng)養(yǎng)級(jí)生物為食，某種元素或難分解化合物在生物體中濃度隨著營(yíng)養(yǎng)級(jí)的提高而逐漸增大的現(xiàn)象。,二、物質(zhì)循環(huán)的幾個(gè)概念及特點(diǎn),2）物質(zhì)循環(huán)的特點(diǎn)物質(zhì)循環(huán)是指環(huán)境中的無機(jī)物被綠色植物吸收轉(zhuǎn)化成有機(jī)物后沿著食物鏈被多次利用后，又被分解者分解成無機(jī)物返回到環(huán)境中去。生態(tài)系統(tǒng)中的物質(zhì)循環(huán)又稱為生物地化循環(huán)(biogeochemical cycle)

7、。 能量流動(dòng)和物質(zhì)循環(huán)是生態(tài)系統(tǒng)的兩個(gè)基本過程，正是這兩個(gè)基本過程使生態(tài)系統(tǒng)各個(gè)營(yíng)養(yǎng)級(jí)之間和各種成分(非生物成分和生物成分)之間組織成為一個(gè)完整的功能單位。,二、物質(zhì)循環(huán)的幾個(gè)概念及特點(diǎn),但是，能量流動(dòng)和物質(zhì)循環(huán)的性質(zhì)不同：能量流經(jīng)生態(tài)系統(tǒng)最終以熱的形式消散，能量流動(dòng)是單方向的，因此生態(tài)系統(tǒng)必須不斷地從外界獲得能量。而物質(zhì)的流動(dòng)是循環(huán)式的，各種物質(zhì)都能以可被植物利用的形式重返環(huán)境（圖5-34）。能量流動(dòng)和物質(zhì)循環(huán)都是借助于生物之間

8、的取食過程而進(jìn)行的，但這兩個(gè)過程是密切相關(guān)不可分割的，因?yàn)槟芰渴莾?chǔ)存在有機(jī)分子鍵內(nèi)，當(dāng)能量通過呼吸過程被釋放出來用以作功的時(shí)候，該有機(jī)化合物就被分解并以較簡(jiǎn)單的物質(zhì)形式重新釋放到環(huán)境中去。,二、物質(zhì)循環(huán)的幾個(gè)概念及特點(diǎn),生物地化循環(huán)可以用“庫”（pools）和“流通率”（flux rates）兩個(gè)概念加以描述。庫 是由存在于生態(tài)系統(tǒng)某些生物或非生物成分中一定數(shù)量的某種化學(xué)物質(zhì)所構(gòu)成的，如在一個(gè)湖泊生態(tài)系統(tǒng)中，水體中磷的含量可以看成是

9、一個(gè)庫，浮游植物中的磷含量是第二個(gè)庫。 這些庫借助有關(guān)物質(zhì)在庫與庫之間的轉(zhuǎn)移而彼此相互聯(lián)系。物質(zhì)在生態(tài)系統(tǒng)單位面積（或單位體積）和單位時(shí)間的移動(dòng)量就稱為流通率。這些關(guān)系可以用一個(gè)簡(jiǎn)單的池塘生態(tài)系統(tǒng)（圖5-35）加以說明。,二、物質(zhì)循環(huán)的幾個(gè)概念及特點(diǎn),營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)在生態(tài)系統(tǒng)各個(gè)庫之間的流通量和輸入輸出生態(tài)系統(tǒng)的流通量可以有多種表達(dá)方法。為了便于測(cè)量和使其模式化，流通量通常用單位時(shí)間單位面積（或體積）內(nèi)通過的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的絕對(duì)值來表達(dá)，為

10、了表示一個(gè)特定的流通過程對(duì)有關(guān)各庫的相對(duì)重要性，用周轉(zhuǎn)率（turnover rates）和周轉(zhuǎn)時(shí)間（turnover times）來表示更為方便。周轉(zhuǎn)率就是出入一個(gè)庫的流通率（單位／天）除以該庫中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)總量：,二、物質(zhì)循環(huán)的幾個(gè)概念及特點(diǎn),周轉(zhuǎn)時(shí)間就是庫中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)總量除以流通率，即：,三、生物地化循環(huán)的類型,生物地化循環(huán)可分為三大類型，即水循環(huán)，氣體型循環(huán)(gaseous.cycles)和沉積型循環(huán)(sedimentary cyc

11、les)。氣體型循環(huán)：物質(zhì)的主要儲(chǔ)存庫是大氣和海洋，其循環(huán)與大氣和海洋密切相聯(lián)，具有明顯的全球性，循環(huán)性能最為完善。凡屬于氣體型循環(huán)的物質(zhì)，其分子或某些化合物常以氣體形式參與循環(huán)過程，屬于這類的物質(zhì)有氧，二氧化碳、氮、氯、溴和氟等。,三、生物地化循環(huán)的類型,沉積型循環(huán)：參與沉積型循環(huán)的物質(zhì)，其分子或化合物絕無氣體形態(tài)，這些物質(zhì)主要是通過巖石的風(fēng)化和沉積物的分解轉(zhuǎn)變?yōu)榭杀簧鷳B(tài)系統(tǒng)利用的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，而海底沉積物轉(zhuǎn)化為巖石圈成分則是一個(gè)緩慢的

12、、單向的物質(zhì)移動(dòng)過程，時(shí)間要以數(shù)千年計(jì)。這些沉積型循環(huán)物質(zhì)的主要儲(chǔ)存庫是土壤、沉積物和巖石，而無氣體形態(tài)，因此這類物質(zhì)循環(huán)的全球性不如氣體型循環(huán)表現(xiàn)得那么明顯，循環(huán)性能一般也很不完善。 屬于沉積型循環(huán)的物質(zhì)有磷、鈣、鉀、鈉、鎂、鐵、錳、碘、銅、硅等，其中磷是較典型的，沉積型循環(huán)物質(zhì)，它從巖石中釋放出來，最終又沉積在海底并轉(zhuǎn)化為新的巖石。氣體型循環(huán)和沉積型循環(huán)雖然各有特點(diǎn)，但都受到能流的驅(qū)動(dòng)，并都依賴于水的循環(huán)。,四、水的全球循環(huán),

13、水的主要循環(huán)路線是從地球表面通過蒸發(fā)進(jìn)入大氣圈,同時(shí)又不斷從大氣圈通過降水而回到地球表面(如圖所示)。,四、水的全球循環(huán),地球表面及其大氣圈的水只有大約5%是處于自由的可循環(huán)狀態(tài)，其中的99%又都是海水。95％是被結(jié)合在巖石圈和沉積巖里的水，這部分水是不參與全球水循環(huán)的。地球上的淡水大約只占地球總水量的3%，其中的四分之三又都被凍結(jié)在兩極的冰蓋和冰川里。如果地球上的冰雪全部融化，其水量可蓋滿地球表面50米厚。雖然地球的全年降水量多達(dá)5.

14、2×1017千克(或5.2×108立方千米)，約等于大氣圈含水量的35倍，平均每過11天，大氣圈中的水就得周轉(zhuǎn)一次。,四、水的全球循環(huán),水循環(huán)的另一個(gè)重要特點(diǎn)是，每年降到陸地上的雨雪大約有35%又以地表徑流的形式流入了海洋。（作用）：a、這些地表徑流能夠溶解和攜帶大量的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，因此它常常把各種營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)從一個(gè)生態(tài)系統(tǒng)搬運(yùn)到另一個(gè)生態(tài)系統(tǒng)，這對(duì)補(bǔ)充某些生態(tài)系統(tǒng)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的不足起著重要作用。b、蒸發(fā)、降水和水的滯留、

15、傳送使地球上的水量維持一種穩(wěn)定的平衡。c、水的全球循環(huán)也影響地球熱量的收支情況,五、氣體型循環(huán),(一)碳的循環(huán) 碳是生命骨架元素。環(huán)境中的CO2通過光合作用被固定在有機(jī)物質(zhì)中，然后通過食物鏈的傳遞，在生態(tài)系統(tǒng)中進(jìn)行循環(huán)。其循環(huán)途徑有：①在光合作用和呼吸作用之間的細(xì)胞水平上的循環(huán)；②大氣CO2和植物體之間的個(gè)體水平上的循環(huán)；③大氣CO2──植物──動(dòng)物──微生物之間的食物鏈水平上的循環(huán)。這些循環(huán)均屬于生物小循環(huán)。

16、 此外，碳以動(dòng)植物有機(jī)體形式深埋地下，在還原條件下，形成化石燃料，于是碳便進(jìn)入了地質(zhì)大循環(huán)。當(dāng)人們開采利用這些化石燃料時(shí)，CO2被再次釋放進(jìn)入大氣。,雖然CO2濃度增高有利于植物光合作用的增強(qiáng)，但CO2的“溫室效應(yīng)”將導(dǎo)致全球溫度升高和降水分布的改變。使得緯度較高的地區(qū)，由于溫度變暖而更加干旱，甚至使極地冰蓋層融化，導(dǎo)致海平面上升。但如果南極溫度上升6℃，就將由于冰川的融化而使海平面升高6米左右。這不能不說是個(gè)值得全球人類關(guān)注的問題。

17、,五、氣體型循環(huán),五、氣體型循環(huán),（2）氮循環(huán)固氮作用的途徑有三條高能固氮： 閃電、宇宙射線、隕石、火山爆發(fā)等，形成NH3和銷酸鹽，隨降水而到達(dá)地表。工業(yè)固氮：這種困氮能力越來越大，20世紀(jì)未全世界工業(yè)固氮能力可達(dá)1.0×108噸/a。生物固氮：由固氮菌、根瘤菌、藍(lán)藻等自養(yǎng)生物和異養(yǎng)微生物進(jìn)行固氮，大約占地干固氮的90% （100～200kg/hm2.a）,五、氣體型循環(huán),含氮有機(jī)物質(zhì)轉(zhuǎn)化與分解過程 含氮有機(jī)物的轉(zhuǎn)

18、化與分解過程主要包括三個(gè)作用氨化作用：有機(jī)氮（氨基酸、核酸）在銨化細(xì)菌和真菌作用下，生成NH3和氨化合物，NH3與水結(jié)合生成NH4+（氨根離子）（被植物體吸收利用）硝化作用：氨化合物在亞銷酸鹽細(xì)菌作用下生成亞銷酸鹽；在銷酸鹽細(xì)菌的作用下，生成硝酸鹽。 二者均能被植物體吸收利用。反硝化作用（脫氨作用）：硝酸鹽在反硝酸細(xì)菌作用下生成亞硝酸鹽；亞硝酸鹽在反硝化細(xì)菌作用下生成N2。,六、沉積型循環(huán),（一）硫循環(huán) （自學(xué)） (二)磷的循環(huán)