森林生態(tài)學(xué)：5_3物質(zhì)循環(huán)

1、1,第一節(jié) 生態(tài)系統(tǒng)的一般特征 第二節(jié) 生態(tài)系統(tǒng)中的能量流動(dòng) 第三節(jié) 生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán) 第四節(jié) 生態(tài)系統(tǒng)的主要類型,2,一、物質(zhì)循環(huán)的定義及特征 二、地球化學(xué)循環(huán)的類型 水循環(huán) 氣體型循環(huán) 沉積型循環(huán),3,一、物質(zhì)循環(huán)的定義及特征 1.定義： 物質(zhì)循環(huán)(cycle of material)：是指生態(tài)系統(tǒng)從大氣、水體和土壤等環(huán)境中獲得營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，通過綠色植物吸收，進(jìn)入生態(tài)系統(tǒng)，被其它生物重復(fù)利用，最后再歸還于環(huán)境中的過程。 物質(zhì)循環(huán)又稱作地球生物化學(xué)循環(huán)（global biogeochemical cycle），生態(tài)系統(tǒng)中的物質(zhì)轉(zhuǎn)移循環(huán)，既有生物的生理與生化過程，又包含一般的物理與化學(xué)作用過程。

2、,4,（1）能量蘊(yùn)于物質(zhì)之中，一切物質(zhì)中均含有能量 在物質(zhì)吸收、轉(zhuǎn)移、貯存與釋放的過程中，總是伴隨著能量的變化。 在每一營(yíng)養(yǎng)級(jí)中都有生物的呼吸作用，放出CO2過程又是能量以熱量形式散失的過程。生態(tài)系統(tǒng)中物質(zhì)中貯存能量，物質(zhì)的變化就有能量的變化。,2. 物質(zhì)循環(huán)與能量流動(dòng)的關(guān)系,5,（2）能量是以物質(zhì)為載體或運(yùn)轉(zhuǎn)工具來(lái)進(jìn)行流動(dòng)的 物質(zhì)循環(huán)和能量流動(dòng)相伴發(fā)生，但能量流過生態(tài)系統(tǒng)通常只有一次，并且逐漸以熱的形式耗散，物質(zhì)在生態(tài)系統(tǒng)的生物成員中能被反復(fù)地利用。,6,（1）物質(zhì)具有重復(fù)可利用性 生物體幾乎都可以對(duì)物質(zhì)進(jìn)行吸收利用、釋放、再吸收利用，只不過再利用的周期與方式可能不同。如植物、動(dòng)物殘?bào)w(包括

3、動(dòng)物糞便)腐爛釋放的無(wú)機(jī)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)又被植物根系重新吸收利用。 （2）生態(tài)系統(tǒng)中任何種類的物質(zhì)都有循環(huán)周期性 一種物質(zhì)經(jīng)過食物鏈或營(yíng)養(yǎng)級(jí)的時(shí)間不同，物質(zhì)的循環(huán)周期可能相差很大。,3. 物質(zhì)循環(huán)的特點(diǎn),7,（1）庫(kù)（pool）：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)量的某種元素或化合物構(gòu)成的。 庫(kù)是蓄積物質(zhì)部分，可以是生物部分或非生物部分；可能是以固體或液體、氣體形式存在。 庫(kù)蓄積的物質(zhì)數(shù)量一般大大超過生命活動(dòng)所需要的數(shù)量，從庫(kù)釋放出某一物質(zhì)的速度決定于生態(tài)系統(tǒng)的循環(huán)周期長(zhǎng)短。 生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)實(shí)際上是在庫(kù)與庫(kù)之間彼此流通的。,4. 物質(zhì)循環(huán)過程中的重要術(shù)語(yǔ),8,流通量(flux capac

4、ity)：常用單位時(shí)間、單位面積內(nèi)通過的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的絕對(duì)值來(lái)表達(dá)； 流通率(flux rate)：指物質(zhì)在生態(tài)系統(tǒng)單位面積（或單位體積）、單位時(shí)間內(nèi)的轉(zhuǎn)移量； 流通量與流通率都是描述物質(zhì)循環(huán)強(qiáng)度或效率的有效參數(shù)。,9,周轉(zhuǎn)時(shí)間(turnover time)是某種物質(zhì)在庫(kù)中的總量與其出入該庫(kù)的流通率之比 庫(kù)中物質(zhì)總量 周轉(zhuǎn)時(shí)間 = 流通率 物質(zhì)循環(huán)過程中，流通率越大，周轉(zhuǎn)率越高，周轉(zhuǎn)時(shí)間越短，循環(huán)周期也越短。,周轉(zhuǎn)率(turnover rate)：某種物質(zhì)出入庫(kù)的流通量與該庫(kù)中該種物質(zhì)總量之比 流通量 周轉(zhuǎn)率 = 庫(kù)中物質(zhì)總量,10,不同物質(zhì)的周轉(zhuǎn)時(shí)間相差很大： 大氣圈中二氧化碳的周轉(zhuǎn)時(shí)間大約是一

5、年左右； 大氣圈中分子氮的周轉(zhuǎn)時(shí)間則需100萬(wàn)年左右； 大氣圈中水的周轉(zhuǎn)時(shí)間為10.5天，即水分一年要更新大約34次； 在海洋中，硅的周轉(zhuǎn)時(shí)間最短，約800年，鈉需要時(shí)間最長(zhǎng)，約2.06億年。,11,12,（3）影響物質(zhì)循環(huán)速率的重要因素：,循環(huán)元素的性質(zhì)：即循環(huán)速率由循環(huán)元素的化學(xué)特性和被生物有機(jī)體利用的方式不同所致； 生物的生長(zhǎng)速率：這一因素影響著生物對(duì)物質(zhì)的吸收速度和物質(zhì)在食物鏈中的運(yùn)動(dòng)速度； 有機(jī)物分解的速率：適宜的環(huán)境有利于分解者的生存，并使有機(jī)體很快分解，迅速將生物體內(nèi)的物質(zhì)釋放出來(lái)，重新進(jìn)入循環(huán)。,13,全球生物地球化學(xué)循環(huán)分為三大類型：水循環(huán)、氣體型循環(huán)和沉積型循環(huán)。,二、生物

6、地球化學(xué)循環(huán)的類型,14,水循環(huán)（water cycle）是水分在各庫(kù)之間的轉(zhuǎn)移形成的，水循環(huán)既能實(shí)現(xiàn)水分本身的循環(huán)，又對(duì)其它物質(zhì)的循環(huán)起推動(dòng)作用，是生態(tài)系統(tǒng)中最重要的循環(huán)形式之一。 氣體循環(huán)(gaseous cycle)，又稱氣相循環(huán)，即多以氣體形態(tài)（碳、氮、氧、氯、氟等）參與物質(zhì)轉(zhuǎn)移的循環(huán)。特點(diǎn)：物質(zhì)流通速度快，循環(huán)周期短，物質(zhì)的蓄庫(kù)通常以大氣和水體為主。 沉積循環(huán)(sedimentary cycle)指以土壤與巖層為主要蓄庫(kù)的物質(zhì)循環(huán)，像硫、磷、鈣和金屬類元素參與的物質(zhì)循環(huán)。特點(diǎn)：物質(zhì)流通速度慢，循環(huán)周期長(zhǎng)。,15,1.水循環(huán),16,（1）水的生態(tài)學(xué)意義 水及水循環(huán)對(duì)生命與生態(tài)系統(tǒng)最為重

7、要 生命存在前提。無(wú)水，生命就不可能存在。水是生物體的構(gòu)成成份之一，植物體60-80%由水構(gòu)成，動(dòng)物60%也是由水分組成。 維持生命活動(dòng)的必要條件。生物體內(nèi)的各種生理生化活動(dòng)，基本上都是以水分作為媒介來(lái)完成的。如植物的根系吸收養(yǎng)分，只有借助于水才能運(yùn)輸?shù)街搀w的莖、葉、花等各部分（生物完成生長(zhǎng)與繁殖活動(dòng)）。 水有防止環(huán)境溫度發(fā)生劇烈波動(dòng)的重要調(diào)節(jié)作用。,17,水分對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的各類物質(zhì)循環(huán)起到推動(dòng)作用（動(dòng)力） 水分是地質(zhì)變遷的動(dòng)力，使?fàn)I養(yǎng)物質(zhì)從生物的不可利用狀態(tài)變成可利用狀態(tài)；水分還能同其它營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)循環(huán)交織在一起，對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)入生態(tài)系統(tǒng)、被生物群落吸收利用，以及釋放起著積極的促進(jìn)作用。 沒有水循環(huán)

8、就沒有生物地球化學(xué)循環(huán)。,18,（2）水資源分布,19,（3）水循環(huán)過程,水循環(huán)的動(dòng)力學(xué)模型（Odum, 1989）,20,大循環(huán)：水從海洋蒸發(fā)，被氣流運(yùn)送到陸地上空，經(jīng)降水(降雨與降雪)落到地面，部分被植物吸收利用，部分以地表徑流的形式，重新歸還海洋； 小循環(huán)：水分在海洋與大氣，或者陸地與大氣之間的移動(dòng)過程，如陸地上空的水分以降雨的形式到達(dá)植物群落，一部分水分又通過蒸騰、蒸散作用又回到大氣的過程。,（4）水循環(huán)的類型,21,（6）影響水循環(huán)的因素,影響水循環(huán)的因素很多，主要有地球表面的輻射平衡（熱量平衡）、大氣環(huán)流、地面的地貌地形，以及植被與人類活動(dòng)的干擾； 人類對(duì)植被破壞，減少了植被對(duì)水循

9、環(huán)的調(diào)節(jié)能力，水分循環(huán)在局部地區(qū)遭到破壞，導(dǎo)致水土流失與干旱等許多生態(tài)災(zāi)難。,22,從農(nóng)業(yè)入手 大力發(fā)展農(nóng)業(yè)的節(jié)水灌溉技術(shù) （滴灌、微噴灌、地下滲灌等）,23,科學(xué)用水，提高用水效率。與發(fā)達(dá)國(guó)家相比，我國(guó)單方水的GDP產(chǎn)出量仍低于發(fā)達(dá)國(guó)家。這表明，隨著經(jīng)濟(jì)實(shí)力的增長(zhǎng)，通過結(jié)構(gòu)的調(diào)整，用水效率的提高，節(jié)水尚有較大潛力。,24,25,2. 氣體循環(huán),碳循環(huán) 氮循環(huán),26,碳循環(huán) 碳是生物體構(gòu)成的基本成份之一，占有機(jī)體干物質(zhì)約45；地球上碳的固定是生物生產(chǎn)力的重要指標(biāo)；碳循環(huán)對(duì)全球氣候變化影響極大。 碳循環(huán)：氣圈土壤巖石圈 碳循環(huán)：起始于大氣CO2庫(kù)；經(jīng)植物光合作用固定，以各種碳化物的形式貯存，再經(jīng)

10、營(yíng)養(yǎng)級(jí)的傳遞被分解，在這個(gè)過程中，部分碳通過呼吸作用回到大氣中，另一部分成為動(dòng)物體的組分，動(dòng)物排泄物和動(dòng)植物殘?bào)w中的碳，則由微生物分解為二氧化碳，再回到大氣中。,27,Biological processes,28,29,（1）蓄庫(kù)：大氣、海洋、巖石、生物體、土壤 大氣蓄庫(kù)：CO2/CO，為7.51011 T，占大氣比例的0.0026%， 海洋蓄庫(kù)：儲(chǔ)量豐富，為3.81012 TC，是大氣的50倍（地球之肺），以碳酸鹽或碳化物的形式存在于海洋和海洋生物體 最大碳蓄庫(kù)：巖石圈，以石油、煤等化石燃料形式存在，占地球上碳總量99.9%。,30,31,碳循環(huán)有大循環(huán)和小循環(huán)。大氣CO2是大、小循環(huán)的共

11、同蓄庫(kù)； 植物是碳循環(huán)的重 要調(diào)節(jié)器； 植物進(jìn)行光合作用 是從大氣中攝取碳，同時(shí) 動(dòng)物、微生物等也進(jìn)行 呼吸與代謝分解，向大 氣中釋放CO2； 土壤是碳循環(huán)的活躍 部分。,由于植物調(diào)節(jié)，地面大氣 CO2濃度存在明顯的日變化 與年變化。白天和夏季由于 光合作用，大氣的CO2濃度 相對(duì)較低，夜間與冬季則恰 好相反,32,（2）匯源關(guān)系 源（source）：釋放CO2蓄庫(kù) 匯（sink）：吸收CO2蓄庫(kù) 失匯（missing sink）？,凈釋放量,化石燃料 6.0,+ 陸地植被破壞 0.9,= 大氣中含量上升 3.2,+ 海洋吸收 2.0,+ 未知的匯 1.7,碳循環(huán)的凈變化,Schlesinge

12、r (1997) 提供的當(dāng)今全球碳循環(huán)收支如下：,人類活動(dòng)釋放的CO2大約有25%的全球碳流的匯是科學(xué)界尚未研究清楚的，這就是著名的失匯現(xiàn)象。,33,溫室氣體 (H2O, CO2, CH4, CFCs, N2O, 臭氧),地表,（3）后果溫室效應(yīng)（Greenhouse Effect）,34,冰山冰川融化，海水平面上升 2100年海平面上升15cm以上，城市與良田淹沒，世界一半的人在沿海。北極冰層面積縮小，2/3的北極熊50年內(nèi)消失。,35,災(zāi)害頻率發(fā)生（El Nino，洪澇與干旱）。氣候劇烈變動(dòng)， 特別是極端氣候事件。炎熱與劇冷，歐州的西伯利亞氣候趨向 生物多樣性變化（動(dòng)植物影響大） 全球變化

13、持續(xù)下去，將有超過20%的物種滅絕,36,（4）原因 工業(yè)生產(chǎn)，大量化石燃料，煤、石油等，每年放出碳60億T，幾乎全部以CO2形式釋放,37,牛（反芻打嗝排氣也可放出甲烷）,家畜產(chǎn)甲烷的估計(jì)量,38,植被破壞，生態(tài)系統(tǒng)固碳能力下降 每年森林減少，我國(guó)草原減少3% 森林的固碳能力最大：3.6109 TCy，貯存 482 109 TC，相當(dāng)于大氣2/3,39,應(yīng)對(duì)措施 政治性議題 國(guó)際合作1987蒙特利爾 1998京都議定書 聯(lián)合國(guó)氣候變化框架公約 經(jīng)濟(jì)問題 英國(guó)政府2006.10.30報(bào)告（首次由經(jīng)濟(jì)學(xué)家），估計(jì)對(duì)全球變暖的世界性不作為，每年環(huán)境造成的損失相當(dāng)于全球GDP的5-20，超過兩次世界

14、大戰(zhàn)及20世紀(jì)30年代經(jīng)濟(jì)蕭條損失的總和！,40,CO2控制或減排技術(shù),41,替代燃料的發(fā)展 酒精（乙醇汽油） 發(fā)展能源植物（生物質(zhì)能） 保護(hù)綠地（自然與人工生態(tài)系統(tǒng)） 使生態(tài)系統(tǒng)具有雙重功能(歐洲的農(nóng)田),2008年美國(guó)將消耗1.3億噸 玉米（產(chǎn)量一半）生產(chǎn)乙 醇燃料！,42,氮循環(huán),43,重要性氮是蛋白質(zhì)的基本組分，生物結(jié)構(gòu)的原料；對(duì)第一性生產(chǎn)者極為重要； 與碳循環(huán)相比，氮循環(huán)更復(fù)雜（多種化學(xué)形態(tài)，7種以上） 大氣中的氮必須通過固氮作用才能進(jìn)入生態(tài)系統(tǒng)，參與循環(huán) 天然固氮包括生物固氮和閃電等高能固氮，生物固氮約140106 TN/a，閃電固氮3106 TN /a 人工固氮率已經(jīng)超過了天然固

15、氮,（1）氮素的性質(zhì),44,中國(guó),氮肥總產(chǎn) 世界 10000 萬(wàn) T 美國(guó) 1200萬(wàn) T 印度 900 萬(wàn) T,45,大氣是最大氮庫(kù)（3.91015 TN） 土壤的氮庫(kù)3.5109TN 陸地植被的氮庫(kù)95140109 TN 海洋氮庫(kù)巨大，可達(dá)5.7 1011TN，但它沉埋于海底，長(zhǎng)久離開了生物循環(huán)。,46,固氮作用(nitrogen fixation) 參加生物包括自生固氮菌(Azotobacter)，共生在豆科植物根瘤和其他一些植物的根瘤菌（Rhizobium），藍(lán)細(xì)菌（Cyanobacteria）。 意義 在全球尺度上平衡反硝化作用； 在缺氮環(huán)境里（熔巖流過和冰河退出后的地方），固氮生物

16、是先鋒生物，體現(xiàn)出固氮在局域尺度上的重要性； 只有通過固氮作用大氣中的氮才能進(jìn)入生物循環(huán)。,（2）氮循環(huán)過程,47,. 氨化作用（ammonification）：蛋白質(zhì)通過水解降解為氨基酸，然后氨基酸中的碳（不是氮）被氧化而釋放出氨（NH3）的過程。 . 硝化作用（nitrification）：是氨的氧化過程。首先土壤中的亞硝化毛桿菌（Nitrosomonas）或海洋中的亞硝化球菌（Nitrosococcus），將氨轉(zhuǎn)化為亞硝酸鹽（NO2-）；然后進(jìn)一步由土壤中的硝化桿菌（Nitrobacter）或海洋中的硝化球菌（Nitrococcus）氧化為硝酸鹽（NO3-）。,48,. 反硝化作用（de

17、nitrification） 首先將硝酸鹽還原為亞硝酸鹽，釋放NO。這出現(xiàn)在陸地上有漬水和缺氧的土壤中，或水體生態(tài)系統(tǒng)底部的沉積物中，它由異養(yǎng)類細(xì)菌所完成，然后亞硝酸鹽進(jìn)一步還原產(chǎn)生N2O和分子氮（N2），這兩者都是氣體。,49,由微生物推動(dòng)的氮素循環(huán),50,51,（3）氮污染 迄今CO2排量增加10，N幾乎增加一倍！,N pollution source,52,三聚氰胺知多少？,53,3. 沉積型循環(huán),礦質(zhì)元素通過巖石風(fēng)化等作用釋放出來(lái)參與循環(huán)，又通過沉積等作用進(jìn)入地殼而暫時(shí)離開循環(huán)。所以沉積型循環(huán)往往是不完全的循環(huán)。 磷不存在任何氣體形式的化合物，所以磷是典型的沉積型循環(huán)物質(zhì)。,54,磷是

18、生物與生態(tài)系統(tǒng)中不可缺少的營(yíng)養(yǎng)元素之一，生物代謝的過程都需要磷的參與，磷是核酸、細(xì)胞膜、生物骨骼的主要成分。 磷循環(huán)的起點(diǎn)源于巖石的風(fēng)化，終于水中的沉積。由于風(fēng)化侵蝕作用和人類的開采，磷被釋放出來(lái)，由于降水成為可溶性磷酸鹽，經(jīng)由植物、草食動(dòng)物和肉食動(dòng)物而在生物之間流動(dòng)，待生物死亡后被分解，又使其回到環(huán)境中。溶解性磷酸鹽也可隨著水流，進(jìn)入江河湖海，并沉積在海底。其中一部分長(zhǎng)期留在海里，另一些可形成新的地殼，在風(fēng)化后再次進(jìn)入循環(huán)。,磷循環(huán),55,56,57,內(nèi)循環(huán)與外循環(huán) 內(nèi)循環(huán) 巖石土壤中的磷（可溶性）經(jīng)過陸地植物的吸收轉(zhuǎn)化，生成植物組成成份，而后又經(jīng)過草食動(dòng)物到肉食動(dòng)物的利用再轉(zhuǎn)化，最后又被微

19、生物分解釋放； 被微生物分解的磷，一部分成為可利用的磷酸鹽，另一部分成為不可利用的磷酸鹽，它們或者歸還到土壤被植物重新利用，或者流入河川、流到大海中。,58,外循環(huán) 外循環(huán)是在海洋生態(tài)系統(tǒng)中進(jìn)行的磷轉(zhuǎn)移變化過程，海洋中植物（海藻）吸收海水中的可溶性磷酸鹽，經(jīng)過魚、鳥類的逐級(jí)捕食，形成鳥類排泄物，或生物殘?bào)w在海洋中重新被植物利用或沉入海底循環(huán)利用 內(nèi)、外循環(huán)的聯(lián)結(jié)方式 鳥類作用 人工將鳥糞變成磷肥，通過海鳥將富集的磷轉(zhuǎn)移到陸地生態(tài)系統(tǒng) 人類捕獲大量的海產(chǎn)品（海草、魚蝦、貝類等）， 海產(chǎn)品以食物形式進(jìn)入內(nèi)循環(huán)的食物鏈 磷是可溶性的，但沒有揮發(fā)性，所以除了鳥糞和對(duì)海魚的捕撈，磷沒有再次回到陸地的有效

20、途徑。,59,磷肥工業(yè)生產(chǎn)對(duì)地球磷循環(huán)影響較大。磷肥的投入，加速了磷的循環(huán)速度。 富營(yíng)養(yǎng)化 含有大量磷、氮的廢水與化肥的排放，使水體的某些藻類急劇生長(zhǎng)，某些藻類與水生生物(浮游生物與魚)死亡，水質(zhì)受到污染產(chǎn)生富營(yíng)養(yǎng)化（eutrophication）。,60,赤潮的危害： 1）影響水體pH和光照度，赤潮時(shí)pH可達(dá)8.5以上； 2）競(jìng)爭(zhēng)性消耗水體中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，并分泌一些抑制其他生物生長(zhǎng)的物質(zhì)，造成水體中生物量增加，但種類數(shù)量減少； 3）赤潮生物含有毒素，使海洋動(dòng)物生理失調(diào)或死亡，許多海鳥、海獅、海鯨均可因赤潮生物毒素的積累和食物鏈傳遞作用而中毒死亡或生長(zhǎng)繁殖受到影響； 4）處在消失期的赤潮大量死亡分解，水中溶解氧大量被消耗；同時(shí)在缺氧條件下，分解的赤潮生物產(chǎn)生大量有害氣體，海洋有可能受到嚴(yán)重危害。,61,Redfield ration Redfield discovered an unexpected congruence in C:N:P in numerous regions in the worl