生態(tài)系統(tǒng)中的物質(zhì)循環(huán)

關(guān)于生態(tài)系統(tǒng)中的物質(zhì)循環(huán)第1頁，共48頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)57分，星期五213.1物質(zhì)循環(huán)的一般特征物質(zhì)循環(huán)和能量流動(dòng)總是相伴而發(fā)生的生物固定的日光能流過生態(tài)系統(tǒng)通常只有一次，且逐漸以熱的形式耗散，而物質(zhì)在生態(tài)系統(tǒng)的生物成員中能被反復(fù)利用。第2頁，共48頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)57分，星期五3物質(zhì)循環(huán)與能量流動(dòng)第3頁，共48頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)57分，星期五4物質(zhì)循環(huán)的一般特征(兩個(gè)尺度)生物地球化學(xué)循環(huán)(全球循環(huán)/大循環(huán))：生態(tài)系統(tǒng)從大氣、水體和土壤等環(huán)境中獲得營養(yǎng)物質(zhì)，通過綠色植物吸收，進(jìn)入生態(tài)系統(tǒng)，被其他生物重復(fù)利用，最后再歸還于環(huán)境中的過程。這一過程包括生物與非生物二者的參與,同時(shí)也包含一些地質(zhì)與地理作用在內(nèi),因此稱為生物地球化學(xué)循環(huán)生物小循環(huán)(局域循環(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、利用第4頁，共48頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)57分，星期五5Basicsofnutrientcycling生態(tài)系統(tǒng)小循環(huán)生物地球化學(xué)大循環(huán)第5頁，共48頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)57分，星期五6生物小循環(huán)第6頁，共48頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)57分，星期五7物質(zhì)循環(huán)的基本概念庫(分室）：貯存一定數(shù)量元素的某種生態(tài)系統(tǒng)組分稱為該元素的庫生態(tài)系統(tǒng)中各組分都是物質(zhì)循環(huán)的庫植物庫、動(dòng)物庫、土壤庫、水體庫等流通率：單位時(shí)間、單位面積/體積的物質(zhì)轉(zhuǎn)移量周轉(zhuǎn)率：流通率/庫中營養(yǎng)物質(zhì)總量周轉(zhuǎn)時(shí)間：庫中營養(yǎng)物質(zhì)總量/流通率第7頁，共48頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)57分，星期五8物質(zhì)在庫間的流通流通量、周轉(zhuǎn)率與周轉(zhuǎn)時(shí)間是相對于庫而言的生產(chǎn)者庫流通率：20單位/天周轉(zhuǎn)率：20/100=20%周轉(zhuǎn)時(shí)間：100/20=5天消費(fèi)者庫流通率：4單位/天周轉(zhuǎn)率：4/50=8%周轉(zhuǎn)時(shí)間：50/4=12.5天第8頁，共48頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)57分，星期五9

影響物質(zhì)循環(huán)速率的因素元素的性質(zhì)：有的元素循環(huán)的速率快，而有的則比較慢，這是元素化學(xué)特性和被生物有機(jī)體利用的方式不同所決定的。如CO21年,N100萬年生物的生長速率：決定生物對物質(zhì)吸收的速率以及物質(zhì)在食物網(wǎng)中運(yùn)動(dòng)的速度第9頁，共48頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)57分，星期五10影響物質(zhì)循環(huán)速率的因素有機(jī)物質(zhì)腐爛的速率：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，供生物重新利用人類活動(dòng)的影響：開墾農(nóng)田和砍伐森林引起土壤礦物質(zhì)的流失，影響物質(zhì)循環(huán)速率化石燃燒把硫和二氧化硫釋放大氣中第10頁，共48頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)57分，星期五11生物地球化學(xué)循環(huán)的類型氣體型循環(huán)貯存庫是大氣和海洋有氣體形式的分子參與循環(huán)過程循環(huán)速度快，例如CO2、N2、O2等沉積型循環(huán)貯存庫是巖石、土壤和沉積物沒有氣體形式的分子參與循環(huán)過程循環(huán)速度慢，時(shí)間以千年計(jì)算，例如P、Ca、Mg等水循環(huán)水的全球循環(huán)過程生態(tài)系統(tǒng)中所有的物質(zhì)循環(huán)都離不開水循環(huán)的推動(dòng)第11頁，共48頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)57分，星期五1213.2全球水循環(huán)水循環(huán)是太陽能推動(dòng)，在陸地、大氣和海洋間循環(huán)地表總水量：1.4×109km3，海洋約占97%水的循環(huán)：陸地：蒸發(fā)(蒸騰)71,000km3，降水111,000km3，徑流40,000km3海洋：蒸發(fā)425,000km3，降水385,000km3人為活動(dòng)對水循環(huán)自然過程的干擾和影響水電站、廣泛大規(guī)模的水利工程、第12頁，共48頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)57分，星期五13TheHydrologicCycle(40)(71)(111)(385)(425)(40)×103km3第13頁，共48頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)57分，星期五14生態(tài)系統(tǒng)中的水循環(huán)降雨截留穿透雨蒸騰滲透土壤吸收地表徑流地下徑流消費(fèi)者地面蒸發(fā)第14頁，共48頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)57分，星期五1513.3碳循環(huán)碳的重要性：生命元素、能量流動(dòng)、人類活動(dòng)影響碳庫：海洋和大氣、生物體碳的存在形式：CO2，無機(jī)鹽，有機(jī)碳主要循環(huán)過程生物的同化和異化過程大氣和海洋間的CO2交換碳酸鹽的沉淀作用人類活動(dòng)對碳循環(huán)造成嚴(yán)重影響，引起氣候變化的主要原因第15頁，共48頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)57分，星期五16海洋和大氣CO2調(diào)節(jié)CO2CO2溶于海水H2CO3水體中生物H++CO32-

CaCO3海底沉積物第16頁，共48頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)57分，星期五17TheCarbonCycle第17頁，共48頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)57分，星期五18TheCarbonCycle929075061×1015gC第18頁，共48頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)57分，星期五19溫室效應(yīng)溫室效應(yīng)（Greenhouseeffects

）：大氣中對長波輻射具有屏蔽作用的溫室氣體濃度增加使較多的輻射能被截留在地球表層而導(dǎo)致溫度上升溫室氣體：二氧化碳(CO2)、甲烷(CH4)、氧化亞氮(N2O)、六氟化碳(SF6)、氟氯碳化物(CFCs)、氫氟碳化物(HFCs)等溫室效應(yīng)的影響海平面上升，淹沒陸地全球氣候經(jīng)常發(fā)生暴雨或干旱土地沙漠化，生態(tài)環(huán)境改變第19頁，共48頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)57分，星期五20IncomingsunlightwarmsthesurfaceoftheEarthandisradiatedbacktoatmosphere.Greenhousegasesabsorbsomeofthisheat,trappingitintheatmosphere.

GREENHOUSEEFFECT第20頁，共48頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)57分，星期五21CarbonaccumulationCO2hasincreasedfromitspre-industrialleveldata:recentrecordsplusolderdatasuchasicecoresmostlyfossilfuelburning第21頁，共48頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)57分，星期五22CO2排放第22頁，共48頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)57分，星期五23碳源/匯與碳“失匯”難題

全球碳源：6.9×1015gC/a化石燃料：6.0×1015gC/a陸地植物破壞：0.9×1015gC/a全球碳匯：5.2×1015gC/a大氣中含量上升：3.2×1015gC/a海洋吸收：2.0×1015gC/a全球“碳失匯”(missingsink):1.7×1015gC/a中國學(xué)者的回答：三北防護(hù)林等大規(guī)模林業(yè)建設(shè)（方精云2001，Science),森林土壤的碳吸收作用（中科院華南植物所）中國陸地生態(tài)系統(tǒng)碳源/匯研究（方精云）：科學(xué)意義/環(huán)境外交（京都議定書）第23頁，共48頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)57分，星期五24碳交易清潔發(fā)展機(jī)制CDM(CleanDevelopmentMechanism）

CDM規(guī)定減排的溫室氣體有：CO2（二氧化碳）、CH4（甲烷）、N2O（氧化亞氮）、HFCs（氫氟碳化物）、PFCs（全氟化碳）、SF6（六氟化硫碳交易碳交易(即溫室氣體排放權(quán)交易)也就是購買合同或者碳減排購買協(xié)議(ERPAs)，其基本原理是，合同的一方通過支付另一方獲得溫室氣體減排額。買方可以將購得的減排額用于減緩溫室效應(yīng)從而實(shí)現(xiàn)其減排的目標(biāo)中國第一個(gè)碳“交易”項(xiàng)目：北京安定垃圾填埋場，甲烷排放由4004t/a減至1551t/a,差額出售至國外第24頁，共48頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)57分，星期五25中國CDM份額世界領(lǐng)先截至2008年2月13日，我國清潔發(fā)展機(jī)制項(xiàng)目（簡稱CDM）獲得聯(lián)合國核證減排量達(dá)3600多萬噸二氧化碳當(dāng)量，首次超過印度，躍居世界第一位。這標(biāo)志著我國在國際碳交易市場開始占據(jù)最大份額。

第25頁，共48頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)57分，星期五2613.4氮循環(huán)氮的重要性氮庫：大氣、土壤、陸地植被生物可利用的氮的形式：NO32-、NO22-、NH4+氮循環(huán)的主要過程固氮作用氨化作用硝化作用反硝化作用第26頁，共48頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)57分，星期五27TheNitrogenCycle第27頁，共48頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)57分，星期五28氮的循環(huán)×1012gN第28頁，共48頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)57分，星期五29固氮作用類型閃電、宇宙射線、火山爆發(fā)等高能固氮工業(yè)固氮：400攝氏度，200大氣壓下生物固氮：固氮菌、與豆科植物共生的根瘤菌和藍(lán)藻等自養(yǎng)和異養(yǎng)微生物意義平衡反硝化作用對局域缺氮環(huán)境有重要意義使氮進(jìn)入生物循環(huán)第29頁，共48頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)57分，星期五30生態(tài)系統(tǒng)中的氮循環(huán)第30頁，共48頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)57分，星期五31氨化作用、硝化作用和反硝化作用氨化作用：由氨化細(xì)菌和真菌的作用將有機(jī)氮分解成為氨和氨化合物，氨溶水成為NH4+，為植物利用硝化作用：在通氣良好的土壤中，氨化合物被亞硝酸鹽細(xì)菌和硝酸鹽細(xì)菌氧化為亞硝酸鹽和硝酸鹽，供植物吸收利用反硝化作用：反硝化細(xì)菌將亞硝酸鹽轉(zhuǎn)變成氮?dú)?，回到大氣庫中?1頁，共48頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)57分，星期五3213.5磷循環(huán)磷循環(huán)屬典型的沉積循環(huán)磷以不活躍的地殼作為主要貯存庫磷的循環(huán)過程巖石經(jīng)土壤風(fēng)化釋放的磷酸鹽和農(nóng)田中施用的磷肥，被植物吸收進(jìn)入植物體內(nèi)沿食物鏈傳遞，并以糞便、殘?bào)w或直接以枯枝落葉、秸稈歸還土壤含磷有機(jī)化合物經(jīng)土壤微生物的分解，轉(zhuǎn)變?yōu)榭扇苄缘牧姿猁}，可再次供給植物吸收利用，這是磷的生物小循環(huán)。一部分磷脫離生物小循環(huán)進(jìn)入地質(zhì)大循環(huán)動(dòng)植物遺體在陸地表面的磷礦化磷受水的沖蝕進(jìn)入江河，流入海洋

第32頁，共48頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)57分，星期五33Phosphateleachesfromphosphate-richrocksorfromfertilizersandentersplantsandotherproducerswhereitisincorporatedintobiologicalmolecules.Thesearepassedthroughthetrophiclevels.BIOGEOCHEMICALCYCLE-PHOSPHORUS第33頁，共48頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)57分，星期五34磷的循環(huán)×1012gP第34頁，共48頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)57分，星期五35一個(gè)池塘生態(tài)系統(tǒng)的磷循環(huán)第35頁，共48頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)57分，星期五36生態(tài)系統(tǒng)的磷循環(huán)第36頁，共48頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)57分，星期五37硫循環(huán)第37頁，共48頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)57分，星期五38酸雨的形成第38頁，共48頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)57分，星期五39ACIDRAININTHEUNITESSTATESThemostacidicrainisconcentratedinthenortheast,butthousandsoflakesinthewestarealsovulnerable.第39頁，共48頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)57分，星期五40ACIDRAININTHEWORLD第40頁，共48頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)57分，星期五41倫敦?zé)熿F事件倫敦1952年2月5日到8日，霧大無風(fēng)，家庭和工廠排出的煙塵經(jīng)久不散，大氣中SO2含量3.8毫克/立方米，煙塵4.5毫克，居民普遍呼吸困難、咳嗽、喉痛、嘔吐和發(fā)燒，4天內(nèi)死亡約4000人第41頁，共48頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)57分，星期五42有毒有害物質(zhì)循環(huán)有毒有害物質(zhì)循環(huán)：對有機(jī)體有毒有害物質(zhì)進(jìn)入生態(tài)系統(tǒng)后，沿著食物鏈在生物體內(nèi)富集或被分解的過程生物放大作用：某些物質(zhì)當(dāng)他們沿食物鏈移動(dòng)時(shí)，既不被呼吸消耗，又不容易被排泄，而是濃集在有機(jī)體的組織中，這一現(xiàn)象稱為生物放大作用

第42頁，共48頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)57分，星期五43有毒有害物質(zhì)循環(huán)的實(shí)例DDTDDT是人工合成的有機(jī)氯殺蟲劑DDT不溶于水，而溶于脂肪，極易通過食物鏈而濃集DDT通過食物鏈進(jìn)入動(dòng)物體后，使鈣代謝功能喪失，從而使鳥類蛋殼變薄，雌鳥孵卵時(shí)將蛋壓破，從而使禽類的數(shù)量減少危害消滅害蟲的同時(shí)，無選擇地將益蟲、益鳥和害蟲的天敵殺死如美國加利福尼亞州，由于濫用DDT，1967年有19%的蜜蜂被殺死，導(dǎo)致水果和蜂蜜急劇減產(chǎn)第43頁，共48頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)57分，星期五44BIOMAGINIFICATIONOFDDT第44頁，共48頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)57分，星期五45BIOMAGINIF