第十一章生態(tài)系統(tǒng)的物質循環(huán)

第十一章生態(tài)系統(tǒng)的物質循環(huán)主要內容物質循環(huán)的一般特點全球水循環(huán)氣體型循環(huán)沉積型循環(huán)有毒有害物質循環(huán)為什么研究物質循環(huán)？一、物質循環(huán)的基本原理

1、物質不滅定律物質不滅定律認為，化學方法可以改變物質的成分，但不能改變物質的量，即在一般的化學變化過程中，察覺不到物質在量上的增加或減少。

第一節(jié)物質循環(huán)的一般特點2、質能守恒定律

質能守恒定律認為，世界不存在沒有能量的物質質量，也不存在沒有質量的物質能量。質量和能量作為一個統(tǒng)一體，其總量在任何過程中都保持不變的守恒。質能守恒和物質不滅定律在生態(tài)學的運用，使得物流過程平衡表的制作成為可能。二、物質循環(huán)的幾個基本概念（1）生物地球化學循環(huán)：從大氣、水體和土壤等環(huán)境中獲得營養(yǎng)物質，通過綠色植物吸收，進入生態(tài)系統(tǒng)，被其他生物重復利用，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,同時也包含一些地質與地理作用在內,因此稱為生物地球化學循環(huán)。（2）庫：物質在循環(huán)過程中被暫時固定、儲存的場所稱為庫。生態(tài)系統(tǒng)中各組分都是物質循環(huán)的庫，如植物庫、動物庫、土壤庫等。在生物地球化學循環(huán)中，庫可分為儲存庫（Reservoirpool，容積大，物質交換活動緩慢，一般為環(huán)境成分）和交換庫（Exchangepool，容積小，交換快，一般為生物成分）。（3）物質循環(huán)的流：物質在庫與庫之間的轉移運動狀態(tài)稱為流。流通率：單位時間、單位面積/體積的物質轉移量（4）周轉率：流通率/庫中營養(yǎng)物質總量

（5）周轉時間：庫中營養(yǎng)物質總量/流通率

三、影響物質循環(huán)速率的因素元素的性質：有的元素循環(huán)的速率快，而有的則比較慢，這是元素化學特性和被生物有機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：決定生物對物質吸收的速率以及物質在食物網中運動的速度有機物質腐爛的速率：適宜的環(huán)境有利于分解者的生存，并使有機體很快分解，供生物重新利用

人類活動的影響：開墾農田和砍伐森林引起土壤礦物質的流失，影響物質循環(huán)速率化石燃燒把硫和二氧化硫釋放大氣中四、生物地球化學循環(huán)的類型氣體型循環(huán)

元素或化合物可以轉化為氣體形式參與循環(huán)過程，貯存庫是大氣和海洋氣相循環(huán)把大氣和海洋相聯系，具有明顯的全球性，循環(huán)性能最為完善循環(huán)速度比較快，例如CO2、N2、O2等沉積型循環(huán)

主要通過巖石的風化和沉積物的溶解轉變?yōu)榭杀簧锢玫臓I養(yǎng)物質，貯存庫是巖石、土壤和沉積物沉積循環(huán)的全球性不如氣體型循環(huán)，循環(huán)性能也很不完善循環(huán)速度比較慢，時間要以千年計算，例如P、Ca、Na、Mg等水循環(huán)水的全球循環(huán)過程生態(tài)系統(tǒng)中所有的物質循環(huán)都是在水循環(huán)的推動下完成的水循環(huán)是太陽能推動，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第二節(jié)全球水循環(huán)全球水循環(huán)一、全球水循環(huán)全球水循環(huán)生態(tài)系統(tǒng)中的水循環(huán)降雨截留穿透雨蒸騰滲透地表蒸發(fā)地表徑流地下徑流生物圈中水的循環(huán)平衡是靠世界范圍的蒸發(fā)與降水來調節(jié)的。由于地球表面的差異和距太陽遠近的不同，水的分布不僅存在著地域上的差異，還存在著季節(jié)上的差異。一個區(qū)域的水分平衡受降水量、逕流量、蒸發(fā)量和植被截留量以及自然蓄水量的影響。降水量、蒸發(fā)量的大小又受地形、太陽輻射和大氣環(huán)流的影響。地面的蒸發(fā)和植物的蒸騰與農作制度有關。土地裸露不僅土壤蒸發(fā)量增大，并由于缺少植被的截留，使地面逕流量增大。因此，保護森林和草地植被，在調節(jié)水分平衡上有著重要作用。豐茂的森林可截留夏季降水量的20-30%，草地可截留降水量的5-13%。樹冠的強大蒸騰作用，可使林區(qū)比無林區(qū)、少林區(qū)降水量增多30%左右。坡地上，森林可減輕水對土壤的侵蝕作用；林地內，地表逕流量比無林地少10%左右。改變地面及植被狀況，而影響大氣降水到達地面后的分配，如修筑水庫、塘堰可擴大自然蓄水量；而圍湖造田又使自然蓄水容積減小；地下水的過度開采利用，使某些人口集中的地區(qū)出現了地下水位和水質量的下降，如目前我國許多北方大城市的地下水分布出現“漏斗”。

在干旱、半干旱地區(qū)大面積的植被破壞，導致地區(qū)性氣候向干旱化方向發(fā)展；環(huán)境污染惡化水質，影響水循環(huán)的蒸散過程，洋面的油污染導致蒸發(fā)量減少，而溫室效應又促進了蒸發(fā)，蒸發(fā)量的變化又導致了全球范圍內降水量的變化。人類對水循環(huán)的影響第三節(jié)氣體型循環(huán)碳的重要性：生命元素、能量流動碳庫：海洋和大氣、生物體、巖石圈碳的存在形式：CO2，無機鹽，有機碳主要循環(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對碳循環(huán)造成嚴重影響，引起氣候變化的主要原因一、碳循環(huán)

整個地球碳的儲存數量約為26×1015噸。其中有90%以上以碳酸鹽形式禁錮在巖石圈中，而只有7500×109噸是以有機態(tài)埋藏在地下(如煤、石油)。這些成為碳循環(huán)中的儲存庫。只有極少量碳參與經常性流動和圈層間的交換。其中大氣圈中(二氧化碳狀態(tài))約700×109噸，水圈中(多為碳酸鹽態(tài)或二氧化碳狀態(tài))約為352.50×109噸。而構成現有生物量的有機碳僅為120×109噸。水圈、大氣圈和生物圈扮演著碳循環(huán)中活動庫的作用。

循環(huán)途徑①陸地生物與大氣之間的碳素交換，綠色植物通過光合作用吸收大氣中的CO2，合成碳化物，經食物鏈轉入動物及微生物體內，植物、動物和微生物又通過呼吸作用及殘體分解釋放出CO2，返回大氣中參加再循環(huán)。②大氣和海洋之間的二氧化碳交換；CO2CO2溶于海水H2CO3H++CO32-CaCO3

↓↓水體中生物海底沉積物③化石燃料參與的碳循環(huán)煤、石油、天然氣等化石燃料是生物殘體埋藏在地層中，經過長期的地質作用形成的含碳物質，作為能源燃燒時放出大量的CO2，它被植物再利用，重新加入生態(tài)系統(tǒng)的碳循環(huán)。目前該途徑已成為大氣中CO2的一個重要來源。農業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中碳的同化隨工業(yè)輔助能的投入而增加，但動植物殘體和排泄物中的碳是以有機物形式返回土壤，還是以CO2形式返回大氣。若是后種形式，則土壤微生物的碳源將會減少，土壤有機質可能下降，造成地力衰退。Greenhouseeffects溫室效應：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致溫度上升溫室氣體主要包括：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)等全球變暖的影響一、極地的冰會融化，海洋會因熱而膨脹，海平面上升，最終導致全球氣候的大規(guī)模變化。海平面上升，淹沒陸地。如果CO2濃度由0.03%增高到0.06%，則地球平均溫度將上升2.9℃，赤道附近溫度上升1.45℃；兩極附近溫度將上升8~9℃。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。氣候變暖導致的海平面上升將影響到地勢較低的沿海城市，部分城市可能要內遷，同時大部分沿海平原將發(fā)生鹽堿化或沼澤化，不適于生產。厄爾尼諾現象(ElNino)是指東太平洋洋面在赤道處的海水偶爾變暖的現象，它與北太平洋和北美洲的天氣特點密切相關。當發(fā)生的諾現象較強烈時，附近就會產生很明顯的氣候變化——風力風向異常，降雨量多于平常年，導致臺風和洪水災害。在包括北太平洋、北美大陸和大西洋的廣大地區(qū)甚至在全球范圍內，都能觀察到厄爾尼諾現象所帶來的顯著影響。拉尼娜現象是指東太平洋洋面在赤道附近的海水偶爾變冷的現象。同樣，拉尼娜現象也會顯著影響全球氣候。二、全球氣溫升高可能會導致氣候帶北移，使?jié)駶檯^(qū)與干旱區(qū)重新配置。

如我國亞熱帶北界可能移到黃河以北，垂直氣候帶將上升200—400m，結果將使我國總降水量大大減少，有可能在我國東部形成較強的近南北向分布的少雨帶，尤其是長江中下游和黃淮海平原，天氣變得干熱，水源緊缺，農林牧業(yè)生產將受到嚴重影響。

三、全球變暖對生物圈中動植物分布的模式及生物多樣性也將產生明顯的影響。

如11000年前發(fā)生的冰川期后氣候變暖，隨著氣溫漸暖、冰川融化，較高緯度地區(qū)的地貌發(fā)生了顯著變化。苔原變成了森林，而以前的冰川變成了苔原。當然，相應地動物種類也發(fā)生了顯著變化。對某些動物種群來說，棲息地溫度的少許變化就可能導致種群滅絕。四、全球變暖會引起生物的遷移。

這種遷移或者是為尋求適宜的溫度，或者是為適應變化的環(huán)境，或者是面臨滅絕的反應。生物的這種遷移會引發(fā)熱帶病，生境由熱帶氣候變成溫帶氣候就有可能導致這類病(如瘧疾)。二、氮循環(huán)據統(tǒng)計，物理化學(電化學和光化學)的固氮量平均7.6×106噸/年，生物固氮量為54×106噸／年。2000年時，化肥的產量達到80×106噸。生物圈中氮(106噸)的分布大氣3，800，000陸地有機質772活有機體12死有機體760非有機氮（陸地）140地殼14，000，000

海洋水中20，000海洋有機體901活有機體1死有機體900非有機體氮（海洋）100沉積物4，000，000

無機氮總量=1，673有機氮總量=21，820，240

氮循環(huán)氮的重要性：蛋白質氮庫：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，在像熔巖流過和冰河退出后的缺氮環(huán)境里，最初的入侵者就屬于固氮生物，所以固氮作用在局域尺度上也是很重要的大氣中的氮只有通過固氮作用才能進入生物循環(huán)氨化作用、硝化作用和反硝化作用氨化作用：由氨化細菌和真菌的作用將有機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菌和硝酸鹽細菌氧化為亞硝酸鹽和硝酸鹽，供植物吸收利用反硝化作用：反硝化細菌將亞硝酸鹽轉變成氮氣，回到大氣庫中氮循環(huán)的環(huán)境問題水體硝酸鹽(N03-)含量對于生物是危險的，例如，它可以引起“藍嬰病”(bluebabydisease)。硝酸鹽在消化道中可以轉化為亞硝酸鹽，后者是有毒的，它與血紅蛋白相結合形成正鐵血紅脘(methemoglobinea)，導致紅細胞運輸氧功能的損失，嬰兒皮膚因缺氧而呈藍色，尤其是在眼和口部，“藍嬰病”即由此而得名。這種病還可能與皮膚病和一些癌有聯系。流入池塘、湖泊、河流、海灣的化肥氮造成水體富營養(yǎng)化，赤潮和水華光化學煙霧是以汽油做動力燃燒后出現的一種空氣污染現象。光化學煙霧一般發(fā)生在大氣相對濕度較低，氣溫為24～32oC的夏秋季晴天，污染高峰出現在中午或交通繁忙時刻，白天生成，傍晚消失。這主要是汽車尾氣排放的氮氧化合物和碳氫化合物在強烈陽光下，會產生一系列復雜的光化學反應，生成臭氧、醛類、二氧化氮和過氧乙?；跛狨サ龋偡Q為光化學氧化劑。這些物質同水蒸汽一起，在適當條件下形成帶刺激性的淺藍色煙霧。由于在反應過程中光提供了能量，故稱光化學煙霧。早在20世紀40年代，美國洛杉磯就出現過此類空氣污染，50～60年代其他城市也出現過光化學煙霧的危害。光化學煙霧對人體健康危害很大，可使人眼、鼻、氣管、肺粘膜受到反復性刺激，出現流眼淚、紅眼病、氣喘、咳嗽等。長期慢性傷害可引起肺功能異常、支氣管發(fā)炎、肺癌等。第四節(jié)沉積型循環(huán)磷是構成核酸、細胞膜、能量傳遞系統(tǒng)和骨骼的重要成分磷循環(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)過程巖石經土壤風化釋放的磷酸鹽和農田中施用的磷肥，被植物吸收進入植物體內，沿食物鏈傳遞，并以糞便、殘體或直接以枯枝落葉、秸稈歸還土壤，含磷有機化合物經土壤微生物的分解，轉變?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)進入地質大循環(huán)動植物遺體在陸地表面的磷礦化磷受水的沖蝕進入江河，流入海洋一、磷循環(huán)磷循環(huán)是不完全的循環(huán)，有很多磷在海洋沉積起來。

全球磷循環(huán)的最主要途徑是磷從陸地土壤庫通過河流運輸到海洋，達到21×1012gP/a。磷從海洋再返回陸地是十分困難的，海洋中的磷大部分以鈣鹽的形式而沉淀，因此長期地離開循環(huán)而沉積起來。

全球磷循環(huán)磷循環(huán)的環(huán)境問題農業(yè)生產上大量施用磷肥不僅有使磷資源面臨枯竭的威脅，且磷礦石、磷肥中含有重金屬和放射性物質，長期大量施用，會使土壤污染；磷素隨水土流失進入水域或水體的富營養(yǎng)化，殃及魚類等水生生物。含磷洗滌用品會給環(huán)境造成破壞湖泊富營養(yǎng)化——污水排放二、硫循環(huán)硫是蛋白質和氨基酸的重要組分，它的主要蓄庫是巖石圈。硫循環(huán)包括長期的沉積階段（有機或無機沉積物中）和短期的氣體階段。巖石庫中的硫酸鹽主要通過生物的分解和自然分化作用進入生態(tài)系統(tǒng)。

生物的分解化能合成細菌硫化物-------------硫酸鹽

自然分化作用

細菌無機硫----硫化物---硫酸鹽火山爆發(fā)

硫化氫硫---------------大氣化石燃料燃燒

二氧化硫硫-----------------大氣酸雨出現酸雨主要原因是大氣的二氧化硫污染。酸降對降雨量較大的地區(qū)、易感的水體和土壤中的植物和動物造成明顯的損害。酸雨引起玉米及飼料作物減產，使得成百個湖泊沒有魚生長。農作物和其他植物也受到影響。酸雨改變了土壤和湖泊的pH，同時酸化會導致有毒金屬(比如鋁和汞)從土壤和沉積物中釋放出來，進入動植物體內，并逐步積累，最后通過食物鏈進入人體，對人體產生不利影響。我國降水酸度由北向南逐漸加重，華東、西南地區(qū)已普遍發(fā)生酸雨，形成了世界第三大酸雨區(qū)。1982年我國重慶地區(qū)入夏后連降酸雨，使2萬畝水稻的葉子突然枯黃，狀如火烤,幾天后枯死。酸雨因腐蝕性很強，會大大加速建筑物、金屬、紡織品、皮革、紙張、油漆、橡膠等物質的腐蝕速度。它還可成為摧殘文物古跡的原兇。酸雨的危害

德國被酸雨損害的樹林,這些樹更易遭受干旱、疾病和昆蟲的危害。

世界范圍酸雨危害倫敦煙霧事件倫敦1952年2月5日到8日，霧大無風，家庭和工廠排出的煙塵經久不散，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天內死亡約4000人全球的物質循環(huán)系統(tǒng)第五節(jié)有毒有害物質循環(huán)有毒有害物質循環(huán)：對有機體有毒有害物質進入生態(tài)系統(tǒng)后，沿著食物鏈在生物體內富集或被分解的過程。有毒物質種類繁多，包括有機的如酚類和有機氯農藥等、無機的如重金屬、氟化物和氰化物等。食物鏈的富集作用（或生物放大作用）：指有毒物質沿食物鏈各營養(yǎng)級傳遞時，在生物體內的殘留濃度不斷升高，愈是上面的營養(yǎng)級，生物體內有毒物質的殘留濃度越高的現象。某些物質當他們沿食物鏈移動時，既不被呼吸消耗，又不容易被排泄，而是濃集在有機體的組織中，這一現象稱為生物放大作用。有毒有害物質循環(huán)的實例（1）DDTDDT