生態(tài)系統(tǒng)中的物流課件

第11章、生態(tài)系統(tǒng)和全球的物質(zhì)循環(huán)

第一節(jié)生態(tài)系統(tǒng)物流的一般特點一．生命與元素自然界包含著許多生命活動所必需的無機和有機物質(zhì)，其中包括20多種必要元素。最重要的元素：碳、氧、氫、氮和磷，占全部原生質(zhì)的97%以上。大量營養(yǎng)元素（macronutrient）：鈣、鎂、鉀、硫、鈉微量元素（micronutrient)：銅、鋅、硼、錳、鉬植物必需營養(yǎng)元素的功能物質(zhì)在生態(tài)系統(tǒng)中不是靜止不動的，而是沿著不同的途徑在不同的生態(tài)組分之間發(fā)生著固定、吸收、釋放、遷移、轉(zhuǎn)化、并最終返回到環(huán)境中。生物地球化學(xué)循環(huán)（biogeochemicalcycle）：由于生態(tài)系統(tǒng)的生物質(zhì)循環(huán)是在地球上的生物與非生物之間，通過化學(xué)形態(tài)的轉(zhuǎn)換與運轉(zhuǎn)，故又稱為生物地球化學(xué)循環(huán)。二．物質(zhì)循環(huán)的庫與流

1．庫（pool）物質(zhì)在運動過程中被暫時固定、貯存的場所稱為庫。生態(tài)系統(tǒng)中：植物庫、動物庫、大氣庫、土壤庫和水體庫。源（source）：是產(chǎn)生和釋放物質(zhì)的庫匯（sink）：是吸收和固定物質(zhì)的庫源：產(chǎn)生或釋放庫匯：吸收或固定庫流動在生物地球化學(xué)循環(huán)中：貯存庫（reservoirpool）——其容積較大，物質(zhì)交換活動緩慢，一般為非生物成分的環(huán)境庫；交換庫（exchangepool）——其容積較小，與外界物質(zhì)交換活躍，一般為生物成分。2．物質(zhì)流（flow）：物質(zhì)在庫與庫之間的轉(zhuǎn)移運行稱為流3．生物量與現(xiàn)存量生物量（biomass）：在某一特定觀察時刻，單位面積或體積內(nèi)存積存的有機物質(zhì)總量。生物量又稱為現(xiàn)存量（Standingcrop）生產(chǎn)者100U沉積層5000U消費者50U水體1000U16U/d4U/d4U/d20U/d20U/d一個面積為1.62公頃的池塘系統(tǒng)中P的庫與流通率模式圖。五大自然圈：大氣圈、水圈、巖石圈、土壤圈和生物圈。地質(zhì)大循環(huán)：范圍大、周期長和影響面廣。生物小循環(huán)：是指環(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，回到環(huán)境后，再為生產(chǎn)者吸收、利用循環(huán)過程。圖7—12.物質(zhì)循環(huán)的幾種基本類型①

水循環(huán)②

氣體循環(huán)：C、H、O、N③

沉積物循環(huán)：P、S、I、K、Na、Ca第二節(jié)水循環(huán)

一．全球水分循環(huán)在自然界中，水以固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)形式分布于水圈、大氣圈、巖石圈、土壤圈和生物圈中。地球上的總水量？1970年國際水文學(xué)會統(tǒng)一了大致的數(shù)據(jù)：總水量：1.4×109km3表7—2地球的水量估計

海洋、大氣和陸地的水在自身位能、太陽能、氣象因子、生態(tài)環(huán)境以及人類活動的耦合作用下，進(jìn)行著連續(xù)的大規(guī)模的交換，使自然界中的水形成了一個隨時間、空間變化的復(fù)雜的動態(tài)系統(tǒng)——水分循環(huán)。

由于太陽輻射，海面和陸地每年約有488000km3水分蒸發(fā)到空中。據(jù)估計，大氣中的全部水量9d即可更新一次河流：10—20d，土壤：280d淡水湖：1—100年，地下水：300年海洋：37000年。三．我國水資源分布特點及在開發(fā)利用方面存在的問題特點：東南多、西北少，由東南沿海地區(qū)向西北內(nèi)陸地區(qū)遞減，分布極不均勻。全國有50%的國土處在降雨量少于400mm的干旱、半干旱少水地帶，這一地帶生態(tài)環(huán)境脆弱，屬于生態(tài)脆弱帶，水是主要的限制因子。問題：①現(xiàn)有的水利設(shè)施不能適應(yīng)現(xiàn)代化建設(shè)的需要。②現(xiàn)有的水利工程及渠子配套等遺留問題較多。③水體污染日趨嚴(yán)重。全國每天污水排放量為7500萬噸。④地下水的超采嚴(yán)重。四．生態(tài)系統(tǒng)的水分管理1．植樹造林，發(fā)揮“綠色水庫”作用，擴大土壤的水分庫容。2．加強農(nóng)田水利基本建設(shè)，提高水分利用率。3.改變耕作制度與管理方式，發(fā)展節(jié)水農(nóng)業(yè)。

4．防治水體污染。5．加強全流域水資源保護(hù)與統(tǒng)一調(diào)度。C素的生物地球化學(xué)循環(huán)(氣體型循環(huán))Numbersarestorageas1015g(109T)orfluxesas1015g(109T)peryear(datafromSchlesinger1991)碳的生物小循環(huán)有三個層次或途徑：

1.在光合作用和呼吸作用之間的細(xì)胞水平上循環(huán)；2.

大氣CO2和植物體之間的個體水平上的循環(huán)；3.

大氣CO2—植物—動物—微生物之間的食物鏈水平上的循環(huán)。碳主要貯藏在大氣、生物體、土壤和水圈及巖石圈幾個庫中。在生物圈中，綠色植物的光合作用是推動碳循環(huán)的主要動力，有些微生物的化能合成也能推動碳循環(huán)，但其作用甚微。研究表明，后者的作用只有前者的1%。在漫長的地球演變過程中，和其他元素的循環(huán)一樣，碳循環(huán)并不是有規(guī)律地進(jìn)行，有時會出現(xiàn)停滯現(xiàn)象。例如，成煤期就有大量的碳被封存在地下煤層中，以石油形態(tài)的碳長期被禁錮在地殼內(nèi)，從而造成了碳循環(huán)的部分阻塞。但是根據(jù)近期的觀測統(tǒng)計表明，近100年來，大氣中的CO2含量一直在不斷上升，在大氣這種環(huán)節(jié)上出現(xiàn)了碳的堆積和碳循環(huán)的堵塞。由于這次堵塞的特點出現(xiàn)在大氣這個環(huán)節(jié)上，形成堵塞時間較短，加之現(xiàn)代地球上的人口眾多，經(jīng)濟發(fā)達(dá)，因而其危害更加嚴(yán)重。

1.人類活動對大氣中二氧化碳濃度的影響

二氧化碳濃度增加的原因：19世紀(jì)到20世紀(jì)初主要是砍伐森林20世紀(jì)以來又加上燃燒礦物燃料，如煤、石油及天然氣。數(shù)據(jù)：從公元1000——1800年間大氣中二氧化碳的濃度是相當(dāng)穩(wěn)定的，大約變化于270—290ul/L之間，平均值為280ul/L。由于自然植被與未開發(fā)森林的含碳量比農(nóng)用地大20—100倍，從1850—1986年的100多年的時間里，估計反此一個因素就向大氣排放了115±35Gt（1Gt=10億t）的碳，現(xiàn)在每年的排放量約1.9±1.1Gt碳。陸地生態(tài)系統(tǒng)貯存的總碳量中大約99.9%的碳存在于植物體中，動物體內(nèi)貯存的碳僅占0.1%。根據(jù)有關(guān)估算，在1850—1950年間，由于人類的活動而排入大氣中的碳達(dá)1.8×1011t，其中1/3來自化石燃料的燃燒，其余2/3則來源植被的破壞，特別是森林破壞的結(jié)果。但20世紀(jì)以來，由于礦物燃料的消耗迅速增大，向大氣中排放的碳，在第一次世界大戰(zhàn)前已達(dá)0.8—0.9

Gt，第二次世界大戰(zhàn)前為1.5

Gt，目前達(dá)5.7±0.1Gt。大氣中二氧化碳濃度年增長達(dá)1.6ul/L。2、

人類活動對大氣中甲烷濃度的影響

甲烷（CH4）俗稱沼氣，其濃度在溫室外氣體中占第二位。其增長與世界人口的增長有非常大的相關(guān)。19世紀(jì)之前大約不超過0.8ul/L。19世紀(jì)末增加到0.9ul/L。從1978年開始有正式觀測，濃度為1.51ul/L。目前已達(dá)1.72ul/L。即大氣中含4900Tg（1Tg=1012g）的甲烷即每年向大氣中排放40—48Tg，年增量0.8%—1.0%。估計到2030年濃度達(dá)2.34ul/L。2050年可達(dá)2.5ul/L。第四節(jié)、生態(tài)系統(tǒng)的氮流動

大氣中氮的含量為79%，總貯量約為38×106億t，但不能為大多數(shù)植物直接利用。只有通過固氮菌和藍(lán)綠藻等生物固氮，閃電和宇宙線的固氮，以及工業(yè)固氮的途徑，形成硝酸鹽或氨的化合物形態(tài)，才能為多數(shù)植物和微生物吸收利用。三個重要過程（1）氨化作用

（2）硝化和反硝化作用

（3）固氮作用氮循環(huán)示意圖．大氣中的Ｎ(3)固氮作用：細(xì)菌＼藍(lán)藻＼雷電等反硝化作用硝酸鹽食物鏈氨排泄物(1)氨化作用植物硝化作用(2)一個湖泊生態(tài)系統(tǒng)（SycamoreCreek,Arizona美國亞利桑那)的氮循環(huán)．N素的生物地球化學(xué)循環(huán)，*109g，千噸．全球的氮循環(huán)全球氮循環(huán)的主體存在于土壤和植物之間。

據(jù)Rosswall估算，在全球陸地生態(tài)系統(tǒng)中，氮素總流量的95%在植物—微生物—土壤系統(tǒng)中進(jìn)行，只有5%在該系統(tǒng)與大氣圈之間流動。

全球陸地生態(tài)系統(tǒng)各組分的氮素平均周轉(zhuǎn)速率，植物，4.9年；枯枝落葉，1.1年；土壤微生物，0.09年；土壤有機質(zhì)，1.77年；土壤無機氮，0.53年。固氮作用閃電和宇宙線的固氮，大約8.9kg/hm2?a工業(yè)固氮，已達(dá)1╳108T生物固氮，大約100--200kg/hm2?a，大約占地球固氮的90%。氨化作用：由氨化細(xì)菌和真菌的作用將有機氮分解成氨和氨化合物，氨溶與水即成為NH4+，可為植物所直接利用。硝化作用：在通氣情況良好的土壤中，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，供植物吸收利用。反硝化作用：也稱脫氮作用，反硝化細(xì)菌將亞硝酸鹽轉(zhuǎn)變成大氣氮，回到大氣庫中。因此，在自然生態(tài)系統(tǒng)中，一方面通過各種固氮作用使氮素進(jìn)入物質(zhì)循環(huán)，而通過反硝化作用、淋溶沉積等作用使氮素不斷重返大氣，從而使氮的循環(huán)處于一種平衡狀態(tài)。第五節(jié)生態(tài)系統(tǒng)的磷和硫循環(huán)

一、自然界中的磷循環(huán)磷溶于水而不揮發(fā)，在生態(tài)系統(tǒng)中屬于典型的沉積型循環(huán)。磷以地殼作為主要貯藏庫。含磷的有機物沿兩條循環(huán)支路循環(huán)：一是沿生物鏈傳遞，并以糞便、殘體的形式歸還土壤；另一種是以枯枝落葉、秸稈歸還土壤。湖泊生態(tài)系統(tǒng)中磷的循環(huán).梭子魚鯉科小魚水蚤類磷循環(huán)示意圖磷酸鹽巖溶解磷酸鹽開礦＼風(fēng)化沉積植物動物磷酸鹽化細(xì)菌生物小循環(huán)磷的生物地球化學(xué)循環(huán)(沉積型循環(huán)),*109g千噸．各種磷的有機化合物經(jīng)過土壤微生物的分解，轉(zhuǎn)變?yōu)榭扇苄缘牧姿猁}，再次供給植物吸收利用，這是磷的生物小循環(huán)。在生物小循環(huán)過程中，一部分磷脫離生物小循環(huán)進(jìn)入地質(zhì)大循環(huán)：一是動植物遺體在陸地表面的磷化礦化；另一種是磷受水的沖蝕進(jìn)入江河，流入海洋。據(jù)統(tǒng)計，每年全世界由大陸流入海洋的磷酸鹽大約10萬t。全球規(guī)模的磷循環(huán)如圖全球各圈層中磷的分布如表二、人類活動對磷循環(huán)的影響

（1）人類對磷礦資源的開采與消耗據(jù)統(tǒng)計，從1935年至1990年間，磷礦總開采量達(dá)3.79×109t，相當(dāng)于5×108t磷。1990年全球磷礦開采量為1.8×108t，相當(dāng)于2×107t磷。按這一速度，地球上的磷礦可開采750年。（2）磷肥的施用與流失(3)家庭污水、工業(yè)廢水、尤其是農(nóng)業(yè)徑流所攜帶的大量N、P等營養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)入水體后，易造成水體的富營養(yǎng)化、赤潮等環(huán)境問題。水體富營養(yǎng)化（eutrophication）的發(fā)生過程是，隨著水中營養(yǎng)物質(zhì)（N，P等）含量的增加，導(dǎo)致水生植物（主要是藻類）的急劇、過量生長，水生植物的大量繁殖和死亡后的分解，降低了水中溶解氧含量，從而形成厭氣條件，嚴(yán)重影響魚類的生存，乃至魚類大量死亡。隨著富營養(yǎng)化的發(fā)展，藻類的種類逐漸減少，尤以硅藻和綠藻為主，轉(zhuǎn)而為以藍(lán)藻為優(yōu)勢種，這種藻類的分解往往具有毒性，并給水體帶來不良的氣味。赤潮（redtide），又名紅潮，是由海水中某些浮游植物、原生動物或細(xì)菌在一定環(huán)境條件下，短時間內(nèi)突發(fā)性增殖或富集而引起的一種水體變色的生態(tài)異常現(xiàn)象。赤潮在20世紀(jì)60年代以前屬于罕見事件，平均約五六年才發(fā)生一次，70年代大約每兩年1次，80年代增至每年4次。自1980年以來，我國海域共發(fā)生赤潮幾百余次。水體富營養(yǎng)化起關(guān)鍵作用的營養(yǎng)元素是氮和磷，由于大多數(shù)水體磷是藻類的繁殖限制因子，故磷的作用大于氮。三、自然界中的硫循環(huán)

硫在地殼中含量較高，是第十大元素硫的重要貯存庫是巖石圈，但它也在大氣圈中停留和運行。硫的來源除了沉積巖的風(fēng)化外，還是化石原料（煤、石油等）的燃燒，火山噴發(fā)和有機物的分解。硫酸鹽亞硫酸鹽有機硫植物和微生物還原反應(yīng)硫化物（H2S，F(xiàn)eS）脫硫作用（厭氧）元素硫（S）光合自養(yǎng)細(xì)菌化能自養(yǎng)細(xì)菌四、人類活動對硫平衡的影響與酸雨危害

1．人類活動對硫平衡的影響人類活動對硫平衡最突出的影響就在人類活動導(dǎo)致酸性物質(zhì)SO2的大量排放。

a.

燃煤：煤中含S量一般在0.5%—5%之間，我國南方煤含S量在3%—5%之間，屬于高硫煤。20世紀(jì)80年代初，全球燃煤地區(qū)SO2的排放為7.0×107_8.0×107

t/年，占全球人為SO2總排放量的80%以上。我國1988年SO2的排放為1.5×107

t，1995年達(dá)2.0×107

t。

b.燃油：天然氣、原油中S含量多達(dá)1%以下。全球20世紀(jì)80年代燃油、天