第七章物质循环.ppt

《第七章物质循环.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第七章物质循环.ppt（59页珍藏版）》请在优知文库上搜索。

1、第七章第七章 生态系统的物质循环生态系统的物质循环 1 生物地化循环的概念生物地化循环生物地化循环的特点生物地化循环的类型生物地化循环(BIOGEOCHEMICAL CYCLE)矿物元素在生态系统之间的输入和输出，它们在大气圈、水圈、岩圈之间以及生物间的流动和交换称生物地(球)化(学)循环，即物质循环(cycling of material)。物质循环的基本概念库：物质在循环过程中被暂时固定、储存的场所贮存一定数量元素的某种生态系统组分称为该元素的库生态系统中各组分都是物质循环的库植物库、动物库、土壤库、水体库等流（flow）物质在库与库之间的运动状态流通率：单位时间、单位面积/体积的物质转移

2、量周转率：流通率/库中营养物质总量周转时间：库中营养物质总量/流通率物质在库间的流通流通量、周转率与周转时间是相对于库而言的生产者库流通率：20单位/天周转率：20/100=20%周转时间：100/20=5天消费者库流通率：4单位/天周转率：4/50=8%周转时间：50/4=12.5天影响物质循环速率的因素元素的性质：有的元素循环的速率快，而有的则比较慢，这是元素化学特性和被生物有机体利用的方式不同所决定的。如CO21年,N100万年生物的生长速率：决定生物对物质吸收的速率以及物质在食物网中运动的速度有机物质腐烂的速率：适宜的环境有利于分解者的生存，并使有机体很快分解，供生物重新利用人类活动的

3、影响：开垦农田和砍伐森林引起土壤矿物质的流失，影响物质循环速率化石燃烧把硫和二氧化硫释放大气中生物地化循环的特点物质循环不同于能量流动，后者在生态系统中的运动是循环的；生物地化循环可以用库和流通率两个概念来描述。库是由存在于生态系统某些生物或非生物成分中一定数量的某种化学物质所构成的，可分为贮存库和交换库。前者的特点是库容量大，元素在库中滞留的时间长，流动速率小，多属于非生物成分；交换库则容量较小，元素滞留的时间短，流速较大。物质在生态系统单位面积(或单位体积)和单位时间的移动量称流通率。生物地化循环在受人类干扰以前一般是处于一种稳定的平衡状态。元素和难分解的化合物常发生生物积累、生物浓缩和生

4、物放大现象。生物积累、生物浓缩和生物放大生物积累(bioaccumlation):指生态系统中生物不断进行新陈代谢的过程中，体内来自环境的元素或难分解的化合物的浓缩系数不断增加的现象。生物浓缩(bioconcentration):指生态系统中同一营养级上许多生物种群或者生物个体，从周围环境中蓄积某种元素或难分解的化合物，使生物体内该物质的浓度超过环境中的浓度的现象，又称生物富集。生物放大(biomagnification):指生态系统的食物链上，高营养级生物以低营养级生物为食，某种元素或难分解化合物在生物机体中浓度随营养级的提高而逐步增大的现象。生物放大的结果使食物链上高营养级生物体中该类物质

5、的浓度显著超过环境中的浓度。生物元素循环通常从两个尺度上进行研究，即全生物元素循环通常从两个尺度上进行研究，即全球循环和局域循环。全球循环，即全球生物地球化学球循环和局域循环。全球循环，即全球生物地球化学循环循环(global biogeochemical cycles)，代表了各种，代表了各种生态系统局域事件的总和。生态系统局域事件的总和。全球生物地球化学循环分为三大类型，即水循环、全球生物地球化学循环分为三大类型，即水循环、气体型循环和沉积型循环。气体型循环和沉积型循环。物质循环一般可分为两类：物质循环一般可分为两类：短循环短循环(short cycle)：即生态系统中的生产者，除一少部分

6、被：即生态系统中的生产者，除一少部分被 消费者吃掉外，绝大部分掉落在土壤表面，而被分解者分解消费者吃掉外，绝大部分掉落在土壤表面，而被分解者分解 还原为二氧化碳、水和矿盐分等。还原为二氧化碳、水和矿盐分等。长循环长循环(long cycle)：指绿色植物逐级经过各级消费者如食草动物、食指绿色植物逐级经过各级消费者如食草动物、食 肉动物和其他杂食动物以及寄生生物的采食、消化和排泄以及动植物的遗肉动物和其他杂食动物以及寄生生物的采食、消化和排泄以及动植物的遗 体进入土壤，经过食腐动物的啃食体进入土壤，经过食腐动物的啃食(如豺、秃鹫等如豺、秃鹫等)，而最后被微生物分解，而最后被微生物分解，物质再回到

7、环境中去，又一次参与生态系统的物质循环。物质再回到环境中去，又一次参与生态系统的物质循环。生物地化循环的类型水循环气体型循环沉积型循环生物地球化学循环的类型气体型循环贮存库是大气和海洋有气体形式的分子参与循环过程循环速度比较快，例如CO2、N2、O2等沉积型循环贮存库是岩石、土壤和沉积物没有气体形式的分子参与循环过程循环速度比较慢，时间要以千年计算，例如P、Ca、Na、Mg等水循环水的全球循环过程生态系统中所有的物质循环都是在水循环的推动下完成的一、全球水循环一、全球水循环 地球表面的总水量大约为地球表面的总水量大约为14亿亿km3,其中大约有其中大约有97%包含在海包含在海洋库中。洋库中。淡

8、水中：两极冰盖淡水中：两极冰盖29 000 km3、地下水、地下水8 000 km3、湖泊河流湖泊河流100 km3、土壤水分土壤水分100 km3、大气中水大气中水13 km3、生物体生物体中水中水1 km3。水分的大循环与小循环：水分的大循环与小循环：水循环的意义：水循环的意义：水是所有营养物质的介质；水是所有营养物质的介质；水对物质是很好的溶剂；水对物质是很好的溶剂；水是地质变化的动因之一。水是地质变化的动因之一。水循环的途径水循环的途径 人类活动对水循环的影响：人类活动对水循环的影响：空气污染和降水；空气污染和降水；改变地面，增加径流；改变地面，增加径流；过度利用地下水；过度利用地下水

9、；水利工程水利工程水的再分布。水的再分布。二、气体型循环二、气体型循环1 1，碳循环，碳循环 整个地球碳的储存数量约为整个地球碳的储存数量约为262610101515吨。其中有吨。其中有90%90%以上以以上以碳酸盐形式禁锢在岩石圈中，而只有碳酸盐形式禁锢在岩石圈中，而只有7500750010109 9吨是以有机态埋吨是以有机态埋藏在地下藏在地下(如煤、石油如煤、石油)。这些成为碳循环中的储存库。只有极少。这些成为碳循环中的储存库。只有极少量碳参与经常性流动和圈层间的交换。其中大气圈中量碳参与经常性流动和圈层间的交换。其中大气圈中(二氧化碳二氧化碳状态状态)约约70070010109 9吨，水

10、圈中吨，水圈中(多为碳酸盐态或二氧化碳状态多为碳酸盐态或二氧化碳状态)约约为为352503525010109 9吨。而构成现有生物量的有机碳仅为吨。而构成现有生物量的有机碳仅为1120112010109 9吨。吨。水圈、大气圈和生物圈扮演着碳循环中活动库的作用。水圈、大气圈和生物圈扮演着碳循环中活动库的作用。碳循环从大气中二氧化碳储库开始，通过绿色植物的光合碳循环从大气中二氧化碳储库开始，通过绿色植物的光合作用，将大气中的碳，转移到植物体中形成碳水化合物，然后作用，将大气中的碳，转移到植物体中形成碳水化合物，然后被各级消费者利用，其生物残体经过微生物分解还原以及生物被各级消费者利用，其生物残体

11、经过微生物分解还原以及生物的呼吸作用，再把碳回归到大气中。的呼吸作用，再把碳回归到大气中。碳循环碳的重要性：生命元素、能量流动碳库：海洋和大气、生物体碳的存在形式：CO2，无机盐，有机碳主要循环过程生物的同化和异化过程大气和海洋间的CO2交换碳酸盐的沉淀作用人类活动对碳循环造成严重影响，引起气候变化的主要原因海洋和大气CO2调节CO2CO2溶溶于海水于海水H2CO3水体中生物水体中生物H+CO32-CaCO3海底沉积物海底沉积物碳循环碳循环(CARBONCARBON CYCLECYCLE)化化泥碳泥碳煤煤大气中大气中COCO2 2COCO2 2碳化作用碳化作用石油石油水生植物水生植物光合作用光

12、合作用腐烂腐烂燃料燃料呼吸呼吸作用作用光合光合作用作用腐烂腐烂扩散扩散THE CARBON CYCLE9290750611015gCGREENHOUSE EFFECTS 温室效应：大气中对长波辐射具有屏蔽作用的温室气体浓度增加使较多的辐射能被截留在地球表层而导致温度上升 温室气体主要包括：二氧化碳(CO2)、甲烷(CH4)、氧化亚氮(N2O)、六氟化碳(SF6)、氟氯碳化物(CFCs)、氢氟碳化物(HFCs)等溫室效应的影响海平面上升，淹沒陆地全球气候经常发生暴雨或干旱土地沙漠化，生态环境改变 GREENHOUSE EFFECTCO2排放2050年大气CO2浓度控制目标可设定为470 ppmv

13、2008年大气CO2浓度为385.57 ppmv2005 年,大气CO2浓度为379.75 ppmv大气CO2浓度每增加 1 ppmv,增加碳的质量约为 1.52106(12/44)5.121015=2.12109 t(公式中,12是C的原子量,44是CO2 的分子量,12/44 表示CO2中碳的含量),即 2.12 GtC.这样,增加90.25 ppmv CO2浓度,即意味着大气圈将总共增加 191.33 GtC.每年通过土地利用排放的CO2为1.50 GtC2006 2050年人类可通过化石燃料消费获得的CO2 排放空间为348.43 GtC,即为 12775.77 亿吨CO2Ding Z

14、 L,Duan X N,Ge Q S,2009,et al.On the major proposals for carbon emission reduction and some related issues三、三、氮循环氮循环 据统计，物理化学据统计，物理化学(电化学和光化学电化学和光化学)的固氮量平均的固氮量平均7.67.610106 6吨吨/年，年，生物固氮量为生物固氮量为54106吨年。吨年。20002000年时，化肥的产量达到年时，化肥的产量达到808010106 6吨。吨。生物圈中氮生物圈中氮(10(106 6吨吨)的分布的分布大气 3，800，000陆地有机质 772活有机体

15、 12死有机体 760非有机氮（陆地）140地壳 14，000，000 海洋水中 20，000海洋有机体 901活有机体 1死有机体 900非有机体氮（海洋）100沉积物 4，000，000 无机氮总量=1，673 有机氮总量=21，820，240 氮循环氮的重要性氮库：大气、土壤、陆地植被生物可利用的氮的形式：NO32-、NO22-、NH4+氮循环的主要过程固氮作用氨化作用硝化作用反硝化作用氮循环氮循环(NITROGENNITROGEN CYCLECYCLE)陆地陆地陆地陆地其它其它动植物动植物蓝藻蓝藻浅层死有机物浅层死有机物溶解死有溶解死有机物机物土壤土壤中无中无机氮机氮库库丢失于深丢失于

16、深层沉积中层沉积中动植物动植物活体活体共生或共生或自由生活自由生活的固氮的固氮微生物微生物死有机体死有机体陆地陆地河流带走河流带走生物固氮生物固氮大气库大气库NN2 2大气库大气库HNHN3,3,NO,NONO,NO2,2,NN2 2O O ，工业固氮工业固氮（汽车（汽车,化肥化肥,电厂）电厂）脱氮脱氮闪电闪电化学反应化学反应海洋海洋火火山山作作用用降降水水大气大气氮的循环1012gN氨化作用、硝化作用和反硝化作用氨化作用：由氨化细菌和真菌的作用将有机氮分解成为氨和氨化合物，氨溶水成为NH4+，为植物利用硝化作用：在通气良好的土壤中，氨化合物被亚硝酸盐细菌和硝酸盐细菌氧化为亚硝酸盐和硝酸盐，供植物吸收利用反硝化作用：反硝化细菌将亚硝酸盐转变成氮气，回到大气库中氮循环是一个复杂的过程，包括有许多种类的微生物参加：氮循环是一个复杂的过程，包括有许多种类的微生物参加：1，固氮作用固氮作用（nitrogen fixation）2，氨化作用氨化作用（ammonification）氨化作用是蛋白质通过水解降解为氨基酸，然后氨基酸中氨化作用是蛋白质通过水解降解为氨基酸，然后氨基酸中的碳（不是氮）被氧