物质循环：水综述

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1、二、营养物循环,生物所必需的化学元素和无机化合物的运动，通常称之为营养物循环(nutrient cycling)。 每一个循环都包括两个分室(compartment)或库(pool)，即贮存库和循环库。前者容积大而活动缓慢。后者指在生物体和它们周围环境之间进行迅速交换的较小而活跃的部分。 从整个生物圈来看，这些物质的循环归属于三个基本类型： 水循环（water cycle）: 气体型循环（gaseous cycles）：主要贮存库是大气圈和海洋，如碳循环和氮循环； 沉积型循环（sedimentary cycles）：主要贮存库岩石圈，即土壤、沉积物和地壳的其他岩石。如磷循环、硫循环。,生态系统

2、物质循环的一般模式,M.J.Frisse, 1976年,植物库,物质循环的基本原理 1、物质不灭定律：一般的化学变化过程中，觉察不到物质在量上的增加或减少 2、质能转化与守恒定律：质量和能量作为一个统一体，其总量在任何过程中都是保持不变的守恒量。,物质循环之间的区别与联系,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，因此，没有水的循环，也就没有生态系统的功能，生命也将难以维持。 在气体循环中，物质的主要储存库是大气和海洋，循环与大气和海洋密切相联，具有明显的全球性，循环性能最为完善。凡属于气体型循环的物质，其分子或某些化合物常以气体的形式参与循环过程。属于这一类的物质有氧、二氧化碳、氮

3、、氯、溴、氟等。气体循环速度比较快，物质来源充沛，不会枯竭。,主要蓄库与岩石、土壤和水相联系的是沉积型循环，如磷、硫循环。沉积型循环速度比较慢，参与沉积型循环的物质，其分子或化合物主要是通过岩石的风化和沉积物的溶解转变为可被生物利用的营养物质，而海底沉积物转化为岩石圈成分则是一个相当长的、缓慢的、单向的物质转移过程，时间要以千年来计。这些沉积型循环物质的主要储库在土壤、沉积物和岩石中，而无气体状态，因此这类物质循环的全球性不如气体型循环、循环性能也很不完善。属于沉积型循环的物质有：磷、钙、钾、钠、镁、锰、铁、铜、硅等，其中磷是较典型的沉积型循环物质，它从岩石中释放出来，最终又沉积在海底，转化为

4、新的岩石。,气体循环和沉积型循环虽然各有特点，但都能受能量的驱动，并能依赖于水循环。 生态系统中的物质循环，在自然状态下，一般处于稳定的平衡状态。也就是说，对于某一种物质，在各主要库中的输入和输出量基本相等。大多数气体型循环物质如碳、氧和氮的循环，由于有很大的大气蓄库，它们对于短暂的变化能够进行迅速的自我调节。例如，由于燃烧化石燃料，使当地的二氧化碳浓度增加，则通过空气的运动和绿色植物光合作用对二氧化碳吸收量的增加，使其浓度迅速降低到原来水平，重新达到平衡。 硫、磷等元素的沉积物循环则易受人为活动的影响，这是因为与大气相比，地壳中的硫、磷蓄库比较稳定和迟钝，因此不易被调节。所以，如果在循环中这

5、些物质流入蓄库中，则它们将成为生物在很长时间内不能利用的物质。,1、水循环water cycle; aquatic cycle water circulation;hydrological cycle,水循环的意义： 水是所有营养物质的介质； 水对物质是很好的溶剂； 水是地质变化的动因之一。 水循环的途径 人类活动对水循环的影响： 空气污染和降水； 改变地面，增加径流； 过度利用地下水； 水的再分布。,“世界水日” 1992年6月参加联合国环境与发展大会的一百多个国家元首和政府首脑联笔写下了这样的警句：“水不仅为维护地球的一切生命所必须，而且对一切社会经济部门都有生死攸关的重要意义。” 继之，

6、联合国大会决定，自1993年起，确定每年的3月22日为“世界水日”，各国根据各自的国情，在这一天就水资源保护与开发开展活动，以提高公众意识。,国家节水标志,飘荡的白云,图片欣赏：,晶莹的露,飘渺的雾,凝重的霜,洒落的雨,洁白的雪,奔腾的江河湖海,皑皑的冰山、雪岭,IGBP的“水循环的生物圈方面”核心计划（BAHC）,WCRP的“全球能量与水循环实验”计划（GEWEX）,与水循环研究关系密切的两个大型国际计划,思考： 水=水资源？,水资源是指陆地上可以被人们利用的各种淡水资源。,奔腾的江河湖海、皑皑的冰山雪岭、浩瀚的海洋、飘荡的白云地球上的水在不停地运动着、变化着，形成一个巨大的循环系统,水文循

7、环过程如下图所示,江河湖海，土壤，植物中的水通过_变成水蒸汽，升入天空,汽化,云中的小水滴长大到一定程度后，降落到地面，就是雨,水蒸气随气流运动到各处，水蒸气在高空遇冷时，有的_成小水滴，有的_成小水晶，形成千资百态的云，云中的小水滴也会_成小水晶,液化,凝华,凝固,冰山上的积雪_，直接变成水蒸气，升入天空,升华,积雪_后变成水，汇入江河,熔化,雨水汇入江河，流向大海,水循环示意图,海陆间水循环,内陆水循环,海上内循环,这种海陆间的水循环又称大循环，是指海洋水与陆地水 之间通过一系列的过程所进行的相互转化。 它是陆面补水的主要形式。,是指陆面水分的一部分或者全部通过陆面、水面蒸发和植 物蒸腾形

8、成水汽，在高空冷凝形成降水，仍落到陆地上，从 而完成的水循环过程。,海上内循环，就是海面上的水份蒸发成水汽，进入大气后 在海洋上空凝结，形成降水，又降到海面的过程。,水是地球上最丰富的无机化合物，也是生物组织中含量最多的一种化合物。 它是地球上一切物质循环和生命活动的介质。 水是大自然的驱动力，没有水的循环，生物地球化学循环就不能存在，生态系统就无法启动，生命就不能维持。,水循环的生态学意义,从许多方面看，全球水循环是最基本的生物地化循环，它强烈地影响着其他所有各类物质的生物地化循环。 水循环的主要作用表现在三个方面： 水是所有营养物质的介质。营养物质的循环和水循环不可分割地联系在一起。 地球

9、上水的运动，还把陆地生态系统和水域生态系统连接起来，从而使局部生态系统与整个生物圈发生联系。 同时，大量的水防止了地球上温度的剧变。 水对物质是很好的溶剂。水在生态系统中起着能量传递和利用的作用。绝大多数物质都溶于水，随水迁移。 水是地质变化的动因之一。其他物质的循环常是结合水循环进行的。一个地方矿质元素的流失，而另一个地方矿质元素的沉积，亦往往要通过水循环来完成。,地球上的水圈是一个永不停息的动态系统。在太阳辐射和地球引力的推动下，水在水圈内各组成部分之间不停的运动着，构成全球范围的海陆间循环（大循环），并把各种水体连接起来，使得各种水体能够长期存在。海洋和陆地之间的水交换是这个循环的主线，

10、意义最重大。在太阳能的作用下，海洋表面的水蒸发到大气中形成水汽，水汽随大气环流运动，一部分进入陆地上空，在一定条件下形成雨雪等降水；大气降水到达地面后转化为地下水、土壤水和地表径流，地下径流和地表径流最终又回到海洋，由此形成淡水的动态循环。这部分水容易被人类社会所利用，具有经济价值，正是我们所说的水资源。,水循环是联系地球各圈和各种水体的“纽带”，是“调节器”，它调节了的球各圈层之间的能量，对冷暖气候变化起到了重要的因素。 水循环是“雕塑家”，它通过侵蚀，搬运和堆积，塑造了丰富多彩的地表形象。 水循环是“传输带”，它是地表物质迁移的强大动力，和主要载体。 更重要的是，通过水循环，海洋不断向陆地

11、输送淡水，补充和更新新陆地上的淡水资源，从而使水成为了可再生的资源。,水循环的驱动力,生态系统中的水循环包括截取、渗透、蒸发、蒸腾和地表径流。水循环的驱动力包括以下三个方面。 太阳能驱动了全球水循环。在上升环(up loop)和下降环(down loop)的共同作用下，水川流不息形成了水的全球循环。大气水分凝结的云和以雨、雪为主要形式的大气降水是全球水循环的主要输入部分。 植物在水循环中的作用是极其巨大的。水分的蒸发对于植物的生长、发育也至关重要。生产1g初级生产量差不多要蒸腾500g的水。因此，陆地植被每年蒸腾大约551012m3的水，几乎相当于陆地蒸发蒸腾的总量。这就增加了空气中的水分，促

12、进了水的循环。 海洋和陆地在太阳光的照射下，不断蒸发水分。低纬度地区蒸发多于高纬度地区。大气湿度随着空气的流动而变动。气流实际上成为地球上空巨大的“河流”，其中有一部分是以雨的形式降落。,内因（水的物理特性）,外因（太阳辐射和地心引力）,水循环,水循环周期 大气中总含水量约1.29105亿m3，而全球年降水总量约5.77106亿m3，由此可推算出大气中的水汽平均每年转化成降水44次，也就是大气中的水汽，平均每8天多循环更新一次。 全球河流总储水量约2.12104亿m3，而河流年径流量为4.7105亿m3，全球的河水每年转化为径流22次，亦即河水平均每16天多更新一次。,人类社会的水循环 “人类

13、社会的水循环”是指人类在经济社会活动中不断地取水、用水和排水而产生的人为水循环过程。它是依附于自然水循环的一个组成部分，或者是一个环节、分支（如同降水、蒸发、下渗等环节），而不是一个独立的水循环过程。 水的自然循环和社会循环是交织在一起的，水的社会循环依赖于自然循环而存在，同时又严重干扰自然界的水循环。从“天人合一”和“人与自然协调发展”的角度，应当将水循环研究纳入到“天然-人工”这个更为完整的水循环体系中。,“天然人工”水循环示意图,水循环原理,水量平衡原理 Water balance（水量平衡）是指在任一时段内研究区的输入与输出水量之差等于该区域内的储水量的变化值。 水量平衡研究的对象可以

14、是全球、某区（流）域、或某单元的水体（如河段、湖泊、沼泽、海洋等）。 研究的时段可以是分钟、小时、日、月、年，或更长的尺度。 水量平衡原理是物理学中“物质不灭定律”的一种表现形式。,全球储水量 地球的总储水量约1.381010亿m3，其中海水约1.341010亿m3，占全球总水量的96.5%。余下的水量中地表水占1.78%，地下水占1.69%。 人类可利用的淡水量约为3.5108亿m3，主要通过海洋蒸发和水循环而产生，仅占全球总储水量2.53%。淡水中只有少部分分布在湖泊、河流、土壤和浅层地下水中，大部分则以冰川、永久积雪和多年冻土的形式存储。其中冰川储水量约2.4108亿m3，约占世界淡水总

15、量的69%，大部分都存储在南极和格陵兰地区。,海洋水96.530%,大气水0.001%,陆地水3.469%,（淡水2.53%）,地球水的组成,地下水48.779%,冰川水50.163%,永冻土底冰0.625%,湖泊淡水0.368%,土壤水0.034%,沼泽水0.024%,河水0.005%,生物水0.002%,地球淡水的组成,水量变化规律 水量平衡在水循环和水资源转化过程中是一个至关重要的基本规律 。就某个地区在某一段时期内的水量平衡来说，水量收入和支出差额等于该地区的储水量的变化量。 一般流域水量平衡方程式可表达为 ： P - E - R = S （2.1.1） 式中，P为流域降水量，E为流域

16、蒸发量，R为流域径流量，S为流域储水量的变化量。从多年平均来说，流域储水变量S的值趋于零。,流域多年平均水量平衡方程式为： P0 = E0 + R0 （2.1.2） 式中P0、E0、R0分别代表多年平均降水量、蒸发量、径流量。 海洋的蒸发量大于降水量，多年平均水量平衡方程式可写为： P0 = E0 - R0 （2.1.3） 全球多年平均水量平衡公式为： P0 = E0,全球水平衡(数据来自John Mbugua et al, 1995),1.19106亿m3 陆地年降水量,0.72106亿m3 陆地年蒸发量,4.58106亿m3 海洋年降水量,5.05106亿m3 海洋年蒸发量,能量平衡原理 能量守恒定律是水循环运动所遵循的另一个基本规律，水分的三态转换和运移都时刻伴随着能量的转换和输送。 大气传送的潜热（水汽）作为一条联系全球能量平衡的纽带，贯穿于整个水循环过程中。,地球的辐