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1、第七章 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
2、的物质转移量 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
3、生 存，并使有机体很快分解，供生物重新利用 人类活动的影响： 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
4、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
5、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 球循环和局域循环。全球循环，即全球生物地球化学 循环(global biogeochemical cycles)，代表了各种 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、 气体型循环和沉积型循环。 物质循环一般可分为两类： 短循环环(short cycle)：即生态态系统统中的生产产者，除一少部分 被 消费费者吃掉外，绝绝大部分掉落在土壤表面，而被分解者分解 还还原为为二氧化碳
6、、水和矿盐矿盐 分等。 长长循环环(long cycle)：指绿绿色植物逐级经过级经过 各级级消费费者如食草动动物、食 肉动动物和其他杂杂食动动物以及寄生生物的采食、消化和排泄以及动动植物的遗遗 体进进入土壤，经过经过 食腐动动物的啃啃食(如豺、秃鹫秃鹫 等)，而最后被微生物分解， 物质质再回到环环境中去，又一次参与生态态系统统的物质质循环环。 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
7、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 地球表面的总总水量大约为约为 14亿亿km3, 其中大约约有97%包含在海 洋库库中。 淡水中：两极冰盖29 000 km3、地下水8 000 km3 、 湖泊河流100 km3 、土壤水分100 km3 、大气中水13 km3 、生物体 中水1 km3 。 水分的大循环与小循环： 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，
8、增加径流； 过度利用地下水； 水利工程 水的再分布。 二、气体型循环 1，碳循环 整个地球碳的储存数量约为261015吨。其中有90%以上以 碳酸盐形式禁锢在岩石圈中，而只有7500109吨是以有机态埋 藏在地下(如煤、石油)。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(二氧化碳 状态)约700109吨，水圈中(多为碳酸盐态或二氧化碳状态)约 为35250109吨。而构成现有生物量的有机碳仅为1120109吨。 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 作用，将大气中的碳，转移到植物体中形成碳水
9、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 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 CO2 CO2溶 于海水 H2CO3 水体中生物 H+CO32- CaCO3 海底沉积物 碳循环(CARBON CYCLE) 化 泥碳 煤 大气中CO2 CO2碳化作用 石油 水生植物 光合作用 腐烂 燃料 呼吸 作用 光合 作用 腐烂
10、 扩散 THE CARBON CYCLE 9290 750 6 1 1015g C GREENHOUSE 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 Incoming sunlight warms the surface of the Earth and is radiated
11、Incoming sunlight warms the surface of the Earth and is radiated back to atmosphere. Greenhouse gases absorb some of this heat, back to atmosphere. Greenhouse gases absorb some of this heat, trapping it in the atmosphere.trapping it in the atmosphere. GREENHOUSE EFFECT CO2排放 2050年大气CO2浓度控制目标可设定为470
12、ppmv 2008年大气CO2浓度为385.57 ppmv 2005 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 GtC 2006 2050年人类可通过化石燃料消费获得的CO2 排放空间为348.43 Gt
13、C, 即为 12775.77 亿吨CO2 Ding Z L, Duan X N, Ge Q S, 2009,et al. On the major proposals for carbon emission reduction and some related issues 三、氮循环 据统计，物理化学(电化学和光化学)的固氮量平均7.6106吨/年， 生物固氮量为54106吨年。2000年时，化肥的产量达到 80106吨。 生物圈中氮(106吨)的分布 大气 3，800，000 陆地有机质 772 活有机体 12 死有机体 760 非有机氮（陆地） 140 地壳 14，000，000 海洋水
14、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(NITROGEN CYCLE) 陆地陆地 其它 动植物 蓝藻 浅层死有机物 溶解死有 机物 土壤 中无 机氮 库 丢失于深 层沉积中 动植物 活体 共生或 自由生活 的固氮 微生物 死有机体 陆地河流带走 生物固氮 大气库 N2 大气库 HN3
15、,NO,NO2, N2O ， 工业固氮 （汽车,化肥,电厂） 脱氮 闪电 化学反应 海洋 火 山 作 用 降 水 大气 氮的循环 101 2gN 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： 1，固氮作用（nitrogen fixation） 2，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 的碳（不是氮）被氧化而释放出氨（NH3）的过程。 3，硝化作用 （nitrification）： 是氨的氧化过程，最终氨转化为硝酸盐。 4，反硝化作用 （denitrification） 固氮作用 类型 闪电、宇宙射线、火山爆发等高能固氮 工业固氮：400摄氏度，200大气压下 生物固氮：固氮菌、与豆科植物共生的根瘤菌和蓝藻等 自养和异养微生物 意义 平衡反硝化作用 对局域缺氮环境有重要意义 使氮进入生物循环 生态系统中的氮循环 氮循环造成的环境问题 水体富营
