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1、第十一章 生态系统的物质循环 19 05 2020 2 主要内容 第一节 物质循环的一般特点第二节 水循环第三节 气体型循环 C N 第四节 沉积型循环 P S 第五节 有毒有害物质循环第六节 放射性核素循环第七节 生物地化循环与人体健康 19 05 2020 3 重点内容 生物地球化学循环的概念水循环的作用及过程C循环和N循环有毒有害物质循环 19 05 2020 4 生态系统中的能量与物质 能量来源于太阳 是生态系统一切活动和过程的最终推动力 能量总是由高效能向低效能沿单方向流动 一切自由能只能用一次 物质来自地球本身 是构成生态系统生命和非生命组分的原材料 物质在生态系统中可以反复循环利
2、用 既是维持生命活动的物质基础 又是能量的载体 19 05 2020 5 第一节 物质循环的一般特点 物质循环的概念物质循环的模式物质循环的特点 19 05 2020 6 物质循环的概念 物质循环 生物地球化学循环 指生态系统内的各种化学元素及其化合物在生态系统内部各组成要素之间及其在地球表层生物圈 水圈 大气圈和岩石圈 土壤圈等各圈层之间 沿着特定的途径从环境到生物体 再从生物体到环境 不断地进行反复循环变化的过程 19 05 2020 7 包括 生物循环及地球化学循环 只在生态系统各要素之间循环时 生物循环 环境中的元素经生物体吸收 在生态系统中被相继利用 然后经过分解者的作用 再为生产者
3、吸收 利用 包含有五大圈层之间的循环时 地球化学循环 化合物或元素经生物体吸收利用 从环境进入生物有机体内 然后生物有机体以残体或排泄物的形式将物质或元素返回到环境 经过五大自然圈循环后再被生物利用的过程 时间短 范围小开放式的循环生物小循环 时间长 范围广闭合式的循环地质大循环 19 05 2020 8 生物小循环 地质大循环 物质循环 生物地球化学循环 19 05 2020 9 二 物质循环模式 库 流通 物质循环的库物质循环过程中被暂时固定 储存的场所称为库 生态系统中各组分都是物质循环的库 如植物库 动物库 土壤库等 在生物地球化学循环中 库可分为储存库 容积大 物质交换活动缓慢 一般
4、为环境成分 和交换库 容积小 交换快 一般为生物成分 19 05 2020 10 物质循环的流通 物质在库与库之间的转移运动状态称为流通 水体库 浮游生物库 底泥库 水生生态系统中P的循环模式 19 05 2020 11 物质循环的效率流通率 单位时间 单位面积内通过的营养物质的绝对值 周转率 出入一个库的流通率除以该库中的营养物质的总量 周转时间 库中的营养物质总量除以流通率 19 05 2020 12 大气圈 CO2的周转时间大约是一年左右 主要是光合作用从大气圈中移走二氧化碳 N2的周转时间约近100万年 主要是生物的固氮作用 H2O的周转时间只有10 5天 海洋 硅最短 约8000年
5、钠最长 约2 06亿年 差距 19 05 2020 13 影响物质循环的主要因素 循环元素的性质生物的生长速率有机物分解的速率 19 05 2020 14 三 物质循环的特点 物质不灭 循环往复物质循环和能量流动不可分割 相辅相成物质循环的生物富集生态系统对物质循环有一定的调节能力物质循环中生物的作用各种物质循环过程相互联系 不可分割 19 05 2020 15 四 生物地球化学循环的类型 水循环气体型循环沉积型循环 物质循环的核心 具有明显全球性循环性能最为完善C N循环 循环速度较慢P S循环 19 05 2020 16 第二节 水循环 水循环的作用 水是所有营养物质的介质 营养物质的循环
6、和水循环不可分割地联系在一起 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 水是地质变化的动因 其他物质的循环是结合水循环进行的 19 05 2020 17 一 全球水循环 水循环的原因内因 水自身的特点外因 太阳辐射和重力作用水循环的主要方式蒸发 地表和海洋中的水在太阳能作用下变成水蒸气进入大气中 降水 大气中的水汽以雨雪冰雹的形式降落到地面和海洋 19 05 2020 18 降水与蒸发大气层中水汽的循环是蒸发 凝结 降水 蒸发的周而复始的过程 蒸发是水循环中最重要的环节之一 由蒸发产生的水汽进入大气并随大气活动而运动 大气中的水汽主要来自海洋 一部分来自大陆表面的蒸发 海洋
7、上空的水汽可被输送到陆地上空凝结降水 称为外来水汽降水 大陆上空的水汽直接凝结降水 称内部水汽降水 19 05 2020 19 地球上的降水量 蒸发量 但是不同地区 不同表面情况不一样 地表径流 19 05 2020 20 地表径流 是指经土壤或地被物吸收及在空气中蒸发后余下的在地表流动的那部分天然降水 平衡一个地区降水量与蒸发量的差值 溶解和携带大量的营养物质 使他们从一个生态系统搬运到另一个生态系统 这对补充某些生态系统营养物质不足起到非常重要的作用 19 05 2020 21 19 05 2020 22 19 05 2020 23 二 生态系统中的水循环 降水 植物群落截留 到达地表 渗
8、入土中 地表径流 植物吸收 进入地下水 植物蒸腾作用 地表水蒸发 蒸发 19 05 2020 24 三 人类活动对水循环的影响 人类活动不断改变着自然环境 越来越强烈地影响水循环的过程 构筑水库 开凿运河 渠道 河网 以及大量开发利用地下水 改变了水的原来径流路线 农业的发展 森林的破坏 引起蒸发 径流 下渗等过程的变化 城市和工矿区的热岛效应也可改变本地区的水循环状况 人类生产和消费活动排出的污染物通过不同的途径进入水循环 19 05 2020 25 19 05 2020 26 1998年长江流域洪涝灾害的原因 气候原因 盲目开垦砍伐 使植被大面积丧失 造成水土流失 江河泥沙淤积 河床抬高
9、人为的围湖造田 加之上游挟带的泥沙淤积 致使长江中下游湖面急剧萎缩 调蓄能力大幅下降 19 05 2020 27 第三节气体型循环 碳循环氮循环 19 05 2020 28 一 碳循环 碳 绝大部分碳以碳酸盐形式储存在岩石中 生物可直接利用的是大气和水中的CO2 CO2是C循环核心 绿色植物固定CO2构成全球生产基础 有机体干重的45 是碳 各类生态系统固定CO2速率不同 大气 海洋 森林是碳储存库 19 05 2020 29 碳源 碳汇 根据 联合国气候变化框架公约 的定义 19 05 2020 30 碳循环的基本途径 在光合作用和呼吸作用之间的细胞水平上的循环 大气CO2和植物体之间的个体
10、水平上的循环 大气CO2 植物 动物 微生物之间的食物链水平上的循环 生物小循环碳以动植物有机体形式深埋地下 在还原条件下 形成化石燃料 大气中的碳通过海洋生态系统溶解 经过地质年代后形成石灰岩和珊瑚礁 地质大循环 19 05 2020 31 碳源 海洋 土壤 岩石与生物体 生产 生活等 碳汇 森林 湿地 草地 土壤 海洋等 图湿地生态系统碳的生物化学过程 土壤贮碳的能力受许多因子影响 如土壤质地 温度和土壤湿度或排水体系 土壤碳贮量还与岩屑化学 植物群落组成和生理生化过程相关 19 05 2020 32 联合国气候变化框架公约的发展 1988年联合国成立 气候变化政府间专家委员会 1992年
11、5月联合国通过 气候变化框架公约 1992年6月巴西里约热内卢举行举行的联合国环发大会 地球首脑会议 上通过该公约 共155国签署 1994年3月21日公约正式生效 1995年03月 德国柏林举行第1届缔约国大会 1996年07月 瑞士日內瓦举行第2届缔约国大会 1997年12月 日本京都举行第3届缔约国大会 1998年11月 阿根廷布宜诺斯艾利斯举行第4届缔约国大会 1999年10月 德国波恩举行第5次缔约国大会 19 05 2020 33 2000年11月份在荷兰海牙召开的第6次缔约方大会期间 世界上最大的温室气体排放国美国坚持要大幅度折扣它的减排指标 因而使会议陷入僵局 大会主办者不得不
12、宣布休会 将会议延期到2001年7月在波恩继续举行 2001年10月 第7次缔约方大会在摩洛哥马拉喀什举行 2002年10月 第8次缔约方大会在印度新德里举行 2003年12月 第9次缔约方大会在意大利米兰举行 这些国家和地区温室气体排放量占世界总量的60 2004年12月 第10次缔约方大会在阿根廷布宜诺斯艾利斯举行 19 05 2020 34 2005年2月16日 京都议定书 正式生效 目前 已有156个国家和地区批准了该项协议 2005年11月 第11次缔约方大会在加拿大蒙特利尔市举行 2006年11月 第12次缔约方大会在肯尼亚内罗毕举行 2007年12月 第13次缔约方大会在印度尼西
13、亚巴厘岛举行 2008年12月 第14次缔约方大会在波兰波兹南市举行 2009年12月 第15次缔约方大会在丹麦哥本哈根举行 2010年12月 第16次缔约方大会在墨西哥坎昆举行 2011年11月 第17次缔约方大会在南非德班举行 2012年11 26 12 07 第18次缔约方大会在卡塔尔多哈举行 联合国气候变化框架公约第18次缔约方会议暨京都议定书第8次缔约方会议 19 05 2020 35 减缓温室效应的一般途径 1 调整能源战略采用高效能转化设备 如电热共生产系统 或可调速电动机 采用低耗能工艺 改进运输 降低油耗 推出新型高效家电 改进建筑保温 利用废热 余热集中供暖 可节能30 加
14、强废旧物资回收利用 寻找 推广新能源 2 绿化对策目前热带雨林年损失1400万公顷 每年从空气中就少吸收4亿吨CO2 3 控制人口 提高粮产 限制毁林4 加强环境意识教育 促进全球合作 19 05 2020 36 5 减少温室效应的新途径 二氧化碳深海埋藏在大约二千七百米深处 液体二氧化碳的密度比海水大 在低温和低压下 二氧化碳和水反应形成一种像冰一样固体水合物 气体水合物在深水中溶解很缓慢 根据现在的海面和深海层之间水循环模型 在太平洋约为五百五十年 在大西洋约为二百五十年水合物才会完全溶解 19 05 2020 37 不为人知的宽带网络排放CO2 一年的排放量 每周观看1部电影1年的CO2
15、排放量为 5kg 365 7 260kg 每传输1MB的流量要排放 1gCO2 传输一部高清电影的CO2排放量 一张清晰电影光盘的容量为 5G下载这部电影的CO2排放量为 5GB 1g MB 5kg 19 05 2020 38 二 氮循环 氮气是无害气体 因为氮气的化学活性稳定 不容易和其他物质进行反应 氮在环境中的主要形态有三种 分子氮 有机氮化合物 无机氮化合物 氮是叶绿素 蛋白质的组成成分 也是植物体内维生素和能量系统的组成部分 占大气组成的78 植物所能利用的氮的形式 NO2 NO3 NH4 固氮作用 高能固氮工业固氮生物固氮 19 05 2020 39 1 固氮作用 高能固氮工业固氮
16、生物固氮 19 05 2020 40 高能固氮 通过闪电 陨石 宇宙射线 火山爆发等活动的高能固氮 其结果形成氨或硝酸盐 然后随着降雨到达地球表面 速率大概为 8 9kg hm2 a 19 05 2020 41 N2 O22NO2NO O22NO23NO2 H2O2HNO3 NO 放电 高能固氮的相关反应 19 05 2020 42 工业固氮 赞扬哈伯的人说 他是天使 为人类带来丰收和喜悦 是用空气制造面包的圣人 批评哈伯的人说 他是魔鬼 给人类带来灾难 痛苦和死亡 N2 3H22NH3 德国物理化学家 合成氨的发明者弗里茨 哈伯 FritzHaber 高温 高压 催化剂 19 05 2020 43 19 05 2020 44 19 05 2020 45 合成氨的原料来自空气 煤和水 从而结束了人类完全依靠天然氮肥的历史 给世界农业发展带来了福音 为工业生产 军工需要的大量硝酸 炸药解决了原料问题 在化工生产上推动了高温 高压 催化剂等一系列的技术进步 氨废水排放量大 水污染排放点多 污水成分复杂等问题 多年来 水污染问题一直是制约合成氨工业可持续发展的主要因素之一 19 05 202
