《生态系统中的物流》ppt课件

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1、第11章、生态系统和全球的物质循环,第一节 生态系统物流的一般特点 一生命与元素 自然界包含着许多生命活动所必需的无机和有机物质，其中包括20多种必要元素。 最重要的元素：碳、氧、氢、氮和磷，占全部原生质的97%以上。,大量营养元素（macronutrient）：钙、镁、钾、硫、钠 微量元素（micronutrient)：铜、锌、硼、锰、钼 植物必需营养元素的功能,物质在生态系统中不是静止不动的，而是沿着不同的途径在不同的生态组分之间发生着固定、吸收、释放、迁移、转化、并最终返回到环境中。 生物地球化学循环（biogeochemical cycle）：由于生态系统的生物质循环是在地球上的生物与

2、非生物之间，通过化学形态的转换与运转，故又称为生物地球化学循环。,物质循环（cycle of material）在生态系统中是时刻进行的，并与能量流动紧密结合在一起，它们把各个组分有机地结合在一起，共同构成了极其复杂的能量流和物质流网络系统，从而维持了生态系统的持续存在。,二物质循环的库与流,1库（pool） 物质在运动过程中被暂时固定、贮存的场所称为库。生态系统中：植物库、动物库、大气库、土壤库和水体库。 源（source）：是产生和释放物质的库 汇（sink）：是吸收和固定物质的库,源：产生或释放库,汇： 吸收或固定库,流动,在生物地球化学循环中：贮存库（reservoir pool）其容

3、积较大，物质交换活动缓慢，一般为非生物成分的环境库；交换库（exchange pool）其容积较小，与外界物质交换活跃，一般为生物成分。,2物质流（flow）：物质在库与库之间的转移运行称为流 3生物量与现存量 生物量（biomass）：在某一特定观察时刻，单位面积或体积内存积存的有机物质总量。 生物量又称为现存量（Standing crop）,生产者 100U,沉积层 5000U,消费者 50U,水体 1000U,16U/d,4U/d,4U/d,20U/d,20U/d,一个面积为1.62公顷的池塘系统中P的库与流通率模式图。,三物质循环的基本类型,1生物地球化学循环 生物地球化学循环：地质大

4、循环和生物小循环 地质大循环：是指物质或元素经生物体的吸收作用，从环境进入生物有机体内，然后生物有机体以死体、残体或排池物形式将物质或元素返回环境，进入五大圈的循环。,五大自然圈：大气圈、水圈、岩石圈、土壤圈和生物圈。 地质大循环：范围大、周期长和影响面广。 生物小循环：是指环境中元素经生物吸收，在生态系统中被相继利用，然后经过分解者的作用，回到环境后，再为生产者吸收、利用循环过程。 图71,2. 物质循环的几种基本类型 水循环 气体循环：C、H、O、N 沉积物循环：P、S、I、K、Na、Ca,第二节 水循环,一全球水分循环 在自然界中，水以固态、液态和气态形式分布于水圈、大气圈、岩石圈、土壤

5、圈和生物圈中。 地球上的总水量？ 1970年国际水文学会统一了大致的数据： 总水量：1.4109km3,大气圈,地表径流（0.37),降水（4.12）,降水（1.08）,蒸发（0.71),蒸发（4.49),陆地,海洋,水的全球循环和水的分布(1017 Kg,总水量：1.4109km3=140000 TT(亿吨） 海洋 （97%）1.358*109km3=135800TT 冰川冰盖 29000TT 地下水： 8000TT 湖泊河流：100TT 土壤湿气：100TT 空气中水蒸汽：13TT 生物体：1TT,表72地球的水量估计,海洋、大气和陆地的水在自身位能、太阳能、气象因子、生态环境以及人类活动

6、的耦合作用下，进行着连续的大规模的交换，使自然界中的水形成了一个随时间、空间变化的复杂的动态系统水分循环。,由于太阳辐射，海面和陆地每年约有488000 km3水分蒸发到空中。 据估计，大气中的全部水量9d即可更新一次 河流：1020d， 土壤：280d 淡水湖：1100年， 地下水：300年 海洋：37000年。,二人类对水循环的干扰 植被破坏 围湖造田以及排干沼泽、冬水田、低湿地等 兴建大型的截流、蓄水、引水、灌溉工程 过度开采地表和地下贮水,三我国水资源分布特点及在开发利用方面存在的问题 特点：东南多、西北少，由东南沿海地区向西北内陆地区递减，分布极不均匀。全国有50%的国土处在降雨量少

7、于400mm的干旱、半干旱少水地带，这一地带生态环境脆弱，属于生态脆弱带，水是主要的限制因子。,问题： 现有的水利设施不能适应现代化建设的需要。 现有的水利工程及渠子配套等遗留问题较多。 水体污染日趋严重。全国每天污水排放量为7500万吨。 地下水的超采严重。,四生态系统的水分管理 1植树造林，发挥“绿色水库”作用，扩大土壤的水分库容。 2加强农田水利基本建设，提高水分利用率。 3.改变耕作制度与管理方式，发展节水农业。 4防治水体污染。 5加强全流域水资源保护与统一调度。,第三节 生态系统的碳流动,一自然界的碳循环 碳的来源是二氧化碳 生物圈的碳循环主要是指植物通过光合作用将CO2转变成机物

8、（糖类、蛋白质及类脂化合物等），并通过食物链在生态系统中传递，被植物和动物所消耗，最终通过呼吸作用、发酵作用和燃烧又使碳以CO2形式返回大气中，再加入上述循环的全部过程。,C素的生物地球化学循环( 气体型循环) Numbers are storage as 1015 g (109 T) or fluxes as 1015 g (109 T) per year (data from Schlesinger 1991),碳的生物小循环有三个层次或途径：,1. 在光合作用和呼吸作用之间的细胞水平上循环； 2. 大气CO2和植物体之间的个体水平上的循环； 3. 大气CO2植物动物微生物之间的食物链水平

9、上的循环。,碳主要贮藏在大气、生物体、土壤和水圈及岩石圈几个库中。 在生物圈中，绿色植物的光合作用是推动碳循环的主要动力，有些微生物的化能合成也能推动碳循环，但其作用甚微。研究表明，后者的作用只有前者的1%。,存在于自然界中的碳是大量的，也是多种多样的。以CO2形态存在于大气中的碳达71011t，以碳氢燃料著称的煤和石油中含碳11013t ，以上千种碳化合物形态存在于植物体中的碳达81011t，但只有CO2形态的碳才能被植物吸收和利用，才能进入碳循环。,在漫长的地球演变过程中，和其他元素的循环一样，碳循环并不是有规律地进行，有时会出现停滞现象。例如，成煤期就有大量的碳被封存在地下煤层中，以石油

10、形态的碳长期被禁锢在地壳内，从而造成了碳循环的部分阻塞。,但是根据近期的观测统计表明，近100年来，大气中的CO2含量一直在不断上升，在大气这种环节上出现了碳的堆积和碳循环的堵塞。由于这次堵塞的特点出现在大气这个环节上，形成堵塞时间较短，加之现代地球上的人口众多，经济发达，因而其危害更加严重。,三个重要的C循环过程：,1 光合作用和呼吸作用： 光合：850亿吨/年， 2 海洋-大气交换： 3 碳酸盐的沉积和溶解： CaCO3（不可溶）+H2O +CO2 Ca2+ +2HCO3 （可溶）,大气（640GT）,陆地植物同化 35GT,海洋+地表水 84GT,二、人类活动对碳循环的干扰,二氧化碳、甲

11、烷等全体的含量正以前所未有的速度增加，进而导致全球范围的气候变化。 全球变化（global change）是指由于人类活动排放温室气体而产生温室效应导致全球气候变暖，降水量增加、海平面上升，并由此而产生一系列生态和环境变化的总称。,1. 人类活动对大气中二氧化碳浓度的影响,二氧化碳浓度增加的原因： 19世纪到20世纪初主要是砍伐森林 20世纪以来又加上燃烧矿物燃料，如煤、石油及天然气。 数据：从公元10001800年间大气中二氧化碳的浓度是相当稳定的，大约变化于270290ul/L之间，平均值为280ul/L。,由于自然植被与未开发森林的含碳量比农用地大20100倍，从18501986年的10

12、0多年的时间里，估计反此一个因素就向大气排放了11535Gt（1Gt=10亿t）的碳，现在每年的排放量约1.91.1Gt碳。,陆地生态系统贮存的总碳量中大约99.9%的碳存在于植物体中，动物体内贮存的碳仅占0.1%。 根据有关估算，在18501950年间，由于人类的活动而排入大气中的碳达1.81011t ，其中1/3来自化石燃料的燃烧，其余2/3则来源植被的破坏，特别是森林破坏的结果。,但20世纪以来，由于矿物燃料的消耗迅速增大，向大气中排放的碳，在第一次世界大战前已达0.80.9 Gt，第二次世界大战前为1.5 Gt，目前达5.70.1Gt。 大气中二氧化碳浓度年增长达1.6 ul/L。,2

13、、 人类活动对大气中甲烷浓度的影响,甲烷（CH4）俗称沼气，其浓度在温室外气体中占第二位。其增长与世界人口的增长有非常大的相关。 19世纪之前大约不超过0.8 ul/L。 19世纪末增加到0.9 ul/L。 从1978年开始有正式观测，浓度为1.51 ul/L。,目前已达1.72 ul/L。 即大气中含4900Tg（1Tg=1012g）的甲烷 即每年向大气中排放4048Tg，年增量0.8%1.0%。 估计到2030年浓度达2.34 ul/L。 2050年可达2.5 ul/L。,第四节、生态系统的氮流动,大气中氮的含量为79%，总贮量约为38106亿t，但不能为大多数植物直接利用。只有通过固氮菌

14、和蓝绿藻等生物固氮，闪电和宇宙线的固氮，以及工业固氮的途径，形成硝酸盐或氨的化合物形态，才能为多数植物和微生物吸收利用。,三个重要过程 （1）氨化作用 （2）硝化和反硝化作用 （3）固氮作用,氮循环示意图,大气中的,(3) 固氮作用： 细菌蓝藻雷电等,反硝化作用,硝酸盐,食物链,氨,排泄物,(1)氨化作用,植物,硝化作用,(2),一个湖泊生态系统（Sycamore Creek, Arizona 美国亚利桑那)的氮循环,N 素的生物地球化学循环， * 109g ，千吨,全球的氮循环 全球氮循环的主体存在于土壤和植物之间。 据Rosswall估算，在全球陆地生态系统中，氮素总流量的95%在植物微生

15、物土壤系统中进行，只有5%在该系统与大气圈之间流动。,全球陆地生态系统各组分的氮素平均周转速率，植物，4.9年；枯枝落叶，1.1年； 土壤微生物，0.09年；土壤有机质，1.77年；土壤无机氮，0.53年。,固氮作用 闪电和宇宙线的固氮， 大约8.9kg/hm2a 工业固氮，已达1108T 生物固氮，大约100-200kg/hm2a，大约占地球固氮的90%。,氨化作用：由氨化细菌和真菌的作用将有机氮分解成氨和氨化合物，氨溶与水即成为NH4+，可为植物所直接利用。,硝化作用：在通气情况良好的土壤中，氨化合物被亚硝酸盐细菌和硝酸盐细菌氧化为亚硝酸盐，供植物吸收利用。 反硝化作用：也称脱氮作用，反硝

16、化细菌将亚硝酸盐转变成大气氮，回到大气库中。,因此，在自然生态系统中，一方面通过各种固氮作用使氮素进入物质循环，而通过反硝化作用、淋溶沉积等作用使氮素不断重返大气，从而使氮的循环处于一种平衡状态。,第五节生态系统的磷和硫循环,一、自然界中的磷循环 磷溶于水而不挥发，在生态系统中属于典型的沉积型循环。 磷以地壳作为主要贮藏库。 含磷的有机物沿两条循环支路循环：一是沿生物链传递，并以粪便、残体的形式归还土壤；另一种是以枯枝落叶、秸秆归还土壤。,湖泊生态系统中磷的循环.,梭子鱼,鲤科小鱼,水蚤类,磷循环示意图,磷酸盐岩,溶解磷酸盐,开矿风化,沉积,植物,动物,磷酸盐化细菌,生物小循环,磷的生物地球化学循环