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1、chapter12 生态系统中的物质循环,物质循环的一般特征 全球水循环 碳循环 氮循环 磷循环 硫循环,点此播放教学视频,物质循环与能量流动,生态系统中的能量流与物质流特征的比较,点此播放教学视频,物质循环(cycling of material)的一般特征,生物地球化学循环：生态系统从大气、水体和土壤等环境中获得营养物质，通过绿色植物吸收，进入生态系统，被其他生物重复利用，最后再归还于环境中的过程。这一过程包括生物与非生物二者的参与, 同时也包含一些地质与地理作用在內, 因此称为生物地球化学循环。属于闭合式循环 生物小循环：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
2、再为生产者吸收、利用。属于开放式循环,Basics of nutrient cycling,点此播放教学视频,生物小循环,点此播放教学视频,物质循环一般可分为两类,短循环(short cycle)：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，而被分解者分解还原为二氧化碳、水和矿盐分等 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(如豺、秃鹫等)，而最后被微生物分解，物质再回到环境中去，又一次参与生态系统的物质循环,点此播放教学视频,物质循环的基
3、本概念,库：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；库可以分为： 储存库: 容积大，物质交换活动缓慢(一般为环境成分) 交换库: 容积小，交换快(一般为生物成分) 流: 物质在库与库之间的转移运动状态 流通率：单位时间、单位面积/体积的物质转移量 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,点此播放教学视频,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
4、率：4/50=8% 周转时间：50/4=12.5天,在一个面积为4英亩的池塘生态系统中，库与流通率的模式图,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CO2 1年；N 100万年 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,点此播放教学视频,影响物质循环速率的因素,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,点此播放教学视频,生物地
5、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 循环速度慢，时间以千年计算，例如P、Ca、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离不开水循环的推动,点此播放教学视频,气相型循环和沉积型循环的区别,全球水循环,水循环是太阳能推动，在陆地、大气和海洋间循环 地表总水量：1.4109km3，海洋约占97% 水的循环： 陆地：蒸发(蒸腾)71,000km3，降水111,000km3，径流40,000km3 海洋：蒸发425,000km3，降
6、水385,000km3 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,点此播放教学视频,The Hydrologic Cycle,点此播放教学视频,生态系统中的水循环,水循环(aquatic 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 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 水的再分布；修筑水库、塘堰 围湖造田又使自然蓄水容积减小 地下水的过度开采利用，使某些人口集中的地区出现了地下水位和水质量的下降,点此播放教
7、学视频,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,点此播放教学视频,碳 循 环 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 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，于是碳便进入了地质大循环 当人们开采利用这些化石燃料时， CO2被再次释放进入大气,点此播放教学视频,海洋和大气CO
8、2调节,全球的植被和海洋是大气中CO2两个重要的调节器 大气中CO2浓度增加时，会有更多气体溶于海水。相反，大气CO2减少，海水中CO2又返回大气。,The Carbon Cycle,点此播放教学视频,The Carbon Cycle,碳循环(carbon cycle)图解,点此播放教学视频,温 室 效 应,温室效应(Greenhouse effects)：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：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 温室效应的
9、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,点此播放教学视频,Incoming sunlight warms the surface of the Earth and is radiated back to atmosphere. Greenhouse gases absorb some of this heat, trapping it in the atmosphere.,GREENHOUSE EFFECT,Carbon accumulation,CO2 has increased from its pre-industrial level data:
10、 recent records plus older data such as ice cores mostly fossil fuel burning,CO2排放,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,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,The Nitrogen Cycle,氮的循环,1012gN,点此播放教学视频,氮的循
11、环图解,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,点此播放教学视频,生态系统中的氮循环,生态系统中氮循环,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,点此播放教学视频,
12、全球人口和活性氮趋势,人类对氮循环的影响,化肥的使用 矿物燃料的燃烧: 城市化的发展,点此播放教学视频,磷 循 环,磷循环属典型的沉积循环 磷以不活跃的地壳作为主要贮存库 磷的循环过程 岩石经土壤风化释放的磷酸盐和农田中施用的磷肥，被植物吸收进入植物体内 沿食物链传递，并以粪便、残体或直接以枯枝落叶、秸秆归还土壤 含磷有机化合物经土壤微生物的分解，转变为可溶性的磷酸盐，可再次供给植物吸收利用，这是磷的生物小循环 一部分磷脱离生物小循环进入地质大循环 动植物遗体在陆地表面的磷矿化 磷受水的冲蚀进入江河，流入海洋,Phosphate leaches from phosphate-rich rock
13、s or from fertilizers and enters plants and other producers where it is incorporated into biological molecules. These are passed through the trophic levels.,BIOGEOCHEMICAL CYCLE - PHOSPHORUS,CYCLE - PHOSPHORUS,点此播放教学视频,磷的循环,1012gP,一个池塘生态系统的磷循环,点此播放教学视频,磷循环沉积型循环,硫循环（sulfur cycle）,硫循环（sulfur cycle）,点此
14、播放教学视频,生态系统中硫循环,酸雨的形成,ACID RAIN IN THE UNITES STATES,The most acidic rain is concentrated in the northeast, but thousands of lakes in the west are also vulnerable.,ACID RAIN IN THE WORLD,伦敦烟雾事件,伦敦1952年2月5日到8日，雾大无风，家庭和工厂排出的烟尘经久不散，大气中SO2含量3.8毫克/立方米，烟尘4.5毫克，居民普遍呼吸困难、咳嗽、喉痛、呕吐和发烧，4天内死亡约4000人,切尔诺贝利核泄漏事件,伦
15、敦烟雾事件,点此播放教学视频,有毒有害物质循环,有毒有害物质循环：对有机体有毒有害物质进入生态系统后，沿着食物链在生物体内富集或被分解的过程 生物放大作用：某些物质当他们沿食物链移动时，既不被呼吸消耗，又不容易被排泄，而是浓集在有机体的组织中，这一现象称为生物放大作用,点此播放教学视频,有毒物质的类型,有毒物质(toxic substance)又称污染物(pollutant)，按化学性质分两类。无机有毒物质主要指重金属、氟化物、和氰化物；有机有毒物质主要有酚类、有机氯药等。 按污染物的作用分一次污染物和二次污染物。前者由污染源直接排入环境的，其物理和化学性状未发生变化的污染物，又称原发性污染物
16、；后者是由前者转化而成，排入环境中的一次性污染物在外界因素作用下发生变化，或与环境中其它物质发生反应形成新的物理化学性状的污染物(继发性污染物),点此播放教学视频,有毒物质的迁移和转化,迁移是重要的物理过程,包括分散、混合、稀释和沉降等 转化主要是通过氧化、还原、分解和组合等作用，会发生物理的化学的和生物化学的变化 进入生态系统的途径： 被人们直接抛弃到环境 通过冶炼、加工制造、化学品的贮存与运输进入生态系统 通过日常生活、农事操作等过程进入生态系统 有毒物质进入生态系统后，就会沿着食物链在生物体内富集浓缩，愈是上面的营养级，生物体内有毒物质的残留浓度愈高,点此播放教学视频,有毒有害物质循环的实例,DDT DDT是人工合成的有机氯杀虫剂 DDT不溶于水，而溶于脂肪，极易通过食物链而浓集 DDT通过食物链进入动物体后，使钙代谢功能丧失，从而使鸟类蛋壳变薄，雌鸟孵卵时将蛋压破，从而使禽类的数量减少 危害 消灭害虫的同时，无选择地将益虫、益鸟和害虫的天敌杀死 如美国加利福尼亚州，由于滥用DDT，1967年有19%的蜜蜂被杀死，导致水果和蜂蜜急剧减产,点此播放教
