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1、第十二章 生物地球化学循环引子：生物地球化学循环概述引子：生物地球化学循环概述12.1 12.1 土壤的组成土壤的组成12.2 12.2 土壤的性质土壤的性质12.3 12.3 土壤的生物地球化学循环土壤的生物地球化学循环12.4 12.4 生态系统的组成与结构生态系统的组成与结构12.5 12.5 生态系统内的能量流动生态系统内的能量流动12.6 12.6 生态系统的生物地球化学循环生态系统的生物地球化学循环12.7 12.7 地球上的生态系统类型地球上的生态系统类型1课堂优质12.4 12.4 生态系统的组成与结构生态系统的组成与结构（一）生态系统概述（一）生态系统概述1.1.概念：生物体
2、通过物质和能量的交换与其生存概念：生物体通过物质和能量的交换与其生存环境相互联系、相互作用，形成一个自组织的环境相互联系、相互作用，形成一个自组织的统一体。统一体。2.2.类型类型3.3.组成：组成：n n生物群落生物群落n n非生物环境非生物环境 2课堂优质（二）生物群落（二）生物群落 1. 1. 个体、种群和群落个体、种群和群落2. 2. 生物群落的组成生物群落的组成 种类组成、数量、优势种（个体多，生物量大种类组成、数量、优势种（个体多，生物量大的种）、建群种（优势种中的最优者）和附属种的种）、建群种（优势种中的最优者）和附属种（次要种）（次要种）3.3.生物群落的功能类群生物群落的功能
3、类群（1 1）生产者：绿色植物和化能合成细菌。）生产者：绿色植物和化能合成细菌。（2 2）消费者：植食动物、肉食动物和杂食动物）消费者：植食动物、肉食动物和杂食动物（3 3）分解者：细菌、真菌、土壤原生动物和一）分解者：细菌、真菌、土壤原生动物和一些小型无脊椎动物，靠分解动、植物残体为生。些小型无脊椎动物，靠分解动、植物残体为生。 3课堂优质4.4.植物群落的结构特征植物群落的结构特征n n水平方向：水平方向： 随机分布随机分布 成群分布成群分布 规则分布规则分布n n垂直方向：垂直方向： 乔木层乔木层 灌木层灌木层 草本层草本层 地被层地被层 4课堂优质5.5.植物群落的季相（自稳定性）植物
4、群落的季相（自稳定性）n n概念：整个植物群落的外貌以年为周期变化的概念：整个植物群落的外貌以年为周期变化的特征，表现为植物的萌芽、展叶、开花、结果、特征，表现为植物的萌芽、展叶、开花、结果、叶变秋色和落叶等物候期的季节性发生。叶变秋色和落叶等物候期的季节性发生。n n北京的季相北京的季相 初春草木萌动，仲春万紫千红，晚春绿肥红瘦；初夏繁花绿叶相映好，仲夏万绿丛中几点红，晚夏嘉荫蔽日花踪寥； 初秋硕果累累，仲秋叶色斑斓，晚秋落木萧萧；初冬霜叶凋零，隆冬万木萧疏，晚冬春意初露。5课堂优质6.6.植物群落的演替（自组织性）植物群落的演替（自组织性）（1 1）概念：植物群落的组成和结构发生质的变）概
5、念：植物群落的组成和结构发生质的变化，最终导致一个植物群落被另一个植物群落所化，最终导致一个植物群落被另一个植物群落所替代。替代。（2 2）类型）类型n n 按照演替的原因：自然演替和人为演替按照演替的原因：自然演替和人为演替n n 按照演替的环境条件：原生演替和次生演替按照演替的环境条件：原生演替和次生演替n n 按照演替的方向：顺行演替和逆行演替按照演替的方向：顺行演替和逆行演替顺行演替序列：顺行演替序列： 裸地裸地裸地裸地地衣群落地衣群落地衣群落地衣群落苔藓群落苔藓群落苔藓群落苔藓群落草本群落草本群落草本群落草本群落灌木灌木灌木灌木群落群落群落群落乔木群落乔木群落乔木群落乔木群落顶级群落
6、顶级群落顶级群落顶级群落 6课堂优质洪水洪水森林大火森林大火过度放牧过度放牧陆地植物群落演替的成因举例陆地植物群落演替的成因举例7课堂优质19801980年圣海伦斯火山爆发迹地上的先锋物种年圣海伦斯火山爆发迹地上的先锋物种8课堂优质湖泊沼泽草甸的演替湖泊沼泽草甸的演替9课堂优质（三）非生物环境：光、热、水、气、土（三）非生物环境：光、热、水、气、土 1. 1. 光照与光周期现象光照与光周期现象 2. 2. 温度与三基点温度温度与三基点温度 3. 3. 土壤水分的三基点土壤水分的三基点4. 4. 气温、降水量与植被分布气温、降水量与植被分布n n水平地带性分布水平地带性分布 纬向地带性（热量地带
7、性）纬向地带性（热量地带性） 干湿地带性（水分地带性）干湿地带性（水分地带性）n n垂直地带性分布垂直地带性分布10课堂优质（四）营养结构（四）营养结构1. 1. 概念：非生物环境与生物群落之间和生产者、概念：非生物环境与生物群落之间和生产者、消费者与分解者之间，通过营养或食物传递形消费者与分解者之间，通过营养或食物传递形成的一种组织形式。成的一种组织形式。2. 2. 食物链：不同生物之间类似链条式的食物依食物链：不同生物之间类似链条式的食物依存关系，食物链上的每一个环节称为营养级。存关系，食物链上的每一个环节称为营养级。 n n活食食物链、腐食食物链活食食物链、腐食食物链n n食物的非专一性
8、食物的非专一性3. 3. 食物网：食物链相互交叉，形成复杂的摄食食物网：食物链相互交叉，形成复杂的摄食关系网。关系网。n n一个生态系统的食物网结构愈复杂，该系统的一个生态系统的食物网结构愈复杂，该系统的稳定性程度愈大。稳定性程度愈大。 11课堂优质12课堂优质12.5 12.5 生态系统内的能量流动生态系统内的能量流动（一）光合作用与呼吸作用（一）光合作用与呼吸作用 1.1.光合作用：绿色植物吸收阳光的能量，同化光合作用：绿色植物吸收阳光的能量，同化COCO2 2和和H H2 2O O，制造有机物质并释放制造有机物质并释放O O2 2的过程。的过程。 n n光合作用就是光合作用就是COCO2
9、 2被还原和被还原和H H2 2O O被氧化的作用；被氧化的作用；n n光合作用是吸能反应和熵减少过程，葡萄糖是光合作用是吸能反应和熵减少过程，葡萄糖是低熵的低熵的。13课堂优质2. 2. 呼吸作用：绿色植物中的有机物质被氧化，呼吸作用：绿色植物中的有机物质被氧化，释放出释放出COCO2 2、H H2 2O O和热能的过程。和热能的过程。n n 呼吸作用是光合过程的逆过程；呼吸作用是光合过程的逆过程； n n 呼吸作用是一个放能反应和熵增加过程。呼吸作用是一个放能反应和熵增加过程。14课堂优质（二）初级生产与次级生产二）初级生产与次级生产 1.1.初级生产：绿色植物通过光合作用，吸收和固定初级
10、生产：绿色植物通过光合作用，吸收和固定太阳能，将无机物转化成有机物的生产过程；太阳能，将无机物转化成有机物的生产过程；n n净初级生产量：总初级生产量减去植物因呼吸作净初级生产量：总初级生产量减去植物因呼吸作用的消耗用的消耗, ,剩下的有机物质（剩下的有机物质（J J m m-2-2 a a-1-1或或g g（DWDW） m m-2-2 a a-1-1） NPP=GPP-R NPP=GPP-Rn n生物量：指单位面积内植物的总重量，单位是生物量：指单位面积内植物的总重量，单位是J J m m-2-2或或g g（DWDW） m m-2-2。2.2.次级生产次级生产: : 消费者利用初级生产的产品
11、进行新陈消费者利用初级生产的产品进行新陈代谢，经过同化作用形成异养生物自身物质的生代谢，经过同化作用形成异养生物自身物质的生产过程。产过程。n n净次级生产量仅仅是净初级生产量的很小一部分净次级生产量仅仅是净初级生产量的很小一部分15课堂优质全球净初级全球净初级生产力（生产力（g g）分布分布16课堂优质（三）能量传递与能量转化（三）能量传递与能量转化 1. 1. 生态系统内能量流动是单向流：生态系统内能量流动是单向流：n n能量的很大部分被各营养级的生物所利用，通能量的很大部分被各营养级的生物所利用，通过呼吸作用以热的形式散失；过呼吸作用以热的形式散失；n n热能不能再回到生态系统中参与能量
12、的流动；热能不能再回到生态系统中参与能量的流动；n n用于形成较高营养级生产量的能量占比例很小。用于形成较高营养级生产量的能量占比例很小。17课堂优质2.2.陆地生态系统的能量传递与转化陆地生态系统的能量传递与转化佛罗里达银泉佛罗里达银泉n n 光合作用所吸收的光能是入射太阳总能量的光合作用所吸收的光能是入射太阳总能量的24%24%；n n 在吸收的光能中，在吸收的光能中，5%5%被转化成为总初级生产量；被转化成为总初级生产量；n n 净初级生产量是总初级生产量的净初级生产量是总初级生产量的42.4%42.4%；n n 二级肉食动物所获得的能量仅占净初级生产量的二级肉食动物所获得的能量仅占净初
13、级生产量的0.24%0.24%；n n 在每一个营养级上，都有一些生物量流向分解者；在每一个营养级上，都有一些生物量流向分解者；n n 生物量消耗的最主要途径是生物群落的呼吸作用。生物量消耗的最主要途径是生物群落的呼吸作用。18课堂优质3.3.湖泊生态系统的能量传递与转化湖泊生态系统的能量传递与转化n n十分之一定律：能量从一个营养级流向另一个十分之一定律：能量从一个营养级流向另一个营养级的过程中，大约有营养级的过程中，大约有90%90%的损失量。的损失量。4.4.生态系统进化过程的热力学解释：生态系统进化过程的热力学解释：n n热力学孤立系统的熵总是自发地趋于增大，使热力学孤立系统的熵总是自
14、发地趋于增大，使系统有序度降低，最后达到热力学平衡态。系统有序度降低，最后达到热力学平衡态。n n生态系统所经历的是与热力学第二定律相反的生态系统所经历的是与热力学第二定律相反的从简单到复杂，从无序到有序的进化过程。从简单到复杂，从无序到有序的进化过程。n n生态系统是开放系统，它通过低熵能量与物质生态系统是开放系统，它通过低熵能量与物质的输入和高熵能量与物质的排出，维持着高度的输入和高熵能量与物质的排出，维持着高度有序的状态。有序的状态。 19课堂优质12.6 12.6 生态系统的生物地球化学循环生态系统的生物地球化学循环（一）生物地球化学循环的图解模型（一）生物地球化学循环的图解模型 1.
15、1.物质随水分的迁移与转化物质随水分的迁移与转化n n子过程：降水，入渗，动、植物的吸收与排泄，子过程：降水，入渗，动、植物的吸收与排泄，地表径流和地下径流等；地表径流和地下径流等；n n界面：大气、土壤、生物和海洋之间界面：大气、土壤、生物和海洋之间 2.2.物质随气体的迁移与转化物质随气体的迁移与转化 n n子过程：植物的光合作用，动、植物的呼吸作子过程：植物的光合作用，动、植物的呼吸作用，土壤和洋面的吸收与释放，以及人类燃烧用，土壤和洋面的吸收与释放，以及人类燃烧矿物燃料等；矿物燃料等；n n界面：大气、土壤、生物（人群）和海洋之间界面：大气、土壤、生物（人群）和海洋之间20课堂优质21
16、课堂优质（二）重要元素的生物地球化学循环 22课堂优质1. 1. 氧循环氧循环氧循环氧循环（1 1）自由氧的主要贮存库：大气和海洋）自由氧的主要贮存库：大气和海洋（2 2）主要过程）主要过程n n大气圈上层水汽的光解作用大气圈上层水汽的光解作用n n氧循环与碳循环的结合：光合与呼吸作用氧循环与碳循环的结合：光合与呼吸作用n n氧循环与碳循环的失衡：采伐森林和排放污染物氧循环与碳循环的失衡：采伐森林和排放污染物减弱光合作用，化石燃料的燃烧耗氧减弱光合作用，化石燃料的燃烧耗氧 n n氧的补充：负反馈氧的补充：负反馈 厌氧环境化能合成细菌用硫酸根离子产生氧厌氧环境化能合成细菌用硫酸根离子产生氧 SO
17、SO4 42-2- + 2C 2CO + 2C 2CO2 2 + S + S2-2-n n海洋中氧的流失海洋中氧的流失 23课堂优质24课堂优质2.2.碳循环碳循环碳循环碳循环 （1 1）自然界碳的活动贮库：海洋、大气和生物）自然界碳的活动贮库：海洋、大气和生物（2 2）自然界碳的固定贮库：沉积岩）自然界碳的固定贮库：沉积岩 （3 3）大气和海洋之间的碳循环）大气和海洋之间的碳循环n n快循环：入略大于出快循环：入略大于出 n n慢循环：碳酸钙沉积慢循环：碳酸钙沉积25课堂优质26课堂优质（4 4）大气和陆地之间的碳循环）大气和陆地之间的碳循环n n快循环：碳交换量处于平衡状态快循环：碳交换量
18、处于平衡状态 光合作用从大气圈移走的碳量等于呼吸作用和光合作用从大气圈移走的碳量等于呼吸作用和动、植物残体分解作用所补偿给大气圈的碳量。动、植物残体分解作用所补偿给大气圈的碳量。n n慢循环：动、植物残体，土壤腐殖质，新生泥慢循环：动、植物残体，土壤腐殖质，新生泥炭和植物茎干与根属于慢循环碳库，其循环周炭和植物茎干与根属于慢循环碳库，其循环周期较长。期较长。（5 5）北半球大气二氧化碳含量的季节波动）北半球大气二氧化碳含量的季节波动 n n夏季为波谷，冬季为波峰。夏季为波谷，冬季为波峰。n n昼为波谷，夜为波峰。昼为波谷，夜为波峰。 27课堂优质28课堂优质（6 6）人类活动对碳循环的干扰）人
19、类活动对碳循环的干扰n n每年约有每年约有6 610109 9t t的碳通过化石燃料的燃烧排入的碳通过化石燃料的燃烧排入大气圈；大气圈；n n砍伐森林造成的土壤裸露以及木材燃烧每年向砍伐森林造成的土壤裸露以及木材燃烧每年向大气圈排放大气圈排放1.11.110109 9t t的碳；的碳；（7）大气、海洋、陆地之间碳循环的调整大气、海洋、陆地之间碳循环的调整n n大气吸收：大气吸收：3.363.3610109 9t t( (化石燃料燃烧排放的化石燃料燃烧排放的56%)56%)n n海洋吸收：海洋吸收：2 210109 9t t( (化石燃料燃烧排放的化石燃料燃烧排放的3333) )n n碳丢失项碳
20、丢失项: 1.7: 1.710109 9t tn n植被吸收：？北半球温带植被植被吸收：？北半球温带植被0.5-0.8 0.5-0.8 10109 9t tn n土壤吸收：？土壤吸收：？n n陆地水体吸收：？陆地水体吸收：？29课堂优质（8）碳循环与温室效应加剧的调控n n温室气体减排n n植树造林n n增加陆地区域的水体面积30课堂优质3. 3. 氮循环氮循环氮循环氮循环（1 1）氮的主要贮存库：大气圈和生物圈）氮的主要贮存库：大气圈和生物圈（2 2）生物固氮过程：与豆科植物具有共生关系）生物固氮过程：与豆科植物具有共生关系的的细菌和根瘤菌等。的的细菌和根瘤菌等。（3 3）硝化过程）硝化过程
21、31课堂优质（4 4）氨化过程）氨化过程32课堂优质（5 5）反硝化作用）反硝化作用n n硝酸盐在缺氧和有葡萄糖的条件下被真菌和假硝酸盐在缺氧和有葡萄糖的条件下被真菌和假单胞细菌还原回到大气圈中，完成氮的大循环。单胞细菌还原回到大气圈中，完成氮的大循环。（6 6）人类活动对氮循环的干预）人类活动对氮循环的干预 n n工业固氮作用：使得自然界固氮与反硝化去氮工业固氮作用：使得自然界固氮与反硝化去氮之间的自稳定平衡状态被打破：造成水华和赤之间的自稳定平衡状态被打破：造成水华和赤潮。潮。 n n工厂和汽车燃料燃烧过程将大量氮氧化物排入工厂和汽车燃料燃烧过程将大量氮氧化物排入大气圈，造成酸沉降。大气圈
22、，造成酸沉降。 33课堂优质4. 4. 4. 4. 磷循环磷循环磷循环磷循环（1 1）磷的主要贮存库是岩石圈）磷的主要贮存库是岩石圈 （2 2）陆地生态系统）陆地生态系统n n植物直接吸收无机态磷酸盐离子（植物直接吸收无机态磷酸盐离子（POPO4 43-3-），），合合成自身的原生质，形成有机态磷；成自身的原生质，形成有机态磷；n n有机态磷通过植食动物和肉食动物在生态系统有机态磷通过植食动物和肉食动物在生态系统中传递；中传递；n n动物的排泄物和动、植物残体经微生物的分解，动物的排泄物和动、植物残体经微生物的分解，重新形成无机态磷酸盐离子，归还给土壤，部重新形成无机态磷酸盐离子，归还给土壤，
23、部分被微生物所利用建造自身；分被微生物所利用建造自身；n n陆地的无机态磷酸盐离子随水流进入湖泊和海陆地的无机态磷酸盐离子随水流进入湖泊和海洋沉积。洋沉积。 34课堂优质35课堂优质（3 3）水域生态系统）水域生态系统n n浮游植物吸收无机磷，而它们又被浮游动物和浮游植物吸收无机磷，而它们又被浮游动物和其它动物所取食；其它动物所取食；n n水体中既存在无机磷，也存在有机态磷化物和水体中既存在无机磷，也存在有机态磷化物和可溶性大分子的胶状磷；可溶性大分子的胶状磷；n n磷随动、植物残体长期沉积到海底。磷随动、植物残体长期沉积到海底。 （4 4）磷循环是一个非闭合的循环）磷循环是一个非闭合的循环n
24、 n磷素迁移的总趋势是不断地从生态系统中流失。磷素迁移的总趋势是不断地从生态系统中流失。（5 5）人类活动对磷循环的干预）人类活动对磷循环的干预n n施用磷肥和有机磷被移走的恶性循环施用磷肥和有机磷被移走的恶性循环n n人造含磷洗涤用品的生产人造含磷洗涤用品的生产n n水域的富营养化水域的富营养化 36课堂优质（三）大地女神假说（三）大地女神假说 对于地球的特定属性，只根据物理学和化学对于地球的特定属性，只根据物理学和化学的规律是很难解释的，必须同时考虑生物学规律。的规律是很难解释的，必须同时考虑生物学规律。 地球上的生物圈和它的环境构成一个有机的地球上的生物圈和它的环境构成一个有机的整体（称为大地女神），地球大气的组成、温度、整体（称为大地女神），地球大气的组成、温度、海水温度、海水海水温度、海水pHpH值等都是由生物圈积极调节的，值等都是由生物圈积极调节的，是生物圈通过自己的影响使地球的气候环境长期是生物圈通过自己的影响使地球的气候环境长期保持在适合自己生存的保持在适合自己生存的“ “稳态稳态” ”上。因此，在很上。因此，在很大程度上，是生命自己创造了它的生存环境。大程度上，是生命自己创造了它的生存环境。 37课堂优质
