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1、第11章、生态系统和全球的物质循环 l第一节生态系统物流的一般特点l一生命与元素l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。l最重要的元素：碳、氧、氢、氮和磷，占全部原生质的97%以上。生态系统中的物流课件l大量营养元素（macronutrient）：钙、镁、钾、硫、钠l微量元素（micronutrient)：铜、锌、硼、锰、钼l植物必需营养元素的功能生态系统中的物流课件l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。l生物地球化学循环（biogeochemicalcycle）：由于
2、生态系统的生物质循环是在地球上的生物与非生物之间，通过化学形态的转换与运转，故又称为生物地球化学循环。生态系统中的物流课件l物质循环（cycleofmaterial）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。生态系统中的物流课件二物质循环的库与流l1库（pool）l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。l源（source）：是产生和释放物质的库l汇（sink）：是吸收和固定物质的库源：产生或释放库汇：吸收或固定库流动生
3、态系统中的物流课件l在 生 物 地 球 化 学 循 环 中 ： 贮 存 库（reservoirpool）其容积较大，物质交换活动缓慢，一般为非生物成分的环境库；交换库（exchangepool）其容积较小，与外界物质交换活跃，一般为生物成分。生态系统中的物流课件l2物质流（flow）：物质在库与库之间的转移运行称为流l3生物量与现存量l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。l生物量又称为现存量（Standingcrop）生产者100U沉积层5000U消费者50U水体1000U16U/d4U/d4U/d20U/d20U/d一个面积为1.62公顷的池塘
4、系统中P的库与流通率模式图。生态系统中的物流课件三物质循环的基本类型l1生物地球化学循环l生物地球化学循环：地质大循环和生物小循环l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。生态系统中的物流课件l五大自然圈：大气圈、水圈、岩石圈、土壤圈和生物圈。l地质大循环：范围大、周期长和影响面广。l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。l图71生态系统中的物流课件l2.物质循环的几种基本类型l水循环l气体循环：C、
5、H、O、Nl沉积物循环：P、S、I、K、Na、Ca生态系统中的物流课件第二节 水循环l一全球水分循环l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、土壤圈和生物圈中。l地球上的总水量？l1970年国际水文学会统一了大致的数据：l总水量：1.4109km3生态系统中的物流课件l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(1017Kg总水量：1.4109km3=140000TT(亿吨）海洋（97%）1.358*109km3=135800TT冰川冰盖29000TT地下水：8000TT湖泊河流：100TT土
6、壤湿气：100TT空气中水蒸汽：13TT生物体：1TT生态系统中的物流课件表72地球的水量估计 l生态系统中的物流课件l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。生态系统中的物流课件l由于太阳辐射，海面和陆地每年约有488000km3水分蒸发到空中。l据估计，大气中的全部水量9d即可更新一次l河流：1020d，l土壤：280dl淡水湖：1100年，l地下水：300年l海洋：37000年。生态系统中的物流课件l二人类对水循环的干扰l植被破坏l围湖造田以及排干沼泽、
7、冬水田、低湿地等l兴建大型的截流、蓄水、引水、灌溉工程l过度开采地表和地下贮水生态系统中的物流课件l三我国水资源分布特点及在开发利用方面存在的问题l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。生态系统中的物流课件l问题：l现有的水利设施不能适应现代化建设的需要。l现有的水利工程及渠子配套等遗留问题较多。l水体污染日趋严重。全国每天污水排放量为7500万吨。l地下水的超采严重。生态系统中的物流课件l四生态系统的水分管理l1植树造林，发挥“绿色水库”
8、作用，扩大土壤的水分库容。l2加强农田水利基本建设，提高水分利用率。l3.改变耕作制度与管理方式，发展节水农业。l4防治水体污染。l5加强全流域水资源保护与统一调度。生态系统中的物流课件第三节第三节生态系统的碳流动生态系统的碳流动l一自然界的碳循环l碳的来源是二氧化碳l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（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。生态系统中的物流课件lC素的生物地球化学循环(气体型循环)Numbersarestorageas1015
9、g(109T)orfluxesas1015g(109T)peryear(datafromSchlesinger1991)生态系统中的物流课件碳的生物小循环有三个层次或途径：l1. 在光合作用和呼吸作用之间的细胞水平上循环；l2. 大气CO2和植物体之间的个体水平上的循环；l3.大气CO2植物动物微生物之间的食物链水平上的循环。生态系统中的物流课件l碳主要贮藏在大气、生物体、土壤和水圈及岩石圈几个库中。l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%。生态系统中的物流课件l存在于自然界中的碳是大量的，也是
10、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。生态系统中的物流课件l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。生态系统中的物流课件l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
11、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。生态系统中的物流课件三个重要的C循环过程：l1光合作用和呼吸作用：光合：850亿吨/年，l2海洋-大气交换：l3碳酸盐的沉积和溶解：lCaCO3（不可溶）+H2O+CO2Ca2+2HCO3（可溶）大气（640GT）陆地植物同化35GT海洋+地表水84GT生态系统中的物流课件二、人类活动对碳循环的干扰 l二氧化碳、甲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。l全球变化（globalchange）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
12、而产生一系列生态和环境变化的总称。生态系统中的物流课件1. 人类活动对大气中二氧化碳浓度的影响 l二氧化碳浓度增加的原因：l19世纪到20世纪初主要是砍伐森林l20世纪以来又加上燃烧矿物燃料，如煤、石油及天然气。l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。生态系统中的物流课件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100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。生态系统中的物流课件l陆地生态系
13、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%。l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。生态系统中的物流课件l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0.80.9Gt，第二次世界大战前为1.5Gt，目前达5.70.1Gt。l大气中二氧化碳浓度年增长达1.6ul/L。生态系统中的物流课件2、人类活动对大气中甲烷浓度的影响l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
14、的增长有非常大的相关。l19世纪之前大约不超过0.8ul/L。l19世纪末增加到0.9ul/L。l从1978年开始有正式观测，浓度为1.51ul/L。生态系统中的物流课件l目前已达1.72ul/L。l即大气中含4900Tg（1Tg=1012g）的甲烷l即每年向大气中排放4048Tg，年增量0.8%1.0%。l估计到2030年浓度达2.34ul/L。l2050年可达2.5ul/L。生态系统中的物流课件第四节、生态系统的氮流动 l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
15、合物形态，才能为多数植物和微生物吸收利用。生态系统中的物流课件三个重要过程三个重要过程 （1 1）氨化作用）氨化作用 （2 2）硝化和反硝化作用）硝化和反硝化作用 （3 3）固氮作用）固氮作用l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)生态系统中的物流课件l一个湖泊生态系统（SycamoreCreek,Arizona美国亚利桑那)的氮循环生态系统中的物流课件lN素的生物地球化学循环，*109g，千吨生态系统中的物流课件l全球的氮循环l全球氮循环的主体存在于土壤和植物之间。l据Rosswall估算，在全球陆地生态系统中，氮素总
16、流量的95%在植物微生物土壤系统中进行，只有5%在该系统与大气圈之间流动。生态系统中的物流课件l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。生态系统中的物流课件l固氮作用l闪电和宇宙线的固氮，大约8.9kg/hm2al工业固氮，已达1108Tl生物固氮，大约100-200kg/hm2a，大约占地球固氮的90%。生态系统中的物流课件l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。生态系统中的物流课件l硝化作用：在通气情况良好的土壤中，
17、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。l反硝化作用：也称脱氮作用，反硝化细菌将亚硝酸盐转变成大气氮，回到大气库中。生态系统中的物流课件l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。生态系统中的物流课件第五节生态系统的磷和硫循环l一、自然界中的磷循环l磷溶于水而不挥发，在生态系统中属于典型的沉积型循环。l磷以地壳作为主要贮藏库。l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。生态系统中的物流课件l
18、湖泊生态系统中磷的循环.梭子鱼鲤科小鱼水蚤类生态系统中的物流课件l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生态系统中的物流课件磷的生物地球化学循环(沉积型循环),*109g千吨生态系统中的物流课件l各种磷的有机化合物经过土壤微生物的分解，转变为可溶性的磷酸盐，再次供给植物吸收利用，这是磷的生物小循环。l在生物小循环过程中，一部分磷脱离生物小循环进入地质大循环：一是动植物遗体在陆地表面的磷化矿化；另一种是磷受水的冲蚀进入江河，流入海洋。生态系统中的物流课件l据统计，每年全世界由大陆流入海洋的磷酸盐大约10万t。l全球规模的磷循环如图l全球各圈层中磷的分布如表生态系
19、统中的物流课件二、人类活动对磷循环的影响 l（1）人类对磷矿资源的开采与消耗l据统计，从1935年至1990年间，磷矿总开采量达3.79109t，相当于5108t磷。1990年全球磷矿开采量为1.8108t，相当于2107t磷。按这一速度，地球上的磷矿可开采750年。生态系统中的物流课件l（2）磷肥的施用与流失l(3)家庭污水、工业废水、尤其是农业径流所携带的大量N、P等营养物质进入水体后，易造成水体的富营养化、赤潮等环境问题。生态系统中的物流课件l水体富营养化（eutrophication）的发生过程是，随着水中营养物质（N，P等）含量的增加，导致水生植物（主要是藻类）的急剧、过量生长，水生
20、植物的大量繁殖和死亡后的分解，降低了水中溶解氧含量，从而形成厌气条件，严重影响鱼类的生存，乃至鱼类大量死亡。随着富营养化的发展，藻类的种类逐渐减少，尤以硅藻和绿藻为主，转而为以蓝藻为优势种，这种藻类的分解往往具有毒性，并给水体带来不良的气味。生态系统中的物流课件l赤潮（redtide），又名红潮，是由海水中某些浮游植物、原生动物或细菌在一定环境条件下，短时间内突发性增殖或富集而引起的一种水体变色的生态异常现象。l赤潮在20世纪60年代以前属于罕见事件，平均约五六年才发生一次，70年代大约每两年1次，80年代增至每年4次。自1980年以来，我国海域共发生赤潮几百余次。生态系统中的物流课件l水体富
21、营养化起关键作用的营养元素是氮和磷，由于大多数水体磷是藻类的繁殖限制因子，故磷的作用大于氮。生态系统中的物流课件三、自然界中的硫循环 l硫在地壳中含量较高，是第十大元素l硫的重要贮存库是岩石圈，但它也在大气圈中停留和运行。l硫的来源除了沉积岩的风化外，还是化石原料（煤、石油等）的燃烧，火山喷发和有机物的分解。l硫酸盐亚硫酸盐有机硫植物和微生物还原反应硫化物（H2S，FeS）脱硫作用（厌氧）元素硫（S）光合自养细菌化能自养细菌生态系统中的物流课件四、人类活动对硫平衡的影响与酸雨危害 l1人类活动对硫平衡的影响l人类活动对硫平衡最突出的影响就在人类活动导致酸性物质SO2的大量排放。la.燃煤：煤中
22、含S量一般在0.5%5%之间，我国南方煤含S量在3%5%之间，属于高硫煤。生态系统中的物流课件l20世纪80年代初，全球燃煤地区SO2的排放为7.0107_8.0107t/年，占全球人为SO2总排放量的80%以上。我国1988年SO2的排放为1.5107t，1995年达2.0107t。lb.燃油：天然气、原油中S含量多达1%以下。全球20世纪80年代燃油、天然气的SO2释放量为1107t/年数量级。生态系统中的物流课件lc.矿冶：如铝矿、锌矿、铜矿等。全球因矿冶的SO2排放估计在7106_1107t/年，约占全球SO2总排放的10%左右。ld.农业活动导致硫的挥发：微生物分解产生H2S、COS
23、、(CH3)2S、CS2和CH3SH生态系统中的物流课件l2酸雨及其危害l按理论计算，大气中二氧化碳在蒸馏水中达到平衡时的酸度约为pH5.6，把pH小于5.6的雨称为酸雨（acidrain）。lSO2是产生酸雨的主要原因。l雨水酸性的90%是由工业产生和燃料燃烧时排放的二氧化硫和氮氧化物在大气或水滴中经光氧化、气相氧化、液相氧化等途径转化为硫酸和硝酸所造成的。生态系统中的物流课件l酸雨产生的生态问题：l盐基营养的淋失与贫脊；l土壤S饱和，养分失调；l铝胁迫与铝毒问题；l有机质分解减弱；生态系统中的物流课件l重金属积累；l根圈土壤化学条件改变，根系分布型改变；l污染物对叶子的直接效应；l寄生虫活动的加强。生态系统中的物流课件复习题l1生态系统中物质的源、汇和周转率；l2物质循环的主要类型；l3比较气体型循环与沉积型循环的特点和差异；l4人类活动对生态系统物质循环的干扰及其后果。生态系统中的物流课件
