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1、第三节第三节 生态系统的物质循环生态系统的物质循环1物质循环（生物地化循环）：物质循环（生物地化循环）：矿物元素在生态系统之间的输入和输出，它们在大气圈、水圈、岩圈之间以及生物间的流动和交换称物质循环物质循环(cycling of material)，即生物地球化学循环。2一、一、 物质循环的一般特征物质循环的一般特征1、物质循环的特征、物质循环的特征（1）物质循环和能量流动总是相伴发生，但生物固定的日光能量流过生态系统通常只有一次，并且逐渐以热的形式耗散，而物质在生态系统的生物成员中能被反复利用；3当能量流经生态系统时，元素在同化转换和异化间交替进行，如此循环4（2）物质循环可用库库和流通率
2、流通率两个概念来描述； 库（分室）：库（分室）：是由存在于生态系统某些生物或非生物成分中一定数量的某种化学物质所构成的，可分为贮存库和交换库。贮存库的特点是库容量大，元素在库中滞留的时间长，流动速率小，多属于非生物成分；交换库则容量较小，元素滞留的时间短，流速较大。 5流通率流通率：物质在生态系统单位面积(或单位体积)和单位时间的移动量。(单位mg/d)6有机态无机态生态系统中元素循环的普适分室模型7（3）物质循环在受人类干扰以前一般是处于一种稳定的平衡状态；（4）元素和难分解的化合物常发生生物积累、生物浓缩和生物放大现象。8生物浓缩生物浓缩(bioconcentration): 指生态系统中
3、同一营养级上许多生物种群或者生物个体，从周围环境中蓄积某种元素或难分解的化合物，使生物体内该物质的浓度超过环境中的浓度的现象，又称生物富集。生物积累生物积累(bioaccumlation): 指生态系统中生物不断进行新陈代谢的过程中，体内来自环境的元素或难分解的化合物的浓缩系数不断增加的现象。生物放大生物放大(biomagnification): 指生态系统的食物链上，高营养级生物以低营养级生物为食，某种元素或难分解化合物在生物机体中浓度随营养级的提高而逐步增大的现象。生物放大的结果使食物链上高营养级生物体中该类物质的浓度显著超过环境中的浓度。92、影响物质循环速率的因素、影响物质循环速率的因
4、素（1）元素的性质）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周转时间为1年左右，而大气圈中氮周转时间为100万年。10（2）生物的生长速率）生物的生长速率它决定生物对该物质吸收的速率以及该物质在食物网中运动的速度。11（3）有机物质分解的速率）有机物质分解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。12（4）人类活动的影响）人类活动的影响如开垦农田和砍伐森林引起土壤矿物质的流失，从而影响物质循环的速率。化石燃烧把硫和二氧化硫释放大气中。133、生物地球化学循环的类型、生物地球化学循环的类型 根据
5、物质在循环时所经历的路径不同，从整个生物圈的观点出发，并根据物质循环过程中是否有气相的存在，生物地球化学循环可分为三大类型：水循环、气体循环、沉积型循环 14（ 1）气体型循环（气体型循环（gaseous type)：其贮存库是大气和海洋。气相循环把大气和海洋相联系，具有明显的全球性，循环性能最为完善。元素或化合物可以转化为气体形气体形式式参与循环过程。气体循环速度比较快，例如CO2、N2、O2等。物质来源充沛，不会枯竭。15（2 2）沉积型循环）沉积型循环(sedimentary type)： 这类循环速度比较慢，参与沉积循环的物质，其分子或化合物主要通过岩石的风化和沉积物的溶解岩石的风化和
6、沉积物的溶解转变为可被生物利用的营养物质，如磷、钙、钠、镁等。而海底沉积物转化为岩石圈成分则是相当长的、缓慢的、单向的物质转移过程，时间要以千年计算。主要储库在土主要储库在土壤、沉积物和岩石，而无气体状态。壤、沉积物和岩石，而无气体状态。因此沉积循环的全球性不如气体型循环，循环性能也很不完善。16（3）水循环：）水循环：生态系统中所有的物质循环都是在水循环的推动下完成的，因此，没有水的循环，也就没有生态系统的功能，生命也将难以维持。17二、二、 水循环水循环1、全球水循环、全球水循环水循环的意义：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。18全环水循环192、生态系
7、统中的水循环、生态系统中的水循环降雨降雨截留截留穿透雨穿透雨蒸腾蒸腾渗透渗透地表蒸发地表蒸发地表地表径流径流地下径流地下径流20三、碳循环三、碳循环1、研究碳循环的意义：、研究碳循环的意义：A、碳是一切生物体中最基本的成分。B、人类活动通过化石燃料的大规模使用，造成了对于碳循环的重大影响，可能是当代气候变化的重要原因。212、碳循环包括的主要过程：、碳循环包括的主要过程：碳库主要包括大气中的二氧化碳、海洋中的无机碳和生物机体中的有机碳A、生物的同化过程和异化过程；B、大气和海洋之间的二氧化碳交换；C、碳酸盐的沉淀作用。22海洋和大气海洋和大气CO2调节调节CO2CO2溶溶于海水于海水H2CO3
8、水体中生物水体中生物H+CO3 2- CaCO3海底沉积物海底沉积物23许多藻类将体内碳酸钙排入水中，但珊瑚藻和建礁藻将其结合入身体构造珊瑚藻的骨架由碳酸钙构成24地球上大多数碳被固定在沉积岩中2526全球碳循环（ GT-10亿吨）27在元素循环研究中，例如碳循环，我们把释放二氧化碳的库称为源，吸收二氧化碳的库称为汇。在仅考虑中国植被生态系统的CO2收支平衡时，中国陆地生态系统起着一个大气CO2汇的作用，如果考虑化石燃料燃烧和生产以及生物质燃烧等人为因素，中国陆地生态系统则起着CO2源的作用。28生物质能生物质包括树木、农作物、水生植物、农林产品加工残余物、有机废弃物、人畜粪便、城市生活垃圾等
9、。生物质能是绿色植物通过光合作用将太阳辐射的能量转化为储存的化学能，以生物质的形式固定下来的能源，是一种可再生能源。29据估算，地球上的绿色植物储存的总能量大约相当于8*1012T标准煤，比目前地壳内已知可供开采的煤炭总储量还多11 倍。我国有丰富的生物质资源，仅农产品的秸杆产量就达到5.6亿T以上，历年垃圾堆存量也高达60亿T，年产垃圾近1.4亿T。据统计，我国现有668个城市，其中23被垃圾环带包围，城市垃圾造成的损失每年高达250-300亿元。30生物质具有可再生、低污染、分布广泛等特点，利用生物质能作为替代能源，减少化石燃料的使用，对减少大气中二氧化碳含量，减轻温室效应都有重要意义。3
10、1生物质能的利用1.直接燃烧：热效率低、能源浪费大。2.利用热解技术可将生物质转变为生物燃油，生物燃油的能源利用效率约为直接燃烧的4倍，且辛烷值较高，若将生物燃油作为汽油添加剂，其经济效益更加显著。我国生物燃油的研究开发起步较晚，与国外相比有较大差距。323.生物质气化技术：是将固体生物质放置气化炉内加热，同时通入空气、氧气或水蒸气，使之产生品位较高的可燃气体。 如1999年江西建成秸秆气化集中供气示范工程，334.生物化学转换技术：主要是利用生物质厌氧发酵生成沼气和在微生物作用下生成酒精等能源产品。我国沼气事业发展速度最快，数量最多，已成为世界沼气大国。在农村已推广沼气用户760万户，建成大
11、中型畜禽养殖场能源环境工程700处，生活污水净化沼气池近5万个。345.垃圾发电：是一种非常有效的减量化、无害化和资源化措施，每2T垃圾可获得相当于燃烧1T煤的热量，焚烧处理后的灰渣呈中性、无气味、不引发二次污染，且体积减少90，重量减少75。如果方法得当，1T垃圾可获300-400KVh的电力。35我国的垃圾发电近年来得到快速发展，深圳、珠江三角洲、温州、上海等地已建垃圾发电厂多个。北京市在朝阳区兴建首座垃圾发电站，日焚烧垃圾1000T，年发电1.4亿KVh。36四、氮循环四、氮循环氮是蛋白质的基本成分，植物不能直接利氮是蛋白质的基本成分，植物不能直接利用，必须通过固氮作用成为硝酸盐、亚硝用
12、，必须通过固氮作用成为硝酸盐、亚硝酸盐或氨才能进入生态系统，参与循环。酸盐或氨才能进入生态系统，参与循环。37固氮作用固氮作用：（1）闪电、宇宙射线、火山爆发等高能固高能固氮，氮，形成硝酸盐；（2）工业固氮工业固氮：400摄氏度，200大气压下；（3）生物固氮生物固氮：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。38氨化作用：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。39硝化作用：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：反硝化作用：反硝化细菌将亚硝酸盐转变
13、成大气氮，回到大气库中。40大豆根系上的根瘤41氮氮循环循环42地球上的氮循环43氮氮污染：污染：过多地使用化肥的危害污染土壤和水体，降低生物多样性；并能把N2O送入大气，一方面，它与氧结合破坏臭氧层，另一方面作为温室气体，反射能量的能力比CO2高约200倍，还可以形成酸雨等；大气中的含氮化合物在日光作用下，对于光化学烟雾的形成起促进作用。44五、五、磷循环磷循环磷不存在任何气体形式的化合物，所以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。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。45含磷有机物沿两条循环支路循环：一是沿食物链传递，并以粪便、残体归还土壤
14、；另一是以枯枝落叶、秸秆归还土壤。46各种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。在这一循环过程中，一部分磷脱离生物小循环进入地质大循环。其支路也有两条：一是动植物遗体在陆地表面的磷矿化；另一是磷受水的冲蚀进入江河，流入海洋。4748地球上的磷循环49六、硫循环六、硫循环硫是蛋白质和氨基酸的基本成分，主要蓄库是岩石圈。硫循环是一个复杂的元素循环，既属沉积型，也属气体型。硫循环有一个长期的沉积阶段和一个较短的气体阶段。岩石库中的硫酸盐主要通过生物的分解和自然风化作用进入生态系统。50硫循环51人类对硫循环的影响很大，通过燃烧化石燃料，每年向大气输入的SO2达1.47108t，其中70%来源于燃烧煤， SO2在大气中遇水蒸气形成硫酸，大气中的硫酸对环境有许多方面的影响。对人类及动物的呼吸道产生刺激作用，如果是细雾状的微小颗粒，还能进入肺，刺激敏感组织。浓度过高，就会成为灾害性的空气污染。52伦敦烟雾事件伦敦烟雾事件伦敦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。5354
