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1、生态系统生态学第第13章章:生态系统的物质循环生态系统的物质循环主要内容：主要内容：n生物地球化学循环概念生物地球化学循环概念n全球物质循环和生态系统内的物质循环全球物质循环和生态系统内的物质循环n循环中可能出现的问题循环中可能出现的问题n全球生态系统的作用与保护全球生态系统的作用与保护为什么研究物质循环？生物地球化学循环的概念生物地球化学循环的概念n生态系统从大气、水体和土壤等环境中获生态系统从大气、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，再态系统，被其他生物重复利用，最后，再归还于环境中。归还于环境中。这
2、些循环这些循环的的路径路径包括生物包括生物与非与非生物二者生物二者,同同时时也包含一些地也包含一些地质与质与地理地理作用在內作用在內,因此因此称为称为生物地生物地球化学循环。球化学循环。可以作为养分可以作为养分的有机物的有机物活的活的有机体及有机体及生物残体生物残体不能作为养分不能作为养分的有机物的有机物煤炭、石油、煤炭、石油、草碳等草碳等可以作为养分可以作为养分的无机物的无机物大气、土壤、大气、土壤、水等水等不能作为养分不能作为养分的无机物的无机物岩石中的矿物岩石中的矿物质质同化、光合作用同化、光合作用呼吸、分解、排泄呼吸、分解、排泄形成沉积岩形成沉积岩风化、侵蚀风化、侵蚀侵蚀、化石燃料燃烧
3、侵蚀、化石燃料燃烧形成化石形成化石养分循环的基本概念养分循环的基本概念生物地球化学循环的类型生物地球化学循环的类型n n水循环水循环水循环水循环qq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，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，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，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。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。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。没有水的循环，也就没有生态系统的功能，生命也将难以维
4、持。n n气体型循环气体型循环气体型循环气体型循环qq元素或化合物可以转化为气体形式参与循环过程，其贮存库是大元素或化合物可以转化为气体形式参与循环过程，其贮存库是大元素或化合物可以转化为气体形式参与循环过程，其贮存库是大元素或化合物可以转化为气体形式参与循环过程，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，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，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，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，气体循环速度比较快循环性能最为完善，气体循环速度比较快循环性能最为完善，气体循环
5、速度比较快循环性能最为完善，气体循环速度比较快 。例如。例如。例如。例如COCO2 2、N N2 2、OO2 2等。等。等。等。n n沉积型循环沉积型循环沉积型循环沉积型循环qq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转变为可被生物利用的营养物质，而海底沉积物转化积物的溶解转变为可被生物利用的营养物质，而海底沉积物转化积物的溶解转变为可被生物利用的营养物质，而海底沉积物转化积物的溶解转变为可被生物利用的
6、营养物质，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，这类循环速度比较慢。主要储库在土壤、沉积间要以千年计算，这类循环速度比较慢。主要储库在土壤、沉积间要以千年计算，这类循环速度比较慢。主要储库在土壤、沉积间要以千年计算，这类循环速度比较慢。主要储库在土壤、沉积物和岩石。因此沉积循环的全球性不如气体型循环，循环性能也物和岩石。因此沉积循环的全球性不如气体型循环，循环性能也物和岩石。因此
7、沉积循环的全球性不如气体型循环，循环性能也物和岩石。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。很不完善。很不完善。很不完善。沉积循环沉积循环地质的生物的气象的地质的气象的生物的大气溶于水和土壤土壤和岩石矿物质剩余有机物（活的和死的）全球水循环全球水循环生态系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全球碳循环全球碳循环生态系统中的碳循环生态系统中的碳循环什么是温室效应？什么是温室效应？ 大气大气COCO2 2浓度与温度变化浓度与温度变化( (夏威夷夏威夷) )全球氮循环全球氮循环生态系统中的氮循环生态
8、系统中的氮循环全球硫循环全球硫循环生态系统的氮循环生态系统的氮循环酸雨的危害酸雨的危害世界范围酸雨危害世界范围酸雨危害全球磷循环全球磷循环生态系统中的磷循环生态系统中的磷循环湖泊富氧化湖泊富氧化污水排放污水排放全球的物质循环系统全球的物质循环系统生态系统服务生态系统服务(ecosystem service)n n生态系统与生态系统过程所形成及所维持的人类赖以生存生态系统与生态系统过程所形成及所维持的人类赖以生存生态系统与生态系统过程所形成及所维持的人类赖以生存生态系统与生态系统过程所形成及所维持的人类赖以生存的生物资源和自然环境条件及其效用。的生物资源和自然环境条件及其效用。的生物资源和自然环
9、境条件及其效用。的生物资源和自然环境条件及其效用。n n生态系统的服务功能与生态系统的功能所涵盖的意义不同，生态系统的服务功能与生态系统的功能所涵盖的意义不同，生态系统的服务功能与生态系统的功能所涵盖的意义不同，生态系统的服务功能与生态系统的功能所涵盖的意义不同，服务功能是针对人类而言的，但值得注意的是生态系统的服务功能是针对人类而言的，但值得注意的是生态系统的服务功能是针对人类而言的，但值得注意的是生态系统的服务功能是针对人类而言的，但值得注意的是生态系统的服务功能只有一小部分被人类利用。服务功能只有一小部分被人类利用。服务功能只有一小部分被人类利用。服务功能只有一小部分被人类利用。n n生
10、态系统的服务功能，可以分为生态系统的服务功能，可以分为生态系统的服务功能，可以分为生态系统的服务功能，可以分为4 4个层次：个层次：个层次：个层次：qq 生态系统的生产：包括生态系统的产品及生物多样性的维持等；生态系统的生产：包括生态系统的产品及生物多样性的维持等；生态系统的生产：包括生态系统的产品及生物多样性的维持等；生态系统的生产：包括生态系统的产品及生物多样性的维持等；qq 生态系统的基本功能：包括传粉、传播种子、生物防治、土壤形生态系统的基本功能：包括传粉、传播种子、生物防治、土壤形生态系统的基本功能：包括传粉、传播种子、生物防治、土壤形生态系统的基本功能：包括传粉、传播种子、生物防治
11、、土壤形成等；成等；成等；成等；qq 生态系统的环境效益：包括减缓干旱和洪涝灾害、调节气候、净生态系统的环境效益：包括减缓干旱和洪涝灾害、调节气候、净生态系统的环境效益：包括减缓干旱和洪涝灾害、调节气候、净生态系统的环境效益：包括减缓干旱和洪涝灾害、调节气候、净化空气、处理废物等；化空气、处理废物等；化空气、处理废物等；化空气、处理废物等；qq 生态系统的娱乐价值：包括休闲、娱乐，文化、艺术素养、生态生态系统的娱乐价值：包括休闲、娱乐，文化、艺术素养、生态生态系统的娱乐价值：包括休闲、娱乐，文化、艺术素养、生态生态系统的娱乐价值：包括休闲、娱乐，文化、艺术素养、生态美学等。美学等。美学等。美学
12、等。生生态态系系统统服服务务类类型型自然生态系统与人类为主的生态系统之间的关系自然生态系统与人类为主的生态系统之间的关系生态系统服务功能的价值分类生态系统服务功能的价值分类 根据生态服务功能和利用状况可以将服务功能价值分为根据生态服务功能和利用状况可以将服务功能价值分为4 4类：类： 直接利用价值直接利用价值主要指生态系统产品所产生的价值，可以用产品的市场价主要指生态系统产品所产生的价值，可以用产品的市场价格来估计；格来估计； 间接利用价值间接利用价值主要指无法商品化的生态系统服务功能，如维护和支撑地主要指无法商品化的生态系统服务功能，如维护和支撑地球生命支持系统功能。间接利用价值通常根据生态
13、服务功能球生命支持系统功能。间接利用价值通常根据生态服务功能的类型来确定；的类型来确定； 选择价值选择价值它是人们为了将来能够直接利用与间接利用某种生态系统它是人们为了将来能够直接利用与间接利用某种生态系统服务功能的支付意愿；服务功能的支付意愿； 存在价值又称内在价值存在价值又称内在价值它表示人们为确保这种生态服务功能继续存在的支付意愿，它表示人们为确保这种生态服务功能继续存在的支付意愿，它是生态系统本身具有的价值。它是生态系统本身具有的价值。n n生态系统服务的特征生态系统服务的特征生态系统服务的特征生态系统服务的特征qq一般的商品或服务可以通过市场流通，以市场价格表达其价值（使用一般的商品
14、或服务可以通过市场流通，以市场价格表达其价值（使用价值），生态系统服务不同于一般的商品，许多服务项目不能体现为价值），生态系统服务不同于一般的商品，许多服务项目不能体现为具体的实物形式，有的甚至未被受益的人们意识到，表现出了具体的实物形式，有的甚至未被受益的人们意识到，表现出了“ “市场市场失效失效” ”。两者的供给和需求有明显的不同，如下图所示。两者的供给和需求有明显的不同，如下图所示。 生态系统服务功能价值的评价方法生态系统服务功能价值的评价方法 生态系统的服务未完全进入市场，但对生态系统服务的生态系统的服务未完全进入市场，但对生态系统服务的“增量增量”价值或价值或“边际边际”价值进行估计
15、是有意义的。生价值进行估计是有意义的。生态系统服务的经济价值评价方法有如下几种：态系统服务的经济价值评价方法有如下几种： 直接市场价格法直接市场价格法 替代市场价格法替代市场价格法 权变估值法：权变估值法： 生产成本法生产成本法 实际影响的市场估值法实际影响的市场估值法生态系统服务的评价方法生态系统服务的评价方法森林生态系统服务评价典型案例中的主要服务价值森林生态系统服务评价典型案例中的主要服务价值 入侵造成的生态系统服务损失评价入侵造成的生态系统服务损失评价柽柳为例柽柳为例地球自我调节理论地球自我调节理论GaiaGaia假说假说nLovelock & Margulis(1972,1988):
16、 Gaia: a new look at the life on EarthnGaia(Gaia(盖娅盖娅)大地女神大地女神q地球是一个生物区系，海洋，大气和土壤组成的复合系统，这地球是一个生物区系，海洋，大气和土壤组成的复合系统，这个复合系统不仅改变了地球上的环境，而且直接控制其系统，个复合系统不仅改变了地球上的环境，而且直接控制其系统，以维持地球的活动并使其更有活力。以维持地球的活动并使其更有活力。q要点：地球上所有生物对其环境是不断地主动起着调节作用。要点：地球上所有生物对其环境是不断地主动起着调节作用。q争议：调解作用是完全的吗？争议：调解作用是完全的吗？n“一个新奇的望远镜一个新奇的
17、望远镜”地球、火星、金星大气成分对比地球、火星、金星大气成分对比气体气体(%) (%) 金金星星火火星星古古地地球球地地球球COCO2 296.96.5 5959598980.00.03 3N N2 23.53.5 2.72.7 1.91.978.78.1 1O O2 20 00.10.10 020.20.9 9ArAr0.70.7 1.61.6 0.10.10.90.93434CHCH4 40 00 00 01.71.7表面温表面温度度()()459459 -53-53 2902901313气压气压(bar)(bar)90900.00.006406460601 1地质时期地球大气成分的演变地
18、质时期地球大气成分的演变GaiaGaia假说的依据：假如星球上没有生命假说的依据：假如星球上没有生命其他证据其他证据n n地球生态系统保持稳定地球生态系统保持稳定地球生态系统保持稳定地球生态系统保持稳定地球存在调节系统地球存在调节系统地球存在调节系统地球存在调节系统qq尽管地球受到频繁的干扰和破坏，但却表现出一定的稳尽管地球受到频繁的干扰和破坏，但却表现出一定的稳尽管地球受到频繁的干扰和破坏，但却表现出一定的稳尽管地球受到频繁的干扰和破坏，但却表现出一定的稳定性。太阳的辐射强度自出生以来已经增长定性。太阳的辐射强度自出生以来已经增长定性。太阳的辐射强度自出生以来已经增长定性。太阳的辐射强度自出
19、生以来已经增长25%25%25%25%，如果，如果，如果，如果地球温度只取决于太阳辐射强度，则地球在生命出现的地球温度只取决于太阳辐射强度，则地球在生命出现的地球温度只取决于太阳辐射强度，则地球在生命出现的地球温度只取决于太阳辐射强度，则地球在生命出现的早期早期早期早期10-1510-1510-1510-15亿年内应当为冰冻状态，而实际上地球表面亿年内应当为冰冻状态，而实际上地球表面亿年内应当为冰冻状态，而实际上地球表面亿年内应当为冰冻状态，而实际上地球表面温度一直保持温度一直保持温度一直保持温度一直保持15151515度左右，即使在白垩纪和第三纪之间地度左右，即使在白垩纪和第三纪之间地度左右
20、，即使在白垩纪和第三纪之间地度左右，即使在白垩纪和第三纪之间地球出现过生物大灭绝事件，而地球大气和地表变化仍很球出现过生物大灭绝事件，而地球大气和地表变化仍很球出现过生物大灭绝事件，而地球大气和地表变化仍很球出现过生物大灭绝事件，而地球大气和地表变化仍很小。小。小。小。其他证据其他证据n n地球是一种进化系统地球是一种进化系统地球是一种进化系统地球是一种进化系统地球进化是渐进和间断地球进化是渐进和间断地球进化是渐进和间断地球进化是渐进和间断的结合，与生物作用和影响密不可分的结合，与生物作用和影响密不可分的结合，与生物作用和影响密不可分的结合，与生物作用和影响密不可分qq通常地球科学家把地球进化
21、认为主要是地球化学和物理通常地球科学家把地球进化认为主要是地球化学和物理学的进化，完全忽视了生物对地球进化的作用和影响。学的进化，完全忽视了生物对地球进化的作用和影响。GaiaGaia假说认为，该系统由地球上所有生物和物质环境组假说认为，该系统由地球上所有生物和物质环境组成，两方面密不可分。这个进化系统理论把气候、化学成，两方面密不可分。这个进化系统理论把气候、化学组成的调节看作该系统的应变特性，组成的调节看作该系统的应变特性， GaiaGaia作为一个系作为一个系统，在长期的自动调控期间逐渐进化，并有时候出现间统，在长期的自动调控期间逐渐进化，并有时候出现间断，这是由于生物与环境间的偶然突变
22、引起的。这种变断，这是由于生物与环境间的偶然突变引起的。这种变化使系统进化发展到一个新的状态，在化使系统进化发展到一个新的状态，在2525亿年前厌氧生亿年前厌氧生物出现的太古代到富氧生物的元古代，出现一个飞跃。物出现的太古代到富氧生物的元古代，出现一个飞跃。成为研究热点成为研究热点一些肯定的研究结果一些肯定的研究结果时间时间预测内容预测内容验证及其结果验证及其结果19681968火星无生命，来自大气证据火星无生命，来自大气证据19771977年发射海盗飞行器年发射海盗飞行器19711971通过生物合成可以从海洋向陆地通过生物合成可以从海洋向陆地转移必需元素转移必需元素19731973年发现二甲
23、基硫和二甲基年发现二甲基硫和二甲基碘碘19871987通过生物促进岩石风化从而控制通过生物促进岩石风化从而控制COCO2 2，调解气候，调解气候19891989年发现微生物大大加强岩年发现微生物大大加强岩石风化作用石风化作用19871987藻类释放二甲基硫控制云量而调藻类释放二甲基硫控制云量而调节气候节气候仍在验证，提出浮游植物仍在验证，提出浮游植物- -云云层间反馈环模型层间反馈环模型19731973过去两亿年间氧气浓度保持在过去两亿年间氧气浓度保持在21%21%左右左右认为受火及磷循环影响认为受火及磷循环影响19881988太古代大气化学以甲烷为主太古代大气化学以甲烷为主仍在验证仍在验证假
24、如Gaia存在请善待地球！地球也有生命！Gaia这位女神，和早期宗教其它神相似，为女性象征，溫柔、尔雅、有这位女神，和早期宗教其它神相似，为女性象征，溫柔、尔雅、有这位女神，和早期宗教其它神相似，为女性象征，溫柔、尔雅、有这位女神，和早期宗教其它神相似，为女性象征，溫柔、尔雅、有教养，但是当人不与星球和谐共处时，她也会变得凶暴残忍教养，但是当人不与星球和谐共处时，她也会变得凶暴残忍教养，但是当人不与星球和谐共处时，她也会变得凶暴残忍教养，但是当人不与星球和谐共处时，她也会变得凶暴残忍小结小结:n生物地球化学循环概念生物地球化学循环概念n水循环水循环n碳循环碳循环n氮循环氮循环n硫循环硫循环n磷循环磷循环n生态系统服务评价生态系统服务评价nGaia假说假说
