第七章 生态与环境之二生态系统中的物质循环.docx

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1、 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 物质循环与能量流动 环境 生产者 分解者 植 食者 肉 食者 能量流动 物质流动 生态系统中的能量流与物质流特征的 比较 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

2、 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 再为 生 产者 吸收、利 用。属于 开放式循环 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，

3、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 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 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

4、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 生物地球化学循环的类型 # 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 气相型循环和沉积型循环的区别 主要特征 气相型循环 沉积型循环 元素类型 有 气态分 子或化合物 有 气态分 子或化合

5、物 主要贮存库 大 气圈 岩 石圈、 土壤圈 循环速度 快 慢 运动 方式 扩散 沉降、抬升、 风化 抗 干扰能 力 强 弱 循环性质 完全循环 不完全循环 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 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 km

6、3、 大 气 中 水 13 km3、 生 物体中 水 1 km3 The Hydrologic Cycle 生态系统中的 水循环 截留 降 雨 蒸腾 消费者 土壤吸收 穿透 雨 渗透 地表 径流 地 面蒸发 地下径流 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 碳 循 环

7、!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 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

8、采 利 用 这些化 石 燃 料 时， CO2 被再次释 放 进 入 大 气 海 洋和 大 气 CO2调节 CO2 CO2溶 H CO H+CO 2- CaCO 于海 水 2 3 3 3 水体中 生物 海 底沉积物 #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 碳循环 (carbon cycle)图解 燃料 大 气 中CO2 光合 作 用 呼吸 作 用 扩散 水 生植物 光合作 用 腐烂 CO2 碳化作 用

9、泥碳 化煤 腐烂 石油 吸 碳循环 大 气 中 A的 CO2 呼 化 光 呼 能 合 吸 呼 作 合 作 作 吸 用 成 用 用 作 分 D解者 生 产B 者 食物链 （ 网） 各级 消C 费者 用 化 石 E燃料 a. 碳元素在 无机环境中以 CO2 和碳酸 盐 形式存 在 ； 在 生物群落中以 含碳有机物 存在。 b.碳元素的循环形式 ： CO2 . 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 (C

10、H4)、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 CO2 排放 氮 循 环 A 氮的重要性 A 氮库： 大 气、 土壤、陆地植被 A 生 物可 利 用 的氮的形式： NO3 、 NO2 、 NH4 2- 2- + A 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 。

11、2000 年 时，化肥的产 量达 到 80106吨 生 物圈中氮 (106吨 )的分布 大 气 3， 800， 000 陆地有机质 772 活有机体 12 死有机体 760 非有机氮（陆地） 140 地壳 14,000,000 海 洋 水中 20,000 海 洋有机体 901 活有机体 1 死有机体 900 非有机体氮（海 洋） 100 沉积物 4,000,000 无机氮总量 = 1,673 有机氮总量 = 21,820,240 陆地陆地 大 气库 HN3,NO,NO2, N2O ， 氮的循环图解 闪电 化学反应 大 气库 N2 降 脱氮 火 水 山 作 用 动植物 工业固氮 （汽 车 ,化肥

12、 ,电 厂） 大 气 生物固氮 土壤 中 无 活体 共 生或 蓝藻 自由 生活 的固氮 其它 动植物 机氮 微 生物 库 浅层死有机物 死有机体 陆地 河流带 走 丢失于深 层沉积中 溶解死 有机物 海 洋 氮循环 生 物 固 氮 大 气 中的 N2 反 硝 化 细 菌 NH3 氨 化 作 用 硝化细菌 硝酸根和亚硝酸根 生产者 分解者 遗体 、 排出物、 残落物 各级消费者 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

13、 用 对局域缺氮环境有重要意义 使氮进 入 生物循环 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 氮循环有关的微 生物 微 生物 作 用 成分 代谢类型 根瘤菌 （ 共 生固氮微 生物） 消费者 异氧需养型 圆褐固氮菌 （ 自 生固氮微

14、 生物） 分解者 异氧需养型 硝化细菌 生产者 自氧需养型 反硝化细菌 分解者 异氧厌养型 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 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

15、$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 磷循环 沉积型循环 陆地 海 洋 活有机物 排泄死亡 鸟粪 捕 鱼 活有机物 排泄 摄取 死亡 死 悬浮在 水中随河 水带 走 死 摄取 有机物 分解 土壤中的 有机物 上涌 下 ,沉 无机磷 开采 上升 风化 溶解于 水 深海 的磷 沉积 沉积物中的磷 （约为 土壤和海 洋中千倍以上） 2- 2- SO 4 S 硫循环（ sulfur cycle） 火 山 活动 H2S ,SO2,SO4 H2S ,SO2,SO4 大 气 化 石 植物摄取 海 浪 扩散 降 水 ,SO 2- 2 燃烧 SO2,SO4 SO2 4 扩散

16、 SO4 - 降 水 2- SO2 2- 活有机物 摄取 SO2 SO2,SO4 活有机物 SO2 死有机物 2- 4 H2S 分解 死有机物 SO 2- S H2S 化肥 工业 陆地 SO 2- FeS2 上升，分化 溶解的 SO4 - CaSO4 FeS2 海 洋 4 2 沉积物（ CaSO4,FeS2） 硫循环（ sulfur cycle） 生态系统中硫循环 碳循环 、 氮循环和硫循环的 比较 进 入 生态系统 的 方式 进 入 生态系统 的作 用 生物 返回 大 气途径 参与循环 生物 碳 循 环 光合作 用 绿 色植物及其 他 自养型 生物 生物的呼吸作 用 所有 生物 氮 循 环

17、生 物固氮 (主要 ) 闪电 合成氨 工业 固氮微 生物 反硝化细菌的 反硝化作 用 分解者 /固氮微 生 物 /硝化 、 反硝化 细菌 硫 循 环 直接吸收 二氧 化硫 （ 少量） 吸收硫酸盐 绿 色植物及其 他 自养型 生物 分解者分解作 用 动植物遗体及化 石燃料的燃烧 所有 生物 酸 雨的形成 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 伦敦烟雾事件 切尔诺

18、 贝利 核泄漏事件 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 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

19、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；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 ) 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 %

20、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 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

21、被杀死，导致 水果和蜂蜜急剧减产 汞 日本 一家 工 厂把含汞的未加处理的废 气废渣排 入 水 俣湾，汞进 入鱼虾体内，经 食物链传递到 人体内积 存，引起甲基汞慢性中毒 1953 年开始出现发病，病 人 手脚麻 木，听觉失灵， 运动失调，严重时呈疯癫状态，直 至死亡， 人称 水 俣病 水 俣 湾 中 螃 蟹 体 内 含 汞 2 4 p p m ， 受 害 人 肾 中 含 14ppm， 而鱼 的允许 水 平为 0.5ppm 汞循环 (mercury cycle) 火 山活动 化 石 燃烧 挥发 降 水 挥发 农药喷洒 农 田风 径流 化和淋 工 厂 捕 鱼 水鸟 鱼 Hg2 (中性 pH) (

22、CH3)2Hg 溶作 用 汞的废物 由河 水带 走 水 生植物 CH3Hg (酸性 pH) 沉积物 放射性核素循环 & 放射性核素可在多 种介质中循环，并能被 生 物 富 集 & 放射性核素通过核试验或核作 用 物进 入 大 气 层， 然后，通过降 水 、 尘埃和其他物质以原原 子 状 态 回到地球上 & 人 和 生 物既可直接 受到环境放射源危害，也可 因 食物链带来的放射性污染 而间接受害 & 放射性物质由 食 物进 入 人 体，随 血 液循环遍布全 身，有的放射物质在体内可存留 14 年之久 生物地化循环与 人体健康 地 方病： 自然界由于环境条件的不同，地表元素发 生迁移， 常造成 一

23、 些元素在地表分布的 不 均。这种 生 物地化循 环 时 常导致某些 生 态系统中 生 命元素含 量 的异常，或 不 足 ， 或 过剩，从 而 造成植物、动物乃 至 人 类的疾病。这种疾 病 常 呈区域性，故称 “ 地 方 病 ” 微量元素循环 ：地 方病 大多数与微量元素有关 碘的循环与分布特点 ：碘由陆地随 水 进 入 海 洋，由 海 洋 逸 出进 入 大 气 ，再通过降 水 进 入 陆地，形成 一 个 大 循环。在 生 物中，通过 海 洋、陆地两个 食 物链保持碘的 生 态平衡 。 山区少于平原，平原少于沿海 ，沿海 少于海 洋 微量元素与 人体健康 ： 缺碘： 缺碘症：甲状腺肿 大，智

24、 力低下，影响胎 儿发育等 缺硒： 引起克 山 病、 大 骨 节病，也被认为是引起癌症 的 主 要因素 思考题 1. 根据物质循环的有关原 理 ，如何看待发展核能和战争中使 用核武器 . 2. 何谓 生物地化循环？有哪些主要特点？ 3. 概述 生 态系统中碳循环的主要过程和特点，并对 “ 温室效应 ” 的形成机制作 一说明 . 4. 用图解和叙述的 方式介绍 一种沉积型物质循环 . 5. 什么是 一次污染物、 二次污染物？ 6. 说明放射性核素在 生态系统中的迁移特点 . 7. 什 么是 “ 地 方 病 ” ， 列 举 一 种地 方 病，并说明与 生 物地化循 环的关系 . 8. 以碳、氮为例，说明 生物地球化学循环的基本过程及特点 .