生态学-生态系统中的物质循环

在淡水和海洋生态系统中,磷酸盐能迅速的被浮游 植物吸收,而后又转移到浮游动物和其他动物体内。浮 游动物每天排出的磷量约与其生物量中所储存的磷量 相等,从而使循环持续进行。浮游动物排出的磷有一半 以上是可以被浮游植物重新吸收的无机磷酸盐。水体 中的其他的有机磷可被细菌利用,然后又被一些小动物 取食,而这些小动物可以排出磷酸盐。磷有一部分沉积 在浅海,一部分沉积在深海。沉积在深海的磷有些又可 以随着海水的上涌被带到光合作用海区并被浮游植物 利用。由于动植物残体的下沉,常使表层海水的磷被耗 尽而深水中的磷过多。
由于人类每年约向大气中释放2×1010t 的CO2,从而严重干扰 了陆地、海洋和大气之间CO2交换的平衡,致使大气中CO2的含量 每年增加7.5×109t,这仅是人类释放到大气中CO2的三分之一,其余 则被海洋和增加了的陆地植物所吸收。大气中CO2含量的持续增 加会给地球上的生态环境带来什么后果,是当前科学家最关心的问 题之一,也是全球环境问题的热点之一。
3.1 物质循环的概念及特点
大量元素：包括含量超过生物体干重1%以上的C、 O、H、N和P等,也包括含量占生物体干重 0.2%~1%的S、Cl、K、Na、Ca、Mg、Fe和Cu 等。 微量元素：在生物体内的含量一般不超过生物体干 重的0.2%,而且并不是所有生物体内都有。属于 微量元素的有Al、B、Br、Cr、Co、F、Ca、I、 Mn、Mo、Se、Si、Sr、Sn、 Sb、V和Zn等。 生物所需要的各种物质和元素是靠生态系统的物质 循环功能而获得的。
地球上水资源：
河川和地下水是人类生活和生产用水的主要来源。 人类每年用的河川水占河川总水量的25%,今后随着 生活着生活,灌溉和工业用水量的增加,人类还将利 用更多的河川水。 地下水是指植物根系所达不到而且不会因为蒸发作 用而受到损失的深层水。地球所蕴含的地下水约 比地球上地上所有河川和湖泊中的水多38倍！
循环路线：
磷的主要储存库是天然的磷矿,由于风化、侵蚀 作用和人类的开采活动,磷才被释放出来。一些磷经 由植物、植食动物和肉食动物而在生物中流动,待生 物死亡和分解后又使其重返环境。在陆地生态系统 中,磷的有机化合物被细菌分解为磷酸盐,其中一些又 被植物吸收,另一些则转化为不能被植物吸收的化合 物,陆地的一部分磷则随水流进入湖泊和海洋。
碳 循 环
湖泊环境碳循环图解
碳循环的调节机制：
CO2 在大气圈和水圈之间的界面上通过扩散作 用而互相交换着,如果大气中的CO2发生局部短缺,就 会引起一系列的补偿反应,水圈里溶解态的CO2就会 更多地进入大气圈。同样,如果水圈里的碳酸氢根离 子(HCO2-)在光合作用中被植物耗尽,也可及时从大 气中得到补充;在陆地和大气之间,碳的交换(光合和 分解)大体上也是平衡的。 总之,碳在生态系统总的含量过高或过低,都能通过 碳循环的自我调节机制而得到调整并恢复到原来的 平衡状态。
存在着差额,多余的氮主要由地表径流带入海洋中。 目前,海洋氮循环基本平衡。
石油等化学燃料燃烧释放的含氮废气是空 气污染的主要原因之一。
3.5 沉积型循环—磷的全球循环
特点：磷是没有任何气态或蒸汽态化合物的元素,因
此是最典型的沉积型循环物质。沉积型循环物质都 有两种存在相,即岩石相和溶盐相。这类物质的循环 都是起自岩石的风化,终于水中的沉积。岩石风化后, 溶解在水中的盐便随着水流经土壤进入溪、河、湖、 海并沉积在海底,其中一些长期滞留在海底,另一些 可形成新的地壳,风化后又再次进入循环圈。植物和 动物从溶解盐中或其他生物中获得这些物质,死后又 通过分解和腐败过程而使这些物质重新回到水中和 土壤中。
3.1 物质循环的概念及特点
生物的生存不仅离不开能量的供应,也离不 开各种物质和化学元素的供应。对于大多数生 物来说,有大约20多种元素是它们生命活动所不 可缺少的。生物所需要的糖类,虽然可以在光合 作用中利用水和二氧化碳来制造,但是对于制造 一些更加复杂的有机物质来说,还需要一些其他 的元素,如需要大量的氮和磷,还需要少量的锌和 钼等。前者被称为大量元素,后者则被称为微量 元素。
性单独算是一种类型。
3.2 物质循环的类型-续
在全球水平上研究物质循环主要是研究H2O、C、 O、N、P等物质或元素的全球循环过程。由于 这些物质或元素对生物的极端重要性和已观察 到人类对其循环的影响,是这些研究变得更为紧 迫和必要。人类在生物圈水平上对物质循环过 程的干扰在规模上与自然发生的过程相比是有 过之而无不及,而且人类的影响已扩展到作为生 物主要构成成分的C、O、N、P和H2O的生物 地化循环,这些物质或元素的自然循环过程只要 稍受干扰就会对人类本身产生深远的影响。
3.2 物质循环的类型-续
属于沉积型循环的物质主要有P、S、Ca、K、Na、 Mg、Fe、Mn、I、Cu和Si等。 其中P是较典型的沉积型循环物质,它从岩石中释放出 来,最终又沉积在海底并转化为新的岩石。 气体型循环和沉积型循环虽然各有特点,但都受能流 的驱动并依赖于水循环。 水循环在很多方面与气体循环相似,但因其特殊重要
3.1 物质循环的概念及特点
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生物地 (球)化(学)循环(biogeochemical cycle) ,即物质循环 (cycling of material) ●生物小循环：营养物质在生态系统中的输入输出以 及在营养级间的交换过程。其特点是物质流速快、 周期短。 ●生物地球化学大循环：指与生物生存密切相关的各 种元素的全球性循环。其特点是范围大、周期长和 影响面广。 以上两种循环相互联系,其中生物小循环是在生物地球 化学大循环的基础上进行的。
物质循环中库与流通率的关系
物质循环中库与流通率的关系
3.1 物质循环的概念及特点
①物质循环不同于能量流动,前者在生态系统中的 流动是循环式的,而后者是单方向的; ②生物地化循环可以用库和流通率两个概念来描 述。库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。前者的特点是库容量大,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。 ③生物地化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。
3.4 气体型循环
3.4.1 碳的全球循环 碳元素的贮存库： 岩石、化石燃料(煤和石油)、水圈和大气圈 (主要以CO2的形式)、生物圈。 大气中CO2是含碳的主要气体,也是碳参与循 环的主要形式。
3.4.1 碳的全球循环
碳循环的基本路线：从大气贮存库到植物和动物,再从 动植物通向分解者,最后又回到大气中去。在这个循 环路线中,大气圈是碳(以CO2)的储存库。 CO2在大气中的平均浓度是0.032%,但由于很多地理因 素和和其他因素影响植物的光合作用和呼吸作用,所 以大气中CO2的含量有着明显的日变化和季节变化。 除了大气以外,碳的另一个储存库是海洋。海洋是一个 重要的储存库,它的含碳量是大气含碳量的50倍。
第四部分 第3章 生态系统中的物质循环(自学为主)
PART Ⅳ Chapter 3 Biogeochemical cycle of ecosystem
生态系统中的物质循环
(一)物质循环的概念及特点 (二)物质循环的类型 (三)全球水循环 (四)气体型循环—全球碳循环 (五)沉积型的循环——磷的全球循环
3.2 物质循环的类型
• 全球生物地球化学循环分为三大类型：水循环、 气体型循环和沉积型循环。 • 1)在气体型循环中,物质的主要储存库是大气圈 和海洋,其循环与大气圈和海洋密切相关,具有明 显的全球性,循环性能最为完善 。 • 2)凡属于气体型循环的物质,其分子或化合物必 以气体形式参与循环过程。属于气体型循环的 物质主要有O2、CO2、N、Cl、Br和F。
3.3 全球水循环-续
地球上水资源：
结合在岩石圈和沉积岩里的水占95%(不参与 全球水循环),可循环水(存在于地球表面及其 大气圈)仅5%(99%是海水);地球上的淡水只 占地球总水量的(不包括岩石圈和沉积岩里 的结合水)的3%,其中的3/4又都被冻结在两 极的冰盖和冰川中。
3.3 全球水循环-续
3.2 物质循环的类型-续
3)属于沉积型循环的物质,其分子或化合物绝无气 体形态,这些物质主要是通过岩石的风化和沉积物 的分解转变为可利用的营养物质,而海底沉积物转 化为岩石圈成分则是一个极其缓慢的、单向的物 质转移过程,时间要以数千年计。沉积型循环物质 的主要储存库是土壤、沉积物和岩石。因此这类 物质循环的全球性不如气体循环表现的那么明显, 其循环性能也很不完善。
(脱氮)
氮贮存库：大气圈、无机盐(氨、亚硝酸盐和硝酸
盐)和有机氮(尿素、蛋白质和核酸等)
反硝化
作用
固氮
作用 氨化 作用 硝化 作用
氮 循 环
• 固氮作用：将大气中氮转化为无机氮化物
的过程。
电化学和光化学固氮 人工合成氮肥 生物固氮
固氮微生物： 1)共生固氮生物(主要是细 菌, 如根瘤菌,鱼腥藻);2)自由生活的固 氮生物,如蓝绿藻。
l生物积累(bioaccumulation): 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。 l生物浓缩(bioconcentration): 指生态系统中同一 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。 l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。
3.3 全球水循环
• 水的主要循环路线：从地球表面(陆地和 海洋)通过蒸发进入大气圈,同时又不断从 大气圈通过降水而回到地球表面。 • 蒸发和降水的动力都来自太阳,太阳是推 动水在全球循环的主要动力。
大陆上空水蒸气 海洋上空水蒸气
地表及地下径流
3.3 全球水循环-续
水循环的收支平衡：每年地球表面的蒸发量和 降水量是相等的,但陆地的降水量大于蒸发量, 而海洋的蒸发量大于降水量,因此陆地每年都 把多余的水通过河流源源不断输送给大海,以 弥补海洋大量的损失。 生物在全球水循环中起的作用很小,虽然植物在 光合作用中要吸收大量的水,但通过呼吸和蒸 腾作用又把大量的送回大气圈。
3.3 全球水循环-续
地表径流的作用：
能溶解和携带大量的营养物质,把它们从一个生 态系统搬运到另一个生态系统,这时补充某些 生态系统营养物质的不足起着重要作用。由 于水总是从高处往低处流动,所以高地往往比 较贫瘠,而低地比较肥沃,如沼泽地和大陆架 就是这种最肥沃的低地,也是地球上生产力最
高的生态系统之一。
3.4.2 氮的全球循环
氮循环的特点：循环过程非常复杂(有许多微生物
参加);循环性能极为完善;与碳的循环大体相似,但 有区别:大气含量高达79%,但氮的气体形式N2 一般生物不能直接利用,必须通过固氮作用将氮与 氧结合成为硝酸盐河亚硝酸盐,或者与氢结合形成 氨以后,植物才能利用。
氮循环的基本路线：固氮、氨化、硝化、反消化
• 氨化作用：氮的有机化合物——代谢物(尿素和
尿酸),通过微生物的代谢作用,转化成无机化合物 氨气,并释放出来。
• 硝化作用：有机化能自养细菌将氨或铵盐转化成
硝酸盐,从而获得能量,并利用这些能量获得碳。
• 反硝化作用(脱氮作用)：硝酸盐等复杂的含氮
化合物转为N2 、 NO、NO2
3.4.2 氮的全球循环-续 氮循环的调节：全球陆地固氮和反硝化作用之间
,
●贮存库(storage pool)：生态系统中通常存在的一到 多个营养物质贮存量大大超过结合在生命系统中 的数量,并以缓慢速度释放出来的蓄库。一般是大 气圈、水圈和岩石圈。 ●交换库(循环库)(exchange pool)：生态系统中相对 元素储量少、移动快的蓄库。 ●流通率(flux rate)：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。 ●周转率(turnover rate)：指某物质出入一个库的流 通率与库量之比。 ●周转时间(turnover time)：指移动库中全部营养物 质所需要的时间。为周转率的倒数。 生态系统的物质循环实际上就是物质在库与库之间 的转移。