基础生态学 13物质循环

（二） 生物地球化学循环的类型
三大类型：
水循环（water cycle） (aquatic cycle) 气体型循环（gaseous cycle）
—— 物质分子或其化合物以气体的形式参与循环过程，循环快。 有CO2、氮、氧、氯、氟等 （全球性较强） 沉积型循环（sedimentary cycle） —— 物质分子或其化合主要通过岩石风化和沉积物溶解转变为 可被生物利用的营养物质参与循环过程，循环速度极为缓慢。如硫、 磷循环
2、碳在生态系统中循环不平衡引起的生态效应
CO2增加，引起温室效应（greenhouse effect），使全球变暖， 将产生对6个生物层次的潜在影响：
– – 生物圈：海平面上升，淹没大片海岸湿地，陆地生物区变化 生态系统： • ●农业生态系统——农作物减产、病虫害加重、影响牲畜食欲。 • ●森林生态系统——导致干旱、增加森林大火风险。森林害虫 增加 • ●水生生态系统——使海洋静水层和沉淀层的微生物活动加快， 水中含氧量减少，影响许多海洋动物的生存；导致藻类繁殖速 度加快，使鱼类产量减少
（二）氮的地球化学循环 氮循环中的主要作用途径
• 占地球固氮90% 固氮作用—— 3 条途径： – 闪电、宇宙射线、火山爆发等高能固氮，形成氨或硝酸 盐，随降雨到达地面，为8.9kg/hm2· a – 工业固氮（化肥制造），目前全世界已达1×108t – 生物固氮（最重要途径），为100~200kg/km2· a 氨化作用—— 由氨化细菌和真菌的作用将有机氮分解成为 氨与氨化合物 硝化作用—— 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 反硝化作用—— 也称脱氨作用，反硝化细菌将亚硝酸盐转 变成大气氮，回到大气库中
– – – –
生物群落：影响生物群落结构，使植物群落中有些优势种竞争能力 下降 物种：加速物种的灭绝，及加速某些物种的迁移 种群：改变某些植食性动物的食性，导致某些种群的互相作用强度 增强 植物个体：提高水分利用，提高光合作用，促进作物生长，改变植 物形态结构
3、保持碳循环相对平衡的生态对策
(1) 减少CO2 的排放 • 提高能源的利用效率——发电采用高效先进技术； • 大力发展不含碳的能源和低碳能源代替煤炭——水力发电、 核能发电、充分利用各种再生能源（太阳能、风能、潮汐能 等）、天然气、生物能（如沼气利用）等。 (2) 大力开展对CO2的吸收，固定和利用—— 植树种草、保护森林
大气中CO2
气体型循环
光合 作用
(gaseous cycle)
呼吸 作用
燃料
扩散 腐烂 水生植物 光合作用 CO2 碳化作用 泥碳 煤 化 石油
腐烂
（一）碳的地球化学循环
carbon cycle
—— 全球C贮存量约为26×1015 t ，绝大部分 90%以上以碳酸盐的形式禁锢在岩石圈中。
而只有7500×109吨是以有机态埋藏在地下 (如煤、石油)。生物可直接利用的碳是水圈和大 气圈中以CO2形式存在的C
1、碳循环途径 ① 绿色植物通过光合作用，把大气中的 CO2固定，转化为碳水化合物 ② 光合作用产物供各营养级利用、重组、呼吸、 分解等，以CO2 形式回到大气； ③ 通过燃烧煤炭、天然气、石油等产生的CO2 ④ 脱离循环，被永久禁锢
1850--2006年全球温度 IPCC第四次报告
1980年至2004年全球碳排放分布
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， 即物质循环(cycling of material) 。
（一）物质循环的模式及类型 （二）水循环 （三）碳循环 （四）氮循环 （五）硫、磷等沉积型循环 （六）有毒有害物质循环
物质循环不同于能量流动，前者在生态系统中的运动是循环的；
CO2 约1年 周转率 = 流通率 / 库中营养 N2 100万年 物质总量 H2O 10.5 d（年更新34次） 周转时间 = 库中营养物质总
量 / 流通率
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。
丢失于深 层沉积中
溶解死 有机物 海洋
第四节
沉积型循环 (sedimentary cycle)
（phosphorus cycle）
（一）磷 P 的地球化学循环 特点：
（1）P无任何形式的气体化合物，是典型的沉积型循环物质 （2）具有两种存在相：
岩石相 溶盐相
（3）循环：起始于岩石风化，终止于水中沉积
海洋 陆地
84 16
77 23
（2）水循环可实现营养物质在生态系统间的搬运
数字单位:103 km3/a
西德地区的水循环示意图
（Clodius and Keller,1951）
地球表面的总水量大约为14亿km3 97%包含在海洋库中
其中大约有
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 km3 大气中水13 km3 生物体中水1 km3
• 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。 • 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。
在食物链营养级上进行循环流动并逐级浓缩富集； 在生物体代谢过程中不能被排泄而被生物体同化， 长期停留于生物体内； 有些有毒有害物质不能分解而相反经生态系统循 环后使毒性增加

（二）有毒有害物质循环实例
1．DDT（二氯二苯三氯乙烷）
• DDT是一种人工合成有机氯杀虫剂，它的问世，对农业的发展 起了很大作用，但它是有机毒物 生态系统通过两个途径吸入人类喷洒的DDT并通过食物链加以 富集： – ① 通过植物茎叶、根系进入植物体—— 草食动物吃——肉 食动物，逐级浓缩； – ② 喷洒的DDT落入地面经土壤动物吃用富集——陆上动物， 逐级浓缩 营养级越高，富集能力越强，积累量越大。其危害主要是影响 生殖，导致人类、动物产生怪胎
基础生态学
郑州大学生物工程系
黄河首曲
第13 章
第一节
–
生态系统中的物质循环
物质循环(cycling of material)的一般特点
生态系统的物质循环—— 又称生物地球化学循环(biogeochemical cycle)：指无机化合物和单质通过生态系统的循环 运动 ——无机化合物和单质在生态系统
• 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，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。
全球生物地球化学循环分为三大类型，即水循环、 气体型循环和沉积型循环。
•
•
水体中的DTT浓度约为0.00005ppm ↓ 浮游生物 0.04 ppm ↓ 刚毛藻 0.08 ppm ↓ 网茅 0.33 ppm ↓ 螺 0.26 ppm 蛤 0.42 ppm 鱼 1.24 ppm ↓ 燕鸥 3.42 ppm ↓ 河鸥幼体 55.3 ppm 成体18.5 ppm ↓ 秋沙鸭 22.8 ppm ↓ 鹭鸟 26.4 ppm ↓ 银鸥 75.5 ppm 图 DDT在食物链中的生物放大
（一）物质循环的模式
生态系统中的物质循环可以用库（Pool）和流（flow ）两个概念概括——
库：是由存在于生态系统某些生物或非生物成分中一定 数量的某种化合物所构成
物质在生态系统中的循环—— 实际上是在库与库 之间彼此流通的
流通量：
—— 单位时间、单位面积内通过的
营养物质的绝对值。表示方法：周 大气圈中几种物质的周转时间 转率（turnover rate）与 周转时间（ turnover time）
大气圈 0.15
陆地
岩石圈含水 250000 沉积岩含水 2000 海水 13800
海洋
冰盖冰川 255 地下水 76.5 地表水 2.04 单位： 107 kg
（二）生态系统中的水循环
—— 生态系统水循环包括：截取、渗透、蒸发、蒸
腾和地表径流
全球水循环的储存和流动
全球水循环的储存和流动trogen cycle)
火 山 作 用
大气库 HN3,NO,NO2, N2O ， 降 脱氮 水
动植物 活体
闪电 化学反应
大气库 N2
大气
工业固氮 （汽车,化肥,电厂）
蓝藻
生物固氮
其它 动植物
土壤 中无 机氮 库
陆地
共生或 自由生活 的固氮 微生物 死有机体 河流带走
浅层死有机物 陆地陆地
•有毒物质的迁移和转化 – 迁移(transport) 是重要的物理过程, 包括分散、混合、 稀释和沉降等； – 转化(transformation) 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。
（一）有毒有害物质循环的一般特点 —— 有毒害物质进入生态系统，通过食物链富集 或被分解的过程
SO2 H2S
氧化 还原
硫化物
氧化 还原
无机硫、岩石、化石燃料
2004年全国降水酸度分布