基础生态学第十三章 生态系统的物质循环

沉积型循环


水循环

地球表面的总水量大约为14亿km3, 其中大约有97%包含在海 洋库中。 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 。
13.2 全球水循环
The Carbon Cycle
750
1
6
92
90
×1015gC
Carbon accumulation


CO2 has increased from its pre-industrial level data: recent records plus older data such as ice cores mostly fossil fuel burning

一部分磷脱离生物小循环进入地质大循环 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
BIOGEOCHEMICAL CYCLE - PHOSPHORUS
Phosphate leaches from phosphate-rich rocks or from fertilizers and enters plants and other producers where it is incorporated into biological molecules. These are passed through the trophic levels.
氮气
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 平衡反硝化作用 对局域缺氮环境有重要意义 使氮进入生物循环

意义

13.5 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。
水分的大循环与小循环：
The Hydrologic Cycle
(40)Fra Baidu bibliotek
(425)
(111)
(71)
(385) (40)
×103km3
生态系统中的水循环
降雨 截留
蒸腾
消费者
穿透雨
土壤吸收 地面蒸发 地下径流
地表 径流
渗透
13.3 碳循环

碳的重要性：生命元素、能量流动
碳库：海洋和大气、生物体


流通率：单位时间、单位面积/体积的物质转移量
周转率：流通率/库中营养物质总量 周转时间：库中营养物质总量/流通率
物质在库间的流通


流通量、周转率与周转时间 是相对于库而言的 生产者库 流通率：20单位/天 周转率：20/100=20% 周转时间：100/20=5天 消费者库 流通率：4单位/天 周转率：4/50=8% 周转时间：50/4=12.5 天
基础生态学
第十三章 生态系统的物质循环
第十三章 生态系统中的物质循环
13.1 物质循环的一般特征
13.2 全球水循环
13.3 碳循环
13.4 氮循环 13.5 磷循环 13.6 硫循环
物质循环与能量流动
物质循环的一般特征

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 生物地球化学循环 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
无机氮总量=1，673 有机氮总量=21，820，240
氮的循环
×1012gN
氮循环的主要过程 固氮作用（nitrogen fixation）
（下）
蛋白质
氨化作用（ammonification） 水解 氧化
氨基酸 碳
氨（NH3） 硝酸盐
硝化作用（nitrification）
氨
氧化
反硝化作用（denitrification） 亚硝酸盐
ACID RAIN IN THE WORLD
镉循环
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
BIOMAGINIFICATION OF DDT
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(CH4)、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
13.4 氮循环

氮的重要性


氮库：大气、土壤、陆地植被
生物可利用的氮的形式：NO32-、NO22-、NH4+
生物圈中氮(106吨)的分布
大气 陆地有机质 活有机体 死有机体 非有机氮（陆地） 地壳 3，800，000 772 12 760 140 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
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
海洋和大气CO2调节
CO2
CO2溶 于海水
H2CO3
H++CO32-
CaCO3
水体中生物
海底沉积物
The Carbon Cycle
元素循环的相互作用（element
cycles interaction）元素之间的循环不
是彼此独立地，而是在自然界中密切关
联和相互作用着的，而且表现在不同的
层次上。
小结：
全球生物地球化学循环分为哪几类，其特点是什么？
碳循环的意义和主要过程是什么？
试论述生态系统的物质循环和能量流动
完
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。
物质循环的基本概念

库：

贮存一定数量元素的某种生态系统组分称为该元素 的库 生态系统中各组分都是物质循环的库 植物库、动物库、土壤库、水体库等
磷的循环
×1012gP
一个池塘生态系统的磷循环
生态系统的磷循环
13.6 硫循环
酸雨的形成
ACID RAIN IN THE UNITES STATES
The most acidic rain is concentrated in the northeast, but thousands of lakes in the west are also vulnerable.

Basics of nutrient cycling
生物小循环
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
影响物质循环速率的因素
元素的性质: CO2 1年,N 100万年 生物的生长速率 有机物质腐烂的速率 人类活动的影响
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
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