生态学7物质循环

7.2 几种重要循环的概述
7.2.1 水循环 7.2.2 碳循环 7.2.3 氮循环 7.2.4 磷循环 7.2.5 硫循环 7.2.6 养分循环
7.2.1 水循环
总体积约为14亿km3水，分布于海洋、冰川、 地下水、内陆湖泊、大气五大水“库”中，咸水占 水量97%，3%是淡水，其中3/4以固体状态固着在 两级冰盖和冰川中，只有余下不到1%的水，才是供 人类用的液态淡水。
特点：时间长，范围广，是闭合式的循环。
水的地质大循环
2）生物小循环
生态系统环境中的元素或化合物被生物利用 后返回环境，不经五大自然圈层的循环，又相继 被生物利用的过程。
特点：时间短、范围小，是开放式的循环。
Ca的ห้องสมุดไป่ตู้物小循环
7.1.3 物质循环的类型
主要特征
元素类型
主要贮存库 循环速度 运动方式
臭氧层破坏危害
（1）对人体健康的影响。 （2）对生态系统的影响。 （3）对空气质量及全球变暖地影响。 （4）对材料的影响。
7.2.4 磷循环（沉积型）
7.2.5 硫循环（气相型兼沉积型）
硫循环的环境问题
（1）酸雨：酸雨指pH小于5.6的雨、雾、雪、 霜的统称。主要由SO2引起的。
（2）酸雨的危害：土壤酸化、贫瘠化，毒 害植物根系，危害生物生长。
水的大循环
水的小循环 降雨=植被水+土壤水+地下水+地表水+蒸散
人类活动深刻地改变了水的生物地球化学循环
1960年以来对地表径流人工控制能力增长3倍；水 库蓄水量达到湖泊和河流的3-6倍，占将近一半的可利 用水资源。
水资源利用每10年增加20%，15-35%地区出现过 度利用，在21世纪将成为制约全球社会经济发展的主要 生态因素。
境
污
大气污染
染 的
按环境要素分 水体污染
分
土壤污染
类
面源污染
按污染来源分
（Non-pointed pollution） 点源污染
（Pointed pollution）
（1）大气污染
污染源：工业污染源 农业污染源 生活污染源 交通污染源
污染物：烟雾 粉尘 微粒 有害气体
（2）水体污染
水体污染的三个主要方面：
• 如某一水体中浮游生物的现存量为0.07 t/hm2，年 净生产量为4.1 t/hm2，其更新率=4.1/0.07=59，更 新期只有6.23天。
7.1.2 物质循环的基本形
根据物质循环的范围不同分为地球化学循环（地质大循 环）和生物循环（生物小循环）两种基本形式。
1）地质大循环
指化合物或元素经生物体的吸收作用，从环 境进入生物有机体内，然后生物有机体以死体、 残体或排泄物形式将物质或元素返回环境，经过 五天自然圈循环后，在被生物利用的过程。
（3）开采地下水
由于过度开发局部地区的地表水和地下水，用 于工、农业及城市发展，不但使地表、地下水贮量 下降，出现地下漏斗及地上的断流，造成次生盐渍 化；也使下游水源减少，水位下降，水质恶化，沿 海出现海水入侵，加重了干旱化和盐渍化威胁。
（4）水体污染
7.2.2 碳循环
全球碳循环通量 The Global Carbon Cycle
大气污染的动物检测
金丝雀、老鼠、鸡等来探测矿井中瓦斯毒气 蜜蜂—理想的大气监测生物
砷、氟化物、铅、汞、臭氧等引起的污染可缩 短密封的寿命，甚至死亡。（可了解污染物的种 类、水平）
4）水体污染的生物监测
滇池不同污染水平下，水生植被的变化 无污染：轮藻生长茂盛，其他各类植物可正常生长 轻度污染：敏感植物海菜花，轮藻逐渐消失 重度污染：抗性强的红线草、狐尾藻等繁茂生长 严重污染：各种高等沉水植物全部死亡
2）指示生物（indicator organism）
是一些对环境的某些 物质，包括污染物的作用 或环境条件的改变能较敏 感和快速地生产明显反应 的生物。通过其所作的反 应可了解环境的现状和变 化，起“预警”功能。
SO2检测植物：矮牵牛
指示植物
受害症状
3）大气污染的生物监测
敏感植物用于大气污染的监测
（1）生物监测（Biological monitoring）：利用生命系 统各层次对自然或人为因素引起环境变化的反映来判定 环境质量。
（2）生物检测方法从生物学层次来分，主要包括生态监 测（群落生态和个体生态）、生物测试（急性毒性测定、 亚急性毒性预测和慢性毒性预测）以及分子、生理‘生 化指标核污染物在体内的行为等几个方面。
生态学
李新平
西北农林科技大学 资源环境学院
内容目录
1 绪论 2 生态系统 3 生态系统中的生物与环境 4 生态系统中的生物种群 5 生态系统中的生物群落 6 生态系统中的能量流动 7 生态系统中的物质循环 8 生态系统的信息传递 9 生态系统的结构及调整 10 应用生态学
7 生态系统中的物质循环
艾氏剂 绿丹 狄氏剂
异狄氏剂 七氯 灭蚁灵 毒杀芬
被严格限用并 将尽快被取代
滴滴涕
将在2025年 之前被禁用 多氯联苯
尽可能限制在 最低范围之内
六氯代苯 二恶英 呋喃
7.3.4 化学肥料与物质循环
化肥与土壤性质 化肥与重金属污染 化肥与水体富营养化 化肥与硝酸盐污染
7.3.5 环境污染的生物监测 1）生物监测与指示植物
温室气体
温室气体除了二氧化碳（CO2）外，还包括甲 烷（CH4）、氧化氮（N2O）和碳氟氯烷（CFC）、 臭氧（O3）等。其中CO2的作用约占全部温室气体 作用的50%以上，大气中的水蒸气也对温室效应起 着重要作用。
Greenhouse gas:CO2、CFC、CH4、N2O (近年的浓度变化)
7.1 物质循环的基本原理 7.2 几种重要循环的概述 7.2.1 水循环 7.2.2 碳循环 7.2.3 氮循环 7.2.4 磷循环 7.2.5 硫循环 7.2.6 养分循环 7.3 物质循环与环境问题
7.1 物质循环的基本原理
7.1.1 物质循环的有关概念 7.1.2 物质循环的基本形式 7.1.3 物质循环的类型 7.1.4 物质循环的特点
氮循环失调造成的环境问题
（1）水体富营养化 （2）地下水中NO2-、NO3-具有致癌作用 （3）臭氧层的破坏 （4）光化学烟雾
水体富营养化过程
营养物质进入水体—水中微生物滋生—爆发性 增长—死亡分解—消耗氧气—氧气不足—厌气 分解—产生有毒物质—水体变坏
水体富营养化的危害
水中溶解氧气减少，水生 生物无法生存。
抗干扰能力 循环性质
气相型循环
沉积型循环
有气态化合物或分 无气态化合物或分
子（C、H、O、N、 子（P、Ca、K、
Cl等）
Na、Mg等）
大气圈、水圈 岩石圈、土壤圈
快
慢
扩散 强
沉降、抬升、风化、 溶解
弱
完全循环
不完全循环
7.1.4 物质循环的特点
• 物质不灭，循环往复 • 物质循环与能量流动不可分割，相辅相成 • 物质循环的生物富集 • 没有生物则难于循环 • 生态系统对物质循环有一定调节能力 • 各物质循环过程相互联系，不可分割。
生物放大作用 7.3.3 化学农药与物质循环 7.3.4 化学肥料与物质循环 7.3.5 环境污染的生物监测 7.3.6 环境污染的生物防治
7.3.1 环境污染与污染生态学
1）环境污染
环境污染是指人类直接、间接制造或 所用物品的废弃物等排放到环境中，其数 量超过了环境的自净能力，是环境的理化 和生物学性状发生了有害的改变。
长江中下游湖泊富营养化过程中沉水植物演替模式
水污染的动物检测
颤蚓类生物如霍莆公水死蚓、颤蚓等在污染水体， 尤其是有机污染水体中数量多、种类单纯，可用 单位面积的颤蚓数作为水污染程度的指标。
7.1.1 物质循环的有关概念
1) 生物地球化学循环
定义：生态系统中各元素和化合物沿着特定 的途径从生物到环境，再从环境到生物， 不断往复循环的过程。
2) 库和流
库：
物质在循环过程中 被暂时固定、贮存 的场所。
流：
2) 库和流
库：
储存库 交换库
流：
即环境库，容积较 大，物质交换活动 缓慢。如大气库、 土壤库、水体库。
全球变暖对生态系统的影响
（1）在能量供应方面； （2）北冰洋漂浮海冰和南极西部冰上的融化； （3）世界生物群落的分部主要取决于气候，尤其是温
度和降雨； （4）由于海岸和表层水温升高，造成海洋上升流减少； （5）全球变暖可能造成某些疾病发病率的升高； （6）气候变暖将大大影响食物生产的分布和稳定性。
周转率

单位时间交换量 库存量
周转期：是库中物质全部更换平均需要的时间，也 是周转率的倒数。
3) 周转率、周转期
• 在生物量的周转中，往往用更新率、更新期的概念 ， 其含义同周转率、周转期。
• 如某一森林的现存量为324 t/hm2，年净生产量为 28.6 t/hm2，其更新率=28.6/324=0.088，更新期约 为11.3年。
①水体富营养化 ②重金属污染 ③热污染
（3）土壤污染
大气污染型 水体污染型 农业污染型 固体污染型 生物污染型
7.3.2 有毒有害物质的循环与生物放大作用
1）有毒有害物质
1.有毒有害物质
有毒化合物 有毒重金属的循环 放射性元素的循环
2）食物链浓集作用 食物链富集作用：又叫生物放大作用，指一些 难降解的有毒物质沿食物链传递时，其浓度随 营养级的升高不断增加的现象。
碳循环失调造成的环境问题——温室效应
Greenhouse effect Global warming
人类活动深刻地改变了生态系统物质循环
碳循环：20世纪中期以来陆地生态系统从碳循环转 变为碳汇当前吸收工业CO2排放量的20%左右，对气候 变化形成负反馈，但是在21世纪，陆地生态系统碳循环 向未知方向变化。
DDT在生态系统中的富集作用
7.3.3 化学农药与物质循环
农药在自然界中的转移
有机氯农药（BHC）沿食物链及在牛肉、牛奶和人体内的富集
全球12种有机污染物被禁用或限用
联合国环境会议通过《关于持久性有机染物 的斯德歌尔摩公约》，决定在全世界范围内禁用 或严格限用12种有机污染物。
被禁止 生产和使用
2) 库和流
库：
储存库 交换库
流：
即生物库，容积 较小，与外界物 质交换活跃。如 植物库、动物库、 微生物库。
2) 库和流
库：
储存库 交换库
流：
物质在库与库之间 的转移运动状态。
3) 周转率、周转期
周转率：之系统达到稳定状态后，某一组分（库） 中的物质在单位时间内所流出的量或流入的量占库 存总量的分数值。单位时间交换量。
（3）水体富营养化。
7.2.5 农田养分循环
N、P、K等营养元素在认为影响下的运 动叫农田养分循环。
一般模式是：土壤—植物—动物—土壤
保持农田养分循环平衡的途径
• 合理施肥 • 合理种植 • 农产品就地加工 • 农林牧副渔结合 • 解决农村能源 • 有目的积肥
7.3 物质循环与环境问题
7.3.1 环境污染与污染生态学 7.3.2 有毒有害物质的循环与
人类对水循环的影响及水问题
（1）植被破坏 （2）水利工程 （3）开采地下水 （4）水体污染
（1）植被破坏
（2）水利工程
如修筑水库，塘堰可扩大自然蓄水量；而围湖造 田又使自然蓄水容积减小，尤其是大量季节性降 水因蓄力消弱而流走，造成短期洪涝灾害，并同 时降低了地下水库的补给，也引起严重的土壤和 养分流失。
7.2.3 氮循环
氮的固定
生物固氮： 每年约5400万吨
工业固氮： 每年约6680万吨
高能固氮： 每年约760万吨
氮的损失
反硝化 有机物的燃烧
淋溶 流失 挥发
人类活动对氮循环的影响
• 人为地固氮作用使大气库中的N减少，陆 地和海洋中N增加，其中主要流向海洋。
• 氮氧化物的流量和大气圈中的存量在不断 增加。
N循环各过程的净通量和库的净变化（Tg N/a）
44
1
大气圈-81
38
岩石圈+8
陆地+4
9
34
海洋+69
人为活动对 N循环造成的影响（Tg N/a）
人类活动深刻地改变了生态系统物质循环
氮循环：人工固氮能力超过自然过程的总和，生态 系统有效氮输入增加1倍；人工氮固定成为土壤和水 环境主要污染源，导致N2O（温室效应比CO2高2个 数量级）排放指数增长。
环境污染的根本问题
元素或物质在局部积累
物质循环的平衡 输入输出平衡 元素在各个环节运动速度均衡 系统内各元素的比例均衡
2）环境污染的类型
非降解性污染
按污染物分
（Nonbiodegradable pollution ） 降解性污染
环
（Biodegradable pollution ）