生态系统物质循环

冰川 地下水 江河水 植物体内水分
周转期
8600年 5000年 11.4天
2-3天
植物体含水量虽小，但流经植物体的水分数量却是 巨大的。例如，水稻在生长盛期，每天每公顷大约 吸收70吨水，其中大约5%用于维持原生质的功能 和光合作用，95%以水蒸汽和水珠的形式，从叶片 的气孔中排出。H. L. Penman估计，参与光合作 用的水要比参与蒸腾作用的水少得多。如生产20吨 鲜重的植物物质，在生长期间要从土壤中吸收 2000吨的水，20吨鲜重中有5吨干物质，余15吨 为可蒸发水分。5吨干物质中有结合水3吨，仅相当 于自土壤中吸收水分的0.15%。
（5）物质循环的流：物质在库与 库之间的转移运动状态称为流。
（6）循环效率：生态系统中某一组分 的贮存物质，一部分或全部流出该组 分，但未离开系统，并最终返回该组 分时，系统内发生了物质循环。循环 物质（FC）占总输入物质（FI）的比 例 ， 称 为 物 质 的 循 环 效 率 （ EC ） （ EC=FC/FI）。
（3）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。这是一种 开放式循环。
（4）物质循环的库：物质在循环过程中被暂时固 定、储存的场所称为库。生态系统中各组分都是 物质循环的库，如植物库、动物库、土壤库等。 在生物地球化学循环中，库可分为储存库 （Reservoir pool，容积大，物质交换活动缓慢， 一般为环境成分）和交换库（Exchange pool， 容积小，交换快，一般为生物成分）。
（9）生物放大(Biomagnification)： 在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体中浓度随着营 养级的提高而逐渐增大的现象。
4、生物地球化学循环的类型
根据物质在循环时所经历的路径 不同，从整个生物圈的观点出发，并根 据物质循环过程中是否有气相的存在， 生物地球化学循环可分为气相型和沉积 型两个基本类型。
氮在生态系统的循环过程中，常因有机物的 燃烧而挥发损失；或因土壤通气不良，硝态 氮经反硝化作用变为游离氮而挥发损失；或 因灌溉、水蚀、风蚀、雨水淋洗而流失等。 损失的氮或进入大气，或进入水体，变为多 数植物不能直接利用的氮素。因此，必须通 过上述各种固氮途径来补充，从而保持生态 系统中氮素的循环平衡。
红萍是一种水生蕨类植物，叶腔中有固氮蓝 藻共生，其生长快，固氮率高，每公顷萍体 产量可达22500~30000kg，含纯氮75kg 左右。
在自生固氮资源方面，主要是固氮蓝藻。固氮 蓝藻在我国各地有广泛分布，已发现的主要有 念珠藻、鱼腥藻、筒胞藻等，特别是南方各地 分布的一种陆生念珠，可以在裸露岩石上和贫 瘠的土壤上生长，有明显的固氮作用。其次， 农田中分布的好气性自生固氮菌和嫌气性固氮 梭菌是依赖有机能源的异养菌，固氮量为 2~3kg/ hm2。各种土地的固氮能力，稻田约 30kg/ hm2 ； 草 地 约 15kg/ hm2 ； 森 林 约 10kg/ hm2；旱地约3kg/ hm2。
生态系统物质循环
§1、物质循环的基本原理
• 物质不灭定律 • 质能守恒定律
1、物质不灭定律
物质不灭定律认为，化学方法可 以改变物质的成分，但不能改变 物质的量，即在一般的化学变化 过程中，察觉不到物质在量上的 增加或减少。
2、质能守恒定律
质能守恒定律认为，世界不存在 没有能量的物质质量，也不存在 没有质量的物质能量。质量和能 量作为一个统一体，其总量在任 何过程中都保持不变的守恒。
开发生物固氮资源对增加农业生态系统的 氮素输入，提高生物产量具有重要意义。 生产化学氮肥需要耗费大量能源，并且可 能造成环境的污染。在生物固氮资源方面， 豆科作物的共生固氮占全球生物固氮总量 的40%左右。
我国目前在农业上利用有大豆、花生、蚕豆、 绿豆、豇豆、扁豆等，以及各种豆科牧草和豆 科绿肥，包括紫云英、苕子、箭舌豌豆、紫苜 蓿、三叶草、草木樨等。与根瘤菌共生的非豆 科 植 物 有 桤 木 属 (Alnus) 、 杨 梅 属 (Myrica) 、 木麻黄属(Casuarina)、马桑属(Coriaria) 、 银 杏 属 (Gingko) 、 胡 颓 子 属 (Elaegnus) 等 的 一些种类。
海 平 面 上 升 。 如 果 CO2 浓 度 由 0.03% 增 高 到 0.06%，则地球平均温度将上升2.9℃，赤道附 近温度上升1.45℃；两极附近温度将上升8~9℃。 但如果南极温度上升6℃，就将由于冰川的融化 而使海平面升高6米左右。这不能不说是个值得 全球人类关注的问题。
农业生态系统中碳的同化随工业辅助能的 投入而增加，但动植物残体和排泄物中的 碳是以有机物形式返回土壤，还是以CO2 形式返回大气。若是后种形式，则土壤微 生物的碳源将会减少，土壤有机质可能下 降，造成地力衰退。
（7）生物积累（Bioaccumulation)： 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 解化合物的浓缩系数不断增加的现象。
（8）生物浓缩（Bioconcentration)：生态 系统中同一营养级上的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，又称为生物富集 （Biological enrichment)。
400
350 大
（
气 中
300
p C 250
pO m
200
）2 浓
150
度 100
50
0
1860
1960
1980
2000 年
虽然CO2浓度增高有利于植物光合作用的增强， 但CO2的“温室效应”将导致全球温度升高和降 水分布的改变。使得纬度较高的地区，由于温度
变暖而更加干旱，甚至使极地冰盖层融化，导致
C
N
H2O
Pwk.baidu.com
§2、几种重要
S
物质的循环及
其与全球变化
1、碳循环：
碳是生命骨架元素。环境中的CO2 通过光合作用被固定在有机物质中， 然后通过食物链的传递，在生态系 统中进行循环。
碳循环：
循环途径有： ①在光合作用和呼吸作用之间的细胞水平上的循环； ②大气CO2和植物体之间的个体水平上的循环； ③大气CO2──植物──动物──微生物之间的食物链水平上 的循环(这些循环均属于生物小循环)。
亚热带常绿阔叶林
丰茂的森林可截留夏季降水量的 20~30% ， 草 地 可 截 留 降 水 量 的 5~13%。树冠的强大蒸腾作用，可使林 区比无林区、少林区降水量增多30%左 右。坡地上，森林可减轻水对土壤的侵蚀 作用；林地内，地表迳流量比无林地少 10%左右。
热带雨林
人类对水循环的影响是多方面的。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；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，如目前我国许 多北方大城市的地下水分布出现“漏斗”。
2、氮循环：
氮是生命代谢元素。大气中氮的含量为 79%，总量约3.85×1015吨，但它是一 种很不活泼的气体，不能为大多数生物直 接利用。只有通过固氮菌的生物固氮、闪 电等的大气固氮，火山爆发时的岩浆固氮 以及工业固氮等4条途径，转为硝酸盐或 氨的形态，才能为生物吸收利用。
在生态系统中，植物从土壤中吸收硝酸盐， 氨基酸彼此联结构成蛋白质分子，再与其他 化合物一起建造了植物有机体，于是氮素进 入生态系统的生产者有机体，进一步为动物 取食，转变为含氮的动物蛋白质。动植物排 泄物或残体等含氮的有机物经微生物分解为 CO2、H2O和NH3返回环境，NH3可被植物 再次利用，进入新的循环。
（1）气相型（gaseous type)
其贮存库是大气和海洋。气相循环把大气和海洋相联系， 具有明显的全球性。元素或化合物可以转化为气体形式， 通过大气进行扩散，弥漫于陆地或海洋上空，在很短的时 间内可以为植物重新利用，循环比较迅速，例如CO2、N2、 O2等，水实际上也属于这种类型。由于有巨大的大气贮存 库，故可对干扰能相当快地进行自我调节（但大气的这种 自我调节也不是无限度的）。因此，从地球意义上看，这 类循环是比较完全的循环。值得提出的是，气相循环与全 球性三个环境问题（温室效应，酸雨酸雾，臭氧层破坏） 密切相关。
生物圈中水的循环平衡是靠世界范围的蒸发与降水来调 节的。由于地球表面的差异和距太阳远近的不同，水的 分布不仅存在着地域上的差异，还存在着季节上的差异。 一个区域的水分平衡受降水量、迳流量、蒸发量和植被 截留量以及自然蓄水量的影响。降水量、蒸发量的大小 又受地形、太阳辐射和大气环流的影响。地面的蒸发和 植物的蒸腾与农作制度有关。土地裸露不仅土壤蒸发量 增大，并由于缺少植被的截留，使地面迳流量增大。因 此，保护森林和草地植被，在调节水分平衡上有着重要 作用。
第二次工业革命以来，大量化石燃料的燃烧，改变 了原有的碳素平衡状态。每年因燃烧放回到大气中 的化石燃料碳50~60亿吨，因农业土壤耕作返回大 气的碳约20亿吨（1970年估计值），同时由于森 林被砍伐，减少了对CO2的固定，因此，尽管海洋 能够吸收近2/3的额外碳源，仍然避免不了全球大 气CO2浓度的升高。
此外，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 采利用这些化石燃料时，CO2被再次释放进入大气。
第二次工业革命以来，大量化石燃料的燃烧，改变 了原有的碳素平衡状态。每年因燃烧放回到大气中 的化石燃料碳50~60亿吨，因农业土壤耕作返回大 气的碳约20亿吨（1970年估计值），同时由于森 林被砍伐，减少了对CO2的固定，因此，尽管海洋 能够吸收近2/3的额外碳源，仍然避免不了全球大 气CO2浓度的升高。
酸雨在毁灭森林！
（2）沉积型(sedimentary type)
许多矿物元素其贮存库在地壳里。经过自然风化和人类的 开采冶炼，从陆地岩石中释放出来，为植物所吸收，参与 生命物质的形成，并沿食物链转移。然后，由动植物残体 或排泄物经微生物的分解作用，将元素返回环境。除一部 分保留在土壤中供植物吸收利用外，一部分以溶液或沉积 物状态随流水进入江河，汇入海洋，经过沉降、淀积和成 岩作用变成岩石，当岩石被抬升并遭受风化作用时，该循 环才算完成。这类循环是缓慢的，并且容易受到干扰，成 为“不完全”的循环。沉积循环一般情况下没有气相出现， 因而通常没有全球性的影响。
3、水循环：
水是生命基础元素。水既是一切生命 有机体的重要组成成分，又是生物体 内各种生命过程的介质，还是生物体 内许多生物化学反应的底物。水是生 物圈中最丰富的物质，水以固、液、 气三态存在。环境水分对生物的生命 活动也有着重要的生态作用。
地球的海洋、冰川、湖泊、河流、土壤和大气中含有大量的水。 海洋中的液态咸水约占总量的97%。陆地、大气和海洋中的 水，形成了一个水循环系统。水在生物圈的循环，可以看作是 从水域开始，再回到水域而终止。水域中，水受到太阳辐射而 蒸发进入大气中，水汽随气压变化而流动，并聚集为云、雨、 雪、雾等形态，其中一部分降至地表。到达地表的水，一部分 直接形成地表迳流进入江河，汇入海洋；一部分渗入土壤内部， 其中少部分可为植物吸收利用，大部分通过地下迳流进入海洋。 植物吸收的水分中，大部分用于蒸腾，只有很小部分为光合作 用形成同化产物，并进入生态系统，然后经过生物呼吸与排泄 返回环境。
质能守恒和物质不灭定 律在生态学的运用，使得物 流过程平衡表的制作成为可 能。
3、物质循环的几个基本概念
（1）生物地球化学循环： 各种化学 元素在不同层次、不同大小的生态系 统内，乃至生物圈里，沿着特定的途 径从环境到生物体，又从生物体再回 归到环境，不断地进行着流动和循环 的过程。
（2）地质大循环：物质或元素经生物体 的吸收作用，从环境进入生物有机体内， 然后生物体以死体、残体或排泄物形式将 物质或元素返回环境，进入五大自然圈 （气圈，水圈，岩石圈，土壤圈，生物圈） 的循环的过程。这是一种闭合式循环。