第十一章生态体统物质循环

第十一章生态系统物质循环

第一节物质循环的一般特点

上一节中我们学习了生态系统的能量流动，那么大家回忆一下，它有什么特点？这些能量的最终来源是什么？

生态系统的能量是单向不循环的，在流动过程中逐级递减。那大家是否发现，能量流动的同时也伴随有物质的变化，比如呼吸作用，在呼吸过程中，能量大部分以热能的形式散失，同时，在物质方面，有机物被氧化分解，形成CO2和水。可见，生态系统中能量的流动与物质的变化是相伴随的。

那么，物质的变化是否页像能量一样，是不可逆转，逐级递减的？

没错，能量在流动过程不断散失，却有太阳能不断补充进来，相当于有了一张永久饭票，不愁饿死。但是物质就不同了，它只能来源于地球本身，如果像能量那样，那总有一天会消失殆尽的，这就使得物质具有循环利用的特点。这就是我们本节课所要学习的“生态系统的物质循环”。

一物质循环的一般特点和基本原理

(一)物质循环的基本概念

（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。

（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）。

（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）周转率和周转期

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）。

二、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。

（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。

（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。

三物质循环的特点

1.物质不灭，循环往复

2.物质循环与能量流动不可分割，相辅相成

3.物质循环的生物富集

4.生态系统对物质循环有一定的调节能力

5.物质循环中得生物作用

第二节几种重要物质的循环

一水循环：

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。

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%。

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