地球环境与生态系统

2.2.1水的优异的特性
水是无色透明的：光合作用、抵挡短波紫外线
水是一种极好的溶剂：营养物质的吸收和生化反应最 基本的媒介 高比热、高蒸发热：保持地球温度相对恒定 4℃密度最大：控制水体温度分布和垂直循环 冰轻于水：保护水下生物
2.2.2地球上水量分布
总水量分布 海水 淡水 97.3 2.7 冰盖冰川 地下水、土壤水 湖泊、沼泽 大气 淡水量分布 77.2 22.4 0.35 0.04
一个生态系统中许多食物链彼此相互交错形成的复
杂的营养关系叫食物网(food web)。
食物链上的每一个环节称为营养级(trophic level)。
大甲虫 毛虫
杜鹃
Hale Waihona Puke Baidu
鹰
兔
蛇 鼠
植物 结论： （1）消费者在不同的食物链中所处的营养级不同；植 物在食物链中 所处的营养级是固定的。 （2）食物链（网）中的每一个环节之间存在平衡，破 坏这种平衡，也会导致生态系统的崩溃。
成可被生产者利用的形式归还到环境中重复利用，周 而复始的循环过程叫做物质循环，可分为生态系统能 生物小循环和生物地球化学大循环 生物小循环：生物与周围环境之间的物质循环，速度
快、周期短；生物对营养元素的吸收、留存、归还
生物地球化学大循环：范围大、周期长、影响面广
几种重要的物质循环
1）液相循环（水） 2）气相循环（碳、氮） 3）固相循环（磷）
包括人类及其生存的环境总体 生物圈是地球上最大的生态系统，包括从海平面以下 10km到海平面以上9km
生物圈1号—人类居住的地球部分
生物圈2号—位于美国亚利桑那州的人造生 态系统 生物圈3号，生物圈4号—南北极 生物圈5号—准备发射到月球上,时间预定 为2020年
生物圈Ⅱ号
1984年美国德州富豪爱德华贝斯出资2亿美元 在亚利桑那州东南方的欧洛可附近建立起“生 物圈Ⅱ号”，占地1.25ha，建立起一个由钢筋 和 玻璃组成的建筑群—可供人生存的小生态系 统 1991年10月英、美、比等国4男4女科学家进 行为期两年封闭的自给自足的试验

没大没小，大到地球，小到一滴水
1.1 生态系统的组成
生产者：绿色植物、自养微生物 生物群落 （生命系统） 消费者：一级、二级、三级消费者。 指消费者在食物链中所处 的不同的营养级。 分解者：微生物
生态系统
非生物环境
阳光、空气、水、土壤、无机矿 物质 （非生命生命系统）
自养微生物：通过细菌光合作用或化能合成作用获得能量的微生物。
由于受到能量消耗的约束，大多数食物链营养级只有 3~5级（之后没有能量可以利用了）
生态圈能养活多少人
1.67×1016/kJ· a
2.76×1018/kJ· a—地球 植物的总产量
每人每天摄入9196kJ能量-------48亿人-64亿人
0.6%
2.3 生态系统的物质循环
物质循环：生态系统中各种有机物质经过分解者分解
1、通过光合作用使光能通过绿色植物进入食物 链，为所有物种提供生命维持系统。 2、对于维持生态系统平衡具有重要意义。 3、促进土壤发育，保护水土资源。 4、调节气候。 5、可以吸收和分解污染物。 6、提供良好的生活和娱乐环境。
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备择价值
许多物种的价值 现在还不清楚， 但是具有在未来 某个时候为人类 社会提供经济利 益的潜能，为人 类适应自然变化 提供了选择的机 会。
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2、生物多样性的价值:四种价值
食物：基本来自生物，仅小麦、水稻和玉米三 个物种就提供70%以上的粮食。
直 接 价 值
药物：发展中国家有80%、发达国家有40%的 药物直接或间接依赖生物资源。 工业原料：皮革、木材、纤维、橡胶等，甚至 煤、原油、天然气等能源也是生物质的。
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间接价值
生物的间接价值主要体现在生态价值上：
转化过程中被损耗掉，只有一小部分被用于自身的贮
存，而这部分能量又会很快通过食物链转移到下一个 营养级中，直到损耗殆尽
2.2 生态系统的能量流动
生态系统中的能量源于太阳能，对太阳能的利用率只有1% 左右 生态系统中的能量流动是单方向的，沿着食物链营养级由低 级向高级流动，具有不可逆性和非循环型 生态系统中的能量沿食物链逐渐减少
土 壤 的 组 成
土壤中固液气相结构图
土壤退化（结构被破坏）
可耕性土壤有机质正常为5%，我国3%（不太 肥沃） 原因：
人口众多，农业是对土地的掠夺性生产，国外法 律形成休耕制度来保护土壤轮作 大量使用化肥、农药 制度问题（有争议）
土壤污染（组成被破坏）
水体污染型：污水直接排放或污灌，一般集中在土壤表 层，可随时间延长扩散转移至地下水（郑州灌区，Hg)
在环境保护中，对特定场所或区域，供人和动植物生
存的气体称为“空气”；而以大区域或全球性的气流 为研究对象时，则采用“大气”一词 我们离不开大气，就像鱼儿离不开水
2.1.2 大气的组分
大气的恒定组分：大气中的O2、N2和稀有气体。它们
约占大气总量的99.96%。 大气的可变组分：主要指CO2和水汽，这些气体组分受 不同地区气候、季节等多种因素的影响而发生变化 大气的不定组分：大气中的尘埃、硫化物、氮氧化物、 硫氧化物等是大气中的不定组分，大气污染。 由恒定组分和可变组分所组成的大气称为洁净大气 大气中除去水汽和杂质的空气称为干洁空气
可达1%），但是地球上每年通过光合作用生产的有机
干物质总量约为162.1×109 t
次级生产
次级生产：消费者或分解者对初级生产者生产的有机 物以及贮存在其中的能量进行再生产和再利用的过程 次级生产者：消费者和分解者 次级生产者在转化初级生产品过程中，不能把全部的 能量都转化为新的次级生产量，而是有很大一部分在
岩石圈是人类所需要的矿物原料和化石燃料的储藏
所，其储量是巨大的。但是，由于人口的持续增长 和技术的迅速进步，对矿产与能源的需求与日俱增， 传统原料与燃料行将耗竭。
如何迅速实现向新材料与新能源的转变，已经成为
关系到人类未来生存与发展的要务。
2.5 人类与生物圈
生物圈：地球上有生命的部分，即地球上所有的生物，
生态系统能量流动的三个特点
进入地球大气圈的太阳能为每分钟每平方厘米8.368J。其中约30％被反射回 去，20％被大气吸收，其余46％到达地面。地球表面大部分地区没有植物， 到达绿色植物上的太阳能只有10％左右，植物叶面又反射一部分，能被植物 利用太阳能只有1％
一般来说，某一营养级只能从其前一营养级除获得其 所含能量的10%，其余90%能量用于维持呼吸代谢活 动而转变为热量耗散到环境中 林德曼效率
质能量吸收，转化为新的物质能量形式，从而实现物
质和能量的积累，保证生命的延续和增长，这个过程
就称为生物生产，包括初级生产和次级生产
初级生产
生态系统的初级生产实质上是一个能量的转化和物质
的积累过程，是绿色植物的光合作用过程 进行光合作用的绿色植物称为初级生产者，它是最基 本的能量贮存者 绿色植物对光能的利用率很低，平均只有0.14%（高的
生物圈2号
“生物圈2号”内空气的恶化直接危及了居民们的健康，
科学家们被迫提前撤出这个“伊甸园”。“生物圈2号” 的实验以失败告终。
事后的研究发现：细菌在分解土壤中大量有机质的过
程中，耗费了大量的氧气；而细菌所释放出的二氧化 碳经过化学作用，被“生物圈二号”的混凝土墙所吸 收，又打破了循环。 18个月后试验失败，表明：在现有的科学技术条件下， 人类还不能完全模拟类似地球的可供人类生存的生态 环境，地球是我们唯一的家园
河流
0.01
2.2.3水循环
水循环的作用：热量输送、调节气候
2.2.4人类对水圈的破坏
兴建大型水库：稳定可靠的水源；不良生态效应
大量开采地下水：地下水位大幅度下降甚至枯竭、地 面沉陷 小河流渠道化：排水防洪；可能的生态灾难 湖泊的泯灭：土壤侵蚀、富营养化、围湖造田、大量 引水
CO2和O2难以平衡，三分之一的生物死亡，水域变化
生 物 圈 号
2
动物栖息地
热带草原
热带雨林
海洋 农业用地
沼泽 沙漠
沙漠
农田
海洋 沼泽
生物圈2号
1991年，8个人被送进“生物圈二号”，本来预期他们 与世隔绝两年，可以靠吃自己生产的粮食，呼吸植物 释放的氧气，饮用生态系统自然净化的水生存。 18个月之后，“生物圈二号”系统严重失去平衡：氧 气浓度从21%降至14%，而CO2和NO2的含量却直线 上升，大气和海水变酸，很多物种死去，而用来吸收 二氧化碳的牵牛花却疯长。原有的25种小动物，19种 灭绝；为植物传播花粉的昆虫全部死亡，植物也无法 繁殖。由于降雨失控，人造沙漠变成了丛林和草地。
第1讲：
地球生态系统的形成和特点 （2）
地球环境与生态系统
深圳大学生命科学学院 徐 宏
第一章 地球环境的基本特征
1 地球环境的圈层构造
大气圈
水圈
土壤圈 岩石圈 生物圈
2 人类和地球各圈层的关系
人类与大气圈
人类与水圈
人类与土壤圈
人类与岩石圈
人类与生物圈
2.1 人类与大气圈
生态系统中，生物群落处于核心地位， 它代表系统的生产能力、物质和能量流 动强度以及外貌景观等，非生物环境既 是生命活动的空间条件和资源，也是生 物与环境相互作用的结果，它们形成了 一个统一的整体
1.2 生态系统中的食物链（网）和营 养级
生态系统中各种生物之间由于食物关系而形成的一
种联系称为食物链(food chain)。
第二章
生态系统
每天 粮食：1 kg/d
一生 粮食：32.4 t
水：2.5 kg/d
水：54 t
空气：13.6 kg/d 空气：324 t
1 生态系统（ecosystem)

定义：生态系统是指一定空间范围内，生物群落 与其所处的环境所形成的相互作用、相互制约、不 断演变、达到动态平衡，相对稳定的统一整体，是 生态学的基本功能单位
2.3 人类与土壤圈
土壤圈处于大气圈、岩石圈、水圈和生物圈之 间的过渡地带，是联系有机界和无机界的中心 环节 两大功能：具有支持植物和微生物生长繁殖的 能力（农业生产）；具有同化和代谢外界进入 土壤的物质的能力（保护环境）
2.3.1 土壤的组成
土壤是位于陆地表面呈连续分布，具有肥力并 能生长植物的疏松层，是一个复杂的物质体系 组成 固相：矿物质、有机质 液相：土壤水分或溶液 气相：土壤空气
存在价值
存在就是价值。 对于大多数宗教、 哲学和文化的价 值体系都有对保 护物种的认同， 支持保护那些即 使对人类没有明 显经济价值的物 种。
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很遗憾，人类活动导致生物多样性急剧减少
2 生态系统的特点和功能
生物生产 能量流动 物质循环 信息传递
2.1 生态系统中的生物生产
生物生产：生态系统中的生物，不断地把环境中的物
1）水循环
水约占地球表面的70% 在太阳能和重力的驱动下，水从一种形式转变为另一种
大气的精细平衡
O2：添一分则多，减一分则少。如果浓度下降：高山 反应、氧化反应抑制(CO); 如果浓度增加：雷电火灾 CO2：温室效应
甲烷：温室效应，是CO2 300多倍
人类正在破坏这种平衡
2.2 人类与水圈
水圈：海洋和陆地上的液态水 和固态水构成一个大体连续的 圈层覆盖在地球表面，称为水 圈， 水、冰，水蒸气、水滴 地球表面上70%以上覆盖着水， 大多数生物体内水含量也达 2/3以上 生命的起源地：现代人身体里 仍然流动着几十亿年前的海洋 水（生理盐水！）
很遗憾，人类正在破坏生态食物链
1.3 生态系统中的生物多样性
1、生物多样性的内涵十分广泛
遗 传 多 样 性
基因 细胞 组织
物 种 多 样 性
器官 种群
生 态 多 样 性
群落
景 观 多 样 性
生态系统 景观
遗传多样性(Genetic diversity)：指种内不同种群之间和同 一种群内不同个体的遗传变异的总和。 34
大气污染型：沉降和降水，集中在表层；主要污染物二
氧化硫、氮氧化物和颗粒物（荥阳，F) 农业污染型：化学农药和化肥，积累或转移至地下水 固体废物污染型：废渣、污泥、城市垃圾的堆放或处置
2.4 人类与岩石圈(lithosphere)
化石燃料：煤、石油 矿物原料：铁、钢、 有色金属
33~35km