第七章 生态系统中的物质循环,物质循环的一般特点 水循环 碳、氮、磷、硫循环 有毒有害物质循环,思考题,第一节 物质循环的一般特点 一、生物地球化学循环的概念 各种化学元素包括生命有机体所必需的营养物质，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，从生物体再到环境，不断地进行着流动和循环，就构成了生物地球化学循环(biogeochemical cycle)，即生态系统的物质循环(cycle of material)。,（1）物质循环（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。 这些循环的路径包括生物与非生物二者, 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。,生物地球化学循环包括了地质大循环和生物小循环 地质大循环是指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，然后生物有机体以死体、残体或排泄物形式将物质或元素返回环境，进入大气、水、岩石、土壤和生物五大自然圈层的循环。地质大循环的时间长，范围广，是闭合式的循环。 生物小循环是指环境中元素经生物体吸收，在生态系统中被多层次利用，然后经过分解者的作用，再为生产者吸收利用。生物小循环时间短，范围小，是开放式的循环。,生物小循环：环境中元素经生物吸收，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。,生命与元素 大量元素：生物体内含量超过0.2%以上的元素。如碳、氧、氢、氮和磷。 微量元素：生物体内含量不超过0.2%，如铝、硼。,二、物质循环的几个基本概念,1.库：库(pool)是指某一物质在生物或非生物环境暂时滞留(被固定或贮存)的数量。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。 （贮存库和交换库） 2.流通率：在单位时间、单位体积（或单位面积）的转移量。 3.周转率：=流通率/ 库中营养物质总量 4.周转时间：=库中营养物质总量/流通率，即移动库中全部营养物质所需要的时间。,流通率=16单位/天，对于生产者的输出库的周转率=16/100=0.16； 对于生产者的周转时间为6.25天。,影响物质循环速率的因素,（1）元素的性质：有的元素循环的速率快，而有的则比较慢，这是元素化学特性和被生物有机体利用的方式不同所决定的。 如CO2周转时间为1年左右，而大气圈中氮周转时间为100万年。,（2）生物的生长速率 决定生物对该物质吸收的速率以及该物质在食物网中运动的速度。 （3）有机物质腐烂的速率 适宜的环境有利于分解者的生存，并使有机体很快分解，供生物重新利用。 （4）人类活动的影响 如开垦农田和砍伐森林引起土壤矿物质的流失，从而影响物质循环的速率。另，化石燃烧把硫和二氧化硫释放大气中。,三、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： 1.气体型循环：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，循环性能最为完善。元素或化合物可以转化为气体形式参与循环过程。气体循环速度比较快，例如CO2、N2、O2等。物质来源充沛，不会枯竭。,2.沉积型循环,这类循环速度比较慢，参与沉积循环的物质，其分子或化合物主要通过岩石的风化和沉积物的溶解转变为可被生物利用的营养物质，而海底沉积物转化为岩石圈成分则是相当长的、缓慢的、单向的物质转移过程，时间要以千年计算。主要储库在土壤、沉积物和岩石，而无气体状态。因此沉积循环的全球性不如气体型循环，循环性能也很不完善。,3.水循环,生态系统中所有的物质循环都是在水循环的推动下完成的，因此，没有水的循环，也就没有生态系统的功能，生命也将难以维持。,第二节 水循环,全球水循环 水循环受太阳能推动，在陆地、大气和海洋形成全球水循环系统。,降雨,截留,穿透雨,蒸腾,渗透,地表蒸发,地表径流,地下径流,生态系统中的水循环,第三节 碳、氮、磷和硫的循环,一、碳循环 碳是一切生物体中最基本的成分。 库在大气和海洋。,海洋和大气CO2调节,Greenhouse effects,温室气体主要包括：二氧化碳(CO2)、甲烷(CH4)、氟氯碳化物(CFCs)、氧化亚氮(N2O)、六氟化碳(SF6)、全氟碳化物(PFCs)、氢氟碳化物(HFCs)等。,温室效应：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。,溫室效应的影响,1996年联合国气候变化政府间专家委员会(IPCC)评估报告，二氧化碳浓度已从工业革命前的280PPMV增加至1994年的358PPMV。预估2100年时全球平均地面气溫，将比1990年上升1.03.5，海平面將上升1595公分；全球气候与生态环境将产生下列变化： 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。,二、氮循环,固氮作用： （1）闪电、宇宙射线、火山爆发等高能固氮，形成硝酸盐； （2）工业固氮：400摄氏度，200大气压下； （3）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。,氨化作用：由氨化细菌和真菌的作用将有机氮分解成为氨和氨化合物，氨溶水成为NH4+，为植物利用。 硝化作用：在通气良好的土壤中，氨化合物被亚硝酸盐细菌和硝酸盐细菌氧化为亚硝酸盐和硝酸盐，供植物吸收利用。 反硝化作用：反硝化细菌将亚硝酸盐转变成大气氮，回到大气库中。,三、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。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，含磷有机物沿两条循环支路循环：一是沿食物链传递，并以粪便、残体归还土壤；另一是以枯枝落叶、秸秆归还土壤。各种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。在这一循环过程中，一部分磷脱离生物小循环进入地质大循环，其支路也有两条：一是动植物遗体在陆地表面的磷矿化；另一是磷受水的冲蚀进入江河，流入海洋。,四、硫循环,伦敦烟雾事件,伦敦1952年2月5日到8日，雾大无风，家庭和工厂排出的烟尘经久不散，大气中SO2含量3.8毫克/立方米，烟尘4.5毫克，居民普遍呼吸困难、咳嗽、喉痛、呕吐和发烧，4天内死亡约4000人。,第五节 有毒有害物质循环,一、有毒有害物质循环的一般特点 有毒有害物质循环是指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（食物链浓集效应）： 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。,二、有毒有害物质循环的实例,（一）DDT 人工合成的有机氯杀虫剂。 1.危害： （1）消灭害虫的同时，无选择地将益虫、益鸟和害虫的天敌杀死。 如美国加利福尼亚州，由于滥用DDT，1967年有19%的蜜蜂被杀死，导致水果和蜜糖急剧减产。,(2)DDT不溶于水，而溶于脂肪，极易通过食物链而浓集。 (3)DDT通过食物链进入动物体后，使钙代谢功能丧失，从而使鸟类蛋壳变薄，雌鸟附卵时将蛋压破，从而使禽类的数量减少。,水体中的DTT浓度约为0.00005ppm, 浮游生物 0.04 ppm 刚毛藻 0.08 ppm 网茅 0.33 ppm 螺 0.26 ppm 蛤 0.42 ppm 鱼 1.24 ppm 燕鸥 3.42 ppm 河鸥幼体 55.3 ppm 成体18.5 ppm 秋沙鸭 22.8 ppm 鹭鸟 26.4 ppm 银鸥 75.5 ppm,（二）、汞,日本一家工厂把含汞的未加处理的废气废渣排入水俣湾，汞进入鱼虾体内，经食物链传递到人体内积存，引起甲基汞慢性中毒。1953年开始出现发病，病人手脚麻木，听觉失灵，运动失调，严重时呈疯癫状态，直至死亡，人称水俣病。（水俣湾中螃蟹体中含汞24ppm，受害人肾中含14ppm，而鱼的允许水平为0.5ppm）。,课后要求,一、名词解释 生物地球化学循环 贮存库 流通率 气体型循环 沉积型循环 温室效应 固氮作用 硝化作用 反硝化作用 酸雨,二、思考题 1.气体型循环和沉积型循环有何异同？ 2.生态系统中坦循环的主要过程是什么。 3.人类对氮、磷循环的干扰将产生哪些后果。 4.硫循环和酸雨的形成有什么关系。 5.试分析温室效应产生的原因和危害。,