11、生态系统生态学（物质循环）.ppt

1,第十三章 第三节 生态系统中的物质循环,一、物质循环的一般特征二、全球水循环三、碳循环四、氮循环五、磷循环六、硫循环,2,物质循环与能量流动,日光能,3,物质循环的一般特征,生物地球化学循环（大循环）：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的过程。这一过程包括生物与非生物二者的参与,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。,4,生物地球化学循环 Basics of nutrient cycling,生物及有机碎屑,化石燃料,生态环境,岩石及矿质元素,化石化,风化,光合和同化作用,燃烧,5,生物小循环,6,物质循环的基本概念,库(pool,banks):物质在生态系统中运动过程被暂时固定、贮存的场所（生物组分）。生态系统中各组分都是物质循环的库；植物库、动物库、土壤库、水体库、基因库等。流通率：单位时间、单位面积/体积的物质转移量。周转率：流通率/库中营养物质总量。周转时间：库中营养物质总量/流通率。,7,物质在库间的流通,流通量、周转率与周转时间是相对于库而言的。生产者库流通率：20单位/天周转率：20/100=20%周转时间：100/20=5天消费者库流通率：4单位/天周转率：4/50=8%周转时间：50/4=12.5天,8,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 1年,N 100万年。（2）生物的生长速率：决定于生物对物质吸收的速率以及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：开垦农田和砍伐森林引起土壤矿物质的流失，影响物质循环速率；化石燃烧把硫和二氧化硫释放大气中。,9,生物地球化学循环的类型,气体型循环：贮存库是大气和海洋；有气体形式的分子参与循环过程；循环速度快，例如CO2、N2、O2等沉积型循环：贮存库是岩石、土壤和沉积物；没有气体形式的分子参与循环过程；循环速度慢，时间以千年计算，例如P、Ca、Mg等。水循环：水的全球循环过程：大循环和小循环；生态系统中所有的物质循环都离不开水循环的推动。,10,二、全球水循环,水循环是太阳能推动，在陆地、大气和海洋间循环。地表总水量：1.4109km3，海洋约占97%。水的循环：陆地：蒸发(蒸腾)71,000km3，降水111,000km3，径流40,000km3；海洋：蒸发425,000km3，降水385,000km3。,11,The Hydrologic Cycle,(40),(71),(111),(385),(425),(40),103km3,水的大循环,12,生态系统中的水循环水的小循环,降雨,截留,穿透雨,蒸腾,渗透,土壤吸收,地表径流,地下径流,消费者,地面蒸发,13,三、碳循环,碳的重要性：生命元素（有机物碳链）、能量流动；碳库：海洋和大气、生物体。碳的存在形式：CO2，无机盐，有机碳。主要循环过程：（1）生物的同化和异化过程；（2）大气和海洋间的CO2交换；（3）碳酸盐的沉淀作用。人类活动对碳循环造成严重影响，引起气候变化的主要原因。,14,海洋和大气CO2调节,CO2,CO2溶于海水,H2CO3,水体中生物,H+CO32-,CaCO3,海底沉积物,15,碳循环（The Carbon Cycle）,16,碳循环The Carbon Cycle,92,90,750,6,1,1015gC,17,温室效应,温室效应（Greenhouse effects）：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。温室气体：二氧化碳(CO2)、甲烷(CH4)、氧化亚氮(N2O)、六氟化碳(SF6)、氟氯碳化物(CFCs)、氢氟碳化物(HFCs)等。温室效应的影响：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；引起多种物种消失。,18,Incoming sunlight warms the surface of the Earth and is radiated back to atmosphere.Greenhouse gases absorb some of this heat,trapping it in the atmosphere.,温室效应GREENHOUSE EFFECT,19,Carbon accumulation,CO2 has increased from its pre-industrial level data:recent records plus older data such as ice cores mostly fossil fuel burning,二氧化碳含量,气温变化,20,CO2排放,21,四、氮循环,氮的重要性：构成生物有机体蛋白质的必须元素。氮库：大气、土壤、陆地植被生物可利用的氮的形式：NO32-、NO22-、NH4+氮循环的主要过程：固氮作用：由物理-化学过程(闪电)和微生物把大气中的氮转变为硝态氮、亚硝态氮和铵态氮的过程。氨化作用：有机物降解生成氨的反应。如细菌作用于蛋白质而产生氨。硝化作用：化能菌将氨化物和氨转化为硝酸根(NO3-)或亚硝酸根(NO2-)离子的过程。反硝化作用：在厌氧条件下，把硝酸盐及亚硝酸盐作为电子受体而生成氮气的过程。,22,氮循环 The Nitrogen Cycle,氨硝酸盐,大气中的氮（）,雷电产生硝酸盐,根瘤菌固氮,植物摄取,细菌脱氨反硝化作用,消费者,生产者,排泄物 尸体,碎食者 土壤细菌,硝化作用,氨化作用,23,氮的循环,1012gN,24,固氮作用,固氮作用：是分子态氮被还原成氨和其他含氮化合物的过程。自然界氮（N2）的固定有两种方式：一种是非生物固氮，即通过闪电、高温放电等固氮，这样形成的氮化物很少；二是生物固氮，即分子态氮在生物体内还原为氨的过程。大气中90以上的分子态氮都是通过固氮微生物的作用被还原为氨的。类型闪电、宇宙射线、火山爆发等高能固氮；工业固氮：400摄氏度，200大气压下（氮肥厂）；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。意义平衡反硝化作用对局域缺氮环境有重要意义使氮进入生物循环,25,生态系统中的氮循环,26,氨化作用、硝化作用和反硝化作用,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氮气，回到大气库中。,27,5.5 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。磷的循环过程：小循环：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；沿食物链传递，并以粪便、残体或直接以枯枝落叶、秸秆归还土壤；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。大循环：一部分磷脱离生物小循环进入地质大循环：动植物遗体在陆地表面的磷矿化；磷受水的冲蚀进入江河，流入海洋沉积。,28,Phosphate leaches from phosphate-rich rocks or from fertilizers and enters plants and other producers where it is incorporated into biological molecules.These are passed through the trophic levels.,BIOGEOCHEMICAL CYCLE PHOSPHORUS磷循环,29,磷的循环,1012gP,30,一个池塘生态系统的磷循环,硅藻,枝角类,小淡水鱼,梭子鱼,31,生态系统的磷循环,32,硫循环,33,酸雨的形成,硫,氮,34,ACID RAIN IN THE UNITES STATES,The most acidic rain is concentrated in the northeast,but thousands of lakes in the west are also vulnerable.,美国的酸雨分布,35,ACID RAIN IN THE WORLD全世界酸雨的分布,36,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。,37,有毒有害物质循环,有毒有害物质循环：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：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。,38,有毒有害物质循环的实例,DDTDDT是人工合成的有机氯杀虫剂；DDT不溶于水，而溶于脂肪，极易通过食物链而浓集；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，雌鸟孵卵时将蛋压破，从而使禽类的数量减少。危害消灭害虫的同时，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，导致水果和蜂蜜急剧减产。,39,BIOMAGINIFICATION OF DDT DDT生物放大作用,40,BIOMAGINIFICATION OF DDT,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,DDT生物放大作用,41,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；水俣湾中螃蟹体内含汞24ppm，受害人肾中含14ppm，而鱼的允许水平为0.5ppm。,42,本节结束,本节结束,