13·生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)2012

1、第十三章 生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán),物質(zhì)循環(huán)的一般特征水循環(huán)碳循環(huán)氮循環(huán)磷循環(huán)硫循環(huán),一、物質(zhì)循環(huán)的一般特征,1 物質(zhì)循環(huán)特點 物質(zhì)循環(huán)和能量流動總是相伴發(fā)生生物固定的日光能量流過生態(tài)系統(tǒng)通常只有一次，并且逐漸地以熱的形式耗散，而物質(zhì)在生態(tài)系統(tǒng)的生物成員中能被反復(fù)地利用,,,2 模型研究,分室模型法生態(tài)系統(tǒng)中元素的各種狀態(tài)，看做為不同的分室 生態(tài)系統(tǒng)分室模型還可以有層次結(jié)構(gòu)，即分室中有亞分室 元素在分室之間的移動速率

2、有差異,,,庫和流通率 分室可以隨研究者的目的設(shè)置,3 生物元素循環(huán)的兩個尺度全球循環(huán)：全球生物地球化學(xué)循環(huán)(global biogeochemical cycles)，代表各種生態(tài)系統(tǒng)局域事件的總和局域循環(huán)：在物質(zhì)循環(huán)上也不是完全封閉的，營養(yǎng)物可以通過氣候的、地質(zhì)的和生物的種種過程而彼此聯(lián)系,生物地化循環(huán)的類型,水循環(huán)氣體型：大氣和海洋是主要貯存庫，有氣體形式的分子參與循環(huán)過程 ，如 氧、碳、氮等沉積型：分子和化合

3、物沒有氣體形態(tài)，并主要通過巖石風(fēng)化和沉積物分解成為生態(tài)系統(tǒng)可利用的營養(yǎng)物質(zhì) ，如鈣、磷、鈉、鎂等,二、水循環(huán),（一）水的分布地球表面的總水量大約為14億km3 97% 海洋咸水 2% 結(jié)合在冰雪中 <1% 液態(tài)淡水,海洋庫外水的含量,兩極冰蓋29 000 km3地下水8 000 km3湖泊河流100 km3 土壤水分100 km3 大氣中水13 km3 生物體中

4、水1 km3,,,,,,,,降雨,截留,,穿透雨,,,,,,,蒸騰,,,滲透,,,,地表蒸發(fā),,,,地表徑流,,,地下徑流,（二）全球水循環(huán),,,,,km3和km3/a,（三）人類活動對水循環(huán)的影響,空氣污染和降水改變地面，增加徑流過度利用地下水水的再分布（水庫、南水北調(diào)等） 水庫建成后，侵占陸地面積； 減少了進(jìn)入河口灣和下游的水量，改變了 河口灣的生物群落； 河口灣營養(yǎng)物減少，影響漁業(yè)收入,貯存庫（reser

5、voir pool）：巖層中的碳，容量很大，但活動很慢，一般為非生物成分交換庫（exchange or cycling pool）：容量小而且很活躍，如生物體庫。,三、碳循環(huán),,1 碳循環(huán)研究的重要意義碳是構(gòu)成生物有機(jī)體的最重要元素，生態(tài)系統(tǒng)碳 循環(huán)研究為系統(tǒng)能量流動的核心問題人類活動通過化石燃料的大規(guī)模使用，從而造成對于碳循環(huán)的重大影響，可能是當(dāng)代氣候變化的重要原因。,2 碳循環(huán)包括的主要過程生物的同化過程和異化過程，主要

6、是光合作用和呼吸作用大氣和海洋之間的二氧化碳交換碳酸鹽的沉淀作用,整個地球碳的儲存數(shù)量約為26×1015噸。90%以上以碳酸鹽形式禁錮在巖石圈中，而只有7500×109噸是以有機(jī)態(tài)埋藏在地下(如煤、石油) －碳循環(huán)中的儲存庫。極少量碳參與經(jīng)常性流動和圈層間的交換。其中大氣圈中(CO2)約700×109噸，水圈中(多為碳酸鹽態(tài)或CO2)約為35250×109噸。而構(gòu)成現(xiàn)有生物量的有機(jī)碳僅為

7、1120×109噸。水圈、大氣圈和生物圈扮演著碳循環(huán)中活動庫的作用。,碳循環(huán)(carbon cycle),化,,,,,,,,,泥碳,煤,大氣中CO2,,,CO2,,碳化作用,石油,水生植物光合作用,腐爛,燃料,呼吸作用,光合作用,腐爛,擴(kuò)散,全球碳收支（Schlesinger，1997）,人類活動釋放的二氧化碳有大約25％的全球碳流的匯是科學(xué)尚未研究清楚－失匯(missing sink)現(xiàn)象（釋放二氧化碳的庫稱為源(s

8、ource)，吸收二氧化碳的庫稱為匯(sink) ）,單位：1015gC/a,在夏威夷冒納羅亞觀象臺收集大氣層中CO2濃度變化,3 溫室效應(yīng),,溫室效應(yīng)： 大氣中對長波輻射具有屏蔽作用的溫室氣體濃度增加使較多的輻射能被截留在地球表層而導(dǎo)致溫度上升。,溫室氣體主要包括：,二氧化碳(CO2)甲烷(CH4)氟氯碳化物 (CFCs)氧化亞氮(N2O)六氟化碳(SF6)全氟碳化物(PFCs)氫氟碳化物(HFCs),溫室效應(yīng)（gr

9、eenhouse effect ）,溫室效應(yīng)的影響,海平面上升，淹沒陸地。 全球氣候經(jīng)常發(fā)生暴雨或干旱。 土地沙漠化，生態(tài)環(huán)境改變。,4 海洋生物泵及其對大氣CO2含量的調(diào)節(jié)作用,作為另一個貯存庫的海洋，雖然對二氧化碳有很大的容量，但是它不能及時地吸收大氣中多余的二氧化碳．以致于需要經(jīng)過很長的時間，海水與大氣中的二氧化碳濃度才能達(dá)到平衡。,海洋生物泵,生物泵(biological pump)：由有機(jī)物生產(chǎn)、消費、傳遞、沉降和分解等一

10、系列生物學(xué)過程構(gòu)成的碳從表層向深層的轉(zhuǎn)移碳酸鹽泵(carbonate pump)：某些浮游動物(有孔蟲、放射蟲和浮游貝類等)的碳酸鹽外殼和骨針在動物死亡之后也沉降到海底－實質(zhì)上也是一種生物泵。,海洋生物泵過程,真光層的浮游植物通過光合作用吸收CO2，將其轉(zhuǎn)化為有生命的顆粒有機(jī)碳,再通過食物鏈(網(wǎng))逐級轉(zhuǎn)移到大型動物。未被利用的各級產(chǎn)品死亡、沉降和分解，各級動物產(chǎn)生的糞團(tuán)、蛻皮構(gòu)成大量非生命顆粒有機(jī)碳向下沉降。不同水層中的浮游動物:

11、 通過垂直移動也構(gòu)成了有機(jī)物由表層向深層的接力傳遞。溶解有機(jī)物:-部分光合作用產(chǎn)物以可溶性有機(jī)物釋放到海水中/生物代謝活動產(chǎn)生-一部分無機(jī)化進(jìn)入再循環(huán)，其余被異養(yǎng)微生物利用后通過微型食物網(wǎng)再進(jìn)入主食物網(wǎng)，并可能成為較大的沉降顆粒。,海洋生物泵對海洋吸收大氣CO2的作用,大氣CO2的空氣溶入高緯度低溫海水的下沉可以攜帶從大氣中吸收的CO2進(jìn)入深層，但是在赤道上升流區(qū)，海水會向大氣釋放CO2，海洋生物泵的作用則可能使表層CO2轉(zhuǎn)變成顆

12、粒有機(jī)碳并有相當(dāng)部分下沉，實現(xiàn)海洋對大氣CO2含量的調(diào)節(jié)作用。,海洋生物泵的效率估計,生物泵對調(diào)節(jié)大氣CO2含量的作用和規(guī)模迄今尚無一致的估計。海洋可以在相當(dāng)程度上起調(diào)節(jié)大氣CO2濃度的作用。粗略估計，目前由于人為原因釋放到大氣的CO2，有一半可能被海洋吸收(王榮，1992),提高氣一海界面碳凈通量的可能途徑,通過提高某些海區(qū)新生產(chǎn)力的途徑、加速生物泵運轉(zhuǎn)南大洋:營養(yǎng)鹽(N、P、SI)補充充足，但初級生產(chǎn)力只有亞熱帶近海區(qū)的1/1

13、0或更少 原因：可能是缺Fe所致－大洋水中的Fe依靠大陸漂塵來補充，但由于南極大陸95％的面積為冰雪覆蓋，再加上西風(fēng)帶的阻礙，使南大洋的Fe無法依靠陸源漂塵補充。假設(shè)：如果南大洋上外流(南極輻散帶)由深層向夏光層輸送的NO3-能全部被利用的話，可能使氣一海界面的碳通量再增加20—30×l08t／a。即使按C：Fe＝100000:1計算，每年也僅需要補充200 000t的Fe。澳洲霍巴特東南1930km（1999）

14、 赤道太平洋的東部和西部,氮是蛋白質(zhì)的基本組成成分，一切生物結(jié)構(gòu)的原料。一般生物不能直接利用大氣中的氮，必須通過固氮作用將氮與氧結(jié)合成為硝酸鹽和亞硝酸鹽，或者與氫結(jié)合形成氨以后，植物才能利用。,四、氮循環(huán),1 氮循環(huán)(nitrogen cycle),陸地陸地,,其它動植物,藍(lán)藻,淺層死有機(jī)物,溶解死有機(jī)物,土壤中無機(jī)氮庫,丟失于深層沉積中,,,,,,,動植物活體,共生或自由生活的固氮微生物,死有機(jī)體,陸地,河流帶走,,,

15、,,,,,,,,生物固氮,,,,大氣庫N2,大氣庫HN3,NO,NO2, N2O ，,工業(yè)固氮（汽車,化肥,電廠）,脫氮,,閃電,化學(xué)反應(yīng),,海洋,,火山作用,降水,大氣,,,單位：1012gN/a,固氮作用分類：（1）閃電、宇宙射線、火山爆發(fā)等高能固氮，形成硝酸鹽；（2）工業(yè)固氮：400攝氏度，200大氣壓下；（3）生物固氮：固氮菌、與豆科植物共生的根瘤菌和藍(lán)藻等自養(yǎng)和異養(yǎng)微生物,2 微生物參與的氮循環(huán)過程,生物

16、固氮作用(nitrogen fixation) 營自由生活的自生固氮菌－氧化有機(jī)碎屑獲得能量共生在豆科植物根瘤和其他一些植物的根瘤菌－共生植物提供能量藍(lán)細(xì)菌－光合作用固定的能量 固氮作用的重要意義在全球尺度上平衡反硝化作用在像熔巖流過和冰河退出后的缺氮環(huán)境里，最初的入侵者就屬于固氮生物，所以固氮作用在局域尺度上也很重要大氣中的氮只有通過固氮作用才能進(jìn)入生物循環(huán)。,氨化作用(ammonification) 蛋白質(zhì)通過水解

17、降解為氨基酸，然后氨基酸中的碳被氧化而釋放出氨(NH3)的過程。植物通過同化無機(jī)氮進(jìn)入蛋白質(zhì)，只有蛋白質(zhì)才能通過各個營養(yǎng)級。 硝化作用(nitrification) 氨的氧化過程。其第一步是通過土壤中的亞硝化毛桿菌或海洋中的亞硝化球菌，把氨轉(zhuǎn)化為亞硝酸鹽(N02)；然后進(jìn)一步由土壤中的硝化桿菌或海洋中的硝化球菌進(jìn)一步氧化為硝酸鹽(NO3-)。反硝化作用(denitrification) 第一步是把硝酸鹽還原為亞硝酸鹽，釋放NO

18、。這出現(xiàn)在陸地上有漬水和缺氧的土壤中，或水體生態(tài)系統(tǒng)底部的沉積物中，它由異養(yǎng)類細(xì)菌，例如假單孢桿菌所完成；然后亞硝酸鹽進(jìn)一步還原產(chǎn)生N20和分子氮(N2)，兩者都是氣體。,3 人工固氮的雙刃劍,正－人工固氮對于養(yǎng)活世界上不斷增加的人口做了重大貢獻(xiàn)，負(fù)－通過全球氮循環(huán)帶來了不少不良后果 威脅人類在地球上持續(xù)生存的生態(tài)問題,危害：,水體硝酸鹽(N03)含量對于生物是危險的 “藍(lán)嬰病”(blue baby disease)－紅細(xì)胞

19、運輸氧功能的損失，嬰兒皮膚固缺氧而呈藍(lán)色，尤其是在眼和口部。硝酸鹽高溶解性，易從土壤淋洗出來，污染地下水和地表水－使用化肥過多的農(nóng)田區(qū),光化學(xué)煙霧（Photochemical smog） 排入大氣的氮氧化物和碳?xì)浠锸芴栕贤饩€作用產(chǎn)生的一種具有刺激性的淺藍(lán)色的煙霧。 成分：臭氧(O3)、醛類、硝酸酯類（PAN）等多種復(fù)雜化合物 。 危害：當(dāng)遇逆溫或不利于擴(kuò)散的氣象條件時，煙霧會積聚不散，造成大氣污染事件，使人眼和呼吸

20、道受刺激或誘發(fā)各種呼吸道炎癥，危及人體健康。,富營養(yǎng)化（eutrophication） 水體的過度肥沃，赤潮、水花,,一氧化二氮：由于細(xì)菌作用于土壤中硝酸鹽而生成的, 在同溫層中與氧反應(yīng)，破壞臭氧，從而增加大氣中的紫外輻射；在對流層作為溫室氣體，促進(jìn)氣候變暖。含氮化合物還與二氧化硫在一起形成酸雨,蝦苗 shrimp青蛤 bivalve餌料 feeds水層 water雨水 rain對蝦 shrimp青蛤

21、 bivalve水層 drainage底泥積累 sediment氨揮發(fā)volatilization吸附 absorption滲漏 seepage,蝦池的氮收支,,,,輸入,,輸出,（固氮）,（解氮）,五、磷循環(huán),磷是構(gòu)成核酸、細(xì)胞膜、能量傳遞系統(tǒng)和骨骼的重要成分。磷在水體中通常下沉，所以它也是限制水體生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力的重要因素。磷在土壤內(nèi)也只有在pH 6--7時才可以被生物所利用。,全球磷循環(huán)的最主要途徑是磷從陸地土壤

22、庫通過河流運輸?shù)胶Ｑ?，達(dá)到21×1012 g P/a。磷從海洋再返回陸地是十分困難的，海洋中的磷大部分以鈣鹽的形式而沉淀，因此長期地離開循環(huán)而沉積起來。,蝦池的磷收支,硫是蛋白質(zhì)和氨基酸的基本成分，對于大多數(shù)生物的生命至關(guān)重要。人類使用化石燃料大大改變了硫循環(huán)，其影響遠(yuǎn)大于對碳和氮，最明顯的就是酸雨。硫循環(huán)是一個復(fù)雜的元素循環(huán)，既屬沉積型，也屬氣體型。 長期的沉積相：束縛在有機(jī)和無機(jī)沉積中的硫，通過風(fēng)化和分解而釋