1、7.生态系统中的物质循环,C G Cao,7.1 物质循环的基本原理 7.2 几种重要循环的概述 7.3 物质循环与环境问题,7.1 物质循环的基本原理,7.1.1 物质循环的有关概念 7.1.2 物质循环的基本形式 7.1.3 物质循环的类型 7.1.4 物质循环的特点,定义：生态系统中各元素和化合物沿着特定的途径从生物到环境，在从环境到生物，不断往复循环的过程。,1.生物地球化学循环,C G Cao,7.1.1 物质循环的有关概念,能量流动和物质循环的因果关系生态系统的存在是靠物质循环和能量 流动来维持的。生态系统的能量流动和物 质循环都是通过食物链和食物网的渠道实 现的，二者相互伴随进行
2、，又相辅相承， 密不可分的统一整体。,但是，能量流动和物质循环又有本质 上的区别：能量流经生态系统各个营养级 时是逐级递减，而且运动是单向的、不是 循环的，最终在环境中消失。物质循环是 带有全球性的，在生物群落与无机环境间 物质可以反复出现，反复利用，循环运动 ，不会消失。,2.库和流,库：,流：,物质在循环过程中被暂时固定、贮存的场所。,C G Cao,库：,流：,储存库,交换库,即环境库，容积较大，物质交换活动缓慢。如大气库、土壤库、水体库等。,2.库和流,C G Cao,库：,流：,储存库,交换库,即生物库，容积较小，与外界物质交换活跃。如植物库、动物库、微生物库。,C G Cao,2.
3、库和流,库：,流：,储存库,交换库,物质在库与库之间的转移运动状态。,C G Cao,2.库和流,周转率：指系统达到稳定状态后，某一组分（库）中的物质在单位时间内所流出的量或流入的量占库存总量的分数值。单位时间交换量 周转率= 库存量 周转期：是库中物质全部更换平均需要的时间，也是周转率的倒数。,3.周转率、周转期,C G Cao,在生物量的周转中，往往用更新率、更新期的概念，其含义同周转率、周转期 如某一森林的现存量为324 t/hm2，年净生产量为28.6 t/hm2，其更新率=28.6324= 0.088,更新期约11.3年。 如某一水体中浮游生物的现存量为0.07 t/hm2，年净生产
4、量为4.1 t/hm2，其更新率=4.10.07=59，更新期只有6.23天。,3.周转率、周转期,C G Cao,7.1.2 物质循环的基本形式,根据物质循环的范围不同分为地球化学循环（地质大循环）和生物循环（生物小循环）两种基本形式,指化合物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、残体或排队泄物形式将物质或元素返回环境，经过五大自然圈循环后，再被生物利用的过程。 特点：时间长，范围广，是闭合式的循环。,1.地质大循环,C G Cao,水的地质大循环,C G Cao,生态系统环境中的元素或化合物被生物利用后返回环境，不经五大自然圈层的循环，又相继被生物利用的过
5、程。 特点：时间短、范围小，是开放式的循环。,2.生物小循环,C G Cao,Ca的生物小循环,C G Cao,7.1.3 物质循环的类型,C G Cao,物质不灭，循环往复 物质循环与能量流动不可分割，相辅相成 物质循环的生物富集 没有生物则难于循环 生态系统对物质循环有一定调节能力 各物质循环过程相互联系，不可分割。,7.1.4 物质循环的特点,C G Cao,C G Cao,C G Cao,C G Cao,7.2.1 水循环 7.2.2 碳循环 7.2.3 氮循环 7.2.4 磷循环 7.2.5 硫循环 7.2.6 养分循环,C G Cao,7.2 几种重要循环的概述,总体积约为14亿k
6、m3水，分布于海洋、冰川、地下水、内陆湖泊、大气五大水“库”中，咸水占水量97%，3%是淡水，其中34以固体状态固着在两极冰盖和冰川中，只有余下不到1%的水，才是供人类用的液态淡水。,7.2.1 水循环,C G Cao,水的大循环,C G Cao,水的小循环,水分循环平衡: 降雨=植被水+土壤水+地下水+地表水+蒸发腾水,1960年以来对地表径流人工控制能力增长3倍；水库蓄水量达到湖泊和河流的36倍，占将近一半的可利用水资源 水资源利用每10年增加20，1535地区出现过度利用，在21世纪将成为制约全球社会经济发展的主要生态因素,人类活动深刻地改变了水的生物地球化学循环,Vrsmarty an
7、d Sahagian 2000,当前水资源过度利用地区,未来50年水资源短缺地区,(1)植被破坏 (2)水利工程 (3)开采地下水 (4)水体污染,人类对水循环的影响及水问题,C G Cao,(1)植被破坏,C G Cao,C G Cao,(2) 水利工程,如修筑水库，塘堰可扩大自然蓄水量；而围湖造田又使自然蓄水容积减小，尤其是大量季节性降水因保蓄力削弱而流走，造成短期洪涝灾害，并同时降低了地下水库的补给，也引起严重的土壤和养分流失。,C G Cao,三峡大坝,C G Cao,C G Cao,C G Cao,(3)开采地下水,由于过度开发局部地区的地表水和地下水，用于工、农业及城市发展，不但使
8、地表、地下水贮量下降，出现地下漏斗及地上的断流，造成次生盐渍化；也使下游水源减少，水位下降，水质恶化，沿海出现海水入侵，加重了干旱化和盐渍化威胁。,C G Cao,(4)水体污染,C G Cao,我国水资源开发利用方面存在的问题,现有水利设施不能适应农业和现代化建设的需要。 现有水利工程及田间渠系配套等遗留问题比较多。 水体污染日趋严重。 地下水的超采严重（如在北方旱区、一些大中城市中），形成地下水位下降和地下水漏斗以及地面下沉现象。,农业生态系统的水分管理,植树造林，发挥“绿色水库”作用，扩大土壤的水分库容。 加强农田水利基本建设，提高水分利用率 改变耕作制度与管理方式，发展节水农业 防治水
9、体污染 加强全流域的水资源保护与统一调度,碳的大循环,C G Cao,7.2.2 碳循环,大气圈 CO2 、 CH4,土壤圈,水圈,生物圈,岩石圈 化石燃料,全球碳循环,呼 吸 作 用,交换释放,土壤呼吸 有机质分解,CO2固定,光 合 固 定,径流、水土流失,溶解吸收,沉积固定,生物残体归还,生物残体 归还,沉积固定,化石燃料燃烧,风化溶蚀,植 物 燃 烧,碳的小循环,C G Cao,农业生态系统中的碳素流动过程,碳素通过作物的光合作用从大气流向作物。 碳素自作物流向土壤。 碳素沿食物链向家禽家畜和人体流动，然后由人畜粪便及其遗体等重新进入环境。 土壤向大气排放CO2 。 土壤向大气排放CH
10、4 。 人为施入土壤中的碳量，主要包括有机肥和化肥（尿素）中的碳量。,全球碳循环库通量,C G Cao,植被破坏： 20亿吨 土壤破坏： 20亿吨 矿物燃烧： 60亿吨,人类影响追加给大气的CO2,碳循环失调造成的环境问题温室效应 Greenhouse effect Global warming,碳循环失调造成的环境问题温室效应 Greenhouse effect Global warming,碳循环：20世纪中期以来陆地生态系统从碳源转变为碳汇，当前吸收工业CO2排放量的20左右，对气候变化形成负反馈 但是在21世纪，陆地生态系统碳循环向未知方向变化,人类活动深刻地改变了生态系统物质循环,陆
11、地生态系统碳循环历史变化,陆地生态系统碳平衡未来变化,土地利用碳释放,陆地生态系统碳汇,净平衡,Houghton et al. 2003,GLOBAL WARMING,Temperature rise:0.50.7 2010: 1 2050:4.5,温室气体,温室气体除了二氧化碳(CO2)外，还包括甲烷(CH4)、氧化亚氮(N2O)和碳氟氯烷(CFC)、臭氧(O3)等。其中CO2的作用约占全部温室气体作用的50%以上,大气中的水蒸气也对温室效应起着重要作用,C G Cao,Greenhouse gas：CO2、CFC、CH4、N2O (近年的浓度变化）,CO2 1750: 280ppm Now
12、: 360ppm,N2O 1750: 280ppb Now: 314ppb,CH4 1750: 0.7ppm Now: 1.7ppm,CFC,(1)在能量供求方面； (2)北冰洋飘浮海冰和南极西部冰山的融化。 (3)世界生物群落的分布主要取决于气候，尤其是温度和降雨。 (4)由于沿岸和表层水温升高，造成海洋上升流减少， (5)全球变暖可能造成某些疾病发病率的升高。 (6)气候变暖将大大影响食物生产的分布和稳定性。,全球变暖对生态系统的影响,C G Cao,减少温室气体排放的途径,改进能源结构 提高能源效率 增加植被覆盖面积,特点：,（1）碳循环的形式： （2）碳在自然界中的存在形式： （3）碳
13、在生物体内的存在形式： （4）碳进入生物体的途径： （5）碳在生物体之间传递途径： （6）碳进入大气的途径：,CO2；,CO2和碳酸盐；,含碳有机物；,绿色植物的光合作用；,食物链；,生物的呼吸作用 分解者有分解作用 化石燃料的燃烧,N的大循环,N的小循环,C G Cao,7.2.3 氮循环,生物固氮：每年约5400万吨工业固氮：每年约6680万吨高能固氮：每年约760万吨,氮的固定,C G Cao,反硝化 有机物的燃烧 淋溶 流失 挥发,氮的损失,C G Cao,人类活动对氮循环的影响,人为的固氮作用使大气库中的N减少，陆地和海洋中N增加，其中主要流向海洋。 氮氧化物的流量和大气圈中的存量在
14、不断增加,N循环各过程的净通量和库的净变化（TgN/a）,人为活动对N循环造成的影响（TgN/a）,人工氮固定成为土壤和水环境主要污染源，导致N2O（温室效应比CO2高2个数量级）排放量指数增长,氮循环：人工固氮能力超过自然过程的总和，生态系统有效氮输入量增加1倍；,人类活动深刻地改变了生态系统物质循环,人工固氮能力和氮肥施用量的增长,Galloway et al. 2002,Mosier and Kroeze, 2001,全球农业系统N2O排放量,(1)水体富营养化 (2)地下水中的N2O-、NO3-具有致癌作用 (3)臭氧层的破坏 (4)光化学烟雾,氮循环失调造成的环境问题,C G Cao
15、,水体富营养化的过程,营养物质进入水体水中微生物滋生 爆发性增长 死亡分解 消耗氧气 氧气不足 厌气分解 产生有毒物质 水体变坏,水体富营养化的危害,水中溶解氧气减少，水生生物无法生存,C G Cao,The ozone hole This satellite picture of the Antarctic ozone hole was taken on October ,1993.There was 15% less ozone over Antarctic in 1993 than a year earlier,leaving the protective shield at less
16、than one-third its normal thickness.,臭氧层破坏,臭氧层破坏危害（1）对人体健康的影响。 （2）对生态系统的影响。 （3）对空气质量及全球变暖的影响 （4）对材料的影响。,C G Cao,C G Cao,光化学烟雾,农田氮素控制的途径,改进氮肥施用技术分次施肥、氮肥深施、缓效肥等 平衡施肥和测土施肥 采用硝化抑制剂 合理灌溉 做好水土保持工作,7.2.4 磷循环(沉积型）,C G Cao,C G Cao,7.2.5 硫循环（气相型兼沉积型）,岩石圈,干湿沉降,C G Cao,硫循环的环境问题,(1)酸雨:酸雨指PH值小于5.6的雨、雾、雪、霜的统称。主要由S
17、O2引起的。 (2)酸雨的危害:土壤酸化、贫瘠化，毒害植物根系，危害生物生长。 (3)水体富营养化,酸雨,7.2.6 农田养分循环,N、P、K等营养元素在人为影响下的运动叫农田养分循环,C G Cao,三、农田生态系统养分平衡的主要收支项,7.2 几种重要循环的概述水循环,C G Cao,养分循环特点,有较高的养分输入率和输出率 系统内部养分的库存量较低，但流量大，周转快 养分保持能力弱，流失率较高 养分供求同步机制较弱,农田养分循环的调节,调节的原则 多样化的养分输入 建立养分循环再生机制 提高土壤肥力和保持养分，减少养分流失 系统的整体优化 调节的途径 建立合理的轮作制度，用养结合 农林牧
18、相结合，发展沼气，促使秸秆回田 措施优化：有机无机结合、 N 、 P 、 K 比例协调、 少免耕、覆盖等 废弃物回收利用,7.3 物质循环与环境问题 7.3.1 环境污染与污染生态学 7.3.2 生物放大作用与有毒有害物质的循环 7.3.3 化学农药与物质循环 7.3.4 化学肥料与物质循环 7.3.5 环境污染的生物监测 7.3.6环境污染的生物防治,C G Cao,环境污染是指人类直接、间接制造或所用物品的废弃物等排放到环境中，其数量超过了环境的自净能力，使环境的理化和生物学性状发生了有害的改变。,7.3.1 环境污染与污染生态学,1 .环境污染,环境污染的根本问题,元素或物质在局部积累,
19、C G Cao,物质循环的平衡,输入输出平衡 元素在各个环节运动速度均衡 系统内各元素的比例均衡,大气污染 水体污染 土壤污染,按污染物分,非降解性污染(Nonbiodegradable pollution) 降解性污染 (Biodegradale pollution),按污染来源分,面源污染 (Non-pointed pollution) 点源污染 (Pointed pollution),环境污染的分类,2 .环境污染的类型,污染源：工业污染型农业污染型生活污染型交通污染型 污染物： 烟雾粉尘微粒有害气体,（1）大气污染,C G Cao,（2）水体污染,水体富营养化 重金属污染 热污染,水体
20、污染的三个主要方面：,C G Cao,大气污染型 水体污染型 农业污染型 固体污染型 生物污染型,土壤污染,（3）土壤污染,C G Cao,7.3.2 有毒有害物质的循环与生物放大作用,1.有毒有害物质 有毒化合物 有毒重金属的循环 放射性元素的循环,食物链富集作用：又叫生物放大作用，指一些难降解的有毒物质沿食物链传递时，其浓度随营养级的升高不断增加的现象。,2.食物链浓集作用,DDT在生态系统中的富集作用,C G Cao,7.3.3 化学农药与物质循环,C G Cao,农药在自然界中的转移,C G Cao,有机氯农药（BHC）沿食物链及在牛肉、牛奶和人体内的富集,C G Cao,化肥与土壤性
21、质 化肥与重金属污染 化肥与水体富营养化 化肥与硝酸盐污染,7.3.4 化学肥料与物质循环,C G Cao,7.3.5 环境污染的生物监测,1生物监测与指示植物 (1)生物监测（Biological monitoring）：利用生命系统各层次对自然或人为因素引起环境变化的反应来判定环境质量。 (2)生物监测方法从生物学层次来分，主要包括生态监测(群落生态和个体生态)、生物测试(急性毒性测定、亚急性毒性测定和慢性毒性测定)以及分子、生理、生化指标和污染物在体内的行为等几个方面,2.指示生物(indicator organism),是一些对环境中的某些物质，包括污染物的作用或环境条件的改变能较敏感
22、和快速地产生明显反应的生物。通过其所作的反应可了解环境的现状和变化，起“预警”功能。,SO2监测植物矮牵牛,指示植物,受害症状,3.大气污染的生物监测,敏感植物用于大气污染的监测,大气污染的动物监测,金丝雀、老鼠、鸡等来探测矿井中瓦斯毒气 蜜蜂理想的大气监测生物砷、氟化物、铅、汞、臭氧等引起的污染可缩短蜜蜂的寿命，甚至死亡。（可了解污染物的种类、水平）,4.水体污染的生物监测,滇池不同污染水平下，水生植被的变化,无污染：轮藻生长繁茂，其它各类植物可正常生长,轻度污染：敏感植物海菜花、轮藻逐渐消失,中度污染：抗性强的红线草、狐尾藻等繁茂生长,严重污染：各种高等沉水植物全部死亡,水污染的植物监测,
23、长江中下游湖泊富营养化过程中沉水植被演替模式,水污染的动物监测,颤蚓类生物如霍莆水死蚓、颤蚓等在污染水体，尤其是有机污染水体中数量多、种类单纯，可用单位面积的颤蚓数作为水污染程度的指标。,未污染：低于100条/m2 轻度污染： 100999条/m2 中度污染： 10005000条/m2 严重污染：大于5000条/m2,4.土壤污染的生物监测,7.3.6环境污染的生物防治,环境污染的生物防治是指利用微生物、植物、动物对污染物的吸收、分解和转化作用，使生态环境中污染物的浓度和毒性降低或消失，来净化环境的治理途径。,1.废水的生物处理,活性污泥法,氧化塘污水处理,C G Cao,2、大气污染的生物防
24、治,主要是利用绿色植物来净化空气。 绿色植物的净化作用主要体现在以下三个方面：第一，植物能够在一定浓度范围内吸收大气中的有害气体。 第二，植物可以阻滞气流，使大气中的粉尘和放射性污染物沉降而被植物吸附。 第三，许多绿色植物能够分泌抗生素，杀灭空气中的病原菌。,3.土壤污染的生物防治,土壤污染的生物防治指通过生物降解或吸收富集而净化土壤。1.利用微生物进行土壤污染的防治2.利用植物进行土壤污染的防治,超富集植物修复污染土壤,蕨类植物蜈蚣草： 对碘具有很强的超富集能力，其叶片含碘量可达千分之八，能够抵受含碘量为3%的受污染环境。在我国南方的湖南、广西等地大面积存在，其生长旺盛，个体高大。紫茬苜蓿： 对铅有很强的富集能力，其根、茎、叶的富集能力依次为根茎叶。芥菜 不仅可吸收铅，也可吸收并积累铬、镉、镍、锌和铜等重金属元素。 凤眼莲 ：每公顷凤眼莲1天可从污水中吸收银1.25千克，吸收金、铅、镍、镉、汞等有毒金属2.175千克。,本章重点,1、名词解释：生物地球循环；水循环；气相循环，沉积循环；养分循环；生物放大作用 2、比较气相循环和沉积循环的差异，举例说明。 3、简述C循环的特点。 4、谈谈农业生态系统循环特点。 6、分析物质循环与环境污染的关系及环境污染的类型。,
