4生态系统的物质循环.

授课人:吴林坤[e-mail]13809511917生命科学学院生物科学系生态系统的物质循环（第十二章）目录物质循环的概述全球水循环碳循环氮循环磷循环硫循环有毒有害物质循环放射性核素循环生物地化循环与人体健康生命与元素地球元素：90多种。生命必需元素：28种，包括：碳、氢、氧、氮、磷；硫、氯、钾、钠、钙、镁、铁、铜；硅、钒、铬、锰、钴、镍、锌、钼、锡、硒、溴、砷、碘、氟、硼。硼是某些绿色植物和藻类生长的必需元素，而哺乳动物并不需要。人体必需元素：27种（硼除外）。1、物质循环的概述1.1物质循环的概念与基本原理物质循环：环境中的物质经环境到生物群落再回归环境的过程。（1）物质不灭定律（2）能量守恒定律物质循环的基本原理：生物群落环境1.2物质循环的3个层次生物个体循环：生物个体吸取营养物质建造自身，经过代谢活动又把物质排出体外，经过分解者的作用归还于环境（生物个体层次）。生物小循环：在初级生产者的基础上，通过各级消费者和分解者把营养物质归还环境之中，称为生物小循环（生态系统层次）。生物地球化学循环：物质在整个生物圈各圈层之间的循环，水循环、气体型循环、沉积型循环（生物圈层次）。生物个体层次生物小循环（生态系统层次）地质大循环生物地球化学循环（生物圈层次）1.3物质循环的特点物质循环不同于能量流动，后者在生态系统中的运动是循环的。生物地化循环可以用库和流通率两个概念来描述。库可分为贮存库和交换库。生物地化循环在受人类干扰以前一般是处于一种稳定的平衡状态。元素和难分解的化合物常发生生物积累、生物浓缩和生物放大现象（重金属、有机有毒物等）。具有全球性项目能量流动物质循环形式过程范围特点联系主要以有机物形式主要以无机物形式沿食物链（网）单向流动在无机环境和生物群落间反复循环生态系统的各营养级生物圈单向流动，逐级递减反复出现，往复循环，全球性1）同时进行、相互依存，2）物质是能量流动的载体，3）能量是物质反复循环的动力。能量流动与物质循环的关系物质在库间的流通几个基本概念：库：物质、元素储存的地理单元，如大气、岩石、水体、生物群落等。分为贮存库和交换库。流通率：物质或元素在库中单位面积（体积）和单位时间的移动量。贮存库与交换库贮存库：库：交换库：容积大，物质交换活动缓慢的库。通常是环境库，如大气库、土壤库、水体库等。容积小，与外界交换活跃的库。通常是生物库，如植物库、动物库、微生库等。周转时间与周转率周转时间（周转期）：库中物质全部更换平均需要的时间周转时间=库中营养物质总量/流通率周转率：系统达到稳定状态后，库中的物质在单位时间所流出的量或流入的量占库存总量的分数值。周转率=流通率/库中营养物质总量物质循环的全球性特点1.4生物地化循环的类型水循环气体型循环贮存库是大气和海洋；常以气体形式的分子参与循环过程；循环速度比较快，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；循环速度比较慢，时间要以千年计算，例如P、Ca、Na、Mg等。1.5物质循环的影响因素元素的性质生物的生长速率有机物质腐烂的速率（纤维素、几丁质、腐殖质）人类活动的影响2、水循环君不见黄河之水天上来，奔流到海不复回。君不见高堂明镜悲白发，朝如青丝暮成雪。人生得意须尽欢，莫使金樽空对月。天生我材必有用，千金散尽还复来。烹羊宰牛且为乐，会须一饮三百杯。岑夫子，丹丘生，将进酒，杯莫停。与君歌一曲，请君为我倾耳听。钟鼓馔玉不足贵，但愿长醉不复醒。古来圣贤皆寂寞，惟有饮者留其名。陈王昔时宴平乐，斗酒十千恣欢谑。主人何为言少钱，径须沽取对君酌。五花马，千金裘，呼儿将出换美酒，与尔同销万古愁。君不见黄河之水天上来，奔流到海不复回。黄河水到海后真的不复回了吗？全球水循环（物质循环的核心）全球水循环水循环的特点生物圈中水的循环平衡是靠世界范围的蒸发与降水来调节的。一个区域的水分平衡受降水量、径流量、蒸发量和植被截留量以及自然蓄水量的影响。降水量、蒸发量的大小又受地形、太阳辐射和大气环流的影响。植物体含水量虽小，但流经植物体的水分数量却是巨大的；植物在调节平衡方面起着重要作用。人类对水循环的影响植被破坏水利工程开采地下水水体污染面对水体污染、水资源短缺和水循环的失衡，我们该做些什么呢？水体污染面对水体污染、水资源短缺和水循环的失衡，我们该做些什么呢？3、碳循环碳的重要性：生命元素、能量流动碳库：岩石圈、化石燃料、海洋、大气和生物体碳的存在形式：碳酸盐，有机碳，CO2，CO主要循环过程：生物的同化和异化过程碳质岩石的形成和风化大气和海洋间的CO2交换海洋和大气CO2调节CO2CO2溶于海水H2CO3水体中生物H++CO32-CaCO3海底沉积物海洋是地球系统中最大的碳库,海洋碳库是大气的50倍,陆地生态系统的20倍。balancedGreenhouseeffect（温室效应）12无机环境中的碳生物群落中的碳3碳循环的主要形式CO2、碳酸盐含碳有机物CO2一碳在自然界以什么形式存在？12碳是如何由无机环境进入生产者碳是如何由生产者进入消费者3碳是如何进入分解者二碳是如何分别进出生产者、消费者、分解者各个环节的？光合作用化能合成作用动物摄食动植物的遗体、残骸和排遗物12碳如何从无机环境进入生物群落碳如何从生物群落进入无机环境三碳是通过什么途径进出生物群落的？呼吸作用微生物的分解作用光合作用化能合成作用碳循环的图解化石燃料无机环境生产者分解者消费者光合作用呼吸作用形成石油、天然气等。形成石油、天然气等4、氮循环氮的重要性：生命物质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氨化作用硝化作用反硝化作用反硝化作用硝化作用生物固氮氨化作用氨化作用（细菌、真菌）大气氮反硝化细菌固氮菌、蓝藻或闪电硝酸盐NO3-损失到河流中硝酸盐细菌亚硝酸盐NO2-氨NH3尸体及排泄物植物体内蛋白质合成食草动物各级肉食动物亚硝酸盐细菌从火山获得硝化作用反硝化作用固氮作用工业固氮氨化作用N循环有机氮化物NH3NO3-NO2-NON2ON2N2NH3NH4+NO2-NO3-氨化作用硝化作用固氮作用反硝化作用同化性硝酸还原作用人类活动对氮循环的影响人为的固氮作用使大气库中的氮减少，陆地和海洋中的氮增加，其中主要流向海洋。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。氮氧化合物的流量和大气圈中的存量在不断的增加。人工氮固定成为土壤和水环境主要污染源，导致N2O排放量指数增长。氮氧化合物的危害GlobalchangestoNandPcyclesLargeinputsofavailableNandPbyhumans；Fertilizationanderosion;Industrialandresidentialoutputs;Fossilfuelburning-releaseofNoxLandclearingSacramentoRiver,CentralValley,CAEutrophication水体富营养化水体富营养化5、磷循环磷的重要性：生命物质、能量流动主要贮存库：天然磷矿磷的存在形式：PO43-、磷酸钙磷循环的主要过程（3个子循环）：无机循环陆地生物循环水域（淡水和海洋）生物循环陆地生物循环水域生物循环无机循环PO43-磷酸钙磷酸钙6、硫循环硫的重要性：生命物质（巯基SH-）硫库：岩石圈（FeS）、海洋（可溶态盐）、大气硫的存在形式：元素硫、亚硫酸盐、硫酸盐、H2S、SO2硫循环的两个阶段：长期沉积阶段气体阶段既有沉积型，又有气体型。干沉降湿沉降人类活动对硫循环的影响7、有毒有害物质循环有毒有害物质种类有机的如酚类和有机氯农药等无机的如重金属、氟化物和氰化物等。有毒有害物质性质具有数量和时间上的性质和要求具有易变性有毒物质的类型按污染物的作用分一次污染物和二次污染物。前者由污染源直接排入环境的，其物理和化学性状未发生变化的污染物，又称原发性污染物；后者是由前者转化而成，排入环境中的一次性污染物在外界因素作用下发生变化，或与环境中其它物质发生反应形成新的物理化学性状的污染物，又称继发性污染物。有毒有害物质循环有毒有害物质循环的一般特点易于迁移转化具有生物富集作用（三种方式）①生物富集（生物学浓缩，生物学富集）②生物积累③生物放大（食物链浓缩）汞循环(mercurycycle)火山活动化石燃烧降水挥发挥发沉积物农田风化和淋溶作用农药喷洒径流(CH3)2HgHg2＋CH3Hg鱼水生植物水鸟工厂汞的废物捕鱼由河水带走(中性pH)(酸性pH)植物寂静的春天（SILENTSPRING）RachelLouiseCarson(1907-1964)RachelCarsonwasanAmericanbiologistandwriterwhosebookSilentSpringawakenedthepublictothedangersofpollutionanditsimpactontheenvironment.Becauseofherwork,sheisconsideredapioneerinthemodernenvironmentalmovement.Readmore:生物学浓缩/生物学富集生物学浓缩（bioconcentration)：生态系统中同一营养级上的许多生物种群或者生物个体，从周围环境中蓄积某种元素或难分解的化合物，使生物体内该物质的浓度超过环境中的浓度的现象，又称为生物学富集（biologicalenrichment)。生物积累（bioaccumulation)：是指生物在其整个代谢活跃期利用吸收、吸附、吞食等各种方式，从周围环境中蓄积某些元素或难分解的化合物，以致随着生长发育，富集系数不断增大的现象，又称生物学积累。在生态系统的食物链上，高营养级生物以低营养级生物为食，某种元素或难分解化合物在生物体中浓度随着营养级的提高而逐渐增大的现象。生物放大biomagnification生物富集作用的利用？8、放射性核素循环日本福岛核电站切尔诺贝利核事故8、放射性核素循环放射性核素可在多种介质中循环，并能被生物富集。放射性核素通过核试验或核作用物进入大气层，然后，通过降水、尘埃和其他物质以原子状态回到地球上。人和生物既可直接受到环境放射源危害，也可因食物链带来的放射性污染而间接受害。放射性物质由食物进入人体，随血液循环遍布全身，有的放射物质在体内可存留14年之久。9、生物地化循环与人体健康地方病：自然界由于环境条件的不同，地表元素发生迁移，常造成一些元素在地表分布的不均。这种生物地化循环时常导致某些生态系统中生命元素含量的异常，或不足，或过剩，从而造成植物、动物乃至人类的疾病。这种疾病常呈区域性，故称“地方病”。9、生物地化循环与人体健康微量元素循环：地方病大多数与微量元素有关。碘的循环与分布特点：碘由陆地随水进入海洋，由海洋逸出进入大气，再通过降水进入陆地，形成一个大循环。在生物中，通过海洋、陆地两个食物链保持碘的生态平衡。山区少于平原，平原少于沿海，沿海少于海洋。微量元素与人体健康：碘缺乏：缺碘症：甲状腺肿大，智力低下，影响胎儿发育等。硒缺乏：引起克山病、大骨节病，也被认为是引起癌症的主要因素。巩固练习看图回答问题1)这是____元素的循环。2)写出①～⑤所示过程的名称：①________________②③______________④________________⑤________________碳光合作用呼吸作用微生物的分解作用燃烧过程3)图中A、B、C、D各是什么生物？A____