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1、2019/6/21,第十一章 生态系统的物质循环,2019/6/21,第三节 生态系统的物质循环,1 生物地化循环的概念 2 水循环 3 气体型循环 4 沉积型循环 5 有毒物质的迁移和转化 6 放射性核素循环 7 生物地化循环与人体健康,2019/6/21,1 生物地化循环的概念,生物地化循环 生物地化循环的特点 生物地化循环的类型,2019/6/21,物质循环(cycling of material)的概念,生物地球化学循环(biogeochemical cycle) ：矿物元素在生态系统之间的输入和输出，它们在大气圈、水圈、岩圈之间以及生物间的流动和交换称生物地(球)化(学)循环， 生物
2、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,2019/6/21,物质循环的基本概念,库： 贮存一定数量元素的某种生态系统组分称为该元素的库 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、水体库等 可分为贮存库和交换库。前者的特点是库容量大，元素在库中滞留的时间长，流动速率小，多属于非生物成分；交换库则容量较小，元素滞留的时间短，流速较大。 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,2019/6/21,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
3、 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,2019/6/21,生物地化循环的特点,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。 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。,2019/6/21,Basics of nutrient cycling,2019/6/21,生物小循环,2019/6/21,影响物质循环速率的因素,元素
4、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CO21年,N100万年 生物的生长速率：决定生物对物质吸收的速率以及物质在食物网中运动的速度 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 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,2019/6/21,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
5、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 水循环 水的全球循环过程 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,2019/6/21,2 水循环(aquatic cycle),水循环的意义： 水是所有营养物质的介质； 水对物质是很好的溶剂； 水是地质变化的动因之一。 水循环的途径 人类活动对水循环的影响： 空气污染和降水； 改变地面，增加径流； 过度利用地下水； 水的再分布。,2019/6/21,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
6、111,000km3 ，径流40,000km3 海洋：蒸发425,000km3，降水385,000km3,2019/6/21,2019/6/21,水循环示意图,西德地区的水循环示意图 （Clodius and Keller,1951）,2019/6/21,生态系统中的水循环,降雨,截留,穿透雨,蒸腾,渗透,地表蒸发,地表径流,地下径流,2019/6/21,3 气体型循环(gaseous cycle),氧循环 碳循环 氮循环,2019/6/21,氧循环(oxygen cycle),H2O+CO2 H2CO3 HCO3- +H+,CO2,HCO3- CO32 -,Ca2+,CaCO3,O2,水体,
7、臭氧层,沉积物,火 山 作 用,4FeO+O2,2FeO3,CO2,CO,O2+2CO CO2,O2,O3,O2,O,O2,H,OH,H2O,H2O,O,CO2,高能紫外辐射,2019/6/21,碳循环,碳的重要性：生命元素、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 生物的同化和异化过程 大气和海洋间的CO2交换 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,2019/6/21,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,2019/6/21,The Car
8、bon Cycle,2019/6/21,92,90,750,6,1,1015gC,The Carbon Cycle,2019/6/21,碳循环(carbon cycle),化,泥碳,煤,大气中CO2,CO2,碳化作用,石油,水生植物 光合作用,腐烂,燃料,呼吸作用,光合作用,腐烂,扩散,2019/6/21,Greenhouse effects,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 温室气体主要包括：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 溫室效
9、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,2019/6/21,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.,GREENHOUSE EFFECT,2019/6/21,Carbon accumulation,CO2 has increased from its pre-industria
10、l level data: recent records plus older data such as ice cores mostly fossil fuel burning,2019/6/21,CO2排放,2019/6/21,氮循环,氮的重要性 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,2019/6/21,氮循环(nitrogen cycle),陆地陆地,其它 动植物,蓝藻,浅层死有机物,溶解死有机物,土壤中无机氮库,丢失于深 层沉积中,动植物 活体,共生或 自由生活 的固氮 微生物,死
11、有机体,陆地,河流带走,生物固氮,大气库 N2,大气库 HN3,NO,NO2, N2O ，,工业固氮 （汽车,化肥,电厂）,脱氮,闪电,化学反应,海洋,火 山 作 用,降 水,大气,2019/6/21,The Nitrogen Cycle,2019/6/21,氮的循环,1012gN,2019/6/21,固氮作用,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 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,2019/6/21,2019/6/21,氨化作用、硝化作用和反硝化作用,
12、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,2019/6/21,4 沉积型循环 (sedimentary cycle),磷循环 硫循环,2019/6/21,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 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
13、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。 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,2019/6/21,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.,BI
14、OGEOCHEMICAL CYCLE - PHOSPHORUS,2019/6/21,磷的循环,1012gP,2019/6/21,一个池塘生态系统的磷循环,2019/6/21,2019/6/21,磷循环（phosphorus cycle）,沉积型循环,沉积物中的磷 （约为土壤和海洋中千倍以上）,陆地,海洋,死 有机物,土壤中的 无机磷,活有机物,死 有机物,深海的磷,活有机物,捕鱼,鸟粪,悬浮在水中随河水带走,摄取,排泄 死亡,下,沉,分解,沉积,溶解于水,上升风化,开采,摄取,排泄死亡,上涌,2019/6/21,硫循环,2019/6/21,硫循环（sulfur cycle）,陆地,海洋,沉积物
15、（CaSO4,FeS2）,溶解的SO42-,SO2,H2S,S,CaSO4,FeS2,死有机物,活有机物,SO42-,降水 SO2,SO42-,扩散,海浪 SO42-,大气,上升，分化,SO2,FeS2,死有机物,活有机物,SO42-,H2S,S,分解,化肥工业 SO42-,摄取,扩散,火山活动H2S ,SO2,SO42-,植物摄取 SO2,SO42-,降水 SO2,SO42-,化石 燃烧,SO2,H2S ,SO2,SO42-,2019/6/21,酸雨的形成,2019/6/21,ACID RAIN IN THE UNITES STATES,The most acidic rain is con
16、centrated in the northeast, but thousands of lakes in the west are also vulnerable.,2019/6/21,ACID RAIN IN THE WORLD,2019/6/21,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,2019/6/21,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,2019/6
17、/21,生物积累、生物浓缩和生物放大,生物积累(bioaccumlation): 指生态系统中生物不断进行新陈代谢的过程中，体内来自环境的元素或难分解的化合物的浓缩系数不断增加的现象。 生物浓缩(bioconcentration): 指生态系统中同一营养级上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，又称生物富集。 生物放大(biomagnification): 指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机体中浓度随营养级的提高而逐步增大的现象。生物放大的结果使食物链上高营养级生物体中
18、该类物质的浓度显著超过环境中的浓度。,2019/6/21,有毒物质的类型,有毒物质(toxic substance)又称污染物(pollutant)，按化学性质分两类。无机有毒物质主要指重金属、氟化物、和氰化物；有机有毒物质主要有酚类、有机氯药等。 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。,2019/6/21,有毒物质的迁移和转化,迁移(transport)是重要的物
19、理过程,包括分散、混合、稀释和沉降等； 转化(transformation)主要是通过氧化、还原、分解和组合等作用，会发生物理的化学的和生物化学的变化。,2019/6/21,有毒有害物质循环的实例,1. DDT DDT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,2019/6/21,BIOMAGINIFIC
20、ATION OF DDT,2019/6/21,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,2019/6/21,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
21、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,2019/6/21,汞循环(mercury cycle),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)2Hg,Hg2,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),2019/6/21,6 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
22、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。,2019/6/21,7 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”。 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。,2019/6/21,课堂讨论题,根据物质循环的有关原理，如何看待发展核能和战争中使用核武器。,2019/6/21,END,