淡水生態(tài)-復習

1、1 淡水生態(tài)學 Freshwater ecology 劉正文，張修峰 E-mail: ; 電話：85225798 二一四年六月 2 什么是湖沼學？What is Limnology? 廣義地說湖沼學（Limnology）是研究內陸水體的科學（Study of inland waters)。 對象包括湖泊（淡水、咸水）、水庫、河流、濕地、地下水等。 3 淡水生態(tài)學淡水生態(tài)學Freshwater ecology is the study of the structure, function, and change of organisms in fresh waters as affected b

2、y their dynamic physical, chemical, and biotic environments. Saline waters ( 3 or 3 g per liter) are excluded from this definition. 淡水生物學淡水生物學Freshwater biology is the study of the biological characteristics and interactions of organisms of fresh waters. This study is largely restricted to the organ

3、isms themselves, such as their biology, life histories, populations, or communities. 4 l濕地：1972年18個國家的代表在伊朗RAMSAR 簽署了一項關于特別是作為水禽棲息地的 國際重要濕地公約：天然或人工、長久或 暫時之沼澤地、濕原、泥炭地、或水域地帶， 帶有靜止或流動、或為淡水、半咸水或為咸 水的水體，包括低潮時水深不超過6米的水域。 5 湖泊類型與起源 l 構造湖 l 火山口湖 l 河成湖 l 牛軛湖 l 堰塞湖 l 冰川湖 l 巖溶湖 l 海成湖 l 風成湖 l 人工湖 l 動物活動所形成的湖 l

4、隕石湖 6 湖泊分區(qū)湖泊分區(qū) 沿岸帶 敞水帶 真光層 透光層 沉水植物 浮葉植物 挺水植物 底棲帶 湖沼帶湖沼帶 7 Length Width Length and width 8 岸發(fā)展系數 Shoreline development (DL) l 岸發(fā)展系數:岸線長與相同面積圓形湖泊岸線長之比 9 The drainage basin 流域：指流向同一個湖泊或河流的 陸地面積和水面面積的匯水區(qū)域。 10 Photosynthetically active radiation (PAR), i.e., radiant energy between 400 700 nm wavelengths

5、. Chlorophyll a, the main P/S pigment, has absorption peaks at 445 660 nm. PAR accounts for about 46-49% of the total energy hitting the earths surface. 11 光在水中的傳播 Light penetration in water The percentage of the surface light absorbed or scattered in a 1m long vertical column of water, is called th

6、e vertical extinction coefficient. This parameter is symbolized by k. low k-values, light penetrates deeper than in those with high k-values. 12 透明度透明度Transparency l Transparency :Depth to which visible light penetrates l 透明度透明度: :可見光能夠穿透的水體深度 13 l Compensation Depth：depth at which incident light is

7、 reduced to about 1% so P/S = respiration. l 補償深度：當入射光減弱到大致只有水面光照強度1%左 右時，此處的光合作用與呼吸消耗相等時的深度。 14 溫帶深水湖泊夏季熱分層現象 湖上層 躍溫層 湖下層 15 Lake stratification and seasonal turnover 16 l 高緯度深水湖泊，由于水的特性，湖底部的水通常是4。 l 春季到來時，氣溫逐步升高，湖泊表面的冰會融化，并逐步升高溫度，當表 層的水溫與底部的水溫相等時，在風的擾動下，就可發(fā)生湖泊水體翻轉 （turnover）現象； l 夏季的到來，溫度逐步回升，表層的水

8、持續(xù)吸收熱量并提高溫度，與此同時， 表層水的密度變得越來越小，以致最終與下層溫度低、密度大的水體形成分 層； l 秋季到來時，溫度不斷降低，當表層的水溫度降低至與底部的水相同溫度時， 風的微弱擾動便可將湖泊水體發(fā)生翻轉； l 冬季到來時，溫度逐漸降低，湖泊表層的水當降低到0以下時，就會結冰， 從而阻擋了風的擾動，而靠近冰層的水體的溫度比下部水體的溫度常較低， 因此，其密度也較底部水體的密度小，因此形成冬季的水體溫度分層現象。 17 l 生態(tài)學意義： l 湖泊周期性的分層和混合有助于將湖泊表層的溶解氧向下輸 送，從而有利于湖泊底部水生物的生存; l 根據Fe-P相互作用原理，當湖泊水體混合時在湖

9、泊下層水體 溶解氧的提高，有利于降Fe2+氧化成Fe3+，而Fe3+可同PO43- 結 合，從而將PO43-離開水體；反之，將有利于將Fe3+還原成Fe2+ 而將PO43-釋放出來； l 再者，有利于將湖泊表層和底層水中的熱量和物質進行交換。 18 Fe-P相互作用 Fe-P interactions Under oxygenated conditions (e.g., in the epilimnion or at overturn) ferrous (Fe2+) is oxidized to ferric (Fe3+). Fe3+forms Fe(OH)3 or FePO4 if phos

10、phate is present. 19 PO43- PO43- Fe+ Fe(OH)3 PO43- Dissolved iron (Fe3+) in the water and sediments can bind to P and create an insoluble precipitate Called the “iron trap”, and happens only when the hypolimnion contains oxygen PP 95% P O 4 3 % 20 As the hypolimnion becomes anoxic, Fe+ gains an elec

11、tron and is reduced to Fe+ Fe+ Fe+ Fe(OH)3 Fe+ forms soluble salts with PO4 Fe+ Fe(OH)2 Under anoxic conditions get net flux of P out of the sediments PO43- PO43- This is called internal loading and increases P concentrations in the water column at turnover 21 水的特性 Characteristics of water l熱容量熱容量Sp

12、ecific heat lThe amount of heat required to raise temperature of a unit mass of a substance 1. lFor water is 4.2J/g/ 22 l Reynolds Number(雷諾數), Re, is used to determine if flow is laminar or turbulent in a tube. l Re 1,000 flow is turbulent. 23 河水流 River Currents 24 l 3 types of inflow movement: l O

13、verflow - river water is less dense than lake water and so stays at the surface, l Underflow - river water density is greater than lake water and so flows along the bottom, e.g., spring melt runoff. l Interflow - river water density is greater than epilimnion but less than meta- or hypolimnion. 25 l

14、 溶解氧（DO）Dissolved Oxygen l 溶解于水中的分子態(tài)氧 mg/L l 化學需氧量（COD）Chemical Oxygen Demand l 氧化水中有機物氧化水中有機物(或其它還原性物質或其它還原性物質)所需化學氧化劑的量，所需化學氧化劑的量， 以以mgO2/L計計 幾個重要指標 26 l 好氣條件下水中有機物被微生物所氧化，在一定期間內所 消耗的溶解氧的量，單位 mg/L， BOD5稱五日生化耗氧量。 生化需氧量(BOD) Biochemical oxygen demand 總需氧量（TOD）Total Oxygen Demand l 水中有機物完全氧化所需氧的量（燃燒法

15、），單位是mg/L。 27 Solubility of Oxygen in Water 氧氣的溶解度 l 一定條件下，氣體在水中的溶解達到平衡后，一定量的水中 溶解氣體的量，稱為該氣體在指定條件下的溶解度。單位： mg/L 28 氣體溶解度影響因素 取決于氣體本身的化學性質。 受溫度、含鹽量、氣體分壓的影響。 29 水中氧氣的來源與消耗 l 水中氧氣的來源： l空氣溶解 l光合作用 30 水中氧氣的消耗 魚蝦等生物呼吸 水中微型生物耗氧 底泥耗氧 逸出 31 l 水中微型生物耗氧包括浮游動物、浮游植物、細菌呼吸 耗氧以及有機物在細菌參與下的分解耗氧。 l 底泥耗氧包括底棲生物呼吸耗氧、有機物分

16、解耗氧、還 原態(tài)無機物化學氧化耗氧。 l 當表層水中溶氧過飽和時，發(fā)生氧氣逸出。 32 l But hold the two atoms in gaseous nitrogen together, and few organisms can break them. N N2 2 分子含分子含3 3個共價鍵，個共價鍵， 很少生物能利用。很少生物能利用。 l Only certain bacteria, lightning, and volcanic action can convert N2 into forms that enter food webs. For this reason, ni

17、trogen is often a in ecosystems. 細菌、閃電、火山活動能將細菌、閃電、火山活動能將N N2 2轉化轉化 為生物可利用的形式為生物可利用的形式。 1 固氮作用 天然固氮包括生物固氮和高能固氮： 生物固氮量（140*1012gN/a）遠遠高于閃電、 閃電、火山活動等的高能固氮量（3*1012gN/a） 。 33 l Ammonification:蛋白質通過水解降解為氨基酸,然后氨基酸中的 碳(不是氮)被氧化而釋放出氨(NH3)的過程。 2、氨化作用 蛋白質蛋白質 NH3 氨化作用 34 3、硝化作用 l 氨的氧化過程：氨的氧化過程： l第一步：硝化菌把氨（或銨）轉化

18、成第一步：硝化菌把氨（或銨）轉化成NONO2 2- - l第二步：硝化菌把第二步：硝化菌把NONO2 2- - 氧化成 氧化成NONO3 3- - NO2- NH3,NH4+NO3- 亞硝化細菌亞硝化細菌硝化細菌硝化細菌 35 lSome nitrogen is lost to the air by denitrification. Here, bacteria convert nitrate or nitrite to gaseous nitrogen and a bit of nitrous oxide. 4、反硝化作用 NO2- NO3- NO N2O NO2- N2 第一步：反硝化菌把

19、硝酸鹽還原為亞硝酸鹽，釋放出NO； 第二步：反硝化菌把亞硝酸鹽進一步還原成N2O和N2； N2O（笑氣）與2個全球變化過程相關： 在同溫層與氧反應，破壞臭氧，增加大氣中的紫外輻射； 在對流層作為溫室氣體，促進氣候變暖。 36 l Limiting Factors: factors that alter the rate of supply of metabolites or removal of waste products, e.g., P or N. l 限制性因子:對生物生長、發(fā)育、繁殖、數量和分布 起到限制作用的關鍵性因子 37 Redfield 比 A. C. Redfield (1

20、958) 通過研究海洋浮游植物發(fā)現的。 116106 PNC 磷往往是淡水生態(tài)系統(tǒng)的限制因子 38 浮游植物浮游植物 phytoplankton l生態(tài)學概念，是指在水中營浮游生活的微小植物，通生態(tài)學概念，是指在水中營浮游生活的微小植物，通 常就是指浮游藻類。常就是指浮游藻類。 39 l 有些種類在小水體和淺水湖泊中常大量繁殖，使水體 呈現色彩，這一現象稱為“水華”(water bloom)。 l 有些藻類在海水中大量繁殖，形成“赤潮”（red tide） 40 藍藻一般喜高溫好強光，喜高藍藻一般喜高溫好強光，喜高pHpH和靜水，喜低氮高磷。和靜水，喜低氮高磷。 水平分布下風位多于上風位，靜水

21、易孳生水平分布下風位多于上風位，靜水易孳生 41 二、大型水生植物的生態(tài)作用二、大型水生植物的生態(tài)作用 l1.初級生產者：物質循環(huán)、能量流動、信息傳遞 l2.原材料 l3.增加溶解氧功能 l4.豐富餌料資源 l5.提供棲息地 l6.防風固堤防侵蝕 l7.水文功能 l8.消光作用 l9.改變溫度作用 l10.促沉降、防止再懸浮 l11.凈化作用 l12.化感作用 l13.景觀美學教育 l14.小氣候調節(jié)功能 l15.生物多樣性和生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性 42 化感作用 l 植物和微生物通過釋放化學物質促進或抑制其他個 體或自體的現象. 43 浮游動物浮游動物 44 浮游動物的生態(tài)功能 l主要消費者之一，個

22、體小，數量多，代謝活動強烈，主 要為草食性動物，以浮游植物、細菌、碎屑等為食，控 制著藻類和細菌的種群數量和群落結構； l可將浮游植物轉化成次級生產； l承上啟下的作用； l通過排泄和分泌作用，參與水生態(tài)系統(tǒng)的物質循環(huán)；其 排放的營養(yǎng)鹽可強烈影響著水生態(tài)系統(tǒng)食物網中營養(yǎng)級 動態(tài)。 l總之,種群動態(tài)變化和生產力的高低:決定著水生態(tài)系統(tǒng) 結構,功能,生態(tài)過程;維持生態(tài)系統(tǒng)的平衡； 45 底棲效應 l 1.通過對營養(yǎng)物質的吸收、轉化、降解、排泄等過程參 與生態(tài)系統(tǒng)的物質循環(huán); l 2.影響著水體對污染物的容納量和自凈能力; l 3.限制著浮游植物的生長; l 4.通過攝食細菌和真菌而調整水體中有機物

23、的分解。 l 5.生物擾動者：進行有機物、顆粒物和微生物的混合并 重新分配到水體或底泥深處 46 l 6.有可能通過食物鏈向上傳遞，產生生物放大效應。 l 7.調整著沉積物表層溶解氧的含量； l 8.次級生產者：水生態(tài)系統(tǒng)物質、能量流動的中間環(huán)節(jié)； l 9.粉碎者：能破碎有機物質，增大其表面積，為下一步的 腐爛、分解做好準備; l 10.自然界的濾水器：尤其是雙殼類和螺類能通過濾食和分 泌物絮凝作用控制和沉降浮游植物和懸浮物，增加水體透 明度，降低營養(yǎng)鹽含量等； l 12.水生態(tài)環(huán)境質量優(yōu)劣的重要表征 l 13對維持生態(tài)系統(tǒng)平衡具有重要作用 47 淡水魚類淡水魚類 Fish in freshw

24、ater 終生生活在水里、用鰓呼吸、用鰭游泳的脊椎動物 48 Of the migratory species （洄游種類）there are two general types of migration: Anadromous （溯河）- fish feed and grow in the oceans and migrate into freshwater to spawn, 如中華鱘. Catadromous （降河）- fish feed and grow in freshwater and migrate into the ocean to spawn, 如鰻魚. 49 Potent

25、ial Top-down effects on food chains Low Secchi O2 stress high pH ? Low Predators HIGH Planktivores Low Zoops HIGH Algae HIGH Predators Low Planktivores HIGH Zoops Low Algae Higher Secchi less O2 stress lower pH ? Smaller Zoops less grazing = Larger Zoops more grazing = 50 酸沉降對水生態(tài)系統(tǒng)的影響 酸雨 酸雨對水生態(tài)系統(tǒng)的影響 酸雨類型轉化及對水生態(tài)系統(tǒng)的影響 51 酸雨：是指pH5.6的酸性降水（包括雨、雪、霜、雹等） 酸沉降: 濕沉降 干沉降 52 酸雨常用表示方法 1、強度 2、頻率 53 How to prevent acid rain? 54 Preventative Measures Reduction in emission Restore the damage environment 55 Liming of a Lake in Sweden Tero Niemi / Naturbild 56 水體富營養(yǎng)化 1、概念 2、影響(危害) 57 l富營養(yǎng)化（Eut