第十一章生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)

第十一章生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)主要內(nèi)容物質(zhì)循環(huán)的一般特點(diǎn)全球水循環(huán)氣體型循環(huán)沉積型循環(huán)有毒有害物質(zhì)循環(huán)為什么研究物質(zhì)循環(huán)？一、物質(zhì)循環(huán)的基本原理

1、物質(zhì)不滅定律物質(zhì)不滅定律認(rèn)為，化學(xué)方法可以改變物質(zhì)的成分，但不能改變物質(zhì)的量，即在一般的化學(xué)變化過(guò)程中，察覺(jué)不到物質(zhì)在量上的增加或減少。

第一節(jié)物質(zhì)循環(huán)的一般特點(diǎn)2、質(zhì)能守恒定律

質(zhì)能守恒定律認(rèn)為，世界不存在沒(méi)有能量的物質(zhì)質(zhì)量，也不存在沒(méi)有質(zhì)量的物質(zhì)能量。質(zhì)量和能量作為一個(gè)統(tǒng)一體，其總量在任何過(guò)程中都保持不變的守恒。質(zhì)能守恒和物質(zhì)不滅定律在生態(tài)學(xué)的運(yùn)用，使得物流過(guò)程平衡表的制作成為可能。二、物質(zhì)循環(huán)的幾個(gè)基本概念（1）生物地球化學(xué)循環(huán)：從大氣、水體和土壤等環(huán)境中獲得營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，通過(guò)綠色植物吸收，進(jìn)入生態(tài)系統(tǒng)，被其他生物重復(fù)利用，最后再歸還于環(huán)境中的過(guò)程。這一過(guò)程包括生物與非生物二者的參與,同時(shí)也包含一些地質(zhì)與地理作用在內(nèi),因此稱為生物地球化學(xué)循環(huán)。（2）庫(kù)：物質(zhì)在循環(huán)過(guò)程中被暫時(shí)固定、儲(chǔ)存的場(chǎng)所稱為庫(kù)。生態(tài)系統(tǒng)中各組分都是物質(zhì)循環(huán)的庫(kù)，如植物庫(kù)、動(dòng)物庫(kù)、土壤庫(kù)等。在生物地球化學(xué)循環(huán)中，庫(kù)可分為儲(chǔ)存庫(kù)（Reservoirpool，容積大，物質(zhì)交換活動(dòng)緩慢，一般為環(huán)境成分）和交換庫(kù)（Exchangepool，容積小，交換快，一般為生物成分）。（3）物質(zhì)循環(huán)的流：物質(zhì)在庫(kù)與庫(kù)之間的轉(zhuǎn)移運(yùn)動(dòng)狀態(tài)稱為流。流通率：?jiǎn)挝粫r(shí)間、單位面積/體積的物質(zhì)轉(zhuǎn)移量（4）周轉(zhuǎn)率：流通率/庫(kù)中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)總量

（5）周轉(zhuǎn)時(shí)間：庫(kù)中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)總量/流通率

三、影響物質(zhì)循環(huán)速率的因素元素的性質(zhì)：有的元素循環(huán)的速率快，而有的則比較慢，這是元素化學(xué)特性和被生物有機(jī)體利用的方式不同所決定的。如CO21年,N100萬(wàn)年

生物的生長(zhǎng)速率：決定生物對(duì)物質(zhì)吸收的速率以及物質(zhì)在食物網(wǎng)中運(yùn)動(dòng)的速度有機(jī)物質(zhì)腐爛的速率：適宜的環(huán)境有利于分解者的生存，并使有機(jī)體很快分解，供生物重新利用

人類(lèi)活動(dòng)的影響：開(kāi)墾農(nóng)田和砍伐森林引起土壤礦物質(zhì)的流失，影響物質(zhì)循環(huán)速率化石燃燒把硫和二氧化硫釋放大氣中四、生物地球化學(xué)循環(huán)的類(lèi)型氣體型循環(huán)

元素或化合物可以轉(zhuǎn)化為氣體形式參與循環(huán)過(guò)程，貯存庫(kù)是大氣和海洋氣相循環(huán)把大氣和海洋相聯(lián)系，具有明顯的全球性，循環(huán)性能最為完善循環(huán)速度比較快，例如CO2、N2、O2等沉積型循環(huán)

主要通過(guò)巖石的風(fēng)化和沉積物的溶解轉(zhuǎn)變?yōu)榭杀簧锢玫臓I(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，貯存庫(kù)是巖石、土壤和沉積物沉積循環(huán)的全球性不如氣體型循環(huán)，循環(huán)性能也很不完善循環(huán)速度比較慢，時(shí)間要以千年計(jì)算，例如P、Ca、Na、Mg等水循環(huán)水的全球循環(huán)過(guò)程生態(tài)系統(tǒng)中所有的物質(zhì)循環(huán)都是在水循環(huán)的推動(dòng)下完成的水循環(huán)是太陽(yáng)能推動(dòng)，在陸地、大氣和海洋間循環(huán)地表總水量：1.4×109km3，海洋約占97%水的循環(huán)：陸地：蒸發(fā)(蒸騰)71,000km3，降水111,000km3，徑流40,000km3

海洋：蒸發(fā)425,000km3，降水385,000km3第二節(jié)全球水循環(huán)全球水循環(huán)一、全球水循環(huán)全球水循環(huán)生態(tài)系統(tǒng)中的水循環(huán)降雨截留穿透雨蒸騰滲透地表蒸發(fā)地表徑流地下徑流生物圈中水的循環(huán)平衡是靠世界范圍的蒸發(fā)與降水來(lái)調(diào)節(jié)的。由于地球表面的差異和距太陽(yáng)遠(yuǎn)近的不同，水的分布不僅存在著地域上的差異，還存在著季節(jié)上的差異。一個(gè)區(qū)域的水分平衡受降水量、逕流量、蒸發(fā)量和植被截留量以及自然蓄水量的影響。降水量、蒸發(fā)量的大小又受地形、太陽(yáng)輻射和大氣環(huán)流的影響。地面的蒸發(fā)和植物的蒸騰與農(nóng)作制度有關(guān)。土地裸露不僅土壤蒸發(fā)量增大，并由于缺少植被的截留，使地面逕流量增大。因此，保護(hù)森林和草地植被，在調(diào)節(jié)水分平衡上有著重要作用。豐茂的森林可截留夏季降水量的20-30%，草地可截留降水量的5-13%。樹(shù)冠的強(qiáng)大蒸騰作用，可使林區(qū)比無(wú)林區(qū)、少林區(qū)降水量增多30%左右。坡地上，森林可減輕水對(duì)土壤的侵蝕作用；林地內(nèi)，地表逕流量比無(wú)林地少10%左右。改變地面及植被狀況，而影響大氣降水到達(dá)地面后的分配，如修筑水庫(kù)、塘堰可擴(kuò)大自然蓄水量；而圍湖造田又使自然蓄水容積減??；地下水的過(guò)度開(kāi)采利用，使某些人口集中的地區(qū)出現(xiàn)了地下水位和水質(zhì)量的下降，如目前我國(guó)許多北方大城市的地下水分布出現(xiàn)“漏斗”。

在干旱、半干旱地區(qū)大面積的植被破壞，導(dǎo)致地區(qū)性氣候向干旱化方向發(fā)展；環(huán)境污染惡化水質(zhì)，影響水循環(huán)的蒸散過(guò)程，洋面的油污染導(dǎo)致蒸發(fā)量減少，而溫室效應(yīng)又促進(jìn)了蒸發(fā)，蒸發(fā)量的變化又導(dǎo)致了全球范圍內(nèi)降水量的變化。人類(lèi)對(duì)水循環(huán)的影響第三節(jié)氣體型循環(huán)碳的重要性：生命元素、能量流動(dòng)碳庫(kù)：海洋和大氣、生物體、巖石圈碳的存在形式：CO2，無(wú)機(jī)鹽，有機(jī)碳主要循環(huán)過(guò)程生物的同化和異化過(guò)程大氣和海洋間的CO2交換碳酸鹽的沉淀作用人類(lèi)活動(dòng)對(duì)碳循環(huán)造成嚴(yán)重影響，引起氣候變化的主要原因一、碳循環(huán)

整個(gè)地球碳的儲(chǔ)存數(shù)量約為26×1015噸。其中有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)。這些成為碳循環(huán)中的儲(chǔ)存庫(kù)。只有極少量碳參與經(jīng)常性流動(dòng)和圈層間的交換。其中大氣圈中(二氧化碳狀態(tài))約700×109噸，水圈中(多為碳酸鹽態(tài)或二氧化碳狀態(tài))約為352.50×109噸。而構(gòu)成現(xiàn)有生物量的有機(jī)碳僅為120×109噸。水圈、大氣圈和生物圈扮演著碳循環(huán)中活動(dòng)庫(kù)的作用。

循環(huán)途徑①陸地生物與大氣之間的碳素交換，綠色植物通過(guò)光合作用吸收大氣中的CO2，合成碳化物，經(jīng)食物鏈轉(zhuǎn)入動(dòng)物及微生物體內(nèi)，植物、動(dòng)物和微生物又通過(guò)呼吸作用及殘?bào)w分解釋放出CO2，返回大氣中參加再循環(huán)。②大氣和海洋之間的二氧化碳交換；CO2CO2溶于海水H2CO3H++CO32-CaCO3

↓↓水體中生物海底沉積物③化石燃料參與的碳循環(huán)煤、石油、天然氣等化石燃料是生物殘?bào)w埋藏在地層中，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的地質(zhì)作用形成的含碳物質(zhì)，作為能源燃燒時(shí)放出大量的CO2，它被植物再利用，重新加入生態(tài)系統(tǒng)的碳循環(huán)。目前該途徑已成為大氣中CO2的一個(gè)重要來(lái)源。農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中碳的同化隨工業(yè)輔助能的投入而增加，但動(dòng)植物殘?bào)w和排泄物中的碳是以有機(jī)物形式返回土壤，還是以CO2形式返回大氣。若是后種形式，則土壤微生物的碳源將會(huì)減少，土壤有機(jī)質(zhì)可能下降，造成地力衰退。Greenhouseeffects溫室效應(yīng)：大氣中對(duì)長(zhǎng)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)、氧化亞氮(N2O)、六氟化碳(SF6)、氟氯碳化物(CFCs)、氫氟碳化物(HFCs)等全球變暖的影響一、極地的冰會(huì)融化，海洋會(huì)因熱而膨脹，海平面上升，最終導(dǎo)致全球氣候的大規(guī)模變化。海平面上升，淹沒(méi)陸地。如果CO2濃度由0.03%增高到0.06%，則地球平均溫度將上升2.9℃，赤道附近溫度上升1.45℃；兩極附近溫度將上升8~9℃。但如果南極溫度上升6℃，就將由于冰川的融化而使海平面升高6米左右。氣候變暖導(dǎo)致的海平面上升將影響到地勢(shì)較低的沿海城市，部分城市可能要內(nèi)遷，同時(shí)大部分沿海平原將發(fā)生鹽堿化或沼澤化，不適于生產(chǎn)。厄爾尼諾現(xiàn)象(ElNino)是指東太平洋洋面在赤道處的海水偶爾變暖的現(xiàn)象，它與北太平洋和北美洲的天氣特點(diǎn)密切相關(guān)。當(dāng)發(fā)生的諾現(xiàn)象較強(qiáng)烈時(shí)，附近就會(huì)產(chǎn)生很明顯的氣候變化——風(fēng)力風(fēng)向異常，降雨量多于平常年，導(dǎo)致臺(tái)風(fēng)和洪水災(zāi)害。在包括北太平洋、北美大陸和大西洋的廣大地區(qū)甚至在全球范圍內(nèi)，都能觀察到厄爾尼諾現(xiàn)象所帶來(lái)的顯著影響。拉尼娜現(xiàn)象是指東太平洋洋面在赤道附近的海水偶爾變冷的現(xiàn)象。同樣，拉尼娜現(xiàn)象也會(huì)顯著影響全球氣候。二、全球氣溫升高可能會(huì)導(dǎo)致氣候帶北移，使?jié)駶?rùn)區(qū)與干旱區(qū)重新配置。

如我國(guó)亞熱帶北界可能移到黃河以北，垂直氣候帶將上升200—400m，結(jié)果將使我國(guó)總降水量大大減少，有可能在我國(guó)東部形成較強(qiáng)的近南北向分布的少雨帶，尤其是長(zhǎng)江中下游和黃淮海平原，天氣變得干熱，水源緊缺，農(nóng)林牧業(yè)生產(chǎn)將受到嚴(yán)重影響。

三、全球變暖對(duì)生物圈中動(dòng)植物分布的模式及生物多樣性也將產(chǎn)生明顯的影響。

如11000年前發(fā)生的冰川期后氣候變暖，隨著氣溫漸暖、冰川融化，較高緯度地區(qū)的地貌發(fā)生了顯著變化。苔原變成了森林，而以前的冰川變成了苔原。當(dāng)然，相應(yīng)地動(dòng)物種類(lèi)也發(fā)生了顯著變化。對(duì)某些動(dòng)物種群來(lái)說(shuō)，棲息地溫度的少許變化就可能導(dǎo)致種群滅絕。四、全球變暖會(huì)引起生物的遷移。

這種遷移或者是為尋求適宜的溫度，或者是為適應(yīng)變化的環(huán)境，或者是面臨滅絕的反應(yīng)。生物的這種遷移會(huì)引發(fā)熱帶病，生境由熱帶氣候變成溫帶氣候就有可能導(dǎo)致這類(lèi)病(如瘧疾)。二、氮循環(huán)據(jù)統(tǒng)計(jì)，物理化學(xué)(電化學(xué)和光化學(xué))的固氮量平均7.6×106噸/年，生物固氮量為54×106噸／年。2000年時(shí)，化肥的產(chǎn)量達(dá)到80×106噸。生物圈中氮(106噸)的分布大氣3，800，000陸地有機(jī)質(zhì)772活有機(jī)體12死有機(jī)體760非有機(jī)氮（陸地）140地殼14，000，000

海洋水中20，000海洋有機(jī)體901活有機(jī)體1死有機(jī)體900非有機(jī)體氮（海洋）100沉積物4，000，000

無(wú)機(jī)氮總量=1，673有機(jī)氮總量=21，820，240

氮循環(huán)氮的重要性：蛋白質(zhì)氮庫(kù)：大氣、土壤、陸地植被生物可利用的氮的形式：NO32-、NO22-、NH4+

氮循環(huán)的主要過(guò)程固氮作用氨化作用硝化作用反硝化作用固氮作用類(lèi)型閃電、宇宙射線、火山爆發(fā)等高能固氮工業(yè)固氮：400攝氏度，200大氣壓下生物固氮：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)微生物意義平衡反硝化作用對(duì)局域缺氮環(huán)境有重要意義，在像熔巖流過(guò)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是很重要的大氣中的氮只有通過(guò)固氮作用才能進(jìn)入生物循環(huán)氨化作用、硝化作用和反硝化作用氨化作用：由氨化細(xì)菌和真菌的作用將有機(jī)氮分解成為氨和氨化合物，氨溶水成為NH4+，為植物利用硝化作用：在通氣良好的土壤中，氨化合物被亞硝酸鹽細(xì)菌和硝酸鹽細(xì)菌氧化為亞硝酸鹽和硝酸鹽，供植物吸收利用反硝化作用：反硝化細(xì)菌將亞硝酸鹽轉(zhuǎn)變成氮?dú)?，回到大氣?kù)中氮循環(huán)的環(huán)境問(wèn)題水體硝酸鹽(N03-)含量對(duì)于生物是危險(xiǎn)的，例如，它可以引起“藍(lán)嬰病”(bluebabydisease)。硝酸鹽在消化道中可以轉(zhuǎn)化為亞硝酸鹽，后者是有毒的，它與血紅蛋白相結(jié)合形成正鐵血紅脘(methemoglobinea)，導(dǎo)致紅細(xì)胞運(yùn)輸氧功能的損失，嬰兒皮膚因缺氧而呈藍(lán)色，尤其是在眼和口部，“藍(lán)嬰病”即由此而得名。這種病還可能與皮膚病和一些癌有聯(lián)系。流入池塘、湖泊、河流、海灣的化肥氮造成水體富營(yíng)養(yǎng)化，赤潮和水華光化學(xué)煙霧是以汽油做動(dòng)力燃燒后出現(xiàn)的一種空氣污染現(xiàn)象。光化學(xué)煙霧一般發(fā)生在大氣相對(duì)濕度較低，氣溫為24～32oC的夏秋季晴天，污染高峰出現(xiàn)在中午或交通繁忙時(shí)刻，白天生成，傍晚消失。這主要是汽車(chē)尾氣排放的氮氧化合物和碳?xì)浠衔镌趶?qiáng)烈陽(yáng)光下，會(huì)產(chǎn)生一系列復(fù)雜的光化學(xué)反應(yīng)，生成臭氧、醛類(lèi)、二氧化氮和過(guò)氧乙?；跛狨サ?，總稱為光化學(xué)氧化劑。這些物質(zhì)同水蒸汽一起，在適當(dāng)條件下形成帶刺激性的淺藍(lán)色煙霧。由于在反應(yīng)過(guò)程中光提供了能量，故稱光化學(xué)煙霧。早在20世紀(jì)40年代，美國(guó)洛杉磯就出現(xiàn)過(guò)此類(lèi)空氣污染，50～60年代其他城市也出現(xiàn)過(guò)光化學(xué)煙霧的危害。光化學(xué)煙霧對(duì)人體健康危害很大，可使人眼、鼻、氣管、肺粘膜受到反復(fù)性刺激，出現(xiàn)流眼淚、紅眼病、氣喘、咳嗽等。長(zhǎng)期慢性傷害可引起肺功能異常、支氣管發(fā)炎、肺癌等。第四節(jié)沉積型循環(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循環(huán)屬典型的沉積循環(huán)磷以不活躍的地殼作為主要貯存庫(kù)磷的循環(huán)過(guò)程巖石經(jīng)土壤風(fēng)化釋放的磷酸鹽和農(nóng)田中施用的磷肥，被植物吸收進(jìn)入植物體內(nèi)，沿食物鏈傳遞，并以糞便、殘?bào)w或直接以枯枝落葉、秸稈歸還土壤，含磷有機(jī)化合物經(jīng)土壤微生物的分解，轉(zhuǎn)變?yōu)榭扇苄缘牧姿猁}，可再次供給植物吸收利用，這是磷的生物小循環(huán)。一部分磷脫離生物小循環(huán)進(jìn)入地質(zhì)大循環(huán)動(dòng)植物遺體在陸地表面的磷礦化磷受水的沖蝕進(jìn)入江河，流入海洋一、磷循環(huán)磷循環(huán)是不完全的循環(huán)，有很多磷在海洋沉積起來(lái)。

全球磷循環(huán)的最主要途徑是磷從陸地土壤庫(kù)通過(guò)河流運(yùn)輸?shù)胶Ｑ螅_(dá)到21×1012gP/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(zhǎng)期地離開(kāi)循環(huán)而沉積起來(lái)。

全球磷循環(huán)磷循環(huán)的環(huán)境問(wèn)題農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上大量施用磷肥不僅有使磷資源面臨枯竭的威脅，且磷礦石、磷肥中含有重金屬和放射性物質(zhì)，長(zhǎng)期大量施用，會(huì)使土壤污染；磷素隨水土流失進(jìn)入水域或水體的富營(yíng)養(yǎng)化，殃及魚(yú)類(lèi)等水生生物。含磷洗滌用品會(huì)給環(huán)境造成破壞湖泊富營(yíng)養(yǎng)化——污水排放二、硫循環(huán)硫是蛋白質(zhì)和氨基酸的重要組分，它的主要蓄庫(kù)是巖石圈。硫循環(huán)包括長(zhǎng)期的沉積階段（有機(jī)或無(wú)機(jī)沉積物中）和短期的氣體階段。巖石庫(kù)中的硫酸鹽主要通過(guò)生物的分解和自然分化作用進(jìn)入生態(tài)系統(tǒng)。

生物的分解化能合成細(xì)菌硫化物-------------硫酸鹽

自然分化作用

細(xì)菌無(wú)機(jī)硫----硫化物---硫酸鹽火山爆發(fā)

硫化氫硫---------------大氣化石燃料燃燒

二氧化硫硫-----------------大氣酸雨出現(xiàn)酸雨主要原因是大氣的二氧化硫污染。酸降對(duì)降雨量較大的地區(qū)、易感的水體和土壤中的植物和動(dòng)物造成明顯的損害。酸雨引起玉米及飼料作物減產(chǎn)，使得成百個(gè)湖泊沒(méi)有魚(yú)生長(zhǎng)。農(nóng)作物和其他植物也受到影響。酸雨改變了土壤和湖泊的pH，同時(shí)酸化會(huì)導(dǎo)致有毒金屬(比如鋁和汞)從土壤和沉積物中釋放出來(lái)，進(jìn)入動(dòng)植物體內(nèi)，并逐步積累，最后通過(guò)食物鏈進(jìn)入人體，對(duì)人體產(chǎn)生不利影響。我國(guó)降水酸度由北向南逐漸加重，華東、西南地區(qū)已普遍發(fā)生酸雨，形成了世界第三大酸雨區(qū)。1982年我國(guó)重慶地區(qū)入夏后連降酸雨，使2萬(wàn)畝水稻的葉子突然枯黃，狀如火烤,幾天后枯死。酸雨因腐蝕性很強(qiáng)，會(huì)大大加速建筑物、金屬、紡織品、皮革、紙張、油漆、橡膠等物質(zhì)的腐蝕速度。它還可成為摧殘文物古跡的原兇。酸雨的危害

德國(guó)被酸雨損害的樹(shù)林,這些樹(shù)更易遭受干旱、疾病和昆蟲(chóng)的危害。

世界范圍酸雨危害倫敦?zé)熿F事件倫敦1952年2月5日到8日，霧大無(wú)風(fēng)，家庭和工廠排出的煙塵經(jīng)久不散，大氣中SO2含量3.8毫克/立方米，煙塵4.5毫克，居民普遍呼吸困難、咳嗽、喉痛、嘔吐和發(fā)燒，4天內(nèi)死亡約4000人全球的物質(zhì)循環(huán)系統(tǒng)第五節(jié)有毒有害物質(zhì)循環(huán)有毒有害物質(zhì)循環(huán)：對(duì)有機(jī)體有毒有害物質(zhì)進(jìn)入生態(tài)系統(tǒng)后，沿著食物鏈在生物體內(nèi)富集或被分解的過(guò)程。有毒物質(zhì)種類(lèi)繁多，包括有機(jī)的如酚類(lèi)和有機(jī)氯農(nóng)藥等、無(wú)機(jī)的如重金屬、氟化物和氰化物等。食物鏈的富集作用（或生物放大作用）：指有毒物質(zhì)沿食物鏈各營(yíng)養(yǎng)級(jí)傳遞時(shí)，在生物體內(nèi)的殘留濃度不斷升高，愈是上面的營(yíng)養(yǎng)級(jí)，生物體內(nèi)有毒物質(zhì)的殘留濃度越高的現(xiàn)象。某些物質(zhì)當(dāng)他們沿食物鏈移動(dòng)時(shí)，既不被呼吸消耗，又不容易被排泄，而是濃集在有機(jī)體的組織中，這一現(xiàn)象稱為生物放大作用。有毒有害物質(zhì)循環(huán)的實(shí)例（1）DDTDDT