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文檔簡(jiǎn)介
第七章海洋初級(jí)生產(chǎn)力
學(xué)習(xí)目的掌握海洋生產(chǎn)力的各種基本概念、影響因素、地理分布和季節(jié)分布規(guī)律了解全球海洋初級(jí)生產(chǎn)力研究的前言進(jìn)展了解初級(jí)生產(chǎn)力的測(cè)定方法(14C法低估生產(chǎn)力的原因)掌握海洋新生產(chǎn)力的分布規(guī)律和研究新生產(chǎn)力的意義1PPT課件第一節(jié)海洋生物生產(chǎn)及初級(jí)生產(chǎn)力的測(cè)定方法
生產(chǎn)者是生物群落中最基本和最關(guān)鍵的成分海洋初級(jí)生產(chǎn)的重要意義:
為海洋生態(tài)系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)提供能量來源;
估算漁業(yè)產(chǎn)量;
對(duì)全球的碳循環(huán)的重要影響。
2PPT課件一、生物生產(chǎn)力的有關(guān)概念生物生產(chǎn)力就是生物通過同化作用生產(chǎn)(或積累)有機(jī)物的能力,它包括:1.初級(jí)生產(chǎn)力(primaryproductivity)單位:g(干重)/m2·a,gC/m2·a,J/m2·a說明:上式僅為代表式;強(qiáng)調(diào)時(shí)間過程總初級(jí)生產(chǎn)(grossprimaryproduction)凈初級(jí)生產(chǎn)(netprimaryproduction)
光能
葉綠素
CO2
+
H2O
(CH2O)+O2+能量
3PPT課件2.次級(jí)生產(chǎn)力(secondaryproductivity)3.群落凈生產(chǎn)力(netcommunityproductivity)群落凈生產(chǎn)力=凈初級(jí)生產(chǎn)力-異養(yǎng)呼吸消耗從群落整體考慮有無生物量的積累與群落的發(fā)展與成熟度有關(guān)4.現(xiàn)存量、周轉(zhuǎn)率、周轉(zhuǎn)時(shí)間生產(chǎn)力=現(xiàn)存量×周轉(zhuǎn)率4PPT課件
圖7-1兩個(gè)平衡的群落(輸入
=
輸出)的模式(A.輸入和輸出都較低、周
轉(zhuǎn)慢;B.輸入和輸出都較高、周轉(zhuǎn)快。)(引自Krebs1978)
現(xiàn)存量
現(xiàn)存量
生產(chǎn)量
生產(chǎn)量
減少量
減少量
A
B
5PPT課件(一)光合作用(photosynthesis)1.光反應(yīng)(lightreaction)2.暗反應(yīng)(darkreaction)二、初級(jí)生產(chǎn)過程的基本化學(xué)反應(yīng)(二)化學(xué)合成作用(chemosynthesis)
輔助色素(accessorypigments):包括胡蘿卜素、巖藻黃素、藻藍(lán)蛋白等。葉綠素a(Chla)吸收范圍652~700nm,吸收峰670~695nm,而可見光范圍400~720nm,輔助色素可拓寬吸收范圍,但不能進(jìn)行電子傳遞6PPT課件(一)測(cè)氧法
三、海洋初級(jí)生產(chǎn)力的測(cè)定方法(二)14C示蹤法
丹麥科學(xué)家Steemann-Nielsen在20世紀(jì)50年代首先應(yīng)用于海洋方面的研究
優(yōu)點(diǎn):準(zhǔn)確性高,所得結(jié)果接近于凈產(chǎn)量的數(shù)值缺點(diǎn):技術(shù)性強(qiáng)(吸附、污染)、危險(xiǎn)現(xiàn)場(chǎng)法(insitumethod)模擬現(xiàn)場(chǎng)法(thesimulatedinsitumethod)
光能
葉綠素
*CO2
+
H2O
(*CH2O)+O2
7PPT課件
原理同化指數(shù)(assimilationindex)或稱同化系數(shù)(coefficientofassimilation)是指單位Chla在單位時(shí)間內(nèi)合成的有機(jī)碳量,其單位為mgC/(mgChla·h)。
公式:初級(jí)生產(chǎn)力(P)
=葉綠素含量(Chla)×同化指數(shù)(Q
)
Chla、
Q分別由分光光度法和14C測(cè)定優(yōu)點(diǎn):大大減輕工作量與費(fèi)用,不必每個(gè)測(cè)站采用14C法影響因素:藻類適應(yīng)性;環(huán)境營(yíng)養(yǎng)鹽含量;光照條件;溫度等大小藻類、維管束植物產(chǎn)量估計(jì)
收獲量法、鐘罩、掉落物(三)葉綠素同化指數(shù)法8PPT課件第二節(jié)影響海洋初級(jí)生產(chǎn)力的因素
一、光
1、藻類光合作用與輻照度的拋物線關(guān)系
在光抑制之前的曲線可用下式表示:
P(g)=Pmax[I]/(Ik+[I])
圖7-2光合作用對(duì)光強(qiáng)變化的反應(yīng)(引自Parsons
1984)
Pmax
Pg
Pn
呼吸
補(bǔ)償點(diǎn)
光抑制
?P?I
IC
IK
光強(qiáng)(I)
/〔Cal/(ml·min)〕
光合作用(P)
/〔mgC/(ml·h)〕
+
0
-
9PPT課件2、飽和光強(qiáng)不同種類、不同緯度、不同季節(jié)飽和光強(qiáng)不同適應(yīng)性3、補(bǔ)償深度(thecompensationdepth)、補(bǔ)償光強(qiáng)(thecompensationlightintensity)、補(bǔ)償點(diǎn)理論上的真光層深度緯度、季節(jié)、天氣、濁度、時(shí)間、海況的影響10PPT課件
0
10
20
30
40
50
60
深
度/m
總初級(jí)生產(chǎn)和呼吸作用(任意單位)
凈初級(jí)生產(chǎn)
呼
吸
作
用
光合作用
圖7-3中緯度海區(qū)晴天的初級(jí)生產(chǎn)與深度的關(guān)系(引自Tait1981
)
1
2
3
4
1
2
3
11PPT課件根據(jù)式
ID=I0e-KD
可得
ln
ID=ln
I0-KD
(1)
D=(ln
I0-ln
ID)/K(2)以補(bǔ)償深度的光強(qiáng)IC取代ID,則D即為補(bǔ)償深度(DC)
DC=(ln
I0-ln
IC)/K(3)式中I0可現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè),K根據(jù)式(2)計(jì)算,IC可通過實(shí)驗(yàn)測(cè)得。12PPT課件(一)營(yíng)養(yǎng)鹽吸收方程1、米氏方程:
V:吸收速率;S:介質(zhì)濃度;Vm:最大吸收速率;Ks:吸收半飽和常數(shù)二、營(yíng)養(yǎng)鹽
V=Vm·SKs+S
Vm
a
Ks
S
→
Vm/2
13PPT課件
b
0510
15
20
濃度S/(μmol/L)
吸收速率V/(μmol/h)
1.0
2.0
S/V
c
25
20
15
10
5
0
-5
-9.3
濃度S/(μmol/L)
圖7-4浮游植物對(duì)營(yíng)養(yǎng)鹽的吸收動(dòng)力學(xué)(a)和Ks值(b、c)
14PPT課件2、最大吸收速率(Vm):
①反映細(xì)胞營(yíng)養(yǎng)水平和環(huán)境限制程度的指標(biāo)
②可變3、吸收半飽和常數(shù)(Ks):
①種群競(jìng)爭(zhēng)限制性營(yíng)養(yǎng)鹽能力的一個(gè)重要指標(biāo)
②相對(duì)保守、穩(wěn)定沿岸與大洋種類的差異、季節(jié)演替4、參數(shù)的求法
5、Vm
/Ks
15PPT課件(二)綠色植物按一定比例吸收營(yíng)養(yǎng)鹽
Redfield比值:C:N:P=106:16:1海洋整體缺氮,部分海區(qū)缺磷(三)表層營(yíng)養(yǎng)鹽補(bǔ)充上升流、沿岸、河口與寒暖流交匯處
16PPT課件三、鐵(Fe)Fe:影響某些大洋區(qū)海洋初級(jí)生產(chǎn)力的重要因子C:Fe=100000:1Fe在海水中的分布很不均勻從大洋到近岸,其含量范圍大約為0.001~0.5mg/m3,即相當(dāng)于0.02~10nmol/kg。補(bǔ)充特點(diǎn)
近岸、大洋表層從海洋整體上看,南大洋部分海區(qū)和赤道的廣闊海區(qū)中Fe含量最低17PPT課件四、溫度1、直接影響:光合作用可看作一系列酶促反應(yīng)浮游植物對(duì)溫度變化有一定的適應(yīng)性如中肋骨條藻在最適溫和亞最適溫狀態(tài)下光合作用速率無明顯變化(酶含量與活性)2、間接影響:層化現(xiàn)象五、垂直混合和臨界深度1、湍流:有利與不利2、臨界深度(thecriticaldepth)18PPT課件在這個(gè)深度之上,平均光強(qiáng)等于補(bǔ)償光強(qiáng)
大小與垂直混合的深度有關(guān)不同海區(qū)、不同緯度的差異
圖7-5補(bǔ)償深度與臨界深度的關(guān)系
(引自Nybakken1982)
光合作用
呼
吸
作
用
浮
游
植
物
垂
直
混
合
補(bǔ)償深度
混合深度小于臨界深度
臨界深度
超過臨界深度
風(fēng)
200
150
100
50
0
深度/m
19PPT課件過剩攝食(superfluousfeeding)一般多數(shù)海區(qū)營(yíng)養(yǎng)鹽補(bǔ)充起決定作用,而在高緯度光照易起重要作用
六、牧食作用20PPT課件第三節(jié)
海洋初級(jí)生產(chǎn)力的分布
一、不同緯度海區(qū)初級(jí)生產(chǎn)力的季節(jié)分布
(一)中緯度海區(qū)
中緯度海區(qū)初級(jí)生產(chǎn)力的季節(jié)變化屬于雙周期型,包括春、秋季兩個(gè)高峰。
光
溫度
營(yíng)養(yǎng)鹽
垂直混合
攝食壓力
結(jié)果
冬季
最弱
最低
豐富
劇烈
最小
全年最低
春季
增強(qiáng)
升高
迅速減少
減弱
增大(滯后)
最高峰
夏季
最強(qiáng)
最高
少
最弱(溫躍層)
減小
較低
秋季
減弱
降低
升高
增強(qiáng)
不大
次高峰
21PPT課件
(二)高緯度海區(qū)
光照條件是影響初級(jí)生產(chǎn)的主要因素、一年中只有兩個(gè)生物學(xué)季節(jié)。
光
溫度
營(yíng)養(yǎng)鹽
垂直混合
攝食壓力
結(jié)果
冬季
弱→無
低
豐富
劇烈
低
低
→無夏季
增強(qiáng)
增高
下降
減弱
增強(qiáng)
短暫高峰22PPT課件
(三)低緯度海區(qū)
存在強(qiáng)大的恒定溫躍層(permanentthermocline)生產(chǎn)力低,但整年有生產(chǎn),周期性不明顯不同緯度存在過渡23PPT課件
極地生產(chǎn)力
營(yíng)
養(yǎng)
鹽
溫帶生產(chǎn)力
光
照
熱帶生產(chǎn)力
80?
70?
60?
50?
40?
30?
20?
光照強(qiáng)度
←——————————————
營(yíng)養(yǎng)鹽濃度
——————————————→
緯
度
圖7-6
熱帶、溫帶海區(qū)初級(jí)生產(chǎn)力季節(jié)變化與光、營(yíng)養(yǎng)鹽
關(guān)系示意圖(引自Lalli&Parsons
1997)
冬季
春季
夏季
秋季
冬季
24PPT課件
二、不同水文特征海域的初級(jí)生產(chǎn)力表7.2不同海區(qū)年初級(jí)生產(chǎn)力范圍(引自Lalli&Parsons1997)
海
區(qū)
類
型
平均年初級(jí)生產(chǎn)力/[gC/(m2·a)]
大陸架上升流區(qū)(如秘魯海流、本古拉海流)
500~600
大陸坡折(如歐洲陸架、Grand淺灘、Patagonia陸架)
300~500
亞北極區(qū)(如北大西洋、北太平洋)
150~300
反氣旋型渦旋區(qū)(如馬尾藻海、太平洋亞熱帶海區(qū))
50~150
北極(冰覆蓋)
<50
25PPT課件
三、近岸水域的初級(jí)生產(chǎn)力
受陸地的影響
1、磷酸鹽和硝酸鹽往往不是初級(jí)生產(chǎn)力的限制因子
2、水較淺,不出現(xiàn)浮游植物“被帶到臨界深度下方”的情況
3、很少出現(xiàn)持久性的溫躍層
4、大量的陸源碎屑,渾濁,限制產(chǎn)量進(jìn)一步提高溫帶近岸海區(qū)不出現(xiàn)明顯的雙周期生產(chǎn)模式,整個(gè)夏季都可能有較高的產(chǎn)量26PPT課件
四、全世界海洋初級(jí)生產(chǎn)力的估計(jì)
(一)海洋初級(jí)生產(chǎn)力總量估計(jì)估算難度:面積大、變化、經(jīng)費(fèi)、調(diào)查手段、數(shù)據(jù)分析
70年代前后結(jié)果差別大
見表7.3、7.4、7.5
產(chǎn)生差別的主要原因有以下兩點(diǎn):
1、漏掉了PDOC2、忽略了原核和真核超微型自養(yǎng)浮游生物一般規(guī)律:
平均產(chǎn)量:印度洋80gC/(m2·a)>大西洋69>太平洋46
中國(guó):渤海>黃海>東海>南海
27PPT課件
五、海洋大型底棲植物的產(chǎn)量
根據(jù)生長(zhǎng)量、收獲量等來估算多數(shù)學(xué)者認(rèn)為,全部海洋底棲植物的平均產(chǎn)量可能占海洋初級(jí)總產(chǎn)量的5%~10%。
印度洋的海藻產(chǎn)量可達(dá)2,000gC/(m2·a),相當(dāng)于陸地上一些熱帶雨林的產(chǎn)量;熱帶泰萊草(Thalassiatestudinum)產(chǎn)量可達(dá)500~1,000gC/(m2·a)。
28PPT課件第四節(jié)
海洋新生產(chǎn)力
一、新生產(chǎn)力的概念和研究方法
(一)新生產(chǎn)力的有關(guān)概念
1、新生產(chǎn)力和再生生產(chǎn)力再生N(regenerationnitrogen)或稱再循環(huán)N(recyclednitrogen):主要是NH4+-N新N(newnitrogen):主要是NO3--N再生生產(chǎn)力(regeneratedproduction):由再生N源支持的那部分初級(jí)生產(chǎn)力新生產(chǎn)力(newproduction):由新N源支持的那部分初級(jí)生產(chǎn)力
PG=Pn+Pr29PPT課件2、N來源
新N來自:①上升流或梯度擴(kuò)散,②陸源供應(yīng)(如徑流),③大氣沉降或降水,④N2固定(某些原核浮游植物的固N(yùn)作用)再生N來自真光層中生物的代謝產(chǎn)物(如氨態(tài)N、尿素N和氨基酸N等)。
3、“f比”(“f-ratio”):
f=Pn/PG×100%
研究表明多在0.05~0.15之間
4、真光層群落凈生產(chǎn)力、輸出生產(chǎn)力(exportproduction)真光層群落凈生產(chǎn)力=真光層有機(jī)物質(zhì)的積累率+輸出生產(chǎn)力(PE)群落保持相對(duì)穩(wěn)定→輸入=輸出→PE=Pn
30PPT課件5、r:顆粒態(tài)營(yíng)養(yǎng)元素下沉出真光層之前的循環(huán)次數(shù)
r=(1-f)/f
6、光合作用商(photosyntheticquotient,PQ):表示浮游植物光合作用生產(chǎn)的O2量(moles)與被吸收的CO2量(moles)的比值,可用來說明利用不同N源的初級(jí)生產(chǎn)化學(xué)過程的差異。以再循環(huán)N為N源的初級(jí)生產(chǎn),PQ值(≈1.2)比以新N源的初級(jí)生產(chǎn)的PQ值(≈1.8)低。(二)新生產(chǎn)力的研究方法15N法沉積物捕集器法234Th/238U不平衡法
31PPT課件
二、海洋新生產(chǎn)力的估計(jì)
1、全球海洋
初級(jí)生產(chǎn)力(Gt/a)
新生產(chǎn)力(Gt/a)
f比
Eppley和Peterson(1979)
19.0~24.03.4~4.7
0.18~0.20
Chavez和Barber(1987)Berger等(1989)
30.0
6
0.2
Martin等(1987)
51.0
7.40
0.145
一般
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