生物地球化學(xué)循環(huán)

關(guān)于生物地球化學(xué)循環(huán)12.4生態(tài)系統(tǒng)的組成與結(jié)構(gòu)（一）生態(tài)系統(tǒng)概述1.概念：生物體通過物質(zhì)和能量的交換與其生存環(huán)境相互聯(lián)系、相互作用，形成一個自組織的統(tǒng)一體。2.類型3.組成：生物群落非生物環(huán)境

第2頁,共37頁，2024年2月25日，星期天（二）生物群落1.個體、種群和群落2.生物群落的組成種類組成、數(shù)量、優(yōu)勢種（個體多，生物量大的種）、建群種（優(yōu)勢種中的最優(yōu)者）和附屬種（次要種）3.生物群落的功能類群（1）生產(chǎn)者：綠色植物和化能合成細(xì)菌。（2）消費(fèi)者：植食動物、肉食動物和雜食動物（3）分解者：細(xì)菌、真菌、土壤原生動物和一些小型無脊椎動物，靠分解動、植物殘體為生。第3頁,共37頁，2024年2月25日，星期天4.植物群落的結(jié)構(gòu)特征水平方向：隨機(jī)分布成群分布規(guī)則分布垂直方向：喬木層灌木層草本層地被層

第4頁,共37頁，2024年2月25日，星期天5.植物群落的季相（自穩(wěn)定性）概念：整個植物群落的外貌以年為周期變化的特征，表現(xiàn)為植物的萌芽、展葉、開花、結(jié)果、葉變秋色和落葉等物候期的季節(jié)性發(fā)生。北京的季相

初春草木萌動，仲春萬紫千紅，晚春綠肥紅瘦；初夏繁花綠葉相映好，仲夏萬綠叢中幾點(diǎn)紅，晚夏嘉蔭蔽日花蹤寥；初秋碩果累累，仲秋葉色斑斕，晚秋落木蕭蕭；初冬霜葉凋零，隆冬萬木蕭疏，晚冬春意初露。第5頁,共37頁，2024年2月25日，星期天6.植物群落的演替（自組織性）（1）概念：植物群落的組成和結(jié)構(gòu)發(fā)生質(zhì)的變化，最終導(dǎo)致一個植物群落被另一個植物群落所替代。（2）類型按照演替的原因：自然演替和人為演替按照演替的環(huán)境條件：原生演替和次生演替按照演替的方向：順行演替和逆行演替順行演替序列：裸地→地衣群落→苔蘚群落→草本群落→灌木群落→喬木群落→頂級群落第6頁,共37頁，2024年2月25日，星期天洪水森林大火過度放牧陸地植物群落演替的成因舉例第7頁,共37頁，2024年2月25日，星期天1980年圣海倫斯火山爆發(fā)跡地上的先鋒物種第8頁,共37頁，2024年2月25日，星期天湖泊－沼澤－草甸的演替第9頁,共37頁，2024年2月25日，星期天（三）非生物環(huán)境：光、熱、水、氣、土1.光照與光周期現(xiàn)象2.溫度與三基點(diǎn)溫度3.土壤水分的三基點(diǎn)4.氣溫、降水量與植被分布水平地帶性分布緯向地帶性（熱量地帶性）干濕地帶性（水分地帶性）垂直地帶性分布第10頁,共37頁，2024年2月25日，星期天（四）營養(yǎng)結(jié)構(gòu)1.概念：非生物環(huán)境與生物群落之間和生產(chǎn)者、消費(fèi)者與分解者之間，通過營養(yǎng)或食物傳遞形成的一種組織形式。2.食物鏈：不同生物之間類似鏈條式的食物依存關(guān)系，食物鏈上的每一個環(huán)節(jié)稱為營養(yǎng)級?；钍呈澄镦?、腐食食物鏈?zhǔn)澄锏姆菍Ｒ恍?.食物網(wǎng)：食物鏈相互交叉，形成復(fù)雜的攝食關(guān)系網(wǎng)。一個生態(tài)系統(tǒng)的食物網(wǎng)結(jié)構(gòu)愈復(fù)雜，該系統(tǒng)的穩(wěn)定性程度愈大。第11頁,共37頁，2024年2月25日，星期天第12頁,共37頁，2024年2月25日，星期天12.5生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)的能量流動（一）光合作用與呼吸作用1.光合作用：綠色植物吸收陽光的能量，同化CO2和H2O，制造有機(jī)物質(zhì)并釋放O2的過程。

光合作用就是CO2被還原和H2O被氧化的作用；光合作用是吸能反應(yīng)和熵減少過程，葡萄糖是低熵的。第13頁,共37頁，2024年2月25日，星期天2.呼吸作用：綠色植物中的有機(jī)物質(zhì)被氧化，釋放出CO2、H2O和熱能的過程。呼吸作用是光合過程的逆過程；呼吸作用是一個放能反應(yīng)和熵增加過程。第14頁,共37頁，2024年2月25日，星期天（二）初級生產(chǎn)與次級生產(chǎn)1.初級生產(chǎn)：綠色植物通過光合作用，吸收和固定太陽能，將無機(jī)物轉(zhuǎn)化成有機(jī)物的生產(chǎn)過程；凈初級生產(chǎn)量：總初級生產(chǎn)量減去植物因呼吸作用的消耗,剩下的有機(jī)物質(zhì)（J·m-2·a-1或g（DW）·m-2·a-1）NPP=GPP-R生物量：指單位面積內(nèi)植物的總重量，單位是J·m-2或g（DW）·m-2。2.次級生產(chǎn):消費(fèi)者利用初級生產(chǎn)的產(chǎn)品進(jìn)行新陳代謝，經(jīng)過同化作用形成異養(yǎng)生物自身物質(zhì)的生產(chǎn)過程。凈次級生產(chǎn)量僅僅是凈初級生產(chǎn)量的很小一部分第15頁,共37頁，2024年2月25日，星期天全球凈初級生產(chǎn)力（g）分布第16頁,共37頁，2024年2月25日，星期天（三）能量傳遞與能量轉(zhuǎn)化1.生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)能量流動是單向流：能量的很大部分被各營養(yǎng)級的生物所利用，通過呼吸作用以熱的形式散失；熱能不能再回到生態(tài)系統(tǒng)中參與能量的流動；用于形成較高營養(yǎng)級生產(chǎn)量的能量占比例很小。第17頁,共37頁，2024年2月25日，星期天2.陸地生態(tài)系統(tǒng)的能量傳遞與轉(zhuǎn)化——佛羅里達(dá)銀泉光合作用所吸收的光能是入射太陽總能量的24%；在吸收的光能中，5%被轉(zhuǎn)化成為總初級生產(chǎn)量；凈初級生產(chǎn)量是總初級生產(chǎn)量的42.4%；二級肉食動物所獲得的能量僅占凈初級生產(chǎn)量的0.24%；在每一個營養(yǎng)級上，都有一些生物量流向分解者；生物量消耗的最主要途徑是生物群落的呼吸作用。第18頁,共37頁，2024年2月25日，星期天3.湖泊生態(tài)系統(tǒng)的能量傳遞與轉(zhuǎn)化十分之一定律：能量從一個營養(yǎng)級流向另一個營養(yǎng)級的過程中，大約有90%的損失量。4.生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)化過程的熱力學(xué)解釋：熱力學(xué)孤立系統(tǒng)的熵總是自發(fā)地趨于增大，使系統(tǒng)有序度降低，最后達(dá)到熱力學(xué)平衡態(tài)。生態(tài)系統(tǒng)所經(jīng)歷的是與熱力學(xué)第二定律相反的從簡單到復(fù)雜，從無序到有序的進(jìn)化過程。生態(tài)系統(tǒng)是開放系統(tǒng)，它通過低熵能量與物質(zhì)的輸入和高熵能量與物質(zhì)的排出，維持著高度有序的狀態(tài)。

第19頁,共37頁，2024年2月25日，星期天12.6生態(tài)系統(tǒng)的生物地球化學(xué)循環(huán)（一）生物地球化學(xué)循環(huán)的圖解模型1.物質(zhì)隨水分的遷移與轉(zhuǎn)化子過程：降水，入滲，動、植物的吸收與排泄，地表徑流和地下徑流等；界面：大氣、土壤、生物和海洋之間2.物質(zhì)隨氣體的遷移與轉(zhuǎn)化子過程：植物的光合作用，動、植物的呼吸作用，土壤和洋面的吸收與釋放，以及人類燃燒礦物燃料等；界面：大氣、土壤、生物（人群）和海洋之間第20頁,共37頁，2024年2月25日，星期天第21頁,共37頁，2024年2月25日，星期天（二）重要元素的生物地球化學(xué)循環(huán)

第22頁,共37頁，2024年2月25日，星期天1.氧循環(huán)（1）自由氧的主要貯存庫：大氣和海洋（2）主要過程大氣圈上層水汽的光解作用氧循環(huán)與碳循環(huán)的結(jié)合：光合與呼吸作用氧循環(huán)與碳循環(huán)的失衡：采伐森林和排放污染物減弱光合作用，化石燃料的燃燒耗氧氧的補(bǔ)充：負(fù)反饋厭氧環(huán)境化能合成細(xì)菌用硫酸根離子產(chǎn)生氧SO42-+2C→2CO2+S2-海洋中氧的流失

第23頁,共37頁，2024年2月25日，星期天第24頁,共37頁，2024年2月25日，星期天2.碳循環(huán)

（1）自然界碳的活動貯庫：海洋、大氣和生物（2）自然界碳的固定貯庫：沉積巖（3）大氣和海洋之間的碳循環(huán)快循環(huán)：入略大于出慢循環(huán)：碳酸鈣沉積第25頁,共37頁，2024年2月25日，星期天第26頁,共37頁，2024年2月25日，星期天（4）大氣和陸地之間的碳循環(huán)快循環(huán)：碳交換量處于平衡狀態(tài)光合作用從大氣圈移走的碳量等于呼吸作用和動、植物殘體分解作用所補(bǔ)償給大氣圈的碳量。慢循環(huán)：動、植物殘體，土壤腐殖質(zhì)，新生泥炭和植物莖干與根屬于慢循環(huán)碳庫，其循環(huán)周期較長。（5）北半球大氣二氧化碳含量的季節(jié)波動夏季為波谷，冬季為波峰。晝?yōu)椴ü龋篂椴ǚ濉?/p>

第27頁,共37頁，2024年2月25日，星期天第28頁,共37頁，2024年2月25日，星期天（6）人類活動對碳循環(huán)的干擾每年約有6×109t的碳通過化石燃料的燃燒排入大氣圈；砍伐森林造成的土壤裸露以及木材燃燒每年向大氣圈排放1.1×109t的碳；（7）大氣、海洋、陸地之間碳循環(huán)的調(diào)整大氣吸收：3.36×109t(化石燃料燃燒排放的56%)海洋吸收：2×109t(化石燃料燃燒排放的33％)碳丟失項(xiàng):1.7×109t植被吸收：？北半球溫帶植被0.5-0.8×109t土壤吸收：？陸地水體吸收：？第29頁,共37頁，2024年2月25日，星期天（8）碳循環(huán)與溫室效應(yīng)加劇的調(diào)控溫室氣體減排植樹造林增加陸地區(qū)域的水體面積第30頁,共37頁，2024年2月25日，星期天3.氮循環(huán)（1）氮的主要貯存庫：大氣圈和生物圈（2）生物固氮過程：與豆科植物具有共生關(guān)系的的細(xì)菌和根瘤菌等。（3）硝化過程第31頁,共37頁，2024年2月25日，星期天（4）氨化過程第32頁,共37頁，2024年2月25日，星期天（5）反硝化作用硝酸鹽在缺氧和有葡萄糖的條件下被真菌和假單胞細(xì)菌還原回到大氣圈中，完成氮的大循環(huán)。（6）人類活動對氮循環(huán)的干預(yù)工業(yè)固氮作用：使得自然界固氮與反硝化去氮之間的自穩(wěn)定平衡狀態(tài)被打破：造成水華和赤潮。工廠和汽車燃料燃燒過程將大量氮氧化物排入大氣圈，造成酸沉降。第33頁,共37頁，2024年2月25日，星期天4.磷循環(huán)（1）磷的主要貯存庫是巖石圈（2）陸地生態(tài)系統(tǒng)植物直接吸收無機(jī)態(tài)磷酸鹽離子（PO43-），合成自身的原生質(zhì)，形成有機(jī)態(tài)磷；有機(jī)態(tài)磷通過植食動物和肉食動物在生態(tài)系統(tǒng)中傳遞；動物的排泄物和動、植物殘體經(jīng)微生物的分解，重新形成無機(jī)態(tài)磷酸鹽離子，歸還給土壤，部分被微生物所利用建造自身；陸地的無機(jī)態(tài)磷酸鹽離子隨水流進(jìn)入湖泊和海洋沉積。第34頁,共37頁，2024年2月25日，星期天第35頁,共37頁，2024年2月25日，星期天（3）水域生態(tài)系統(tǒng)浮游植物吸收無