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1、第五章第五章 生态系统生态学生态系统生态学v第一节第一节 生态系统及其动态平衡生态系统及其动态平衡v第二第二节节 生态系统的能量流动生态系统的能量流动v第三节第三节 生态系统的物质循环生态系统的物质循环v第四节第四节 生态系统的信息传递生态系统的信息传递v第五节第五节 生态系统的服务和管理生态系统的服务和管理5.3 5.3 生态系统生态系统的物质循环的物质循环v物质循环物质循环的的概念和类型概念和类型v水循环水循环v气体气体型循环型循环v沉积沉积型循环型循环v有毒物质有毒物质的迁移和转化的迁移和转化v放射性核素放射性核素循环循环v生物地化循环生物地化循环与人体健康与人体健康物质循环是生态系统的
2、又一大功能。物质是能量流动的载体，能量是物质循环的动力1.1.物质循环物质循环的的概念和类型概念和类型u物质循环的概念物质循环的概念u物质循环的类型物质循环的类型u物质循环物质循环的特点的特点u影响物质循环的因素影响物质循环的因素u物物质循循环的概念的概念v物质循环物质循环：生态系统：生态系统从大气、从大气、水体和土壤等环境中获得营水体和土壤等环境中获得营养物质，通过绿色植物吸收，养物质，通过绿色植物吸收，进入生态系统，被其他生物进入生态系统，被其他生物重复利用，重复利用，最后再最后再归还于环归还于环境中。境中。v这些循环这些循环的的路径路径包括生物包括生物与与非非生物二者生物二者,同同时时也
3、包含一也包含一些地些地质与质与地理作用地理作用在在内内,因因此此称为称为生物地生物地球化学循环。球化学循环。v在生态系统中能量不断流动，在生态系统中能量不断流动，而物质不断循环。而物质不断循环。生生态系系统能量流能量流动与物与物质循循环的关系的关系Nutrient cyclesNutrient cycles involve the storage of chemical elements in nutrient pools,or compartments,and the flux,or transfer,of nutrients between pools.物质循环的基本概念物质循环的基本概念
4、v库库(pool)(pool)：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、水体库等物质在循环过程中被暂时固定、物质在循环过程中被暂时固定、储存的场所储存的场所贮存库：容积大、活动慢，一般为非生物成分，如岩石、沉积物等 交换库：容积小、活跃，一般为生物成分，如植物库、动物库等。流流(flow):(flow):流通率：单位时间、单位面积内通过的营养物质（量），通常用绝对值表示（物质/单位面积单位时间）周转率：系统达到稳定状态后，库中的物质在单位时间所流出的量或流入的量占库存总量的比例 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,含义为移动库中全部营养物质所需
5、要的时间。物质在库与库之间的转移运动状态v根据物质循环的范围不同分为根据物质循环的范围不同分为生物地球化学循环生物地球化学循环（地质大循环）和（地质大循环）和生物小循环生物小循环。v生物小循环：生物小循环：v生物地质大循环：生物地质大循环：u物质循环物质循环的类型的类型在一个具体的生态系统层次上进行在一个具体的生态系统层次上进行物质在整个生物圈各圈层之间的物质在整个生物圈各圈层之间的循环。循环。范围大，周期长，是闭合的循环范围大，周期长，是闭合的循环v环境中元素经生物吸收，在环境中元素经生物吸收，在生态系统中被相继利用，然生态系统中被相继利用，然后经过分解者的作用再为生后经过分解者的作用再为生
6、产者吸收、利用。产者吸收、利用。生物小循环生物小循环u物质循环物质循环的类型的类型v气体型循环气体型循环v沉积型循环沉积型循环v水循环水循环 根据根据物质在循环时所经历的路径不同，从整个物质在循环时所经历的路径不同，从整个生物圈的观点出发，并根据物质循环过程中是否有生物圈的观点出发，并根据物质循环过程中是否有气相的存在，生物地球化学循环可分为气相的存在，生物地球化学循环可分为u物质循环物质循环的特点的特点v物质循环不同于能量流动物质循环不同于能量流动，前者，前者在生态系在生态系统中的运动是循环的；统中的运动是循环的；v生物地化循环在受人类干扰以前一般是处生物地化循环在受人类干扰以前一般是处于一
7、种稳定的平衡状态于一种稳定的平衡状态v元素和难分解的化合物常发生生物积累、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生物浓缩和生物放大现象生物积累、生物浓缩和生物放大生物积累、生物浓缩和生物放大v生物积累生物积累(bioaccumlation):(bioaccumlation):指指生态系统中生物不断进行新陈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。系数不断增加的现象。v生物浓缩生物浓缩(bioconcentration):(bioconcentration):指指生
8、态系统中同一营养级生态系统中同一营养级上许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。象，又称生物富集。v生物放大生物放大(biomagnification):(biomagnification):指指生态系统的食物链上生态系统的食物链上，高营，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
9、放大的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该类物质的浓度显著超过环结果使食物链上高营养级生物体中该类物质的浓度显著超过环境中的浓度。境中的浓度。u影响物质循环速率的因素影响物质循环速率的因素v元素的性质元素的性质：有的元素循环的速率快，而有的则比较慢，这是：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COCO2 2周转时间为周转时间为1 1年左右，而大气圈中氮周转时间为年左右，而大气圈中氮周转时间为100100万年万年v生物的生长速率生物的生长速
10、率：决定生物对物质吸收的速率以及物质在食物：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网中运动的速度v有机物有机物分解分解的的速率速率：适宜的环境有利于分解者的生存，并使有适宜的环境有利于分解者的生存，并使有机体很快分解，供生物重新利用机体很快分解，供生物重新利用v人类活动的影响人类活动的影响：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u水循环的途径水循环的途径u水循环的特点水循环的特点u全球水循环全球水循环u生态系统水循环生态系统水循环u人类活动对水循环的影响人类活动对水循环的影响2.2.水循环水循环v生态系统中所有的物质循环都是在水循
11、环的推动下完成的，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，因此，没有水的循环，也就没有生态系统的功能，生命也因此，没有水的循环，也就没有生态系统的功能，生命也将难以维持。将难以维持。v地球上的水时刻都在运动，不断地从一个系统输出，进入地球上的水时刻都在运动，不断地从一个系统输出，进入另一个系统。陆地水、大气水和海洋水通过固体、液体和另一个系统。陆地水、大气水和海洋水通过固体、液体和气体的三相变化，不停地进行着交换和运输，这种变换形气体的三相变化，不停地进行着交换和运输，这种变换形成了水循环的独特性。成了水循环的独特性。v水的运动包括水平移动和垂直移动。水平移动，在地面是水的运动包括
12、水平移动和垂直移动。水平移动，在地面是以液态水自高向低的流动，在空中以气态水随气流移动。以液态水自高向低的流动，在空中以气态水随气流移动。垂直移动主要是，垂直移动主要是，由于阳光照射，江、河、湖、海和土由于阳光照射，江、河、湖、海和土壤中的一部分水变成水蒸汽，进入大气。壤中的一部分水变成水蒸汽，进入大气。植物从根部吸植物从根部吸水，经蒸腾作用以及动物体表蒸发出来的水分进入大气中。水，经蒸腾作用以及动物体表蒸发出来的水分进入大气中。大气中的水蒸汽遇冷，以雨、雪等形式回到地面。大气中的水蒸汽遇冷，以雨、雪等形式回到地面。u水循环的途径水循环的途径l水的主要蓄库是海洋。在太阳能的作用下通过蒸发把海水
13、水的主要蓄库是海洋。在太阳能的作用下通过蒸发把海水转化为水气，进入大气。地表总水量：转化为水气，进入大气。地表总水量：1.4101.4109 9kmkm3 3，海洋约，海洋约占占9797%。l在大气中，水气遇冷凝结、迁移，又以雨的形式回到地面在大气中，水气遇冷凝结、迁移，又以雨的形式回到地面或海洋。当降水到达地面时，有的直接落到地面上，有的落或海洋。当降水到达地面时，有的直接落到地面上，有的落在植物群落中，并被截留大部分，有的落在城市的街道和建在植物群落中，并被截留大部分，有的落在城市的街道和建筑物上，很快流失。有些直接落入江河湖泊和海洋。筑物上，很快流失。有些直接落入江河湖泊和海洋。l冰川、
14、河流、湖泊、海洋表层的水及土壤中的水则通过不冰川、河流、湖泊、海洋表层的水及土壤中的水则通过不断蒸发作用进入大气断蒸发作用进入大气。或者。或者以液态经过河流和地下水最后返以液态经过河流和地下水最后返回海洋。回海洋。u水循环的特点水循环的特点 v生物发挥了巨大的作用生物发挥了巨大的作用。生物，特别是植物在水循环中作。生物，特别是植物在水循环中作用巨大。每生产用巨大。每生产1g 1g 初级生产量，植物差不多要蒸腾初级生产量，植物差不多要蒸腾500g 500g 的水。据估计，陆地生态系统初级生产量每年大约是的水。据估计，陆地生态系统初级生产量每年大约是1.1101.1101717g g。那么，陆地植
15、物每年蒸腾约。那么，陆地植物每年蒸腾约5.5105.5101919g g 的的水。水。v水时空分布是不均衡的水时空分布是不均衡的。低纬度地区多高于高纬度地区。低纬度地区多高于高纬度地区。赤道低纬度地区是地球上最大的降雨区。赤道低纬度地区是地球上最大的降雨区。v地球上各种水体的周转期不同地球上各种水体的周转期不同。各种水体，除生物水外，。各种水体，除生物水外，以大气中和河川水的周转期为最短，一般都在两周以内，以大气中和河川水的周转期为最短，一般都在两周以内，这部分水可以得到不断的更替。停留在地表以下的地下水，这部分水可以得到不断的更替。停留在地表以下的地下水，一般停留一般停留10-100 10-
16、100 年。大量的淡水以冰的形式储存在南极年。大量的淡水以冰的形式储存在南极和格陵兰冰层中，平均停留和格陵兰冰层中，平均停留0.1-100.1-10万年。万年。u全球水循环全球水循环u生态系统中的水循环生态系统中的水循环降雨降雨截留截留穿透雨穿透雨蒸腾蒸腾渗透渗透土壤吸收土壤吸收地表地表径流径流地下径流地下径流消费者消费者地面蒸发地面蒸发u人类活动对水循环的影响人类活动对水循环的影响人类对水循环的影响是多方人类对水循环的影响是多方面的：面的：v植被破坏植被破坏：如：如森林森林砍伐砍伐、农业活动、湿地、农业活动、湿地开开发等发等v水利工程：如水利工程：如修筑水库、塘堰可扩大自然蓄修筑水库、塘堰可
17、扩大自然蓄水量；而围湖造田又使自然蓄水容积水量；而围湖造田又使自然蓄水容积减小；减小；河流河流改道、建坝改道、建坝v开采开采地下水地下水:地下水地下水的过度的过度开采利用开采利用，使某，使某些人口集中的地区出现了地下水位和水质量些人口集中的地区出现了地下水位和水质量的下降，如目前我国许多北方大城市的地下的下降，如目前我国许多北方大城市的地下水分布出现漏斗状。水分布出现漏斗状。v水体污染：工业、农业废水排放水体污染：工业、农业废水排放3.3.气体型循环气体型循环(gaseous cycle)(gaseous cycle)u碳循环碳循环u氮循环氮循环u氧循环氧循环气体型循环（气体型循环（gaseo
18、us gaseous cycle):cycle):其贮存库是大气和海洋。其贮存库是大气和海洋。气相循环把大气和海洋相联系，具有明显的全球性，循环气相循环把大气和海洋相联系，具有明显的全球性，循环性能最为完善。元素或化合物可以转化为气体形式参与循性能最为完善。元素或化合物可以转化为气体形式参与循环过程。气体循环速度比较快，例如环过程。气体循环速度比较快，例如COCO2 2、N N2 2、O O2 2等。物质等。物质来源充沛，不会枯竭。来源充沛，不会枯竭。u碳循环碳循环 Carbon Cycle碳的来源及储存：碳的来源及储存：l是一切生物体中最基本的成分，有机体干重的是一切生物体中最基本的成分，有
19、机体干重的45%45%以上是碳。以上是碳。l地球上碳的储存量约为地球上碳的储存量约为2.6102.6101616t t。碳的储存库：碳的储存库：l岩石圈：占总量的99.9%，主要以碳酸盐形式存在；l大 气：大气中CO2的含量约为0.0126%，总量约7000108 t，每年只有200-300103t为光合作用利用，却有1000108 t以碳酸盐形式溶于水，并流入大海；l海 洋：海洋中CO2的含量约为0.1%；含碳量是大气的50倍l森 林：约储存碳1.71010 t，相当于大气中碳的2/3。碳循环的重要意义碳循环的重要意义：l碳是构成生物有机体的最重要的元素，因此，生态碳是构成生物有机体的最重要
20、的元素，因此，生态系统碳循环研究成了系统能量流动的核心问题。系统碳循环研究成了系统能量流动的核心问题。l人类活动通过化石燃料的大规模使用，从而造成对人类活动通过化石燃料的大规模使用，从而造成对于碳循环的重大影响，可能是当代气候变化的主要于碳循环的重大影响，可能是当代气候变化的主要原因原因碳循环的主要过程碳循环的主要过程：l生物的同化作用和异化作用，主要是光合作用和呼生物的同化作用和异化作用，主要是光合作用和呼吸作用。吸作用。l大气和海洋之间的二氧化碳交换大气和海洋之间的二氧化碳交换l碳酸盐的沉淀作用碳酸盐的沉淀作用Carbon CycleMoves between organisms and
21、atmosphere as a consequence of photosynthesis and respiration.In aquatic ecosystems,CO2 must first dissolve into water before being used by primary producers.Although some C cycles rapidly,some remains sequestered in unavailable forms for long periods of time.生态系统的生态系统的碳循环碳循环全球碳循环全球碳循环碳循环的特点碳循环的特点 碳
22、循环碳循环在生态系统中基本上是伴随着光合作用和能量流动在生态系统中基本上是伴随着光合作用和能量流动的过程而进行的，其主要特点有：的过程而进行的，其主要特点有：l绿色植物通过光合作用将大气中绿色植物通过光合作用将大气中的的COCO2 2和和水转化成有机物，构水转化成有机物，构成全球的基础生产。成全球的基础生产。l大气中的大气中的COCO2 2能吸收太阳的短波辐射并阻挡地球的长波反射；能吸收太阳的短波辐射并阻挡地球的长波反射；保持地球温度的稳定。含碳分子中，二氧化碳、甲烷和一氧保持地球温度的稳定。含碳分子中，二氧化碳、甲烷和一氧化碳是最重要的温室气体。而二氧化碳是生物地球化学循环化碳是最重要的温室
23、气体。而二氧化碳是生物地球化学循环最重要的核心之一。最重要的核心之一。l速度快：最快几分钟或几小时，一般几周或几个月；速度快：最快几分钟或几小时，一般几周或几个月；但各类各类生态系统固定二氧化碳的速率差别很大。北极冻原和干旱的生态系统固定二氧化碳的速率差别很大。北极冻原和干旱的沙漠区的固定速率仅相当于热带雨林区的沙漠区的固定速率仅相当于热带雨林区的1%1%。温室效应温室效应 Greenhouse effectv温室效应温室效应(Greenhouse effect)(Greenhouse effect)：大气中对长波辐射具有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屏
24、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球表层而导致温度上升v温室气体温室气体：二氧化碳：二氧化碳(CO(CO2 2)、甲烷、甲烷(CH(CH4 4)、氧化亚氮、氧化亚氮(N(N2 2O)O)、六氟化碳六氟化碳(SF(SF6 6)、氟氯碳化物、氟氯碳化物 (CFCs)(CFCs)、氢氟碳化物、氢氟碳化物(HFCs)(HFCs)等等v温室效应的影响温室效应的影响海平面上升，淹没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Greenhouse EffectHeat is trapped near the earths surface by greenhouse
25、 gases:(Water Vapor,Carbon Dioxide,Methane,Ozone,Nitrous Oxide,and CFCs)Absorb infrared and reemit most back to earth.30%Solar energy reflected back by clouds,particulate matter,etc.70%Absorbed by atmosphere/surface.Greenhouse EffectCOCO2 2v大气二氧化碳除了有长期上升的趋势以外，还显示有规律的季节变化；大气二氧化碳除了有长期上升的趋势以外，还显示有规律的季节
26、变化；夏季下降，冬季上升。其原因可能是人类的化石燃料使用量的季节差夏季下降，冬季上升。其原因可能是人类的化石燃料使用量的季节差异和植物光合作用二氧化碳利用量的季节差异。异和植物光合作用二氧化碳利用量的季节差异。中国陆地生态系统的碳循环中国陆地生态系统的碳循环 北京大学北京大学的方精云教授及其研究小组综合研究了的方精云教授及其研究小组综合研究了1949-1949-19981998年年5050年来中国森林的变化数据后指出：中国的碳收支在年来中国森林的变化数据后指出：中国的碳收支在没有人类活动是汇，在目前情况下是源，按面积平均是全球没有人类活动是汇，在目前情况下是源，按面积平均是全球的的2 2倍，但
27、人均量小于世界平均水平倍，但人均量小于世界平均水平 每年吸收每年吸收0.37109 tC/a碳碳1.36109 tC/aCO2每年排放每年排放0.62109 tC/a碳碳2.27109 tC/aCO2u氮循环氮循环 Nitrogen cyclel氮是蛋白质的基本成分，是生命结构的原料。虽然大气中有氮是蛋白质的基本成分，是生命结构的原料。虽然大气中有7979的氮，但一般生物不能直接利用，必须通过固氮作用将的氮，但一般生物不能直接利用，必须通过固氮作用将氮和氧结合成为硝酸盐和亚硝酸盐，或者与氢结合形成氨以氮和氧结合成为硝酸盐和亚硝酸盐，或者与氢结合形成氨以后，植物才能利用。后，植物才能利用。l氮库
28、：大气是最大的氮库（氮库：大气是最大的氮库（3.9103.9102121gNgN）、土壤、陆地植被）、土壤、陆地植被的氮库比较小的氮库比较小。氮循环的主要过程氮循环的主要过程v固氮作用：固氮作用：高能固氮：高能固氮：闪电、宇宙射线、陨石、火山爆发等活动，将大气中的N2转化成氨或硝酸盐，随降雨到达地表；工业固氮：工业固氮：工业固氮能力在20世纪末达108t；主要是氮肥；生物固氮：生物固氮：最重要的固氮途径，约占地球固氮的90%，具固氮能力的生物主要有固氮菌、根瘤菌及某些藻类和细菌等.v氨化作用氨化作用：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，
29、氨溶水成为氨化合物，氨溶水成为NHNH4 4+，为植物利用，为植物利用v硝化作用：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，供植物吸收利用和硝酸盐细菌氧化为亚硝酸盐和硝酸盐，供植物吸收利用v反硝化作用：反硝化作用：反硝化细菌将亚硝酸盐转变成氮气，回到大气反硝化细菌将亚硝酸盐转变成氮气，回到大气库中。第一步把硝酸盐还原为亚硝酸盐，释放库中。第一步把硝酸盐还原为亚硝酸盐，释放NONO，然后异氧，然后异氧类细菌进一步把亚硝酸盐还原产生类细菌进一步把亚硝酸盐还原产生N N2 2O O。Nitrogen CycleI
30、ncludes major atmospheric pool-N2.Only nitrogen fixers can use atmospheric supply directly.Energy-demanding process.N2 reduced to ammonia(NH3).Once N is fixed it is available to organisms.Upon death of an organism,N can be released by fungi and bacteria during decomposition.Nitrogen Cycle氮循环的过程氮循环的过
31、程 人工固氮带来的不良后果人工固氮带来的不良后果v水体硝酸盐含量升高，引发的水体硝酸盐含量升高，引发的“蓝婴病蓝婴病”与与血红蛋血红蛋白结合导致运输氧功能损失。白结合导致运输氧功能损失。v流入池塘、湖泊、河流等引发水体富营养化流入池塘、湖泊、河流等引发水体富营养化v造成土壤酸化，并导致微量元素流失，增加地下水造成土壤酸化，并导致微量元素流失，增加地下水的重金属含量的重金属含量v使土壤和水体中生物多样性下降。使土壤和水体中生物多样性下降。u氧循环氧循环v氧的地球化学循环涉及的环节非常复杂，包括了大气圈、生物氧的地球化学循环涉及的环节非常复杂，包括了大气圈、生物圈、岩石圈，甚至整个地球的方方面面，
32、是目前研究较多的领圈、岩石圈，甚至整个地球的方方面面，是目前研究较多的领域之一。域之一。v大气与海水的相互作用，生物的生理活动，地球内部的物质分大气与海水的相互作用，生物的生理活动，地球内部的物质分异以及岩石圈表层的地质作用，大气圈臭氧层的变化等等过程异以及岩石圈表层的地质作用，大气圈臭氧层的变化等等过程都发生着氧的交换。都发生着氧的交换。v氧在大气圈和生物圈中主要是以水、二氧化碳和氧气的形式存氧在大气圈和生物圈中主要是以水、二氧化碳和氧气的形式存在。在自然条件下，水中的氧很难分解成氧气。而二氧化碳则在。在自然条件下，水中的氧很难分解成氧气。而二氧化碳则可以通过植物的光合作用而释放出氧气。因此
33、，在生态系统中，可以通过植物的光合作用而释放出氧气。因此，在生态系统中，氧循环与碳循环有着密切的联系氧循环与碳循环有着密切的联系 v动物的呼吸作用、植物非光合器官的呼吸作用和光合器官在夜动物的呼吸作用、植物非光合器官的呼吸作用和光合器官在夜间的呼吸作用，以及地表物质腐败氧化等过程不断消耗着大气间的呼吸作用，以及地表物质腐败氧化等过程不断消耗着大气中的氧。如此生生不息，构成了生态系统的氧循环，并保持了中的氧。如此生生不息，构成了生态系统的氧循环，并保持了大气中氧含量的恒定，维持了整个生态系统的平衡。大气中氧含量的恒定，维持了整个生态系统的平衡。4.4.沉积沉积型循环型循环(sedimentary
34、 cycle)(sedimentary cycle)u磷循环磷循环u硫循环硫循环沉积型循环沉积型循环(sedimentary sedimentary cycle):cycle):这类循环速度比较慢，参这类循环速度比较慢，参与沉积循环的物质，其分子或化合物主要通过岩石的风化和与沉积循环的物质，其分子或化合物主要通过岩石的风化和沉积物的溶解转变为可被生物利用的营养物质，而海底沉积沉积物的溶解转变为可被生物利用的营养物质，而海底沉积物转化为岩石圈成分则是相当长的、缓慢的、单向的物质转物转化为岩石圈成分则是相当长的、缓慢的、单向的物质转移过程，时间要以千年计算。移过程，时间要以千年计算。主要储库在土壤
35、、沉积物和岩主要储库在土壤、沉积物和岩石，而无气体状态。石，而无气体状态。因此沉积循环的全球性不如气体型循环，因此沉积循环的全球性不如气体型循环，循环性能也很不完善。循环性能也很不完善。u磷循环磷循环 Phosphorus cycle v虽然有机体磷的含量仅占体重左右，但磷是生物不可缺虽然有机体磷的含量仅占体重左右，但磷是生物不可缺少的成分。少的成分。v磷是细胞遗传信息携带者磷是细胞遗传信息携带者DNADNA的构成元素，也是细胞代谢中三的构成元素，也是细胞代谢中三磷酸腺苷（磷酸腺苷（ATPATP）的构成元素，在能量贮存、利用和转化方面）的构成元素，在能量贮存、利用和转化方面起着关键作用。起着关
36、键作用。v磷还制约着生态系统，尤其是水域生态系统的光合生产力磷还制约着生态系统，尤其是水域生态系统的光合生产力（磷在水体中通常下沉）。在土壤中，也只有在（磷在水体中通常下沉）。在土壤中，也只有在pH67pH67时，才时，才可以被生物所利用。可以被生物所利用。v另外，磷还是动物骨骼和牙齿的主要成分。所以，没有磷就另外，磷还是动物骨骼和牙齿的主要成分。所以，没有磷就没有生命，也就不会有生态系统中的能量流动。没有生命，也就不会有生态系统中的能量流动。v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。库。v岩石经土壤风化释放的磷酸盐和农田中施
37、用的磷肥，被植物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，含磷有机物沿两条循环支路循环：一是吸收进入植物体内，含磷有机物沿两条循环支路循环：一是沿食物链传递，并以粪便、残体归还土壤；另一是以枯枝落沿食物链传递，并以粪便、残体归还土壤；另一是以枯枝落叶、秸秆归还土壤。叶、秸秆归还土壤。v各种含磷有机化合物经土壤微生物的分解，转变为可溶性的各种含磷有机化合物经土壤微生物的分解，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。磷酸盐，可再次供给植物吸收利用，这是磷的生物小循环。v在这一循环过程中，一部分磷脱离生物小循环进入地质大循在这一循环过程中，一部分
38、磷脱离生物小循环进入地质大循环，其支路也有两条：一是动植物遗体在陆地表面的磷矿化；环，其支路也有两条：一是动植物遗体在陆地表面的磷矿化；另一是磷受水的冲蚀进入江河，流入海洋。另一是磷受水的冲蚀进入江河，流入海洋。v磷沉积在海底磷沉积在海底后，其中后，其中一部分长期留在一部分长期留在海里，另海里，另一部分可形一部分可形成新的地壳，在风化后再次进入循环成新的地壳，在风化后再次进入循环 磷循环的特点磷循环的特点v磷的主要贮存库是沉积岩，磷的循环主要以固态进行，因而速磷的主要贮存库是沉积岩，磷的循环主要以固态进行，因而速度缓慢。磷随着动植物残骸沉入深海后，几乎没有回到陆地的度缓慢。磷随着动植物残骸沉入
39、深海后，几乎没有回到陆地的有效途径有效途径v与其他主要元素循环的一个显著不同是几乎没有气体成分参与与其他主要元素循环的一个显著不同是几乎没有气体成分参与循环。循环。v由于磷元素的匮乏和农业生产的需要，磷的循环愈加受人类的由于磷元素的匮乏和农业生产的需要，磷的循环愈加受人类的关注。磷以磷矿的形式开采利用后，加速了磷的消耗，全世界关注。磷以磷矿的形式开采利用后，加速了磷的消耗，全世界磷的蕴藏量只能维持磷的蕴藏量只能维持100a100a左右。从长远看，磷元素有可能成为左右。从长远看，磷元素有可能成为农业生产的限制因素。农业生产的限制因素。Phosphorus CycleGlobal phosphor
40、us cycle does not include substantial atmospheric pool.Largest quantities found in mineral deposits and marine sediments.Much of this in forms not directly available to plants.Slowly released in terrestrial and aquatic ecosystems via weathering of rocks.u硫循环硫循环v硫是蛋白质和氨基酸的基本成分，对大多数生物的生命至硫是蛋白质和氨基酸的基本成
41、分，对大多数生物的生命至关重要。关重要。v人类使用化石燃料大大改变了硫循环，其影响远大于对碳人类使用化石燃料大大改变了硫循环，其影响远大于对碳和氮，最明显的就是酸雨。和氮，最明显的就是酸雨。v硫的主要蓄库是岩石圈，但它在大气圈中能自由移动，因硫的主要蓄库是岩石圈，但它在大气圈中能自由移动，因此，硫循环有一个长期的沉积阶段和一个较短的气体阶段。此，硫循环有一个长期的沉积阶段和一个较短的气体阶段。即硫循环是一个复杂的元素循环，既属沉积型循环、又属即硫循环是一个复杂的元素循环，既属沉积型循环、又属气体型，其包括长期的沉积相，即束缚在有机、无机沉积气体型，其包括长期的沉积相，即束缚在有机、无机沉积中的
42、硫，通过风化和分解而释放，以盐溶液的形式进入陆中的硫，通过风化和分解而释放，以盐溶液的形式进入陆地和水体生态系统。还有的硫以气态参加循环。地和水体生态系统。还有的硫以气态参加循环。从陆地进入大气的四条途径：火火山爆发、沙尘、化石燃料释放、山爆发、沙尘、化石燃料释放、森林火灾和湿地等陆地生态系统森林火灾和湿地等陆地生态系统释放的硫释放的硫大气中的硫大部分以干沉降和降大气中的硫大部分以干沉降和降水形式返回陆地。剩下的被风传水形式返回陆地。剩下的被风传输到海洋。输到海洋。硫从海洋进入大气的，包括：海硫从海洋进入大气的，包括：海盐形式、生物生产、海底火山产盐形式、生物生产、海底火山产生的等生的等硫循环
43、的特点硫循环的特点v硫的主要贮存库是岩石，以硫化亚铁的形式存在。海洋硫的主要贮存库是岩石，以硫化亚铁的形式存在。海洋也是巨大的硫库。也是巨大的硫库。v硫循环硫循环既属于沉积型，也属于气体型。沉积阶段的沉积既属于沉积型，也属于气体型。沉积阶段的沉积物只有通过风化和分解才被释放出来；气体阶段可以在物只有通过风化和分解才被释放出来；气体阶段可以在全球范围内流动。全球范围内流动。v硫的生物地球化学循环的研究甚为重要，因为酸沉降、硫的生物地球化学循环的研究甚为重要，因为酸沉降、温室效应乃至臭氧层耗损均与硫污染有关。温室效应乃至臭氧层耗损均与硫污染有关。5.5.有毒物质有毒物质的迁移和转化的迁移和转化u有
44、毒物质的类型有毒物质的类型u有毒物质的迁移和转化有毒物质的迁移和转化u有毒物质循环的典型代表有毒物质循环的典型代表-汞循环汞循环u有毒物质的类型有毒物质的类型v有毒物质有毒物质(toxic substance)(toxic substance)又称污染物又称污染物(pollutant)(pollutant)，按化学性质分两类。无机有毒物质，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。主要有酚类、有机氯药等。v按污染物的作用分一次污染物和二次污染物。前者按污染物的作用分一次污染物和二次污染物。前者由
45、污染源直接排入环境的，其物理和化学性状未发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，又称继发性污染形成新的物理化学性状的污染物，又称继发性污染物。物。u有毒物质的迁移和转化有毒物质的迁移和转化v迁移迁移(transport(transport)：是：是重要的物理过程重要的物理过程,包括分散、包括分散、混
46、合、稀释和沉降等；混合、稀释和沉降等；v转化转化(transformation(transformation)：主要：主要是通过氧化、还原、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。化学的变化。u汞循环汞循环(mercury cycle)(mercury cycle)火山活动火山活动化石化石燃烧燃烧 降水降水挥发挥发挥发挥发沉积物沉积物农田风农田风化和淋化和淋溶作用溶作用农药喷洒农药喷洒径流径流(CH3)2HgHg2CH3Hg鱼鱼水生植物水生植物水鸟水鸟工厂工厂汞的废物汞的废物捕鱼捕鱼由河水带走由河水带走(中性中性pH)(
47、酸性酸性pH)6.6.放射性核素放射性核素循环循环v放射性核素可在多种介质中循环，并能被生物富集。放射性核素可在多种介质中循环，并能被生物富集。v放射性核素通过核试验或核作用物进入大气层，然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原子状态回到后，通过降水、尘埃和其他物质以原原子状态回到地球上。地球上。v人和生物既可直接受到环境放射源危害，也可因食人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。物链带来的放射性污染而间接受害。v放射性物质由食物进入人体，随血液循环遍布全身，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
48、体内可存留有的放射物质在体内可存留1414年之久。年之久。7.7.生物地化循环生物地化循环与人体健康与人体健康v地方病地方病：自然界由于环境条件的不同，地表元素发生迁移，常造：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，故称物、动物乃至人类的疾病。这种疾病常呈区域性，故称“地方病地方病”。v微量元素循环微量元素循环：地方病大多
49、数与微量元素有关。：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，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，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。平原少于沿海，沿海少于海洋。微量元素与人体健康：微量元素与人体健康：l碘缺乏：缺碘症：甲状腺肿大，智力低下，影响胎儿发育等。碘缺乏：缺碘症：甲状腺肿大，智力低下，影响胎儿发育等。l硒缺乏：引起克山
50、病、大骨节病，也被认为是引起癌症的主要硒缺乏：引起克山病、大骨节病，也被认为是引起癌症的主要因素。因素。元素循环的相互作用元素循环的相互作用 自然界自然界中的元素循环是密切关联和相互作用着的，而且表中的元素循环是密切关联和相互作用着的，而且表现在不同的层次上现在不同的层次上。l在光合作用和呼吸作用中，碳和氧循环是相互联结的在光合作用和呼吸作用中，碳和氧循环是相互联结的l海洋生态系统的初级生产的速率受到浮游植物的氮海洋生态系统的初级生产的速率受到浮游植物的氮/磷比磷比影响，从而使碳循环与氮和磷循环联结起来。影响，从而使碳循环与氮和磷循环联结起来。l正由于这些联结，人类对碳、氮和磷循环的干预将会使