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1、关于生态系统中的物质循环 第1页，讲稿共48张，创作于星期二213.1 13.1 物质循环的一般特征物质循环的一般特征物质循环和能量流动总是相伴而发生的物质循环和能量流动总是相伴而发生的生物固定的日光能流过生态系统通常只有一生物固定的日光能流过生态系统通常只有一次，且逐渐以热的形式耗散，而物质在生态次，且逐渐以热的形式耗散，而物质在生态系统的生物成员中能被反复利用。系统的生物成员中能被反复利用。第2页，讲稿共48张，创作于星期二3物质循环与能量流动物质循环与能量流动第3页，讲稿共48张，创作于星期二4物质循环的一般特征物质循环的一般特征(两个尺度两个尺度)生物地生物地球化学循环球化学循环(全球
2、循环全球循环/大循环大循环)：生态系统从大气、水：生态系统从大气、水体和土壤等环境中获得营养物质，通过绿色植物吸收，进体和土壤等环境中获得营养物质，通过绿色植物吸收，进入生态系统，被其他生物重复利用，最后再归还于环境中入生态系统，被其他生物重复利用，最后再归还于环境中的过程。这一过程的过程。这一过程包括生物包括生物与非与非生物二者生物二者的参与的参与,同同时时也包也包含一些地含一些地质与质与地理作用在內地理作用在內,因此因此称为称为生物地生物地球化学循环球化学循环生物小循环生物小循环(局域循环局域循环)：环境中元素经生物吸收，在：环境中元素经生物吸收，在生态系统中生态系统中被相继利用，然后经过
3、分解者的作用再为生产者吸收、利用被相继利用，然后经过分解者的作用再为生产者吸收、利用第4页，讲稿共48张，创作于星期二5Basics of nutrient cycling生态系统生态系统小循环小循环生物地球化学大生物地球化学大循环循环第5页，讲稿共48张，创作于星期二6生物小循环生物小循环第6页，讲稿共48张，创作于星期二7物质循环的基本概念物质循环的基本概念库库(分室）：分室）：贮存一定数量元素的某种生态系统组分称为该元素贮存一定数量元素的某种生态系统组分称为该元素的库的库生态系统中各组分都是物质循环的库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、水体库等植物库、动物库、土壤库
4、、水体库等流通率流通率：单位时间、单位面积：单位时间、单位面积/体积的物质转移量体积的物质转移量周转率周转率：流通率流通率/库库中中营养物质总量营养物质总量周转时间周转时间：库：库中中营养物质总量营养物质总量/流通率流通率第7页，讲稿共48张，创作于星期二8物质在库间的流通物质在库间的流通流通量、周转率与周转时间流通量、周转率与周转时间是相对于库而言的是相对于库而言的生产者库生产者库流通率：流通率：2020单位单位/天天周转率：周转率：20/100=20%20/100=20%周转时间：周转时间：100/20=5100/20=5天天消费者库消费者库流通率：流通率：4 4单位单位/天天周转率：周转
5、率：4/50=8%4/50=8%周转时间：周转时间：50/4=12.550/4=12.5天天第8页，讲稿共48张，创作于星期二9 影响物质循环速率的因素影响物质循环速率的因素元素的性质元素的性质：有的元素循环的速率快，而有的：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。如的方式不同所决定的。如COCO2 2 1 1年年,N 100,N 100万年万年生物的生长速率生物的生长速率：决定生物对物质吸收的速：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率以及物质在食物网中运动的速度第9页，讲稿共48张
6、，创作于星期二10影响物质循环速率的因素影响物质循环速率的因素有机物质腐烂的速率有机物质腐烂的速率：适宜的环境有利于：适宜的环境有利于分解者的生存，并使有机体很快分解，供生物分解者的生存，并使有机体很快分解，供生物重新利用重新利用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化石燃烧把硫和二氧化硫释放大气中第10页，讲稿共48张，创作于星期二11生物地球化学循环的类型生物地球化学循环的类型气体型循环气体型循环贮存库是大气和海洋贮存库是大气和海洋有气体形式的分子参与循环
7、过程有气体形式的分子参与循环过程循环速度快，例如循环速度快，例如COCO2 2、N N2 2、O O2 2等等沉积型循环沉积型循环贮存库是岩石、土壤和沉积物贮存库是岩石、土壤和沉积物没有气体形式的分子参与循环过程没有气体形式的分子参与循环过程循环速度慢，时间以千年计算，例如循环速度慢，时间以千年计算，例如P P、CaCa、MgMg等等水循环水循环水的全球循环过程水的全球循环过程生态系统中所有的物质循环都离不开水循环的推动生态系统中所有的物质循环都离不开水循环的推动第11页，讲稿共48张，创作于星期二1213.2 13.2 全球水循环全球水循环水循环是太阳能推动，在陆地、大气和海洋间循环水循环是
8、太阳能推动，在陆地、大气和海洋间循环地表总水量：地表总水量：1.4101.4109 9kmkm3 3，海洋约占，海洋约占97%97%水的循环：水的循环：陆地：蒸发陆地：蒸发(蒸腾蒸腾)71,000km)71,000km3 3，降水，降水111,000km111,000km3 3，径流，径流40,000km40,000km3 3海洋：蒸发海洋：蒸发425,000km425,000km3 3，降水，降水385,000km385,000km3 3人为活动对水循环自然过程的干扰和影响人为活动对水循环自然过程的干扰和影响 水电站、广泛大规模的水利工程、水电站、广泛大规模的水利工程、第12页，讲稿共48张
9、，创作于星期二13The Hydrologic Cycle(40)(71)(111)(385)(425)(40)103km3第13页，讲稿共48张，创作于星期二14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第14页，讲稿共48张，创作于星期二1513.3 13.3 碳循环碳循环碳的重要性碳的重要性：生命元素、能量流动、人类活动影响：生命元素、能量流动、人类活动影响碳库碳库：海洋和大气、生物体：海洋和大气、生物体碳的存在形式碳的存在形式：COCO2 2，无机盐，有机碳，无机盐，有机碳
10、主要循环过程主要循环过程生物的同化和异化过程生物的同化和异化过程大气和海洋间的大气和海洋间的COCO2 2交换交换碳酸盐的沉淀作用碳酸盐的沉淀作用人类活动对碳循环造成严重影响，引起气候变化人类活动对碳循环造成严重影响，引起气候变化的主要原因的主要原因第15页，讲稿共48张，创作于星期二16海洋和大气CO2调节CO2CO2溶于海水H2CO3水体中生物H+CO32-CaCO3海底沉积物第16页，讲稿共48张，创作于星期二17The Carbon Cycle第17页，讲稿共48张，创作于星期二18The Carbon Cycle9290750611015gC第18页，讲稿共48张，创作于星期二19温
11、室效应温室效应温室效应（温室效应（Greenhouse effectsGreenhouse effects ）：大气中对长：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球表层而导致温度上升能被截留在地球表层而导致温度上升温室气体温室气体：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)等等温室效应的影响温室效应的影响海平面上
12、升，淹沒陆地海平面上升，淹沒陆地全球气候经常发生暴雨或干旱全球气候经常发生暴雨或干旱土地沙漠化，生态环境改变土地沙漠化，生态环境改变第19页，讲稿共48张，创作于星期二20Incoming sunlight warms the surface of the Earth and is radiated back to Incoming sunlight warms the surface of the Earth and is radiated back to atmosphere.Greenhouse gases absorb some of this heat,trapping it in
13、the atmosphere.Greenhouse gases absorb some of this heat,trapping it in the atmosphere.atmosphere.GREENHOUSE EFFECT第20页，讲稿共48张，创作于星期二21Carbon accumulationCO2 has increased from its pre-industrial level data:recent records plus older data such as ice cores mostly fossil fuel burning第21页，讲稿共48张，创作于星期二
14、22CO2排放第22页，讲稿共48张，创作于星期二23碳源/汇与碳“失汇”难题 全球碳源：6.91015gC/a化石燃料：6.01015gC/a陆地植物破坏：0.91015gC/a全球碳汇：5.21015gC/a-大气中含量上升：3.21015gC/a-海洋吸收：2.01015gC/a全球全球“碳失碳失汇汇”(missing sink):1.71015gC/a中国学者的回答：三北防中国学者的回答：三北防护护林等大林等大规规模林模林业业建建设设（方精云（方精云 2001，Science),森林土壤的碳吸收作用（中科院森林土壤的碳吸收作用（中科院华华南植物所）南植物所）中国中国陆陆地生地生态态系系
15、统统碳源碳源/汇汇研究（方精云）：科学意研究（方精云）：科学意义义/环环境外交（京都境外交（京都议议定定书书）第23页，讲稿共48张，创作于星期二24碳交易清洁发展机制CDM(Clean Development Mechanism）CDM规定减排的温室气体有：CO2（二氧化碳）、CH4（甲烷）、N2O（氧化亚氮）、HFCs（氢氟碳化物）、PFCs（全氟化碳）、SF6（六氟化硫碳交易 碳交易(即温室气体排放权交易)也就是购买合同或者碳减排购买协议(ERPAs)，其基本原理是，合同的一方通过支付另一方获得温室气体减排额。买方可以将购得的减排额用于减缓温室效应从而实现其减排的目标中国第一个碳中国第一
16、个碳“交易交易”项目：项目：北京安定垃圾填埋场，甲烷排放由4004t/a减至1551t/a,差额出售至国外第24页，讲稿共48张，创作于星期二25中国CDM份额世界领先截至2008年2月13日，我国清洁发展机制项目（简称CDM）获得联合国核证减排量达3600多万吨二氧化碳当量，首次超过印度，跃居世界第一位。这标志着我国在国际碳交易市场开始占据最大份额。第25页，讲稿共48张，创作于星期二2613.4 13.4 氮循环氮循环氮的重要性氮的重要性氮库：大气、土壤、陆地植被氮库：大气、土壤、陆地植被生物可利用的氮的形式：生物可利用的氮的形式：NONO3 32-2-、NONO2 22-2-、NHNH4
17、 4+氮循环的主要过程氮循环的主要过程固氮作用固氮作用氨化作用氨化作用硝化作用硝化作用反硝化作用反硝化作用第26页，讲稿共48张，创作于星期二27The Nitrogen Cycle第27页，讲稿共48张，创作于星期二28氮的循环氮的循环1012gN第28页，讲稿共48张，创作于星期二29固氮作用固氮作用类型类型闪电、宇宙射线、火山爆发等高能固氮闪电、宇宙射线、火山爆发等高能固氮工业固氮：工业固氮：400400摄氏度，摄氏度，200200大气压下大气压下生物固氮：固氮菌、与豆科植物共生的根瘤生物固氮：固氮菌、与豆科植物共生的根瘤菌和蓝藻等自养和异养微生物菌和蓝藻等自养和异养微生物意义意义平衡反
18、硝化作用平衡反硝化作用对局域缺氮环境有重要意义对局域缺氮环境有重要意义使氮进入生物循环使氮进入生物循环第29页，讲稿共48张，创作于星期二30生态系统中的氮循环第30页，讲稿共48张，创作于星期二31氨化作用、硝化作用和反硝化作用氨化作用、硝化作用和反硝化作用氨化作用：由氨化细菌和真菌的作用将有机氮分解氨化作用：由氨化细菌和真菌的作用将有机氮分解成为氨和氨化合物，氨溶水成为成为氨和氨化合物，氨溶水成为NHNH4 4+，为植物利，为植物利用用硝化作用：在通气良好的土壤中，氨化合物被亚硝酸硝化作用：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，供植盐细菌和硝酸盐细菌
19、氧化为亚硝酸盐和硝酸盐，供植物吸收利用物吸收利用反硝化作用：反硝化细菌将亚硝酸盐转变成氮气，回反硝化作用：反硝化细菌将亚硝酸盐转变成氮气，回到大气库中到大气库中第31页，讲稿共48张，创作于星期二3213.5 13.5 磷循环磷循环磷循环属典型的沉积循环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磷以不活跃的地壳作为主要贮存库磷的循环过程磷的循环过程岩石经土壤风化释放的磷酸盐和农田中施用的磷肥，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被植物吸收进入植物体内沿食物链传递，并以粪便、残体或直接以枯枝落叶、沿食物链传递，并以粪便、残体或直接以枯枝落叶、秸秆归还土壤
20、秸秆归还土壤含磷有机化合物经土壤微生物的分解，转变为可溶性的磷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。酸盐，可再次供给植物吸收利用，这是磷的生物小循环。一部分磷脱离生物小循环进入地质大循环一部分磷脱离生物小循环进入地质大循环动植物遗体在陆地表面的磷矿化动植物遗体在陆地表面的磷矿化磷受水的冲蚀进入江河，流入海洋磷受水的冲蚀进入江河，流入海洋 第32页，讲稿共48张，创作于星期二33Phosphate leaches from phosphate-rich rocks or from fertilizers and enters plan
21、ts and Phosphate leaches from phosphate-rich rocks or from fertilizers and enters plants and other producers where it is incorporated into biological molecules.These are passed other producers where it is incorporated into biological molecules.These are passed through the trophic levels.through the
22、trophic levels.BIOGEOCHEMICAL CYCLE-PHOSPHORUS第33页，讲稿共48张，创作于星期二34磷的循环磷的循环1012gP第34页，讲稿共48张，创作于星期二35一个池塘生态系统的磷循环一个池塘生态系统的磷循环第35页，讲稿共48张，创作于星期二36生态系统的磷循环第36页，讲稿共48张，创作于星期二37硫循环硫循环第37页，讲稿共48张，创作于星期二38酸雨的形成第38页，讲稿共48张，创作于星期二39ACID RAIN IN THE UNITES STATESThe most acidic rain is concentrated in the nor
23、theast,but thousands of The most acidic rain is concentrated in the northeast,but thousands of lakes in the west are also vulnerable.lakes in the west are also vulnerable.第39页，讲稿共48张，创作于星期二40ACID RAIN IN THE WORLD第40页，讲稿共48张，创作于星期二41伦敦烟雾事件伦敦烟雾事件伦敦伦敦19521952年年2 2月月5 5日到日到8 8日，雾大无风，日，雾大无风，家庭和工厂排出的烟尘经久
24、不散，大气家庭和工厂排出的烟尘经久不散，大气中中SOSO2 2含量含量3.83.8毫克毫克/立方米，烟尘立方米，烟尘4.54.5毫克，居民普遍呼吸困难、咳嗽、喉痛、毫克，居民普遍呼吸困难、咳嗽、喉痛、呕吐和发烧，呕吐和发烧，4 4天内死亡约天内死亡约40004000人人第41页，讲稿共48张，创作于星期二42有毒有害物质循环有毒有害物质循环有毒有害物质循环：对有机体有毒有害有毒有害物质循环：对有机体有毒有害物质进入生态系统后，沿着食物链在生物质进入生态系统后，沿着食物链在生物体内富集或被分解的过程物体内富集或被分解的过程生物放大作用：某些物质当他们沿食物生物放大作用：某些物质当他们沿食物链移动
25、时，既不被呼吸消耗，又不容易链移动时，既不被呼吸消耗，又不容易被排泄，而是浓集在有机体的组织中，被排泄，而是浓集在有机体的组织中，这一现象称为生物放大作用这一现象称为生物放大作用 第42页，讲稿共48张，创作于星期二43有毒有害物质循环的实例有毒有害物质循环的实例DDTDDTDDTDDT是人工合成的有机氯杀虫剂是人工合成的有机氯杀虫剂DDTDDT不溶于水，而溶于脂肪，极易通过食物链而浓集不溶于水，而溶于脂肪，极易通过食物链而浓集DDTDDT通过食物链进入动物体后，使钙代谢功能丧失，从而使通过食物链进入动物体后，使钙代谢功能丧失，从而使鸟类蛋壳变薄，雌鸟孵卵时将蛋压破，从而使禽类的数量减鸟类蛋壳
26、变薄，雌鸟孵卵时将蛋压破，从而使禽类的数量减少少危害危害消灭害虫的同时，无选择地将益虫、益鸟和害虫的天敌杀消灭害虫的同时，无选择地将益虫、益鸟和害虫的天敌杀死死如美国加利福尼亚州，由于滥用如美国加利福尼亚州，由于滥用DDTDDT，19671967年有年有19%19%的的蜜蜂被杀死，导致水果和蜂蜜急剧减产蜜蜂被杀死，导致水果和蜂蜜急剧减产第43页，讲稿共48张，创作于星期二44BIOMAGINIFICATION OF DDT第44页，讲稿共48张，创作于星期二45BIOMAGINIFICATION OF DDTBIOMAGINIFICATION OF DDT水体中的水体中的DTTDTT浓度约为浓
27、度约为0.00005ppm 0.00005ppm 浮游生物浮游生物 0.04 ppm0.04 ppm刚毛藻刚毛藻 0.08 ppm0.08 ppm网茅网茅 0.33 ppm0.33 ppm螺螺 0.26 ppm 0.26 ppm 蛤蛤 0.42 ppm 0.42 ppm 鱼鱼 1.24 ppm1.24 ppm燕鸥燕鸥 3.42 ppm3.42 ppm河鸥幼体河鸥幼体 55.3 ppm 55.3 ppm 成体成体18.5 ppm18.5 ppm秋沙鸭秋沙鸭 22.8 ppm22.8 ppm鹭鸟鹭鸟 26.4 ppm26.4 ppm银鸥银鸥 75.5 ppm75.5 ppm第45页，讲稿共48张，
28、创作于星期二46汞汞日本一家工厂把含汞的未加处理的废气废渣排入水日本一家工厂把含汞的未加处理的废气废渣排入水俣湾，汞进入鱼虾体内，经食物链传递到人体内积俣湾，汞进入鱼虾体内，经食物链传递到人体内积存，引起甲基汞慢性中毒存，引起甲基汞慢性中毒19531953年开始出现发病，病人手脚麻木，听觉失灵，年开始出现发病，病人手脚麻木，听觉失灵，运动失调，严重时呈疯癫状态，直至死亡，人称水运动失调，严重时呈疯癫状态，直至死亡，人称水俣病俣病水俣湾中螃蟹体内含汞水俣湾中螃蟹体内含汞24ppm24ppm，受害人肾中含，受害人肾中含14ppm14ppm，而鱼的允许水平为，而鱼的允许水平为0.5ppm0.5ppm第46页，讲稿共48张，创作于星期二47关于持久性有机污染物的斯德哥尔摩公关于持久性有机污染物的斯德哥尔摩公约约（POPs公约公约，2004.5）首批列入公约受控名单的POPs有12种，分别为滴滴涕、六氯苯、氯丹、灭蚁灵、毒杀酚、艾氏剂、狄氏剂、异狄氏剂、七氯、多氯联苯、多氯代二苯并二恶英(下称“二恶英”)和多氯代二苯并呋喃(下称“呋喃”)第47页，讲稿共48张，创作于星期二感谢大家观看第48页，讲稿共48张，创作于星期二