生态学教学课件.精.ppt
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1、生态学教学课件.第1页,本讲稿共68页第四章第四章 农业生态系统的物流农业生态系统的物流1物流也和能流一样,是物流也和能流一样,是生态系统的基本功能生态系统的基本功能之一。之一。2有机体和生态系统为了生存与发展,除了不断输入能量外,有机体和生态系统为了生存与发展,除了不断输入能量外,还须不断输入物质,还须不断输入物质,因此物质既是生命活动的物质基础,又是因此物质既是生命活动的物质基础,又是能量和信息的载体,起着双重作用能量和信息的载体,起着双重作用。3能量和物质是同时沿着食物链流动和传递的。但能量能量和物质是同时沿着食物链流动和传递的。但能量流动是单方向的,是一个不断耗散的过程;而流动是单方向
2、的,是一个不断耗散的过程;而物质流动则物质流动则是循环的是循环的。生态系统中的生产者通过根系从土壤中吸收矿物质和水分,生态系统中的生产者通过根系从土壤中吸收矿物质和水分,由叶片吸收由叶片吸收CO2,以太阳能为动力合成有机物质,然后沿着食,以太阳能为动力合成有机物质,然后沿着食物链移动。在每次物质转移中都有物质丢失,但丢失的部分都物链移动。在每次物质转移中都有物质丢失,但丢失的部分都将回到环境,被植物重新吸收将回到环境,被植物重新吸收.利用。因此物质是可以循环的,利用。因此物质是可以循环的,并且是周而复始地被利用。并且是周而复始地被利用。退出退出主目录主目录主菜单主菜单第2页,本讲稿共68页第四
3、章第四章 农业生态系统的物流农业生态系统的物流 4 41 1 基本概念和原理基本概念和原理 4 42 2 几种重要物质的循环几种重要物质的循环 4 44 4 物质循环的环境问题物质循环的环境问题 4 44 4 农业生态系统养分循环与平衡农业生态系统养分循环与平衡退出退出主目录主目录主菜单主菜单第3页,本讲稿共68页441 1 基本概念和原理基本概念和原理一、生物地球化学循环(一、生物地球化学循环(Biogechemical cycles)二、物质循环的库(二、物质循环的库(pool)、流(、流(Flow)三、周年率与周转期三、周年率与周转期四、循环效率四、循环效率退出退出主目录主目录主菜单主菜
4、单第4页,本讲稿共68页4-1-1 4-1-1 生物地球化学循环生物地球化学循环一、生物地球化学循环(生物地球化学循环(Biogeochemical cycles)(一)概念:(一)概念:各种化学元素,包括原生质中必不可少的营养物质,各种化学元素,包括原生质中必不可少的营养物质,在生态系统乃至生物圈里,沿着特定的途径从周围环境在生态系统乃至生物圈里,沿着特定的途径从周围环境到生物体,再从生物体到环境,不断地进行流动和循环,到生物体,再从生物体到环境,不断地进行流动和循环,这些不同的循环途径就构成了生物地球化学循环。这些不同的循环途径就构成了生物地球化学循环。(二)类型:(二)类型:1根据物质循
5、环的范围、路线和周期不同,可分为根据物质循环的范围、路线和周期不同,可分为:退出退出主目录主目录主菜单主菜单返回返回第5页,本讲稿共68页4-1-1 4-1-1 生物地球化学循环生物地球化学循环(1)地质大循环:物质和元素经生物体的吸收作用,从环境进)地质大循环:物质和元素经生物体的吸收作用,从环境进入有机体内,然后生物以死体、残体、排泄物等形式返回环境,入有机体内,然后生物以死体、残体、排泄物等形式返回环境,进入五大自然圈的循环。进入五大自然圈的循环。大气圈大气圈 水水 圈圈 五大自然圈五大自然圈 土壤圈土壤圈 岩石圈岩石圈 生物圈生物圈退出退出主目录主目录主菜单主菜单返回返回第6页,本讲稿
6、共68页4-1-1 4-1-1 生物地球化学循环生物地球化学循环特特点点:时时间间长长、范范围围广广,影影响响面面广广,具具有有全全球球性性质,是闭合性循环。质,是闭合性循环。(几几百百年年、几几千千年年、几几百百万万年年,甚甚至至上上亿亿年年),如如:大大气气中中的的CO2通通过过生生物物圈圈的的光光合合和和呼呼吸吸作作用用约约好好400年循环一次。年循环一次。O2通过生物代谢,约通过生物代谢,约2000年循环一次。年循环一次。水水圈圈(包包括括占占地地球球表表面面71%71%的的海海洋洋)中中的的水水,通通过过生生物物圈圈的的吸吸收收、排排泄泄、蒸蒸腾腾,每每当当200200万万年年才循环
7、一次。才循环一次。至至于于由由岩岩石石土土壤壤圈圈风风化化出出的的矿矿物物元元素素循循环环一一次次则需要更长的时间,甚至要经过几亿年。则需要更长的时间,甚至要经过几亿年。退出退出主目录主目录主菜单主菜单返回返回第7页,本讲稿共68页4-1-1 4-1-1 生物地球化学循环生物地球化学循环(2 2)生物小循环:)生物小循环:是是指指环环境境中中元元素素经经生生物物体体吸吸收收,在在生生命命系系统统中中被被相相继继利利用用,然然后后经经分分解解者者分分解解成成无无机机态态进进入入环环境境,再再次次为为生生产产者者吸收利用。吸收利用。特特点点:在在一一个个系系统统内内进进行行,范范围围小小、时时间间
8、短短、速速度度快快,是开放式的循环。是开放式的循环。2 2根根据据循循环环主主要要是是与与大大气气圈圈,还还是是与与岩岩石石土土壤壤或或水水圈圈联联系系划划分分(根根据据物物质质在在五五大大自自然然库库的的库库存存量量的的主主次次、大大小小和固定的时间长短)和固定的时间长短)退出退出主目录主目录主菜单主菜单返回返回第8页,本讲稿共68页4-1-1 4-1-1 生物地球化学循环生物地球化学循环(1 1)气体型()气体型(Gaseous typesGaseous types):其其贮贮存存库库在在大大气气中中。元元素素或或化化合合物物可可以以转转化化为为气气体体形形式式,通通过过大大气气进进行行扩
9、扩散散,弥弥漫漫于于陆陆地地或或海海洋洋上上,在在很很短短时时间间内内又又可可被被植植物物重重新新利利用用。如如C C、N N、O O等等由由于于有有巨巨大大的的大大气气储储存存库库。对对于于干干扰扰可可相相当当快快地地进进行行自自我我调调节节。因因此此,从全球意义上看,这类循环是比较完全的循环。从全球意义上看,这类循环是比较完全的循环。(2 2)沉积型()沉积型(Sedimentary typesSedimentary types)其贮存库在地壳里。经风化作用从陆岩石缓慢释放的某些化合物或元其贮存库在地壳里。经风化作用从陆岩石缓慢释放的某些化合物或元素被植物吸收,参与生命物质的形成并沿食物链
10、运转,然后动植物有机体素被植物吸收,参与生命物质的形成并沿食物链运转,然后动植物有机体经微生物的分解作用又将元素返回环境,除一部分保持在土壤中供植物吸经微生物的分解作用又将元素返回环境,除一部分保持在土壤中供植物吸收利用外,一部分以溶液或沉积物状态随流水进入海洋,经沉降,淀积和收利用外,一部分以溶液或沉积物状态随流水进入海洋,经沉降,淀积和成岩作用变成岩石,当岩石被抬升并遭受风化作用时,该循环才算完成。成岩作用变成岩石,当岩石被抬升并遭受风化作用时,该循环才算完成。这类循环是是缓慢的,倾向于不完全的循环,并且容易被局部干扰所破坏。这类循环是是缓慢的,倾向于不完全的循环,并且容易被局部干扰所破坏
11、。如如P P、S S、CaCa、I I、K K、NaNa等循环。等循环。退出退出主目录主目录主菜单主菜单返回返回第9页,本讲稿共68页4-1-2 4-1-2 物质循环的库与流物质循环的库与流二、物质循环的库二、物质循环的库(Pool)(Pool)、流(、流(FlowFlow)1 1流流(flow)(flow)生态系统中的能量和物质不是静止不动的,而是不断地流动着。生态系统中的能量和物质不是静止不动的,而是不断地流动着。能量和物质通过食物链形成的转移运动状态,能量和物质通过食物链形成的转移运动状态,称为称为流流。生态系统中主要的流有生态系统中主要的流有物质流、能量流和信息流物质流、能量流和信息流
12、。农农业业生生态态系系统统要要获获得得高高的的生生产产力力,就就要要使使系系统统内内的的能能量量和和物物质质的的流量大,流速快且畅通无阻流量大,流速快且畅通无阻。退出退出主目录主目录主菜单主菜单返回返回第10页,本讲稿共68页4-1-2 4-1-2 物质循环的库与流物质循环的库与流 2库(库(poolpool)生生态态系系统统中中能能量量和和物物质质在在运运动动过过程程中中被被暂暂时时固固定定、贮贮存存的的场场所所,称为称为库库。生态系统的各组分都是物质循环的库。生态系统的各组分都是物质循环的库。农农业业生生态态系系统统中中主主要要有有植植物物库库(农农作作物物、蔬蔬菜菜、果果树树、林林木木、
13、牧草等),牧草等),动物库动物库(畜、禽,虫等)(畜、禽,虫等)土壤库、大气库和水体库土壤库、大气库和水体库。库存库存(S S)-库在某一时刻所贮存的某一化学元素的数量。库在某一时刻所贮存的某一化学元素的数量。物质循环的库在生物地球化学循环可分为两大类:物质循环的库在生物地球化学循环可分为两大类:贮存库:(贮存库:(Reservoir poolReservoir pool)容积大,活动缓慢)容积大,活动缓慢 一般为环境库。一般为环境库。交换库:(交换库:(Exchange poolExchange pool)容积小,与外界进行)容积小,与外界进行 物质交换比较活跃,一般为生物成分。物质交换比较
14、活跃,一般为生物成分。退出退出主目录主目录主菜单主菜单返回返回第11页,本讲稿共68页4-1-2 4-1-2 物质循环的库与流物质循环的库与流 4库与流的作用及相互关系库与流的作用及相互关系(1 1)没有库,环境资源不能被吸收,固定,转化为各种产物。没有库,环境资源不能被吸收,固定,转化为各种产物。(2 2)没有流,库与库之间不能联系与沟通,则物质循环阻塞,没有流,库与库之间不能联系与沟通,则物质循环阻塞,生物无以维持,生态系统也将瓦解。生物无以维持,生态系统也将瓦解。(3)库的吸收,固定和贮存的能力,不仅决定于生物种群的特性,也)库的吸收,固定和贮存的能力,不仅决定于生物种群的特性,也决定于
15、循环。决定于循环。(4)农业生态系统中,生物种群所具有的捕获、吸收和转化能量与物)农业生态系统中,生物种群所具有的捕获、吸收和转化能量与物质的性能和效率,决定了流的数量和速度,也决定了能量和物质在生质的性能和效率,决定了流的数量和速度,也决定了能量和物质在生物种群之间的分配的定量关系。物种群之间的分配的定量关系。(5)一个高效的生态系统,必须是库容量大,流动畅通。)一个高效的生态系统,必须是库容量大,流动畅通。退出退出主目录主目录主菜单主菜单返回返回第12页,本讲稿共68页4-1-3 4-1-3 周转期与周转率周转期与周转率三、周转率与周转期衡量物质流动效率的指标三、周转率与周转期衡量物质流动
16、效率的指标 输入(输入(FI)1流通率(流通率(flow rate):单位时间):单位时间 内出入库的物质流量内出入库的物质流量 输出(输出(FO)2周转率:系统达到稳定状态后,流通率(周转率:系统达到稳定状态后,流通率(FI或或FO)与库存(与库存(S)的比例。)的比例。RFS 3周转期:周转率的倒数,表示该库的全部物质全部更换周转期:周转率的倒数,表示该库的全部物质全部更换一次平均需要的时间。一次平均需要的时间。TSF四、循环效率:循环物质占总输入物质的比例四、循环效率:循环物质占总输入物质的比例 ECFCFI退出退出主目录主目录主菜单主菜单返回返回第13页,本讲稿共68页42 几种重要物
17、质的循环一、碳循环二、氮循环三、磷循环四、水循环五、硫循环退出退出主目录主目录主菜单主菜单第14页,本讲稿共68页4-2-1 4-2-1 碳循环碳循环一、碳循环一、碳循环(一)概况(一)概况1C Cycle是是所所有有养养分分循循环环中中最最简简单单的的一一种种,但但对对生生命命的的意意义义却却是是十十分分重重要要的的。C是是有有机机物物的的基基本本成成分分,占占干干重重的的49。2C的来源是的来源是CO2 0.14为为CO2 无机态占大部分无机态占大部分 地壳沉积物中地壳沉积物中地球上总碳量为地球上总碳量为 26 1015吨吨 化石化石64:煤、石油、碳:煤、石油、碳 有机态有机态 有机残体
18、占有机残体占42:土壤和:土壤和 占占0.15 水中水中 生物体成分占生物体成分占4退出退出主目录主目录主菜单主菜单返回返回第15页,本讲稿共68页4-2-1 4-2-1 碳循环碳循环(二)(二)C Cycle基本过程基本过程 C Cycle是从光合作用固定空气中的是从光合作用固定空气中的CO2开始的。开始的。1大气库与生物组分之间的循环大气库与生物组分之间的循环(1)特点:)特点:这是一生物过程这是一生物过程 属于气相循环属于气相循环退出退出主目录主目录主菜单主菜单返回返回第16页,本讲稿共68页4-2-1 4-2-1 碳循环碳循环(2)过程过程CO2通过绿色植物的光合作通过绿色植物的光合作
19、用进入生态系统,用进入生态系统,CO2和和水形成水形成CH2O,然后在系,然后在系统中流动,其流动途径:统中流动,其流动途径:沿食物链传递:这种过沿食物链传递:这种过程是最理想的,程是最理想的,C一直在一直在生态系统的生物组分中。生态系统的生物组分中。生物的呼吸作用,使生物的呼吸作用,使CO2返回到大气返回到大气。退出退出主目录主目录主菜单主菜单返回返回第17页,本讲稿共68页4-2-1 4-2-1 碳循环碳循环2大气与海洋间的交换大气与海洋间的交换(1)特特点点:这这是是一一自自然然过过程程,生生物物不不能能控控制制。海海洋洋溶溶解解的的COCO2 2是是大大气气库库中中COCO2 2的的5
20、050倍倍,因因而而海海洋洋对对大大气气中中的的COCO2 2 具有缓冲机制。具有缓冲机制。(2)过程:)过程:3沉积循环:沉积循环:(1)特特点点:这这是是一一自自然然过过程程这这种种途途径径C C素素经经化化石石、石石灰灰岩岩或或油油页页岩岩等等固固态态过过程程,有有相相当当长长一一段段时时间间离离开开了了气气相相循循环环,离离开开了了生生物物圈圈,进进入入了了地地质质大大循循环环。这是自然界最大一个库。这是自然界最大一个库。(2)过程)过程退出退出主目录主目录主菜单主菜单返回返回第18页,本讲稿共68页4-2-1 4-2-1 碳循环碳循环4人类活动的干预人类活动的干预 在在空空气气中中,
21、CO20.04,但但自自第第二二次次工工业业革革命命(1850年年)后后,人人类类大大量量砍砍伐伐森森林林、开开采采化化石石燃燃料料,从从而而将将几几百百万万年年前前被被光光合合作作用用固固定定的的C通通过过燃燃烧烧又又释释放放到到大大气气中中。据据统统计计每每年年燃燃烧烧矿矿石石释释放放到到大大气气中中的的CO2约约5060亿亿吨吨,虽虽然然大大部部分分被被海海洋洋吸吸收收而而缓缓冲冲,但但仍仍有有14保保留留在在大大气气中中,使使大大气气CO2逐逐年年上上升升。过过去去一一百百年年,280 mol.molmol.mol-1-1 355 mol.molmol.mol-1-1。由由于于CO2对
22、对红红外外线线有有强强烈烈的的吸吸收收作作用用,因因此此CO2的的增增加加将将产产生生“温温室室效效应应”。虽虽然然CO2有有利利于于光光合合作作用用增增强强,但但也也导导致致全全球球近近地地表表温温度度升升高高,这这对对全全球球的的气气候候,大气环境。降雨大气环境。降雨等将产生一系列不利于人类的影响。等将产生一系列不利于人类的影响。退出退出主目录主目录主菜单主菜单返回返回第19页,本讲稿共68页4-2-1 4-2-1 碳循环碳循环(三)农业生态系统的碳流的问题(三)农业生态系统的碳流的问题1养分循环的两种控制:养分循环的两种控制:1)生物控制:通过食物链控制)生物控制:通过食物链控制2)人为
23、控制:通过食物输入、产品输出等控制)人为控制:通过食物输入、产品输出等控制2农业生态系统的良性循环要求促进和保护生物控制农业生态系统的良性循环要求促进和保护生物控制这就面临两个选择:动植物残体的去向这就面临两个选择:动植物残体的去向(1)肥料:提高地力(以有机物形式返回土壤)肥料:提高地力(以有机物形式返回土壤)退出退出主目录主目录主菜单主菜单返回返回第20页,本讲稿共68页4-2-1 4-2-1 碳循环碳循环(2)燃料:以)燃料:以CO2形式返回大气形式返回大气土壤有机质数量不足土壤有机质数量不足土壤微生物土壤微生物C C源不足源不足土壤有机质含量土壤有机质含量 地力衰退。地力衰退。燃料燃料
24、发展中国家,因人口多耕地少,大量砍伐森林发展中国家,因人口多耕地少,大量砍伐森林 耕地耕地 沙漠化(沙漠化(Negro)毁林的结果毁林的结果 地力下降、广种薄收地力下降、广种薄收因因此此必必须须提提供供辅辅助助能能源源为为生生活活能能源源,同同时时大大力力控控制制人人口口数量解决粮食,耕地问题。数量解决粮食,耕地问题。退出退出主目录主目录主菜单主菜单返回返回第21页,本讲稿共68页4-2-2 4-2-2 氮循环氮循环二、氮循环二、氮循环(一)概况(一)概况1N是生物体中是生物体中Aa、protein、Chl-、DNA、RNA中不可缺少中不可缺少的元素。的元素。2N的的主主要要库库存存是是大大气
25、气主主要要是是气气态态循循环环。以以N2的的单单质质形形式式存存在在。在在大大气气中中占占79,总总贮贮量量约约48 106亿亿吨吨,但但不不可可被被植植物物直直接利用,必须通过固接利用,必须通过固N作用。作用。(二)(二)N循环基本过程循环基本过程1固氮作用是气态循环的重要机制固氮作用是气态循环的重要机制退出退出主目录主目录主菜单主菜单返回返回第22页,本讲稿共68页4-2-2 4-2-2 氮循环氮循环(1)生物固)生物固N:每年:每年175 106吨吨 固固N生物:根瘤菌生物:根瘤菌 蓝绿藻蓝绿藻 农农业业上上利利用用根根瘤瘤菌菌较较多多,占占全全部部生生物物固固N的的40左左右右,因因此
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