成考专升本生态学：第五章生态系统复习资料及同步练习第三节

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第五章生态系统

复习内容

第三节生态系统的物质循环

一、生物地球化学循环

生物地球化学循环是指各种化学元素在不同层次、不同大小的生态系统内，乃至生物圈里，沿着特定的途径从环境到生物体，又从生物体再回归到环境，不断地进行着流动和循环的过程。

1．生物地球化学循环的库

库是由存在于生态系统某些生物或非生物成分中一定数量的某种化合物所构成的。对于某一

种元素而言，存在一个或多个主要的蓄库。在库里，该元素的数量远远超过正常结合在生命系统中的数量，并且通常只能缓慢地将该元素从蓄库中放出。物质在生态系统中的循环实际上是在库与库之间彼此流通的。在一个具体的水生生态系统中，磷在水体中的含量是一个库，在浮游生物体内的磷含量是第二个库，而在底泥中的磷含量又是另一个库，磷在库与库之间的转移(浮游生物对水中磷吸收以及生物死亡后残体下沉到水底，底泥中的磷又缓慢释放到水中)就构成了该生态系统中的磷循环。

  2．生物地球化学循环的速度

  为了表现物质循环的快慢，常用周转率和周转期两个重要指标。周转率是指系统达到稳定状态后，某一组分中的物质在单位时间内所流出的量或流入的量占库存总量的分数值。周转期是库中物质全部更换平均需要的时间，也是周转率的倒数。物质的周转率用于生物库的更新称为更新率。

某段时间末期，生物的现存量相当于库存量；在该段时间内，生物的生长量相当于物质的输入量。不同生物的更新率相差悬殊，一年生植物当生育期结束时的生物的最大现存量与年生长量大体相等，更新率接近l，更新期为1年。森林的现存量是经过几十年甚至几百年积累起来的，所以比年净生产量大得多。如某一森林的现存量为324t／hm²，年净生产量为28．6t／hm²，其更新率为28．6／324，即0．088，更新期约11．3年。至于浮游生物，由于代谢率高，生物现存量常常是很低的，但却有着较高的年生产量，如某一水体中浮游生物的现存量为0．07t／hm²，年净生产量为4．1t／hm²，其更新率为4．1／

0．07，即59，更新期只有6．23天。

  3．生物地球化学循环的基本形式。

  物质的不断循环是实现物质流平衡的基础，生物地球化学循环根据物质循环的范围不同分为地球化学循环(地质大循环)和生物循环(生物小循环)两种基本形式。

地球化学循环，是指化合物或元素经生物体的吸收作用，从环境进入生物有机体内，然后生物有机体以死体、残体或排泄物形式将物质或元素返回环境，经过五大自然圈循环后，再被生物利用的过程。

五大自然圈是指大气圈、水圈、岩石圈、土壤圈和生物圈。地球化学循环的时间长，范围广，是闭合式的循环。

生物循环，是指环境中的元素经生物体吸收，在生态系统中被相继利用，然后经过分解者的作用，再为生产者吸收、利用。生物循环的时间短、范围小，是开放式的循环。

  4．生物地球化学循环的类型

  生物地球化学循环可分为三大类型，即水循环、气体型循环和沉积型循环。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，生命也将难以维持。在气体循环中，物质的主要储存库是大气和海洋，循环与大气和海洋密切相联，具有明显全球性，循环性能最为完善。凡属于气体型循环的物质，其分子或某些化合物常以气体的形式参与循环过程。

属于这一类的物质有氧、二氧化碳、氮、氯、溴、氟等。气体循环速度比较快，物质来源充沛，不会枯竭。主要蓄库与岩石、土壤和水相联系的是沉积型循环，如磷、硫循环。沉积型循环速度比较慢，参与沉积型循环的物质，其分子或化合物主要是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，而海底沉积物转化为岩石圈成分则是一个相当长的、缓慢的、单向的物质转移过程，时间要以千年来计。这些沉积型循环物质的主要储库在土壤、沉积物和岩石中，而无气体状态，因此这类物质循环的全球性不如气体型循环，循环性能也很不完善。属于沉积型循环的物质有：

磷、钙、钾、钠、镁、锰、铁、铜、硅等，其中磷是较典型的沉积型循环物质，它从岩石中释放出来，最终又沉积在海底，转化为新的岩石。

气体型循环和沉积型循环虽然各有特点，但都受能流的驱动，并都依赖于水循环。

生态系统中的物质循环，在自然状态下，一般处于稳定的平衡状态。也就是说，对于某一种物质，在各主要库中的输入和输出量基本相等。

大多数气体型循环物质如碳、氧和氮的循环，由于有很大的大气蓄库，它们对于短暂的变化能够进行迅速的自我调节。例如，由于燃烧化石燃料，使当地的二氧化碳浓度增加，则通过空气的运动和绿色植物光合作用对二氧化碳吸收量的增加，使其浓度迅速降低到原来水平，重新达到平衡。硫、磷等元素的沉积物循环则易受人为活动的影响，这是因为与大气相比，地壳中的硫、磷蓄库比较稳定和迟钝，因此不易被调节。所以，如果在循环中这些物质流入蓄库中，则它们将成为生物在很长时间内不能利用的物质。

生物地球化学循环的过程研究主要是在生态系统水平和生物圈水平上进行的。

在局部的生态系统中，可选择一个特定的物种，研究它在某种营养物质循环中的作用，近年来，对许多大量元素在整个生态系统中的循环已进行了不少研究，重点是研究这些元素在整个生态系统中输入和输出以及在生态系统中主要生物和非生物成分之间的交换过程。

如在生产者、消费者和分解者等各个营养级之间以及与环境的交换。生物圈水平上的生物地球化学循环研究，主要研究水、碳、氧、磷、氮等物质或元素的全球循环过程。由于这类物质或元素对于生命的重要性，以及人类在生物圈水平上对生物地球化学循环的影响，使这些研究更为必要。这些物质的循环受到干扰后，将会对人类本身产生深远的影响。

二、主要物质的生物地球化学循环

1．碳循环

碳对生物和生态系统的重要性仅次于水，它构成生物体重量(干重)的49％。同构成生物的其他元素一样，碳不仅构成生命物质，而且也构成各种非生命化合物。在碳的循环中我们更加强调非生命化合物的重要性，因为最大量的碳被固结在岩石圈中，其次是在化石燃料(石油和煤等)中，这是地球上两个最大的碳储存库，约占碳总量的99．9％，仅煤和石油中的含碳量就相当于全球生物体含碳量的50倍!在生物学上有积极作用的两个碳库是海洋和大气圈(主要以C0₂的形式)。

植物通过光合作用，将大气中的二氧化碳固定在有机物中，包括合成多糖、脂肪和蛋白质，而贮存于植物体内。食草动物吃了以后经消化合成，通过一个一个营养级，再消化再合成。在这个过程中，部分碳又通过呼吸作用回到大气中；另一部分成为动物体的组分，动物排泄物和动植物残体中的碳，则由微生物分解为二氧化碳，再回到大气中。

自然生态系统中，植物通过光合作用从大气中摄取碳的速率与通过呼吸和分解作用而把碳释放到大气中的速率大体相同。由于植物的光合作用和生物的呼吸作用受到很多地理因素和其他因素的影响，所以大气中的二氧化碳含量有着明显的日变化和季节变化。例如，夜晚由于生物的呼吸作用，可使地面附近的二氧化碳的含量上升，而白天由于植物在光合作用中大量吸收二氧化碳，可使大气中二氧化碳含量降到平均水平以下；夏季植粝的光合作用强烈，因此，从大气中所摄取的二氧化碳超过了在呼吸和分解过程中所释放的二氧化碳，冬季正好相反，其浓度差可达0．02％。

除了大气，碳的另一个储存库是海洋，它的含碳量是大气的50倍，更重要的是海洋对于调节大气中的含碳量起着重要的作用。在水体中，同样由水生植物将大气中扩散到水上层的二氧化碳固定转化为糖类，通过食物链经消化合成，再消化再合成，各种水生动植物呼吸作用又释放二氧化碳到大气中。动植物残体埋入水底，其中的碳都暂时离开循环。但是经过地质年代，又可以以石灰岩或珊瑚礁的形式再露于地表；岩石圈中的碳也可以借助于岩石的风化和溶解、火山爆发等重返大气圈。

有部分则转化为化石燃料，燃烧过程使大气中的二氧化碳含量增加。

二氧化碳在大气圈和水圈之间的界面上通过扩散作用而相互交换。二氧化碳的移动方向，主要决定于在界面两侧的相对浓度，它总是从高浓度的一侧向低浓度的一侧扩散。借助于降水过程，二氧化碳也可进入水体。lL雨水中大约含有0．3mL的L2氧化碳。

在土壤和水域生态系统中，溶解的二氧化碳可以和水结合形成碳酸，这个反应是可逆的，反应进行的方向取决于参加反应的各成分的浓度。碳酸可以形成氢离子和碳酸氢根离子，而后者又可以进一步离解为氢离子和碳酸根离子。由此可以预见，如果大气中的-2氧化碳发生局部短缺，就会引起一系列的补偿反应，水圈中的二氧化碳就会更多地进入大气圈中；

同样，如果水圈中的22氧化碳在光合作用中被植物利用耗尽，也可以通过其他途径或从大气中得到补偿。总之，碳在生态系统中的含量过高或过低都能通过碳循环的自我调节机制而得到调整，并恢复到原有水平。大气中每年大约有l×10¹¹t的二氧化碳进入水体，同时水中每年也有相同数量的二氧化碳进人大气中，在陆地和大气之间，碳的交换也是平衡的，陆地的光合作用每年大约从大气中吸收l．5×10¹⁰t碳，植物死后被分解约可释放出l．7×10⁹t碳，森林是碳的主要吸收者，每年约可吸收3．6×10⁹t碳。因此，森林也是生物碳的主要贮库，约库存482×10⁹t碳，这相当于目前地球大气中含碳量的2／3。

碳循环是具有较强的自我调节机制的循环，由于人类活动的强烈影响，也有明显的变化，主要是大气中二氧化碳浓度的增加。大气中二氧化碳浓度上升的原因主要是陆地上大面积的毁林开荒所导致的土壤有机物质分解，秸杆燃烧，以及50年代以后大量开发化石能源。除二氧化碳外，大气中甲烷和一氧化碳含量也不断增加。大气中二氧化碳浓度上升的直接后果是全球变暖，也就是我们常说的温室效应。

温室效应一直是全球密切关注的课题，因为它对于生态环境和人类健康都将产生重大影响，如显著地改变全球气候，包括气温、降雨量和极端气候模式的改变。全球变暖并不是均匀分布，预测北半球高纬度陆地地区气温增加最多，赤道增加最少，从而使现在的全球性的大气运动形式发生重大变异，直接后果是世界的降水区域发生大的变化，如现在雨量丰富地区降水变少，而降雨少的会增加，从而影响世界水资源的分布。气候变暖会使海平面上升并危及到沿海地区的大城市、港口以及淹没一些国家和地区。

气候变暖会改变世界的粮食生产体系，因为二氧化碳浓度增加的直接生态效应趋向增加生产率，温度与降雨量的变化对产业产生影响，延长北部地区生长季节，但多种因素综合作用，很难预测出二氧化碳引起变化的范围和程度，有些国家和地区会有收益，而有些会有损失，普遍的预测是可能减少全球的粮食，因为温度的上升和生长季节的延长，会使许多粮食害虫在一生中多繁殖1～3代，害虫在新的有利环境之中的指数增长，会使防治更加困难，损失更大。

此外，气候变化容易使人类疾病流行，如引起皮肤癌、白内障、免疫系统控制紊乱以及患心血管疾病等，直接间接危害人类健康。总之，它的危害很大，要严格控制它的排放。

  2．氮循环

  氮是构成生物蛋白质和核酸的主要元素，因此它与碳、氢、氧一样在生物学上具有重要的意义。

氮的生物地化循环过程非常复杂，循环性能极为完善。氮的循环与碳的循环大体相似，但也有明显差别。虽然生物所生活的大气圈，其含氮量(79％)比含二氧化碳量(0．03～0．04％)要高得多，但是氮的气体形式(N₂)只能被极少数的生物所利用。虽然所有的生物都要以代谢产物的形式排出碳和氮，但几乎从不以N₂的形式排放含氮废物。在各种营养物质的循环中，氮的循环实际上是牵连生物最多和最复杂的，这不仅是因为含氮的化合物很多，而且在氮循环的很多环节上都有特定的微生物参加。

虽然大气化学成分中氮的含量非常丰富，有78％为氮，然而氮是一种惰性气体，植物不能够直接利用。因此，大气中的氮对生态系统来讲，不是决定性库。必须通过固氮作用将游离氮与氧结合成为硝酸盐或亚硝酸盐，或与氢结合成氨，才能为大部分生物所利用，参与蛋白质的合成。因此，氮被固定后，才能进入生态系统，参与循环。

大气中的氮被固定的途径有三种：

一是通过闪电、宇宙射线、陨石、火山爆发活动的高能固氮，其结果形成氨或硝酸盐，随着降雨到达地球表面。据估计，通过高能固定的氮大约为8．9kg／(hm²．a)。

二是工业固氮，这种固氮形式的能力已越来越大。20世纪80年代初全世界工业固氮能力已为3×10 ⁷t，到20世纪末，可达l×10⁸t。

第三条途径，也是最重要的途径是生物固氮，大约为l00—200kg／(hm²·a)，大约占地球固氮的90％。能够进行固氮的生物主要是固氮菌，与豆科植物共生的根瘤菌和蓝藻等自养和异养微生物。

在潮湿的热带雨林中生长在树叶和附着在植物体上的藻类和细菌也能固定相当数量的氮，其中一部分固定的氮为植物本身所利用。

氮被固定后，以硝酸盐、铵盐的形式进入土壤，被植物吸收，与植物体中的碳结合形成氨基酸，进而合成蛋白质、核酸，成为植物体重要组成部分。当植物被动物采食后，氮随之转入并结合在动物体中。

动物体内的蛋白质经代谢作用产生含氮废物，如尿素、尿酸等而排出体外，这些含氮排泄物及动植物尸体经微生物分解又可转变成氨，氨经亚硝化细菌(亚硝化单胞菌属)作用而形成亚硝酸盐，再经硝化细菌(硝化杆菌属)作用而形成硝酸盐。尿素、铵态氮及硝酸盐都可再度被植物吸收利用，构成一次生物小循环。土壤中有相当数量的硝酸盐会被反硝化细菌(一些细菌、真菌和蓝细菌)所作用，其中的氮被还原为气态的氧化亚氮和分子氮而返回大气，这个过程叫反硝化作用或脱氮作用。
土壤中的硝酸盐也可因降水或灌溉水的淋溶而转入地下水，一部分还会随江河流入海洋，进人海洋氮的生物小循环。在海洋所形成的含氮有机物中，一部分继续参与海洋生物小循环中的再次循环。

另一部分则沉积于海底，参加到海底的沉积物中，并就此暂时(也许几百万年)离开循环。这个损失由生物固氮和火山作用、大气闪电等的大气固氮来加以补充，从而保持了陆地氮的平衡。因此，氮循环是一个相当完全的自我调节系统。

当前，人类活动的干预对全球氮循环的影响日益增强。为了获得更多的食物，人类对氮循环的干预越来越大，主要表现在：

第一，植被改造成耕地以后，由于长期垦殖，土壤有机氮及供氮能力下降，于是不得不大量补充氮肥，使工业固氮代替生物固氮，现在全球每年产氮9000万吨，其中80％用做肥料，欧洲平均每公顷施氮l23公斤。人工合成氮成本不低，如我国每生产1公斤碳铵需要l公斤煤为能源，而其中含氮只有17％，所以生产l公斤氮素需要6公斤煤，此外还要付出环境质量的代价。而氮肥施入土壤以后，农作物只能吸收30％～50％，其余部分流失。农田中氮肥过量，会增加径流中硝酸盐的含量和大气中氧化亚氧的含量，这是由于硝化作用和脱氮作用，把氮肥和有机物质转化为氧化亚氮，有的还进一步变成氮气。因此，使用过量的氮肥，等于从大气中取出稳定的氮气而返还一些氧化亚氮，淋失的氮肥还会污染饮用水以及水生生态系统的藻类。

第二，工业固氮的产生和发展，逐步代替生物固氮，使氮在大气圈和生物圈及其他各氮库间的流通强度加大，由此带来了能源、成本和环境问题。

第三，集约化畜牧业和城市化的发展，不但使人畜排泄物的自然循环中断，导致部分氮素的丢失，同时也使地表水、地下水中的硝酸盐含量升高，而食品和饮水中的硝酸盐也能转化成硝酸根和亚硝酸根而给人类健康带来威胁。

第四，人类在改变植被的同时，还大量燃烧燃料和矿物，从而在大气中产生的大量的N0、N₂O等氮氧化物，在阳光紫外线照射的条件下，从N02产生的原子氧与碳氢化合物起反应可以生成许多次生污染物，总称为光化学烟雾，污染都市空气，危害人体和植物的生长，还有酸雨的成因之一。

  3．磷循环

  磷是生物有机体不可缺少的重要元素。首先，磷参与了光合作用过程，没有磷也就不可能形成糖。磷是生物体内能量转化必需的元素，高能磷酸键是细胞内一切生化作用的普遍能源，如果光合作用产生的糖不随后进行磷酸化，那么，光合作用中碳的固定将是无效的。磷也是生物体遗传物质DNA的重要组成成分。另外，磷还是动物骨骼和牙齿的主要成分www.z ikaosw.com。所以，没有磷就没有生命，也不会有生态系统中的能量流动。

  磷不存在任何气体形式的化合物，所以磷是典型的沉积型循环物质。循环的起点源于岩石的风化，终于水中的沉积。由于风化侵蚀作用和人类的开采，磷被释放出来，由于降水成为可溶性磷酸盐，经由植物、草食动物和肉食动物而在生物之间流动，待生物死亡后被分解，又使其回到环境中。
溶解性磷酸盐，也可随着水流，进入江河湖海，并沉积在海底。其中一部分长期留在海里，另一些可形成新的地壳，在风化后再次进入循环。

在陆地生态系统中，含磷有机物被细菌分解为磷酸盐，其中一部分又被植物再吸收，另一些则转化为不能被植物利用的化合物。同时，陆地的一部分磷由径流进入湖泊和海洋。在淡水和海洋生态系统中，磷酸盐能够迅速地被浮游植物所吸收，而后又转移到浮游动物和其他动物体内，浮游动物每天排出的磷与其生物量所含有的磷相等，所以使磷循环得以继续进行。

浮游动物所排出的磷又有一部分是无机磷酸盐，可以为植物所利用，水体中其他的有机磷酸盐可被细菌利用，细菌又被其他的一些小动物所食用。一部分磷沉积在海洋中，沉积的磷随着海水的上涌被带到光合作用带，并被植物所吸收。因动植物残体的下沉，常使得水表层的磷被耗尽而深水中的磷积累过多。磷是可溶性的，但由于磷没有挥发性，所以，除了鸟粪和对海鱼的捕捞，磷没有再次回到陆地的有效途径。在深海处的磷沉积，只有在发生海陆变迁，由海底变为陆地后，才有可能因风化而再次释放出磷，否则就将永远脱离循环。

正是由于这个原因，使陆地的磷损失越来越大。因此，磷的循环为不完全循环，现存量越来越少，特别是随着工业的发展而大量开采磷矿加速了这种损失。据估计，全世界磷蕴藏量只能维持l00年左右，在生物圈中，磷参与循环的数量，目前正在减少，磷将成为人类和陆地生物生命活

动的限制因子。

人类活动对磷循环的影响，主要表现为土壤供磷能力因有机质分解及取走收获物而逐渐下降。

施用磷肥虽然补充了有效磷，但因磷肥来源于磷矿石，且因土壤中含有丰富的钙、铁和铵，所以大多数增施的磷肥变成不溶性的盐。况且磷矿石、磷肥中含有重金属和放射性物质，长期大量施用，会使土壤污染。从长远看，磷肥资源缺乏的限制比氮肥严重得多。故应重视从多种途径实现磷的再循环，使土壤沉积态磷进人生物循环。

还有，农业非点源磷污染对水环境的恶化有着十分显著的贡献，水体富营养化的发生与农田土壤的磷素流失有着密切的关系。20世纪70年代以来，国内外大量的研究结果表明，当发生磷富集时，水体中的藻类能够利用大气中的碳和氮而使其生产力显著地提高，而在缺磷的状态下添加碳、氮等营养元素，水体中的初级生产力却没有明显的变化。即使对于一些氮是限制因素的富营养化水体，如果采取措施削减磷的输入，使磷成为限制因素，也可起到改善水质的作用。所以通常把磷视为限制性营养元素，对它的控制能有效地减缓水体的富营养化进程。

4．水循环

(1)全球水循环

水和水循环对于生态系统具有特别重要的意义，不仅生物体的大部分是由水构成的，而且所有生命活动都离不开水，水在一个地方将岩石浸蚀，而在另一个地方将物质沉降下来，久而久之就会带来明显的地理变化，其中带有大量、多种化合物的周而复始地循环，极大地影响着各类营养物质在地球上的分布；此外，水对于能量的传递和利用也有重要影响，地球上大量的热能用于将冰融化成水，使水温上升和将水化为水汽过程，因此，水有防止环境温度发生剧烈波动的重要调节作用。

水循环受太阳能、大气环流、洋流和热量交换所影响，通过蒸发冷凝等过程在地球上进行着不断地循环，降水和蒸发是水循环的两种方式，大气中的水汽以雨雪冰雹等形式降落到地面或海洋，而地面上和海洋中的水又通过蒸发进入大气中。因此，水循环是由太阳能推动的，大气、海洋和陆地形成一个全球性水循环系统，并成为地球上各种物质循环的中心循环。

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汽，进入大气。在大气中，水汽遇冷凝结、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，有的落在植物群中，并被截留大部分，有些直接落人江河湖泊和海洋。到达土壤的水、一部分渗入土中，一部分作为地表径流而流人江河湖海。河流、湖泊、海洋表层的水及土壤中的水再通过不断蒸发作用进人大气。

地球上的降水量和蒸发量总的来说是相等的。也就是说，通过降水蒸发这两种形式，地球上的水分达到平衡状态。但在不同的表面、不同地区的降水量和蒸发量是不同的。就海洋和陆地来说，海洋的蒸发量约占总蒸发量的84％,陆地只有l6％；海洋中的降水占77％，陆地占23％；可见，海洋的降水比蒸发少7％，而陆地的降水则比蒸发量多7％。海洋和陆地的水量差异是通过江河源源不断输送水到海洋，以弥补海洋每年因蒸发量大于降水量而产生的亏损，达到全球性水循环的平衡。

水循环的另一个重要特点是，每年降到陆地上的雨雪大约有35％又以地表径流的形式流入了海洋。值得特别注意的是，这些地表径流能够溶解和携带大量的营养物质，因此它常常把各种营养物质从一个生态系统搬运到另一个生态系统，这对补充某些生态系统营养物质的不足起着重要作用。

由于携带着各种营养物质的水总是从高处往低处流动，所以高地往往比较贫瘠，而低地比较肥沃，例如沼泽地和大陆架就是这种最肥沃的低地，也是地球上生产力最高的生态系统之一。

水的全球循环也影响地球热量的收支情况。最大的热量收支是在低纬度地区，而最小的热量收支是在北极地区。在纬度38°至39°地带，冷和热的进出达到一种平衡状态。高纬度地区的过冷会由于大气中热量的南北交流和海洋暖流而得以缓和。从全球观点看，水的循环着重表明了地球上物理和地理环境之间的相互密切作用。因此，经常在局部范围内考虑的水的问题，实际上是一个全球性的问题。局部地区水的管理计划可以影响整个地球。

问题的产生不是由于降落到地球上的水量不足，而是水的分布不均衡，这尤其与人类人口的集中有关。因为人类已经强烈地参与了水的循环．致使自然界可以利用的水的资源已经减少，水的质量也已下降。现在，水的自然循环已不足以补偿人类对水资源的有害影响。

(2)生态系统中的水循环

生态系统中的水循环包括截取、渗透、蒸发、蒸腾和地表径流。植物在水循环中起着重要作用，植物通过根吸收土壤中的水分。与其他物质不同的是进入植物体的水分，只有l％～3％参与植物体的建造并进入食物链，被其他营养级所利用，其余97％～98％通过叶面蒸腾返回大气中，参与水分的再循环。例如，生长茂盛的水稻，一天大约吸收70t／hm²的水，这些被吸收的水分仅有5％用于维持原生质的功能和光合作用，其余大部分成为水蒸气从气孔排出。不同的植被类型，蒸腾作用是不同的，而以森林植被的蒸腾最大，它在水的生物地球化学循环中的作用最为重要。

(3)人类对水循环的影响

人类对水循环的影响是多方面的，主要表现在：

第一，改变地面及植被状况，而影响大气降水到达地面后的分配，如修筑水库、塘堰可扩大自然蓄水量；而围湖造田又使自然蓄水容积减小，尤其是大量季节性降水因保蓄力削弱而流走，造成短期洪涝灾害，并同时降低了地下水库的补给，也引起严重的土壤和养分流失。

第二，由于过度开发局部地区的地表水和地下水，用于工农业及城市发展，不但使地表、地下水贮量下降，出现地下漏斗及地上的断流，造成次生盐渍化；也使下游水源减少，水位下降，水质恶化，沿海出现海水入侵，加重了干旱化和盐渍化威胁。

第三，在干旱、半于旱地区大面积的植被破坏，导致地区性气候向干旱化方向发展，直到形成荒漠。我国北方水循环形势的恶化，引起了普遍的关注。

第四，环境污染恶化水质，影响水循环的蒸散过程。除降酸雨外，近代降雪中的铅含量也有所增加，这是从格陵兰取雪样分析而得的结果。洋面的油污染导致蒸发量减少，而温室效应又促进了蒸发，蒸发量的变化又导致了全球范围内降水量的变化，引起气候的异常变化。在与人类活动有关的水循环问题中，水资源短缺与水污染是最受关注的两个普遍问题。

三、有毒物质的富集

有毒有害物质是指那些对有机体有毒害的物质进入生态系统，通过食物链富集或被分解的过程。由于工农业迅速发展，人类向环境中排放的化学物质与日俱增，从而使生物圈中的有毒有害物质的数量与种类相应增加，这些物质一经排放到环境中便立即参与生态系统的循环，它们像其他物质循环一样，在食物链营养级上进行循环流动。

所不同的是大多数有毒物质，尤其是人工合成的大分子有机化合物和不可分解的重金属元素，在生物体内具有浓缩现象，在代谢过程中不能被排除，而被生物体同化，长期停留在生物体内，造成有机体中毒、死亡。

一般情况下，毒性物质进入环境，常常被空气和水稀释到无害的程度，以致无法用仪器检测。即使是这样，对食物链上有机体的毒害依然存在。因为小剂量毒物在生物体内经过长期的积累和浓缩，也可达到中毒致死的水平。同时有毒物质在循环中经过空气流动及水的搬运以及在食物链上的流动，常常使有毒物质的毒性增加，进而造成中毒的过程复杂化。在自然界也存在着对毒性物质分解，减轻毒性的作用。例如，放射性物质的半衰期，以及某些生物对有毒物质的分解和同化作用。相反，也有某些有毒物质经过生态系统的循环后使毒性增加，例如汞的生物甲基汞(甲基汞)等。

与大量元素相比较，尽管有毒有害物质的数量少，但随着人类对环境的影响越来越大，向环境中排放的物质的数量和种类仍在增加，它对生存系统各营养级的生物的影响也与日俱增，甚至已引起生态灾难，所以对有毒物质在生态系统中循环规律的研究已成为保护人类自身所必需的课题。

同步练习

一、选择题

1．物质循环的核心是        。（　　）

A．水循环

B．氮循环
C．磷循环
D．硫循环

2．下列关于地质大循环的说法中，正确的是        。（　　）

A．循环时间长，是闭合式循环
B．循环时间长，是开放式循环

C．循环时间短，是闭合式循环

D．循环时间短，是开放式循环

3．下列关于生物小循环的说法中，正确的是        。（　　）

A．循环时间长，是闭合式循环

B．循环时间长，是开放式循环

C，循环时间短，是闭合式循环

D．循环时间短，是开放式循环

4．气相型循环的贮存库主要是        。（　　）

A．大气圈
B．土壤圈
C．智能圈

D．岩石圈

5．沉积型循环贮存库主要是        。（　　）

A．大气圈
B．土壤圈

C．水圈

D．智能圈

6．在生态系统非生物成分中，含氮的库有        。（　　）

A．一个

B．五个

C．二个
D．三个

7．氮循环失调可能造成的环境问题有        。（　　）

A．水体富营养化
B．酸雨

C．温室效应
D．荒漠化

8．“温室效应”主要是由        引起的。（　　）

A．S0₂
B．C0₂
C．O₃ 
D．CO

9．磷循环属于        。（　　）

A．气相型循环

B．沉积型循环
C．液相型循环
D．混合型循环

10．全球水循环的关键是        。（　　）

A．海洋
B．陆地
C．大气
D．森林

11．海洋的水量占地球总水量的        。（　　）

A．83％
B．75％
C．97％
D．63％www.zikaos w.com

12．生物固氮大约占地球固氮的        。（　　）

A．80％
B．60％
C．70％
D．90％

  二、填空题

1．生物地球化学循环包括        和        两个部分。

2．生物地球化学循环可分为        、        和        三个类型。

3．大气中的        含量有明显的日变化和季节变化。

4．固氮的途径中最重要的一种是        。

5．水循环的两种方式是        和        。

6．水的主要蓄库是        。

7．地球上可利用的淡水资源占地球总水量的比例为        。

8．既可以按气体型循环，又可按沉积型循环的元素是        。

  三、简答题

1．简述物质循环的特点。

2．简述生物地球化学循环。

3．简述固氮的途径。

4．简述保持农田养分平衡的途径。

  四、论述题

1．试述人类活动对氮循环的干预。

2．试述人类对水循环的影响。

参考答案

  一、选择题

1．A  2．A  3．D 4．A  5．B  6．D  7．A 8．B  9．B

10．Cll．Cl2．D

  二、填空题

1．物质大循环生物小循环

2．气体型  沉积型  水循环

3．二氧化碳

4．生物固氮

5．降水  蒸发

6．海洋

7．0．5％

8．硫

三、简答题

1．(1)物质不灭，循环往复。

(2)物质循环与能量流动不可分割，相辅相成。

(3)物质循环的生物富集。

(4)生态系统对物质循环有一定调节能力。

(5)各物质循环过程相互联系，不可分割。

2．各种化学元素和营养物质在不同层次的生态系统内，乃至整个生物圈内，沿着特定的途径从环境到生物体，从生物体到环境，不断地进行着流动和循环，就构成了生物地球化学循环，简称生物地化循环。包括地质大循环和生物小循环两部分内容。

地质大循环是指物质或元素经生物体的吸收作用，从环境进入有机体内，生物有机体再以死体、残体或排泄物形式将物质或元素返回环境，进人大气、水、岩石、土壤和生物五大自然圈层的循环。
地质大循环时间长，范围广，是闭合式循环。

生物小循环是指环境中的元素经生物体吸收，在生态系统中被多层次利用，然后经过分解者的作用，再为生产者利用。生物小循环时间短范围小，是开放式的循环。

生物地化循环是生态系统中物质循环的基本形式和途径。

3．大气中的氮被固定的途径有三种：．

一是通过闪电、宇宙射线、陨石、火山爆发活动的高能固氮，其结果形成氨或硝酸盐，随着降雨到达地球表面。据估计，通过高能固定的氮大约为8．9kg/(hm²．a)。

二是工业固氮，这种固氮形式的能力已越来越大。20世纪80年代初全世界工业固氮能力已为3×10⁷t，到20世纪末，可达l×10⁸t。

第三条途径，也是最重要的途径是生物固氮，大约为100—200kg／(hm²·a)，大约占地球固氮的90％。能够进行固氮的生物主要是固氮菌，与豆科植物共生的根瘤菌和蓝藻等自养和异养微生物。

在潮湿的热带雨林中生长在树叶和附着在植物体上的藻类和细菌也能固定相当数量的氮，其中一部分固定的氮为植物本身所利用。

4．提高农田土壤有机质含量，维持各种营养物质的输入与输出平衡，是增进农业生态系统物质循环的关键。要使农田有一个良好的养分循环平衡体系，必须从下述几方面努力：

(1)合理施肥，有机、无机相配合，氮、磷、钾及微量元素相配合。

(2)种植制度中合理安排归还率较高的作物及其类型。

(3)建立合理的轮作制度，用地养地相结合。

(4)农产品就地加工，提高物质的归还率。

四、论述题

1．当前，人类活动的干预对全球氮循环的影响日益增强。为了获得更多的食物，人类对氮循环的干预越来越大，主要表现在：

第一，植被改造成耕地以后，由于长期垦殖，土壤有机氮及供氮能力下降，于是不得不大量补充氮肥，使工业固氮代替生物固氮，现在全球每年产氮9000万吨，其中80％用做肥料，欧洲平均每公顷施氮l23公斤。人工合成氮成本不低，如我国每生产1公斤碳铵需要l公斤煤为能源，而其中含氮只有17％，所以生产l公斤氮素需要6公斤煤，此外还要付出环境质量的代价。

而氮肥施入土壤以后，农作物只能吸收30％～50％，其余部分流失。农田中氮肥过量，会增加径流中硝酸盐的含量和大气中氧化亚氧的含量，这是由于硝化作用和脱氮作用，把氮肥和有机物质转化为氧化亚氮，有的还进一步变成氮气。因此，使用过量的氮肥，等于从大气中取出稳定的氮气而返还一些氧化亚氮，淋失的氮肥还会污染饮用水以及水生生态系统的藻类。

第二，工业固氮的产生和发展，逐步代替生物固氮，使氮在大气圈和生物圈及其他各氮库间的流通强度加大，由此带来了能源、成本和环境问题。

第三，集约化畜牧业和城市化的发展，不但使人畜排泄物的自然循环中断，导致部分氮素的丢失，同时也使地表水、地下水中的硝酸盐含量升高，而食品和饮水中的硝酸盐因能转化成硝酸根和亚硝酸根而给人类健康带来威胁。

第四，人类在改变植被的同时，还大量燃烧燃料和矿物，从而在大气中产生的大量的N0、N₂O等氮氧化物，在阳光紫外线照射的条件下，从N0₂产生的原子氧与碳氢化合物起反应可以生成许多次生污染物，总称为光化学烟雾，污染都市空气，危害人体和植物的生长，还有酸雨的成因之一。

  2．人类对水循环的影响是多方面的，主要表现在：

  (1)改变地面及植被状况，而影响大气降水到达地面后的分配，如修筑水库，塘堰可扩大自然蓄水量；而围湖造田又使自然蓄水容积减小，尤其是大量季节性降水因保蓄力削弱而流走，造成短期洪涝灾害，并同时降低了地下水库的补给，也引起严重的土壤和养分流失。

(2)由于过度开发局部地区的地表水和地下水，用于工、农业及城市发展，不但使地表、www.zikao sw.com地下水贮量下降，出现地下漏斗及地上的断流，造成次生盐渍化；也使下游水源减少，水位下降，水质恶化，沿海出现海水入侵，加重了干旱化和盐渍化威胁。

(3)在干旱、半干旱地区大面积的植被破坏，导致地区性气候向干旱化方向发展，直到形成荒漠。我国北方水循环形势的恶化，引起了普遍的关注。

(4)环境污染恶化水质，影响水循环的蒸散过程。

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