第二章生態(tài)學(xué)基本原理

第二章生態(tài)學(xué)基本原理內(nèi)容種群生態(tài)學(xué)群落生態(tài)學(xué)生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)學(xué)生物地球化學(xué)循環(huán)第二章生態(tài)學(xué)基本原理種群生態(tài)學(xué)的基本原理第二章生態(tài)學(xué)基本原理第二章生態(tài)學(xué)基本原理第二章生態(tài)學(xué)基本原理第二章生態(tài)學(xué)基本原理第二章生態(tài)學(xué)基本原理群落生態(tài)學(xué)第二章生態(tài)學(xué)基本原理I:nointeractionII:mutualismIII:predation/parasitismIV:competitionV:ammensalismV:commensalism第二章生態(tài)學(xué)基本原理第二章生態(tài)學(xué)基本原理第二章生態(tài)學(xué)基本原理第二章生態(tài)學(xué)基本原理第二章生態(tài)學(xué)基本原理第二章生態(tài)學(xué)基本原理生態(tài)系統(tǒng)第二章生態(tài)學(xué)基本原理生物地球化學(xué)循環(huán)一、什么是生物地球化學(xué)循環(huán)（What）二、研究生物地球化學(xué)循環(huán)的重要性（Why)三、生物地球化學(xué)循環(huán)的驅(qū)動(dòng)力（Who）四、生物地球化學(xué)循環(huán)的主要研究方法和特點(diǎn)(hoW)五、常見的生物地球化學(xué)循環(huán)(WorldfocusedBGC)六、碳循環(huán)問題（GlobalWarmingproblemBGC）“迷失的碳匯”生物圈在全球碳循環(huán)中的作用海洋在全球碳循環(huán)中的作用京都議定書第二章生態(tài)學(xué)基本原理一、什么是生物地球化學(xué)循環(huán)？地球系統(tǒng)

大氣圈、水圈、生物圈、土壤圈、巖石圈和人類構(gòu)成的相互作用著的系統(tǒng)

地球系統(tǒng)是封閉系統(tǒng)（為什么？），但非孤立系統(tǒng)（為什么？）封閉系統(tǒng)

與外界沒有物質(zhì)交換（或凈交換為零）的系統(tǒng)

只有在封閉系統(tǒng)中才能討論物質(zhì)循環(huán)問題孤立系統(tǒng)

與外界既無物質(zhì)交換又無能量交換的系統(tǒng)生物地球化學(xué)循環(huán)物質(zhì)在地球系統(tǒng)中在各圈層中互相傳輸或轉(zhuǎn)化，使物質(zhì)總量不變的過程之和第二章生態(tài)學(xué)基本原理大氣圈光合作用太陽輻射輸入植物藻類自養(yǎng)細(xì)菌化石燃料巖石圈土壤圈風(fēng)搬運(yùn)風(fēng)輸、沉降、排放第二章生態(tài)學(xué)基本原理氮?dú)庋鯕馑麣鍤舛趸寄蕷夂饧淄殡礆鈿錃庋趸瘉喌谎趸级趸虺粞蹼瘹獾趸锲渌锓N體積豐度來源數(shù)量特征大氣化學(xué)組成大氣圈巖土生物圈河海第二章生態(tài)學(xué)基本原理ElementMassofelement

ina70-kgpersonVolumeof

purifiedelementoxygen43kg37L33.5cmcarbon16kg7.08L碳：22hydrogen7kg98.6L46.2cmnitrogen1.8kg2.05L12.7cmcalcium1.0kg645mL8.64cmphosphorus780g429mL7.54cmpotassium140g162mL5.46cmsulfur140g67.6mL4.07cmsodium100g103mL4.69cmchlorine95g63mL3.98cmmagnesium19g10.9mL2.22cmiron4.2g0.53mL8.1mmfluorine2.6g1.72mL1.20cmzinc2.3g0.32mL6.9mmsilicon1.0g0.43mL7.5mmElement70-kg動(dòng)物或人體中元素含量Volumeof

purifiedelementoxygen43kg37Lcarbon16kg7.08Lhydrogen7kg98.6L46.2cmnitrogen1.8kg2.05L12.7cmcalcium1.0kg645mL8.64cmphosphorus780g429mL7.54cmpotassium140g162mL5.46cmsulfur140g67.6mL4.07cmsodium100g103mL4.69cmchlorine95g63mL3.98cmmagnesium19g10.9mL2.22cmiron4.2g0.53mL8.1mmfluorine2.6g1.72mL1.20cmzinc2.3g0.32mL6.9mmsilicon1.0g0.43mL7.5mm重量百分率氧：61％碳：21.8%氫：10%氮:2.6%鈣：1.4%磷：1.1%鉀：0.2%硫：0.2%鈉：0.14%氯：0.13%鎂：0.03%鐵：0.006%氟：0.004%鋅：0.003%硅：0.001%人體中元素含量70-kg動(dòng)物或人體中元素含量大氣圈河海巖土生物圈第二章生態(tài)學(xué)基本原理地殼中的元素豐度元素重量百分率Oxygen46.6Silicon27.7Aluminum8.1Iron5.0Calcium3.6Sodium2.8Potassium2.6Magnesium2.1Allothers1.5氧硅鋁鐵鈣鈉鉀鎂其它所有大氣圈生物圈河海巖土第二章生態(tài)學(xué)基本原理中國森林土壤背景大氣圈生物圈河海巖土第二章生態(tài)學(xué)基本原理

氧(O)

857.0氫(H)

108.0氯(CI)

19.0鈉(Na)

10.00鎂(Mg)

1.350硫(S)

0.885鉀(K)

0.380碳(C)

0.028硅(Si)

0.003氮(N)

0.0005磷(P)

0.00007鋁(Al)

0.00001海洋中主要元素含量（g/kg）海水與生命中元素含量比較類似！大氣圈生物圈巖土河海第二章生態(tài)學(xué)基本原理二、為什么研究生物地球化學(xué)循環(huán)？許多物質(zhì)及對(duì)于生命的存在和持續(xù)具有決定性的作用決定生命能否存在決定生命存在的最大數(shù)量不同物質(zhì)的生物地球化學(xué)循環(huán)的特征差別巨大與能量的單向流動(dòng)不同，生物地球化學(xué)循環(huán)使物質(zhì)通過生物圈過程重復(fù)使用人類已經(jīng)顯著地改變了地球的生物地球化學(xué)循環(huán)改變了通量產(chǎn)生出新的物質(zhì)轉(zhuǎn)移路徑可能使某些儲(chǔ)庫儲(chǔ)量改變量巨大可導(dǎo)致循環(huán)鏈斷裂第二章生態(tài)學(xué)基本原理生態(tài)學(xué)中的通量（flux）：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)垂直通過單位面積所傳遞的某種物理量。如碳通量、熱通量和水汽通量等。土壤學(xué)中的通量：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)物質(zhì)或能量從一個(gè)儲(chǔ)存庫轉(zhuǎn)移到另一儲(chǔ)存庫的轉(zhuǎn)移量。第二章生態(tài)學(xué)基本原理緩解和控制的機(jī)制和方法探索與生物地球化學(xué)循環(huán)有關(guān)的主要人類活動(dòng)影響：溫室效應(yīng)酸雨農(nóng)藥富集水生生態(tài)系統(tǒng)富營養(yǎng)化第二章生態(tài)學(xué)基本原理

不同物質(zhì)的生物地球化學(xué)循環(huán)特征差別巨大Chemical

Atmosphere

Oceans

Biosphere

Land(crust)SminorlargesmalllargeNlargeminorsmallmodestOsmallsmallminorlargeCminorsmallminorlarge第二章生態(tài)學(xué)基本原理

酸沉降導(dǎo)致的生態(tài)和環(huán)境問題人類健康生態(tài)退化水生生物產(chǎn)量和品質(zhì)下降森林草地生長衰退第二章生態(tài)學(xué)基本原理

元素的生物地球化學(xué)循環(huán)對(duì)環(huán)境的影響第二章生態(tài)學(xué)基本原理碳的生物地球化學(xué)循環(huán)影響氣候工業(yè)革命改變了的碳循環(huán)工業(yè)革命改變碳循環(huán)原理：大氣中二氧化碳升高具有施肥效應(yīng)大氣中二氧化碳升高會(huì)加強(qiáng)溫室效應(yīng)，通過溫度升高影響碳循環(huán)氣候變暖第二章生態(tài)學(xué)基本原理三、生物地球化學(xué)循環(huán)的驅(qū)動(dòng)力太陽輻射：自然驅(qū)動(dòng)力太陽輻射光合作用生物圈人類：另一驅(qū)動(dòng)力燃燒化石土地利用改變礦物開發(fā)利用第二章生態(tài)學(xué)基本原理生態(tài)系統(tǒng)中的物質(zhì)的循環(huán)過程C,H20,P,N...生物地球化學(xué)循環(huán)的驅(qū)動(dòng)力：太陽輻射第二章生態(tài)學(xué)基本原理生物的非生物的有機(jī)的動(dòng)物自養(yǎng)生物（植物和細(xì)菌等）生物殘?bào)w微生物大氣圈土壤水沉積物泥炭

媒石油等巖石無機(jī)的易利用的難利用的同化、光合固定,死亡,呼吸,排泄,淋洗侵蝕、燃燒高壓地質(zhì)過程沉積變巖石抬升、侵蝕風(fēng)化第二章生態(tài)學(xué)基本原理四、生物地球化學(xué)循環(huán)的主要研究方法調(diào)查和實(shí)驗(yàn)庫量、通量過程機(jī)制數(shù)學(xué)模型庫量通量周轉(zhuǎn)時(shí)間和平均停留時(shí)間第二章生態(tài)學(xué)基本原理五、常見的生物地球化學(xué)循環(huán)水循環(huán)氮循環(huán)碳循環(huán)硫循環(huán)第二章生態(tài)學(xué)基本原理水的生物地球化學(xué)循環(huán)太陽能驅(qū)動(dòng)下的水循環(huán)人類活動(dòng)改變水循環(huán)原理：不同植被具有不同的蒸騰率不同陸面具有不同的蒸發(fā)率第二章生態(tài)學(xué)基本原理？？第二章生態(tài)學(xué)基本原理第二章生態(tài)學(xué)基本原理人類活動(dòng)通過生態(tài)系統(tǒng)對(duì)水循環(huán)的影響原理G1>G;F1>F;S1<S;d1<d;U<U1;R1<R降水P溫度T草地蒸騰G森林蒸騰F土壤水分土壤蒸發(fā)S地下水U徑流R降水P溫度T人工植被蒸騰G1人工植被蒸騰F1土壤水分土壤蒸發(fā)S1地下水U1徑流R1抽水o1入滲d入滲d1調(diào)水土地利用變化第二章生態(tài)學(xué)基本原理TemperateEastAsiaRegionalCenter生物地球化學(xué)循環(huán)講義IntroductiontoBiogeochemicalCycles延曉冬YanXiaodong中國科學(xué)院大氣物理研究所東亞-氣候環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室2010年3月氮的生物地球化學(xué)循環(huán)人類活動(dòng)干預(yù)的局地循環(huán)為主，但影響全球環(huán)境的氮循環(huán)人類活動(dòng)改變氮循環(huán)原理：農(nóng)業(yè)施肥工業(yè)排放引起的的大氣氮沉降第二章生態(tài)學(xué)基本原理？？第二章生態(tài)學(xué)基本原理氮循環(huán)：氧化和還原途徑眾多大氣是最大的氮庫：79%N2巖石和沉積中很少海洋中缺乏人類活動(dòng)包括：合成氨和化肥施用生物學(xué)傳輸機(jī)制最主要的N2還原為氨態(tài)氮的途徑：固氮菌固氮氨態(tài)氮被生物轉(zhuǎn)化為有機(jī)氮：同化氨態(tài)氮氧化成硝態(tài)氮：硝化有機(jī)氮分解為氨態(tài)氮：氨化硝態(tài)氮還原為氣態(tài)氮：反硝化第二章生態(tài)學(xué)基本原理NitratesNO3NitritesNO2AmmoniaNH3GaseousN2人類活動(dòng)自然Water第二章生態(tài)學(xué)基本原理第二章生態(tài)學(xué)基本原理植被對(duì)氮循環(huán)起著重要的控制作用，沒有植被的地方氮將逐漸減少第二章生態(tài)學(xué)基本原理磷的生物地球化學(xué)循環(huán)地質(zhì)作用為主的磷循環(huán)人類活動(dòng)改變磷循環(huán)原理：農(nóng)業(yè)施肥人類生活水生生態(tài)系統(tǒng)磷循環(huán)改變水體富營養(yǎng)化第二章生態(tài)學(xué)基本原理第二章生態(tài)學(xué)基本原理磷循環(huán)傳輸機(jī)制最大儲(chǔ)庫：海洋沉積和陸地土壤主要傳輸機(jī)制：大陸抬升巖石風(fēng)化水中溶解生物同化溶解磷酸鹽生物間傳輸傳輸沉降侵蝕人類開發(fā)和農(nóng)業(yè)施用第二章生態(tài)學(xué)基本原理第二章生態(tài)學(xué)基本原理硫的生物地球化學(xué)循環(huán)主要儲(chǔ)庫為巖石圈和沉積物人類活動(dòng)影響劇烈通過陸氣交換對(duì)環(huán)境施加影響生物循環(huán)過程復(fù)雜厭氧自養(yǎng)菌生長化能自養(yǎng)菌生長（能源多樣）第二章生態(tài)學(xué)基本原理深?；茏责B(yǎng)（利用H2S）第二章生態(tài)學(xué)基本原理第二章生態(tài)學(xué)基本原理第二章生態(tài)學(xué)基本原理第二章生態(tài)學(xué)基本原理第二章生態(tài)學(xué)基本原理六、碳循環(huán)的問題1碳循環(huán)與全球變化missingcarbonsink陸地生態(tài)系統(tǒng)與全球碳循環(huán)海洋與全球碳循環(huán)環(huán)境因素與碳循環(huán)全球碳循環(huán)模型《京都議定書》中國的碳收支未來全球碳循環(huán)展望第二章生態(tài)學(xué)基本原理溫室效應(yīng)與全球碳循環(huán)：CO2濃度上升的主要原因－化石燃料燃燒和人類活動(dòng)排放第二章生態(tài)學(xué)基本原理TemperateEastAsia溫室效應(yīng)與全球碳循環(huán)：排放出的碳不是都儲(chǔ)在大氣圈中年大氣中CO2濃度ppm大氣中儲(chǔ)C量GtC累積排放量GtC備業(yè)革命前2000369782480當(dāng)前包括其它排放差值89188292?第二章生態(tài)學(xué)基本原理Missingcarbonsink:問題的提出

Atmosphericincrease=EmissionsofFossilfuels+EmissionsoflanduseOceanicuptakeMissingcarbonsink

未進(jìn)入大氣中的碳量是逐年積累的儲(chǔ)藏入海洋的的碳量是相對(duì)易測(cè)的年收支計(jì)算表明除了大氣圈和海洋碳匯外，仍存在另一個(gè)碳的去處，迷失的碳匯3.2(±0.2)＝6.3(±0.4)＋1.6(±0.8)－1.7(±0.5)－2.8(±1.2)

3.3(±0.2)＝5.5(±0.5)＋1.6(±0.7)－2.0(±0.8)－1.8(±1.2)

1980’s1990’s第二章生態(tài)學(xué)基本原理2Missingcarbonsink:初步回答（1990‘s反推法）第二章生態(tài)學(xué)基本原理3陸地生態(tài)系統(tǒng)與全球碳循環(huán)：主要過程光合作用是CO2從大氣中進(jìn)入生物圈的唯一途徑生物圈中CO2釋放有4種途徑：呼吸，燃燒，凋落和人類利用（包括土地利用變化）進(jìn)入土壤中的碳有一種途徑：凋落土壤釋放CO2的途徑只有一種：呼吸生態(tài)系統(tǒng)中儲(chǔ)藏著大量的碳，對(duì)其不適當(dāng)利用或破壞可能導(dǎo)致其釋放出大量的碳到大氣中CH4和CO量較少，對(duì)碳循環(huán)作用微小熱帶雨林中儲(chǔ)藏著最大量的碳，由于對(duì)其破壞已釋放出大量的CO2光合過程與環(huán)境溫度濕度和CO2濃度密切相關(guān)呼吸過程與環(huán)境溫度和植被結(jié)構(gòu)密切相關(guān)第二章生態(tài)學(xué)基本原理TemperateEastAsiaRegionalCenter全球碳循環(huán)GlobalCarbonCycle:《GlobalChange》Chapter4延曉冬YanXiaodong中國科學(xué)院大氣物理研究所東亞-氣候環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室2010年3月4海洋生態(tài)系統(tǒng)與全球碳循環(huán)海洋碳循環(huán)是物理、化學(xué)和生物綜合過程大氣與海表的碳物理交換和化學(xué)過程大氣與海表的生物的碳光合交換表層生物殘?bào)w體向下層輸送富積碳由海底從極地向赤道的洋流輸送碳在赤道上升并向極地洋流輸送高濃度中層與低濃度中層的碳垂直混合隨河流來自陸地的有機(jī)物沉積從儲(chǔ)量看海洋有一定的碳匯功能，但其能力受到表層海儲(chǔ)碳能力較低的限制第二章生態(tài)學(xué)基本原理5環(huán)境因素與全球碳循環(huán)對(duì)陸地生態(tài)系統(tǒng)的氣候效應(yīng)改變陸地生態(tài)系統(tǒng)的分布格局，進(jìn)而改變碳收支通過改變水平衡，氮平衡，改變碳收支通過對(duì)植物光合和呼吸的影響改變碳收支通過對(duì)土壤的呼吸速率的改變影響碳平衡對(duì)海洋生態(tài)系統(tǒng)的氣候效應(yīng)改變溫度影響海洋源匯CO2濃度上升的直接效應(yīng)CO2的施肥效應(yīng)問題：短期效應(yīng)明顯，長期效應(yīng)待深入研究第二章生態(tài)學(xué)基本原理5環(huán)境因素與全球碳循環(huán)第二章生態(tài)學(xué)基本原理5環(huán)境因素與全球碳循環(huán)第二章生態(tài)學(xué)基本原理5環(huán)境因素與全球碳循環(huán)對(duì)陸地生態(tài)系統(tǒng)的氣候效應(yīng)改變陸地生態(tài)系統(tǒng)的分布格局，進(jìn)而改變碳收支通過改變水平衡，氮平衡，改變碳收支通過對(duì)植物光合和呼吸的影響改變碳收支通過對(duì)土壤的呼吸速率的改變影響碳平衡對(duì)海洋生態(tài)系統(tǒng)的氣候效應(yīng)改變溫度影響海洋源匯CO2濃度上升的直接效應(yīng)CO2的施肥效應(yīng)問題：短期效應(yīng)明顯，長期效應(yīng)待深入研究第二章生態(tài)學(xué)基本原理7《京都議定書》（KyotoProtocol:1997-12)1992:(TheUnitedNationsF