第二章 生态学基本原理
中国科学院大气物理研究所 东亚-气候环境重点实验室 2010年3月
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氮循环：氧化和还原途径众多
大气是最大的氮库： 79% N2 岩石和沉积中很少 海洋中缺乏 人类活动包括：合成氨和化肥施用 生物学传输机制
最主要的N2还原为氨态氮的途径：固氮菌固氮 氨态氮被生物转化为有机氮：同化 氨态氮氧化成硝态氮：硝化 有机氮分解为氨态氮：氨化 硝态氮还原为气态氮：反硝化
1980’s
Atmospheric increase = Emissions of Fossil fuels + Emissions of land use - Oceanic uptake - Missing carbon sink 3.3(±0.2)＝ 5.5(±0.5) ＋1.6(±0.7) － 2.0(±0.8) － 1.8(±1.2)
第二章 生态学基本原理
内容
种群生态学 群落生态学 生态系统生态学 生物地球化学循环
种群生态学的基本原理
群落生态学
I: no interaction
II: mutualism
III: predation/parasitism
IV: competition
V: ammensalism
温室效应与全球碳循环：排放出的碳不是都储在大气 圈中
年
1800 2000 差值
大气中CO2 浓度ppm 大气中储C 量 GtC 累积排放量 GtC
备注
工业革命 前 当前包括 其它排放
280 369 89
594 782 188
0 480
292?
Temperate East Asia
2 Missing carbon sink:问题的提出
深海化能自养（利用H2S）
六、碳循环的问题
1 • • • • • • • • 碳循环与全球变化 missing carbon sink 陆地生态系统与全球碳循环 海洋与全球碳循环 环境因素与碳循环 全球碳循环模型 《京都议定书》 中国的碳收支 未来全球碳循环展望
温室效应与全球碳循环：CO2浓度上升的主要原因－ 化石燃料燃烧和人类活动排放
地下水U
径流R
地下水U1
氮的生物地球化学循环
• 人类活动干预的
局地循环为主， 但影响全球环境 的氮循环 • 人类活动改变氮 循环原理： • 农业施肥 • 工业排放引起 的的大气氮沉 降
Regional Center
Temperate East Asia
生物地球化学循环讲义 Introduction to Biogeochemical Cycles 延晓冬 Yan Xiaodong
大气圈
生物圈
岩土
河海
海水与生 命中元素 含量比较 类似！
二、为什么研究生物地球化学循环？
• 许多物质及对于生命的存在和持续具有决定性的作用 • 决定生命能否存在 • 决定生命存在的最大数量 • 不同物质的生物地球化学循环的特征差别巨大 • 与能量的单向流动不同，生物地球化学循环使物质通 过生物圈过程重复使用 • 人类已经显著地改变了地球的生物地球化学循环 • 改变了通量 • 产生出新的物质转移路径 • 可能使某些储库储量改变量巨大可导致循环链断裂
1990’s
3.2(±0.2)＝ 6.3(±0.4) ＋1.6(±0.8) － 1.7(±0.5) － 2.8(±1.2)
• 未进入大气中的碳量是逐年积累的 • 储藏入海洋的的碳量是相对易测的 • 年收支计算表明除了大气圈和海洋碳汇外， 仍存在另一个碳的去处，迷失的碳汇
2 Missing carbon sink: 初步回答（1990‘s反推法）
• 调查和实验 • 库量、通量 • 过程机制 • 数学模型 • 库量 • 通量 • 周转时间和平均停留时间
五、常见的生物地球化学循环
• • • • 水循环 氮循环 碳循环 硫循环
水的生物地球化学循环
• 太阳能驱动下的
水循环 • 人类活动改变水 循环原理： • 不同植被具有 不同的蒸腾率 • 不同陆面具有 不同的蒸发率
不同物质的生物地球化学循环特征差别巨大
Chemical S N O C Atmosphe re Oceans minor large small minor large minor small small
Biosphere
small small minor minor
Land (crust) large modest large large
Gaseous N2
Nitrates NO3
Nitrites NO2 Ammonia NH
Water
人类活动 自然
植被对氮循环起着重要的控制作用， 没有植被的地方氮将逐渐减少
磷的生物地球化学循环
• 地质作用为主的
磷循环 • 人类活动改变磷 循环原理： • 农业施肥 • 人类生活 • 水生生态系统 磷循环改变 • 水体富营养化
大气圈 生物圈
元素
Oxygen Silicon Aluminum Iron Calcium Sodium Potassium Magnesium All others
重量百分率
岩土 河海
46.6 27.7 8.1 5.0 3.6 2.8 2.6 2.1 1.5
氧 硅 铝 铁 钙 钠 钾 镁 其它所有
ห้องสมุดไป่ตู้
磷循环传输机制
最大储库： 海洋沉积和陆地土壤 主要传输机制：
大陆抬升 岩石风化 水中溶解 生物同化溶解磷酸盐 生物间传输 传输 沉降 侵蚀 人类开发和农业施用
硫的生物地球化学循 环
主要储库为岩石圈和沉积 物 人类活动影响剧烈 通过陆气交换对环境施加 影响 生物循环过程复杂
重量百分率
33.5 cm 氧：61％ 碳：22 碳：21.8% 46.2 cm 氢：10% 12.7 cm 氮: 2.6% 8.64 cm 钙：1.4% 7.54 cm 磷：1.1% 5.46 cm 钾：0.2% 硫：0.2% 4.07 cm 钠：0.14% 4.69 cm 氯：0.13% 3.98 cm 镁：0.03% 2.22 cm 铁：0.006% 8.1 mm 氟：0.004% 1.20 cm 锌：0.003% 6.9 mm 硅：0.001% 7.5 mm
V: commensalism
生态系统
生物地球化学循环
一、什么是生物地球化学循环（What）
二、研究生物地球化学循环的重要性（Why)
三、生物地球化学循环的驱动力（Who）
四、生物地球化学循环的主要研究方法和特点(hoW)
五、常见的生物地球化学循环 (World focused BGC)
生态学中的通量（flux）： 单位时间内垂直通过单位面积所传递的某种物 理量。如碳通量、热通量和水汽通量等。 土壤学中的通量：
单位时间内物质或能量从一个储存库转移到另一 储存库的转移量。
缓解和控制的机制和方法探索
• 与生物地球化学
循环有关的主要 人类活动影响： • 温室效应 • 酸雨 • 农药富集 • 水生生态系统 富营养化
• •
大气中二氧化碳升 高具有施肥效应 大气中二氧化碳升 高会加强温室效应， 通过温度升高影响 碳循环
balanced
三、生物地球化学循环的驱动力
• 太阳辐射：自然驱动力
• • • • • • 太阳辐射 光合作用 生物圈 燃烧化石 土地利用改变 矿物开发利用
• 人类：另一驱动力
生物地球化学循环的驱动力：太阳辐射 生态系统中 的物质的循 环过程
六、碳循环问题（Global Warming problem BGC）
“迷失的碳汇” 生物圈在全球碳循环中的作用 海洋在全球碳循环中的作用 京都议定书
一、什么是生物地球化学循环？
• 地球系统
大气圈、水圈、生物圈、土壤圈、岩石圈和人类构成的相互作用着的系统 地球系统是封闭系统（为什么？），但非孤立系统（为什么？）
酸沉降导致的生态和环境问题
水生生物产量 和品质下降
湖泊 酸沉降 化石燃烧
森林草地 生长衰退
森林 地下水
人类健康
土壤
生态退化
元素的生物地球化学循环对环境的影响
大气沉降
污泥污染
肥料
灌水
其他
土壤动物
土壤
土壤微生 物 粮食作物
蔬菜
家畜家禽
人体
碳的生物地球化学循环影响气候
+
• 工业革命改变了
气候变暖
的碳循环 • 工业革命改变碳 循环原理：
中国森林土壤背景
大气圈
生物圈
岩土
河海
海 洋 中 主 要 元 素 含 量 （ g/kg ）
氧(O) 857.0 氢(H) 108.0 氯(CI) 19.0 钠(Na) 10.00 镁(Mg) 1.350 硫(S) 0.885 钾(K) 0.380 碳( C ) 0.028 硅(Si) 0.003 氮(N) 0.0005 磷(P) 0.00007 铝 (Al) 0.00001
• 封闭系统
与外界没有物质交换（或净交换为零）的系统 只有在封闭系统中才能讨论物质循环问题
• 孤立系统
与外界既无物质交换又无能量交换的系统
• 生物地球化学循环 物质在地球系统中在各圈层中互相传输或转化，使物质 总量不变的过程之和
太阳辐射输入
植物
自养细菌
藻类
光合作用
化石燃料 大气圈
岩石圈
土壤圈
风 输 、 沉 降 、 排 放
43 kg 16 kg 7 kg 1.8 kg 1.0 kg 780 g 140 g 140 g 100 g 95 g 19 g 4.2 g 2.6 g 2.3 g 1.0 g 37 L 7.08 L 98.6 L 2.05 L 645 mL 429 mL 162 mL 67.6 mL 103 mL 63 mL 10.9 mL 0.53 mL 1.72 mL 0.32 mL 0.43 mL
