1
云南大学生命科学学院
普通生态学
（ 13）
2
第十三章 生态系统中的物质循环
13.1 物质循环的一般特征
13.2 全球水循环
13.3 碳循环
13.4 氮循环
13.5 磷循环
13.6 硫循环
3
物质循环与能量流动
4
物质循环的一般特征
? 生物地 球化学循环,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 包括生物
与非 生物二者 的参与,同 时 也包含一些地 质与 地
理作用在內,因此 称为 生物地 球化学循环
? 生物小循环,环境中元素经生物吸收，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
5
Basics of nutrient cycling
6
生物小循环
7
物质循环的基本概念
? 库：
– 贮存一定数量元素的某种生态系统组分称为该
元素的库
– 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
? 流通率,单位时间、单位面积 /体积的物质转移量
? 周转率, 流通率 /库 中 营养物质总量
? 周转时间,库 中 营养物质总量 /流通率
8
物质在库间的流通
? 流通量、周转率与周转时
间是相对于库而言的
? 生产者库
– 流通率,20单位 /天
– 周转率：
20/100=20%
– 周转时间：
100/20=5天
? 消费者库
– 流通率,4单位 /天
– 周转率,4/50=8%
– 周转时间：
50/4=12.5天
9
影响物质循环速率的因素
? 元素的性质,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
机体利用的方式不同所决定的。如 CO2 1
年,N 100万年
? 生物的生长速率,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
10
影响物质循环速率的因素
? 有机物质腐烂的速率,适宜的环境有利
于分解者的生存，并使有机体很快分解，
供生物重新利用
? 人类活动的影响,
– 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
– 化石燃烧把硫和二氧化硫释放大气中
11
生物地球化学循环的类型
? 气体型循环
– 贮存库是大气和海洋
– 有气体形式的分子参与循环过程
– 循环速度快，例如 CO2,N2,O2等
? 沉积型循环
– 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
– 循环速度慢，时间以千年计算，例如 P,Ca,Mg等
? 水循环
– 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
12
13.2 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
? 地表总水量,1.4× 109km3，海洋约占 97%
? 水的循环：
– 陆地：蒸发 (蒸腾 )71,000km3，降水
111,000km3,径流 40,000km3
– 海洋：蒸发 425,000km3，降水 385,000km3
13
The Hydrologic Cycle
(40)
(71)
(111)
(385)
(425)
(40)
× 103km3
14
生态系统中的水循环
降雨
截留
穿透雨
蒸腾
渗透
土壤吸收
地表
径流
地下径流
消费者
地面蒸发
15
13.3 碳循环
? 碳的重要性,生命元素、能量流动
? 碳库,海洋和大气、生物体
? 碳的存在形式, CO2，无机盐，有机碳
? 主要循环过程
– 生物的同化和异化过程
– 大气和海洋间的 CO2交换
– 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
化的主要原因
16
海洋和大气 CO2调节
CO2 CO2溶于海水 H2CO3
水体中生物
H++CO32- CaCO3
海底沉积物
17
The Carbon Cycle
18
The Carbon Cycle
92 90
750
6
1
× 1015gC
19
温室效应
? 温室效应（ Greenhouse effects ）,大气
中对长波辐射具有屏蔽作用的温室气体浓度增加使
较多的辐射能被截留在地球表层而导致温度上升
? 温室气体,二氧化碳 (CO2)、甲烷 (CH4)、氧化亚
氮 (N2O)、六氟化碳 (SF6)、氟氯碳化物 (CFCs)、氢
氟碳化物 (HFCs)等
? 温室效应的影响
– 海平面上升，淹沒陆地
– 全球气候经常发生暴雨或干旱
– 土地沙漠化，生态环境改变
20
Incoming sunlight warms the surface of the Earth and is radiated
back to atmosphere,Greenhouse gases absorb some of this heat,
trapping it in the atmosphere.
GREENHOUSE EFFECT
21
Carbon accumulation
? CO2 has increased from its pre-industrial level
? data,recent records plus older data such as ice cores
? mostly fossil fuel burning
22
CO2排放
23
13.4 氮循环
? 氮的重要性
? 氮库：大气、土壤、陆地植被
? 生物可利用的氮的形式,NO32-,NO22-,NH4+
? 氮循环的主要过程
– 固氮作用
– 氨化作用
– 硝化作用
– 反硝化作用
24
The Nitrogen Cycle
25
氮的循环
× 1012gN
26
固氮作用
? 类型
– 闪电、宇宙射线、火山爆发等高能固氮
– 工业固氮,400摄氏度,200大气压下
– 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
? 意义
– 平衡反硝化作用
– 对局域缺氮环境有重要意义
– 使氮进入生物循环
27
生态系统中的氮循环
28
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
分解成为氨和氨化合物，氨溶水成为 NH4+，为
植物利用
? 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，回到大气库中
29
13.5 磷循环
? 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，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、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
? 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
30
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 through the trophic levels.
BIOGEOCHEMICAL CYCLE - PHOSPHORUS
31
磷的循环
× 1012gP
32
一个池塘生态系统的磷循环
33
生态系统的磷循环
34
硫循环
35
酸雨的形成
36
ACID RAIN IN THE UNITES STATES
The most acidic rain is concentrated in the northeast,but
thousands of lakes in the west are also vulnerable.
37
ACID RAIN IN THE WORLD
38
伦敦烟雾事件
? 伦敦 1952年 2月 5日到 8日，雾大无风，
家庭和工厂排出的烟尘经久不散，大气
中 SO2含量 3.8毫克 /立方米，烟尘 4.5
毫克，居民普遍呼吸困难、咳嗽、喉痛、
呕吐和发烧,4天内死亡约 4000人
39
有毒有害物质循环
? 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
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，
这一现象称为生物放大作用
40
有毒有害物质循环的实例
? DDT
– DDT是人工合成的有机氯杀虫剂
– DDT不溶于水，而溶于脂肪，极易通过食物链而浓
集
– DDT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
禽类的数量减少
? 危害
– 消灭害虫的同时，无选择地将益虫、益鸟和害虫的天
敌杀死
– 如美国加利福尼亚州，由于滥用 DDT,1967年有
19%的蜜蜂被杀死，导致水果和蜂蜜急剧减产
41
BIOMAGINIFICATION OF DDT
42
BIOMAGINIFICATION OF DDT
水体中的 DTT浓度约为 0.00005ppm
↓
浮游生物 0.04 ppm
↓
刚毛藻 0.08 ppm
↓
网茅 0.33 ppm
↓
螺 0.26 ppm 蛤 0.42 ppm 鱼 1.24 ppm
↓
燕鸥 3.42 ppm
↓
河鸥幼体 55.3 ppm 成体 18.5 ppm
↓
秋沙鸭 22.8 ppm
↓
鹭鸟 26.4 ppm
↓
银鸥 75.5 ppm
43
汞
? 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
人体内积存，引起甲基汞慢性中毒
? 1953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，人称水俣病
? 水俣湾中螃蟹体内含汞 24ppm，受害人肾中
含 14ppm，而鱼的允许水平为 0.5ppm
44
本章结束
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普通生态学
（ 13）
2
第十三章 生态系统中的物质循环
13.1 物质循环的一般特征
13.2 全球水循环
13.3 碳循环
13.4 氮循环
13.5 磷循环
13.6 硫循环
3
物质循环与能量流动
4
物质循环的一般特征
? 生物地 球化学循环,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 包括生物
与非 生物二者 的参与,同 时 也包含一些地 质与 地
理作用在內,因此 称为 生物地 球化学循环
? 生物小循环,环境中元素经生物吸收，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
5
Basics of nutrient cycling
6
生物小循环
7
物质循环的基本概念
? 库：
– 贮存一定数量元素的某种生态系统组分称为该
元素的库
– 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
? 流通率,单位时间、单位面积 /体积的物质转移量
? 周转率, 流通率 /库 中 营养物质总量
? 周转时间,库 中 营养物质总量 /流通率
8
物质在库间的流通
? 流通量、周转率与周转时
间是相对于库而言的
? 生产者库
– 流通率,20单位 /天
– 周转率：
20/100=20%
– 周转时间：
100/20=5天
? 消费者库
– 流通率,4单位 /天
– 周转率,4/50=8%
– 周转时间：
50/4=12.5天
9
影响物质循环速率的因素
? 元素的性质,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
机体利用的方式不同所决定的。如 CO2 1
年,N 100万年
? 生物的生长速率,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
10
影响物质循环速率的因素
? 有机物质腐烂的速率,适宜的环境有利
于分解者的生存，并使有机体很快分解，
供生物重新利用
? 人类活动的影响,
– 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
– 化石燃烧把硫和二氧化硫释放大气中
11
生物地球化学循环的类型
? 气体型循环
– 贮存库是大气和海洋
– 有气体形式的分子参与循环过程
– 循环速度快，例如 CO2,N2,O2等
? 沉积型循环
– 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
– 循环速度慢，时间以千年计算，例如 P,Ca,Mg等
? 水循环
– 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
12
13.2 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
? 地表总水量,1.4× 109km3，海洋约占 97%
? 水的循环：
– 陆地：蒸发 (蒸腾 )71,000km3，降水
111,000km3,径流 40,000km3
– 海洋：蒸发 425,000km3，降水 385,000km3
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The Hydrologic Cycle
(40)
(71)
(111)
(385)
(425)
(40)
× 103km3
14
生态系统中的水循环
降雨
截留
穿透雨
蒸腾
渗透
土壤吸收
地表
径流
地下径流
消费者
地面蒸发
15
13.3 碳循环
? 碳的重要性,生命元素、能量流动
? 碳库,海洋和大气、生物体
? 碳的存在形式, CO2，无机盐，有机碳
? 主要循环过程
– 生物的同化和异化过程
– 大气和海洋间的 CO2交换
– 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
化的主要原因
16
海洋和大气 CO2调节
CO2 CO2溶于海水 H2CO3
水体中生物
H++CO32- CaCO3
海底沉积物
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The Carbon Cycle
18
The Carbon Cycle
92 90
750
6
1
× 1015gC
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温室效应
? 温室效应（ Greenhouse effects ）,大气
中对长波辐射具有屏蔽作用的温室气体浓度增加使
较多的辐射能被截留在地球表层而导致温度上升
? 温室气体,二氧化碳 (CO2)、甲烷 (CH4)、氧化亚
氮 (N2O)、六氟化碳 (SF6)、氟氯碳化物 (CFCs)、氢
氟碳化物 (HFCs)等
? 温室效应的影响
– 海平面上升，淹沒陆地
– 全球气候经常发生暴雨或干旱
– 土地沙漠化，生态环境改变
20
Incoming sunlight warms the surface of the Earth and is radiated
back to atmosphere,Greenhouse gases absorb some of this heat,
trapping it in the atmosphere.
GREENHOUSE EFFECT
21
Carbon accumulation
? CO2 has increased from its pre-industrial level
? data,recent records plus older data such as ice cores
? mostly fossil fuel burning
22
CO2排放
23
13.4 氮循环
? 氮的重要性
? 氮库：大气、土壤、陆地植被
? 生物可利用的氮的形式,NO32-,NO22-,NH4+
? 氮循环的主要过程
– 固氮作用
– 氨化作用
– 硝化作用
– 反硝化作用
24
The Nitrogen Cycle
25
氮的循环
× 1012gN
26
固氮作用
? 类型
– 闪电、宇宙射线、火山爆发等高能固氮
– 工业固氮,400摄氏度,200大气压下
– 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
? 意义
– 平衡反硝化作用
– 对局域缺氮环境有重要意义
– 使氮进入生物循环
27
生态系统中的氮循环
28
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
分解成为氨和氨化合物，氨溶水成为 NH4+，为
植物利用
? 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，回到大气库中
29
13.5 磷循环
? 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，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、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
? 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
30
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 through the trophic levels.
BIOGEOCHEMICAL CYCLE - PHOSPHORUS
31
磷的循环
× 1012gP
32
一个池塘生态系统的磷循环
33
生态系统的磷循环
34
硫循环
35
酸雨的形成
36
ACID RAIN IN THE UNITES STATES
The most acidic rain is concentrated in the northeast,but
thousands of lakes in the west are also vulnerable.
37
ACID RAIN IN THE WORLD
38
伦敦烟雾事件
? 伦敦 1952年 2月 5日到 8日，雾大无风，
家庭和工厂排出的烟尘经久不散，大气
中 SO2含量 3.8毫克 /立方米，烟尘 4.5
毫克，居民普遍呼吸困难、咳嗽、喉痛、
呕吐和发烧,4天内死亡约 4000人
39
有毒有害物质循环
? 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
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，
这一现象称为生物放大作用
40
有毒有害物质循环的实例
? DDT
– DDT是人工合成的有机氯杀虫剂
– DDT不溶于水，而溶于脂肪，极易通过食物链而浓
集
– DDT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
禽类的数量减少
? 危害
– 消灭害虫的同时，无选择地将益虫、益鸟和害虫的天
敌杀死
– 如美国加利福尼亚州，由于滥用 DDT,1967年有
19%的蜜蜂被杀死，导致水果和蜂蜜急剧减产
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BIOMAGINIFICATION OF DDT
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BIOMAGINIFICATION OF DDT
水体中的 DTT浓度约为 0.00005ppm
↓
浮游生物 0.04 ppm
↓
刚毛藻 0.08 ppm
↓
网茅 0.33 ppm
↓
螺 0.26 ppm 蛤 0.42 ppm 鱼 1.24 ppm
↓
燕鸥 3.42 ppm
↓
河鸥幼体 55.3 ppm 成体 18.5 ppm
↓
秋沙鸭 22.8 ppm
↓
鹭鸟 26.4 ppm
↓
银鸥 75.5 ppm
43
汞
? 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
人体内积存，引起甲基汞慢性中毒
? 1953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，人称水俣病
? 水俣湾中螃蟹体内含汞 24ppm，受害人肾中
含 14ppm，而鱼的允许水平为 0.5ppm
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本章结束
