11 生态系统中的物质循环
?物质循环的一般特点
?水循环
?气体型循环
?沉积型循环
?有毒有害物质循环
11.1 物质循环的一般特点
? 概念
? 生命与元素
? 物质循环的模式
? 生物地球化学循环的类型
（ 1）概念
? 物质循环（ cycle of material）
? 生态系统从环境中获得营养物质，通过绿色植物吸收，再
经其它生物重复利用，最后归还于环境的过程。
? 生物地球化学循环（ Biogeo-chemical cycle）
? 物质循环的另一种表述。
? 能量 ——流动
? 物质 ——循环
? 能量流动 +物质循环 =生态系统的统一整体
（ 2）生命与元素
? 生命所需的元素主要有两类：
? 大量元素（ macronutrient）,大多数生物必需的元素，包括
? 含量超过生物体重 1%以上的元素，如,C,O,H,N,P等；
? 含量为生物体干重 0.2-1%之间的元素，如,S,Cl,K,Ca、
Mg,Fe,Cu等。
? 微量元素（ micronutrient）,某些生物必需的元素，包括
? Al,B,Br,Cr,Co,F,Ga,I,Mn,Mo,Se,Si,Sr,Sn、
Sb,V,Zn等；
? 有机物通过光合作用合成过程的必需元素：
? N,P及微量 Zn,Mo等。
（ 3）物质循环的模式
? 名词解释
? 池塘生态系统的物质循环模式
? 影响循环速率的重要因素
a,名词解释
? 库（ pool）,存在于生物或非生物体内的某种化合物的多余部分；
? 流通（ flow）,库与库之间的转移
? 流通率：单位时间、单位面积内通过的营养物质（量），通常用
绝对值表示（物质 /单位面积 · 单位时间）；
? 周转率（ turnover rate）,流通率与库中物质总量的比率
? 周转时间（ turnover time）,周转率的倒数
库中营养物质总量
流通率周转率 ?
周转率流通率
库中营养物质总量周转时间 1??
b,池塘生态系统的物质循环模式
池塘生态系统中库与库流通的模式见 图 11-1。
图 11-1 池塘生态系统中库与库流通的模式图
? 四个库：沉积层，水体，生
产者，消费者
? 各个库的流通率：
? 沉积层 -水体,20；水体 -生
产者,20；生产者 -消费者：
4；消费者 -沉积层,4
? 周转率
? 沉积层,(20/5000)=0.004
? 周转时间
? 沉积层,(1/0.004)=250(a)
? 沉积层中营养物质的更新需
要 250年
c,影响循环速率的重要因素
? 循环元素的性质
? 元素自身的性质以及被生物有机体利用的方式
? 生物的生长速率
? 影响生物对物质的吸收速度和物质在食物链中的运动速度；
? 有机物分解速率
? 分解者及分解环境
（ 4）生物地球化学循环类型
? 水循环（ water cycle）
? 生态系统中所有物质循环的基础和前提，单独列出
? 气体型循环（ gaseous cycle）
? 贮存库是大气和海洋
? 全球性，完善型，高速度。
? 主要有氧、二氧化碳、氮等；
? 沉积型循环（ sedimentary cycle）
? 贮存库是岩石圈和土壤圈，与水有联系
? 速度慢，性能不完善，
? 主要有磷、钙、钾、钠、镁、铁、铜等
11.2 水循环
? 全球水循环
? 全球水循环示意图见 图 11-2
? 全球水资源概况见 表 11-1
? 水循环的特点
? 全球的降水量和蒸发量相等，但存在地区差异；
? 地表径流携带大量营养物质，造成高地贫瘠，低地肥沃；
? 冰雪的溶化可以调节气温，保持生态稳定。
图 11-2 全球水循环
表 11-1 全球水资源概况
注：平均误差 10-15%,*未计入南北极冰块的溶化量（引自 Smith,1980）
11.3 气体型循环
气体型循环包括氧、碳、氮、氯、溴、氟等，研究最多
的是碳和氮。
? 碳循环
? 氮循环
11.3.1 碳循环
? 碳的来源及储存
? 是一切生物体中最基本的成分，有机体干重的 45%以上是碳。
? 地球上碳的储存量约为 26× 1015 t。
? 碳的储存库
? 岩石圈：占总量的 99.9%，主要以碳酸盐形式存在；
? 海 洋：海洋中 CO2的含量约为 0.1%；
? 大 气：大气中 CO2的含量约为 0.0126%，总量约 7000 × 108 t,每年只有
200-300 × 103 t为光合作用利用，却有 1000 × 108 t以碳酸盐形式溶于水，
并流入大海。
? 森 林：约储存碳 1.7 × 1010 t,相当于大气中碳的 2/3。
? 碳的循环
? 从光合作用开始，合成植物，进入生物链，再分别回归储存库，见
图 11-3。
? 碳循环的特点
? 速度快：最快几分钟或几小时, 一般几周或几个月；
? 大气中的 CO2能吸收太阳的短波辐射并阻挡地球的长波反射；保持地
球温度的稳定；
图 11-3 生态系统中的碳循环
11.3.2 氮循环
? 氮是蛋白质的基本成分，是生命结构的原料。
? 氮必须被固定后，才能进入生态系统，参与循环。
? 固氮作用
? 高能固氮：闪电、宇宙射线、陨石、火山爆发等活动，将大气中的
N2转化成氨或硝酸盐，随降雨到达地表；
? 工业固氮：工业固氮能力在 20世纪末已达 1× 108t； 主要是氮肥；
? 生物固氮：是最重要的固氮途径，约占地球固氮的 90%，具有固氮能
力的生物主要有固氮菌、根瘤菌及某些藻类和细菌等。
? 氮的循环 （见图 11-4）
? 含氮有机物的转化和分解
? 氨化作用：由氨化细菌和真菌将有机氨分解成为氨与氨化物；
? 硝化作用：由亚硝酸盐与硝酸盐细菌转化为亚、硝酸盐；
? 反硝化作用：又叫脱氮作用，将亚硝酸盐转变为 N2回到大气。
图 11-4 生态系统中的氮循环
11.4 沉积型循环
? 主要是某些矿物质元素的循环，是一种不完全循环。
? 对生态系统影响比较大的主要有磷和硫的循环。
? 磷循环
? 硫循环
11.4.1 磷循环
? 磷是生物不可缺少的重要元素
? 参与代谢过程；
? 是核酸、细胞膜和骨骼的主要成分；
? 是细胞内一切生化作用的能量
? 磷的循环 （图 11-5）
? 磷的沉积
? 磷随着动植物残骸沉入深海后，几乎没有回到陆地的有效途径；
? 磷以磷矿的形式开采利用后，加速了磷的消耗，全世界磷的蕴
藏量只能维持 100a左右；
? 磷将成为人类和陆地生物的生命活动的限制因子。
图 11-5 生态系统的磷循环
11.4.2 硫循环
? 硫是原生质体的重要组分；空气中的硫含量与人的健康密切相关；
? 硫循环 （图 11-6）
? 与磷循环相似，但硫循环要经过气体型阶段；
? 硫的主要蓄库是岩石圈，有一个较短的气体阶段；
? 硫进入生态系统的途径：
? 生物分解：如铁硫杆菌将硫转变为硫酸盐；
? 侵蚀与风化：无机硫经细菌作用还原为硫化物，再氧化为硫酸盐；
? 火山爆发：释放硫化氢；
? 人类活动：硫的开采，化石燃料的燃烧。
? 人类每年向大气中排放 SO2已达 1.47× 108 t,80%源自燃烧煤。
图 11-6 生态系统中的硫循环
11.5 有毒有害物质循环
? 有毒有害物质循环的一般特点
? 概念：对有机体有毒有害的物质进入生态系统，通过食物链富
集或被分解的过程。
? 大多数有毒物质（人工合成的大分子有机物和重金属离子）难
以在有机体的代谢过程被排除，经同化作用富集而造成有机体
的中毒甚至死亡。
? 某些有毒物质经生物转化后使毒性增加，如汞转化为甲基汞。
? 有毒有害物质的控制
? 减少排放；回收利用；无害化处理。
? 有毒有害物质循环实例
? DDT
? 汞
DDT
? DDT的特点
? 一种人工合成的有机氯杀虫剂，发明者获得诺贝尔奖；
? 化学性能稳定，不易分解但易扩散的有毒大分子有机物；
? 1981年，我国参加了世界卫生组织举办的对人体中有机氯（农
药）的检测，如连云港地区：母亲乳汁中含, 六六六, 600mg/l，
“DDT”400mg/l,婴儿胎盘中, 六六六, 890mg/l,“DDT”610mg/l，
超过容许量的 10倍。并且，导致胎儿早产，发育不良，甚至致
癌、致畸； 1983年，中国决定停止有机氯农药的生产；发达国
家在 70年代已停止生产，但至今在南北极仍可检测到 DDT。
? DDT在母乳与胎儿中的含量 （图 11-7）
? DDT在食物链中的富集 （图 11-8）
图 11-7 母乳与胎儿身体中 DDT和 PCB的含量
（ mg/kg）
图 11-8 从浮游生物到水鸟的食物链中 DDT的质量分数
（ × 10-6）的增加
汞
? 汞在生物体内易与中枢神经系统的某些酶结合，引起神
经错乱，昏迷甚至致死；
? 汞能与一种蛋白质一起对 DNA发生作用并形成专一性结
合，造成胎儿先天畸形；
? 汞在生态系统中经卫生作用转化为有机汞，具有脂溶性，
不仅更易富集，且毒性更大。
? 汞的富集实例 （表 11-2）
表 11-2 汞在水生物中的富集
汞浓度 ppm 浓缩系数
食肉娃鱼 1-2 10000-20000
小鱼 0.1-0.3 1000-3000
低等动物 0.02-0.05 200-500
植物 0.01-0.02 100-200
海水 0.0001
推荐阅读文献与思考题
? 推荐阅读文献
[美 ]Odum E P,孙儒泳, 钱国桢, 林浩然, 等译, 生态学基础, 北京：
科学出版社, 1981
? 思考题
? 名词解释：库，流通，流通率，周转率，周转时间。
? 影响物质循环速率的主要因素有哪些？怎样影响？
? 气体型循环物质与沉积型循环物质在生态系统中的循环有哪些
异同？
? 有毒有害物质的循环具有什么特点，怎样控制？
?物质循环的一般特点
?水循环
?气体型循环
?沉积型循环
?有毒有害物质循环
11.1 物质循环的一般特点
? 概念
? 生命与元素
? 物质循环的模式
? 生物地球化学循环的类型
（ 1）概念
? 物质循环（ cycle of material）
? 生态系统从环境中获得营养物质，通过绿色植物吸收，再
经其它生物重复利用，最后归还于环境的过程。
? 生物地球化学循环（ Biogeo-chemical cycle）
? 物质循环的另一种表述。
? 能量 ——流动
? 物质 ——循环
? 能量流动 +物质循环 =生态系统的统一整体
（ 2）生命与元素
? 生命所需的元素主要有两类：
? 大量元素（ macronutrient）,大多数生物必需的元素，包括
? 含量超过生物体重 1%以上的元素，如,C,O,H,N,P等；
? 含量为生物体干重 0.2-1%之间的元素，如,S,Cl,K,Ca、
Mg,Fe,Cu等。
? 微量元素（ micronutrient）,某些生物必需的元素，包括
? Al,B,Br,Cr,Co,F,Ga,I,Mn,Mo,Se,Si,Sr,Sn、
Sb,V,Zn等；
? 有机物通过光合作用合成过程的必需元素：
? N,P及微量 Zn,Mo等。
（ 3）物质循环的模式
? 名词解释
? 池塘生态系统的物质循环模式
? 影响循环速率的重要因素
a,名词解释
? 库（ pool）,存在于生物或非生物体内的某种化合物的多余部分；
? 流通（ flow）,库与库之间的转移
? 流通率：单位时间、单位面积内通过的营养物质（量），通常用
绝对值表示（物质 /单位面积 · 单位时间）；
? 周转率（ turnover rate）,流通率与库中物质总量的比率
? 周转时间（ turnover time）,周转率的倒数
库中营养物质总量
流通率周转率 ?
周转率流通率
库中营养物质总量周转时间 1??
b,池塘生态系统的物质循环模式
池塘生态系统中库与库流通的模式见 图 11-1。
图 11-1 池塘生态系统中库与库流通的模式图
? 四个库：沉积层，水体，生
产者，消费者
? 各个库的流通率：
? 沉积层 -水体,20；水体 -生
产者,20；生产者 -消费者：
4；消费者 -沉积层,4
? 周转率
? 沉积层,(20/5000)=0.004
? 周转时间
? 沉积层,(1/0.004)=250(a)
? 沉积层中营养物质的更新需
要 250年
c,影响循环速率的重要因素
? 循环元素的性质
? 元素自身的性质以及被生物有机体利用的方式
? 生物的生长速率
? 影响生物对物质的吸收速度和物质在食物链中的运动速度；
? 有机物分解速率
? 分解者及分解环境
（ 4）生物地球化学循环类型
? 水循环（ water cycle）
? 生态系统中所有物质循环的基础和前提，单独列出
? 气体型循环（ gaseous cycle）
? 贮存库是大气和海洋
? 全球性，完善型，高速度。
? 主要有氧、二氧化碳、氮等；
? 沉积型循环（ sedimentary cycle）
? 贮存库是岩石圈和土壤圈，与水有联系
? 速度慢，性能不完善，
? 主要有磷、钙、钾、钠、镁、铁、铜等
11.2 水循环
? 全球水循环
? 全球水循环示意图见 图 11-2
? 全球水资源概况见 表 11-1
? 水循环的特点
? 全球的降水量和蒸发量相等，但存在地区差异；
? 地表径流携带大量营养物质，造成高地贫瘠，低地肥沃；
? 冰雪的溶化可以调节气温，保持生态稳定。
图 11-2 全球水循环
表 11-1 全球水资源概况
注：平均误差 10-15%,*未计入南北极冰块的溶化量（引自 Smith,1980）
11.3 气体型循环
气体型循环包括氧、碳、氮、氯、溴、氟等，研究最多
的是碳和氮。
? 碳循环
? 氮循环
11.3.1 碳循环
? 碳的来源及储存
? 是一切生物体中最基本的成分，有机体干重的 45%以上是碳。
? 地球上碳的储存量约为 26× 1015 t。
? 碳的储存库
? 岩石圈：占总量的 99.9%，主要以碳酸盐形式存在；
? 海 洋：海洋中 CO2的含量约为 0.1%；
? 大 气：大气中 CO2的含量约为 0.0126%，总量约 7000 × 108 t,每年只有
200-300 × 103 t为光合作用利用，却有 1000 × 108 t以碳酸盐形式溶于水，
并流入大海。
? 森 林：约储存碳 1.7 × 1010 t,相当于大气中碳的 2/3。
? 碳的循环
? 从光合作用开始，合成植物，进入生物链，再分别回归储存库，见
图 11-3。
? 碳循环的特点
? 速度快：最快几分钟或几小时, 一般几周或几个月；
? 大气中的 CO2能吸收太阳的短波辐射并阻挡地球的长波反射；保持地
球温度的稳定；
图 11-3 生态系统中的碳循环
11.3.2 氮循环
? 氮是蛋白质的基本成分，是生命结构的原料。
? 氮必须被固定后，才能进入生态系统，参与循环。
? 固氮作用
? 高能固氮：闪电、宇宙射线、陨石、火山爆发等活动，将大气中的
N2转化成氨或硝酸盐，随降雨到达地表；
? 工业固氮：工业固氮能力在 20世纪末已达 1× 108t； 主要是氮肥；
? 生物固氮：是最重要的固氮途径，约占地球固氮的 90%，具有固氮能
力的生物主要有固氮菌、根瘤菌及某些藻类和细菌等。
? 氮的循环 （见图 11-4）
? 含氮有机物的转化和分解
? 氨化作用：由氨化细菌和真菌将有机氨分解成为氨与氨化物；
? 硝化作用：由亚硝酸盐与硝酸盐细菌转化为亚、硝酸盐；
? 反硝化作用：又叫脱氮作用，将亚硝酸盐转变为 N2回到大气。
图 11-4 生态系统中的氮循环
11.4 沉积型循环
? 主要是某些矿物质元素的循环，是一种不完全循环。
? 对生态系统影响比较大的主要有磷和硫的循环。
? 磷循环
? 硫循环
11.4.1 磷循环
? 磷是生物不可缺少的重要元素
? 参与代谢过程；
? 是核酸、细胞膜和骨骼的主要成分；
? 是细胞内一切生化作用的能量
? 磷的循环 （图 11-5）
? 磷的沉积
? 磷随着动植物残骸沉入深海后，几乎没有回到陆地的有效途径；
? 磷以磷矿的形式开采利用后，加速了磷的消耗，全世界磷的蕴
藏量只能维持 100a左右；
? 磷将成为人类和陆地生物的生命活动的限制因子。
图 11-5 生态系统的磷循环
11.4.2 硫循环
? 硫是原生质体的重要组分；空气中的硫含量与人的健康密切相关；
? 硫循环 （图 11-6）
? 与磷循环相似，但硫循环要经过气体型阶段；
? 硫的主要蓄库是岩石圈，有一个较短的气体阶段；
? 硫进入生态系统的途径：
? 生物分解：如铁硫杆菌将硫转变为硫酸盐；
? 侵蚀与风化：无机硫经细菌作用还原为硫化物，再氧化为硫酸盐；
? 火山爆发：释放硫化氢；
? 人类活动：硫的开采，化石燃料的燃烧。
? 人类每年向大气中排放 SO2已达 1.47× 108 t,80%源自燃烧煤。
图 11-6 生态系统中的硫循环
11.5 有毒有害物质循环
? 有毒有害物质循环的一般特点
? 概念：对有机体有毒有害的物质进入生态系统，通过食物链富
集或被分解的过程。
? 大多数有毒物质（人工合成的大分子有机物和重金属离子）难
以在有机体的代谢过程被排除，经同化作用富集而造成有机体
的中毒甚至死亡。
? 某些有毒物质经生物转化后使毒性增加，如汞转化为甲基汞。
? 有毒有害物质的控制
? 减少排放；回收利用；无害化处理。
? 有毒有害物质循环实例
? DDT
? 汞
DDT
? DDT的特点
? 一种人工合成的有机氯杀虫剂，发明者获得诺贝尔奖；
? 化学性能稳定，不易分解但易扩散的有毒大分子有机物；
? 1981年，我国参加了世界卫生组织举办的对人体中有机氯（农
药）的检测，如连云港地区：母亲乳汁中含, 六六六, 600mg/l，
“DDT”400mg/l,婴儿胎盘中, 六六六, 890mg/l,“DDT”610mg/l，
超过容许量的 10倍。并且，导致胎儿早产，发育不良，甚至致
癌、致畸； 1983年，中国决定停止有机氯农药的生产；发达国
家在 70年代已停止生产，但至今在南北极仍可检测到 DDT。
? DDT在母乳与胎儿中的含量 （图 11-7）
? DDT在食物链中的富集 （图 11-8）
图 11-7 母乳与胎儿身体中 DDT和 PCB的含量
（ mg/kg）
图 11-8 从浮游生物到水鸟的食物链中 DDT的质量分数
（ × 10-6）的增加
汞
? 汞在生物体内易与中枢神经系统的某些酶结合，引起神
经错乱，昏迷甚至致死；
? 汞能与一种蛋白质一起对 DNA发生作用并形成专一性结
合，造成胎儿先天畸形；
? 汞在生态系统中经卫生作用转化为有机汞，具有脂溶性，
不仅更易富集，且毒性更大。
? 汞的富集实例 （表 11-2）
表 11-2 汞在水生物中的富集
汞浓度 ppm 浓缩系数
食肉娃鱼 1-2 10000-20000
小鱼 0.1-0.3 1000-3000
低等动物 0.02-0.05 200-500
植物 0.01-0.02 100-200
海水 0.0001
推荐阅读文献与思考题
? 推荐阅读文献
[美 ]Odum E P,孙儒泳, 钱国桢, 林浩然, 等译, 生态学基础, 北京：
科学出版社, 1981
? 思考题
? 名词解释：库，流通，流通率，周转率，周转时间。
? 影响物质循环速率的主要因素有哪些？怎样影响？
? 气体型循环物质与沉积型循环物质在生态系统中的循环有哪些
异同？
? 有毒有害物质的循环具有什么特点，怎样控制？
