森林生态系统的养分循环.ppt

生态系统养分循环概述生态系统养分循环概述森林生态系统养分循环的类型与机制森林生态系统养分循环的类型与机制生态系统中的分解生态系统中的分解森林生态系统中养分循环特征参数森林生态系统中养分循环特征参数氮、磷、硫循环氮、磷、硫循环森林生态系统生物地球化学循环的效能森林生态系统生物地球化学循环的效能森林经营对森林生物地球化学循环的影响森林经营对森林生物地球化学循环的影响第八章第八章 生态系统的养分循环生态系统的养分循环.本章导读本章导读识记：养分循环特征参数(存留量、归还量、吸收量、吸收率或吸收系数、利用效率、循环强度、生物循环系数)；物质循环的概念及其基本类型、基本调节原则领会：森林生态系统物质循环的研究方法；几种典型的物质循环的基本特点及其分析方法简单应用：森林经营对森林生物地球化学的影响综合应用：生态系统几种典型的物质循环与当前全球环境问题的关系.1生态系统养分循环概述生态系统养分循环概述生态系统养分循环(nutrientcycles)通常称为物质循环，或元素循环或元素的生物地球化学循环。自然界各种不同生态系统中，物质的循环和能量的流动是一切生命过程的基础。.生态系统养分循环概念生态系统养分循环概念在生态系统中生物从环境中(土壤、水或大气)吸收的养分元素，在植物体内结合成有机形式，并通过食物链从一个营养级转移到下一个营养级，最后所有的生物残体或废物(又称凋落物或枯落物)被分解者分解，以元素的形式释放到环境中，又被植物重新吸收利用。这样，养分元素在生态系统内一次又一次地被循环利用，这种现象称为生态系统养分循环生产者：绿 色 植物消 费 者：动物分 解者：微 生物死亡残体、排泄物凋落物、分泌物动物取食养分归还养分吸收环境：大气、水体、土壤中N、P、K、S、C、Ca.实际意义实际意义人工林、草场等的地力衰退湖泊的富营养化问题温室效应酸雨现象生产者：绿色植物消费者：动物分解者：微生物死亡残体、排泄物凋落物、分泌物动物取食养分归还养分吸收环境：大气、水体、土壤中N、P、K、S、C、Ca.常用术语常用术语库库(pool)定义：指各种化学元素以比较稳定的形式，在生物和非生物成分之间暂时或永久停留和贮存的地方。有人形象地比喻为养分循环的中转站。根据滞留的时间和量的多少，库可分为两种：贮存库(reservoir)：容量大而物质活动慢，一般属于非生物成分，只有通过各种物理、化学或人为的作用才能使其中的物质重新释放出来。如大气库、土壤库等交换库(exchangeorcyclingpool)：容量小而物质运动快，多属生物成分。如植物库、动物库等。每个库又可分为许多亚库。如森林生态系统中重要的有植物库、动物库、土壤库，后者又可分为有机质、矿物质和有效态等三种库。.物质流物质流(flow)定义：也称之为通道。是指化学元素从一个库到另一个库的运动与转化过程。在生态系统中，化学元素在库与库之间流动形成了各个物质流，许多个这样的流就形成了物质循环的流动过程，这些流动过程是一个封闭的系统，形成了物质循环的环。.周转周转(turnover)流通率：指在单位时间、单位面积(或体积)物质的流动转移量。物质在生态系统中的流通量，通常用绝对值表示：物质/单位面积/单位时间。周转率：指出入库的流通率与该库中物质的量的比率。表示为：周转率=流通率/库中物质量周转时间：为周转率的倒数，即：周转时间=1/周转率=库中物质量/流通率.流通率=16单位/天，对于生产者的输出库的周转率=16/100=0.16对于生产者的周转时间为6.25天turnover.周转周转(turnover)各种物质的周转时间是不同的，周转率越大，周转时间越短。凡是容易转化为气态或本身就是气态的物质，其循环周期都比较短；以沉积形式出现的物质，其循环周期越长。物质循环速度在气相中要比在液相中快得多。例如：大气圈中N2的周转时间约近100万年(固氮作用)，大气圈中水则需10.5天；海洋中主要物质的周转时间以硅最短，约8000年，钠最长，约2.06亿年。.2森林生态系统养分循环的类型与机制森林生态系统养分循环的类型与机制按照物质循环所涉及的范围大小：地球化学循环(geochemicalcycles)：指生态系统之间的物质循环。距离可能很近，如坡上和坡下；或者很远，如在生物圈这样大范围内的全球性循环生物地球化学循环(biogeochemicalcycles)：指在一个生态系统内部较小范围内的局部循环。如在植物群落的土壤之间的循环生物化学循环(biochemicalcycles)：指养分在生物体内的再分配.2.1地球化学循环地球化学循环水循环(watercycle)：水是自然的驱动力，没有水的循环就没有其它的循环气态循环(gaseouscycles)：各种物质的主要贮库是大气和海洋，气态循环将大气和海洋紧密联接起来，具有明显的全球性循环性质，如O2、CO2、N等为代表沉积循环(sedimentarycycles)：主要贮库是岩石圈和土壤圈，与大气无关。沉积物主要通过岩石的风化作用和沉积物本身的分解作用而转变成生态系统可利用的营养物质。故这类循环较缓慢，非全球性的，如S、P等.C、N、O主要以气态形式输入和输出。循环比较迅速；比较完全的循环为什么气态循环引起人们极大的重视？人类的活动每天都有大量CO、CO2、硫和氮的氧化物，以及各种有机物质和农药进入气态循环。典型后果：酸雨温室效应2.1.1气态循环气态循环(gaseous cycles).大部分地球化学循环属于沉积循环类型有些元素既参与气态循环，有时参与沉积循环，决定于该元素的理化性质、生物作用和环境条件循环缓慢；不完全循环；通常没有全球影响2.1.2沉积循环沉积循环(sedimentary cycles).3种运动形式种运动形式地质的生物的气象的地质的气象的生物的大气溶于水和土壤土壤和岩石矿物质剩余有机物(活的和死的).2.2生物地球化学循环生物地球化学循环(biogeochemical cycles)生态系统内部化学元素的交换，空间范围不大。植物在系统内就地吸收养分，又通过落叶归还到同一区域。绝大多数的养分可以有效地保留，积累在本系统之内。当然也许含有钾元素的树叶被鹿所食进入草牧食物链，若鹿再被虎所食，可将钾元素输出系统之外到更远的地方。多数生态系统内生物和化学元素的交换，大体处于平衡状态。.生态生态系统系统养分养分循环循环过程过程燃烧（Ca、Na、K、P）活有机体同化和生产淋溶和排泄有效无机养分风化侵蚀生物固定间接有效无机养分降水沉积腐食者死亡排泄呼吸（C、H、O）侵蚀死有机残体间接有效有机养分燃烧淋溶（Ca、Na、K）分解（C、N、P、S）泥炭煤石油的形成.2.2.1植物对养分的吸收植物对养分的吸收吸收途径有二种：吸收途径有二种：通过菌根和无菌根的根系从土壤溶液中吸收靠菌根菌直接从正在分解的有机物质内吸收-养分直接循环省去了经过土壤溶液的过程，又能防止养分被淋失掉，以及防止非菌根微生物的吸收；有效地保证了植物养分的失而复得，是一种稳妥的生物地球化学循环。在贫瘠土壤上极有利于对养分的保存。.2.2.2植物体内养分的分配植物体内养分的分配植物体内养分分配一般有如下差异：林中个体大小不同，其百分含量有差异，一般I、II级木含量百分比要小；同一树木不同器官一般以叶含量最高，其次为细根(2mm)，然后是枝条、树皮、果实等，最少的是粗根和树干；常绿阔叶林，年龄越小，叶中元素含量越大，随年龄而变化.2.2.3植物养分的损失植物养分的损失雨水的淋失草食动物的取食生殖器官的消耗凋落物损失的养分思考：如何理解养分的“损失”？.(1)雨水的淋失雨水的淋失所有植物都会因雨水的作用使各种化学元素由叶部、树皮和根部淋洗掉。无机的微量和大量元素以及氨基酸、葡萄糖、维生素、生长调节物质(激素)、酚和其他许多植物化学元素，经常在雨天从植物体上被冲洗掉。无机养分元素中，以K、Ca、Mg和Mn淋洗掉的最多，其数量因树种和雨量的大小而异。钠(非重要元素)也是很容易被淋洗掉的元素。.雨水淋失量影响因素雨水淋失量影响因素生物因素：树种(阔叶、针叶)；林分结构；树龄、叶子年龄、健康状况(受损伤)；树冠形态(树木空间构筑学)。地理因素：热带林淋洗量最大降雨因素：年降水量、降水时间；降雨持续期和强度；与前次降雨间隔时间。.(2)草食动物的取食草食动物的取食养分损失、养分转移：昆虫粪便；增加土壤养分；转移到溪流和湖泊，增加水体内生物生产力。增加凋落量、淋洗损失。根系死亡、养分的损失；减少根系吸收。影响林下植物：上层林木叶子遭严重损失后，影响林下光照等。.(3)生殖器官的消耗生殖器官的消耗林业和园艺工作者很早就知道果实和种子的丰产将会耗掉植物贮存的很多养分，由此短期内减低了生长和对养分的吸收。花和种子的形成和发育比营养生长需要更高质量的养分，植物未能达到足够养分贮存之前，不可能紧接着又有一次种子丰年，这也是北方森林和冻原地区植物不常有种子丰年的主要原因之一。林木凋落的花粉和种子数量虽不多，但养分含量相当可观。.(4)凋落物损失的养分凋落物损失的养分森林里树叶的脱落每年几乎都一样，所造成养分的损失年年都差不多凋落物养分的数量决定于凋落物的生物量、类型(叶枝、树皮等)和养分含量，所有这些因素是随立地条件不同而发生变化。一般温暖、湿润、肥沃和生产力高的立地，凋落物就多，养分损失也多，寒冷、干旱、瘠薄和生产力低的立地，凋落物少，养分损失也少。.地下根系地下根系凋落物还有地下细根的大量死亡，也是养分损失的一个方面，然而过去却很少研究，事实上有些森林地下养分的损失还会超过地上的很多倍地下细根凋落物的多少因林分年龄及立地条件而异一般森林植被凋落物中以N、Ca、Mg损失量最多，淋洗掉的以K最多。P的主要损失途径有时为凋落物，有时为淋洗.2.2.4凋落物的分解凋落物的分解凋落物分解和养分的释放是森林生物地球化学循环中最重要的一环，分解过快或过慢对森林生长都不利。思考：热带雨林生产力高，生长快，但也最脆弱，为什么？.2.2.5林下植被的作用林下植被的作用林下植被的凋落物含有相当高的养分，一般有利于森林死地被物的分解，从而提高土壤肥力。因此，林下保持一定数量的灌木、杂草以及苔藓，将会对森林的生产力起到有益的作用。思考：除此之外，林下植被还有哪些作用？.林下植被的作用林下植被的作用两块不同森林类型林下植被对K循环的重要性。由此可说明很多森林类型若不考虑林下植被，仅根据上层林木植被研究养分循环，所求得的生物地球化学循环的养分估计值都是过于偏低。.2.3生物化学循环生物化学循环(biochemical cycles)指养分在生物体内的再分配，是植物保存养分的重要途径植物体内部贮存的养分可以在土壤养分不足时，或者1年内养分难以利用的期间(如春季土壤温度低和过湿)也能保持生长。之后当土壤养分充足时，即令植物生长当时不需要更多养分，仍能继续吸取养分并加以贮存起来。养分再分配也有某种实践意义，例如只施用一次氮肥之后，促进树木生长就能维持若干年，这说明是由于氮肥已贮存在树冠里。因此，施肥对内部养分再分配能力强的树种要比分配能力弱的树种效果更好些。.Biochemical cycles内部循环的效能不仅受肥力的影响，而且也受其他影响植物生长和植物吸收的任一因素的制约。常绿树种(与落叶树种相反)叶子具有贮存和保持养分的生理特征。树枝上保留大量老龄叶生物量，可以在气温高和土壤温度仍很低，当养分吸收受到限制的条件下，为新叶的生长提供养分。生物化学循环的研究虽不如生物地球化学循环受到重视，但是对某些森林生态系统来说，植物的营养供应和由此植物能够更有效的利用太阳能方面，均具有重要作用。.3生态系统中的分解生态系统中的分解分解过程的性质影响凋落物分解速率的因素.3.1分解过程的性质分解过程的性质概念概念(decomposition)死有机物质的逐步降解过程。矿化：分解时无机元素从有机物质中释放出来。它与光合作用时无机营养元素的固定正好相反。从能量而言，分解与光合也是相反的过程，前者是放能，后者是贮能。意义意义通过死亡物质的分解，使营养物质再循环，给生产者提供营养物质；维持大气中CO2浓度；稳定和提高土壤有机质的含量，为碎屑食物链以后各级生物生产食物；改善土壤物理性状。.分解作用的三个过程分解作用的三个过程(1)碎裂：碎裂：把凋落物分解为颗粒状的碎屑。(2)异化：异化：有机物在酶的作用下，进行生物化学的分解，从聚合体变成单体(如纤维素降解为葡萄糖)进而成为矿物成分(如葡萄糖降为CO2和H2O)。(3)淋溶：淋溶：可溶性物质被水淋洗出，完全是物理过程。.森林枯枝落叶层中的部分食物网森林枯枝落叶层中的部分食物网.3.2影响凋落物分解速率的因素影响凋落物分解速率的因素随着凋落物的分解，物质的质量不断减少。凋落物分解过程中物质的损失一般遵循如下规律式中L0-凋落物在起始时刻时重量；Lt-凋落物在t时刻时重量；k-凋落物分解常数.分解常数分解常数分解常数K=I/XK：分解指数；I：死有机物年输入总量；X：系统中死有机物质现存量要分开土壤中活根和死根极不容易，可用地面残落物输入量(IL)与地面枯枝落叶现存量(XL)之比计算k值湿热的热带雨林的k值往往大于1，这是因为年分解量高于输入量。温带草地的k值高于温带落叶林，甚至与热带雨林接近，这是因为禾本草类的枯枝落叶，其木质素含量和酚的含量都较落叶林的低，所以分解率高。.3.2.1分解者分解者(1)细菌和真菌细菌和真菌凋落物的分解过程，一般从细菌和真菌的入侵开始，它们利用其可溶性物质，主要是氨基酸和糖类，但它们通常缺少分解纤维素、木质素、几丁质等结构物质的酶类。凋落物的分解无论速度、分解后的理化性质，以及参与分解的微生物均有较大的差异。例如落叶阔叶树叶子的分解，细菌起着主要作用，而常绿针叶树的酸性凋落物的分解则以真菌为主。细菌增多，分解加速，真菌多分解迟缓。.(2)动物类群动物类群陆地分解者中的动物主要是食碎屑的无脊椎动物。小型土壤动物小型土壤动物(microfauna)一般体宽在100m以下，包括线虫、轮虫、螨。不能碎裂枯枝落叶，属粘附类型。中型土壤动物中型土壤动物(mesofauna)一般体宽100m2mm，包括蝉尾目昆虫、原尾虫、螨类、线蚓类、双翅目幼虫和一些小型鞘翅目昆虫主要作用是调节微生物种群的大小和对大型动物粪便进主要作用是调节微生物种群的大小和对大型动物粪便进行处理和加工行处理和加工大型大型(macrofauna)和巨型和巨型(megafauna)土壤动物土壤动物主要包括各种取食枯枝落叶的节肢动物，如千足类、等足类、端足类的蜗牛、蚯蚓等，是碎裂植物残叶和翻动是碎裂植物残叶和翻动土壤的主力。对分解和土壤结构有明显影响。土壤的主力。对分解和土壤结构有明显影响。.动物的作用动物的作用动物的排泄物比所吃的物质有着更低的碳氮(C/N)比，与原来有机物质相比是腐生物生活的良好基质可以使叶片分割成极小的碎片，使易于分解的组织显露出来，有些物质化学性质的改变也有利于真菌和细菌的繁殖和利用可用不同网眼大小的网袋套住叶片的试验中证明，网袋内叶子分解速度远低于能进入网袋中的叶子.水生系统水生系统水生系统中，动物的分解过程分为搜集、刮取、粉碎、取食或捕食等几个环节。按功能分为：碎裂者：碎裂者：以落入河流中的树叶为食。颗粒状有机物质搜集者颗粒状有机物质搜集者：一类从沉积物中搜集；另一类从水体中滤食有机颗粒；刮食者：刮食者：其口器适应在石砾表面刮取藻类和死有机物。以藻类为食的食草性动物：以藻类为食的食草性动物：捕食动物：捕食动物：以其他物脊椎动物为食。.淡水水体分解者亚系统的主要功能联系淡水水体分解者亚系统的主要功能联系.水生生态系统与陆地生态系统水生生态系统与陆地生态系统水生生态系统与陆地生态系统的分解过程，基本特点是相同的陆地土壤中蚯蚓是重要的碎裂者生物，而在水体底物中有各种甲壳纲生物起同样的作用。水体中生活的滤食生物则是陆地生态系统所缺少的。.3.2.2凋落物的化学性质凋落物的化学性质资源的物理、化学性质影响分解速率。资源的物理性质包括表面特性和机械结构，资源的化学性质则随其化学组成而不同。单糖分解很快，一年后失重达99%，半纤维素其次，一年失重达90%，然后依次为纤维素、木质素、酚。大多数营腐养生活的微生物都能分解单糖、淀粉和半纤维素，但纤维素和木质素则较难分解.植物枯枝落叶各种化学成分的分解曲线植物枯枝落叶各种化学成分的分解曲线各成分前数字表示每年失重率，后面数字表示各成分重量占枯枝落叶原重的百分率.C:N的限制作用的限制作用营养物浓度特别是氮的供应量常成为分解过程的限制因素，决定了分解速率。其他营养成分也会影响分解速率。微生物身体组织的C:N约为10:1，即其生物量每增加10gC就需要有1g氮的供应量。大多数待分解的植物组织C:N为40-80:1。待分解资源的C:N比与分解速率之间有较明显的相关性，常可作为生物降解性能的测度指标。最适C:N比大约为25-30:1，此值高于微生物组织的C:N比(10:1)，这是因为微生物在进行合成时同时要进行呼吸作用，使碳消耗量增加。若C:N比大于最适值，碳被呼吸消耗和从有机物丢失，全部的氮都转为微生物的蛋白质中。如果C:N比小于25:1，意味着氮过多，多余的氮将以氨的形式散出。C:N比也随时间而逐渐降低，直到接近于25:1的最适值。.3.2.3物理环境物理环境温度高、湿度大的地带，有机质分解速率高，低温干燥地带，分解速率低。分解速度随纬度增高而降低(热带雨林-温带森林-寒冷的冻原)；分解生物的相对作用：无脊动物在地球上的分布随纬度的变化呈现地带性的变化规律。低纬度热带地区起作用的主要是大型土壤动物，其分解作用明显高于温带和寒带；高纬度寒温带和冻原地区多为中、小型动物，它们对物质分解起的作用很小。.分解速率和土壤有机物积累率的随纬度分解速率和土壤有机物积累率的随纬度而变化的规律以及大、中、小型土壤动而变化的规律以及大、中、小型土壤动物区系的相对作用物区系的相对作用.森林类型及其立地条件森林类型及其立地条件热带雨林凋落物分解非常迅速，其落叶可以在1个月或数周内全部分解。温带阔叶林的落叶1-3年可分解，而温带针叶林和北方针叶林当年落下的针叶全部分解需要4-30年，极地和高山森林分解速度更慢(40-50年或更长)。一般来讲，肥沃土壤上生长的植物种类要比贫瘠土壤生长的种类具有更高的养分浓度，凋落物也更容易分解。可以说土壤肥力决定着植物种类成分和凋落物化学元素含量，从而也影响土壤动物和微生物的活动。.凋落物与生产量凋落物与生产量森林内地上总凋落量与叶凋落量从极地到赤道不断增加，它与生物量和净初级生产量变化的规律相似，所以一般地上凋落量也可反映森林地上部分的生产力。湖南张家界的杉木辽宁本溪的红松.4森林林生态系统养分循环特征参数森林林生态系统养分循环特征参数森林生态系统的养分生物地球化学循环发生于土壤、林木、枯落物和大气四大分室间，循环过程包括林木吸收、存留、凋落物归还、淋溶归还、大气降雨及飘尘输入、径流输入和人为输出等。林木分室x2枯落物分室x3土 壤 分 室x1吸收凋落分解淋洗降水U01径流f10f12f23f31f21.养分存留量养分存留量指每年增长的生物量中的养分量。林木年存留量的测算一般通过林木年增长的生物量与其养分浓度的乘积计算分别测定枝、干、皮和根等部分的年净增长量及其中的养分浓度。.养分归还量养分归还量(1)凋落物归还养分量凋落物归还养分量养分随凋落物的年归还量的测定方法是通过在林地布置凋落物收集筐，测定年凋落物量及其养分浓度进行计算。在实际研究工作中，森林地下部分根系归还量以及动物死亡归还量的测定很困难。.(2)雨水淋洗归还养分量雨水淋洗归还养分量由于测定困难，目前尚难准确测定各部分的量。淋洗归还的养分一部分随林内雨(穿透雨)滴落林地；一部分随树干流(树干茎流)回到林地。雨水淋洗归还养分量计算以林内外降雨量和降雨化学测定为基础，遵循林地水文化学平衡关系：Q淋洗Q林内雨+Q干沉降-Q林外雨式中Q淋洗-雨水淋洗归还养分量；Q林内雨-穿透降雨与树干茎流中的养分量；Q干沉降-输入到森林中的大气飘尘等干性沉降物中的养分；Q林外雨-林外降雨中的养分量。.养分吸收量养分吸收量指林木或植物从环境中吸收的养分总量吸收量=存留量+归还量.养分吸收率或吸收系数养分吸收率或吸收系数一般指森林植物年吸收养分量与根层土壤中的养分贮量之比：Ra=fa/AsAs=107HC式中Ra-养分吸收系数；fa-养分年吸收量，kghm-2a-1；As-根层养分贮量，kghm-2；H-根层范围，m；-根层土壤容重，gcm-3；C-根层土壤养分含量，%。不同植物和树种的根系分布本身差异很大，可进行如下的规定：草地：020cm：灌木林地：030cm：乔木林地：050cm。.养分利用效率养分利用效率养分利用效率反映了森林植物对养分环境的适应状况和利用状况。养分利用效率的计算方法主要采用Chapin指数，公式为：E=Ap/M=MCp/M=Cp式中E-Chapin指数；M-植物生物量，kghm-2；Ap-植物养分贮量，kghm-2；Cp-植物中某养分含量，%。.养分循环强度养分循环强度1967年Rodin和Bazilevich提出以概算的林地枯落物分解率作为养分循环强度：K=P/WK=P/(P+W)式中K-概算枯落物分解率，也称养分循环强度；P-年凋落物量，kghm-2a-1；W-为林地枯落物积累量，kghm-2。当W值为树叶刚凋落尚未分解时的调查值时，以前式计算K；当W为树叶凋落前测定值时，以后式计算K。对常绿树种，采用前式。.生物循环系数生物循环系数生物循环系数是基于生物循环的概念提出的一种指标，也称生物归还系数：Rg=(fi+fd)/fa式中fi-林地年淋洗养分量，kghm-2a-1；fd-年凋落归还养分量，kghm-2a-1；fa-年吸收养分量，kghm-2a-1。在养分循环系数Rg的计算中，未涉及林地枯落物的分解状况，而枯落物分解是养分循环的一个重要环节，所以该方法有一定局限性.5几种主要元素的循环几种主要元素的循环水循环碳循环氮循环磷循环硫循环.5.1水循环水循环(Water cycles).生态系统中生态系统中的水循环的水循环降雨降雨截留截留穿透雨穿透雨蒸腾蒸腾渗透渗透地表蒸发地表蒸发地表地表径流径流地下径流地下径流.水资源水资源水源性缺水水源性缺水.水质性缺水水质性缺水.南水北调工程南水北调工程西线中线东线.5.2碳循环碳循环(Carbon cycles)从大气中的CO2储库开始，绿色植物(生产者)在光合作用时，把碳从大气中取出，结合到碳水化合物中的分子中，然后，经过消费者和分解者，在呼吸和残体腐烂分解时，再回到大气。全球储存碳的数量约261018吨，但绝大部分以碳酸盐形式禁锢在岩石圈中。只有极少量碳参与经常性流动和圈层间的交换。各类生态系统固定碳的速率差别很大。全世界森林的储碳量为4000-5000亿吨。.碳循碳循环环.Carbon CyclesInorganiccarbonreleasedthroughrespirationmaybetakenupquicklythroughphotosynthesis.Theorganiccarbonfixedmayberespiredagainquicklybyplants.Organiccarbonstoredindepositsofcoal,oil,orpeatisnotreadilyaccessibleandmayremaininstorageformillionsofyears.Inorganiccarbonmayalsobetakenoutofcirculationformillionsofyearsbyprecipitationascalciumcarbonateinaquaticsystems.Carbon Cycles全球的植被和海洋是大气中CO2两个重要的调节器。大气中CO2浓度增加时，会有更多气体溶于海水，相反，大气CO2减少，海水中CO2又返回大气。然而由于人类活动大量排放CO2，森林植被的严重破坏和减少，大气中CO2浓度正逐步提高，并产生“温室效应”。.Greenhouse effects温室效应：温室效应：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主要包括：二氧化碳(CO2)、甲烷(CH4)、氟氯碳化物(CFCs)、氧化亚氮(N2O)、六氟化碳(SF6)、全氟碳化物(PFCs)、氢氟碳化物(HFCs)等。.Carbon accumulationCO2hasincreasedfromitspre-industrialleveldata:recentrecordsplusolderdatasuchasicecoresmostlyfossilfuelburning.在冒纳罗亚观象台量度的甲烷浓度在冒纳罗亚观象台量度的甲烷浓度在夏威夷冒纳罗亚观象台收集的空气样本显示大气层中CH4的平均混合比。蓝点表示量度数据，红线和绿线分别表示CH4混合比短期和长期的变化。.南极冰川融化海平面上涨50米后的新中国地图http:/ cycles)大气是主要的氮库，大气大气是主要的氮库，大气体积的体积的78%为分子态氮。为分子态氮。生态系统氮的来源：生态系统氮的来源：雷电：把大气中的氮，氧化成硝酸盐及其它含氮的氧化物，再由降水带入土壤，参与氮的循环。生物固氮：固氮细菌从土壤和大气中吸收氮素。工业固氮：如化肥厂。.氨化作用氨化作用(ammonification)：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。硝化作用硝化作用(nitrification)：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。反硝化作用反硝化作用(denitrification)：反硝化细菌将亚硝酸盐转变成大气氮，回到大气库中。N的去向的去向.氮循环氮循环据统计，物理化学(电化学和光化学)的固氮量平均7.6106t/a生物固氮量为54106t/a。2000年时，化肥的产量达到80106t生物圈中氮生物圈中氮(106 t)的分布的分布.The Nitrogen Cycle.5.4磷循环磷循环(Phosphorus cycles)Phosphorusisanessentialelement,constituentofcellmembranes,energytransfersystems,bones,andteeth.磷的主要来源：磷酸盐岩石和沉积物、鸟粪、动物骨骼等。Phosphorusmaylimitproductivity:inaquaticsystems,sedimentsactasaphosphorussinkinsoils,phosphorusisonlyreadilyavailablebetweenpH67如果适当增加土壤中可利用的磷肥，大多数陆地生态系统的生产力，便可能明显增加。.磷循环磷循环.The Phosphorus Cycle磷在江河及湖泊中的含量是有限的，我国南方红黄壤地区土壤中普遍缺磷。然而，一旦江河、湖泊中磷含量提高，会引起藻类暴长。出现“富营养化”。.5.5硫循环硫循环(Sulfur cycles)硫的主要储库：硫酸盐如石膏，也有少量存在于大气，主要是SO2和H2S。硫的来源：沉积岩石的风化、化石燃料(特别是煤)的燃烧、火山喷发和有机物的分解。硫的沉积循环：硫酸盐的侵蚀和风化，土壤中的硫酸盐被淋溶掉或被微生物还原。硫的气态循环：大气中的硫主要是SO2和H2S。前者产生于火山喷发和细菌的还原，后者产生于化石燃料的燃烧。大气中硫的化合物通常很快氧化成亚硫酸盐和硫酸盐，被雨水带回土壤。大气中亚硫酸盐和硫酸盐能与雨水结合形成硫酸，造成酸雨危害。.Sulfur cycles.Sulfur in Coal and Oil DepositsIronsulfide(FeS)commonlyassociatedwithcoalandoildepositscanresultinenvironmentalproblems:oxidationofsulfidesinminewastestosulfate,whichcombineswithwatertoformsulfuricacid,associatedwithacid mine drainageoxidationofsulfidesincoalandoilreleasessulfatesintoatmosphere,whichthenformsulfuricacid,acomponentofacid rain.Acid rain.ACID RAIN IN THE WORLD.我国酸雨分布我国酸雨分布-1998.我国酸雨分布我国酸雨分布-2001.我国酸雨分布我国酸雨分布-2002.我国酸雨分布我国酸雨分布-2006.我国酸雨分布我国酸雨分布-2007全国269个酸雨站中有降水pH值观测的站为140个，其中30个站的降水达到了强酸雨的程度(降水pH值小于4.5)，44个站的降水为弱酸雨程度(降水pH值大于等于4.5，小于5.6)，66个站为无酸雨站(降水pH值大于等于5.6)。此外有35个站的降水量小于1mm，94个站无降水。.6森林生态系统生物地球化学循环的效能森林生态系统生物地球化学循环的效能未经干扰的天然森林生态系统内，养分能够有效地积累和保存。贫养土地上森林对养分的保持能力可以补充养分不足的问题。世界各地许多森林溪流水的共同特点是，养分含量极低。森林生物地球化学循环的效能，为当前的环境问题提供一种可能的解决办法。.7森林经营对森林生物地球森林经营对森林生物地球化学循环的影响化学循环的影响经营措施可以有利于养分循环和增加养分的有效性或者造成养分的损失“全树利用”表面上是对林地生物量的充分利用，是一种节约的措施，然而却造成林地养分的巨大损失，完全破坏了森林的生物地球化学循环。据研究温带森林，如按中等或较长的轮伐期(80-120年)并采用干材采伐方式，对林地养分的损失量不大。.森林采伐对养分的影响森林采伐对养分的影响.伐木伐木后后的集水区硝酸的流失的集水区硝酸的流失.Summary陆地生态系统中，养分元素的循环分为：地球化学循环、生物地球化学循环、生物化学循环。生态系统内部演化的过程，总是向着保持和贮存养分的方向发展。森林中养分的管理主要是靠森林的自肥和永续。为了保持森林的高产和永续经营，需要维护好森林生态系统内的生物地球化学循环，才能有效地保留现有养分不遭损失。思考：What Is Causing Acid Rain and Global Warming?.