生态系统中的物质循环文档格式.docx

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总之，周转率越大，周转时间就越短。

大气圈中二氧化碳的周转时间大约是一年多一些（主要是光合作用从大气圈中移走二氧化碳），大气圈中分子氮的周转时间约近100万年（主要是某些细菌和蓝绿藻的固氮作用），而大气圈中水的周转时间只有10.5天，也就是说大气圈中所含的水分一年要更新大约34次。

又如：

海洋中主要物质的周转时间，硅最短，约8000年，钠最长，约2.06亿年，由于海洋存在的时间远远超过了这些年限，所以海洋中的各种物质都已被更新过许多次了。

从各种途径进入海洋的物质，主要靠海洋的沉积作用和其他一些规模较小的过程所平衡。

表11-1一个池塘生态系统中营养物质的流通率、周转率和周转时间

生物地化循环在受人类干扰以前，一般是处于一种稳定的平衡状态，这就意味着对主要库的物质输入必须与输出达到平衡。

当然，这种平衡不能期望在短期内达到，也不能期望在一个有限的小系统内实现。

生态演替过程显然是一个例外，但对于一个顶极生态系统、一个主要的地理区域和整个生物圈来说，各个库的输入和输出之间必须是平衡的。

例如，大气中主要气体（氧、二氧化碳和氮）的输入和输出都是处于平衡状态的，海洋中的主要物质也是如此。

11.2生物地化循环的类型

生物地化循环可分为三大类型，即水循环、气体型循环（gaseouscycles）和沉积型循环（sedimentarycycles）。

在气体型循环中，物质的主要储存库是大气和海洋，其循环与大气和海洋密切相联，具有明显的全球性，循环性能最为完善。

凡属于气体型循环的物质，其分子或某些化合物常以气体形式参与循环过程，属于这类的物质有氧、二氧化碳、氮、氯、溴和氟等。

参与沉积型循环的物质，其分子或化合物绝无气体形态，这些物质主要是通过岩石的风化和沉积物的分解转变为可被生态系统利用的营养物质，而海底沉积物转化为岩石圈成分则是一个缓慢的、单向的物质移动过程，时间要以数千年计。

这些沉积型循环物质的主要储存库是土壤、沉积物和岩石，而无气体形态，因此这类物质循环的全球性不如气体型循环表现得那么明显，循环性能一般也很不完善。

属于沉积型循环的物质有磷、钙、钾、钠、镁、铁、锰、碘、铜、硅等，其中磷是较典型的沉积型循环物质，它从岩石中释放出来，最终又沉积在海底并转化为新的岩石。

气体型循环和沉积型循环虽然各有特点，但都受到能流的驱动，并都依赖于水的循环。

生物地化循环过程的研究主要是在生态系统水平和生物圈水平上进行的。

在局部的生态系统单位中（例如森林和湖泊），可选择一个特殊的物种深入研究它在某种营养物质循环中的作用，如Kuenzler1961年对肋贻贝（Modiolusdimissus）在磷循环中作用的研究。

近来，对许多大量元素在整个生态系统中的循环已进行了不少研究，重点是研究这些元素在整个生态系统中的输入和输出以及在生态系统主要生物和非生物成分之间的交换过程，如在生产者、植食动物、肉食动物和分解者等各个营养级之间的交换。

为了测量物质在生态系统内的流通率，必须应用各种技术，一般采用的方法有以下三个方面：

1．直接测量

例如当测量降水和流水输入或输出时，可结合测定水中营养物质的浓度来估算营养物质的流通率；

又如在估算初级生产量时，可结合测量植物中营养物质的浓度以便估计营养物质总的流通量。

2．间接推测

如果各个过程的速率都已知，只有某一过程的流通率不知道，那就可以间接计算出来。

例如，如果已知一个陆地生态系统的输入和输出，那么与总的营养物质变化率一起，土壤营养物质由于风化而引起的增加率就可以计算出来。

类似的技术也可用于分析营养物质在生态系统各个生物和非生物成分的输入和输出。

3．利用放射性示踪元素测量

只有当营养物质的放射性同位素可以被吸收利用，或可被吸收的一种放射性同位素（例如137Cs）在其活性上与某种特定的营养物质（在这一例子中是钾）极为相似时，这种方法才可利用。

生物圈水平上的生物地化循环研究，主要是研究水、碳、氧、氮、磷等物质或元素的全球循环过程。

由于这类物质或元素对生命的重要性和由于已观察到人类对其循环的影响，使这些研究更为必要。

人类在生物圈水平上对生物地化循环过程的干扰在规模上与自然发生的过程相比，是有过之而无不及，如人类的活动使排入世界海洋的汞量约增加了一倍，铅输入海洋的速率约相当自然过程的40倍！

人类的影响已扩展到生命系统主要构成成分的碳、氧、氮、磷和水的生物地化循环，这些物质或元素的自然循环过程只要稍受干扰就会对人类本身产生深远的影响。

11.3水循环

水和水的循环对于生态系统具有特别重要的意义，不仅生物体的大部分（约70％）是由水构成的，而且各种生命活动都离不开水。

水在一个地方将岩石浸蚀，而在另一个地方又将浸蚀物沉降下来，久而久之就会带来明显的地理变化。

水中携带着大量的多种化学物质（各种盐和气体）周而复始地循环，极大地影响着各类营养物质在地球上的分布。

除此之外，水对于能量的传递和利用也有着重要影响。

地球上大量的热能用于将冰融化为水［80卡（335焦）／克］、使水温升高［每度1卡（4.18焦）／克］和将水化为蒸气［536卡（2243焦）／克］。

因此，水有防止温度发生剧烈波动的重要生态作用。

图11-3水的全球循环和水的分布。

括弧的数字代表年移动量、生态循环包括光合左右吸收水和呼吸、蒸腾作用丢失水

水的主要循环路线是从地球表面通过蒸发进入大气圈，同时又不断从大气圈通过降水而回到地球表面（图11-3）。

每年地球表面的蒸发量和全球降水量是相等的，因此这两个相反的过程就达到了一种平衡状态。

蒸发和降水的动力都是来自太阳，太阳是推动水在全球进行循环的主要动力。

地球表面是由陆地和海洋组成的，陆地的降水量大于蒸发量，而海洋的蒸发量大于降水量，因此，陆地每年都把多余的水通过江河源源不断输送给大海，以弥补海洋每年因蒸发量大于降水量而产生的亏损。

生物在全球水循环过程中所起的作用很小，虽然植物在光合作用中要吸收大量的水，但是植物通过呼吸和蒸腾作用又把大量的水送回了大气圈。

库含量单位：

km3，流通单位：

km3/a。

图中不包括岩石圈中的含水量。

从图11-3中可以看出，地球表面及其大气圈的水只有大约5％是处于自由的可循环状态，其中的99％又都是海水。

令人惊异的是地球上95％的水不是海水也不是淡水，而是被结合在岩石圈和沉积岩里的水，这部分水是不参与全球水循环的。

地球上的淡水大约只占地球总水量（不包括岩石圈和沉积岩里的结合水）的3％，其中的四分之三又都被冻结在两极的冰盖和冰川里。

如果地球上的冰雪全部融化，其水量可盖满地球表面50米厚。

虽然地球的全年降水量多达5.2×

1017千克（或5.2×

108立方千米），但是大气圈中的含水量和地球总水量相比却是微不足道的。

地球全年降水量约等于大气圈含水量的35倍，这说明，大气圈含水量足够11天降水用，平均每过11天，大气圈中的水就得周转一次。

降水和蒸发的相对和绝对数量以及周期性对生态系统的结构和功能有着极大影响，世界降水的一般格局与主要生态系统类型的分布密切相关。

而降水分布的特定格局又主要是由大气环流和地貌特点所决定的。

水循环的另一个重要特点是，每年降到陆地上的雨雪大约有35％又以地表径流的形式流入了海洋。

值得特别注意的是，这些地表径流能够溶解和携带大量的营养物质，因此它常常把各种营养物质从一个生态系统搬运到另一个生态系统，这对补充某些生态系统营养物质的不足起着重要作用。

由于携带着各种营养物质的水总是从高处往低处流动，所以高地往往比较贫瘠，而低地比较肥沃，例如沼泽地和大陆架就是这种最肥沃的低地，也是地球上生产力最高的生态系统之一。

河川和地下水是人类生活和生产用水的主要来源，人类每年所用的河川水约占河川总水量的25％，其中有将近30％通过蒸发又回到了大气圈。

据估计到本世纪末，人类将利用河川总水量的75％来满足生活、灌溉和工业用水之需。

地下水是指植物根系所达不到而且不会因为蒸发作用而受到损失的深层水。

地球所蕴藏的地下水量是惊人的，约比地上所有河川和湖泊中的水多38倍！

地下水有时也能涌出地面（如泉水）或渗入岩体形成蓄水层，人类可以把蓄水层中的水抽到地面以供利用。

地下水如果受到足够的液体压力，也会自动喷出地面形成自流井或喷泉。

蒸发、降水和水的滞留、传送使地球上的水量维持一种稳定的平衡。

如果把全球的降水量看作是100个单位，那么平均海洋的蒸发量为84个单位，海洋接受降水量为77个单位；

陆地的蒸发量为16个单位，陆地接受降水量为23个单位，从陆地流入海洋的水量为7个单位，这就使海洋的蒸发亏损得到平衡。

大气圈中的循环水为7个单位。

水的全球循环也影响地球热量的收支情况，正如已说过的那样，最大的热量收支是在低纬度地区，而最小的热量收支是在北极地区。

在纬度38°

至39°

地带，冷和热的进出达到一种平衡状态。

高纬度地区的过冷会由于大气中热量的南北交流和海洋暖流而得以缓和。

从全球观点看，水的循环着重表明了地球上物理和地理环境之间的相互密切作用。

因此，经常在局部范围内考虑的水的问题。

实际上是一个全球性的问题。

局部地区水的管理计划可以影响整个地球。

问题的产生不是由于降落到地球上的水量不足，而是水的分布不均衡，这尤其与人类人口的集中有关。

因为人类已经强烈地参与了水的循环，致使自然界可以利用的水的资源已经减少，水的质量也已下降。

现在，水的自然循环已不足以补偿人类对水资源的有害影响。

我国北方由于降水在时间和空间上的分布极不均匀，雨季易出现暴雨成灾、洪水泛滥，但大部分时间又干旱缺水，不能满足工农业和生活用水的需要。

因此便提出了南水北调的主张。

这一主张有一定的道理，因为长江多年的平均水量为9300亿立方米，而黄河流域、淮河流域和海河流域加起来才只有1100亿立方米。

长江流域的耕地占4个流域耕地总数的40％多，但水量却占90％。

但长江流域究竟能有多少水量可以调出？

调出后对长江会有什么影响？

南水北调后对生态平衡、地方病、水污染的北移、对港口河道和水生生物区系会带来怎样的影响？

对所有这些问题都应当作出科学的回答。

这一工程如能获得成功，对我国北方工农业的发展和人民生活将起到极大的促进作用。

跨流域调水（南水北调工程）

1工程简介

中国南水北调工程网站：

，国务院南水北调工程建设委员会办公室主办。

南水北调工程示意图。

南水北调工程是缓解中国北方水资源严重短缺、优化配置水资源的重大战略性基础设施，关系到经济社会可持续发展和子孙后代的长远利益。

经过50年的勘测、规划和研究，在分析比较50多种规划方案的基础上，分别在长江下游、中游、上游规划了三个调水区，形成了南水北调工程东线、中线、西线三条调水线路。

通过三条调水线路，与长江、淮河、黄河、海河相互联接，构成我国水资源“四横三纵、南北调配、东西互济”的总体格局，形成中国的大水网。

东线工程：

利用江苏省已有的江水北调工程，逐步扩大调水规模并延长输水线路。

东线工程从长江下游扬州江都抽引长江水，利用京杭大运河及与其平行的河道逐级提水北送，并连接起调蓄作用的洪泽湖、骆马湖、南四湖、东平湖。

出东平湖后分两路输水：

一路向北，在位山附近经隧洞穿过黄河，输水主干线全长1156公里；

另一路向东，通过胶东地区输水干线经济南输水到烟台、威海，全长701公里。

规划分三期实施。

中线工程：

从加坝扩容后的丹江口水库陶岔渠首闸引水，沿线开挖渠道，经唐白河流域西部过长江流域与淮河流域的分水岭方城垭口，沿黄淮海平原西部边缘，在郑州以西李村附近穿过黄河，沿京广铁路西侧北上，可基本自流到北京、天津。

输水干线全长1427公里（其中天津输水干线154公里）。

规划分两期实施。

西线工程：

在长江上游通天河、支流雅砻江和大渡河上游筑坝建库，开凿穿过长江与黄河分水岭巴颜喀拉山的输水隧洞，调长江水入黄河上游。

西线工程的供水目标，主要是解决涉及青海、甘肃、宁夏、内蒙古、陕西、山西等6省（区）黄河上中游地区和渭河关中平原的缺水问题。

结合兴建黄河干流上的大柳树水利枢纽等工程，还可以向临近黄河流域的甘肃河西走廊地区供水，必要时也可相机向黄河下游补水。

南水北调三条调水线路互为补充，不可替代。

到2050年三条线路调水总规模为448亿立方米，其中东线148亿立方米，中线130亿立方米，西线170亿立方米。

整个工程将根据实际情况分期实施。

2问题

南水北调工程的实施将在一定程度上缓解北方水资源短缺问题，对华北、西北地区经济发展具有重要意义。

但调水工程巨大，涉及社会、经济、环境和技术等多方面的问题，此外，调水会改变流域间水资源的自然地理分布，受水区、输水干渠沿线和水源区水文情势将发生变化，从而可能带来一系列的生态环境问题。

目前开展该工程对环境影响方面的研究主要集中在水资源与水源区生态环境（李仁东，李劲峰，黄进良。

南水北调对丹江口水库区土地资源的影响。

长江流域资源与环境，1998，7

（2）：

109-114；

李思悦，张全发。

对南水北调工程解决中国北方用水问题的分析。

人民黄河，2005，27（8）：

28-29。

）、水质（陈绪强。

南水北调中线工程供水水质。

人民长江，1994，25

（2）：

16-19。

）、受水区生态环境（张建平。

南水北调西线工程对解决受水区生态环境问题的意义。

中国人口资源与环境，1997，7

（2）：

72-76；

畅俊杰，李万寿。

南水北调西线工程与受水区生态环境问题。

水土保持通报，2003，23（3）：

6-10。

）、对生物的影响（周万平，郭小鸣，陈伟民。

南水北调东线一期工程对洪泽湖水生生物及生态环境影响的预测。

湖泊科学，1994，6

（2）：

131-135；

于少鹏，孙广友，窦素珍。

东平湖水生植物的衰退及南水北调工程对其影响。

中国环境科学，2005，25

（2）：

200-204。

）以及对调水区地方经济和疾病传播的影响等方面（杜耘，蔡述明，吴胜军。

南水北调中线工程对湖北省的影响分析。

华中师范大学学报（自然科学版），2001，35（3）：

353-356。

）。

南水北调工程的生态问题主要是：

西线实施对长江和黄河上游水生态环境产生重大影响，水库的形成会引起该地区气候的变化从而对其脆弱的生态系统产生影响；

中线和东线向华北平原供水可能会造成土地盐碱化，输水沿线湖泊水文节律的改变也会影响其生态系统的结构和过程；

另外，这3条由南向北的输水线路会形成物种迁徙的廊道，地区间物种和基因的交流频率将会增加，威胁西北和华北地区的生态安全。

生物迁移、水环境及水生态安全、西部退化生态系统的恢复和重建和流域生态系统管理等是目前优先研究的领域，应该结合“中国生态系统研究网络”和“生态环境国家野外科学观测研究站”的建设和长期监测来保障工程生态安全。

人类活动对水循环影响主要表现在以下4个方面（孙儒泳，2001，p498）：

（1）空气污染和降水；

空气污染影响降水的质和量。

空气中水汽的凝结出现在颗粒表面。

污染引起细微颗粒的增加，刺激了水汽凝结过程而影响降水。

近年来，化石燃料所产生的空气污染使城市处于下风位的地区降水量明显增加。

所谓人工降雨，就是在云中散播碘化银的微粒，促进水汽的凝结而降雨。

由于颗粒本身并不能产生水汽，一个地方进行了人工降雨，另一个地方的雨量就会减少，因此，目前对于人工降雨问题尚有不同的看法。

空气中颗粒的增加，除影响天气的热平衡外，还影响气流和降水。

空气污染也影响降水的水质。

除酸雨外，近代降雪中的铅含量也有所增加，这是从格陵兰取雪芯分析而得的结果。

由此可见，空气污染不只影响空气，而且影响水质，会污染许多淡水水域。

（2）改变地面，增加径流；

城市和市郊的发展，使地表变硬而不透水，增加径流，减少浸润入土壤的水分。

径流的增加带走一路上的颗粒物、污染物，使江河湖泊的沉积量加大。

清洁水流中有许多的生物，泥水使河流透明度降低，光线的透入减弱，光合作用随之而降低，使生态系统中的生物减少。

泥沙会使鱼类的鳃部充塞，影响鱼类的呼吸，又带来污染物和细菌，从而使鱼类的生存状况更加恶化。

河流经过城市和城郊后，带来大量的污染物和沉积物，使河流和湖泊变浅，水流减少，交通受阻。

河口湾的沉积物同样影响港口的交通，需要经常用挖泥船去清除。

另外，开矿、农业耕作、森林砍伐等都会使水土流失增加，河流湖泊变浅。

（3）过度利用地下水；

如果从地下抽出的水量超过再注入的，就会引起地下水位下降，甚至全干。

目前，许多地方，尤其是城市地区地下水位明显下降，这种情况发展严重时可能引起地面下沉。

土壤颗粒本来含水，但由于地下水被抽去，使颗粒彼此靠近，土壤逐渐下沉，严重时，土地下沉的速度可达15－30cm／年。

这种情况若发生在城市中，会影响建筑物的地基，使房屋倒塌，道路和水沟被破坏，在沿海地区还可能引起水灾。

若在沿海地区，由于地下水位下降，淡水压力亦随之而下降，就会造成咸水入侵，引起淡水咸化。

任何放入土壤中的有害物质，都可能被淋溶过程带到地下水中造成地下水的污染。

例如，把化工厂的污染物弃于土壤中，开发某些矿藏，使用农药等，都可能污染地下水源。

（4）水的再分布；

为用水的方便，人们常从水多的地方，通过修筑水库，建坝筑渠，把水引到缺水的地区，另外，修筑水库、水坝还有防止水灾的功效，又能提供电力。

但是，上述措施也可能带来一些不良影响：

①水库建成后，侵占陆地面积；

②减少了进入河口湾和下游的水量，使海水逆河而上，从而改变了河口湾的生物群落；

③河口湾的营养物来源减少，影响渔业收入。

水循环定量研究的成就，使目前已能根据水循环模型预测流域（或汇水盆地）的年河川径流量。

这是一种水收支模型，考虑的是流域地表上植被的性质，其冠层反射、叶子的几何学（它影响蒸发蒸腾水）、以生理生态方法测定最大用水量（根据气孔开闭情况下）、天气条件影响失水（风、晴、雨、雪）和土壤中水运动等。

此外，一些学者还进一步拟从流域扩展到地区水循环规模，这些预测的成就鼓舞着生态系统科学家进一步研究各种生态系统过程的相似性问题。

水循环与气候变化

目前，科学界一致认为，大气中人类所产生的温室气体的不断累积正使地球变暖。

二十世纪最后十年是全球气温最高的时期。

古气候记录表明过去五十年的增温现象在过去的1千年从来没有出现过。

随着地球在未来的世纪继续变暖，可预料水循环总的来说将会加剧。

在较暖的气候条件下，更多的水份将会从植物、土壤和水体蒸发，更多的水蒸汽进入大气层，从而增加降雨量。

其结果是地表径流增加，洪水和干旱等极端现象更为常见和激烈。

已经观察到某些地区的冰雪覆盖下降。

升温和水循环的改变将会影响植物生长和土壤的分解过程，包括碳、氮和其它营养元素的循环。

这些元素的浓度反过来影响水质。

与全球变化相比，区域性和地方性的变化幅度更大，更难预测。

许多区域，特别是温带地区将因蒸发的增加，夏季将变得更加干燥，某些地方夏天降雨量甚至会减少。

例如，几乎所有的全球预测大循环模型（GCMs）都预测欧洲南部夏季降雨量减少。

相反，热带地区的水循环受到因气温改变所带来的影响较小。

区域性气候预测不确定程度可以用美国中部耕地土壤湿度的大幅度变化来说明。

采用不同假设和水变化过程，美国中部夏季土壤湿度变化在30—75%之间。

影响未来淡水可用性的因素包括降雨量，地表径流，植物和土壤，呼吸蒸腾量和时间以及海拔高度。

随着地球温度上升，蒸发率呈指数增加，全球平均降雨量也将增加。

全球气候变化政府委员会采用GCMs检测了大多数最近的估算，均认为全球降雨量将会增加。

事实上，最近的数据表明非热带地区的平均降雨量可能已经增加了一点。

在过去的55年间，美国和加拿大的降水量上升了10至15%。

同时，美国东半部的河溪流量也明显增加。

前苏联和苏格兰的降水量也明显增加（一百年内增加了10%）。

与此相反，热带和干旱地区的降水量没有增加，还可能在最近十年变得更加干燥。

当然，全球降雨量的微小增加将不能够使所有地区可利用淡水增加。

区域性的影响将部分地取决于在更暖更湿环境条件下植物，土壤和大气层之间的复杂反馈。

例如，大气中二氧化碳的上升能够提高植物对水的利用率，这个效应加上降雨量的增加会导致可用水量的增加。

但是，在一个更暖的气候条件下，这些效应可能被植物蒸腾的增加相抵消。

而且，由于水周转率和海洋的高热容量缓解了温度变化带来的影响，在下一个世纪陆地表面比海洋表面更易变暖，地球陆地将有可能变得更加干旱。

陆地和海洋变暖速率的不同将使沿海地区的气压梯度和风模式变得更加激烈，从而增加了沿海的上升流。

所有这些表明，伴随着气候变暖的水循环变化在不同地区反响不同。

总的来说，尽管某些温带和极地地区将可能接受更多的降水量，但其它地区降雨量会下降，更多的地区将由于植物生长蒸腾的增加而变得更加干燥。

大气变化将不是驱动下一个世纪气候变化的唯一因子。

因为陆地植被分布可以影响蒸腾和对太阳能的反射，人类对陆地的利用也将会起到一个重要的作用。

人类活动包括毁林，造林和去沙漠化（将灌木引入草原）将会影响水循环。

在热带和Savanas地区，砍伐森林引起的干旱尤其重要，在烧毁和砍伐过的陆地里重新种植树木相当困难。

区域性的灌溉增加可能有相反的影响，这会导致更冷更湿的区域性气候影响。

农业用水占美国总水量的81%，农业用水大部分用在中部大平原和西部蒸发高、干旱地区作物灌溉上。

陆地使用的变化将在较小的幅度上影响水循环。

例如，砍伐森林带来的变化可以显著地改变每个集雨区的地面径流和水量。

水循环变化会影响土壤湿度，营养盐浓度和增加盐度，水循环也会改变植物生长生产力和植物种类的分布。

更进一步，控制土壤有机物质的积累和氮等营养元素释放的微生物过程常常明显地