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Chap.11 生態體系的元素流動途徑

Chap.11 生態體系的元素流動途徑. 鄭先祐 製作 Ecology 2000. 生態體系的元素流動途徑. 11.1 許多元素的流動是隨著能量循流 11.2 元素的循環 among compartments in the ecosystem 11.3 水的循環是生態体系元素循環的範例。 11.4 體系的氧化-還原( redox) potential 呈現出它的能量層次( level)。 11.5 現代碳循環包含 a missing sink of carbon。. 生態體系的元素流動途徑.

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Chap.11 生態體系的元素流動途徑

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  1. Chap.11生態體系的元素流動途徑 鄭先祐 製作 Ecology 2000

  2. 生態體系的元素流動途徑 • 11.1 許多元素的流動是隨著能量循流 • 11.2 元素的循環among compartments in the ecosystem • 11.3 水的循環是生態体系元素循環的範例。 • 11.4 體系的氧化-還原(redox) potential 呈現出它的能量層次(level)。 • 11.5 現代碳循環包含 a missing sink of carbon。 Ecology 2000

  3. 生態體系的元素流動途徑 • 11.6 氮循環(nitrogen cycle)於生態體系內，有多種氧化狀態。 • 11.7 磷循環與土壤的pH值和水域環境的營養互動有密切關係。 • 11.8 硫參與許多 redox反應。 • 11.9 生態体系的元素循環，相當複雜。 • 11.10 微生物在元素循環中有特殊的功能。 Ecology 2000

  4. 11.1 許多元素的流動是隨著『能量循流』 能量 氧化作用 還原作用 Ecology 2000

  5. 廢熱 Fig.11-2 Energy is input into the ecosystem by the reduction of carbon, an assimilatory reaction. Ecology 2000

  6. 11.2 元素的循環among compartments in the ecosystem 生物 物理環境 sinks 大氣 Ecology 2000

  7. 11.3 水的循環是生態体系元素循環的範例。 大氣 雨量 雨量 蒸發 地下水 佔97%量 Ecology 2000 單位：km3 ； 轉換的單位：km3 /年

  8. 全球水量的分佈 • 全球水量估計有 1,400,000,000 km3， • 海洋有 1,350,000,000 km3 (佔97%)。 • 冰層有 27,500,000 km3 • 地下水有 8,200,000 km3 • 河流水有 40,000 km3 • 陸域雨量有 111,000 km3 • 海洋雨量有 385,000 km3 Ecology 2000

  9. 全球水量的 residence time • 全球水份的evaporation量，約可吸收陽光射入地球總能量的四分之一。 • 約是每年1021KJ • 大氣的水蒸氣之平均residence time是2週(1/26年)。 • 液態水的residence time則是高達2,800年。 Ecology 2000

  10. 11.4 體系的氧化- 還原(redox) potential 呈現出它的能量層次(level)。 • Redox potential：化學反應的能量潛力。 還原 氧化 Ecology 2000

  11. Redox potentials of oxidizers and reducers are measured by their electric potentials (Eh) , expressed in volts (V) . Eh 值愈高，與低Eh聯合作用，則可產生愈大的能量。 Eh值愈低，反應難發生。 Ecology 2000

  12. Fig. 11-6 土壤的pH值與水份和離子的Eh值的關係。 (a)水的氧和氫的穩定範圍限制土壤的情況。 (b) 土土壤中的水份傾向於下降Eh值。 (c) 離子狀況受pH值的影響。 Ecology 2000

  13. 11.5 現代碳循環包含 a missing sink of carbon。 • 海洋有38,000 x 1015 g的碳。 • 土壤和植物體有 2,060 x 1015 g • 大氣只有 720 x 1015 g (<1%) • 化石的碳量有 4,000 x 1015 g • 大約是陸域碳量的兩倍。 • 基礎生產量 每年120 x 1015 g • 呼吸量產出 每年 60 x 1015 g • 分解量每年 62 x 1015 g • 其中有60 x 1015g 回到大氣。 Ecology 2000

  14. 呼吸量 粗基礎生產量 分解量 Fig. 11-7 全球碳循環。 單位：1015g；轉換單位；每年1015g Ecology 2000

  15. 表2 全地球碳之分佈。碳含量之單位是Gt (Gigaton), Gt=109公噸。原資料取自 Leo Smith (1990), p.251-253。其中海域地區之水體碳含量是39,000Gt 於本表中並未計入。全地球碳總含量是 55,635Gt(16,635Gt + 39,000Gt)。 Ecology 2000

  16. Carbon in fresh waters • 湖泊只佔低於2%的地球表面，其貯水量也相當的有限，但對人類的淡水供應卻是很重的份量。 • 海洋吸收碳量高於釋放出的碳量，所以海洋是碳的sink。 • 湖泊是否也如同海洋？(Fig.11-8) • 湖泊是sources of carbon Ecology 2000

  17. Fig. 11-8 全球湖泊水面的相對CO2濃度。普遍都高於大氣的分壓量。湖泊是 sources of carbon。 Ecology 2000

  18. 全球碳循環的平衡。 Ecology 2000

  19. Land plants as the missing sink • 因為人類的活動而造成產出的CO2不平衡，每年有 1.8 x 1015g的多餘。 • 這些是否會被陸域植物所吸收？ • 大氣CO2的增加，可以促使光合作用加速。但情況似乎並不如此單純。 • Bazzaz (1993)的實驗，第一年的結果是有顯著的差異，但第2年至第3年，情況有變化。(Fi.11-10) Ecology 2000

  20. Fig.11-10 高濃度(700l l-1)和低濃度(3500l l-1)栽培環境下，5種樹苗的成長(生物質量)比率。 Ecology 2000

  21. 沼澤 Ecology 2000

  22. Fig. 11-11 農耕的結果，會使土壤的有機質含量下降。 Ecology 2000

  23. 11.6 氮循環(nitrogen cycle)於生態體系內，有多種氧化狀態。 • 陸域植物須要 1,200 x 1012 g 每年 • Nitrogen fixation 約 140 x 1012 g 每年 • 閃電則可有 20 x 1012 g 每年 • ammonification 產生 ammonia (NH3) • nitrification ： ammonia → nitrite (NO2-) • nitrite → nitrate (NO3-) • denitrification ：NO3-→ NO2- → N2 Ecology 2000

  24. 人為產生 Fig. 11-12 全球氮循環。單位：1012g Ecology 2000

  25. 還原狀態 氧化狀態 Fig. 11-13 氮循環中的氮化合物的氧化狀態。 Ecology 2000

  26. The energetics of nitrogen fixation • 氮的固定是需要耗能的(Table 11-4)。 • 估計固定1 g 的氮，須要消耗 8 g至12 g的葡萄醣(C6H12O6)。 • 根瘤菌與植物根部共生 (Fig. 11-14) Ecology 2000

  27. Balancing the global nitrogen budget • 目前全球的氮循環，同樣也有不平衡的情況，有些微的剩餘到大氣中。 • 熱帶雨林每年有2.4 至7.4 x 1012 g N2O • 人類的化肥則產出90 x 1012 g N2O 和NO • 這些在大氣的氮(N2O)，是很強的溫室氣體，是CO2的200倍。 • 95%的N2O進入平流層，會與臭氧作用，而被摧毀。 • 另外，還有一些貢獻到酸雨。 Ecology 2000

  28. 11.7 磷循環與土壤的pH值和水域環境的營養互動有密切關係。 • 磷元素沒有氣體狀態，所以只有土壤和水域環境部門(Fig.11-15)。 • 每年約有21 x 1012 g 從陸域經由河流進入海洋。這些大部份(20 x 1012 g)是有機體內的磷。 • 人為開發出來的，加入土壤的磷約是每年 14 x 1012 g。 Ecology 2000

  29. 陸域 Fig. 11-15 The global phosphorus cycle. 單位：1012g P Ecology 2000

  30. Fig. 11-16 The solubility of P ions in the soil. pH低時，P 會與Fe 或Al離子結合，形成Fe(OH)2H2PO4 Al(OH)2H2PO4 pH高時，會形成 Ca10(PO4)6(OH)2 solubility 最高，約在pH 值在6和7間。 Ecology 2000

  31. 11.8 硫參與許多 redox反應。(Fig. 11-17) 還原狀態 氧化狀態 Ecology 2000

  32. 人為的 Fig. 11-18 全球硫循環。單位：1012g Ecology 2000

  33. 11.9 生態体系的元素循環，相當複雜。 • Element cycles are linked at many different levels. • 因為相互牽連，人為活動所造成的全球碳、氮、和磷 budgets 的變動往往相當複雜，且是不可預期的。 • 極地凍原受到CO2上升的影響，被認為是最敏感的區域。碳與氮循環是相互coupled (Fig. 11-19)。 Ecology 2000

  34. 植物體 土壤 Fig. 11-19 於極地凍原區的碳與氮的互動關係之理論模型。 Ecology 2000

  35. 11.10 微生物在元素循環中有特殊的功能。 • 微生物是重要的分解者，讓有機物質得以完全的分解，完成元素的循環。 • 生物獲取能量有3種方式： • photoautotrophs (光合作用) • heterotrophs (氧化有機物質) • chemoautotrophs (氧化無機物質) • deep-sea hydrothermal vents (靠微生物的生產) Ecology 2000

  36. 問題與討論 • 請提出問題！ Ecology 2000

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